ゆるみ防止機能を有するハイパーロックナットの開発＊（実証試験による機能検証）
西 山 修 二 ， 右 田 博 章 *1，
片 岡 光 正 *1， 中 崎 信 行 *1
Development of Anti-Loosening Performance of Hyper Lock Nut(Function Verification by Proof Examination)
Shuji NISHIYAMA, Hiroaki MIGITA,
Mitumasa KATAOKA, Nobuyuki NAKASAKI
Bolted joints are widely used in mechanical structures since the disassembly for
maintenance is easy without high cost. However, vibration induced loosing due to dynamic
loading has been unsolved subject for a long time. We have developed a new type of nut named‘hyper rock nut (HRN)’, which realizes anti-loosening performance without complicatedtightening process and tool. In the first report, we have investigated the mechanism of bolted
joint with HRN, and tightening behavior and loosening behavior caused by vibration areanalyzed by mean of three-dimensional finite element method. In this paper, we haveinvestigated the experimental research to verify industrial utility. The vibration test, proof load
test, axial load fatigue testing, corrosion durability test and tightening test are executed. We
found some new aspects and superior points for bolted-joint with HRN than that of standardnut. It is concluded that HRN involves sufficient mechanical properties in practical use.
Key Words: Machine Element, Bolted Joint, Fracture Mechanics, Experimental Results

ボルト締結体は維持やメンテナンスに高いコストを必要とせず，また操作が簡単なために，機械構造物に広く使用されている． しかしながら, 動的な荷重のために引き起こされるねじの弛みは，いまだに解決されていない．我々は新しいタイプのハイパーロックナット(HRN)とよぶ弛み止め性能を有するナットを開発した．前報では，HRN のゆるみ止めのメカニズムについて三次元有限要素法を適用して解析的に明らかにした．本報では，産業応用を考慮して実験的に検証した．振動試験，保証荷重試験，疲労試験，耐食性試験，締付け試験等の試験を実施した．HRN は締付けトルクは JIS 標準ナットよりも優れている．さらに，工業的有用性を備えたゆるみ止めナットであることを示した．
キーワード：機械要素，ボルト締結体，構造力学、実測結果

1. 緒する事故が多く発生している．ボルト・ナットによる言締結体のゆるみの問題は工学分野において解決すべきボルト締結は，取り付けや取り外しの容易さ，価格重要な課題の一つである．の安さなどの面から幅広く使用されている．しかし，ボルト締結体に衝撃や振動，あるいは熱負荷などの動的な外力が作用すると，ボルト締結体は締結力を失い，締結部はその機能をはたさなくなる．現在に至っても前報(1)で著者らは，新しいゆるみ止め機構を備えたハイパーロックナット(Hyper Rock Nut:以下 HRN と略記する)を開発し，三次元有限要素法により解析的にゆるみ防止機能を有することを示した．

なお産業界において，ボルト・ナットのゆるみに起因*（株）エコーワールド(〒733-0003

広島市西区三篠町3-6-9）

図 1は，HRN(M16)の実物写真を示す．HRN は図 1に示すとおり，六角ナットにスリットとナット座面に傾斜面が加工してある．

- 44 -

ここに，表 1の記号の定義は次のとおりとする．
d：ねじの呼び径，e：対角寸法 (㎜)，s：平行面間距
離 (㎜) D：ナット高さ (㎜)，G：スリット幅 (㎜) ，P：ピッチ (㎜)，I：スリット部の深さ (㎜)，W：重量(g)，H：ナット座面からスリットまでの高さ (㎜)，
E：スリット側のナット高さ (㎜)，K：スリットからナット上面までの長さ (㎜)２. 試験方法
図 1 HRNの外観図
２・１ ゆるみ試験
本研究では，ゆるみ試験，保証荷重試験，繰り返し荷重試験，耐食耐候性試験，締付け試験などの観点から供試体を試験機に取り付け，次の条件で試験を実施する．すなわち，17 分間振動試
験を実施し，17 分後にゆるまなかった時は，戻しトルクを測定する．試験機は高速ねじ弛み試験機を使用する．

開発した HRN の工業的有効性について示す．

振動条件として振動数は 1780 rpm，加振台ストロークは

図 2は，HRN の外形寸法を示す．HRN は，ゆるみ止め性能を有するナットである．HRN は六角ナットに図のような平行なスリットを加工して作成する．ス

11㎜，インパクトストロークは 19 ㎜，振動は全振幅を設定する．
図 3は試験の概要を示す．ゆるみの判定は供試ボルリットの位置はナット座面とは反対側のナット上面にト，供試ナットおよびワッシャーの合マークがずれ，近い位置に設けられている．さらに，ナット座面はワッシャーが指で回せるようになった時をゆるんだと１°の傾斜面に加工してある．

判定する．
GHed

K

1°Is

D

図 2 HRNの寸法
表 1 は，HRN の各部の寸法を示す．M10 から M42
図 3 ゆるみ試験装置までを対象とする．HRN は，傾斜座面とスリットにより，はめあいねじ部に大きな接触力を発生させ，ゆ２・２ 保証荷重試験るみ防止効果を発揮する．

des
DGHIEKPWM1019.6
17.0
10.00.85.7
13.1
9.7
3.2
1.512.6

表１ HRN の諸元
M12 M16 M20 M24 M30
21.9 27.7 34.6 41.6 53.1
19.0 24.0 30.0 36.0 46.0
12.0 16.0 20.0 24.0 30.0
1.0
1.2
1.2
1.5
2.0
7.5 10.0 12.5 15.0 18.7
14.6 18.7 23.6 28.5 36.3
11.7 15.6 19.5 23.4 29.2
3.2
4.4
5.8
6.9
8.3
1.75 2.0
2.5
3.0
3.5
17.8 36.0 72.0 124 258

JIS B1052の保証荷重試

験に準拠して試験を実施する．図 4 に試験の概要を示す．
ナットをそれより強度の高い硬化マンドレル(HRC45M3663.555.036.0
2.0
22.443.435.0
10.44.0438

M4275.0
65.0
42.0
2.026.2
51.3
40.912.24.5723以上)にはめ合わせて，保証荷重応力に有効断面積をかけて得られる保証荷重を軸方向に 15 秒間負荷した
とき，ナットが破壊したりねじ山がせん断することなく，この荷重に耐えること．また荷重を取り除いた後ナットがマンドレルから指で取り外せることで保証荷重試験に合格したものと判定する．マンドレルに保証荷重を 15 秒間負荷し，荷重を取り除いた後に，保証荷重試験に合格したものは，その後，マンドレルに荷重を再負荷し，ナットが破損したときの破断荷重を測- 45 -

図 5 疲労試験試験片取付治具
図 5 は，疲労試験器の試験片取り付け装置を示す．
２・４ 耐食耐候性試験

屋外構造物のねじ締結を用途として使用する場合において，HRNのスリットが腐食の促進に及ぼす影響について検討する．呼び径M16，強度 8.8のボルト・ナット締結体を使用する．

図 4 荷重試験取付治具とマンドレル

表面処理は亜鉛クロメートとし，HRN，U ナット，定する．試験機は精密万能試験機 オートグラフ AG-ハードロック，JIS 標準ナット，各２個合計８サンプル

250kNI 型(㈱島津製作所製)を使用する．荷重の載荷速度を試験する．HRN はスリットを有する．このスリットは 5 ㎜/minとする．

が締結後の経年変化に及ぼす影響について検討する．
JIS B 1081 ねじ部品の引張試験装置は，ガス・塩水腐食試験機(スガ試験機疲労試験法による疲労試験により試験を実施する．呼び(株)HKC-12L型)を使用する．試験は規定のトルクに締付

径 M12 強度 10.9 のボルト・ナット，表面処理は黒染め，け後，288 時間の試験を実施する．また 120 時間後およ

平均荷重降伏点の 70 %荷重において，応力振幅を 70，び 216時間後に戻しトルクを計測する．

２・３ 繰り返し疲労試験

80，90 MPa とし HRN と JIS 標準ナットを各２個，計12個を試験する．試験機器は島津製作所製 EHF-D100kN 型を使用する．ボルトに加わる平均応力は式(1)となる．

σ mean =
σ1 =

F1As

σ2 =

F2As

1(σ 1 + σ 2 )2(1)また，応力振幅は式(2)となる．
1(σ 1 − σ 2 )(2)
2
ここに，σ 1 , σ 2 はそれぞれ上限応力および下限応力σa =を示す． As はねじの有効断面積， F1 は上限荷重， F2

図 6 ガス・塩水噴霧試験装置
図 6はガス・塩水噴霧試験装置を示す．
２・５ 締付け試験

は下限荷重を示す．

JIS B 1084の締付け試験方法を満

HRN は，傾斜座面とスリットにより，おねじを曲足する試験装置を開発する．各種のボルト・ナット締結げる力が作用する．この曲げ応力がボルトの疲労強度

体の締付け回転角，締付け軸力および締付けトルクの関に及ぼす影響について検討する．

係が実測できる．開発した装置は，駆動用モータ，変速機，角度検出センサ，トルク変換器，ワッシャー型ロー- 46 -ドセル，センサインターフェース，およびコンピュータから構成されている．
図 7 は，各機器の構成と信号の流れを示す．図の記号は，M:SG ギアモータ TML15-120 1.5kW シグマ技研
製， C:変速機，A:角度検出センサー，T:トルク変換器
TP-100kMCB KYOWA，L:ワッシャー型ロードセル LCWC‑400kN60SA6B KYOWA，TP:試験試料，SI:センサインタ

Ｍ

ＣA

T

L

TP(c)データ処理装置
図 8 締付け試験装置

SI

図８は締付け試験装置を示す．図８(a)は，締付け試験装置の全体図を示す．図 8(b)は，試験片のナットを取り付ける装置を示す．図 8(c)は，データ処理装置を示す．

PC

３．試験結果３・１ ゆるみ試験 表 2は，ゆるみ試験の結果を

図 7 締付け試験器システム構成示す．Ｍ16の HRNを 3試料と M12 の HRNを 1試料にーフェース PCD-300A KYOWA，PC:パーソナルコンピ
ュータをそれぞれ示す．計測精度は，締付けトルクが1kN・mで 0.07 %，締付け軸力が 400kNで 0.16 %，締付け回転角が 350°で 0.58%である．

ついて実施した．HRNの材質は S45Cである．表面処理はめっき無しとした．HRN M16は締付けトルクを225Nm，255Nm，350Nmの三種類に設定した．いずれの試験片の場合もゆるまなかった．戻しトルクは締付けトルクの約 80 %程度であった．試料 No.4においては，戻しトルクが増加した．
表 2 緩み試験結果(a) 締付け試験装置

試料No.

試験品名

締付けトルク1HRN (M16)255 Nm2

HRN (M16)

225 Nm

3HRN (M16)350 Nm4

HRN (M12)89 Nm

３・２ 保証荷重試験

試験結果
17分間ゆるまなかった．
17分間ゆるまなかった．
17分間ゆるまなかった．
17分間ゆるまなかった．

戻しトルク

230 Nm205 Nm
290 Nm114.2 Nm

保証荷重試験の試験結果を表 3〜7に示す．表 3は，M10 の場合の試験結果を示す．
各強度区分のナットについて保証荷重試験に合格した．

ねじの呼び
M10M10M10(b)ナット取付部- 47 -

表 3 保証荷重試験結果 (M10)
強度 保証荷重 保証荷重試
(N)
区分
験結果
46822560
39400
50500

合格
合格
合格

破断荷重
(N)
55441
6721972180

表 4は，M12 の場合の試験結果を示す．各強度区分のナットについて保証荷重試験に合格した．M12 強度区分 8における破断荷重試験においては，治具が損傷

ねじの呼び
M12M12M12

表 4 保証荷重試験結果 (M12)
強度 保証荷重 保証荷重試(N)区分
験結果
4683285059000
74200

load(kN)

してナットの破断に至らなかった．

破断荷重(N)

合格
合格
合格

M16M16M1646861780
109900138200M10-6

1load(kN)

M16-4
M12-6150
1000

区分 6，8 における破断荷重試験においては，治具が1ルト締結体の伸びを示す．縦軸は荷重を示す．各試験片断して破壊した．
破断荷重(N)３・３ 繰り返し疲労試験

合格
合格
合格

繰り返し疲労試験の結果を

図 10に示す．

206910
治具損傷
治具損傷

140
応力振幅 (MPa)120

は，治具が損傷してナットの破断に至らなかった．

1800002542003218009 10 11 12 13

図 9 は破断荷重試験の試験結果を示す．図で横軸はボM24 強度区分 4，6，8における破断荷重試験において4685 6 7 8stroke(mm)

図 9 破断荷重試験結果のナットについて保証荷重試験に合格した．

M24M24M244(b)破断荷重試験結果

表 7は，M24 の場合の試験結果を示す．各強度区分

ねじの呼び

3大荷重を経た後は破断した．破断は HRN のねじ山が剪

合格
合格
合格

表 7 保証荷重試験結果(M24)
強度 保証荷重 保証荷重試(N)
区分
験結果

2

ともに，ストロークの増加とともに，荷重が増加し，最損傷してナットの破断に至らなかった．

125000176400225400

M16-60132200
155710
治具損傷のナットについて保証荷重試験に合格した．M20 強度468650

表 6は，M20 の場合の試験結果を示す．各強度区分

M20
M20
M205

M20-4

具が損傷してナットの破断に至らなかった．

ねじの呼び

34stroke(mm)200

M16 強度区分 8 における破断荷重試験においては，治表 6 保証荷重試験結果 (M20)
強度 保証荷重 保証荷重試(N)
区分
験結果

2250

破断荷重(N)

合格
合格
合格

M10-4(a)破断荷重試験結果

表 5は，M16 の場合の試験結果を示す．各強度区分

ねじの呼び

M12-4M10-807727785813
治具損傷のナットについて保証荷重試験に合格した．
表 5 保証荷重試験結果 (M16)
強度 保証荷重 保証荷重試(N)
区分
験結果

9080
706050403020
100100806040JIS
HRN

200
1.E+04

破断荷重(N)
治具損傷
治具損傷
治具損傷

1.E+05
繰り返し回数 Ｎ

1.E+06

図 10 疲労試験結果
図 10 の横軸は繰り返し回数，縦軸は応力振幅を示す．

- 48 -

HRN は JIS 標準ナットと比較して，各応力振幅において，繰り返し回数が優った．応力振幅が 130MPa においては，JIS 標準ナットに比較して 56%繰り返し回数が増加した．また，110MPa は 68%，90MPa は 38%，70MPaは 52%繰り返し回数が増加した．
３・４ 耐食耐候性試験

耐食耐候性試験の結果を表 8に示す．
表 8 試験結果
供試体
HRN(1)
HRN(2)
JIS標準ナット(1)JIS標準ナット(2)Uナット(1)
Uナット(2)
ハードロック(1)ハードロック(2)

初期
335
335
320
320
310
310
170+100
170+100

戻しトルク Nm
120 h
216 h
315
358
310
346
300
300
270
299
308
354
226
344
148+95174+101
140+78163+108

288 h
358
324
328
318
358
324
184+114178+72(c)Uナット(d) ハードロック
図 12 48時間後の状況
図 11 試験開始前の様子(a)HRN(a) HRN(b) JIS(b) JIS- 49 -(c)Uナット(c) Uナット(d)ハードロック
図 14 288時間後の状況(d) ハードロック

図 11 は試験開始前の試験片の状況を示す．図 12 は

図 13 120時間後の状況

48 時間後の腐食の状況を示す．図 13 は 120 時間後，図14は 288時間後の腐食状況を示す．
３・５ 締付け試験

締付け試験の結果を次に示す．図15 は M10 の HRN の締付け試験の結果を示す．図の横Tightening torque (Nm)

軸は締付け軸力，縦軸は締付けトルクを示す．

(a)HRN90807060
50403020100M10-6M10-4M10-80204060

Tightening force (kN)

図 15 締付け軸力と締付けトルクの関係(HRN-M10)(b)JIS- 50 -図 16は，M12の HRNの締付け試験の結果を示す．

図 19は，M24の HRNの締付け試験の結果を示す．

図の横軸は締付け軸力，縦軸は締付けトルクを示す．

図の横軸は締付け軸力，縦軸は締付けトルクを示す．
1200

120

M12-8100Tightening torque (Nm)Tightening torque (Nm)

140

M12-4
M12-680
604020

M24-4

800

M24-6600
400

M24-8200
000204060
80
Tightening force (kN)

0100

100

200

300

Tightening force (kN)400

図 19 締付け軸力と締付けトルクの関係(HRN-M24)

図 16 締付け軸力と締付けトルクの関係(HRN-M12)４．考

図の横軸は締付け軸力，縦軸は締付けトルクを示す．

察

実証試験では，ゆるみ試験，保証荷重試験，繰り返

図 17は，M16の HRNの締付け試験の結果を示す．

Tightening torque (Nm)1000

し疲労試験，耐食耐候性試験，締付け試験を実施した．
ゆるみ試験では，HRN によりゆるみ防止効果の確認

450400350300250200150100500をおこなった．供試体(M16，M12)の HRN を高速ねじ弛み試験機を使用して試験した．試験の結果ゆるみは

M16-8なく，十分なゆるみ防止効果が確認できた．さらに，

M16-6戻しトルクも十分な値が得られた．
保証荷重試験は，ナットをそれより強度の高い硬化マンドレルにはめ合わせて，保証荷重をかけて軸方向

M16-4050に 15 秒間負荷したとき，ナットが破壊したりねじ山

100150Tightening force (kN)200がせん断することなく，この荷重に耐えること，また荷重を取り除いた後ナットがマンドレルから指で取り

図 17 締付け軸力と締付けトルクの関係(HRN-M16)

外せることで保証荷重試験に合格したものと判定した．
いずれの供試体も試験に合格した．

図 18は，M20の HRNの締付け試験の結果を示す．
図の横軸は締付け軸力，縦軸は締付けトルクを示す．

繰り返し疲労試験では，HRN と JIS 標準ナットのM12 について，応力振幅が 70，90，110，120MPa について繰り返し疲労試験を実施した．試験の結果 HRNの方が全ての応力振幅において，優れていた．

Tightenong torque (Nm)

800
700

耐食耐候性試験では，HRNのスリットが腐食の促進

600に及ぼす影響について検討した．呼び径 M16，強度 8.8500のボルト・ナット締結体を使用する．

M20-8400

表面処理は亜鉛クロメートとし，HRN，U ナット，M20-6300

ハードロック，JIS標準ナット，各 2個合計 8サンプルを200試験した．HRN はスリットを有し，このスリットが締M20-4100

結後の経年変化に及ぼす影響について検討した結果，特0050100
150
200
Tightening force (kN)

250300

図 18 締付け軸力と締付けトルクの関係(HRN-M20)に問題点は見受けられなかった．
試験装置は，ガス・塩水腐食試験機(スガ試験機㈱HKC-12L 型)を使用し，試験は規定のトルクに締付け後，288 時間の試験を実施した．120 時間後および 216- 51 -

時間後に戻しトルクを計測した．HRN のスリットが(7)右田博章，実用新案登録願，弛み止めナット，実願 2005-010412.

耐食性に影響を及ぼす恐れは見受けられなかった．

(8)右田博章，特許申請，弛み止めナット，特願 2003-319985 ，締付け試験では，各種のボルト・ナット締結体の締付け回転角、締付け軸力および締付けトルクの関係を実測した．測定した HRNの呼び径は，M10，M12，M16，M20，M24について実施した．強度区分についても 4，6，8について実施した．いずれの場合についても、保(9)福岡 俊道, ボルト締結体の力学と締付け（１）， 機械の研究,
第 54 巻 第 2 号(2002), pp. 289-295.
(10)福岡 俊道, ボルト締結体の力学と締付け（2）， 機械の研究,
第 54 巻 第 3 号(2002), pp. 389-397.

証荷重試験に合格した．
５．結特開 2004-156637(11)福岡 俊道, ボルト締結体の力学と締付け（3）， 機械の研究,

言第 54 巻 第 4 号(2002), pp. 497-504.

複雑な締付け手順や工具等を必要としない，ゆるみ防止機能を有するハイパーロックナットを開発した．
開発したナットの性能を評価するために，ゆるみ試験，(12)福岡 俊道, ボルト締結体の力学と締付け（4）， 機械の研究,
第 54 巻 第 5 号(2002), pp. 593-600.
(13)福岡 俊道, ボルト締結体の力学と締付け（5）， 機械の研究,

保証荷重試験，繰り返し疲労試験，耐食耐候性試験，第 54 巻 第 6 号(2002), pp. 691-697.

締付け試験等を実施した．各種性能試験を行い開発し(14)福岡 俊道, ボルト締結体の力学と締付け（6）， 機械の研究,たハイパーロックナットの有効性を示した．

第 54 巻 第 7 号(2002), pp. 759-801.

本研究により新たに，締付け試験装置を開発した．
開発した装置の計測結果において，締付け回転角に一定の係数を乗算して得られた結果を整理すると，解析結果と一致し，さらに再現性も十分あるので，計測装(15)福岡 俊道, ボルト締結体の力学と締付け（7）， 機械の研究,
第 54 巻 第 8 号(2002), pp. 887-894.
(16)佐瀬 直樹・西岡 輝・古賀 進一・藤井 洋, ねじ締結体のゆるみ機構の解析とゆるみ試験法の開発, 日本機械学会論文集，置として実用に供することが可能である．

第 62 巻 596 号(1996), pp. 1527-1532.

終わりに，本研究は平成 17 年度 経済産業省 中小企業ベンチャー挑戦支援事業（実用化研究開発事(17)岡田 学・賀勢晋司・田中道彦, ボルト締結における座面圧分業）補助によるものである．ここに付記し，関係各位

論文集，第 70 巻 699 号(2004), pp. 3324-3330.に感謝の意を表する．

(18)福岡 俊道・山崎直樹・北川浩・浜田実, ボルト締付け時におけ文る応力の評価, 日本機械学会論文集, 第 51 巻 462 号(1985),

献(1)西山 修二，外 4名，ゆるみ防止機能を有するハイパーロックナ

pp. 504-509.

ットの開発（第１報，三次元有限要素法による弾塑性解析），投稿(19) 賀勢晋司,ゆるみ試験, 日本ねじ研究協会誌, 第 23 巻 11 号(1992),

中（日本機械学会論文集）

pp. 352-358.

(2)吉本 勇 編, ねじ締結体設計のポイント, 2002, 25-26, 日本規格協会.

(20) N.G.Pai, D.P.Hess, EXPERIMENTAL STUDY OF LOOSENING(3)山本 晃 著, ねじ締結の理論と計算, 1992, 39-53, 養賢堂.

OF THREADED FASTENERS DUE TO DYNAMIC SHEAR LOADS,(4)山本 晃 著, ねじ締結の原理と設計, 2004, 30-140, 養賢堂.

Journal of Sound and Vibration (2002) 253(3), 583-602.

(5)泉聡志・横山喬・岩崎篤・酒井信介，ボルト締結体の締め付け(21)賀勢 晋司, ねじのゆるみ(3) 3. 4 ゆるみ試験, 日本ねじ研究協会誌，およびゆるみ機構の三次元有限要素解析, 日本機械学会論文集，

23 巻 11 号(1992), pp. 352-358.

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