軸直角繰返し外力による ねじのゆるみについて ( 元 ) 信州大学工学部 賀勢晋司 29 年 2 月 24 日 今回の内容 1. ゆるみの種類 ( 全般 ) 2. 巨視的座面滑りによる場合 ゆるみの発生機構 実験と考察 限界座面滑り 3. 微小座面滑りによる場合 ゆるみの発生機構 実験と考察 ゆるみ止め性能 4. 小ねじ類のゆるみ試験 実験装置 実験と考察 1
1. ゆるみの種類 2. 巨視的座面滑りによる場合 2
2.1 ゆるみの発生機構 (1) 基本の考え方 ボルト軸の弾性ねじれ挙動に注目 ( 山本賀勢 ) (2) 滑り軌跡 ボルトねじ山の軌跡 ( ナットねじ面上 ) ボルト又はナットの座面の軌跡 ( 山本 賀勢 ) 3
(3) ボルト軸 と はめあいねじ部 ボルトねじ山がナットねじ山を上る場合の力の関係 ( 山本 賀勢 ) ボルト軸のたわみ はめあいねじ部, M=L(R1+R2) /2 2.2 実験 (1) ボルト軸ねじれトルクと軸力低下 ボルト軸のねじれトルクの実測 (M1, スピン ドル油潤滑 ) 上の場合の 1 サイクル 当たり軸力低下の理論値と実験値 4
(2) ボルト軸ねじれとナット戻り回転 準静的な場合 (M1,9.8kN, マシン油 +MoS2 潤滑 ) ハンマ衝撃の場合 (M1,9.8kN, マシン油潤滑 ) 2.3 巨視的座面滑り防止の限界全振幅 ( 計算 ).3.25 仮定 :μb=μth =μ M1 μ=.25 S cr : 限界全振幅 F: 軸力 Ratio (Scr/F) mm/kn.2.15.1.5 2 dp.2.15.1.5 d s =d p, k=5 1-8 (Nmm) -1 の場合 15 2 25 3 35 4 45 5 Grip length (lf) mm (μbは座面の軸直角方向,μth はねじ面のつる巻線直交方向の静摩擦係数 ) 5
3. 微小座面滑りによる場合 3.1 ゆるみの発生機構 ( 基本の考え方 ) Torsion of bolt-shank u 締付け直後 u (a) (b) Occurrence of loosening T Bolt u Nut u cr u un u ln S 5 S 7 W S S 1 S2 S 4 x S 6 S 7 W S 2 S 1 S S 5 S 4 S 3 x (a) に対応 (b) に対応 Number of cycle n 外力 可動板変位の基本図形 ( 二つのモデル ) 6
3.2 実験 (1) 実験装置 Fixed plate Movable plate Bolt/nut Differential screw mech. Displacement Servo motor Electronic micrometer Torsion Slippage Axial force Ext. Rotation force Non-contact Strain Gage sensors Strain Amp A/D Board PC Control Unit Pulse Board (2) 実験条件 Table 1 Experimental conditions Speed of transverse loading Amplitude of transverse displacement Test bolt and nut Strength class Grip length Initial axial tension Lubricant Quasi-static Controlled Hexagon head bolt, hexagon nut, hexagon nut with flange (M1, M1 1.25, 6H/6g) Bolt 8.8, nut 8 28mm 1kN Machine oil + MoS2 powder 7
(3) 実験結果 1 ボルト軸ねじれ角の変化 ( 締付け 変位 5 サイクル ゆるめ ) T o rsio n al an gle θ T ( ) 25 2 15 1 5-5 -1 A 1 A 2 ±1μm 5cycles 可動板変位 A 4 1 2 3 4 Time (s) 締付け A 3 ゆるめ (4) 実験結果 2 異なる軸直角変位振幅におけるサイクル数に対する各量変化 M1 可動板変位振幅 15, 6μm A: M1, B: M1 1.25 ボルト軸ねじれ角と軸力の変化 ナットの戻り回転角 軸力低下率は, 5 で約 2% 6 で約 3% 可動板変位振幅 6μm で座面滑りは 1μm に達しない 8
(5) 実験結果 3 座面滑り量 ( 半サイクル間 ) とナット戻り回転角の関係 15 Rotation angle θ '/cycle 12 9 6 3 並目 細目 並目 + 平座金 フランジ付き 5 1 15 2 25 3 35 Slip width on bearing surface S μm (6) 実験結果 4 可動板変位に対する外力, ボルト軸ねじれ角, ナット戻り回転角 Transverse 外力 load W W (kn) (kn).8.4 -.4 S6 -.8 6 ねじれ T ors ion θ T T ( ( ) ) ナット回転角 Nut rotation θ ( ) ( ) 4 2-15 -2-25 -3-35 S6 S6 S3 S2 S7 S4 S5 S5 S2 S3 S7 S4 S7 S2 S3 S5 S4-1 -5 5 1 Transverse 可動板変位 displacement x (μm) x (μm) θt ( ) 6 4 2 S 6 S 7 W S S 5-12 -6 6 12 x (μm) S 1 S 2 S 4 S 3 x 9
(7) 実験結果 5 消費仕事量と関連量の挙動 M1, hex. nut M1 1.25, hex. nut M1, hex. nut with locknut ( 軸力 ) ( 消費仕事量 ) 並目 細目 M1, hex. nut M1 1.25, hex. nut.8.8 n = 2 n = 2 1.4 1.4 3 W (kn) -1-5 5 1-1 x (μm) -.4 W (kn) W (kn) -1-5 5 1 -.4.4 5 1-1 -5 5 1 x (μm) x -.2 x (μm) -.6 -.8 -.8-1 ダブルナット M1, hex. nut wit h locknut 1 n = 2 n = 2 n 1 =1.6 3 n =3.2 W (kn) (8) 実験結果 6 ゆるみ止め性能 ( 軸力低下率 ) の比較 Loss 軸力低下率 rate of axial tension Δ (%) Δ (%) 1 8 6 4 2 (3 サイクル経過時点での比較 ) 並目六角ナット 細目六角ナット 15 3 6 8 1 Amp. 可動板変位振幅 of displacement x (μm) Fig.14 Results of anti-loosening tests 並目六角ナット + 平座金 細目六角ナット + 平座金 ダブルナット フランジ付き六角ナット 1
(9) 実験結果 7 ダブルナットの性能 ( 軸力低下率 ) Loss 軸力低下率 rate of axial tension Δ % Δ [%] Loss 軸力低下率 rate of axial tension Δ % Δ [%] 6 4 2 double-nut A double-nut B double-nut C single-nut 3 6 9 Number of cycle n サイクル数 n 1 8 6 4 2 ±17μm ±1μm double-nut A double-nut B double-nut C single-nut ( 注 ) 別の実験装置 ( 円弧往復変位式 ) による ダブルナット A : ロッキング 十分 ダブルナット B : ロッキング 不十分 ダブルナット C : ロッキング 不十分 通常のシングルナット 3 6 9 Number サイクル数 of cycle n n 4. 小ねじ類のゆるみ試験 ( 日本ねじ研究協会との共同研究 ) 11
(1) 実験装置 レバー 圧電アクチュエータ 可動板 可動板 供試ねじ 圧電アクチュエータへの入力電圧 ( 専用ドラ イバによる ): 75V( オフセット ) 15V 75V( オ フセット ) のランプ状の間欠繰返し ( 常時 ) 圧電アクチュエータ (2) 試験結果 1 加振周波数が軸力低下 に及ぼす影響 軸力 N 6 5 4 3 M4 なべ小ねじ 初期軸力 5N, グリップ長さ 5mm, マシン油 +MoS2 潤滑 5Hz 1Hz 2Hz 5Hz 2 1 軸力 N 2 4 6 8 8 7 6 5 4 3 2 1 M4 なべ小ねじ 初期軸力 7N, グリップ長さ 5mm, マシン油 +MoS2 潤滑 5 1 15 2 サイクル数 5Hz 1Hz 2Hz 5Hz 1Hz 12
(3) 試験結果 2 特定の加振サイクル数時点 における軸力残存率のばらつき状況 1 M4 なべ小ねじ, 加振周波数 1Hz, グリップ長さ 5mm, マシン油 +MoS2 潤滑.8 軸力残存率.6.4.2 75N 8N 85N 9N 1N 5 1 2 3 4 サイクル数 まとめ ( ボルト ) 軸直角方向の繰返し外力によるねじの回転ゆるみについての検討結果を述べた はめあいねじ部における相対変位によるボルト軸ねじれを戻り回転の基本的な起動要因と考えた 巨視的座面滑り及び微小座面滑りの場合についてその仮説を検証した 微小でも座面滑りが繰り返されると, 回転ゆるみが進行するとの認識が必要である 多方面に多用される小ねじ類についてのゆるみ試験も必要 そのための試みについて紹介した 13