(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被締結体の挿通孔にボルトを挿入し、挿通孔を貫通したボルトの雄ねじ部にナットを螺合緊締することにより、被締結体を挟圧するボルト・ナット締結体にあって、ナット上面に対して、該上面から突出するボルトの雄ねじ部を引張して、ボルトのばね定数の変移点を検出し、該変移点での引張力を締付け力とすることを特徴とするボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【請求項２】
ナットから突出する雄ねじ部に、引張回転軸に形成した雌ねじ孔を螺合して、該引張回転軸を回転し、その回転に伴って雄ねじ部を引張し、かつ引張回転軸の回転角θを変位δとして検出すると共に、ナット上面に対する引張回転軸の引張力Ｆを検出し、
Ｃb＝Ｆ／δ
（ここでＦ；引張力  Ｃb；ばね定数  δ；変位）
に基づき、Ｃbの変移点を検出して、該変移点の引張力Ｆを締付け力とする請求項１記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【請求項３】
ナット上面に座定される受圧部と、ナットから突出する雄ねじ部に螺合する雌ねじ孔を具備し、モータの駆動軸に連係して回動する引張回転軸と、引張回転軸の周囲に形成された段面と受圧部との間に介装されるロードセルと、該ロードセルと引張回転軸の係止縁間に配設されるスラストベアリングとからなる締付け力検出部を用い、
Ｃb＝Ｆ／δ
（ここでＦ；引張力  Ｃb；ばね定数  δ；変位）
にあって、引張力Ｆをロードセルで検出し、変位δを引張回転軸の回転角により検出して、Ｃbの変移点を検出し、該変移点の引張力Ｆを締付け力とするようにした請求項２記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【請求項４】
ナット上面に対して、該上面から突出するボルトの雄ねじ部を引張してdF/dθの値の最大値となったときのバネ定数をＣbAとし、その後、急激に減少した後、dF/dθが急激に減少して安定し始めるときのバネ定数をＣbBとした場合に、ＣbAとＣbBの値の中間値Ｃｍを変移点として、そのときの引張力Fの値を締付け力とした請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボルトの破断事故を防止する等のために行われるボルト・ナット締結体の締付け力検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車などの機械や、橋梁などの構造物の組立てには、ボルト・ナットによる締結が欠かせない。ボルト・ナットの締結体としての強度は、締付け力に大きく依存する。一方、ボルト締結体における締付け力の管理は、トルクや回転角を用いて一般に締付け時に行われるだけで、締付け後については、現状ではほとんど行われていない。しかし、機械の作動中に予期しない外力の作用によってボルトがゆるみ、締付け力が低下した場合には、疲労破断の危険性が著しく増加する。したがって、ボルトの破断事故を防止し、ボルト締結体の信頼性を向上するためには、締結後のボルトの締付け力の検出にも注意を払う必要がある。
かかる締付け力検出方法としては、超音波を用いた方法がよく知られている。この方法は、締付け前後で、ボルトの軸方向に超音波を発信し、ねじ先端で反射して戻るまでの時間から締付け力を求めるものである。したがって、締付け力を直接測定できるが、専用のボルトと高価な測定器を要するので、使用箇所が限られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、ボルト・ナット締結体のナットから突出したボルトの先端部を引張ることで、締付け力を直接検出する方法（特開平10-170362）が提案されている。この方法は、ボルトに負荷する引張力が締付け力に達したとき、ナット座面と被締結物座面が離間し、ボルトの見かけ上のばね定数が変化することから締付け力を検出するものである。この方法は簡便であり、すでに締結状態にあるボルト・ナットにも適用が可能である。
【０００４】
ところで、特開平10-170362に開示された発明は、被締結体に締結されたボルト端部を、被締結体に対して引張して、その引張力と、変位とを検出して、これらの値に基づきボルト・ナット締結体の締付け力の検出を行うものである。ところが、この方法にあっては、締付け力が実際の締付け力よりも、高くなる傾向にあり、検出誤差が大きいことが試験により確認された。また、この方法では、検出時にナット座面を離間させるので、ナット周囲の被締結物表面を、ナットを包み込むように押えなければならず、この方法を具体化するための装置が複雑となるという問題もある。
本発明は、検出誤差が小さく、かつ構造が簡単となるボルト・ナット締結体の締付け力検出方法を提案することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１は、被締結体の挿通孔にボルトを挿入し、挿通孔を貫通したボルトの雄ねじ部にナットを螺合緊締することにより、被締結体を挟圧するボルト・ナット締結体にあって、ナット上面に対して、該上面から突出するボルトの雄ねじ部を引張して、ボルトのばね定数の変移点を検出し、該変移点での引張力を締付け力とすることを特徴とするボルト・ナット締結体の締付け力検出方法である。
【０００６】
また、請求項２は、ナットから突出する雄ねじ部に、引張回転軸に形成した雌ねじ孔を螺合して、該引張回転軸を回転し、その回転に伴って雄ねじ部を引張し、かつ引張回転軸の回転角θを変位δとして検出すると共に、ナット上面に対する引張回転軸の引張力Ｆを検出し、
Ｃb＝Ｆ／δ
（ここでＦ；引張力  Ｃb；ばね定数  δ；変位）
に基づき、Ｃbの変移点を検出して、該変移点の引張力Ｆを締付け力とする請求項１記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法である。
【０００７】
請求項３の発明は、ナット上面に座定される受圧部と、ナットから突出する雄ねじ部に螺合する雌ねじ孔を具備し、モータの駆動軸に連係して回動する引張回転軸と、引張回転軸の周囲に形成された係止縁と受圧部との間に介装されるロードセルと、該ロードセルと引張回転軸の係止縁間に配設されるスラストベアリングとからなる締付け力検出部を用い、
Ｃb＝Ｆ／δ
（ここでＦ；引張力  Ｃb；ばね定数  δ；変位）
にあって、引張力Ｆをロードセルで検出し、変位δを引張回転軸の回転角により検出して、Ｃbの変移点を検出し、該変移点の引張力Ｆを締付け力とするようにしたものである。
さらに請求項４は、ナット上面に対して、該上面から突出するボルトの雄ねじ部を引張してdF/dθの値の最大値となったときのバネ定数をＣbAとし、その後、急激に減少した後、dF/dθが急激に減少して安定し始めるときのバネ定数をＣbBとした場合に、ＣbAとＣbBの値の中間値Ｃｍを変移点として、そのときの引張力Fの値を締付け力としたものである。すなわち、ＣbAとＣbBは、実際には、緩徐に変化するから、その中間点を変移点としたものである。試験によれば、かかる手段により求めた変移点は、検出誤差の少ない、実用に足るものであった。
【０００８】
「本発明の理論」
本発明は、上述の特開平10-170362の方法の原理を基に、ナット座面を離間させる代わりに、ねじ部のバックラッシュを利用してねじ面を離間させる検出方法を提案するものである。
【０００９】
本発明の方法は、ナット上面を押えるので被締結物表面を押える必要がなく、特開平10-170362に開示された方法よりも検出部を小さくすることができる。また、座面を離間させないので、ばね座金を用いた場合もその影響をうけることはない。本発明では、本発明の方法と特開平10-170362に開示されたが提案した方法を用いて、予め締結したボルト・ナット締結体の締付け力を検出し、本発明方法の有効性を示す。また、ばね座金を用いた場合についても、本方法と特開平10-170362に開示された方法で試験を行い、比較・検討を行う。
【００１０】
＜測定原理＞
図１に、ボルト・ナット締結体１の概要図を示す。ここでボルト・ナット締結体１は、被締結体Ｉ，II（図中Clamped PartＩ，IIと表記）の挿通孔ｈにボルト２を挿入し、挿通孔ｈを貫通したボルト２の雄ねじ部３にナット５を螺合緊締することにより、被締結体Ｉ，IIを挟圧してなる。このボルト・ナット締結体１にあって、ボルト２とナット５により被締結物Ｉ，IIが締付け力Ｆiで締付けられると、図１に示すように、Ｆiはボルト２に引張力として作用し、被締結物Ｉ，IIには圧縮力として作用する。このようなボルト・ナット締結体の締付け力Ｆiの検出方法について、特開平10-170362に開示された方法を以下に説明する。
【００１１】
図２に、特開平10-170362に開示されたが提案した締付け力検出方法の概要図を示している。図２におけるボルト・ナット締結体１は、あらかじめ締付け力Ｆiで締付けられた状態にある。ここで締付け力Ｆiは、ボルト２とナット５が噛合うボルト２側の第１ねじ山(点A)を最大として分布する。しかし、ここでは便宜上Ｆiは点Aに集中的に作用すると仮定して考える。
【００１２】
図２において、ボルト２の首下長さをＬ、締結後の被締結物Ｉ(図２のClamped partI)の上面(点A)からボルト２の先端までのねじ部長さをｌe（図中ｌextraと表記）とする。この検出方法では、まず被締結物を押さえて、ナット５からはみ出したボルト２の先端部分(点O)を引張力Fで引張る。ここで、点OをFで引張るとき、被締結物Ｉ，IIにはFに相当する圧縮力が作用する。しかし、点Oの変位に寄与する量としては、被締結物Ｉ，IIの圧縮量に比べて、ボルト２の伸び量が支配的になるので、点Oの変位をボルト２の伸びとして考える。
【００１３】
点OをFで引張ると、Fが締付け力Ｆiより小さい間は、主にボルト２は点Aを基点として着力点Oまでの長さｌeの部分で伸びる。 ここで、ボルト２がｌeで伸びるときのボルト２のばね定数をＣbAとすると、Fと点Oの変位δとの関係は、
Ｆ＝ＣbA・δ    （Ｆ＜Ｆi）   (1)
となる。このとき、ナット座面６は、ProcessＩ(図２)のように、被締結物と接触した状態である。その後Fを増加させて、Fが締付け力Ｆiに達すると、ナット座面６と被締結物Ｉの座面が離間するProcessII(図２)の状態となる。このとき、ボルト２は点Ｂを基点としたボルト２の首下全体の長さＬで伸びることになる。ボルト２がＬで伸びるときのボルト２のばね定数をＣbBとすると、Fとδとの関係は、
Ｆ＝ＣbB・δ    （Ｆ＞Ｆi）   (2)
となる。ここで、ProcessＩからProcessIIへ移行するとき、ボルト２が伸びる長さはｌeからＬへ急激に増加する。すなわち、ボルト２のばね定数がＣbAからＣbBへと急激に変化する。この方法では、ボルト２のばね定数がＣbA からＣbBへ急激に変化するときの変位点でのFの値を検出してＦiとする。
【００１４】
図３は、ボルト２先端の点Oに引張力Fを負荷したときの着力点変位δとFの関係を示した概略図である。図３において、横軸は着力点Oの変位δであり、縦軸は引張力Fである。図３中のProcessＩとProcessIIは、図２のProcessＩとProcessIIに対応している。図３におけるProcessＩでは、FはＣbAなる勾配で増加する。FがＦiに達すると、座面が離間してボルト２のばね定数がＣbA からＣbBへ変化する。ProcessＩからProcessIIへの移行である。ProcessIIでは、ボルト２は首下全体の長さＬで伸びるので、FはＣbAに比べて小さな勾配ＣbBで増加する。この方法では、このように勾配が変化するときのFを検出して締付け力とする。
【００１５】
ところで、特開平10-170362で提案された方法は、締付け力検出時に、被締結物表面を押えて引張力を作用させるものである。したがって、締付け力検出のためにナット５周囲の被締結物表面を、ナット５を包む込むように押えなければならない。また、ナット５座面と被締結物座面を離間させるので、ばね座金等を用いている場合には、座面間が完全に離間せずに測定誤差を生じることも考えられる。
【００１６】
本発明では、特開平10-170362に開示された方法の測定原理を基に、被締結物表面の代わりにナット５上面を押えて、締付け力の検出を行う方法を提案する。図４に、本発明の締付け力検出方法の概要図を示す。ここで、締付け力Ｆiは便宜上、特開平10-170362に開示された方法(図２)と同様に、点Aに集中的に作用すると仮定して考える。ボルト２の首下長さをＬ、締結後の被締結物(図４のClamped partＩ)の上面(点A)からボルト２の先端までのねじ部長さをｌeとする。締結後のボルト・ナット締結体１のねじ面では、図４(a)のようにボルト２の雄ねじとナット５の雌ねじの間にバックラッシュが存在する。この状態で、図２のように被締結物を押える代わりに、ナット５の上面部を押さえて、ナット５からはみ出したボルト２の先端部分(点O)を引張力Fで引張る。ここでFは、被締結物とナット５に圧縮力として作用するので、点Oの変位にはボルト２の伸び量だけでなく、被締結物とナット５の圧縮量も含まれる。しかし、点Oの変位に寄与する量としては、特開平10-170362に開示された方法と同様に、ボルト２の伸び量が支配的になるので、点Oの変位をボルト２の伸びとして考えることにする。引張力Fが締付け力Ｆiより小さい間は、ボルト２は点Aを基点として着力点Oまでの長さｌeの部分で伸びる。このとき、ねじ面はProcessＩ(図４(a))の状態であり、ボルト２のばね定数はＣbAである。その後、Fを増加させて、FがＦiに達すると、ねじ面間のバックラッシュにより、雄ねじと雌ねじのねじ面が離間し、ProcessII(図４(a))の状態となる。そのときボルト２は、点Ｂを基点としてボルト２の首下全体の長さＬで伸び、ボルト２のばね定数がＣbAからＣbBに変化する。
【００１７】
この一連の過程におけるFとδとの関係は、図３と同じである。本発明の方法は、特開平10-170362に開示された方法と同じく、ボルト２のばね定数がＣbA からＣbBへ急激に変化するときのFの値を締付け力Ｆiとして検出する。
このように、本発明方法では、特開平10-170362に開示された方法の基本原理をもとに、ねじ面間のバックラッシュを利用してねじ面を離間させることで、締付け力の検出を行う。以下の試験では、予め所定の締付け力で締結されたボルト・ナット締結体１を用いて、本発明方法と特開平10-170362に開示された方法で検出試験を行い、本発明方法の有効性を検証する。
【００１８】
＜試験装置＞
本発明方法は、ナット５からはみ出したボルト２の雄ねじ部３の先端部分６を、締付け力Ｆi以上で引張らなければならない。しかし、通常ボルト２の締付け力はボルト２の降伏軸力の70%程度に設定されることが多く、Ｆi以上の引張力を生じさせることは必ずしも容易ではない。たとえば、M10×1.5、強度区分4Tのボルト２の場合では、通常の締付け力は10 kN程度となる。そこで本試験では、容易に引張力Fを負荷するために、ボルト２の雄ねじ部３を利用する。
【００１９】
図５，６に、試験装置の概略図を示す。図６はボルト・ナット締結体１の締付け力検出装置の外観図である。図５は、締付け力を測定するためにあらかじめ締結されたボルト・ナット締結体１と締付け力検出部１０を示すものである。図５の下側が、ボルト・ナット締結体１であり、上側が締付け力検出部１０である。そして、ナット５からはみ出したボルト２の先端部分６に、締付け力検出部１０の雌ねじ孔１３を噛み合わせ、モータ２０を駆動して引張回転軸１２を回転させることで、ボルト２を引張る。このようにすることで、容易に大きな引張力を発生させることができる。
【００２０】
ここで、この締付け力検出部１０は、ナット５の上面に座定される受圧部１１と、ナット５から突出する雄ねじ部３の先端部分６に螺合する雌ねじ孔１３を具備し、モータ２０の駆動軸に連係して回動する引張回転軸１２と、引張回転軸１２の周囲に形成された係止縁１４と受圧部５との間に介装されるロードセルＢと、該ロードセルＢと引張回転軸１２の係止縁１４間に配設される自動調心式のスラストベアリング１７とからなる。ここで引張回転軸１２の材質は、S55Cである。検出部において、ボルト２の先端に負荷する引張力Fは、ロードセルBにより測定される。
【００２１】
図５において、ボルト・ナット締結体１は、被締結物I、IIとロードセル８およびボルト２とナット５から構成されている。被締結物IとIIの材質は、S55Cである。締結体は、ロードセルＡを被締結物IとIIで挟み、ボルト２とナット５で締結する。ここで締付けの際、ロードセルＡにねじりトルクが作用しないように、被締結物IとIIにあけた穴に丸棒を通して、ナット５を回転させて締付けが行われる。また、締結時の締付け力の管理はロードセルAで行い、目標締付け力Ｆi=10 kNで締結を行う。ここで、ボルト２のねじ面およびナット５の座面は二硫化モリブデン配合リチューム石鹸基グリースによる潤滑状態とした。
【００２２】
さらに図６の全体構成にあって、ボルト・ナット締結体１は、架台３０に保持される。また、締付け力検出部１０は、架台３０から立設したフレーム３１に、リニアガイド３２により昇降案内される装架板３３に固定される。また引張回転軸１２は、図６のフレキシブルカップリング３４を介してトルク変換器３５およびモータ２０に取付けられている。モータ２０の上端部には、回転角検出のためにロータリエンコーダ２１が取付けられている。
【００２３】
＜試験方法＞
本試験で用いたボルト２は、市販の六角ボルト２M10×1.5であり、長さは100mm、強度区分は4T、等級は6gである。今回の試験では、ナット５からはみ出したねじ部３の先端部分６を安定して引張るために、通常用いられる長さよりも長いボルト２を用いた。本試験で用いたナット５は、市販の歯付きフランジナット５である。このナット５は、座面にゆるみ防止のために円周方向に歯がついている。試験に用いる際は、座面の歯を旋盤で削り、通常のフランジナット５として用いた。本発明で提案する締付け力検出方法では、ボルト２の雄ねじとナット５の雌ねじのバックラッシュを利用する。したがって、バックラッシュの量が締付け力の検出精度に影響を及ぼす可能性がある。そこで今回の試験では、バックラッシュの量が検出精度に及ぼす影響についても調べるために、バックラッシュの量を変えた３種類の試験を行った。バックラッシュの量は、有効径D２の異なる３種類のナット５を準備し、ナット５を変えることで変更した。１種類目は購入品のままの雌ねじを持つナット５であり、ねじ部の有効径はJIS B 0209より許容差の平均でD２＝9.12 mmである。このナット５を以下Size-0とする。２種類目は、通常のサイズよりも有効径D２が0.2 mmだけ大きなタップを用いて、雌ねじ部を加工したナット５であり、ねじ部の有効径はD２＝9.32mmである。このナット５を以下Size-0.2とする。３種類目は、D２が0.3 mm大きなタップを用いて加工したナット５であり、ねじ部の有効径はD２＝9.42 mmである。このナット５を以下Size-0.3とする。また、ボルト２の有効径は、d２＝8.93 mmである。
【００２４】
本試験は、あらかじめ目標締付け力Fｔで締結しておいたボルト・ナット締結体１に、締付け力検出部１０の雌ねじを噛み合わせ、モータを回転させて行った。モータの回転速度は、ω = 10 rpmであり、ボルト２の引張速度としては、0.25 mm/secとなる。ここで、今回の試験における着力点変位δは、ロータリエンコーダで測定した回転角θを用いた。
【００２５】
上記試験において、ボルト２に引張力を負荷するねじ部は、二硫化モリブデン配合リチューム石鹸基グリースによる潤滑状態とした。試験は、３種類の雌ねじサイズを持つナット５に対して、それぞれ10回づつ行った。
なお、特開平10-170362に開示された方法による検出試験については、Size-0のナット５を用いて、本発明方法と同様の手順で10回行った。その際、被締結物はロードセルBで直接押え、ボルト２先端のねじ部と雌ねじ部の噛合い長さは、雌ねじ部を加工して本方法の試験と同じにした。また、ばね座金を用いた場合の試験では、ボルト・ナット締結体１のナット５側にばね座金を用いて、本発明方法と特開平10-170362に開示された方法により検出試験を行った。なお、両者の試験は、Size-0のナット５を用いて、同じ条件かつ同様の手順で10回づつ行った。
【００２６】
＜試験結果と考察＞
図７に、試験結果一例として、購入品のままの雌ねじを持つナット５Size-0を用いて、試験を行った結果を示す。図７において、横軸は着力点変位δに相当する回転角θであり、縦軸は引張力Fである。なお、図７中のProcessＩとProcessIIは、図４で示したProcessＩとProcessIIに対応している。図７を見ると、明らかに締付け力Ｆi付近で、θに対するFの勾配dF/dθが減少していることがわかる。図７において、図中に細線で示したProcessＩにおいてボルト２のばね定数ＣbAなる勾配を持つ直線Aと、ProcessIIにおいてＣbBなる勾配を持つ直線Bの交点におけるFが検出された締付け力になる。一方、図７からだけでは、直線Aと直線Bの交点を精度良く検出することは難しい。そこで本方法では、直線AとBの交点の検出に、θとdF/dθの関係を用いる。図８に、図７の試験におけるθに対するFの勾配dF/dθとθの関係を、10個づつ平均化した値として示している。図８において、横軸は検出部の雌ねじの回転角θであり、縦軸はdF/dθである。図８において、実際のdF/dθの値は大きく変動するので、直線AとBの交点を安定して検出することが難しい。そこで本試験では、dF/dθの値を10個づつ平均化することで対応した。図８を見ると、dF/dθはまず急激に上昇し、dF/dθの値が安定し始めると急激に減少している。dF/dθの値は直線的に減少した後、安定してほぼ一定となる。そこで、図８におけるdF/dθの値の最大値をＣbAとし、その後、急激に減少した後、dF/dθが急激に減少して安定し始めるときの値をＣbBと定義した。なお、各試験におけるＣbAとＣbBの検出は、予備試験から検出条件を決定して行った。ProcessＩからProcessIIへ移行する境界値は、ＣbAとＣbBの値の中間値Ｃｍを変移点として、そのときの回転角θｍとし、θｍに対応する引張力Fの値を締付け力とした。図７と図８に示した試験の締付け力検出結果は、次のとおりである。ＣbAおよびＣbBは、次のようになった。
ＣbA = 0.255 kN/deg    (3)
ＣbB = 0.154 kN/deg    (4)
ＣbAとＣbBの中間値Cｍおよび、Cｍにおける回転角θは、次のようになった。
Cｍ = 0.204 kN/deg    (5)
θｍ = 198.5 deg            (6)
これらの結果から、θｍのときの引張力Fの値は、
F = 10.1 kN            (7)
であり、この値を締付け力とした。なお、ボルト・ナット締結体１を締付けた際の締付け力ＦiはＦi=10.2 kNであり、この試験における締付け力の検出誤差は-1.0%であった。
【００２７】
なお本試験方法では、締付け力Ｆiを測定する際に、一時的にボルト２とナット５のねじ面が離間するので、この作業の影響で、Ｆiが変化することも考えられる。そこで、締付け力を検出した後、ボルト２の先端に作用させていた引張力を０にして、ボルト・ナット締結体１の締付け力を、図５に示すロードセルAにより調べた。その結果、図７および図８に示した試験の場合には、締付け力検出後のＦiの値は、Ｆi= 9.99 kNであった。これは、検出前のＦiよりもわずか2.0％程度の減少であり、本方法を用いて締付け力の検出を行っても、検出後の締付け力にはほとんど影響を与えないことがわかる。
【００２８】
図９に、バックラッシュの量を変化させた有効径の異なる３種類のナット５を用いて、締付け力の検出を行った結果を示している。図９において、縦軸はボルト・ナット締結体１の締付け力Ｆiに対する検出誤差を示している。横軸は、それぞれSize-0、Size-0.2、Size-0.3を示している。なお、図９において、実線で表した範囲が、検出誤差のばらつき幅を示しており、実線中の○印はばらつきの平均値を示している。また、図９中の破線は、特開平10-170362に開示された方法を用いて締付け力を検出したときの検出誤差のばらつきを示している。
【００２９】
図９を見ると、特開平10-170362に開示された方法では、締付け力が実際の締付け力よりも高く評価されていることがわかる。それに対して、本方法の場合では、３種類のナット５すべてにおいて、検出誤差が±10％以下であり、平均値でもほぼ締付け力を的確に得ていることがわかる。この結果から、本発明の検出方法は、高い検出精度を有していることがわかる。また、バックラッシュが大きくなるほど、検出誤差のばらつき幅は減少しており、締付け力Ｆiの検出精度が上がることがわかる。なお、バックラッシュが最も大きいSize-0.3の検出誤差は、ほぼ±5％程度であった。
【００３０】
ここで、特開平10-170362に開示された方法において、締付け力が実際よりも高く評価された原因について考察する。ボルト・ナット締結体において、被締結物は締付け力Ｆiでボルト２とナット５により圧縮されている。その際、ナット５と接触している被締結物の座面部では、図１０に示すような局所的な圧縮変形δcIを生じている。この状態におけるボルト頭部座面とナット５の座面の間隔(グリップ長さ)を、ｌkとする。特開平10-170362に開示された方法では、締付け力を検出する際、ナット５の周囲を押えるので、座面が離間するときδcIは解放される。そのときｌkは、ナット５の周囲を押えたことで被締結物の圧縮変形が座面部にも影響するので、δcIの一部がｌkに追加されてｌk'となる。すなわち、特開平10-170362に開示された方法で締付け力を検出するとき、ボルト２は検出前の状態からすでに(ｌk'-ｌk)だけ伸びており、(ｌk'-ｌk)に相当する軸力が締付け力に追加された状態となっている。その結果、特開平10-170362に開示された方法では、締付け力を大きく評価したと考えられる。一方、本発明方法では、ナット５上面を押さえるので、締付け力検出時に、被締結物の圧縮状態に変化はない。したがって、正確な締付け力を検出することができる。
【００３１】
次に、ボルト・ナット締結体のナット５側に、ばね座金を用いた場合の検出結果について示す。
図１１に、本発明方法を用いて、ばね座金を有した締結体の締付け力を測定した一つの試験結果における引張力Fとθの関係と、dF/dθとθの関係を示している。図１１において、横軸は回転角θ、左側の縦軸はFであり、右側の縦軸はdF/dθである。図１１において、Fの値は太い実線で示しており、dF/dθの値は図８と同様に10個づつ平均した値を○で示している。図１１におけるFのグラフを見ると、直線AとBの勾配の変化が明確に現れていることがわかる。また、図１１のdF/dθのグラフにおいても、ＣbAと ＣbBの値がほぼ水平に現れている。本発明方法を用いて、ばね座金を有した締結体の締付け力を測定した結果、締付け力の検出誤差は、-13.2％〜7.3％であり、ばらつきの平均値で-4.3％であった。このことから、本方法は、ばね座金を有した締結体においても、締付け力を正確に検出できることがわかる。
【００３２】
図１２には、特開平10-170362に開示された方法を用いて、ばね座金を有した締結体の締付け力を測定した一つの試験結果における引張力Fとθの関係と、dF/dθとθの関係を示している。図１２においても、図１１と同様に、横軸は回転角θ、左側の縦軸はFであり、右側の縦軸はdF/dθである。また、Fの値は太い実線で示しており、dF/dθの値は10個づつ平均した値を○で示している。図１２を見ると、直線AからBへの勾配の変化は明確に現れず、ＣbAの値は検出できたとしても ＣbBの値の検出が困難であることがわかる。
【００３３】
特開平10-170362に開示された方法を用いて、ばね座金を有した締結体の締付け力を測定した結果、10回の試験のうち4回がＣbBの検出ができないために締付け力の検出ができなかった。残りの6回については、-0.7%から-14.0%の範囲で測定することができたが、確実な締付け力の検出は困難である。ここで、特開平10-170362に開示された方法の試験におけるＣbAと ＣbBの値の検出は、本発明方法と同じ条件で行ったが、特開平10-170362に開示された方法に則した検出条件で行うことで、検出不能を防ぐことができるかもしれない。しかし、締付け力の検出に誤差を生じることは止むを得ないと考えられる。
【００３４】
最後に、本発明で提案する検出方法において、ねじ面間のバックラッシュの量を大きくすることで、検出精度が向上した理由について考察する。本発明で提案した方法は、ボルト・ナット締結体１におけるボルト２の雄ねじとナット５の雌ねじのバックラッシュを利用する。引張力Fが締付け力Ｆiに達したとき、原理的には、ボルト２の雄ねじとナット５の雌ねじは接触していないはずである。一方、 M10のボルト２とナット５のねじ面間のバックラッシュは、通常軸方向で50 μm程度と非常に小さい。たとえば、ナット５の座面とナット５の雌ねじの中心軸が直角でない場合、雌ねじと雄ねじの中心軸は傾いてしまう。そのような場合、FがＦiに達したときに離間しているはずのねじ面が接触している可能性がある。
【００３５】
図１３に、ボルト２の雄ねじとナット５の雌ねじの模式図を示している。図１３ (a)は、雄ねじと雌ねじの中心軸が一致している場合のねじ部の詳細図であり、図１３ (b)は雄ねじと雌ねじの中心軸が傾いた場合のねじ部の詳細図である。図１３ (a)のように、雄ねじの中心軸と雌ねじの中心軸がほぼ一致している場合は、本方法でFがＦiに達したとき、Ｆiを検出するのに十分なバックラッシュが存在する。一方、図１３ (b)のように、雄ねじの中心軸と雌ねじの中心軸が傾いている場合は、バックラッシュがほとんど存在しない部分が生じてしまう。このような場合では、本方法の検出精度に誤差を生じる可能性がある。今回の試験結果において、バックラッシュが大きいほど検出精度が向上した理由は、バックラッシュを大きくすることで、ナット５の形状誤差を吸収したためと考えられる。なお、雄ねじと雌ねじの中心軸が傾いていても、FがＦiに達したときに、ボルト２のばね定数にわずかでも変化が現れれば、図８に示すθに対するdF/dθの関係には明確に差が生じるので、Ｆiの検出は可能である。
【００３６】
一方、本発明方法の実用化を考えた場合、省スペースかつ低コストで実現することができる。すなわち、図５、６の試験装置で明らかなように、特開平10-170362に開示された方法のごとく、ナット周囲の被締結物表面を、ナットを包み込む必要が無く、検出部の構造は非常に単純なものとなる。しかも、検出時に必要なトルクTは、主にねじ面の摩擦トルクだけなので、締結時の締付けトルクに比べて小さくてよい。したがって、本方法の実用化は容易であり、コンパクトな検出装置の製作が可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、特開平10-170362に開示された方法の基本原理を用いて、ナット５座面を離間させる代わりに、ねじ面間のバックラッシュを利用して、ねじ面を離間させる方法であり、以下に示す効果がある。
１）締結体のナット５から突出したボルト２の先端部分を引張ることで、ねじ面間のバックラッシュにより変化する着力点の変位と引張力の関係から締付け力の検出を行うものであり、締結後のボルト・ナット締結体１の締付け力を±10％以下の高精度で検出することができる。
２）ボルト２とナット５のねじ面間のバックラッシュを大きくすることで、締付け力の検出精度を±5％程度まで向上することができる。
３）特開平10-170362に開示されたが提案した方法を用いて、締結後のボルト・ナット締結体１の締付け力を検出した結果、かかる方法では、実際の値よりも大きな締付け力となるが、本発明は、真の締付け力と近似する値を得ることができる。
４）本発明は、ボルト・ナット締結体１にばね座金を用いた場合にも締付け力を的確に検出することができる。
５）特開平10-170362に開示されたが提案した方法は、ボルト・ナット締結体１にばね座金を用いた場合には、締付け力を検出することはできない場合があるが、本発明によれば、現在使用状態にある締結体の締付け力を検出することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボルト・ナット締結体１を示す縦断側面図である。
【図２】締付け力Ｆiで締付けられた状態の力関係を示すボルト・ナット締結体１を示す縦断側面図である。
【図３】ボルト２先端の点Oに引張力Fを負荷したときの着力点変位δとFの関係を示すグラフである。
【図４】本発明の締付け力検出方法を示す概要図である。
【図５】ボルト・ナット締結体１と締付け力検出部１０を示す縦断側面図である。
【図６】締付け力検出装置の外観図である。
【図７】試験結果を示すグラフであり、横軸は着力点変位δに相当する回転角θであり、縦軸は引張力Fである。
【図８】θに対するFの勾配dF/dθとθの関係を、10個づつ平均化した値として示したグラフである。
【図９】バックラッシュの量を変化させた有効径の異なる３種類のナット５を用いて、締付け力の検出を行った結果を示し、縦軸はボルト・ナット締結体１の締付け力Ｆiに対する検出誤差を示し、横軸はナット５の種類を示している。
【図１０】従来の締付け力検出方法を示す概念図である。
【図１１】、本発明方法を用いた試験結果における、引張力Fとθの関係と、dF/dθとθの関係を示し、横軸は回転角θ、左側の縦軸はFであり、右側の縦軸はdF/dθである。
【図１２】従来方法の試験結果における、引張力Fとθの関係と、dF/dθとθの関係を示し、横軸は回転角θ、左側の縦軸はFであり、右側の縦軸はdF/dθである。
【図１３】  (a)は、雄ねじと雌ねじの中心軸が一致している場合のねじ部の詳細図であり、(b)は雄ねじと雌ねじの中心軸が傾いた場合のねじ部の詳細図である。
【符号の説明】
１  ボルト・ナット締結体
２  ボルト
３  雄ねじ部
５  ナット
１０  締付け力検出部
１１  受圧部
１２  引張回転軸
１３  雌ねじ孔
１４  係止縁
１７  スラストベアリング
２０  モータ
Ｂ  ロードセル
【図１】
0004028254.tif 000002
【図２】
0004028254.tif 000003
【図３】
0004028254.tif 000004
【図４】
0004028254.tif 000005
【図５】
0004028254.tif 000006
【図６】
0004028254.tif 000007
【図７】
0004028254.tif 000008
【図８】
0004028254.tif 000009
【図９】
0004028254.tif 000010
【図１０】
0004028254.tif 000011
【図１１】
0004028254.tif 000012
【図１２】
0004028254.tif 000013
【図１３】
0004028254.tif 000014