もう、なんでネジはいつも緩むのか？

実に多いネジのトラブル

機械設計において、

ネジは最も身近な部品の一つである。

しかし同時に、

最も奥が深い部品の一つでもある。

新人設計者ほど、

「締めれば固定される」

と思いやすい。

だが現実では、

• 使用中に緩む
• ガタつく
• 異音が出る
• 部品が脱落する

など、

ネジのトラブルは非常に多い。

しかも恐ろしいのは、

ネジ一本の問題が、

重大事故につながること。

本記事では、

新人設計者が見落としやすい

“締結設計の本質”

について解説する。

ネジを制すれば、機械設計を制する、かもしれない。

ネジは「固定部品」ではない

まず重要なこと。

ネジは、

単に部品を固定しているわけではない。

本質は、

“軸力を発生させる部品”

である。

ここを理解しないと、

締結設計は分からない。

構造を見ると回転させて距離を稼ぎ、わずかに軸方向に進む。

その際に、軸方向に大きな力を発生させている。

これはつまり、ネジが回転式のテコであることを示している。

ネジが固定できる理由

ネジを締めると、

軸方向に引っ張られる。

つまり、

ネジ自身が伸びる。

その反力によって、

部品同士を押し付けている。

これが締結の本質。

この時、ネジの発生させる軸方向の力は驚くべき数値となっている。

「摩擦」で留まっている

ここが重要なところであるが、意外に思う人も多い。

実は、

ネジ山そのものが回転を留めているわけではない。

むしろ「ネジは絶対的には留められない」くらいの感覚でちょうどいい。

「ネジは限られた条件下で留まっている」だけなのだ。

ネジを留めているのは、

締付によって発生する現時点での摩擦力。

例えば、高校物理などであった摩擦がない世界を仮定すると、

力を加えた物体は、どこまでも等速直線運動をする。

そして、摩擦のない世界では、ネジを締め続けると、いつまでも留まることはなく、いつかは破損する。

締めるのをやめれば、ネジの伸びがなくなるところまで逆回転して緩む。

つまり、実際の世界でもネジは摩擦が不足すると緩むのである。

なぜネジは緩むのか

新人設計者ほど、

「ちゃんと締めたのになぜ？」

と思いやすい。

しかし実際には、

ネジが緩む原因は非常に多い。

むしろ、いつかは緩むものというくらいの認識が正しい。

軸力低下による摩擦力低下が主な原因

締結で重要なのは、

“締めた瞬間”

ではない。

使用中に、

軸力を維持、つまりは緩まないだけの摩擦力を維持できるか

なのである。

いうまでもなく、摩擦力とは物体間の摩擦係数と垂直抗力を掛け合わせたものである。

F（摩擦力）＝μ（摩擦係数）×N（垂直抗力）

ここでいう垂直抗力は、ネジの軸力に依存する。

そのため、何らかの原因で軸力か摩擦係数が低下するとネジは緩むのである。

振動

最も代表的。

機械は振動する。

すると、

微小な滑りが発生する。

その結果、

軸力が低下して、摩擦力が低下する。

熱変形

これも多い。

例えば、

金属同士でも、

材質が違えば熱膨張量が異なる。

すると、

材料の伸び率が変化して軸力が変化する。

場合によっては、

大きく軸力が低下して、摩擦力が低下する。

座面沈み

締結部は、

完全な平面ではない。

締付後、

微小な変形やなじみが起きる。

すると、

座面が沈んで軸力が減少、摩擦力も減少する。

緩み止めを付ければ安心？

新人ほど、

「緩み止めワッシャーを付ければOK」

と思いやすい。

しかし現実はそんなに単純ではない。

所詮、緩み止めワッシャー、例えばバネワッシャなども摩擦で止まっているなら、大同小異である。

何なら、接着に近い処置をしてしまったほうが確実である。

根本原因を見ないと危険

しかし、根本原因の追究は重要である。

例えば、

• 振動が大きすぎる
• 剛性不足
• 軸力不足

など。

構造側に問題がある場合、

対策部品だけでは解決しない。

「締めすぎ」も危険

じゃあ、軸力を大きくして、摩擦力も大きくしよう

なんて考えが浮かんでくる。

これも非常に多い。

強く締めれば安心。

そう考えやすい。

しかし、

締めすぎは危険。

例えば、

• ネジ破断
• 降伏
• 座面陥没
• 部品変形

など。

特に小径ネジは危険。

というよりも、ネジのサイズや種類、材料との組み合わせで

ある程度の適切な締め付けトルクは決まってくるので、

締め付けトルクを増やして対策するなんてことはあまりしない。

ネジは太すぎても細すぎてもいけない。

トルク管理の落とし穴

締付トルクだけ見ている新人も多い。

しかし実際には、

トルクの多くは摩擦で消える。

つまり、

同じトルクでも、

実際の軸力は変わる。

まあ、締め付けトルクを気にしている新人も限られるので、気にしているだけでもすごいことである。

トルクレンチやトルクドライバーを使ったことのある新人などほぼいない。

もっと言えば、レンチも使ったこともないのだという。

ラチェットレンチをもたせてみたところ、持ち方すら危うかった。

摩擦係数の影響

摩擦係数まで理解しているかどうかは、かなり大きな差になるだろう。

例えば、

• 潤滑あり
• 表面処理違い
• 汚れ

など。

これだけで軸力が大きく変化する。

つまり、

トルク＝軸力

ではない。

軸力の計算式には摩擦係数が入ってくるのである。

そして摩擦係数は材料の組み合わせや状況によって異なる

これがネジの緩み対策を難しくしている原因の一つである。

なぜベテラン設計者は座面を気にするのか

ここが重要。

優秀な設計者ほど、

座面設計を重視する。

なぜなら、

座面が悪いと軸力が安定しないから。

例えば

• 傾いている
• 面粗さが悪い
• 接触面積が小さい

など。

これだけでも締結性能が落ちる。

適切なネジを選定しよう。

ネジは「ばね」である

ここを理解すると設計が変わる。

ネジは、

硬い棒ではない。

伸びることで力を生む、

“ばね”

なのである。

ネジが発生させる軸力は、簡単にネジそのモノを破断させてしまうくらいである。

締め付け続ければ容易に体験できるだろう。

そのくらいの軸力であれば、金属と言えど剛体ではいられない。

長いネジが有利なこともある

意外かもしれない。

実は、

ある程度伸びる方が、

軸力変動に強い場合がある。

つまり、

単純に短く硬ければ良いわけではない。

かみ合っているネジ山の数も重要なので、そこも考慮しよう。

ネジは太さだけでなく、長さや使う場所も重要である。

締結部全体で考える

新人設計者は、

ネジ単体で考えやすい。

しかし本当に重要なのは、

• 被締結体
• 座面
• 剛性
• 振動

を含めた全体設計。

剛性バランスが重要

例えば、

被締結体が柔らかすぎると、

軸力変動が大きくなる。

すると、

緩みやすくなる。

現場では何が起きるのか

実際の量産現場では、

理想通りにはいかない。

• 締付ばらつき
• 工具差
• 作業者差

など。

つまり、

“多少ズレても成立する設計”

が重要になる。

同じ位置のネジを同じ工具を使って、同じ締め付けトルクで2台分締め付けてみよう

なぜか、ネジの回転数が異なる可能性がある、つまりは軸力が異なるのである。

そして、少しの回転数の違いでも軸力は大きく異なる。

我々が思っているよりも、ネジの軸力は管理できていないことに気づけるだろう。

ネジ一本で機械は壊れる

これは本当にある。

例えば、

• 回転体脱落
• 異音
• 振動増加
• 重大事故

など。

ネジは小さい。

しかし責任は大きい。

しかも、摩擦が不足すると緩むのに、肝心の軸力の管理が難しい。

せいぜい管理できるのは締め付け工具と締め付けトルクくらい

だから、経験を積めば積むほど、ネジに対し慎重になっていくのかもしれない。

強い設計者ほど締結を軽視しない

新人ほど、

機構や形状に目が行きやすい。

しかしベテランほど、

• ネジ径
• 本数
• 配置
• 締付方法

を非常に気にする。

なぜなら、

締結が機械の信頼性を左右するから。

AI時代でも締結理解は重要

今後、

設計支援AIは進化する。

しかし、

• 現場振動
• 使用環境
• 緩み傾向

など、

現実のクセまでは簡単に分からない。

だからこそ、

原理原則理解が重要。

だって、AIにもネジの軸力は管理できないのだから。

まとめ

ネジは、

単なる固定部品ではない。

軸力を発生させ、

摩擦によって部品を固定している。

つまり締結設計とは、

“軸力を維持する設計”

なのである。

そしてネジは、

• 振動
• 熱
• 座面
• 剛性

など、多くの影響を受ける。

本当に強い設計者ほど、

ネジ一本を軽視しない。

なぜなら、

小さな締結部品が、

機械全体の信頼性を支えていることを知っているからである。