(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナット及びボルトを備えるねじ部材において、
前記ナットのねじ山ピッチが前記ボルトのねじ山ピッチと比較して△Ｐ広く、前記ナットのねじ山に前記ボルトへ未嵌合の領域が残っている状態で該ナットのねじ山と該ボルトのねじ山が複数箇所で接触してねじ込みトルクが作用し、
前記ナットのねじ山数をＮ、前記ナットのねじ山と前記ボルトのねじ溝の軸方向のクリアランスをＣｘとして、
Ｎは４．７より大きく、
２Ｃｘ／（Ｎ−３．７）≦△Ｐ≦２Ｃｘ／（Ｎ−４．５）の式を満たすことを特徴とするねじ部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルト及びナットの締結体であるねじ部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ねじ部材は、ボルト（雄ねじ）の外周とナット（雌ねじ）の内周にそれぞれ形成された螺旋状のねじ山が嵌合するように設計されており、嵌合するねじ山間に生じる摩擦力を上回る力でボルトがナットにねじ込まれることによって、強固に締結される。締結されたボルトとナットは、ボルト及びナットそれぞれのねじ山が螺旋状であるが故に、長時間振動を受けることによって緩みが生じ、締結状態を保てなくなる。そして、緩んだ状態のボルト及びナットにおいては、振動によってボルト及びナット間に衝撃力が繰り返し作用し、場合によっては、ボルト及びナットが破壊されることとなる。
【０００３】
そこで、ボルト及びナットの緩みを防ぐべく、これまでに多種多様な緩み止め技術が考えられてきた。その中で、比較的容易かつ低価格で効果的な具体例が特許文献１、２に開示されている。特許文献１、２には、ナットのねじピッチをボルトのねじピッチよりも若干大きくして、ボルトとナットに部分的な強接触部を設け、緩み止め効果を得る方法が記載されている。そして、特許文献２には、強接触部に生じる傷による疲労破壊を防止し、締結状態にあるボルトを工具で緩めようとする際、ボルトにねじ切れ等が生じるのを抑制できる点についても記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５７−４７０１６号公報
【特許文献２】国際公開第２００６／１００７６６号公報
【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、ボルト及びナットのねじピッチの差を具体的にどの値に設定するかについての検討が十分ではなかった。特許文献２には、ねじピッチをｐ、ねじピッチの差を△ｐ、ナットのねじ数をＮとして、ボルト、ナットの緩み止めには、０．０３≦△ｐ・Ｎ／ｐ≦０．３の関係式を満たす点が記載されているが、ボルトのねじ溝とナットのねじ山の軸方向の片側クリアランス（以下、単に「クリアランス」とも言う）の大きさについて検討がなされていない。そのため、クリアランスの大きさによっては、０．０３≦△ｐ・Ｎ／ｐ≦０．３を満たすねじ部材において、例えば、ナットにボルトを挿入することができないという問題が招来する。
【０００６】
この問題を、ＪＩＳ規格のＭ１６のねじ部材を例にして説明する。
Ｍ１６は、ボルト基準寸法が１５．９６２ｍｍ、ナット基準寸法が１４．２１０ｍｍ、ねじピッチが２０００μm、軸方向クリアランスが１１〜１１８μｍである。ここでは、ナットのねじ山数が８、軸方向クリアランスが７２μｍのＭ１６のねじ部材（以下、「対象ねじ」とする）で問題が生じるかを検討する。
【０００７】
対象ねじに０．０３≦△ｐ・ｎ／ｐ≦０．３の関係式を当てはめると、ねじピッチの差が８〜７５μｍの範囲で、ボルト、ナットの緩みを防止できることとなる。
ここで、図４に示すように、ボルト１０２に取り付けたナット１０１を回転させてボルト１０２の頭部に向かって進めると、ナット１０１のねじ山１０１ａとボルト１０２のねじ山１０２ａが、２箇所で接触するようになる。その状態からナット１０１を回転させてボルト１０２の頭部に進めると、ボルト１０２のねじ山１０２ａとナット１０１のねじ山１０１ａの接触領域が変形し、ねじ山１０２ａとねじ山１０１ａの間に大きな接触圧力及び摩擦が生じるので、ナット１０１がボルト１０２に対して自然回転するのを防止する摩擦トルク（以下、「ねじ込みトルク」とも言う）が発生する。
【０００８】
そして、ねじ込みトルクが発生し始める際のボルト１０２のねじ山１０２ａに嵌合しているナット１０１のねじ山１０１ａ数をＮｃ（ねじ山の０°位置から３６０°位置の１サイクルの領域をねじ山数が１として扱う）とし、ボルト１０２及びナット１０１のクリアランスをＣｘとし、ボルト１０２及びナット１０１のねじピッチの差を△ｐとすると、以下の式が成り立つ。
２Ｃｘ＝△ｐ・（Ｎｃ−１）
図４に示す例では、Ｎｃ＝２、２Ｃｘ＝△ｐであるので、２Ｃｘ＝△ｐ・（Ｎｃ−１）の関係が成り立っている。なお、図４は、ねじ込みトルクが生じる最小の嵌合ねじ山数Ｎｃ＝２の状態を示すものである。
【０００９】
また、前記式に従えば、ＪＩＳ規格における最小のクリアランスＣｘ＝１１μmでは、△ｐ＝２Ｃｘ／（Ｎｃ−１）＝２２／（Ｎｃ−１）となる。ナットがボルトに挿入可能となるためには、少なくともＮｃが２以上であるから、ねじピッチの差△ｐは、２２／（２−１）＝２２μｍ以下でなくてはならない計算となる。
この点、特許文献２には、△ｐの範囲として８〜７５μｍが挙げられており、この範囲の内２２μｍを超えて７５μｍ以下ではナット全体をボルトに嵌合させることができない。このように特許文献２では、クリアランスが考慮されておらず、大部分の範囲がねじ部材として機能しない。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、ナット全体をボルトに嵌合可能で、ボルトに対するナットの緩みを安定的に抑制できるねじ部材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】
【００１０】
前記目的に沿う本発明に係るねじ部材は、ナット及びボルトを備えるねじ部材において、前記ナットのねじ山ピッチが前記ボルトのねじ山ピッチと比較して△Ｐ大きく、前記ナットのねじ山に前記ボルトへ未嵌合の領域が残っている状態で（ナットをねじ込む際に）該ナットのねじ山と該ボルトのねじ山が複数箇所で接触してねじ込みトルクが作用し、前記ナットのねじ山数をＮ、前記ナットのねじ山と前記ボルトのねじ溝の軸方向のクリアランスをＣｘとして、Ｎは４．７より大きく、２Ｃｘ／（Ｎ−３．７）≦△Ｐ≦２Ｃｘ／（Ｎ−４．５）の式を満たす。但し、ナットのねじ山数とは、ねじ山の０°位置から３６０°位置の１サイクルの領域をねじ山数が１つとした値である。
これによって、ナット全体をボルトに嵌合可能で、ボルトに対するナットの緩みが抑制できることを、図１（Ａ）〜（Ｃ）、図２に示すねじ部材１０を例にして、以下、説明する。
【００１１】
図１に示すねじ部材１０は、ナット１１及びボルト１２を備え、図２に示すように、ナット１１のねじ山ピッチ（ナット１１のねじ山１３の形成ピッチ）がボルト１２のねじ山ピッチ（ボルト１２のねじ山１４の形成ピッチ）と比較して△Ｐ大きく、ナット１１にボルト１２へ未嵌合のねじ山１３が残っている状態でナット１１の複数のねじ山１３にねじ込みトルクが作用する。
【００１２】
ナット１１のねじ山ピッチがボルト１２のねじ山ピッチに比べて大きいため、図２に示すように、ナット１１のねじ山１３とボルト１２のねじ溝１５には、軸方向のクリアランスが存在する。以下、ナット１１のねじ山１３とボルト１２のねじ溝１５の軸方向の片側クリアランス（クリアランス量）をＣｘとする。
そして、ナット１１のねじ山ピッチがボルト１２のねじ山ピッチと比較して大きいことから、ボルト１２と同軸上に配してボルト１２の先部に接触させたナット１１を、ボルト１２に対して回転させて、ボルト１２の先部から頭部に向かってナット１１を進めると、ナット１１のねじ山１３とボルト１２のねじ山１４が離れた２箇所で接触し始める。
【００１３】
このとき、ねじ山１３は、ボルト１２に嵌合されている領域の両端（ボルト１２の頭部に最も近い位置及びボルト１２の先部に最も近い位置）で、ねじ山１４に接触する。ねじ山１３において、ボルト１２の頭部側でねじ山１４に接触している部分には、接触しているねじ山１４からボルト１２の先部方向の力が作用し、ボルト１２の先部側でねじ山１４に接触している部分には、接触しているねじ山１４からボルト１２の頭部方向に力が作用する。
【００１４】
ナット１１のねじ山１３とボルト１２のねじ山１４が２箇所で接触し始めた状態から、ナット１１をボルト１２に対して回転させて、ボルト１２の頭部に更に近付けようとすると、接触している箇所でねじ山１３、１４に変形が生じ、ナット１１がボルト１２に対して自然回転するのを防止するねじ込みトルク（プリべリングトルク）が発生する。
ねじ込みトルクは、接触しているねじ山１３、１４の各領域の変形が大きくなるにつれて、あるいは、接触領域が増えるにつれて、上昇するので、ナット１１をボルト１２の頭部に近付けるのに伴い、ねじ込みトルクは大きくなり、ボルト１２にナット１１の全長がねじ込まれた状態で、ねじ込みトルクの大きさは飽和する。
【００１５】
そして、ねじ込みトルクの上昇は、ボルト１２からナット１１を緩めるために外部から与えるべき力が大きくなることを意味し、ねじ込みトルクが、ナット１１を緩めようとする力を上回っていれば、ナット１１が緩むのを防止可能である。
ここで、ナット１１とボルト１２間にねじ込みトルクが発生し始めた際にボルト１２のねじ山１４に嵌合しているナット１１のねじ山１３数をＮｃとして、Ｎｃは２以上の値になる。これは、Ｎｃが２未満であれば、ねじ込みトルクが安定して発生しないためである。
【００１６】
また、実験的検証により、ナット１１とボルト１２間に安定したねじ込みトルクが発生し始めた際、ナット１１において、ねじ山１４に未嵌合のねじ山１３が少なくとも２．７個でなければ、ナット１１のねじ山１３全体をボルト１２に嵌合した状態でもナット１１の緩みを安定的に防止することができないことを確認した。このことから、安定したねじ込みトルクが発生し始めた際、ねじ山１４に未嵌合のねじ山１３数をＮｒとして、Ｎｒの最小値は２．７である。
なお、Ｎ、Ｎｃ、Ｎｒは、以下の式（１）の関係があるため、Ｎは４．７より大きい値となる。
Ｎ＝Ｎｃ＋Ｎｒ・・・式（１）
【００１７】
ナット１１のねじ山ピッチ及びボルト１２のねじ山ピッチの差（△Ｐ）とナット１１のねじ山１３とボルト１２のねじ溝１５の軸方向のクリアランス（Ｃｘ）の間には、以下の式（２）が成立する。
△Ｐ＝２Ｃｘ／（Ｎｃ−１）・・・式（２）
【００１８】
式（１）、式（２）から、以下の式（３）が成立するので、
△Ｐ＝２Ｃｘ／（Ｎ−Ｎｒ−１）・・・式（３）
【００１９】
Ｎｒ≧２．７から、△Ｐの下限値は、以下の式（４）で定義できる。
２Ｃｘ／（Ｎ−３．７）≦△Ｐ・・・式（４）
【００２０】
また、△Ｐには下限値のみでなく、上限値も存在する。これは、ねじ部材１０が物を固定する部材として機能するためには、図２に示すように、ナット１１全体（全てのねじ山１３）がボルト１２に嵌合する必要があることによる。
そして、実験的検証により、ナット１１の全てのねじ山１３がボルト１２に確実に嵌合するには、Ｎｒが３．５以下であることを確認した。よって、式（３）から、△Ｐの上限値は、以下の式（５）で定義できる。
△Ｐ≦２Ｃｘ／（Ｎ−４．５）・・・式（５）
【００２１】
式（４）、式（５）から、以下の式（６）が成立する。
２Ｃｘ／（Ｎ−３．７）≦△Ｐ≦２Ｃｘ／（Ｎ−４．５）・・・式（６）
【００２２】
なお、ナットのねじ山数が８、軸方向クリアランスが７２μｍのＭ１６のねじ部材について検討すると、△Ｐは、特許文献２に記載の範囲が８〜７５μｍであるのに対し、本実施の形態では、３３．５〜４１．１μｍと非常に狭い範囲であるので、ボルト及びナットの設計に活かすことができる。
ナット１１全体がボルト１２に嵌合可能であり、かつ、ナット１１の緩みを安定的に抑制できることが分かる。
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係るねじ部材は、Ｎが４．７より大きく、２Ｃｘ／（Ｎ−３．７）≦△Ｐ≦２Ｃｘ／（Ｎ−４．５）の式を満たすので、ナット全体をボルトに嵌合可能で、ボルトに対するナットの緩みを安定的に抑制可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明に係るねじ部材の説明図である。
【図２】同ねじ部材の嵌合を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るねじ部材の説明図である。
【図４】従来例に係るねじ部材の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図３に示すように、本発明の一実施の形態に係るねじ部材２０は、ナット２１及びボルト２２を備え、ナット２１のねじ山ピッチがボルト２２のねじ山ピッチと比較して△Ｐ広く、ナット２１のねじ山２３にボルト２２へ未嵌合の領域が残っている状態でナット２１のねじ山２３とボルト２２のねじ山２４が複数箇所で接触してねじ込みトルクが作用する。
ナット２１のねじ山２３の数Ｎは６であり、ナット２１のねじ山２３とボルト２２のねじ溝２５の軸方向のクリアランスをＣｘとして、△Ｐは、前記式（６）の範囲である。
【００３０】
更に、ボルト２２の外径をＤとして、△Ｐは、以下の式（１１）を満たしている。
（３Ｄ＋８２）／｛Ｎ（０．９７−０．２２Ｄ）−１｝＜△Ｐ＜（３Ｄ＋８２）／｛Ｎ（０．９６−０．０２７Ｄ）−１｝・・・式（１１）
【実施例】
【００３１】
次に、本発明の作用効果を確認するために行ったナットの耐緩み試験について説明する。
耐緩み試験として、ＪＩＳ規格のＭ１６のねじ部材（ねじ部材の詳細は、以下の表１参照）を対象に、ナットの緩みについての評価法として最も厳格と言われているＮＡＳ式衝撃振動試験を行った。
【００３２】
【表１】
0006704602.tif 000002
【００３３】
本試験においては、一つのボルトに対し、ねじ山ピッチが異なる複数のナット（ナットのねじ山ピッチからボルトのねじ山ピッチを差し引いたピッチ差が、それぞれ０、２０、２５、３０、３３、３６、３９、４２、４５μｍ）を装着し、各組み合わせについてボルトに緩みが生じるか否かを検証した。全てのナットにおいて、ねじ山数は８であり、ナットとボルトの軸方向のクリアランスＣｘが７２μｍであった。ここで、ナットのねじ山とボルトのねじ溝の軸方向及び径方向のクリアランスはそれぞれ７２μｍ及び１２５μｍとした。これは、一般的なねじ部材のクリアランスの値である。
試験条件は、表２に示す通りであり、ボルトとナットの各組み合わせについて、２回ずつ試験を行った。
【００３４】
【表２】
0006704602.tif 000003
【００３５】
試験結果を、以下の表３に示す。なお、判定欄は、振動を３万サイクル与えて、ナットに緩みが生じなかった場合を○とし、振動を３万サイクル与えるまでに、ナットに緩みが生じた場合を×としている。
【００３６】
【表３】
0006704602.tif 000004
【００３７】
表３に示す試験結果より、ピッチ差３３μｍ以上４２μｍ以下で、ナットに緩みが生じず、かつ、ナット全体がボルトに嵌合できることを確認した。
Ｎ＝８、Ｃｘ＝７２μｍのとき、式（６）の左辺及び右辺はそれぞれ
２Ｃｘ／（Ｎ−３．７）≒３３．４９
２Ｃｘ／（Ｎ−４．５）≒４１．１４
であり、３３．４９μｍ以上４１．１４μｍ以下は、３３μｍ以上４２μｍ以下の範囲内であるため、本試験結果は、式（６）を満たすことで、ナットに緩みが生じず、かつ、ナット全体がボルトに嵌合できることと合っている。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、ナット及びボルトの材質は、特定のものに限定されない。
【符号の説明】
【００３９】
１０：ねじ部材、１１：ナット、１２：ボルト、１３、１４：ねじ山、１５：ねじ溝、２０：ねじ部材、２１：ナット、２２：ボルト、２３、２４：ねじ山、２５：ねじ溝
【図１】
0006704602.tif 000005
【図２】
0006704602.tif 000006
【図３】
0006704602.tif 000007
【図４】
0006704602.tif 000008