【機械設計マスターへの道】知らないと大事故に?「ねじ」の強度と締付管理のポイント

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機械設計におけるボルトとナット

機械要素としてねじ部品を選択する場合、ねじがどの程度の強度を持っているか知っておく必要があります。
誤った強度のネジを選択すると場合によっては破損して機械の故障や事故につながる恐れがあります。

また、ねじは適正に締付けて、機械の使用中に緩むことの無いように管理する必要があります。
締付管理、緩み止め処置が不適切であると、使用中にネジが脱落して大事故に至ることがあります。

1.鋼製ボルトの強度区分

ボルトは適正な軸力を与えることで締結機能を発揮する部品です。
JIS規格では、鋼製ボルトに対して次のような数字による強度区分表示をしています。

 引張強さ. 降伏点または耐力割合

1の位の数字は引張強さを100で割った数字です。
例えば6であれば引張強さ 600MPa(N/mm2) であることを示します。
小数点以下の数字は降伏点または耐力を引張強さで割った値を示します。

例えば強度区分6.8のボルトの降伏点(または耐力)は、引張強さの0.8倍であり、600 x0.8=480 MPa(N/mm2) が降伏点(または耐力)であることを示しています。

JISで設けられている強度区分は、下の10個です。
[3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9]
 

2.ボルトの保証荷重

実際にボルトを選定するときは、JIS B1051で強度区分ごとに規定されている保証荷重応力にネジの有効断面積を乗じて得られる保証荷重に基づく必要があります。

ねじの有効断面積(As)は次の式で与えられます。

 As=πds2/4
 ds=(有効径+谷径)/2=d-0.938194P
[d:呼び径 P:ピッチ]
 

3.鋼製ナットの強度区分

一方鋼製ナットの強度区分は整数で表し、数値の100倍が呼び保証荷重応力を示します。

例えば強度区分8のナットであれば、の保証荷重応力は
8×100=800 MPa(N/mm2)
となります。

ナットの保証荷重応力とは、ナットにボルトをねじ込み軸方向に荷重を負荷したとき、ねじが破損せずに、荷重除去後にナットが手で回せるような荷重応力のことを指します。
 

4.ねじの締め付け力管理

ボルトは適正な軸力を与えることで締結機能を発揮します。
ボルトが適正な軸力で締め付けられたことを確認管理する方法として、トルクレンチによる締付トルク管理があります。

ねじの呼び径をd(mm), 締付力をF(N),締付トルクをT(N-mm)とすると近似的には、次式のような関係があります。

 T≒K x F x d
[K:トルク係数 0.15~0.20]

ただし、これはあくまで近似式ですので、締付トルクのおおよその目安と考えてください。

締付トルクと締付軸力

締付け時にネジ部や座面の摩擦係数が設定値と異なっていると、規定トルクで締め付けても正規の軸力が得られない場合があります。

摩擦が安定管理できていて、そのバラツキ影響度が低い、そして軸力との充分な相関がある、などの保証がある場合には、締付トルクでの管理を適用することができます。

ねじ部や座面の摩擦は、表面粗さや、切り粉などの侵入などにも影響を受ける不安定なものですので注意が必要です。ねじを締めやすくするために、潤滑剤や低摩擦コーティング剤を使用することがあります。

軸力をより精度良く管理する方法に「角度管理」と「伸び管理」があります。
 

角度管理

締付時の軸力をより精度良く管理する方法に「角度締付法」があります。
角度締付法では、締付(回転)角度を基準値として用います。
複数の角度(回転)位置で、その時の締付トルクが、ある範囲に入っているか確認します。

締付け角度とトルクの相関が、想定範囲に管理できていれば、摩擦も正しく管理できている、すなわち軸力が正しく管理できていることを意味します。

 

伸び管理

ボルトの伸びをλ,伸びに関与するボルト長さをL,ボルトの応力をσ、ひずみをε、ヤング率をEとすれば、
フックの法則より σ=Eλ/L
となります。

E,Lは既知であるので、伸びλがわかれば、適正な軸力を得るための応力(一般に降伏点または耐力の60~80%程度)が与えられたか確認することができます。

伸び管理は5インチを超えるような大型ボルトに適用することがあります。
ボルトに伸びを与えるために、ボルト軸心部を中空としてヒータを挿入して温度を上げる、テンショナと呼ばれる装置を用いて油圧でボルトを伸ばす、などの方法があります。
 

5.ねじの緩みの原因と対策

長時間機械を使用している間に下記のような様々な理由で、締結力が低下して、ネジの緩みを生じるようになります。

  • ボルト・ナットの接触面のへたり
  • ナットと被締付部品の接触面のへたり
  • ねじ部品に加わる振動や繰り返し荷重

 

ねじの緩みを防ぐ方法(例)

ねじの緩み防止ねじの緩みを防止する方法・対策としては、

  • 座金による方法(歯付き皿ばねワッシャー)
  • ダブルナット(通常ナット+ロックナット)
  • 特殊ナット(偏心テーパ、フリクションリング、など)
  • ピンを用いる方法

など、様々なパターンがあります。
 

ねじの緩みは、ねじあるいは締付部品の脱落や、締付部品の疲労破壊など大事故につながる可能性もあります。
適正な締め付け管理と、適切な緩み防止処置が必要です。
 

次回は、機械要素の一つ「Oリング」の注意点について解説いたします。
 
(アイアール技術者教育研究所 S・Y)

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