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トルクに関する基礎知識

トルクとは

トルクとは
※正確には、Lはボルトの回転軸から力をかける点までの距離(上図参照)ですが、ここでは説明を容易にするため、レンチの全長をLと表現しています。

図のように、Lの長さのレンチ(※)でFの力をかけた時にボルトに与えられる回転力Tの事です。例えば、1mの長さのレンチで100N(約10kgf)の力をかけた時のトルクは100N・m(約10kgf・m)となります。

F(100N)×L(1m)=T(100N・m)

また、200mmのレンチで10N・m(約1kgf・m)のトルクをかける場合に必要な力は50N(約5.1kgf)となります。

F(力)×L(0.2m)=T(10N・m)

F(力)=T(10N・m)÷L(0.2m)=50N

トルクの単位

トルクの単位は以前はkgf・m(キログラムメートル)が用いられていましたが、1993年に施行された「新計量法」によりSI単位(ISO国際規格)への移行が義務づけられ、現在では力の単位にはN(ニュートン)、トルクの単位にはN・m(ニュートンメートル)が使われています。1N・mは0.10197kgf・mで、逆に1kgf・mは9.8067N・mとなります。実際の作業においては1kgf・mは約10N・mと考えれば目安となるでしょう。

1kgf・m=9.8067N・m
1kgf・m≒10N・m
1N・m≒0.1kgf・m

ミニコラム「計量法について」

計量法とは「計量の基準を定め、適正な計量の実施を確保」することで「経済の発展及び文化の向上に寄与する」ことを目的に制定された日本の法律で、昭和26年に制定された旧計量法に対し、1992年に全面改正された現行法は「新計量法」と呼ばれています。計量法では、計量単位を制定したり、取引や証明に使われる計量器の精度(正確さ)を維持するための様々な条項が定められています。新計量法により計量単位の国際単位系(SI)への全面移行が義務付けられた1999年以降、日本国内で販売されているトルクレンチの測定単位は国際単位系である「N・m」のみとなりました。計量法により測定単位が変わった身近な例としては、自動車のエンジン出力の単位が「PS」(馬力)から「kW」(キロワット)になったり、天気予報で耳にする気圧の単位が「mb」(ミリバール)から「hPa」(ヘクトパスカル)になった事などが挙げられます。

トルクとレンチの長さ

トルクとは「力×長さ」ですから、長さが長くなるほど大きなトルクがかけられる事になります。しかし、ボルトにはそれぞれ適正な締め付けトルクがあり、ボルトの種類や締め付ける場所・目的に応じて締め付けトルクが規定されています。レンチも基本的にはそのボルトに適正な締め付けトルクに耐えられる、又はそのトルクがかけられる長さに設定されているのです。例えば乗用車のホイールナットの規定トルク値の多くは103N・mとなっており、ホイールナット用のトルクレンチは全長400mm程度あります。400mmのレンチで103N・mのトルクで締め付ける場合、必要とする力は257.5N(約26kgf)になります。

F×0.4m=103N・m
F=103÷0.4=257.5N(約26kgf)

この力は、一般的に大人が軽く体重をかけるくらい(腰を落とす程度)のもので、手でかけられる力の上限に近いものです。一方、全長が半分の200mmのレンチで103N・mのトルクをかけるには、倍の515N(約52kgf)の力が必要なので、腕力だけではほとんど不可能となります。従って、ホイールナットを締め付けるには全長400mm程度のレンチが必要になるということが分かります。

トルク管理の重要性

ボルト締結のメカニズム

ボルト締結のメカニズム

締めたボルトが簡単に緩まないのは、締め付けたことで伸びたボルトが元に戻ろうとする力が働くためです。ボルトを締め付けると、ボルト本体には引っ張り方向の力がかかります。引っ張られて伸びたボルトは、バネのように元に戻ろうとして、締め付けているもの(部品等)を圧縮します。ボルトが締まっている(固定されている)状態とは、引っ張られて伸びようとする力と、戻ろうとして締め付けるものを圧縮する力のバランスが取れている状態です。(図)

ボルトの締め付けが弱いと、周りの振動や熱などの影響でこのバランスが崩れ、ボルトは緩んでしまいます。逆に締め付けが強いと、締め付けられた物(部品等)やボルト自体の破損を招きます。

ボルトの締めすぎによる問題

締め付けられていたボルトを緩めると、引っ張られて伸びていたボルトは元の形に戻ります。しかし、締め付ける力を増やしていくと、ある時点からボルトは完全に元の形には戻らなくなります。この境界を「降伏点」といい、ボルトが完全に元に戻る範囲を「弾性域」(弾性変形範囲)、完全に元に戻らなくなる範囲を「塑性域」(塑性変形範囲)といいます。ボルトをさらに締め付けていくと、最終的にねじ切れてしまします。この点を「破断点」といいます。(下図参照)

ボルトが緩まないようにするには、なるべく大きな力で締め付けることが望ましいです。しかし、ボルトを塑性域まで締め付けてしまうと、破断点に近づくため危険です。また、塑性域まで締め付けてしまったボルトは変形して元の形に戻らないため、再利用はできません。従って、ボルトは弾性域の範囲内で使用する必要があります。(※)
※エンジンのヘッドボルトなど、塑性域で締め付ける特殊なボルトもあります。

ボルトの締めすぎによる問題

適切なトルク管理のために

弾性域から降伏点を越え塑性域に入ると、トルク(締め付ける力)の増加に対し、ボルトが伸びる割合は大きくなります。しかし、人間の五感でこの変化を感じることは困難です。ある程度経験を積んだ作業者でも、トルク不足による緩みを防ぎたいという気持ちが無意識に働き、規定トルクを超えたトルクをかけがちです。また、最近では各産業分野において、鉄以外のさまざまな素材が使われています。アルミや樹脂などの部品は、鉄製のものに比べ柔らかいため、同じ感覚で締め付けると部品自体を破損させてしまう可能性が高くなります。

トルク不足によるボルト・ナットの緩みや、オーバートルクによるボルトや部品の破損は、重大な事故を発生させる原因となります。そのため、経験や勘だけに頼ったトルク管理でなく、トルクレンチを用いた正確なトルク管理が望ましいのです。