ねじ機構

ねじは、回転運動を直線運動に、トルク（回転力）を直線力に変換する機構である。^{[1]これは、6 つの古典的な}単純機械の 1 つである。最も一般的な形式は、外側にねじ山と呼ばれる螺旋状の溝または隆起がある円筒形のシャフトで構成される。 ^{[2] [3]}ねじは、別の物体または媒体の穴を通過し、穴の内側にはねじ山があり、ねじ山と噛み合う。ねじのシャフトが固定されたねじ山に対して回転すると、ねじは周囲の媒体に対して軸に沿って移動する。たとえば、木ねじを回転させると、木にねじが押し込まれる。ねじ機構では、ねじ軸が固定された物体のねじ穴を通って回転するか、ナットなどのねじ山付きカラーが固定されたねじ軸の周りを回転するかのいずれかである。^{[4] [5]幾何学的には、ねじは}円筒の周りに巻かれた狭い傾斜面 と見なすことができます。^[1]

他の単純な機械と同様に、ネジは力を増幅することができます。シャフト上の小さな回転力 (トルク) は、負荷に大きな軸方向力を加えることができます。ピッチ(ネジのねじ山間の距離) が小さいほど、機械的利点(出力と入力の力の比率) が大きくなります。ネジは、物体を固定するためのねじ留め具や、容器のネジ蓋、バイス、ネジジャッキ、ネジプレスなどの装置に広く使用されています。

同じ原理を使用する他の機構（ネジとも呼ばれます）には、必ずしもシャフトやネジ山があるわけではありません。たとえば、コルク抜きは、先端が鋭い螺旋状の棒で、アルキメデスのネジは、回転する螺旋状のチャンバーを使用して水を上向きに動かす水ポンプです。すべてのネジに共通する原理は、回転する螺旋によって直線運動を起こせるというものです。

ねじは最後に発明された単純な機械の一つです。^[6]最初にメソポタミアの新アッシリア時代（紀元前911-609年）に登場し、^[7]その後古代エジプトや古代ギリシャにも登場しました。^{[8] [9]}

記録によると、スクリューポンプは古代エジプトで初めて使われたとされています。 ^{[10] [11]それはギリシャの哲学者}アルキメデスが紀元前234年頃にアルキメデスのスクリューポンプについて記述するより少し前のことです。 ^[12]アルキメデスは機械としてのスクリューの最古の理論的研究を著し、^[13]古代ギリシャにスクリューを導入したと考えられています。^{[9] [14]}紀元前1世紀までに、スクリューはスクリュープレスやアルキメデスのスクリューの形で使用されていました。^[10]

ギリシャの哲学者は、ねじを単純な機械の1つとして定義し、その（理想的な）機械的利点を計算することができました。^[15]たとえば、アレクサンドリアのヘロン（紀元後52年）は、ねじを「負荷を動かす」ことができる5つのメカニズムの1つとして挙げ、それを円筒の周りに巻き付けられた傾斜面として定義し、その製造方法と用途を説明しました。^[16]雌ねじを切るためのタップ の説明も含まれています。 ^[17]

ねじは複雑な螺旋形状を手で苦労して切らなければならなかったため、古代世界では機械の連結部としてしか使われていませんでした。ねじ留め具は、ねじ切り旋盤が開発されてから15世紀に時計に使われるようになりました。^[18]また、この頃、ヨーロッパの絵画にオーガーやドリルの絵が登場し始めたころ、ねじは穴あけや（水以外の）材料の移動にも使われていたようです。^{[12]ねじを含む単純な機械の完全な動力学}理論は、 1600年にイタリアの科学者ガリレオ・ガリレイによって「機械力学について」で解明されました。 ^{[9] : 163  [19]}

ねじ山の細かさや粗さは、密接に関連した2つの量によって定義されます。^[5]

• リードは、シャフトの1回転（360°）でスクリューが移動する軸方向の距離（スクリューの軸に平行）として定義されます。リードはスクリューの機械的利点を決定します。リードが小さいほど、機械的利点は高くなります。^[20]
• ピッチは、隣接するねじ山の山頂間の軸方向の距離として定義されます。

ほとんどのネジは「一条ネジ」と呼ばれ、1 本の螺旋状のネジが巻かれており、リードとピッチは同じです。異なるのは、複数のネジが絡み合っている「多条ネジ」だけです。これらのネジでは、リードはピッチに条数を掛けたものに等しくなります。多条ネジは、ボトルのネジ蓋やボールペンなど、一定の回転で大きな直線運動が必要な場合に使用されます。

ねじの螺旋は2つの方向にねじれる可能性があり、これを利き手性といいます。ほとんどのねじ山は、上から見て、時計回りに回すとねじ軸が見る人から離れる方向（ねじが締まる方向）に向いています。^{[21] [22]}これは右手握りのルールに従うため、右ねじ（RH）と呼ばれます。つまり、右手の指を回転方向に軸の周りに曲げると、親指は軸の移動方向を指します。反対方向のねじ山は左ねじ（LH）と呼ばれます。

慣習上、ねじ山の利き手は右利きがデフォルトです。^[21]そのため、ほとんどのねじ部品と留め具には右ねじが付いています。右ねじが標準になった理由の1つは、右利きの人にとって、ドライバーで右ねじを締める方が、腕の弱い回内筋ではなく強い回外筋を使用するため、左ねじを締めるよりも簡単であるという点です。^[21]ほとんどの人が右利きであるため、ねじ山付き留め具では右ねじが標準になりました。

機械のねじリンクは例外で、どちらがより適切であるかに応じて右ねじまたは左ねじになります。左ねじは、他の用途でも使用されます。

• シャフトの回転により、フレッティングによる歳差運動により、従来の右ねじナットは締まるのではなく緩んでしまいます。例:
  • 自転車の左手ペダル。^{[21] [23]}
  • 丸鋸刃またはベンチグラインダーホイールを固定する左側のネジ。
• ターンバックルや取り外し可能なパイプセグメントなど、両端にねじ山があるデバイスもあります。これらの部品には右ねじと左ねじが 1 つずつあるため、部品を回すと両方のねじ山が同時に締まったり緩んだりします。
• 一部のガス供給接続では、危険な誤接続を防止します。たとえば、ガス溶接では、可燃性ガス供給ラインは左ねじで取り付けられているため、右ねじを使用する酸素供給と誤って切り替えられることはありません。
• 一般の人が電球を使えないようにするため（盗難防止のため）、一部の鉄道や地下鉄の駅では左回りの電球が使用されている。^[21]
• 棺の蓋は伝統的に左ねじで留められていたと言われている。^{[21] [24] [25]}

さまざまな用途に使用されるねじには、さまざまな形状（プロファイル）のねじ山が使用されています。異なるメーカーの部品が正しくかみ合うように、ねじ山が標準化されています。

ねじ角度は、軸に平行な断面で測定された、ねじの 2 つの支持面間の挟角です。軸方向の荷重力と支持面の法線との間の角度は、ねじ角度のほぼ半分に等しいため、ねじ角度は、ねじの摩擦と効率、および摩耗率と強度に大きな影響を与えます。ねじ角度が大きいほど、荷重ベクトルと表面法線との間の角度が大きくなり、特定の荷重を支えるために必要なねじ間の法線力が大きくなります。したがって、ねじ角度が大きくなると、ねじの摩擦と摩耗が増加します。

外向きの角度付きねじ座面は、荷重力が作用すると、ナットに半径方向（外向き）の力も加え、引張応力を引き起こします。この半径方向の破裂力は、ねじ角度が大きくなるにつれて大きくなります。ナット材料の引張強度が不十分な場合、ねじ角度の大きいナットに過度の荷重がかかり、ナットが割れることがあります。

ねじの角度もねじの強度に影響します。角度が大きいねじはねじ山の根元がねじのサイズに比べて広くなり、強度が増します。

ねじ式締結具では、締結具が緩むのを防ぐために、大きな摩擦が許容され、通常は望まれます。^[5]そのため、締結具に使用されるねじは通常、60°の大きなねじ角度を持ちます。

• (a) V ねじ -穴を切るために鋭い刃先を必要とする木ねじや板金ねじなどのセルフタッピングねじ、および止めねじや調整ねじのようにねじが動かないようにするために追加の摩擦が必要な場所、およびねじ付きパイプ継手のように接合部が流体密封でなければならない場所に使用されます。
• (b) アメリカ規格- これは、ほぼ同一の ユニファイねじ規格に置き換えられました。V ねじと同じ 60° のねじ山角度ですが、底が平らなので強度が増します。ボルト、ナット、さまざまな留め具に使用されます。
• (c) メートルねじ - これらのねじは ISO および DIN 規格で指定され、共通です。
• (d) ウィットワースまたは英国規格 - 非常によく似た英国規格ですが、統一ねじ規格に置き換えられました。

対照的に、リードスクリューやジャックスクリューなどの機械リンク機構では、摩擦を最小限に抑える必要があります。 ^[5]そのため、角度の小さいねじが使用されます。

• (e) 四角ねじ - これは最も強度が高く、摩擦が最も少ないねじで、ねじ山角度は 0°です。 ^[5]ナットに破裂力を加えません。ただし、製造が難しく、エッジをアンダーカットする必要があるため、シングルポイントの切削工具が必要です。^[5]ジャックスクリューやリードスクリューなどの高負荷用途で使用されますが、ほとんどがアクメねじに置き換えられています。代わりに、製造コストが安い、小さな 5° のねじ山角度を持つ修正四角ねじが使用されることもあります。
• (f) アクメねじ - 28°のねじ山角度のため、四角ねじよりも摩擦が大きくなりますが、製造が容易で、スプリットナットを使用して摩耗を調整することができます。^{[5]旋盤などの機械の}バイス、Cクランプ、バルブ、シザージャッキ、リードスクリューに広く使用されています。
• (g) バットレスねじ- これは、 スクリュージャッキなど、一方向にのみ荷重がかかる高荷重用途で使用されます。^[5]軸受面の角度が0°であるため、四角ねじと同等の効率ですが、より強く、製造が容易です。
• (h) ナックルねじ - 角が丸くなって損傷を防ぎ、摩擦力も増した四角ねじに似ています。強度の低い用途では、シート材を圧延して安価に製造できます。電球やソケットに使用されます。

• ネジは、そのセルフロック特性（下記参照）により、木ネジ、板金ネジ、スタッド、ボルトとナットなど、物体や材料を固定するためのねじ留め具に広く使用されています。
• セルフロック特性は、コルク抜き、ねじ式容器の蓋、ねじ付きパイプジョイント、万力、C クランプ、ねじジャッキなど、他の幅広い用途でのねじの使用にも重要です。
• ねじは、ウォームギア、リードスクリュー、ボールスクリュー、ローラースクリューなど、機械の動力伝達用のリンク機構としても使用されます。効率が低いため、ねじリンク機構は高動力の伝達にはほとんど使用されず、位置決めアクチュエータなどの低動力で断続的な用途に使用されることが多いです。
• 回転するらせん状のスクリューブレードまたはチャンバーは、アルキメデスのスクリュー、オーガーアースドリル、スクリューコンベアで材料を移動するために使用されます。
• マイクロメータは精密に校正されたネジを使用して、非常に正確に長さを測定します。

スクリュープロペラは、スクリューという名前は同じですが、上記の種類のスクリューとはまったく異なる物理的原理で動作するため、この記事の情報は適用されません。

ねじ軸が 度の角度で回転したときに移動する直線距離は次のとおりです。 ${\displaystyle d\,}$${\displaystyle \alpha \,}$

${\displaystyle d=l{\frac {\alpha }{360^{\circ }}}\,}$

ネジのリードは どこ ですか。${\displaystyle l\,}$

単純な機械の距離比は、加えられた力が移動する距離と負荷が移動する距離の比として定義されます。ねじの場合、これはシャフトの端にある点が移動する円周距離d _{in と}シャフトが移動する直線距離d _outの比です。rがシャフトの半径である場合、1 回転でねじの縁にある点は 2π rの距離を移動し、シャフトはリード距離lだけ直線的に移動されます。したがって、距離比は 次のようになります。

${\displaystyle {\mbox{距離比}}\equiv {\frac {d_{in}}{d_{out}}}={\frac {2\pi r}{l}}\,}$

ねじの機械的利点 MAは、シャフトが負荷にかける軸方向の出力力F _outと、シャフトを回転させるためにシャフトの縁にかける回転力F _inの比として定義されます。摩擦のないねじ(理想ねじとも呼ばれます) の場合、エネルギー保存則から、ねじを回転させる入力力によってねじに行われる仕事は、ねじが負荷力に対して行う仕事に等しくなります。

${\displaystyle W_{in}=W_{out}\,}$

仕事は、力と作用する距離の積に等しいので、ねじの 1 回転で行われる仕事は で、負荷にかかる仕事は です。したがって、ねじの理想的な機械的利点は、距離比に等しくなります。 ${\displaystyle W_{in}=2\pi rF_{in}\,}$${\displaystyle W_{out}=lF_{out}\,}$

ねじの機械的利点は、そのリードに依存することがわかります。ねじ山間の距離が短いほど、機械的利点は大きくなり、一定の力に対してねじが発揮できる力が大きくなります。ただし、実際のねじのほとんどは摩擦が大きく、その機械的利点は上記の式で与えられる値よりも小さくなります。 ${\displaystyle l\,}$

ネジに加わる回転力は、実際にはトルク です。このため、ネジを回すために必要な入力力は、シャフトからどれだけ離れた位置に加わるかによって異なります。シャフトから遠いほど、回すのに必要な力は少なくなります。ネジにかかる力は、通常、上で想定したように縁に加わるわけではありません。多くの場合、何らかの形のてこによって加わります。たとえば、ボルトは、ハンドルがてこの役割を果たすレンチで回します。この場合の機械的利点は、上の式のrにてこアームの長さを使用して計算できます。この余分な要素r は、トルクで表すことで上の式から取り除くことができます。 ${\displaystyle T_{in}=F_{in}r\,}$

${\displaystyle {\frac {F_{out}}{T_{in}}}={\frac {2\pi }{l}}\,}$

動いているねじと固定されているねじの間の滑り接触面積が大きいため、ねじは通常、摩擦によるエネルギー損失が大きくなります。十分に潤滑されたジャックねじでさえ、効率はわずか 15% - 20% で、ねじを回すときに加えられる残りの仕事は摩擦によって失われます。摩擦を考慮すると、機械的利点は距離比に等しくなくなり、ねじの効率にも依存します。エネルギー保存則から、ねじを回す入力力によってねじに行われる仕事 W _{in は}、負荷を移動させる仕事W _outと、ねじの 摩擦 によって熱として消散する仕事W _fricの合計に等しくなります。

${\displaystyle W_{in}=W_{out}+W_{fric}\,}$

効率ηは、 出力仕事と入力仕事の比として定義される0から1の間の無次元数である。

${\displaystyle \eta =W_{out}/W_{in}\,}$

${\displaystyle W_{out}=\eta W_{in}\,}$

仕事は力と 移動距離の積として定義されるので、${\displaystyle W_{in}=F_{in}d_{in}\,}$${\displaystyle W_{out}=F_{out}d_{out}\,}$

${\displaystyle F_{out}d_{out}=\eta F_{in}d_{in}\,}$

${\displaystyle {\frac {F_{out}}{F_{in}}}=\eta {\frac {d_{in}}{d_{out}}}\,}$

あるいはトルクに関して

${\displaystyle {\frac {F_{out}}{T_{in}}}={\frac {2\pi \eta }{l}}\qquad \,}$

したがって、実際のねじの機械的利点は、理想的な摩擦のないねじの場合よりも効率によって減少します。効率が低いため、動力機械では、ねじは大量の動力を伝達するための連結装置としてはあまり使用されず、断続的に動作するポジショナーに使用されることが多いです。^[5]${\displaystyle \eta \,}$

摩擦力が大きいため、実際に使用されているほとんどのネジは「セルフロック」、つまり「非往復型」または「非オーバーホール型」になっています。つまり、シャフトにトルクを加えるとシャフトは回転しますが、加えられたトルクがゼロであっても、シャフトに対する軸方向の負荷力がどれだけあっても、反対方向に回転することはありません。これは、 「往復型」または「非ロック型」の他の単純な機械とは対照的です。つまり、負荷力が十分に大きい場合は、後方に移動するか「オーバーホール」します。したがって、機械はどちらの方向にも使用できます。たとえば、レバーでは、負荷端の力が大きすぎると、加えられた力に応じて作業を行いながら後方に移動します。ほとんどのネジはセルフロックするように設計されており、シャフトにトルクがない場合は、そのままの位置に留まります。しかし、ピッチが十分に大きく、潤滑が良好な一部のねじ機構はセルフロックせず、オーバーホールが必要になる。また、プッシュドリルなどのごく少数のねじ機構は、この「逆」の意味でねじを使用し、軸力をシャフトに加えてねじを回す。ねじが緩むその他の理由としては、アセンブリの設計が不適切であることや、衝撃、振動、動的負荷などの外力がねじ山や嵌合/クランプ面で滑りを引き起こすことが挙げられる。^[26]

このセルフロック特性は、木ネジ、板金ネジ、スタッド、ボルトなどのネジ留め具でネジが多用されている理由の1 つです。ファスナーを回して締めると、締結されている材料や部品に圧縮力が加わりますが、部品からどれだけの力が加わってもネジが逆回転して緩むことはありません。この特性は、ネジをネジ蓋付きコンテナの蓋、バイス、C クランプ、スクリュー ジャッキに使用する際の基準でもあります。ジャッキ シャフトを回すと重い物体を持ち上げることができますが、シャフトを放すと持ち上げた高さに留まります。

ねじは、効率が50％未満の場合にのみセルフロックされます。^{[27] [28] [29]}${\displaystyle \eta \,}$

${\displaystyle \eta ={\frac {F_{out}/F_{in}}{d_{in}/d_{out}}}={\frac {F_{out}}{F_{in}}}{\frac {l}{2\pi r}}<0.50\,}$

ねじがセルフロックするかどうかは、最終的にはピッチ角とねじ山の摩擦係数によって決まります。十分に潤滑された低摩擦のねじ山で、ピッチが十分に大きい場合は、「オーバーホール」が発生する可能性があります。また、クランプされた部品が十分にしっかりとクランプされ、完全に動かないようにする必要があります。そうしないと、ねじ山またはクランプ面が滑ることがあります。^[26]

ウィキメディア・コモンズには、ねじに関連するメディアがあります。