強く締めるほど長持ちするのか：継手が二種類あり、答えも二つ

みんなが挙げる理由は、本当の理由ではありません

よくある説明はこうです。初期締付け力が高いほどボルトが分担する外力の割合が下がるので、 応力振幅が下がり、疲労は応力振幅が支配する、と。結論は十分よく成り立ちます。 ⚠️ けれどもその仕組みは間違っています。

継手が閉じたままで両側が線形なら、ボルトの付加荷重は ΔF_b = Φ · F_A であり、 Φ はボルトと被締結部材のばねの硬さ、そして荷重が入る位置から決まります。 初期締付け力はそこに出てきません。 強く締めて上がるのはボルトの平均応力で、応力振幅は動きません。

Bickford は落ち着かない帰結をそのまま書いています。 この継手が最大の作用荷重でもともと分離しないのなら、 初期締付け力を上げても荷重の振幅は下がらず、 平均応力が高くなることで疲労寿命はかえって下がりうる。

ここまでは引張継手の話です。重ね継手は別の機械です

上のどの文も、荷重がボルトの軸に沿って引いていて、疲労のホットスポットがねじ谷にあることを前提にしています。 けれども重ね継手では荷重はボルトを横切って流れます。 二枚の板が面と面で締め付けられ、荷重はそのあいだを伝わります。

ここでは初期締付け力はまったく違う仕事をします。接合面を押し付け合わせ、 摩擦にせん断を負わせるので、板はすべらず、ボルトも穴の壁を押しません。 疲労き裂は板から始まり、ボルトからは始まりません。 そして初期締付け力が支配しているのは、二枚の板がどう擦れ合うかです。

そしてその継手では、トルクはある点から効かなくなり、それから害になります

Wagle と Kato が測ったのは A2024-T3 アルミ合金の重ね継手試験体です—— 板厚 4 mm、穴径 6.03 mm、径 5.95 mm の 12.9 のボルト、すきま約 80 μm、10 Hz、R = 0.05。 応力振幅 15 MPa のもとで、破損の型がトルクとともに変わりました。

き裂は二枚の板の接合面上、穴の手前およそ 1.8–2.1 mm のところに現れました。 ねじ谷でもなく、ボルトの上でもありません。 締付け力が高くなると界面の接触圧力と伝えられる摩擦せん断が上がり、 それが損傷の位置を穴の壁から界面の固着＝すべりの境界へ移します。 そして高い接触圧力のもとでの局部的な微小すべりが、き裂の起点になります。

独立したもう一組の証拠と、「トルクを上げても効かない」事例

Juoksukangas らは違う試験構成から同じ向きを得ています。 フレッティング疲労寿命は初期締付け力と bulk stress が上がるほど下がる。 ですからこの逆転は一つの実験の産物ではありません。

反対向きの警告は Mínguez と Vogwell から来ます。単重ねと二重重ねのアルミ継手を測ったところ、 二重重ねの試験体ではトルクを上げると寿命がはっきり改善しました。 ⚠️ けれども単重ねの試験体では 1 N·m から 6 N·m へ上げても 有意な改善がまったくありませんでした。偏心による曲げが支配していたからです。 （偏心した部材が力を拡大するその仕組みはこじりと呼ばれます—— ボルトが見ている力は加えた力の二倍かもしれない。） 同じ材料、同じ族の継手なのに、あなたがいま回しているその変数に対する感度が逆なのです。

これをどこまで使えるか、どこから使えないか

これらはすべて重ね板、せん断の伝達、被締結部材の破損についての実験です。 ⚠️ ねじ谷がホットスポットになる引張継手、フランジとガスケット、複合材、 軟らかい被締結部材へは外挿できません。 ノックピンやしまりばめがせん断を伝えている継手にも使えません。 表面粗さ、潤滑、めっき、すきま、板厚のどれもがあの数字を動かします。

規格もこれを通則として書いていません。⚠️ ISO 898-1 は疲労性能を規定しないと明記していますし、 ISO 3800 は軸方向の疲労試験方法で被締結部材の柔らかさを考えていません。 VDI 2230-1 は界面の微小すべりとフレッティング腐食を避けるよう求めていて——それは確かに同じ懸念です—— けれども「初期締付け力を上げるとフレッティングを通じて疲労寿命に頭打ちが来る」とは言っていません。

この記事は六つの手順のどれか一つには収まりません。手順をまたいで出てくるか、組み付けたあとに出てくる話です。ここに行き着く判断がどこで下されているかはねじの決め方にまとめてあります。

よくある質問

では「疲労寿命のためにきちんと締めなさい」は間違いですか。

間違いではありませんが、みんなが与えている理由が間違いです。閉じたままの引張継手では、ボルトの荷重振幅は荷重分担係数と外力の積であり、初期締付け力はその式に入っていません。ですから強く締めて上がるのは平均応力で、応力振幅は変わりません。本当の利点は、十分な初期締付け力が継手を分離させないことです。応力振幅が跳ね上がる原因は分離だからです。Bickford も、もともと分離しない場合には平均応力が上がることで疲労寿命が下がりうると指摘しています。

では逆転は何 N·m で起きますか。

持ち回せる数字はありませんし、数字を引くことがこの記事のいちばんの誤用のしかたです。Wagle と Kato のアルミ合金重ね継手試験体で応力振幅 15 MPa のとき、1 N·m は穴縁の機械的疲労、3 N·m はフレッティング摩耗、8 N·m はフレッティング疲労で寿命が下がり始めました。それらの値はその材料、板厚、すきま、荷重条件のものです。しかも移り変わりに必要なトルクは応力振幅が上がるほど上がるので、同じ継手でも重い荷重のもとでは転換点が後ろへずれます。

ではフレッティングはねじの問題ですか。

これらの結果では違います。き裂は二枚の板の接合面上、穴の手前およそ 1.8 から 2.1 mm のところ——被締結部材の上であって、ファスナの上ではありません。フレッティングはナットや座金の座面でも起きえますし、ねじの界面も振動で摩耗して初期締付け力を失いますが、それらの場所とここで述べた逆転は同じことではありません。

単重ねと二重重ねは同じように振る舞いますか。

違います。そしてこれが元の文献のなかでいちばん実用的な警告です。Mínguez と Vogwell は、二重重ねの試験体はトルクとともにはっきり改善したのに、単重ねの試験体は 1 N·m から 6 N·m へ上げても有意な改善がなかったことを見つけました。偏心による曲げが支配していたからです。継手が非対称なら、それが起こす曲げのほうが締付けのしていることより重いかもしれません。

参考資料

• Wagle, S. & Kato, H. (2009). Ultrasonic detection of fretting fatigue damage at bolt joints of aluminium alloy plates. International Journal of Fatigue, 31, 1378–1385
• Mínguez, J. M. & Vogwell, J. (2006). Effect of torque tightening on the fatigue strength of bolted joints. Engineering Failure Analysis, 13(8), 1410–1421
• Juoksukangas, J., Lehtovaara, A. & Mäntylä, A. (2016). Applying the fretting fatigue damage parameter to bolted joints. Tribology International, 103, 440–448
• ISO 898-1 — ファスナの機械的性質：ボルト、ねじ、植込みボルト（疲労性能を規定しないと明記）

荷重分担の式と分離についての議論は VDI 2230-1 と Bickford 第 17 章によります。破損の型の順序とき裂の位置は上記 Wagle と Kato の試験体のもので、その条件にのみ当てはまります。汎用の転換トルクは存在しません。