手で締めたタイヤのナットはなぜ一度だけ緩むのでしょうか。

質問

北国ではマイカーのタイヤを冬タイヤに履き替える時期が到来し、過日、私も作業を済ませました。
最近は、ガソリンスタンドで履き替えをしてもらう人も増えていますが、私は、毎年、標準で付属してきたジャッキを使って、自分で履き替えをしています。
そこで、疑問なのですが。
自分で履き替えの作業をするときは、当然、タイヤのナットはレンチを使って手作業で締め付けるのですが、履き替え後、数十キロ車を走らせると、ナットが自然に緩み「増し締め」をする必要が出てきます。
しかし、一度増し締めをすると、今度は、いくら走ってもナットは緩みません。
（次にタイヤを交換するとき、レンチでナットを緩めようとすると、適度な固さで締まっているのがわかります。）

もちろん、ガソリンスタンドでタイヤを履きかえると、その後に増し締めの必要がないのは、機械で（人力では及ばないような強い力で）ナットを締め付けているからと思われます。
しかし、そう考えると、自分で作業をした場合、やはり手作業の弱い力で締め付ける「増し締め」のあとにも、更に「増し締め」が必要になりそうなものですが…実際はそうなりません。
毎年、春と秋にタイヤを履きかえる都度、疑問に思っていました。

専門的には、機械工学？などの分野の問題になるのでしょうか。
そのへんの原理がお分かりの方がいらっしゃれば、ご教示をお願いします。

回答No.13

LB05

クルマの研究で食ってる者です。ボルト（工学的に言うとねじ)の設計も、結構勉強しましたよ～。

>専門的には、機械工学？などの分野の問題になるのでしょうか。

　その通り。具体的には『機械要素』というジャンルの、更に『ねじ設計法』に係る話です。ねじは１人のヒトの一生では研究し尽くせないほど複雑な工学的テーマであり、ねじだけを研究している研究者も大勢いらっしゃいます。

　さて・・・

>手で締めたタイヤのナットはなぜ一度だけ緩むのでしょうか。

　工学的には『初期ゆるみ』と言われる現象です。

※ねじを締めるというのは、基本的にボルトを『伸ばす』行為で、この伸びたボルトが戻ろうとする力を『軸力』と言います。
　軸力はねじの部分にモーレツな摩擦力を生み、締め付け終了寸前では、実はねじ部分の『すべり』がシブくなり、締め付けトルクはボルトをねじる為に浪費されてしまいます。（故にボルトの締め付けトルクをいくら管理しても、実際には軸力に最大５０％ものバラツキが出ます。)

※トルクレンチがカチっといってトルクが合った、と安心していても、クルマを走行させると振動でボルトがねじられた分がちょっとづつ戻ります。
　これがボルトの初期ゆるみで、『締め付けトルク法』（皆様がフツーにトルクレンチで締めている方法)を使っている限り、大なり小なり必ず起こります。
　つまりボルトの初期ゆるみは『仕方のないこと』であり、ただそのゆるみが『問題になるか』『無視してもよいか』の違いがあるだけです。

※ここで増し締めすると、またボルトがねじられるワケですが、しかしねじられながらも少しはねじが進みます。（ねじがねじ込まれます。)
　この少しの『進み』で、ねじは安定した軸力が出せ、見かけ上も工学上も『ゆるまなくなった』と見なすことが出来るワケです。

※というワケで初期ゆるみが発生するのは仕方がないですが、しかしこの初期ゆるみを、ある程度は小さくする締め付け方法があります。

１)インパクトレンチで締めると初期ゆるみが大きくは出ない、ということは確かにあります。
　これはボルトを締め付けながら、インパクトの衝撃がボルトのねじりを解放することになる為で、決して『手で締めるより強い締め付けが出来る』からではありません。

２)ボルトのねじ部と座面に、油を塗ります。
　結局のところ、余計な摩擦力がボルトのねじりを生んでいるという事が上記の内容で判りましたね？それでは、その摩擦係数（いわゆるμ・・・ってのは高校で習ったと思いますが)を安定させるか下げるかすれば、もっと安定したボルト締め付けが出来るはずです。
　そこでねじ部や座面（ホイールナットの場合はテーパ部)にグリスを塗ります。（CRC5-56やエンジンオイル、ギヤオイルでもOKですが、これらは柔らか過ぎて遠心力で飛び散ってブレーキやホイールがヌルヌルになってしまうので、あまり賢くありません。細いボルトを超絶締め付けトルクで使うレーシングカーでは、銅粉やモリブデンなどの極圧剤が入った高級グリスを使っています。）
　ねじに油など塗るとゆるんでしまいそうな気がしますが、それは単なる『シロート考え』です。考えてみてください。超高性能潤滑油のジャブ漬けになっているエンジンや変速機の内部で、ボルトがゆるむことはありませんよね？

※実際にホイールナットを締め付ける場合ですが・・・ねじ部にコメ粒程度のグリスを付ければ十分です。更にテーパ部は『ひと塗り』程度で構いません。締め付けると面圧が上がって油が伸びるので、油の量はホンの１滴でオッケーです。（ただ、ホイールナットは無潤滑で締め付ける様に設計されているので、潤滑した場合は締め付けトルクを１０％程度下げる必要はあります。）
　これで初期ゆるみはかなり緩和されますが、それでも上述した様に初期ゆるみは必ず発生するので、定期的なトルクチェックが不要になるワケではありませんが・・・。

３）究極の締め付けワザとしては、トルク管理法をやめて『トルク勾配法』や『塑性域角度法』という締め付け法があります。（『塑性域角度法』は、エンジン内部など、絶対ゆるみが許されないボルトを締め付ける時に使われるワザです。）
　これらで締め付ければ初期ゆるみは殆ど無視出来る程に緩和されますが、どちらもねじ部の状態や締め付けトルクなどの管理が非常に難しく、また一端締め付けてしまうとボルトを引き伸ばしてしまうので反復利用が出来ない、更には締め付け作業の管理が十分でないと『遅れ破壊』という現象が起こってある日突然ボルトが破断することもあり、ホイールナットの締め付けには向きません。

お礼

専門的知見に基づくご意見は、大変参考になりました。ありがとうございます。
なお、回答者各位に共通のお礼を、便宜、＃１の回答者さまのお礼欄に記入させていただきました。

補足

この欄をお借りして、ご回答者のみなさまに、（中間的に）お礼を申し上げます。

ご回答者のみなさまの投稿は、どれも関心深く読ませて読ませていただいています。
お蔭さまで、私の疑問は、どうやら「初期なじみ」「初期ゆるみ」というキーワードに理解のポイントがありそうで、それは、ボルト・ナットという機構に（工学的に、通常は）不可避の現象だが、（実務的には）ナットの締め付けの方法や工程を工夫することで、相当程度その影響を軽減するができ、完全に防いでいる実例もある－というところまで理解が進んできました。もう少しだけ、他の回答者さまの出現を待ち、ご意見を伺いたいと思いますが、各位の懇切なアドバイスに－中〆として－厚くお礼申し上げます。

これまでの回答者さまの中に既にもおられたのかも知れませんが、今回は、工学屋さんから、その専門的知見に基づくご回答をいただきました。
私のなりわいは法律実務ですが、実は、今、法律の世界では、若手実務家を中心に「法律工学」ということが言われています。従来の法律学が、ともすると理論的鮮明さを重視する傾向があったことの批判から生まれ、「紛争の解決に有用な手段としての法律」ということが志向されてきています。
以前、テレビの番組で、千葉工業大学の先生が、次のような発言をなさっていたことが、心に残っています。
「（理学の世界と比べて）工学の世界は、社会と直結しているのです。社会の中で役立って、初めて、その有用性が評価されるのです。」
私も同じように心がけたいと考えていたところ、思わず、（他の分野の）工学屋さんと接点を持つことができ、たいへん嬉しく思います。