スプリングワッシャーで緩みを防止 - その効果は？

スプリングワッシャーのロック原理

スプリングワッシャーの緩み止め機能は、軸力と摩擦抵抗を組み合わせた二重作用の原理で動作し、ねじ接続の完全性を維持します。

主に、組み立て中に圧縮されると、スプリングワッシャーは持続的な弾性力を発生させます。この力は、ボルト・ナットアセンブリの張力を維持する軸方向の予圧を作り出し、そうでなければ緩みにつながる可能性のある振動や動的荷重を効果的に打ち消します。ワッシャーの継続的な弾性圧力は、クランプ力をジョイント界面により均等に分散させます。

第二に、スプリングワッシャーのデザインは、その分割口に鋭いエッジを組み込んでいます。締め付けると、これらのエッジはボルトヘッド（またはナット）の下側とクランプされた部品の表面の両方に強制的に押し付けられます。この機械的なキーイング効果により、回転に対する摩擦抵抗が大幅に増加し、ファスナーと結合部品間の相対的な動きを抑制する局所的な干渉嵌合が形成されます。

さらに、スプリングワッシャーのヘリカル形状は、その上面と下面の間にわずかな角度のずれをもたらします。この形状は、ワッシャーの円周の周りに可変圧力分布を作り出し、ジョイントの小さな変形や沈下があっても一貫した接触圧力を維持する能力を高めます。

スプリングワッシャーは、このようなロッキングの利点を提供しますが、その効果は、材料特性、表面仕上げ、アプリケーションの特定の荷重条件などの要因によって異なる可能性があることに注意することが重要です。重要なジョイントでは、最適なセキュリティのために他のロック方法と組み合わせて使用されることがよくあります。

スプリングワッシャーの緩み止め効果は？

スプリングワッシャーは、その費用対効果と取り付けの容易さから、様々なメカニカルアセンブリーで一般的に採用されています。彼らは、特に頻繁に組み立てと分解を必要とするシステムで、耐荷重と非耐荷重コンポーネントの両方でアプリケーションを見つける。

しかし、スプリングワッシャーの緩み防止効果には限界があり、工学界では議論の対象となってきた。最近の研究や工業的な実践により、動的な荷重や振動の下での緩み防止の性能は、かつて考えられていたほど信頼できるものではないことが示されている。実際、高信頼性の用途、特に重要な荷重を支える接続部を含む用途では、ヨーロッパや北米などの先進製造地域では、その使用量が減少している。

スプリングワッシャーの限界は、より効果的な締結ソリューションへのシフトにつながっています。例えば、航空宇宙産業や軍事産業では、従来のスプリングワッシャーを優れた代替品に置き換える傾向が強まっている。中国宇宙技術研究院（China Academy of Space Technology）は、繰り返し荷重による水素脆化や疲労破壊の危険性などの安全上の懸念から、特定の用途でのスチール製スプリングワッシャーの使用を禁止していると報じられている。

ウェッジロックワッシャー、化学的ネジロック化合物、特殊ロックナットなどの高度な締結技術は、重要な用途でますます採用されるようになっています。これらの代替技術は、振動によるゆるみに対する耐性を向上させ、特に高ストレス環境において長期信頼性を向上させます。

スプリングワッシャーは、それほど重要でない用途ではまだ使用できるかもしれませんが、エンジニアは、ファスナーのロック方法を選択する際に、荷重条件、振動暴露、安全性を含む各アセンブリの具体的な要件を慎重に検討する必要があることに注意することが重要です。高い信頼性と安全性が要求されるアプリケーションでは、より高度な緩み止めソリューションを評価し、導入する必要があります。

スプリングワッシャーロックケース

アクスルファイナルドライブとアクスルハウジングの接続には、グレード10.9のM16×100ボルトを使用し、締め付けトルクは（280+20）N・mで、高精度電動締め付け機で締め付けた。ボルトの締め付け過程における回転角度によるトルクの変化を、スプリングワッシャーの有無で測定した。

トルク-角度曲線を比較すると、スプリングワッシャーを使用した場合は、常に約10N・mの予締付トルクがあり、スプリングワッシャーを使用しない場合は、ボルトトルクは0N・mに留まった後、大きく上昇した。このことから、スプリングワッシャーは10N・m程度のボルト締め付けトルクで完全に平らにすることができると考えられる。デジタルトルクレンチで点検したところ、ボルトトルクは20N・mに達しておらず、スプリングワッシャーは完全に平らになっていた。

これらの結果から、スプリングワッシャーの弾性力は10N-mに過ぎず、280N-mのボルト予締付トルクに比べれば無視できる程度であることがわかる。さらに、このような小さな力では、スプリングワッシャーの切り欠き部の鋭角部をボルトと連結部の表面に埋め込むには不十分である。分解しても、ボルトと連結部の表面には明らかな埋め込み跡は観察されなかった。

その結果、スプリングワッシャーのボルトに対する緩み止め効果は無視できる。

ボルトと連結部分の間にワッシャーを追加すると、ワッシャーの品質に問題がある場合、別の潜在的な安全上の危険が生じる可能性がある。ボルトのトルクが高い場合（200N-m以上）、ロック機構としてスプリングワッシャーを使用することは効果的ではなく、有害でさえあります。衝撃、振動、変動荷重の影響を受けると、予圧が突然なくなり、接続部が緩む可能性があります。

NASAもオープンスプリングワッシャーの限界を認識している。NASA規格のロックナットの章では、「典型的なヘリカルスプリングワッシャーは...ボルトを締め付けている間はスプリングとして機能する。しかし、ボルトが完全に締め込まれる頃には、ワッシャーは通常平らになっており、その時点では固体の平ワッシャーと同等であり、ロック能力は存在しない。要約すると、このタイプのロックワッシャーはロックには役に立たない。"

原文からの抜粋は下図参照。しかし、専門家の中には異なる意見を持つ人もいます。あなたはどのようにお考えですか？