JP2004197952A - ねじ部品システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムのアッセンブリの結果として、部品内に発生する内力の分配を高めるための、工作物を締め付けることができる締結装置。
【解決手段】実質上非三角形である輪郭を有して形成されるねじ山を持つ雄ねじ部材と、また実質上非三角形である輪郭を有して形成されるねじ山を持つ雌ねじ部材とを含む。組立てられた形状において、雌ねじ及び雄ねじ部材の実質上非三角形ねじ山面は接触面に沿ってかみ合う。これら固有のねじ山形状によって、実質上三角形の輪郭を有するねじ山を使用する比較されるシステムと比べて、より大きな軸方向の負荷に耐えることが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、雄ねじ及び雌ねじのかみ合いねじ装置構造における新規な考案に関し、該かみ合いねじ装置構造は、雄ねじ及び雌ねじを含む部品内に生じる内力の高められた分布を提供する。
より詳細には、本発明に関する内力は、例えばねじ部品技術を利用して接続される２つもしくはそれより多数の部分を含む構造内において接触面の締め付け力により生じる、軸力を適用させる結果として発生される。しかしながらこのような内力は、軸圧縮力の結果としても発生させることが可能である。

雄ねじ及び雌ねじ装置のかみ合いの新規なかつ創意のある本質を主題とする本システムは、平坦な内面を有する案内孔の中に雄ねじを挿入し、雄ねじ部品と雌ねじが形成される平坦な内面を有する孔を含む部品との間に逆回転をはたらかせることによる、材料押しのけ技術を利用する、雌ねじを生じさせるシステムに特に適するが、これに制限はされない。このような公称の軸方向力は、雌ねじが形成される平坦な内面を有する案内孔に関連して雄ねじが移動する方向に向く。

一般に、雄ねじ及び雌ねじのねじ部品装置を有することの目的は、螺旋ねじ山形状を使用して、雄ねじ及び雌ねじ要素が逆回転することにより、引張り負荷を発生させることである。この引張り負荷は、構造物を形成するように、２つもしくはそれより多数の構成部品を一緒に締め付けるのに利用可能である力に変換することができる。

現在知られている空間的比率のこのような雄ねじ及び雌ねじ締結装置システムは、このような部品が取り替えられもしくは作り変えられる場合に、アッセンブリの特徴が初期の目的を損なうことがないように、雄ねじ部分もしくは雌ねじ部分のどちらかを似た寸法及び予め規定された限界内で製造された部品により取り替えることを可能とする標準化工程にしたがう（1800年代中期のジョセフウィットワース）。

構成部分の交換が可能であるという要求を満足する、これらの同一システムは、構造上の及び安全臨界接続アッセンブリとして今日でもなお使用されている。

当初の標準化された考案が、それらが整合／接合に関するような基本的な理解を展開しかつ実証しているので、種々の寸法及び形状が紹介されているが、雄ねじ及び雌ねじ締結装置システムは残っている。

今日普通に使用される雄ねじ及び雌ねじ締結装置システムは、ねじ山の外形輪郭が実質上三角形であることに基づき、隣接するねじ山のフランクが真っ直ぐな面を有しかつねじの軸に対して所定の角度をなすことに注意することが重要である。異なる大きさを有するねじの先端角度は、角度変化を作り出すための選択された理由に依存する。

普通に使用される雄ねじ及び雌ねじ締結装置システムは、さらにねじ部分の円形状の横断面に対する、ピッチラインと呼ばれる仮想の線の上方及び下方のつり合いもしくは、単独有効直径を生ずる。

この仮想の線は、ねじ山の材料の厚みを隣接するねじ山間の隙間間隔と等しくする、ねじの軸から半径方向に離れた位置にある。

このような構造から、経験的な研究に基づいた理解が発達し、誘導された軸方向にはたらく力の効果の下で雄ねじ及び雌ねじの接合強度を示して評価するベクトル図の使用が発達した。

ほとんどすべての実例において、誘導された負荷及び合成された接合ねじ強度の発生及び分配は、実質的に所定のねじ山角を含む三角形の部分のねじ山に基づく。

しかしながら、実質上三角形形状から外れたねじ山輪郭設計は、まれとはいえ、ある一定の目的を成し遂げるように発展してきている。例えば、我々の以前の米国特許5,061,135号は、留め具の直径に関して角のついた後縁斜面を有し、及び凹状の丸みを帯びた輪郭の前縁斜面を有するねじ輪郭外形を含む留め具を開示し、請求する。このねじ形状留め具の主たる目的は、ねじ山形状の角のある後縁斜面に接するナット部材の面積を増加させるように、柔軟なプラスチックもしくは軽合金のような、ナット部材の中で、材料が滑らかに動くことを助長する力を発生することである。この留め具がナット部材の中に送り込まれる際、角のついた後縁斜面及び丸みを帯びた前縁斜面との間で、隣接したねじ山形状に発生する偶力及びモーメントは、ナット部材の中で材料が好ましく滑らかに動く要因となる。雄ねじ留め具の軸に垂直な線に関して、ねじの外形輪郭が相称的形状であるならば、規定された方法においてナット部材が滑らかに動くことは達成されないであろうことが、注意されなければならない。

よって、雄ねじ及び雌ねじ接合を含み、かつ軸方向に作用する引張り力もしくは圧縮力の下で、実質上三角形であるような公知の輪郭形状を有するねじ接合以上に、ねじ接合の強度を高める新規なねじ外形輪郭を有する、ねじ部品システムを提供することが本発明の全般的な目的である。

概要としては、本発明は、実質上非三角形の輪郭形状であるねじ山をその上に有する雄ねじ部材及び、接合ねじ接触面に沿って雄ねじ部材の実質上非三角形ねじ山によって接合するように、実質上非三角形のねじ山形状であるねじ山をその中に有する雌ねじ部材を含む留め具システムであって、アッセンブリ形状において、接合ねじ接触面に沿って抗する軸方向の負荷が、雄ねじ部材に生じ、本留め具システムの接合ねじは、実質上三角形輪郭を有するねじ山を使用するシステムのねじ接合の強度に比べて大きな強度の軸方向の引張り及び圧縮負荷に耐え得るシステムである。

本発明は異なる形状における実施が可能であることより、本発明の本質の例示を考究して、本開示が理解される特別の実施例を図面に示し、そこで詳細に説明する。しかしここに取り上げられ記述されるものに、本発明を制限することが意図されるものではない。

新規であると考えられる本発明の留め具は、書き添えられるクレームに特に述べられる。
本発明の構成及び操作の方法は、そのさらなる目的及び利点とともに、構成要素に番号を付した添付の図面に関連する、以下の詳細な記述を参照することにより最も良く理解されるであろう。

図１を参照すると、本発明の教えるところにより構成される、雌ねじ12Iの基本的な設計の輪郭が示されている。

雌ねじ12Iの輪郭は、輪郭12Iが仮想の中心線11について相称的であるように、中心から半径10をもって形成されている。

半径10の大きさ及び中心14の位置は、公知の、現行の雄ねじの最大金属状態及び雌ねじの最小金属状態間の関係に関連して表される。理解するために、この関係をメートルねじシステムに関連させ、このシステムでは雄ねじの単独有効直径は、I.S.O.965/1に規定されるような、6gの公差位置に関連する最大値に等しい位置に表される。高さは、示されるように、理論上の最大単独有効直径15上に位置するような雄ねじの理論上のチップ高さを示す。メートルねじの理論上のチップ幅は19により示される。外形線22は、このメートルねじの雄ねじに応じて形成される輪郭である。

この雄ねじ22の輪郭と、I.S.O.965/1に規定されるような、6Hにしたがう公差位置有し、メートルねじシステムにしたがう接合する雌ねじの輪郭との間の理論上の関係は、外形線23によって表示される。この外形線23の形状は、I.S.O.965/1に規定されるような、6Hの平均及び6Hの最大の間にある大きさにしたがう大きさ20を有する単独有効直径16に基づく。このシステムは、雄ねじ22と雌ねじ23の双方の角のついた輪郭との間に理論上の間隙24を生じる。

雌ねじ23の単独有効直径16もしくは雄ねじ22の単独有効直径15において測定する場合、20により示される、雌ねじ輪郭及び雄ねじ輪郭の肉厚は、ねじ軸方向ピッチの大きさの半分に等しくかつ一定である。

この関係から、雄ねじ22に関して基準位置25、及び雌ねじ23に関して基準位置26が生じる。

半径10は、各角のついた輪郭面22が24に等しい外面からの高さにおいて弦長18を形成するように、基準25及び26を通過するように生じる。半径10は、本発明に関して最小値となるように考えられる。主なねじの直径（内側の）は、面取り面が高さ17より低いもしくは内側とならないように、27で示されるような面取りをすることが可能である。中心14は、半径10に関連した位置であり、120度に等しい従来公知の空間的比率のメートルねじシステムの場合の表された角度と共に基準点25及び26に関連した位置である。

上記のように、本発明による雌ねじの輪郭は外形線12I内に含まれる。

このような記述のように雌ねじの空間的比率を維持することにより、この雌ねじを現存する方式及び形式の計測装置に使用することが可能である。

図２を参照すると、本発明の教えるところにより構成される、雄ねじ12Eの基本的な設計の輪郭が示されている。

図２には、雌ねじ12Iの基本的な輪郭もまた示され、これは、雄ねじを含む部材を通して軸方向に誘導される負荷33がはたらく時、雌ねじ12I及び雄ねじ12Eの輪郭間の接触面32が接触するように半径10の最高の割合を提供する、好ましい状態と認識することが可能である。

本発明による雄ねじ12Eの輪郭の単独有効直径の位置に描かれる、仮想の基準線31は、雌ねじ12Iの理論上の単独有効直径16の、34で示される量だけ内側に理論上変位される。高さ34の値は、図１に示すように雌ねじの単独有効直径16と雄ねじ12Eの単独有効直径15の間の間隔の半分の大きさに実質上等しい。

雄ねじ12Eに関連するような半径10は、雌ねじ12Iに関連する半径と実質上等しい。半径の中心点14は、雄ねじ及び雌ねじ両方に対して同じ関係の位置にある。

しかしながら、単独有効直径16及び単独有効直径31の間のずれ34は、接触面32において接触するように半径10の最高の割合を維持する目的で、角度αが半径10及びずれ34に対して（βによって示されるように）増加することを必要とする。

雌ねじに関連する雄ねじの空間的比率におけるこの必要とされる相違は、圧力面32に沿うねじ接触の状態をもたらし、従来公知の空間的比率の接合ねじ輪郭に発生する限度内である許容限度内に維持される。これは、留め具の雄ねじが雌ねじに独立して作り出される場合及び雄ねじ及び雌ねじの双方と部品が留め具システムを準備する場合に明瞭な利点を提供する。

図３は、工作物42が圧縮状態を保持されるところで本発明が使用される留め具システムを図示する。図３Ａを参照すると、図３にある接合ねじ状態の拡大概略図が示される。軸方向力33の作用下、接合ねじ接触面32に沿うこの力に抗する力が発生する。

丸みを帯びた輪郭形状である接触面32を有することにより確実になる利益の１つは、35により示される接触領域が、36により示される実質上三角形である接合ねじ輪郭により生じる接触領域よりも増加することである。

この表面領域の増加は、軸方向力33に抵抗する力を与える効果的な拘束として必要とされる圧力、単位面積当たりの力を減少させる。

圧力下の接合ねじのこの曲線によりもたらされる輪郭は、実質上三角形である輪郭である場合よりも、ねじが抜け落ちることをより効果的に防ぐ。

雄ねじの輪郭の構造は、大きさの点で等しい半径10を維持するように見なされる。

しかしながら、構造の新規な方法によると、輪郭の対向面を生じる半径の中心は14から14aへと移動すると見なされる。

図４を参照すると、接合する雌ねじ及び雄ねじが示され、そこでは雌ねじの半径10はタッピングを要因として作られ、基本的な空間的比率は雄ねじ部材の寸法にしたがう。

本質的に、雄ねじの空間的比率は、本発明の教えによる雌ねじの寸法に適合する寸法にしたがって形成される。

このような状況において、40において接触する曲線部分の係合長さは、図３Ａの35により示される長さよりも長く、したがってさらに接合ねじ構造内で拘束するのに必要とされる圧力を減少させる。

本発明の教えによるねじ輪郭を有する雄ねじ留め具の構造は、小裂片の断面もしくは部分12である他の断面を有し、雄ねじ又はボルトのアッセンブリにより雌ねじを有効に成型するために適用することができる。

本発明による教えの有用性は、雌ねじ及び雄ねじの空間的比率のそれぞれの形状をナット及びボルトとしてそれぞれの共通術語として規定される要素に関連付けられる。

本概念を利用する一部の及び全てのアッセンブリ工程は、他の全ての要素が等しい場合に、実質上三角形の形状をしたねじ山輪郭を有する構造のより多くの従来のシステムよりも、軸方向に作用するより大きな力に抗する本発明の留め具システム性能を得ることができる。

本発明の特別な実施例が詳細に示され、記述されるのであり、この分野に熟知したものにとっては、様々な態様において、本発明から外れることなく態様をより広げる、本発明の変更もしくは改良は明白なことである。そのような変更及び改良のあるものは、工学技術もしくは設計の日常の事柄及び研究の結果明らかとなる他の事柄である。

本発明のこのような範囲は、ここで規定された特別な実施例及び特別な構造により制限されず、添付されるクレーム及びそれと等価のものにより規定されなければならない。したがって、添付されるクレームの意図は、本発明の精神及び範囲内にあるような変更及び改良のようなもの全てを含む。

本発明の雌ねじの具体例に対する基本的な設計の輪郭の略図である。 本発明の雄ねじの具体例に対する基本的な設計の輪郭の略図である。 本発明の留め具システムを組み込む、完成したアッセンブリの略図である。 本発明の接合する雄ねじ及び雌ねじの状態の具体例を示す略図である。 タッピング雄ねじ留め具により形成された雌ねじにおける、接合雄ねじ及び雌ねじの状態を示す略図である。

符号の説明

10 半径
11 中心線
12I 雌ねじ
12E 雄ねじ
14 中心
15 最大単独有効直径
16 単独有効直径
32 接触面
42 工作物

Claims (15)

1. 前縁のねじ山面及び後縁のねじ山面を備える輪郭を有する非三角形の雄ねじ（12E）を含む留め具システム用のねじであって、
   前記前縁のねじ山面及び後縁のねじ山面が曲面をなし、それぞれの曲面の半径（10）が最小金属状態と最大金属状態の間にあり、当該曲面がどちらも凸状の丸みの付いた輪郭を有するねじ。
2. 前記ねじがセルフタッピングねじである請求項１のねじ。
3. 前記ねじの前記雄ねじ（12E）が円形の断面領域を有する請求項１又は２のねじ。
4. 前記ねじの前記雄ねじ（12E）が非円形の小葉状の断面領域を有する請求項１又は２のねじ。
5. 前記輪郭がその頂部を切られている請求項１〜４の何れか１項のねじ。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の雄ねじ部材、及び雌ねじ部材を含むねじ部品システムであって、前記雌ねじ部材が、実質上非三角形のねじ山を有し、結合ねじ接触面に沿って前記雄ねじ部材（12E）の非三角形のねじ山と結合するねじ山（12I）を有するものにおいて、
   前記雄ねじ部材と前記雌ねじ部材が組み立てられた状態で、前記結合ねじ接触面に沿って抗する前記雄ねじ部材の軸方向の負荷が発生し、当該ねじ部品システムの結合するねじ山（12E、12I）が、実質上三角形の輪郭を有するねじ山を利用するシステムの結合ねじ山よりもより大きな軸方向の負荷に抵抗することができるねじ部品システム。
7. 前記雌ねじ部材に形成されているねじ山（12I）が前縁のねじ山面及び後縁のねじ山面を含み、前記雌ねじ部材のねじ山面（12I）の少なくとも1つが凹状の丸みの付いた輪郭を含み、前記軸方向の負荷に抗する前記結合ねじ接触面（32）が、前記雄ねじ部材（12E）と前記雌ねじ部材（12I）の丸みの付いたねじ山面間に存在する請求項６のねじ部品システム。
8. 前記雄ねじ部材の凸状の丸みの付いたねじ山輪郭の、前記雄ねじ部材の単独有効直径の半径位置にある接線に対する法線によって張られるねじ山の角度が、前記雌ねじ部材の凹状の丸みの付いたねじ山輪郭の、前記雌ねじ部材の単独有効直径にある接線に対する法線によって張られるねじ山の角度よりも大きく、それによって前記結合輪郭面（32）において接触する面積を最大とし、軸方向に作用する力から生じる単位面積当たりの負荷を減少させることを確実とする請求項６又は７のねじ部品システム。
9. 前記雌ねじ部材に形成されているねじ山（12E）の前縁面及び後縁面が互いに相称的であり、それによって前記ねじ部品システムが、軸方向の引張負荷及び圧縮負荷の双方に対して均一に抗し得る請求項６〜８の何れか１項のねじ部品システム。
10. 前記雌ねじ部材に形成されているねじ山（12I）がその頂部を切られている輪郭を含み、それによって前記ねじ部品システムが組み立てられ得る際に、前記雌ねじの切頭部分が前記雄ねじの切頭部分と衝突しない請求項６〜９の何れか１項のねじ部品システム。
11. 前記雌ねじ部材に形成されているねじ山（12I）が、前記ねじ部品システムが組み立てられる際、前記雄ねじ部材のねじ山（12E）によって形成される請求項６〜１０の何れか１項のねじ部品システム。
12. 前記雌ねじ部材のねじ山（12I）の凹状の湾曲の大きさと、前記雄ねじ部材のねじ山（12E）の凸状の湾曲の大きさが実質上等しく、前記雌ねじ部材のねじ山（12I）の凹状の曲面の半径が、公知の最大金属状態にあり、現在公知の空間的比率の雄ねじ部材のねじ山（12E）の直線的な輪郭面（20）と、公知の最小金属状態にあり、現在公知の空間的比率の雌ねじ部材のねじ山（12I）の直線的な輪郭面（23）の間にあり、前記雄ねじ部材（12E）と前記雌ねじ部材（12I）の双方のねじ山の切頭を可能とし、当該接頭が、前記ねじ部品システムが組み立てられる際、前記雌ねじの切頭部分が前記雄ねじの切頭輪郭の先端と衝突しないことを確実とする請求項７〜１１の何れか１項のねじ部品システム。
13. 前記雄ねじ部材のねじ山（12E）の負荷担持輪郭面（32）の曲面の中心（14）が、前記雌ねじ部材のねじ山の負荷担持輪郭面の曲面の中心と同じ位置にあり、前記雄ねじ部材のねじ山の負荷担持輪郭面の曲面の半径（10）が、前記雌ねじ部材のねじ山の負荷担持輪郭面の曲面の半径と同じ大きさであり、反対側の負荷を受けない凸状のねじ山輪郭面が、前記負荷担持輪郭面（32）と同じ大きさの半径（10）を有するが、反対側の負荷を受けない凸状のねじ山輪郭面の曲面の中心が、前記雌ねじ部材のねじ山（12I）の単独有効直径（16）と前記雄ねじ部材のねじ山（12E）の単独有効直径（16）の相違に適応するように軸方向に変位され、前記雄ねじ部材のねじ山（12E）の単独有効直径（15）の位置における軸方向の平面でのねじ山の幅がねじの軸方向のピッチの半分に等しく一定に保たれ、これにより、軸方向に適用される引張力と軸方向に適用される圧縮力の双方が前記ねじ部品システムに適用される請求項１２のねじ部品システム。
14. 前記雌ねじ部材のねじ山（12I）の単独有効直径（16）におけるねじ山の厚み（20）が、前記雄ねじ部材のねじ山（12E）の単独有効直径（15）におけるねじ山の厚み（20）と一致し、前記雄ねじ部材のねじ山（12E）と前記雌ねじ部材のねじ山（12I）の双方の厚み（20）が、選択された単独有効直径における前記雄ねじ部材のねじ山（12E）と前記雌ねじ部材のねじ山（12I）の軸方向のピッチの半分に一致する請求項１２又は１３のねじ部品システム。
15. 前記雌ねじ部材のねじ山（12I）が、材料を押しのける方法により形成されるように、前記雄ねじ部材を組み込み、これを逆回転させることによって、適切な寸法の平坦な案内孔から生成される請求項６〜１４の何れか１項のねじ部品システム。

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