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技術士試験 論文例「Ⅱ-1ねじ締結理論」

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問題

R5 Ⅱー1

二つの部品を締結するための手法にねじ締結がある。ねじ締結体を設計するうえでねじ取り付け時の初期荷重と外力が付加された時の荷重を見積もることが重要である。ねじ締結体の設計で用いられる内力係数を説明し、初期ねじ取り付け時にねじ部に加わる荷重とねじ締結体軸方向に引っ張り外力が負荷されるときにねじに加わる荷重の求め方を内力係数を用いて説明せよ。また、変位とねじ軸力の関係を表す図などを用いて説明してもよい。

論文例

ねじ締結体に引張荷重が負荷された時の荷重の求め方

図の記号は以下を表す。

F:初期の締付荷重、

W:外力、Kb:ねじのばね定数、Kp:被締結体のばね定数、Fb:外力によりねじに加わる荷重、Fp:外力により被締結体に加わる荷重、λ:外力による伸び変位量

ねじ締結体は初期締付荷重Fと被締結体の反力が釣り合っている。またボルトが伸び、被締結体が縮んだ状態である。外力Wが加わると被締結体の縮みは一部解消されねじはさらに伸ばされる。この時各ばね定数の比に応じた荷重(FbとFp)が図のように加わる。この比を内力係数といいφ=Kb/(Kb+Kp)で表す。つまりFb=φWとなる。また、初期締付荷重F=(締付トルクT/(トルク係数k×ねじ径d))である。これよりねじに加わる最大荷重はF+Fb=T/kd+φWとなる。

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