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締切り済みの質問

M5ボルトの軸力と許容引張り荷重

現在、M5ボルトの強度計算をしているのですが、矛盾点が生じてしまいました。
M5ボルト(SCM435)の軸力ですが、締付けトルクと軸力の関係式より計算すると、係数の値にも左右されますが、だいたい5000~6000Nとなります。他のボルトメーカーの技術資料を見ても、標準トルクで締めた時に発生する軸力は、それぐらいの値となっています。

一方、M5ボルト(SCM435)の許容引張り荷重ですが、機械分野では、許容引張り応力度σは、材料の引張り強さKt(SMC435だと95kg/mm2)÷4と決められているので、計算するとσ=23.75kg/mm2となります。
この許容引張り応力度からM5ボルトの許容引張り荷重を計算すると3119Nとなります。

軸力と許容引張り荷重を比べると、軸力の方が大きい値となってしまいます。
軸力とは、あるトルクでボルトを締付けた時に発生する引張り方向の力だと思うのですが(この考えが×?)、この計算結果からすると、M5ボルトを標準締付けトルクで締めた段階で既にボルトの許容引張り荷重を上回る力が引張り方向にかかってしまっているということになってしまします。(締めただけで破損?)

この考え方は誤っていますでしょうか?何方か詳しい方いましたら教えて頂きたく宜しくお願いします。

投稿日時 - 2011-06-30 19:08:00

QNo.9469122

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回答(11)

ANo.11

回答(1)と(6)の者です。

≻ 現在、M5ボルトの強度計算をしているのですが、矛盾点が生じてしまいました。………
≻ ……… この考え方は誤っていますでしょうか?
≻ 何方か詳しい方いましたら教えて頂きたく宜しくお願いします。

に対して、カテゴリーが機械設計であるので、回答(1)としました。

また、回答(1)のお礼で、追加の問い合わせがあり、回答(6)をしました。

が、貴殿の当初の質問内容から、少し外れてきて、また他の回答者さんも例えば建築関係

の内容が出てきたりで、全体内容がボケてきています。

できれば、質問当初の内容確認で閉じて、新たな質問内容を投稿した方がベターと

感じます。如何でしょうか?

投稿日時 - 2011-07-04 14:52:00

ANo.10

ボルト軸力による締結力(摩擦力)がせん断力より余裕があれば
ボルトにせん断荷重はかかりません。
なので, 締結面が滑らない様にボルトサイズや強度区分を選ぶのが当たり前です。

平行ピンとか不要です

投稿日時 - 2011-07-02 11:09:00

※今回のM5で、せん断力を受けるという考え方は「非常に危険」だと思います

何故なら、「ねじ」じたいが「切り欠き」の塊みたいなものですから、当然、
切り欠きによる応力集中もあろうし、特に機械設計では「疲労」が心配になる
のです。破壊力学からも「ねじ底」のR部分が非常に大事だと判ると思います

ここで、「ねじ」で、せん断力を掛けない設計にすると言うのが機械設計に
おける常道と思いますが、建築・土木・プラント機械設計などにおいては、
ボルトにせん断力が掛かるとした計算が、実際に存在するのです

例えば、アンカーボルトの計算では地震による水平力でアンカー自体には、
引き抜きと同時に、せん断力が生じます。従って、下水道事業団においては
SS400で、短期で、σ=180、τ=105 MPa という明確な基準があるのです

また、
建築関連では高力ボルト(JISB1186;摩擦用高力ボルトだったかな)でも、
一面・二面せん断力が既定されているのです

少しばかり、脇道にそれてきた気もするのですが・・・まぁいっか
trtttt7qq さんの言われる手法を私もよく取ることがあります

JISB1186:摩擦接合用高力六角ボルト/建築の梁の保有体力継手で使われる
ものを、私も機械部品でも使うことがあります。鋼構造設計便覧では、先の
一面・二面せん断に対する摩擦による許容耐力を許容せん断力としています
当然ながら摩擦により耐力を出すので、座金もセットになっているのです

機械設計では余り使われないというか、知らない人も意外と多いかと思います
機械関連でも10.9や12.9は高力ボルトになるし、強度区分に相応した平座金を
使用すれば摩擦での耐力も期待できるが、私が知る限り機械設計では例外かも
ちなみに、当然ながら摩擦面の粗さも規定されていてμ=0.4以上とある筈です

参考URL:http://www.wind.co.jp/cape/frame/pdf/bolt.pdf http://www.jfe-steel.co.jp/products/building/items/kouryoku/index04.html

投稿日時 - 2011-07-02 06:00:00

>質問者さん

以下の書き込みは,回答ではありません。申し訳ありません。

>後の先,アフターユー様

回答(1)の追記を見ましたが,何ですか?あれ。
ここは,技術に関する情報交換の場であって,貴殿の個人的な文句や愚痴を主張する場ではありません。以前にも同様の書き込みを見たことがあります。
”ベテラン”という自負をお持ちなのであれば,モラルというものを弁えて頂きたいものです。

投稿日時 - 2011-07-02 00:46:00

またわけのわからんことを

>>平行ピンでせん断荷重を受ける構造にする

そんなことしてはダメです

話がずれつつあるけど

ボルト せん断 で 起きた重大事故
http://www.oita-press.co.jp/localNews/2009_123275740328.html


ボルト固定でせん断力を受ける構造は
最後の最後ボルトで力を受けるので それを持つだけのボルトを選ばないといけない
想定外ではない


長文なのでまともに読んでないけど

>>Kt(SMC435だと95kg/mm2)÷4と決められているので、計算するとσ=23.75kg/mm2


定数 4 は 安全率なので その 4倍は 耐えられる
3119 の 4倍 12476N 


一応持ちます ← 計算上は


引っ張りを受けるとき
重要なパラメーターがないのですが
有効ねじ数
軸力を考えるとき 頭が吹っ飛ぶ 前に ねじのずるむけ を考えます

投稿日時 - 2011-07-01 18:31:00

回答(1)の者です。 お礼の内容である

≻ 引張り許容荷重については強度区分より求めればいいということが分かりましたが、
≻ M5ボルトのせん断許容荷重についてはどのように求めればいいでしょうか?
≻ 引張り許容荷重に0.6~0.7かけた値となるのでしょうか?

に関しては、一般的にはYESです。
ですが、頭が痛い内容があります。
それは、“引張り許容荷重については”の書き出しにあります。
今回の質問の内容は、ねじ締めトルクから軸力を求め、それがねじの引張荷重に適合して
いるのかです。
それで、ねじ締め状態の特殊な環境でのアドバイスを≪ねじ強度区分資料≫を用いて説明
させてもらいました。

ですが、ねじ締め状態の特殊な環境以外の“ねじの引張り許容荷重”では、安全率を考慮
する必要があり、ねじのせん断荷重はねじ締め状態の特殊な環境とは別に切り離して考え
(ねじの引張り荷重÷安全率)である ねじの引張り許容荷重 の2/3(60~70%)
にしなければなりません。

それを、勘違いしないように考慮して下さい。

尚、ねじの簡単な使用方法(せん断荷重も出ています)のURLと、安全率のURLを添付して
おきますので、合わせて確認してみて下さい。

蛇足ですが、“4.3 ねじの強度”にも記載されているように、

できるだけ、ねじにせん断荷重が掛からない設計をしなくてはいけません。

具体的には、

☆ 焼き入れの平行ピンを2本セットし、平行ピンでせん断荷重を受ける構造にする

☆ 一部分を勘合構造にし、その部分でせん断荷重を受ける

等々です。

☆ 焼き入れの平行ピンを2本セットし、平行ピンでせん断荷重を受ける構造にする

に関しては、ねじがM5のように小さくて、且つ使用ねじ本数が2本程度と少ない場合です。

補足追記します。

参考URL:http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/design/ch04/ch04_03.html http://kousyoudesignco.dip.jp/ZAIRIKI-ANZEN.html http://kousy

投稿日時 - 2011-07-01 16:51:00

簡単に述べさせていただきます。?ものもとねじは部材の締結に用いるもの
である程度の軸力が確保されれば、部材間の摩擦で十分強度を保てるので、
ねじ自身にこの軸力以上の力は発生しません。
この場合は個々にねじの強度は検討しないように思います。
しかし?構造物における地震力に対する安全の確保や伝動部材に用いて繰返
し応力がねじに働く場合があります。この場合は詳細な確認が必要です。
?の場合と?の場合とはまったく考え方が異なります。許容応力のレベルに
ついても変わります。許容値に関して簡単には?短期?長期(繰返し荷重)と
区分します。一般レベルでは引張強さσBに対し?σB/3 ?σB/(4~8)と考え
ます。提示の安全率4は?に類するレベルと考えます。
ねじメーカーなどが一般に提示している値は?の実用レベルです。

投稿日時 - 2011-07-01 10:29:00

「ねじ」に関するサイトはかなり多くて、間違った情報もあったりします
機械要素では最も良く使われるのですが、実際には奥が深くて意外にも難しい
従って、とてもこの限られた時間と場所だけでは説明も難しいかと思います

よって、☢ねじ」に関して興味があるならば↓参考URLのサイトがお勧めです
WEBラーニングを未だ無料で視聴できるようです。その中で「ねじ締付け」と
いう項目がありますので、☢ねじの世界の入口が見られるだろうと思います

上記は初心者にも分り易く他にも興味深いものが沢山で、私の★お宝サイト
ここのところ、仕事で忙しく疲れ果てて、見る機会自体が減ってしまっている
勉強できる時には、なるべく沢山の知識や工学文献を読んでおきたいものです

参考URL:http://weblearningplaza.jst.go.jp/cgi-bin/user/top.pl?next=lesson_list&type=simple&field_code=31&course_code=365

投稿日時 - 2011-07-01 05:56:00

ネジの設計手順は一本道なのを、二つの資料を使って入口出口の両方から横目で眺めると迷う結果になります。

ネジについて、図も豊富で基本は判りやすいが適正トルク値の計算を省略しているから実用では結論が得られない資料。
  http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/design/ch04/index_j.html

迷った場合は、基本に立帰るべき。それは『2.1 材料強度の基礎知識』
  http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/design/ch02/ch02_01.html
  引張強さ 降伏点 許容応力 安全率 について再度勉強

  『表2.1 安全率の目安』      鋼は 3 を掲げている。
                       ↑
>材料の引張り強さKt(SMC435だと95kg/mm2)÷ ▼4▼ と決められている
>M5ボルトを標準締付けトルクで締めた段階で既にボルトの ▼許容引張り荷重▼ を上回る力が引張り方向にかかってしまっている。 ▼締めただけで破損▼ ?)

▼の部分に誤解があります。
安全率は4と決まっているわけではない。使用条件が厳しいときは 12 まで拡大すべしとなる値。
破壊する荷重 = 引張強さKt を安全率4で割って 許容引張り荷重 としているから、それを上回る荷重でも破損はしない。


実用的なのは『ボルトの適正締付軸力/適正締付トルク』など手順が決まっているもの。
  http://fa.misumi.jp/pdf/fa/p2849.pdf
これを理解するよう頑張れば、標準的なサイズは計算しなくとも表になっているし、条件が異なると予想された時だけ計算式に戻ればよい。

回答を立派に見せかけるが如く、ゴチャゴチャと資料を付けるのは、却って理解を妨げ良くない。といっても適当なものが見出せなければやむを得ないが。。。と今回は基礎/応用に使分けて2個。

投稿日時 - 2011-06-30 22:00:00

もう少し分り易く言えるかなっと

ボルトの締付は、降伏点近くまでの応力になる位までに締付けますが、
何故なら、軸力が大きければ大きいほど緩みにくい締結になるからです
一般に、誤差等を見込みかつ塑性域にならなぬよう70~80%σypにします

一方、許容引張応力では、実際に加わる軸力が降伏点と比較し小さければ、
小さいほど安全だと言えるのです。一般的に、降伏点に対して1.5以上で、
吊用などでは、安全率5倍程度また、圧力容器でも4倍程度は取ると思います
従って、ねじ締付の場合は特別な場合と考えた方が良いと、私は思います

投稿日時 - 2011-06-30 21:03:00

ねじの強度区分は、12.9等の表記でその意味は、(URLの抜粋)

小数点の左の数字と右の数字がそれぞれボルトの強さを表します。
左の『12』が'120キロまで切れない'という強さを表します。
これを「最小引張荷重」といいます。
右の『9』が'120キロの9割→108キロまでは伸びても元に戻る'という強さを表しています
(108キロを超えると伸びきって元には戻りません)。
これを「降伏荷重」または「耐力」といいます。
「10.9」→100キロまで切れずに9割の90キロまで元に戻る
「8.8」→80キロまで切れずに8割の64キロまで元に戻る
「4.6」→40キロまで切れずに6割の24キロまで元に戻る
JIS規格では、次の10種類の強度区分が定められています。
3.6/4.6/4.8/5.6/5.8/6.8/8.8/9.8/10.9/12.9(力の単位は、1mm^2あたりです)

となります。
ですから、SCM435の引張強度95kg/mm2(930N/mm2)でなく、降伏点や耐力80kg/mm2
(785N/mm2)がポイントです。
引張強度95kg/mm2(930N/mm2)は、最小引張破断荷重を表わし、
降伏点や耐力80kg/mm2(785N/mm2)は、最小引張荷重を表します。
ですから、6000N ÷ 14.2mm2(M5の有効断面積)= 423N/mm2で降伏点や耐力以下なので
OKです。

なぜ、降伏点や耐力のギリギリまで使用しないかは、トルク ⇒ 軸力計算時に摩擦係数を
任意で計算します。
が、実際に油分等があり摩擦係数が若干低くなり、軸力が上がっても降伏点や耐力を上回らない
配慮でギリギリにしません。

またなぜ、安全率を使用しないのか?(SMC435だと95kg/mm2÷4 の 4 のように)
これは、ねじはねじを締めると軸力が固定します。そして、その軸力より大きな力が加わら
ない限り、軸力の揺らぎはありません。(軸力より大きな力を加える使用は原則NGです)
ですから、降伏点や耐力×有効断面積=最小引張荷重と原則的になっています。

もう一方のファーサイドからのフォローでの回答(2)には、痛み入ります。

さて、URLでの表記は、ねじの強度区分に関しての基本的内容と、トルク ⇒ 軸力計算の

基本的内容を紹介し、質問者に納得して頂き、問題があれば具体的に追記を期待している

内容です。今回、回答(2)でフォローしてくれたので、確率は減ってると思いますが。

iwanaiとは、質問者さんの質問に対しての受けとめ方と、アドバイス内容に関して、

Dimensionが異なるから、相容れないので無視する事にしています。

でも、喧嘩を売るようなコメントが付くので、喧嘩は買います。

今回のねじ強度に関しては、無恥と無知と無智なので、笑うしかありません。

あっ!  iwanaiのは、質問者さんへの 猫だまし か。月末故の。

参考URL:http://neji-no1.com/contents/05/file/index.html http://www.110.ne.jp/nejitech/ct1_003.html

投稿日時 - 2011-06-30 20:31:00

お礼

ご回答有難うございます。引張り許容荷重については強度区分より求めればいいということが分かりましたが、M5ボルトのせん断許容荷重についてはどのように求めればいいでしょうか?引張り許容荷重に0.6~0.7かけた値となるのでしょうか?

投稿日時 - 2011-07-01 13:17:00

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