JPH06347349A - ボルトの軸力測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ボルトの軸力を常時管理するために測定が可
能な軸力管理ボルトを提供し測定をする。 【構成】 ボルトの軸中心近傍の軸方向に設けた穴の内
部に軸方向の伸びを検出するため固着した歪ゲージと、
この近傍に温度を検出する温度センサーと、ボルトの頭
部にこれらを外部機器と接続するために設けたコネクタ
とを具備しボルトに加わる伸び歪みを検出し管理する管
理ボルトを設け、前もって引っ張り試験器等を使って引
っ張り試験を行い、無負荷時の歪みゲージ抵抗値と与え
た引っ張り力、この軸力に対する歪ゲージの抵抗値及び
抵抗変化値を測定温度条件の下での初期値並びに較正値
として得ておき、このボルトの実使用状態において締結
された後の管理ボルトの伸び歪を直接抵抗値として読み
取るようにし、前もって得ておいた軸力と抵抗変化値の
関係からその軸力に対応する伸び歪を算出して常時軸力
を求め、軸力を管理することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軸力（締付力）を管理
する為のボルト及びその軸力を測定する方法並びに軸力
測定器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ボルトの軸力を測定する方法とし
ては、大別して２つの方法がある。１つは歪ゲージを利
用する方法でボルトの側面に歪ゲージを貼付するか、又
は軸中心近傍に軸方向に穴を明け内部に歪ゲージを接着
剤で埋め込んだ変換器を製作し、この歪ゲージとほぼ同
じ抵抗値を有する３つの固定抵抗と合わせてホイートス
トンブリツジを組み、静歪測定器又は動歪測定器にて歪
を測定し、前もって引っ張り試験機等を使って得ておい
た歪と引張力（軸力）の較正値を使って軸力に換算する
方法である。もう１つは、超音波を利用する方法で、こ
れにはボルトの頭部に超音波探触子を当て、締め付け前
後のボルトの軸の長さの変化を超音波の伝幡時聞の差で
測定する方法と、締め付け前後の固有振動数の変化で測
定する方法がある。

【０００３】歪ゲージを利用する方法では、使用に供す
る前に引張り試験機等で実際に張力を与えて、軸力と計
測対象量との間での対応関係を把握するための較正をし
ておく必要がある事はボルトを変換器として使う上では
当然の事である。歪ゲージを利用し、歪測定器で測定す
る方法に於いては、ホーイトストンブリッジの４辺の抵
抗値がそれぞれ厳密に等しくないため、静歪測定器を使
用する場合では抵抗値の不平衡バランス（Ｒバランス）
を、動歪測定器を使用する場合ではこれに加えて更にリ
アクタンス分の不平衡バランス（Ｃバランス）を平衡調
整する必要がある。これらの操作は静歪測定器が零位法
であり、動歪測定器が偏位法であるが故に必要な操作で
ある。

【０００４】このため１台の歪測定器で何本ものボルト
の軸力を測定する場合や、軸力の経時変化を測定する場
合、それぞれのボルトのＲバランスや、ＲバランスとＣ
バランスをとった後測定する必要上、測定終了後次のボ
ルトの測定に移るには一且ボルトと歪測定器の電気的接
続を絶ち次のボルトと接続するというようにボルト１本
１本の異なる不平衡量調整をすることとなり、ある時間
経過後の軸力低下即ちボルトのゆるみを正確に測定する
ことは困難であった。又、この歪測定器は他の計測にも
使用する汎用器である場合が多くボルトのゆるみ測定を
一層困難にしている。

【０００５】超音波を利用する方法に於いては、ボルト
頭部に探触子を当てるには手で当てる必要があり組み立
てられた後の機械に有りがちな手が届かない位置のボル
トのゆるみチエツクには繁雑さを伴う。又測定器が非常
に高価でありユーザにとって大きな負担となっている上
に操作する上でもかなり専門的な知識、技能を要求さ
れ、更にボルト頭部の表面粗さ、軸底部の表面粗さ、キ
ズの無いこと等、使用ボルトの加工精度に厳密さが要求
され広く普及する上での障害になっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の事情に
鑑みなされたもので、ボルトの加工精度は汎用ボルトと
同一であって、リード線を装着した状態で実使用状態に
供すれば、手の届かない位置のボルトであってもある時
間経過後のゆるみをチェックができ、又、１台の計測器
で何本ものボルトの締付け直後の軸力及びある時間経過
後のゆるみを比較的簡単な操作で把握できるボルト及び
その測定装置を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は軸力を測定でき
るようにボルト中心近傍に穴を明け、そこに歪ゲージと
温度センサを接着剤で埋め込むか、穴内壁に接着等によ
り固着し、ボルトと一体にならしめこれらのセンサから
リード線にて接続したコネクタ端子をボルト頭部に固定
して成る軸力管理ボルトと、このボルトのコネクタ端子
に適合するコネクタ及びリード線を備え接続される軸力
専用測定器によりボルトの軸に加わる応力つまり軸力を
測定する装置であり、歪ゲージと温度センサを接着又は
埋め込み、コネクタ接続ができる軸力管理ボルトを、前
もって引っ張り試験機等で引っ張り試験を行い与えた引
っ張り力即ち軸力と歪ゲージの抵抗変化値等の検出出力
との関係を雰囲気温度条件下での較正値として得てお
さ、このボルトと較正処理機能を持たせた専用測定器を
コネクタで接続し、検出した歪ゲージの抵抗値と温度よ
り較正値を使って演算処理して軸力を求めるものであ
る。

【０００８】

【作用】一定にコントロールされた雰囲気温度で、軸力
管理ボルトを１本毎に引張試験を行い引張力を与えない
無負荷時の歪ゲージ抵抗値、与えた引張力即ちボルト軸
力、その軸力における歪ゲージ抵抗変化値の３つの較正
値を得ておき、この軸力管理ボルトを使って必要な箇所
を締結する時のボルト軸力を測定するには、まずこの軸
力管理ボルトを測定器とコネクタ接続しないで工具を使
って希望する軸力以上にならない程度に予備的に接続し
ておき、次に軸力測定専用器とコネクタで電気的に接続
する。

【０００９】軸力測定専用器には、軸力管理ボルトの較
正値である前記３つの値とボルトサイズ（呼び径ｄとピ
ッチｐ）を入力データとして入力でさるようになってい
て、またボルト材質の縦弾性係数Ｅや熱膨張係数等を内
部設定値としてあらかじめ記憶させてあるため、軸力管
理ボルトを締め付けた後の歪ゲージ抵抗値ＲＩ（Ω）と
温度センサ、例えばサーミスタの抵抗値ｒＩ（ｋΩ）の
２つの値を測定することによって、軸力測定専用器内部
に登録されている例えば次のような演算式に従って、ま
ず締め付け後の歪ゲージ抵抗値ＲＩから無負荷抵抗値Ｒ
ｏを減じたΔＲを求め、ΔＲ＝ＲＩ−Ｒｏ、これと入力
データとして与えられた較正値である軸力Ｆｃ（ｔｏ
ｎ）、Ｆｃの軸力を与えた時の抵抗変化ΔＲｃ（Ω）、
及びボルトサイズ、呼び径ｄ（ｍｍ）から求められる軸
力管理ボルトの有効断面積Ａ（ｍｍ^２）、但しＡ＝０．
７８５４（ｄ−０．９３８２ｐ）^２、更に内部設定値で
ある縦弾性係数Ｅを使ってΔＲに対応するボルト伸び歪
ＥＩ’をまず求める。但しＥＩ’＝（ΔＲ／ΔＲｃ）×
｛Ｆｃ／（Ｅ・Ａ）｝×（１／１０００）、次にサーミ
スタによって得られた温度ＴＩ、ＴＩ＝１／［１／Ｔｏ
一１／Ｂ×｛ｌｎ（ｒｏ／ｒＩ）｝］−２７３（℃）、
但しＢはサーミスタ常数、Ｔｏはサーミスタ基準絶対温
度（Ｋ）、ｒｏはＴｏにおけるサーミスタ抵抗直（ｋ
Ω）から内部設定値として与えられた較正時の試験温度
Ｔｃを減じた温度差ＴＩ−Ｔｃと、これも内部設定値と
して与えられているボルトの線膨張係数α及び歪ゲージ
のみかけ熱歪係数βを使ってボルトの熱伸縮歪ΔＥ１、
ΔＥ１＝α（ＴＩ−Ｔｃ）、並びにみかけ歪ΔＥ２、Δ
Ｅ２＝β（ＴＩ−Ｔｃ）、を求め、先に求めたＥＩ’か
らこれらΔＥ１とΔＥ２を減産処理して温度補正後の伸
び歪ＥＩ、ＥＩ＝ＥＩ’−ΔＥ１−ΔＥ２、を求める。
これによりボルトの引張応力σ１は温度補正後の伸び歪
ＥＩに縦弾性係数Ｅを乗じて得られ、σＩ＝Ｅ・ＥＩ、
又軸力ＦＩは引張力σＩに有効断面積Ａを乗じて得られ
る、ＦＩ＝σＩ・Ａ／１０００（ｔｏｎ）ことになる。

【００１０】このようにして得られた応力及び軸力は測
定器面上に数字で表示されるようになっているので、こ
の予備的に締付けられた軸力管理ボルトの軸力を見なが
ら、作業者は適切な希望する軸力になるようボルトを締
め付ける事ができる。組み立てられた後、容易に手が届
かない位置になる場合でもコネクタを接続して、測定用
のケーブルを配線しておけば、そのケーブル端子を測定
器に接統し、必要なボタン操作をするだけで軸力が低下
しているか否かがわかり、ゆるみチェックが簡単にでき
る。又、常時測定器とケーブルで接続しておけば、実際
の稼動状態の軸力変動の様子も監視でき、記録計と組み
合わせて用いれば記録することも可能となる。

【００１１】

【実施例】本発明の実施例を図面によって説明する。図
１は軸力管理ボルトの説明図である。呼び径１０ｍｍピ
ッチ１．２５ｍｍの部分ネジのボルト１の軸心近傍に直
径２ｍｍ、深さ１５ｍｍの穴を明け、ボルト１の頭部に
はプラスチック製のケーブル固定具４を接着剤で固定し
てある。ケーブル固定具４の内筒部にはコネクタ５のケ
ーブル６を嵌合する時の深さ方向の位置決めが簡単に出
来るように段が設けられており、このボルト１に設けら
れた穴の底からこの位置までポリエステル系の２液混
合、室温硬化型接着剤を気泡が混入しないように注入し
て満たし、そこへケーブル６へ前もってハンダ付けされ
た温度センサであるサーミスタ３とパイプ状に加工され
た歪ゲージ２をケーブル６が固定具４の内部位置決め段
に突き当たる迄挿入し、そのまま動かずに室温で２４時
聞放置し硬化させる。

【００１２】このようにして歪ゲージ２、温度センサ３
を内蔵しコネクタ５、ケーブル６と一体となった軸力管
理ボルトが製作される。図２は、この軸力管理ボルトを
使っての軸力測定器のブロツク図である。歪ゲージの無
負荷時の抵抗値は約１２０オームであり、所定の軸力で
締結された場合の抵抗値変化を把握するためには数１０
ミリオームの精度が必要となる、このため４端子測定と
して精度確保に努めている。

【００１３】軸力管理ボルトと軸力測定器をコネクタ５
で電気的に接続し、軸力測定器の電源をＯＮにし、測定
準備状態にした後、ボルトの呼び径ｄ、ピッチＰとボル
ト１本１本に付属している試験成績データである歪ゲー
ジ無負荷抵抗値Ｒｏ、較正試験軸力Ｆｃ、Ｆｃの軸力に
於ける歪ゲージ抵抗変化ΔＲｃを入力データとして与
え、次に測定状態にすると、これらと測定器メモリーに
登録されている初期設定値であるサーミスタのＢ常数
Ｂ、サーミスタの基準絶対温度Ｔｏ、Ｔｏに於けるサー
ミスタ抵抗値ｒｏ、ボルトの縦弾性係数Ｅ、熱膨張係数
α等と、計測データであるＲＩ、ｒＩ、を使って締結状
態にある軸力管理ボルトの応力σＩ及び軸力ＦＩを求め
測定器の表示部にこの値を表示する。図３はケーブルの
ないコネクタをボルトに設けた形式の他の本発明の軸力
管理ボルトの一実施例である。コネクタ８は金属製信号
ピン９と相手コネクタとの位置合わせ用のピン１０と一
体となっておりミニＤＩＮコネクタの規格に準拠してい
る。歪ゲージのみかけ熱歪係数はＫ社のＫＦＧゲージを
使いその資料によれば図４のようであり、これを図５の
ように近似してβとして与えて用いた。測定例としてサ
イズがＭ１０、ピッチ１．５ｍｍ、強度区分０．８のボ
ルトにゲージ率１．９９の歪ゲージを埋め込み１．５ｔ
ｏｎの引っ張り荷重を与えた時の歪ゲージの抵抗変化値
が２１８ｍΩとなった荷重較正済みのボルトを５ｋｇ・
ｍのトルクで締め付けた際の軸力を測定したところ１．
２２ｔｏｎの値が得られた。

【００１４】

【発明の効果】本発明によればボルトの締付け力を管理
する上でこれ迄一般的であった軸力の代用値としてのト
ルクで管理する方法から、直接軸力を監視しながら締め
付ける事のできる軸力管理方法により、測定器かポータ
ブルでバッテリ電源でもあるため、現場で簡単に行える
ばかりでなく、ボルトの弛みから重大事故につながる可
能性のある重要なボルトでは、常時監視し、規定軸力以
下に低下するようなことがあれば警報を発する等してシ
ステム全体の安全性を高める事も可能となる。従来の歪
みゲージを使ってホイートストンブリッジを組み、歪測
定器を使って軸力を測定する方法から比べれば精度の低
下は否めないが現場的な管理方法としては、従来のトル
ク管理と比較して直接的な軸力で管理できるためメリッ
トは大きい。又超音波式に比較してその測定器の構成上
大幅に安価な供給が可能となる事も期待できる。

【００１５】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の軸力管理ボルトの構成の一例を示す
図で（ａ）は上面図（ｂ）は要部の断面図

【図２】 本発明の測定器の演算内容の一実施例を示す
ブロツク図

【図３】 本発明の軸力管理ボルトの他の一例を示す図
で（ａ）は上面図（ｂ）は要部の断面図

【図４】 歪ゲージのみかけ熱歪みの例を示す図

【図５】 本発明の熱歪みの近似値の一例を示す図

【００１６】

【符号の説明】

１ ボルト ２ 歪みゲージ ３ 温度センサ ４ 固定具 ５ コネクタ ６ ケーブル ７ 固定具 ８ コネクタ ９ 信号ピン １０ 位置合わせピン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボルトの軸中心近傍の軸方向に設けた穴
   の内部に軸方向の伸びを検出するため固着した歪ゲージ
   と、上記歪ゲージ近傍に温度を検出するために配置した
   温度センサーと、上記ボルトの頭部に上記歪みゲージ及
   び上記温度センサーを外部機器と接続するために設けた
   コネクタとを具備しボルトに加わる伸び歪みを検出し管
   理することを特徴とする管理ボルト。
2. 【請求項２】 管理ボルトを前もって引っ張り試験器等
   を使って引っ張り試験を行い、無負荷時の歪みゲージ抵
   抗値と与えた引っ張り力、この軸力に対する歪ゲージの
   抵抗値及び抵抗変化値を測定温度条件の下での初期値並
   びに較正値として得ておき、このボルトの実使用状態に
   おいて締結された後の管理ボルトの伸び歪を直接抵抗値
   として読み取るようにし、前もって得ておいた軸力と抵
   抗変化値の関係からその軸力に対応する伸び歪をそのボ
   ルトの材質に応じたヤング率とそのボルトの断面積を与
   えて算出して求める事により、その軸力の伸び歪と抵抗
   変化値に一旦変換し、この変換後の較正値を使って読み
   取った実使用状態に締結されたボルトの抵抗値から無負
   荷時の初期抵抗値を減じ、抵抗変化値に変換した較正値
   を使って温度補正前の伸び歪として算出して求め、これ
   にボルトの温度センサーにて測定した温度と、較正試験
   時の温度との違いによる温度差と熱膨張係数の積として
   表される温度補正歪と歪ゲージのみかけ熱歪を加減して
   得られる温度補正後のボルトの伸び歪を求めた後、この
   伸び歪にボルトのヤング率とボルトの断面積を乗じて軸
   力を求める事を特徴とするボルトの軸力測定方法。
3. 【請求項３】 ボルトの端子に接続するコネクタ端子及
   びリード線を備え、ボルトの無負荷時の歪ゲージ抵抗
   値、較正試験時の温度、軸力、この軸力を与えた時の抵
   抗変化値、ボルトサイズ又は断面積等を初期設定値及び
   入力データとして与え、ボルトの歪みゲージ抵抗値及び
   温度を計測し、この計測値と初期設定値並びに入力デー
   タを用いて請求項２記載の軸力測定方法で計測し、軸
   力、応力、伸び歪等を切り替えるか又は同時に表示する
   ようにした事を特徴とするボルト軸力測定器。