ボルト締付トルク計算機

ボルト締付トルク計算機は、ボルト接合部で目標とする初期張力（軸力）を発生させるために必要な締付トルクを推定します。メトリック Mシリーズまたはインペリアル UN ボルト、ISO/SAE/ASTM 強固区分、および摩擦・潤滑条件を選択するだけで、推奨トルク、初期張力、降伏余裕、および各エネルギー（ネジ山リード、ネジ山摩擦、座面摩擦）がどのように分配されるかを即座に算出します。

このボルト締付トルク計算機の使い方

1. 単位系を選択します。メトリック（mm、N·m）またはインペリアル（インチ、TPI、lb·ft）を使用できます。
2. 標準リストからボルトサイズを選択するか、「カスタム」を選択して独自の呼び径とピッチ（または TPI）を入力します。
3. ボルトの強固区分を選択します。ISO 898-1 の 4.6 から 12.9 はほとんどのメトリックボルトをカバーします。インペリアルやステンレスのオプションには SAE 強固区分 2/5/8、ASTM A325、A490、およびステンレス A2-70/A4-80 が含まれます。
4. 使用するハードウェアに最も近い潤滑プリセットを選択します：乾燥、油付着、モリブデン、焼き付き防止、亜鉛メッキ、カドミウム、亜鉛、黒染め、PTFE、またはステンレス乾燥。測定値がある場合は「カスタム μ」を選択します。
5. 初期張力率を設定します。業界の標準的な目標値は保証荷重の 75% です。
6. 「計算する」をクリックします。推奨トルク、簡易式の Kファクターによる推定値、およびトルク配分バーが表示され、エネルギーがどこで消費されているかを確認できます。

この電卓の特徴

ボルトトルクの計算式

簡易式は、多くの技術者のチートシートに記載されている式です：

\[ T = K \cdot F \cdot d \]

ここで、\(T\) は適用されるトルク、\(K\) はすべての摩擦を1つの数値にまとめた実験的な「ナット係数」、\(F\) は希望する軸力（初期張力）、\(d\) はボルトの呼び径です。

VDI 2230 詳細式は、トルクを物理的に異なる3つの寄与に分割します：

\[ T = F \left( \dfrac{P}{2\pi} + \dfrac{\mu_t \, d_2}{2 \cos 30^\circ} + \dfrac{\mu_b \, D_{km}}{2} \right) \ ]

最初の項 \(P/(2\pi)\) はネジリードであり、ボルトを実際に伸ばす唯一の成分です。第2項はネジ山摩擦で、ピッチ円直径 \(d_2\) とネジ山のフランク角によってスケールされます。第3項は座面摩擦で、座面平均径 \(D_{km}\) と座面摩擦係数 \(\mu_b\) によってスケールされます。一般的な M10 8.8 ボルト（K ≈ 0.20）では、これら3つの項の比率は約 10% / 40% / 50% となります。

有効断面積

ISO/UN 60度ネジの場合、有効断面積 \(A_s\) は、メトリック（直径 \(d\) とピッチ \(P\) が mm 単位）では \( A_s = \dfrac{\pi}{4}(d - 0.9382 P)^2 \)、インペリアル（\(n\) は1インチあたりの山数）では \( A_s = \dfrac{\pi}{4}(d - 0.9743/n)^2 \) で与えられます。軸力は \(F = (\%\text{Sp}) \cdot S_p \cdot A_s\) となります（\(S_p\) は強固区分の保証応力）。

Kファクター（ナット係数）リファレンス

ISO 898-1 ボルト強固区分

推奨初期張力率

• 50–60% — 非決定的な箇所、またはシール専用の接合部（オイルパン、薄いガスケットなど）。過剰な荷重が座面を損傷する恐れがある場合。
• 70–75% — 延性降伏を伴う接合部の標準的な目標値。Bickford や Shigley の設計ガイドラインで推奨されています。
• 80–90% — トルク角度法やボルト伸び測定によって締め付けられる重要な接合部（シリンダーヘッド、構造用継手）。より正確な摩擦管理が必要です。
• 90%以上 — 1回限りの使用を想定したボルト（塑性域締め）。分解するたびにボルトを交換する必要があります。

計算例

M10 × 1.5 強固区分 8.8 ボルト、軽油付着、目標初期張力 75% の場合：

• 有効断面積 \(A_s = \pi/4 \cdot (10 - 0.9382 \times 1.5)^2 \approx 58.0\) mm²。
• ピッチ円直径 \(d_2 = 10 - 0.6495 \times 1.5 \approx 9.03\) mm、座面平均径 \(D_{km} \approx 1.4 \times 10 = 14\) mm。
• 保証応力 \(S_p\) = 600 MPa、目標軸力 \(F = 0.75 \times 600 \times 58.0 \approx 26{,}100\) N ≈ 26.1 kN。
• 簡易式：\(T = 0.15 \times 26{,}100 \times 10 = 39{,}150\) N·mm ≈ 39 N·m。
• VDI 2230：リード項 ≈ 6.2、ネジ山摩擦項 ≈ 16.3、座面摩擦項 ≈ 21.9 N·m → 合計 ≈ 44 N·m。
• 2つの手法の結果は 15% 以内で一致しており、これは一括 Kファクター近似における典型的な差異です。

よくある質問

ボルトの締付トルクはどのように計算されますか？
主に2つの方法が使用されます。簡易式の T = K · F · d は、ナット係数 K（通常 0.10〜0.30）に希望する初期張力 F と呼び径 d を乗じます。詳細な VDI 2230 法は、トルクをネジリード、ネジ山摩擦、座面摩擦の3つの項に分割します。この電卓は両方を表示し、比較できるようにしています。

推奨される初期張力率は？
標準的な目標は保証荷重の 75% です。これは接合部をしっかりと固定するのに十分であり、かつ降伏点に対して適切な安全マージンを持たせた数値です。重要箇所の角度法締めなどでは 85-90% まで高めることもあります。

なぜ潤滑によってトルクがこれほど変わるのですか？
通常のボルトでは、トルクの約 50% が座面摩擦、40% がネジ山摩擦に消費され、ボルトの伸長に使われるのはわずか 10% です。潤滑によって摩擦を半分にすると、同じ軸力を得るのに必要なトルクは約 40% 減少します。そのため乾燥ボルトと潤滑ボルトではトルクを分ける必要があります。

Kファクター（ナット係数）とは何ですか？
K は T = K · F · d で使用される実験的な一括摩擦係数です。代表値：乾燥 0.20、軽油 0.15、モリブデン 0.10、ステンレス（乾燥）0.30 など。K はあくまで近似値です。

新品のボルト用ですか、再利用用ですか？
計算は、洗浄済みで損傷のない良好な状態のネジ山を想定しています。再利用ボルトはネジ山にかじりや汚れがあることが多く、摩擦が予測不能に増大するため、重要な箇所では新品への交換が推奨されます。

細目ネジにも対応していますか？
プリセットは並目ネジを使用しています。細目（UNF や ISO 細目）の場合は「カスタム」を選択し、実際の直径とピッチを入力してください。計算式自体は 60 度ネジであれば細目でも有効です。

「トルク角度法」締め付けとは何ですか？
重要な接合部で、まず低い「着座」トルクまで締め、そこから指定された角度だけ回す方法です。これにより摩擦の不確実性を排除し、角度によって直接ボルトの伸び（＝初期張力）を制御できます。現代のエンジンのシリンダーヘッドボルトなどで標準的です。