ボルトはばねで、締め付けられている側もばねです

その量と、正しい名前

VDI 2230 Blatt 1 はこれを Kraftverhältnis、load factor と呼び、記号は Φ です。軸方向の作用荷重のうち、ボルトへ入る分を表します。

n は別の量で、Φ に混ぜると混乱します。 VDI の荷重導入係数 n = δ_VA / δ_P が表すのは、 作用荷重が締め付けられている側のどこから入るかで、ふつう 0 と 1 のあいだに落ちます。 両者の積が Φ_n = n Φ_K です。 文献で見る「nΦ」は基準の剛性比に導入位置の補正を掛けたものであって、 第三の独立した母数ではありません。

訂正：予荷重は応力振幅を小さくしません

当サイトの初稿には、よくある説明を書いていました。 強く締めればボルトの交番応力の振幅が小さくなり、だから長持ちする、と。 分離する前に実際に起きているのは、そうではありません。

予荷重が本当に買っているのは、分離までどれだけ余裕があるかです。 継手がいったん開けば荷重分担のモデルは成り立たなくなり、 ボルトは新たに加わる分離荷重のほとんどを受けます—— 力の図の傾きが nΦ から 1 に変わります。 NASA は交番荷重下の分離がボルトの疲労損傷を増やすと明記しています。 VDI は完全に開く点を F_Aab = F_V / (1 − Φ_n) と書きます。

では「締めすぎるな」は誤りか

誤りだと書くつもりでした。それは行き過ぎです。

VDI は確かに、弾性域で締め付ける場合、 利用率 ν = 0.9 を目標にすべきで、機能上必要な F_M max がそれより低くてもそうする、と述べます。 しかし同じ節は、面圧の限界、熱荷重、コンプライアンス、強度から許容締付力 F_M zul を決めることも求めています。

やわらかいガスケットがボルトの立場を悪くする理由

これは成り立ちます。やわらかいガスケットは締め付けられている側の剛性 k_P を下げ、 コンプライアンス δ_P が大きくなり、Φ を 1 のほうへ押します。 外力のうち、より多くがボルトの荷重になります。

外力を加える前に、すでに失われている予荷重

表面はなじみます。VDI は組立完了後に起きる塑性的ななじみを長さ f_Z として扱い、それによる予荷重の損失は同じ二つのコンプライアンスから出ます。 F_Z = f_Z / (δ_S + δ_P)。

分離の実際の代償と、最小締付け力

VDI は要求を一つの最小締付け力として書き、それは同時にいくつかのことを満たさなければなりません。

一つ限定を付けておきます。偏心した継手では、全断面に近い分離の前に、 まず縁が局所的に開いて片側だけで支え始めることがあり、 「開いたか、開いていないか」は簡略化です。 その縁が先に開く状態には名前があり、 ボルトに入る力を外力の二倍にまで増幅しえます。 VDI は部分的な開きを別に扱っています。

このモデルが変える、ほかのこと

継手が、何も回って緩んでいないのに予荷重を失う理由は ねじが緩む理由に、 組立の最中にそれを起こす弾性的な相互作用は 締付け順序（英語）にあります。

加えたトルクが実際に何を買っているか、そしてそれがどんな摩擦を前提にしているかは トルクと締付け力と トルク値は摩擦条件を前提にしているに。

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

ねじ継手の load factor とは何ですか。

軸方向の作用荷重のうち、ボルトへ入る分です。VDI 2230 Blatt 1 は Kraftverhältnis と呼び記号は Φ、定義はボルトの追加軸力を作用荷重で割ったもので、締め付けられている側が受け持つのは残りです。最も単純な同軸の場合は、締め付けられている側のコンプライアンスを二つのコンプライアンスの和で割ったものに等しく、NASA-STD-5020B はボルト剛性をボルトと被締結部の剛性の和で割る形で書いています。

ボルトを強く締めると疲労寿命は良くなりますか。

応力振幅を下げることによってではありません。継手が閉じたままで二つのばねが線形なら、交番外力下のボルト荷重の振幅は n×Φ×その荷重振幅で、予荷重の値は式に現れません。強く締めて上がるのは平均応力で、振幅は動きません。予荷重が買うのは分離までの余裕です。継手がいったん開けばボルトが新たな荷重のほとんどを受け、NASA は交番荷重下の分離が疲労損傷を増やすと述べています。

「締めすぎるな」は悪い助言ですか。

何を指しているかによります。VDI は弾性域で締める場合、機能上必要な値がもっと低くても利用率 0.9 を目標にすべきだとしているので、許容値のずっと手前で止まるのは能力の無駄です。ただし同じ節は、面圧の限界、熱荷重、コンプライアンス、強度から許容締付力を決めることも求めており、その上限は実在します。「許容値から遠く離れて止まれ」という意味なら誤り、「許容値を超えるな」という意味なら正しい助言です。

やわらかいガスケットがボルトの寿命を縮めるのはなぜですか。

締め付けられている側の剛性を下げるからです。コンプライアンスが大きくなり load factor が 1 のほうへ動くので、外力のうちより多くがボルトの荷重になります。公表されている指針値は、理想的に剛な金属継手の 0.00、硬銅ガスケットの 0.25、軟銅の 0.50、そしてやわらかいガスケットとスタッドの 1.00 まで並び、最後の場合はボルトが外力をまるごと受け取ります。ガスケットは非線形性、ヒステリシス、クリープも持ち込み、時間とともに予荷重を失わせます。

なじみで予荷重はどれだけ失われますか。

VDI はこれを長さとして扱い、失われる予荷重はその長さをボルトと被締結部のコンプライアンスの和で割ったものになります。NASA-STD-5020B は全金属の締結部について初期の最小予荷重の 5 % を短期のなじみ損失として認め、非金属部品や皮膜を含む場合は試験値を要求します。同じなじみ長さでも短い継手ではコンプライアンスの和が小さいため、小さいねじのほうが失う割合が大きくなります。