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締結

締結アイキャッチ

ここではネジが締まる(締結)仕組みを解説しています。

 

ネジは[ 摩擦力 ]と[ 予張力 ]によって締まったままの状態を保ちます。

 

予張力を得るために、ボルト・ナット・被締結物等が弾性体でなければなりません。

 

ミニ四駆で使う鉄製のネジも、ABS製のシャーシも、FRPも弾性体です。

 

 

予張力

ボルトも締結される物(被締結物)も弾性体です、これを非常に強いバネだと考えます。

 

締結時にはこれらの非常に強いバネを変形させるほどの強い力が働いています。

 

ボルトは締め付けると張力により伸びるけど、元に戻りたい(縮みたい)から、被締結物を押しつぶします。

 

被締結物はボルトに潰されたくなくて反発力が発生する。

 

これらの変形はとても小さく肉眼では確認できません。

 

下の図は、見かけ上の肉眼で確認できる状態と、締結時の各部の変形を拡大した図です。

 

変形を拡大した図では「被締結物のへこみ」と「ボルトのピッチの伸び」が発生しています。

 

画像クリックで拡大できます。
締結変形図 ピッチの伸び 締結物の凹み 予張力 ボルト ナット

 

下の図は、締結に作用する力をしめしています。

 

緑の力は人間が締結のために加えた力、

 

赤はボルト・被締結物が人間の力に抵抗する力です。

 

人力(緑)と物力(赤)は、反対向きの同じ量の力でつりあっています。

 

このつり合った力の状態を[ 予張力 ]といいます。

 

締結変形力 予張力 反発力 張力 力のつりあい 締結に働く力図

 

通しボルトで考えると、被締結物にボルトを通して、ナットを回して締結します。

 

ナットは被締結物にあたるまでは手で軽く回せます、被締結物にあたると素手では回らなくなります。

 

でも、スパナなど工具を使って大きな力をかけるともう少しだけ回ります、

 

この時の力はボルトを伸ばし、被締結物を押しつぶしています。

 

摩擦

リード角

リード角はピッチ/(円周率×有効径)で求めることができます。

 

締結は、このリード角の斜面の上に物が乗っている状態です。

 

リード角が小さいほど滑りにくい(ゆるみにくい)です。

 

ミニ四駆で使うM2のリード角はだいたい4.2°です、M20のリード角は2.5°くらい、M60は1.8°くらいです。

 

ネジの有効径が大きくなるほど、リード角が小さくなる傾向があります。
リード角図 ピッチ/(円周率×有効径) 有効径 鍋頭ボルト

 

シャーシにパーツを固定する状況をネジ基準で考えると、

 

シャーシがリード角に沿って、ネジを登っているということになります。

 

リード角が小さいと、楽に(小さな力で)登ることができるけど、長い距離を登ることになります。

 

そして、シャーシがボルトの頂上(ネジ頭)まで登りきったら[ 登る ]以外の力(予張力のために発生する力)が発生します。

 

予張力は大きい力です、それを楽に(小さい力で)加えるためにリード角が役に立ちます。

 

 

摩擦角

物が滑り出す角度を[ 摩擦角 ]といいます。摩擦角は静止摩擦係数と同じ値です。

 

摩擦角を体感するためにM2ネジをたとえに使うと、

 

M2のリード角は約4°なので、4°傾けた鉄板の上にナットを置きます、ナットは動き(滑り)ません。

 

20°でも動きません。ということリード角20°までは、ナットは動かない緩まないということになります。

 

角度が小さい方が動きにくいということは感覚でわかりますね。
リード角例 45° 20度 4° 摩擦角比較図 摩擦係数

 

摩擦角実験 M2ナット ワッシャー SXシャーシ小径タイヤ赤 塗料皿

 

摩擦面

ネジの摩擦面は、ネジ山のネジ頭側です。

 

この弦巻線の面にナットや被締結物が乗っていて、それぞれの摩擦力で固定(締結)されています。
ネジ摩擦面比較図 トラス頭 なべ頭 摩擦発生箇所 弦巻線

 

ナットは、ボルトが貫通すれば十分な締結力を発揮できるとされています。

 

でも、ナットを貫通するに足りなくてもなんとかなります。

 

締結は摩擦面が多いほど緩まない←という訳ではありません。

 

締結の為にナットにかかる力は、ナットの被締結物側に多くかかっています、

 

どーせナットの最後の方の山にはあんまり力がかかっていないんです。

 

下の図のナットにかかった赤い部分は締結のための力の分布です。
ナットにかかる力図 ボルト・ナット締結 締結力 力の分布

 

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