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Jan 31, 2024

ボルト接合のクランプ荷重と接合応力の解析

Figura 1. Questa schermata mostra l'analisi FEA di un differenziale automobilistico.

図 1. このスクリーン キャプチャは、予想される荷重下での自動車用ディファレンシャル ハウジングの FEA 解析を示しています。 よくあることですが、最も高い応力はボルトの張力によるものです (この場合、2 つのタップ穴に作用します)。 写真提供：キウィーノー研究センター

このグラフは、六角頭ボルトとフランジ頭ボルトの面圧と圧縮降伏強度を比較しています。 接触圧力領域は、0.18 および 0.52 平方インチの接触領域に最小耐荷重の 75 パーセントの均一荷重がかかるという仮定に基づいています。 各領域の上端と下端は、それぞれグレード 8 とグレード 5 のネジによって加えられる圧力です。 出典: Peak Innovations Engineering

これらの感圧フィルムのスキャンは、5,000 ポンドの張力がかかった 1/2 インチのボルトの頭部の下の圧力分布を示しています。 写真提供：Peak Innovations Engineering

これらの感圧フィルムの写真は、2 つの異なるサプライヤーからの六角フランジ ナット (上) と六角フランジ キャップ ネジ (中央と下) の座面全体の圧力分布を示しています。 この研究は、図 3 で使用されている六角フランジねじが予想外にフランジの外径ではなくクリアランス ホールの端に圧力が集中していることを示したときに実施されました。 写真提供：Peak Innovations Engineering

このグラフは、1/2 インチ-13 ネジとナットでクランプされた 2 つのシリンダー (直径 2.25 インチ、長さ 2 インチ) にわたる圧力分布を示し、不均一なクランプ荷重の問題を示しています。 この厚さであっても、ピーク圧力は、ボルトの張力を接合面の接触面積で割ることによって予測される値よりも 40% 大きくなります。 グラフ提供：Peak Innovations Engineering

この FEA 解析は、相手ねじ山の応力を示します。 出典: 「ボルト接合の応力解析」László Molnár 他アル。

図 7. このグラフは、多くの一般的なナット部材材料の公称ファスナー直径に対する推定ねじかみ合いをまとめたものです。 写真提供：Peak Innovations Engineering

ボルト締結開発における多くの重要な考慮事項が見落とされがちです。 特定の締め付け戦略で達成されるボルト張力を推定することは確かに一般的な焦点ですが、ジョイントコンポーネントに対する荷重の影響については十分に議論され、理解されていません。

ねじ留め具が非常に広く使用されている理由の 1 つは、ねじ留め具が狭い領域で膨大な量のクランプ荷重を生成できることです。 クランプ荷重は、ジョイント コンポーネントが相互に移動することなく一緒に保持されるメカニズムであるため、中心的な役割を果たします。これはおそらく構造ジョイントの主要な要件です。 ただし、小さな領域に大きな負荷がかかると高いストレスが発生し、問題が発生する可能性があります。 たとえば、1/2 - 20 グレード 8 ボルトは、ほぼ 20,000 ポンドのクランプ荷重を供給できます。 標準の 9/16 インチのクリアランス ホールに標準の六角頭がベアリングされている場合、すべての荷重が 10 円玉の半分のサイズにしか作用しないことを意味します。 結果として生じる応力は、ほとんどの材料の降伏強度を超えます。 スパイクヒールが木の床に与える影響と似ています。

この記事では、ボルトの張力が、荷重が分散される 2 つの対向する領域 (ヘッドまたはナットの下と、相手のねじ山内) に及ぼす影響を検証します。 たとえば、図 1 は自動車用ディファレンシャル ハウジングの有限要素解析 (FEA) を示しています。 よくあることですが、最も高い応力がねじ穴にかかります。

ボルトの張力とその結果として生じるクランプ荷重を決定するためのテストを行わない場合を除いて、ボルトの頭またはナットの下の材料の圧縮降伏強度を超えることは、推奨設計実践からの最も一般的な逸脱です。 ボルト締め付けの最も一般的な目標は、ボルトの耐荷重の 75% を達成することです。 図 2 は、説明のために 1/2-13 の六角穴付きボルトを使用し、標準の 9/16 インチのクリアランス ホールを想定して、ボルトの張力によって相手材に生じる圧力をまとめています。 次に、その圧力を、さまざまな硬度の一般的な鋼製クランプ部材の推定圧縮降伏強度と比較します。

圧縮降伏強さはめったに指定されませんが、引張降伏強さは鋼などの一部の材料では一般的に受け入れられている推定値ですが、他の材料 (特にすべての種類の鋳鉄) ではそうではないことに注意してください。 比較的小さな寸法変化が面積に大きな影響を与える可能性があることを示すために、フランジヘッドねじについても同じ計算を実行します。 平ワッシャーの使用は含まれていません。これは、計算がワッシャー、クランプされた部材、留め具の相対的な硬さ、およびワッシャーの内径と外径に依存するためです。

図 2 からわかることは、グレード 8 ファスナーがロックウェル C スケールよりも柔らかい材料に使用されない限り、六角頭ファスナーの下の領域で十分であるということです。 残念ながら、実際の圧力は非常に不均一であり、表面が不均一であるため、接触面積は予測よりも小さくなることがよくあります。 したがって、実際の最大圧力は理論上の平均値よりもはるかに高くなります。

図 3 は、六角穴付きボルトの頭の直下、および六角穴付きネジの頭と平座金の組み合わせの下に配置された感圧フィルムのスキャン画像を示しています。 標準のワッシャーの厚さは、直径全体に荷重を均等に分散できるほど大きくありません。 同じ寸法の硬化ワッシャーも同様に動作することに注意してください。 もちろん、ボルトの荷重を分散する以外にも平ワッシャーを使用する理由はあります。たとえば、さまざまなクランプの材質や仕上げに対して一定の摩擦係数を提供し、かじりやスティックスリップを排除し、下地の仕上げの完全性を保護するなどです。

フランジヘッドは標準の平ワッシャーよりも硬いですが、別の変数を考慮する必要があります。 接触面は完全に平らではなく、わずかに円錐形になっています。 これにより、直径全体に異なる種類の圧力勾配が生じ、予測がより困難になります。

これを図 4 に示します。図 4 は、フランジ ナットとネジの感圧フィルムの研究の写真を示しています。 1/2 インチおよび M12 フランジ ハードウェアのこのレビューは、顧客のテストで凸面 (クリアランス ホールの端での接触) を備えたフランジヘッド ネジを発見したときに開始されました。 例を図 3 の下の図に示します。表面積の増加に加えて、締結具の接触直径の増加により、加えられたトルクに対する摩擦抵抗が増加します。 これにより、特定のトルクに対して生成されるボルトの張力が減少します。 この場合、六角頭ファスナーをフランジヘッドに置き換えることによる張力の減少は約 12% です。

図 5 は、不均一なクランプ荷重の例を拡張して、1/2 インチ-13 ネジとナットでクランプされた 2 つのシリンダー (直径 2.25 インチ、長さ 2 インチ) にわたる圧力分布を示しています。 この厚さであっても、ピーク圧力は、ボルトの張力を接合面の接触面積で割ることによって予測される値よりも 40% 大きくなります。

この説明は、圧縮降伏 (一般に埋め込みと呼ばれる) を常に回避する必要があることを示唆するものではありません。 多くの場合、埋め込みを防ぐために必要なクランプ荷重の低減は、高応力領域の降伏によって引き起こされる緩和よりも信頼性にとって悪影響を及ぼします。 私は、予備計算とその後のテストを通じて、これがもっと注目に値する領域であることを示唆しているだけです。

定期的にメンテナンスされる重大な埋め込みのあるジョイント。 その後ボルトを取り付けると、接触面積が大幅に減少し、不均一になる可能性があり、ボルトの曲がりやクランプの荷重損失による疲労破壊の可能性が高まります。

高いアキシアル荷重と、長さと直径の比率が小さいボルトを組み合わせたジョイント。 圧縮降伏が差し迫っている接合部では、追加のボルト荷重が大きくなり、締め付け直後の局所的な降伏によって通常発生する緩和よりもはるかに大きなクランプ荷重損失が発生する可能性があります。

締め付けが行われた温度とは大幅に異なる温度で動作するジョイント、特にボルトとは異なる熱膨張率を持つクランプされた部材を備えたジョイント。 一般的な例は、アルミニウム鋳物のエンジンボルトです。 動作温度では、アルミニウム鋳物の膨張が大きくなり、埋め込み、ボルトの降伏、またはねじの降伏によるクランプ荷重の損失が発生する可能性があります。

相手ねじ内のボルトの張力を分散する際の基本的な問題は、ヘッドまたはナット面の場合と同じです。つまり、小さな領域で大きな荷重を分散しなければならないということです。 2 つの要因により、ネジ領域がさらに問題になる可能性があります。 1 つ目は、雌ねじが別個の標準化された要素 (ナット) として提供されることもあれば、メーカーの設計 (タップ穴) として提供されることもあります。

第二に、ねじ山にかかる力は、ヘッドやナット面の下のように、合わせ面に対して垂直に作用しません。 三角形のネジの形状により、雌ネジを圧縮および拡張する力が生じます。 この影響は、図 6 の典型的なナットと嵌合ねじにかかる応力の FEA スクリーンショットで確認できます。 座面の下の荷重と同様、ネジの長さに沿った荷重は均一ではありません。 研究によると、最初に係合したねじ山はボルトの張力の約 3 分の 1 を吸収します。 残りの張力は、すべての負荷が 6 番目の糸によって効果的に吸収されるまで、残りの糸によって徐々に吸収されます。

このことから、一部のタップ穴に 6 つを大幅に超えるねじ山があるのはなぜかという疑問が生じます。 タップ穴が開けられる材料は、相手のねじよりも強度が低いことが多いため、ねじよりも先にその材料が降伏する可能性があります。 図 6 を見ると、最も応力の高いねじ山の表面がたとえ微細でも潰れた場合、荷重がねじ山のラインに伝わり、個々のねじ山の応力が部分的に平準化されることが想像できます。 このようにして追加のスレッドが関与します。

程度は低いですが、この影響は、相手ねじに適切に適合した標準ナットにも存在します。 この効果を利用するために、ナットは、適合するネジよりもわずかに低い降伏強度を持つように指定されています。 これは、ナットが 2 つの要素のうち弱い方であることを意味するものではないことに注意することが重要です。ナットのねじ山が顕著な損傷を受ける前に、ボルトが破損するのに十分なねじ山領域が確保されるようにナットの高さが設定されているからです。

ナットの幅または直径も耐荷重に影響します。 図 6 は、相手ねじが互いに半径方向にスライドするにつれてねじから離れる方向に広がるナットねじを示しています。 このねじの噛み合いの減少、したがって負荷容量は、ナット部材の半径方向の剛性の関数です。 標準ナットの二面幅はねじの呼び径の約1.5～1.6倍です。 膨張をなくすにはほぼ 2 対 1 の比率が必要であるため、これは実際には強度とサイズの間の妥協点です。 必要に応じて、より大きな幅と長さのナットも利用できます。

航空宇宙で使用されるような特殊ナッツには、より単独ではあるものの関連した効果が見られます。 これらのナットには、膨張を最小限に抑えるために厚いフランジが付いていますが、重量を軽減するためにフランジの上に薄い壁があります。 これにより、ボルトが降伏する前にナット本体が軸方向に圧縮されることがよくあります。

ボルト接合のねじ端における最も一般的な設計上の課題は、タップ穴を使用するときに必要なねじのかみ合いを決定することです。 ナットの場合と同様、その目的は、締めすぎた場合の破損モードがねじ山剥離ではなくボルト破損によるものであることを確認することです。 このモードは、より明白であり (ネジ山が剥がれてもボルトの緩みが発生しない)、修理が一般に安価で信頼性が高いため、推奨されます。

図 7 は、多くの一般的なナット部材材料の公称ファスナー直径に対する推定ねじ係合量をまとめたものです。 極限せん断強度 (必要なねじのかみ合いを推定するために必要な材料特性) は、通常、一般的な材料でのみ利用できます。 ただし、多くの場合、極限引張強さのパーセンテージとして推定されます。 図 7 は単一のねじサイズの計算に基づいていますが、長さ対直径の比率は、小端 (1/4 インチまたは M6 未満) を除き、ファスナーの直径の範囲全体にわたって約 5% 以内に収まります。

止まり穴のねじ先端の不完全ねじ山。 これにより、短いねじの係合のみを必要とする硬質材料では能力が 20% 減少する可能性があります。

タップ加工後に穴の入口に面取りが追加されました。 これは、ねじの噛み合いに誤って含まれることがよくあります。 重要な寸法とは見なされないことが多く、また正確に測定することが難しいため、この機能は十分に管理されていないことがよくあります。 不完全ねじの場合と同様、長さと直径の比が小さいほど影響は大きくなります。

ねじのかみ合いの半径方向の寸法は非常に小さいため、雌ねじまたは雄ねじの小さな寸法変化が負荷容量に大きな影響を与える可能性があります。 たとえば、標準ねじのすべての寸法および材料の公差が最悪の状態にある場合、破損モードによりボルトの破損がねじの剥離に変化する可能性があります。 寸法のばらつきは、標準ファスナーよりも、特に少量の生産方法で製造されたタップ穴でより一般的です。

要約すると、ボルト接合で発生する高い応力は、「理論と現実」の影響を拡大します。 ますます強力になっている分析ツールは開発時間とコストを削減しますが、高価な故障を回避するにはボルト接合の物理テストが不可欠です。

Peak Innovations Engineering は、ボルト接合の開発、テスト、検証においてクライアントを支援することに専念しています。 詳細については、815-847-7722 に電話するか、http://pieng.com にアクセスしてください。