JPH0786366B2 - 疲労特性に優れた段付ねじ - Google Patents

疲労特性に優れた段付ねじ

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JPH0786366B2
JPH0786366B2 JP1050050A JP5005089A JPH0786366B2 JP H0786366 B2 JPH0786366 B2 JP H0786366B2 JP 1050050 A JP1050050 A JP 1050050A JP 5005089 A JP5005089 A JP 5005089A JP H0786366 B2 JPH0786366 B2 JP H0786366B2
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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、アキュムレータやシリンダ等の荷重変動の
激しいところに使用される繰り返し引張力を受けるねじ
関するもので、更にのべると疲労寿命の長い段付ねじに
関するものである。
従来の技術及び発明が解決しようとする課題 例えば、流体機器としてのアキュムレータは、容器本体
の内部をブラダにより気体室と液体室に仕切り、その両
端部を側板で閉鎖すると共に液体回路の液圧変動に応じ
てブラダを伸縮させ、脈動吸収作用やショックアブソー
バ作用等を行わしめているが、この容器本体と側板との
固定手段として平行ねじが用いられている。
ところで、アキュムレータ内の圧力が上昇し側板が外方
に押圧されると、ねじには軸方向及び周方向の荷重、所
謂変動荷重が0から最大荷重の範囲にわたり繰り返し加
わるが、この荷重は、各ねじ山が均一に分担するもので
はなく引張力方向に大きく偏る。
そのため、大きな引張荷重を受けるめねじ先端部の谷底
に応力集中が生じ、そこから破壊してしまう。
そこで、この問題を解決するために、既に特許されてい
る「先細状のおねじを用いた疲れ特性のずぐれたネジ継
手」(米国特許4189975号、日本国特公昭56−53651号参
照)を利用することが考えられる。
本発明者は、第8図に示す様に容器本体1のめねじ2と
側板3のおねじ4とを60度三角ねじM106.8×2で形成
し、このおねじ4を前記特許に従い、ねじ山m7〜m1の山
高さhを漸減せしめた試験用アキュムレータを製作する
と共に、前記三角ねじを標準状態で用いた従来型アキュ
ムレータを製作し、そして、シール径d=104mm、内圧
p=0〜318kg/cm2、周波数2.5HZの条件下で各アキュム
レータの各ねじ山の荷重分担率や疲労寿命を調査した。
その結果、荷重分担率は、試験用アキュムレータの方
が、従来型アキュムレータより平均化していたが、疲労
寿命は、試験用アキュムレータの方が従来型アキュムレ
ータより短かった。
因に、荷重分担率が最も大きいねじ山は、試験用アキュ
ムレータでは、先端部2mから2番目のねじ山m2で、その
率は、18.5%、従来型アキュムレータでは、先端部から
1番目のねじ山で、その率は、21%であり、又、疲労寿
命は、従来型アキュムレータでは560.000回、試験用ア
キュムレータでは、380.000回であった。
ねじ山の荷重分担率が低下すると、ねじ疲労寿命が伸び
るのが通常であるが、上記試験用アキュムレータでは、
これに反し、疲労寿命が短かくなったのである。
そこで、その原因を調べたところ、各めねじ谷底f110
に加わる最大曲げモーメント中、めねじ先端部2eの2番
目のめねじ谷底f2にピーク曲げモーメントが加わり、曲
げモーメント振幅も最大となり、そこから破壊している
ことがわかった。即ち、おねじ4が矢印Y方向に押圧さ
れると、めねじの各ねじ山fmは、下面に分担荷重を受け
る片持梁の状態となり、めねじ山fmの山高さfhは、曲げ
モーメントの大きさに影響するスパンとみることができ
る。
そのため、山高さfhが均一化されている場合には、各ね
じ山の分担荷重が均一化されていないと、分担荷重が大
きいほどピーク曲げモーメントが大きくなり、また、曲
げモーメント振幅も最大となり、破壊しやすくなるので
ある。
そこで、従来型アキュムレータと試験用アキュムレータ
のめねじ谷底に生じる単位当たりの最大曲げモーメント
を、荷重分担率と平均接触高さより計算したところ第4
図に示す通りであった。この図において、Aは、従来型
アキュムレータ、Bは、試験用アキュムレータを示す
が、試験用アキュムレータBの先端部ねじ2eから2番目
のめねじ谷底f2に13.5kgmm/mmの単位当たりピーク曲げ
モーメントPBが生じしかもそのモーメントPBは、従来型
アキュムレータAの単位当たりピーク曲げモーメントPA
=11.4kgmm/mmより大きく、そのため、曲げモーメント
振幅も大きく、ねじが疲労破壊し易い事が明らかとなっ
た。
この発明は、上記事情に鑑み、ねじの疲れ特性を向上さ
せてねじの疲労寿命を長くすることを目的とする。
課題を解決するための手段及び作用 この発明は、めねじが、各めねじ山頂を結ぶ線が段状に
なる様に形成されることにより、ねじ谷底の単位当たり
最大曲モーメントを平均化し、単位当たりピーク曲げモ
ーメントを大きく低減させると共に曲げモーメント振幅
を小さくして疲労破壊を起こさないようにするものであ
る。
実施例 この発明の実施例を添付図面により説明すると、第2図
は、アキュムレータ(ACC)の縦断面図であり、容器本
体10の内部は、ブラダ11により気体室12と液体室13に仕
切られ、又、この本体10の両端部14、15は、側板16、17
により閉鎖されている。
この本体10の両端部14、15と側板16、17は、螺着されて
いるが、そのねじ部Sは、第1図に示すごとく形成され
ている。
即ち、容器本体10の端部14の内側には、側板16のおねじ
19と螺合するめねじ20が形成されている。
このめねじ20は、10個のめねじ山FSを備えているが、各
めねじ山の接触高さLは、めねじ山FS10からめねじ山FS
7までの標準山部50では、標準高さで形成してめねじの
ねじ山FSがおねじのねじ山MSと接触する部分、所謂、め
ねじの接触面積FW、を同一にし、また、ねじ山FS5から
ねじ山FS1までの低山部FLでは、ねじ山を同一高さに山
頂切り成形してその接触高さLを前記ねじ山FS107
り低くしてめねじの接触面積FWを減少させる。
中間山部51のねじ山FS6の山頂部は、標準山部50のねじ
山FS107の山頂部より低く、かつ、低山部FLのねじ山F
S51の山頂部より高く形成し、該ねじ山FS6に加わる単
位当たり最大曲げモーメントが、標準山部50のねじ山FS
に加わる単位当たり最大曲げモーメントより大きく、か
つ、低山部FLのねじ山FS51に加わる単位当たり最大曲
げモーメントより小さくなるようする。
めねじ20は、前述の様に形成されるので、各ねじ山頂部
を結ぶ線は、ねじ山FS8とねじ山FS6との間で山高さを逓
減した段状となり、所謂段付ねじとなるがこの低山部FL
に形成されるねじ山FSの数は次の様にして決定する。螺
合ねじ山数がNの場合、ねじの引張力側のx番目のねじ
山FSxに作用する荷重Wxは、 Wx=W×wNx (1) W:全荷重 WNx:ねじ山FSxに対する荷重分担率 であり、この時のx番目のねじ谷底fxに加わる単位当た
りの最大曲げモーメントMxは、 Mx=〔(DL−D0)+(D0−D)/2)〕/2×W×wNx/(π
×DL) (2) DL:めねじ谷径 D0:おねじ外径 D:めねじの内径Di、又は、低山部の内径Dx で表すことが出来る。
この時、Mx=疲労限度内ねじ谷底単位当たり最大曲げモ
ーメントM0となる様にD=Dxを決めると、ねじ接触面積
FWxは、 FWx=(D0−Dx)×π/4 (3) より求め、又、この接触面積FWと荷重Wxから単位面積当
たりの接触面圧Pxを求めると Px=Wx/FWx (4) となる。
そこで、まず、(1)式を用いて第1ねじ山FS1に作用
する荷重W1=W×wN1を求めると共に(2)式を用いて
この時の曲げモーメントM1=〔(DL−D0)+(D0−D)
/2)〕/2×W×wN1/(π×DL)を求める。
この時、単位当たり最大曲げモーメントM1=単位当たり
最大曲げモーメントMとなる様にD=Dxを求めると共に
(3)式を用いてねじ接触面積FW1=(D0−Dx)×π/4
を求め、更に、(4)式を用いて接触面圧P1=W1/FW1
を求める。
その結果、P1<材料引張り強さσBの時には、(1)式
を用いて第2ねじ山FS2に作用する荷重W2=W×wN2を求
めそれを(2)式に代入すると共にDがめねじ標準内径
Diである場合の単位当たり最大曲げモーメントM2iと、
低山部の内径Dxである場合の単位当たり最大曲げモーメ
ントM2xとを夫々求める。
そして、単位当たり最大曲げモーメントM2<単位当たり
最大曲げモーメント曲げモーメントM0になる方、例え
ば、単位当たり最大曲げモーメントM2xの内径Dxを採用
する。
以下、同様の作業を繰り返し、採用される内径がめねじ
標準内径Diになるまで続ける。P1>σBの時には、ねじ
山が塑性変形を起こす為、荷重W1=W×wN1が作用する
にもかかわらず、第1ねじ山FS1は、FW1×σBの荷重し
か受けられない。
従って、次のねじ山FS2に加わる荷重W2は、(W−FW1×
σB)×w(N-1)1となる。
この時の荷重W2を(2)式に代入すると共にDが、めね
じ標準内径Diである場合の単位当たり最大曲げモーメン
トM2iと、低山部の内径Dxである場合の単位当たり最大
曲げモーメントM2xとを夫々求め、その後、前記と同様
の処理を行い、低山部のねじ山数を決定する。
めねじ谷底f1〜f10は、円弧状に形成され、その半径fr
は、ピッチの0.1〜0.18倍の大きさである。
おねじ19の各ねじ山高さmhは、標準高さに形成されてい
る。
なお、25は、必要以上のねじ込みを防止するためのスト
ッパ、Cは、中心線である。
次に、この実施例の作動について説明する。液圧回路30
の液圧が変動し、給排口23からアキュムレータ(ACC)
内に液体が圧入されるとブラダ11が圧縮され気体室12内
の圧力が上昇して側板16を矢印A2方向に押圧する。
そのため、おねじ19も同方向に押されるので、これと螺
合しているめねじ20にも荷重が加わるため、各ねじ山FS
110には、分担荷重W110がかかる。
しかし、この分担荷重が、大きすぎると、そのねじ山FS
が弾性限度内変形と塑性変形を起こし、塑性変形を起こ
した方のねじのピッチが変化するが、各ねじ山FSの現実
に受け止める荷重は、弾性限度内変形の力の範囲分だけ
である。
この力の量は、めねじの接触面積FWの大きさにより規制
されているが、この接触面積FWは、ねじ山FSの接触高さ
Lが高い程大きくなるのでねじ山FS108に比べ低山部F
Lのねじ山FS61の接触面積FWは小さくなる。
又、各めねじ山FS101の接触高さLは、各ねじ谷底f10
1に生ずる単位当たり最大曲げモーメントも略々均等
となるような高さにしてある。
従って、めねじ先端部20Eのねじ谷底に生ずる単位当た
りのピーク曲げモーメントPC及び曲げモーメント振幅
は、従来型アキュムレータのめねじより大きく低減され
るので、疲労寿命を長くすることが出来る。
因に、本発明によるねじを用いたアキュムレータを製作
し、前記実験と同じ条件下でめねじ谷底f110に生じる
単位当たり最大曲げモーメントとねじの疲労寿命を調査
したところ、単位当たり最大曲げモーメントは、第4図
の曲線Cに示す通りとなり、その単位当たりピーク曲げ
モーメントPCは4.7kg.mm/mmとり、また、疲労寿命は、1
0,000,000回以上であり、従来型アキュムレータの20倍
以上となった。
この発明は、三角ねじに限らず、角ねじ、丸ねじ、台形
ねじ等にも、また、シリンダ等の容器の同一箇所にも利
用できることは言うまでもない。
また、ねじの両端部に引張荷重が加わるときには、第3
図に示すように、めねじ20の一端部20Eのねじ山FS13
を同一高さに山頂切り整形して低山部FLを形成し、該め
ねじ20の接触高さを段状にすると共におねじ19の端部即
ち、めねじ20の他端部に対向する側の端部のねじ山MS10
8を同一高さに山頂切り整形して低山部MLを形成し、
該おねじ19を段状に形成しても良い。
また、ねじを山頂切り整形して接触高さを低くする代わ
りに、第5図に示すように、めねじ山FSの山頂部接触面
を削り、めねじ接触高さLを低くしても良い。
第6図に示すように、めねじ20のめねじ山FS107迄を
標準高さにして標準山部50とし、めねじ山FS31までを
同一高さに山頂ぎり整形して低山部FLとし、また、めね
じ山FS64までを中間山部51としても良い。
この中間山部52の各めねじ山頂は、めねじ山FS7の山頂
とめねじFS3の山頂とを結ぶ斜線h1上に位置する。
また、第7図に示すように標準山部50の各めねじ山FS10
〜FS8のめねじ山頂を結ぶ線50aと中間山部51の各めねじ
山FS7〜FS4のめねじ山頂を結ぶ線51aとの交点X1を、め
ねじ20側に中心OPを有する半径ROの円の接線t1上に位置
せしめ、また、低山部FLの各めねじ山FS3〜FS1のめねじ
山頂を結ぶ線FLaと中間山部51の各めねじ山FS7〜FS4
めねじ山頂を結ぶ線51aとの交点X2を、おねじ20側に中
心0mを有する半径R1の円の接線t2上に位置せしめてもよ
い。
この時、線50aと線51aと線FLaとを結ぶ線は、めねじ先
端部20Eに向かって次第に線50aの延長線50bから離間す
る曲線となる。
なお、前記各実施例では、めねじに引っ張り荷重がかか
る場合について説明したが、これとは逆におねじに引っ
張り荷重が加わるときは、おねじを前記のように形成す
れば良いことは勿論である。
発明の効果 この発明に係る段付ねじは、以上のように構成したの
で、各ねじ山に係る分担荷重が平均化するため、ねじ谷
底に発生する単位当たりのピーク曲げモーメントもほぼ
等しくなる。
そのため、疲労特性の優れた段付ねじとなる。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第7図は、この発明実施例を示す図で、第1図
は第2図の要部拡大図、第2図は、アキュムレータの縦
断面図、第3図及び第5図〜7図は、夫々他の実施例を
示す拡大断面図で第1図に相当する図、第4図は各ねじ
谷底と単位当たり最大曲げモーメントの関係を示す図、
第8図は、従来例を示す縦断面図である。 19……おねじ 20……おねじ FW……接触面積 L……接触高さ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】容器主体と側板との間のねじで、 該容器主体が変動内圧を受けて該ねじに引張荷重をか
    け、 該ねじが該容器主体のめねじと該側板のおねじとからな
    り、 該両ねじが夫々山頂と谷底とを有し、かつ、該容器主体
    と該側板とを結合するために螺合可能であるねじにおい
    て、 該めねじが各めねじ山頂を結ぶ線が段状になるように形
    成され、 該めねじの各谷底の直径がほぼ均一に形成され、 該めねじが変動荷重を受けた時に各谷底の単位当り最大
    曲げモーメントが均一化する ことを特徴とする疲労特性に優れた段付ねじ。
  2. 【請求項2】容器主体と側板との間のねじで、 該容器主体が変動内圧を受けて該ねじに引張荷重をか
    け、 該ねじが該容器主体のめねじと該側板のおねじとからな
    り、 該両ねじが夫々山頂と谷底とを有し、かつ、該容器主体
    と該側板とを結合するために螺合可能であるねじにおい
    て、 該めねじのねじ山頂上が、該おねじと螺合できるように
    接続する為の接触面を有し、該接触面が、該ねじ山頂を
    結ぶ線が段状になるように次第に減じられており、該め
    ねじの各谷底の直径がほぼ均一に形成され、 該めねじが変動荷重を受けた時に各谷底の単位当り最大
    曲げモーメントが均一化する ことを特徴とする疲労特性に優れた段付ねじ。
  3. 【請求項3】容器主体と側板との間のねじで、 該容器主体が変動内圧を受けて該ねじに引張荷重をか
    け、 該ねじが該容器主体のめねじと該側板のおねじとからな
    り、 該両ねじが夫々山頂と谷底とを有し、かつ、該容器主体
    と該側板とを結合するために螺合可能であるねじにおい
    て、 該めねじが、その長手方向に沿って順次低山部、中間山
    部、標準山部を有しており、該めねじが、そのねじの各
    山頂端を結ぶ線が段状になる様に、その山頂接触面を減
    じられており、 該めねじの各谷底の直径がほぼ均一に形成され、 該めねじが変動荷重を受けた時に各谷底の単位当り最大
    曲げモーメントが均一化する ことを特徴とする疲労特性に優れた段付ねじ。
  4. 【請求項4】低山部と中間山部の接触高さが、夫々山頂
    切により調整されることを特徴とする請求項3記載の疲
    労特性に優れた段付ねじ。
  5. 【請求項5】低山部と中間山部の接触高さが、夫々山頂
    接触面の切削により調整されることを特徴とする請求項
    3記載の疲労特性に優れた段付ねじ。
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