ボルトトルク計算機 - 正確な締結具トルク仕様

ボルト締付けトルク計算機は、目標締付け力に達するために必要なボルトの締付けトルクを推定します。ボルトの径、ねじピッチ、材質、強度区分を使って、ニュートンメートル（Nm）単位のトルク値を算出します。

ボルトのトルクの仕組み

レンチでボルトを回すと、回転力であるトルクが加わります。その大部分は摩擦に打ち勝つために使われます。摩擦はねじ部にも生じますが、ボルト頭部の下面ではさらに大きくなります。トルクのうち、ボルトをばねのようにわずかに伸ばし、接合部を締め付けて保持する締付け力を生じさせるのはごく一部です。この締付け力は、予荷重または張力と呼ばれます。トルクの大半が摩擦で失われるため、ボルトの表面状態や潤滑の有無によって、一定のトルクから生じる締付け力は変わります。

ボルトのトルクの計算方法

標準的なトルク・張力式は次のとおりです。

T = K × D × F

• T — トルク（ニュートンメートル（Nm））
• K — トルク係数。材質と潤滑によって決まる摩擦係数
• D — ボルトの呼び径（メートル）
• F — 締付け荷重（予荷重）（ニュートン（N））

径はミリメートルではなくメートルで指定します。この式では、10 mmのボルトは0.01 mとして入力します。ミリメートルをそのまま使うと、トルクは1,000倍も大きくなります。

トルク係数（K）

トルク係数は摩擦を表します。Kが小さいほど、摩擦で失われるトルクが少なくなり、より多くが締付け力になります。Kとして一般に仮定される値は0.2ですが、実際の値は摩擦によって変わります。NASAのファスナー設計マニュアルは、0.2を無批判に使うべきではないと警告し、鋼同士では約0.15のほうが現実的な標準値だとしています。公表されているトルク・張力表では、乾燥したボルトにK = 0.20、潤滑したボルトに0.15が使われています。この計算機もその区分に従います。「乾燥」とは、油、グリース、ワックスを使わずに取り付けたボルトを指します。既定の設定は乾燥した鋼で、K = 0.20です。潤滑した鋼には、NASAの標準値である0.15を使います。この計算機は次の値を使います。

締付け荷重（F）

締付け荷重とは、締め付けたボルトが接合部に及ぼす軸方向の力です。この計算機は、目標締付け荷重をボルトの保証荷重の75%に設定します。これは、分解して再組立てする可能性のある接合部でよく使われる目標値です。

F = 0.75 × Sp × As

Spは、ボルトの強度区分における最小保証荷重応力で、ISO 898-1規格で定められています。Asは引張応力断面積、つまり荷重を担うねじ軸部の有効な断面積です。

As = (π/4) × (d − 0.9382 × P)²

ここで、dは呼び径、Pはねじピッチで、いずれもミリメートル単位です。ねじ山によって材料が削り取られるため、Asはねじのない軸部の断面積より小さくなります。

強度区分ごとの保証荷重応力：

この計算機では、材質と強度区分を別々に設定します。「ステンレス鋼」を選択しても、選択できる強度区分が変わったり制限されたりすることはありません。上記の5つの区分は材質にかかわらず適用されます。

計算例

鋼製M10ボルトを例にします。呼び径は10 mm、ねじピッチは1.5 mm、強度区分は8.8で、乾燥状態で締め付けるものとします。

1. 引張応力断面積：As = (π/4) × (10 − 0.9382 × 1.5)² ≈ 57.99 mm²
2. 保証荷重応力：径が16 mm以下なので、Sp = 580 MPa
3. 締付け荷重：F = 0.75 × 580 × 57.99 ≈ 25,225 N
4. トルク：T = 0.20 × 0.01 × 25,225 ≈ 50.45 Nm

同じボルトを乾燥状態ではなく潤滑して使用する場合（K = 0.15）、必要なトルクは約37.84 Nmで、約4分の1小さくなります。潤滑により摩擦が低下するため、トルクの無駄が減り、締付け力になる割合が増えます。

クイックリファレンス：鋼製ボルト、強度区分8.8

標準の並目ねじピッチ、75%予荷重での概算トルクです。これらの値は、乾燥時にK = 0.20、潤滑時に0.15を用いる公表されているISO 898-1のトルク・張力表とほぼ一致します。

これらの数値は、強度区分8.8および予荷重目標75%を前提としています。強度区分、材質、または予荷重が異なると結果も変わるため、正確な値には上記の計算機を使用してください。

コードでトルクを計算する

1def bolt_torque(diameter_mm, torque_coefficient, tension_n):
2    diameter_m = diameter_mm / 1000  # convert mm to m
3    return round(torque_coefficient * diameter_m * tension_n, 2)
4
5torque = bolt_torque(10, 0.20, 25225)
6# 50.45
7

径はKとFを掛ける前に1000で割る必要があります。この手順を省くと、トルクは1,000倍も大きくなります。

計算機の前提条件

• 室温、およそ20-25°C
• 適切にかみ合った、清浄で損傷のないねじ
• ボルトの保証荷重の75%を目標予荷重とする
• 大きな振動や熱サイクルにさらされない静的な接合部

この計算機は、3 mmから36 mmまでの呼び径に対応しています。破損によってけがや重大な損害が生じる可能性のある接合部（圧力容器、構造用鋼材、航空宇宙部品など）では、メーカーのトルク仕様または関連する工学規格を使用してください。実際の接合部には、ガスケットの圧縮、熱膨張、個々の締結部品間の摩擦のばらつきなど、一般式では考慮できない要因があります。

よくある質問

ボルト締付けトルク計算機とは何ですか？

ボルトを目標締付け力に達させるために必要な締付けトルクを、ニュートンメートル単位で推定するツールです。ボルトの径、ねじピッチ、材質、強度区分を入力として使用します。

ボルトのトルクを手計算するにはどうすればよいですか？

Dをメートル単位として、T = K × D × Fを使用します。Kは、ボルトの材質と潤滑状態に対応するトルク係数表から求めます。Fはボルトの強度区分と引張応力断面積から求め、再使用する接合部では通常、保証荷重の75%に設定します。

ボルトを過大なトルクで締めるとどうなりますか？

弾性限度を超えて伸びたり、ねじ山がつぶれたり、破断したりする可能性があります。アルミニウムのねじ山は特につぶれやすい傾向があります。過大なトルクで締めると、ボルトが降伏点に近い状態で使用されるため、疲労寿命も短くなり、使用中の追加荷重に対する余裕が小さくなります。

ボルトの締付けトルクが不足するとどうなりますか？

振動によって接合部が緩んだり、ガスケットを圧縮している場合は漏れが生じたり、横方向の荷重によって部品がずれたりする可能性があります。締付けトルクが不足したボルトは、繰り返し応力を吸収する通常の締付け力が小さいため、応力サイクルの繰り返しによって亀裂が生じる可能性も高くなります。

潤滑によってボルトに必要なトルクは変わりますか？

はい。潤滑により摩擦が減り、トルク係数が低下するため、加えたトルクの損失が少なくなり、締付け力に変換される割合が増えます。同じ締付け荷重に達するために、潤滑した鋼製ボルトに必要なトルクは、通常、乾燥状態の同じボルトより約25%小さくなります。

ボルトにおけるトルクと張力の違いは何ですか？

トルクは、レンチで加えるねじり力です。張力は予荷重とも呼ばれ、ボルト内部に生じる伸びであり、締付け力を発生させます。両者は摩擦によって関連するため、同じトルク値でも、潤滑や表面状態によって生じる張力は異なります。

この計算機はステンレス鋼製ボルトにも使用できますか？

はい。この計算機では、ステンレス鋼に対して乾燥時は0.22、潤滑時は0.17という固有の係数を使用します。いずれも普通鋼より高い値です。ステンレス鋼は滑りにくく、摩擦によるねじの焼付きが生じやすいためです。ステンレス鋼同士の接合部では、焼付き防止剤を使用してこれを防ぐのが一般的です。

参考文献

1. NASAルイス研究センター。Fastener Design Manual（NASA参考刊行物 1228）。Fastener Design Manual — 略式のトルク式 T = KFd と、一般に仮定されるK値0.2。
2. Fastenalエンジニアリング。Torque-Tension Relationship ISO 898-1 Property Class 4.6, 8.8, 10.9 & 12.9, Metric Coarse Thread。トルク・張力表（PDF） — 保証荷重の75%の締付け荷重、乾燥時K = 0.20・潤滑時0.15、およびクイックリファレンス表のトルク値。