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ねじにはトルクと軸力の関係がありますよね。

詳しい式は省略しますが、小さめのボルトでも
かなり大きな軸力が出るようです。
(M6でも5000Nは余裕)

でも、5kNの軸力って500kgのものを
ボルトを回して持ち上げるのと同じですよね?

(例えば、中空にある丈夫な板に500kgの
 荷物を載せて、その下からM6のねじをきって
 M6のねじをまわせば持ち上がるはず)
 

あんな小さいもの(M6のねじ)が
500kgのものを
持ち上げることができるのでしょうか?

それとも考え方が間違ってますか?

gooドクター

A 回答 (7件)

No.4の回答の補足をします。



「ネジきり部分が壊れる」とは、ネジきり部分が過大な負荷で変形して動かなくなるの意味です。
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多少,強い材料のボルトを選択すれば,破断するまではいかないでしょう。

(下記HPのM6の項を参照してください。)

http://www.sunco.co.jp/fnet/data/8/8.html

ということで,質問者さんの考え方で,ほぼ,OKだと思います。
「余裕」というほどの余裕はありませんが・・・

500kgというのは,人間の感覚では,随分大きい重量ですが(多分,自分の体重や持ち上げられる程度の重量を中心に考え又は感じるからではないかと思われます。),金属材料のレベルでは,そんなに大きい重量ではありません。

通常M20程度のボルトを扱っている私の専門分野では,場合によっては,無視できる又は四捨五入で丸められる程度の重量です。

参考URL:http://www.sunco.co.jp/fnet/data/8/8.html
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軸力の計算は、摩擦係数の仮定や、ボルトの中での軸力の変化といった問題を含みますので、結構やっかいですね。



今手元に資料がないのできちんと検算できないのですが、M6で500kgfというのはあながち無理な数字とは思いません。
M6(並目)のボルトのピッチは1mmなので、例えばアーム長100mmの工具の先端を2kgfで押せば、仮想仕事の原理から
 2kgf×100mm×3.14÷1mm=600kgf
の力が得られることになります。(摩擦を無視した場合。)
SS400のM6ボルトだと耐力がギリギリ5000Nに届かないようなので、材質は選ぶ必要がありそうですが。(さもないとネジ部が変形して噛む。)
また、座屈という問題もあるので、あまり高くは押し上げられないでしょうね。
(「持ち上げられるか」という質問なので、安全性等については考慮しない回答をしていますので念のため。)

「締付けトルクの90%は摩擦に食われる」というのは、座面が母材に押しつけられてからの話なので、今回のご質問とはだいぶ設定が異なるでしょう。

「そのようなトルクを加えたら、ボルトの頭が飛ぶか工具が壊れる」といった回答もありましたが、軸力を真面目に管理した締付けでは、「軸力がわずかに塑性領域に踏み込むまで締結する」という方法(塑性域締付け)も行なわれているぐらいなので、そんなことは起こらないはずです。
(六角穴付きボルトだと、ちょっと苦しいかも知れませんが…ただの六角ボルトなら絶対大丈夫。)

なお、ボルトの破壊は、通常「頭が飛ぶ」という形で発生します。(応力が集中する箇所が別にあれば、その限りではないですが。)
ネジ部が剥離して、ボルトの芯だけ抜けてくる…というような破壊パターンは実際には見たことがありません。
これは、引張り/圧縮荷重が、ネジ部全体に掛かるためです。
…まあ、ネジ深さを1D以下にする(M6なら、板厚を6mm以下にする)ような異常な使い方をすれば、ボルトだか板だかのネジ部が先に壊れるかも知れませんが。

ちょっと検索してみたところ、「クランプ(シャコ万)」という類の製品で、外径22mmのボルトを手で締付けることで22kNの圧縮力を得る…というものがありました。
この荷重で安全に使えるということから考えて、多分特殊なピッチ/山型のボルトを使用しているとは思いますが、ご参考にはなるでしょう。

http://www.nabeya.co.jp/search.php?action=Detail …
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2段階で考えます。



(1)単に載せている500kの加重を支えることができるか?
ネジの場合、ネジに掛かる加重の働きは圧縮ではないです。
ネジは断面的には、内の円筒と外側のネジきり部分になります。
500kの加重は先ず、この外側のネジきり部分に掛かります。
この負荷が次に円筒に掛かるのですが、その際、負荷は円筒からネジきり部分をはく離的変形により、破壊する方向に働きます。
金属と言えど、はく離的負荷に対する抵抗力は、圧縮加重負荷と比べて桁違いに小さい筈です。
計算していないですが、載せて支えるだけでネジきり部分が壊れると考えます。

(2)次にボルトを回して持ち上げられるか?
ボルトを回して持ち上げるには、先ず、
摩擦に打勝ってネジを進めるる余計の力がかかります。
これは500kよりもかなり大きいです。比ではないと言った方いいです。
(No.1の方のリンク#1からの記述を下に引用しておきます。)
当然この力は、ネジに対する負荷の大幅な増大になります。
計算しなくてもこの段階では壊れると断言できそうです。


「締付けトルクのうち座部とねじ部の摩擦に90%とられ、軸力には10%しか寄与しない。」
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普通のM6六角ボルトをこの条件で回せばヘッドが飛びます。


ハイテンションのキャップボルトでは、工具の方がしなって回らないでしょう。

母材がSSだと思うので、こちらにも注意しています。

4~6点でM20なら125キロなので十分良いと思います。

もし、設計士を目指しているなら、
大きな間違いをしています。

転倒したら、死人が出るのは承知ですね?

設計士なら、20年の耐久を目指すべきです。
これなら車業界でも、どこでも通用します。

ねじれ荷重やせん断荷重表から、安全率4~9をかけ、設計安全率、1.5~2を掛け、1mm辺りの許容荷重は自分で計算しましょう。

ボルト使用本数と、モーメントで、
最大許容荷重と、4点にかかる各応力は計算しましょう。

工業高校レベルの要求をしているのであって、
クレーンの傾斜度やアーム長から、許容吊り上げ荷重を計算させたり、
主翼のリベット本数を計算させている訳ではありません。
(まあ、45度で1.4倍の荷重になるような単純計算ですし、アームが2倍伸びれば2倍重くなるだけだし。ボルトの計算と同じだから君なら出来るだろうけど。^^)
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軸力って言うと圧縮力だけど、ボルトにかかっている力は引っ張り力ですね。



>500kgのものを持ち上げることができるのでしょうか?
金属は圧縮よりも、引っ張りに強いので、下から持ち上げられるかどうか判りませんが(折れ曲がる可能性大)、上から引っ張ることは可能かもしれません。
M6の有効断面積を20mm^2とすると500kg引っ張るには単位面積荷重は25kg/mm・・・これぐらいなら楽勝と思う。
ただし、安価なねじや、へぼい取扱(斜めに引っ張るなど)だと応力集中で破断するかも?

自転車のスポークに使われている高張力鋼だと150~300kg/mmぐらいと聞いたことがあります。300kg/mmってミサイルの材料並と聞きました。
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ねじには角度がありあいまってこの軸力所以でジャッキが応用されています。




http://mori.nc-net.or.jp/EokpControl?tid=39563&e …

参考URL:http://www.kistler.co.jp/app/010/app1002.html
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