「この部品のボルトサイズはどれくらいが適正なのだろう？」
「ボルトサイズを決めるには何を根拠にしたらいい？安全率の目安は？」
「ボルトの強度計算のやり方を知りたい」

今回は、このような悩みに答えていきます。ボルトサイズを決める際、何を目安にしたらいいか分からなかったり、強度計算に苦手意識があったりする方もいるかもしれません。

そこで本コラムでは、ボルトサイズを決めるために必要な前提知識や、実際の強度計算のやり方を解説します。紹介するのは簡単にできる計算方法なので、設計初心者の方もぜひ参考にしてみてください。

1. 【必要な情報は2つ】ボルトサイズの決め方

ボルトサイズは、加わる力に対してボルトがその機能を果たせなくなる限界値に、安全率を考慮して決定します。ここでは、ボルトサイズを決めるために必要な2つの情報、「安全率」と「強度の限界値」について解説します。

1-1. アンウィンの安全率を用いる

強度計算においては、実際にボルトにかかる荷重を大きめに見積もる必要があります。つまり、実際の荷重に安全率を乗じるわけですが、その数値としてはアンウィン（Unwin）によって提唱された値を用いるといいでしょう（下記の表を参照）。

厳密には、多くの条件を考慮して詳細な計算を行います。しかし少し過剰な設計が許されたり、受ける荷重の大きさが正確に分からなかったりする場合は、この安全率を用いて簡易的に選定するのをおすすめします。

応力集中係数などさまざまな因子を考慮する必要がなくなり、手間をかけずに強度計算を行えるようになるからです。

アンウィンの安全率

※上表は材料が鋼の場合の数値を示す。

1-2. 強度の限界値は降伏点にする

ボルトサイズを決める際、アンウィンの安全率を乗じた荷重が、強度の限界値を超えないようにしなければいけません。強度の限界値としては、引張強さや降伏点が挙げられますが、後者を選ぶようにしましょう。

アンウィンの安全率は経験的に決められた推定値のため、理論的な根拠に乏しいという欠点があります。そのためアンウィンの安全率を使うときは、降伏点を選ぶほうが安全です。

下記の表は、ボルトのサイズ・強度区分ごとに降伏荷重をまとめたものです。強度計算の際に活用してください。

※強度計算を簡単にするために、降伏点（単位：kN/mm2）ではなく、降伏荷重（単位：kN）の数値をのせています。

並目ボルトの降伏荷重（単位 kN）

表の参考文献：『機械設計: 機械の要素とシステムの設計（第2版）』オーム社出版　P78 表3.10

2. 【計算例を紹介】ボルトの強度計算のやり方

これまで説明してきた内容を押さえた上で、実際のボルトにおける強度計算のやり方を解説します。

今回の計算条件は下図のように、側面へ2本のボルトで取り付けた部品の先端に、500Nの静荷重がかかった場合を想定します。

基本的な計算手順としては、下記のような流れで行うといいでしょう。

手順①：ボルトにかかる荷重を確認する
手順②：荷重に安全率を乗じて降伏荷重と比較する

2-1. 手順①：ボルトにかかる荷重を確認する

まずやるべきは、ボルトにかかる荷重を確認することです。ねじ部にかかる荷重の種類や大きさを明らかにしないと、ボルトサイズを決められないからです。

今回の条件であれば、ボルトにかかる荷重はモーメント計算によって求めます。モーメント計算のポイントは、部品に力が加わったときに動かない点を見ることです。

上図のように部品の先端に垂直荷重F1がかかると、A点を支点にして部品が回転するように動き、ボルトを引き抜く力F2が働きます。

この引き抜く力に対して2本のボルトは抵抗するため、A点を中心にしたモーメントのつり合いを考えると、下記の式が成り立ちます。

F1×120=F2×30×2

この式を整理すると、ボルト1本にかかる引張力F2は、

F2＝(500×120)/(30×2)=1000N=1kN

と算出できました。

2-2. 手順②：荷重に安全率を乗じて降伏荷重と比較する

今回は静荷重のため、安全率は3になります。ボルトにかかる荷重に安全率を乗じると、

F2×3=3kN

となり、降伏荷重の表から、
適切なサイズのボルトは「強度区分4.6のM5ボルト」であると分かりました。

以上がボルトの強度計算のやり方になります。

まとめ

今回はボルトサイズの決めたについて解説しました。紹介した安全率や強度の考え方によって、安全に効率の良い強度計算ができるようになります。

今回紹介した内容が、ご参考になりましたら幸いです。

なお、強度設計に苦手意識があったり、もっと学びたかったりする方には、MONO塾の強度設計入門講座がおすすめです。実務に役立つ強度設計の知識を、ムダなく効率的に学習して頂けます。

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