コラム

こんにちは。まだまだ暑い日が続きますが、日々業務や設計の業務にはげまれていることと思います。設計技術力強化講座も第３回目を迎えることができました。これから数回にわたって、機械要素の中でダントツに使用されている「ねじ」についての解説を行います。みなさまの業務の手助けとなれば幸いです。

ボルトやナットに代表されるねじ部品は、どんな機械にも必ず使われています。しかし他の機械要素に比べて、軽視される傾向があります。その理由として次の理由が考えられます。

1. 市販部品として容易に入手でき、極めて単純な構造なので、安易に利用できること。
2. ねじ部品選定の基準が確立していないこと。
3. 前例にならって選べば、安全性にそれほど問題がないこと。

しかし、ボルトの緩みや破損が原因で起こる事故は以外に多く、大事故につながる例も少なくありません。そこで、この講座ではねじの知識全般を再学習するとともに、選択方法について考えてきます。

それでは第３回目講座始めます。

 

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執筆者について　

株式会社ものプロ
代表取締役 高原 東照

大手工業炉メーカーの設計子会社に入社後、熱処理炉や真空炉の設計業務に従事。同時に、社内で若手向けの技術教育にも携わる。その後新規顧客開拓にも取り組み、受注獲得した研削機、ブラスト機、コンベア等の設備を設計。転職、退社を経て、2017 年に、ものプロを設立。機械設計技術者の養成に携わる一方、機械設計・製図を受託し日々製図・検図に携わる。

ねじの用途

ねじは様々な用途に使用されます。以下にそれらの概要と使用例を紹介します。

１）部品の固定

ねじは、部品と部品を締め付けて動かないようにするために使われます。必要に応じて、部品の組立・分解が簡単にできることがねじの特徴の一つです。

２）配管の結合

水道管やガス管などを結合する際にねじが利用されることがあります。テーパねじなどをうまく利用すれば、高圧のガスや液体をねじ部で密封することもできます。

３）長さの測定

ねじは一回転当たりに決まった距離だけ進みます。その特徴を利用して、高精度な長さ測定に利用できます。マイクロメータなどがその例です。

４）微細な位置調整

ねじを回転させることにより、微細な位置調整を可能にします。デバイダ、コンパスの脚の開きの調整やモンキーレンチがその例です。

５）運動や動力の伝達

ねじを利用することで、回転運動を直線運動に変換することができます。旋盤の送りねじなどがその例です。また万力では、小さな力を大きな力に変換して利用しています。

６）その他

張力の加減（ターンバックルのねじ）や流動体の輸送（スクリューコンベヤ）などがあります。

ねじの種類

ねじには用途に応じて、さまざまな種類があります。ここではねじ山の形状に着目して分類していきます。

１）三角ねじ

ねじ山が三角形をしている三角ねじは締結用ねじと管用ねじがあります。大きな違いはねじ山の角度で、締結用ねじは60°、管用ねじは55°となっています。

また三角ねじと特徴として、精密な加工が容易であり、おねじとめねじの摩擦面が他のねじに比べて多いため、締付け後に緩みにくいといった特長があるため、広く一般に用いられています。

それでは締結用三角ねじと管用ねじについて、詳しく説明していきます。

①締結用三角ねじ

締結用三角ねじは、JISにおいて、メートル並目ねじやピッチが細かいメートル細目ねじが定められています。メートルねじを表す記号はMであり、例えばおねじの外径が20ミリの場合にはM20と表記します。

ねじのピッチを25.4mm当たりの山数で表したものをインチねじといい、並目ねじのインチねじをユニファイ並目ねじ（記号：UNC）、よりピッチがが細かいものをユニファイ細目ねじ（記号：UNF）といいます。アメリカ製やイギリス製の工業製品にはインチねじが使用されています。レーシングカーでシャシーはイギリス製、エンジンがドイツ製の場合、シャシーの整備にはインチねじ用の工具、エンジンの整備にはミリねじの工具と２種類の工具が必要となります。

その他、身近なところでは、カメラを三脚に止めるねじ（通称カメラねじ、1/4-20　UNC）などがあります。

また、時計、工学機器、電子機器、計測器などで用いる呼び径の範囲が0.3～1.4mmと小さいミニチュアねじもねじ山は60°の三角ねじです。

● 並目ねじと細目ねじの特徴と使い分け

並目ねじと細目ねじの使い分けについては、特に理由がなければ、一般用のメートル並目ねじを使います。メートル並目ねじは最も汎用性があり、入手が容易で安価であることがその理由です。

細目ねじは並目ねじに比べてピッチが小さいため、ねじ山の高さは低くなりますが、同じ長さに対して相対的な当たり面積は大きくなります。

以下に並目ねじと細目ねじの特徴と使い分けについてまとめますので、これを参考に並目ねじと細目ねじの選定をします。

ａ）並目ねじ

1. 組み立て時間は細目ねじよりも短縮できる。
2. 締め付け、取り外しが繰り返される部分には、時間的にも摩耗の点でも有利。
3. 鋳鉄、ベークライト、軽合金、プラスチックにねじ込む場合には適している。
4. 雰囲気が悪く、腐食や異物混入の恐れがある部分には、細目ねじより並目ねじのほうが適している。
5. 経済性、汎用性の点では有利。

ｂ）細目ねじ

1. 谷径が大きくなるので、強度的に有利（ボルトの締め付け力が大きくなる）。
2. ピッチが小さいので、微量調整ねじに適している。
3. リード角が小さいために、緩める力は大きくなる（ねじの緩みに対して有利）。
4. 締め付けまでの回転角が大きくなるので締め付け時間は長くなるが、締め付けトルクの管理は有利。
5. 一つの山にかかる力が分散されるので、めねじの高さは低くできる（薄板等）。
6. ねじ下穴が大きくなり山の高さが低くなるので、ねじ切りが楽になる。
7. 不完全ねじ部が小さくなるので、部品の軸方向の長さをわずかであるが短くできる。
8. 管状の材料にねじ切する場合、管の肉厚を薄くできる。
9. 経済性、汎用性の点では不利。

②管用ねじ

管や管用部品、流体機械などの接続において用いられる管用ねじは、接合部の強度を保つためにねじ山の高さは低く、ピッチも細かく定められています。管用ねじのねじ山のピッチは１インチ（=25.4mm）当たりの山数で定められています。

管用ねじにはテーパねじと平行ねじがあり、それぞれについて説明します。

ａ）管用テーパねじ

管用テーパねじは、油圧機器や水道配管など、気密性を必要とする部分に用いられ、テーパおねじ（記号：R）、テーパめねじ（記号：Rc）、テーパおねじに対応する、平行めねじ（記号：Rp）などがあります。テーパは1/16となっています。

内圧が高い油圧機器などの配管では、テーパおねじとテーパめねじの組み合わせ、内圧が若干低い空気圧機器などでは、テーパおねじと平行めねじの組み合わせが一般的です。なお、ねじ止めだけでは漏れが発生するため、シールテープなどにより、さらに気密性を高くします。

ｂ）管用平行ねじ

管用平行ねじ（記号はおねじ・めねじともG）は、鋼管の機械的接合や着脱を主目的とする部分に用いられます。

具体的には配線ケーブルの保護管など、耐密性が不要な場合や、着脱の機会が多い、油空圧機械を扱う高圧ホースや圧力計などに用いられます。

なお、管用テーパねじと管用平行ねじの接続はできる場合もありますが、もともとは別々の系列なので、併用しないようにします。（特にGとRpの接続）

● インチ系のねじの通称

インチ系のねじは「いちぶ」、「ろくぶ」などと、○ぶと呼ばれることがあります。これは分母を８としたときの分子の数字を表しています。たとえば1／8のねじは「いちぶ」、1／2（=4／8）のねじは「はちぶ」となります。

● 管用ねじの注意点

管用ねじで注意しなければならないのは、「ねじの呼び」が管の内径を基準に決められ、ねじの寸法は管の外径を基準に決められていることです。

スケッチなどのときには、この点に注意しましょう。

③三角ねじの右ねじと左ねじ

一般に使われているねじは、右に回転させると前に進みます。これを右ねじと言います。一方、用途によっては左に回転させて進むねじもあります。これを左ねじ（あるいは逆ねじ）と言います。三角ねじで左ねじの使用例を説明します。

● 左ねじの使用例

1. 扇風機のファン取付軸
   扇風機の羽根は、右に回ります。そのため、その羽根を抑えるキャップは、緩まないために逆ねじになっています。扇風機の電源を入れた瞬間は、軸はモータから回転力を受けて回り始めますが、キャップは停止したままです。この状況は、軸を固定して、キャップを左回転させた状況と同じとなります。そのため、キャップが右ねじだと緩む方向に力が働くので、左ねじにする必要があります。
2. ターンバックル
   ターンバックルは建築現場などでロッド棒やワイヤロープなどを引っ張るのに用いる道具です。一方のねじが右ねじ、他方のねじが左ねじになっていて、ナットを回すことによって両端のロッド棒などを引っ張ったり、緩めたりすることができます。
3. バイクのバックミラー
   左側のバックミラーの取付は通常の右ねじですが、右側は左ねじになっています。これは衝突したときに緩む方向に力が働くようにするためです。
4. 自転車のペダル
   右側のペダルは通常の右ねじですが、左側のペダルは左ねじになっています。これは、自転車の左ペダルには自転車を漕いでいるときに左回転をし、右ねじだと緩む方向に力が働くためです。（特に漕ぎ始めに強い力がかかる）
5. Ｆ１のタイヤ固定用ナット
   Ｆ１に使われているタイヤの固定は、タイヤの交換時間を短くするために、タイヤの回転軸にナット１つだけで止めています。これを「センターロック方式」といいます。
   ブレーキの際にタイヤは回転を止めようとしているが、ナットは慣性が働き、減速が終わるまで回転力がかかり続けます。この回転力の向きが、ねじの締まる方向になるように、左タイヤは左ねじ、右タイヤは右ねじで固定されています。
6. 接続ミス防止
   ガス溶接またはガス切断吹管には、酸素ホースとアセチレンホースを取付けます。酸素ホースは黒色、アセチレンホースは赤色と決められているので、普通の状態では接続ミスは考えられませんが、フールプルーフとして、いかなる事態でも誤接続を防止するため、酸素ホースの接続ねじは右、アセチレンホースの接続ねじは左ねじが切られています。

２）台形ねじ

ねじ山が台形をしてる台形ねじは、ピッチ精度が高く、かつ耐摩耗性が求められる箇所である工作機械の送りねじや高圧バルブの締め付けなどのねじとして用いられています。また後述する角ねじに比べて加工性が良好であることも特長の一つです。

JISではねじ山の角度が30°であるメートル台形ねじ（記号：Tr）が定められています。以前は直径はmm、ピッチは25.4mm当たりの山数で表されているねじ山の角度が29°の29度台形ねじ（記号：TW）がJISに定められていましたが、1996年に廃止となっています。

３）角ねじ

ねじ山が正方形をしている角ねじは、ねじ面が軸線に対して垂直であるため、力のはたらく方向が軸線と平行になる形状をしています。

そのため、三角ねじよりも摩擦抵抗が少なく、効率もよいため、動力を伝達するねじプレスや重量物を持ち上げるジャッキなどに用いられます。

４）のこ歯ねじ

ねじ山が非対称断面であるのこ歯の形状をしているのこ歯ねじは、軸方向の力が一方向のみにはたらく万力などに用いられます。

５）丸ねじ

台形ねじの山の頂と谷底に大きい丸みを付けた丸ねじは、ガラスや陶器などのもろい材料のねじや、ねじ部にゴミや砂などが多く入るようなときに、取り外しを楽にするために用いられます。

 

電球の口金や受け金に用いられる丸ねじを電球ねじといい、これはねじ山の形がほぼ同じ大きさの山の丸みと谷の丸みとが連続しているねじです。

今回はこれで終わります。次回はねじ設計上の注意点などについてお話しします。

 

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• 参考文献

1. 「ねじ基礎のきそ」門田和雄著、日刊工業新聞社、2006年
2. 「機械設計基礎のきそ」平田宏一著、日刊工業新聞社、2006年
3. 「使用実績に基づく機械要素の実用設計」宗　孝著、日刊工業新聞社、1985年
4. 「勘どころ設計技術Ⅰ固定ねじ」伊藤美光著、日経BP社、1994年