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機械設計メモ2

・ボルト(ねじ)

ねじの締め付けトルクと軸力の計算式(計算シート有ります)

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今日は「ねじの締め付けトルクと軸力の計算式」についてのメモです。設計の中でも重要な「締結」に用いられる「ねじ」について、ねじの締め付けに関する情報をまとめ一式で評価できる計算シートを添えてご説明したいと考えています。

このブログでも沢山の記事を書いてきましたが、これらの情報をまとめるのがとても大変で、読まれた方たちも「結局のところどうすればいいの?」と感じていたのでは?と推測しています。ですから今日は、ねじの締め付けに関する情報をまとめ、設計側で求める締結の品質から生産工程でそれらをどのように担保していくのかも考えてみます。

少し長くなるかも知れませんがどうかお付き合いください。

 

ねじの締め付けトルクと軸力の計算

過去のねじに関する記事まとめ

まず、私が今まで書いてきた記事のまとめを見てみます。

 

引用:機械設計メモより

  • ねじにロックタイトを塗布すると、ねじの軸力が変わる
  • 量産品のねじの締め付け方法について
  • ねじの締め付けトルクの計算方法
  • ねじの軸力とは。軸力の考え方について
  • ねじ(ボルト)のサイズを選定する方法。

これらの記事は「ねじ(ボルト)記事一覧」からご確認ください。

 

 

引用:機械設計メモ2より

  • ねじの強度区分とはなにか。強度区分の考え方と一覧表
  • ネジの締付けトルクに対する軸力の表

これらの記事は「ボルト・ねじ 一覧」からご確認ください。

 

 

設計者がネジを選定する流れと意識する場所は?

機械設計に限らず、ねじを使って締結する場所で大切なことはなんでしょうか?

 

それは、ねじを締めたときに発生する軸力で「物同士を押さえ付ける」のが目的ですから、その物の大きさや掛かる負荷に対してネジのサイズを決めることが大切です。そして、その必要な軸力を設計がどれだけ把握しているかどうかと言うことです。

 

流れでは、

  1. その締結に必要な軸力を確認する
  2. その設計仕様内で使ってよいネジ、タップ材(母材)を確認する
  3. 潤滑剤の有無も必要かどうか確認する
  4. その軸力(押さえつけ力)を満足するであろうねじを配置及び・ねじ込み深さを設計する

という流れです。

 

設計の品質がわるいと、どんなに正しい締め付けトルクでしめても製品の品質が悪い時がある

この見出しの意味は、設計側でM5ネジを設定したが、実はそれが設計ミスで、本当はM6が必要だった、、、という場合です。

通常、一旦締めたネジは基本的には緩みませんが、振動・衝撃などにより緩む可能性があります。その外的要因を考慮せず、M5を選定しM5ネジの基本的な締め付けトルクで締めていたが、緩んできてしまうからギリギリまで強めに締めたらねじが破断してしまった。

という例えです。

何が言いたいかと言うと、確かにそのMサイズに合わせた締め付けトルクで締めてもも、設計が悪ければ足りないトルク(=軸力)になりますし、だからといってそのねじを更に規定以上で締め付けてしまえばネジがちぎれてしまいます(ねじの耐力値を超えてしまう)。設計がそこをしっかり設定しない限り、締結の品質問題は解決しないと言うことです。

 

設計が把握していれば製造がすごく楽になる

逆に設計側がその機械の締結を適切に把握していたらとても製造が楽になります。

それは何故かというと、設計の品質が満足されていれば締め付けトルクにも許容範囲を持たせやすいからです。締め付けトルクの許容範囲については「ねじの締め付けトルクの計算方法」をご確認ください。

製造ライン上では、各ネジに対して締め付けトルクが決まっています。そしてその値のほとんどが標準的な締め付けトルクを用いているはずです。しかし、そのトルクからどれだけずれたらNGなのでしょうか?そこを明確にしないからトルクレンチの精度にこだわり、過剰で少しずれた品質に目が言ってしまうのです。

 

結論:まず先に設計の品質を満足させる事から始まる

あくまで締め付けトルクは、必要な軸力を締め付けトルクに置き換えて管理する手段です。

設計はその軸力をどう把握するかが重要で、さらにその軸力は「使用するねじの耐力のどれくらいの割合を占めているのか」を考慮する必要があります。外的要因の衝撃や振動がかかる装置の場合、耐力のギリギリを使用している締結はリスクが高いですよね。そこまで考慮して設計の品質を満足する必要があります。

 

パターン1

  1. 設計側は締結の品質を決め、その都度締め付けトルクを下限、基準、上限で指定する。(組立図のネジ部に記載するなど)
  2. 製造側は、その締め付けトルクを満足するようにする。

 

パターン2

  1. 各ネジ材質、ネジサイズ、タップ材質などから社内ルールを作り、設計はそれに則る形で設計をする。
  2. 製造はそのマニュアルに沿ったねじの締め付けトルクで製造を行う。

 

この場合のメリットは、設計の指示が無くても製造はそのルールに従いねじの締め付けトルクが解ります。設計は製造が締め付けるトルクにおける軸力を用いて設計できます。これの参考になる資料は「ネジの締付けトルクに対する軸力の表」をご確認ください。この表のような組合せが、社内に必要パターン分あればOKです。

 

ちなみに私はパターン2寄りです。

私の基本ベースは、パターン2です。毎回設計案件が同じカテゴリにならないため、基本的には標準とされる締め付けトルク(東日様情報採用)で満足するように設計します。

時折、パターン1を行なうこともあります。それは既存品のネジから起因する不具合が起き、改めて設計検証を行なう場合は、その装置で使っているネジが適切かどうかの検証を行い、その検証の結果から締め付けトルクを下限・基準・上限で指定し直す時です。

特に量産品のねじサイズをあげたりするのは不可能に近いので、その中で設計の要求品質を満足しながら組立リスクを減らすことをします。 それが出来ないものは設計ミスなので改定します。

 

ねじ締め付けトルクと軸力の計算書ダウンロード

ここでは計算書のダウンロードが出来ます。この計算書は黄色のセル部分を選択・入力するだけで軸力等の情報が出るのと、先ほど書いた外的要因に対する評価も出来るようになっています。

 

計算書の使い方

 

①ネジとタップの情報を入力・選択します。

※強度区分で悩む方→ねじの強度区分とはなにか。強度区分の考え方と一覧表

 

②負荷関連の情報(必要な場合のみ)

ここを入力するとより詳細な評価が可能になります。

  • 締結し、軸力が発生しているねじに衝撃や振動で更に引っ張り方向の負荷が掛かる場合
  • 締結し、軸力が発生しているねじに対して横滑りの負荷が掛かる場合

この二つが評価できるようになっています。

 

③参考にするT系列を選択します

※東日様情報を参考にしています

 

④T系列の値になるように締付度合「基準」を調整します。

※結果1の締め付けトルクの基準が参考T系列に近い値になるように調整します。

 

⑤上限及び下限は、軸力が設計の品質を満足する範囲で調整します。

※設計の品質が満足した状態で、各部位の安全率を確認しながら行います。

※安全率が過剰であればネジサイズなどを落とし、足りなければネジサイズをあげるよう再調整します。

 

摩擦係数についての補足

摩擦係数だけはその都度変わるものであると考えております。そのため計算書は基本ベースの摩擦係数0.25とさせていただいています。この部分に関しましては「ねじにロックタイトを塗布すると、ねじの軸力が変わる」をご確認ください。

 

以上です。




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