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【BoltingTIPS】トルクと軸力:知っておくべき5つのこと

14 6月 2018
comment

テキスト: 岡田 圭佑  文章監修:梁 完、竹中 正人

「基本」=「初心者向け」ではない

※本記事は6月15日配信の無料メールマガジン「BOLTEDジャーナル」にてご紹介したものです。メールマガジンのご登録はこちらから。

 

今回の「BoltingTIPS」では、4月に入社した新入社員の研修期間もそろそろ区切りを迎える時期と

いうことで、ボルト締結の基本に立ち返ったテーマをピックアップしたいと思います。ただ、

「基本」とは言え軽視できないのがボルト締結の油断ならないところ。私たちにご相談いただく中

でも基本に立ち返って考え直せば解決策が見えてくるケースも多くあり、「基本=初心者向け」

とは限りません。そこで今回は、ビギナーの方にも経験豊富な方にも役立つ実践的な知識を5つに

絞ってお届けする「トルクと軸力:知っておくべき5つのこと」をお届けいたします。

 

#1. 制御できない摩擦の影響。「トルク管理=軸力管理」ではない。

まず最初のトピックは、私たちのコラムで折に触れてよく言及される「摩擦係数」の影響です。

一般的にはボルトを締め付けるために締結部に与えたトルクのうち、約90%は摩擦によって奪われ

てしまい、軸力に転化されるのは僅か10%程度と言われています。

軸力に転化されるのが10%と決まっているのであれば、話はそれほど複雑にはなりません。ところが

摩擦係数というものは必ずバラつきが生じてしまうため、結果的にトルクが摩擦に奪われる量も

それに応じてバラつき、当然得られる軸力も変動します。トルク管理が軸力管理とイコールになり

得ない理由はまさにこの点で、同じトルクで締め付けても、摩擦係数のバラつきのために得られる

軸力は全ての締結部で異なってしまいます。ボルトメーカーでの製造後の保管状態によっても、

油が僅かに付着した手袋でボルトに触ってしまうだけでも、ボルトの摩擦係数には変動が生じる

上、そもそも同じメーカーの工場で同じ材質で同じ表面処理を施しても、摩擦係数は全ての締結部

で違ってしまうため、制御することも法則を見出すことも事実上は極めて困難です。

 

では、実際に現場で締付作業を行う場合には、具体的にどんな点が問題になり得るでしょうか?

「摩擦係数の変動」と「トルク管理に潜むリスク」という観点で言えば、やはりボルト等の締結

部材の再利用や、機器側の経年に伴う劣化が挙げられます。ボルトだけを見た場合、再利用時に

摩擦係数が上がってしまうケースと下がるケースの両方が考えられます。これはボルトがめねじに

締め付けられることで、ねじ部表面がやすりで粗さを削り取られるのと同じ理由で表面粗さが抑え

られるケースと、逆に微細な傷が入ることで摩擦係数が上がってしまうケースと両方が考え得る

からです。相手材側では、微細な傷や錆等で摩擦係数は上がる方向に作用することが多く、座部の

表面状態が劣化すればする程、多くの場合摩擦係数は上がり、結果同じトルクで締め付けても得ら

れる軸力は減少してしまいます。トルク管理を行っている現場では、経年等による座部の状態を

考慮して新品時のトルクと経年時のトルクを使い分ける等の対策が必要になるケースも考えられます。

 

ではこの、制御できない摩擦係数には、ただ翻弄されるしかないのでしょうか?残念ながら、摩擦

係数の変動をコントロールすることはほぼ不可能です。ですが、摩擦係数自体を極限まで低く抑え

てしまえば、自ずとバラつき幅も小さくなります。つまり、潤滑油の使用ですね。潤滑油を使用

すれば、摩擦を低く抑えられる分かなり低いトルクで必要軸力が得られ、作業効率が向上する

ばかりか、摩擦係数の変動による不確実性も最小限に抑えることができます。「潤滑油を使用する

と緩みやすくなる」というイメージをお持ちの方がかなり多くいらっしゃいますが、必要軸力が

適正に算出され、締め付け作業でも正確に得られていれば、ボルトの緩み止めは要らないのです。

それでも想定外の外力等に起因する緩みが懸念される場合には、やはり潤滑下でも変わらない

緩み止め効果が得られるノルトロックワッシャーをご推奨します。

 

#2. 適正軸力と締付精度。摩擦のバラつき×工具の誤差。

設計サイドでは、その締結部がどの程度の軸力(kN)で締結されなければいけないか、という

数値を算出されるはずです。考え方としては、必要軸力はピンポイントの数値ではなく、最小値と

最大値をもった、一定の範囲であるということです。

 

 

つまり、最小値は振動や衝撃等の締結部を引き離そうとする力(外力)が加わっても耐えられるだけ

の最低限の軸力を指し、最大値は相手材が陥没や塑性変形を起こさない範囲での最大値という考え方

です。ボルト自身が降伏してしまわないかという点も考慮する必要がありますね。これは設計サイド

の観点から見た最小値・最大値ですが、実際に締付作業を行う現場サイドから見た場合、このター

ゲット軸力の範囲は締付作業の精度に置き換えられます。

前項で見た摩擦係数のバラつきが大きな影響を及ぼしますが、他にも工具の精度も無視できません。

高精度なトルクレンチでも、その精度は±5%程度と言われています。この工具の誤差と摩擦係数の

変動が掛け算されて実際の締結部に誤差として表れます。私たちが潤滑油の使用を何度もおすすめ

するのはこのためで、不正確な締付作業は結局、緩みや緩みに起因する疲労破壊に繋がってしまい

ます。

 

締付精度のお話は上でも多く触れていますが、M30を超えるような大径ボルトに関わる方には先ほど

の摩擦係数のお話はより深刻になって来ます。特にハンマーを振ったり油圧トルクレンチで締結され

ている方は実感されていると思いますが、ボルトサイズが大きくなると、一般的にトルクはボルト

サイズの約3乗に比例して飛躍的に大きくなってしまいます。

M30くらいなら、パイプレンチ等で工具を長くすれば締付自体は行えます。しかしこれがM45や

M52、M100以上になってくると、もはや人間の力では手に負えません。M100サイズのナットを

締め付けるには、4フィート(約1.2m)のレンチにトラック2台分もの重量をかけたトルクが必要

になります。ハンマーで叩いて締め付ける方法に軸力精度は期待できませんし、油圧トルクレンチ

で締め付けても、先ほどから触れて来た摩擦の問題のために締付の高精度な管理は難しいと言わ

ざるを得ません。熱膨張と収縮の作用を使ったヒーティングでは、ボルトの伸び量を管理しても、

作業時間や現場によっては作業者の安全性という点で大きな課題が残ります。冷却に要する半日

程度の時間、何もすることができない点もダウンタイムによる機会損失の要因になります。

 

このような大径ボルトを締結する場合は、もはや「ボルト・ナットを回して締め付ける」という

こと自体を諦めることをおすすめします。つまり、ボルトを直接引き伸ばすことで軸力を得るテン

ショニング法です。M100以上でも驚くべき高精度で、尚且つトルクレンチ1本だけで締結できる

スーパーボルト」や、多くの締結部を均一の圧力で一括締結できる油圧式ボルトテンショナー、

特に狭所でも使用でき、軽く、油漏れの課題も克服した「ボルタイト」はおすすめできるソリュー

ションです。

 

#3. 「思い切り締め付ける」ことで、逆に緩みやすくなる

大径ボルトの例にあるような、ハンマーで叩いたり油圧トルクレンチで締め付けるといった方法は、

言わば無理矢理にトルクや衝撃を与えて回転させる方法です。ボルトには、座部とねじ部に摩擦が

発生しています。特にねじ部の摩擦は回して締め付ける時の抵抗として作用しますが、それでも

無理に大きなトルクをかけ続けると、ボルトにはその分だけ大きな「ねじりストレス」が加わり

ます。ご自身の指を軽く握って回してみれば、このねじりストレスはすぐにご理解いただけます。

無理に締め付け続けると、最終的にはねじりストレスによる破断のリスクも出てきてしまいます。

 

しかし現場でもっと頻繁に目にするのは、M10くらいの普通のサイズのボルトを作業者の方が力任せ

に思い切り締め付けるケースです。人間の心理としては、緩むのを防ぎたいと思えば思うほど、

力一杯締め付けたくなりますね。ところが、適正トルク以上の力で締め付けてしまう(オーバー

トルク)と、逆にボルトはどんどん緩みやすくなってしまいます。理由の一つは、ボルトの降伏

です。ボルトは締め付けられることで引き伸ばされていきますが、バネと同じように元に戻ろうと

する力が作用し、これが軸力となって締結力になります。子供の頃にバネを思い切り引っ張って、

元に戻らなくなったことはありませんか?あれと同じことが、ボルトにも起こってしまうのです。

引き伸ばされたまま元に戻らなくなったボルトは、軸力を十分に発揮することはできません。その

ため、振動等の外力が加わった際にあっさりと緩みを起こしてしまうのです。


ボルトは力任せに思い切り締め付けると、却って緩みやすくなってしまう。

 

 

#4. トルク・軸力と「緩み」の関係

ボルト・ナットに緩みが起こった時、その原因は何でしょうか?ご存じの通り、戻り回転を起こす

「回転緩み」の場合、多くは振動に代表される外力が直接的な緩み(被締結材間の滑り)要因と

なります。

しかしここではもう一歩、掘り下げてみましょう。『なぜ振動で緩んでしまったのか?』という

ことです。確かにノルトロック等の緩み止め製品を使えば、緩みは防止できるかも知れません。

しかし、特にトルク管理が徹底されている現場においてさえ緩みが起こってしまうのはなぜで

しょうか?ボルトは軸力が外力に勝っていれば、理論上回転緩みは発生しません。つまり「緩む

環境」になければ緩み止めは不要なはずなのです。根本的にボルトの緩みを考える場合、これは

非常に重要な疑問と言えるでしょう。

 

設計レベルで想定していた以上の外力が加わってしまった場合。これはもちろん一つの答えになり

得ます。また、相手材表面の錆等で摩擦係数が上がっていると、トルク管理で決められていたトルク

で締め付けても適正軸力を得ることができなくなっている可能性もあります。これも答えになる

でしょう。設計上、締結部に伝わる軸力が適正に調整されていること、そして締付作業時に正確な

締付が行えていること。この2点がクリアされていない場合に、振動等の外力に負けてボルト・

ナットは回転緩みを起こしてしまいます。

 

また、金属のなじみや塑性変形、被締結材の劣化(ガスケット痩せ等も含まれます)、クリープ等に

起因する軸力損失(戻り回転を伴わない非回転緩み)によって、外力に勝るだけの軸力が保持でき

ず、非回転緩みが致命的な回転緩みに繋がってしまうケースもあります。金属同士の締結では必ず

発生する金属なじみは、ある一定のポイントで収束します。しかしそれでも、なじみ収束後の残存

軸力が外力に勝るものであるかどうかは、致命的な締結部であれば考慮しておく必要があります。

 


金属なじみやリラクゼーションの概念図。表面の粗さが圧によるプレスで均一化され、
厚みが減ることで軸力損失に繋がる。

 

非回転緩みの最も厄介な点は、多くの場合が「非回転緩みが回転緩みを誘発する」という点です。

性質上、ボルトの緩みはこの2種に分類されるものの、実際の締結部ではこれら2種の緩みが複合的

に発生します。ノルトロックXシリーズワッシャーは、世界で唯一回転緩み・非回転緩み双方に

単一の製品で対応できるソリューションですが、通常のノルトロックワッシャーも軸力の大小に

関わらず回転緩みを防止できるため、金属なじみ等による軸力損失が起こっても致命的な回転緩み

を防止できるという点で大きなメリットがあります。

軸力の大小に関わらず回転緩みを防止できるという点は、ノルトロックの機構を真似たコピー品には

無いメリットで、ノルトロックの材料である特殊な鋼と特許製法によって実現されています。

また、金属なじみによる影響は、大径ボルトを油圧式ボルトテンショナーで締結する場合にも留意

すべき点で、締付後に油圧を解放すると必ずなじみが発生し、締結長さによって軸力の低下量が

大きく左右されます。適切な残存軸力を得るためには、このなじみによる軸力の低下分を考慮して

圧力の設定をしなければなりません。テンショナーを使用する場合には、相手材の耐力等の条件に

よって、これにどう対処するかを決定しておく必要があり、ノルトロックジャパンではこのような

点も含めてフィールドサポートを含めた各種のテクニカルサポートを行っています。

 

 

#5. 単一の施策で効果的な締付管理は難しい

これまで触れてきたことを総合すると、効果的な締付管理(正確なボルト締結)を実現するには

多角的な対策が必要であることが分かります。設計レベルで締結部のボルト1本1本に対して想定外

の大きな外力が伝わらないよう工夫することや、締付トルクを規定する際に経年劣化による摩擦

係数の変化を考慮すること等が挙げられます。しかし現実的により難しいのは、時間に追われながら

数多くの作業を確実に遂行する必要のある現場作業ではないでしょうか。

締付作業における効果的な締付管理方法は、多くの場合が「トルク管理」等の単一の施策だけでは

十分ではないという点を強調しておきたいと思います。例えばトルク管理であれば、「潤滑油の

使用+トルク管理」という組み合わせによって摩擦係数のバラつきを最大限に抑えつつ、より低い

トルクで必要軸力が得られるため作業時間の短縮にも効果的です。鉄道車両台車の軸箱等、元々

潤滑を行う必要があるため緩み止めナットが使用できない締結部でも、こちらの動画でご覧いただ

けるようにノルトロックワッシャーを使用することでワイヤーロックや折り曲げ座金を使用する

必要がなくなります。ワイヤーロックの使用が一般的という点で言えば、こちらの三菱日立パワー

システムズ(MHPS)様川崎重工業様の事例にあるように、ガスタービンでも作業効率向上に

効果があります。「潤滑油の使用+トルク管理+ノルトロック」ということですね。

 

ハンマー振りや油圧トルクレンチ、ヒーティングで締め付けている大径ボルトでは、「テンショ

ナーの使用」によって正確な初期軸力が得られ、取付・取外し両方の作業時間を大きく短縮し、

ボルトの折損も防ぐことができます。ヒーティングと違って冷却の待機時間も必要ありませんし、

メンテナンスでよく問題になる「焼き付き」と無縁になるのも大きなポイントです。テンショナー

の場合は複合的な施策というわけではありませんが、油圧ユニットのような特殊設備を一切使用

せずトルクレンチ1本で取付・取外しが行える「スーパーボルト(機械式テンショナー)」の方が

メリットが大きい場合と、多くの締結部を均一の圧力で一括締結・取外しが行える「ボルタイト

(油圧式テンショナー)」を各締結部に合わせて併用されることをご推奨します。特に大径ボルト

の開け閉めが発生する現場では「作業時間」がキーワードになりますよね。作業自体の安全性も

含め、大径ボルトの取付・取外しには殆どのケースで改善の余地があります。

 

蒸気タービン等の大型回転機械では、ケーシングという外郭部をメンテナンス後に締結部の

穴合わせのために一度被せ直して(とは言ってもかなり巨大なものなので、大きなクレーンを

使って何人もの作業者で多大な時間と労力をかけて行います)ボルトも仮留めを行います。ケーシ

ングの形状が歪んでいたりすると、タービン本体に傷を付けてしまったりケーシングに隙間が空い

てしまったりするため、そこを点検するのですが、ボルタイトには「クロージャー・システム」と

いうこの仮留め専用のソリューションが存在します。油圧で均一の圧で、ケーシングにずらりと

並ぶ複数のサイズの大径ボルトを同時に一括締結できるため、この苦労をご存知の方であれば

本当に喜んでいただけます。油圧式ボルトテンショナーのメリットはまさにこの点で、「作業時間

の短縮」は「肉体的負担の軽減」にも直結し、体力のセーブは目に見えない「その後の作業ひとつ

ひとつの正確性」にも当然、影響して来ます。

 

 

ボルト締結のセミナーを貴社で開催しませんか?

このように、ボルト締結には基本でありながらも基礎知識を応用することで、安全性は元より作業

時間やコストを大きく軽減できることもまだまだあります。ノルトロックジャパンでは、お客様の

新入社員様向けに、自社の製品だけでなく「そもそもボルトとはこういうものです」というボルト

締結の基礎を講義する出張セミナーも無償で提供しています。私たちはボルト締結を通してお客様

のパートナーとなることを目指しており、正しく実践的な知識をより普及させることに力を入れて

います。もちろん設計者様向けのよりハイレベルな講義や、業界内のよくある事例をベースにした

鉄道業界、電力業界、製鉄業界等の業界別テクニカルセミナーの開催も可能です。貴社でも是非、

ノルトロックのボルト締結セミナーをご活用ください。

 

 

ノルトロックへのお問合せ
ボルト締結に関するご相談・ご質問がありましたら、いつでも下記までお問合せください。ノルトロックのエキスパートがお客様の課題を解決するお手伝いをいたします。
お問合せ✉:nlj@nord-lock-jp.com

 

 

文章監修:梁 完
ノルトロックジャパン エンジニアリングマネージャー

現場を訪問しての丁寧なフィールドサポート等、お客様本位の徹底したプロフェッショナリズムで業界を問わずお客様から高い評価と信頼を得る。広い視野で様々な観点から課題を冷静に分析する能力と、ノルトロック製品のカズタマイズ設計技能も持ち合わせるスペシャリスト。

 

文章監修:竹中 正人
ノルトロックジャパン アプリケーション・エンジニア

特に材料への造詣が深く、困難な締結課題にも臆せず立ち向かう探求心で多くのお客様より信頼を得る。超音波による軸力測定、油圧テンショニングにも精通し、VDI 2230の研究にも余念がない。日本ねじ研究協会における研究委員会のメンバーでもある。

 

 


 

 

quizz

BOLTEDクイズ(BOLTEDジャーナル #.028)解答

今回のクイズも「BoltingTIPS」のおさらい、ボルトサイズと締付トルクの関係性です!

 

Q:締め付けるボルトの呼び径が大きくなると、当然締め付けに必要なトルクも大きくなりますよね。では、ボルトサイズと締付トルクの関係性を説明する次の3つのうち、正しいのはどれでしょうか?

 

A:下の選択肢から間違った説明を選んでくださいね。

① 締付トルクはボルト呼び径に正比例して増加していく
② 締付トルクはボルト呼び径の約2乗に比例して増加する
③ 締付トルクはボルト呼び径の約3乗に比例して増加する

分かったかな?(o´艸`)

 

 

 

答え:3

 

 

これは本ページ上部にもある通り「約3乗に比例する」ですね。M100サイズのナットを締め付けるのに、約1.2mのレンチにトラック2台分の力をかけて得られるトルクが必要という解説がありましたが、サイズが大きくなると必要トルクが大きくなるだけでなく、焼き付きリスクも高くなるんですよ。これも私たちが大径ボルトにテンショニングをおすすめする理由の一つです!

 

では、また次回のクイズでお会いしましょう!

/FIKA

【BoltingTIPS】ボルト・ナットの強度区分とその組合せ

15 5月 2018
comment

テキスト: 岡田 圭佑  文章監修:梁 完、竹中 正人

写真: ノルトロックジャパン

強度区分を意識することはありますか?

ボルトには強度に応じたグレード(強度区分)がISO 898-1:1999において国際標準として定められて

おり、日本でもJIS B 1051:2000において上記ISO規格に対応しています。今回のコラムで本トピック

を取り上げた理由はいくつかあるのですが、その1つはボルトの強度区分における日本と諸外国の

違いが挙げられます。これはご存知の方も多いかと思いますが、日本では強度区分4.8のボルトが

圧倒的に主流であるのに対し、欧米や中国を含む他国では強度区分8.8が主流です。

では具体的に、この強度区分の違いによってどのような違いが生まれるのでしょうか?また、海外

向けに製品を輸出されるメーカー様ではどのような点に留意すべきか?逆に海外メーカーの生産設備

を国内の工場に設置している場合等、メンテナンスでどのような点に注意が必要か?ボルトの強度

区分は普段どのように意識すべきか?そうした疑問を明らかにして行きたいと思います!まずは各

強度区分とその意味するところをざっと確認して行きましょう。

 

ボルトの強度区分

ボルトの強度区分を定めたJIS B 1051:2000では、10種類の強度区分が標準化されており、中でも

流通しているものは4.8、8.8、10.9、12.9の4種が殆どです。

六角ボルトの強度区分はボルト頭に刻印されていることが多く、そのボルトを見れば強度区分は

簡単に判別できるケースも多くあります。基礎知識のおさらいですが、ボルトの強度区分の意味する

ところは、例えば国内で主流の強度区分4.8のボルトなら、小数点前の「4」は引張強さが

400N/mm²であることを示しており、小数点以下の「8」は降伏点が引張強さ(前述の通り4.8

なら400N/mm²)の8割であることを示しています。つまり強度区分4.8ボルトの降伏点は320

N/mm²ということになります。

また、六角穴付ボルト(キャップボルト)は一般的に強度区分8.8以上となり、国内では10.9や12.9

のものが主流になっています。ソケットやスパナで外側から力を加えて締め込む六角ボルトと違い、

六角穴に挿し込んで内側から力を加えて締め付けるため、穴がなめてしまわないように強化されて

いるんですね。

つまりボルトの強度区分とは、読んで字の如くボルトの強度をクラス分けして規格化したもので、

そのボルトにどの程度の力を加えても機能するか(降伏や破断を起こすことなく締結できるか)を

定めたものです。ではボルトの強度区分は何によって変わるのでしょうか?ボルトの材料?当然そう

ですね。他にも熱処理や加工方法によってもボルトの強度は変わります。一般論ですが、主な強度

区分別の材料を見てみましょう。

 

  • 4.8   :SS400相当鋼等の普通鋼、炭素鋼、SWRCH材等の冷間圧造用炭素鋼 etc
  • 8.8   :S45Cや調質済の炭素鋼、合金鋼(合金元素を添加して強化された鋼材) etc
  • 10.9 :SCM435、SCM440(クロムモリブデン鋼)等の合金鋼
  • 12.9 :SCM435等の合金鋼

 

よく見てみると、強度区分8.8と10.9の間で何となく材料の系統が分かれていますよね。8.8までは

普通鋼や炭素鋼が使われていますが、10.9以上になると炭素鋼はあまり使用されず、焼き入れ性の

良い合金鋼から作られることが多くなります。実はノルトロックワッシャーの材料もこの合金鋼の

一種で、かつ炭素含有量が比較的低いため浸炭焼入れによって表面硬度を向上させ、12.9の高強度

ボルトにもグリップできるように作られています。非合金の炭素鋼ではノルトロックワッシャーの

ウェッジロック効果が十分には発揮されず、使用環境によってはロック機能が働かないというリスク

が生じてしまうためです。

また、旧JIS規格では引張強さの1/100の数字にTを付けた強度区分が4T、7T、11T等という形で表記

されており、現在でも旧JISの強度区分の方が馴染みがあるという方もおられますね。

 

ここでも日本はガラパゴス?

強度区分4.8の鋼製ボルトが主流である国は、実は日本だけなのはご存知でしたか?欧米でも同じ

アジアの中国や韓国でも、鋼製ボルトの主流は8.8です。もちろん国内外問わず強度区分を指定して

購入すれば入手は可能ですが、逆に海外では4.8のボルトが入手できない国もあります。

ここで問題になるのは海外との製品のやり取りで、機械を海外に輸出されるメーカー様は4.8の

ボルトを使われていると海外では入手不可な国も多いため、メンテナンス時に8.8のボルトに交換

されてしまう可能性があります。最初から8.8のボルトで設計しておけば4.8よりも高軸力で締結が

できるため、ボルト本数を減らしたり、それによって軽量化が図れたかも知れません。規格を

設けて4.8のボルトの使用を強制する場合は現地での入手性を事前に確認することをご推奨いたし

ます。また、逆に海外製品を輸入して使用する場合はもう少し深刻なケースが起こり得ます。

ボルトが8.8以上のものが付いていれば、4.8では発揮できない軸力で締結する設計になっている

可能性があります。海外との強度区分の違いを知っていれば良いのですが、何も知らないままメンテ

ナンスで4.8のボルトに交換して海外から指定されたトルクで締め付けた場合、ボルトが降伏したり

破断したりするリスクがあります。破断すれば少なくとも締付時に不具合を認識できますが、単に

軸力不足の状態で作業が完了されていたりすると最悪の場合、軸力不足に起因する事故に繋がる

恐れもあります。

 

ステンレス製ボルトの強度区分

SUS製ボルトの強度区分は、鋼製ボルトとは全く違います。国内で主流のステンレス鋼はSUS304

ですが、SUS304から作られるSUS製ボルトの強度区分はA2-50という強度区分となります。

また、ステンレス製ボルトも鉄製と同じく六角ボルトよりもキャップボルトの方が強度区分が高く

なります。六角ボルトではA2-50(引張強さ500N/mm²)が最も主流ですが、キャップボルト

ではA2-70(引張強さ700N/mm²)が最も主流になります。鉄製と同じく、「ボルト頭部の

形状が六角かキャップかによって強度区分が違っている可能性が高い」ということは覚えておいて

ください。

 

ナットの強度区分

実はあまり知られておらず、またボルトと違ってナット本体にもマーキングされていないものが

多いのですが、ナットにも強度区分が存在します。JIS B 1052-2では、ナット本体の高さが

「呼び径×0.8(0.8d)」以上のもの(いわゆる1種、2種、そして10割ナット)には4、5、6、

8、9、10、12と7段階に渡って強度区分が定められています。

 

 

JIS B 1052-2では各強度区分ごとに組み合わせるボルトの強度区分と呼び径範囲が定められ

ており、また強度区分ごとに保証荷重応力が定められています。保証荷重とはその引張荷重を

15秒間加えてもナットのねじ山がせん断破壊したりナットが破断しないと保証される値で、この試験

方法もJIS B 1052-2にて規定されています。

 

 

JIS推奨外の組み合わせで使用した時

JIS B 1052-2で定められたナットの最大強度区分は12ですが、上図を参照するとこの場合に

組み合わせるボルトは強度区分12.9、呼び径はM39までということになります。これがナット

強度区分8になっても組み合わせるボルト呼び径はM39まで、逆に4.8と組み合わせる強度区分4

のナットはM16より大きなものと規定されています。でも、ちょっと待ってください。この表では

M40を超える大径ボルトには強度区分4以外のナットは使えないように読み取れます。M40以上

のボルトには強度区分4以外のナットは使うべきでないということでしょうか?

JIS B 1052-2ではこの点にもしっかり言及されています。現在JIS B 1181で定められている

ナット規格ではM40以上になると最小ナット高さがナット呼び径の0.8倍(0.8d)未満になって

しまいます。JIS B 1052-2では0.8d以上のナット高さを持つナットにしか強度区分が規格化されて

おらず、ナットの強度区分策定の基となる設計理論に適合しないため、M40以上ではナットの強度

区分が規定されていないのです。そのため、JIS B 1052-2には「機械的性質は受渡当事者間の協定に

よる」と記載されています。つまり、JIS規格として規定するのではなく使用者に委ねられている

状態です。じゃあどうすれば?という場合には、「ナット強度をボルト強度より強くする」という

基本を守り、「ナットの呼び高さを高くする」ことでナットの破断を防ぐことができます。締結体

設計ではおねじの方がめねじより先に破断するよう設計するという前提がありますが、ナット高さは

見過ごされがちです。ここに一つ、私たちの社内試験で起こった実例を挙げておきましょう。

 

そのお客様は、いわゆる立て込みという形で機器側にめねじが切られており、ボルトで締結する形

でした。実機と同じ普通鋼のSS400のナットを準備し、こちらも設計上規定されていた強度

区分12.9のボルトを使って締め付け、ユンカー振動試験で緩み耐性の検証を行ったところ、

締め付け中に不自然に軸力が低下したため試験を中止して確認したところ、ナットの第1ねじ山が

破断していました。これをナット高さを呼び径以上の高いナットに交換して(嵌め合い長さを長く

して)再度試験を行ったところ、ナットの破断は起こりませんでした。

勿論この内容が全てのケースにそのまま適合できるわけではありませんが、ナット強度と同様に

ナット高さ(=嵌め合い長さ)もねじ部が破断しない安全・確実な締結体設計には重要だとお分かり

いただけるかと思います。

 

設備機器側にめねじを設計する時の注意点は

特に近年では、様々な理由からボルト-ナットの締結ではなく、いわゆる立て込みでのボルト締結が

増えていますね。メーカー様の製品(設備機器側)にめねじを切ることになるわけですが、今までの

お話を踏まえて締結部設計の際にはどんなことに留意すべきでしょうか?

上述の弊社内試験での事例からも分かる通り、機器側の材料がボルト強度よりも低い場合は嵌め合い

長さを長く取ることで対策が行えます。それが難しい場合は機器側の材料に合うようボルトの強度

区分を落とし、必要軸力が強度を落としたボルトでも発揮できるのか確認が必要です。軸力が不足

している場合はボルト本数を増やして対処することができます。この変更を行う前に締付トルクを

算出していた場合は、強度区分の変更に伴って締付トルクも変更が必要になるためご注意ください。

ところが実際の設計では、他にも様々な要因を考慮する必要がありますね。例えばボルト径が大きく

なって来ると、めねじ側の第1、第2ねじ山への応力集中によるボルト折損リスクは主要な課題の一つ

になり得ます。この応力集中は厄介で、極めて多様な要素を漏らさず考慮する必要があります。

M16以上のナット締めが行える締結部であれば、こちらのページでお客様からもフィードバックを

いただいている通り、スーパーボルトのナット型テンショナーであれば、その特許構造により

各ねじ山へ応力を均一に分散できるため、この応力集中によるボルト折損リスクを解決できます。

近年では軽量化等の目的でボルト締めの締結体設計が増えていると感じます。高強度ボルトがより

一般的になってきた理由にも、ボルト1本当たりの軸力を向上させることでボルト本数を減らす

という意図があるかと思います。高強度ボルトを採用する際にも立て込みのボルト締めを採用する

際にも、従来の締結体設計と同様にナットや機器側(めねじ・被締結材)の強度にも注意し、ボルト

のみでなく締結体全体として評価することが重要になって来ます。ノルトロックジャパンでは、

ドイツ技術者協会が策定したVDI 2230に則ったボルト締結体の安全性評価計算等、お客様の

設計を最適化するテクニカルサポートも行っています。ボルト締結に関してお困りのことがあれば、

ノルトロックジャパンのテクニカルサポートを是非ご活用ください。

 

 

ノルトロックへのご相談は
ボルト締結に関するご相談・ご質問がありましたら、いつでも下記までお問合せください。ノルトロックのエキスパートがお客様の課題を解決するお手伝いをいたします。
お問合せ✉:nlj@nord-lock-jp.com

 

 

文章監修:梁 完
ノルトロックジャパン エンジニアリングマネージャー

現場を訪問しての丁寧なフィールドサポート等、お客様本位の徹底したプロフェッショナリズムで業界を問わずお客様から高い評価と信頼を得る。広い視野で様々な観点から課題を冷静に分析する能力と、ノルトロック製品のカズタマイズ設計技能も持ち合わせるスペシャリスト。

 

文章監修:竹中 正人
ノルトロックジャパン アプリケーション・エンジニア

特に材料への造詣が深く、困難な締結課題にも臆せず立ち向かう探求心で多くのお客様より信頼を得る。超音波による軸力測定、油圧テンショニングにも精通し、VDI 2230の研究にも余念がない。日本ねじ研究協会における研究委員会のメンバーでもある。

 

 


 

 

quizz

BOLTEDクイズ(BOLTEDジャーナル #.027)解答

今回のクイズはBoltingTIPSに関連して、ボルト締結体設計の考え方からです!

 

Q:ボルト締結体の設計では、あってはならないことではあるものの、ボルトやナット等の締結部材が破断した時のことを想定します。おねじ側とめねじ側の設計に関わる「破断」の基本的な考え方について、正しいものは次のうちどれでしょうか?

 

A:下の選択肢から間違った説明を選んでくださいね。

① おねじ側とめねじ側では、おねじが先に破断するよう設計する
② おねじ側とめねじ側では、めねじが先に破断するよう設計する
③ おねじとめねじが同時に破断するよう設計する

今回のクイズは、ちょっと簡単だったかな?

 

 

 

答え:1

 

 

これは「おねじ」側が先に破断するよう設計するのが基本ですね。この理由は、もし「めねじ」側が

先に破断してしまうとより致命的な結果になりかねないという点もありますが、仮に高強度ボルト

を使用した場合を想像してみると、高強度ボルトの機能(軸力)をフルに活用する前にめねじが

破断してしまったら、高強度ボルトを使う意味がなくなってしまいますよね。また、ボルトが先に

破断すれば、ボルトの耐力から破断の原因となった外力がどの程度の荷重だったのかも予測が立て

やすくなります。そういった理由で「おねじが先に破断するように設計する」が正解ですね。

 

では、また次回のクイズでお会いしましょう!

/FIKA

【採用事例】ハイパーループ・ポッド

実現に近付く 次世代交通システム

※本記事は、Boltedマガジン2018年第1号に掲載されたものです

 

次々と未来の交通輸送技術を生み出し続けるテスラ・モーターズとスペースXを率いるイーロン・

マスクは2015年、ハイパーループと呼ばれる次世代交通システムにおいて、鉄道の車両に当たる

「ポッド」のコンペティションを開催した。このコンペは、世界中の学生が設計したポッドの性能を

競うもので、理論上は空気抵抗がゼロの真空状態となったチューブ状の軌道内を浮上式のポッドが

ほぼ音速(時速1,200km)で走るという、マスクが提唱した夢の次世代交通システムで使用され、

世界中の主要都市間を結ぶネットワークが計画されている。

 

2017年に開催された大会では、ミュンヘン工科大学のWARR Hyperloopチームが見事勝者となり、

チタニウム製のトロフィーを掲げる栄誉を手に入れた。同チームは大会中、ハイパーループ・ポッド

の世界最速記録を塗り替えての優勝となったが、彼らのポッドを締結する各ボルトにもやはり、

ノルトロックワッシャーが使用されている。

 

30名から成るWARR Hyperloopチームは、CADでの構造デザインから調達、財務、マーケ

ティングまでいくつかのサブチームに分かれおり、様々な領域を担当している。CADデザインを

担当するサブチームのリーダーであるフロリアン・ヤンケ氏は、イーロン・マスクが掲げる超高速

次世代交通システム、特にミュンヘン-ベルリン間を片道僅か30分で行き来できるようにしてしまう

という点に殊更の感銘を受けたという。

「イーロン・マスクが“スペースX・コンペティション”の開催を発表した時、これはもうやるしか

ないと思いました。ハイパーループ・ポッドのコンペ本番では全てのステージで上手く行き、最高

速度にフォーカスした最終ステージでは、時速324kmの新記録を打ち立てることができたんです。」

とヤンケ氏は話してくれた。

 

WARR Hyperloopの軽量ポッドは、アメリカ・カリフォルニアのHyperloop Oneが500mの

チューブ内で達成した時速310kmという当時の最速記録を破る快挙を成し遂げた。ヤンケ氏はその

秘密をこう明かす。「1.2kmという比較的短いチューブ内でこれ程のスピードを出すと、当然もの

すごい加速度と振動が発生します。ボルトの締結力を保持することが不可欠だったからこそ、確実に

ボルトを固定してくれるノルトロックワッシャーを採用しました。完璧でしたよ。」

彼らは3度目のコンペティションとなる次の大会にも参加を表明しており、既に第1ラウンドを勝ち

抜いている。2018年のチームは何名かの新顔も迎えており、多くは各々の得意分野で研究開発に

勤しみ、数名が2017年大会で優勝したポッドを携えて、幾多の展示会に参加している。

 

WARR Hyperloopのメンバーたちはスポンサーとしての後援や各種のパーツを得るため、多くの

メーカーと密な関係を築いて来たが、中にはそれらの企業から採用のオファーを受けた者もいる。

彼らは今まさに、未来へ向けて飛び立とうとしている。

【ニュース】BOLTEDマガジン最新号!

BOLTED2018年第1号が完成!

 

お待たせしました!2018年第1号のBOLTEDマガジンがいよいよ完成。3月26日週には皆さまの

お手元にお届けいたします。今回のBOLTEDでは、意外と知られていない「ボルトの製造工程」に

迫ります。誰にとっても身近なボルトはどんな工程を経てどのような技術で製造されているのか?

各工程ごとに詳しく掘り下げて参ります。

また、昨今あらゆる業界で浸透し始めた「3Dプリンティング」についてオランダのスタートアップ

でこの分野の先駆者的存在であるフィリモン・シェーファー氏へのインタビューを行った他、造船

業界史上最悪の不況下で起死回生の事業再建を行ったドイツのMMGのサクセスストーリー等、

今号も盛りだくさんでお届けします!

 

■Web版の先行ダウンロードはこちらから

 

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株式会社ノルトロックジャパン

ボルト締結の第一人者が語る理想の締結

14 3月 2018
comment

テキスト: 岡田 圭佑

本誌BOLTEDマガジンは、日本のボルト締結の第一人者である工学博士、酒井智次氏にインタビューを行う貴重な機会を得た。酒井氏の著書「増補 ねじ締結概論(養賢堂)」はボルト締結のバイブルとして、その発刊当初から高く評価され、賞賛を集めている。

Voice Of Wisdom

※本記事は、Boltedマガジン2017年第1号に掲載されたものです

 

「ねじ締結概論」でも触れられている、酒井先生の考える理想の締結とはどのようなものでしょうか?
「一口で言ってしまうと、特殊なものでなく広く普及した汎用のねじ部品を用いること。そして、

これが問題なのですが、あらゆる不具合を起こさない、そういうねじ締結設計を行うことです。

たった一つの不具合でも起こってしまえば、それで全てダメになる。だから、あらゆることに目を

配っていなければいけないし、全てにおいて不具合を出さない、というのが理想です。「評価漏れが

ない」というのが、私が最も重要視するポイントです。」

 

ボルト締結体にとって、潤滑油の使用はメリットになりますか?

そうです。摩擦係数を小さくするということは、被締結体同士が滑りを起こさないという前提の下

で、あらゆる面において良いことです。しかし大前提として、緩みというものは被締結体同士がある

大きさ以上の滑りを繰り返した場合には「緩む環境」にあるから、摩擦係数が小さければ緩みやす

いし、摩擦係数が大きければ緩みにくい。

じゃあ、摩擦係数が小さいとすべて緩むのかと言われると、被締結体同士が滑っていない場合は

「緩む環境」にないですから、この場合は摩擦係数がいくら小さくても緩みやすいということは

ありません。

 

滑りの原因となる外力について、せん断方向、軸方向、そしてねじれという3つがありますが、
その辺りの お考えはいかがでしょうか?

外力がせん断方向であれば滑り、外力が軸方向であれば被締結材が離れてしまう遊離という現象が

起こってしまいますね。そういう状況では摩擦係数が小さいほど、明らかに緩みやすい。ねじれの

場合は、座面の摩擦係数がこの範囲に入った時に緩んでしまうというものがあるんですが、これは

複雑な相関関係があります ので摩擦係数の大小だけで一概には言え ません。

その滑りに関して、私の「ねじ締結概論」には古い考え方で書かれています。私の本では「マクロ

滑り」という座面のところで被締結体が滑ることを言っています。被締結体がこれだけ滑ると、座面

にも滑りが出てしまうという被締結体の座面に滑りを許さない限界滑り量という考え方なんですが、

これは目視で明らかに確認できる滑りです。0.1mmあれば目で見てわかりますか ら。ところが

1988年くらいから限界滑り量に達していなくても、目に見えないような小さな滑りが実はじわじわと

出ていて、緩み方向に回ったかどうかも目視できない程度の微小な回転を起こして、軸力が徐々に

なくなることがあるというのがわかって来た。その現象は「マイクロスリップ」ないしは「微小

滑り」と呼ばれています。微小滑りからの緩み、その発端になったのが1988年くらいに精密工学会誌

に載った論文でした。

 

例えば被締結体が接触しているとします。その接合面のこの地点でどれだけ滑りが起こっているか、

また別の地点でどれだけ滑りが起こっているか、従来の実験では不可能ですが、これが有限要素法

(FEM)というものであれば、全部計算できるんです。その有限要素法が2000年くらいから、ねじ

の分野にも適用されるようになって、それを用いた論文もたくさん出て来ました。今やねじの研究

は 殆ど有限要素法です。2006年に東大の泉聡志先生が書かれた論文を見ると、マクロスリップ

(目視できる明白な滑り)ではなく、マイクロスリップ(目に見えない微小滑り)が起こっていて

も、少しずつ緩み回転をし始めていると、そういう結果が出てるんですね。私も初めてそれを読んだ

時は非常にシ ョックでした。

 

その泉先生の論文を見ると、マイクロスリ ップと言われる微小滑りでも、繰り返されると微小な

緩み回転、例えば1000回で1度、1回あたり1/1000度ですが、そういう微小な緩み回転が起こって

いると。1/1000度なんて肉眼ではとても観測できません。しかし 有限要素法であれば、完璧に出る

んですね。有限要素法で見ると、実は微小滑りでも緩み回転は起こっているという論文が出て来た。

こりゃ参ったな!と思いましたよ(笑)。

私は微小滑りがフレッティング摩耗にはつながると勿論思ってたんですが、まさか回転緩みの原因に

なるとは、当時の実験では検証のしようがなかったので結果として見逃していました。新しい有限

要素法という、目に見えないものまでミクロン単位で計算できるものが開発されて、驚きましたね。

有限要素法はシミュレーションなので実証するのは大変ですが、ここのところは私も最近考え方を

変えなきゃいかんなと思っているところですね。

 

Facts: 微小滑り
被締結材間で発生する肉眼では確認できない微小な滑り。徐々に軸力損失が発生し、最終的には目に見える回転緩みに発展する。同様に、金属材料のなじみやリラクゼーション等の非回転緩みによっても軸力損失は発生する。

ノルトロックのXシリーズワッシャーは、世界で唯一、回転緩みと非回転緩みを同時に防止できる製品であり、通常のノルトロックワッシャ ー同様に回転緩みを防止しながら独自の皿ばね形状により、非回転緩みをも同時に防止する複合型ウェッジロッキング機構を備えている。

 

※本インタビューは「BOLTEDマガジン」グローバル版用に編集されたものです。酒井智次先生へのロングインタビューはこちらの記事で全文をご覧いただけます。

 

Facts: 酒井 智次先生

  • 1941年 ‒ 愛知県岡崎市生まれ
  • 1979年 ‒ トヨタ自動車勤務時に名古屋大学より工学博士の学位を授与され、主として各種自動車部品の強度・信頼性の試験・研究・開発に従事
  • 2001年 ‒ トヨタテクノサービスへ移籍。ねじに関する教育と技術相談に従事
  • 2007年 ‒同社を定年退職し、酒井ねじ締結相談室を開設。現在もねじ締結に関する教育と技術相談を続ける

【採用事例】放射性物質運搬用コンテナ

23 2月 2018
comment

テキスト: ウルリッヒ・シャマリ

写真: イラスト: ダヘル・ニュークリア・テクノロジーズ社

原子力の安全を守る
トリプル・プロテクト

※本記事はBOLTEDマガジン 2017年第2号に掲載されたものです

 

[課題]

ダヘル・ニュークリア・テクノロジーズ社は、ドイツのフランクフルト・アム・マインにほど近い

ハナウという町にあり、放射性物質の運搬用コンテナを開発している企業です。当然ながら、最高

レベルの安全性が求められます。UF6 と表記される六フッ化ウランの運搬用コンテナの新規設計を

行っていた時、同社は国際原子力機関(IAEA)の道路・海上・鉄道輸送に関する勧告を含めた

国内外での極めて厳格な規制に対応する必要がありました。コンテナがこれらの規制に対応する

には、例え輸送中に事故に遭ってもその衝撃、圧力、熱等に耐えるものでなくてはなりません。

事故によって発生し得る負荷は、120 センチの高さからの落下、9 メートル落下、そして先の尖った

地面への 1 メートル落下を含む一連の試験によって定義されます。それでもコンテナは、次に受ける

耐熱試験で火炎に脅かされることのないよう完全に密封されていなければならないという、厳格

極まる試験に合格する必要があるのです。

 

[ソリューション]

脱落を起こさない設計を実現すべく動き出しました。同社はここに高い優先度を付け集中的に研究を

行い、 254SMO 製のウェッジロックワッシャーであるノルトロックに辿り着きます。今 NL16ss-254

の品番が付いたこの製品は、ダヘル社のトリプル・プロテクト・ロック構造(図参照)において

不可欠なパーツとなっています。1 本のボルトがパーツを固定し、またそのボルトは別のボルトに

よって固定され、ノルトロックワッシャーはその 2 本目のボルトを固定するのに用いられます。各

コンテナにはこの方式で固定される 6 つの締結箇所があり、全てにノルトロックワッシャーが取り

付けられます。

 

[結果]

ノルトロックのウェッジロッキング機構によって、ダヘル社の原子力産業用輸送コンテナのボルト

締結は、振動や荷重に晒されても一切の緩みとは無縁のものとなりました。同社にとっては、緩み

対策にノルトロックワッシャーを用いることで複雑な設計変更を行うより遥かにコストを抑えられた

ことと、誰でも簡単にメンテナンス作業を行えることも大きなメリットとなりました。必要なら、

ノルトロックワッシャーはいつでも取り外してコンテナの状態が万全かどうか確認できるのです。

同社の新型コンテナの寿命は 30 年と設定されています。それは同時に、ノルトロックワッシャーが

30 年に渡ってこのコンテナを十分に支え続けられることがお客様に認められたことをも意味して

います。

【BoltingTIPS】並目と細目で何が変わるの?

21 2月 2018
comment

テキスト: 岡田 圭佑  文章監修:竹中 正人

ねじの並目と細目では
何が変わるの?

※本記事は2月22日配信の無料メールマガジン「BOLTEDジャーナル」にてご紹介したものです。メールマガジンのご登録はこちらから。

 

ねじピッチにも規格化された違いがある

並目と細目。恐らく多くの方はねじピッチにこの2種類があることはご存知かと思います。細目ねじ

とは、一般的な並目ねじに比べてピッチ(ねじ山頂上間の距離)が狭いものを言います。一般的に

ねじやボルトは並目ねじが広く普及しており、発注時にも特に指定が無ければ並目ねじがお手元に

届くでしょう。ですが、業種が変わると常識も変わります。代表的なところでは自動車業界となり

ますが、自動車業界では「ねじ」と言えば細目ねじを指します。

 

ねじの並目・細目のピッチは国際的に規格化されており、英語ではCoarse thread(並目ねじ)、Fine

thread(細目ねじ)と呼ばれ、原則的には万国共通の区分です。ところが実際には、ねじピッチを

規定したISO 724: 1993(ISO general-purpose metric screw threads-Basic dimensions)には

並目・細目の区分は定められていません。ここでは単にねじの呼び径ごとのピッチが複数規格化され

ており、規格化されたピッチは並目・細目といった2種ではないサイズも多くあります。例えばM8

では並目ピッチが1.25、細目ピッチが1とされている場合が多いようですが、M8x0.75、つまり

ピッチが0.75のものも規格として存在します。

 

このISO724に対応する形で、日本国内ではJIS B 0205(旧規格:1997および1982/新規格:

2001)が定められています。ところがこのJIS規格の中ではその呼び径に定められたピッチで最大の

ものが「並目」、それ以下のものが「細目」として区分されています。

例えば先ほどのM8であれば最大ピッチ1.25が並目となり、ピッチ1と0.75が細目というわけですね。

この場合のピッチ0.75を「極細目」と呼ぶ方もいらっしゃいますが、これは毎回M8×0.75と説明する

時間と労力を省いて効率化する目的で、便宜上そのような通称が用いられるようになったのではない

かと言われています。

 

ノルトロックはピッチが変わっても使えるか

ノルトロックワッシャーの使用可否を考える際、ねじピッチが影響して来るのは2枚組内側となる

カム面(大きい方のギザギザがある面です)の角度です。ねじピッチが小さくなると、ねじ山の角度

は60°と規格で定められているため水平を基準としたねじ部の傾斜角(リード角)が小さくなって

行きます。

 

ノルトロックワッシャーの機構を見てみると、上図のように、ノルトロックワッシャーのウェッジ

ロック機構はカム山の角度(∠α)がねじのリード角(∠β)よりも大きくなっているために緩み方向

の力が加わるとカム面同士がスライドする(一方のカムが他方のカム山を登って行く形となる)こと

でワッシャーの厚みが増し、結果として緩もうとすることで逆に軸力が増加してセルフロック機能が

働く仕組みです。そのため、ねじピッチが小さな細目ねじに使用した場合も前提となる、∠αが∠β

より大きい、という条件は崩れません。つまり細目ねじや極細目ねじでもノルトロックは問題なく

機能します。逆に木ねじのようなねじピッチが並目よりも大きなねじは、∠αが∠βよりも小さく

なってしまうため、ノルトロックのウェッジロック機構は機能しないことになります。

 

並目を使うべきか細目にすべきか

もしこの記事を読まれているあなたが、設計上並目と細目のどちらを使うべきか迷われているなら、

ピッチの違いによるねじ底間の距離の差がキーポイントになるかも知れません(下図)。

原則として、ねじ山の角度はピッチに関わりなく60°になっているため(英国ウィット規格のみ

55°)ねじピッチが細目になると(ねじ山頂上間の距離が狭まると)、ねじ谷は浅くなります。ねじ

谷が浅くなると「くびれ」が小さくなる分、ねじ底間の距離は長くなり、有効断面積も大きくなり

ます。

また、細目でねじ谷が浅くなると、おねじ・めねじの引っかかり部も小さくなります。しかしねじ山

は1つだけではありません。同サイズの並目ねじと細目ねじを比較した場合、細目ねじは引っかかり

部は小さいものの、ねじ山の数という点では並目よりも多くなります。これらの因子を総合すると、

引っかかり部の断面径のトータルを比較した時、あまり大差のない結果となります。ねじ部の接触

面積を比較すると、細目の方が僅かに接触面積が大きくなる傾向があるものの、その差は僅かなもの

で、接触面積の観点からも大きな差は無いと言えます。

 

設計時の具体例として、ねじ山の破壊強度に配慮する目的で、ねじピッチによる破壊強度の違いが

あるか否かを考える場合、主要な因子としておねじ側・めねじ側の材料が同じなら、ねじ山の引っ

かかり部断面の径を基準にすることができます。締結体設計では原則として、めねじに破壊が起こる

前におねじ側が破断するよう設計しますが、ねじ引っかかり部断面の径をトータルして比較すると

大きな差が無いため、どうやらピッチは課題解決の決め手にはならないようだ、と考えることができ

ます。

また、ボルトの静的破断に配慮する場合は通常、有効断面積が大きな方が有利になります。この有効

断面積の観点からは、並目よりも細目の方が静的破断への強度は高いと言えます。

 

疲労強度を考えたい場合はどうでしょうか。有効断面積が大きいという点から、外力が発生した際に

細目の方がそれを受ける面積は大きくなります。荷重を受ける面積が大きければ大きいほど、単位

面積当たりの応力は小さくなりますので、繰返しかかる応力振幅に対する疲労限度という点で、細目

ねじの方が並目ねじよりも有利に思えます。ところが、疲労強度に大きな影響を及ぼす因子として、

応力集中係数と切欠き係数も無視できない観点です。一般的には、呼び径が同じ場合にはピッチが

小さいほど応力集中係数も大きくなり、疲労限度が低下する傾向にあるようです。単純に有効断面積

の差を比較した場合は細目の方が有利に思えるものの、切欠きが連続するボルトの疲労強度はピッチ

だけでなく、材料や呼び径、荷重形態、応力集中係数等の様々な影響も考慮する必要があり、その

要件は複雑さを極めます。少し観点やアプローチを変えると結論が正反対になるケースも多く、

研究者の間で意見が分かれることも珍しくありません。疲労破壊自体が極めて奥深い分野ではあり

ますが、恐らくこの疲労強度とねじピッチの関係は、ねじに関わるトピックの中でも最も難しい部類

に入るのではないでしょうか。

ただ一つ言えることは、疲労破壊に配慮したい場合、材料力学的な観点から結論を導くことに苦心

するよりも、その締結体の軸力を確実に保持して外力がボルト軸に直接伝わる状態となることを

避け、疲労破壊リスクを抑制することをご推奨します。軸力保持については観点が明確で、それに

よって疲労破壊リスクが低減できることも明確だからです。

 

そしてねじのピッチは、ボルトの呼び径が大きくなるに連れて細目に近付いて行くことも知って

おいた方が良いでしょう。ISOおよびJIS規格ではM64から並目ピッチが6になりますが、呼び径が

それ以上、例えばM120になっても並目はピッチ6のままです。一部、8というピッチも規格には存在

しますが、経験上殆どの場合ピッチはボルトの呼び径に関わらず、6が最大です。ボルト径が大きく

なってもピッチが変わらなければ、当然リード角は小さくなり、相対的にピッチは細目になって行き

ます。ピッチが小さくなると並目よりも回転数が増える分、摩擦面が増加し、結果として「かじり」

「焼き付き」が起こりやすくなってしまいます。私たちが大径ボルトの締結で「スーパーボルト」や

ボルタイト」等の「テンショニング」による締結を推奨する理由の一つは、この点です。特に回転

機械や発電設備等では日常的にこの問題について対策を考えられているため、ヒーティング(焼き

締め)の冷却時間のような待機時間が発生しない点を考えても良いソリューションと言えます。

そして弊社のスーパーボルトやボルタイトでは締結作業がより簡単になるため、多くの場合で大径

ボルト締結時によく問題となっているクレーンを使用する必要がなくなることも大きなメリットと

なるでしょう。

 

ここまでピッチの違いによる影響についてお話してきましたが、現実では設計観点からのねじの機能

だけでなく、他の観点からの評価も必要です。そう。コストの観点、それに深く紐づく現場作業の

観点です。一般的に細目ねじは流通量で並目ねじに劣るため、一本当たりの単価は並目よりもやや

高価になってしまう傾向があります。また、細目の主なメリットである小さなリード角に起因する

緩みにくさも、締付作業時の作業時間という点では裏腹にデメリットとなってしまいます。現在では

多くの業界で、コスト最適化の観点からメンテナンスの作業時間短縮が課題となっており、緻密に

コスト管理を行えば行うほど、このデメリットは大きく感じられるでしょう。

 

実際の設計ではピッチの差による耐力への影響だけでなく、例えば被締結材側の特徴や温度などの

環境因子も含め、ボルト締結体の設計では極めて多岐に渡る検討事項を漏れなく複合的に検討する

必要があります。こうして設計されたボルト締結体の評価として、ドイツ技術者協会が定めた

Verein Deutscher Ingenieure、即ちVDI 2230というものがあります。ねじ締結設計のガイドライン

となるべきもので、この考え方に基づいた計算によってボルト締結体を評価します。しかしこの

VDI 2230の計算は大変に複雑で難しく、手計算で行うのは相当な時間を費やす必要がある上、計算

にミスが無いか検算することも考えると決して簡単ではありません。そこでノルトロックジャパン

では、欧州の第三者機関が提供するVDI 2230の自動計算ソフトウェアを用いてお客様の締結体設計

評価をお手伝いすることができます。本稿のようにピッチの違いによる影響を検証したり、コスト

削減の一環で高価な締結部材を安価なものに入れ替えた時に安全性にどう影響するか等を計算に

よって評価し、エンジニアチームがその対策をご提案しています。

 

細目ねじの特徴まとめ

<細目のメリット>
並目ねじよりも緩みにくい
→リード角(ノルトロック機構図中の∠β)が小さい分、緩みにくい。

ピッチが小さいため、緻密な締付作業が行える
→同じ角度回しても、ピッチが小さい方が軸方向に進む距離が短い。

薄板など嵌合部が短い締結時に有利
→ピッチが小さい分、単純に嵌め合い長さを多く取ることができる。

並目ねじと比較して締付トルクが小さい
→ねじのリード角を坂道に例えた場合、細目の方がなだらかな上り坂となる。上る時の力(回転させる力=トルク)も小さくなり、緩める際のトルクも同様に小さくなる。反面、多くの回転数が求められるために長くなる作業時間も併せて検討することを推奨。

並目ねじよりも有効径が大きいため静的破断強度に優れ、せん断荷重への強度にも勝る
→ピッチが小さくなるとねじ谷が浅くなる分、有効径が大きくなり、耐力も向上する。

 

<細目ねじのデメリット>
●締付作業時間が長くなる
→メリットで述べた通り、トルクは低くなるが、より多く回転させる必要がある。

●並目と比較して異物の混入・凝着を起こしやすい
→ピッチが細かくより多くの回転を要するため、嵌合による微細な傷や異物が付きやすい。

●並目よりかじり・焼き付きの発生リスクが高い
→より多くの回転を要し、摩擦面が大きくなるため。特に細目ではなくても大径ボルトの場合は相対的にピッチが狭くなり(細目に寄って行く)、かじり・焼き付きが問題となりやすい。

●一般的には細目の方が疲労限度が小さくなる
→ねじ谷底の応力集中係数を基準に考える場合、ピッチが小さい方が応力集中係数が高い。
※例外あり。また、この一般論に対しても諸説あり。検証が必要である場合は先述のVDI2230の締結体評価計算によってサポートを行うことも可能です。

 

ボルト締結に関するご相談・ご質問がありましたら、いつでも下記までお問合せください。ノルトロックのエキスパートがお客様の課題を共に解決するお手伝いをいたします。

 

お問合せ✉:nlj@nord-lock-jp.com

 

 

文章監修:竹中 正人(ノルトロックジャパン アプリケーション・エンジニア)

特に材料への造詣が深く、困難な締結課題にも臆せず立ち向かう探求心で多くのお客様より信頼を得る。超音波による軸力測定、油圧テンショニングにも精通し、VDI 2230の研究にも余念がない。日本ねじ研究協会における研究委員会のメンバーでもある。

 


 

quizz

BOLTEDクイズ(BOLTEDジャーナル #.026)解答

今回のクイズは上の「並目と細目で何が変わるか」からの出題。

Q:ねじが細目になる、つまりピッチが狭くなって来ると、ねじ谷が浅くなる分だけ有効断面積が広くなりますよね。ピッチの違いによるボルトの性質はこの点にほぼ集約されて来るのですが、細目ねじの利点を説明した次の分のうち間違っているものはどれでしょうか?

この手のお話は本当、面白いですよね!

 

A:下の選択肢から間違った説明を選んでくださいね。

① 有効断面積が広い分、静的破断強度が高い
② 有効断面積が広い分、最大引張強さが強い
③ 有効断面積が広い分、疲労強度が高い

今回のクイズは、正解することよりも一緒に考えていただきたいです!

 

 

 

答え:3

 

 

本文にもある通り、一般的には並目よりも細目の方が疲労強度は低いとされています。でもこれは

あくまで一般論のお話。イメージしてみると、有効断面積が大きいということは「繰り返し応力を

受ける面積も大きいので疲労強度も増すのでは?」と思いませんか?私もこの答えはすごく意外で

たくさんの文献を読んでみましたが、一般論ではやはり並目の方が疲労強度が強いようです。実際

には並目でも細目でも、圧力側フランクの面積自体に大差はなく、どちらかと言えばやはり応力集中

係数と切欠き係数によってこの答えが導かれているようですが。私にはまだ難しいです…

私も社内のエンジニアにたくさん教えてもらって、もっとレベルアップできるようがんばります!

 

/FIKA

 

 

【✉RE: INQUIRY】ノルトロックの再利用回数

19 2月 2018
comment

テキスト: 岡田 圭佑  文章監修:梁 完

 

※本記事は2月22日配信の無料メールマガジン「BOLTEDジャーナル」にてご紹介したものです。メールマガジンのご登録はこちらから。

 

A:ノルトロックワッシャーは、再利用可能です。殆どの緩み止め製品が再利用できない中で、

これはノルトロックの大きなメリットの一つですが、偏芯式ナットやスリット付ナット等のように

ボルトのねじ部にダメージや負荷を与えることもないため、ノルトロックワッシャー自身だけでなく

他の締結部材の再利用性を損なうこともありません。相手材表面にリブ面のギザギザの跡

(インプレッションマーク)が残りますが、これも損傷ではありませんので、ギザギザの跡の上に

そのままノルトロックを設置し直して再利用しても、緩み止め効果に影響はありません。設置し直す

際にギザギザの跡にきれいに重ねる必要もありません。

では、その再利用は何回まで行っても問題なく確実に緩み止め効果を得られるでしょうか?率直に

結論から言うと、「一概に決められない」が正解です。しかしこれは、お客様にとっては想定できる

回答の中で一番つまらない回答ですよね。そこで今回の「RE: INQUIRY」では、実際に行った試験

データの中から一部を公開し、少しでもお客様の参考材料になるようにしたいと思います。

 

実際の試験データに進む前に、なぜ「一概に言えない」のかを先にご説明しておきます。ノルト

ロックワッシャーはメンテナンス等で取り外す際、工具で締付トルク以下の緩めトルクで取外しが

行えます(そのため摩擦を利用した緩み止め製品の検証で用いられるような、戻しトルク値での効果

検証ではノルトロックの緩み止め効果を測ることができません)。実際に取り外してみると、2枚組

内側のカム山を乗り越えた際に「カチッ」という音と手応えがありますね。この「カチッ」という

音・手応えと共にロックが解除されるのですが、下図(1)のようにその際にカム山に摩耗が発生

します。

この摩耗が進行すると、上図(2)における∠αがリード角β以下の角度となり、ノルトロック

ワッシャーの「ウェッジロック機構」が機能しなくなる、というわけです。そのためこの摩耗量は、

やはり取外し時にどれだけの圧がかかっていたかによって変わってしまいます。つまり、お客様が

「そのボルトにどの程度の軸力を発生させていたか」によって摩耗量が変わってしまうために、

一概には言えないという回答になってしまうのです。

 

実際の再利用試験の結果は

まずは鉄製ワッシャーの再利用試験データからご紹介したいと思います。再利用試験はドイツ工業規格DIN65151に準拠したユンカー振動試験にて実施しています。また、ノルトロックワッシャーと他の緩み止め製品との比較検証動画もこちらからご覧いただけます。

 

■M8 強度区分10.9ボルト+NL8+潤滑(二硫化モリブデン)

本試験条件として、締付後に周波数40Hz・振幅±0.5mmの振動を10秒間与えて緩みを検証した後、

取り外すというサイクルを10回行っています。最下部のグリーンの線のみ他の線と比較して損失軸力

量が多くなっていますが、他の線含めて加振直後に起こる軸力損失は戻り回転を起こす「回転緩み」

ではなく、戻り回転を伴わない「非回転緩み」の一種である初期なじみと呼ばれる現象です。

なじみはある程度で収束するため、その後はグラフから読み取れる通り軸力は失われず、10回目の

試験前後で試験体を比較しても合いマークにズレが無いことから、10回再利用を行っても回転緩みは

起こっていないことが分かります。また、本試験ではナット座面とねじ部双方に二硫化モリブデンを

塗布し、潤滑を行っていますが、緩みは起こっていません。

 

■M8 強度区分12.9ボルト+NL8+潤滑(ゾルベスト730)

次はボルトサイズは同じM8ですが、試験条件をより厳しくしたものを見てみましょう。ノルト

ロックワッシャー2枚組外側のリブ面にとって更にグリップしにくい強度区分12.9の六角穴付き

ボルトに対し、更に潤滑効果の高いゾルベストという二硫化モリブデン・グラファイト・無機系

バインダーを含む潤滑油をボルト座部、ねじ部双方に噴霧して試験を行いました。再利用回数は

15回目と20回目のものをそれぞれ二回ずつ、同じくユンカー振動試験にてボルト降伏点の70%で

ある28kNの軸力を発生させた後、検証しています。再利用は同軸力での締結→解除を繰り返して

行いました。前回通り周波数40Hz、振幅±0.5mmで10秒間加振しています。

本試験では、同じボルトで100回に渡って締結→解除を繰り返した相手材となるスペーサー(上図右

参照)を使用しています。ノルトロックワッシャーは15回目・20回目のものを各2回ずつ計4回、

スペーサーは100回締結→解除を繰り返したものですが、結果は前の試験と同様に初期なじみでの

軸力損失が収束した後は、軸力が維持されています。グラフから読み取れる通りボルトの強度区分

が12.9に上がっている分、本試験の方が軸力が高いためカムの摩耗量も増加しますが、それでも20回

の再利用でも緩み止め効果は変わりません。ゾルベストによる潤滑を施しても緩み止め効果に変わり

がない点も特筆すべき点ですね。

 

■M12 強度区分A2-70ボルト+NL12ss-254+潤滑(モリコート1000)

次はステンレス製ワッシャーで試してみましょう。ノルトロックワッシャーのステンレスは国内で

主流となっているSUS304ではなく欧州基準のSUS316L相当のステンレス材ですが、本試験は同じ

オーステナイト系ステンレスですが更に耐食性の高い254SMO製のノルトロックワッシャーを使用

しました。試験条件は、周波数40Hz、振幅±0.5mmの加振を行い、相手母材はSUS304を試験機に

入る形状に加工したものです。

軸力16.5kNで締結→解除を15回繰り返したもの、20回繰り返したものを各2回ずつ計4回、ユンカー

振動試験にて検証しています。加振時間は3倍の30秒での試験です。

上図のうち、青い線が再利用15回目、赤い線が再利用20回目の試験結果を示しています。結果は鉄製

ワッシャー同様に、20回の再利用でも緩み止め効果に陰りは見られず、もちろん合いマークも動いて

いません。ステンレス等の合金は摩擦係数が鋼よりも大きくバラつく傾向にあるため、今回も試験体

にはモリコート1000等の潤滑油を塗布しています。

 

手元にあるノルトロックはまだ問題なく機能するか

ノルトロックワッシャーは先述の通り、取外し時に「カチッ」という音と手応えが得られ、再利用が

できなくなる程カムの摩耗が進行した場合には、当然この音と手応えが無くなります。もし手元に

あるノルトロックがまだ再利用できる状態か分からないということがあれば、すぐにその場で確認

いただける方法があります。

まずはノルトロックワッシャーを締め付けた後、取り外してみてください。緩める時、上図左の

ように、2枚組のカム同士がスライドしてロックが解除されるかどうかをご確認いただき「カチッ」

という音と手応えが得られたか、上図右のようにボルト(またはナット)と相手材側にインプレッ

ションマークが残っているか、という点でロック機能の確認が現場ですぐに行えます。

この「カチッ」という音と手応えが得られた時、ロードセルで計測ができれば上図のようなことが

起こっています。縦軸が軸力を示し、横軸がトルクを示しています(緩めるためトルク値はマイナス

でグラフに表される)。これは最初に例示した鉄製ワッシャーM8サイズの時のものですが、

マイナスのトルクが加わると、軸力が元の15kN以上に一旦上昇した後、段階的に下落してゼロに

なっていることが分かります。「カチッ」という音と手応えが得られた瞬間はカムの山を乗り越えた

瞬間で、カム山を上っている時(音と手応えが得られる直前まで)にはカム山を上る分、ワッシャー

の厚みが増す形となり、ボルトの首は引っ張り上げられ、軸力が逆に上昇するのです。つまり、緩み

回転が起こることによって逆に締まって行くというのが、ノルトロックが1982年に世界で初めて開発

した「ウェッジロック機構」の秘密なのです。

明らかに音も手応えも小さな場合は、念のためそのワッシャーの再利用は避け、新しいものに交換

いただく方が確実でしょう。

 

社内で再利用回数を規定したい場合

ノルトロックジャパンでは、本稿でご紹介した振動試験に加え、トルク-軸力試験を交えて実際に

使用されるボルト、ナット、相手母材を使用して再利用限度回数を検証する試験を行い、お客様社内

での再利用回数策定のお手伝いも行っています。特に社内規格としてノルトロックをご使用いただい

ているお客様には一般的にご提供しているサービスですので、必要なお客様はお気軽にノルトロック

ジャパンまでお問合せください。

 

※実際の現場では、使用環境に由来する想定外の因子により再利用回数も変動する可能性が無いとは言い切れません。本稿で示した試験結果はあくまで一つの目安としてご確認いただき、実際に再利用回数を規定される際は上述の通り、ノルトロックジャパンまでご相談をお願い申し上げます。

 

お問合せ✉:nlj@nord-lock-jp.com

 

文章監修:梁 完(ノルトロックジャパン エンジニアリングマネージャー)