同じボルトを 20 回締め直す：受入れ状態の軸力は 22.8 kN から 15.7 kN へ、エンジン油を差した組は 2 割増えた

2007 年の質問

質問は 2007 年 11 月 21 日付です。タイヤとホイールを新しく買うので、6 年ほど使った貫通ナットも替えたほうがよいか、 それとも何年かごとに交換するものか、と尋ねています。

回答は 4 件で、二つに分かれました。ベストアンサーは、寿命はあり締付け回数に比例するが、廃車までのタイヤ交換は少ないので実質無視してよい、 ただしホイールを替えるならテーパー座の形が合うかを確認すること、と書いています。 残る 3 件は、かじり、締め過ぎ、さび、割れがなければ半永久的に使える部品だという意見で、うち 1 件は着脱のときに潤滑剤を吹くよう勧めています。

4 件とも測定データは示していません。ブダペスト工科経済大学の Talal Alsardia は 2024 年の論文の冒頭でホイールボルトを例に取り、 季節ごとのタイヤ交換だけで 5 年に 10 回の締め緩めになると書いています。以下は、その実験で測れたことと、測れていないことです。

試験の条件

ボルトは金物店で買った「いちばん安い」もので、ボルトとナットは同じ箱から取り、製造者・材料規格・ロットは不明です。 保全作業では材料規格の分からない市販ボルトが使われる場合があり、論文はそうしたケースを対象にしています。

見落としやすい点があります。潤滑は各組とも 1 回目の締付けの前に一度だけ施し、その後の 19 回は補っていません。 「エンジン油」の組が表しているのは、毎回油を差したボルトではなく、一度油を差したボルトを繰り返し使った場合です。

20 N·m はこのボルトにとって軽い条件ではありません。受入れ状態の 1 回目は平均 22.83 kN で、 同じ著者のもう一本の論文の表 1 にある 10.9 の保証荷重応力 830 MPa に M8 並目の標準の有効断面積 36.6 mm²（この値は二本の論文にはありません）を掛けると保証荷重は約 30.4 kN、 22.83 kN はその約 75% にあたります（当サイトの換算）。

1 回目から 1.8 倍の差

繰り返す前の時点で、同じトルクから得られる軸力は表面状態によって違っていました。最も高い MoS₂ が 23.71 kN、最も低い脱脂乾燥が 12.95 kN で、 差は 1.8 倍です。

K は T = K·F·D のトルク係数で、摩擦の影響をひとまとめにした値です。実測軸力から逆算しています。 理論値は著者が仮定した摩擦係数から計算したもので、合ったのはエンジン油の組だけでした。 受入れ状態は実測が理論より 5 割高く、K は 0.110 と MoS₂ に近い値です。 著者は、黒色ボルトに出荷時の防せい油が付いていた可能性があると推測していますが、油膜そのものは分析していません。 当サイトで読んだ ISO 8992 には、特に取り決めがなければ締結用部品は「清浄で、薄く油を引いた状態」で引き渡すとあります （清浄で、薄く油を引いた状態で）。

直感に反する点が一つあります。エンジン油を差した組の 1 回目は、受入れ状態より 5.125 kN 低くなりました（Dunnett 検定、p<0.001）。 「油を差すと同じトルクで軸力が上がる」は乾燥面と比べたときの話で、防せい油が付いていた可能性のある受入れ品と比べると、エンジン油を足したほうが低くなっています。 何と比べるかで、答えの符号が変わります。

20 回後、4 本の線は別々の方向へ

著者は平均値の推移を 2 本の直線のつながり（バイリニア）として整理しています。受入れ状態とエンジン油の組では、傾きの変わり目がどちらも 5 回目前後です。 受入れ状態は 5 回目まで変化がゼロ付近で揺れ、その後下がります。エンジン油は逆に 5 回目まで上がり、初回より約 2 割高いところで落ち着きます。

順位も入れ替わりました。2 回目は高い順に受入れ状態、MoS₂、エンジン油、乾燥。3 回目からエンジン油が MoS₂ を抜き、 最終的にはエンジン油、受入れ状態、MoS₂、乾燥の順で 20 回目まで変わりません。 20 回目にはエンジン油が受入れ状態を 2.620 kN 上回り（p=0.0143）、1 回目の 5 kN の遅れが逆転しています。

1 回目に最も高かった MoS₂ は 20 回で 44.7% 下がり、繰返し中のばらつきが大きく、K の範囲も広くなりました。著者は粉末が摩擦面で転がることと関係する可能性を挙げていますが、 表面分析で確かめてはいません。統計的には、潤滑状態、回数、その交互作用の三つがいずれも有意でした（二元配置混合 ANOVA、p<2×10⁻¹⁶）。 交互作用が有意ということは、回数の効く向きが潤滑状態によって変わるということです。

向きが逆になる理由

締付けトルクの大半は、ナット座面とねじ面という二つの摩擦面で消費されます。論文の序論が引く配分では、軸力になるのはトルクの 10〜20% だけです。 二つの面の状態が少し変われば、同じトルクで得られる軸力も変わり、締め緩めのたびにその面は変わっていきます。

同じ著者が László Lovas と書いたもう一本（JJMIE、2024）は、似た構成（万力でボルト頭部を固定、座金型の軸力計。トルクレンチの型式と精度は異なる）で M6・M8・M10、電気亜鉛めっきと黒染めの 2 種の表面、4 種の潤滑、各 4 回の締め緩めを行い、 タグチメソッドの L32 直交表で分散分析しています。K のばらつきのうち潤滑状態の寄与は 54〜79% （M8 54.44%、M10 67.97%、M6 78.79%）で、4 回までの回数の寄与は 1.9〜3.8% でした。

M6 のナット座面の粗さも測っています。4 回締め緩めした後、乾燥の組の Sa は新品の 41 µm から 54 µm に、油の組は 29.5 µm になりました。 乾燥面は荒れ、油を差した面はならされています。ナット座面で Sa が数十 µm というのは大きく、測定範囲の取り方による可能性があるので、 ここでは向きだけを取り、値には重みを置きません。

一本目は黒色ボルトだけなので、二本目のめっき品の動きは別に見ておく価値があります。下の表はその論文の M8 の K で、1 回目と 4 回目です。 トルクが一定なら軸力は K に反比例するので、右端の列は当サイトで換算しました。

受入れ状態の亜鉛めっき品は 4 回締めただけで、同じトルクでの軸力が約 3 割減りました。エンジン油を差しためっき品はほぼ変わっていません。 表から外した 3 つの値の理由は、この頁の最後の節に書きました。なお、この論文の亜鉛めっき品は強度区分 8.8、黒染め品は 10.9 で、 表面処理と強度区分がいっしょに変わっています。差をすべてめっきのせいにはできません。

「外したねじは再使用できるか」との関係

当サイトの外したねじは再使用できるかは、この問いを三つに分けています。ねじ自身は変わったか、めねじはもとのままか、摩擦は変わったか。 その三つ目で、二度目に同じトルクを使ったときの初期締付け力は一度目より高いことも低いこともあり、予測しにくいと書きました。

二本の論文は、M8 についてその一文に数字を与えています。向きは実際に両方へ振れ、潤滑状態によって異なりました。 同じ箱の新品を組に分け、受入れ状態の組は 20 回後に 3 割減り、1 回目の前にエンジン油を数滴差した組は 2 割増えています。 それでもあの頁の結論は古くなっていません。手元の継手がどの潤滑状態で、出荷時に何が付いていたかが分からなければ、向きは依然として分かりません。 この頁が足せるのは大きさです。この実験では、20 回後に受入れ状態で 31%、MoS₂ で 45% 減り、3〜4 割の差になりました。

現場での判断手順

「このボルトを元のトルクでもう一度締めてよいか」を決める人のための順番です。当サイトが二本の論文をもとに整理したもので、論文自体はこの手順を検証していません。

1. まず指示があるかを確認します。 自動車メーカーや装置メーカーが、外したら新品に交換、あるいは交換周期を定めているなら、それに従います。 論文の著者も結論で、多くの潤滑条件で新品の 1 回目の軸力が最も高かったことから、外したボルト・座金・ナットを再使用しない慣行を裏づける結果だと書いています。
2. その継手の軸力が設計で計算されているかを確かめます。 振動や疲労を受ける、摩擦で力を伝えるなど、ある軸力を前提にした継手なら、この実験の 20 回で 3 割減という大きさは設計値を割るおそれがあり、当サイトとしては新品への交換を勧めます。 単に固定するだけで締付け力を誰も計算していない継手なら、当サイトとしてはまずねじ山と座面の損傷を見ることを勧めます。論文は実際の継手の設計軸力や余裕を扱っていません。
3. 乾燥で規定された継手に、自分の判断で油を差さないでください。 エンジン油の組がいちばん安定していたので、「油を差せばよい」と読みたくなります。しかし締付けトルクはある摩擦状態を前提に決められていて、 ホイールボルトはその典型です。当サイトの別の頁で調べた数社は、ホイールボルトのねじ部を乾燥のままにするよう指示しています （一つのトルク値は、ある摩擦条件の組を前提にしています）。 この実験のエンジン油の組は 1 回目が受入れ状態より低く、20 回後には高くなりました。手元のボルトがどちらに振れるかは、事前には分かりません。
4. 指示が給油を求めているなら、指定の場所に、毎回同じように差します。 この実験のエンジン油の組は、一度差しただけで 5 回目以降は安定しました。著者は序論で Morgan と Henshall の 1996 年の大型車ホイールボルトの研究を引き、 エンジン油で潤滑し直すと軸力が安定したと紹介しています（当サイトはこの原論文を読んでいません）。
5. 亜鉛めっき品の繰返し着脱に注意します。 上の表の M8 では、受入れ状態のめっき品が 4 回で約 3 割減りました。強度区分 8.8 の M8 一組のデータで、めっき品全般の通則ではありません。頻繁に着脱し、しかも軸力に頼る箇所では、当サイトとしては着脱回数を記録するか、 軸力をより直接に反映する締付け管理に切り替えます。
6. 確かめる必要があるなら、一度測ります。 K は潤滑と回数で動くので、「この箱、この状態、何回目」の軸力を知るには、ISO 16047 のような方法で実測できます。 ボルトの伸びを測ればより直接に軸力を推定でき、回転角法は着座点の判定や摩擦の影響を受けます （規定トルクで締めても、締付け力が合っているとはかぎりません）。

知恵袋の質問に戻ります。5 年で 10 回という締め緩めはこの実験の範囲に入りますが、論文はホイールナットを試験していません。 知恵袋の回答が触れているのはテーパー座で、この試験は M8・20 N·m・平座金です。このデータから言えるのは、この一箱の M8 と四つの処理では同じトルクでの軸力が回数とともに動いたということで、 6 年使ったホイールナットを替えるべきかどうかは言えません。それは自動車メーカーの指示と、ねじ山・テーパー座の損傷の有無で決まります。

この頁から言えないこと

これは来歴不明の M8 黒色ボルト一箱、各条件 20 本、作業者 1 名、トルクレンチ精度 ±4% の実験室の結果で、 ほかの寸法・銘柄・めっきへ広げることはできず、部品の交換回数や年数にも換算できません。 「エンジン油の組は 20 回後に 2 割増えた」は給油の勧めではなく、その組の 1 回目は受入れ状態より低かったのです。 「出荷時の防せい油が付いていた可能性」は著者の推測です。ベストアンサーの「締めるたびにボルトが伸びる」については、論文はボルトの永久伸びを測っていないので、当サイトは肯定も否定もしません。 二本の論文はデータが重なっている可能性があります。受入れ状態の 1 回目の K（0.110）と、二本目の M8 黒染め・受入れ状態の 1 回目（0.11013）がほぼ同じで、論文は説明していないので、当サイトは独立した二つの証拠としては扱いません。 二本目のうち二つの値は採用しませんでした。M8 黒染め・受入れ状態の 4 回目 K 0.066 は 37.9 kN に相当し、36.6 mm² で当サイトが見積もった保証荷重約 30 kN より高く、一本目の「5 回目までは初回付近」とも矛盾します。 M8 亜鉛めっき・MoS₂ の 1 回目は 31.6 kN に相当し、同じ方法で見積もった 8.8 の M8 の保証荷重約 22 kN より高くなります。データ、表記、試験状態のいずれかに問題がある可能性があり、確認できるまで採用しません。 残る一つ（黒染め・MoS₂）は値に矛盾はありませんが、表を二つの表面がそろう潤滑条件だけにするために外しました。 この試験が測ったのは毎回締め切った直後の軸力だけで、使用中のリラクセーション、振動によるゆるみ、疲労は測っていません。潤滑は 1 回目の前だけで、毎回潤滑し直す場合は表していません。粗さは M6 のナット座面だけです。

この記事は六つの手順のどれか一つには収まりません。手順をまたいで出てくるか、組み付けたあとに出てくる話です。ここに行き着く判断がどこで下されているかはねじの決め方にまとめてあります。

よくある質問

同じボルトを締め直すと、軸力は必ず下がりますか？

必ずではありません。Alsardia（2024）は M8 ボルトを 20 N·m で 20 回ずつ締め緩めし、受入れ状態は 22.8 kN から 15.7 kN（約 −31%）、MoS2 は 44.7% 減、脱脂乾燥は約 21% 減でしたが、一度だけエンジン油を差した組は 17.7 kN から 21.4 kN（約 +21%）に上がりました。回数、潤滑状態、交互作用がいずれも有意で、推移の向きは潤滑状態で異なります。M8 一箱の結果です。

何回目から軸力が下がり始めますか？

この実験では、受入れ状態とエンジン油の組の変わり目がどちらも 5 回目前後でした。受入れ状態は 5 回目まで初回付近で揺れてから下がり、エンジン油は 5 回目まで上がって横ばいになりました。M8 一箱の結果で、一般的な回数の目安ではありません。

軸力を安定させるために、ねじに油を差してよいですか？

指示によります。締付けトルクはある摩擦状態を前提に決まっているので、乾燥で規定された継手（乾燥を指定したホイールボルトなど）に油を差すと、同じトルクでの軸力が設計値から外れます。この実験のエンジン油の組は 1 回目が受入れ状態より 5 kN 低く、20 回後は 2.6 kN 高くなりました。

亜鉛めっきボルトの繰返し着脱では何が違いますか？

Alsardia・Lovas（2024）の M8 では、受入れ状態の亜鉛めっき品は 4 回の締め緩めで K が 0.162 から 0.225 に上がり、同じトルクでの軸力に換算して約 28% 減りました。エンジン油を差しためっき品はほぼ変わりません。めっき品は強度区分 8.8、黒染め品は 10.9 なので、差をすべてめっきに帰すことはできません。

参考資料

• Alsardia, T.（2024）—— Bolt Preload Variations During Repeated Tightenings、Acta Polytechnica Hungarica 21(2):133–150
• Alsardia, T., Lovas, L.（2024）—— Investigation of the Effect of the Surface Treatment and Lubrication During Repeated Tightening on the Nut Coefficient of a Bolted Joint Using the Taguchi Method、Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering 18(1):131–144
• Yahoo!知恵袋（2007-11-21）—— ナットの寿命はあるのでしょうか
• ISO 16047 Fasteners — Torque/clamp force testing（二本の論文が採用した試験方法。当サイトは規格本文を読んでいません）
• 外したねじは再使用できるか：これは三つの問いです
• 一つのトルク値は、ある摩擦条件の組を前提にしています

二本の論文は全文を当サイトで読み、試験条件・軸力・K・検定結果・寄与率は原文の表のとおりです。変化率の −21% と +21%、亜鉛めっきの表の軸力変化、保証荷重約 30.4 kN と 75% の比率は当サイトの計算です（有効断面積 36.6 mm² は二本の論文にはありません）。「現場での判断手順」は当サイトが整理した提案で、論文は検証していません。Morgan・Henshall（1996）のホイールボルト研究は論文中の紹介で、原文は読んでいません。