標準のボルトがほとんど一条ねじなのはなぜか

一万三千人が訊いた問い

「標準のボルトのねじはなぜほとんど一条なのか」は Engineering Stack Exchange で 一万三千回以上読まれています。 そこでも他所でも、まず出てくる答えは同じです。多条はリード角が急だから、荷重がかかると自分で戻ってしまう、と。

この答えは検算できるので、検算しました。⚠️ 成り立ちません。

自立には実際に何が要るのか

静的な軸荷重のもとでは、リード角が等価摩擦角より小さいかぎり、ねじは逆駆動されません。

λ = arctan( n·P / (π·d₂) )   対   ρ′ = arctan( μ / cos 30° )

n が条数、P がピッチ、 d₂ が有効径です。 あの cos 30° は 60° ねじ山の半角の補正—— フランクが傾いているので法線力が軸荷重より大きくなり、摩擦もそれに応じて増えます。

二条の M8×1.25 は 6.32°。μ = 0.10 のとき摩擦角は 6.59° で、通ります。 臨界の摩擦係数は μ_crit = tan λ · cos 30° = 0.096 で、 鋼対鋼の組付け摩擦として一般に引かれる値はそれよりはっきり高いのです。

本当の代償：同じトルクがいくらの初期締付け力になるか

トルクは三つの仕事に分かれます。ねじを登っているのは最初の一つだけで、あとの二つは摩擦に消えます。

T = F · [ nP/(2π)  +  μ_t·d₂/(2·cos 30°)  +  μ_n·r_n ]

条数を増やすと大きくなるのは第一項だけで、あとの二つは動きません。 M8×1.25 の μ = 0.15 では、第一項は全トルクの 12.1% にすぎません——これがあの馴染みの結論です。 トルクの大半は摩擦に使われていて、引っぱりには使われていない。 それを二倍にしても、全体はおよそ九分の一しか増えません。

⚠️⚠️ 二行目は気をつけて読んでください。逆に読みやすく、当サイトも逆に読みました。 摩擦が低いことが初期締付け力を減らすのではありません。 摩擦が低ければ、どの条数でも初期締付け力は高くなります。燃やされるトルクが減るからです。 変わるのは割合のほうです。摩擦が退いたぶん、残りのなかでリードの項が占める比が大きくなり、 だから多条が相対的により多く損をします。 よく潤滑されためっき付きのファスナは、多条が相対的にいちばん不利になる場所であって、絶対的にではありません。

数字は VDI 型の線形化式、d₂ = 7.188 mm、 頭部下の座面半径は r_n = 5.5 mm と仮定—— ⚠️ それは仮定値であって、測った座面径ではありません。 完全な送りねじの式を使うと二条は 88.7% と 82.7% で、絵は変わりません。

本当の理由：数字がもう一つ要ること

ここからは当サイトが査証の前に取り違えていたところで、しかもそちらのほうが面白い半分です。

当サイトは多条のメートルねじが ISO の体系にそもそも入っていないと思っていました。⚠️ 違います。 ISO 5408 は一条と多条を定義し、ピッチとリードを分けています。 ISO 965-1 は §9 で多条ねじの有効径公差の拡大係数を与え、 §12.3 で表示法を与えています。こう書きます。

M16 × Ph3P1.5 – 6H

読み方は、Ph3 がリード 3 mm、 P1.5 がピッチ 1.5 mm、つまり二条。 そしてこの表示法が存在すること自体が答えです。 ふつうのファスナは直径とピッチで言い終えられます。多条のそれは言い終えられません—— リードを足さなければ、曖昧なままなのです。

ではその数字が落ちたらどうなるかを考えてください。部品箱のなかでは、いずれ落ちます。 二条の M8×1.25 のねじを取り、ふつうの一条の M8×1.25 のナットに合わせる。 一回転で、ねじは 2.5 mm 進めと言い、ナットは 1.25 mm しか許さない。 回らないこと以外に両立の道はないので、入口で一瞬かかったあと干渉します。固着。 おねじとめねじを入れ替えても同じで、リードはやはり合いません。

ですから実務上の反対理由は「多条が買えない」でも「規格に適合しない」でもありません。 一つのファスナの仕事には、数か月後に部品箱のなかで、 仕様策定に関わらなかった誰かにとっても曖昧でないことが含まれている、ということです。 直径とピッチはそれができます。直径とピッチとリードでもできます—— ただしその三つの数字が途中で一つも落ちなければ。

では多条はどこで使うのか

多条が存在するのは「力」を「速さ」と交換するためです。一回転で遠くまで進み、回す回数が少なくて済む。 それはまさに瓶の蓋が要るもの——一回転もしないうちに密封するか外れるかしなければならない。 送りねじのような運動機構も同じで、速く進むことがすべてです。

構造用のファスナが要るのは逆の交換です。かけられるトルクから最大の初期締付け力を絞り出し、 そのあとおとなしく動かないこと。同じ族の幾何、逆の目的。 これは「ねじはなぜこの形なのか」という問いの多くに共通する答えの形でもあり—— 並目と細目の問いが同じ終わり方をする理由でもあります。 ねじは強度のために選ばれているのではありません。

使用中の緩みと逆駆動は別の機構で、 ねじが緩む理由にあります。 ねじの選択が決定の順序のどこに入るかは ねじを指定するにあります。

参考資料

• ISO 5408 —— ねじの用語（ピッチ、リード、一条と多条の定義）
• ISO 965-1 —— メートルねじの公差（§9 多条ねじの有効径公差係数；§12.3 表示法）
• ISO 68-1 —— 基準山形（d₂ = d − 0.6495P）
• VDI 2230 Part 1 —— 初期締付け力の表に使われる線形化されたトルクの関係
• Shigley《Mechanical Engineering Design》第 8 章 —— 送りねじと自立
• NASA-STD-5020B —— 振動による緩みと逆駆動を分けて扱っている
• 〈Why are most standard bolt threads single start?〉、Engineering Stack Exchange

この頁が説明しているのは幾何と、一つの慣行の理由です。 特定の継手の数値は、あなたの図面と、図面が引用する規格が決めます。

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

多条ねじのボルトは勝手に緩みますか。

ふつうの摩擦のもとでは、静的な軸荷重では緩みません。二条の M8×1.25 のリード角は 6.32 度で、摩擦係数 0.10 のときの等価摩擦角は 6.59 度なので自立します。臨界の摩擦係数は 0.096 です。ただしこの判定が覆うのは逆駆動だけで、振動による緩みは覆いません——そちらは横方向の変位が初期締付け力を逃がすことで起き、リード角が浅いことは効きません。三条になると、摩擦係数 0.10 ではもう自立しません。

多条ねじの本当の代償は何ですか。

同じトルクで得られる初期締付け力が減ることです。条数を増やしても大きくなるのはトルクの式のリードの項だけで、二つの摩擦の項は動きません。M8×1.25 の摩擦係数 0.15 では、同じトルクで二条は一条の 89.2%、三条は 80.5% しか得られません。数字は VDI 型の線形化された関係によるもので、頭部下の座面半径は仮定値です。

ISO はメートルの多条ねじを認めていますか。

認めています。ISO 5408 は一条と多条のねじを定義し、ピッチとリードを区別します。ISO 965-1 は多条ねじの有効径公差係数と表示法を与えていて、たとえば M16 × Ph3P1.5 - 6H では Ph3 がリード 3 mm、P1.5 がピッチ 1.5 mm です。多条ねじが持っていないのは、同じ直径・同じピッチのふつうの部品と互換であること、です。

二条のねじを一条のナットに合わせるとどうなりますか。

組めません。一回転で二条のねじは 2.5 mm 進めと言い、一条のナットは 1.25 mm しか許さないので、回らないこと以外に両立の道がありません。入口で一瞬かかり、すぐ干渉して固着します。無理に回せばねじを壊すのであって、部分的なかみ合いではありません。

摩擦が低いと多条はもっと不利になりますか。

相対的にだけです。摩擦が低ければ、どの条数でも同じトルクで得られる初期締付け力は高くなります。摩擦に燃やされるトルクが減るからです。変わるのは割合で、摩擦が退いたぶん残りのなかでリードの項が占める比が大きくなり、多条が相対的により多く譲ります。低摩擦が多条の絶対的な初期締付け力を下げるという意味ではありません。