(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の形状、
１．締結力を受け持つ円環状のフランジ（４），（６）。
２．はめあいの部分（７）に生じる引張応力と剪断応力の分布が、それぞれ一定となるように、そぎ継手の理論すなわち剪断遅れ防止の理論より求めたリップによる空隙（１）。
３．締結時において、リップの先端は被締結材から外力を受けない条件として、リップの先端は厚さを零とし、かつ被締結材に触れないための空隙（２）。
４．そぎ継手の理論が成立するためのスリーブ（３）。
で構成するナット（９），（１０）と、ボルトの先端に、そぎ継手の理論より求めた回転放物体状の空隙（５）を有するボルトの組み合わせにより、締結部分の重量軽減、および、はめあいの部分（７）に働く引張応力と剪断応力の分布が、それぞれ一定となる条件を満足する事を特徴とする剪断遅れ防止機能付きナットとボルト。
【請求項２】
請求項１記載のナット（９），（１０）と同型のナット（１９），（１１０）に標準高力ボルトの先端（１８）が噛み合った場合、リップの先端位置のボルトに発生する剪断応力は、標準高力ボルト−ナット結合（ＪＩＳ  Ｂ１１８６）の当該位置に相当するナット底面部のボルトに集中する剪断応力（【０００３】）と比べて、緩和する事を特徴とする剪断遅れ防止利用の機能付きナットとボルト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高力ボルトとフランジ・リップ付きナットとの締結機構に剪断遅れ現象の理論を適用して、はめあい部分のねじ底に作用する引張応力と剪断応力が、それぞれ一定化するようにして、ナットの緩み防止と疲労強度向上の機能及びそのボルトとフランジ・リップ付きナットの断面形を求める方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にボルトとナットによる結合は、剪断結合と摩擦結合の二種類に大別されるが、ここでは後者の摩擦結合用の高力ボルト・ナットにつき考えている。この高力ボルト・ナット締結のナットを改良したものにフランジ付きナットがあるが、従来のフランジ付きナットは、ナットの高さを、ねじの呼び径と同じにして、底面部よりナットの高さの約１／３の部分のねじ山を削り取り、ナットの底面に働く締結力の応力集中を緩和すると共に、締結力の中心がボルトの中心より遠くになるようにしている。この形状にすることにより、ねじが螺旋である事により必然的に生じるボルトとナットの応力の不均一性を緩和すると共に、ナットの緩み防止に役立てている。（例えば特許公報（Ｂ２）平３−１９４０６、特許登録番号１６６７４８３（１９９２−５−２９））。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
通常の高力ボルト・ナットの締結体が破断する箇所は、１５％がボルトヘッドのヒレット部、２０％がボルトに刻まれているねじの端末部、６５％がナットに嵌まっているボルトの第一番目のねじ底部であると言われている。即ち、この資料によればナットは圧縮を受けているので破断しないで、引張を受けているボルトのみが破断をすることになる。これでは最適設計の締結体とは言えない。そこで最も破断が多い第三の場合につき、ナットの応力状態を示し、改良する事にした。
まず従来の標準ナットの応力状態は、載荷と同時にナットの第一番目のねじ底部と、その位置に相対するボルトのねじ底部に大きな応力集中が生じる。次に、この状態で載荷時間が経過すると、ナットが変形してナットの底面に作用していた締結圧力の最大位置はナットの内周に移動し、ナットの外周の締結圧力は小さくなると言われている。すなわち応力の集中化が強められる事になる。そのように考えるとボルトに作用する応力は、先に述べた応力集中と、後述の応力との和となるので、ボルトはクリープしやすくなり、ナットの緩みは一層易くなる。
また従来のフランジ付きナットについては、フランジに当たる部分だけ被締結材との接触面積が増えるので、締結圧力の中心位置は標準ナットの場合と比べれば外周に近くなる。従ってナットの底面に作用よる締結圧力は均一化し、かつボルトの第一ねじ底部に作用する応力集中の緩和に寄与する。しかし、緩み防止策については、はめあいの長さについて生じる剪断遅れ現象には何ら触れていないので、満足された状態とは言えない。
そこで本発明は、ボルトの先端部分は凹状に加工し、ナットは通常のフランジ付きナットに、剪断遅れ現象が生じない様にリップ加工を施して、ボルトとナットのねじ山に生じる引張と剪断応力の分布が、それぞれ一定化になるようにした。このリップ加工により出来た空隙はナットの軽量化に寄与し、ナットと被締結材との接触幅を小さくし、締結圧力の最大位置の移動量を極小にする。このようにして、はめあい部分の強度の一定化とナットの緩み防止方法を求めた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、従来のボルトとナットの継手の解析思想は、ボルトとナットのねじ山が重ね継手（ｌａｐ  ｊｏｉｎｔ）の状態と仮定したのに対し、本発明はそぎ継手（ｓｃａｒｆｊｏｉｎｔ）の状態と仮定して解析したものである。この発想はタービン・ブレードにローターを連結するとき、継手の形状をｄｏｖｅｔａｉｌ型やクリスマス・ツリー型にして応力集中を緩和しているのにヒントを得たもので、その結果は【０００３】で述べた問題点を解決する事ができた。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明は二次元弾性理論により求めた剪断遅れ現象の解を、点対称の三次元の場合に適用できるように補正し、その補正した状態にボルトとナットの締結機能が適合するよう、ボルトとナットの縦断面積を、それぞれ求めたものである。したがって、この場合のボルトとナットのねじ底に生じる引張および剪断応力は、締結部の何処を採っても、ほぼ、それぞれ一定となり、最適設計条件を満たすものとなる。ここでは更に、以上の理論的結果を実験により検証するため、三次元光弾性実験による応力凍結法により整合性を確かめている。
【０００６】
上記した条件は、ボルトとナットが締結した時の相互の位置関係は、後記するように図１に示されている位置にある事が特に効果的である。なおこの場合は、ねじの余長は零となる。
【０００７】
また、ボルトの先端には剪断遅れ現象が生じないように、回転放物体状の空隙（５）を設けている。この回転放物体状の深さは、はめあいの長さと同じとするとよい。
【０００８】
また、ナット内には剪断遅れ現象が生じないようにリップを形成するが、リップの先端とナットの底面との間には間隙（２）を設ける。
【０００９】
さらに、該ナットの外郭寸法は、従来の規格（ＪＩＳ  Ｂ１１８６）のナットと座金を加えた寸法と同じが好ましい。
【００１０】
そして、ボルトが標準ボルトの場合（図２）についても、はめあいに生じる応力は、標準のボルト・ナットの締結機能（ＪＩＳ  Ｂ１１８６）ナットの場合に比べれば緩和する。なお、この場合のねじの余長は、ナット内に格納できる。
【００１１】
はめあいの長さ（７）は、ねじの呼び径の約８０％が好ましい。
【００１２】
以上の事項から当該ボルト・ナットの締結（図１及び図２）は、従来のボルト・ナットの締結と比べれば、応力集中が緩和されるので、疲労強度を上昇することができる。
【００１３】
該ナットが被締結体と接する環状の面積の幅（４）は、標準ナットの場合と比べれば小さく、かつナットの中心より遠くなるので、ナットの緩みを防止することができる。
【００１４】
【実施例】
実施例について図面を参考にして説明する。図１は、剪断遅れ理論より求めたボルト（８）とフランジ・リップ付きのナット（９），（１０）が締結された縦断面図である。この場合のねじの余長は零である。
【００１５】
図２は、図１のボルトが標準ボルト（１８）の場合の縦断面図である。なお、この場合の余長は３ねじ山程あるが、ボルト内に納まっている。
【００１６】
図３は図１および２の平面図である。
【００１７】
図４は、図１のはめあいの部分の断面形状を求めるための図である。すなわち単位厚さの２片（１２）（１３）が（１４）の長さにつき接着され、この２片を図示のように、単位厚さ当たりＰなる力で互いに引張ったとき、（１２）（１３）の中に惹起する引張応力と接着層の剪断応力を剪断遅れの理論により求めれば、それぞれ一定となる事が知られている。そこで図１における、ナットのリップ、およびボルト先端の凹部分の断面積の分布が、図４の２片（１２）（１３）の、はめあい部分に対応するように求めれば、剪断遅れの現象は起きないので、最適条件設計となる。
【００１８】
図５は、１６（図１），１７（図２），１８（標準のボルト・ナットの締結機能（ＪＩＳ  Ｂ１１８６））について、剪断遅れ理論より求めたボルトの軸力の分布である。ただし、図中の□，×，△，○は標準ボルト・ナット締結体についての他論文による理論値または実験値である。これらの資料と、当該剪断遅れ理論より求めた値とは良く合っているので、当該剪断遅れ理論により求めたボルトの軸力の分布は妥当性がある事をしめしている。
【００１９】
図６は、１９（図１），２０（図２），２１（標準のボルト・ナットの締結機能（ＪＩＳ  Ｂ１１８６））について、剪断遅れ理論より求めたボルトとナット間の剪断力分布である。
【００２０】
図７は、図２についての弾性解析値の結果を実験で確かめるものである。なおボルトとナットの内部応力は、通常の実験では直接求める事はできないので、ここでは三次元の光弾性模型試験片を作って載荷し、応力凍結をしてスライスを切り出して等色線写真（明視野）を撮った、その写真である。
【００２１】
図８は、標準ボルト・ナットの締結機能（ＪＩＳ  Ｂ１１８６）について
【００２０】と同様に等色線写真を撮った、その写真である。ここで図８と図７の、ねじ山の付け根における光弾性縞の密度分布を比較すると、図８は、はめあいの下部に集中しているので、応力集中を意味し疲労強度を弱めるので、“緩み”を助長することを示唆している。それに対し図７は、光弾性縞の密度分布は、はめあいの全長にわたり、ほぼ均一であるので図８の欠点を大きく改善している。これは当該ボルト・ナットの締結機能が、現在一般に土木建築で用いられている標準のボルト・ナットの締結機能（ＪＩＳ  Ｂ１１８６）と比べて、その優位性を示すものである。
【００２２】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２３】
はめあい部分に剪断遅れ理論を適用して、ボルトとナットの断面形を求めることにより、ボルトに作用する卓越の応力集中を緩和することができる。
【００２４】
ボルトの先端を摺鉢状に削る事により、ねじ山の剪断遅れ現象を緩和し、ボルトに生じる引張応力を一定化とした。また、ナットについては、はめあい部分をリップ状にして、引張応力を一定化にした。なお、この場合は余長は零となるのと、ボルトの先端とナットには空隙があるので重量軽減となる。
【００２５】
さらに当該ナットは、標準ボルトと締結しても、剪断遅れ現象の緩和は有効である。なお、この場合の余長はナット内に納まる。またナットには空隙があるので、この場合も重量軽減となる。
【００２６】
当該ナットの面圧部分（４）は、ボルトの中心に対して同心円状の環状となるので、ボルトに生じる引張応力分布も、ボルトの中心に対して同心円の環状となる。またナット内の空隙により、座面圧力分布の中心は通常のナットよりも座面の外周側となり、かつ円周方向には一様となる。以上の事象はボルトの中心に対して座面圧力は点対称となる事に寄与するもので、ボルトの疲労および緩みに対して防止効果がある。
【００２７】
当該ナットにはフランジが付いているので、座金は不要となり作業性がアップする。
【００２８】
【００２４】と【００２５】のボルトの余長は、共にナットの上面より出ないので、施工時の安全性および二次覆工の取り付け工事などにおいて支障をきたす事が減少される。
【００２９】
緩み防止用に接着剤や消耗部品を使用していないので、何回着脱しても緩み防止効果は持続する。
【００３０】
弾性解析により求めた、締結時のボルトとナットの内部応力分布状態を実験で確かめるため、三次元光弾性実験による応力凍結法を採用した。そこで、ねじのはめあい部分の応力分布につき、理論値と実験値を照合し、妥当な結果を得た。
【図面の簡単な説明】
【図１】高力ボルトとフランジ・リップ付きナットが締結したときの縦断面図である。
【図２】標準ボルトとフランジ・リップ付きナットが締結したときの縦断面図である。
【図３】図１および図２の平面図である。
【図４】図１の剪断遅れ現象を説明するための図である。ただしＰは単位厚さ当たりの引張力である。
【図５】図１、図２、標準（ＪＩＳ  Ｂ１１８６）、の３者についての、ボルトの軸力分布である。ただし縦軸のξは、はめあい部分の座標であって、ξ＝０は、はめあいの下端、すなわちリップの先端であり、ξ＝１．０は、はめあいの上端である。また横軸はボルトの軸力Ｐ２（ξ）を、Ｐで正規化したものである。なお図中の□，×，△，○は参考値として他論文による、標準ボルト・ナット締結体についての理論値または実験値である。
【図６】図１、図２、標準（ＪＩＳ  Ｂ１１８６）、の３者についての、ねじ山の剪断応力τ（ξ）の分布である。ただし縦軸のξは図５のξと同じである。
【図７】図２の三次元光弾性実験を行い、スライスを削り出しての等色線写真である。
【図８】標準（ＪＩＳ  Ｂ１１８６）について三次元光弾性実験を行い、スライスを削り出しての等色線写真である。
【符号の説明】
１  フランジ・リップ付きナット内の空隙
２  リップの先端とフランジ・リップ付きナットの底面との間隙
３  フランジ・リップ付きナットの上部の“動きばめ”の部分の長さ
４  フランジ・リップ付きナットの接触幅
５  剪断遅れ防止機能のため、ボルトの先端に設けた空隙部分
６  フランジの厚さ
７  フランジ・リップ付きナットの、はめあいの長さ
８  剪断遅れ防止機能を持ったボルト
９，１９  図３のＡ−Ａ断面矢視図
１０，１１０  図３のＢ−Ｂ断面矢視図
１１  “動きばめ”による空隙部分
１２  単位厚さの試験片Ａ
１３  単位厚さの試験片Ｂ
１４  （１２）と（１３）との、はめあいの長さ
１５  （１２）と（１３）との接着層
１６  図１のボルトの、はめあい部分の軸力分布
１７  図２のボルトの、はめあい部分の軸力分布
１８  標準のボルトの、はめあい部分の軸力分布
１９  図１のボルトの、はめあい部分の剪断応力分布
２０  図２のボルトの、はめあい部分の剪断応力分布
２１  標準のボルトの、はめあい部分の剪断応力分布
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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