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。