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ネジ・ボルトの基礎


 
numero_nero  2010-10-22 20:43
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ネジ・ボルトの基礎
購入価格 お金は今回関係なし。

ネジやボルトに関する四方山話。
軽量化の為に材質置換したりいたんでしまったものを交換したりする際の参考になればと思い、基礎からのおさらいをまとめてみました。ご自分で全てのメンテを行われてボルトの調達などにも不安がない、という方にとってとくに新しい情報はこのレビューにはないと思われます。正直ネジやボルトを交換する時、ネジ屋さんに何を伝えたらいいかわかんねぇよ…という方の為のリファレンスになればと思います。

・各部の名称
 レンチを差し込む部分をヘッドと呼びます。
自転車でもっともよく使われるこの六角穴ボルトはヘックス(hex)とかアーレン(Allen)とも呼ばれてます。今ではもう自転車にほとんど使わなくなりましたが、ヴィンテージパーツやママチャリだとレンチ穴のない六角ボルト(hex head。スパナとかソケットで回すアレ)もあります。
 軸をシャフトと呼びます。
どんなボルトでもスクリューでもこのシャフトにネジ(螺旋)が切ってあるわけですが、軸の回転に合わせて螺旋が上下に移動して物を締結する原理はすべて共通。この軸に絡まる糸状の螺旋をスレッド(thread=糸)と呼び、一回転したとき上下に移動する量(=スレッド頂点間の距離)をピッチと呼びます。ほとんどのネジは時計回りで締まっていきますが、この逆も存在します。逆ネジとよばれるものですね。ペダルやBBなど一部の回転部分に使われています。

・サイズについて
ボルト類にはインチ規格(Imperial)とメートル規格(Metric)がありますが、一部の特殊なパーツを除いてほぼ全面的にメートル規格が採用されているので、ここではインチ規格は扱いません。ボルトの太さはM○と表記されます。例えばM5ならばスレッド部の外径(=ネジ山の頂)が5mm(正確にはそれよりちょっと細いけど)のものを指します。紛らわしいのですが、対応レンチのサイズと混同してはいけません。通常自転車にはM3~M17まで色んなサイズのものが使われていますが、使われる頻度が高い順にM5、M4、M6、M3って感じです。フルサスMTBだとピボット等M6やM8の使用箇所が増えるでしょう。古いカンパのブレーキや一部のシートポストにはM7も使われていますが、かなりレアですな。通常はシャフト径より1mm細い六角穴を切りますが、後述するナベやサラボルトの中にはM6だけど使うレンチは3mmのように六角穴が小さいなんてこともあります。逆にシャフト径よりも大きなレンチを使うこともあります。例えばSRAMのディレーラーワイアークランプはM5のボルトですが、六角穴が通常M6で使うサイズ5mmになっています。長さについては通常シャフト部のみを測り、ヘッド部分は含みません。30mm以上の長いボルトになると、先端から20mm位までしかスレッドを切っていないことがほとんど。ヘッド真下までネジ切ってあるものを全ネジと呼びます。ホームセンター等で売られているスチールボルトは大抵全ネジですね。前項で述べたピッチには規格(国際的にはISO、JISが準じています)があります。

M4=0.7mm
M5=0.8mm
M6=1.0mm
M8=1.25mm

中にはファインピッチ(細目)と呼ばれる間の詰まったスレッドも存在します。
 例えばM5ネジのピッチは通常0.8mm(写真左)ですが、ファインピッチだと0.5mm(写真右)になり当然両者に互換性はありません。
そう頻繁に遭遇はしませんが、ファインピッチはカンパのボルトや一部の軽量パーツメーカーのアジャストスクリュー・ハブナット・クイック等に使われているので、ネジを交換する際には確認しておきましょう。

・対応レンチについて
自転車のパーツに使用されているボルトやネジのほとんどはヘックス(hex, hexagonal)と呼ばれる六角穴のついたものが使用されています。カンパをはじめ一部のメーカーではこのヘックスにかわりトルクス(Torx)と呼ばれる星型のレンチを使用している場合もあります。

非常に紛らわしいことに、このトルクスはヘクサローブ(hexalobe)あるいはヘクサロビュラと呼ばれることもあります。トルクスは商標名でヘクサローブが正式な名称なのですが、もはやバンドエイドのようにほとんど定着してしまっています。こちらのほうがヘックスより若干穴が大きくなるのでほんのちょっとだけ軽いとか、レンチとの接触面が多いのでなめにくくトルクをかけやすいとかいわれていますが、重量差は多分M5を10本集めても1~2gという程度だし、自転車で要求されるトルクなんてほとんどが10Nm以下なのでレンチ穴強度の差もほとんど関係ないですね。お好きなほうを選べば良いと思います。

このTorxにはさらに、穴の中心に突起を設けて専用レンチ以外では扱えないようにしたものが存在し、いじり止めトルクスとかトルクスプラスなどと呼ばれています。トルクス対応レンチを買う際は、穴あきタイプのものを買っておけば後でこのトルクスプラスが必要になった時買い増ししなくて済みます。もちろん穴あきレンチは通常のトルクスボルトにも問題なく使えます。レンチヘッドにヘックスよりも高い精度が要求されるので、できればケチらずWeraかPBあたりのレンチを用意しましょう。

・ヘッド形状について
1. キャップボルト:現在自転車に使われているボルトで一番多く目にする形状。
 円柱形状のものをストレートキャップ、
 円錐状に追加工したものをテーパーキャップと呼んでいます。
強度の差はないはずなので、テーパーキャップを使ったほうが若干ですが軽くなります。英語ではこのボルトをSocket screwもしくはboltと呼びます。
 締結する面と接触する部分に、一回り大きなシャンプーハット状の輪(フランジと呼ぶ)をつけたものもあります。

2. ナベボルト:ドーム型をしたヘッドです。
 英語ではbutton headと呼ばれていますが、ボタンのほうがイメージ近いと思います。
厚さは様々で、多くは径が大きく使える場所は限られます。ブレーキパッド固定やクリート固定に使われています。低頭・超低頭といった極端にヘッドが薄いものも存在します。構造上どうしてもレンチ穴が浅くなってしまうので、キャップボルトと比べると高い締め付けトルクには耐えられません。

3. サラボルト: 円錐を逆さにした形状のヘッドを持つボルトです。
 締結対象に埋め込まれる形をしていることから英語ではcountersunkと呼ばれます。
突起をなくして平面に仕上げられるのが利点ですが、この形状に合わせて座ぐりしてあるものにしか使えません。径の合うサラワッシャを使えば平面でも使えなくはないのですが、わざわざそうするメリットはないでしょう…これもナベ同様六角穴が浅くなるので高い締め付けトルクに耐えられません。それと、通常サラボルトのみ全長の表記にヘッド部分を含みますので注意!!

4. 六角ボルト(hex bolt):ママチャリを除くと、整備性の低さから自転車にはほとんど使われなくなりました。
 スパナやソケットを使って回すタイプです。一部のモーターサイクルではブレーキキャリパー周りに、徹底的に肉抜きしてワイアーロック穴を設けたもの(race spec drilledなどと呼ばれています)を使ったりします。フランジがついているものもあります。いずれにしても、自転車ではほとんど使われません。スパナと接触させる為にヘッドを平面に加工した部分を、英語ではwrench flatと呼びます。シャフトにこの加工がされているものは、bolsterと呼ばれています。

5. イモネジ: あまり見ないタイプですが、ヘッドを持たないスクリューも存在します。
 ブレーキレバーの遊び調整とか、Speedplayクリートのフロート調整に使われている、イモムシのような外見のネジです。大抵はヘックスレンチ、たまに+やーも見ますが超マイナーですね。このネジは締結用途ではなくクリアランス調整に用いる場合が多いです。RotorはM6やM8のゴツイやつをステムやクランクアームの締結に使って軽量化していますが…英語ではgrub screwと呼びます。

6. 小さなスクリューやビスだと、他にも+(Phillips)とかー(slot, slotted)とかがありますね。英語圏ではプラスとかマイナスとか言っても通じません。

7. 一部のボルトやワッシャには緩み止めとしてヘッドと締結面の摩擦を高めるために溝が彫られている場合があります。

K-Edgeのチェーンキャッチャーにはギザギザのワッシャがついてきますね。Shimanoのブレーキキャリパーのセンターボルトにもギザワッシャがついていると思います。英語ではこれをserrated washerと呼びます。あまり使う機会はないのですが。また、この派生としてアルミフォークコラムに叩き込む羽のついたナットは、starnutあるいはstar fangled nutと呼ばれます。あっ、カーボンフォークにそれ使っちゃダメですよ!!

・トルク管理とグリスについて
正確なトルク管理を期すならば、レンチ校正の他にもスレッドにはグリスを塗り、必要ならばワッシャを使い、各部の余計な摩擦で計測が狂うのを最小限にとどめてやる必要があります。パーツメーカーから特に指定がない限りグリスは必要で、材質によっては特殊な潤滑剤を塗る必要がありますが一般的には極圧性の高いモリブデン系とかリチウム系の万能グリスでOKでしょう。チタンボルトをアルミに使う場合は電位差で電解腐食が起こりカジリ(seize)が生じてしまうため、金属粉が混ざったペーストを塗る必要があります。
 
銅入りのカッパーペーストや銀が入ったものがLocktiteやWako'sなどの潤滑・接着剤メーカーから出ています。
Thread compoundとかAnti-SeizeとかAssembly compoundの名で売られていて、チューブ入り¥2,000~と結構な出費ですが1本あれば多分10年くらいは保つはずなのでケチらず買いましょう。どうしてもイヤならFinish Lineから1回使いきり包装のTi-Prepが売られています。正確なトルク管理を心がけても振動を与え続けるとネジは緩んでしまうので定期的にチェックするか、特に緩んでは困る部位(例えばBBとかブレーキキャリパーボルト)には嫌気性接着剤Locktiteの低~中強度を塗って固定します。
 Shimanoのスペアパーツなどには予めモリブデン系の青いゆるみ止めが塗られている場合があります。親切仕様〜。

・最近の自転車はナットをほとんど使いません。代表的なものをピックアップしてみました。写真は拙レビュー非鉄金属・樹脂ボルト
https://cbnanashi.net/cycle/modules/newbb/viewtopic.php?topic_id=7460&forum=47&post_id=12691#forumpost12691
にありますので、ここでは割愛します。
1. ブレーキナット:キャリパーブレーキのセンターシャフトをフレームに固定するための特殊なナット。他にもシフターブラケットの固定にも使いますね。M6径なので、比較的高い締付トルクが要求される部分に使われています。フレームやフォークに埋め込むタイプはrecessed nutと呼ばれます。必要な長さはフレームやフォークによって異なるので、交換するときは注意。
2. バレルナット:あまり見ませんが、Easton・Thomson・旧ITMなどのシートポストで使われている樽型のナット。径が異なると全く使い物になりませんから通常はパーツメーカー純正のものを使いますが、チタン製のものを作っているところがいくつかあります。

・ネジ山補修について
スレッドにちょっとした傷が入っただけでもボルトの強度はガタ落ちになります。隙間に応力が集中したり、雌ネジを傷つけてしまうからです。本来は新しいボルトに交換するのが望ましいのですが、特殊な工具を使えば簡単な補修は可能です。タップやダイスと呼ばれるもので、ホームセンター等で入手が可能。

まずダイスから行きましょうか。
 円形の金属の中心に通常3箇所雌ネジが切られていて、ここにボルトのスレッドを通過させ傷んで変形してしまった部分を浚うという仕組みです。

購入する際はシャフト径(M○)とピッチに注意。通常は並目を買えば大丈夫ですが、細目の場合は専用品が必要です。かなりの力で回す必要があることが多いので、一緒にタップハンドルと呼ばれる工具と出来ればバイス(万力)もそろえましょう。
 

ナットや雌ネジ側を補修する場合はまた別の工具が必要になります。タップと呼ばれるこの工具です。ネジと同じような構造をしていますが、切削対象に食いつかせるための鋭い刃と、削った後の切子を逃がすための溝が設けられています。お尻の部分はドリルチャックあるいはタップハンドルと呼ばれる工具に固定するため四角に成型されています。
 

切削する材質ごとに必要なタップも異なるのですが、通常アルミや鉄ならばホームセンターで売っているやつからシャフト径やピッチの合うものを選んでくればOK。ステンレス合金になると一応難削材なので、鉄用だと厳しいです。少し大きなホームセンターなら入手可能でしょう。問題はチタン合金の場合で、ステンレスタップでも全く歯が立ちません。以前M6で少しなら平気じゃね?と思ってやったところ、タップは粉微塵に砕け散りました。チタン合金には専用の焼入れ鋼タップがあり、値段こそステンレス用と変わらないのですがほとんど流通してません。写真はOSGのM6用、法人用Monotaro.comで買いました。


あと簡単ですがタップの使い方を以前Park Toolペダルタップをレビューした際に書き留めてあるので、参考にして下さい。
https://cbnanashi.net/cycle/modules/newbb/viewtopic.php?topic_id=7328&forum=82

これらの工具でネジ山修正できない場合、Genus(ジーナス)のような強力エポキシ接着剤やリコイルのような工具で補修できることもありますが、作業としての難度が高く複雑なので、今回は扱いません。

・ネジの耐久性や強度について
高い締付トルクで締め込むとボルトも当然伸びたり、降伏点を越えると折れてしまいます。粗悪なネジではスレッドが剥離してしまう場合もあります。車のエンジンに使うボルトなんかは一度締めこんだら僅かながら伸びてしまうので緩めて外すときには新品に交換するそうですが、自転車の場合はほとんどが5~10Nmと低い締結力ですからあからさまに変形していなければ再利用してもOKです。サイズによって耐えられる締付トルクの目安は一応ありますが、材質によって耐久性や強度は大きく変わるので、パーツメーカーやボルトメーカーの指示する基準に従って下さい。

マスターが書かれた"誰にも分かるトルク管理"
https://cbnanashi.net/cycle/modules/newbb/viewtopic.php?topic_id=4381&forum=122

スチールボルトが幅広く使われているのは安いからという理由以外にも、耐摩耗性や破断強度が比較的高いというのが理由として挙げられます。一般的に使われている材質で軟鉄よりも引張強度が高いものとして、クロモリ鋼・一部のステンレス合金・鍛造チタン合金が挙げられます。ストレスがかかる部位に使用する場合、クランクアームのフィキシングボルトやスプロケットのロックリング等M15~の場合を例外として、少なくともスチール以上の強度を持ったものを使いましょう。いくら軽いからといって、ステムのクランプやクランク周辺、ブレーキ周りにカーボンやアルミボルトを使うのは自殺行為。絶対に止めましょう。最悪あなたの骨をチタンボルトとプレートでチューニングする羽目になりますよ? さらに強度は製造工程によっても変わってきます。まずスレッドの形成ですが、機械で削りだして作る場合と、ダイスと呼ばれる金型にシャフトを挟み高圧をかけて押しつぶすことで形成する転造(英語ではrolled threadと呼ぶ)の2種類があります。鍛造材を使ってボルトを作る場合、後者は金属繊維の流れ(鍛流線)を分断しないので、スレッド部分の強度の落ちを最小限に留められるというメリットがあります。切削するとこの線を分断してしまう為、強度が落ちることになります。スポークのスレッドもかなりのトルクに晒されますから、転造で作られていますね。一方ヘッドは通常機械切削のみで作ります(eg.ドリルで軸中心に穴を開けて六角割をし、外側を削る)が、航空機やモータースポーツなど特に高い強度や耐久性が要求される用途ではヘッドにも鍛造(forging、要は押しつぶして変形させる)を使う場合があります。幾つかの工程を経る上で、独特の腐食したような跡が残るのですぐに判別できます。複雑な工程になるので鍛造ヘッドのボルトはかなり割高になりますが、強度は飛躍的に高まるそう。個人でも入手可能なボルトメーカーで、M6以下のボルトに鍛造を打っているところがあったら、是非教えて下さい。

まあ何でもかんでもチタン合金で無茶苦茶強いネジにすれば良いかというと、実はそうでもありません。Ti6Al4Vはボルトとして確かに理想に近い性能を誇りますが、機能や構造の都合からあえて弱いボルトが求められる場合だってあるのです。例えばディレーラーハンガーの固定ネジにあまり高強度のものを使うと、折れた時アルミもしくはカーボン製の雌ネジをごっそりさらっていってしまうかもしれません。ボトルケージ用ボルトも同様で、過ぎたるは及ばざるが如し。適材適所で賢く使い分けましょう。

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さあここまで全部読了された方、本当にお疲れ様でした。あとは正しいトルク管理さえ習得したら、もはやネジやボルトについて怖いことは無いはずです!!

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