(57)【要約】【課題】  使いやすく小型で持ち運び可能であり、どこでも簡単にねじの特性や理論を目の前で確認してねじに関する理解を深めるためのねじ特性試験装置と、その装置を用いた体験学習方法及び実技教育方法を提供する。【解決手段】  油圧発生手段（油圧ポンプ３）と、試験用ねじ（ボルト４）に油圧発生手段３からの油圧を増幅して付与する荷重発生手段（シリンダ２１，ピストン２２）と、ねじ９に付与された荷重を表示する荷重表示手段（油圧計４）とを同一の基板１０上に設けて持ち運び可能とした。【選択図】      図１
2006343216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧発生手段と、試験用ねじに前記油圧発生手段からの油圧を増幅して付与する荷重発生手段と、前記ねじに付与された荷重を表示する荷重表示手段とを同一の基板上に設けて持ち運び可能としたことを特徴とするねじの特性試験装置。
【請求項２】
試験時に前記ねじの取付位置の上方および下方に前記ねじが破断した際の破片を回収する上部キャッチャおよび下部キャッチャを備えたことを特徴とする請求項１に記載のねじの特性試験装置。
【請求項３】
温度調節手段を備えて前記ねじの温度を可変としたことを特徴とする請求項１に記載のねじの特性試験装置。
【請求項４】
前記荷重発生手段は、シリンダ（２１）内を上下するピストン（２２）からなり、前記ねじの上端部がピストン（２２）に設けられたねじ支持部（２２ａ）に支持され、該ねじ支持部（２２ａ）に対向してシリンダ（２１）にナットを保持するナット保持部（２１ａ）が設けられ、前記ねじの下端部が前記ナットに螺合し、前記ピストン（２２）の最下位置において、前記ねじ支持部（２２ａ）の下端面がナット保持部（２１ａ）の上端面に当接していることを特徴とする請求項１に記載のねじの特性試験装置。
【請求項５】
前記ねじの特性試験装置を用いて試験をしながらねじの締付特性理論を学習または教育するための教材として用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のねじの特性試験装置。
【請求項６】
請求項１に記載のねじの特性試験装置を用いて、試験により理論上のねじの締付特性図を再現させてねじの特性を学習することを特徴とする体験学習方法。
【請求項７】
請求項１に記載のねじの特性試験装置を用いて、試験により理論上のねじの締付特性図を再現させてねじの特性を教育することを特徴とする実技教育方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルト等のねじの締付特性を調べる試験装置と、その試験装置を用いたねじの締付特性の体験学習方法、及び実技教育方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ねじ及びねじ部品は、単純な構成にもかかわらず多彩な機能を有し、身近な製品や最先端のロケットあるいは精密機械など、あらゆる工業製品に用いられて重要な役割を果たしている。
【０００３】
ねじ及びねじ部品は、目標とする締付力を得てはじめてその機能を発揮し、使い方を誤ると本来の機能を発揮できない。ところが、一般的なねじ及びねじ部品では、締付力が目標通りに作用しているかどうかを外観から確認することはできない。
【０００４】
また、ねじを締付ける作業は、試作時、生産時、市販後のサービス時など、その都度締付方法や締付条件が異なることがあり、それぞれの場合において、締付状態を慎重に確認する必要がある。
【０００５】
しかしながら、昨今の技術者の多くは、部品を自ら組み立てる作業を行わないことが多く、ねじへの関心が低いため、ねじの特性に関する理解が不足している場合がある。そのため、機械関係の技術者や設計者に、ねじの特性に関する重要性とその内容を十分に理解させ、その上で製品の設計や製造を行わせることが求められている。
【０００６】
従来より、技術者や設計者は、ねじに関する特性を教科書や専門書等で学習しているが、教科書等に書かれている図や文章だけでは、殊に難解な塑性域締付の原理などを理解することは困難である。
【０００７】
また、ねじの締め付けに関する特性を試験する装置は各種市販されているが、このような装置は大がかりであるため設置場所以外では使用できない。そのため、誰もが目の前でねじの特性を視認して理解することが困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記従来技術を考慮してなされたものであり、使いやすく小型で持ち運び可能であり、どこでも簡単にねじの特性や理論を目の前で確認してねじに関する理解を深めるためのねじ特性試験装置と、その装置を用いた体験学習方法及び実技教育方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明は、油圧発生手段と、試験用ねじに油圧発生手段からの油圧を増幅して付与する荷重発生手段と、ねじに付与された荷重を表示する荷重表示手段とを同一の基板上に設けて持ち運び可能としたことを特徴とするねじの特性試験装置を提供する。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、試験時にねじの取付位置の上方および下方にねじが破断した際の破片を回収する上部キャッチャおよび下部キャッチャを備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、温度調節手段を備えてねじの温度を可変としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記荷重発生手段は、シリンダ（２１）内を上下するピストン（２２）からなり、前記ねじの上端部がピストン（２２）に設けられたねじ支持部（２２ａ）に支持され、該ねじ支持部（２２ａ）に対向してシリンダ（２１）にナットを保持するナット保持部（２１ａ）が設けられ、前記ねじの下端部が前記ナットに螺合し、前記ピストン（２２）の最下位置において、前記ねじ支持部（２２ａ）の下端面がナット保持部（２１ａ）の上端面に当接していることを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかの発明において、ねじの特性試験装置を用いて試験をしながらねじの締付特性理論を学習または教育するための教材として用いることを特徴とする。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１の発明を用いた体験学習方法であって、試験により理論上のねじの締付特性図を再現させてねじの特性を学習することを特徴とする。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項１の発明を用いた実技教育方法であって、試験により理論上のねじの締付特性図を再現させてねじの特性を教育することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によると、試験装置を構成する油圧発生手段、荷重発生手段及び荷重表示手段を同一基板上に配置して持ち運び可能としたので、使用場所が制約されず、どこにでも簡単に持ち運んで試験を行うことができる。従って、教室やデモンストレーション会場などで、多くの人がねじの特性試験を目の前で体験することができる。そして、このような基本の試験装置に例えばトルクレンチやダイヤルゲージ等の簡単な器具を取り付けることにより、ねじに関するさまざまな特性を調べることができる。
【００１７】
請求項２の発明によると、アルミ合金や鋳鉄等の破断しやすいねじの特性を調べる際、破片を周囲に飛散させることなく確実に回収することができる。
【００１８】
請求項３の発明によると、例えばねじ及び座面を加熱するヒータ等を取り付けることにより、熱による耐面圧強度の変化やボルトの熱間クリープ量の測定も可能となり、応用範囲が広がる。
【００１９】
請求項４の発明によると、油圧がゼロでピストン（２２）がシリンダ（２１）に対して最下位置にあって、例えばねじの回転により、ねじの頭に上向きの引張力が作用して、その下端部に螺着するナット保持部（２１ａ）が上昇した場合、このナット保持部（２１ａ）の上端面がねじ支持部（２２ａ）の下端面に当接しているため、引張力がねじ支持部（２２ａ）で受け止められる。したがって、ナット保持部（２１ａ）及びねじ支持部（２２ａ）が変形や損傷することがなく、装置が保護される。
【００２０】
請求項５の発明によると、携帯可能で持ち運びできる本発明のねじの特性試験装置を教材として用いることにより、教室や講堂あるいは企業等の会議室などで、大人数の研修者の前で実際にねじの試験を行いながら、研修者に対してねじの締め付けについての理論を指導教育し、研修者はそれを目で見て確認し、十分に理解して学習することができる。
【００２１】
請求項６の発明によると、ねじの締付特性の理論を理解しようとする学習者は、教科書や専門書に記載してある難解なねじの理論について、実際に目前でねじの試験を行うことにより、ねじの理論を体験しながら十分に理解することができる。
【００２２】
請求項７の発明によると、ねじを扱う実務研修者や学習者に対し、ねじの特性についての理論を教えて理解させる場合に、本発明のねじの特性試験装置を用いて、実際に研修者の目前で難解なねじの締付特性図を再現して教示することにより、ねじ理論について、研修者の理解を十分に深めて教育することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１（Ａ），（Ｂ）は、本発明の試験装置を示す。試験装置１は、上面側中央から試験用ボルト９を取り付けてそのボルト９に荷重を与える試験機本体２と、油圧ポンプ３と、油圧計４と、ボルト９が破断した際に破片を回収する上部キャッチャ５および下部キャッチャ６からなり、これらが共通の一体の基板１０上に載置される。
【００２４】
試験機本体２は円筒形であり、中央には、上下に貫通する通孔２０が形成されている。通孔２０の外周には、断面が略コ字状のシリンダ２１が全周にわたって形成される。通孔２０内に、ボルト９を螺合するナット１２が嵌装され、ナット１２はシリンダ２１の内側に固定される。ピストン２２がシリンダ２１内を上下方向に摺動可能に挿嵌され、ピストン２２の底部とシリンダ２１との間に油室２３が形成される。ピストン２２の下部側面にＯリング２７が装着され、油室２３を油密に保持する。油室２３の下部は油圧ポンプ３および油圧計４に連結されて、油圧ポンプ３からは適宜オイルが供給され、油圧計４により油圧の値が表示される。
【００２５】
シリンダ２１の上部にカバー２５が取り付けられ、カバー２５とピストン２２の下部との間に、ピストン２２を下方に付勢するスプリング２４が装着される。ピストン２２上部の一個所に、回り止め部材２６が嵌装される。
【００２６】
ナット１２の上方に、ボルト９の座面となる座面板１１が取り付けられ、その座面板１１はピストン２２の上部に固定される。ボルト９は、座面板１１の上方から挿入し、ナット１２に螺合して各種特性試験が行われる。
【００２７】
試験用のボルト（ねじ）９は、上端の頭部が座面板１１を介してピストン２２の中央上端部のボルト（ねじ）支持部２２ａ上に支持される。ボルト９の下端部はナット１２を介してシリンダ２１の中央上端部のナット保持部２１ａに固定される。ナット保持部２１ａおよびボルト支持部２２ａは、それぞれフランジ状に形成され通孔２０側に突出し、相互に対峙する。
【００２８】
ピストン２２をシリンダ２１に対して下降させたとき、油室２３のピストン２２の下面がシリンダ２１の底面に接する前にピストン２２の上記ボルト支持部２２ａの下面がその下側に対峙するナット保持部２１ａの上面に当接して密着する。すなわち、油圧ゼロのピストン２１の最下位置では、ピストン側のボルト支持部２２ａの下面はシリンダ側のナット保持部２１ａの上面に密着する。従って、油圧をゼロにして試験を行う場合（例えば後述の図１７に示す回転角試験）、トルクレンチでボルト９を回してボルト９の頭に上向きの引張力を作用させ、ナット１２を介してナット保持部２１ａとともに上方向に引き上げる力が作用すると、その引き上げ力はピストン側のボルト支持部２２ａの下面で受け止められるため、ナット保持部２１ａ及びボルト支持部２２ａに無理な力が加わらず、変形や損傷が防止される。
【００２９】
上記の構造により、油圧ポンプ３を作動して油室２３にオイルを送り油圧をかけると、ピストン２２が上昇し、座面板１１を介してボルト９上部を引き上げる力が発生し、ボルト９に引張荷重が作用する。油室２３内に常に所定の油圧以上の油圧が作用した状態に保つために、油圧ポンプ３のハンドル先端に重り３１を載せる。
【００３０】
このような試験装置１は、ひとつの基板１０上にコンパクトに配置されているので、持ち運びが容易である。また、電気的配線が不要なので、どのような場所にでも持ち運んで容易に使用することができる。
【００３１】
尚、油圧計４は、油圧の値をそのまま表示するものでもよいし、油圧によりボルト９に作用する荷重に換算した値を表示する荷重計でもよい。
【００３２】
上記の試験装置１を基本形として、以下に述べるように、市販されている簡単な器具やアタッチメント等を取り付けて、ボルトに関する各種特性を調べることができる。試験時には、随時ボルト等にかかる荷重や歪等のデータを記録し、グラフ化することにより、そのときの状態を把握し、理解を深めることができる。尚、本試験装置は、ボルトの特性に関する現象を理解するものであり、試験結果の精度は要求されない。すなわち、本試験装置の主たる使用目的は、教材として用いてねじの実務研修者にねじ特性の理論を理解させることである。そのためには、試験によりねじ特性の傾向が示されれば十分であって、必ずしも理論上の数値に正確に一致することは必要ではない。
【００３３】
図２は、キャッチャ５，６の形状を示す。図２（Ａ）は上部キャッチャであり、ボルト９の上側に蓋５１を被せて用いる。蓋５１の内側頂面に、樹脂等からなる衝撃吸収材５２が設けられる。蓋５１の外側には鎖５３が取り付けられ、鎖５３の他端が例えば試験機本体２（図１）に固定される。図２（Ｂ）は下部キャッチャであり、ボルト９の下側で、フランジ６２を基板１０の切欠部１０ａに係止して用いる。皿６１の内側底面に、衝撃吸収材６３が設けられる。このような上下各キャッチャ５，６は、殊にアルミ合金や鋳鉄等のように破断しやすいボルトの特性を調べる際に、破片を回収するために用いる。
【００３４】
図３は、ボルト９を軸方向に引っ張る場合の軸力と歪の関係を知るための試験装置および結果である。
【００３５】
図３（Ａ）は装置の概要であり、前述の図１の試験装置１に加えて、ボルト９の歪量を測定するダイヤルゲージ１３を取り付けたものである。試験時には、油圧ポンプ３で試験機本体２に加圧し、ボルト９に軸方向の引張力を与える。ダイヤルゲージ１３の先端をボルト９の頭部に接触させて、下部をナット１２（図１）に固定されたボルト９頭部の変位、すなわちボルト９の軸方向の歪を測定する。
【００３６】
図３（Ｂ）は、油圧によってボルト９に作用する引張方向の軸力と、ボルト９の歪との関係を図示したものである。図３（Ｂ）においては、ボルト９にかかる軸力を降伏点の直前、即ち弾性限度内のＡ点まで付加して荷重がかかった載荷状態とし、その後軸力を解除して除荷する。Ａ点は弾性限度内なので、除荷したときにボルトの歪が０に戻る。更に載荷と除荷を繰り返しても、弾性限度内であれば、軸力と歪の関係は１回目の載荷時と同様であり、グラフの実線上を矢印の方向に往復する。尚、このグラフの傾きがボルト９のばね定数である。
【００３７】
図３（Ｃ）は（Ｂ）に続く段階の結果であり、ボルト９に塑性域まで引張力を加えた場合の軸力と歪の関係を図示したものである。
【００３８】
図のＡ点までは（Ｂ）と同様に載荷し、ボルトの軸力が弾性限度のＡ点を超えて塑性域に達し、軸力がほとんど上がらなくなったＢ点で、載荷を止める。その後除荷すると、軸力が０になったときに、ダイヤルゲージ１３の値が０ではなく、ε１の値を示し、永久歪ε１が残ったことがわかる。その後、再び載荷すると、一回目の載荷時の最大軸力であるＢ点までの間、グラフが直線状になり、弾性変形していることがわかる。即ち、新弾性限度がＢ点となり、一回目の弾性限度Ａ点よりも軸力が上昇している。実際のボルト使用時、弾性限度を高くするために、このように一旦塑性域まで引張荷重を付加する場合がある。
【００３９】
図４は、ボルト９を捻って締め付ける場合の軸力と歪の関係を知るための装置および結果である。
【００４０】
図４（Ａ）は装置の概要であり、ボルト９の頭部を回すレンチ１４を用い、ボルト９頭部の軸方向の変位即ちボルト９の歪を測定するためにダイヤルゲージ１３を設置する。
【００４１】
図４（Ｂ）は、油圧ポンプ３による加圧を行わずにボルト９をレンチ１４で捻って締め付けたときの軸力と歪の関係を図示したものである。レンチ１４で捻って締め付けると、ボルト９のねじ面に摩擦が生じ、せん断応力が作用する。従って、図３のような単純引張時よりも低い軸力で降伏し、ボルト自体の能力の限界よりも小さい軸力のＡ点で弾性限度となる。また、ねじ面の摩擦係数によってせん断応力が異なるため降伏点が異なり、図中の破線で示すように、殊に降伏点以降の塑性域において軸力にばらつきが生じる。
【００４２】
また、ねじりを伴って降伏点を超えて塑性域に入ったＢ点でボルトを逆方向に捻って除荷すると、永久歪ε１が残る。
【００４３】
図４（Ｃ）は、（Ｂ）のＢ点までレンチ１４で捻った後、更に油圧ポンプ３によってボルト９に軸方向の引張荷重を与えた場合の軸力と歪の関係を図示したものである。
【００４４】
捻りによって一旦降伏したボルトに、捻りを加えずに単純引張荷重を載荷することによって、更に軸力が上昇する。引張荷重による降伏点を超えて塑性域に入るＣ点で載荷を止めて除荷すると、残留する永久歪はε１＋ε２となる。その後、再度ボルトに引張力を加えると、Ｃ点まで弾性変形し、Ｃ点が新弾性限度となる。
【００４５】
このように、捻って締め付けた後で引張方向の載荷を行うと、永久歪は大きくなるが、軸力に関しては、ボルトが本来有する元の性質が現れる。すなわち、捻りによって降伏点が低く現れても、ボルトの軸方向強度が弱くなるわけではない。この現象は、数式等で説明できることではなく、このような実演によってのみ理解することができる。
【００４６】
図５は、ボルト９を捻って締め付ける場合の軸力とトルクとの関係を知るための装置および結果である。
【００４７】
図５（Ａ）は装置の概要であり、図１に示す基本の試験装置１のボルト９頭部にトルクレンチ１５を取り付けたものである。このトルクレンチ１５によってボルト９を締め付けるとともにトルク値を読み取り、油圧計４によりボルト９に作用する軸力を読み取る。この試験において、油圧ポンプ３による加力は行わない。
【００４８】
図５（Ｂ）は測定結果を図示したものである。ボルト頭部やねじ部の摩擦力が異なると、同じトルクで締め付けても軸力が異なる。すなわち、潤滑油を介してボルト９を締めたときに比べて、潤滑油を使わず摩擦抵抗が大きい状態で締めたときには、同じトルクを加えても軸力が低くなることが、この測定により体感できる。
【００４９】
トルク係数ｋは、
ｋ＝Ｔ／（Ｆ×ｄ）
ただし、Ｔ：締め付けトルク
Ｆ：軸力
ｄ：ねじの呼び径
で求められ、トルク係数を求めておくことにより、必要な軸力を得るための締め付けトルクがわかる。
【００５０】
また、図５（Ａ）の装置を用いて、ボルト９と座面板１１及びナット１２（図１参照）との摩擦係数を測定することができる。ボルト締付時のトルクＴと軸力Ｆとの関係は、
Ｔ＝（ｄｐ／２）×Ｆ×（μｓ／ｃｏｓα）＋（ｄｐ／２）×Ｆ×ｔａｎβ
＋（ｄｗ／２）×Ｆ×μｗ
ただし、ｄｐ：ねじの有効径
α：ねじ山の半角
μｓ：ねじ面の摩擦係数
ｄｗ：座面の等価直径
β：ねじのリード角
μｗ：座面の摩擦係数
で求められ、以下の手順で座面の摩擦係数μｗを求める。
【００５１】
先ず、等価直径ｄｗおよび摩擦係数μｗがわかっているベアリングワッシャを座面板としてボルトを取り付け、トルクレンチでボルトを締め付けて、トルクＴと軸力Ｆの関係を測定する。ねじの有効径ｄｐ、ねじ山の半角α、ねじのリード角βは、ボルト選定時に既知の数値なので、ねじ面の摩擦係数μｓが上式により求められる。
【００５２】
次に、ベアリングワッシャに代えて、正規に使用されるワッシャを用いて、同様にボルトを締め付けてトルクＴと軸力Ｆとの関係を測定する。上記のベアリングワッシャでの測定により、ねじ面の摩擦係数μｓが既知の数値となったので、上式により座面の摩擦係数μｗが求められる。
【００５３】
従って、実際の製品で使用するワッシャを用いてボルトを締め付けるときのトルクＴと軸力Ｆとの関係式が求められ、ボルトを使用する製品において必要な軸力Ｆを得るためのトルクＴがわかる。
【００５４】
図６は、ボルト９のばね定数を測定するための装置および結果であり、図７は、被締付物であるカラー８のばね定数を測定するための装置および結果である。いずれも、載荷は弾性限度内である。
【００５５】
図６（Ａ）は図３（Ａ）と同様であり、試験機本体２にボルト９の歪を測定するダイヤルゲージ１３を取り付けたものである。油圧ポンプ３で加圧することによりボルト９に軸方向の引張力を与え、油圧計４より軸力を読み取る。ダイヤルゲージ１３によりボルト９頭部の軸方向の変位、すなわちボルト９の歪を読み取る。
【００５６】
図６（Ｂ）は、ボルトの軸力Ｆと伸び方向の歪との関係を図示したものである。軸力がＦｆ時のＡ点の歪はλｂであり、このボルト９のばね定数Ｋｂは、
Ｋｂ＝Ｆｆ／λｂ
で算出される。
【００５７】
図７（Ａ）は、円筒状のカラー８をボルト９の周囲に配置するとともに、カラー８の上下方向両端にプレート１６ａ，１６ｂを取り付け、上下のプレート１６ａ，１６ｂの間隔を測定するダイヤルゲージ１３を設置したものである。油圧ポンプ３で加圧してボルト９に軸方向の引張力を与え、その際のダイヤルゲージ１３の値から、カラー８の圧縮方向の歪を読み取る。
【００５８】
図７（Ｂ）は、カラー８の圧縮力と歪との関係を図示したものである。ボルト９と反対の圧縮力が作用することから、基準の縦軸に対して、図６（Ｂ）とは左右反対方向に図示する。図６（Ｂ）の軸力Ｆｆと同じ圧縮力Ｆｆのときのカラー８の歪はλｃである。従って、このカラー８（被締付物）のばね定数Ｋｃは
Ｋｃ＝Ｆｆ／λｃ
で算出される。
【００５９】
図８は、ねじの締め付け状態を示す締付三角形と呼ばれる特性図を理解するための試験を行う装置であり、図８（Ａ）は装置全体の概要、図８（Ｂ）はその装置で用いられる油圧ナット７の構成を示す。
【００６０】
図８（Ａ）に示すように、試験機本体２にボルト９の先端部を取り付け、ボルト９の周囲に円筒形のカラー８を配置する。カラー８の上端及び下端に、カラー８よりも大径のプレート１６を水平方向に取り付ける。カラー８の下端に油圧ナット７を配設し、油圧ナット７の上方にスペーサ１７を載置する。載荷前の初期状態では、スペーサ１７の上端面とプレート１６との間に僅かに隙間ｇをあけて、プレート１６に力がかからないようにする。
【００６１】
油圧ナット７は、図８（Ｂ）に示すように、円環状に連続し断面がコ字状のシリンダ７１内をピストン７２が上下方向に摺動可能に挿嵌され、ピストン７２の上端とシリンダ７１との間に油室７３が形成される。ピストン７２の上端面にはシーリング材７４が装着され、油室７３を油密に保持する。油室７３は第二油圧ポンプ３ｂおよび第二油圧計４ｂに連結されて、第二油圧ポンプ３ｂから適宜オイルが供給され油室７３を加圧し、第二油圧計４ｂにより油圧の値が表示される。（Ａ）に示すように、油圧ナット７のピストン７２の位置が固定されているので、油室７３が加圧されると、シリンダ７１が上昇し、スペーサ１７を介してプレート１６を上方に押す力がかかる。
【００６２】
図９は、図８の装置を用いた試験状況および結果である。
【００６３】
図９（Ａ）（ｉ）は、図８の油圧ポンプ３により、弾性域内でボルト９に引張荷重を載荷したときに作用する力の状態を示し、矢印はボルト９およびカラー８それぞれに作用する力の方向を示す。図９（Ａ）（ｉｉ）は、（ｉ）の状態から、更に図８の油圧ナット７によりプレート１６を押し上げて外力Ｗを載荷し、歪εが生じた状態を示す。
【００６４】
図９（Ｂ）は（Ａ）（ｉ）のときの軸力と歪の関係を図示したものであり、ボルト９に関しては左側の線、カラー８に関しては右側の線で図示している。すなわち、ボルト９のばね定数Ｋｂは左側の線の傾きで表され、カラー８のばね定数Ｋｃは右側の線の傾きで表される。軸力がＦｆに達するＡ点までボルトに引張荷重が載荷され、軸力Ｆｆ時に、ボルト９とカラー８は、それぞれ歪λｂ、歪λｃを生じる。
【００６５】
図９（Ｃ）は（Ａ）（ｉｉ）の状態の軸力と歪の関係を図示したものである。外力Ｗは、（Ａ）（ｉ）で引張方向の内力が生じているボルト９の軸力を増加させるとともに、圧縮方向の内力が生じているカラー８の軸力を削減した状態で、全体に引張方向の歪εを生じる。従って、カラー８をボルト９で締め付ける際、軸力Ｆｆが作用しているボルト９を更に外力Ｗで引っ張ると、ボルト９の軸力は（Ｆｆ＋Ｗ）にはならず、外力Ｗのうちカラー８から削除される力の大きさ分だけ少ない軸力が増加して、つり合いが保たれる。
【００６６】
これを式で表すと、外力Ｗによってボルト９に作用する軸力Ｆｔおよびカラー８に作用する軸力Ｆｃは、
Ｆｔ＝Ｋｂ×ε
Ｆｃ＝Ｋｃ×ε
ただし、Ｋｂ：ボルトのばね定数
Ｋｃ：カラーのばね定数
ε：外力Ｗによる歪
で表され、図９（Ａ）（ｉｉ）の力のつり合いから、
（Ｆｆ−Ｆｃ）＋Ｗ＝（Ｆｆ＋Ｆｔ）
となるので、
Ｗ＝Ｆｔ＋Ｆｃ＝（Ｋｂ×ε）＋（Ｋｃ×ε）
よって、
ε＝Ｗ／（Ｋｂ＋Ｋｃ）
従って、ボルトに作用する引張方向の軸力の増加分を示す軸力Ｆｔは、
Ｆｔ＝Ｋｂ×ε＝Ｗ×Ｋｂ／（Ｋｂ＋Ｋｃ）
となる。
【００６７】
図１０は、図９（Ａ）（ｉｉ）の外力同士を比較するための説明図である。プレート１６にかかる外力同士を比較すると、ボルト９側の外力は（Ｆｆ＋Ｆｔ）であり、カラー８側の外力は（Ｆｆ−Ｆｃ）である。従って、力のつり合いから、
Ｗ＋（Ｆｆ−Ｆｃ）＝（Ｆｆ＋Ｆｔ）
よって、
Ｆｔ＋Ｆｃ＝Ｗ
となる。
【００６８】
図１１および図１２は、ボルト９およびカラー８等の各種パターンによる締付三角形の例を示し、図８の装置によって前述の図９と同様の試験を行い確認することができる。いずれも、初期載荷はボルト９の弾性範囲内とする。
【００６９】
図１１は、被締付物であるカラー８の材質や寸法によりばね定数が異なるパターンを示す。（Ａ）〜（Ｃ）それぞれの（ｉ）は試験体のパターンを示し、（ｉｉ）は（ｉ）の結果を図示したものである。図１１（Ａ）はカラー８が鉄製の場合、図１１（Ｂ）は（Ａ）と同寸法のカラー８で材質がアルミの場合、図１１（Ｃ）は（Ａ）と同質のカラー８の断面寸法が大きい場合である。（Ａ）を基本として、（Ｂ）はカラー８のばね定数が小さいために右側に図示される線の傾きが小さく、（Ｃ）はカラー８のばね定数が大きいために右側の線の傾きが大きくなる。
【００７０】
図１２（Ａ）は、被締付物が、重ね合わせた板材８ａの場合であり、ボルト９および板材８ａのばね常数が極めて高い。図１２（Ｂ）は、外力を２倍の２Ｗとしたものである。結果としてカラー８の上端とボルト９の座面との間に隙間が発生する。図１２（Ｃ）は軸部が細く降伏点が低いボルト９に外力１．５Ｗを載荷する場合であり、ボルト９の降伏点が低いために塑性域まで引っ張られ、除荷したときに永久歪が残る。
【００７１】
図１３は、ボルト９を塑性域まで捻って締め付けた後に引張力を与える試験を示す。図１３（Ａ）は装置の概要、図１３（Ｂ）は結果を図示したものである。この試験は、図８（Ａ）の装置にレンチ１４を加えて行われる。油圧ポンプ３による加力は行わない。
【００７２】
先ず、レンチ１４を用いてボルト９を捻り、弾性限度を超えて塑性域に達し、油圧計４の針の上昇が止まるＢ点まで締め付ける。このときの軸力がＦｆである。
【００７３】
その後、第二油圧ポンプ３ｂを用いて油圧ナット７に加圧し、第二油圧計４ｂが外力Ｗを示すＣ点まで加圧する。このときのボルトの軸力が（Ｆｆ＋Ｆｔ）となる。第二油圧ポンプ３ｂの圧力を解除すると、油圧計４が表示する軸力が（Ｆｆ−ΔＦ）となり、Ｄ点に達したところでつり合う。更に、このボルト９の捻りによる締付力を全て解除すると、永久歪が残る。
【００７４】
図１４は、外力Ｗの載荷位置をボルト９の軸方向に可変にするための装置である。外周に雄ねじが形成されたカラー８を用いて、その雄ねじに螺合するプレート１６ｃをカラー８に螺合させることにより、プレート１６ｃの高さを適宜調整する。カラー８の下端に、図８（Ｂ）と同様の油圧ナット７を配設し、所定位置における外力Ｗの加力を行う。尚、載荷前の初期状態では、油圧ナット７の上端面とプレート１６ｃとの間に僅かに隙間ｇをあけて、プレート１６ｃに力がかからないようにする
【００７５】
図１５は、外力Ｗの加力位置が異なる各試験体と結果を示す。
【００７６】
試験方法は、先ず、油圧ポンプ３（図１４）を用いて、油圧計４が軸力Ｆｆを示すまで加圧する。この軸力Ｆｆは、弾性変形の範囲内とする。次に、第二油圧ポンプ３ｂを用いて油圧ナット７に加圧し、各所定位置に設置した可動プレート１６ｃを押し上げて、第二油圧計４ｂが外力Ｗを示すまで加力する。このとき、油圧計４が示す軸力は（Ｆｆ＋Ｆｔ）となる。
【００７７】
この試験により、ボルト軸力の増加分と外力との比である内力係数の、外力加力位置による修正係数を求めることができる。図１５（Ａ）は被締付物であるカラー８の上下端部を加力する場合、（Ｂ）はカラー８の下端と中央部を加力する場合、（Ｃ）はカラー８の下端を加力する場合である。
【００７８】
内力係数φは、
φ＝Ｆｔ／Ｗ
で求められる。また、ボルトの座面板１１とプレート１６ｃとの距離０のときのＦｔの値Ｆｔ１と距離ｈのときのＦｔ２との比ｎは、
ｎ＝Ｆｔ２／Ｆｔ１
で求められ、これが内力係数の修正係数となる。
【００７９】
図１６は、ボルトを一定の回転角度で締め付ける回転角法の意味を理解するための試験を示す。図１６（Ａ）は、ボルトを捻って締め付ける場合の試験体の状況であり、図１６（Ｂ）はその結果を図示したものである。
【００８０】
ボルト９は（Ｂ）の左側の線のように、軸力Ｆｆまで締め付けられ、ばね定数はＫｂである。このとき、ボルト９には伸張方向に歪λｂが生じる。カラー８は、圧縮方向に軸力Ｆｆで締め付けられ、ばね定数がＫｃで、圧縮方向に歪λｃが生じる。このとき、ボルトの回転角θは、
θ＝３６０°×（λｂ＋λｃ）／Ｐ
ただし、Ｐ：ねじのピッチ
である。また、ボルト９、カラー８それぞれの歪λｂ，λｃは、
λｂ＝Ｆｆ／Ｋｂ
λｃ＝Ｆｆ／Ｋｃ
なので、軸力Ｆｆを得るための回転角を算出することができる。
【００８１】
図１７は、例えば鉄とアルミのボルト９ｆ，９ａについてトルクレンチ１５でボルトを締め付けた場合、それぞれのトルクと回転角との関係を知るための試験状況および結果を示す。
【００８２】
図１７（Ａ）は、ボルト９の取付位置周りの納まりを示す。図１に示す基本の試験装置１において、油室２３のオイルを抜き、ピストン２２にシリンダ２１を着座させて試験する。これにより、ボルト９を締め付けても、ピストン２２の上端部が変形しない。試験体は、例えばボルト９とカラー８の両方が鉄製のもの、ボルト９がアルミでカラー８が鉄のものの二種類について、トルクレンチ１５を用いて、トルクＴの力でボルト９を締め付ける。図１７（Ｂ）は、トルクＴをかけたときの各ボルト９ｆ，９ａの回転角がそれぞれθＡ，θＢであることを示す。このように、鉄のボルト９ｆの回転角θＡとアルミニウムのボルト９ａの回転角θＢは、
θＢ＞２θＡ
となる。これは、それぞれの材質のばね係数Ｋが
Ｋ＝Ｅ×（Ａ／Ｌ）
ただし、Ｅ：ヤング率
Ａ：断面積
Ｌ：長さ
で表されることによる。この試験により、ボルト９の材質ごとに、所定の締付力を得るための回転角が異なることを体感できる。
【００８３】
図１８および図１９は、熱間耐面圧強度を調べるための装置である。アルミ合金やマグネシウム合金の座面およびねじ面の熱間耐面圧強度は公表値が少なく、それらを製品に使用する際には、測定により性能を把握しなければならない。図１の基本の試験装置１に簡単な機器を取り付けることにより、このような試験を行うことができる。
【００８４】
試験機本体２上方の丸頭ボルトの周囲にヒータ３４を取り付け、コントローラ３５でヒータ３４を所定温度に制御して座面板１１を加熱する。更に、試験機本体２と油圧ポンプ３との接続管の途中から分岐して圧力調整器３２（図１８）が設けられる。また、油圧ポンプ３のアームに重り３１を取り付け、油室２３に常にオイルが充填された状態とする。油圧計４により、丸頭ボルト９ｂにかかる軸力を読み取る。
【００８５】
図１９は、図１８の丸頭ボルト９ｂ周りの拡大図である。例えば材質がアルミの座面板１１の上からボルト９ｂを締め付ける。ヒータ３４の内側には、例えば鉄からなる蓄熱体３６が設けられ、ボルト９ｂおよび座面板１１の周囲を覆う。ヒータ３４の内側の温度は、熱電対３７の先端を差し込んで測定する。試験機本体２側に熱が伝わらないように、ヒータ３４と試験機本体２との間に、例えばベークライト等からなる断熱材１８を挿嵌する。
【００８６】
座面板１１の嵌没量が大きい場合には、軸力が変動しないように、圧力調整器３２を用いて圧力調整を行い、常に同じ圧力がかかりボルト９の軸力が一定になるようにする。圧力調整器３２にも、圧力ポンプ３と同様、重り３３が取り付けられる。
【００８７】
尚、図１９（Ｂ）に示すように、ボルト９ｂの頭部の径Ｄは座面板１１の孔９１の径ｄよりも大きくする。必要に応じてワッシャ等が取り付けられたりフランジ付きボルトを用いてもよい。座面板１１の受圧面積Ｓは、
Ｓ＝（π／４）×（Ｄ２−ｄ２）
である。
【００８８】
このようにして、例えば常温時と２００℃の場合等、温度ごとの耐面圧強度を測定することができる。
【００８９】
図２０および図２１は、熱間時のボルトクリープを測定するための装置である。弾性限界内で締め付けられているボルトでも、１００℃〜１５０℃という比較的低い温度でクリープ変形することが知られており、その現象を確認することができる。
【００９０】
ボルト９の周囲にカラー８が配設される。カラー８の周囲にヒータ３４を設け、コントローラ３５でヒータ３４の温度を制御する。油圧ポンプ３のアームには重り３１を取り付ける。試験機本体２と油圧ポンプ３との接続管の途中から分岐して圧力調整器３２を設け、常に油室２３に同じ圧力がかかるように制御する。更に、接続管から分岐して補助油圧ポンプ３ａを設ける。ボルト９のクリープ量が大きく、油圧ポンプ３の１回のストロークでは油量が不足する場合に、補助油圧ポンプ３ａを用いて送油する。
【００９１】
図２１は、図２０のボルト９周りの拡大図である。ボルト９は、例えば銅のように熱が伝わりやすい材質のワッシャ１９を介して取り付ける。ボルト９の上端部および下端部に、それぞれ熱電対３７ａ，３７ｂを差し込んで温度を測定する。ボルト９上部は、（Ｂ）に示すように、カラー８の一部に溝８１を設け、ボルト９の軸部に熱電対３７ａの先端を差し込む。ボルト９下部は、ボルト９の先端に孔をあけて、熱電対３７ｂの先端を差し込む。ヒータ３４と試験機本体２との間、およびボルト９先端部とピストン２１との間には、それぞれ断熱材１８ａ，１８ｂを取り付けて、試験機本体２に熱が伝わらないようにするとともに、ボルト９の熱を逃がさないようにする。断熱材１８ａ，１８ｂは、ボルト９の軸部周りに取り付けて、断熱材１８ｂの先端側をナット１２ａで固定する。
【００９２】
図２２は、上記の装置により、ＳＣ材とＳＣＭ材のそれぞれのボルト９について測定した結果を図示したものである。一般鋼材の中でも、ＳＣ材とＳＣＭ材とでは、高応力時のクリープ量が大幅に異なり、ＳＣＭ材はモリブデンの影響で、耐熱性が優れている。いずれも、塑性域に近づくと温度による永久歪が大きくなり、高温では降伏点や耐力が低下することが、本装置による試験で理解できる。
【００９３】
尚、以上述べた各種特性試験は、ねじの特性を学習するために全て理解する必要があり、通常は順を追って理解するものであるが、順不同で試験したり、いずれかの試験だけを行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、ボルト等のねじの特性を理解するための教材および体験学習方法として適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の基本の試験装置を示す図。
【図２】図１の上部キャッチャおよび下部キャッチャを示す縦断面図。
【図３】ねじの特性を調べる装置および結果を示す図。
【図４】ねじの異なる特性を調べる装置および結果を示す図。
【図５】ねじの更に異なる特性を調べる装置および結果を示す図。
【図６】ボルトの特性を調べる装置および結果を示す図。
【図７】カラーの特性を調べる装置および結果を示す図。
【図８】ねじの更に異なる特性を調べる装置を示す概略図。
【図９】図８の装置による試験体の状態および結果を示す図。
【図１０】図９の特性の外力の状態および結果を示す図。
【図１１】図８の装置による異なる試験体ごとの結果を示す図。
【図１２】図８の装置による更に異なる試験体ごとの結果を示す図。
【図１３】ねじの更に異なる特性を調べる装置および結果を示す図。
【図１４】ねじの更に異なる特性を調べる装置を示す概略図。
【図１５】図１４の装置による異なる加力位置ごとの結果を示す図。
【図１６】ねじの更に異なる特性を示す図。
【図１７】ねじの更に異なる特性を調べる装置の一部および結果を示す図。
【図１８】図１の試験装置を用いた応用例の装置を示す概略図。
【図１９】図１８の一部分を拡大した縦断面図。
【図２０】図１の試験装置の異なる応用例の装置を示す概略図。
【図２１】図２０の一部分を拡大した図。
【図２２】図２０の装置による測定結果を示す図。
【符号の説明】
【００９６】
１：試験装置、２：試験機本体、３，３ｂ：油圧ポンプ、３ａ：補助油圧ポンプ、４，４ｂ：油圧計、５：上部キャッチャ、６：下部キャッチャ、７：油圧ナット、８、８ｂ：カラー、８ａ：板材、９，９ｆ，９ａ，９ｂ：ボルト、１０：基板、１０ａ：切欠部、１１：座面板、１２，１２ａ：ナット、１３：ダイヤルゲージ、１４：レンチ、１５：トルクレンチ、１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ：プレート、１７：スペーサ、１８，１８ａ，１８ｂ：断熱材、１９：ワッシャ、２０：通孔、２１：シリンダ、２１ａ：ナット保持部、２２：ピストン、２２ａ：ボルト支持部、２３：油室、２４：スプリング、２５：カバー、２６：回り止め部材、２７：Ｏリング、３１，３３：重り、３２：圧力調整器、３４：ヒータ、３５：コントローラ、３６：蓄熱体、３７，３７ａ，３７ｂ：熱電対、５１：蓋、５２，６３：衝撃吸収材、５３：鎖、６１：皿、６２：フランジ、７１：シリンダ、７２：ピストン、７３：油室、７４  シーリング材、８１：溝、９１：孔。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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