ナットの強度設計について

Question

鋼製のナットの設計を考えています。例えばＪＩＳではボルトの強度区分10.9に対してナットは10と、ナットの強度が低い設定になっています。
またナットは硬度の上限のみが定められており10でＨＲＣ36以下。
では下限はかなり下でも良いことになります。
ＪＩＳ規格の強度要求があるわけでありませんがナットの強度（特に硬度）を考える上でボルトよりもナットの強度が高いと不都合が生じることがあるのでしょうか？　ナットは強度がそれほどなくても保証荷重が十分に得られるだからＪＩＳの強度区分はそのようになっているのでないかと考えています。
ナット、ボルト共に硬いものが必要でナット、ボルトの強度が同程度またナットの強度が高いぐらいの設計を考えているのですが、アドバイスを頂けると大変助かります。よろしくお願い致します。

Answer

ネジの計算式は定式化されており、規格値は概ねこの式に準じています。ネジ
面や座面の摩擦が絡むので、実際の状況においてばらつきは大きくなります。
一般の鋼ネジの組み合わせにおいて、ナットの高さを呼び径以上に設定しナッ
トの方が破損しないようになっています。
下記ネジの技術資料を参考にしてください。

http://www.110.ne.jp/nejitech/

Answer

簡単な考察は、以下の如くです。

先ず、並目ねじの径と同じ長さのねじが掛かっていれば、ねじ山の強度は問題なし

ねじの（谷径）軸強度＜ねじ山の強度（ねじ径と同じ長さ条件で）

を大昔に先輩から教わりました

次に、ナットの厚みは、古いナット規格は解り易かったが、新しいナット規格は難しく、

古いナット規格では、ねじ径の約0.8倍がナットの厚みで、この条件でも

ねじの（谷径）軸強度＜ねじ山の強度（ねじ径ｘ0.8長さ条件で）

でした。

ダブルナット用の細いナットもあり、正確に計算すると0.X倍になります。

(貴殿が計算してみると、実感します)

最後に、ナットとボルトの材料強度の比較だけを考察するのではなく、

ねじの（谷径）軸強度＜ねじ山の強度（ねじ径と同じ長さ条件で）　　や

ねじの（谷径）軸強度＜ねじ山の強度（ねじ径ｘ0.8長さ条件で）　　の

の条件から、使用するナットの厚みを確認し、ナット厚みのアドバンテージを

確認してから、ナットとボルトの材料強度比較をしないと駄目です。

ねじ山の強度より、ボルト谷径軸強度の方が、一般的に弱いから、その補正確認が必要だす。

Answer

JISに規定されているナットに比べて、薄いナットが必要であれば、
お問い合わせの通り強度が高い（≒硬度が高い）材質を選定する必要性が
ありそうに思います。
その際は、並目ねじでなく、細目ねじを採用して精度に関しても十分に
配慮するなどをご検討なさって頂ければと思います。

Answer

＞ナットは硬度の上限のみが定められており10でＨＲＣ36以下。
　では下限はかなり下でも良いことになります。

上限は強度を上げようとしてイタズラに硬くするのはいけないよとの親切心。
下限は明示されないが、強度試験の規定から実質上決まってるといえる。

＞ＪＩＳではボルトの強度区分10.9に対してナットは10と、ナットの強度が低い設定
＞ＪＩＳ規格の強度要求があるわけでありませんが

とは読めないです。

JISB1052-2 締結用部品の機械的性質－第２部：保証荷重値規定ナット－並目ねじ
　　http://kikakurui.com/b1/B1052-2-2009-01.html
　　３．強度区分の表し方
　　機械的性質の強度区分は，そのナットと組み合わせて使用することができるボルトの
　　最高の強度区分を示す数字によって，表 2 のように表す。
　　（表２の内容：ナット強度区分10　にたいし組合わせるボルト強度区分は10.9）
　　ねじを締め付けすぎた場合，ボルトの軸部が破断を起こすか，ボルトのねじ山のせん断破壊
　　及び／又はナットのねじ山がせん断破壊を起こす。ボルトの軸部の破断は，き裂が入ると
　　瞬時に破断に至るので容易に気が付く。しかし，ねじ山のせん断破壊は，徐々に進行するので
　　発見が難しい。そして，ねじ山がせん断破壊した場合には，破損したねじ部品がねじ結合体
　　の中に残ってしまうという障害を引き起こす。
　　したがって，締結によるねじ部品の破壊は，常にボルトの軸で起きるように設計することが望
　　ましい。

逆でナットが壊れないようにすべし。

５．機械的性質
　　６．保証荷重値
　　８．試験方法
詳細まで見きれないので、設計／製造をなさるなら要熟読。
規格は図表が抜けた上記簡易版でなく最低『ＪＩＳ検索』サイトで閲覧、ハンドブックも買うべきかと。

ボルト／ナットを硬くしすぎることは禁物です。
硬さと靱性は反比例の傾向。荷重試験に合格したとしても水素脆性の感受性が高くなり遅れ破壊をおこしやすい。材質別の限界もわきまえねばならない。

ＪＩＳは硬さを制限してる例が多い。『硬さと強さは比例』一本槍の信者が高周波焼入、浸炭焼入などトンデモなことを言う
　　http://mori.nc-net.or.jp/EokpControl?&tid=251655&event=QE0004

SWCH18Aに何かを施せば強度区分8.8だって！　製造実務者なら見抜ける嘘
　　http://mori.nc-net.or.jp/EokpControl?&tid=161406&event=QE0004

同材質で作ればボルトよりナットが強いという力学があり、逆にナットは軟らかくてもタイマン張れると言えます。

ナットの強度設計について