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- 機械設計法
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- ねじ
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- 08 / 14
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- シミュレータ・例題3問
ボルトの頭の「8.8」は、強さの暗号ボルトの強さ
強度区分 8.8 は「引張強さ 800 MPa・降伏点はその 0.8倍の 640 MPa」の意味で、ねじの谷で決まる有効断面積(M10 は 58.0 mm²)とかけると、M10 の 8.8 は約 37 kN で降伏し始める。安全率 3 なら 12.4 kN まで使え、10 kN をかけるなら M10 で足り、M8 では足りない。

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この単元のポイント
- 強度区分 8.8 は「引張強さ 800 MPa、降伏点はその 0.8倍の 640 MPa」という意味。10.9 なら 1000 MPa と 900 MPa。
- ボルトの強さは、ねじの谷で決まる。計算に使う断面積は有効断面積で、M10 なら 58.0 mm²(直径 10 mm の丸の約 74%)。
- M10 の 8.8 は、約 37 kN で降伏し始める。安全率を 3 とると、使えるのは 12.4 kN まで。10 kN をかけるなら M10 で足り、1つ細い M8 では足りない。
機械の台を留めるボルトは、何 kN まで耐える?
工場の床に置いた機械は、脚の台をボルトで床に留めます。機械が動くと、台を床から持ち上げようとする力がかかります。それを受け止めるのは、ボルトです。
ボルトが引っぱられて伸び、もとに戻らなくなると、台がぐらつき始めます。だから、ボルトは「降伏し始める力」より十分小さい力で使います。
ボルトの頭には、「8.8」や「10.9」のような数字が刻んであります。これを強度区分といいます。この数字と、ねじの太さ(呼び)が分かれば、そのボルトが何 kN まで耐えるかを計算できます。
この単元では、M10(ねじの外径 10 mm)で、強度区分 8.8 のボルトを考えます。まっすぐ引っぱったとき、何 kN で降伏し始めるでしょうか。
予想してから読むM10・強度区分 8.8 のボルトをまっすぐ引っぱる。降伏し始める力は、約何 kN?
強度区分の読み方
強度区分は、点の前と後ろの2つの数字でできています。8.8 なら、前が 8、後ろが 8 です。
- 前の数字 × 100 = 引張強さ(引っぱって切れるときの応力)[MPa]
- 後ろの数字 ÷ 10 = 降伏点(引っぱって、もとに戻らなくなり始める応力)が、引張強さの何倍か
8.8 なら、引張強さは 8 × 100 = 800 MPa です。降伏点は、その 0.8倍の 640 MPa です。
| 強度区分 | 引張強さ | 降伏点 | 降伏点 ÷ 引張強さ |
|---|---|---|---|
| 8.8 | 800 MPa | 640 MPa | 0.8 |
| 10.9 | 1000 MPa | 900 MPa | 0.9 |
| 12.9 | 1200 MPa | 1080 MPa | 0.9 |
表の値は、規格(ISO 898-1・JIS B 1051)で決められた呼びの値です。実物のボルトは、これ以上の強さを持つように作られます。
ねじの谷で決まる:有効断面積
次は、ボルトのどの断面で計算するかです。
ボルトのねじの部分は、まわりに溝が切ってあります。溝の底(谷)の所は、外径 10 mm より細くなっています。引っぱりすぎたボルトは、たいてい、ねじの部分で切れます。
そこで、ねじの部分の強さを計算するときは、外径の丸ではなく、もっと細い丸の面積を使います。この面積を有効断面積 といいます。ねじの規格で、呼びごとに決まった値が表になっています。
| 呼び | ピッチ | 有効断面積 | 外径の丸の面積 | 8.8 が降伏し始める力 |
|---|---|---|---|---|
| M6 | 1 mm | 20.1 mm² | 28.3 mm² | 12.9 kN |
| M8 | 1.25 mm | 36.6 mm² | 50.3 mm² | 23.4 kN |
| M10 | 1.5 mm | 58.0 mm² | 78.5 mm² | 37.1 kN |
| M12 | 1.75 mm | 84.3 mm² | 113 mm² | 54.0 kN |
| M16 | 2 mm | 157 mm² | 201 mm² | 100 kN |
| M20 | 2.5 mm | 245 mm² | 314 mm² | 157 kN |
(並目ねじ。M14・M18 は盤で選べます)
M10 の有効断面積は 58.0 mm² で、外径 10 mm の丸(78.5 mm²)の約 74% です。ねじを切ると、強さの4分の1ほどが削られる、と覚えておくと便利です。
降伏し始める力:公式はこれ
| 記号 | 意味 | M10・8.8 のとき |
|---|---|---|
| 降伏し始める引張力 [N] | 37,120 N | |
| 降伏点(強度区分から読む)[MPa = N/mm²] | 640 MPa | |
| 有効断面積(表から読む)[mm²] | 58.0 mm² |
MPa は N/mm² と同じなので、そのままかけると N で出ます。
M10 の 8.8 は、約 37 kN で降伏し始めます。4 トン近い物をつるす力です。
応力 = 力 ÷ 断面積(材料力学の 応力とひずみ)を、降伏点のところで逆に読んだだけの式です。
ものさしで比べる:安全率 3 なら何 kN まで
37 kN までかけてよい、というわけではありません。許容応力と安全率 で見たとおり、降伏し始める力を、ものさしのいちばん端の目盛りとして、手前に余白をとります。
ものさしの目盛りと余白(この科目を通す見方)
計算で出た値(いまの目盛り)を、許してよい線と比べる。許してよい線は、基準の強さから安全率の分だけ手前に引く。
安全率を 3 とすると、許してよい力は、37.1 kN の 3分の1 の 12.4 kN です。
ボルト1本に 10 kN がかかるとします。次の3段で、呼びを決めます。
- 求める 要る有効断面積は
- 選ぶ 表で 46.9 mm² 以上のいちばん細い呼びは、M10(58.0 mm²)
- 確かめる M10 の安全率は で、3 以上。足ります
1つ細い M8 では、降伏し始める力は 23.4 kN で、安全率は 2.34 です。3 に届かないので、足りません。
公式を、2つのかたまりに分けて読む
- 材料で決まる 同じ M10 でも、8.8 を 10.9 に替えると、降伏点は 640 から 900 MPa になり、1.41倍の力に耐えます。鋼の種類と、焼入れ・焼戻しで決まります。
- 形で決まる 呼びを太くすると、有効断面積はほぼ外径の2乗で増えます。M10 から M20 で外径は2倍、有効断面積は 4.2倍です。
どの数字がいちばん効く?
M10・8.8・10 kN・安全率 3 から、1つずつ変えたときの、安全率の変化です。
| 変えるもの | 安全率の変化 | 理由 |
|---|---|---|
| 呼びを1つ上げる(M10 → M12) | +45%(3.71 → 5.40) | 有効断面積 58.0 → 84.3 mm² |
| 強度区分を上げる(8.8 → 10.9) | +41%(3.71 → 5.22) | 降伏点 640 → 900 MPa |
| 強度区分を上げる(8.8 → 12.9) | +69%(3.71 → 6.26) | 降伏点 640 → 1080 MPa |
| かける力を10%大きく(11 kN) | −9.1% | 力に反比例 |
呼びを1つ上げるのと、強度区分を1つ上げるのは、ほぼ同じくらい効きます。
つまり、ものを作るときは
ボルトは「強度区分 × 有効断面積」で、耐える力が決まります。場所が狭くて太いボルトを入れられないときは、強度区分を上げます。反対に、強度区分の高いボルトをやめて普通のボルトにするなら、呼びを1つ太くしないと足りないことがあります。
モータや機械をつり上げる金具(アイボルト)も、同じ考え方で太さが決まっています。荷物の重さが、そのままボルトを引っぱるからです。
ロボットの腕の根元も、床の台に、円に並べたボルトで留めます。腕を伸ばして重い物を持つと、腕が倒れようとする側のボルトが、強く引っぱられます。
実際のボルトは、締めたときから、すでに引っぱられています(ねじの締め付けとトルク)。締め付けの軸力と、外からの力の両方を考えて、余白をとります。
動かしてみよう
盤では、ねじの呼びを、表の行(M6〜M20)から選びます。強度区分は、引張強さ で選びます(800 は 8.8、1000 は 10.9、1200 は 12.9)。
左の図の棒は、呼びごとの「降伏し始める力」です。破線は「安全率 × かける力」です。破線を越える緑の棒が、足りる呼びです。
かける力 を大きくすると、破線が上がり、足りる呼びが太いほうへずれていきます。強度区分を上げると、棒が全部伸びます。
試してみよう0 / 3
- M10 のまま、強度区分を 10.9(引張強さ 1000 MPa)にする(まだ)
- 8.8 のまま、呼びを1つ細い M8 にする(まだ)
- かける力 F を 20 kN にして、8.8 で足りるいちばん細い呼びを探す(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 降伏点(呼び)
- 有効断面積
- 降伏し始める引張力
- 要る有効断面積
- 足りるいちばん細い呼び径
- 選んだボルトの安全率(降伏に対して)
途中の計算(導出)を見る
強度区分 8.8 から、降伏点を読む(前の数字 × 100 に、後ろの数字 ÷ 10 をかける)
安全率をとって、要る有効断面積を出す
表から、足りるいちばん細い呼びを選ぶ
選んだ M10 で、降伏し始める力を出す(有効断面積 × 降伏点)
選んだ M10 の安全率を確かめる(決めた安全率以上なので、足りる)
よくある勘違い
「8.8 は、8.8 トンまで耐えるという意味」
ちがいます。8.8 は、ボルトの材料の強さ(応力)を表す記号です。耐える力は、太さ(有効断面積)をかけないと出ません。同じ 8.8 でも、M6 は 12.9 kN、M20 は 157 kN で降伏し始めます。
「外径の丸の面積で計算すればよい」
M10 を直径 10 mm の丸で計算すると、640 × 78.5 = 50.3 kN になります。正しくは、有効断面積で 37.1 kN です。外径の丸で計算すると、強さを約 1.35倍に見積もってしまいます。
「引張強さまで使える」
| 応力 | M10 で、そのときの力 | |
|---|---|---|
| 降伏点(もとに戻らなくなり始める) | 640 MPa | 37.1 kN |
| 引張強さ(切れる) | 800 MPa | 46.4 kN |
46.4 kN までは切れません。でも、37.1 kN を越えると、ボルトは伸びたまま戻らなくなり、締め付けがゆるみます。設計の基準は、降伏点のほうにとります。
この公式が使える条件
- ボルトを軸の向きにまっすぐ引っぱる(曲げやせん断がかからない)
- 強度区分の呼びの値を使う(実物の最小の値は、呼びより少し高いこともある)
- 並目ねじで、ナットやめねじの側が先に壊れない(ボルトに合った強さのナットを使う)
- 繰り返しかかる力や、衝撃は考えない(疲労と疲労限度)
有効断面積の出どころ(くわしく知りたい人へ)
ねじの山の形は、規格で決まっています。山の角度は 60° で、ピッチ から、とがった山の高さ が決まります。
ねじの断面には、太さの目安になる直径が3つあります。
- 外径 (呼び径):山の先
- 有効径 :山の幅と溝の幅が同じになる所
- 谷の径 :溝の底(引っぱる強さを計算するための値)
谷の径の丸で計算すると、山の根元が支える分を捨ててしまい、強さを小さく見積もりすぎます。そこで、規格(ISO 898-1)では、有効径と谷の径の平均を直径とする丸の面積を、有効断面積とします。
M10()なら、、、 です。
表の 58.0 mm² は、これを3桁に丸めた値です。
例題
例題1 機械の台を床に留めるボルト
機械の台を、強度区分 8.8 の M12 のボルト4本で、床に留めます。機械が動くと、台を床から持ち上げる向きに、合計 30 kN の力がかかります。4本に等しく分かれるとします。
(1) ボルト1本にかかる引張力はいくらですか。(2) M12・8.8 が降伏し始める引張力はいくらですか。(3) 降伏に対する安全率はいくらですか。
ヒント 1 / 2
降伏し始める力は、有効断面積 × 降伏点です。M12 の有効断面積は 84.3 mm² です。
ヒント 2 / 2
8.8 の降伏点は、800 × 0.8 = 640 MPa です。
答えと解き方を見る
強度区分 8.8 から、降伏点を読む(前の数字 × 100 に、後ろの数字 ÷ 10 をかける)
安全率をとって、要る有効断面積を出す
表から、足りるいちばん細い呼びを選ぶ
選んだ M12 で、降伏し始める力を出す(有効断面積 × 降伏点)
選んだ M12 の安全率を確かめる(決めた安全率以上なので、足りる)
安全率は 7.19 で、余白はたっぷりあります。ここでは、締め付けたときの軸力は考えていません。
例題2 強度区分を上げると、細くできる
ボルト1本に 15 kN の引張力がかかります。降伏に対する安全率を 3 とします。
(1) 強度区分 10.9 なら、要る有効断面積はいくらで、表のどの呼びを選びますか。(2) 8.8 なら、どうなりますか。
ヒント 1 / 2
要る有効断面積は です。
ヒント 2 / 2
10.9 の降伏点は 1000 × 0.9 = 900 MPa です。表で、それ以上の有効断面積を持ついちばん細い呼びを探します。
答えと解き方を見る
強度区分 10.9 から、降伏点を読む(前の数字 × 100 に、後ろの数字 ÷ 10 をかける)
安全率をとって、要る有効断面積を出す
表から、足りるいちばん細い呼びを選ぶ
選んだ M10 で、降伏し始める力を出す(有効断面積 × 降伏点)
選んだ M10 の安全率を確かめる(決めた安全率以上なので、足りる)
10.9 なら M10、8.8 なら1つ太い M12 になります。強い区分を選ぶと、ボルトを細くできます。
例題3 ねじの部分と軸の部分
強度区分 8.8 の M16 のボルトは、頭の側にねじの無い軸の部分があり、先の側にねじの部分があります。
(1) ねじの無い軸の部分(直径 16 mm の丸)が降伏し始める引張力はいくらですか。(2) ねじの部分(有効断面積 157 mm²)ではいくらですか。(3) どちらが先に降伏しますか。
ヒント 1 / 2
どちらも、断面積 × 降伏点 640 MPa です。
ヒント 2 / 2
直径 16 mm の丸の面積は です。
答えと解き方を見る
ボルトは、いちばん細い所で決まります。ねじの部分は、谷が削られているぶん、軸の部分の約 78% の力で降伏し始めます。