(57)【要約】  ねじ山（４，６）を備える部材（１，２）であって、当該ねじ山は標準ねじ山に比べて、軸方向において増大させられた遊び（δ）を有する部材は、大きなプレストレスが与えられたボルトにおいてもナットを回すことを可能にするとともに、高い耐荷力を有するねじ接続を可能にするべきである。そのために前記軸方向における遊び（δ）は単調増加する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ山（４，６）を備える部材（１，２）であって、当該ねじ山は標準ねじ山に比べて、軸方向において増大させられた、単調増加する遊び（δ）を有する部材において、
前記遊び（δ）は前記ねじ山（４，６）の軸方向全長にわたって線形増加することを特徴とする部材。
【請求項２】
ナット（１）として形成された請求項１に記載の部材（１，２）。
【請求項３】
部材（１，２）の標準ねじ山を仕上げるための方法であって、当該方法では軸方向において増大させられた、単調増加する遊び（δ）が導入される方法において、
前記遊び（δ）は前記ねじ山（４，６）の軸方向全長にわたって線形増加式に導入されることを特徴とする方法。
【請求項４】
前記部材（１，２）はナット（１）として形成されている請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記遊び（δ）は標準切削工具を用いて導入される請求項３または４に記載の方法。
【請求項６】
径方向における遊び（δ）が、前記軸方向における遊び（δ）に比例して付加的に導入される請求項５に記載の方法。
【請求項７】
請求項２に記載のナット（１）、またはナットのねじ山（４）が請求項３から６のいずれか一項に記載の方法によって仕上げられたナットをボルト（２）にねじ留めするための方法であって、
前記ボルト（２）は前記ナット（１）をねじ留めする前に機械的に、所定の相対的伸長（ε）の分だけ引き伸ばされ、
導入される最大軸方向遊び（δ（Ｌ０））は、前記ねじ山（４）の相対的伸長（ε）と軸方向高さ（Ｌ０）との積に相当する方法。
【請求項８】
前記ボルト（２）はガスタービンのタイロッドの部分である請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はねじ山を備える部材に関し、当該ねじ山は標準ねじ山に比べて、軸方向における遊びが増大している。本発明はまた、部材の標準ねじ山を仕上げるための方法に関し、当該方法では軸方向において増大させられた遊びが導入される。
【背景技術】
【０００２】
様々な技術領域において、特に高い負荷がかかるボルトは、多くの場合、外に向かって（例えば液圧式に）軸方向に引き伸ばされ、当該引き伸ばされた状態でナットは形状接続的に回され、その後、対外的プレストレス力は解除され、それによりナットが軸方向における負荷を引き受ける。この方法は、ナットがアクティブに回される場合、所望のプレストレスに到達するまで生じると想定される、ボルトにおけるねじり力と、ねじ接続部における摩擦摩耗を回避する。例えば定置式発電設備用ガスタービンのためのタイロッドなど多くの応用では、ナットをアクティブに回すことは、上記の理由から不可能でさえあると想定される。
【０００３】
軸方向においてこのように引き伸ばされる際の典型的な伸長は、数パーミルの領域内にある（相対的伸長）。通常の標準ねじ（ここでは特にメートル法によるＩＳＯ標準ねじ［ＤＩＮ１３およびＤＩＮ１４］、Ｕｎｉｆｉｅｄ  Ｔｈｒｅａｄ  Ｓｔａｎｄａｒｄ［ＡＮＳＩ／ＡＳＭＥ  Ｂ１．１−２００３］によるねじ、またはウイットワースねじと理解される）は、明示的な軸方向の遊びを有さず、軸方向の遊びは有効径の許容誤差範囲によって生じるだけなので、当該わずかな軸方向の遊びは、ボルトに負荷がかかり、続いて伸長すると、完全に使い尽くされることが多い。これにより、大きなプレストレスが与えられたボルト上で標準ねじ型ナットを回すことは不可能になり得る。
【０００４】
上記の点に対する解決として、特許文献１では、ねじ山の形状を変更し、標準ねじ山形状とは異なって、軸方向および径方向の遊びを分断すること、あるいはナットねじ山を拡張し、その際、特に付加的な軸方向遊びを導入することが提案されている。しかしながらこれは、特殊な切削器具を使用する必要から、コストおよび互換性の問題を孕み得る。さらにねじ山のひっかかり高さ、およびそれとともに耐荷力（剥離耐性）が低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許第１５２７２８３号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｋ．Ｈ．イルグナー、Ｄ．ブルーメ（Illgner, K.H., Blume D.）著、「シュラウベン・ヴァーデメクム（Schrauben Vademecum）」、（ドイツ）、第５版、バウアー・ウント・ショールテ・カルヒャー・ゲーエムベーハー（Bauer & Schaurte Karcher GmbH）、１９８３年
【非特許文献２】Ｃｈ．Ｊ．メカニカル・エンジニアリング（Ch. J. Mech.Eng.）、２２（６）、２００９年、８６９ページ以降
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって本発明は、冒頭に記載された種類の部材および方法であって、大きなプレストレスが与えられたボルトにおいてもナットを回すことを可能にするとともに、高い耐荷力を有するねじ接続を可能にすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題は前記の部材に関して、本発明により、軸方向における遊びが単調増加することによって解決される。
【０００９】
上記の課題は前記の方法に関して、軸方向における遊びが単調増加式に導入されることによって解決される。
【００１０】
このとき本発明は、プレストレスが与えられたボルト上でナットをより簡単に回すことは、軸方向遊びが、軸方向におけるボルトの伸長に対応して増大するとき可能になる、という考察に基づいている。これにより、軸方向遊びの増大がわずかである領域も残るので、逆説的にねじ接続の高度な安定性が保たれる。
【００１１】
このために軸方向遊びは線形増加するか、もしくは前記方法において線形増加式に導入される。ボルトが伸長する際の変形は、ボルトの長さにわたって均一に配分されるので、この点は有利である。
【００１２】
本発明によれば、このとき軸方向に線形増加する遊びは、ねじ山の軸方向全長にわたって増大する、すなわち、軸方向オフセットは、ねじ山の軸方向全長にわたって線形増加する。
【００１３】
このとき基本的に両方の相手ねじのそれぞれ、すなわち雌ねじまたは雄ねじには上記の軸方向に増大する軸方向遊びが備えられ得、両方の相手ねじはまた、相応に仕上げられ得る。しかしながら特に有利な構成において仕上げられた部材、すなわち軸方向に増大する軸方向遊びにより仕上げられた部材がナットとして形成される一方、回される際に引き伸ばされるボルトは通常の標準ねじとして形成されている。
【００１４】
前記方法の一の有利な構成において、前記遊びは規格に応じた切削器具を用いて導入される。これは仕上げ加工を大幅に簡略化する。
【００１５】
さらに有利には、軸方向における遊びに比例して付加的に径方向における遊びが導入される。径方向の遊びの導入も規格に応じた切削器具を用いて簡単に行われ、ナットが回される際の動きやすさを高める。
【００１６】
上記のナットは、有利にはナットをボルトにねじ留めするための方法において用いられ、ボルトはナットをねじ留めする前に機械的に、所定の相対的伸長の分だけ引き伸ばされ、導入される最大軸方向遊びは、ねじ山の相対的伸長と軸方向高さとの積に相当する。これにより、導入された軸方向遊びが十分であり、それによりボルト上で固着することなくナットを回せることが保証される。
【００１７】
このときボルトは、有利にはガスタービンのタイロッドの部分である。すなわち特にガスタービンでは、ガスタービンのロータの軸を固定するタイロッドが、ナットを用いて固定される前に上記のやり方で伸ばされる。
【００１８】
本発明によって得られる有利点は、特に軸方向において増大する軸方向遊びによって標準ねじ山を仕上げることにより、引き伸ばされたボルト上で簡単に回すことが可能になるとともに、成立するねじ接続の特に良好な耐荷力が保証され続けるということにある。
【００１９】
本発明の実施の形態を図面に基づいてより詳しく説明する。図面に示すのは以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来技術に応じた二つの標準ねじによるねじ接続の概略的な断面を示す。
【図２】従来技術に応じたねじ接続のボルトの最大可能伸長を示す。
【図３】ナットのねじ山において軸方向遊びが軸方向に増大するねじ接続のボルトの最大可能伸長を示す。
【図４】図３の実施の形態において線形増加する軸方向仕上げ加工を明らかにする。
【図５】両の相手ねじの線形増加する軸方向仕上げを、ねじ接続の概略的な長手方向断面において明らかにする。
【図６】ナットに比例的な軸方向および径方向の仕上げが施された、ねじ接続の概略的な長手方向断面を示す。
【図７】両の相手ねじに比例的な軸方向および径方向の仕上げが施された、ねじ接続の概略的な長手方向断面を示す。
【図８】以下の図において表示されるグラフで用いられる変数を明らかにした、ねじ山の概略的な長手方向断面を示す。
【図９】軸方向位置に対して軸方向に線形増加する遊びをプロットしたグラフを示す。
【図１０】軸方向位置に対してプロットされた軸方向遊びに関する可能なさらなる実施の形態のグラフを示す。
【図１１】軸方向位置に対してプロットされた軸方向遊びに関する可能なさらなる実施の形態のグラフを示す。
【図１２】軸方向位置に対してプロットされた軸方向遊びに関する可能なさらなる実施の形態のグラフを示す。
【図１３】軸方向位置に対してプロットされた軸方向遊びに関する可能なさらなる実施の形態のグラフを示す。
【図１４】軸方向位置に対するねじ山の負荷／耐荷力のグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
全ての図において、同じ部材には同一の参照番号が付されている。
【００２２】
図１はねじ接続の上部を概略的な長手方向部分断面で示している。両の相手ねじ、すなわちナット１とボルト２の断面形状が示されている。ナット１のねじ山４およびねじ山６は規格に応じて、すなわちメートル法によるＩＳＯ標準ねじ（ＤＩＮ１３およびＤＩＮ１４）として、Ｕｎｉｆｉｅｄ  Ｔｈｒｅａｄ  Ｓｔａｎｄａｒｄ（ＡＮＳＩ／ＡＳＭＥ  Ｂ１．１−２００３）によるねじとして、またはウイットワースねじとして実施されている。このようなねじ山４，６にはいずれの場合も、明示的な軸方向遊びΔｘｍｉｎは設けられていない。むしろ軸方向遊びΔｘｍｉｎは、製造に規定される有効径の許容誤差範囲によって与えられているにすぎない。矢印８，１０は、ナット１もしくはボルト２の負荷方向を示す。
【００２３】
本願で説明されるナット１およびボルト２は、特に高い負荷に対して設けられている。実施の形態においてボルト２は、例えば詳しく示されていないガスタービンの軸に対して同軸に、当該ガスタービンの軸の端部に設けられていてよく、タイロッドの形で軸とタービンホイールとを固定し得る。そのためにボルト２はまず、外に向かって例えば液圧式に引き伸ばされ、当該引き伸ばされた状態でナット１が形状接続的に回され、続いてプレストレス力は解除され、それによりナット１が負荷を引き受ける。
【００２４】
図２は図１のねじ接続を示すが、付加的に、引き延ばされた状態におけるボルト２のグリッド表示１２を示す。グリッド表示１２はボルト２の最大可能伸張を示し、それにより既存の軸方向遊びΔｘｍｉｎを備えるナット１は、依然として回動可能である。より大きく伸張すると、ナット１はそれ以上アクティブに回されないか、または固着するものと想定される。
【００２５】
図３は、図１および図２のねじ接続を示しているが、仕上げ加工されたものである。このとき標準ねじ用切削器具を用いて、ナット１のねじ山４に付加的な軸方向遊びが導入されている。その際、軸方向遊びは図３において左から右に向かって増大し、すなわち仕上げ加工の際に切削工具は、軸方向において標準位置から右に向かって連続的に移動され続けた。これによりナット１のねじ山４において、軸方向遊びは単調増加式に増大する。標準ねじ用切削器具を用いているためにフランク角は変えられないので、これにより径方向におけるオフセットも増大する。すなわち、ねじ山４の断面形状の高さは左から右に向かって連続的に減少する。
【００２６】
図３においてもボルト２のグリッド表示１２が示されており、当該グリッド表示はボルト２の最大可能伸張を示し、それにより既存の軸方向遊びΔｘｍｉｎを備えるナット１は、依然として回動可能である。図３は、仕上げ加工のために、ボルト２のはるかに大きな伸張が可能とされることを明示している。
【００２７】
図４は図３のねじ接続を示しているが、本図ではナット１のねじ山４の断面形状の先端が破線１４によって互いに結合されている。図４は、最初の二つのねじ山（図の左）は変更されておらず、その後初めて仕上げ加工が行われることを示している。仕上げ加工は線形増加式に増大する軸方向遊びによって行われ、それは線１４が直線として形成されることによって示される。
【００２８】
図５はさらなる変化形態を示し、当該変化形態ではナット１とボルト２の両方のねじ山４，６が、同じやり方で仕上げられている。ナット１のねじ山４は図３および図４に表示されたものと全く等しく加工されており、ボルト２も標準ねじ用切削工具を用いて仕上げられている。このときねじ山６のそれぞれ右のフランクが同じやり方で再仕上げられており、すなわち、最初の二つのねじ山の後で、線形増加する軸方向遊びによって仕上げられ、それは線１４によって示されている。
【００２９】
図６および図７は、図４もしくは図５による実施の形態の変化形態を示す。図４もしくは図５による実施の形態とは異なり、図６および図７において切削器具は軸方向のみならず、軸方向においても、ナット１のねじ山４の断面形状内に（図６）、もしくは両のねじ山４，６の断面形状内に移動されている。これにより同じ程度に、すなわち導入された軸方向遊びに比例して、径方向遊びも個々のねじ山４，６に導入される。
【００３０】
以下の図８および図９に基づき、導入された付加的な遊びの推移を説明する。
【００３１】
図８は、図９のグラフにおいて用いられる変数を説明している。図８は上部領域内に、それぞれ実施の形態に応じたナット１またはボルト２のねじ山４，６を示し、下方領域内に軸方向位置ｘを表示するグラフの横座標を示す。このとき原点はねじ山４，６の軸方向の開始点にあり、ねじ山４，６の軸方向高さはＬ０で表される。横座標には、ねじ山フランク同士の間の谷の周期的な軸方向位置がｘ１，ｘ２，ｘ３．．．で表されている。
【００３２】
それぞれの軸方向位置ｘに応じた軸方向オフセット、すなわち付加的な軸方向遊び（他の実施の形態において図６および図７について説明されたように、付加的な径方向遊びもある）は、δ（ｘ）で表される。図８はこれを、例として遊びδ（ｘ）のほぼ直線的な推移について示す。ここでは付加的な軸方向遊びδ（ｘ）のみが導入される。これにより除去されるねじ山フランクの領域１８は斜線を付して表示されている。以下に表示される遊びδ（ｘ）の推移の全ての実施の形態において、Ｌ０について、δ（Ｌ０）−δ（０）＋Δｘｍｉｎ≧Ｌ０×εの条件式が当てはまる。当該式においてεは、ナット１を取り付けたときのボルト２の相対的伸張であり、当該相対的伸張は通常、数パーミルの範囲内である。これにより伸ばされたボルト上でナット１を容易に回すことが保証される。
【００３３】
図９はこれについて、遊びδ（ｘ）の推移を示す。当該遊びの推移はグラフにおいて示され、当該グラフでは付加的に導入された、規格と異なる遊びδ（ｘ）が、軸方向位置ｘに対してプロットされている。このときδ（０）＝０，δ（Ｌ０）＝Ｌ０×ε（または代替的にδ（Ｌ０）＝Ｌ０×ε−Δｘｍｉｎ）である。すなわち、全長Ｌ０にわたって導入された付加的な遊びＬ０は、ボルト２の伸張を補償するのに十分である。
【００３４】
図９に示す実施の形態における遊びδ（ｘ）の推移は、上記の極値の間で軸方向全長にわたって直線的であり、すなわち当該遊びの推移は、εの勾配を有する。これは仕上げ加工の最も簡単な場合である。
【００３５】
ねじ山４，６の前方領域内で所定の初期長さＬＮ上に、軸方向オフセットを設けないことも可能である。これは有利には、標準ねじにおいてもすでに存在する軸方向遊びΔｘｍｉｎにより、ボルト２が伸ばされた状態であってもまだ固着が生じ得ない長さであってよい。すなわち、ＬＮ≦Δｘｍｉｎ／εが当てはまる。このような実施の形態は図１０から図１２に示されている。したがって図１０から図１２に示す全ての実施の形態において、ｘ≦ＬＮの領域内ではδ（ｘ）＝０である。すなわちこの場合、ねじ山４，６は標準ねじ山に一致する。
【００３６】
価値を置かれるのが最大可能耐荷力であるか、最大の動かしやすさ、もしくは固着の危険の少なさであるかに応じて、初期長さＬＮの後で軸方向オフセットは、直線的上昇の場合に必然的である値に直接的に増大させられ得るか（図１０に示す。ＬＮ＜ｘ≦Ｌ０に対してδ（ｘ）＝ε×ｘが当てはまる）、所望の目標値に直線的かつ連続的に上昇させられ得るか（図１１に示す。ＬＮ＜ｘ≦Ｌ０に対してδ（ｘ）＝Ｌ０×ε×（ｘ−ＬＮ）／（Ｌ０−ＬＮ）が当てはまる）のいずれかである。
【００３７】
目標値δ（Ｌ０）についても、初期軸方向遊びを考慮することは任意選択的であるので（上記参照。δ（Ｌ０）＝Ｌ０×εまたは代替的にδ（Ｌ０）＝Ｌ０×ε−Δｘｍｉｎ）、これにより直線的に上昇する補正δ（ｘ）とニュートラルな初期長さＬＮとの組み合わせに対して、四つの可能性が生じる。このとき極端な事例は、ｘ＞ＬＮで長さＬ０まで勾配εであり、δ（Ｌ０）＝Ｌ０×εである場合のδ（ｘ）の急勾配の変化と、ｘ＞ＬＮで長さＬ０まで勾配εであり、δ（Ｌ０）＝Ｌ０×ε−Δｘｍｉｎである場合のδ（ｘ）の恒常的な移行である。遊びδ（ｘ）の両の推移が図１２に示されている。両の推移の間の全ての推移（点線で表示）が可能であり、付加的な軸方向遊びδ（ｘ）に対する値が下限よりも小さい場合は、ナットの固着が生じ、上限によって与えられる値よりも大きい場合は、ねじ山が必要以上に弱化する。
【００３８】
図１３は、付加的な軸方向遊びδ（ｘ）のさらなる可能な推移を示し、当該推移は負荷を弾性的に最適化したナットにおいて有意義であり得る。このようなナットは例えば、非特許文献１から当業者に知られているトゥムシェ（Ｔｈｕｍｓｃｈｅ）ナット形状であり、ノルトロック（Ｎｏｒｄ−Ｌｏｃｋ）社のフレックスナットである。このようなナット１においては、上記のようにナット１および／またはボルト２の非支持フランクのみを仕上げることと並んで、支持フランクを仕上げることも有意義であり得る。
【００３９】
所定の軸方向位置ｘにおいて、支持フランクの変更、あるいは非支持フランクの変更のいずれかのみが行われるので、図１３に示すグラフにおいて支持フランクの変更はδ（ｘ）の負の値によって表される。軸方向遊びδ（ｘ）を増大させるための仕上げ加工に対する図１３に示す実施の形態では、負荷を弾性的に最適化したナット１について、ナット１の長さ０から長さＬＲまでの初期領域内でまず、支持フランクの仕上げ（δ（ｘ）の負の値）が勾配εで行われる。それに続く領域内では、ＬＲ＜ｘ＜ＬＸ＋ＬＲに対して仕上げ加工が行われることなく恒常的な移行が行われ、すなわちδ（ｘ）＝０である。その後初めて、ｘ＞ＬＸ＋ＬＲに対して、すでに図１１について説明された直線的上昇が所望の目標値まで恒常的な移行によって行われる。
【００４０】
図１４は最終的に、本願で説明されるねじ山の仕上げが、当該ねじ山の耐荷力を低下させないことを示している。図１４はグラフを示し、当該グラフはねじ山４，６の典型的な負荷σ（ｘ）を、当該ねじ山の軸線に沿って（すなわちねじ山ｎまたは軸方向位置ｘに応じて）示している。非特許文献２における定義を参照のこと。ナット材料の降伏点Ｙの選択は、ねじの開始点（ｘ＝０）においても、場合により軽く可塑化された状態で、耐久性がまだ備えられているように行わなければならない。ナット１の径方向拡張は、有効耐荷力Ｙ'ＳＴを低減させる（剥離耐性は近似的にひっかかり高さに比例する）ので、有効耐荷力はナット１の前方領域内で超過され得る。
【００４１】
上記の仕上げ加工は、有効耐荷力Ｙ'ＥＧに対する前記の効果を、負荷の小さいナット１の後方領域内でのみ示す。比較的緩やかな応力曲線σ'（ｘ）を備える、負荷を弾性的に最適化したナット１（上記参照）に対しても、上記の単調増加式仕上げは、ナット１の総体的拡張よりも常に優れている。
【符号の説明】
【００４２】
１  ナット
２  ボルト
４，６  ねじ山
８，１０  負荷方向
１２  グリッド表示
１４  ねじ山の断面形状の先端を結ぶ線
１８  除去されるねじ山フランクの領域
Δｘｍｉｎ  既存の軸方向遊び
ｘ  軸方向位置
δ  付加的な軸方向遊び
ε  ナットを取り付けたときのボルトの相対的伸張
ＬＮ  初期長さ
σ  ねじ山の負荷
σ'（ｘ）  比較的緩やかな応力曲線
ｎ  ねじ山
Ｙ  ナット材料の降伏点
Ｙ'ＳＴ  有効耐荷力
Ｙ'ＥＧ  有効耐荷力
【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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【国際調査報告】
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2018536807.tif 000018
2018536807.tif 000019
2018536807.tif 000020
2018536807.tif 000021
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