1

（元）信州大学工学部

賀勢 晋司

2009年2月24日

軸直角繰返し外力による

ねじのゆるみについて

今回の内容

１．ゆるみの種類（全般）

２．巨視的座面滑りによる場合

・ゆるみの発生機構 ・実験と考察 ・限界座面滑り

３．微小座面滑りによる場合

・ゆるみの発生機構 ・実験と考察 ・ゆるみ止め性能

４．小ねじ類のゆるみ試験

・実験装置 ・実験と考察

2

１．ゆるみの種類

２．巨視的座面滑りによる場合

3

２.１ ゆるみの発生機構

(1)基本の考え方

（山本賀勢）

ボルト軸の弾性ねじれ挙動に注目

(2)滑り軌跡

ボルトねじ山の軌跡

（ナットねじ面上）ボルト又はナットの座面の軌跡

（山本・賀勢）

4

(3)「ボルト軸」と「はめあいねじ部」

ボルト軸のたわみ

ボルトねじ山がナットねじ山を上る場合の力の関係

はめあいねじ部， M=L(R1+R2) /2（山本・賀勢）

ボルト軸のねじれトルク

の実測 （M10，スピン

ドル油潤滑）

上の場合の1サイクル

当たり軸力低下の理

論値と実験値

２.２ 実験(1)ボルト軸ねじれトルクと軸力低下

5

準静的な場合

（M10，9.8kN，マシン油＋MoS2潤滑）

(2)ボルト軸ねじれとナット戻り回転

ハンマ衝撃の場合

（M10，9.8kN，マシン油潤滑）

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

15 20 25 30 35 40 45 50

Grip length (lf) mm

Rat

io (

Scr/

F)

mm

/kN

仮定：μb=μth’=μμ=0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

dp

2

dpdp

2

dp

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

15 20 25 30 35 40 45 50

Grip length (lf) mm

Rat

io (

Scr/

F)

mm

/kN

仮定：μb=μth’=μμ=0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

dp

2

dpdp

2

dp

２.３ 巨視的座面滑り防止の限界全振幅（計算）

（μbは座面の軸直角方向，μth‘はねじ面のつる巻線直交方向の静摩擦係数）

ds=dp,

k=5×10 -8(Nmm) -1

の場合

M10 Scr：限界全振幅

F：軸力

6

３．微小座面滑りによる場合

３.１ゆるみの発生機構（基本の考え方）

Number of cycle n

Tors

ion o

f bol

t-sh

ank

u

looseningOccurrence of

uln

uun

ucr

Nut

Bolt

Tu

(a)

u0

(b)

Number of cycle n

Tors

ion o

f bol

t-sh

ank

u

looseningOccurrence oflooseningOccurrence of

uln

uun

ucr

Nut

Bolt

Tu

Bolt

Tu

(a)

u0

(b)

締付け直後

外力‐可動板変位の基本図形

（二つのモデル）

(a)に対応 (b)に対応

S7’

S2’

S4’

W

xS0

S1

S5’

S7’

S2’

S4’

W

xS0

S1

S5’

W

S0

S1

S2

S4

S5S6

S7 x

S3

W

S0

S1

S2

S4

S5S6

S7 x

S3

7

３.２ 実験

(1) 実験装置

Pulse Board

ＰＣ

Strain Amp

A/D Board

Strain Gage

Control Unit

Fixed plateBolt/nut

Servo motor

Slippage

Rotation

Non-contact

sensors

Electronic

micrometer

Differential

screw mech.

Axial forceExt.

force

Displacement

Movable plate

Torsion

Machine oil + MoS2 powderLubricant

10kNInitial axial tension

28mmGrip length

Bolt 8.8, nut 8Strength class

Hexagon head bolt, hexagon nut, hexagon nut with flange (M10, M10×1.25, 6H/6g)

Test bolt and nut

ControlledAmplitude of transverse displacement

Quasi-staticSpeed of transverse loading

Table 1 Experimental conditions

Machine oil + MoS2 powderLubricant

10kNInitial axial tension

28mmGrip length

Bolt 8.8, nut 8Strength class

Hexagon head bolt, hexagon nut, hexagon nut with flange (M10, M10×1.25, 6H/6g)

Test bolt and nut

ControlledAmplitude of transverse displacement

Quasi-staticSpeed of transverse loading

Table 1 Experimental conditions

(2) 実験条件

8

(3)実験結果１ ボルト軸ねじれ角の変化（締付け→変位

５サイクル→ゆるめ）

-10

-5

0

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400

To

rsio

nal

an

gle

θ T

(′

)

A1

A2

A3

A4

±100μm×5cycles

Time (s)

締付け ゆるめ

可動板変位

A: M10, B: M10×1.25M10

ボルト軸ねじれ角と軸力の変化

ナットの戻り回転角

(4)実験結果２ 異なる軸直角変位振幅におけるサイクル

数に対する各量変化

軸力低下率は，

⑤で約2%⑥で約3%

可動板変位振幅

15, 60μm

可動板変位振幅60μmで座面滑りは10μmに達しない

9

0

3

6

9

12

15

0 5 10 15 20 25 30 35Slip width on bearing surface S μm

Rota

tion

ang

le θ

'/

cycl

e(5)実験結果３ 座面滑り量（半サイクル間）とナット戻り

回転角の関係

■並目 □細目 ▲並目＋平座金

○フランジ付き

0

2

4

6

-120 -60 0 60 120

x (μm)

θ T　 （

′）

W

S0

S1

S2

S4

S5S6

S7 x

S3

W

S0

S1

S2

S4

S5S6

S7 x

S3

(6)実験結果４ 可動板変位に対する外力，ボルト軸ねじれ角，

ナット戻り回転角

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

Tran

sver

se lo

ad W

　（kN

）

0

2

4

6

Tors

ion

θT

(′

)

-35

-30

-25

-20

-15

-100 -50 0 50 100

Nut

rota

tion

θ　（′

）

Transverse displacement x (μm)

S3

S6

S4

S7

S7S4

S3S6

S2

S2

S2

S5

S5 S3

S6 S7

S5

S4

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

Tran

sver

se lo

ad W

　（kN

）

0

2

4

6

Tors

ion

θT

(′

)

-35

-30

-25

-20

-15

-100 -50 0 50 100

Nut

rota

tion

θ　（′

）

Transverse displacement x (μm)

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

Tran

sver

se lo

ad W

　（kN

）

0

2

4

6

Tors

ion

θT

(′

)

-35

-30

-25

-20

-15

-100 -50 0 50 100

Nut

rota

tion

θ　（′

）

Transverse displacement x (μm)

0

2

4

6

Tors

ion

θT

(′

)

-35

-30

-25

-20

-15

-100 -50 0 50 100

Nut

rota

tion

θ　（′

）

Transverse displacement x (μm)

S3

S6

S4

S7

S7S4

S3S6

S2

S2

S2

S5

S5 S3

S6 S7

S5

S4

外力

W

(kN

)ね

じれ

θT

( ′)

ナッ

ト回

転角

θ( ′

)

可動板変位 x (μm)

10

M10, hex. nut M10×1.25, hex. nut M10, hex. nut with locknutM10, hex. nut M10×1.25, hex. nut M10, hex. nut with locknut

n = 2n =10 0 n =30 0

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

-100 -50 0 50 100x (μm)

W

(kN)

50 100-100

0.8

0.4

-0 .4

-0.8

W (

kN)

0

-0.8

-0.4

0

0 .4

0 .8

-100 -50 0 5 0 100x (μm)

W(k

N)

n = 2100

n = 2

100

300

x (μm)

-1

-0.6

-0.2

0.2

0.6

1

-100 -50 0 50 100x (μm)

W(k

N)n = 2

100

300

M10, hex. nut M10×1.25, hex. nutM10, hex. nut wit h locknut

n = 2n =10 0 n =30 0

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

-100 -50 0 50 100x (μm)

W

(kN)

50 100-100

0.8

0.4

-0 .4

-0.8

W (

kN)

0

-0.8

-0.4

0

0 .4

0 .8

-100 -50 0 5 0 100x (μm)

W(k

N)

n = 2100

n = 2

100

300

x (μm)

-1

-0.6

-0.2

0.2

0.6

1

-100 -50 0 50 100x (μm)

W(k

N)n = 2

100

300

M10, hex. nut M10×1.25, hex. nutM10, hex. nut wit h locknut

ダブルナット並目 細目

(7)実験結果５ 消費仕事量と関連量の挙動

（軸力）

（消費仕事量）

(8)実験結果６ ゆるみ止め性能（軸力低下率）の比較

0

20

40

60

80

100

Amp. of displacement (μm)

Loss

rate

of a

xial

tens

ion

Δ (%

)

15 30 60 80 100

Fig.14 Results of anti-loosening tests

0

20

40

60

80

100

Amp. of displacement (μm)

Loss

rate

of a

xial

tens

ion

Δ (%

)

15 30 60 80 100

Fig.14 Results of anti-loosening tests

並目六角ナッ ト 細目六角ナッ ト

細目六角ナッ ト

＋平座金

並目六角ナッ ト

＋平座金

フランジ付き

六角ナッ ト

ダブルナッ ト

（300サイクル経過時点での比較）

可動板変位振幅 x

軸力

低下

率Δ

(%)

11

(9)実験結果７ ダブルナットの性能（軸力低下率）

（注）

別の実験装置（円弧往復変位式）による

○ダブルナットＡ ：ロッキング

十分

△ダブルナットＢ ：ロッキング

不十分

●ダブルナットＣ ：ロッキング

不十分

▲通常のシングルナット

0

20

40

60

Number of cycle n

Loss

rate

of axial tension Δ

　[%

]double-nut Adouble-nut Bdouble-nut Csingle-nut

300 600 900

0

20

40

60

80

100

Number of cycle n

Loss

rate

of ax

ial te

nsi

on Δ

　[%

]

double-nut A

double-nut B

double-nut C

single-nut

300 600 900

±100μm

±170μm

サイクル数 n

サイクル数 n

軸力

低下

率Δ

%軸

力低

下率

Δ%

４．小ねじ類のゆるみ試験（日本ねじ研究協会との共同研究）

12

圧電アクチュエータレバー

可動板

圧電アクチュエータ

可動板

供試ねじ

(1)実験装置

圧電アクチュエータへの入力電圧（専用ドラ

イバによる）： 75V（オフセット）→150V→75V（オ

フセット）のランプ状の間欠繰返し（常時）

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800

軸力

Ｎ

5Hz

10Hz

20Hz

50Hz

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 500 1000 1500 2000

サイクル数

軸力

Ｎ

5Hz

10Hz

20Hz

50Hz

100Hz

M4 なべ小ねじ

M4 なべ小ねじ

初期軸力 500N，

グリップ長さ 5mm，

マシン油＋MoS2潤滑

初期軸力 700N，

グリップ長さ 5mm，

マシン油＋MoS2潤滑

(2) 試験結果１ 加振周波数が軸力低下

に及ぼす影響

13

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

サイクル

軸力

残存

率

750N800N850N900N1000N

500 1000 2000 3000 4000

軸力

残存

率

サイクル数

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

サイクル

軸力

残存

率

750N800N850N900N1000N

500 1000 2000 3000 4000

軸力

残存

率

サイクル数

(3) 試験結果２ 特定の加振サイクル数時点

における軸力残存率のばらつき状況

M4 なべ小ねじ，加振周波数10Hz，グリップ長さ5mm，マシン油＋MoS2潤滑

まとめ

• （ボルト）軸直角方向の繰返し外力によるねじの回転ゆるみについての検討結果を述べた。

• はめあいねじ部における相対変位によるボルト軸ねじれを戻り回転の基本的な起動要因と考えた。巨視的座面滑り及び微小座面滑りの場合についてその仮説を検証した。

• 微小でも座面滑りが繰り返されると，回転ゆるみが進行するとの認識が必要である。

• 多方面に多用される小ねじ類についてのゆるみ試験も必要。そのための試みについて紹介した。