当サイトでは、以前に「ボルトの強度計算」に関する計算方法を紹介しています。たくさんの方に読んでいただき、コメントもたくさん頂いております。ありがとうございます。そこで今回はボルト強度計算の第２弾として、荷重に対する必要ボルトサイズと本数の計算方法を紹介していこうと思います。計算にはすべて答えをつけており、中学校レベルの計算問題ですので、わかりやすいかと思います。ご参考にして下さい。

鉄の物理的性質（引張り強さ）のおさらい

荷重に対する計算ですので当然ながら、金属の物理的性質は出てきます。まずここを把握しておかないと話になりません。

また、今回は引張り強さを用いますが、ボルト荷重は引張りで受けることを前提としているからです。どうしても荷重をせん断で受ける場合にはせん断強さを使うようにして下さい。

私の備忘録を訪れるエンジニアは大抵の場合、何か答えを求めて訪問してくれる方が多いと思いますので、今回はせん断荷重にて計算しています(＾＾

使用ボルトの有効断面積のおさらい

荷重はボルトの有効断面積で受けますので、各ボルトサイズの有効断面積を把握しておく必要があります。これは理解するというよりは、知っていればＯＫという感じです。ただ、実際の計算の中では面積の使い分けが必要ですので、お忘れなく！

実際の計算例を紹介

それでは問題です。こちらの計算が解説なしで理解できるでしょうか？

今回お見せするエクセル計算のおおまかな流れは以下の通りです。

STEP

想定する荷重を決定

想定される荷重を設定します。大抵は重量を考えればいいと思います。ただ、衝撃荷重が加わる部分ならば外力をプラスで設定してあげましょう。

STEP

せん断強さの計算

金属の材質が持つ引張り強さをもとに、せん断強さを求めます。例題では、せん断強さを引張り強さの60%で計算しています。

STEP

荷重に耐えうる有効断面積

荷重に対してどのくらいの有効断面積が必要なのかを計算で求めています。

STEP

安全率の設定

荷重が軽くて静的な荷重であれば、３～５倍で十分だと思います。かなりの負荷が想定できて搬送中も条件が悪い場合は、１０倍としてみています。ここは個人というか、社風ごとに考え方が違うと思います。

STEP

必要なボルト直径φmmの計算

荷重と安全率から求めたトータル荷重より、それに耐えうる直径を計算します。

STEP

ボルトサイズごとの必要本数

ボルトのサイズに応じて有効断面積は決まっていますので、それぞれ求めたいサイズの有効断面積を使って必要本数を計算します。もちろん、私のようにサイズに関係なくＭ６からＭ１２までそろえて計算すると便利ですよね。

もしすんなり分かるのであれば、あなたは問題ありませんね。もし分からなければ、これからお見せする具体的な解説を見てください。

[訂正とお詫び]
これまで上記計算の中身に関して、たくさんの方からコメントを頂きました。こちらが正しい計算となります。ご指導、ご指摘頂きました皆様、本当に感謝致します。また、自分で自分の計算を理解できていなかったことを深く反省致しますm(__)m。

また、d^2を使う理由は何でしょうか？ということですが、断面積の面積を求める公式から直径ｄを算出することで、それが断面積だと勘違いしておりました。結果的に安全率をさらに高めた結果となり設計していたことになります。計算の意図とは異なる計算をしていたことになります。大変申訳ありませんでした。

今回の例で言えば、安全率１０をみた荷重に耐えるためには、

Ｍ６ボルトの場合、最低３６本の締結が必要
Ｍ８ボルトの場合、最低２０本の締結が必要
Ｍ１０ボルトの場合、最低１２本の締結が必要
Ｍ１２ボルトの場合、最低９本の締結が必要

ということになります。

今回私が作成したエクセルでは、黄色のシート、つまり荷重と安全率だけが入力であとは自動計算できるようにしています。こうすることで、いろんな荷重計算を一瞬で確認することができ便利です。

あなたもぜひ日々の設計に役立ててください。

今回は、「車のねじはなぜ緩まない？」というテーマを取り上げようと思う。車に限らず何らかの装置にはボルトが使われており、この記事を読んでいるあなたもねじの緩みに悩まされた経験は多かれ少なかれあるのではないかと思う。そんな私も過去にボルト緩みには苦い経験を持ち、諸先輩方にこっぴどく怒られた経験を持つ１人である。エンジニアにとってこれら「宿命のテーマ」を読んでいただき、少しでもお役に立てれば幸いである。

基本的にねじが緩んでしまうとはどういったメカニズムなのか？あなたはご存知だろうか？

これは文献などで調べてもらえばわかると思いますが、基本的にボルトというのはバネの一種だと考えたほうが良い。

ボルト＝バネ

部品の締結に使われるボルトは、締め付けると部材にボルト頭があたり、だんだんと固くなってくる。これは、ねじの軸方向に進む力がボルト頭の座面に伝わり、部材とボルト頭の座面の間で摩擦力が生じているからだ。

このとき、ボルトは弾性変形をしていると言える。ボルトを増し締めしていくと、ねじの軸方向へ進む力は強くなり、座面に働く摩擦力も極限まで強くなっている。

この状態が、ボルトが締結されている状態と言える。ボルトが締め込まれ、元に戻ろうとする力で締結される状態である。このボルトが弾性変形を保っている状態こそが、「バネ」と言われる所以なのだ。

なので、装置というのは、このバネで繋がれた 剛体と呼べるのである。

この認識を改めて理解して欲しい。

そこで、このボルトが”緩んでしまう”というメカニズムについて考えてみよう。ボルトが緩むという現象は、ボルトの締結機能が働かない状態となっている。

実はこの要因は、根本的に以下２つのことが原因となっている。

1)ボルトの軸力が小さくなる
2)ボルトの軸力が解放される

１）のボルトの軸力が小さくなるについて説明する。
材料の変形には弾性域と塑性域がある。弾性域とは部材が変形しても元の形状にもどる領域を指し、塑性域とはその変形が元に戻らない領域を意味する。

ボルトの軸力が小さくなるとは、ボルトが塑性域の状態に達し、一旦ねじの締付けを解放しても、元に戻ろうとする力が弱まってしまう状態になることを言う。

例えば、ボルトを締めすぎると締結力が弱まってしまった！という経験は、この原理に基づいている。

２）のボルトの軸力が解放されるについて説明する。
ボルトが元に戻ろうとする力によってボルトと部材に摩擦力が生じ、締結力が生まれるのは、あくまでボルトと部材間に隙間が生じていない関係の上で成り立つ。

ボルトと部材の間に隙間があれば、その距離が均一に保たれなくなり、一瞬にしてバネ力が失われることになる。

軸力が解放されるとは、まさにこの”部材間の隙間”がもたらすことが要因となっている。ボルト座面と部材の間に生じる摩擦力が原因で隙間が生じてしまうと、バネ力が失われることを言う。

実際には、この２つの要因がボルトが緩んでしまうことに起因していると筆者は解釈している。

例えば、自動車メーカーで、エンジンや変速機内部の『絶対緩んではいけない』ボルト類は、敢えて塑性域まで引っ張って締め付けるという設計法をしている。これはさらに高度な設計で、ボルトを塑性域まで引っ張り、隙間を生じさせない設計となっているだ。

もちろん、環境負荷に耐えうるボルトの強度を持たせた上での設計になる。そうすることで、理論的にボルトは緩むことはない。

私も過去に設計した装置には、大体スプリングワッシャーを多様してきた。ただ、これは諸説あって、決して”ボルトの緩み防止”になっていないという事実がある。

結局のところ、ボルトが緩んでしまうのだ。

スプリングワッシャーは、一見、軸力を増しているように思えるが、実は隙間を作っているとも言える。先ほどのボルトが緩む要因の中で、２番目の隙間を発生させる要因となってしまうのである。

厳密には、「軸力を増す力」と「隙間」の関係を計測しないと、はっきりとは言えないが、”緩み防止”としては、あまり効果的ではないと言えるだろう。

では、ボルトの緩み止め対策としては、どのような方法が効果的か考えてみる。これは私の経験則となるため、賛否あると思うが、参考程度に読んで欲しい。何事にも原因があって対策があるという原則に基づく。
 
まずはボルトが緩むという原因は、先ほど述べた２つが挙げられる。

1)ボルトの軸力が小さくなる
2)ボルトの軸力が解放される

これらを総合すると、
負荷に対して、適正な摩擦力が発生していれば、 ボルトは緩むことはないとも言える。

あくまで、負荷に対する適正なボルトサイズが間違っていたり、そもそもボルト自体の強度が足りない場合にボルト緩みという現象が起こると考えている。

また、このような現象が起こってしまった場合、あまり大きな設計変更をできない場面が多いことも私は経験している。そこで、まず有効的な対策の１つに、ボルト自体を変更してしまうという手段がある。

ボルトの強度区分を変えてしまうのだ。

例えば、現在使われているボルトの強度区分を調べ、それら区分が低い場合には、強度区分の高いボルトに変えてしまうのだ。

強度区分の高いボルトの代表的なものは、クロムモリブデン鋼の焼き入れ焼き戻しされたSCM435が挙げられるだろう。これは、工作機械などでよく使われるボルトになる。

ちなみに、同じ黒色でもクロゾメ処理(四三酸化鉄皮膜処理)もあるが、 そのボルトではないので注意して頂きたい。

四三酸化鉄皮膜処理というのは、鉄の表面を錆びさせそれ以上、錆が進行しないようにする処理のことで、SCM435もクロゾメ処理のボルトも見た目は黒色になる。

ボルトの強度区分を上げれば、前述したバネの剛性が上がるので、設計変更せずに、ボルト緩み防止になるのだ。これは、過去の経験上、効果のある対策である。

また、それでも緩んでしまう場合は、
装置の負荷に対して摩擦力が足りないケースとなる。

摩擦力が足りないということは、そもそも締結力が不足していることになるため、ボルトサイズを上げる必要が出てくる。こちらは設計変更が必要だが、最小の変更で済むため、まだ被害最小となるだろう。

また振動でボルトが緩んでしまうというケースも多いのではないだろうか？

この振動でボルトが緩んでしまう要因としては、

2)ボルトの軸力が解放される

が考えられる。

状況によっても変わるためはっきりとは言えないが、振動によって、ボルト座面が削れ隙間が生じてしまうのである。隙間が生じるとボルトの張力は解放されてしまうため、ボルトが緩んできてしまうのだ。

振動はやっかいな現象の１つで、震えが起きている現象を現物確認できない。だが、先程から述べている要因から推測すると、うまく説明がつくため、筆者はこう考える。

振動によって座面が削れてしまう
↓
ボルトと座面のスキマが生じる
↓
ボルトの張力が解放される

この場合の現象として、「振動でボルトが緩む」ことになる。

大手自動車メーカのトヨタでは、板ワッシャーでは歪んでしまって駄目だと言う事で、フランジ付きボルトへの統合を進めているみたいである。

基本ボルトの締結とは、部材同士の摩擦力となる。その為には安定して強い軸力（張力）を派生させる事が大事となり、更には、2点止め以上で回転力を発生させない事や1点集中を避ける事が設計的に必要である。

そして、ボルト緩みの基本的な対策としては、

・ボルトの張力をアップさせる
・座面の硬度を上げる

これらが効果的だと筆者の経験上考えている。

ボルトってたくさん種類があるけど、実際に設計段階で使うボルトはごく限られたものになっていると思います。その理由の１つに、会社によって使われるボルトの種類が決まっているからという理由が挙げられます。大まかにでもどんな種類のボルトがあって、どんな用途に使われているのかを知ることで設計の幅が広がると思います。

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ボルトの種類にはどんなものがあるの？

ボルトの種類といってもいろんなものがあります。
ここでは、代表的なボルトの種類と主な特徴を紹介します。

六角ボルト

どこでも使われる一般的なボルトです。工業機械、建築などいろんな分野で使われます。長手方向からのアクセスが難しい場合に使われることが多いです。長手方向は難しいけど、横からならスパナが入るといったときに選ぶことが多いです。

六角穴付きボルト（キャップボルト）

六角穴付きも六角ボルト同様、一般的なボルトです。穴は六角形の形のものがあいています。長手方向からのアクセスが容易な場面で使われます。工作機械では、クロムモリブデン鋼の焼き入れ焼き戻しをした（良く見かける黒染め処理のもの）がよく使われます。

六角穴付きボタンボルト

六角穴付きボタンボルトは、頭の先が丸くなっていることが特徴です。丸くなっていることから、カバー類を止める場面でよく使われます。穴は六角形の形になっています。

六角穴付き皿ボルト

皿ボルトはボルト頭がフラットなことが特徴です。表面にボルト頭を飛び出させたくない場合に皿ボルトを使います。皿ボルトを使うことで平らな面が揃い、見た目をスッキリさせることができます。

アイボルト

アイボルトは釣り上げ用途に使われます。タップまたはバカ穴にアイボルトを取り付け、吊り具やシャックルなどを付けて帯を付けます。せん断方向で荷重を受けるような使い方はせず、常に引張り方向での使い方がほとんどです。

Ｕボルト

こちらはパイプなどに吊り下げる目的で使われることが多いです。取り付け部品にはバカ穴を空けておき、ナットで固定します。

蝶（チョウ）ボルト

蝶ボルトは主にカバー類の取り付けや開け閉めする頻度の高い部位によく使われます。ボルトの頭に耳のような突起物があることが特徴です。道具を使わずフタを開け閉めしたい場合に使われます。

フランジボルト

基本的にボルト＋ワッシャー使いと同じ意味合いです。ただ、フランジ（ワッシャー）が付けられているので、組み立て上便利だという意味合いになります。また、長穴隠しという意味合いでも選ばれます。
 
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小ねじ類の種類には何がある？

ボルトもねじも同じ意味で使われますが、正確な分類としては
ボルトとねじは違うようですね。

ボルトはナットと組み合わせて使うものとか、
ねじよりも大きな径のものが頭につくものとか、
比較的小さいものがねじだとか、比較的大きいものがボルトだとか、

いろいろ意見が分かれるようです。

ここではそういった議論は省略しますね。

ただ、正確には「ボルト」と「ねじ」は区別されている
ということです。

では、ネジにはどんな種類が存在するのかご紹介しようと思います。

ナベ小ねじ

皿小ねじ

丸皿小ねじ

トラス小ねじ

こんなとこでしょうか。

全体的にねじは、あまりトルクの掛らない、負荷の小さい部位に
使われる傾向にあるみたいです。

どうやって使い分けるの？主な用途は何？

使い分けるポイントですが、
特に六角穴付きボルトや六角ボルト、六角穴付きボタンボルトなどは、
基本的に工作機械などの分野で使われています。

これらのボルトは、”焼き”と言ってボルトの製造過程に焼結工程が入っており、
他のボルトよりも強度が増していることが理由としてあります。

また、基板業界などで使われる装置では、六角ボルトや小ネジが多く使われる傾向にあります。

負荷の小さなものを取り扱うからでしょうかね。

そこで、上記で紹介したボルト、ねじ以外で便利なねじをご紹介しようと思います。

その他便利なねじたち

化粧ビス＆化粧ビス座金

このビスとビス座金はセットで使うものです。特に見た目上ボルトを綺麗に見せたい場合に使われるビスです。座金が入ることで、取り付け面から綺麗な湾曲を描き出っ張るので、見た目は格段にきれいに仕上がります。ただ、座金が入る分、直径が大きくなるデメリットもありますので、設計の際には注意が必要です。

段付きボルト

段付きボルトは、段のついている部分に寸法公差が入ります。ベアリングなどをはめ込む場合に使えます。こういった部品を加工品で作るとお金がかかりますが、購入品で販売されていますので利用すると便利です。

脱落防止ビス

脱落防止ビスは天地方向へのボルトの取り付けで、尚且つ、ボルトが途中で緩んでも地面に落としたくない場合に使います。使い方としては、取り付け面側のタップとは別にもう一つタップを設けることがポイントです。

トルクスビス

トルククスビスは普通のレンチではボルトが外れないような穴の形状になっていることが特徴です。特殊なそれ専用のレンチが必要です。海外向けに出荷する際などCE規格に対応するビスとなります。この画像以外にも六角穴付きボルトの穴形状がトルクスレンチの穴形状になったものもあります。

低頭六角穴付きボルト

低頭ボルトは名前の通り、ボルトの頭が通常よりも低くなっています。板厚が薄い場合に使えるとても便利なボルトです。購入品の寸法上どうしても低頭ボルトを使わないといけない場合に使われます。

超極低頭六角穴付きボルト

こちらは低頭ボルトよりもさらにボルト頭が薄いタイプのボルトになります。コンパクト設計に必要なボルトになります。

これらのねじは、所々便利なアイテムですので、用途に応じて使うと良いと思います。

今回は、機械部品で良く使われるボルトの種類をまとめました。
他にもこんな便利なボルトやねじを使っているという方は、コメントいただけると助かります。

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みなさんはボルトの選定にどのくらい重きを置いているのでしょうか？この部品を取り付けるボルトのサイズはどれが適正か、何本が良いのかちゃんと証明することができるでしょうか？もしできないなら、これから紹介する計算方法を参考にしていただけたらと思います。

ボルトの強度計算は難しい？

ボルトの強度計算と聞くと、少し難しく聞こえるかもしれません。また、過去の設計がある場合、何も気にせず同じサイズの同じ本数で流用設計を行い、まったくボルトの強度計算をしないケースもあると思います。

確かに過去の実績は一番の証明でありますから、その設計で問題がなければ、同じでもほぼ問題は起こらないでしょう。でもそれは、決して良い習慣ではありません。ボルトなんて所詮止まればいいよ、と思っているなら、設計者としてはまだまだひよっ子だということです。

設計者ならば、ボルト１本まで理由をもって選定してほしいものです。そこで、ボルトを選定するにあたり、いったいどこに気を付けて、どんな計算をすれば良いのか私の経験をもとに紹介していきます。

力（負荷）の大きさと向きを整理する

まず、ボルトの強度計算に必要なもの、それは、
・ボルトに掛かる負荷
・ボルトの保証荷重
これらの情報が必要となります。

ボルトにいったいどのくらいの力（大きさと方向）が加わるのか、また、それらの力が加わった時に、ボルト１本あたりどこまで耐えられるのか、保証荷重をもとに判断しないといけません。まずは、今ある条件の力、負荷（大きさと方向）を整理しましょう。

引っ張りなのか、せん断なのか、モーメント荷重なのか、部品と力の作用を絵で書いて、正確に把握してください。
例えば、こんな感じです。

この絵が何かを理解する必要はありませんが、こんな感じで絵にすると、力の向きと大きさを把握しやすくなると思います。

ボルトの保証荷重を確認する

次に、ボルト自体の保証荷重を整理します。

これは、ボルトの強度区分が12.9の場合の保証荷重の値となります。保証荷重は、ボルトが受ける力の方向によって異なります。
 

せん断強さの場合、ボルトの保証荷重は引張り強さの60～70%程度になりますので注意しましょう。ここで、一般的によく使われる鉄の引張り強さを紹介します。

こういったよく使う鉄の物理的性質はあらかじめ調べてまとめておくと便利です。

サイズと本数を実際に計算してみる

では、実際に計算例をご紹介します。かなり、実践的な計算なのでそのまま使えると思います。私が実際に工作機械の設計で使っていた計算例です。

例題 　締結ボルトの安全率とせん断方向の強度計算 は従来の記事がわかりづらいので、計算例を変更しました

まずは、自分の作成した関係図より条件を整理します。私の場合、M16のボルトを半径R0.16mで16本使った場合の計算例となっています。M16の保証荷重を152,000Nとし、モーメント荷重をドリル加工時の負荷で計算しています。モーメントはみなさん荷重条件に合わせて計算してみて下さい。

ここで、ボルト1本あたりにかかる負荷を求めています。1本あたりに4977Nという計算結果となっています。

このボルト1本あたりの負荷に対してどのくらい安全率があるのかをボルトの保証荷重より、計算します。30倍あるという結果です。安全率が3倍という基準を設けて、問題ないと判断しています。

次に、せん断方向の強度計算です。この計算では、せん断強さσは引っ張り強さの60%として計算しています。M16の場合、152,000÷157×0.6 = 580N/mm^2

上記式でせん断強さに関する安全率は18倍となり、基準となる3倍を上回っているので、問題ないと判断しています。

以上がボルト強度計算となります。ボルト１本あたりの負荷およびせん断方向の強度計算で安全率を求め、選定したボルトサイズが強度的に問題ないか判断している計算となります。

※読者様より、いろいろなご指摘ありがとうございました。