長いねじのほうが、継手が強くなることがある理由

長さは、何をしているのか

継手が頼っているのは、ねじが引き伸ばされて生まれる締付け力です。 その伸びは弾性で——ねじは引き伸ばされ、縮もうとしているばねです—— 実際に伸びている区間が締付け長さです。 頭部の下から、実際にかみ合う最初のねじ山までの、締められている区間です。

けれどもそれはばねの全部ではありません。この近似はモデルそのものと取り違えられやすいので、 正確に述べる値打ちがあります。VDI 2230 はボルトの弾性コンプライアンスを直列の五つの区間に分けます—— 頭部、円筒部、自由に荷重を受けるねじ部、かみ合っているねじ部、 そしてナットまたはタップ穴の区間。 締付け長さはそのうちいちばん大きく、設計者が直接決められる区間なので答えを支配します—— ほかの区間がゼロだから、ではありません。

短いねじのほうが、割合として多く失う理由

頭部下の座面とねじ山の面の表面の粗さは、荷重を受けて平らに潰れます。それがへたりで、 理解する値打ちがあるのは一つの性質のためです——それは絶対の距離であって、百分率ではありません。 数マイクロメートルの山が潰れることは、ねじが M2 でも M12 でも、その数マイクロメートルです。

けれども締付け力を蓄えている伸びは絶対値ではなく、締付け長さに比例します。 ですから同じ数マイクロメートルが、短いねじから奪う初期締付け力の割合は、長いねじよりずっと大きくなります—— 「小さなねじほど失う初期締付け力の割合が高い」のと同じことを、 もう一方の端から見たものです。

• 締付け長さを足すほうが、ふつう直径を足すより安く済みます。 カラー 1 個か、ボスを一段高くするだけでばねが長くなり、 ねじも、金型も、穴も変える必要がありません
• それは同時に疲労の答えでもあります。 長く、剛性の低いねじは、外から加わる変動荷重の分け前が少なくなります。 荷重はねじと継手の相対的な剛性で分かれるからです
• 以上は「締付け長さではない」長さには当てはまりません。 ねじを長くして、増えたぶんがナットの外に出ているだけなら、ばねはもとのままです

では長く指定すれば——問題はまさにそこです

止まり穴では、長すぎるねじは底に突き当たります。 ねじの端が先に穴の底に触れ、頭はまだ面に当たっていません。 それでもドライバーは抵抗に出会い、トルクは上がり、トルクレンチは鳴ります。

同じ算術が穴の反対の端でも噛みついてきます。タップ穴には底があり、タップが抜けるための逃げがあり、 使える有効なねじの深さは穴の深さより短いのです—— かみ合いは有効な山数で数えるのであって、穴のミリメートルで数えるのではありません。

長さが、思っている場所にない箇所が二つ

• 測る基準が頭の形で変わります。 皿頭の呼び長さは頭を含む全長で、ほかの多くの頭の形は頭部の下から測ります。 ですから「M3 × 10」は頭の形によって使えるねじの量が違い、 これは表示があなたの知っていることとして黙って前提にしているものの一つです
• ねじの不完全部は、ねじ山に数えません。 ねじが円筒部につながるところに、不完全で荷重を受けられない山が数山あります。 その区間がナットやタップ穴のなかに落ちていれば、実際のかみ合いは図面より短く、 しかも応力がいちばん高い端で短いのです

「何山出すか」の慣行はここから来ていて、しかもそれは慣行であって、一つの規則ではありません。 規準によって、面一、ピッチ 1 つ分、ピッチ 2 つ分と、それぞれ求めるものが違い、 よく知られた「丸 2 山出す」は現場の習慣であって ISO の要求ではありません。 共通しているのは理由のほうです。ねじがナットの端面と面一であること自体は何も証明しません。 端にいちばん近い数山こそ不完全な山だからです—— この確認が本当に求めているのは、「不完全な区間がナットの外に出ていると分かるだけの山が出ていること」です。 どの慣行が当てはまるかは、その継手を管理する規準が何と書いているかによるのであって、語呂合わせによるのではありません。

ですから、問うべきは「どれだけ長いか」ではありません

• その長さのうち、どれだけが締付け長さですか。 大部分がそうなら、継手はよくふるまいます。 大部分がタップ穴のなかか、ナットの外に出ているなら、 その長さが買っているものは、見た目とは違います
• 止まり穴ですか。使える有効なねじの深さはいくつですか。 穴の深さではありません——タップが抜ける前の深さです
• 表示はどの基準で測っていますか。 皿頭は全長、それ以外は頭部の下から
• 守りたいその初期締付け力は、誰が上限を決めていますか。 長さはそれがどれだけ残るかを決め、強度区分は最初にどれだけ入れてよいかを決めます。 同じ問いの両半分です
• この継手は変動荷重を受けますか。 受けるなら、締付け長さは組立ての変数であるだけでなく疲労の変数であり、 決定の順序でいまより前に置かれるべきです

ついでに：せん断の問いは、たいてい問い方が違います

ここには二つの正当な設計があり、互いに取り替えられません。 すべり耐力型（slip-critical）の継手は、締められた面どうしの摩擦で横荷重を伝え、 摩擦は締付け力から来ていて、「すべってはならない」ことが設計の前提です。 支圧型（bearing-type）は、締結部品のせん断と穴壁の支圧で伝えます。 AISC は同じ高力ボルトがどちらにも使えると明記しています—— 多くの支圧型の継手は、snug-tight の締付けで足ります。

ですから問うべきはこの継手がどちらとして設計されたかです。 すべり耐力型の継手はいったんすべれば、設計が頼っていたものを失いますし、 界面での相対的な動きこそ、初期締付け力を消していく仕組みです。 支圧型の継手でボルトが支圧を受けることは、破損ではありません。それがその仕事です。

締結部品が本当にせん断を受けるとき、円筒部をせん断面に置けば断面が大きく、谷の応力集中もありません—— AISC 360 は「ねじをせん断面から除く」場合の公称せん断応力を「ねじがせん断面にある」場合より高く与え、 逆はおよそ 0.83 の比です。どちらも許されていて、 ねじを含む低いほうの値で設計することは正当な選択であって、手抜きではありません。 ただしそれは、円筒部の長さを、余りものではなく意識して決める寸法に変えます。

その寸法が実際にいくつになるかも、自由に決められるわけではありません—— 製品規格はまずねじ長さを引き、それからピッチ 5 つ分を引きます。 短い半ねじのボルトの円筒部が、多くの人がそう引き算するより短くなる理由です。

この記事は手順 2、ねじを扱います。全体の順序は相手材、ねじ、頭部、駆動部、表面処理、書類で、これを崩すと微調整ではなく手直しになる理由はねじの決め方にあります。

よくある質問

ねじは長いほうが、しっかり留まりますか。

増えたぶんが締付け長さである場合にかぎります。VDI 2230 はボルトのばねを直列の五区間に分けます——頭部、円筒部、自由に荷重を受けるねじ部、かみ合っているねじ部、ナットまたはタップ穴の区間——そのうち締付け長さがいちばん大きく、設計者が直接決められる区間です。締付け長さが長ければ同じ締付け力がより多くの伸びに蓄えられ、継手はへたりに鈍くなり、ねじが受け取る外部の変動荷重も減ります。ナットの外に出たねじ山は寄与しませんが、タップ穴のなかでかみ合っているねじ部は置換長さを通して寄与します。

止まり穴に対してねじが長すぎると、どうなりますか。

底に突き当たります。ねじの端が先に穴の底に触れ、頭はまだ面に当たっていないので、トルクはねじを穴の底へ押し付けることに使われ、継手に対して引き伸ばすことには使われません。極端な場合は頭がまったく触れず締付け力はゼロ、それほど極端でないときは残ったぶんが初期締付け力になり、値は予測できずたいてい遠く足りません。どちらの場合も工具が読んだ数字はこの継手を記述していないので、止まり穴の継手が理由もなく緩むときは、これが最初に確かめるものです。

小さなねじのほうが大きなねじより初期締付け力を多く失うのはなぜですか。

へたりが絶対の距離で、弾性の伸びがそうではないからです。頭部の下とねじ山の面で数マイクロメートルの粗さが潰れることは、寸法にかかわらずその数マイクロメートルですが、締付け力を蓄えている伸びは締付け長さに比例します。ですから同じ量の流出が、短いねじからはずっと大きな割合の初期締付け力を奪います。幾何としての必然であって品質の問題ではなく、直接の答えは締付け長さを長くすることです。

ナットの外には何山出すべきですか。

一つの規則はありません。規準によって面一、ピッチ 1 つ分、ピッチ 2 つ分と求めるものが違い、よく知られた「丸 2 山出す」は現場の習慣であって ISO の要求ではありません。共通する理由はこうです——ねじの端にいちばん近い数山は不完全な山なので、ねじがナットの端面と面一であること自体は、ナットが完全にかみ合っている証明になりません。どの慣行が当てはまるかは、その継手を管理する規準によります。

円筒部をせん断面に置くべきですか。

そうすればせん断の耐力は高くなります。円筒部はねじ部より断面が大きく、谷の応力集中もなく、AISC 360 も「ねじをせん断面から除く」場合に高い公称せん断応力を与えます。けれどもどちらも許されていて、ねじを含む低いほうの値で設計することは正当な選択です。もっと前にある問いは、これがどちらの継手かということです——すべり耐力型は締められた面どうしの摩擦で荷重を伝え、すべってはならないことが前提です。支圧型は締結部品がせん断を受けるよう設計されていて、同じ高力ボルトがどちらにも使えます。

参考資料

• ASME B1.1 — 統一インチねじ（UN／UNR／UNJ のねじ山の形）
• VDI 2230 Part 1 — 高負荷ねじ締結体の体系的な計算