ホイール取付用ボルトの長さ

Question

欧州車（ＭＬ２７０）に乗ってます（従って、ホイール取付はナットでなくボルトです）

社外ホイールにて、ホイール表からホイール取付用ボルトをボルト穴に指したところ、ホイ－ル裏面から飛び出したボルトの長さは１５ｍｍになりました。
ちなみに純正ホィールでは、同長は２１ｍｍです。

よって、車体側にネジ込まれるボルトの長さは１５ｍｍ→２１となり（６ｍｍのスペーサーを噛ませた感じ）ます。
これは安全上問題ないと思われますか？

ちなみに車体側のネジ穴の（ネジ切り部）深さは２cmでした

noname#12265 · Accepted Answer

ご質問頂いたので再度回答です。

>実際にはネジの掛かり部＝１５ｍｍ程度の
>車ってあるのでしょうか？

　あるかないか、はマジメにネジの計算をすれば判ります。
　しかし、正直なところ結構面倒臭いし・・・ザックリ・アバウトに計算してみました。（あくまでもザックリ、ですよ。これを読んでいる工学系の学生さんがいたら、正確に計算し直してみてください。）
　ボルト強度を１０T程度と想定すると、相手（メネジ側）の材質の引張強さがだいたい３０～５kgf/mm^2程度あればかみ合い長さ１５mmでも大丈夫そぅ、という結果となりました・・・メネジが切られているフランジは、恐らく鋳鋼ではないかと思われますが、鋳鉄で引張３０キロオーバーの材質は結構高性能な部類です。果たしてこんな材料を使ってるかな～とゆぅ気もします。
　というワケで計算結果からすると、ハブ側にメネジを立て込んだ構造では、かみ合い長さが１５mmのクルマは無いだろうと思われます。（勿論、メネジ側がナットなら、この限りではありません。ホイール用ナットならこの倍の引張強さを持つ材質が使われています。）

>例えば、ネジ噛み時の緩みやすさが、
>2ｃｍ時１００とすると、
>１．５ｃｍ時は倍増して２００になるとか・・ 

　緩みに関しては、締付後の初期緩みを考えなければ基本的には軸力に比例するだけです。ネジの緩み難さが正確に軸力に比例するなら、軸力が減った分緩み易くなる事になりますが、ネジの実際の使用条件が判らないので、どの程度緩み易いか数値で言い当てるのは（ワタシのネジ設計技術では）難しいです。
　勿論、かみ合い長さが短くても、ノーマルと同様の軸力が出せたら全く問題無い事になりますが、そこまで締めるのは強度的にやや冒険だ、という事は上述の計算結果が示しています。
　更に考えると・・・そもそもノーマルと同じ軸力が必要か？という疑問に行きつきますが、これは前述致しました通り、ネジの使用条件が判らないのでこれ以上精密な検討は出来ません。（経験上は、実は１５mmもかかってればOKなんじゃないかという気はします。但し、緩みのチェックを時々するのは勿論、上記の計算でメネジ側が思った以上に弱い事が判ったので、オーバートルクにも注意しなければならないでしょう。）

　ハギレの悪い結論となってしまいましたが、最後に２点ほど。

>表面積が大きい分、摩擦係数的も大きい
>（緩みにくい）のでしょうかね。

　ネジの座面の面積は、摩擦力とは関係ありません。
　高校辺り？で習ったと思いますが、摩擦力の式はF＝μWです（モジバケしないかな？ミュー×Ｗです）。摩擦力は摩擦係数と荷重に比例するだけで、接触面積は関係ありません。
　座面の摩擦力によるネジの緩み難さは、接触面積ではなく接触円の半径に依存しています。（ネジの頭の外周付近で摩擦力を出している形状なら、ネジの戻り回転に対しより大きな抵抗力となるワケです。）

>ネジの専門化さんでしょうか？

　残念ながらネジ屋ではありません。（ワタシの知識程度では、ネジ屋にはなれません。）
　本職はクルマの設計屋（しかも専門はサスペンション）です。ホイールスタッドの設計はまさに守備範囲なので『専門家』とさせて頂きましたが・・・そぅいえばもぅ何年もやってませんねぇ～。（ホイールスタッドは十分な実績のある部品で、新型車の設計時に敢えて時間をかけて設計変更を加える必要があるモノではありません。普通は今まで使っていたネジをそのまま利用するだけです。）

adjective · Answer

>その理論では当方の車はＭ１４なので、１４ｘ０．７で７>ｍｍ スペーサーまで許容可能ということでしょうか。 
そうです。
でも実車はその値だけではなくて、純正ホイールとボルトの時の設定値が既にありますよね。
（元々の設定値）＋６mm＞7mm以上になる可能性があるのでアウトです。

これはゆるみでなくボルトの強度の話です。
ボルトがどこで破断するかと言うのを調べると、ネジがかかっている最初の谷部なんです。
ボルトのネジが切っていないところからネジが切ってあるところまでの長さをなるべく短くして、３ｍｍくらいに設定するのが教科書的な回答になります。
最大0.5dかな～といったところです。

強度部材の締結ボルトの設定は難しいんですよ～。
メーカーは適当に決めても試験ができるけどユーザーは
そうもいきませんので。
ＰＬ法は受けられなくなると思いますのでご注意を。

adjective · Answer

新幹線などでボルトがはずれた、橋ゲタのボルトが緩んでるなどよく問題になります。
機械設計でボルトはよく問題になります。

＞６ｍｍのスペーサーを噛ませた感じ
コレはあまり良くないです。私のねじの教科書には多くてスペーサーの許される量は0.5dまでとなっています。
Ｍ１２のボルトとすると、この時点で0.5x12=6以上あるので私ならもうこのボルトは使用しません。

といっても
＞実際にはネジの掛かり部＝１５ｍｍ程度の車ってあるの＞でしょうか？（そんなことまでは判らないですよね～） 
17ｍｍくらいならざらにありそうですね。
過去の実験データからするとloftybridge様のおっしゃるように４山くらいあればＯＫなんですね。ネジのピッチが1.5とすると６ｍｍもはまっていれば大丈夫。先端が不完全ネジ部としても９mmもはまっていれば大丈夫なはずです。
（なのですが、ボルト設計は基本的にナット部を貫通させます。その方が見た目にも安心なので。）

ネジが緩まないためにはネジの座面と、ホイール側の接触面の状態などが重要です。
ネジの座面がテーパーなってませんかね？
座面の摩擦係数の問題なのでネジ長さでは答えはでないような。
ボルトを探すときは長さだけでなく、座面の形状にも注意して下さいね。

noname#12265 · Answer

ホイールボルトもホイールナットもネジ理論の働きは同じで、要するに『ネジ部のかかりが短くなってしまうが大丈夫か？』という話です。
　結論としましては『キケンです』となるのですが、ホイールボルトに限らずネジ一般には誤解や思い込みが広まってしまっている様なので、具体的にナニがヤバいか述べておきましょう。 

　機械工学的には、実はネジの締付けメカニズムは完全に解明されているとは言えません。 
　ネジによる締付け構造は、ネジ自体にせん断力や曲げ力を持たせているワケではなく、あくまでも締付けたネジの軸力（＝締付けによって延ばされたネジが縮まろうとする力）で発生する、部品同士の摩擦力です。 
　ホイールナットの場合はテーパナットを使っておりネジにもモーレツな力がかかっている様に見えますが、それはあくまでもネジの軸方向の引っ張り力だけで、タイヤの回転方向の力と上下方向の力は、主にフランジ面（ホイール接触面）とホイール裏面の摩擦力が受け持っています。 

　ネジは主に引っ張り力を受ければよい、としますと、ネジ山のかかり長さに対する考え方が変ってきます。

１．実際に学会で、「ネジの軸力は最初の３ピッチ分で８０％を発生させている」とゆぅ論文が発表された事もあり、しかも経験上もこれで良い、とする例が無視出来ないほどあります。 

２．ホイールボルトの強度計算をしてみますと、乗用車では５本も必要ない、どころか４本すら高い安全率が見積もられている事が判ります。 
　自動車メーカーが設定する強度・耐久基準はかなりレベルが高いモノです。ホイールボルトが５本も付いていれば、普通の走り方をしている限り、各ボルトそれぞれは結構ラクをしている、とも言えます。 

３．かつて富士スピードウェイで開催されていた初代RX-7のワンメイク・レースでは、根本的な問題を抱えたRX-7の操縦性を多少でも改善すべく、ホイールスペーサを用いてトレッドをギリギリまで拡大する方法が常套手段として使われていました。 
　この時のホイールボルト（初代RX-7はホイールナットではなくドイツ車にありがちなホイールボルトでした）はまさに３ピッチしかかかっていませんでしたが、過激なサーキット走行で折損する事はありませんでした。 

・・・・以上の理論的・経験的検討から導き出される結論は、「３ピッチもかかってればオッケーなんじゃないか？」とゆぅ事ですが、ここで問題なのはネジのユルミです。 
　ネジは締付ける事により若干延び、それが戻ろうとする力がネジによる締付け構造の正体である、とゆぅ風な事を前述致しましたが、するとこのネジの軸力が失われる事がネジのユルミを生んでいるとゆぅ事になります。 

　そこでネジのユルミに逆らう力ですが、軸力＝ネジを強く押しつける力が失われて緩むのなら、ネジ部とネジ頭部（ホイールのネジの場合はテーパ面や球面）の摩擦力に依存している事が判ります。 
　ネジの軸力はネジ部、座面部（ホイールナットの場合はテーパ部）を、取り付けている部品に強く押しつけ、結果、莫大な摩擦力が発生してネジが戻り回転する事を防いでいるワケです。

　軸力は３ピッチで８０％を発生させているという理論があり、一方ホイールボルトは十分な本数が用意されているので１本当り８０％しか働いていなくても大丈夫かもしれませんが、しかし摩擦力も８０％でよいとは言えません。ユルミに対しては、ネジの必要摩擦力はビタ一文まけられません。 
　要するに締付け方向には３ピッチでヨイとしましても、ユルミに関しましては標準的な締付けより弱くなっている、と言えるワケです。 

　「強度的には持つだろうが、緩みに大しては明確に性能が低下している」というリスクをワザワザ背負う事はナンセンスです。やはりホイールボルトを長いモノに交換するべきでしょう。

masa009 · Answer

ノーマルホイールでは車軸側に２１ミリ呑み込み、今のホイールでは
それが１５ミリという事ですね。

ベンツやＢＭＷ等の欧州車はお話しの通り、ボルトタイプですのでネジ込み
具合は表から見えませんが、これを日本車方式に置き換えて考えると
ノーマルでは厚さ２０ミリのナット（仮定です）がネジ山一杯まで掛かって
いる状態（ナットの面＝ネジの頭）、それを今のに替えるとナットの面より
５ミリ奥まった所でネジの頭、、、、、、　これって危険に感じますよね。

おまけにＭＬ２７０は確か重量２トンの巨体です。
安全面では今の長さ＋５ミリのボルトに交換されるのをお勧めします。

ホイール取付用ボルトの長さ

ご質問頂いたので再度回答です。

>その理論では当方の車はＭ１４なので、１４ｘ０．７で７>ｍｍ スペーサーまで許容可能ということでしょうか。

新幹線などでボルトがはずれた、橋ゲタのボルトが緩んでるなどよく問題になります。

この回答への補足

ホイールボルトもホイールナットもネジ理論の働きは同じで、要するに『ネジ部のかかりが短くなってしまうが大丈夫か？』という話です。

この回答への補足

ノーマルホイールでは車軸側に２１ミリ呑み込み、今のホイールでは

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>その理論では当方の車はＭ１４なので、１４ｘ０．７で７>ｍｍスペーサーまで許容可能ということでしょうか。

　ホイールボルトもホイールナットもネジ理論の働きは同じで、要するに『ネジ部のかかりが短くなってしまうが大丈夫か？』という話です。