機械設計においてボルトを使用する場合、ねじ自体の強度だけでなく、作業性などその他の要素も含めて検討しなければいけません。

今回は、そんなボルトを使用する際に、設計者が気を付けておくべき注意点を7つピックアップしてご紹介します。ボルト使用時のトラブルを防ぎたい方は、ぜひこの記事を読んでチェックしてみてください。

注意点①：ボルトがせん断力を受けないようにする

ボルトには引張強度が保証されていますが、せん断強度は保証されていません。そのため、変動荷重や繰り返し荷重が加わるような厳しい使用条件では、ボルトがせん断力を受けないように設計しましょう。

ボルトがせん断力を受けたとき、締め付けの摩擦力によって抵抗しますが、摩擦力が負けるとねじ部にせん断力がかかります。そうなると、切り欠き効果※による応力集中でボルトが破断する危険性が高くなります。

対策の1つは、せん断力に対して強度の高いリーマボルトを使用すること。他にも、位置が決まった後にピンを打ち込んだり、シャーブロックを溶接したりして、ボルト以外でせん断力を受ける方法があります（下図参照）。

※切り欠き効果とは、断面が急激に変化する部分において、局部的に大きな応力が発生すること。切り欠きや溝、段などに変動荷重や繰り返し荷重がかかると、この部分から亀裂が発生し破断に至る事例は多い。

注意点②：ボルトサイズの種類を少なくする

ボルトを使用する際は、できるだけサイズを統一するか少なくしましょう。それによって加工効率や組立効率が向上するからです。

たとえば以下の左図のように、M4・M5・M6のボルトを使い分けるのではなく、右図のようにM5だけに統一すれば工具を交換する手間を省けます。

特に加工に関しては、下穴・タップ加工という2工程を経ることが多いので、加工効率の改善に大きく影響します。

注意点③：共締め構造を避ける

共締め構造（3つ以上の部品を1本のボルトで締結すること）は避けてください。なぜなら、手前の部品だけを外したいときでも、本来外さなくていい部品まで外れてしまうためです。

共締め構造にすると作業性が悪くなるだけでなく、位置調整が必要な部品が混ざっている場合、再度調整し直さなくてはいけなくなります。たとえば下図のように、取付板・リミットスイッチ・カバーを共締めするような場合です。

応急対応が必要な場合や、各部品を必ず同時に外すような場合を除き、共締め構造は採用しないようにしましょう。

注意点④：組立をイメージしてボルトの配置を決める

ボルトを使用する際は、組立をイメージして配置を決めましょう。そうすることで、ボルトが入らないなどの設計ミスを防ぎやすくなります。

CAD上でボルトを締めた後の状態を作図する人は多いですが、ボルトの抜き差しや工具の取り回しなども考慮しておかなければいけません。ついつい忘れがちなことなので、注意しておきましょう（下図参照）。

注意点⑤：上からボルトを締められるようにする

ボルトは、上から締められるほうが作業性に優れるため、極力そのような構造にしましょう。また部品を分解しないといけなくなった際に、不要な部品まで外す必要があります。

たとえば以下の左図のように、プレートを外さないと上の部品が取れないような構造は避けて、右図のようにするのをおすすめします。

注意点⑥：ボルトと被締結部品の材質は同じにする

温度変化が激しい使用条件では、ボルトと被締結部品の材質を同じにしましょう。ボルトの材質が鉄系で、被締結部品の材質がアルミニウムやステンレスの場合、熱膨張係数の違いにより緩みが発生するためです。

たとえば、被締結部品がアルミニウムだとすると、高温が加わったときに鉄系のボルトより約2倍伸びることになります（※下記の熱膨張係数の表より）。

それによって、締結時よりも座面に大きな圧縮荷重がかかるため、温度が下がったときに隙間ができてボルトが緩んでしまいます。

したがって温度変化が激しい使用条件（熱を発生する機械装置の近くにある、直射日光が当たるなどの環境）では、ボルトと被締結部品の材質を同じにしたほうがいいでしょう。

材質	熱膨張係数
鉄	11.7
アルミニウム	23.8
SUS304	17.3

注意点⑦：軟らかい材料にタップ加工を施さない

樹脂などの軟らかい材料には、タップ加工を施さないようにしましょう。ボルトを脱着する際に、ねじ山がつぶれてしまう可能性が高いためです。

また樹脂だけでなくアルミニウムの場合も、強い締め付けが必要だったり、何度も取り外して使ったりするのであれば、タップ加工を行うのは避けたほうがいいでしょう。

たとえば、軟らかい材料の部品と硬い材料の部品を締結する場合などは、硬い材料のほうにタップ加工を施してください（下図参照）。

しかし、軟らかい材料のほうにタップ加工しないといけない状況もあると思います。そのような場合は、「ねじインサート」を使うといいでしょう。

ねじインサートとは、材料に埋め込んで使うコイル状の部品のことです。これによって、軟らかい材料にも強度のあるめねじを作ることができます（下図参照）。

なお、ねじインサートは「E-サート」や「ヘリサート」などと呼ばれることもあります。

出典：株式会社インサート

まとめ

ボルト締結体を設計する際の注意点はいくつかありますが、その中でも特に重要だと思うポイントを厳選して紹介しました。もし初めて知った項目があれば、ぜひこの機会に覚えてみてください。

今回紹介した内容が、ご参考になりましたら幸いです。

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