(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
締結したときに荷重が作用する側の加圧フランク面と、荷重が作用しない側の無加圧フランク面が左右対称なねじ山を備えた高力ボルトであって、前記加圧フランク面と無加圧フランク面とを接続するねじ底の縦断面形状が、該加圧フランク面のフランク線に接する緩やかな曲線を描く高次曲線と、該高次曲線と該無加圧フランク面のフランク線に接する円弧で形成される左右非対称なねじ底を備えた高力ボルト。
【請求項２】
前記高次曲線が、楕円曲線である請求項１に記載の高力ボルト。
【請求項３】
前記ねじ山が三角ねじであり、該とがり山高さをＨとすると、雄ねじ底を構成する楕円弧の長軸がＨ／２以上Ｈ以下で、短軸がＨ／８以上Ｈ／２以下で、円弧の半径がＨ／８以上である請求項２に記載の高力ボルト。
【請求項４】
前記高力ボルトが、引張強度が１０００Ｎ／mm2以上である請求項１乃至３に記載の高力ボルト。
【請求項５】
前記加圧フランク面のフランク角及び無加圧フランク面のフランク角がいずれも略３０°である請求項１乃至４に記載の高力ボルト。
【請求項６】
雄ねじのフランク面とねじ底を形成する高次曲線又は円弧との接点の半径方向位置が、三角ねじのとがり山の高さをＨとして、とがり山頂点から０．５Ｈ以上０．６Ｈ以下である請求項１乃至５に記載の高力ボルト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土木橋梁建築用構造部材の接合や自動車部品の締結などに使用される高力ボルトに関し、より詳しくは、耐遅れ破壊性および耐疲労特性が特に優れた高力ボルトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
土木橋梁建築構造物、自動車・車両などの運搬機械、その他一般機械構造物の接合にはボルトが広く使用されている。その中でも、特に締め付け導入軸力の高いもの、すなわち引張強度の高いものを高力ボルトと呼ぶ。高力ボルトは日本工業規格(JIS)や日本鋼構造協会規格(JSS)などでその形状寸法、材質、強度などが規格化されている。
【０００３】
構造物用の高力ボルトは、現在では実質的に構造用としてJIS B 1186にF10T級(引張強度約１０００Ｎ/mm2)、 一般産業用としてJIS B 1051に12.9（引張強度約１２００Ｎ/mm2）までのものがJISにおいて規格化されている。一方、自動車用の高力ボルトにおいては、引張強度１３００Ｎ/mm2のものが実用に供されている。近年、土木橋梁建築技術、自動車技術の高度化に伴い、より高強度のボルトが求められるようになってきた。
【０００４】
しかし、ボルトのようなねじ部材は、高強度化すると耐遅れ破壊性、耐疲労特性が著しく低下するため、これまで高強度ボルトの開発には限界があった。疲労破壊とは、繰り返し負荷あるいは繰り返し変位により、応力集中部で疲労き裂が発生・進展して、破断に至る現象をいう。一方、遅れ破壊とは、鋼材中の拡散性水素が環境的、力学的要因により応力集中部に凝集するいわゆる水素脆化により、脆性的に破断する現象をいう。いずれの破壊も、応力集中部が破壊の起点となることで共通している。
【０００５】
図３にボルトによる接合部示す。被締結部材１，２はそれに貫通された孔にボルト３の軸部４が挿通され、座金５を介してナット６によって締め付けられる。このとき、ボルト３に生じる応力集中部は、同図に示すように、ボルト首下Ｒ部Ａ、ねじ移行部Ｂおよびナット６と雄ねじ７との噛み合い端部Ｃの雄ねじ７谷底の３ヶ所である。これらの中でも特に、ナット６と雄ねじ７との噛み合い端部Ｃの雄ねじ谷底から遅れ破壊、疲労破壊に至る事例が最も多い。
【０００６】
ボルトとナットの噛み合い端部の雄ねじ谷底の応力集中を低減して、高強度の高力ボルトを得るために、ボルト・ナットの形状を工夫した先行技術はいくつか見受けられる。
【０００７】
たとえば、図４に示すように、ねじ底形状を３つの大きな円弧で規定することにより、応力集中を低減すると共に、ねじ有効径の増大による引張強度の向上を狙った提案がある。また、ねじ底形状を円弧でなく楕円弧で規定し、当該部応力集中を低減させた提案がある。
【０００８】
これらの提案は、ねじ底断面形状は左右対称形で、ねじ底中央部の曲率半径を大きくし、ねじ底８とフランク面９とは小さいRまたは曲率で接続されている。しかしながら、ねじ底８の応力集中は、後で詳しく述べるが、締結時の噛み合い端ねじ底(応力集中が最大となる所)ではねじ底中央部よりやや荷重面よりの部分に応力集中のピークが発生する。すなわち、図５に示す従来のねじでは丁度ねじ底８とフランク面９の間の小さいＲまたは曲率部で応力集中のピークが現れることになる。したがって、いずれのねじにおいても、応力集中を低減する最適なねじ形状とは言い難い。
【０００９】
さらに、ねじ山のフランク角を左右非対称にし、締結したときに荷重が作用するフランク面（これをねじの荷重面と呼ぶ）の角度（ボルト軸に垂直な面となす角）を４０°から６０°とし、もう一方のフランク面（これをねじの挿入面と呼ぶ）の角度を１０°から２０°にすることにより、耐遅れ破壊性を向上させるとする提案がある。しかしながら、荷重面角度を緩やかにすると耐遅れ破壊性が向上するとしているが、なぜ耐遅れ破壊性が向上するかという作用、力学的機構（メカニズム）などは全く明らかにされていない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、噛み合い端ねじ底に発生する応力集中をどの先行技術よりも大幅に低減することにより、耐遅れ破壊性、耐疲労特性に優れた高力ボルトを提供することにある。
【００１１】
ボルトにおいて疲労破壊、遅れ破壊は応力集中部、特に噛み合い端ねじ底が起点となることが最も多い。したがい、当該部の応力集中を低減することができれば、耐疲労特性、耐遅れ破壊性を向上することができる。そこで、本発明者らは、本発明の着想を得るために当該部の応力集中の様子を弾性有限要素法（以下、弾性FEMという）による解析を利用して詳細に調査した。本発明者らは、図５に示すJIS
B 1186に規定されるF10T級高力ボルトセット（以下JISボルトと略す）および図４に示すねじ底形状を３つの大きな円弧で規定した高力ボルトセット（以下先行技術ボルトと略す）の２つにつき、ボルト締め付けを模擬した弾性FEM解析を実施した。
【００１２】
その結果、JISボルト、先行技術ボルトとも前述した３つの応力集中部のうち噛み合い端ねじ底に最も高い応力集中が生じていることを再確認した。さらに、その噛み合い端ねじ底の応力分布を詳しく調査したところ、JISボルト、先行技術ボルトとも最大主応力はねじ底表面で、ねじ底中央よりやや荷重面よりの部分に発生していることが判明した（図４及び図５参照）。この最大主応力、言い換えれば応力集中のピークが発生している部分は、先行技術ボルトでは丁度、ねじ底の大きな曲率部分と荷重面とを接続する、小さな曲率部に相当する（図４参照）。
【００１３】
したがって、この応力集中のピークが発生する部分により大きな曲率を配置すれば、噛み合い端ねじ底の応力集中をさらに低減できるという、本発明のねじ形状の着想に至った。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高力ボルトは、締結したときに荷重が作用する側の加圧フランク面と、荷重が作用しない側の無加圧フランク面が左右対称なねじ山を備えた高力ボルトであって、前記加圧フランク面と無加圧フランク面とを接続するねじ底の縦断面形状が、該加圧フランク面のフランク線に接する緩やかな曲線を描く高次曲線と、該高次曲線と該無加圧フランク面のフランク線に接する円弧で形成された左右非対称なねじ底を備える。高次曲線として、楕円曲線が好ましい。高力ボルトとして、引張強度が１０００Ｎ／mm2以上、好ましくは１３００Ｎ／mm2以上であるのが適している。
【００１５】
上述の高力ボルトは、前記ねじ山が三角ねじであり、該とがり山高さをＨとすると、雄ねじ底を構成する楕円弧の長軸がＨ／２以上Ｈ以下で、短軸がＨ／８以上Ｈ／２以下で、円弧の半径がＨ／８以上であるのがよい。また、上述の高力ボルトは、前記加圧フランク面のフランク角及び無加圧フランク面のフランク角がいずれも略３０°であるものが好ましい。さらに、上述の高力ボルトは、雄ねじのフランク面とねじ底を形成する高次曲線又は円弧との接点の半径方向位置が、三角ねじのとがり山の高さをＨとして、とがり山頂点から０．５Ｈ以上０．６Ｈ以下であるのが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る高力ボルトの実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態に係る高力ボルト１０は、締結したときに荷重が作用する側の加圧フランク面１２と、荷重が作用しない側の無加圧フランク面１４が左右対称なねじ山１６を備え、加圧フランク面１２と無加圧フランク面１４とを接続するねじ底１８の縦断面形状が、加圧フランク面１２のフランク線に接する緩やかな曲線を描く楕円曲線２０と、その楕円曲線２０と無加圧フランク面１４のフランク線に接する円弧２２で形成される、左右非対称なねじ底を備える。ここで、フランク線とは、加圧フランク面１２又は無加圧フランク面１４とボルト１０の中心軸を通る断面とが交差する線をいう。
【００１８】
ボルト１０のねじ底１８に応力集中が発生するのは、切り欠き効果による。すなわち、ねじという部材断面積あるいは形状の急変する構造（いわゆる切り欠き）により、ボルト内部を流れる力線が乱されねじ底の力線密度が高くなることにより応力集中が発生する。前述のように、噛み合い端ねじ底１８では応力集中のピークはねじ底１８中央よりやや加圧フランク面（荷重面）１２よりの部分に発生しているので、この部分の曲率をより大きくするために、緩やかな曲線を描く高次曲線とする。高次曲線としては、楕円曲線、放物線（二次曲線）、双曲線、さらに三次曲線等を採用することができ、特に限定されない。ただし、設計において形状限定の容易性等の観点から、高次曲線は楕円曲線が好ましい。
【００１９】
ねじ底中央からやや無加圧フランク面（挿入面）１４寄りの部分については、寸法制約の許す限り大きな円弧２２で楕円曲線２０と無加圧フランク面１４のフランク線とを接続する。この部分に出来るだけ大きな円弧を配置する理由は、前述の弾性FEM解析による検討により、遊びねじ(ナット噛み合いねじよりもボルト軸側であり、かつ雌ねじと噛み合っていないねじ山)のねじ底１８では、応力集中のピーク（絶対値は噛み合い端部より小さい）はねじ底中央よりやや無加圧フランク面（挿入面）１４寄りに発生していることが付随的に判明しているからである。
【００２０】
以上により、高力ボルト１０の雄ねじのねじ底１８の縦断面形状は、加圧フランク面（荷重面）１２のフランク線に滑らかに接する、ボルト軸に平行な長軸２４とボルト半径に平行な短軸２６から成る楕円曲線２０の一部を成す楕円弧（２０）と、その楕円弧２０と無加圧フランク面（挿入面）１４のフランク線の両方に滑らかに接する円弧２２との２曲線で構成される。したがって、雄ねじのねじ底１８の縦断面形状は、左右非対称のねじ形状となる。
【００２１】
このような構成の高力ボルト１０は、雄ねじのねじ底１８に生じる応力集中が大幅に緩和されるため、耐遅れ破壊性、耐疲労特性に優れたものとなる。したがって、この高力ボルト１０に使用されるナット等の雌ねじ部材は、いかなる構成の物でもよい。
【００２２】
上述の高力ボルト１０において、雄ねじの加圧フランク面１２とねじ底１８を構成する楕円曲線２０の一部である楕円弧との接点（接続点）Ｘ、あるいは無加圧フランク面１４とねじ底１８を構成する円弧２２との接点Ｘの半径方向の位置はいずれも、ねじ山１６のとがり山２８の高さをＨとして、とがり山２８の頂点３０から０．５Ｈ以上０．６Ｈ以下とするのが好ましい。その理由は、接点Ｘのとがり山２８の頂点３０からの寸法が０．５Ｈ以下であると、雌ねじとの噛み合い高さが小さくなって噛み合い不良となり、ねじの山飛びやすっぽ抜け（これらをジャンプアウトという）が発生しやすくなってしまうからである。他方、その寸法が０．６Ｈ以上であると、ねじ底１８に十分大きな曲率半径の円弧２２と楕円曲線２０を配置するのが困難になるためである。この接点Ｘの望ましい半径位置は、雌ねじのねじ山頂部の半径位置と同じか、それよりも概ね０．０５Ｈ程度小さい位置である。
【００２３】
ねじ底１８の形状を規定する楕円弧２０の長軸２４はＨ／２以上Ｈ以下、短軸２６はＨ／８以上Ｈ／２以下で設定される。これは前述したねじ底１８の楕円曲線（楕円弧）２０と加圧フランク面１２との接点Ｘの半径位置の制約下で、大きな曲率をねじ底１８の中央よりやや加圧フランク面１２寄りに配置する楕円曲線２０の取りうる値の範囲である。
【００２４】
ねじ底径３２を大きくすれば、ボルト１０の有効断面積が増加し、ねじ底１８部の平均応力が低下して、相対的にねじ底１８の応力集中を低減できる効果がある。したがって、一定の制約下で出来るだけねじ底径３２を大きくするような長軸２４、短軸２６の組み合わせが望ましい。本発明者らによると、数ある組み合わせの中で、長軸＝２／３Ｈ、短軸＝Ｈ／５とするのが最も望ましいことが判明している。
【００２５】
ねじ底１８の楕円曲線２０と無加圧フランク面１４とを接続する円弧２２の半径３４はＨ／８以上とする。円弧２２の半径３４をＨ／８以上とするのは、先にも述べたが、遊びねじ部のねじ底ではその円弧部分が応力集中のピークとなる。このため、あまりに小さい半径３４にすると、応力集中度が高くなってしまうからである。一方、円弧２２の半径３４の上限は規定していないが、前述した無加圧フランク面１４と円弧２２との接点Ｘの半径位置および楕円曲線２０の形状寸法から、自ずと上限は決定される。なお、前述した望ましい楕円曲線２０に対する望ましい円弧２２の半径３４はＨ／６である。
【００２６】
以上、高力ボルトのねじ底の形状を規定することにより、耐遅れ破壊性、耐疲労特性に優れた高力ボルトを得る方法について説明した。
【００２７】
本発明の高力ボルトは、いかなるナットに使用しても、ナットとの噛み合い端近傍のねじ底に応力集中が生じることはない。
【００２８】
本発明の高力ボルトは、摩擦接合用だけでなく引っ張り接合用にも使用することができ、何ら限定されるものではない。さらに、本発明は、建築・土木等の用途だけでなく、自動車をはじめとする各種の機械・装置等の用途にも使用することができ、用途が限定されるものではない。
【００２９】
その他、本発明の高力ボルトは、引張強度１０００Ｎ/mm2以上、より好ましくは引張強度１３００Ｎ/mm2以上、さらに好ましくは引張強度１４００Ｎ/mm2以上の高力ボルトに適するものである。本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内で、当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施し得るものである。
【００３０】
【実施例】
本発明の効果を具体的に明らかにするため、以下のようなボルト締め付けを模擬した弾性FEM解析を実施した。解析対象のサイズはＭ２２、ボルト首下長さ105mmとし、JISボルト(JIS B 1186に規定される高力ボルト、ナット、座金のセット)あるいはJSS II 09のトルシア形高力ボルトのいずれかをベース形状とした。比較の対象は、本発明のボルト、JISボルトおよび先行技術のボルトとした。
【００３１】
本発明に適用したねじ山の寸法は表１に示した。先行技術のボルトのねじ山形状は、特公平６−８９７６８号公報に開示されている寸法形状をそのまま使用した。
【００３２】
【表１】
0004172680.tif 000002
【００３３】
これらの各モデルに対し、軸対称でボルト締め付けの弾性FEM解析を実施し、応力集中の度合いを調査した。材料定数は、縦弾性係数=210000MPa、ポアソン比0.3とした。また、ねじの位相の違いを考慮するため、１つのモデルにつき、ねじ山の配置を1/4ピッチずつずらし、計４通り解析し、それらの平均を結果とした。応力集中の程度は、噛み合い端雄ねじ谷底に発生する最大主応力をボルト軸部の平均応力で割った応力比と呼ぶ値の大小で評価した。全モデルの解析結果を表２に示した。また、本発明の噛み合い端雄ねじ底の最大主応力分布を図２に示した。
【００３４】
【表２】
0004172680.tif 000003
【００３５】
この解析結果より、本発明はどの比較例よりも噛み合い端ねじ底の応力比が小さいことがわかる。本実施例の結果より、本発明のボルトはどの比較例よりも応力集中の程度が小さく、耐遅れ破壊性、
耐疲労特性が優れていることは明白である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の高力ボルトは、ボルトの最大応力集中部である噛み合い端雄ねじのねじ底の応力集中を低減することができ、耐遅れ破壊性、耐疲労特性に優れたものとなる。さらに、本発明の高力ボルトは、ねじ底の形状を設定したのみであり、製造コストを低く抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の雄ねじ形状を説明する模式図である。
【図２】  本発明の噛み合い端雄ねじ底の最大主応力分布を示す図である。
【図３】  一般的なボルトセットの模式図で、応力集中部の位置を説明する図である。
【図４】  先行技術ボルトについて弾性FEM解析の結果得られた噛み合い端雄ねじ底の最 大主応力の分布を示す図である。
【図５】  JISボルトについて弾性FEM解析の結果得られた噛み合い端雄ねじ底の最大主応力の分布を示す図である。
【符号の説明】
１０：高力ボルト
１２：加圧フランク面
１４：無加圧フランク面
１６：ねじ山
１８：ねじ底
２０：楕円曲線（高次曲線）
２２：円弧
【図１】
0004172680.tif 000004
【図２】
0004172680.tif 000005
【図３】
0004172680.tif 000006
【図４】
0004172680.tif 000007
【図５】
0004172680.tif 000008