ねじのゆるみ

ねじのゆるみ（緩み）とは、ねじ締結体のねじないしボルトが部材を押さえている締付け力が低下する現象である。ねじ締結を確実に機能させるには、締結時に初期締付け力を適切に与え、締付け力を保持させることが肝要であるが、何らかの理由により締付け力が低下することがある。

ねじのゆるみとはボルトやナットがゆるむ方向へ戻り回転することだと一般的には思われがちだが、正確な定義ではねじ締結体の締付け力（ボルト軸力）が低下することがねじのゆるみであり、ボルトやナットの戻り回転が無くても締付け力の低下は発生し得る。ボルトやナットの戻り回転を伴わないゆるみを非回転ゆるみ、ボルトやナットの戻り回転を伴うゆるみを回転ゆるみなどと呼ぶ。

ねじのゆるみを完全に無くすことは極めて困難だが、ねじのゆるみがねじの破断・脱落につながる可能性もあり、最悪の場合は重大事故を引き起こす可能性もある。ねじ締結体の設計・締付け作業・締結後メンテナンスなどの場面で、ゆるみを起こさせないまたは起こりにくくさせるような防止・対策の必要がある。

ねじの自立条件とゆるめトルク
ねじあるいはボルト（以下ボルトで統一）はらせん状に形成されたねじ山を持ち、これが締結時に連続したくさびのように働き、ボルトが抜けないように固定される。ボルトのねじ山とナットのねじ山は側面同士で強く押し付け合い、摩擦力が発生する。一般的に、ねじのリードはゆるやかなので、ボルトのねじ山を押し戻そうとする力は摩擦力よりも小さく、ボルトがゆるむ回転が自発的に生まれることはない。

簡単のために、ねじ山が四角形の角ねじについて、ナットを締める力あるいはゆるめる力について考える。ボルトあるいはナットが締め付けられると、ボルトには引張力が働き、被締結物には圧縮力が働く。これらは締付け力と呼ばれ、特にボルトの引張力は軸力と呼ばれる。一方、らせん状のねじ山は、円柱側面に傾き一定の斜面を巻きつけたような形になっている。ねじを締め付けるとは、大きな垂直力（軸力）が加わっている物体（相手側のねじ山）をこの斜面に沿って押し上げることに相当する。斜面上の物体（ナット）に加わる垂直力（軸力）を  とし、ナットを締める水平力を  とする。力のつり合いより、 は以下のように表される。

ここで、 は斜面に対する垂直抗力、 はねじのリード角である。 は摩擦角と呼ばれ、摩擦係数  から  の関係で与えられる。

ナットをゆるめる場合は と逆向きの水平力をナットに加えることになるため、これを  とすれば、 は以下のように表される。

上式において、 が常に零または負の数値になるということは、ゆるめる力を加えなくてもねじが自然とゆるんでしまうことを意味する。よって、締めたねじが外力無しで自然とゆるまないためには

という条件を満たされる必要がある。この条件をねじの自立条件という。一般的に使われているメートル並目ねじのリード角が 2° から 3° 程度であるのに対し、摩擦係数を低めに 0.1 と見積もっても摩擦角は 6° 程度は確保されるので、この自立条件は十分に満たされている。実際に使われている三角ねじでは、自立条件における摩擦角が次のように変わる。

ここで  はねじ山半角である、通常のねじでは  なので、 は  の1.15倍程度となり、実際に使われている三角ねじではよりゆるみにくくなる。

ナット座面あるいはボルト頭部座面の摩擦も考慮に入れ、軸力  を与えるようにねじを締め付けるトルク  と軸力  で締め付けられているねじをゆるめるトルク  を表すと、次のように与えられる。

ここで、 はねじの有効径、 は座面の等価摩擦直径、 は座面の摩擦係数である。よって、摩擦係数が変わらないとすれば、ゆるめトルク  は締め付けトルク よりも常に小さい。具体的な数値の例を使って計算すると、 は  の約  や約  などと求められる。

軸力  で締め付けられているねじをゆるめるには、このようなトルクを加えない限りゆるまないことになるが、しかし実際にはゆるめトルクを加えなくてもねじがゆるむような回転を起こすことはありえる。なぜならば、ゆるめトルクとは、ねじ山およびボルト座面で相対すべりが無い状態からボルト・ナットを相対回転させるという状況を仮定しているからである。もしねじ山およびボルト座面で軸直角方向すべり（横すべり）が起きていれば、このすべりに連動する形でボルト・ナットの戻り回転が十分に起こりえる条件が成立する。さらに、ボルトまたはナットの戻り回転が発生しなくても、締付け力が低下してねじのゆるみが進むこともある。

原因と分類
ねじのゆるみは、おねじとめねじが相対的にゆるみ方向へ回転して起こるものと、このような回転無しで起こるものに大別される。前者は回転ゆるみ、後者は非回転ゆるみなどのようにも呼ばれる。

非回転ゆるみは、へたり、微小摩耗、熱変形などを原因として起こる。ねじ締結体の軸力は、ボルトの弾性引張変形と被締結体の弾性圧縮変形の結果発生している。そのため、戻り回転が起こらなくても、これらのボルトの弾性引張変形または被締結体の弾性圧縮変形が減少すれば、軸力も減少する（すなわち、ねじがゆるむ）。これが非回転ゆるみの基本原理である。非回転ゆるみはへたりなどを原因とするため、ある程度の非回転ゆるみは避けられない。一方で、非回転ゆるみによる軸力低下は、元の締付け軸力を完全に消失するほどの低下量ではない。しかし、非回転ゆるみによる軸力低下は、後述の回転ゆるみを誘発する可能性もあるため注意が必要である。

回転ゆるみは、ねじ締結体へ繰り返し加わる外力が原因となって通常は起こる。このような外力はねじ面や座面で相対すべりを引き起こす可能性があり、この繰り返しの相対すべりの結果、回転ゆるみが発生する。回転ゆるみは、一旦それが連続して起こる条件に入ると大きな軸力低下を発生させ、最終的には元来のねじ締結機能が働かなくなるまで軸力が消失し得る危険性がある。回転ゆるみの場合は、回転ゆるみを抑える特殊な部品も存在する。ただし、回転ゆるみ止め部品の性能は様々であり、相対すべりの可能性を排除できないような場合の補助手段とみなすことが推奨される。

非回転ゆるみ
へたり・なじみによるもの
ねじ締結体には、ねじ山同士・ボルト頭座面と被締結物・ナット座面と被締結物・被締結物部材同士の4種類の接触面が存在する。これらの接触面は完全な平坦な面になっているわけではなく、実際には製造時にできる微小な凹凸が存在する。最初のボルト締付けで接触面の微小な凹凸はある程度つぶれて平坦化するが、外力の作用などで締付け後にも平坦化がさらに進行することがある。特に振動荷重が加わる場合には平滑化が進行しやすい。このような接触面における局部的塑性変形はへたりやなじみと呼ばれる。へたりが起こると、被締結物の圧縮量が減少し、その結果として被締結物の締付け力が低下する。ねじ締結体が締付けされ、その機械や機器が運転に供されたあと、比較的短時間で発生する軸力低下を初期ゆるみと呼ばれる。へたり・なじみによるゆるみは、初期ゆるみのメカニズムでもある。

締付け後に起きるへたりのボルト軸方向の合計量を  とする。ねじ締結体におけるボルトの引張ばね定数を  とし、被締結物の圧縮ばね定数を  とする。 ねじ締結体の締付け線図より、このときの締付け力（ボルト軸力）低下量  は以下のように求められる。

あるいは、

と置いて

とも表される。この  はへたり係数と呼ばれる。一般的に  および  が大きな数値であるため、へたり量  が数 μm であっても締付け力低下量  は数 kN に至ることもある。

現実には、へたり量  を充分な精度で事前予測したり、正確に測定することは非常に難しい。ねじ締結体にかかる荷重の種類、接触面の数、表面粗さ、材質などが、へたり量に影響すると言われる。設計段階でのへたり量予測には、表面粗さごとの各接触面の標準へたり量を積み上げる手法が存在し、ドイツ技術者協会発行のガイドラインVDI 2230の2003年版以降によるもの、ゲルハルト・ユンカーによるもの、酒井によるものなどがある。また、実際よりも小さめの値を与えると言われ、さらに最新版でも廃止されたが、VDI 2230の1986年版における簡便な予想式も存在する。

座面の陥没によるもの
ボルトの座面（またはナットの座面）の面圧が大きくなると、座面と接する被締結物表面が、接触面の微小な凹凸の平坦化を超えて巨視的に塑性変形し、陥没することがある 。陥没が起きるのがボルト締付け時のみであれば問題は小さいが、使用中に陥没が進行する場合はゆるみの原因となる。このようなゆるみを陥没ゆるみともいう。ねじ締結体の多くではボルト・ナットよりも被締結物の方が強度が小さいため、このような被締結物の座面接触部の陥没に注意を要する。

座面の面圧がある程度までなら材料の加工硬化によって陥没変形が止まるが、さらに面圧が大きくなると陥没変形の進行が進む。この境目の面圧を限界面圧という。実験的には、面圧負荷後2分間で陥没の深さ 2 µm 以下であるような面圧を限界面圧の数値としている。同じ材料でも硬さが大きいほど、限界面圧も大きくなる傾向にある。VDI 2230 では、ブリネル硬さの3倍を鉄鋼材料の限界面圧の推奨値としている。限界面圧を引張強さと比較すると、炭素鋼では引張強さの 75% から 85%、ステンレス鋼では引張強さの 35% から 50% といった具合だが、圧縮に強いねずみ鋳鉄では引張強さの 200% から 400% になる。

ボルトの塑性伸びによるもの
締付け後にボルトの弾性限度を超えるような外力が加わり、ボルトが塑性変形によって伸びる場合も、非回転ゆるみを起こす。ボルトの単軸引張りにおける軸力・伸びの関係で考え、弾性限度を超えて塑性伸びが起こると、外力が無くなった後に塑性伸びの分だけ軸力が低下する。特に、被締結物の接触面の遊離が起こるような外力が加わると、ボルト塑性伸びによるは急増する可能性があるので注意を要する。

自動車産業などでは、軸力コントロールのしやすさなどを活かして意図的にボルトの降伏軸力を超えるところまで締付けする例があり、このような締付けを塑性域締付けなどという。塑性域締付けが行っている最中のボルト軸力・伸びの関係曲線は、ボルト軸力のほかに軸トルクが加わっているため、単軸引張りにおける軸力・伸びの関係曲線よりも弾性限度の軸力がいくらか低くなる。よって、塑性域締付けされた後に引張り外力が加わると、単軸引張りにおける軸力・伸び関係における弾性限度まで弾性変形できるが、それを超えると追加の塑性伸びが起こり、ゆるみが発生する。

温度変化によるもの
ねじ締結体の温度変化が起きると、安全性に関わるレベルから無視できるレベルまで程度は様々だが、ボルト軸力の変化が起き得る。一般的に、物体の体積は高温で膨張し、低温で収縮する。したがって、もしボルトが周囲の被締結物よりも高温になると、軸力の低下が起きる。ただし通常は、ボルトと被締結物の間は滑らかな温度分布となっており、実質的な軸力低下は、ボルトと被締結物である程度以上の温度差がある場合に起きる。

ボルトと被締結物の温度が同じでも、それぞれの材料の線膨張係数が異なれば、それぞれの熱膨張量もまた異なり、その結果として軸力も変化する。ボルトがオーステナイト系ステンレス鋼、被締結物が炭素鋼という例であれば、オーステナイト系ステンレス鋼の方が線膨張係数が大きいため、高温になるとボルトが被締結物よりも大きく膨張し、軸力が低下する。理論上、線膨張係数の差による軸力低下量  は次のように計算できる。

ここで、 は締付け時の温度、 はボルトの使用中温度、 は被締結物の使用中温度、 はボルトの線膨張係数、 は被締結物の線膨張係数、 は被締結物の厚み（グリップ長さ）、 はへたり係数である。 は線膨張係数の差と温度変化量の積に比例するため、線膨張係数の差が小さくても温度変化量によっては著しい軸力低下が起こることもある。また、温度変化や線膨張係数の組み合わせによっては軸力が増加することもあるが、それによる座面陥没の可能性に注意を要する。

温度変化によるゆるみの別のケースとしては、ボルトまたは被締結物のクリープ（リラクセーション）によるものがある。クリープによって、ねじ締結体の元の弾性変形量からクリープ量の分が差し引かれる。一般的には、金属材料では融点の 40% 以上から無視できないようなクリープが発生すると言われる。高温で再結晶化する場合もリラクセーションが起き、軸力低下につながる。再結晶温度の半分以上からでもリラクセーションによる顕著な軸力低下が起きた例も報告されおり、注意を要する。

また、材料によっては、温度が上がると縦弾性係数が低下する。弾性変形の復元力は縦弾性係数に比例するので、縦弾性係数が低下すればねじ締結体の軸力も低下する。よって、ボルトと被締結物で起きる熱膨張量を同一であっても、縦弾性係数低下により軸力は低下する。オーステナイト系ステンレス鋼の一例では、常温から 400 °C  まで昇温したとき縦弾性係数は約 80% まで低下する。こういった材料を高温で使用する場合は注意を要する。

回転ゆるみ
軸直角方向負荷によるもの
ねじ締結体のボルトの軸に対して直角方向の荷重（せん断荷重）が繰り返し加わったり、ねじ締結体に軸直角方向の振動が加わると、ボルトないしナットが自ら勝手に戻り回転を起こすことがある。歴史的には、このような回転ゆるみに対する軸直角方向振動の影響と重要性を最初に指摘したのは、1969年のゲルハルト・ユンカーによる研究といわれる。実際の機械・構造物でも、軸直角方向荷重・振動による回転ゆるみはたびたび問題となる。回転ゆるみの中でも、軸直角方向荷重・振動によるものは特に重要度が高い。

軸直角方向荷重がねじ締結体に加わっても、締結体の中で全くすべりが起きなければボルトないしナットを回すような力は発生しない。しかし仮に、被締結物同士の接触面ですべって動き、ナットも被締結物に追従とする。このとき、ねじ山はらせん状をしているため、ボルトねじ山がナットねじ山のらせんを昇ろうとする部分とボルトねじ山がナットねじ山のらせんを降ろうとする部分が対称に出現する。すべりに対するボルトの抵抗は、昇る側では大きくなり、降る側では小さくなるので、その結果としてボルト軸回りにボルトを緩ませる方向のモーメントが発生する。さらに、すべりの方向が逆になったとしても、このボルト軸回りモーメントの向きは変わらない。これがボルトを回転させるトルクとなり、回転ゆるみを引き起こす。

山本晃・賀勢晋司の説では、ボルトのねじり弾性変形の蓄積と解放がナットの回転ゆるみのメカニズムとして作用する。被締結物の片方を固定し、もう片方に軸直角方向の強制変位を与えて滑らせると、まず、ボルト・ナットのねじ面間でも滑り出し、次いでナット座面と被締結物間が滑り出すことが実験的・解析的に分かっている。ナット座面が滑らない一方でねじ面間では滑るとき、ねじ山がらせんになっていることによってボルトに軸回りのねじり弾性変形が生じる。続いてナット座面と被締結物間が滑り出すと、ボルトのねじり弾性変形を解除させるようにナットが回転方向にも滑り、ナットがゆるみ回転する。

軸回り方向負荷によるもの
ボルトの軸回りの荷重（トルク）が繰り返し作用すると、ボルトないしナットが戻り回転を起こしてゆるむことがある 。歯車や滑車を回転軸に取り付ける1本ボルトや眼鏡のテンプルを取り付けるねじが、こういった荷重を受ける。

軸直角方向荷重の場合と同様、軸回り方向トルクがねじ締結体に加わっても、締結体の中で全くすべりが起きなければボルトないしナットを回すような力は発生しない。軸回り方向トルクの繰り返し負荷でボルトが戻り回転を起こすには、すべりによって被締結物同士が軸回りに相対回転を起こした上で、次のような2つの条件を満たす必要がある。
被締結物がボルト締まり方向にすべり回転するときは、ボルト座面（またはナット座面）と被締結物の間ですべって、ボルト（またはナット）は被締結物の締まり回転に追従しない
被締結物がボルトゆるみ方向にすべり回転するときは、ボルトねじ面とナットねじ面の間ですべって、ボルト（またはナット）が被締結物のゆるみ回転に追従する
酒井智次の説では、この考えにもとづいて、各トルクが

という関係を満たすときに回転ゆるみが進捗する。ここで、 はねじ面間でゆるみ方向回転すべりを起こさせるのに必要なトルク、 はねじ面間で締付け方向回転すべりを起こさせるのに必要なトルク、 はボルト・ナット座面と被締結物の間で回転すべりを起こさせるのに必要なトルクである。現実にはもう少し複雑な挙動を起こし、ボルト・ナットが締まる方向の回転も混じることもあるが、ボルト・ナットの戻り回転分が優勢であれば回転ゆるみが発生する。繰り返し負荷の間に摩擦係数が変動し、上記のトルクの関係式が満たされたり満たされなくなったりしながら回転ゆるみが進捗するような実験例もある。

軸方向負荷によるもの
ボルトの軸方向に荷重（引張荷重）が繰り返し作用すると、ボルトないしナットが戻り回転を起こしてゆるむことがある。ただし、この種類のゆるみは起こりにくく、実際の発生はめったにない。軸方向荷重によってボルト軸力が増加すると、ねじ山の角度によってナットは半径方向に拡大され、ポアソン比によってボルトは半径方向に縮小する。このような拡大と縮小の過程でねじ山と座面ですべりが起き、その結果戻り回転が起きるというのがこの種類の回転ゆるみの原理である。しかし実際に戻り回転を起こすには大きな軸力変動が必要であり、軸力変動が初期締付け力よりも十分小さいような適切に締結された通常のねじ締結体であれば軸方向負荷による回転ゆるみは起こらないと考えられている。

ゆるみの影響
ボルト軸力はねじ締結体の機能を左右する基本的な要素であるため、ねじ（ボルト）のゆるみはねじ締結体の機能を低下または消失の可能性を生み、その影響は大きい。ボルトのゆるみが起こると、ボルトの脱落や破断につながる可能性もある。最悪の場合は事故を至ることもある。特に、航空機、鉄道、自動車、ジェットコースターなどの高速で移動する機械でねじ結合が損なわれると被害が大きな事故となりやすい。

ボルトのゆるみ（ボルト軸力の低下）が引き起こし得る機械・構造物の不具合には、次のようなものが挙げられる。
被締結物間の分離
被締結物間のすべり・変位増加
異音の発生
気密の漏れ
結合力低下によるねじ締結体全体としての剛性低下・振動増加
ボルトの疲労破壊
特に疲労破壊は、ゆるみと並ぶねじ締結体の二大不具合の一つである。一旦ボルトの疲労破壊が起きると、ボルトで締結されていた部品が分解され、事故の危険性もある。ゆるみと疲労破壊はそれぞれ独立しているわけではなく密接に関連している。多くの場合、ボルトの疲労破壊に先立ってボルトのゆるみが起こる。ゆるみによって締付け力が低下すると、ボルトが受ける負荷が増加する。すなわち、同じ外力を受ける場合でも、ボルト軸力が小さければ、ボルトが受ける応力の振幅が大きくなる。その結果、疲労破壊が起こりやすくなる。

防止
基本事項
ねじ（ボルト）のゆるみが発生する場合には、それぞれのゆるみ毎の原因を特定して対策を取る必要がある。ゆるみ対策の中でも、特に締付け力（ボルト軸力）の向上は、もっとも基本的にして重要である。回転ゆるみは、いずれもねじ締結体内（特に被締結物同士の接触面）の相対すべり発生が起点となるので、締付け力を上げてすべらないようにすることが共通の対策となる。さらに、へたり・なじみの非回転ゆるみについても、高い締付け力を与えておくことでへたり・なじみによる軸力低下を補える。締付け力を大きくすることの他に、ボルトの数を増やす、摩擦係数を大きくする、外力・振動が小さい環境にする、といったことも相対すべりを無くす方法として有効である。高い軸力で座面の陥没が問題となる場合は、接触面圧を下げるために平座金を併用したりフランジ付きボルト・フランジ付きナットを用いる対策がある。

へたり・なじみによる非回転ゆるみを完全に防止するのは困難だが、へたり係数  を小さくする、締結面の表面粗さを小さくする、ねじ締結体中の接触面の数を減らすといった方策が有効である。一般的にへたり・なじみによる非回転ゆるみは一定期間後に進行が停止するので、増し締めも有効である。当該のねじ締結を含む機械・構造物を一定期間使用した後に増し締めで消失した締付け軸力を補えば、それ以後はへたり・なじみによるゆるみは収まることが期待される。

温度変化による非回転ゆるみは、ボルトとその周辺の温度変化そのものを小さくすることや、ボルトと被締結物の線膨張係数の差を小さくすることが望ましい。温度変化による非回転ゆるみは、グリップ長さが短いほど軸力変化も小さくなる。ただし、へたり・なじみによる非回転ゆるみはグリップ長さが短いほど逆に軸力変化が大きくなるため、熱的負荷と機械的負荷の両方を受けるような箇所では注意を要する。

座面の陥没による非回転ゆるみは、上記のように平座金等を利用するほかに、被締結物の締結面の圧縮降伏点を高く・硬くするといった対策がある。外力によるボルトの塑性伸びによる非回転ゆるみは、外力の把握、締付け軸力の管理・適切化、ねじ締結体の内力係数を減少させてるボルト負荷荷重を抑制するなどの対策がある。

特殊なねじ部品使用
回転ゆるみへの対策として、特殊な部品を使用する方法もある。こういった回転ゆるみ防止部品は数多く考案され、商品として販売もされている。こういった部品が「ゆるみ止め」と呼ばれることもあるが、非回転ゆるみの方について効果がないので正確には「回転止め」という位置付けである。

ゆるみ止め部品の内、締付け・取り外しの間から回転抵抗を追加発生させるタイプはプリベイリングトルク () 形と呼ばれる。典型的なプリベイリングトルク形は、ナイロンのような樹脂を粒状・細長形・面状にねじに付与させたナットやボルトを用いるもので、樹脂がねじ山に食い込むことで摩擦力が生み出される。摩擦力に打ち勝ってねじを回すトルクのことをプリベイリングトルクという。全て金属製で構成されたプリベイリングトルク形締結品もある。

また、締付けの最中には追加の回転抵抗はないが、締め付けられた後に特殊な機構などで追加の回転抵抗が与えられるタイプはフリースピニング () 形やフリーランニング () 形と呼ばれる。フリースピニング形は、締付け軸力に依拠しないタイプと締付け軸力に依拠するタイプに細分される。締付け軸力に依拠しないフリースピニング形には、ロックワイヤを取り付ける手法や溝付きナットとコッターピンを組み合わせる手法がある。溶接でナット・ボルトを溶着される方法もこれに含まれる。ワイヤ、ピン、舌付き座金などを使った回り止めは、機械的回り止め方式などとも呼ばれる。

締付け軸力に依拠するフリースピニング形には、軸力による変形を利用した特殊な座金やナットを使う手法がある。戻り回転の抵抗を与えるために座面にギザギザの歯を持たせたナットやボルトもこれに含まれる。また、2枚組の座金にねじのリード（らせん）角度よりも大きな角度のカム状の斜面を与えることで、ねじの戻り回転に対して強い抵抗を持たせるタイプもある。こういった方式の回り止めはリード差利用方式などとも呼ばれ、他には、1つのボルトに2種類のリード角のねじ山を加工してそれぞれのリード角に対応するナットを締結するような方式もある。

通常のボルトまたはナットに嫌気性の接着剤を付け、締付け後におねじ・めねじ同士を固着させるゆるみ止め方法もある 。嫌気性接着剤とは、空気との接触を断つと凝固が始まる性質を持った接着剤で、締結すると一般的には24時間後までに完全に凝固する。締付け前に接着剤を塗布するタイプと、接着剤を封入した微細なカプセルを事前に付着させたタイプがある。

出典

参照文献

Category:ねじ