| 研究課題/領域番号 |
16K06043
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| 研究機関 | 名古屋工業大学 |
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研究代表者 |
萩原 正弥 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90134840)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | フランジ付きナット / 破壊モード / 膨張変形 / ＦＥ解析 / 軽量化 / 国際提案 |
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| 研究実績の概要 |
引張負荷が作用するボルト・ナット結合に対し，ねじのリード及びナットの不完全ねじ部を含む3次元モデルを作成し，FE解析を実施したところ，ナットの半径方向膨張変形に対し，不完全ねじ部の影響はほとんどないこと，及びねじ面よりむしろ座面の摩擦係数が大きな影響を及ぼすことが明らかとなった。このような挙動は，M16の丸ナットとボルトの組合せにおいて実験的に検証され，また潤滑条件とねじ面及び座面の摩擦係数の関係も明らかとなったため，設計変更案の候補を探るため，ISO 4161で規定されているフランジ付き六角ナットのうち，M10，強度区分8のナットを例に，材料強度，二面幅，ナット高さ，フランジ部直径，フランジ厚さ，及びフランジ角度を変化させ，その影響について，引張破壊実験及び2次元軸対称弾塑性FE解析の結果から検討を行った。
研究の結果，ねじ山のせん断破壊荷重には，ナット座面側の膨張変形量が大きな影響を及ぼすが，現在のフランジ付きナットは，静的引張負荷に対してはかなり過剰設計であり，ナット高さの低下や二面幅の縮小によって大幅な軽量化が可能であることがわかった。二面幅を現行の15mmから13mmに縮小すると，フランジ部の強度が低下するため，フランジ厚さの増加が必要となるが，二面幅を現在のボルト／ナットの中間である14mmにすれば，フランジ部の厚さやナット高さを大幅に減少させることが可能となり，現在のナットに比べて30%近くの質量低減が可能となる。もし，これらの仕様の製品で十分な動的負荷能力が保証できれば，国際規格として提案する価値は非常に大きい。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
静的な引張外力作用下でのナットの膨張変形とそれに伴うねじ山のせん断破壊荷重の変化について，その挙動及び影響因子が明らかにでき，さらにナットの質量を軽減するための具体的な設計変更案まで提示することができたが，ナットの不完全山の影響を考慮した3次元解析において，繰返し負荷が作用する場合のナットのすべり軌跡とそれに伴うボルトのねじれトルクの変化挙動に関して，丸ナットによる予備実験の結果と大きく異なる現象が観察されたため，その原因解明を優先し，フランジ付きナットモデルを用いた動的負荷試験（トルク及び変形測定），及び予備的な疲労試験の実施を延期したため。
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| 今後の研究の推進方策 |
基本的な研究計画に変更はないが，ゆるみ及び疲労特性の評価には，3次元FE解析によってねじ面及び座面におけるすべり挙動を正確にシミュレートすることが不可欠であるため，解析の精度向上をめざした要素分割及び摩擦特性設定方法の再検討を行うとともに，必要に応じて，実際のボルト・ナットの組み合わせ以外に，かみあいねじ部だけを単純化したモデルについて，すべり軌跡を推定するための基礎実験及びそれに対応する解析を追加実施する予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
ナットの膨張変形及びねじ面のすべり軌跡に基づくねじりトルクの変化挙動に及ぼすねじリード及び不完全ねじ山の影響を調べるため，研究対象となるフランジ付きナットについて，形状（二面幅，ナット高さ及びフランジ部寸法の組合せ）を変化させた測定用ナットの製作を予定していたが，丸ナットを対象とした3次元FE解析と予備実験の結果に相反する現象が見出されたことから，その原因解明を優先し，フランジ付きナットモデルによる動的負荷実験を延期したため。
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| 次年度使用額の使用計画 |
次年度繰越額については，平成28年度実施予定であった動的負荷実験において，異なる形状をもつフランジ付きナット試験片，及び測定器取付けジグの製作費用に充てる予定である。
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