ボルトの選定方法 ーボルトの許容荷重はどれくらい？ー
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- Опубліковано 6 жов 2024
- ボルトを選定するとき、許容荷重をインターネットなどで調べることって
結構ありますよね。
「ボルト許容荷重の資料によると、2トンまで大丈夫なのか。
今回の設計では安全率５なので、このボルトで締結された部材に
400キロのモノをぶら下げても大丈夫ってことね。」
と、やってしまうと、とんでもない事故につながるかもしれません。
なぜでしょうか？？ という話をする動画です。
ポイントは以下となります。
・その資料の荷重は、何の荷重なのか？
・初期締結軸力（初期締付け軸力）を考慮しているか？
初期締結軸力を無視している機械エンジニアの方をしばしば見かけるため、
この動画を作成いたしました。
以下の点についての話もしております。
・弾性限、降伏点／0.2％耐力、引張強さ、の違い
・ボルトの強度区分の数字の意味
・ボルトの降伏応力の求め方
・適正締付けトルク
連絡先：mitsu.asai.6@gmail.com
動画の最後のほうで、
「ボルト内外力比を考慮すれば3510Nよりも【もう少し】大きな力をかけられる」
と言っておりますが、【数倍】大きな力をかけられます。
Shin Mさんのコメントに感謝です。
ちなみに、ボルト内外力比を計算することが困難である場合は、『3510Nの２倍の荷重』を限度とすることをお勧めします。
（詳細はボルト内外力比を調べて頂きたいです。ご質問があればコメント欄へ。）
【もう少し】とか【数倍】とかの間接的な表現って全然意味が無いんじゃないかな？
ここで単純のためにボルトナットで被締結２部品を締結した事にして、
被締結２部品を引っ張ってＦを大きくしていくと何が起きるかを考える。
・Ｆが初期締結力を超えるときから被締結２部品が微細に離れて、引っ張り力とボルトの単純な力比べになる。初期締結力は全く関係無い
・Ｆが初期締結力を超える前から被締結２部品が微細に離れて、引っ張り力とボルトの単純な力比べになる。初期締結力は全く関係無い。（引っ張り力による被締結部品の弾性変形、主にボルト座面の凹みを考慮した場合の挙動）
となる。
なので、初めから「初期締結力を減じて、真の許容加重を算出する」というこの動画のテーマの大部分が成り立たない。
「初期締結力を減じてから【数倍】する」という謎の手続きは、動画を見た人からのツッコミとしては適切だけど、動画を作った人の訂正としてはおかしいと思う。
メインテーマが間違っているので動画をゼロから作りなおすところかと。
もちろん、初期締結力はそれはそれとして大事なパラメータなので言及があるのは素晴らしい事と思うけど。
コメントありがたいのですが、ご指摘の内容が理解できませんでした。特に、
『～引っ張り力とボルトの単純な力比べになる。初期締結力は全く関係無い。』
という点がわかりませんでした。
初期締結力が降伏過重になるまでボルトを締め上げたとすれば、被締結材をちょっとでも引っ張るとボルトは永久変形します。
『初期締結力は全く関係ない』というのは、どういうことでしょうか？
@@ペンギンの機械工学講座
なるほど。
＞初期締結力が降伏過重になるまでボルトを締め上げた
それは全く想定していなかったので驚いた。動画でも70%程度に設定するとあったので、それはある程度、前提として含んでいるものとしていた。
では改めて、
１．２つの被締結部品をボルトナットで締結する
２．初期締結力は降伏荷重の1%～99%の範囲とする
３．被締結部品が離れる方向に引っ張る。このときの力Ｆは０から少しずつ強くしていく
４．被締結部品が剛体である場合、Ｆが初期締結力を超えた段階でフックの法則により２部品の間に微細な隙間が生じる
５．この後、Ｆを大きくしていったとき、初期締結力に関わらずボルトナットは同一の挙動を示す。すなわち降伏過重を超えた段階で永久ひずみ（後略
というのが前のコメントの主旨。
初期締結力＝降伏過重という極端な条件は考慮していなかった。
実際は被締結部品は剛体でなく、ボルトに降伏過重がかかったときも被締結部品が受けた応力が残っているのでボルト内外力比は見逃せない、か。特に初期締結力＝降伏過重に近ければ近いほど。
引っ張り力を大きくしたときに、ボルトにかかる「被締結部品のひずみ由来の力」が小さくなっていく事を小さなファクタとしている点が問題か。
はじめまして。建築の構造設計をしているものです。
動画にある、「降伏許容荷重－初期締結軸力＝許容荷重」というのは、機械工学の教科書には、そのように書いてあるのでしょうか？
建築ではそのような計算は行いません。
初期締結軸力は、ボルト軸に初期強制変位が与えられている（最初から少し引き伸ばされている）と考えることができます。この状態に徐々に引張荷重をかけていくと、引張荷重が初期締結軸力以下の場合、ボルトの軸力は変化しません。引張荷重が初期締結軸力を超えたところからボルト軸力は増え始め、これ以降は ボルトの軸力＝引張荷重 となる。
と考えて、初期締結軸力は考慮しません。
ボルトを強度的に選定する方法としては(オーバースペック気味だけど)正しいと思います。
ただ、”ボルト締結”という観点からみると、被締結材側の強度を勘案せずに設計するとめねじ側が破損する場合があるので要注意ですね
(個人的に、”ボルトの強度＞＞被締結材の強度”の条件で設計することが多いので気になりました...)
もっと言うと、メッキの種類で電食が起きたりなんだりで、ボルトの選定は本当に難しいです。
＞被締結材側の強度を勘案せずに設計すると〜
貴重なコメントありがとうございます。
動画内で言うべきでした・・。
＞メッキの種類で電食
考えたことなかったです。。勉強になります。
最近バイクの素人いじりでボルトを捩じ切りまくってたので興味深く視聴させていただきました。
どうも。ご視聴いただき嬉しいです。
すばらしです。出していただく動画全部みます。
ぜひとも。
設計初心者の頃、ボルトの選定するときにまさに動画の冒頭のような設計して先輩に50点と言われたの思い出した。
実際の設計ではおっしゃる通り初期軸力や疲労破壊の影響も考慮したり、ボルト締め付け線図と言ったり奥が深いんですよね。
（といっても締め付け線図書いて設計したことないけど）
自分の浅い経験で言うと、実際の現場でボルトぶっ壊れる要因トップ３は疲労破壊、想定外の外力、そもそもボルトレイアウトがイケてないの３つかな。
熱源が近くにあるとき場合によっては熱変形も・・・。
素人だとこういう情報がわからないのでバタ角と短管パイプ接続するのに穴あけて、ボルトでとめることを諦めて足場用のクランプに変えました。溶接ができればよかったんですが。
機械設計初心者なので助かります！ありがとうございます！
とても分かりやすかったです！
どうも。嬉しいコメントありがとうございます。励みになります。
理想はおっしゃる通りだけど、実際の設計では過剰設計です。
フランジなんて、ボルトのオバケになってしまいます笑
ボルト、ナット（タップ）が同材質なら単純ですが、異材の場合はネジ部の応力計算から行ってます。
そこら辺の説明もしていただければおもしろいと思います。
＞ボルト、ナット（タップ）が同材質なら単純ですが、
同材質なら、ボルト内外力比を求める為に必要となる
『ボルトと被締結材の剛性比』を簡単に求めることができる ということでしょうか？
悩んでたので、助かりました
ありがとうございます。ESさんが悩みを解決できたのならとても嬉しいです。動画を作成してよかった。。
分かりやすいです
嬉しいコメントありがとうございます。
何となく興味深い話なので拝聴しましたが、降伏点について少しだけでもご説明頂きたかつたです。
コメントありがとうございます。
とりあえずは 降伏点＝材料が永久変形を開始する圧力 だと思っていただければ。。
モーター・減速比・歯車の選定方法も例題付で教えてください！お願いします！
いい感じのネタを思いついたら是非トライしてみます（特に歯車の選定とか）。
ちなみにモータってものすごく沢山の種類があるから選定って難しいんですよね。。。
なので自分の場合はモータ屋さんに聞いちゃいます。「こんな条件なんだけど、何か良いモータある？」って。
@@ペンギンの機械工学講座
返信ありがとうございます！
ですよね〜。やっぱ専門メーカーに聞いた方が早いですよね。
でも物凄くわかりやすい動画ですね！今後も新しい動画も是非お願いします！私も独学で勉強中の身でありまして、今回の動画でモヤモヤしていたのが一発でスッキリしました！（因みに私も間違ったボルト選定をしていました）
ねじは突き詰めると難しいですよね。
自分の場合はめねじ側がぶっ飛んだんで、ねじ山の全長を計算して材料の許容剪断力を算出して選定したりしてました。
あと、座面やねじ山の摩擦係数なんかもわりとばらついて軸力に影響する事もありますので、組み立てにあたってはそのあたりも注意が必要でした。
難しいですよね・・
自分の場合は過剰設計が許されている環境なのでネジをぶっ飛ばしたことは無いのですが、
その分学びも少ないように感じております。
実際に苦労された m's fujisawa さんの方がたくさん学ばれているのだと推測します。
面圧もあるし軸力はトルク係数次第だから実際実験すると値違うしキレそ
始めまして。初歩的な質問申し訳ありません。
最後の計算式：「11700-8190=3510」が成り立つ理由はなぜなのでしょうか？
興味があるのでぜひ教えてください。
オススメに上がったので拝見しましたが、
(短期の引張荷重だという前提で)M8-4.8ボルト保証荷重11400Nのボルトを3510N以内で使えというのは乱暴では無いでしょうか？
ボルト内外力比の件はありますが、
その話の前段として
「初期締結軸力が8190N与えられた所に、母材側に仮に7000Nの引抜を与えても、ダイレクトに軸力が15190Nに上がるのでは無い。
ボルト軸力は初期状態で変化せず8190Nのまま、
初期導入軸力により与えられた8190N分の面間圧力が1190Nに低下する。」
という話のはずです。
確かにフランジ側の剛性次第で、「ボルト内外力比」や、「てこ反力」による軸力増加の問題が出てきますが、
だからといって一律で安全率4~5倍のボルト選定は過剰設計すぎます。
長文失礼しました。
＞11400Nのボルトを3510N以内で使えというのは乱暴では無いでしょうか？
11400Nまでボルトが耐えられるのであれば、11400Nまで使っても良いのですが、
11400N の内70%は初期締結軸力として既にボルトに作用しているので、
外力が加わる場合には、ボルト内外力比を無視すれば、その外力は11400Nの内30%までしか負荷できない
ということを説明しようとして動画を作成しました。
＞初期締結軸力が8190N与えられた所に、母材側に仮に7000Nの引抜を与えても、
＞ダイレクトに軸力が15190Nに上がるのでは無い
おっしゃる通りです。
＞ボルト軸力は初期状態で変化せず8190Nのまま、
＞初期導入軸力により与えられた8190N分の面間圧力が1190Nに低下する
自分の認識は異なります。ボルトと被締結材の剛性（ばね定数）が同一であれば、
外力として追加した力の半分がボルトに追加されます。
なので動画内でも触れていますが、ボルト内外力比を考慮すれば3510N以上の外力を負荷可能です。
＞一律で安全率4~5倍のボルト選定は過剰設計すぎます
繰り返しになってしまいますが念のため。
11400Nまで負荷できるボルトであれば、11400Nまで使用しても良いのですが、
ボルトを締め付けた後に、被締結材に外力として11400Nは追加できない。
11400Nの内70%は初期締結軸力として既にボルトに負荷されている。
ということを伝えようとして動画を作成しました。
ただし、ボルト内外力比を考慮すれば一般的に外力の0.1～0.5倍程度の力しか初期締結軸力に追加されないため、
3510Nまでしか外力を負荷できない というのは確かに言いすぎですね。
一応動画では「ボルト内外力比も考慮してね」と申し上げているのですが、反省しております。。
@@ペンギンの機械工学講座 返信ありがとうございます。
問題提起としては意義のある動画だとは思っております。
「3150Nまでしか外力を付加できない」というより、
もし動画が「締結材の弾性を計算せず、経済性も度外視で”絶対安全”な継手とするなら3150N/本までしか負荷できないよ」
という流れだったら納得できていました。
実設計でもし部下が、他の根拠なく「短期荷重なのにボルト1本で2～3割程度の仕事」しかさせず、
ボルト本数を倍以上使った継手を設計してきたら、怒るか呆れるかしてしまうなと思いまして...
私の業務での実設計では、もし限界設計を目指すと「ボルト内外力比」と共に「引張接合時のてこ反力」も問題となります。
どちらも、「考慮不足だと想定よりもボルト軸力が増大してしまう」問題です。
もし今後動画を作られるようでしたら、
「ボルト内外力比」と共に「引張接合時のてこ反力」も一言でも含めて頂けると、勝手ながら更に意義があるかと思います。
※先の私のコメントの
「ボルト軸力は初期状態で変化せず8190Nのまま、
初期導入軸力により与えられた8190N分の面間圧力が1190Nに低下する。」
というのも、締結材が剛体であったらの思考実験の話です。私も説明不足でした。
私が勉強した際はそれが分かった方が、その次の「ボルト内外力比」や「てこ反力」の話が分かりやすかったので...
スクリーニングなどで自分で破壊試験をしたことが有る人なら締結軸力までは荷重による軸力に対する影響がほとんど無いことを知っていると思います
貴重なコメントありがとうございます。実際に実験している人から
＞締結軸力までは荷重による軸力に対する影響がほとんど無い
と言われてしまうと、『ボルト内外力比』の理論はなんだったの？と思ってしまう。
機械要素設計（実教出版）によると『一般には外力の0.1～0.5倍程度が初期締結軸力に追加される』
だそうですが、う～ん。。
@@ペンギンの機械工学講座 さん
自分のコメントに説得力が無いのは自覚しています実際に計算書としてまとめる場合は試験結果を逸脱しないように内外力比など一般的な表現により矛盾がないようにしていました 本当はダメなことなのでしょうが
試験自体は簡単な治具とロードセル数カ所で可能ですので機会があれば測定してみてください
なんでボルトの計算でここまで意見が違うのかがわからない。もしかして機械設計者って皆が皆独自のルールで計算しているのか・・・？それって、やばくないか？
ステンレスにも降伏点は存在しますか?
毎回思うんですけど、なんでこういうのって引っ張り強さで記載されてるんですかね。耐力や降伏点で書かれてたらもっと計算しやすいのにって思うんですけど。
あと、こういうのって今はモデル作ってソフトに読ませたら大体計算して貰えるんじゃないかなって思ってます。
これから設計者どう言ったところで差をつけていけばいいんだろうって心配しています。
まだ知識が浅くて間違ったことや失礼なこと言ってたらすいません。
引張荷重だけで設計なんてしない。
正解！
まぁこの動画は『初期締結軸力に気をつけよう』という趣旨の動画なので、悪しからず。
M8で３０００Nm？
一桁多いでしょ