ボルト予圧計算：ボルト予圧の損失は、高振動自動車用途でジョイント疲労を引き起こすのはなぜですか？

簡単な答え:

ボルトのプリロードとは、締め付け中にファスナーに発生する張力のことです。これは、接合された部品を圧縮し、振動や加えられた荷重によるそれらの分離を防ぎます。プリロードが減少すると、ジョイントは各荷重サイクル中に動き始め、開きます。したがって、サイクル荷重はボルトにさらに影響を与え、応力レベルを増加させ、疲労破壊につながります。ボルトのプリロード計算は、特定のトルクが加えられたときに発生するクランプ力を決定するのに役立ちます。プロセスに影響を与え、大幅な変動を引き起こす可能性のある多くの要因があります。CNRLは、エンジン、シャーシ、トランスミッション、その他の用途向けの自動車用ファスナーを製造しています。自動車産業向けの生産システムは、 IATF16949 規格に認定されています。

自動車用ジョイントにおけるプリロードはなぜ隠れた力なのか？

機械的なジョイントは、ファスナーが接合面に張力をかけることによって機能し、ジョイントに荷重がかかる前でもそれらを圧縮します。

システムの動作中、振動、運転中の衝撃、エンジンの動き、トルクの変動がジョイントに作用します。プリロードが十分にある場合、荷重の多くは、ボルトではなく、ジョイントの圧縮された部品にかかります。

疲労は応力範囲に大きく依存するため、これは重要です。適切にプリロードされたジョイントは、ボルトへの追加のサイクル応力を低く抑えます。

プリロードが失われるとどうなるか？

このプロセスは非常に予測可能です。プリロードが減少すると、ジョイント間のクランプ力が低下します。したがって、動的な荷重がかかると、インターフェイス面が滑ったり、分離したりする可能性があります。

より大きな荷重が、引張または曲げのいずれかの形でボルトにかかります。これにより応力レベルが増加し、疲労や亀裂が発生します。

これは、エンジンマウント、パワートレインアセンブリ、サスペンション部品、排気システム、シャーシ接続の分野で特に重要です。

ボルトのプリロードとは?

締め付け後にボルトに発生する軸方向の引張力です。この引張力により、ボルトはわずかに伸びます。もう1つの現象は、接続された2つの表面がボルトによって圧縮されることです。

この圧縮により、クランプ力と呼ばれる荷重が発生します。単純に荷重がかかったジョイントでは、プリロードとクランプ力は大きさが等しく、方向が反対です。

プリロードが疲労に影響する理由

十分なプリロードは、ジョイントインターフェイスが圧縮されていることを保証します。このように、分離はなくなり、部品間の摩擦が加えられた外部荷重のほとんどを処理します。

プリロードが低すぎる場合、ジョイントは各サイクルで開閉し始めます。ボルトが受ける荷重は大幅に増加します。

ジョイントの振動は、プリロード低下の原因の例となる可能性があります。横方向の動きは、ジョイントインターフェイスとねじの回転による緩みにつながる可能性があります。

ボルトのプリロードはどのように計算されますか？

基本的な ボルトプリロード式 は、締め付けトルク、ボルト径、およびナット係数を使用します。

Fi = T / (K × d)

ここで、Fiは推定プリロード、Tは締め付けトルク、Kはナット係数、dは公称ボルト径です。

たとえば、目標プリロードが50 kNのM12クラス10.9ボルトを考えます。ナット係数0.20を使用します。

T = K × d × Fi

T = 0.20 × 0.012 × 50,000 = 120 N·m

したがって、120 N·mは、仮定された条件下で約50 kNのプリロードを推定します。

計算が推定値にすぎない理由

トルクはボルトの張力を直接測定するものではありません。加えられたトルクの多くは、ねじと軸受の摩擦によって消費されます。

ナット係数は、潤滑、めっき、表面仕上げによって変化する可能性があります。研究によると、トルクが慎重に制御されていても、これらの変化が大幅なプリロード誤差を引き起こす可能性があることが示されています。

重要なジョイントの場合、エンジニアは角度制御または直接張力測定を使用することがあります。より詳細なジョイント計算では、ねじの形状、摩擦、ジョイントの剛性も考慮できます。

プリロードの間違いがジョイントの問題を引き起こす可能性

プリロードが不足していても過剰であっても、問題が発生する可能性があります。正しい値は、ファスナー、ジョイントの設計、およびサービス条件によって異なります。

プリロード不足

プリロード不足は、ジョイント部材間の摩擦グリップを低下させます。その後、振動によって動き、緩み、ボルトのサイクル応力が増加する可能性があります。結果として、疲労破壊、ジョイントの分離、または密閉されたアセンブリの漏れが発生する可能性があります。

プリロード過多

プリロード過多は、ボルトを意図した応力範囲を超えて押し出す可能性があります。また、ねじを損傷したり、接続された部品を歪ませたりする可能性もあります。より高強度のボルトを使用しても、問題が自動的に解決されるわけではありません。ジョイントは、正しいプリロードと荷重条件を中心に設計する必要があります。

摩擦と組み立て条件

よくある間違いは、ファスナーの実際の表面状態を考慮せずに、一般的なトルク値を適用することです。

たとえば、潤滑されたファスナーに乾燥トルク値を使用すると、意図したよりもはるかに高いプリロードが発生する可能性があります。このため、トルク仕様は、指定されたファスナーと組み立て条件に一致する必要があります。

CNRLの ボルトトルクチャートガイド は、トルク仕様に関する追加情報を提供します。

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詳細情報

CNRLは、一貫した自動車用ファスナーの性能をどのようにサポートしますか？

計算されたプリロードは、ファスナーの寸法、 材料, 抗張力、および表面状態が設計要件と一致している場合にのみ役立ちます。

CNRLは、ボルトやその他の締結部品を含む、車両用途向けの 自動車用ファスナー を製造しています。その自動車生産は、4.8から12.9までのファスナー強度クラスをカバーし、さまざまな直径と長さが利用可能です。

同社はまた、IATF 16949、ISO 14001、およびISO 45001の認証を維持しています。これらのシステムは、製造業務全体で管理された生産と品質管理をサポートします。

自動車用途の場合、CNRLは、特定のジョイント用のファスナーを開発する際に、図面、仕様、およびアプリケーション要件から作業できます。

適切なプリロードは、トルクだけでなく、それ以上のものに依存します。ファスナーのグレード、形状、摩擦、ジョイントの剛性、振動、および動作条件すべてが役割を果たします。

接触 CNRLのエンジニアリングチームが、特定の用途におけるプリロード仕様と自動車用ファスナーの要件について議論します。