なぜボルトは緩むのか？JIS規格に隠された「座面角」の秘密

「規定トルクで締めたはずのフランジボルトが、なぜか緩んでしまう…」
「計算通りの軸力が出ていない気がする…」

その原因は、目には見えないボルトの「座面角」にあるかもしれません。特に、自動車や産業機械で多用される「フランジ付き六角ボルト」には、その信頼性を決定づける重要な角度の規定が存在します。

今回は、JIS B 1189「フランジ付き六角ボルト」の規格を基に、締結の成否を分ける座面角の科学に迫ります。

わずか1°の攻防！JISが定める「外アタリ」の保証

JIS B 1189では、フランジ付き六角ボルトの座面（相手材に接触する面）の角度φについて、0.75° ± 0.5° と明確に定められています。

これを計算すると、角度の範囲は 最小で0.25°、最大で1.25° となります。

ここで最も重要なのは、この角度が絶対にマイナスにならない、つまり座面の中央がへこんだ形状に設計されているという点です。

なぜなら、これにより座面の外周部から相手材に接触する「外アタリ」が確実に保証されるからです。

緩みの元凶「内アタリ」を防ぐ設計思想

もし仮に、座面角がマイナス（座面の中央が盛り上がった「バンザイ」状態）だったらどうなるでしょうか。

この場合、座面の中央部分だけが相手材に接触する「内アタリ」という最悪の状態を引き起こします。

内アタリは、締結の信頼性を著しく損なう2つの大きな問題を引き起こします。

1. てこの原理による「緩み」の発生

内アタリでは、接触点が中央の狭い範囲に限定されます。ここに力が加わると、その接触点を支点とした「てこの原理」が働き、ボルトが非常に緩みやすくなります。特に、振動、熱膨張による伸縮、繰り返し荷重といった外力が加わる過酷な環境では、このわずかな回転が積み重なり、致命的な緩みへと発展するため、座面角の管理はより一層重要になります。

2. 計算通りの締結力が得られない

ボルトの締結設計は、トルクレンチでかけた力が「ねじ面の摩擦」と「座面の摩擦」を経て、最終的にボルトを伸ばす力（軸力）に変換されることを前提に計算されています。

しかし、内アタリによって座面の接触面積が極端に小さくなると、

• 異常な面圧の発生: 狭い点に力が集中し、相手材を傷つけたり、座面が陥没したりする原因になります。
• 摩擦の不安定化: 接触状態が不安定なため、トルクが正しく軸力に変換されません。結果、トルクレンチの数値は正しくても、設計者が意itした締結力は全く得られていない、という事態に陥るのです。

これは他人事ではない？量産時に潜む罠

「試作品では全く問題が出なかったのに、量産に入った途端、原因不明の緩みやトルクダウンが頻発する…」

もし、このような事態に直面したら、量産でロットが変わったボルトの座面角を疑ってみてください。試作で使ったボルトは規格通りでも、量産ロットの品質にばらつきがあり、内アタリのボルトが混入している可能性は十分に考えられます。

また、この座面角の問題は、フランジボルトに限りません。特に、元々座面面積が小さいキャップボルト（ソケットヘッドボルト）やボタンボルトなどでは、内アタリの影響がよりシビアに現れるため、同様の注意が必要です。

まとめ：信頼性は細部に宿る

フランジ付き六角ボルトに規定された 0.25°～1.25° というわずかな座面角。これは、単なる製造誤差の許容範囲ではありません。

必ず「外アタリ」を実現させ、内アタリによる緩みと締結力不足を防ぐという、安全思想に基づいた極めて重要な設計値なのです。

ボルトを選定する際は、強度区分や材質だけでなく、こうしたJIS規格に準拠した適切な形状で作られているかを確認することが、機械や構造物の信頼性を確保する上で不可欠と言えるでしょう。

一松

機械設計　一筋20年

某理工学部機械工学科　大学/大学院卒業後メーカーに設計者として勤務
少しでも設計者のみなさんにお役に立てる情報を発信していければと思っています。