構造用ボルトの疲労強度に及ぼす過大荷重の影響

総合研究所・都市減災研究センター（UDM）研究報告書（平成２２年度）

テーマ

2

2.2-2

＊ ：工学院大学大学院修士課程機械工学専攻

＊＊：工学院大学工学部機械システム工学科教授、＊＊＊：工学院大学工学部機械工学科教授

構造用ボルトの疲労強度に及ぼす過大荷重の影響

藤田佑介^＊，後藤芳樹^＊＊＊，小林光男^＊＊，一之瀬和夫^＊＊，小久保邦雄^＊＊＊

構造用ボルト，疲労強度，過大荷重，

１ ．はじ めに

一般に、機械・機器は、 多 くの継手部を有してお り、機械・機器の強度や信 頼性上のトラブルの多く はこの継手部で起こってい る。継手は、組立て上の 都合やメンテナンスのため にボルト締結によるもの が多く、近年の輸送機器の 事故 のなかには，ボルト の破壊が原因とされるもの が多く，ボルトの信頼性 の向上は必要不可欠な課題となっている。

また、震災時には、通常 と は 異なる過大な荷重が 加わることになり、このオ ーバーロード がボルトの 耐久性・寿命にどのような 影響を及ぼすのかについ ては未だ不明な点が多い。

本研究では、構造用金属 ボ ルトの疲労強度に及ぼ す過大過重の影響について 実験的に明らかにしよう と い う も の で あ り ， 疲 労 試 験 の 途 中 ， 破 断 寿 命 の 50％の繰返し数で１回だけ 過大荷重が加わる場合に ついて試験を行った結果について報告する。

２ ．実験 方法 2.1 供 試材料

本研究では、市販の S45C(機械構造用炭素鋼鋼材) のボルト・ナット、を使用す る。詳細は表１に示す。

表１ S45C ボルト寸法

名称 S45C六角ボルト(半ネジ) 大きさ M8×65×25mm ピッチ 1.25mm

強度区分 8.8

等級 1

表２

S45C

C Si Mn P S

機械構造用炭素鋼鋼材 S45C 0.42～

0.48 0.15～

0.35 0.60～

0.90≦0.030 ≦0.035

種類 材料記号 化学成分(%)

表３

S45C

2.2 引張試 験

ボルトの引張試験には東京衡機製 500kN 万能材料 試験機を用いた。

2.3 疲労 試験

疲労試験には容量 10ton の島津製作所製サーボパ ルサを使用した。周波数 10Hz，荷重制御とした。試 験環境は室温・大気中であ る。冶具を使用し，ボル トとナットを保持し，片振 り引張荷重が加わるもの とした。ボルトの締め付け は行っていない。ボルト の取付けの様子を図１に示す。疲労の繰返し数が 10⁷ 回に達したときに試験を打ち切りとした。

図１ 疲労試験機の冶具にボルトを取付けた状態

３ ．実験 結果及 び考察 3.1 引張試 験

疲労試験を行うにあたり ， 試験片として用いるボ ルトを選択するために引張 試験を実施した。 合金鋼 SCM435 と炭素鋼 S45C の引 張試験を行ったところ，

SCM435 は引張強度に達す る前に，ネジ部が破損し，

ボルトの破断に至らなかっ たため，過大荷重を負荷 する疲労試験には不適当と判断し，S45C ボルトを採 用することにした。ISO で 推奨されている遊びネジ 部の長さを 1.2ｄ（ｄ：ボ ルトの呼び径） としたと きの S45C ボルトの平均引張り強さはσ＝ 858MPa（平 均最大荷重 P＝33.1ｋN）であった。

種類 材料記号 引張り強さ (N/mm²)

降伏点

(N/mm²) 硬さ 伸び (%) 機械構造用

炭素鋼鋼材 S45C 690以上 490以上 201～269HB 17以上

総合研究所・都市減災研究センター（UDM）研究報告書（平成２２年度）

テーマ

2

2.2-2

＊ ：工学院大学大学院修士課程機械工学専攻

＊＊：工学院大学工学部機械システム工学科教授、＊＊＊：工学院大学工学部機械工学科教授 3.2 疲労試 験

S45C ボルトを用いて疲労試験を実施し，図３に示 す S-N 線図を作成した。この図から，10⁷回における 疲労限度は 60MPa となった。

図３ S45C ボルトの S-N 線図

高応力振幅で破断したボ ル トの破断状況を図４に 示す。高応力振幅では，破 断はボルトの 不完全ネジ 部で破断する傾向がある。 また， 低応力振幅では図 ５に示すように，ナットと の かみ合い部，第一ネジ 山付近で破断する傾向があ り，応力振幅の低下とと もに，破断位置はナット内 部に移る傾向が見受けら れた。

過大荷重疲労試験を行う 応 力振幅は，ボルトが確 実に破断する応力振幅の 73.6MPa を選んだ。この応 力振幅で，更に 5 本のボルトの疲労試験を実施し，

ワイブル確率紙にプロットして，破壊確率 50％の繰 返し数を求めたところ 9.0×10⁶回と求められた。そ こで，その半分の繰返し数 4.5×10⁶回において，過 大荷重を負荷することに決めた。

過大荷重の大きさは，種 々 の大きさで試みる予定 であるが，今回は手始めとして 765MPa とした。これ は，オフセット法によりも とめた 0.2％耐力に相当 する応力である。

過大荷重疲労試験は，こ れ まで２回試験を行い，

２回とも，繰返し数 10⁷回 を超える結果となり，今 回の実験の範囲内では，過 大荷重により，疲労寿命 が増加するという結果となった。

５ ．結 論

（1）遊びネジ部を 1.2ｄとした S45C ボルトの引張 強さは 858MPa である。

（2）遊びネジ部を 1.2ｄとした S45C ボルトの疲労 強度は 60MPa となった。

（3）今回の試験条件では，過大荷重を負荷すること によりボルトの破断寿命は増加した。

参 考 文 献

1） 大 内 田 久 ， 後 藤 芳 樹 ： 金 属 材 料 の 疲 労 強 度 に 及 ぼ す 過 大 荷 重 の 影響 (第一 報 )，工 学 院大 学 研 究 報告 第 50 号 ,1981 2） 後 藤 芳 樹 ， 大 内 田 久 ： 炭 素 鋼 の 回 転 曲 げ 疲 労 寿 命 に 及 ぼ す 過 大荷 重 の影 響 ，工 学 院大 学 研 究 報告 第 61 号 ,1986

No

1

2000 50 261.07 9087 13.58 14.73

図

4 高応力振幅で破断したボルトの破断状況

No

13

^{600 50 73.63 1829231 -2.38 10.5}

図５ 低応力振幅で破断したボルトの破断状況