ダブルシア設計:ブラケット設計がボルトの曲げ応力をなくす仕組み

Double Shear Engineering: How Bracket Design Eliminates Bolt Bending Stress featured image

ボルトのせん断応力を半分にすることは、両せん断の取り付けについて、ほとんどの人が知っている部分です。より重要な部分、そして、適切に設計された両せん断のブラケットが、片せん断のものよりも優れている本当の理由は、ボルトが、そもそも受ける応力の量だけでなく、応力の種類を変えることです。

両せん断の工学:ブラケットの設計がボルトの曲げ応力をなくす仕組みの技術概念図
記事のガイダンスに基づく概念図。正確な部品と車両で確認してください。

片せん断の問題:ボルトが片持ち梁になる

両せん断の工学:ブラケットの設計がボルトの曲げ応力をなくす仕組みの技術概念図2
記事のガイダンスに基づく概念図。正確な部品と車両で確認してください。

片せん断の接合部では、加えられた荷重が、ボルトのせん断面を、正確に通らない場合、そのずれが、偏心モーメントを生み、ボルトは、せん断されるだけでなく、曲げられる、小さな片持ち梁のように振る舞い始めます。ボルトの曲げ応力は、そのモーメントと、ボルト自身の幾何形状に比例し(モーメント=力×偏心、結果の応力は、そのモーメントに比例)、ボルトは、その長さに比べて、比較的細いため、わずかなずれでも、すでに受けているせん断応力に加えて、意味のある曲げ応力を生じます。

両せん断が実際に変えるもの

両せん断のブラケットは、ボルトを、1つではなく、2つのせん断面の間に置きます。接続部をまたぐ、2枚の支持板、または1対のブラケットアームです。これは2つのことを行い、2つ目のほうが、1つ目よりも重要です。

  1. 荷重が2つのせん断面に分散され、同じ加えられた力に対して、片せん断の接合部が受けるせん断応力の半分に下がります。
  2. 荷重経路が対称になります。両側に、適切に位置合わせされた、同一のブラケットアームがあると、ボルトの両側で生じるモーメントは、反対方向に働き、ほぼ互いに打ち消し合います。ボルトは、曲げ荷重の下の片持ち梁のようには、もはや振る舞わず、本来あるべき姿である、せん断ピンとして、曲げの成分を設計で取り除かれた、純粋なせん断で、荷重を支えます。

その2つ目の点が、両せん断の本当の工学上の利点で、単に「応力が半分」というだけでなく、ボルトにとって、根本的に異なる、より有利な荷重条件です。

ブラケットが、これを正しく行うために、実際に必要とする3つのこと

接合部を名前だけ「両せん断」にしても、自動的に、完全な利点が得られるわけではありません。幾何形状が、3つのことを正しく行う必要があります。

  • 荷重を、ボルトの中心線に合わせる。力の経路は、実際にボルトの軸を通る必要があります。技術的には両せん断でも、荷重を中心から外して導くブラケットは、両せん断が取り除くはずの曲げの問題を、再び生じさせます。
  • 両側を対称に保つ。2つのブラケットアームには、各せん断面での力が、本当に等しくなり、正味の不均衡を残さず、実際に打ち消し合うよう、等しい間隔、厚み、素材の剛性が必要です。
  • 十分なブラケットの剛性を持つ。ブラケットアーム自体が、荷重の下で弾性的にたわむと、非対称な荷重が再び生じ、両せん断が提供するはずの理論上の利点が損なわれます。十分に剛性のない両せん断のブラケットは、真の両せん断システムというよりも、互いに逆らって働く、2つの片せん断の接合部に近いものです。

3つすべてを正しく行えば、ボルトは、決して寸法を決められていない曲げ荷重と格闘するのではなく、実際に得意とする仕事、つまり純粋なせん断を行います。

片せん断と両せん断のどちらの取り付けを使うべきか、そして、片せん断が避けられない場合にどうするかという、より広い問いについては、片せん断と両せん断の取り付けの解説をご覧ください。


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Danny Ni エンジニアリング&機械システムのライター
Danny Niは、SYZ Machineでエンジニアリングを専門とするテクニカルライターで、機械部品、リンケージシステム、実際の用途に即したエンジニアリングを得意としています。アフターマーケットの車両部品、産業用ジョイント、機械の原理を扱い、複雑なエンジニアリングの概念を、エンジニア、製作者、業界のバイヤーに役立つ実践的な知見へと落とし込んでいます。

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