(57)【要約】【解決手段】第１材料から作られた高疲労強度ボルトと、ボルトの第１材料より軟質の第２材料から作られたナットとを含む耐振動性の締結機構である。ボルトはボルトネジを含み、ナットはボルトネジと対合する予めネジ形成されたナットネジを含んでいる。締結機構は、ナットネジとボルトネジの独特な形状と、ナット及びボルトの硬度差との組合せを利用して、耐振動性を具備させるものである。締め付けられると、ボルトネジのクレストはナットネジの支持用軟質フランクに入り込む。ボルトのクレストが入り込むのと同時に、軟質ナットネジのクレストは径方向内向きに流れて、ボルトネジの谷底の円弧半径の内側に進入する。この結果、ナットとボルトが完全に接触して、ボルト長手方向軸に対するナットの軸直角方向の移動が制限される。【選択図】図１
2011513681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボルトとナットを具え、複数のワークピースどうしを固定する締結機構であって、
ボルトは、整合位置関係にあるワークピース孔の中に配置されるよう構成された細長いシャンクを有し、該シャンクは、一端部が拡大ヘッドで終端し、複数の外側ボルトネジを有するネジ部を含み、ボルトのボルトネジは複数のクレストと複数の谷底とによって画定され、複数のクレストの一つは支持用フランクにより、複数の谷底の対応する一つに結合され、ボルトは第１材料から作られており、
ナットは、複数のクレストと複数の谷底とによって画定された複数の内側ナットネジを有し、該ナットネジの複数のクレストの一つは、支持用フランクにより、ナットネジの複数の谷底の対応する一つに結合され、ナットネジはボルトネジと螺合するサイズ及び形状に作られ、ナットはボルトの第１材料より軟質の第２材料から作られており、
ナットネジがボルトのボルトネジに係合すると、ボルトネジの複数のクレストの各々は、ナットネジの複数の支持用フランクの対応する一つの中に入り、ナットネジの複数のクレストの各々は、変形して、ボルトネジの複数の谷底の対応する一つの中へ流れて、ナットネジとボルトネジとが完全に接触し、ボルト長手方向軸に対するナットの軸直角方向移動が制限される、締結機構。
【請求項２】
ボルトの第１材料は鋼であり、ナットの第２材料は鋼である、請求項１の締結機構。
【請求項３】
ボルトの第１材料は中炭素合金鋼である、請求項２の締結機構。
【請求項４】
ナットの第２材料は低炭素鋼である、請求項３の締結機構。
【請求項５】
ナットの第２材料は低炭素合金鋼である、請求項３の締結機構。
【請求項６】
ナットの第２材料は中炭素鋼である、請求項３の締結機構。
【請求項７】
ナットの第２材料は中炭素合金鋼である、請求項３の締結機構。
【請求項８】
ボルトの第１材料は中炭素鋼である、請求項２の締結機構。
【請求項９】
ボルトとナットの硬度比は約４：３である、請求項２の締結機構。
【請求項１０】
ナットは、硬度範囲が約Ｒｂ７５〜約Ｒｂ９５である、請求項９の締結機構。
【請求項１１】
ボルトは、硬度範囲が約Ｒｃ３３〜約Ｒｃ３９であるグレード８のボルトである、請求項９の締結機構。
【請求項１２】
ボルトは、硬度範囲が約Ｒｃ３３〜約Ｒｃ３９であるクラス１０.９のボルトである、請求項９の締結機構。
【請求項１３】
ボルトは、硬度範囲が約Ｒｃ２４〜約Ｒｃ３４であるグレード５のボルトである、請求項９の締結機構。
【請求項１４】
ボルトは、硬度範囲が約Ｒｃ２４〜約Ｒｃ３４であるクラス８.８のボルトである、請求項９の締結機構。
【請求項１５】
ナットは、硬度範囲が約Ｒｂ５３〜約Ｒｂ７５である、請求項９の締結機構。
【請求項１６】
ナットネジは一方向ネジを含み、ボルトネジは一方向ネジを含んでいる、請求項１の締結機構。
【請求項１７】
ナットネジは双方向ネジを含み、ボルトネジは双方向ネジを含んでいる、請求項１載の締結機構。
【請求項１８】
ナットネジは、約８０°の狭角を含んでいる、請求項１７の締結機構。
【請求項１９】
ナットネジは、約５０°の狭角を含んでいる、請求項１７の締結機構。
【請求項２０】
締結機構はフリーランニング式締結機構である、請求項１の締結機構。
【請求項２１】
ピン部材とナットを具え、複数のワークピースどうしを固定する締結機構であって、
ピン部材は、整合位置関係にあるワークピース孔の中に配置されるよう構成された細長いシャンクを有し、該シャンクは、一端部が拡大ヘッドで終端し、複数の外側ピンネジを有するネジ部を含み、ピン部材のピンネジは複数のクレストと複数の谷底とによって画定され、複数のクレストの一つは支持用フランクにより、複数の谷底の対応する一つに結合され、ピン部材は第１材料から作られており、
ナットは、複数のクレストと複数の谷底とによって画定された複数の内側ナットネジを有し、該ナットネジの複数のクレストの一つは、支持用フランクにより、ナットネジの複数の谷底の対応する一つに結合され、ナットネジはピンネジと螺合するサイズ及び形状に作られ、ナットはピン部材の第１材料より軟質の第２材料から作られており、
ナットネジがピン部材のピンネジに係合すると、ピンネジの複数のクレストの各々は、ナットネジの複数の支持用フランクの対応する一つの中に入り、ナットネジの複数のクレストの各々は、変形して、ピンネジの複数の谷底の対応する一つの中へ流れて、ナットネジとピンネジとが完全に接触し、ピン部材の長手方向軸に対するナットの軸直角方向移動が制限される、締結機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の説明＞
本願は、米国特許法第111(a)条に基づく出願であり、2009年1月6日に出願された同時係属の米国仮特許出願第61/142,828号、発明の名称「改良されたナット及びボルト」及び、2009年6月9日に出願された同時係属の米国仮特許出願第61/185,373号、発明の名称「改良されたナット及びボルト」の優先権を主張し、これらの内容は引用を以て本願に組み込まれるものとする。
【背景技術】
【０００２】
＜発明の分野＞
本発明は、締結機構(fastening system)に関し、より具体的には、ナットと高疲労強度ボルトを有する耐振動性締結機構に関する。
【０００３】
＜背景技術＞
従来のナット及びボルトは使い易いが、いずれも激しい振動負荷の下で緩みが生じやすい。その上、ボルトのネジは応力集中を生じることがあるが、高スパイク荷重に耐え得る高疲労強度を具備していない。それゆえ、振動による緩みに耐え、高スパイク荷重に耐え得る高疲労強度を有し、従来の取付工具を用いて迅速に着脱できるナット及びボルト締結機構が要請されている。
【発明の概要】
【０００４】
＜発明の開示＞
締結機構は、第１材料から作られた高疲労強度ボルトと、該ボルトの第１材料よりも軟質の第２材料から作られたナットとを含んでいる。一実施例において、締結機構はボルトとナットの硬度比が約４：３以上である。ボルトは外側ボルトネジを含み、ナットは予めネジ山が形成された内側ナットネジを含んでおり、該内側ナットネジは外側ボルトネジに対合して螺合される。一実施例において、締結機構は、ナットネジ及びボルトネジの独特な形状と、ナット及びボルトの硬度差との組合せにより、耐振動性特性を具備する。一実施例において、締結機構は、有用なナット及びボルトを提供するもので、疲労強度及び耐振動性が改良されたロックボルトを有している。従来のトルク工具で回転させながら締め付けると、ナットネジのフランクは対向するボルトのフランクに対合する。ナットとボルトのフランクが完全に対合すると、ボルトネジのクレストは、軟軟質ナットネジの対応する支持用フランク(bearing flank)に入り込む。前記ボルトネジクレストが入り込むと同時に、軟質ナットネジのクレスト(crests)は径方向内向きに流れて、対応するボルトネジの谷底円弧半径(root radii)の中に進入する。これにより、ナットとボルトが完全に接触し、ナットのボルト長手方向軸に対する横方向の移動が制限される。結果として、締結機構は良好な耐振動性を有する。締付け中、本発明の締結機構は標準のナット及びボルトと同様なクランプを発生するが、クランプエネルギーの一部を同時に利用して固有の耐振動性を生じる点で異なる。
【０００５】
本発明は、様々な用途及び環境、例えば軍事設備、農場設備、自動車やトラック輸送用、そして鉄道用などに用いられることができる。発明の更なる特徴及び利点は、発明の実施例の詳細な説明の記載からより明らかになるだろう。なお、発明の実施例は添付の図面を参照して説明するが、単なる例示に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本発明をより良く理解するために、実施例の詳細な説明に関連して添付する図面は、以下のとおりである。
【０００７】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係る締結機構の側面図である。
【０００８】
【図２】図２は、図１に示される締結機構について、Ａ−Ａ線に沿って矢印の方向から見た断面図である。
【０００９】
【図３】図３は、図２に示される締結機構に使用されているナットのナットネジとボルトの対応するボルトネジの拡大断面図であり、ナットは紙面の左側、ボルトは右側に示されており、ナットとボルトは緩められた位置にある。
【００１０】
【図４】図４は、図３に示されるナットのナットネジとボルトのボルトネジの拡大断面図であり、ナットとボルトは締め付けられた位置にある。
【００１１】
【図５Ａ】図５Ａは、図１に示される締結機構に使用されているナットの実施例のネジ形状について、その詳細を拡大して示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図１に示される締結機構に使用されているボルトの実施例のネジ形状について、その詳細を拡大して示す断面図である。
【００１２】
【図５Ｃ】図５Ｃは、図１に示される締結機構に使用されているナットの他の実施例のネジ形状について、その詳細を拡大して示す断面図である。
【００１３】
【図６】図６は、図１に示される締結機構のサンプルについて、振動試験のデータ結果を示す図である。
【００１４】
【図７】図７は、図１に示される締結機構のサンプルについて、再使用試験のデータ結果を示す図である。
【００１５】
【図８】図８は、図１に示される締結機構のサンプルと従来技術の締結機構との比較試験データ結果を示す図である。
【００１６】
【図９】図９は、図１に示される締結機構のサンプルについて、更なる追加試験のデータ結果を示す図である。
【００１７】
【図１０】図１０は、図１に示される締結機構と標準の締結機構のクランプ整合(clamp consistency)の比較を示すグラフである。
【００１８】
【図１１Ａ】図１１Ａは、図１に示される締結機構に使用されているナットの他の実施例のネジ形状について、その詳細を拡大して示す断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１に示される締結機構に使用されているボルトの他の実施例のネジ形状について、その詳細を拡大して示す断面図である。
【００１９】
【図１２Ａ】図１２Ａは、図１に示される締結機構に使用されているナットの他の実施例を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１に示される締結機構に使用されているナットの他の実施例を示す図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、図１に示される締結機構に使用されているナットの他の実施例を示す図である。
【００２０】
【図１３Ａ】図１３Ａは、図１２Ａ−図１２Ｃに示されるナットのナットネジと、図１１Ａに示されるボルトのボルトネジの拡大断面図であり、ボルトは紙面の左側、ナットは右側に図示されており、ナットとボルトは緩められた位置にある。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１２Ａ−図１２Ｃに示されるナットのナットネジと、図１１Ａに示されるボルトのボルトネジの拡大断面図であり、ボルトは紙面の左側、ナットは右側に図示されており、ナットとボルトは締め付けられた位置にある。
【００２１】
【図１４】図１４は、図１１Ａに示されるネジ形状が施されたボルトのサンプルについて、標準のＵＮＣボルトとの比較疲労試験のデータ結果を示す図である。
【００２２】
【図１５】図１５は、図１３Ａ及び図１３Ｂに示されたナット及びボルト締結機構のサンプルについて、軸直角方向振動試験のデータを示す図である。
【００２３】
＜発明を実施するための形態＞
図１及び図２を参照すると、締結機構(10)は、ボルト(12)と、該ボルト(12)に螺合するナット(14)とを含んでおり、二つのワークピース、ジョイント等(図示せず)を互いに締結するのに用いられる。一実施例において、ボルト(12)は第１材料から作られた高疲労強度ボルトであり、ナット(14)は、ボルト(12)の第１材料よりも軟質の第２材料から作られる。ボルト(12)及びナット(14)を作るのに用いられる材料は、後でより詳細に説明する。
【００２４】
図１及び図２をさらに参照すると、一実施例において、ボルト(12)は、第１端部(18)及び該第１端部に対向する第２端部(20)を有する細長いシャンク(16)と、第１端部(18)に配置された拡大ボルトヘッド(22)とを含んでいる。一又は複数の実施例において、ボルトヘッド(22)は当該分野で知られたあらゆる種類のボルトヘッドのサイズと形状(例えば、六角ヘッド、キャリッジボルトヘッド、トラスヘッド、フィリスター(fillister)ヘッド等)から構成することができる。シャンク(16)には、外側ボルトネジ(26)を有するネジ部(24)がある。ボルトネジ(26)の実施例については、後でさらに詳しく説明する。一又は複数の実施例において、ボルト(12)のボルトネジ(26)は、Alcoa Fastening Systems(本願の譲受人の関連会社)が製造した締結機構(商標名BOBTAIL)のものと同様であり、米国特許第７，２９３，３３９号に開示されており、その内容は、引用を以て本願に組み込まれるものとする。米国特許第７，２９３，３３９号に開示されているボルトの実施例は、浅いネジと大きな谷底の円弧半径を有している(本願では図示せず)。他の実施例において、ボルトネジ(26)の浅いネジと大きな谷底の円弧半径によってボルト断面がより大きくなり応力集中は低減し、その結果ボルト(12)のネジ部(24)における疲労強度及び剪断強度が改善される。
【００２５】
図１及び図２をさらに参照すると、一実施例においてナット(14)には、ボルト(12)への回転締付及びボルト(12)からの回転緩めを容易にするための六角外形部(28)がある。一又は複数の実施例において、ナット(14)は、当該分野で知られた適当なナットであらゆる種類(例えば、六角ナット、四角ナット、キャップナット、ウィングナット、フランジナット等)のものを含むことができる。ナット(14)は、予めネジ山が形成された内側ナットネジ(30)(図２を参照)を有し、該内側ナットネジはボルト(12)のボルトネジ(26)に対合して螺合する。ナット(14)のナットネジ(30)の実施例については、後でさらに詳しく説明する。
【００２６】
一実施例において、ボルト(12)とナット(14)は異なる材料から作られ、ボルトとナットの材料の硬度比は約４：３以上である。一実施例において、ボルト(12)は強度レベルがグレード８のボルトで中炭素合金鋼から作られ、ナット(14)はヘッディング又は機械加工状態の低炭素鋼から作られる。他の実施例において、ボルト(12)は中炭素鋼から作られる。また他の実施例において、ナット(14)は低炭素合金鋼又は中炭素鋼から作られる。一実施例において、ボルト(12)は当該分野で知られたあらゆるグレード(例えばグレード２、グレード５、グレード８、クラス８.８、そしてクラス１０.９等)のものによって特徴付けられることができる。一実施例において、ナット(14)に低炭素鋼(ヘッディング又は機械加工の状態)を用いることで、締結機構(10)は高クランプ(グレード８又はクラス１０．９)を達成することができる。他の実施例において、ヘッディング及び機械加工の状態では、従来のナットと較べてコスト削減になる。一般的に、従来のナットは、硬度を得るために費用のかかる二次熱処理プロセスが必要となる。締結機構(10)のナット(14)は、二次熱処理プロセスを必要としない。
【００２７】
他の実施例において、締結機構(10)は、ボルトとナットの硬度比が約４：３以上に維持される限り、チタン、アルミニウム若しくはステンレス鋼、又はグレード２の実用グレード鋼種又はグレード５種から作られる。ボルトとナットの硬度比が約４：３以上であれば、ボルトネジ(26)は荷重が受けた際にさほど変形することはない。もし前記硬度比におけるボルトの硬度が増大すれば、ボルトネジ(26)は荷重を受けても有意に変形することはない。しかし、前記硬度比においてナットの硬度が増大するか、又はボルトの硬度が減少すれば、ボルトネジ(26)は変形し、その結果予測できない引張強度の低下を招くことになるだろう。
【００２８】
一実施例において、ナットの硬度範囲はＲｂ７５−９５である。一実施例において、グレード８及びクラス１０.９のボルト(12)の硬度範囲はＲｃ３３−３９である。一実施例において、グレード５及びクラス８.８のボルト(12)の硬度範囲はＲｃ２４−３４である。一実施例において、ナット(14)の硬度範囲はＲｂ５３−７５である。
【００２９】
図３を参照すると、ナット(14)のナットネジ(30)(図３の左側に示されている)及びボルト(12)のボルトネジ(26)(図３の右側に示されている)は、互いに緩められた位置にある。ボルトネジ(26)は、複数のクレスト(32)、複数の谷底(34)、及び複数のフランク(36)によって画定される。各々のフランク(36)は、複数のクレスト(32)のうち対応する一つが、複数の谷底(34)のうちの対応する一つに接触する。同じように、内側ナットネジ(30)は、複数のクレスト(38)、複数の谷底(40)によって画定される。複数のフランク(42)の各々は、複数のクレスト(38)のうち対応する一つが、複数の谷底(40)のうちの対応する一つに接触する。
【００３０】
図４を参照すると、ナットネジ(30)とボルトネジ(26)は、互いに締め付けられた状態が示されている。ボルト(12)とナット(14)が互いに対合すると、ナットネジ(30)の複数のフランク(42)の一つが、ボルトネジ(26)の複数のフランク(36)のうち対応する一つに適合する。フランク(36)(42)が完全に対合した後、ナット(14)をボルト(12)の上に締め付けると、ナットネジ(30)の複数の支持用フランク(42')の一つが、ボルトネジ(26)のクレスト(32)の対応する一つの周囲に沿って流れる。つまり、ボルトネジ(26)のクレスト(32)はナットネジ(30)の軟質支持用フランク(42')に入り込む。ボルトネジ(26)のクレスト(32)がナットネジ(30)の支持用フランク(42)に入り込むのと同時に、ナットネジ(30)の各々のクレスト(38)は押圧され、径方向に流れて、ボルトネジ(26)の対応する谷底(34)、具体的には谷底(34)の円弧半径の内側に進入する。一旦締め付けられると、ナット(14)はボルト(12)のａ−ａ軸(図２を参照)に対して軸直角方向Ｄへの移動はできなくなる。その結果、ボルトネジ(26)とナットネジ(30)との間では、ナット(14)長さ全体にわたって、堅固な接触が達成される。
【００３１】
軸直角方向の振動は、ナットとボルトの緩みの原因になると考えられている。締結機構(10)の場合、ナット(14)はボルト(12)に対して軸直角方向Ｄには移動することができない。締め付けられると、ナットネジ(30)のフランク(42)は、ナット(14)長さ全体にわたって、ボルトネジ(26)のフランク(36)に適合する。更に、ボルトネジ(26)のクレスト(32)及び谷底(34)にて、軸直角方向Ｄに直交する接触面が形成されるので、ナット(14)のボルト(12)に対する軸直角方向移動は完全に回避される。その結果、振動に起因する緩みが抑えられる。締付け中、締結機構(10)は、標準のナット及びボルトと同様なクランプを発生するが、本発明の締結機構(10)は、クランプのエネルギーの一部を同時に利用して固有の耐振動特性をもたらす点で異なる。
【００３２】
締結機構(10)は“フリーランニング(free running)”と考えることができ、これは、ナット(14)がシートラインまでボルト(12)の上をスピンダウンするのにトルクは必要としないことを意味する。この“フリーランニング”特性は、従来よりしばしば“プリベリングトルク(prevailing torque)”のナットと称される耐振動性締結体構造の多くのものとは異なる。これら“プリベリングトルク”のナットは遅くて、はめ合い(fit up)が困難である。
【００３３】
ナット(14)のネジ形状の詳細(30)及びボルト(12)のネジ形状の詳細(26)(後で説明する締結機構(10)の初期試験で用いられた)の実施例が、図５Ａ及び図５Ｂに示されており、これは５／８"(１６ｍｍ)の締結機構(10)である。一実施例において、図５Ａ及び図５Ｂに示していない寸法は以下の通りである。
＜ナット＞
ナット内径(minor diameter)：０.５８１±.００１"
ナット谷径(major diameter)：０.６３７±.００１"
円弧半径は全て接し交わっている。
＜ボルト＞
ボルト谷径(minor diameter)：０.５６８"
ボルト外径(major diameter)：０.６２２±.００２"
円弧半径は全て接し交わっている。
【００３４】
上記の寸法は、旋盤で中ぐり棒を用いて作られたナット(14)の実施例に対応する。他の実施例において、ナット(14)は高速のタッピング機械及びタップを用いてネジ山が形成される。タッピングプロセスでは、ナット(14)の内径に緩衝域(relief area)が必要である。図５Ｃには、ネジ山が形成されたナットネジ(30)について、その詳細の実施例が示されている。
【００３５】
上述した５／８"締結機構(10)のサンプルに対し、様々な振動試験を行なった。具体的には、締結機構(10)のサンプルは、SPS Unbrako社製のユンカー式軸直角振動試験機(容量５０ｋｉｐ)で試験を行なった。締結機構(10)のいくつかのサンプルを、所定の荷重に取り付け、軸直角方向にプレートを装填し、カムの作動を１２.５Ｈｚに制御しつつ総偏位が０.１２０"となるように負荷した。締結機構(10)のナット(14)は、揺動プレートの上に取り付けた。揺動プレートは、屈曲して軸直角方向の負荷が生じるように、揺動プレートの内側のクリアランスは０.１１０"である。振動試験は、次の試験手順で行なった。
［１］締結機構(10)を、ユンカー試験機の上端にナット(14)が見える状態で試験機内に組み込んだ。
［２］ユンカー試験機に電圧を加えて、試験クランプ荷重をニコレット(Nicolet)のオシロスコープで監視した。
［３］試験は、５分経過するか又は締結具が破損するかどちらか最初に起こった方で中止した。
【００３６】
締結機構(10)に対する振動試験の試験結果データを図６に示している。予負荷(lbf)の計測を時間(seconds)に対して行なった。サンプルは、発明例＃１(Advanced #1)乃至発明例＃３(Advanced #3)である。試験結果は、締結機構(10)のサンプルがユンカー式振動試験の結果が良好であることを示した。試験の開始時、締結機構(10)をセットし、次に約20,000lbfの予負荷(pre-load)を加え、さらに緩めることなくこれを継続した。上記試験に用いたナット(14)の硬度値は、ロックウエルＲｂ８４〜８６であった。ボルト(12)の硬度は、Ｒｃ３５〜３８の範囲内であった。
【００３７】
図７は、締結機構(10)における再使用試験データを示している。予負荷(lbf)の計測を時間に対して行なった。以下の試験では、図６を参照して記載した初期振動試験で用いたのと同じナット(14)及びボルト(12)を再使用した。ナット(14)とボルト(12)は、ボルト(12)の各々が初期試験とは異なるナット(14)を受けるように再構成した。試験の開始時、締結機構(10)をセットし、その後約22,500lbfの予負荷を加え、さらに緩めることなくこれを継続した。この再使用試験は、ナット(14)とボルト(12)は、耐振動性をさほど損なうことなく、無作為に再使用されることができることを示している。
【００３８】
図８は、締結機構(10)のサンプルについて比較試験データを示す。予負荷(lbf)の計測を時間に対して行なった。図８のグラフは、本発明の締結機構(10)(Advanced＃１〜Advanced＃３と表示)における初期試験データと、他の耐振動性締結機構(“Stoverized”ロックナット締結機構、“Flanged”ナット締結機構及び“Nylon insert”締結機構、と表示)及び前述のBOBTAIL(商標名)締結機構(“BOBTAIL”と表示されている)との比較を示している。予負荷(lbf)の計測を時間に対して行なった。図８に示されているように、締結機構(10)のサンプル及びBOBTAIL締結機構のサンプルに対する予負荷は僅かに低下したが、その後は約20,000lbfで一定であった。これに対し、他の締結機構の予負荷は直ちに低下し、短時間のうちにゼロ又はそれに近いところで平坦になった。これは、締結機構(10)が良好な耐振動性を有していることを示していることに他ならない。
【００３９】
図９は、締結機構(10)の更に裏付けとなる試験データを示している。予負荷(lbf)の時間に対する計測を行なった。グラフは、ボルト(12)とナット(14)との硬度差による効果と、ロッキング特性の結果を示している。この試験では、標準グレード８の５／８"−１１ＵＮＣボルト(12)を、標準の５／８"−１１タップでネジ形成されたネジ付き内径を有するナット(14)(Ｒｂ８９−９１)と共に用いた。このグラフは、締結機構(10)(“Supplemental”と表示)と同じ硬度(Ｒｂ８９−９１)を有する標準のＵＮＣタップナット(14)の３つの試験結果と、ナット(14)(“BOBTAIL”と表示)の３つの試験結果とを合わせて示している。このグラフを参照すると、振動中、ＵＮＣナットのロッキング特性は時間と共に低下するが、本発明の締結機構(10)のナット(14)のロッキング特性は低下しないことを示している。この試験データからは、締結機構(10)のロッキング特性の耐振動性の理由が、軟質ナット(14)を用いたことによるだけのものでないことを示している。
【００４０】
図１０は、締結機構(10)におけるクランプ整合を示している。締結機構(10)の中に、固有のクランプ整合が組み込まれている。一般的に、標準のナットとボルトには設定トルクで約２５〜３０％のクランプ変動があるが、本発明の締結機構(10)のクランプ変動は、約２０％という低さである。これは、締結機構(10)がナット(14)材料の変形(降伏)範囲内で動作するためである。軟質材料はクッションとして作用し、取付曲線を平坦化させる。軟質ナット(14)は、降伏曲線の平坦部にあるため、大きなトルク差がボルト軸力(bolt tension)の差を小さくする。これに対し、硬質の非降伏ナットは、軸力曲線に対するトルクの傾斜が非常に急になる。それゆえ、トルク差が小さく、これがボルト軸力の差を大きくする。
【００４１】
他の実施例において、ボルトネジ(26)とナットネジ(30)の各々には一方向ネジ山がある。この一方向ネジ山では、ナット(14)の向きが、ボルトネジ(26)とナットネジ(30)が適合するものでなければならない。他の実施例において、ボルトネジ(26)とナットネジ(30)は双方向である。一実施例において、直径５／８"(１６ｍｍ)の締結機構(110)の最終形状(すなわちナット(114)及びボルト(112))を、図１１Ａ及び図１１Ｂに示している。図１１Ａ及び図１１Ｂに含まれていない寸法は、次のとおりである。
＜ボルト＞
ボルト谷径：０.５６８ ref.
ボルト外径：０.６２２±.００２"
円弧半径は全て接し交わっている。
＜ナット＞
ナット内径：０.５８１±.００１"
ナット谷径：０.６３７±.００１"
円弧半径は全て接し交わっている。
【００４２】
他の実施例において、ナット(114)の特徴は図１２Ａ乃至図１２Ｃに示されている。より具体的には、ナット(114)は、タップクリアランスフラット部に向かう８０°の狭角を含んでいる。このように、図１３Ａ及び図１３Ｂに示される締結機構(110)に関しては、ナット(114)と対応するボルト(112)(ネジの特徴は図１１Ｂに示されている)が互いに対合するとき、ボルトネジ(126)のクレスト(132)はナットネジ(130)の対応する支持用フランク(142')に最初に当たり、その結果、ボルト(112)(硬質材料から作られる)の先端が、ナット(114)(軟質材料から作られる)の中に低負荷で埋め込まれる。これにより、低トルク／クランプ負荷での耐振動性がもたらされる。この成形順序(ナットネジ(130)がボルトネジ(126)のクレスト(132)の周囲に最初に形成される)により、低負荷での耐振動特性がもたらされる。一実施例において、例えばグレード８のボルトがグレード５のクランプ負荷まで締め付けられた場合、耐振動性が達成される。
【００４３】
図１４は、本発明の締結機構(110)と標準のＵＮＣ締結機構との引張−引張疲労試験の平均試験結果を示している。最大負荷(lbf)の計測をサイクル数に対して行なった。使用した締結機構(10)のサンプルは直径５／８"、グレード８の締結機構である。図１４から明らかなように、本発明の締結機構(110)は、比較用の標準ＵＮＣ締結機構の５倍の疲労寿命を有している。更にまた、締結機構(110)の最大応力の計算結果は142ksiであり、従来のＵＮＣ締結機構の最大応力の計算結果194ksiであった。これは、本発明の締結機構(110)は、ＵＮＣ締結機構よりも応力が２７％低いことを示している。
【００４４】
図１５は、締結機構(110)の４つのサンプルについて、軸直角方向の振動試験結果を示している。予負荷(lbf)の計測を時間に対して行なった。直径３／４"の締結機構(110)のサンプルは、38,000lbfの予負荷で使用した。図１５に示されるとおり、予負荷は僅かに低下した後、安定を維持した。これは、締結機構(110)が良好な耐振動性を有していることを更にはっきり示すものである。
【００４５】
要約すると、締結機構(10)(110)は様々な有利な特徴を有している。例えば、締結機構(10)(110)は耐振動性であるため、メンテナンスが少なくてすみ、装置の稼働時間はより長くなる。“フリーランニング”式ネジは、取付けを迅速に行なうことができ、着脱が容易である。これは、締結機構(10)(110)のあらゆるコーティングの損傷防止にもなる。ボルトネジ(26)(126)は浅く、ノッチ係数が低いため、高疲労強度を有し、高スパイク荷重を吸収する。一実施例において、締結機構(10)(110)は、クラス８.８又はクラス１０.９の強度を有することができるので、従来のナット及びボルトからのアップグレードが容易である。また、締結機構(10)(110)はトルク／張力の関係を予測可能である。結果として、締結されたジョイントは滑り破壊に対する抵抗性を有し、部品の整合位置を保ち、より長く持続する。
【００４６】
ここに記載した実施例は単なる例示であって、当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの変更及び変形をなし得ることは理解されるべきである。例えば、一実施例において、ボルト(12)(112)はあらゆる種類のネジ付きピン(例えば、キャリッジボルト、六角ボルト、Ｕボルト、Ｊボルト、小ネジ等)を挙げることができる。一実施例において、ナット(14)(114)はあらゆる種類のナット(例えば、六角ナット、四角ナット、キャップナット、ウィングナット、フランジナット等)を挙げることができる。一実施例において、あらゆる種類の適当なワッシャー(図示はしないが、例えば、フラット、四角、ロッキング、ドック、フェンダ等)を、締結機構(10)(110)と共に用いることができる。一実施例において、締結機構(10)(110)は、適当なコーティング(例えば、亜鉛メッキ、ガルバナイジング、クロムメッキ等)を含むことができる。それゆえ、このような変更及び変形は全て、添付の特許請求の範囲に規定される本文記載の実施例の範囲に含まれる。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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