このページでは、ねじ・ボルト強度計算のフリーソフト・エクセルをご紹介します。
・ボルト強度計算のフリーソフト
・ねじ強度計算のフリーソフト
・ばねの計算のフリーソフト
後半の記事でも、活用できるおすすめのねじ・ボルト強度計算の情報を紹介しています。
・機械設計における計算の必要性
・ねじ・ボルトにかかる荷重
・ねじ・ボルトの引張荷重に対する強度計算
・引張荷重に対するねじ・ボルトの選定方法
・ボルト・ねじ山のせん断荷重に対する強度計算
・ねじ・ボルトのせん断荷重に対する強度計算
・ねじ・ボルトの強度区分について
・鋼鉄製ねじの強度区分について
・ステンレスねじの強度区分について
・鋼鉄製ねじとステンレス製ねじの比較
ボルト強度計算のフリーソフト
ボルト強度計算のフリーソフトです。
JIS形鋼・配管・ボルト・ナットのサイズ寸法・質量・重心を計算、六角ボルト・六角穴付のAutoCAD機械用部品、ボルトはM3～M80の頭のみとねじ部あり、ナットはM3～M68、摩擦せん断ボルトの計算、ねじ継手・ねじ深・きり深の確認、AutoCADにボルトやねじ穴を描くツール、締結用ねじ・送り用ねじの設計計算、締付トルクの計算、ボルト軸力の計算、疲れ強さの計算、温度による予張力変化量、ボルトの許容引張荷重などのフリーソフトが、ダウンロードできます。
Excelで作るボルト選定表
Excelで作るボルト選定表
ボルト長さ・重量が、Excelで簡単に作成できます。
サイズ・つかみ代・重量表示別を入力するだけです。
検討用・チェック用として使用できます。
Ac_Bolt
Ac_Bolt
AutoCAD上で、六角ボルトを自動作成するソフトです。
M4からM24までの六角ボルトの正面図、平面図を自動作図します。
ボルトサイズ、ワッシャの有無などを選び、AutoCAD上で挿入基点、方向をクリックするだけで自動的に作図できます。
OursFreeシンボルライブラリ -機械- ボルト、ナット
OursFreeシンボルライブラリ -機械- ボルト、ナット
ボルトとナットのシンボル集です。
フリーソフトのOursFreeで、使えます。
ボルトはM3～M80の頭のみとねじ部ありの2種類、ナットはM3～M68です。
側面と平面の2つのデータがそろえています。
モーメントのかかるフランジボルト
モーメントのかかるフランジボルト
フランジ付ラグの取付面に平行な荷重によるモーメントがかかる時のボルト張力を計算します。動作環境はエクセル2003以上となっています。ダウンロードするとzipファイルが保存されますので、解凍をして使用します。フォルダー内にある「flange_bolt_load.xls」がプログラム本体となっています。使い方は「manual.pdf」を参照してください。
RS-RockBolt (試用版)
RS-RockBolt (試用版)
落石予防工に分類されるロックボルト併用吹付工の設計計算書を簡単に作成するための Microsoft Excel VBA プログラムです。「落石対策便覧;公益社団法人 日本道路協会,平成12年6月,pp.342-348」および「道路土工-切土工・斜面安定工指針;公益社団法人 日本道路協会,平成21年6月,pp.296-300」に準拠したロックボルト併用吹付工の設計計算書を短時間で作成できます。
ねじ強度計算のフリーソフト
ねじ設計ツール
ねじ設計ツール
締結用ねじ、送り用ねじの設計計算ソフトです。
締結用ねじは、締付トルクの計算、ボルト軸力の計算、疲れ強さの計算、温度による予張力変化量、ボルトの許容引張荷重、摩擦せん断ボルトの計算ができます。送り用ねじは、送りねじトルク計算ができます。
DWG ねじ穴作図ツール
DWG ねじ穴作図ツール
AutoCADLTに、ねじ穴を作図するソフトです。
ボルト穴、長穴、タップ(貫通、未貫通)、皿ザグリ、六角穴付きボルト深ザグリの作図ができます。
DraftSight ねじ穴作図ツール
DraftSight ねじ穴作図ツール
DraftSightに、ねじ穴、ざぐり、タップを作図するソフトです。
ねじ穴、長穴、ざぐり、皿ざぐり、貫通タップ、未貫通タップ、ねじの強度計算、ねじ長さ計算ができます。
ばねの計算のフリーソフト
ばねの計算、チェーン・コンベヤの計算のフリーソフトです。
引張りばね・圧縮コイルばねのバネ諸元を計算、線径の選択と巻数の算出、ばね寿命・ばね座屈をグラフに表示、バネ材料を選んで線径・平均径・有効巻き数・全長・荷重を入力、2軸巻付チェーンのリンク数の計算、スクリューコンベヤの設計計算、コンベヤの動力計算・強度計算、減速機の選定計算、駆動チェン・主務チェンの強度計算、軸径の計算などのフリーソフトが、ダウンロードできます。
OursFree演算ライブラリ -円筒コイルバネ
OursFree演算ライブラリ -円筒コイルバネ
円筒コイルばねの各種計算が、図付きのライブラリで簡単にできます。
円筒コイルばねの、線径、コイル中心径、荷重、巻数、撓み、応力、の関係を各方面から関係演算する5種のライブラリ群です。Wahl応力修正係数も導入しています。
Spring Selector
Spring Selector
市販の引っ張りバネ、圧縮バネの検索用データベースです。
必要な長さ、荷重、外径、材質etcを入力して、該当する市販のバネを探すことができます。
直感 ばね設計 -圧縮ばね-
直感 ばね設計 -圧縮ばね-
直感で圧縮ばねの設計ができます。
線径・コイル径等をスライダーによる数値決定で、リアルタイムにばね計算を行います。参考値ですが推定寿命も表示します。
超簡単 圧縮ばね計算
超簡単 圧縮ばね計算
1つのシートで3種類の圧縮ばね計算ができ、比較もできます。
材料を選んで線径、平均径、有効巻き数、全長、荷重1又は2を入力すると、各計算が出来る便利なソフトです。
防振装置計算
防振装置計算
質量、ばね常数、ばね減衰係数の入力で複雑な振動系計算を瞬時に行えるソフトです。振動の発生源となる機械の据え付けを行う場合、出来る限り振動が他に伝わらないように防振装置を介して据え付けることが通常です。また特に静粛が要求される場合には中間質量を用いた二重防振装置も使用されております。ばねを変えると防振効果はどうなるか、共振点はどう変わるなど複雑な計算を行い、分かり易くグラフ表示すると共に印刷も可能となっています。
Ynのばね計算2
Ynのばね計算2
引張・圧縮・ねじり、3種類のコイルばね計算ソフトです。おもに、冷間成形を行う比較的小形のばねを想定しています。JIS B 2704 及び JIS B 2709 を基に計算します。最低限の項目を値入力または範囲入力すると、設定の適正領域を評価し適合したものを候補としてリスト表示します。最適なばねを選択し計算書として出力します。計算書はXML形式にて項目値を保持されます。
機械設計における計算の必要性
物理工学の分野で行われる複雑な計算は、人間の手計算では、間違いが生じてしまいます。溶接強度計算、ナット耐久計算、インボリュート曲線作図、歯車ボルト強度計算、ボルト強度計算など、ボルトナットのソフトがあります。機械設計においては、ボルトナットなどの計算を確実に行う必要があり、専用ソフトは欠かすことができません。
コイルばねには、圧縮コイルばね、引張コイルばね、ねじりコイルばねがあります。ばねは、コイルばねの他、板ばね、トーションバー、皿ばね、渦巻ばね、竹の子ばね、細工ばね、輪ばねに分類されます。
JIS形鋼・配管・ボルト・ナットのサイズ寸法・質量・重心を計算、ねじ継手・ねじ深・きり深の確認、六角ボルト・六角穴付のAutoCAD機械用部品、締結用ねじ・送り用ねじの設計計算、ボルト軸力の計算などのフリーソフトが、ダウンロードできます。
ボルトはM3～M80の頭のみとねじ部あり、ナットはM3～M68、疲れ強さの計算、摩擦せん断ボルトの計算、Aut oCADにボルトやねじ穴を描くツール、締付トルクの計算、温度による予張力変化量、ボルトの許容引張荷重など、ボルトとナットの計算、ねじの計算のフリーソフトです。
ボルトナットのソフトは、エクセル溶接ボルト強度、ナット機械図面作成、ギアナット寿命試験、スプリング強度計算などがあります。
ねじ・ボルトにかかる荷重
機械設計において、ねじ・ボルトは構造部品を固定するための基本的かつ不可欠な要素です。しかし、その選定が不適切である場合、過剰な荷重が加わり破損や事故を引き起こすリスクがあります。このため、ねじ・ボルトにかかる荷重を正確に把握し、適切な強度計算を行うことが極めて重要です。ここでは、ねじ・ボルトが受ける主要な荷重と、それに基づいた設計手法について解説します。
ねじ・ボルトにかかる主要な荷重
ねじ・ボルトに加わる力は用途や環境によって異なりますが、主に以下の3種類に分類されます。それぞれの荷重に対する適切な強度計算が、部品の安全性と耐久性を確保する鍵となります。
引張荷重
引張荷重とは、ねじ・ボルトの軸方向にかかる力を指します。この荷重は、例えば締結部品同士を引き離そうとする外力や振動によって生じます。引張荷重が過大になると、ねじの伸びや破断が発生するため、十分な強度を持つ材料と適切なねじ径の選定が必要です。
ねじ山のせん断荷重
ねじ山のせん断荷重は、ボルトのねじ山部分に沿って軸方向に働く力です。この荷重により、ねじ山が削り取られる、または破損するリスクがあります。特に、荷重が集中する箇所では、ねじ山の形状や深さ、相手部品との適合性を考慮した設計が重要です。
せん断荷重
せん断荷重は、ねじ・ボルトの断面に対して横方向に加わる力を指します。この荷重が過剰になると、ボルトの断面が破断する可能性があります。したがって、使用するボルトの材質、太さ、長さだけでなく、荷重を分散させる座金やフランジの使用も考慮すべきです。
強度計算の基本と設計への反映
ねじ・ボルトにかかるこれらの荷重を正確に評価するためには、各力が及ぼす影響を適切に計算することが求められます。以下に、具体的な強度計算のステップを示します。
引張強度の計算
引張強度は、ボルトの材料特性と断面積に基づいて計算されます。
F_t = σ_t × A
ここで、F_t は許容引張荷重、 σ_tは材料の引張強さ、Aはボルトの有効断面積です。
せん断強度の計算
ボルト断面に働くせん断力は次の式で計算します。
F_s = τ_s × A
ここで、F_s は許容せん断荷重、 τ_sは材料のせん断強さです。せん断荷重が大きい場合、複数のボルトで荷重を分散する設計も検討します。
ねじ山のせん断強度
ねじ山が耐える力は、ねじ山の接触面積と材質によって決まります。相手部品との適合性を確認しつつ、ねじ山の破損を防ぐために、許容荷重以下で使用する必要があります。
配管放熱計算への関連性
ねじ・ボルトのせん断計算や強度計算は、配管放熱計算などの熱的ストレスが影響する設計にも応用されます。温度変化に伴う膨張や収縮によって、ねじ・ボルトに新たな荷重が加わる場合があります。このような場合でも、安全性を確保するために、設計段階でこれらの荷重を考慮した選定が重要です。
適切なねじ・ボルト選定の重要性
以上のように、ねじ・ボルトにかかる荷重を正確に把握し、それに基づいてせん断計算や強度計算を行うことは、機械設計の基本です。適切な材料と設計により、機械部品の安全性と耐久性を確保し、事故を未然に防ぐことができます。
ねじ・ボルトの選定を正しく行うことは、信頼性の高い機械設計への第一歩です。
ねじ・ボルトの引張荷重に対する強度計算
機械設計において、ねじやボルトは多くの機械部品を接続するための重要な要素です。それらにかかる荷重に対して十分な強度がないと、構造物が破損したり事故を引き起こしたりする危険があります。そのため、ねじやボルトにかかる引張荷重を正確に計算し、その強度が荷重に耐えられるかを評価することが極めて重要です。
引張荷重は、ねじやボルトが引き伸ばされるような力であり、その耐久性を確保するためには、材料の強度とボルトの断面積をしっかりと把握し、計算する必要があります。特に、強度計算を行う際には、引張応力を求め、その値が材料の許容強度を超えていないかを確認します。ここでは、引張荷重に対する強度計算の基礎的なアプローチを紹介します。
引張応力の計算
引張荷重を受けるねじやボルトにおける引張応力は、以下の式を用いて計算されます。
引張応力 (σ) = 引張荷重 (F) ÷ ねじ・ボルトの有効断面積 (A)
σ：引張応力 (単位：N/mm²)
F：引張荷重 (単位：N)
A：ねじ・ボルトの有効断面積 (単位：mm²)
引張応力は、ボルトやねじの断面積に対してどれくらいの力がかかっているかを示す指標であり、これが材料の許容引張強度を超えていないかを確認することが重要です。
材料の引張強度との比較
引張荷重がかかると、ねじやボルトには引張応力が発生します。設計者はこの応力が、使用する材料の引張強度を超えないようにする必要があります。材料の引張強度は、通常、材料の降伏強度や破断強度を基に決定されます。
ねじやボルトの設計においては、以下の条件を満たすように選定します。
(材料の引張強度 (σ) × ねじ・ボルトの有効断面積 (A) × 使用するボルトの本数 (N)) ÷ 安全率 (α) ＞ 引張荷重 (F)
σ：材料の引張強度 (単位：N/mm²)
A：ねじ・ボルトの有効断面積 (単位：mm²)
N：使用するねじ・ボルトの本数
α：安全率（一般的に1.5～2.5倍が推奨）
F：引張荷重 (単位：N)
この式は、ねじやボルトにかかる引張荷重 FFF が、ボルトの材料強度と断面積、そして使用する本数を考慮した許容引張荷重よりも小さいことを確認するためのものです。安全率 α\alphaα を適切に設定することで、設計に余裕を持たせ、予期しない荷重変動やその他の不確定要素にも耐えられるようにします。
引張荷重に対する強度の確認
ねじやボルトが引張荷重に耐えられるかどうかを判断するためには、計算された引張応力と材料の引張強度を比較し、強度計算が必要です。例えば、引張荷重が非常に大きい場合や、ボルトの断面積が小さい場合には、強度計算を通じて適切なねじやボルトを選定しなければなりません。
また、ねじ・ボルトの強度計算には「せん断計算」も重要です。引張荷重に加え、ねじやボルトにはせん断力が加わることも多いため、両方の計算を組み合わせて最適な選定を行います。せん断荷重が過剰になると、ボルトの断面が破断するリスクが高まりますので、引張荷重に加え、せん断荷重に対しても十分な耐性があるかを確認することが設計の品質を高めるポイントです。
実際の設計における考慮点
実際にねじ・ボルトを選定する際には、以下のような追加的な要素も考慮する必要があります。
ねじ・ボルトの材質：強度計算には、使用する材料の引張強度やせん断強度の特性を正確に把握することが欠かせません。例えば、鋼やアルミニウムなど、材質ごとに異なる特性があります。
ねじ山の形状やサイズ：ねじ山部分が負荷を受けるため、ねじの形状やサイズも強度に大きく影響します。ねじ山部分が弱いと、引張荷重に耐えきれないことがあります。
環境条件：温度や湿度、腐食環境などがボルトの強度に影響を与えるため、これらの要素を考慮した設計が必要です。
以上の点を踏まえて、ねじやボルトの選定を行い、機械部品の安全で確実な設計を実現することが求められます。
このように、ねじやボルトにかかる引張荷重を正確に計算し、適切な強度計算を行うことは、機械設計における重要な工程です。
引張荷重に対するねじ・ボルトの選定方法
機械設計において、ねじやボルトを適切に選定することは、構造の安全性を確保するために非常に重要です。特に引張荷重がかかる場面では、ボルトがその荷重に耐えられる強度を持つことが求められます。ここでは、具体的な条件設定をもとに、ねじやボルトの選定手順を解説します。また、せん断計算や強度計算を組み合わせることで、より確実な選定が可能になる方法についても触れます。
条件設定と計算式
今回は、強度区分8.8のボルトを使用し、安全率を10として計算を進めます。具体的な条件は以下の通りです。
引張荷重（F）= 5000N
降伏強度（σy）= 640N/mm²
安全率（α）= 10
ボルト本数（N）= 1本
ボルトが引張荷重に耐えられるかどうかを確認するためには、次の式を用います。
( 降伏強度 × 有効断面積 × ボルト本数 ) ÷ 安全率 > 引張荷重
ここで、
A はねじ・ボルトの有効断面積（mm²）
他の変数は条件設定の値を使用します。
計算式
ボルトの降伏強度に基づいて、引張荷重を支えるために必要な有効断面積（A）を求める式は次の通りです。
( 降伏強度 × 有効断面積 × ボルト本数 ) ÷ 安全率 > 引張荷重
数値を代入すると
( 640 × A × 1 ) ÷ 10 > 5000
有効断面積を求める式の変形
上記の式を整理して、有効断面積（A）を求めます。
A > ( 引張荷重 × 安全率 ) ÷ ( 降伏強度 × ボルト本数 )
数値を代入して計算します。
A > ( 5000 × 10 ) ÷ ( 640 × 1 )
計算結果
A > 78.125 mm²
適切なボルトサイズの選定
有効断面積（A）が 78.125mm² 以上である必要があるため、一般的なねじ・ボルトの規格から次のサイズが選定されます。
M10：有効断面積 58mm²（不適合）
M12：有効断面積 84.3mm²（適合）
M14：有効断面積 115.2mm²（適合）
この結果から、引張荷重 5000N を支えるには M12 サイズ以上のねじ・ボルトを選定する必要があります。
設計上の注意点
引張荷重に対する強度計算に加え、実際の設計では以下の点も考慮する必要があります。
せん断荷重の確認
引張荷重と同時にせん断荷重が加わる場合、ねじやボルトの断面が破断しないかを確認するためのせん断計算が必要です。
安全率の選定
今回は安全率を10としましたが、実際の設計では荷重の変動や振動、温度条件を考慮して適切な安全率を設定します。
複数本のボルト使用
必要に応じて、複数本のねじ・ボルトを使用することで荷重を分散し、個々のボルトにかかる負担を軽減します。
今回の条件では、引張荷重5000Nに耐えるために、M12以上のねじ・ボルトを選定する必要があることが分かりました。この計算プロセスを通じて、ねじやボルトの強度計算を正確に行い、設計条件に適合した選定を行うことが可能になります。
さらに、せん断計算や設計条件の詳細な検討を加えることで、安全性と信頼性をさらに向上させることができます。ねじやボルトの選定は、構造物の安全性を左右する重要な工程であり、慎重な計算と判断が求められます。
ボルト・ねじ山のせん断荷重に対する強度計算
ボルトやねじ山の設計において、せん断荷重に対する強度計算は非常に重要な工程です。特に、締結部の寸法や設計条件によっては、ねじやボルトの破壊リスクが大きく変わるため、正確な強度計算が求められます。
せん断荷重とねじ・ボルトの強度の関係
ねじ・ボルトがせん断荷重に耐えられるかどうかは、締結部の寸法に大きく依存します。一般的に、締結寸法（ねじの有効長さ）が0.6d（dはボルトの直径）の場合、ねじ・ボルトのせん断強度はその引張強度と同程度になるとされています。
ここで、「引張強度」とは、ねじ・ボルトが引張荷重に耐えられる限界を指し、「せん断強度」はねじ山部分が横方向の力（せん断荷重）に耐えられる限界を指します。
締結寸法が0.6d以上であれば、せん断荷重による破壊が起こる前に、引張荷重によってボルト全体が破壊される可能性が高いといえます。つまり、この条件を満たせば、ねじ山のせん断強度を直接考慮する必要がなくなり、設計における計算の重点を引張荷重に移すことができます。
締結寸法の推奨値と設計の考慮点
設計時には、締結寸法をできるだけ0.6d以上にすることが推奨されます。さらに安全性を高めるためには、可能であれば1.0d程度の締結寸法を確保することが望ましいです。この寸法を確保することで、以下のメリットが得られます。
1．ねじ山のせん断荷重を過度に気にする必要がなくなる。
2．引張荷重による破壊リスクを低減できる。
3．長期間の使用や過大荷重がかかった場合にも、ねじの耐久性が向上する。
強度計算の基本式
せん断荷重に対する強度計算は、以下の式を用いて行います。
せん断荷重 FsF_sFs の許容値は次式で計算されます。
F_s = τ × A_s
ここでは、
Fs: せん断強度 (N)
τ: 材料の許容せん断応力度 (N/mm²)
A_s: せん断面積 (mm²)
また、引張荷重に対する強度計算は以下のように表されます。
F_t = σ × A_t
ここでは、
F_t: 引張強度 (N)
σ : 材料の許容引張応力度 (N/mm²)
A_t: ボルトの公称断面積 (mm²)
設計時には、締結部のせん断荷重と引張荷重の両方を考慮し、以下の条件を満たす必要があります。
Ft>FsF_t > F_sFt>Fs
つまり、せん断強度よりも引張強度が高くなるように設計することで、安全性を確保することができます。
実際の設計での注意点
設計者が締結寸法を決定する際には、以下の点を考慮する必要があります。
・締結部分の材料特性（せん断応力と引張応力）を正確に把握する。
・使用条件（温度、振動、腐食など）に応じた余裕を持った寸法を設定する。
・締結箇所に過大な荷重がかからないよう、設計全体を見直す。
特に、締結部が長期間使用される場合や繰り返し荷重がかかる場合には、締結寸法をできる限り長くすることで、ねじ山やボルト全体の耐久性を向上させることが重要です。
以上のように、ボルトやねじ山の設計では、せん断荷重に対する強度計算が欠かせません。適切な締結寸法と強度計算を通じて、安全性と耐久性を確保することが、信頼性の高い製品設計につながります。
ねじ・ボルトのせん断荷重に対する強度計算
ねじ・ボルトにせん断荷重がかかる場合、その強度を評価するためには、せん断応力の計算が必要です。せん断応力は、ねじ・ボルトの断面積を基準として求められます。この計算は、部品の安全性を確保し、適切な設計を行う上で非常に重要です。
せん断応力の計算方法
せん断応力―、すなわち部材内に発生するせん断力の強さは、次の式で求めます。
τ＝F／A
ここでは、
τ：せん断応力（N/mm²）
F：せん断荷重（N）
A：ねじ・ボルトの有効断面積（mm²）
この計算式を使用することで、ねじ・ボルトが受ける力に対する断面の応力状態を数値として把握できます。特に、材料のせん断強度と比較することで、安全性を確認できます。
材料のせん断強度について
ねじ・ボルトの材料によってせん断強度は異なりますが、一般的には、材料の引張強度の約60%がせん断強度に相当するとされています。たとえば、S45C（機械構造用炭素鋼）を材料とするねじ・ボルトの場合、引張強度が600 MPaであれば、せん断強度は約360 MPaと見積もられます。
なお、せん断強度に対する評価は、使用環境や応力集中の有無、ねじの種類（並目ねじや細目ねじなど）によって変動する場合があります。そのため、具体的な設計を行う際は、材料の仕様書や試験データを確認し、適切な安全率を考慮することが求められます。
せん断荷重を避ける設計の重要性
ねじ・ボルトには、せん断荷重を直接受けさせる設計は基本的に避けるべきです。これは、ねじ・ボルトの構造上、軸方向の引張荷重や締結力を主に負担するように設計されているためです。せん断荷重を負担させると、ねじの緩みや破損につながる可能性があります。
ただし、どうしてもせん断荷重がかかる場合には、次のような工夫を施すことが推奨されます。
ねじ・ボルトそのものではなく、別の部材がせん断荷重を受け持つ設計を採用する。
複数のねじ・ボルトを適切に配置し、負荷を分散させる。
高せん断強度を持つ材料や太径のねじ・ボルトを選定する。
実例を用いたせん断計算の例
たとえば、直径10 mmのボルトに5000 Nのせん断荷重がかかる場合を考えます。このボルトの有効断面積が78.5 mm²であるとすると、せん断応力は以下のように計算されます。
この値が使用するボルトの材料のせん断強度を下回っていれば、安全に使用できると判断できます。逆に、せん断応力が材料のせん断強度を超える場合、設計を見直す必要があります。
せん断荷重がかかるねじ・ボルトの強度計算は、部品の安全性を確認するための重要な工程です。せん断応力を正確に計算し、材料のせん断強度と比較することで、安全性を評価できます。ただし、設計段階でそもそもねじ・ボルトにせん断荷重をかけない工夫をすることが理想的です。安全で効率的な設計を心がけ、ねじ・ボルトの性能を最大限に引き出しましょう。
ねじ・ボルトの強度区分について
ねじ・ボルトの強度区分は、その機械的特性に基づいて分類され、引張強度や降伏強度といった数値を基準としています。この強度区分は、適切なねじ・ボルトを選定するための重要な指標となり、特定の荷重条件や使用環境に応じて安全性を確保する助けとなります。ここでは、ねじ・ボルトの強度区分に関連する要素を詳しく解説します。
ねじ・ボルトの引張強度
引張強度は、ねじ・ボルトが引張荷重に対して破断するまでの最大応力を表します。この値は、材料の特性やねじの設計によって異なり、通常はMPa（メガパスカル）単位で表記されます。たとえば、8.8強度区分のねじでは、引張強度が800 MPaであることを意味します。
引張強度は、ねじ・ボルトの性能を評価する基本的な指標の一つです。高い引張強度を持つねじは、より大きな荷重に耐えることができますが、その分だけ製造コストも高くなる傾向があります。そのため、必要以上に高い強度を持つねじを選定すると、コストパフォーマンスが悪化する可能性があるため、使用目的に応じた適切な選定が重要です。
ねじ・ボルトの降伏強度
降伏強度は、ねじ・ボルトが塑性変形を始める応力の限界を示します。簡単に言えば、ねじが元の形状に戻らない変形を起こすポイントを表しています。降伏強度が高い材料で作られたねじは、荷重に対して弾性的に反応しやすく、変形しにくい特徴があります。
例えば、同じ強度区分8.8のねじの場合、降伏強度はおよそ640 MPaとされています。これは引張強度の約80%に相当します。この値を知ることで、設計時にねじの耐久性をより正確に見積もることが可能です。降伏強度を超える負荷がかかると、ねじ・ボルトは回復不能なダメージを受けるため、設計時には十分な安全率を考慮する必要があります。
引張強度と降伏強度の違い
引張強度と降伏強度の違いは、ねじ・ボルトが破断するまでの耐久性と、変形を始める限界点を示すかどうかにあります。
引張強度は、ねじ・ボルトが耐えられる最大荷重を表します。この値を超えると、ねじは破断し、機能を完全に失います。
降伏強度は、ねじ・ボルトが形状を保ちながら荷重に耐えられる範囲の上限です。この値を超えると、ねじは元の形状に戻らない変形を起こし、締結力や構造全体の信頼性が低下します。
引張強度と降伏強度の比率は、ねじ・ボルトの安全性を評価するうえで重要な指標です。一般的には、引張強度の60%から80%が降伏強度に相当します。この範囲内で使用することで、ねじの破損や変形を防ぎ、長期的な使用を可能にします。
ねじ・ボルトの強度区分は、引張強度や降伏強度といった機械的特性に基づいて決定されており、これらの数値は設計や選定の重要な指針となります。強度計算やせん断計算を行う際には、これらの値を正確に把握し、安全性を確保することが求められます。また、使用環境や負荷条件に応じて適切な強度区分のねじ・ボルトを選ぶことで、信頼性の高い設計が実現します。
強度区分の理解を深め、ねじ・ボルトの適切な運用を心がけることで、構造物や機械の性能を最大限に引き出すことが可能です。
鋼鉄製ねじの強度区分について
鋼鉄製のねじは、機械設計において最も一般的に使用される部品の一つです。その優れた耐久性と加工性から、幅広い用途で活躍しています。この鋼鉄製ねじには、強度区分と呼ばれる分類があり、それぞれの区分がねじの引張強度や耐荷重能力を示しています。代表的な強度区分には「4.8」「8.8」「10.9」「12.9」があり、それぞれが異なる性能を持っています。ここでは、これらの強度区分について詳しく説明します。
強度区分 4.8
強度区分4.8は、比較的低い引張強度を持つねじ・ボルトに適用されます。この区分では、引張強度が400 MPa、降伏強度が約320 MPaとされています。軽量な構造物やあまり高い荷重がかからない部品に使用されることが多いです。
この区分のねじ・ボルトは、主に静的な荷重がかかる状況で利用されます。せん断計算を行う際には、許容せん断応力が比較的低いため、高強度を必要としない用途に適しています。コストを抑える必要がある場合にも、この区分のねじが選ばれることがあります。
強度区分 8.8
強度区分8.8は、鋼鉄製ねじの中で最も一般的な種類の一つです。この区分では、引張強度が800 MPa、降伏強度が640 MPaとされています。中程度から高程度の荷重がかかる状況に適しており、産業機械や建築構造物など、さまざまな分野で利用されています。
この強度区分のねじ・ボルトは、耐久性とコストのバランスが取れており、せん断計算や強度計算においても汎用性の高い選択肢となります。特に、振動や動的な荷重がかかる場面でも十分な性能を発揮します。
強度区分 10.9
強度区分10.9は、より高い引張強度を持つねじ・ボルトに分類されます。この区分では、引張強度が1000 MPa、降伏強度が900 MPaとされています。高負荷がかかる用途や、安全性が重要な環境で広く使用されます。
例えば、重量物を支えるクレーンや、大型車両の構造部品など、高い荷重を支える必要がある箇所では、この強度区分が選ばれます。せん断計算の結果、この区分のねじ・ボルトが必要とされる場面も多くあります。適切な設計を行うことで、安全性と耐久性を確保できます。
強度区分 12.9
強度区分12.9は、鋼鉄製ねじの中で最高レベルの強度を誇ります。この区分では、引張強度が1200 MPa、降伏強度が1080 MPaとされています。極めて高い荷重がかかる場合や、非常に過酷な環境で使用されることを目的としています。
航空宇宙産業や精密機械、または特殊な高強度を要求される用途で、この区分のねじ・ボルトが使用されます。強度計算では、この区分を使用することで、設計上の余裕を持つことが可能です。ただし、非常に高い性能を持つ反面、コストが高くなるため、慎重な選定が求められます。
鋼鉄製ねじの強度区分は、「4.8」「8.8」「10.9」「12.9」といった種類に分類され、それぞれの区分が異なる引張強度や降伏強度を持っています。これらの特性を理解することで、設計者は使用目的に合ったねじ・ボルトを選定でき、せん断計算や強度計算に基づいた安全で効率的な設計が可能になります。
適切な強度区分を選ぶことで、コストと性能のバランスを取りながら、信頼性の高い構造を実現することができます。鋼鉄製ねじを正しく理解し、最大限に活用するための基礎知識をしっかり身につけましょう。
ステンレスねじの強度区分について
ステンレスねじは、耐食性や耐熱性に優れており、特殊な環境や条件で多用されるねじ・ボルトの一種です。これらのねじも、鋼製ねじと同様に、引張強度や降伏強度に基づいて強度区分が定められています。ただし、ステンレス素材の特性上、引張強度は鋼製ねじと比較してやや低めであることが特徴です。
ステンレスねじには、主に「A2」と「A4」という区分が存在し、それぞれに異なる強度グレードがあります。ここでは、ステンレスねじの強度区分について詳しく説明し、それぞれの特性や用途について解説します。
強度区分 A2-50
A2-50は、ステンレスねじの中でも基本的な強度グレードです。引張強度は500 MPa、降伏強度は約210 MPaとされています。この区分は、軽負荷の用途や腐食環境が軽度な条件で使用されることが一般的です。
例えば、装飾品や小型機器など、耐食性を優先しつつ、高い強度を必要としない用途に適しています。せん断計算を行う場合、この強度区分は、負荷が大きくない場面での使用が推奨されます。また、コスト面でも比較的手頃であり、広く利用されています。
強度区分 A2-70
A2-70は、A2材質の中でより高い強度を持つグレードです。引張強度は700 MPa、降伏強度は約450 MPaとされており、一般的な産業用途に適しています。このグレードは、耐食性と強度のバランスが取れており、多様な環境下で使用されます。
例えば、食品加工設備や化学プラントなど、腐食のリスクがありつつ中程度の荷重がかかる場合に最適です。せん断計算や強度計算を通じて、A2-70が必要とされる場面では、設計者は材料の特性を十分に理解した上で選定を行うことが重要です。
強度区分 A4-70
A4-70は、耐食性がさらに向上したステンレスねじの強度区分です。この区分はモリブデンを含むステンレス材質で作られており、海洋環境や高い耐食性が求められる条件で使用されます。引張強度は700 MPa、降伏強度は約450 MPaとされており、A2-70と同等の強度を持ちます。
海水や酸性環境にさらされる部品や、長期間使用される構造物において、この区分のねじ・ボルトは特に適しています。せん断計算では、過酷な環境下でも耐久性を発揮するA4-70が重視されることが多いです。
強度区分 A4-80
A4-80は、ステンレスねじの中で最も高い強度を持つグレードです。引張強度は800 MPa、降伏強度は約600 MPaとされており、非常に高い耐荷重能力を発揮します。この区分は、耐食性と強度を同時に求められる場面で使用されます。
例えば、航空宇宙分野や化学プラントの高圧部品など、極めて過酷な条件で使用される場合に選ばれます。せん断計算や強度計算においても、A4-80の使用は安全性を確保するための有効な手段となります。
ステンレスねじの強度区分は、「A2-50」「A2-70」「A4-70」「A4-80」といった種類に分かれ、それぞれ異なる特性と用途を持っています。これらの区分を正しく理解し、使用環境や設計条件に応じて適切なねじを選定することが重要です。
せん断計算や強度計算を通じて、ステンレスねじの特性を最大限に活用することで、安全性と耐久性を兼ね備えた設計を実現できます。これらの基礎知識を身につけることで、さまざまな条件下で信頼性の高い構造物を構築できるでしょう。
鋼鉄製ねじとステンレス製ねじの比較
ねじ・ボルトは、多様な用途に対応するためにさまざまな材料で製造されています。その中でも、鋼鉄製ねじとステンレス製ねじは広く利用されている代表的な種類です。これらは、強度や耐食性、コストなどの特性が異なり、それぞれの特徴を理解して適切に選定することが重要です。ここでは、鋼鉄製ねじとステンレス製ねじを比較し、それぞれの特性や使用環境について詳しく解説します。
鋼鉄製ねじ
鋼鉄製ねじは、機械設計や建築分野など、負荷の大きな用途で広く使用されるねじ・ボルトです。その大きな特徴は、高い引張強度を持つ点にあります。
・引張強度: 鋼鉄製ねじの強度区分は「8.8」「10.9」「12.9」などがあり、高い引張強度を発揮します。特に10.9以上の強度区分では、非常に大きな荷重にも耐えられる設計が可能です。そのため、強度計算において負荷が集中する部位での使用に適しています。
・耐食性: 鋼鉄製ねじは、耐食性が低く、さびやすいという特性があります。防錆処理（亜鉛メッキやクロメート処理など）を施すことである程度の耐食性を確保できますが、腐食環境にはあまり向いていません。
・使用環境: 主に屋内や負荷が大きい構造物、機械部品などで利用されます。せん断計算を行う際には、鋼鉄製ねじの高い強度を活用することで、安全性の高い設計が可能です。
・コスト: 一般的に安価で、コストパフォーマンスに優れています。そのため、大量に使用される用途に適しています。
ステンレス製ねじ
ステンレス製ねじは、耐食性に優れており、屋外や腐食環境下での使用に適したねじ・ボルトです。その特性は、鋼鉄製ねじとは大きく異なります。
・引張強度: ステンレス製ねじの引張強度は、一般的に鋼鉄製ねじより低めです。たとえば、A2-70やA4-70といった強度区分では、引張強度は700 MPa程度です。ただし、せん断計算や強度計算においては、用途に応じた適切な選定を行うことで十分な安全性を確保できます。
・耐食性: ステンレス製ねじは、非常に高い耐食性を持ちます。A4区分のねじは、モリブデンを含む材料で作られており、海水や酸性環境といった過酷な条件下でも使用可能です。そのため、長期間にわたり腐食の影響を受けない部品に適しています。
・使用環境: 屋外や腐食環境、高温条件下などで使用されます。耐食性を重視する用途で選定されることが多く、食品加工設備や化学プラントなどで利用されます。
・コスト: 鋼鉄製ねじに比べて高価ですが、長期的な使用や環境耐性を考慮すると、コストに見合った価値を提供します。
鋼鉄製ねじとステンレス製ねじは、それぞれ異なる強みを持っています。選定にあたっては、設計条件や使用環境を考慮し、せん断計算や強度計算を通じて適切な選択を行うことが重要です。どちらを選ぶ場合でも、特性を正しく理解し、安全性を確保した設計を心がけましょう。