(57)【要約】【課題】ボルトを締め込む際に付与する締め付け回転トルクを、より低減することができ、ボルトを締め込む際にもたらされるボルト軸力の高軸力化を図ることが可能なボルト締め付け装置を提供すること。【解決手段】本発明のボルト締め付け装置は、締め付け回転トルク付与軸部と、該締め付け回転トルク付与軸部により付与された回転トルクをボルト頭部に伝達するとともにボルト座面に平行な横荷重をボルト頭部に付与する横荷重付与手段とを具備し、該横荷重付与手段は、締め付け回転トルク付与軸部からの回転トルクをボルト頭部に伝達する回転軸部と、外周面と内周面とを有し該外周面の中心軸線と内周面の中心軸線とが異なる偏心リングであって、該内周面が回転軸部の周囲に配設され回転軸部が回転される際に回転軸部の回転方向とは逆の方向に外周面の中心軸線まわりに回転する偏心リングを備える偏心移動機構部とを有する。【選択図】図３
2010253659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボルト頭部と、雄ネジ部を備えるボルト軸部とを有するボルトを用いて、被締結体を締結する際に使用するボルト締め付け装置において、
回転動力源に接続され前記雄ネジ部を回転させる回転トルクを付与する締め付け回転トルク付与軸部と、
前記締め付け回転トルク付与軸部により付与された回転トルクを前記ボルト頭部に伝達するとともに、前記ボルト頭部に伝達された回転トルクにより前記雄ネジ部が回転される際に、ネジ面およびボルト座面にもたらされる面圧を意図的に偏らせるべく、前記ボルト座面に平行な横荷重を前記ボルト頭部に付与する横荷重付与手段とを具備し、
前記横荷重付与手段は、
前記ボルトを締め付ける際に前記締め付け回転トルク付与軸部により回転トルクが付与されボルト締め付け方向に回転し、該回転トルクを前記ボルト頭部に伝達し前記雄ネジ部をボルト締め付け方向に回転させる回転軸部と、
外周面と内周面とを有し前記外周面の中心軸線と前記内周面の中心軸線とが異なる偏心リングであって、前記回転軸部の周囲に前記内周面が配設され前記回転軸部が前記締め付け回転トルク付与軸部により回転される際に前記回転軸部の回転方向とは逆の方向に前記外周面の中心軸線回りに回転する偏心リングを有し、前記回転軸部が前記締め付け回転トルク付与軸部により回転される際に、前記偏心リングにより前記回転軸部を介して前記ボルト座面に平行な横荷重を前記ボルト頭部に付与して、前記回転軸部の回転方向とは逆の方向への前記外周面の中心軸線まわりの前記ボルト頭部および前記ボルト軸部の移動をもたらす偏心移動機構部とを有し、
前記締め付け回転トルク付与軸部は第１係合部を有し、前記回転軸部は前記第１係合部と係合する第２係合部を有し、前記第１係合部と前記第２係合部とは、前記締め付け回転トルク付与軸部により付与された回転トルクを前記回転軸部が前記ボルト頭部に伝達するように係合され、且つ、前記締め付け回転トルク付与軸部に対する前記回転軸部の前記ボルト座面に平行な所定量の相対移動を許可する遊びを有して係合される、
ことを特徴とするボルト締め付け装置。
【請求項２】
前記締め付け回転トルク付与軸部の第１係合部は突起部として形成され、前記回転軸部の第２係合部は穴部として形成される、ことを特徴とする請求項１に記載のボルト締め付け装置。
【請求項３】
前記偏心リングの内周面は、軸受を介して前記回転軸部の周囲に配設される、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボルト締め付け装置。
【請求項４】
前記偏心リングは、該偏心リングの前記外周面の中心軸線と前記内周面の中心軸線との離間距離を調整しうるように、前記外周面を形成する外側偏心リングと前記内周面を形成する内側偏心リングとを有して構成され、
前記回転軸部が前記締め付け回転トルク付与軸部により回転される際に、前記外側偏心リングと前記内側偏心リングとは互いに対して相対的に滑らないように係合される、ことを特徴とする請求項３に記載のボルト締め付け装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルトを用いて各被締結部品を締結する際に使用するボルト締め付け装置に関し、特に、せん断外力が被締結部品に作用した際における被締結部品間のすべりを各被締結部品間の摩擦接合により防止すべく各被締結部品を締結する際に使用するボルト締め付け装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の被締結部品を相互に締結させる方法の一つに、ボルトを用いて各被締結部品を相互に締結する方法がある。ボルトを用いて各被締結部品を相互に締結させる場合、特に、せん断外力が作用した際における被締結部品間のすべりを各被締結部品間の摩擦接合により防止すべくボルトを用いて各被締結部品を相互に締結させる場合、ボルトの締め付けによりもたらされるボルト軸線方向の軸力（以下、ボルト軸力と称す）を高く安定させることが重要となる。ボルトの締め付けによりもたらされたボルト軸力が低軸力の場合、各被締結部品間に十分な摩擦接合がもたらされず、被締結部品がせん断外力を受けた場合に被締結部品間にすべりが生じ、このことは、ボルトの緩みを引き起こす可能性が高い。
【０００３】
ボルトの締め付けによりもたらされるボルト軸力を常に安定させるべく、ボルトのネジ部に摩擦係数安定剤を付着させることは知られている（特許文献１参照）。特許文献１においては、摩擦係数安定剤をネジ部品等の締結材に付着させることにより、そのネジ部品の締結時の摩擦係数を安定化させ、なおかつ任意の摩擦係数値を付与することができ、ネジ部品のような締結材の緩みや破断等の問題点を解消できることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−４０９９１号明細書
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００６／１２６７４２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１において示されているような、摩擦係数安定剤を使用することでボルト軸力の安定化を図る場合においては、ボルト軸力の高軸力化という点において課題が残されていると考える。
【０００６】
ボルトにより各被締結部品を相互に締結する場合、ボルト締め付け後において容易にネジ部が緩むことがないようにする必要があり、少なくとも、ボルト締め付け後において、ネジ部が自立していなければならないという条件を満たす必要があると考える。
【０００７】
ここで、”ネジ部が自立している”という表現は、ボルトの雄ネジ部を、雌ネジ部に鉛直方向から挿入した際に、雄ネジ部と雌ネジ部とが係合する面（以下、ネジ面と称す）、あるいは、ボルト頭部の摩擦面（以下、ボルト座面と称す）の摩擦係数が小さ過ぎて、ボルト頭部に回転トルクを付与していないにもかかわらず、ボルトの自重のみあるいはボルト軸力によりボルトが回転してしまうようなことがない状態を意図している。
【０００８】
ネジ部が自立していない状態においては、ボルト頭部に回転トルクを付与しボルトの締め付けを行っても、ボルト頭部への回転トルクの付与を解除した際に、ボルトの締め付けによりもたらされたボルト軸力により雄ネジ部と雌ネジ部が相対的に回転移動してしまい、ボルト軸力が低下しまうことが考えられる。
【０００９】
ボルト軸力の高軸力化を図るべく、摩擦係数の極めて小さな潤滑剤をネジ部に付着させネジ面そのものの摩擦係数を低減させる場合、ボルト締め付け後の上記に述べたネジ部の自立が問題となり、この問題を解消すべく、摩擦係数安定剤によるネジ面の摩擦係数の低減には、設計条件に応じて、ある一定の制限が課せられることになることが考えられる。よって、摩擦係数安定剤の使用による、ボルト軸力の高軸力化には、ある一定の制限が課せられることになると考える。
【００１０】
ボルトを用いて各被締結部品を相互に締結させる場合、ボルト締め付けの際にもたらされるボルト軸力が高ければ高いほど、より強固な各被締結部品間の摩擦接合がもたらされることとなる。
【００１１】
従って、せん断外力が作用した際における各被締結部品間のすべりを各被締結部品間の摩擦接合により防止すべくボルトを用いて各被締結部品を相互に締結させる場合においては、ボルトを締め付ける際にもたらされるボルト軸力の高軸力化を図ることが可能な手段であって、ボルト締め付け後のネジ部の自立という点を考慮する必要がない手段を見出すこと、つまり、摩擦係数安定剤を用いた場合でもさらに高いボルト軸力をもたらすことが可能な手段を見出すことが一つの重要な課題であると考える。
【００１２】
この課題に対する一つの解決策として、ボルトを用いて被締結体を締結する際に、ボルト座面に平行な横荷重をボルト頭部に付与することでネジ面およびボルト座面の面圧を偏らせた状態で、ボルトの雄ネジ部を回転させる回転トルクをボルト頭部に付与し、ボルトを締め込むボルト締め付け方法およびボルト締め付け装置が提案されている（特許文献２参照）。
【００１３】
このボルト締め付け装置によれば、ボルト座面に平行な所定の横荷重をボルト頭部に付与しつつ、ボルト頭部に回転トルクを付与してボルトを締め込むことにより、ボルト軸線をボルト座面の垂線に対して極めて僅かな角度ではあるが所定の角度を有して傾斜させつつ、また、ボルト頭部をボルト座面に対して極めて僅かな角度ではあるが所定の角度を有して傾斜させつつ、ボルトを締め込むことができ、よって、ボルトを締め込む際にもたらされるネジ面およびボルト座面の面圧を所望の状態に偏らせることを可能とする。
【００１４】
ボルトの締め込みの際にもたらされるネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に所望の状態に偏らせることで、ボルトを締め込む際の実際のボルトの回転中心線をボルトの中心軸線からネジ面およびボルト座面の高面圧側方向へ移動させることができ、これにより、ボルトの締め付け回転トルクを低減しネジ部に発生する捩じり応力を低減させ、ボルト軸力を高めに安定させることができ、ボルト軸力の高軸力化を図ることが可能となる。
【００１５】
また、ボルトの締め付けが完了し、ボルト頭部に付与されていた回転トルクが解放された後は、ネジ面そのものの摩擦係数に応じてもたらされる摩擦力により雄ネジ部と雌ネジ部との係合を維持することができる。これにより、ボルト軸力の高軸力化を図るべく摩擦係数のみを減少させる場合に問題となるネジの自立による高軸力化の制限を受けることはなく、摩擦係数安定剤を併用した場合、より高いボルト軸力をもたらすことが可能となる。
【００１６】
本発明は、ボルトを用いて被締結体を締結する際にボルト座面に平行な横荷重をボルト頭部に付与することでネジ面およびボルト座面をボルト軸直角方向に微小にすべらせた状態で、ボルトの雄ネジ部を回転させる回転トルクをボルト頭部に付与しボルトを締め込むボルト締め付け装置の改良を目的とし、特に、ボルトを締め込む際に付与する締め付け回転トルクを、より低減することができ、ボルトを締め込む際にもたらされるボルト軸力の高軸力化を図ることが可能なボルト締め付け装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、ボルト頭部と、雄ネジ部を備えるボルト軸部とを有するボルトを用いて、被締結体を締結する際に使用するボルト締め付け装置において、回転動力源に接続され前記雄ネジ部を回転させる回転トルクを付与する締め付け回転トルク付与軸部と、前記締め付け回転トルク付与軸部により付与された回転トルクを前記ボルト頭部に伝達するとともに、前記ボルト頭部に伝達された回転トルクにより前記雄ネジ部が回転される際に、ネジ面およびボルト座面をボルト軸直角方向に意図的に微小にすべらせるべく、前記ボルト座面に平行な横荷重を前記ボルト頭部に付与する横荷重付与手段とを具備し、前記横荷重付与手段は、前記ボルトを締め付ける際に前記締め付け回転トルク付与軸部により回転トルクが付与されボルト締め付け方向に回転し、該回転トルクを前記ボルト頭部に伝達し前記雄ネジ部をボルト締め付け方向に回転させる回転軸部と、外周面と内周面とを有し前記外周面の中心軸線と前記内周面の中心軸線とが異なる偏心リングであって、前記回転軸部の周囲に前記内周面が配設され前記回転軸部が前記締め付け回転トルク付与軸部により回転される際に前記回転軸部の回転方向とは逆の方向に前記外周面の中心軸線回りに回転する偏心リングを有し、前記回転軸部が前記締め付け回転トルク付与軸部により回転される際に、前記偏心リングにより前記回転軸部を介して前記ボルト座面に平行な横荷重を前記ボルト頭部に付与して、前記回転軸部の回転方向とは逆の方向への前記外周面の中心軸線まわりの前記ボルト頭部および前記ボルト軸部の移動をもたらす偏心移動機構部とを有し、前記締め付け回転トルク付与軸部は第１係合部を有し、前記回転軸部は前記第１係合部と係合する第２係合部を有し、前記第１係合部と前記第２係合部とは、前記締め付け回転トルク付与軸部により付与された回転トルクを前記回転軸部が前記ボルト頭部に伝達するように係合され、且つ、前記締め付け回転トルク付与軸部に対する前記回転軸部の前記ボルト座面に平行な所定量の相対移動を許可する遊びを有して係合される、ことを特徴とするボルト締め付け装置が提供される。
【００１８】
すなわち、請求項１に記載の発明では、回転動力源に接続され雄ネジ部を回転させる回転トルクを付与する締め付け回転トルク付与軸部と、締め付け回転トルク付与軸部により付与された回転トルクをボルト頭部に伝達するとともに、雄ネジ部が回転される際に、もたらされるネジ面およびボルト座面をボルト軸直角方向に意図的に微小にすべらせるべく、ボルト座面に平行な横荷重をボルト頭部に付与する横荷重付与手段とをボルト締め付け装置が有することで、ボルトを用いて被締結体を締結する際に、ネジ面およびボルト座面をボルト軸直角方向に微小にすべらせた状態で、ボルトの雄ネジ部を回転させる回転トルクをボルト頭部に付与して、ボルトを締め込むことが可能となる。ここで、ネジ面とは、ボルトの雄ネジ部と該雄ネジ部に対応する雌ネジとが係合する面を示す。また、ボルト座面とは、被締結体とボルト頭部とが係合する面を示し、ボルト頭部と被締結体との間に、例えば平座金やバネ座金など座金が配置される場合には、該座金と被締結体とが係合する面を示す。
【００１９】
また、請求項１に記載の発明の横荷重付与手段によれば、偏心移動機構部の偏心リングにより、ボルトを締め込む際に、ネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせた状態で、且つ、ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動している状態でボルトを締め込むことを可能とする。物体平面が並進力で直進滑りしている際においては、回転力を追加したときの該物体の回転方向の見掛けの摩擦係数は非常に小さくなることが知られている。すなわち、物体が直進滑りしている際においては、物体が静止している際に該物体を回転させる場合と比較して、より小さな回転トルクで該物体を回転させることができる。よって、ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動している状態でボルトを締め込むことを可能とする請求項１に記載の発明によれば、ボルトを締め込む際に必要となる締め付け回転トルクを、ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動していない状態でボルトを締め込む場合と比較して、より低減することができ、ボルトを締め込む際にもたらされるボルト軸力の高軸力化を図ることが可能となる。
【００２０】
さらに、請求項１に記載の発明の横荷重付与手段によれば、ボルトを締め付けるべく回転トルクが回転軸部に付与され該回転軸部がボルト締め付け方向に回転される際に、偏心リングにより回転軸部を介してボルト座面に平行な横荷重をボルト頭部に付与して、回転軸部の回転方向とは逆の方向への偏心リングの外周面の中心軸線まわりのボルト頭部および前記ボルト軸部の移動をもたらす偏心移動機構部を有することで、ボルトを締め付ける際に、ボルト頭部およびボルト軸部をボルト締め付け方向とは逆の方向に偏心リングの外周面の中心軸線まわりに移動させつつ、回転軸部を自身の回転中心軸線まわりにボルト締め付け方向に回転させてボルトを締め付けることができる。
【００２１】
偏心リングによる回転軸部を介したボルト座面に平行な横荷重のボルト頭部への付与はネジ面の一部に高面圧部をもたらし、また、ボルト締め付け方向とは逆の方向への偏心リングの外周面の中心軸線まわりのボルト軸部の移動は、ボルト締め付け方向とは逆の方向の該高面圧部の回転移動をもたらす。このようなネジ面に発生する高面圧部の移動は、外輪中に内輪を配置して外輪に対して内輪が滑らないように接触させながら、内輪をボルト締め付け方向とは逆の方向に外輪の中心軸線まわりに移動させる場合にもたらされる高面圧部の移動と同様であり、このような場合、内輪には自身の回転軸線まわりのボルト締め付け方向への回転力が付与される。すなわち、ボルト締め付け方向とは逆の方向への偏心リングの外周面の中心軸線まわりのボルト軸部の移動をもたらすことにより、ボルト軸部に対して自身の回転軸線まわりのボルト締め付け方向への回転力を付与することができ、ボルトを締め込む際に必要となる締め付け回転トルクを、さらに低減することができ、より効果的にボルトを締め込む際にもたらされるボルト軸力の高軸力化を図ることが可能となる。
【００２２】
請求項２に記載の発明によれば、前記締め付け回転トルク付与軸部の第１係合部は突起部として形成され、前記回転軸部の第２係合部は穴部として形成される、ことを特徴とする請求項１に記載のボルト締め付け装置が提供される。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、前記偏心リングの内周面は、軸受を介して前記回転軸部の周囲に配設される、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボルト締め付け装置が提供される。
【００２４】
請求項４に記載の発明によれば、前記偏心リングは、該偏心リングの前記外周面の中心軸線と前記内周面の中心軸線との離間距離を調整しうるように、前記外周面を形成する外側偏心リングと前記内周面を形成する内側偏心リングとを有して構成され、前記回転軸部が前記締め付け回転トルク付与軸部により回転される際に、前記外側偏心リングと前記内側偏心リングとは互いに対して相対的に滑らないように係合される、ことを特徴とする請求項３に記載のボルト締め付け装置が提供される。
【発明の効果】
【００２５】
各請求項に記載の発明によれば、ボルトを用いて被締結体を締結する際にボルト座面に平行な横荷重をボルト頭部に付与することでネジ面およびボルト座面の面圧を偏らせた状態で、ボルトの雄ネジ部を回転させる回転トルクをボルト頭部に付与しボルトを締め込むボルト締め付け装置であって、ボルトを締め込む際に付与する締め付け回転トルクを、より効果的に低減することが可能なボルト締め付け装置の提供を実現するという、共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ボルト頭部にボルト座面に平行な横荷重が付与される前のボルトの一状態を示す図である。
【図２】図１に示された状態から、ボルト座面と平行な横荷重がボルト頭部に付与され、さらにソケットにボルト頭部を回転させる回転トルクが付与された際のボルトの状態を示す図である。
【図３】本発明のボルト締め付け装置の一実施形態の構成を説明する図である。
【図４】偏心リングの一実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
まず、図１および図２を参照して本発明のボルト締付け装置によるボルト締め付け方法の基本概念について説明する。
【００２８】
図１は、ボルト頭部にボルト座面に平行な横荷重が付与される前のボルトの一状態を示す図である。図１において、１はボルト、２はボルト頭部、３はボルト軸部、４はボルト軸部３に設けられた雄ネジ部、５は各被締結部品、６は雄ネジ部と係合する雌ネジ部、７はボルト頭部２に回転トルクを伝達するソケット、８はボルト頭部２と被締結部品５とが係合する面となるボルト座面、９は雄ネジ部４と雌ネジ部６とが係合する面となるネジ面、１０は各被締結部品間の摩擦接合面、をそれぞれ示す。
【００２９】
図２は、図１に示された状態から、ボルト座面８と平行な横荷重がボルト頭部２に付与され、さらにソケット７にボルト頭部２を回転させる回転トルクが付与された際のボルトの状態を示す図である。
【００３０】
図２に示されるように、ボルト座面８に平行な横荷重がボルト頭部２にソケット７を介して付与されると、ボルト軸線１１はボルト座面の垂線１２に対して傾斜し、また、ボルト頭部２はボルト座面８に対して傾斜した状態とされる。但し、図２においては、これらの傾斜の状態を明らかにすべく図示されているが、実際には、これらの傾斜の有する角度θ１は、例えば０．０１°のような極めて僅かな角度である。
【００３１】
このような状態、すなわち、ボルト軸線１１がボルト座面の垂線１２に対して傾斜され、また、ボルト頭部２がボルト座面８に対して傾斜された状態で、ソケット７を介して回転トルクがボルト頭部２に付与されると、ボルト座面８およびネジ面９の面圧が偏った状態で、ボルトが締め込まれることになる。
【００３２】
本出願人は、ボルト座面８に平行な横荷重をボルト頭部２に付与し、ボルト１の締め込みの際にもたらされるボルト座面８およびネジ面９の面圧を偏らせた状態で、ボルト１を締め込むことで、ボルト座面８とネジ面９の面圧の偏りに起因して、実際のボルトの回転中心線（瞬間回転中心線とも称す）をボルト軸線１１からネジ面９およびボルト座面８の高面圧側方向へ移動させることができ、これにより、ボルト頭部２に横荷重を付与しない場合と比較し、より少ない締め付けトルクで、より高いボルト軸力をもたらすことが可能であることを、有限要素法解析（ＦＥＭ）により見出した。
【００３３】
このことを導くにあたり、本出願人は、先ず、ボルトで締結された被締結部品にせん断型荷重を付与した場合の、ボルトの締め込みに必要な回転トルクの挙動についての検証を有限要素法解析により行った。
【００３４】
ボルトで締結された被締結体にせん断型荷重を付与すると、ボルトが容易に回転してしまう現象すなわちボルトの回転緩みが発生することがあることは知られている。そして、この現象はボルト軸線回りの回転方向の摩擦係数の低下に起因するものである、とする説がある。この説によれば、ネジ面およびボルト座面ともに横すべりが存在する場合には、ボルト軸線回りの回転方向の摩擦係数が０．００５〜０．０２といった極めて小さな値に低下し、このことが、ボルトの緩み回転をもたらす、と説いている。
【００３５】
本出願人は、ボルトで締結された被締結体にせん断型荷重を付与した場合および付与しない場合に相当する解析モデルであって、ボルト座面およびネジ面の摩擦係数については、その値が０．００５〜０．０２といった極めて小さな値ではなく、ボルト座面およびネジ面が本来有する現実的な摩擦係数、例えば０．１程度の摩擦係数を維持するような拘束条件を付した解析モデルを形成し、この説の検証を行った。
【００３６】
その結果、被締結体にせん断型荷重が付与されたことによりボルト座面およびネジ座面の面圧に偏りがもたされている状態では、ボルト座面およびネジ面の摩擦係数が本来の摩擦係数として維持されているにもかかわらず、すなわちボルト座面およびネジ面の摩擦係数が、０．００５〜０．０２といった極めて小さな値とされなくとも、ボルトの回転中心線をボルト軸線から高圧面部側の方向へ移動させることにより、被締結体にせん断型荷重が付与されていない場合と比較して、ボルトを回転させるのに必要なトルクが低下することが判明した。
【００３７】
このことから、本出願人は、ボルトで締結された被締結体にせん断型荷重を付与した状態でボルトが容易に回転してしまう現象は、ボルト軸線回りの回転方向の摩擦係数が低下したためではなく、せん断型荷重が付与されたことによるボルト座面およびネジ面の面圧の偏りによりもたらされるものであり、また、ボルト座面およびネジ面の面圧が偏ることにより、実際のボルトの回転中心線がボルト軸線からボルト座面およびネジ面の高面圧部に近づく方向へ移動し、これにより、ボルトを回転させるのに必要なトルクが減少する、との基本概念を導いた。
【００３８】
ボルト座面およびネジ面の面圧が偏ることによりもたらされる実際のボルトの回転中心線は、理想的にはボルト座面の高面圧部とネジ面の高面圧部とを結ぶ直線となることが考えられる。何故なら、面圧の高い部分は移動しづらく、高面圧部を回転中心として回転すると考えるのが妥当であるからである。しかしながら、ボルト座面およびネジ面の面圧の偏りは、一点に集中してもたらされることは考えづらく、ある程度の面積にわたり分布を有してもたらされることが一般的である。従って、ボルト座面およびネジ面の面圧が偏ることによりもたらされる実際のボルトの回転中心線は、ボルト座面の高面圧部に近い部分と、ネジ面の高圧面部に近い部分とを結ぶ直線となる、と推考することが妥当であると考える。
【００３９】
また、ボルト座面およびネジ面の面圧が偏ることによりもたらされる実際のボルトの回転中心線がボルト座面の高面圧部に近い部分とネジ面の高面圧部に近い部分とを結ぶ直線となると考えることで、実際のボルトの回転中心線はボルト軸線から高面圧部に近づく方向へ移動し、実際のボルトの回転中心線から高面圧部までの最短距離が短くなり、これにより、ボルトを回転させるのに必要な回転トルクが小さくなるという現象の説明を容易に導くことができる。仮に、実際のボルト回転中心線が高面圧部から遠ざかる方向へ移動すると考えた場合には、ボルトの回転中心軸線から高面圧部までの最短距離は長くなり、ボルトを回転させるのに必要なトルクは増大するはずであり、解析結果とそぐわないことになる。
【００４０】
次に、本出願人は、ボルト締め付けの際のボルト軸力の高軸力化を図ることを目的として、本基本概念をボルト締め付け方法に適用し得るか否かの検証をすべく、ボルト頭部２にボルト座面８に平行な横荷重を付与した状態における、ボルト座面８およびネジ面９の面圧およびボルト１を回転させるのに必要な回転トルクの挙動を、有限要素法解析により検証を行った。
【００４１】
この検証においては、ボルト頭部２にボルト座面８に平行な横荷重を付与した場合および付与しない場合に相当する解析モデルであって、ボルト座面８およびネジ面９の摩擦係数については、その値が０．００５〜０．０２といった極めて小さな値ではなく、ボルト座面８およびネジ面９が本来有する現実的な摩擦係数、例えば０．１程度の摩擦係数を維持するような拘束条件を付した解析モデルを形成し検証を行った。
【００４２】
その結果、ボルトで締結された被締結体にせん断型荷重を付与した場合と同様に、ボルト頭部２に横荷重が付与されたことによりボルト座面８およびネジ座面９の面圧に偏りがもたされている状態では、ボルト座面８およびネジ面９の摩擦係数が本来の摩擦係数として維持されているにもかかわらず、すなわちボルト座面８およびネジ面９の摩擦係数が、０．００５〜０．０２といった極めて小さな値とされなくとも、ボルトの回転中心線をボルト軸線１１から高圧面部側方向へ移動させることにより、ボルト頭部２に横荷重が付与されていない場合と比較して、ボルト１を回転させるのに必要なトルクが低下することが判明した。
【００４３】
従って、本基本概念をボルト締め付け方法に適用することが可能であり、ボルト座面８に平行な横荷重をボルト頭部２に付与し、ボルト１の締め込みの際にもたらされるボルト座面８およびネジ面９の面圧を偏らせた状態で、ボルト１を締め込むことで、ボルト座面８とネジ面９の面圧の偏りで、実際のボルトの回転中心線をボルト軸線１１から高面圧側方向へ移動させることができ、これにより、ボルト頭部２に横荷重を付与しない場合と比較し、より小さな締め付け回転トルクでボルトを締め込むことが可能であることが、検証されたと考える。
【００４４】
以上のように、本発明のボルト締付け装置によるボルトの締め付け方法によれば、摩擦係数そのものを変更するのではなく、締め付け方法を変えて、具体的には、ボルト座面８およびネジ面９の面圧に偏りをもたせた状態でボルトを締め込むことにより、ネジ面９の摩擦係数を小さくしたのと同じ効果を奏する、すなわち、ボルト１を締め込む際のボルト軸力の高軸力化を実現する効果を奏する。
【００４５】
また、ボルト１の締め付けが完了し、ボルト頭部２に付与されていた締め付け回転トルクが解放された後は、ネジ面９そのものの摩擦係数に応じてもたらされる摩擦力により雄ネジ部と雌ネジ部との係合を維持することができる。
【００４６】
これにより、ボルト軸力の高軸力化を図るべく摩擦係数のみ減少させる場合に問題となるネジの自立による高軸力化の制限を受けることはなく、摩擦係数安定剤を併用した場合、より高いボルト軸力をもたらすことが可能となる。
【００４７】
より高いボルト軸力は、各被締結部品間の摩擦係合面１０に強固な摩擦接合をもたらし、該強固な摩擦接合により、せん断外力が作用した際における各被締結部品間のすべりを、より万全の防止することができ、よって、各被締結部品間のすべりを回避しネジの回転緩みを、より万全に防止することが可能となる。
【００４８】
尚、本発明のボルト締付け装置によるボルト締め付け方法においては、ボルトの締め付けが完了した際に、ボルト頭部２とボルト座面８との間には、極めて僅かではあるが隙間が残存する可能性がある。しかしながら、このボルト締め付け完了時に残存する隙間は、ボルト頭部２に付与されていた回転トルクを解放する際に、あるいは、せん断外力が被締結部品に作用した際に、その際にボルト自体がバランスを取るように移動し実質的になくなることが想定され、例えばメガネのヒンジ部等のような頻繁にボルトに回転トルクが作用するような締結部への適応を除いては、ボルト軸力に対する当該隙間の影響は無視できるものと考える。
【００４９】
また、本発明のボルト締付け装置によるボルト締め付け方法においては、ボルト締め付けの際、雄ネジ部は、対応する雌ネジ部に対して傾斜して挿入されることになるが、その傾斜の度合いによってはネジ噛みが問題と可能性がある。その場合には、ボルト締め付け後のネジの自立が問題とならない範囲でネジ面に摩擦係数安定剤を適用することにより、ネジ噛みを緩和することが可能となる。
【００５０】
次に、本発明のボルトの締め付け装置の一実施形態を以下に説明する。
図３は、本発明のボルト締め付け装置の一実施形態の構成を説明する図である。
図中において、２１はボルト締め付け装置、２２は締め付け回転トルク付与軸部、２３は横荷重付与手段、２４は回転軸部、２５は偏心移動機構部、２６は偏心リング、２７はハウジングをそれぞれ示す。また、図中において、２８，２９，３０及び３１のそれぞれは、第１かさ歯車、第２かさ歯車、第３かさ歯車及び第４かさ歯車を示し、３２、３３、３４、３５及び３６のそれぞれは、第１軸受、第２軸受、第３軸受、第４軸受及び第５軸受を示す。
【００５１】
図３に示される実施形態においては、六角頭付きボルトに適用されうる本発明のボルト締め付け装置が示されている。しかしながらこれに限定されることはなく、本発明のボルト締め付け装置２１は、ボルト頭部と係合する後述する回転軸部２４のボルト係合部４０の形状を変更することにより、種々のタイプのボルトに適用させることが可能である。
【００５２】
締め付け回転トルク付与軸部２２は、回転動力源４５に接続されてボルトの雄ネジ部を回転させる回転トルクを付与する役割を果すものである。横荷重付与手段２３は、締め付け回転トルク付与軸部２２により付与された回転トルクをボルト頭部に伝達すると共に、ボルト頭部に伝達された回転トルクによりボルトの雄ネジ部が回転される際に、もたらされるネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせるべく、ボルト座面に平行な横荷重をボルト頭部に付与する役割を果すものである。
【００５３】
横荷重付与手段２３は、ボルトを締め付ける際に締め付け回転トルク付与軸部２２により回転トルクが付与されボルト締め付け方向に回転し、該回転トルクをボルト頭部に伝達しボルトの雄ネジ部をボルト締め付け方向に回転させる回転軸部２４を有する。さらに、横荷重付与手段２３は、外周面４３と内周面４４とを有し、外周面４３の中心軸線と内周面４４の中心軸線とが異なる偏心リング２６であって、回転軸部２４の周囲に内周面４４が配設され回転軸部２４が締め付け回転トルク付与軸部２２により回転される際に回転軸部２４の回転方向とは逆の方向に外周面４３の中心軸線まわりに回転する偏心リング２６を有し、回転軸部２４が締め付け回転トルク付与軸部２２により回転される際に、偏心リング２６により回転軸部２４を介してボルト座面に平行な横荷重をボルト頭部に付与して、回転軸部２４の回転方向とは逆の方向への外周面４３の中心軸線まわりのボルト頭部およびボルト軸部の移動をもたらす偏心移動機構部２５を有する。
【００５４】
図３に示された本発明のボルト締め付け装置２１の実施形態においては、締め付け回転トルク付与軸部２２の上端には例えばナットランナーなどの回転動力源４５が装着され、また、締め付け回転トルク付与軸部２２の上端部近傍は偏心移動機構部２５の構成品となる第１軸受３２を介してケーシング４６により支持される。そして、締め付け回転トルク付与軸部２２の下端部には第１係合部となる突起部４１が備えられ、また、回転軸部２４の上端部には突起部４１と係合する第２係合部となる穴部４２が備えられる。突起部４１と穴部４２とは、締め付け回転トルク付与軸部２２により付与された回転トルクを回転軸部２４がボルト頭部に伝達するように係合され、且つ、締め付け回転トルク付与軸部２２に対する回転軸部２４のボルト座面に平行な所定量の相対移動を許可する遊び（隙間）を有して係合される。尚、締め付け回転トルク付与軸部２２と回転軸部２４との係合形態は、これに限られることはなく、例えば、締め付け回転トルク付与軸部２２の下端部に穴部が備えられ、回転軸部２４の上端部に穴部と係合する突起部が備えられるような構成とされてもよい。
【００５５】
また、図３に示された本発明のボルト締め付け装置２１の実施形態においては、横荷重付与手段２３の偏心移動機構部２５は、偏心リング２６とともに、回転軸部２４が締め付け回転トルク付与軸部２２により回転される際に回転軸部２４の回転方向とは逆の方向への外周面４３の中心軸線回りの回転を偏心リング２６にもたらす構成品として第１かさ歯車２８、第２かさ歯車２９、第３かさ歯車３０及び第４かさ歯車３１とハウジング２７とを有する。さらに、偏心移動機構部２５は、これらのかさ歯車の回転を可能とする構成品として第１軸受３２、第２軸受３３、第３軸受３４及び第４軸受３５と、第１シャフト３７及び第２シャフト３８とを有して構成される。
【００５６】
第１かさ歯車２８は、締め付け回転トルク付与軸部２２の回転にあわせて一緒に締め付け回転トルク付与軸部２２の回転方向に回転されうるように、例えば圧入等により締め付け回転トルク付与軸部２２に対して固定される。第１かさ歯車２８と第２かさ歯車２９とは互いに歯合され、第２かさ歯車２９は第１シャフト３７とともに第２軸受３３を介してケーシング４６に対して回転されうるように配設される。また、第１かさ歯車２８と第３かさ歯車３０とは互いに歯合され、第３かさ歯車３０は第２シャフト３８とともに第３軸受３４を介してケーシング４６に対して回転されうるように配設される。
【００５７】
第４かさ歯車３１は、第２かさ歯車２９及び第３かさ歯車３０のそれぞれと歯合され、第２かさ歯車２９及び第３かさ歯車３０からの回転力が伝達され、第１かさ歯車２８の回転方向とは逆の方向への回転がもたらされるように配設される。そして、ハウジング２７が、第４かさ歯車３１の回転にあわせて一緒に第４かさ歯車３１の回転方向に回転されうるように、例えば圧入等により第４かさ歯車３１に対して固定される。
【００５８】
ハウジング２７の下端部には、偏心リング２６がハウジング２７の回転にあわせて一緒にハウジング２７の回転方向に回転されうるように、例えば圧入などにより偏心リング２６が装着される。そして、偏心リング２６の内周面４４は、第５軸受３６を介して回転軸部２４の周囲に配設される。本実施形態においては、回転軸部２４及び偏心リング２６のそれぞれの異なる回転方向への円滑な回転が阻害されないように偏心リング２６の内周面４４は第５軸受３６を介して回転軸部２４の周囲に配設されるが、例えば第５軸受３６を使用することなく潤滑剤などを適用することにより回転軸部２４及び偏心リング２６のそれぞれを異なる回転方向に円滑に回転させることが可能なような場合には、第５軸受３６は構成から排除されてもよい。
【００５９】
図４は、偏心リングの一実施形態を示す図である。図３に示す実施形態においては、一部品で形成される偏心リング２６が示されている。しかしながら偏心リングの形態はこれに限定されることはなく、例えば図４に示されるごとく、偏心リング５０の外周面５３の中心軸線と内周面５４の中心軸線との離間距離を調整しうるように、外周面５３を形成する外側偏心リング５１と内周面５４を形成する内側偏心リング５２とを有し、回転軸部２４が締め付け回転トルク付与軸部２２により回転される際に外側偏心リング５１と内側偏心リング５２とが互いに対して相対的に滑らないように係合されるように偏心リングが構成されてもよい。
【００６０】
以下に、図３に示される実施形態のボルト締め付け装置の動作について説明する。
まず、ボルトを締め付ける作業を開始するに当たってのセッティング作業として、偏心リング２６がボルト座面に対して平行となるようにケーシング４６が配設され、回転軸部２４のボルト係合部４０とボルト頭部とが係合される。このようなセッティングが終了されると次に、締め付け回転トルク付与軸部２２がボルト締め付け方向に回転され、該回転に合わせて一緒に回転軸部２４がボルト締め付け方向に回転してボルト頭部に回転トルクが伝達され雄ネジ部がボルト締め付け方向に回転される。
【００６１】
その一方で、ボルトを締め付けるべく締め付け回転トルク付与軸部２２がボルト締め付け方向に回転されると、該回転に合わせて一緒に第１かさ歯車２８がボルト締め付け方向に回転される。この第１かさ歯車２８の回転は、第２かさ歯車２９及び第３かさ歯車３０を介して第４かさ歯車３１に伝達され、第２かさ歯車２９及び第３かさ歯車３０の作用により第４かさ歯車３１は第１かさ歯車２８の回転方向とは逆の方向に回転、すなわち、ボルト締め付け方向とは逆の方向に回転される。そして、この第４かさ歯車３１の回転に合わせて一緒にハウジング２７が回転され、さらにハウジング２７の回転に合わせて一緒に偏心リング２６が回転されることになり、すなわち、第４かさ歯車３１の回転に合わせて偏心リング２６がボルト締め付け方向とは逆の方向に回転される。尚、偏心リングの回転は、ハウジング２７と偏心リング２６の外周面４３とが固定されていることによりもたらされるものであるので、偏心リング２６は、該偏心リング２６の外側面４３の中心軸線まわりにボルト締め付け方向とは逆の方向に回転されることになる。
【００６２】
偏心リング２６の外周面４３の中心軸線と内周面４４の中心軸線とは異なるため、偏心リング２６が外側面４３の中心軸線まわりに回転されると、内周面４４には、自身の中心軸線まわりの回転がもたらされるのではなく、外側面４３の中心軸線まわりの移動、いわゆる偏心移動がもたらされることになる。この偏心リング２６の内周面４４の偏心移動は、偏心リング２６の内周面４４の内側に第５軸受３６を介して配設される回転軸部２４に対して同様の偏心移動をもたらすことができる。そして、偏心リング２６は最初のセッティングにおいてボルト座面と平行に配設され、回転軸部２４とボルト頭部とが係合されており、また、回転軸部２４は、締め付け回転トルク付与軸部２２に対してボルト座面に平行な所定量の相対移動を許可する遊び（隙間）を有して係合されているため、回転軸部２４の偏心移動によりケーシング４６はボルト座面に対して相対的に移動することはなく、回転軸部２４の偏心移動により、ボルト座面に平行な横荷重をボルト頭部に付与することができ、ボルトを用いて被締結体を締結する際に、ネジ面およびボルト座面の面圧を偏らせた状態で、ボルトの雄ネジ部を回転させる回転トルクをボルト頭部に付与して、ボルトを締め込むことが可能となる。尚、例えばボルト締め付け装置自体の重量などに依存して必要に応じて、ボルト座面に対するケーシング４６の相対的な動きを阻止する反力受け部が設けられてもよい。
【００６３】
また、偏心リング２６の外側面４３の中心軸線まわりの内周面４４の移動は、締め付け回転トルク付与軸部２２が回転されている間すなわちボルトの締め付けが行われている間にわたり継続されうるため、ボルトを締め込む際に、ネジ面およびボルト座面の面圧を意図的に偏らせた状態で、且つ、ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動している状態でボルトを締め込むことを可能とする。物体平面が並進力で直進滑りしている際においては、回転力を追加したときの該物体の回転方向の見掛けの摩擦係数は非常に小さくなることが知られている。すなわち、物体が直進滑りしている際においては、物体が静止している際に該物体を回転させる場合と比較して、より小さな回転トルクで該物体を回転させることができる。よって、ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動している状態でボルトを締め込むことを可能とする本ボルト締め付け装置によれば、ボルトを締め込む際に必要となる締め付け回転トルクを、ボルト頭部がボルト座面に対して平行に摺動していない状態でボルトを締め込む場合と比較して、より低減することができ、ボルトを締め込む際にもたらされるボルト軸力の高軸力化を図ることが可能となる。
【００６４】
さらに、偏心リング２６は回転軸部２４の回転方向とは逆の方向に回転されるので、回転軸部２４がボルト締め付け方向に回転されボルトが締め付けられる際には、偏心リング２６はボルト締め付け方向とは逆の方向に回転され、ボルト締め付け方向とは逆の方向への偏心リング２６の外周面４３の中心軸線まわりのボルト頭部およびボルト軸部の移動がもたらされうる。よって、ボルトを締め付ける際に、ボルト頭部およびボルト軸部をボルト締め付け方向とは逆の方向に偏心リング２６の外周面４３の中心軸線まわりに移動させつつ、回転軸部２４を自身の回転中心軸線まわりにボルト締め付け方向に回転させてボルトを締め付けることができる。
【００６５】
偏心リング２６による回転軸部２４を介したボルト座面に平行な横荷重のボルト頭部への付与はネジ面の一部に高圧面部をもたらし、また、ボルト締め付け方向とは逆の方向への偏心リング２６の外周面４３の中心軸線まわりのボルト軸部の移動は、ボルト締め付け方向とは逆の方向の該高圧面部の回転移動をもたらす。このようなネジ面に発生する高圧面部の移動は、外輪中に内輪を配置して外輪に対して内輪が滑らないように接触させながら、内輪をボルト締め付け方向とは逆の方向に外輪の中心軸線まわりに移動させる場合にもたらされる高圧面部の移動と同様であり、このような場合、内輪には自身の回転軸線まわりのボルト締め付け方向への回転力が付与される。すなわち、ボルト締め付け方向とは逆の方向への偏心リング２６の外周面４３の中心軸線まわりのボルト軸部の移動をもたらすことにより、ボルト軸部に対して自身の回転軸線まわりのボルト締め付け方向への回転力を付与することができ、ボルトを締め込む際に必要となる締め付け回転トルクを、さらに低減することができ、より効果的にボルトを締め込む際にもたらされるボルト軸力の高軸力化を図ることが可能となる。
【符号の説明】
【００６６】
１    ボルト
２    ボルト頭部
８    ボルト座面
２１    ボルト締め付け装置
２２    締め付け回転トルク付与軸部
２３    横荷重付与手段
２４    回転軸部
２５    偏心移動機構部
２６    偏心リング
【図１】
2010253659.tif 000003
【図２】
2010253659.tif 000004
【図３】
2010253659.tif 000005
【図４】
2010253659.tif 000006