(57)【要約】【課題】ネジの径や長さや材料強度を大きくすることなく、高い正回転及び逆回転トルク伝達性能を有するトルク伝達用ネジを提供する。【解決手段】ネジの座面またはネジ部の少なくても一方の摩擦係数を大きくすることまたは座面との摩擦係数が大きい座金を座面間に挿入することにより上記課題を達成する。ならびに、座面にテーパーを付けることにより雌ネジ先端部の圧縮破壊を防止し上記課題を達成する。【選択図】図1
2020024032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
座面またはネジ部の少なくても一方の摩擦係数が0.4以上であることを特徴とするトルク伝達用ネジ。
【請求項２】
座面との摩擦係数が0.4以上となる座金を座面間に挿入することを特徴とするトルク伝達用ネジ及び座金。
【請求項３】
座面及び座金にテーパーがついていることを特徴とする請求項１及び請求項２に記すトルク伝達用ネジ及び座金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
機械、建築、土木等の分野におけるネジ及び座金の領域で、主として丸棒や管のねじり力（トルク）を伝達する接合部に用いるネジに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ネジは部材を接合するために様々な分野で多くの用途に利用されている。ネジは力学的には以下のような接合を目的に使用されている。
(1)ネジ山のせん断耐力で軸方向の軸力を伝える
(2)ネジを締め付けることにより発生する座面の摩擦力および軸のせん断耐力により軸直角方向のせん断力を伝える。
(3)ネジを締め付けることにより発生する座面の摩擦力およびネジのせん断耐力によりネジの軸回転方向の力（トルク）を伝える。
ネジは一般的には(1)(2)を目的に考案されたものが多く、(3)を目的にしたものは少ない。(3)の目的で使用されるネジは(1)(2)用のネジをそのネジが有する許容トルク内で用いられているのが実態である。本発明は(3)の性能を向上させることを目的にしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
ネジは(1)(2)を目的に作られたものが多く、(1)、(2)に関する特許文献は多く存在するが、(3)を目的にしたネジに関する特許文献は検索できていない。
【非特許文献】
【０００４】
ネジに関する多くの専門書（例えば「ネジの締結の原理と設計」:山本晃著）等はあるが、(1)(2)に関する記述であり、(3)に関する記述があるものは確認できていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
目的が(1)の場合、ねじの耐力はネジ山のせん断耐力によって決まり、その剛性はトルクによって軸に導入された引っ張り力による。(2)の場合はトルクによって導入される軸の引っ張り力により生じる摩擦力とネジのせん断耐力によって接合部に作用する力が伝達される。また引っ張り力の導入は「ネジの固定」という観点からも効果がある。したがって(1)(2)を目的としたネジは大きな軸力を導入することが重要となる。その方法として、ネジのリード角を小さくすること及び接触面の摩擦係数を小さくすること、があげられる。したがって、一般的なネジはリード角を0.1rad以下で、摩擦係数を0.1〜0.3の範囲で製造され、使用されることが多い。しかしこのように考えられている従来のネジは「ネジ自体でトルクを伝達する」という観点から考えると小さなトルクで軸力が大きくなりすぎ、「大きなトルクを伝達する」という点からは適切ではない場合がある。本発明が解決しようとする第一の課題は、ネジ径や材料強度を大きくすることなく、トルク伝達能力（以下許容トルクという）を向上させることにある。
また、ネジは逆向きにトルクが作用する場合がある。本発明が解決しようとする第二の課題は逆回転で解除できるトルク、言い換えると逆回転に解けないで耐えられるトルク（以下「解除トルク」という）を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
トルクを伝達するネジの破壊のパターンは以下のように分類でき、これらの中で最も小さい値が許容トルクとなる。
Ａ雄ネジ破壊  
Ａ１  雄ネジの軸部根元の引っ張り・ねじり破壊
Ａ２  雄ネジのネジ山のせん断破壊
Ｂ雌ネジ破壊  
Ｂ１  雌ネジの軸部根元のねじり破壊
Ｂ２  雌ネジの軸部先端の圧縮・ねじり破壊
Ｂ３  雌ネジのネジ山のせん断破壊
【０００７】
上記の値はそれぞれ以下の方法で大きくすることができる。Ａ２、Ｂ３はネジ山の総断面積を大きくすることで達成できる。これはネジ径を大きくせずネジ部を長くすることで可能となるので本検討対象からは除外する。Ｂ１はねじり力のみが作用するため軸部断面積を大きくすることが唯一の方法である。Ａ１，Ｂ２は軸力とねじり力が作用するため、(1)軸部断面積を大きくすること、(2)摩擦係数を大きくすること、(3)ネジピッチを大きくすること、が考えられる。したがって限定された外径の範囲で許容トルクを大きくするためには、Ａ１，Ｂ１、Ｂ２トルクに影響を及ぼす因子とその影響度及びそれらと許容トルクとの関係を明らかにすることが重要となる。本発明の課題解決の手段は、上記関係を用いて、許容トルクの最大化を実現するために、ネジ部と座面の摩擦係数の大きくすることにある。上記の手段にはネジピッチ及び雌ネジと雄ネジの軸部断面積の比率の最適化を行うことが必要となる。
【発明の効果】
【０００８】
大きなコスト増がなく、より大きなトルクをより小さな径や断面積のネジで伝達できるという本発明は接合部のコスト削減と施工スピードの向上を可能とする。高強度厚肉鋼管の接合において、ネジ外径が鋼管径以下で鋼管の全強度を伝達できることの価値は大きい。特にボーリングロッドのように接合部を中空にしなければならない管の接合部は接合部強度の向上はより大きな中空部の確保を可能とする。加えて、従来は溶接以外には手段がなかった接合部にネジ接合を用いることが可能となると、溶接の品質管理面の課題や溶接工の技量問題を解決できる。特に建築、土木の現場における現場溶接は課題が多く、天候、周辺環境、技量等に左右されないネジのような機械式接合のニーズは大きい。
逆回転トルクが作用するネジは一般的には「戻り止め」を付けることが必要である。解除トルクの向上は「戻り止め」を不要にする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ネジの模式図を兼ねた実施例１のイメージ図である。
【図２】Dmo=28mm、μ1=μ2=0.15の場合の各トルクとネジピッチＰの関係を表したグラフである。
【図３】Dmo=28mm、μ2=0.15の場合の各トルクと摩擦係数μ1の関係を表したグラフである。
【図４】Dmo=28mm、μ1=0.15の場合の各トルクと摩擦係数μ2の関係を表したグラフである。
【図５】Dmo=28mm、μ1=μ2の場合の各トルクと摩擦係数μ1、μ2の関係を表したグラフである。
【図６】Dmo=24mmでμ1をパラメータにした場合の各トルクと座面の摩擦係数μ2の関係を表したグラフである。
【図７】実施例２に示す高摩擦座金を用いたネジのイメージ図である。
【図８】実施例３に示すテーパー付き高摩擦座金を用いたネジのイメージ図である。
【図９】解除トルク/締め付けトルクと摩擦係数μ（＝μ1＝μ2）の関係を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、Ａ１，Ｂ１，Ｂ２トルク及び許容トルクと影響因子の特性を「ネジの力のつり合い」を用いて関係式を導くことにより説明する。図１は本発明が対象とするトルク伝達用ネジのイメージ図である。ネジはネジ山と座面を有する雄ネジと雌ねじから構成され、それぞれの寸法記号を同図に示す。
一般的にネジの（締め付け）トルクTrと軸に作用する引っ張り力Fの力のつり合いは下式で与えられる。
Tr =F( (μ1+tanβ) Dp/2＋μ2Dｚ/2)
a＝ (μ1+tanβ) Dp/2、b＝μ2Dｚ/2と置くと上式は
Tr =F(a＋b)      （１）
で表せる。aをクサビ効果とネジ部の摩擦によより伝達されるトルクTrj、bを座面により伝達されるトルクTrｚとすると、（1）式は
Tr = Trj + Trｚと表され、
Trj =Fa            （２）
Trｚ=Fb            （３）
である。
【００１１】
＜Ａ１破壊トルクTra1＞
ねじり力Trにより発生する軸部の引っ張り力はＦである。Ｆにより発生する引っ張り応力σは、断面積をAmとすると、
σ＝F/Ａm= Tr/(a＋b) /Am        （４）
である。雄ネジ軸部に作用するねじり力はTrj（＝Fa）であるので、Trjにより発生するせん断応力τは、極断面係数をZm（=πDmo3/16）とすると、
τ= Trj /Zm =Fa/Zm= Tr/(a＋b) a/Zm＝Tr a/(Zm(a＋b))        （５）
である。破壊はミーゼスの降伏条件に従うと仮定すると、τ、σ、材料降伏耐力σyは、
σy=√（σ2+3τ2）        （６）
なる関係式を有する。（４）（５）式を（６）式に代入すると、
σy＝√（(1/ Am )2+3(a/Ｚm)2）Tr/ (a＋b)  となり、
Tra1 = σy Am (a＋b) /√（1+3(Am a/Zm)2）        （７）
を得る。
【００１２】
＜Ｂ１破壊トルクTrb1＞
Ｂ１破壊トルクは許容せん断力σy/√3に極断面係数Zf（=π（Dfo4-Dfi4）/(16 Dfo)）)をかけた値であるので、
Trb1=σy/√3 Zf        （８）
である。
＜Ｂ２破壊トルクTrb2＞
Ｂ２破壊で発生する雌ネジ先端の圧縮力Cは、ねじり力Trが作用した時の雄ネジの引っ張り力Ｆに等しい。したがって圧縮応力σは、断面積をAfとすると、
σ＝C/ Af＝Ｆ/ Af =Tr/(a＋b) / Af         （９）
である。雌ネジ先端に作用するねじり力はTrz（= Fb）であるので、Trzにより発生するせん断応力τは、極断面係数をZf（=π（Dfo4-Dfi4）/(16 Dfo)）)とすると、
τ＝Trz / Zf =Fb/Z = Tr b /(a＋b) / Zf          （１０）
となる。（９）（１０）式をを（６）式に代入することにより、
Trb2 =σyAf (a＋b)/√（1+3（Af b/Zf）2）                     （１１）
を得る。
【００１３】
＜数式中の記号の説明＞
Am        ：雄ネジ軸部の断面積（=πDfo2/4）
Af          ：雌ネジ軸部の断面積（=π（Dfo2-Dfi2）/4）
a       ：Dp/2(μ1+tanβ)
b       ：μ2Dｚ/2
C       ：雌ネジ先端部の圧縮力
Dfo       ：雌ネジの外径
Dfi        ：雌ネジの谷径（内径）
Dmo     ：雄ネジの谷径（外径）
Dp        ：ネジの有効径（=(Dfi+Dmo）/2）
DZ        ：座面の有効径（=(Dfi+Dfo）/2）
F       ：軸に作用する引っ張り力
P       ：ねじピッチ
Tr      ：（締め付け）トルク
Tra1      ：Ａ１破壊トルク
Trb1      ：Ｂ１破壊トルク
Trb2      ：Ｂ２破壊トルク
Trj         ：軸部のトルク
Trr     ：解除トルク
Trｙ    ：許容トルク
Trｚ      ：座面に作用するトルク
Zm     ：雄ネジ軸部の極断面係数（=πDmo3/16））
Zｆ     ：雌ネジ軸部の極断面係数（=π（Dfo4-Dfi4）/(16 Dfo)）)
β      ：ネジのリード角（=P/(πDZ)）
μ1       ：ネジ部の摩擦係数
μ2       ：座面の摩擦係数
σ ：引張応力
σy        ：材料の降伏耐力
τ      ：せん断応力
θ      ：ネジ軸に対する座面のテーパー角度
【実施例１】
【００１４】
図1に示すネジの諸元をそれぞれ、雌ネジの外径Dfo=40.5mm、摩擦係数μ1=μ2＝0.15、羽根ピッチP=6.5mm、雄ネジと雌ネジの谷径の差（ネジの掛かり）Dfi−Dmo=4mm, 降伏耐力σy＝785MPa、とした場合の最大許容トルクはDfi=32mm、Dmo=28mmの時に得られ、その値は約2.2kNm（図３に〇Dで示す）である。以下、このモデルを用いてＡ１，Ｂ１，Ｂ２トルク（以下「各トルク」という）の特性を説明する。
図２は上記モデルの「各トルクとネジピッチＰ」の関係を表したグラフである。各トルクはそれぞれ（７）式、（８）式、（１１）式で計算した値である。Ｐが大きくなってもＢ１トルクは変化せず、Ａ１トルクもあまり増加しない。Ｂ２トルクは漸増するが、あとで述べる摩擦係数と比較してあまり効果的ではない。したがってネジピッチＰは本検討対象から除外する。
図３は上記モデルのμ2＝0.15の場合の「各トルクとネジ部の摩擦係数μ1」の関係である。Ａ１トルクはμ1が大きくなっても、ねじりが発生するために、あまり大きくならない。したがって、μ1のみでは、（Ｂ２トルクは大きくなるが、）許容トルクは大きくならず、μ1=0.5の時約2.3kNm（図３に〇D’で示す）である。
図４はμ1＝0.15の場合の「各トルクと座面の摩擦係数μ2」の関係である。Ａ１トルクはμ2が大きくなると線形に大きくなり、Ｂ２トルクはＢ１トルクに近い値に漸近する、という特性を有す。μ2を大きくすることは効果的でμ2=0.5の時に許容トルクは約3.4kNm（図４に〇Eで示す）である。
図５はμ1とμ2を同じ値とした場合の「各トルクとμ1μ2」の関係である。Ａ１トルク，Ｂ２トルクとも増加し、許容トルクはμ1=μ2=0.5の時約3.7kNm（図５に〇Fで示す 、2.2kNmの1.7倍）となる。
【００１５】
ネジ部の摩擦力を大きくする方法としては、適切に表面処理されたネジ部の(1)発錆、(2)無機ジンクリッチペイントの塗布、(3)アルミ等の金属の溶射、(4)粉体塗装等が考えられる。座面の摩擦力の向上は上記に加えて、一方の座面を機械加工（たとえば(1)切削加工、(2)レーザー加工、(3)ローレット加工）することにより表面に凹凸をつけた後熱処理による硬化処理を行う、等の方法が考えられる。いずれも他の用途で確立された技術であり実績もある。
【実施例２】
【００１６】
実施例１のモデルの雄ネジの谷径Dmoと雌ネジの谷径Dfiはμ1=μ2=0.15の場合の最適谷径であり、摩擦係数を大きくできる条件における最適谷径とは言えない。図６はDfi=28mm、Dmo=24mmとした場合の「μ1を0.1〜0.3に変化させた場合の各トルクとμ2の関係」を表したグラフである。実線がＡ１トルク、点線がＢ１トルク、破線がＢ２トルクを示す。Ａ１トルクはμ2を大きくすると線形に増加し、その増加率はμ1が小さいほど大きい。Ｂ２トルクはμ1が大きいほど大きく、その増加率はμ2が小さい方が大きい。μ2が大きな範囲では、Ａ１トルクはμ1が小さいほど、Ｂ２トルクはμ1が大きいほど大きくなり相反する関係となる。本形状の場合、ネジ部の摩擦係数μ1を通常の0.15程度のままとした場合、座面の摩擦係数μ2が0.9程度の時、許容トルクは約4.6kNm（図６に〇Gで示す）となる。実施例1モデルの許容トルク2.2kNmと比較すると約2倍以上の許容トルクを得ることができる。また上記形状（Dfi=28mm、Dmo=24mm）は摩擦係数の最大値0.9、外径40.5mmという条件下で、許容トルクの最大値に近い値を与える形状である。摩擦係数0.9は実施例1に記す「座面の摩擦力を大きくする方法」で可能である。
【実施例３】
【００１７】
図７は座面に「高摩擦座金」を挿入したネジの模式図である。座面との高摩擦を可能とする座金を雄ネジと雌ネジの座面間に挿入することでも実施例２と同様の効果を上げることができる。高摩擦座金の高摩擦化も実施例１で記したものと同様の方法で可能である。本発明を用いることにより既存のネジの許容トルクを大きくすることが可能となる。
【実施例４】
【００１８】
図８は座面に角度θのテーパーを付けたネジの模式図である。このテーパーは雌ネジ先端に圧縮力がかかった際の「半径方向のふくらみ」を防止する拘束効果があり、Ｂ２の圧縮破壊荷重を大きくすることができる。それにより座面の面圧が大きくなり見かけ上のμ2が大きくなる。その結果、Ａ１トルクも大きくなり許容トルクはさらに大きくできる。テーパーのついた座面にテーパーのついた「高摩擦座金」を挿入することによっても上記と同じ効果が期待できる。
【実施例５】
【００１９】
ネジの解除トルクTrrは以下の式で与えられる。
Trr =F( (μ1-tanβ) Dp/2＋μ2Dｚ/2)          （１２）
図９は「解除トルクTrr/締め付けトルクTr」と摩擦係数μ（＝μ1＝μ2）との関係をネジのリード角βをパラメータにして表した図である。ネジ部と座面の摩擦係数を大きくすることにより解除トルクが大きなることを示している。本発明は主としてトルク伝達用ネジを対象としているが、通常のネジ（「０００２」の（1）（2）の目的のネジ）の逆回転トルクを向上させたい場合にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
機械の回転軸、回転貫入杭、ボーリングロッド等、高いトルクの伝達能力が必要なロッドやシャフトの接合部に用いることができ、これまで機械接合では伝達できなかった大きなトルクの伝達が可能となる。特に、現場溶接など溶接環境が厳しい接合部に本接合を適用することで品質の向上と施工工期の短縮が図れる。
【符号の説明】
【００２１】
１      雄ネジ
２      雌ネジ
３      ネジ山
４      座面
５      高摩擦座金
６      テーパー付き高摩擦座金
【図１】
2020024032.tif 000003
【図２】
2020024032.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020024032.tif 000008
【図７】
2020024032.tif 000009
【図８】
2020024032.tif 000010
【図９】
2020024032.tif 000011