スプリングワッシャーのすべて：種類、デザイン、用途

スプリングワッシャーの紹介

ファスナー業界では、「弾性ワッシャー」または「スプリングロックワッシャー」とも呼ばれるスプリングワッシャーは、ジョイントの完全性を維持する上で重要な役割を果たしています。これらの部品は、主にオーステナイト系ステンレス鋼（304または316グレードなど）または中炭素鋼（一般的にSAE 1060から1075）のいずれかで製造され、後者はしばしば耐食性を高めるために亜鉛メッキのような保護仕上げを受けています。

スプリングワッシャーの最も一般的に利用されるメートルサイズは、M3、M4、M5、M6、M8、M10、M12、M14、およびM16が含まれています。これらの寸法は、標準的なボルトやネジのサイズとの互換性があるため、様々な産業用途で広く採用されています。中国の国家規格GB/T 94.1-87は、スプリングワッシャーの仕様を規定しており、内径2mmから48mmまでの包括的なサイズ範囲を網羅しています。

スプリングワッシャーは、ボルトヘッドまたはナットの荷重支持面を提供すると同時に、さらなる機能を提供するように設計されています。そのスプリットリング設計は、圧縮されたときに張力を発生させ、これを助けます：

1. 動的負荷条件下でもクランプ力を維持
2. わずかな熱膨張や熱収縮を補正する
3. 振動や繰り返し荷重による緩みを防止

スプリングワッシャーは広く使用されているが、最近のエンジニアリング研究では、自己緩み防止におけるその有効性が議論されていることに注意することが重要である。重要な用途の場合、エンジニアはノルトロックワッシャーやネジロック接着剤などの代替ロック方法を検討することが多い。

スプリングワッシャーの主な材質

スプリングワッシャーは、主に最適な弾性と耐久性を提供するように設計された高性能合金を使用して製造されています。最も一般的な材料は以下の通りです：

1. バネ鋼：65Mn（AISI 1566）は、強度、柔軟性、耐疲労性のバランスが優れているため、広く使用されています。このマンガンシリコン合金は優れた弾性特性を持ち、繰り返し荷重条件下でもその性能を維持します。
2. 炭素鋼: 70# (AISI 1070)高炭素鋼は、高い引張強度と優れた耐摩耗性で好まれています。適度な耐食性が許容される様々な産業用途で信頼性の高い性能を発揮します。
3. ステンレス鋼：AISI 304 (18Cr-8Ni)やAISI 316 (16Cr-10Ni-2Mo)などの鋼種は、腐食性の高い環境や衛生管理が重要な場所で使用されます。これらのオーステナイト系ステンレス鋼は、優れた耐食性、非磁性特性、および良好な機械的特性を提供します。
4. マルテンサイト系ステンレス鋼: 3Cr13 (AISI 420) は、適度な耐食性と高強度・高硬度を兼ね備えており、耐久性とある程度の耐食性を必要とする用途に適しています。
5. リン青銅：この銅錫合金は、しばしば少量のリンが添加され、海洋や電気環境など、導電性、低透磁率、耐食性が要求される特殊な用途に使用される。

材料の選択は、動作温度、荷重条件、耐腐食性の必要性、およびコストの考慮など、特定のアプリケーション要件によって異なります。各材料は、多様な産業環境でスプリングワッシャーの性能を最適化するために活用できるユニークな特性を提供します。

スプリングワッシャーの主な用途

スプリングワッシャーは、主に国家規格で規定されているナットの緩みを防止するために使用されます。そのアプリケーションは、様々な機械的アセンブリ、特に動的な負荷にさらされるもので非常に重要です。

六角穴付きナットは、端穴を持つボルトに使用するために特別に設計されています。この設計は、効果的に自動緩みを防止し、ボルトの穴にナットのスロットを通してコッターピンを挿入することができます。このようなナットは、振動や交互荷重を特徴とする環境で主に使用され、厳しい条件下で確実な締結を保証します。

機械設計や製造では、ナットやボルトの自動的な緩みを防止するために、いくつかの方法が採用されている：

1. スプリングワッシャーの採用（シンプルでコストパフォーマンスが高い）
2. コッターピン付き六角穴付きナットの利用（別途加工が必要）
3. 緩み止めワッシャーの導入（製造工程が増える）
4. ボルトの六角頭部に鋼線を挿入する（追加加工が必要）

スプリングワッシャーは、その効果と取り付けの容易さから広く採用されている。例えば、モーターとマシンベースを接続するボルトは、モーターの振動による緩みを防止するためにスプリングワッシャーを必要とします。このアプリケーションは、高振動環境において締結部品の完全性を維持するワッシャーの能力を強調しています。

一般的に、振動を受ける機器のファスナーにはスプリングワッシャーが取り付けられている。しかし、フランジへの使用はより選択的である。フランジにスプリングワッシャーを使用するかどうかは、特定の流体媒体と動作条件に依存します。スプリングワッシャーは、以下の場合にフランジ接続に推奨されます：

• システムに脈動のリスクがある
• 流体は高速で流れる
• パイプ径が頻繁に変わる

これらのガイドラインが普遍的に適用されるとは限らないことに注意することが重要である。特定のバルブやフィラーボックスの圧力カバーフランジなど、特殊なコンポーネントの中には、一般的な推奨事項に関係なくスプリングワッシャを必要とするものがあります。

適切なスプリングワッシャを効率的に選択するために、エンジニアと技術者はFastener Expert自動化システムを利用することができます。このツールは、特定のアプリケーション要件に基づいて正しいワッシャを選択するプロセスを合理化し、機械アセンブリの最適な性能と信頼性を保証します。

主な違い

スプリングワッシャーと平ワッシャーは、締結用途において異なる目的を果たし、それぞれに利点と制限があります。スプリングワッシャーは、スプリットリングまたは波のような構造で設計され、主に動的環境での緩みを防止し、予圧力を維持するために機能します。これは、圧縮下でエネルギーを蓄え、放出する能力によって達成され、振動による緩みを効果的に打ち消します。対照的に、平ワッシャーは、この緩み防止機能を有していない。

平ワッシャーは、シンプルな円盤形状が特徴で、複数の重要な機能を果たす：

1. より広い表面積に荷重を分散し、締結部品への応力集中を軽減します。
2. ボルトヘッドやナットに滑らかなベアリング面を提供し、締め付け時のトルクをより安定させる。
3. このファスナーは、取り付け時のファスナーの回転による損傷から接合材の表面を保護します。
4. 少し大きめの穴や不規則な穴を埋めるのに役立ち、関節の全体的な完全性を向上させる。

構造用鋼フレームワークや高性能エンジンなど、接合部の剛性が最も重要となる重要な耐荷重接合部では、スプリングワッシャーはしばしば避けられます。スプリングワッシャーの圧縮可能な性質は、接合部に弾性をもたらし、全体的な剛性と耐荷重性を低下させる可能性があります。このようなシナリオでは、接触面積を最大化し、ジョイント剛性を維持するために、平ワッシャーまたはフランジファスナーが好まれます。

しかし、大きな振動、繰り返し荷重、または熱伸縮を受ける用途では、スプリングワッシャーは不可欠となります。動的条件下でファスナーの張力を維持する能力は、疲労破壊を防止し、接続の寿命を保証するのに役立ちます。一般的な例としては、自動車のサスペンション、鉄道軌道の留め具、産業機械などがあります。

スプリングワッシャーとフラットワッシャーの選択は、荷重特性、環境要因、安全性の考慮など、アプリケーションの要件を徹底的に分析する必要があることに注意することが重要です。場合によっては、締結継手の最適な性能と信頼性を達成するために、両方のワッシャータイプを組み合わせて使用することもあります。

スプリングワッシャーの破損原因

スプリングワッシャーの「膨れ」は、一般的にワッシャー自体の固有の欠陥ではなく、むしろ外力や組み立て条件の結果である。

スプリングワッシャーの膨れ現象は、ワッシャーに半径方向外向きの過大な力が加わった場合に発生する。このような力は主に、組み立て時に加えられる締め付けトルクによって発生する軸方向のクランプ力に起因します。この力の大きさは、膨れの可能性と程度を決定する上で非常に重要です。

スプリングワッシャーの膨張の主な要因は、相手部品の形状、特にナットの支持面である。ナットの支持面にある外側の面取りは、半径方向に割れる力を発生させ、スプリングワッシャーの開口部を拡大させます。面取りの直径と膨れの傾向の関係は逆で、面取りの直径が小さいほど、より小さな面積に力が集中し、膨れの可能性と深刻さが増す。

スウェリングを軽減するために、エンジニアはナットとスプリングワッシャーの間に平ワッシャーを採用することが多い。この追加部品は、荷重をより均等に分散し、集中するラジアル力を軽減するのに役立つ。しかし、この解決策の有効性は平座金の特性に依存する。平座金が薄すぎたり、硬度が十分でない材料で作られていたりすると、荷重によって変形し、スプリングワッシャーの膨れを効果的に防ぐことができない場合があります。

スプリングワッシャーに影響するもう一つの重大な問題は水素脆性破壊である。このタイプの破損は通常、製造工程における2つの主な要因に起因する：

1. 不適切な熱処理：熱処理工程の設計や実施が不適切な場合、材料が水素脆化の影響を受けやすくなる。
2. メッキ後の水素除去が不十分：ばね座金に亜鉛めっきを施すと、水素が混入することがある。メッキ後の水素除去処理を十分に行わないと、金属中に水素が残留し、時間の経過とともに脆化する可能性があります。

これらの結論は単なる理論的なものではなく、広範な実験室での試験を通して実証され、様々な産業用途における長期的な実践経験によって裏付けされています。材料特性、製造工程、組立条件間の相互作用は、重要な締結用途において信頼性の高いスプリングワッシャーの性能を確保することの複雑さを強調しています。

スプリングワッシャーの分類

内歯付弾性ワッシャー、外歯付弾性ワッシャー

円周上に多数の鋭い弾性歯があり、支持面に突き刺さってファスナーの緩みを防止します。内歯付き弾性ワッシャーは、ボルトの小さいヘッドサイズの下に使用され、外歯付き弾性ワッシャーは、主にボルトヘッドとナットの下に使用されます。

歯付き弾性ワッシャーは、通常のスプリングワッシャーよりも体積が小さく、ファスナーに均一な力がかかるため、緩みを確実に防止できるが、頻繁な分解には適さない。

ウェーブスプリングワッシャー

国家標準GB/T 7246-1987

ウェーブスプリングワッシャーは、WGタイプ、WLタイプ、WNタイプに分けられる。

WG型ウェーブスプリングワッシャー

WG型ウェーブスプリングワッシャーはオープンタイプの弾性ワッシャーで、通常、ベアリングに予圧を加えたり、ベアリングの作動音を低減したり、ベアリングの走行精度と安定性を向上させるなど、小さなスペースに取り付けることができます。また、炭素鋼、ステンレス鋼、銅合金などの材料で、電子機器や電化製品に広く使用されています。

WL型ウェーブスプリングワッシャー

WL型ウェーブスプリングワッシャーはラップジョイント式の弾性ワッシャーで、通常、ベアリングに予圧を加えたり、ベアリングの作動音を低減したり、ベアリングの走行精度と安定性を向上させるなど、小さなスペースに取り付けることができます。また、炭素鋼、ステンレス鋼、銅合金などの材料で、電子機器や電化製品に広く使用されています。

WN型ウェーブスプリングワッシャー

WNタイプウェーブスプリングワッシャーは、多層ウェーブピークオーバーラップ弾性ワッシャーです。WLタイプに比べ、多層で構成されているため、同一圧縮ストロークでのK値曲線がWLタイプより平坦になり、弾性力が大きく、全作業ストロークで均一な弾性力の解放が必要な場合に適しています。材質は炭素鋼、ステンレス鋼、銅合金など。

皿ばね座金

皿ばね座金は、ベルヴィルばね座金とも呼ばれ、フランス人のベルヴィルによって発明されました。DIN6796皿ばね座金（HDSシリーズ）は、ボルトとネジ接続用の緩み止めワッシャー用に設計されています。

DIN6796に従って設計・製造され、中強度または高強度のボルトやねじの接続に使用されます。大きな支持荷重と弾性回復力により、HDSシリーズは非常に効果的です。ボルトの張力は、脆弱な部品の摩耗や損傷、クリープ、弛緩、熱膨張、収縮、またはシール部品の締め付けによる弛緩に耐えることができます。

HDSシリーズは、ボルトの弾性効果を数倍に高め、通常のスプリングワッシャーと効果的に置き換えることができるが、ロックワッシャーや平ワッシャーの組み合わせとしての使用には適さない。

HDSシリーズは板バネを合わせたり重ねたりできるため、合わせると板バネ群の変形が大きくなり、重ねると板バネ群のバネ力が大きくなる。

理想的な取り付け方法は、できるだけ平らに押さえることです。平らな状態に近ければ近いほど、締め付けトルクは速くなる。トルクレンチがなくても適切なボルト張力を得ることができる。