高力ボルトによる摩擦接合部の振動試験について

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(1)Title. 高力ボルトによる摩擦接合部の振動試験について. Author(s). 井上, 平治. Citation. 北海道教育大学紀要. 第二部. A, 数学・物理学・化学・工学編, 25(2) : 67-78. Issue Date. 1975-02. URL. http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/5983. Rights. Hokkaido University of Education.

(2) . 北海道教育大学紀要（第２部Ａ）第２５巻第２号昭和５０年２月. ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｏｋｋａｉｄｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｉｏｎ（ＳｃｅｎｃｅＡ）Ｖｏｌ，２５Ｎｏ，２Ｆｅｂｒｕａｒｙｌ９７５. 高力ボルトによる摩擦接合部の振動試験について井上治平，北海道教育大学函館分校機械工学研究室. ＶｉｂｒａｔｉｏｎＴｅｓｔｏｆＨｉｇｈ‐ＴｅｎｓｉｏｎＢｏｌｔＪｏｉｎｔｓＨｅｉｉＩＮＯＵＢｉＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭ【ｅｃｈａｎｉｉｉｎｇｃａＩＥｎｇｎｅｅｒｌｅＢｒａｉｄｏＵｎｉｖｅｒｓＩｉｃｈＨｏｋｋａｔｙｏｆＥｄ血盟ｔ，ＨａｋｏｄａｔｉｏｎＡｂｓｔｒａｃｔｌｋｎｏｗｔｈａｔｏｎｌｙｔｈｅｃｒｅｅｖａｌｕｅｏｎｔｈｉｃｌｐｅｓｔａｔａｏｄａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｆａｔｉｇｕｅｉｅｘｐｅｒｍｅｎｔｏｎｔｈｅｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｉｎｔｈｅｌｏｎｉｇｔｕｄｉｎａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｉｈｉｔｔｆｅｘｅｎｅｉｈ－ｉｔｐｒｍｅｎｏｈｅｎｓｔｊｉｔｏｎｂｌ. ｇ. ｏ. ｏｎｓ．. ｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｅｃａｎｎｏｔｄｉｓｒｅｇａｒｄｔｈｅｍｏｍｅｎｔｏｎｔｈｅｊｏｉｔ・ｎｓ．. ＷｅｓｈｏｕｌｄｔａｋｅｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎａｌｍｏｍｅｎｔＳｏｔｈｉｓｅｘｉｄｔｉｅｒｍｅｎｄｗａｓｍａｐｅ，ｎｏｒｅｒｔｏｅｘａｍｉｎｅ，ｉｆｗｅｃａｎａｓｃｅｒｔａｉｎ，ｂｙｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｈｌｔｅｏｏｓｅｎｉｎｇａｔｔｈｅｊｏｉｎｔｗｈｉ，ｃｈｈｓｂａ. ｄｉｌｎｏｗ．ｌｓｒｅｇａｒｄｅｄｔｉ. ｅｅｎ. ＴｈｉｉｓｍｅｔｈｏｄｉｔａｂｌｅｔｏｑａｓｍｏｒｅｐｒｏｆｔｃｈｓｉｇｈｔｏｆｓｗｉｆｔｌｙｂｅｃａｕｓｅｈｆｈｆＢｉｏｇｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｕｔｗｈｅｎｔｅｓｔｉｎｇｆｏｒａｌｏｎｇｔｉｍｅｆａｔｉｇｕｅ，ｃｏｍｅｓｏｕｔｏｆａｐａｒｔｂｅｓｉｄｅｓ. ｌｔｊｏｉｎｔｔｈｅｂｏｓ．. １高力ボルト摩擦接手は，. 緒. 言. 従来のリベット継手が主として，. リベットのせん断力とリベット穴. の支圧によって力を伝達するのに対し，継手板を高力ボルトによって強力に締め付け継手板相，互間の摩擦によって力を伝達する．. したがってリベット継手にくらべて，継手板円孔緑の応力集中が緩和され継手の疲れ強さが，向上するとともに，施工にあたってリベット打ち作業という高度の熟練を要する作業が不要になり，さらに市街地工事などの騒音の問題もなくなるなどの利点がある，このような関係で最近，，鋼構造物の継手として，高力ボルト摩擦継手が多くの個所で用いられその設計施工指針のもつ，くられている．これらは試験片のボルト締め付け後，放置しておいて一定時間の経過後測定し，て求められる静的すべり荷重値を基礎にしており，また長手方向の引張りおよび圧縮に・よる疲労試験結果を考慮しているにとどまっている．. 実際のトラスでは，計算上の仮定である接合点におけるモーメント無視はなりたたずしたが，って曲げ方向，回転方向の運動，力をも考慮する必要がある．ここで示す実験は，従来顧みられなかった接合部の回転のゆるみを振動試験によて確かめっ，得るかどうかを検討するために行なったものである．. （７）.

(3) . ・井. ６８. ２. 上. 平. 治. 摩擦接合ボルトのゆるみとすべり荷重の関係. ２－１ゆるみ（ボルトの軸力低下）の原因すでに多くの人によって指摘されているように，継手に引張荷重が作用するときのポアソソ. 比による板厚減少と，表面凹凸の擦過によってボルト軸力が低下する，. ねじ部相対回転によるゆるみは，長手方向の引張り，圧縮荷重を加えることによっては，現われないと言われているが，接合点のまわりのモーメントの大きさや接合部の構造によっては，生ずる可能性もあるのではないかという点から，考察を進めてゆくことにする，２ー２長手方向引張りによるすべりとゆるみの関係. 第１図において，摩擦面④または⑥の一方がべすり，同時に①で相対回転を起こすには， ⑨，. ⑨， ⑥， ⑦ のうち一つが摩擦に抗して相対回転を行なうことが条件である，この相対回転は摩擦力分布の軸非対称によって現われるはずであるが，. その値は現実的には微小なトルク値にすぎず，多くの実験者が認めているように，この種のゆるみはまれにしか現われないかもしれない．. したがって，板厚の減少や板表面の摩滅・摩耗によるボルト軸力低下が主な現象と考えるべき. 第. ，. １. 図. である，. ２ー３曲げによるすべりとゆるみの関係第１図において，上に凸になった場合を考えると， ④ですべって， ②または③で相対回転が生ずるならば，ナット座面からナットに対してゆるめトルクが働くことになる．この場合にも，摩擦. 力分布の軌非対称が顕著なときに限られるであろう．. したがって，板表面の摩滅・摩耗によるポル. ト軸力低下が，ゆるみの主要因になるものと考え. ー. ；. られる．. ２冊４回転（ねじり）によるすべりとゆるみの関係. 第. ２. 図. この場合は次の二つの結合法に分けて考察する．. （１）添え板が片側のみにある場合. 第２図において，各摩擦面の摩擦トルクを摩擦面番号ｉを添え字に用いてＴｉと現わし，さらにねじ部①ではゆるめる場合に第２添え字としてＬ，締める場合にＦをつけると，摩擦面①と④ とがすべるための条件は，. （８）.

(4) . 高圧ボルトによる摩擦接合部の振動局ボルトによる試験について、口。の動試験について. ６９. Ｔ，Ｌ＜Ｔ２，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ６このときにはナットがその座面からの伝達トルクによって，ゆるみ方向の回転を行なう，一方. これと反対向きに， ①， ④ がすべるためには，Ｔ，Ｌの代りにＴｍがＴ２，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ６よりも小さくならなければならない，だが，ゆるめトルクよりも締め付けトルクの方が大きい．すなわち，ね. じ有効径をｄｅ，. ねじリード角を β ，ボルト軸力をＰ，ねじ面摩擦角をｐとして，ｄｄＴ，ＰＰｔ（くｔ＝２一β ｅ２ β （Ｐ十）＝Ｔ，ｅ／ａｎｐ）／ａｎＬＦ. であるから締まる方向の回転を生ぜしめる条件は厳しくなる，したがって，両振りねじりモーメソ，トが結合部に加わっても，上の不等式だけが成立するとすれば，ねじの回転によるゆるみが非可逆的に進行してゆくはずである，（２）添え板が両側にある場合第３図から容易に判断されるように，摩擦面. ①， ④， ⑤ がすべる場合に，ねじ回転のゆるみを起こしうるが，構造的には， ④， ⑥ での回転角に. ・. １. ２３. ４. 相違があるとき以外は，ボルトとナットは同位相になるので，ねじ部①での相対回転を生じえない．. したがって，ねじのゆるみはほとんど起ら. ず，局部すべりにもとづく摩擦表面状態の摩滅などによって現われるボルト軸力の低下が，主たる. １. ７. ６. 現象と考えられる．. 各摩擦面における摩擦トルクの推定計算. 第. ねじ部Ｔ仏ネ. ｄ ′－β）ザｔａｎ（ｐ. Ｔ… ＊. ￥ｔａｎ（〆＋の. ナット座面・座金間. ＴＦＦ. ‐. Ｐ. ｆ. ‐ ｉ－ｄ２）ｙｆず（Ｄ …. ｐ（誓子. “ｒ２ｄｒ. 如. ２. 座金・板材間. Ｔ３ニメ. 鼠. Ｄ. Ｐ. ｒヨキメｄテの２４. ）（ｐ！ず４. ＊．. ２. ｔａｎｐ. ｔｓｃｈｅｒの仮説を用いて）板材間（Ｒ６. Ｔ坪. 旨〕／才 ÷ 趣，－. . （９）. ３. 図.

(5) . 井. ７０. 上. 平. 治. ボルト頭部・座金間Ｔ７＝Ｔ２. Ｐ＝ボルト軸力. ‐ １〆摩擦角Ｐ＝ｔａｎｏ） ′ １〆（〆／ｃｏｓ３ｏ ” ｐ＝ｔａｎ. ｏ）タニねじの進み角（ネ３，５ｄｅ. ＝ねじ有効径. ｄｏ. ＝板材の孔径. ＤＩ＝ナット・ボルト頭部の座金外径Ｄ，ｄ＝座金の外径ｏ内径ｔＩ＝板材の厚さ. したがって，各摩擦面における摩擦トルク. の大小関係は，おおよそ次のようになる，Ｔ４＞・Ｔ３＞（Ｔ２ＬＦ）＞ＴＩ，Ｔ，. ３振動試験法と結果及び考察３ー１. 試. 験. 法. 実験装置の全体を第４図に示す．接合試験片寸法，使用ボルト，ナット，座金は第５図，な. らびに第６図のとおりである．. 第７図（ａ）のように加振機可動部にボルト接合試験片を片持梁のような形で取り付けて，全体の系の第２次固有振動数近くで加振し，自由端に取り付けた加速度ピックアップで加速度全振. 幅の，時間的経過を測定したが，加振力の小さい範囲ではほとんど変化をみせず，すべり限界値を超える加振力では急激に変化した．このような試験では加振力のステップの取り方と加振時. 間の取り方によっては，非常に長い試験時間と多数の試験片を要するので，この方式を止めて２次の固有振動数で加振部の加速度全振幅を１ＯＧにして自由端部の加速度全振幅を測定したのち，加振周波数だけを徐々に下げて加振力を上昇させながら，２ヵ所の応答とすべり現象を観察し，再度，元の周波数まで上げて，その時の応答を調べて加振実験を終える方式とした．加振実. 験後，試験片におけるボルトのゆるめトルクを測定して，ねじのゆるみ現象が起こったか否かを判定した．３－２曲げ振動試験ｏｏｋｇ‐ｃｍから５００ｋｇ‐ｃｍまでの５この場合は加振部側のねじ接合部（Ａ）の締め付けトルクをｌ段階に変えて，振動試験を行ない，第１表に示す結果を得た．顕著に現われる固有振動数は，第８０／５０５０／図（ｂ）の１次４ｓである，（Ａ）の締め付けトルクを減らすほど試験片ｓと同図（ｃ）の２次１の構造減衰が大きくなり，また途中で加振力を大きくしたところ，構造減衰がさらに大きくなったが，（Ａ）ねじのゆるめトルクは，第１表のように，すべての実験条件で標準ゆるめトルクにほぼ一致することから，何れのゆるみも生じておらず，２－３での推測と矛盾しない．３－３回転（ねじり）振動試験（その１. 片側添え板の場合）. ボルト接合試験片の（Ａ）ボルト軸まわりの回転モーメント変動を与える形式では，曲げ振動.

(6) . 高圧ボルトによる摩擦接合部の振動試験について. ７１. ◎ 増中器. 発振器. 振動子. 振動計第. 栃学. 隆三. ＝. ４. －－ｒ. 図. ０－－－－『『ギ８１. メーｒ『. ３５２. 皿」. －－，. 第５図｛ａ）曲げ振動試験片側添え板. 一一－－－－１１５５０. ④. ｂ｝回転（ねじり）振動試験第５図｛. （”）. 片側添え板. 「「：.

(7) . 井. ７２. ２５仁撰. 上. 平. 治. 署ｉＦ．３０. ｔ，「 ↑ 上コキキキキキ〒三日ヰ÷ ｃｌ曲げ振動試験両側添え板第５図｛. ⑦. ｄ｝回転（ねじり）振動試験第５図［. 両側添え板.

(8) . 高圧ボルトによる摩擦接合部の振動試験について. Ｑ. ７３. Ｕ. Ｄ. －. ボルト. ｗき. オネジの外径，１２７．. ｄ. Ｈ. Ｂ. ｃ. １２７±８？宣．：. ９士０８．. ２１ ‐ｏ８，. ２２４．. Ｄ（Ｄジ２０. ｒ. ｋ. ＯＢ～１６. ２. 単位画. ナット. ｗ玄. オネジの外径１２７．. Ｈ. Ｂ. １２土０３５．. Ｃ. ２１－ｏβ. Ｄ（ＤＩ）. ２４２．. Ｄ１４. ２０. 単位ｍｍ座. 金. ｗ身. ｄ. Ｄ. １４５．. ２６‐ｏｇ，. ▲ ｒ，Ｌ ▼ ｒ、３２１０２Ｏ．．．単位ｎｕｎ. 第６図. 使用ボルト・ナット・座金の規格. 加速度ピックアップ. 加速度ピックアップ. ３０５ｋｇ，. □. 第. 」－. ７. ＋. 図（メタ；. た・＝１ｏｋｇ′ｍｍ. －. 第. た２. ０７ｋｇ．. ＋. ＋. ７，. 図. （ｂ）. ＋.

(9) . ７４. 井. 上. 平. 治. ５００ｋｇ一ｃｍ. １００～５００たｇ一Ｃｍ，. や）. （Ｂ）. （癌. 第. 図（，ａ）. ８. デメコあメメジジコ；；メｒタ. 、４５ｃ／危. －－. 第. 喝鵡. ８. も、. も. （ヱ４）. 図（ｂ）１次モード.

(10) . 高圧ボルトによる摩擦接合部の振動試験について. ７５. の場合に比べて鳥が若干大きくなったため，第９図に示したように１次の振動モードに対応する０共振振動数は４４Ｃ／ｓ，２次は２１０／ｓであった．（Ａ）ボルトの締め付けトルクが１００，１５０ｋｇｃｍの. 試験片では，２次共振点から周波数だけを徐々に下げて加速度を増していくと，第９図（Ａ）のまわりに，（Ｂ）部が下方にゆっくりすべり出す．その直後，元の２１０ｓに上げて応答を見たが，減衰能増大を顕著に示していない，しか・し，ゆるめトルクは標準値の半分程度であって，ねじ部回転をも含めたゆるみが生じていることを示している（第２表参照），. 締め付けトルク２００ｋｇｃｍのときには，ゆるめトルクは上昇し，同時に加振可動部と試験片と. の接合部における最小断面部が疲れを起こしたために－急激な構造減衰を示した．したがって，締め付けトルク２５０ｋｇｃｍのデータは，すでに２次固有振動数が１２０Ｃ／ｓ前後に. 低下した系の応答であり，他の条件と比較出来ない，なお，振動試験機の容量の関係もあって，より高い加振力は与えられなかった．以上の実験では第１０図のように，締め付けトルク１５０ｋ ‐ ｃｍが回転すべりを起こす限界と考えｇられる，１００～２５０ｋｇ一Ｇｍ. ５００ｋｇ ‐Ｇｍ. ．. （Ａ）. （Ｂ）第９図（ａ）. 第９図（ｂ）. も転戦無. １次モード. 畿も. 第９図（，２次モードｃ）. （ヱの. . . . . .

(11) . 井. ７６. 上. 平. 治. 摩. 平ｋｇ－ｃｍ. 劣. ３ｏｏ. １. １－臓（” ； ○ ．２としてフ，. ／. ／. ２００. 片側添接. ２２５．４. ‘，・. １１２，７、１００. ｛．. ／「. ‘，. ．. ′. １５０. １００. ０図第１. （ヱ６）. ２００ｋｇ÷｛ｍ. 締め付けトルク.

(12) . 高圧ボルトによる摩擦接合部の振動試験について. 鴬陶. ｛Ｇ）. ｛Ｇ. ４４％. １００. イ. 時. １５０％時. ．２. （７０）. ロ. ２００. イ. ２. （１５０）. ロ. １１. ３００. イ. ２. ３３１０. １０５．. ４２. ４００. イ. ２. １０. １０. ５００. イ. ２. （５００）. ロ. ４０. １３７％. ３４９．５. １３８％ｓ７２. １３９％７４. １１．５. １４１％. ４６. ７３．５. ゆるめトルク８０. １５０. ２５０. ３８．５６９．. １２. １０. 第１表. ９. １２. （たｇ一ｃｍ）. ２４. １３７０. ４４．５. １０. ８５. １３０％. １０. ロ. ロ. １０. ４０５．. （２８０）. （３９０）. 最大加速度時１５０％時. １０. １０．５. ｛Ｇ）. （Ｇ）. ７７. ４００. ４２９．７４４. 曲げ振動試験（両側添え板）の結果（ｋｇ一ｃｍ）. （た９一ｃｍＪ. 締め付けトルク. 糟移るめ）４４. ｛｝Ｇ％. ｛Ｇ｝. 時. （の. ２. （口）. ２１０. ｛Ｇ）. （Ｇ）. ％時最大加速度時２１０％時. １０. １３. ９. ８. ３０. １９０％３５すべり始め. ２４. （“. ２. １０. １３. （可. ８. ３４. ２００. （み. ２. １０. １３. （１５０）. ｛ロ）. ８. ３５. １６０，％５５. （み. ２. １００. （７０）１５０（１００）. ２５０. （２００）・｛口）. １４. 第２表. １８０％. ４５すべり始め. ？. １５．５. １０１５. １４０４０. ％. ７，３. ゆるめトルク３０. ６０. １５６．２９９１０. 回転（ねじり）振動試験（片側添え板）の結果. ヱの（. （た９ーｃ澗）. ２００. ２６０.

(13) . 井. ７８. 上. 平. 治. ３－４回転（ねじり）振動試験（その２両側添え板の場合）固有振動の型は３－３と同様であり，２１００／ｓで名）の加速度（Ｐ－Ｐ）３Ｇの場合，（Ａ）部の締. め付けトルクを２５０ｋｇ‐ ｃｍ，５００ｋｇ‐ ｃｍに変えて行なったが，（）の加速度応答に変化がなくロ，回転. すべりを起こさず，試験機の容量上試験を中断した，，４. 結. 語. この方式は周波数が高く，現象を早急にとらえる上で有利であるが長時間試験ではねじ，結合部以クトの部分の疲労問題もからんでくることに留意しなければならない．また，ねじ部の相対回転や，どの摩擦面でのすべりが起たかなどをっ，同時測定することが回転すべり－ゆるみ現象の解明にとって重要である．しかし，この段階での実験によっても，すべりとゆるみの関係についての予測が，おおよそのところ確かめられたといえる，. 終わりに，本実験について終始ご指導いただいた室蘭工業大学星野悟教授，また実験にご協力いただいた室蘭工業大学佐藤政司技官に謝意を表す．. 参. 考. 文. （１）田島二郎（１９６６）高カポルト摩擦接合概説，技報堂. ）ヱ８（. 献.

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