CN114008335A - 垫圈紧固结构 - Google Patents

Abstract

通过进行垫圈及垫圈紧固结构的最优化而将进入螺母的力的流入位置导向螺母座面的外周侧，从而使力更多地朝向螺母的开放侧，其结果是，降低了对螺栓、螺母的紧固啮合第一牙的负荷。本发明的垫圈具有垫圈主体和贯通垫圈主体的螺栓孔，在垫圈的纵剖面中，具有在螺栓孔开口且沿螺栓孔半径方向延伸的应力非传递空间，应力非传递空间是以螺栓孔的轴线为中心的同心圆环状。

Description

垫圈紧固结构

技术领域

本发明涉及在适当地紧固的螺栓螺母紧固体中使用的垫圈的改良，涉及通过降低螺栓的螺纹牙负荷分担率成为最大的啮合第一螺纹牙的负荷分担率而提高从其谷底部的疲劳裂纹的破坏强度的垫圈及其制造方法。通过本发明的垫圈的改良，不仅使螺栓的啮合第一螺纹牙的负荷分担率降低，而且对各螺纹牙的负荷分担率的均衡化有效，能够提高螺栓的从螺纹部的疲劳断裂强度。

背景技术

对于各种构造物的紧固，使用螺栓、螺母和垫圈。在机动车、船舶、建筑、铁路车辆、土木机械、各种机床等所有的设备中使用。在该紧同构件中，以啮合第一牙的螺栓螺纹谷底(图4，螺栓的※部分)为起点的疲劳破坏成为问题的情况较多，作为疲劳破坏对策，致力于提高螺栓的强度。已知有由该啮合第一牙的静态紧固力及外力引起的过大的负荷，但出于提高啮合第一牙的螺栓螺纹谷底部的疲劳强度的目的，没有进行关于垫圈的结构的研究。

图1是示出利用现有方式的螺栓、螺母、垫圈的被紧固物紧固的纵剖视图。1表示垫圈，2表示被紧固物，3表示螺栓，4表示螺母，5表示基体，4o表示螺母螺纹牙的开放侧(箭头的朝向为松缓螺纹的方向)，4c表示螺母螺纹牙的紧固侧(箭头的朝向为紧固螺纹的方向)。

关于螺栓、螺母、垫圈的现有方式的紧固，本发明人通过有限元素解析(FEM解析)验证的具有七个螺纹牙的凸缘螺母中的负荷分担率的数值还确认为第一牙35.6％、第二牙20.8％、第三牙14.4％、第四牙11.0％、第五牙8.6％、第六牙5.9％、第七牙3.9％，负荷分担朝向螺纹牙的开放侧急剧地下降(参照图4、9)，成为与多数报告一致的负荷分担率。

关于垫圈，有JIS、ISO等标准，主要的规定是大小(尺寸)、硬度、平行度、几何公差，关于形状，有截面为矩形的环，是一部分最外周面具有被倾斜地倒角的部分的程度(非专利文献1)。

关于现有方式的垫圈的结构、形状，是“没有有害的毛刺”的程度，对于实际通过冲压加工制作的垫圈，倒角、去毛刺的指示是不明确的状况。这样，在现有方式的垫圈中，完全没有期待在所要求的功能中具有改良进入螺母、螺栓的力的流向的功能。仅要求螺母座面不沉入被紧固物、被紧固物的表面性状的影响不会对螺母的旋转产生影响等的功能。

在专利文献1中，示出了降低在啮合端螺纹谷底产生的应力集中，抗滞后破坏性、耐疲劳特性优异的高抗拉螺栓、螺母及垫片(垫圈)的组合。图示出这样的例子：在螺母的径向中心侧设置突出部，采用具有该突出部在稳定时不与被紧固体接触的高度的垫片，垫片的与螺母接触的部分形成为垫片与螺母的突出部不干涉的形状，垫片的与螺母接触的中心侧角部为直线的切口部。但是，专利文献1的特征在于在径向中心侧设置有突出部的特殊的螺母，垫片是对该特殊的螺母进行补充的成套部件，垫片单体没有可用性。专利文献1的垫片的内周面不对螺栓的轴进行对位(定中心(centering))。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-4016号公报

非专利文献

非专利文献1：ISO7089～7094：2000，887：2000，JISB1256：2000

发明内容

发明要解决的课题

在现有的垫圈的情况下，相对于螺栓轴方向的力(初始紧固轴向力：平均应力，轴向外力：变动应力)，螺母侧的力的流向最集中于啮合第一螺纹牙，在啮合第二螺纹牙之后显示急剧降低的不均匀的力的流向特性。在本发明的垫圈的情况下，通过使被紧固物、垫圈、螺母之间的力的流向尽可能广泛地配置于螺母的外周侧，而使力的流向广泛分布于各啮合螺纹牙，有降低向啮合第一螺纹牙的负荷集中的效果。提供一种实现该效果的垫圈紧固结构。

用于解决课题的方案

本发明的目的在于，通过进行垫圈紧固结构的最优化，将进入螺母的力的流入位置向螺母座面的外周侧引导，而使力较多地朝向螺母的开放侧，其结果是，降低对螺栓、螺母的紧固啮合第一牙的负荷，提供以下的发明的方案。

(方案1)

一种垫圈紧固结构，其是从被紧固物(2)侧延伸的螺栓(3)贯穿被紧固物(2)和垫圈(1)的螺栓孔(1h)，并利用所述螺栓(3)和螺母(4)使用所述垫圈(1)将所述被紧固物(2)紧固于基体(5)的垫圈紧固结构，其特征在于，

所述螺栓(3)、所述垫圈(1)、所述螺母(4)及所述垫圈紧固结构具有共同的轴线及轴线方向(以下也简称为“所述轴线”及“所述轴线方向”。)及与所述轴线垂直的半径方向(以下也简称为“所述半径方向”。)，

所述垫圈(1)具有垫圈主体(1b)和贯通所述垫圈主体(1b)的所述螺栓孔(1h)，

所述垫圈主体(1b)具有应力非传递空间(1s)，所述应力非传递空间(1s)为以所述螺栓孔(1h)的所述轴线为中心的同心圆环状，

所述应力非传递空间(1s)在所述螺栓孔(1h)开口。

(方案2)

根据方案1所述的垫圈紧固结构，在所述半径方向上，将靠近所述轴线的一侧作为内侧，将远离所述轴线的一侧作为外侧，

将从所述被紧固物(2)朝向所述垫圈(1)、从所述垫圈(1)朝向所述螺母(4)的方向作为上、上侧或上方，将其相反方向作为下、下侧或下方，

所述螺母(4)具有沿所述半径方向延伸的平坦的下平面(4w)和沿所述轴线方向延伸的螺纹，所述螺纹交替地由螺纹牙和螺纹谷构成，并具有螺距p，

关于所述垫圈主体(1b)的所述应力非传递空间(1s)，在所述垫圈(1)的包含所述轴线的纵剖面中，将从所述垫圈主体(1b)的所述螺栓孔的内周面(1i)向所述半径方向的外侧最远的位置设为Ps，从所述位置Ps到连结所述螺母(4)的螺纹谷底的线的延长线(4e)的所述半径方向的距离Ls处于超过所述螺母(4)的所述螺距p的0.5倍且为6倍以下的长度的范围。

(方案3)

根据方案2所述的垫圈紧固结构，所述垫圈主体(1b)具有：在所述螺母(4)侧沿所述半径方向延伸的平坦的上平面(1u)；在所述被紧固物(2)侧沿所述半径方向延伸的平坦的下平面(1w)；以及划分所述螺栓孔(1h)的与所述轴线平行的螺栓孔内周面(1i)，

所述垫圈(1)具有从所述上平面(1u)到所述下平面(1w)的厚度(T)，

所述应力非传递空间(1s)是在所述螺栓孔(1h)开口且也在所述垫圈主体(1b)的所述上平面(1u)开口的第一应力非传递空间(11s)，

关于所述第一应力非传递空间(11s)，在所述垫圈(1)的包含所述轴线的纵剖面中，

·为如下空间：将所述垫圈主体(1b)的所述上平面(1u)的延长线设为第一边界线(B1)，将所述螺栓孔内周面(1i)的延长线设为第二边界线(B2)，将位于比所述第一边界线(B1)靠下侧且比所述第二边界线(B2)靠所述半径方向外侧、并将位于所述第一边界线(B1)上的位置Pt和所述第二边界线(B2)的位置Ph连结的线设为第三边界线(B3)，

·将所述第一边界线(B1)与所述第二边界线(B2)相交的位置设为Po，从所述位置Po到所述位置Ph的所述轴线方向的距离Lh处于所述螺母(4)的所述螺距p的0.01倍以上到所述垫圈(1)的所述厚度(T)的99％以下的范围，

所述第一应力非传递空间(11s)是将由所述纵剖面中的所述第一边界线(B1)、所述第二边界线(B2)及所述第三边界线(B3)包围的所述空间以所述垫圈(1)的所述轴线为中心旋转而形成的同心圆环状的三维形状的空间，

(以下，将具有所述第一应力非传递空间(11s)的垫圈紧固结构称为“形态A”。)

本形态A的附图与图5～12对应。

(方案4)

根据方案3所述的垫圈紧固结构，关于所述形态A，在所述纵剖面中，所述第一应力非传递空间(11s)的所述第三边界线(B3)在从所述第一边界线(B1)至少到所述轴线方向的深度成为所述螺距p的0.1倍的区域为由曲线或曲线和直线的组合构成、不存在角部的应力集中缓和线。

(方案5)

根据方案3或4所述的垫圈紧固结构，关于所述形态A，在所述纵剖面中，所述第一应力非传递空间(11s)的所述第三边界线(B3)位于比相对应力为基准的95％的所述螺栓孔(1h)侧的应力分布线靠所述螺栓孔(1h)侧，以如下大小作为所述基准，即，在将施加于所述垫圈主体(1b)的所述上平面(1u)的紧固力施加于假定为所述垫圈(1)的所述上平面(1u)从所述位置Pt到所述位置Po是平坦的所述垫圈(1)时，在上述假定的垫圈内产生的冯米塞斯(mises)等效应力分布中，从位置Pt向垂直下方施加的冯米塞斯等效应力的大小。

(方案6)

根据方案2所述的垫圈紧固结构，所述垫圈主体(1b)具有：在所述螺母(4)侧沿所述半径方向延伸的平坦的上平面(1u)；在所述被紧固物(2)侧沿所述半径方向延伸的平坦的下平面(1w)；以及划分所述螺栓孔(1h)的与所述轴线平行的螺栓孔内周面(1i)，

所述垫圈(1)具有从所述上平面(1u)到所述下平面(1w)的厚度(T)，

所述垫圈主体(1b)的所述应力非传递空间(1s)是不在所述垫圈主体(1b)的所述上平面(1u)开口的第二应力非传递空间(12s)，

所述第二应力非传递空间(12s)为如下空间，在所述垫圈(1)的包含所述轴线的纵剖面中，将从所述垫圈主体(1b)的所述螺栓孔内周面(1i)的位置P1向所述半径方向外侧延伸而到达所述螺栓孔内周面(1i)的位置Ph或到达所述垫圈主体(1b)的所述下平面(1w)的位置P3的线设为第四边界线(B4)，将所述螺栓孔内周面(1i)的延长线设为第五边界线(B5)，或进一步任意地将所述垫圈主体(1b)的所述下平面(1w)的延长线设为第六边界线(B6)，

从所述垫圈主体(1b)的所述上平面(1u)到所述第二应力非传递空间(12s)的所述轴线方向的最短尺寸即檐部最小厚度(Th)为垫圈1的厚度T的1％以上，

所述第二应力非传递空间(12s)是将由所述纵剖面中的所述第四边界线(B4)和所述第五边界线(B5)、或所述第四边界线(B4)、所述第五边界线(B5)和所述第六边界线(B6)包围的所述空间以所述垫圈(1)的所述轴线为中心旋转而形成的同心圆环状的三维形状的空间，

(以下，将具有所述第二应力非传递空间(12s)的垫圈紧固结构称为“形态B”。)

(方案7)

根据方案6所述的垫圈紧固结构，关于所述形态B，在所述纵剖面中，所述第二应力非传递空间(12s)也在所述垫圈主体(1b)的所述下平面(1w)侧开口，所述第四边界线(B4)包括：立起部(Br)，其从所述垫圈主体(1b)的所述下平面(1w)以相对于所述轴线方向呈20度以内的角度向所述上方延伸，并到达与相对于所述轴线呈仰角20～25度的直线相接的位置；角部(Bc)，其将与相对于所述轴线呈仰角20～25度及65～70度的两个直线分别相接的位置之间连结；以及螺栓孔内周末端部(Be)，其从所述角部到达所述螺栓孔内周面(1i)。

(方案8)

根据方案6或7所述的垫圈紧固结构，关于所述形态B，在所述纵剖面中，所述第四边界线(B4)的除了与所述垫圈主体(1b)的所述下平面(1w)和/或所述螺栓孔内周面(1i)的连接部位以外是由曲线或曲线和直线构成、不存在角部的应力集中缓和线。

(方案9)

根据方案3至8中任一项所述的垫圈紧固结构，在从所述轴线方向观察的所述紧固结构的俯视图中，关于所述垫圈(1)的所述上平面(1u)与所述螺母(4)的所述下平面(4w)的接触面，在设想以所述轴线为中心与所述接触面内切的圆时，所述内切圆的半径具有连结所述螺母(4)的所述螺纹的谷底的线(4e)与所述螺母的轴线之间的所述半径方向的距离的2倍和所述距离Ls之和的至少0.8倍的尺寸。

(方案10)

根据方案2至9中任一项所述的垫圈紧固结构，所述距离Ls位于所述螺距p的2倍以上且4倍以下的长度的范围。

(方案11)

根据方案1至10中任一项所述的垫圈紧固结构，所述螺母(4)为凸缘螺母。

(方案12)

一种垫圈，其是具有垫圈主体(1b)和螺栓孔(1h)的垫圈(1)，所述垫圈主体(1b)具有平行的第一及第二平面(1u、1w)，所述螺栓孔(1h)贯通所述垫圈主体(1b)且沿与所述第一及第二平面(1u、1w)垂直的方向延伸，其特征在于，

所述垫圈(1)具有所述螺栓孔(1h)的轴线和与所述轴线垂直的半径方向，

所述垫圈主体(1b)具有应力非传递空间(1s)，该应力非传递空间(1s)在所述垫圈(1)的包含所述轴线的纵剖面中在所述螺栓孔(1h)开口且沿所述半径方向延伸，

所述应力非传递空间(1s)是以所述螺栓孔(1h)的所述轴线为中心的同心圆环状。

(方案13)

根据方案12所述的垫圈，关于所述垫圈主体(1b)的所述应力非传递空间(1s)，在所述垫圈(1)的所述纵剖面中，将从所述垫圈主体(1b)的所述螺栓孔的内周面(1i)向所述半径方向的外侧最远的所述应力非传递空间(1s)的位置设为Ps，从所述位置Ps到所述螺栓孔(1h)的与所述轴线平行的内周面或其延长线的所述半径方向的距离L满足：

0.5p≤L≤5.7p。

(式中，将所述螺栓孔(1h)的直径设为R，R及p的单位为mm，

R为1.9以下时p为0.2，

R在超过1.9且为2.4以下时p为0.25，

R在超过2.4且为3.7以下时p为0.35，

R在超过3.7且为5.5以下时p为0.5，

R在超过5.5且为7.5以下时p为0.75，

R在超过7.5且为9.5以下时p为1.0，

R在超过9.5且为13以下时p为1.25，

R在超过13且为23以下时p为1.5，

R在超过23且为34以下时p为2，

R在超过34且为40以下时p为3，

R在超过40且为150以下时p为4。)

(方案14)

根据方案12或13所述的垫圈，将从所述垫圈主体(1b)的所述第二平面(1w)朝向所述第一平面(1u)的方向作为上、上侧或上方，将其相反方向作为下、下侧或下方，

在所述垫圈(1)的所述纵剖面中，所述应力非传递空间(1s)是也在所述垫圈主体(1b)的所述第一平面(1u)开口的第一应力非传递空间(11s)，

所述垫圈主体(1b)在比所述第一应力非传递空间(11s)靠所述下侧的位置延伸至所述螺栓孔(1h)的与所述轴线平行的内周面，

(以下，将具有所述第一应力非传递空间(11s)的垫圈紧固结构称为“形态A”。)

(方案15)

根据方案14所述的垫圈，关于所述形态A的所述垫圈(1)，在所述纵剖面中，所述垫圈主体(1b)与所述第一应力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)在从所述第一平面(1u)至少到所述轴线方向的深度成为所述p的0.1倍的区域为由曲线或曲线和直线的组合构成、不存在角部的应力集中缓和线。

(方案16)

根据方案14或15所述的垫圈，关于所述形态A的所述垫圈(1)，在所述垫圈(1)的所述纵剖面中，

·所述垫圈主体(1b)与所述第一应力非传递空间(11s)的边界线(B3)位于比基准的95％的冯米塞斯等效应力值的应力分布曲线靠所述螺栓孔(1h)侧，将如下的冯米塞斯等效应力值作为基准，即，假定所述垫圈主体(1b)为不具有所述第一应力非传递空间(11s)的形状，对所述垫圈主体(1b)的所述上平面(1u)施加紧固力时在所述垫圈主体(1b)形成的冯米塞斯等效应力分布中，从所述上平面(1u)与所述第一应力非传递空间(11s)相接的位置向与所述上平面(1u)垂直的所述下方施加的冯米塞斯等效应力值，

·所述垫圈主体(1b)与所述第一应力非传递空间(11s)的所述第三边界线(B3)是由曲线或曲线和直线构成、不存在角部的应力集中缓和线。

(方案17)

根据方案12或13所述的垫圈，在所述垫圈(1)的所述纵剖面中，所述垫圈主体(1b)的所述第一平面(1u)延伸至所述螺栓孔(1h)的与所述轴线平行的螺栓孔内周面(1i)，所述垫圈主体(1b)在所述第一平面(1u)的所述上侧形成檐部(1p)，所述应力非传递空间(1s)是存在于所述檐部(1p)的所述下侧的第二应力非传递空间(12s)，

(以下，将具有所述第二应力非传递空间(12s)的垫圈紧固结构称为“形态B”。)

(方案18)

根据方案17所述的垫圈，对于所述形态B的所述垫圈(1)，在所述垫圈(1)的所述纵剖面中，所述第二应力非传递空间(12s)也在所述垫圈主体(1b)的所述第二平面(1w)侧开口，所述垫圈主体(1b)与所述第二应力非传递空间(12s)的边界线(B4)包括：立起部(Br)，其从所述垫圈主体(1b)的所述第二平面(1w)以相对于所述轴线方向呈20度以内的角度向所述上方延伸，并到达与相对于所述轴线呈仰角25度的直线相接的位置；角部(Bc)，其将与相对于所述轴线呈仰角20～25度及65～70度的直线分别相接的位置之间连结；以及螺栓孔内周末端部(Be)，其从所述角部到达所述螺栓孔内周面(1i)。

(方案19)

根据方案17或18所述的垫圈，关于所述形态B的所述垫圈(1)，在所述垫圈(1)的所述纵剖面中，所述垫圈主体(1b)与所述第二应力非传递空间(12s)的所述第四边界线(B4)是由曲线或曲线和直线构成、不存在角部的应力集中缓和线，其中，与所述第二平面(1w)的连接部也可以不是应力集中缓和线。

(方案20)

根据方案13～19中任一项所述的垫圈，所述垫圈满足2p≤L≤4p。

(方案21)

根据方案13至20中任一项所述的垫圈，在所述垫圈(1)的从与所述轴线垂直的方向观察的俯视图中，将与所述垫圈主体(1b)的所述上平面(1u)的外周内切的圆的直径设为D，将所述螺栓孔(1h)的直径设为R，则(D/2)²-(R/2+L)²≥k(R/2)²(式中，k＝2.5)。

(方案22)

根据方案12～21中任一项所述的垫圈，对所述垫圈(1)的表面的一部分或全部实施具有防锈、耐磨损、润滑性提高、滑动性提高、外观提高、装饰、或识别的目的的表面处理。

(方案23)

根据方案22所述的垫圈，所述表面处理是镀敷、等离子体CVD覆膜、等离子体PVD覆膜、真空蒸镀、树脂涂装、高分子涂层、防蚀铝或磷酸锰化成处理、或它们中的两种以上的组合。

(方案24)

根据方案12至23中任一项所述的垫圈，所述垫圈(1)的材质选自金属、氮化物、碳化物、氧化物、或硬质树脂(包括CFRP)。

(方案25)

根据方案12至24中任一项所述的垫圈，所述垫圈(1)的所述两个平面具有算术平均粗糙度Ra为50μm以下的表面粗糙度及0.2mm以下的平面度。

(方案26)

一种垫圈的制造方法，其是制造方案12至25中任一项所述的垫圈的方法，其特征在于，通过冲压加工、切削加工、磨削加工、冷冲压加工、温冲压加工、热冲压加工、铸造、锻造或组合这些方法来对垫圈(1)进行加工、制造。

(方案27)

根据方案26所述的垫圈的制造方法，其使用模具、切削工具、切削刀具或它们的组合进行成形加工。

发明效果

在使用本发明的垫圈紧固结构的情况下，能够降低螺栓、螺母的紧固啮合第一牙的负荷分担率，例如，也能够从现有结构的35.6％降低到30％左右。通过该效果，在初始紧固轴向力方向上反复输入外部负荷的实际负荷合计的应力也以相同的比例降低，由此啮合第一牙的螺栓螺纹谷底的疲劳强度提高。具有提高紧固构造物的安全性、耐久性的效果。

本发明的垫圈的加工，制造可以使用以往所使用的机械类、加工夹具、加工工具、冲压加工机械、冷锻、温锻、热锻机械、铸造设备等。在冲压加工(塑性加工的一例)中，仅改变塑性加工用模具的形状。

另外，在加工该垫圈的方法、加工工具类中，专用刀具等是与实现工时减少、防止加工错误相关的合理的工具。在塑性加工用模具(冲压模具等)中，与专用工具相同，由于在模具中放入空间结构加工部分，因此也不会增加工时，能够得到本发明的螺栓的疲劳强度提高效果。在锻造、铸造等中也同样地在模具中引入本技术，由此能够得到螺栓的紧固第一牙谷底的疲劳强度提高效果。

在本发明中，对通过本发明的垫圈紧固结构主要改良螺栓螺纹的疲劳强度的情况进行了说明，但已知螺母的螺纹也因与螺栓螺纹相同的原因及机制而发生疲劳劣化，螺母的疲劳破坏与螺栓的疲劳破坏相比少，但本发明的垫圈对螺母的螺纹的疲劳强度的改良也有效。

附图说明

图1是示出使用了现有的垫圈的紧固结构的例子的纵剖视图。

图2是示出在图1的紧固结构中施加于螺栓的拉伸应力的流向的图。

图3是示出在图1的紧固结构中施加于螺母的压缩应力的流向的图。

图4是示出将图2的拉伸应力和图3的压缩应力合成后的冯米塞斯等效应力分布的图。

图5是示出使用了本发明的形态A的垫圈的紧固结构的例子的纵剖视图。

图6是图5的垫圈紧固结构的局部扩大纵剖视图。

图7的(a)是图5的垫圈的纵剖视图，图7的(b)、(c)是图5的垫圈的立体图。

图8是示出图5的垫圈紧固结构的例子中的冯米塞斯等效应力分布的图。

图9的(a)、(b)是对图4与图8的冯米塞斯等效应力分布进行比较的表及图表。

图10是示出在形态A的垫圈的例子中改变了第一应力非传递空间的形状时的冯米塞斯等效应力分布的图表及图。

图11的(a)、(b)是示出形态A的垫圈中的冯米塞斯等效应力分布与第一应力非传递空间的形状的图。

图12的(a)～(e)是示出本发明的形态A的垫圈的变形例的纵剖视图。

图13是示出使用了本发明的形态B的垫圈的紧固结构的例子的纵剖视图。

图14是图13的垫圈的纵剖视图的局部扩大纵剖视图。

图15的(a)是图13的垫圈的纵剖视图，图15的(b)(c)是图13的垫圈的立体图。

图16是示出图13的垫圈紧固结构的例子中的冯米塞斯等效应力分布的图。

图17的(a)、(b)是对图4与图16的冯米塞斯等效应力分布进行比较的表及图表。

图18是示出在形态B的垫圈的例子中改变了第二应力非传递空间的形状时的冯米塞斯等效应力分布的图表及图。

图19的(a)～(d)是示出本发明的形态B的垫圈的变形例的纵剖视图。

图20是示出本发明的形态B的垫圈的变形例的纵剖视图。

图21的(a)～(d)示出制造本发明的垫圈的刀具的形状的例子。

图22示出制造本发明的垫圈的模具的例子。

图23示出制造本发明的垫圈的铸模等模具的例子。

具体实施方式

〔本发明的第一方面〕

本发明在第一方面中，提供一种垫圈紧固结构，其是从被紧固物(2)侧延伸的螺栓(3)贯穿被紧固物(2)和垫圈(1)的螺栓孔(1h)，并利用所述螺栓(3)及螺母(4)使用所述垫圈(1)将所述被紧固物(2)紧固于基体(5)(基体5有时也是螺栓3的螺栓头(3h))的垫圈紧固结构，其特征在于，

所述螺栓(3)、所述垫圈(1)、所述螺母(4)及所述垫圈紧固结构具有共同的轴线及轴线方向(以下也简称为“所述轴线”及“所述轴线方向”。)及与所述轴线垂直的半径方向(以下也简称为“所述半径方向”。)，

所述垫圈(1)具有垫圈主体(1b)和贯通所述垫圈主体(1b)的所述螺栓孔(1h)，

所述垫圈主体(1b)具有应力非传递空间(1s)，所述应力非传递空间(1s)为以所述螺栓孔(1h)的所述轴线为中心的同心圆环状，

所述应力非传递空间(1s)在所述螺栓孔(1h)开口。

以下，并不意图限定本发明的第一方面，参照附图进行详细说明。

图1是示出现有技术的垫圈紧固结构的例子的纵剖视图，图5是示出本发明的第一方面的垫圈紧固结构的例子的纵剖视图。参照图1及图5，涉及一种如下垫圈紧固结构，即，从基体5侧延伸的螺栓(3)贯穿被紧固物(2)的螺栓孔及垫圈(1)的螺栓孔(1h)，隔着垫圈(1)利用螺栓(3)及螺母(4)将被紧固物(2)紧固于基体(5)。在本发明的第一方面的垫圈紧固结构中，垫圈(1)存在于螺母(4)与被紧固物(2)之间。

在图1及图5中，螺栓(3)贯通基体(5)、被紧固物(2)及垫圈(1)而与螺母(4)结合，但螺栓(3)也可以是基体(5)的一部分，也可以埋入基体(5)而不贯通基体(5)。螺栓(3)具有圆柱状的螺纹轴体和在螺纹轴体的前端部与螺母卡合的螺纹部(外螺纹)，螺纹部具有螺纹牙及螺纹谷，具有螺纹牙间及螺纹谷间的距离即间距p。另外，螺栓(3)的外径通常是指螺纹牙顶的直径。在螺栓(3)的轴线方向上，将螺栓(3)的具有螺纹部的前端侧称为(螺纹)开放侧，将其相反方向称为(螺纹)紧固侧，与螺栓(3)的螺纹开放侧、紧固侧对应地，螺母(4)也具有螺母的螺纹开放的开放侧(4o)、被紧固的紧固侧(4c)。

螺母(4)具有螺纹轴部(4s)和贯通螺纹轴部(4s)并与螺栓(3)的外螺纹对应的内螺纹(螺纹部)。螺母的螺纹径通常是指螺纹谷底的直径。螺纹轴部(4s)的横截面一般为六边形，但也可以是六边形以外的多边形。在本发明中，螺母(4)不是必须的，但优选在螺纹轴部(4s)的垫圈(1)侧具有凸缘部(4f)。凸缘部(4f)是指具有比螺纹轴部(4s)的外周尺寸大的外周尺寸的部分。在此，螺纹轴部(4s)及凸缘部(4f)的外周尺寸可以为在俯视图中内切于螺纹轴部(4s)及凸缘部(4f)的圆的尺寸(直径)。螺母(4)的螺纹具有螺纹牙及螺纹谷，具有与螺栓(3)的螺纹相同的间距p，但螺母(4)的螺纹谷底的直径设定为比螺栓(3)的外径稍大。同样地，螺母(4)的螺纹牙顶的直径设定为比螺栓(3)的螺纹谷底的直径稍大。在螺母(4)的轴线方向上，将螺栓(3)的开放侧称为螺母(4)的开放侧(4o)，将其相反方向称为紧固侧(4c)。

在本发明中，被紧固物(2)及基体(5)没有特别限定。只要是利用螺栓和螺母紧固的被紧固物及基体，就能够享受本发明的垫圈紧固结构的利益。基于螺栓、螺母的紧固广泛用于航空器、机动车、铁路车辆、机床、土木机械、农业机械、各种制造装置、桥梁、建筑构造物等，本发明的垫圈紧固结构可以适用于其中任一种。

(螺纹中的紧固应力的负荷分担率)

在将螺栓(3)和螺母(4)紧固时，由于螺母(4)的螺纹谷开放侧的斜面相对于螺栓(3)的螺纹牙的紧固侧斜面按压，因此在螺栓(3)的螺纹牙的紧固侧斜面与螺栓(3)的根部(图1(a)的螺栓头(3h))之间施加拉伸应力，这成为轴向力。另外，若将螺母(4)向紧固侧按压，则在螺母(4)的螺纹谷开放侧的斜面与被紧固物(螺母(4)的座面)之间施加压缩应力，螺栓(3)的螺纹牙的紧固侧的斜面被螺母(4)的螺纹谷开放侧的斜面按压，施加压缩应力。其结果是，在螺栓(3)的螺纹作用有将上述的拉伸应力和压缩应力合成(矢量合成)后的应力。由于拉伸应力和压缩应力具有越靠近螺栓头(3h)就负担越大的应力的性质，因此对螺栓(3)的紧固啮合第一牙施加最大的应力，越朝向第二牙、第三牙和开放侧，应力负担越小。以下，在本发明中，在称为螺纹的第几牙时，表示从紧固啮合第一牙开始数起的螺纹牙的顺序。由于螺纹在轴线方向上是螺旋状，因此螺纹的第几牙的位置是平均值(中央值)的位置。

图2是在包含现有方式的垫圈的紧固体中，在将螺栓(3)和螺母(4)紧固时，对施加于螺栓(3)的拉伸应力的朝向和大小进行FEM解析而表示的矢量图，图的矢量的朝向为应力的朝向，矢量的长度和密集度表示应力的大小。施加于螺栓(3)的拉伸应力在紧固啮合第一牙处最大，朝向开放侧的高阶螺纹牙变小。同样地，图3是在包含现有方式的垫圈的紧固体中，在将螺栓(3)和螺母(4)紧固时，对施加于螺母(4)的压缩张力的朝向和大小进行FEM解析而表示的矢量图，图的矢量的朝向为应力的朝向，矢量的长度和密集度表示应力的大小。该压缩张力的反作用力施加于螺栓(3)的螺纹牙的紧固侧的斜面。图4是在包含现有方式的垫圈的紧固体中，对将图4所示的形状的螺栓(3)和凸缘螺母(4)紧固时施加的冯米塞斯等效应力进行FEM解析的图，是将图2的拉伸应力图和图3的压缩应力及其反作用力合成后的图。

在图4中，冯米塞斯等效应力最大的区域由白色表示，最小的区域由黑色表示，中间由明暗两等级灰色表示(灰度级)。在图4中，从垫圈的最内径部进入的力(白色区域)集中流入位于正上方的螺母的紧固侧第一牙，该螺母的第一牙被白色和亮灰色填满，向按压螺栓的第一牙的螺纹牙的紧固侧的面的方向起作用，在白色处相互挤压，在螺栓内部也产生白色和亮灰色。螺栓如图4所示向下方(螺栓头方向)施加轴向力，从啮合第一牙螺纹牙通过开放侧的螺纹牙与螺母进行力的交换。螺栓螺纹的第一牙的正下方(螺栓头侧)的螺纹牙由于没有螺母螺纹牙，因此承受较多的螺栓轴向力，螺母的第一牙起到上推螺栓螺纹第一牙的作用，承受※部分被打开那样的较大的应力。接着传递到第二牙，虽然周边存在小的白色和亮灰色，但与第一牙相比非常小，暗灰色进入螺母螺纹牙。接着，在第三牙出现亮灰色，但为在螺母螺纹牙侧出现得较小的程度，在第四牙，几乎成为暗灰色，在第五牙，黑色的弱应力变多，在第六牙、第七牙，应力小的黑色成为大部分的分布。该应力分布状况如负荷分担率表所示，表示与均衡化相差很大的不均匀的状况。该※部分是紧固啮合第一牙的螺栓螺纹谷底，是引起疲劳破坏的情况较多的部位。参照图4确认到，从螺栓3的紧固侧对第一牙施加最大的应力，越朝向第二牙、第三牙和开放侧，应力负担越小。负荷分担率的数值如图9所示，第一牙为35.6％，第二牙为20.6％，第三牙为14.5％，第四牙为11.0％，第五牙为8.5％，第六牙为5.9％，第七牙为3.9％。

观察在图4的垫圈(1)产生的应力分布时，由于垫圈(1)和螺母(4)在整个座面接触，因此应力小的黑色在垫圈(1)的外周部侧及中央部较大地扩展，在较宽的范围内承受来自螺母(4)的压缩力，但在最内径部的与螺母(4)接触的点表现出应力大的白色，亮灰色具有与螺母的第一牙相同的面积，暗灰色区域较大地扩展。这表示在垫圈(1)的螺栓孔内壁侧的端部，高的冯米塞斯等效应力向正上方的与螺母(4)的接触部分传递的状况。

(应力非传递空间)

本发明的垫圈紧固结构通过降低螺栓(3)的紧固啮合第一牙的应力负担率，实现螺栓(3)的耐久性提高及疲劳寿命延长。

图6是图5的垫圈(1)与螺母(4)卡合的、垫圈(1)的螺栓孔(1h)附近的局部扩大图。图7的(a)是垫圈(1)的纵剖视图，图7的(b)、(c)是从垫圈(1)的上方及下方观察的立体图。

根据本发明的第一方面，参照图5～图7，垫圈(1)具有：垫圈主体(1b)，其具有上平面(1u)和下平面(1w)；以及螺栓孔(1h)，其贯通垫圈主体(1b)的上平面(1u)和下平面(1w)，垫圈主体(1b)具有应力非传递空间(1s)。需要说明的是，垫圈主体(1b)的上平面(1u)是指与螺母(4)卡合的一侧的面。在以下的说明中，将垫圈(1)的与螺母(4)卡合的一侧称为上、上侧、上方，将垫圈(1)的与被紧固物(2)卡合的一侧称为下、下侧、下方。

在本发明的第一方面中，垫圈主体(1b)具有应力非传递空间(1s)，该应力非传递空间(1s)是以螺栓孔(1h)的轴线为中心的同心圆环状，应力非传递空间(1s)在螺栓孔(1h)开口。应力非传递空间(1s)可以在螺栓孔(1h)开口并且也在垫圈主体(1b)的上平面(1u)开口(例如，图5～7)，或者可以在螺栓孔(1h)开口并且也在垫圈主体(1b)的下平面(1w)开口(例如，图13～15)，或者也可以在螺栓孔(1h)开口但在垫圈主体(1b)的上平面(1u)和下平面(1w)均不开口(例如，图19的(c))。图5～7是应力非传递空间(1s)在螺栓孔(1h)开口并且也在垫圈主体(1b)的上平面(1u)开口的例子，在这样应力非传递空间(1s)也在垫圈主体(1b)的上平面(1u)开口时，将应力非传递空间(1s)称为第一应力非传递空间(11s)(形态A)。第一应力非传递空间(11s)未在垫圈主体(1b)的下平面(1w)开口。另一方面，如图13～15的例所示，应力非传递空间(1s)未在垫圈主体(1b)的上平面(1u)开口时，将应力非传递空间(1s)称为第二应力非传递空间(12s)(形态B)。第二应力非传递空间(12s)可以在垫圈主体(1b)的下平面(1w)开口，也可以不开口。以下，根据需要，将第一应力非传递空间(11s)和第二应力非传递空间(12s)统称为应力非传递空间(1s)。

在形态A中，第一应力非传递空间(11s)是这样的空间：在垫圈(1)的包含轴线的纵剖面中，将垫圈主体(1b)的上平面(1u)的延长线作为第一边界线(B1)，将螺栓孔内周面(1i)的延长线作为第二边界线(B2)，将位于比第一边界线靠下侧且比第二边界线靠半径方向外侧、连结第一边界线的位置Pt和第二边界线的位置Ph的线作为第三边界线(B3)，并且是使纵剖面中的由第一边界线(B1)、第二边界线(B2)及第三边界线(B3)包围的所述空间以垫圈(1)的轴心为中心旋转而形成的同心圆环状的三维形状的空间。第三边界线(B3)与第一边界线(B1)接触的位置Pt优选为在第一应力非传递空间(11s)中在半径方向上距离螺栓孔内周面(1i)最远的位置。参照图5～7的优选例，第一应力非传递空间(11s)具有第一应力非传递空间(11s)与垫圈主体(1b)的上平面(1u)的边界位置Pt、第一应力非传递空间(11s)与垫圈主体(1b)的螺栓孔内周面(1i)的边界位置Ph，作为从在半径方向上距离螺栓孔内周面(1i)最远的位置Ps到连结螺母(4)的螺纹谷底的线的延长线为止的距离，具有Ls，作为从垫圈主体(1b)的上平面(1u)的延长线到位置Ph为止的距离，具有Lh。在本发明的第一方面中，距离Ls定义为从在半径方向上距离螺栓孔内周面(1i)最远的位置到连结螺母(4)的螺纹谷底的线的延长线为止的距离，优选第一应力非传递空间(11s)与垫圈主体(1b)的上平面(1u)的边界位置Pt为第一应力非传递空间(11s)中的在半径方向上距离螺栓孔内周面(1i)最远的位置Ps(例如，图5～7)。但是，第一应力非传递空间(11s)中的在半径方向上距离螺栓孔内周面(1i)最远的位置Ps也可以不是第一应力非传递空间(11s)与垫圈主体(1b)的上平面(1u)的边界位置Pt，而位于连结位置Pt和位置Ph的第三边界线(B3)的中途。

在形态B中，第二应力非传递空间(12s)是这样的空间：在垫圈(1)的包含轴线的纵剖面中，将从垫圈主体(1b)的螺栓孔内周面(1i)的位置P1向半径方向外侧延伸并到达螺栓孔内周面(1i)的位置P2(例如参照图19的(c))或到达所述垫圈主体(1b)的下平面(1w)的位置P3(例如参照图13～15)的线作为第四边界线(B4)，将螺栓孔内周面(1i)的延长线作为第五边界线(B5)，或追加将垫圈主体(1b)的下平面(1w)的延长线作为第六边界线(B6)，并且使纵剖面中的由第四边界线(B4)和第五边界线(B5)、或第四边界线(B4)、第五边界线(B5)和第六边界线(B6)包围的所述空间以垫圈(1)的轴心为中心旋转而形成的同心圆环状的三维形状的空间。参照图13～15，在第二应力非传递空间(12s)中，也将距离螺栓孔(1h)最远的位置设为Ps，作为从位置Ps到连结螺母(4)的螺纹谷底的线的延长线为止的距离，具有Ls。在图13～15的例中，下平面(1w)的位置P3是在第二应力非传递空间(12s)中在半径方向上距离螺栓孔内周面(1i)最远的位置Ps。

垫圈(1)在纵剖面中，在应力非传递空间(1s)的下侧和/或上侧，垫圈主体(1b)延伸至螺栓孔1h，该延伸部分的前端形成划分螺栓孔的螺栓孔内周面(1i)。螺栓孔内周面(1i)在纵剖面中应该形成与轴线平行的线段，但作为线段的极限的情况也可以是点。形成该螺栓孔内周面(1i)的垫圈主体(1b)的延伸部分用于螺栓(3)与垫圈(1)的对位，在俯视图中，需要在至少两个部位、优选至少三个部位处延伸至螺栓孔内周面(1i)，但延伸至螺栓孔内周面(1i)的部分也可以是突起状，即，在俯视图中，也可以在该突起状以外的区域形成空间(未图示)。这样的空间在图5～7的纵剖视图中是应力非传递空间(1s)的下侧的垫圈主体1b存在的区域，在图13～15的纵剖视图中是应力非传递空间(1s)的上侧的垫圈主体(1b)存在的区域。这样的空间不需要形成，但在形成的情况下，形成与应力非传递空间(1s)连续的空间。但是，该空间与本发明所定义的应力非传递空间(1s)不同。

在本发明的第一方面的垫圈紧固结构中，由于垫圈(1)具有应力非传递空间(1s)，因此，在将螺栓(3)和螺母(4)紧固时，在螺母(4)与垫圈(1)之间施加的压缩应力中，在应力非传递空间(1s)存在的垫圈主体(1b)的螺栓孔(1h)侧的区域中，无法传递应力。紧固时的压缩应力基本上在螺母(4)及垫圈主体(1b)的螺栓孔(1h)的轴线方向上或以从半径方向的外侧向内侧倾斜的角度起作用(即，基本上在轴线方向、图6的上下方向起作用)。因此，在垫圈(1)的纵剖面中，在应力非传递空间(1s)存在的区域中，压缩应力在上下方向和左右方向上都不传递，因此垫圈(1)的比应力非传递空间(1s)靠半径方向的外侧的区域中的上下方向的压缩应力在比应力非传递空间(1s)靠上侧向半径方向的内侧弯曲，由此能够相对于螺栓(3)和螺母(4)的螺纹、特别是低阶螺纹牙的螺纹起作用。上下方向的压缩应力能够弯曲的角度最大为45度左右。因此，在垫圈(1)与螺母(4)的边界，位于螺栓孔侧的应力非传递空间(1s)的半径方向的尺寸越大，作用于螺栓(3)和螺母(4)的螺纹的压缩应力越向更高阶螺纹牙侧移动，相对于低阶螺纹牙、特别是第一牙的螺纹的应力越小。这样，在本发明的第一方面的垫圈的紧固结构中，通过在垫圈(1)形成上述的应力非传递空间(1s)，能够减小螺栓(3)和螺母(4)的低阶螺纹牙、特别是第一牙的螺纹的应力负荷分担率，能够提高螺栓(3)的啮合第一牙谷底的疲劳强度。

图8是这样的图：在图5～7所示的第一方面的垫圈紧固结构的例子中，设为与图4的现有方式相同的尺寸结构，将应力非传递空间(1s)的半径方向尺寸、即从垫圈(1)的上平面(1u)中的应力非传递空间(1s)的距离螺栓孔(1h)最远的位置(垫圈(1)的上平面(1u)与应力非传递空间(11s)的边界位置Pt到连结螺母(4)的螺纹谷底的线的延长线(4e)为止的距离Ls设为约2.21p(相当于2.21间距)，将应力非传递空间(11s)的轴线方向尺寸(深度)、即从螺栓孔内周面(1i)的延长线上的垫圈(1)的上平面(1u)的位置Po到应力非传递空间(11s)的螺栓孔内周面(1i)上的最深位置(螺栓孔内周面(1i)与应力非传递空间(11s)的边界位置Ph)为止的距离Lh设为约1.0p(相当于1.0间距)，对将螺栓(3)和螺母(4)紧固时施加的冯米塞斯等效应力进行FEM解析而得到的图，是与图4对应的图。需要说明的是，形态A的除了垫圈的形状、尺寸以外的其他部分在图1和图5的紧固体中全部相同。与图7一起参照图8，若比较位置Pt(Ps)附近和螺母最外周部，则位置Pt(Ps)附近产生较大的应力。白色的应力大从位置Pt(Ps)倾斜地向螺纹牙方向扩展，在进入螺母内部时亮灰色和暗灰色较大地扩展，向螺母螺纹牙的开放侧的第三牙、第四牙、第五牙大幅度扩散，在螺纹牙的第六牙、第七牙处成为黑色。与此相对，作为与现有方式相同的材料，垫圈的强度从位置Pt(Ps)稍微倾斜地显示白色、亮灰色、暗灰色与冯米塞斯等效应力分布的线1mg(参照图11的(a))类似的分布。该分布状态表示力的流向。

比较图8和图4可知，应力的分布状态有很大不同。在图8中，观察到亮灰色和暗灰色扩展到第五牙。从垫圈的位置Pt(Ps)附近倾斜地向螺纹牙方向观察到小的白色，该白色表示应力的大小，在该白色所朝向的方向上有螺母螺纹牙的第三牙、第四牙、第五牙。参照图8，与图4相比，确认到应力更多地朝向开放侧，第一牙的应力负荷分担率变小。负荷分担率的数值为第一牙30.2％、第二牙19.4％、第三牙15.2％、第四牙12.6％、第五牙10.3％、第六牙7.4％、第七牙4.9％。

在图9的(a)、(b)中示出调查图7的各螺纹牙的负荷分担率的结果。在图9的(a)中示出对本发明的紧固结构的一例(图8)的负荷分担率和与现有方式的垫圈紧固结构的图4对应的负荷分担率进行比较的表，在图9的(b)中将该比较以条形图表显示。从这两个比较来看，现有方式的螺栓的啮合第一牙的负荷分担率为35.6％，与此相对，本发明的螺栓的啮合第一牙的负荷分担率为30.2％，绝对值减少5.4点，相对比减少约15％。通过该第一牙负荷降低，在螺栓的啮合第一牙谷底的疲劳强度提高方面有效果。

螺栓、螺母紧固部的破坏大多在螺栓的啮合第一牙谷底以裂纹轴断裂的形式产生，对具有提高疲劳破坏强度的效果的初始紧固负荷的降低如何发挥效果进行说明。由螺栓的疲劳试验结果求出的S-N线图表示疲劳破坏寿命(重复数Nf)与外力负荷(应力振幅σr)的关系，但一般可以用以下的实验式表示。

Nf·σr^b＝C

(式中，Nf：直至疲劳破坏为止的负荷的重复数

σr：负荷的应力振幅

b：应力指数(通常为3～5)

C：材料常数)

如这里所示，预先降低向紧固啮合第一牙的螺栓螺纹谷底的负荷，会以相同的比例降低外力负荷(σr)分担，带来能够增大降低的负荷的应力振幅的b(通常为3～5)次方的量、重复数Nf的效果。由于负荷分担率降低15％，因此根据上述式，可期待Nf提高50～100％，寿命增大1.5～2倍。若应力指数b＝4，则可期待寿命增大约1.9倍。

需要说明的是，成为在本发明中采用的进行FEM解析的螺栓、螺母、垫圈的边界条件的螺纹牙形状、构件强度、构件杨氏模量、泊松比、紧固转矩、轴向力等要素全部采用与现有方式相同的JIS(ISO)规定的要素进行解析，通过比较确认改良效果。关于螺纹的间距采用细牙。在图4及图8所示的解析中，作为参考示出了M12×P1.25(细牙螺纹)的情况。以典型的形式表示第三边界线(B3)的一例是图8，在图10的右图的右中图及右下图中示出以相同的形状改变了Ls的例子的FEM解析结果。需要说明的是，负荷分担比率换算成相对于Ls/p的值来表示。垫圈内的螺栓孔径为了供螺纹通过而设为最小的间隙(0.5mm)，是与现有方式的螺栓孔和螺栓螺纹的关系相同的间隙，且为直线。距离Ls约为2.21p(相当于2.21间距)，距离Lh约为1.0p(1.0间距)。螺母的座面的外周径为24mm。

图5～7的纵剖视图中示出应力非传递空间(1s)的优选方案的例子，垫圈主体(1b)在螺栓孔(1h)开口。在纵剖视图中，应力非传递空间(1s)三维地呈以垫圈(1)的螺栓孔(1h)的轴线为中心的同心圆环状(参照图7的(b)、(c))。即，应力非传递空间(1s)是能够将图5～7所示的截面形状的空间1s以轴线为中心旋转360度而成的三维形状的空间(同心圆环状空间)。参照图5～7的应力非传递空间(1s)在垫圈(1)的纵剖视图中在螺栓孔(1h)开口，由此垫圈主体(1b)的螺栓孔侧的紧固力的轴向的传递被切断，因此施加于位于螺栓孔侧的螺栓(3)的紧固啮合低阶螺纹牙的力减少。

图10是在与图7同样地第一方面的垫圈紧固结构的例子中，对将螺栓(3)和螺母(4)紧固时施加的冯米塞斯等效应力进行FEM解析，将使距离Ls(Ls/p)变化时的第一牙的应力负担率的变化汇总的图表及冯米塞斯等效应力分布图。参照图10，确认到若距离Ls(Ls/p)变大，则第一牙的负荷分担率变得更小。当Ls/p从0依次增大为0.80、2.21、3.00、3.41、3.81时，第一牙的负荷分担率从Ls/p＝0时的35.6％，依次降低为32.8％、30.2％、29.1％、28.7％、28.3％。观察图8的(b)的图表可知，各数值位于向下凸的曲线。在垫圈的设计中，作为与材质、杨氏模量、硬度等各种条件相关的设计条件，可以在用户侧选择。

根据上述的由螺栓的疲劳试验结果求出的S-N线图的关系式，在负荷分担率从35.6％降低到32.8％、30.2％、29.1％、28.7％、28.3％时，作为应力指数b＝4，可期待Nf及寿命分别增大到约1.39倍、约1.92倍、约2.22倍、约2.33倍、约2.56倍。

在图11中，示出了力F在位置Pt垂直地负荷的例子，但在实际的螺栓、螺母、垫圈的关系中，图11中的F的箭头的方向也有时相对于图从右上朝向左下。其理由是，由于在位置Pt的右侧有螺栓，在位置Pt上有螺母座面，因此螺栓(3)和螺母(4)通过螺纹牙传递力，其压缩力应力集中于螺母座面与垫圈(1)的接触部分的最内周部(在此为位置Pt)。因此，冯米塞斯等效应力分布曲线的例如应力线1mg(图8中)也成为稍微顺时针旋转的形式。这是因为，在图11的左半侧，从边界线(B3)起，包含应力线1mg的压缩应力分布整体向顺时针方向倾斜、分离，因此在本发明的评价中没有不良影响。即使观察图8的冯米塞斯等效应力分布图，在螺母座面与垫圈(1)的接触的位置Pt附近，应力大的白色、应力稍大的亮灰色、应力稍弱的深灰色的区域表示力F的方向，在垫圈(1)和螺母(4)中扩展。该应力的方向看起来从位置Pt朝向螺纹第四牙。

(优选的应力非传递空间；形态A)

在本发明的第一方面的一个优选方案中，发现应力非传递空间(1s)优选为满足下述条件的第一应力非传递空间(11s)(将该方案称为形态A)。即，第一应力非传递空间(11s)在图5～7所示的垫圈(1)的包含轴线的纵剖面中，特别在参照图6时，

·是这样的空间，将垫圈主体(1b)的上平面(1u)的延长线设为第一边界线(B1)，将螺栓孔内周面(1i)的延长线设为第二边界线(B2)，将位于比第一边界线(B1)靠下侧且比第二边界线(B2)靠半径方向外侧、连结第一边界线(B1)的位置Pt和第二边界线(B2)的位置Ph的线设为第三边界线(B3)，在第一应力非传递空间(11s)中，将在半径方向上距离螺栓孔内周面(1i)最远的位置设为Ps，优选位置Pt为位置Ps，

·从位置Ps到连结螺母(4)的螺纹谷底的线的延长线(4e)为止的半径方向的距离Ls位于超过螺母(4)的螺距p的0.5倍且为6倍以下的长度的范围，

·从第一边界线(B1)到第一应力非传递空间(11s)的在轴线方向上最远的位置为止的轴线方向的距离Lh，在优选方案中为，将第一边界线(B1)与第二边界线(B2)相交的位置设为Po，从位置Po到位置Ph的轴线方向的距离为距离Lh，但位于螺母(4)的螺距p的0.01倍以上且垫圈(1)的厚度T的99％以下的范围。

在图5～7的纵剖视图中示出第一应力非传递空间(11s)的优选方案的例子，垫圈主体(1b)具有在螺栓孔(1h)开口并且也在上平面(1u)开口的第一应力非传递空间(11s)。第一应力非传递空间(11s)未在垫圈主体(1b)的下平面(1w)开口。在垫圈(1)的纵剖面中，第一应力非传递空间(11s)与垫圈主体(1b)的第三边界线(B3)是从上平面(1u)的位置Pt连接到螺栓孔内周面(1i)(划分螺栓孔(1h)的面)的位置Ph的向上凸的应力集中缓和曲线。在图5～7中，第三边界线(B3)是圆弧或者椭圆弧。如果是圆弧，则中心点位于从Pt通过垫圈内部的正下方，如果是椭圆弧，则优选Pt是椭圆短轴的顶点。并且，由于在上平面(1u)的位置Pt附近施加来自螺母(4)的力，因此优选上平面(1u)与第三边界线(B3)的连接的方式也是应力集中缓和曲线，重要的是从上平面(1u)的直线以平缓的曲线向第三边界线(B3)移动，是没有角部的应力集中缓和曲线。另一方面，螺栓孔内周面(1i)的位置Ph附近的、第三边界线(B3)与螺栓孔内周面(1i)的连接的方式由于几乎不受到来自螺母(4)及被紧固物(2)的力，因此也可以不一定是应力集中缓和曲线。例如，第三边界线(B3)如图11所示，可以以从位置Pt向上凸的曲线开始，拐折而形成向下凸的曲线，到达位置Ph。

在该方案中，第一应力非传递空间(11s)在纵剖面中具有图5～7所示的向上凸的截面形状，三维地呈以垫圈(1)的螺栓孔(1h)的轴线为中心的同心圆环状(参照图7的(b)、(c))。即，第一应力非传递空间(11s)是能够将图5～7所示的截面形状的空间(1ls)以轴线为中心旋转360度而成的三维形状的空间(同心圆环状空间)。

参照图5～7，第一应力非传递空间(11s)在垫圈(1)的纵剖面中，在螺栓孔(1h)开口。通过第一应力非传递空间(11s)在螺栓孔(1h)开口，从而垫圈主体(1b)的螺栓孔侧的紧固力的轴线方向的传递被切断，因此施加于位于螺栓孔侧的螺栓的紧固啮合低阶螺纹牙的力减少。第一应力非传递空间(11s)在垫圈(1)的纵剖视图中，也在垫圈主体(1b)的上平面(1u)开口。第一应力非传递空间(11s)由于也在垫圈主体(1b)的上平面(1u)开口，因此位于接近螺母(4)及螺栓(3)的低阶螺纹牙的部位，能够强力且可靠地获得降低施加于螺栓(3)的紧固啮合低阶螺纹牙的力的效果，另外，即使空间的深度小也能够强力且可靠地获得负荷降低效果，垫圈主体(1b)中的空间的形成也容易。

若第一应力非传递空间(11s)具有半径方向的距离Ls，则通过螺栓(3)的低阶螺纹牙、特别是第一牙的负荷降低，具有提高螺栓(3)的啮合第一牙谷底的疲劳强度的效果，距离Ls越大该效果越大，但该效果逐渐饱和。在一个优选方案中，距离Ls例如可以处于螺母(4)的螺距p的长度的0.8倍以上、1倍以上、1.5倍以上、2倍以上、2.5倍以上、3倍以上、且5倍以下、4倍以下、3.5倍以下的长度的范围。特别优选为2.0倍以上且4倍以下。

第一应力非传递空间(11s)的轴线方向的距离Lh设定为，即使垫圈(1)发生弹性变形，也能够确保Ph不与螺母座面接触的空间，可以为螺距的0.01倍～0.1倍左右这样极浅的距离，为了使垫圈(1)轻量化，也可以是较深的距离。在一个优选方案中，距离Lh例如可以是螺母(4)的螺距p的0.1倍以上至垫圈(1)的下述厚度T的90％以下的范围，进而也可以是螺距p的1倍以上至垫圈(1)的厚度T的65％以下的范围。优选的是超过0.01p且为垫圈的厚度T的65％以下的范围，更优选的是超过0.03p且为垫圈(1)的厚度T的50％以下的范围，进一步优选的是超过0.04p且为垫圈(1)的厚度T的40％以下的范围。需要说明的是，距离Lh是螺栓孔内周面(1i)的面上的距离。距离Lh可以是第一应力非传递空间(11s)的轴线方向上最长的距离，但也可以不是第一应力非传递空间(11s)的轴线方向上最长的距离。与距离Lh是否为第一应力非传递空间(11s)的轴线方向上最长的距离无关，第一应力非传递空间(11s)的轴线方向上最长的距离优选为螺母(4)的螺距p的0.01倍至垫圈(1)的厚度T的99％以下。

在一个优选方案中，距离Lh或者第一应力非传递空间(11s)的轴线方向上最长的距离为螺母(4)的螺距p的0.5倍以上至垫圈(1)的厚度T的95％以下的范围，进而可以在30～90％的范围内、50～90％的范围内。距离Lh或者第一应力非传递空间(11s)的轴线方向上最长的距离可以是厚度T的1％以上、3％以上、5％以上、10％以上，另外可以是厚度T的50％以下、30％以下、20％以下、10％以下、5％以下。

对具有应力非传递空间(1s)及第一应力非传递空间(11s)的方案进行了说明，但通过参照图8～10的冯米塞斯等效应力评价结果，作为其评价，若距离Ls(Ls/p)变大，则第一牙的应力负荷分担率变得更小也如上所述。

(冯米塞斯等效应力分布)

在第一方面的形态A的垫圈紧固结构中，在一个优选方案中，第一应力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)位于比相对应力为基准的95％的螺栓孔侧的应力分布线靠螺栓孔侧，将如下大小作为基准，即，在将施加于垫圈主体(1b)的上平面(1u)的紧固力向假定为垫圈(1)的上平面(1u)从位置Pt到位置Po为平坦的垫圈(1)施加时，在上述假定的垫圈(1)内产生的冯米塞斯等效应力分布中，从位置Pt向垂直下方施加的冯米塞斯等效应力的大小。

冯米塞斯等效应力分布是使实际上看不到的延性材料内部的力的状态可视化的技术，通过将物质内部细分化，计算3轴方向的矢量，将其集中表现，从而将内部的力的方向、力(应力)的大小作为分布来表示。是材料力学中熟知的方法，代表性的公式如下，冯米塞斯应力σMises使用主应力σ1、σ2、σ3以下式表示；

[式1]

σ²Mises＝{(σ₁-σ₂)²+(σ₂-σ₃)²+(σ₃-σ₁)²}/2

在本发明中，对以JIS规定的轴向力紧固螺栓、螺母、垫圈时的状态进行比较而相对于现有方式按照目的进行改良，使用冯米塞斯等效应力的分布来评价本发明的紧固结构。

在紧固时产生的螺栓的轴向力全部成为应力，该应力为：与螺母相接的螺纹牙整体不均等地啮合，将与轴向力相当的力向螺母转移，由螺母的螺纹牙不均等地分担的力的总和经过螺母的内部，在与垫圈的整个接触面上压缩的应力。螺栓轴向力的整体与由垫圈的整个面承受的力的总和相等。在图4、图8等中示出了一个纵剖面，但由于解析以1/360度的量进行，因此与360度的总和一致。另外，施加于垫圈的应力绝对不均等，以在螺母的内周侧(螺栓侧)较多或者更多的比例(根据各种的模拟结果)集中在螺母内周侧，螺母外周侧的负荷分担小(模拟的黑色部分多)。因此，即使考虑集中施加于内周侧的螺母和垫圈的接触点Pt，也通过在垫圈的螺栓孔侧配置较多的垫圈主体的构件而变得牢固，成为防止垫圈的压曲等更安全的紧固结构。

作为本发明的第一方面的紧固结构的第一个要素，在图6及图8的例子中，具有从连结螺母(4)的螺纹谷底的线(4e)到螺母座面(4w)与垫圈(1)开始接触的位置(点)Pt为止的距离Ls。对该位置Pt施加最大载荷，在位置Pt正下方产生最大的压缩应力。

图11的(a)的冯米塞斯(vonMises)等效应力分布1m是将一般对位置Pt垂直地施加了力时的垫圈内部产生的压缩应力的分布状态通过对利用FEM解析的计算进行后处理来表示的。在图11的(a)中，也一并记载了第三边界线(B3)，但在本发明中，假定垫圈(1)具有没有第一应力非传递空间(11s)的平坦的上平面(1u)，以在对该假定的垫圈(1)的上平面(1u)的位置Pt(与第一应力非传递空间(11s)的边界)施加力F时，对该假定的垫圈(1)的内部施加的冯米塞斯等效应力分布为基准，在图11的(a)中，也示意性地表示这样求出的冯米塞斯等效应力分布。冯米塞斯等效应力分布依赖于垫圈的杨氏模量和泊松比，另外应力的大小依赖于力F，但应力分布状况以不依赖于力F的大小的相对的应力分布为基准来表示，因此，图11的(a)所示的表示冯米塞斯等效应力分布的箭头曲线1m(具体而言1ma至1mg；虽然是表示力的大小、方向的矢量，但通过连续地描绘来表示力的流向)，在力扩散的范围即半圆内沿纵向以曲线延伸，最内部(Pt正下方部)的应力1ma最大，与其相比越向外部及远方，应力(从1mb向1mg)依次变小。在图11的(a)中，第三边界线(B3)是形成在距离Pt正下方垂线比最小的应力线1mg远的一侧(螺栓孔侧)的例子。其中，图11的(a)的应力线1m(1ma～1mg)表示7个阶段的应力分布，但示意性地表示任意的应力分布。

图11的(b)是实际求出该状态的力的大小，使用黑(应力大)、灰色、浅灰色、白色(应力小)以8个阶段的渐变图案表示的图，是颜色越深应力越大的状态，在显示中，施加力F的中心部Pt的正下方的应力1ma最大，从位置Pt到最外周的线1mg的部分的应力最小。该应力进一步向最外周线1mg的外侧扩展，但外周线1mg的外侧(图中为线1mg的右侧)的应力的大小极其微小，小到可以忽略作为应力的影响。图中的最外周线1mg的内部(大致半圆的内部)分担全部载荷F的95％以上。若第一应力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)位于远离位置Pt、冯米塞斯等效应力更小的区域，则不被第一应力非传递空间(11s)分担的应力只是该较小的应力量，因此能够进一步减小多余地施加于垫圈主体(1b)的应力，因此垫圈的强度提高，能够防止或降低垫圈的压曲。

在现有的垫圈的典型的螺栓孔结构中，垫圈(1)的螺栓孔侧的端部与垫圈(1)的上平面(1u)垂直，是螺栓(3)的轴线方向，因此是螺栓孔端部在100％正下方承受对螺栓孔端部施加的力F的全部应力的结构。在本发明的第一方面中，当形成垫圈(1)的第一应力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)位于比上述的冯米塞斯等效应力分布曲线中的施加于位置Pt的正下方的应力的95％、90％、甚至更小的应力分布曲线靠螺栓孔侧时，由于在比位置Pt正下方靠螺栓孔侧也分担施加于位置Pt的力，因此垫圈1的疲劳强度提高。第三边界线(B3)位于比施加于位置Pt的正下方的冯米塞斯等效应力1ma的大小的95％的应力分布曲线靠螺栓孔侧时，在图11的(a)中，95％的应力分布曲线例如是如1mb那样从上平面1u朝向下平面1w大致接近垂直的线，但在多数情况下，第三边界线(B3)根据距离Ls/p＝0.5～6的条件，即使在沿着lmb这样的应力分布曲线的情况下，也会在中途的某处拐折而向螺栓孔侧延伸。另外，第三边界线(B3)位于比冯米塞斯等效应力分布曲线中的施加于位置Pt的正下方的应力的80％、70％、50％、30％、20％、10％、或5％的应力分布曲线靠螺栓孔侧即可。特别优选的是，边界线B3位于比冯米塞斯等效应力分布曲线中的施加于位置Pt的正下方的应力的5％的应力分布曲线靠螺栓孔侧。

另外，第三边界线(B3)位于比冯米塞斯等效应力分布曲线中的施加于位置Pt的正下方的应力的例如X％的应力分布曲线靠螺栓孔侧时，第三边界线(B3)不需要完全沿着该X％的应力分布曲线1m，只要位于比该X％的应力分布曲线靠螺栓孔侧即可，特别是在从垫圈(1)的上平面向下平面延伸至规定的深度(通常，以向上凸的曲线)后，可以在维持应力非集中线的同时，进一步朝向螺栓孔侧(与垫圈(1)的上平面更平行的方向、即向下凸的曲线)折弯。例如，图11的第三边界线(B3)从位置Pt向深度方向开始沿着应力分布曲线1mg(向上凸的曲线)，但在规定的深度处向螺栓孔侧弯曲(经过拐点以向下凸的曲线朝向螺栓孔)延伸。在典型的一个例子中，在纵剖面中，第三边界线(B3)可以构成为从位置Pt开始形成向上凸的曲线，并拐折而形成向下凸的曲线到达位置Ph(这里，向上凸或向下凸的曲线是指相对于连结该曲线的任意两点的直线，该两点之间的点与该直线相比分别位于上方或下方，相对于该曲线的切线分别位于上方或下方)。通过使第三边界线(B3)为这样的曲线，垫圈(1)通过第一应力非传递空间(11s)实现较小的应力集中，并且能够减小垫圈主体(1b)的螺栓孔附近的强度降低，还能够减小形成第一应力非传递空间(11s)的加工量，另外还有利于与螺栓(3)的对位。特别优选的是，第三边界线(B3)位于比冯米塞斯等效应力分布曲线中的施加于位置Pt的正下方的应力的5％的应力分布曲线靠螺栓孔侧，在垫圈(1)的上平面(1u)附近沿着5％的应力分布曲线，且从深度达到螺距的某倍率(例如0.01倍～0.03倍)以上的位置向螺栓孔侧拐折。

参照图11的(b)，特定的应力的大小的分布状态的半径方向尺寸最初随着深度方向扩大，但图11的(a)所示的力的流向的矢量线(1m)扩大到45度附近，图11的(b)的中心的应力大的区域逐渐传播扩大，向周围依次扩宽应力稍微减弱的区域。表示应力最大的黑色范围从中途缩小。若使第三边界线(B3)的半径方向尺寸在深度方向的中途(沿着图11的(a)的1ma的方向，例如至1mc)缩小，则关于该第三边界线(B3)，从最缩小的位置引出轴线方向的线时相交的最接近位置Pt的应力分布曲线(比上述缩小的应力分布曲线靠近位置Pt的应力分布曲线)的应力施加于被紧固物(2)。因此，在本发明的目的中，关于冯米塞斯等效应力分布范围，可以认为在比半径方向尺寸成为最大的位置深的部位处是从该位置沿轴线方向延伸到下表面的直线。

在图11的(b)中，第三边界线(B3)即使在深度方向上应力分布图的应力大的范围的半径方向尺寸缩小，其周围的应力中等程度的应力传播也扩大，因此不优选第三边界线(B3)的半径方向尺寸缩小。如果以从第三边界线(B3)的位置Pt向螺栓孔方向扩大并到达至Ph为基本，则优选从位置Pt朝向Ph的第三边界线(B3)在深度方向上不缩小而仅扩大。或者，应力分布的相对的应力的大小在曲线箭头的上部(Pt附近)和下部(图的箭头的箭头附近)不同，因此，在一个方案中，可以在被紧固物(2)的下表面或者螺纹的间距10～20p或其以上的深度进行评价。在另一个方案中，也可以在从被紧固物(2)的螺母侧平面到螺纹0.1～1间距或者1～2间距的深度进行评价。

相反，在纵剖面中，第一应力非传递空间(11s)的不存在第三边界线(B3)的区域是从Pt正下方的线1ma向螺栓孔侧微小的区域，但优选从位置Pt开始的第三边界线(B3)的向螺栓孔侧的半径方向的长度例如在螺距0.01p至0.5p为应力集中缓和曲线。关于应力集中缓和曲线在前面进行了记载，例如第一边界线(B1)和第三边界线(B3)相接的点为Pt，因此其相接的形态优选第三边界线(B3)作为应力集中缓和曲线是圆弧或椭圆弧的一部分，在Pt位置作为该圆弧或椭圆弧的切线而相接。如果是圆弧，则该圆的中心位于Pt的下方，如果是椭圆，则Pt成为短轴的顶点。

另外，从位置Pt开始的第三边界线(B3)优选从位置Pt朝向螺栓孔侧至少螺距0.01p至0.5p为应力集中缓和曲线，但在比其靠螺栓孔侧也可以不一定是应力集中缓和曲线。

(第一应力非传递空间的形态A的变形例)

在图12中以纵剖视图示出第一应力非传递空间(11s)的变形例。例如，

·图12的(a)由一个椭圆或较大圆弧的一部分构成。

·在图12的(b)中，第一应力非传递空间(11s)对称地形成于垫圈(1)的两平面，垫圈(1)的两个面均可以作为上平面使用。作为图12的(b)的特征，是如下形状，即，形成第一应力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)由在从Pt向螺栓孔侧延伸需要量的部位经由拐点向下凸的例如圆弧的一部分构成，向垫圈的上平面(1u)侧返回，(但是作为不与垫圈上平面(1u)接触的范围)在中途向螺栓孔侧(半径方向)延伸而到达位于螺栓孔的Ph。具有垫圈制造时的加工量少且与螺栓的定中心容易的形状。

·在图12的(c)中，在垫圈(1)的两平面形成有非对称的第一应力非传递空间(11s)，但可以将垫圈(1)的两个面中的任一面作为上平面使用。需要说明的是，在垫圈(1)的两平面形成有非对称的第一应力非传递空间(11s)的情况下，虽然可以将垫圈(1)的两个面中的任一面作为上平面使用，但存在形成于上平面的应力非传递空间作为第一应力非传递空间起作用、或形成于下平面的应力非传递空间作为第二应力非传递空间起作用这两种可能性。距离Ls大的应力非传递空间作为实质的应力非传递空间发挥功能。在该情况下，压缩力通过垫圈(1)与螺母(4)接触的位置Pt和与被紧固物(2)接触的点之间，比该两点间靠螺栓孔侧的(所谓的半岛状的)突起部分作为进行与螺栓的定中心的部分而存在。

·图12的(d)是曲线，是中央部分形成波浪或一部分凹陷的形状。除此以外，还可以有各种形状。

·图12的(e)是这样的例子，在第一应力非传递空间(11s)中在半径方向上距离螺栓孔(1h)最远的位置Ps位于比垫圈的上平面(1u)的形成与第一应力非传递空间(11s)的边界点的位置Pt更远离螺栓孔(1h)的位置。

(优选的应力非传递空间；形态B)

作为本发明的第一方面的一个方案，发现应力非传递空间(1s)优选为满足下述的条件的第二应力非传递空间(12s)(将该方案称为形态B)。即，第二应力非传递空间(12s)是如下空间，即，在图13～15及图19所示的垫圈(1)的包含轴线的纵剖面中，将从垫圈主体(1b)的螺栓孔内周面(1i)的位置P1向半径方向外侧延伸而到达螺栓孔内周面(1i)的位置P2或到达垫圈主体(1b)的下平面(1w)的位置P3的线设为第四边界线(B4)，将螺栓孔内周面(1i)的延长线设为第五边界线(B5)，或进一步任意地将垫圈主体(1b)的下平面(1w)的延长线设为第六边界线(B6)，

第二应力非传递空间(12s)在纵剖面中，

·优选的是，将在半径方向上距离螺栓孔周面(1i)最远的位置设为Ps，从位置Ps到连结螺母的螺纹谷底的线的延长线的半径方向的距离Ls处于超过螺母(4)的螺距p的0.5倍且为6倍以下的长度的范围内，

·从垫圈主体(1b)的上平面(1u)到第二应力非传递空间(12s)的轴线方向的最短尺寸即檐部厚度Th为垫圈(1)的厚度T的1％以上。

在图13～15的纵剖视图中示出第二应力非传递空间(12s)的优选方案的例子，垫圈主体(1b)具有在螺栓孔(1h)开口并且也在下平面(1w)开口的第二应力非传递空间(12s)。第二应力非传递空间(12s)不在垫圈主体(1b)的上平面(1u)开口。第二应力非传递空间(12s)与垫圈主体(1b)的第四边界线(B4)具有从下平面(1w)大致垂直地立起的立起部(Br)，在接近圆弧的曲线的角部(Bc)处接近上平面(1u)，在从角部(Bc)到垫圈主体(1b)的螺栓孔内周面(1i)(划分螺栓孔(1h)的面)的螺栓孔内周末端部(Be)处结束，在第二应力非传递空间(12s)的上侧、特别是螺栓孔内周末端部(Be)的上侧形成檐部(1p)。考虑制作的精度，从下平面(1w)大致垂直地立起的立起部(Br)也可以在相对于垂直方向±20度的角度的范围内。角部(Bc)没有限定，在图13～15的纵剖视图中，该角部(Bc)的线段可以是从与相对于轴线z呈20～25度、特别是25度的直线相接的位置到与相对于轴线z呈65～70度、特别是65度的直线相接的位置为止的部分。螺栓孔内周末端部(Be)为从角部(Bc)的端部(与相对于轴线z呈65～70度、特别是呈65度的直线相接的位置)到螺栓孔内周面(1i)。

在该方案中，第二应力非传递空间(12s)在纵剖视图中具有图13～15所示的向上凸的截面形状，三维地呈以垫圈(1)的螺栓孔(1h)的轴线为中心的同心圆环状(参照图15的(b)、(c))。即，第二应力非传递空间(12s)是将图13～15所示的截面形状的空间以轴线为中心旋转360度而成的三维形状的空间(同心圆环状空间)。

参照图13～15，第二应力非传递空间(12s)在垫圈(1)的纵剖面中在螺栓孔(1h)开口。通过第二应力非传递空间(12s)在螺栓孔(1h)开口，垫圈主体(1b)的螺栓孔侧的紧固力的轴向的传递降低，因此施加于处于螺栓孔侧的螺栓(3)的紧固啮合低阶螺纹牙的力减少。

在与螺母一起使用形态B的垫圈的情况下，对于从垫圈(1)与螺母(4)的接触面到螺栓(3)的紧固力(压缩应力)，由于第二应力非传递空间(12s)的存在，从第二应力非传递空间(12s)的在半径方向上距离螺栓孔内周面(1i)最远的位置Ps的外侧向螺栓孔侧绕回的角度(压缩应力到达螺栓孔侧的方向)从位置Ps通过立起部(Br)，从超过角部(Bc)的曲线的顶点的附近起相对于轴线z大致45度的仰角是界限。通过使该绕入的压缩应力朝向螺栓的高阶螺纹牙(特别是牙顶)侧，能够减小螺栓的低阶螺纹牙(特别是第一牙)的负荷分担。

从第二应力非传递空间(12s)的在半径方向上距离螺栓孔内周面(1i)最远的位置Ps到连结螺母(4)的螺栓孔(1h)的螺纹谷底的线(4e)为止的半径方向的距离Ls优选为螺母的螺距p的长度的0.5倍以上且6倍以下。在一个优选方案中，距离Ls优选为螺距p的长度的0.7倍以上、1倍以上、1.5倍以上、2倍以上、2.5倍以上、3倍以上，另外优选为5倍以下、4.5倍以下、4倍以下、3.5倍以下。距离Ls特别优选为2间距以上且4间距以下。若将第二应力非传递空间(12s)的半径方向的尺寸设为适当的尺寸以下，则施加于低阶螺纹牙的应力充分变小，并且能够将螺母及垫圈的外径尺寸抑制得较小，故优选。

在图13～15的纵剖视图中，垫圈主体(1b)在第二应力非传递空间(12s)的上侧具有檐部(1p)。檐部(1p)是使螺栓(3)相对于螺栓孔(1h)进行定中心的构件，只要檐部(1p)的前端构成螺栓孔(1h)的内周面即可。构成螺栓孔(1h)的内周面的檐部(1p)在垫圈主体(1b)的俯视图中，未必需要存在于螺栓孔(1h)的整周，但优选存在于整周而划分圆形的螺栓孔(1h)。檐部(1p)不是传递应力的部分，因此图的上下方向的厚度只要能保持檐部(1p)的强度则较小即可，厚度越小，对应力传递的贡献越小，故优选。例如，檐部(1p)的最小厚度Th为垫圈的厚度T的1％以上，但优选为0.1倍以上且0.7倍以下。更优选的是，Th为0.2T≤Th≤0.6T，更优选的是0.22T≤Th≤0.5T。该檐部1p的厚度能够局部地变薄，如果通过角部Bc而到达螺栓孔内周面Ii的中途采用最薄的形状，则能够确保容易进行与最内径侧的螺栓的定中心的内周面的长度t。

参照图13～15的纵剖视图，垫圈主体(1b)与第二应力非传递空间(12s)的第四边界线(B4)具有：从垫圈主体(1b)的下平面(1w)大致垂直地立起的立起部(Br)；与螺栓孔内周面(1i)连接的螺栓孔内周侧端部(Be)；以及连结立起部(Br)与螺栓孔内周侧端部(Be)之间的角部(Bc)。垫圈主体(1b)与第二应力非传递空间(12s)的第四边界线(B4)、特别是在图13～15中为向上凸的曲线，但其角部(Bc)优选由整体由曲线或曲线与直线的组合构成、不具有直线与直线交叉的角部的应力集中缓和线构成。在图13～15的纵剖视图中，角部(Bc)没有限定，可以是从与相对于轴线z呈20～25度、特别是25度的直线相接的位置到与相对于轴线z呈65～70度、特别是65度的直线相接的位置为止的部分，是相对于轴线z具有45度的仰角的直线与第四边界线(B4)相接的位置存在的部分。角部(Bc)例如可以由仰角约40～50度、特别是约45度的直线构成，在该情况下，优选角部(Bc)与立起部(Br)的连接部分、及角部(Bc)与螺栓孔内周侧端部(Be)的连接部分用曲线结合而不形成角。另外，角部(Bc)也可以由圆弧或椭圆弧或者与其接近的形状形成。垫圈主体(1b)的下平面(1w)与第四边界线(B4)的连接的方式、及垫圈主体(1b)的螺栓孔内周面(1i)与第四边界线(B4)的连接的方式也优选为应力集中缓和线，但未必是必须的，特别是垫圈主体(1b)的螺栓孔内周面(1i)与第四边界线(B4)的连接部位由于施加于螺母与被紧固物之间的力几乎不起作用或较小，因此也可以不是应力集中缓和线。

在一个方案中，参照图13～15的纵剖视图，垫圈主体(1b)与第二应力非传递空间(12s)的第四边界线(B4)可以从自垫圈主体(1b)的下平面(1w)大致垂直地立起的立起部(Br)与圆弧或椭圆弧连接而形成角部(Bc)，然后通过曲率进一步变小的螺栓孔内周末端部(Be)到达螺栓孔内周面(1i)。这样的第四边界线(B4)除了与下平面(1w)及螺栓孔内周面(1i)的连接部位以外是应力集中缓和曲线，而且该形状的第二应力非传递空间(12s)容易形成。另外，若相对于轴线的仰角45度的直线与角部(Bc)相接的位置P接近上平面(1u)，则从被紧固物(2)向螺纹传递的压缩应力具有使围绕第二应力非传递空间(12s)的外侧的位置更远离螺栓孔内周面(1i)的效果，故优选。角部(Bc)与相对于轴线的仰角45度的直线相接的位置P优选位于从垫圈主体(1b)的下平面(1w)到垫圈(1)的厚度T的1/2以上的轴线方向距离，优选从垫圈主体(1b)的下平面(1w)中的立起部(Br)的起点的位置P3(Ps)朝向螺栓孔内周面(1i)为螺纹的1间距的长度以下。立起部(Br)(从下平面(1w)到相对于轴线的仰角20～25度的直线与第四边界线(B4)相接的位置)没有限定，但优选具有垫圈(1)的厚度T的1/4～1/3以上的轴线方向长度。螺栓孔内周末端部(Be)(从相对于轴线的仰角65～70度的直线与第四边界线(B4)相接的位置到螺栓孔内周面(1i))是从与角部(Bc)的连接部位到螺栓孔内周面(1i)为止，切线相对于轴线形成的仰角逐渐增加的形状，最大仰角优选为90度以下。形成在螺栓孔内周末端部(Be)的上侧的檐部(1p)的最小厚度(在图14中为螺栓孔内周面(1i)的厚度t)优选为垫圈(1)的厚度T的3～20％、更优选为5～15％的范围。螺栓孔内周末端部(Be)除了图13的形状以外，也可以如图19及图20所示那样为各种变形，而且，也可以不存在螺栓孔内周末端部(Be)，而角部(Bc)的中途或末端是与螺栓孔内周面(1i)的连接部位。

(形态B的垫圈紧固结构的FEM解析结果)

在图16中示出对图13～15所示的形态B的垫圈紧固结构进行FEM解析，以冯米塞斯等效应力分布表示的应力状况。观察到在相当于图13所示的第四边界线(B4)的角部(Bc)上的位置P的位置周边，倾斜地存在白色(应力大)，压缩应力大，朝向第四螺纹牙。亮灰色(应力稍大)扩展，扩展到第二个～第五个螺母螺纹牙。若观察螺栓侧，则白色(应力大)位于螺栓螺纹第一牙、第二牙，但面积小。淡灰色扩展到第三牙，暗灰色(应力稍小)较大地扩展到螺栓的端部的第五牙、第六牙附近。这样，应力扩展到螺母(4)的较多的部分，通过螺纹牙的大部分，螺栓(3)和螺母(4)相互施力。若观察垫圈(1)，则在垫圈内应力收敛，黑色的应力小部分位于垫圈(1)的外周侧和内周侧(螺栓侧)。在此，不会产生座面变形等不良影响。

在图17的(a)、(b)中，对于利用图16所示的形态B的垫圈紧固结构紧固的情况和利用现有的垫圈紧固的情况的由FEM解析求出的结果，在图17的(a)中以一览表比较地示出各螺纹牙的负荷分担率，在图17的(b)中以条形图表示出各螺纹牙的负荷分担率的比较。紧固啮合第一牙处的负荷分担率的状况在现有结构垫圈的情况下为35.6％，与此相对，在形态B的模型(图13～15的例)中第一牙为32.3％，绝对值减少3.3点，相对值减少约9％。

形态B与第二应力非传递空间(12s)的半径方向的距离Ls相对于间距p的比(Ls/p)越大即Ls越长的情况等价，但存在啮合第一牙螺纹牙的负荷分担率降低的倾向。其理由是，在距离Ls的终端即位置Ps(P3)的外周侧存在来自垫圈的力进入螺母座面的关系，从该输入位置沿倾斜方向朝向螺母螺纹牙的力增加，在螺母的螺纹牙的开放侧的第三牙以后应力增加，因此相对地进入第一牙的负荷分担率降低。

在图18中示出形态B的距离Ls(Ls/p)的变化与啮合第一牙的负荷分担率的关系。在图18中汇总示出改变了形态B的垫圈的距离Ls时的效果。图18的右上图是现有结构的垫圈紧固(Ls＝0)的冯米塞斯等效应力分布图，右中图是模型2(Ls＝2.21p)的冯米塞斯等效应力分布图，右下图是模型3(Ls＝3.00p)的冯米塞斯等效应力分布图。在模型2和模型3中，第二应力非传递空间(12s)的形状如下：到螺栓孔内周面(1i)为止的深度相同，与模型2相比，在模型3中距离Ps(到位置P3为止的距离)在半径方向上变长。参照这些冯米塞斯等效应力分布图，随着从上图到中图、下图，观察到应力大的白色部分从螺纹第一牙向高阶螺纹牙侧延伸。根据这些图求出各黑点位置处的螺栓螺纹第一牙负荷分担率时，在上图(现有方式垫圈)中为35.6％，在中图中为32.3％，在下图中为30.9％。表示随着距离Ls变长，螺纹第一牙的负荷分担率大致直线地下降，由于距离Ls的增大，螺栓螺纹第一牙负荷分担率从35.6％到32.3％，也相对地减少了约9％。通过该第一牙负荷降低，在螺栓的啮合第一牙谷底的疲劳强度提高方面有效。根据上述的由螺栓的疲劳试验结果求出的S-N线图的关系式，负荷分担率从35.6％分别降低到34.5％、32.3％、30.9％、30.3％、29.7％时，作为应力指数b＝4，可期待Nf及寿命分别增大到约1.12倍、约1.45倍、约1.75倍、约1.92倍、约2.13倍。

(第二应力非传递空间的形态B的变形例)

在图19的(a)～(d)及图20中示出第二应力非传递空间(12s)的变形例的简图。在图19中，第四边界线(B4)是垫圈主体(1b)与第二应力非传递空间(12s)的边界线。

·图19的(a)是螺栓孔内周面(1i)的轴线方向长度t比檐部(1p)的最小厚度Th长的一例。

·图19的(b)示出在从被紧固物(2)与垫圈(1)的下平面(1w)接触的位置P3(Ps)到立起部(Br)的部分附加应力集中缓和曲线的结构的一例，该情况下的第二应力非传递空间(12s)的半径方向的长度如图所示比立起部(Br)更靠半径方向外侧。

·图19的(c)是在垫圈主体(1b)的厚度的中间设置从螺栓孔内周面朝向半径方向外侧凸出的第二应力非传递空间(12s)，第二应力非传递空间(12s)不在垫圈主体(1b)的上下平面(1u、1w)开口的例子。图19的(c)是将两张图19的(b)的垫圈相对地粘贴那样的例子。在垫圈主体(1b)的厚度T较厚时，通过在接近螺母(4)的部位设置图19的(c)那样的第二应力非传递空间(12s)，能够降低啮合第一牙的螺纹牙负荷分担率。另外，在该例子中，垫圈的上下平面相同，使用时不会误使用。

·图19的(d)是考虑了垫圈(1)的中心对齐的形状，示出了增大螺栓孔内周面的长度t的方法(参照螺栓孔侧的形状)、和在外周侧的螺母侧设置环状、多处突起部，利用螺母外周部进行与螺栓的中心对齐的方法(参照垫圈主体(1b)的外周侧的突起)的一变形例。

·图20是在角部(Bc)的两侧的立起部(Br)和螺栓孔内周末端部(Be)具有曲线或直线，该曲线或直线的中间、即角部(Bc)为直线的例子。在图20的例子中，立起部(Br)及螺栓孔内周末端部(Be)也是直线，是仅各个线的连接部通过应力集中缓和曲线连接的例子。

(倒角)

在本发明中，若垫圈主体(1b)形成应力非传递空间(1s)，若与垫圈主体(1b)的上平面(1u)、下平面(1w)、螺栓孔内周面(1i)的连接部位在截面中构成为应力集中缓和曲线的一部分，则基本上不需要倒角，但根据应力非传递空间(1s)的形状，也可以特别地倒角成圆弧状或者椭圆弧状的曲线形状。第一应力非传递空间(11s)的垫圈主体(1b)的螺栓孔内周面(1i)侧的位置Ph可以构成为应力集中缓和曲线的一部分，另外，也可以不是应力集中缓和曲线的一部分，而是任意地进行倒角。第二应力非传递空间(12s)的垫圈主体(1b)的下平面(1w)的位置P3或者螺栓孔内周面(1i)侧的位置P2可以构成为应力集中缓和曲线的一部分，另外，也可以不是应力集中缓和曲线的一部分，而是任意地进行倒角。

需要说明的是，在现有技术中，垫圈主体的螺栓孔形成部的角有时被倒角。现有技术中的倒角在纵剖面中多数为圆弧状或三角形，但其尺寸微细，最大也为低于螺纹的间距p的0.35p的程度，不会超过0.5p进而与螺纹的间距p相同，因此能够与本发明的应力非传递空间(1s)明确地区别。

(垫圈的外周尺寸)

垫圈(1)的外周尺寸优选与螺母(4)的外周尺寸相同或比比其稍大。垫圈(1)的外周尺寸可以认为是在观察垫圈(1)的螺纹孔的俯视图中与垫圈(1)内切的圆的直径。该意义上的垫圈(1)的外周尺寸D在本发明的第一方面中，可以与对应于使用的螺栓的外径而标准地使用的垫圈(1)的外周尺寸相同，但在一个方案中，垫圈(1)的外周尺寸可以为垫圈(1)的内径(或螺栓的外径)的1.8倍以上、也可以为1.9倍以上、2倍以上、2.1倍以上、2.2倍以上、2.3倍以上。另外，垫圈(1)的外周尺寸D可以为垫圈(1)的内径(或螺栓的外径)的4倍以下、3倍以下、2.5倍以下。

在另一优选方案中，垫圈(1)的外周尺寸D在将垫圈(1)的内径(或螺栓的外径)设为R4时，可以是(D/2)²-{(R4)/2+Ls}²≥k{(R4)/2}²(式中，k＝2.5)，还可以是k＝2.7、k＝2.9、k＝3.0。另外，垫圈的外周尺寸D可以是(D/2)²-{(R4)/2+Ls}²≤q{(R4)/2}²(式中，q＝3.5)，还可以是q＝3.3、q＝3.1、q＝3.0。

(螺母)

螺母(4)的外周尺寸可以认为是在观察螺母(4)的螺纹孔的俯视图中与螺母(螺纹轴部，在凸缘螺母中为凸缘部)内切的圆的直径。该意义上的螺母(4)的外周尺寸D在本发明的第一方面中，可以与对应于使用的螺栓(3)的外径而标准地使用的螺母(4)的外周尺寸相同，但在一个方案中，螺母(4)的外周尺寸可以为螺母(4)的内径(或螺栓的外径)的1.8倍以上，也可以为1.9倍以上、2倍以上、2.1倍以上、2.2倍以上、2.3倍以上。另外，螺母(4)的外周尺寸D可以为螺母(4)的内径(或螺栓的外径)的4倍以下、3倍以下、2.5倍以下。

另外，在形态A的一个方案中，在从轴线方向观察紧固结构的俯视图中，就垫圈(1)的上平面(1u)与螺母(4)的下平面(4w)的接触面而言，在假设以轴线为中心与接触面内切的圆时，内切圆的半径可以具有连结螺母(4)的螺纹的谷底的线(4e)与螺母(4)的轴线之间的距离的2倍和距离Ls之和的0.8倍以上、进一步为0.9倍以上、1.0倍以上的尺寸。另外，在第二应力非传递空间(12s)在下平面(1w)开口的形态B的一个方案中，在从轴线方向观察紧固结构的俯视图中，就垫圈(1)的下平面(1w)与被紧固物(2)的接触面而言，在假设以轴线为中心与接触面内切的圆时，内切圆的半径可以具有连结螺母(4)的螺纹的谷底的线(4e)与轴线的距离(半径)的2倍和距离Ls之和的0.8倍以上、进一步为0.9倍以上、1.0倍以上的尺寸。

垫圈主体(1b)的外周可以比与螺母(4)接触的上平面(1u)的外周大。在纵剖面中，对于垫圈主体(1b)，最外周(1o)与上平面(1u)的连接部例如可以以30～60度、进一步为40～50度的仰角切口。该切口部(1d)的大小以垫圈主体(1b)的厚度方向的尺寸计，可以是垫圈主体(1b)的厚度T的一半以下、进一步为三分之一以下。该切口部(1d)可以是与凸缘螺母的凸缘部对应的形状。

在另一优选方案中，螺母(4)的外周尺寸D’在将螺母(4)的内径(或螺栓的外径)设为R4时，可以是(D’/2)²-{(R4)/2+Ls}²≥k{(R4)/2}²(式中，k＝2.5)，还可以为k＝2.7、k＝2.9、k＝3.0。另外，螺母的外周尺寸D’可以是(D’/2)²-{(R4)/2+Ls}²≤q{(R4)/2}²(式中，q＝3.5)，还可以是q＝3.3、q＝3.1、q＝3.0。

螺母(4)可以是没有凸缘部的多边形螺母(通常六角螺母)，但优选具有凸缘部(4f)的凸缘螺母。凸缘螺母具有螺纹轴部和从螺纹轴部扩开的凸缘部(4f)，凸缘部(4f)侧的底面(座面)为平坦面。在凸缘螺母中，为了确保规定的紧固面积，优选凸缘部侧的底面(座面)的外周尺寸D'具有上述的尺寸。与此相对，凸缘螺母的螺纹轴部可以比底面(座面)的外周尺寸D小，能够节约材料费。为了确保螺母(4)与垫圈(1)的紧固力，凸缘螺母的凸缘部(4f)优选承担所需的紧固面积(的增加)，并且具有所需的轴线方向厚度，但只要在轴线方向上具有所需的(最低限的)厚度即可，由于不需要比其靠螺纹开放侧的轴线方向厚度部分，因此在纵剖面中，作为具有优选仰角为约70度以下、进一步为约60度以下、约50度以下、特别是约45度以下或者约40度以下、另外优选为约20度以上、进一步为约30度以上、约35度以上、特别是约40度以上的仰角(倾斜部)的形状，可以减少螺纹轴部的材料。对于垫圈(1)与螺母(4)之间的紧固力，在螺母(4)的外周附近(远离螺栓孔的位置)，从垫圈(1)与螺母(4)的紧固面朝向螺母(4)及螺栓(3)的螺纹大致40～45度以上的仰角方向的压缩应力是重要的，与其相比仰角小的部分的应力传递有时不朝向螺母(4)的螺纹或力较小，也可以没有螺母(4)的那样的部分，因此也可以形成凸缘螺母的倾斜部及螺纹轴部(参照图3)。另外，凸缘螺母的凸缘部的外周面附近，在纵剖面中，为了加强强度，可以与座面大致垂直，该部分的厚度例如相对于螺距p可以为0.5p以上、优选为1p以上、1.5p以上、2p以上、3p以上、20p以下、10p以下、进一步为5p以下。螺母的轴部(4s)与凸缘部(4f)的连接部的外周面优选通过应力集中缓和线连接。螺纹轴部的外径优选为与螺母的螺纹孔径对应的标准尺寸，另外，凸缘部的座面的外径优选为与应力非传递空间(1s)的半径方向尺寸(Ls)对应而比螺纹轴部的外径扩大，该扩大的尺寸优选为应力非传递空间(1s)的半径方向尺寸(Ls)的0.7倍以上、0.8倍以上、0.9倍以上、1.0倍以上，另外优选为1.3倍以下，也可以为1.2倍以下、1.1倍以下、1.0倍以下。另外，凸缘部的轴线方向的(最大)尺寸、即从凸缘部的半径方向尺寸扩开的起点起到螺母座面位置的尺寸优选与应力非传递空间(1s)的半径方向尺寸(Ls)对应，该尺寸优选为应力非传递空间(1s)的半径方向尺寸(Ls)的0.5倍以上，也可以为0.7倍以上、0.8倍以上、0.9倍以上、1.0倍以上，另外优选为1.3倍以下、也可以为1.2倍以下、1.1倍以下、1.0倍以下。

在一个方案中，在垫圈(1)为形态B时，螺母(4)的凸缘部(4f)的外周倾斜部在纵剖面中与垫圈(1)的第二应力非传递空间(12s)的角部(Bc)对应，凸缘部(4f)的外周倾斜部与垫圈(1)的角部(Bc)之间的最短距离与螺纹轴部的半径方向尺寸(螺纹轴部的外周尺寸与螺纹内径的差)大致相同，例如优选为0.8～1.2倍、0.9～1.1倍。

螺母(4)的垫圈(1)侧的面(座面)可以是平坦面。座面为平坦面的螺母(4)容易获得及制造，故优选。但是，虽然没有必要，但只要是在紧固时，在螺母的垫圈(1)侧的面(座面4w)，位于垫圈(1)的应力非传递空间的上侧(螺母侧)，不需要保持螺纹轴部(4s)的强度且传递紧固力的部分，则也可以形成空间(凹部)。另外，即使在存在上述那样的空间的情况下，螺母(4)也在垫圈(1)侧的平坦面与垫圈(1)接触，螺母(4)的螺纹部(包括螺纹第一牙)不会位于比该垫圈(1)侧平坦面靠下(垫圈侧)的位置。

另外，螺母(4)不需要相对于通常的形状形成切口或凹部(空间)，在螺母(4)为凸缘螺母的情况下，凸缘部(4f)及螺纹轴部(4s)中的任一个都不需要相对于螺母(4)的通常的形状形成切口或凹部(空间)，优选没有这样的切口或凹部(空间)。切口或凹部(空间)有可能损害螺母的强度。在此，螺母(4)的通常的形状是指，如果是螺纹轴部主体(包括螺纹轴部的多边形部)，则从螺栓孔(1h)到螺纹轴部主体外周的距离在轴线方向上恒定，在该壁部不存在切口或空隙，如果是凸缘部(4f)，则从螺栓孔(1h)到螺纹轴部主体外周的距离从螺纹轴部主体的对应的距离在轴线方向上扩大而到达座面(座面附近如上所述，从螺栓孔(1h)到螺纹轴部主体外周的距离可以恒定)，在该壁部不存在多余的切口或空隙。

〔本发明的第二方面〕

根据本发明的第二方面，提供一种垫圈(1)，其具有：具有平行的第一及第二平面(1u、1w)的垫圈主体(1b)；以及贯通所述垫圈主体(1b)并沿与所述第一及第二平面(1u、1w)垂直的方向延伸的螺栓孔(1h)，其特征在于，所述垫圈(1)具有：所述螺栓孔(1h)的轴线(z)及轴线方向；以及与所述轴线(z)垂直的半径方向(r)，

所述垫圈主体(1b)具有在所述垫圈(1)的包含所述轴线的纵剖面中在所述螺栓孔(1h)开口且沿所述半径方向延伸的应力非传递空间(1s)，

所述应力非传递空间(1s)是以所述螺栓孔(1h)的所述轴线(z)为中心的同心圆环状。

以下，使用优选方案和附图，不限定地对本发明的第二方面进行说明。

本发明的第二方面是具有第一方面的应用展开方面的发明，第一方面中所记载的事项如果直接或者为了适用于第二方面而进行修正，则也适用于第二方面。因此，特别是关于在第一方面中对垫圈所记载的事项、与垫圈和垫圈紧固结构的关系相关的事项，应该理解为即使没有特别说明，也适用于第二方面。另外，相反，关于在第二方面中对垫圈所记载的事项、与垫圈和垫圈紧固结构的关系相关的事项，应该理解为即使没有特别说明，也能够适用于第一方面。

图1及图5是示出使用螺栓(3)、螺母(4)、垫圈(1)将被紧固物(2)紧固于基体(5)的结构的例子的纵剖视图，图1是现有技术的例子，图5是使用本发明的垫圈的紧固结构的例子。在通过螺栓(3)、螺母(4)和垫圈(1)将被紧固物(2)紧固于基体(5)时，使垫圈(1)夹设于被紧固物(2)与螺母(4)之间，垫圈(1)具有比螺母(4)的紧固面大的面积，由此能够使基于螺母(4)的被紧固物(2)的紧固稳定。在本发明中，螺栓(3)、螺母(4)、垫圈(1)、被紧固物(2)及基体(5)的紧固方向为螺栓(3)的轴线方向，是紧固结构、螺栓(3)、螺母(4)及垫圈(1)共同的轴线方向。将与轴线方向垂直的方向称为半径方向。对于螺母(4)及垫圈(1)，将半径方向的螺栓侧(螺栓孔侧)称为内侧，将远离螺栓侧的方向称为外侧。

螺栓螺母紧固是通过将形成于螺母(4)的内螺纹相对于形成于螺栓(3)的外螺纹紧固而进行的，因此，在螺栓(3)的螺纹上，基本上在螺栓(3)的轴线方向(相对于螺母(4)与垫圈(1)的接触面及垫圈(1)与被紧固物(2)的接触面垂直的方向)上作用有从螺母(4)朝向垫圈(1)侧的拉伸应力(参照图2)。同时，在将螺母(4)相对于螺栓(3)紧固时，相对于螺母(4)的螺纹，在螺母(4)与垫圈(1)的接触面之间作用有压缩应力，该压缩应力作用于垫圈(1)的在半径方向上远离螺纹轴的位置与螺母(4)的螺纹之间，因此作用于相对于螺纹轴线倾斜的方向(参照图3)。在图2及图3中，力线的方向和强度由矢量密集度和长度表示。作为作用于该螺母(4)的螺纹的压缩应力的反作用力，压缩应力作用于螺栓(3)的螺纹。因此，上述的拉伸应力和压缩应力合成的应力作用于螺栓(3)的螺纹(参照图4)。在图4中，※表示容易破坏的部位。

在该紧固结构中，如上所述，存在容易引起以螺栓(3)的紧固啮合第一牙的疲劳为原因的裂纹轴断裂这样的问题(图4的※的位置)。图2及图3是将在现有技术的紧固结构的例子中作用于螺栓(3)及螺母(4)的拉伸应力和压缩应力分别由本发明人实际评价的结果作为矢量的方向及强度(矢量的密集度及长度)表示的图。相对于螺栓(3)的螺纹，从螺栓(3)的紧固啮合低阶螺纹牙侧朝向高阶螺纹牙侧，按照第一牙、第二牙、第三牙、第四牙···施加的应力变小，在第一牙施加有最大的应力。图4是将图2及图3的拉伸应力和压缩应力合成后的结果，将应力矢量的大小进行灰度级显示(白色表示最大的力)。应力的方向可以通过白色部分的位置及朝向来理解。螺栓(3)的紧固啮合第一牙(牙顶)、第二牙(牙顶)···在螺母(4)的螺纹中分别与紧固啮合第一牙(谷底)，第二牙(谷底)···对应。螺母的负荷分担率(也与螺栓的负荷分担率对应)的数值为紧固啮合第一牙35.6％、第二牙20.6％、第三牙14.5％、第四牙11.0％、第五牙8.5％、第六牙5.9％、第七牙3.9％，可以确认到负荷分担朝向螺纹牙的开放侧(高阶螺纹牙侧)4o急剧下降。

因此，认为与现有产品相比，如果能够使通过紧固施加于各螺纹牙的应力(拉伸应力及压缩应力)向高阶螺纹牙侧(图1～4的上方、紧固力开放侧)4o移动，降低通过紧固施加于螺栓(3)的螺纹的紧固啮合第一牙及第二牙、特别是第一牙的应力，则能够减少螺栓(3)的疲劳破坏，能够延长疲劳寿命。

本发明的第二方面的垫圈(1)是具有使其成为可能的结构的垫圈。图5是表示本发明的第二方面的垫圈(1)的一例的包含螺栓孔(1h)的纵剖面的图，在该纵剖视图中，在垫圈(1)的垫圈主体(1b)的被紧固物(2)侧且螺栓孔(1h)侧设置有应力非传递空间(1s)。该应力非传递空间(1s)是以螺栓孔(1h)的轴线为中心的同心圆环状的形状。在垫圈主体(1b)中，在该应力非传递空间(1s)的部分不传播紧固力，因此来自垫圈(1)与被紧固物(2)的接触面的压缩应力仅在不存在应力非传递空间(1s)的部分作用于垫圈(1)与被紧固物(2)的接触面和螺母(4)及螺栓(3)的螺纹之间。在不存在应力非传递空间(1s)的部分中，向螺栓(3)的轴向(图的上方)传播的应力的一部分在比应力非传递空间(1s)靠上侧的位置向螺栓(3)侧偏向(扩散)，但由于应力偏向(扩散)的角度有限，因此从垫圈(1)与被紧固物(2)的接触面向螺纹传递的应力与不存在应力非传递空间(1s)的情况相比，向螺栓(3)的紧固啮合高阶螺纹牙谷底侧移动，结果是，能够降低施加于螺栓(3)的紧固啮合低阶螺纹牙谷底侧的应力。

图5所示的应力非传递空间是本发明的第二方面的垫圈(1)的应力非传递空间的一例(形态A的一例)，本发明的垫圈(1)并不限定于该结构。应力非传递空间(1s)是在垫圈(1)的包含轴线的纵剖面中在螺栓孔(1h)开口且沿半径方向延伸的空间，只要是以螺栓孔(1h)的轴线为中心的同心圆环状即可。

(应力非传递空间)

应力非传递空间(1s)在垫圈(1)的纵剖面中，在螺栓孔(1h)开口。通过应力非传递空间(1s)在螺栓孔(1h)开口，垫圈(1)的螺栓孔(1h)侧的紧固力的轴向的传递被切断，因此仅来自比应力非传递空间(1s)靠外周侧的紧固力向螺栓孔(1h)侧传递，紧固力仅从应力非传递空间(1s)的外周侧绕入，因此施加于位于螺栓孔(1h)侧的螺栓(3)的紧固啮合低阶螺纹牙侧的力减少。

应力非传递空间(1s)可以是如下的形状：在垫圈(1)的纵剖面中，能够在螺栓孔(1h)开口，并且也在垫圈主体(1b)的螺母(4)侧的第一平面(上平面)(1u)开口，或能够也在垫圈主体(1b)的被紧固物(2)侧的第二平面(下平面)(1w)开口，或者在垫圈主体(1b)的第一平面(上平面)(1u)和第二平面(下平面)(1w)均不开口。图5～7是在垫圈主体(1b)的第一平面(上平面)(1u)侧开口的例子。垫圈主体(1b)为了对位(定中心)，其一部分必须延伸至螺栓孔(1h)，以能够进行螺栓的对位，因此至少一个应力非传递空间(1s)通常在包含垫圈(1)的延伸至螺栓孔(1h)的部分的纵剖面中，是在垫圈主体(1b)的第一平面(上平面)(1u)及第二平面(下平面)(1w)的一方或双方不开口的形状。在本发明的第二方面中，垫圈(1)的第一平面(1u)和第二平面(1w)哪一个在上都可以，但在螺栓螺母紧固结构中，考虑将螺母侧在上是方便的，因此，以下，为了方便说明，将第一平面称为上平面(1u)、将第二平面称为下平面(1w)进行说明。本发明的第二方面的垫圈(1)在两个平面中的一个平面设为第一平面(上平面)的情况下，只要满足本发明的第二方面的垫圈(1)的要件即可。

应力非传递空间(1s)与以往一般进行的倒角、去毛刺至少在目的及尺寸方面，还有大部分情况下的形状方面不同。特别是垫圈主体(1b)的与螺栓孔(1h)相接的面上的角部的倒角、去毛刺在放入螺栓(3)的颈部的情况下，为了防止螺栓颈部R越上等干涉，需要将轴线方向和半径方向设为相同的尺寸，进行倒角C、倒圆角R，在与螺母(4)接触的情况下，为了以不损伤螺母座面或不损伤被紧固物表面的方式去除不需要的突起(毛刺)为目的，以允许角的最小限的尺寸进行磨削或切削，只要达到其目的，则倒角、去毛刺的尺寸尽可能小。其尺寸为垫圈主体1b的厚度T的约5％以下、特别是4％以下，或者为螺栓孔1h的直径的5％以下、特别是4％以下的程度。具体的尺寸在螺栓孔(1h)的半径方向上，在螺栓孔径为13mm时小于0.5mm，在螺栓孔径为21mm时小于0.5mm，在螺栓孔径为36mm时小于1mm的程度。另外，倒角、去毛刺的形状在垫圈(1)的纵剖面中，在大多数情况下，是用倾斜的直线切割角或者使角成为圆弧状中的任一种(在角中在轴线方向及半径方向上相同的形状)。与此相对，本发明中的应力非传递空间(1s)的目的在于，切断螺栓与螺母之间的紧固力的传递，减少施加于螺栓的紧固啮合低阶螺纹牙侧的应力，因此这样的尺寸是与倒角、去毛刺实质上不同的尺寸(更大的尺寸)。另外，应力非传递空间(1s)的形状也通常与倒角、去毛刺实质上不同。应力非传递空间1s的形状在多数情况下不是如倒角那样在角部在轴线方向及半径方向上相同的形状，而是与轴线方向相比半径方向的尺寸大的形状。对于本发明的应力非传递空间，若观察其形状和尺寸，明显与倒角、去毛刺不同。本发明的垫圈(1)可以具有现有方式的垫圈所要求的“不损伤对象(螺母座面、被紧固物表面)，避免螺栓(3)进入时与螺栓颈部R的干涉”的功能而设计、制造。

应力非传递空间(1s)是以螺栓孔(1h)的轴线为中心的同心圆环状。应力非传递空间(1s)例如是将如图5所示的截面形状的空间(1s)以轴线为中心旋转360度而成的三维形状的空间(同心圆环状空间)。同心圆环状空间也可以在不损害本发明的效果的范围内具有形状(例如轴线方向尺寸)的位移、变动。即使存在位移、变动，只要该范围或平均值落入本发明定义的范围即可。在观察垫圈(1)的上平面的俯视图中，垫圈主体(1b)延伸至螺栓孔(1h)的部分也可以是垫圈主体(1b)的一部分，因此，在该情况下，由垫圈主体(1b)未延伸至螺栓孔(1h)的部分构成的空间能够与同心圆环状的应力非传递空间连续。与该应力非传递空间连续的空间是不传递应力的部分，但不是在本发明中定义的应力非传递空间(同心圆环状空间)。

如上所述，紧固力基本上沿轴线方向作用，但来自垫圈(1)的与被紧固物(2)的接触面的压缩应力在螺母(4)内部传递，能够从轴线方向以一定的扩展(倾斜)向螺栓(3)的螺纹传递，能够从应力非传递空间(1s)的外侧绕入螺栓孔(1h)侧。在使用本发明的垫圈(1)的情况下，垫圈(1)与被紧固物(2)之间的压缩应力由于应力非传递空间(1s)的存在而被仅限定于应力非传递空间(1s)的外侧(结果是向半径方向外侧移动)，该压缩应力仅从应力非传递空间(1s)的外侧绕入螺栓孔侧，其绕入的压缩应力到达螺栓孔侧的方向从应力非传递空间(1s)的远离螺栓孔(1h)的末端起约45度的角度最大。即使螺母(4)与垫圈(1)之间的压缩应力没有从应力非传递空间(1s)的外侧以最大45度的角度绕入而向螺纹的低阶螺纹牙传递，螺栓(3)与螺母(4)之间的紧固力也以螺栓螺纹与轴部的拉伸应力为基本，越是螺纹的低阶螺纹牙越大，因此将这些两个紧固应力(拉伸应力和压缩应力)合成后的力依然越是螺纹的低阶螺纹牙越大。但是，当存在应力非传递空间1s时，与不存在应力非传递空间(1s)的情况相比，施加于螺纹的低阶螺纹牙的压缩应力变小，结果是，施加于螺纹的低阶螺纹牙的应力变小。另外，应力非传递空间(1s)的半径方向的尺寸越大，越能够减小施加于螺纹的低阶螺纹牙的压缩应力，因此施加于螺纹的低阶螺纹牙的拉伸应力和压缩应力的合成应力变得更小。若使应力非传递空间(1s)的半径方向的尺寸为适当的尺寸以下，则能够减小施加于螺栓的低阶螺纹牙的应力，并且不会使螺母及垫圈的外径尺寸过大，故优选。

在本发明的第二方面的垫圈中，应力非传递空间(1s)的半径方向的尺寸可以定义为，将应力非传递空间(1s)的距离螺栓孔(1h)最远的位置设为Ps，从该位置Ps到与轴线z平行的螺栓孔内周面(1i)或其延长线的半径方向的距离L。

参照图5～7的纵剖视图，垫圈(1)可以具有在垫圈主体(1b)的螺栓孔(1h)侧及上平面(1u)侧开口的应力非传递空间(11s)。在第一应力非传递空间(11s)中，将从第一应力非传递空间(11s)的距离螺栓孔(1h)最远的位置Ps、在图5～7中第一应力非传递空间(11s)与垫圈主体(1b)的上平面(1u)接触的位置Pt到与轴线平行的螺栓孔内周面(1i)的延长线的半径方向的距离定义为L。

参照图13～14的纵剖视图，垫圈(1)可以具有在垫圈主体(1b)的螺栓孔(1h)侧及下平面(1w)侧开口的第二应力非传递空间(12s)。在垫圈主体(1b)与第二应力非传递空间(12s)的第四边界线(B4)处，将从第四边界线(B4)中的第二应力非传递空间(12s)的在半径方向上距离螺栓孔最远的位置Ps、在图13～14中第二应力非传递空间(12s)与垫圈主体(1b)的下平面(1w)接触的位置P3到与轴线平行的螺栓孔内周面(1i)或其延长线的半径方向的距离定义为L。

本发明的第二方面的垫圈(1)在一个优选方案中，在垫圈(1)的纵剖面中，在应力非传递空间(1s)具有在半径方向上距离轴线z最远的位置Ps时，从位置Ps到与螺栓孔1h的轴线平行的内周面(1i)或其延长线的半径方向的距离L满足0.5p≤L≤5.7p、更优选为0.8p≤L≤5.6p、1.0p≤L≤5.0p、进一步优选为1.5p≤L≤4.5p、特别是2.0p≤L≤4.0p、进一步是2.5p≤L≤3.5p。

(式中，将所述螺栓孔(1h)的直径设为R，R及p的单位为mm，

R为1.9以下时p为0.2，

R在超过1.9且为2.4以下时p为0.25，

R在超过2.4且为3.7以下时p为0.35，

R在超过3.7且为5.5以下时p为0.5，

R在超过5.5且为7.5以下时p为0.75，

R在超过7.5且为9.5以下时p为1.0，

R在超过9.5且为13以下时p为1.25，

R在超过13且为23以下时p为1.5，

R在超过23且为34以下时p为2，

R在超过34且为40以下时p为3，

R在超过40且为150以下时p为4。)

该方案在将垫圈与具有细牙的螺纹或粗牙的螺纹的螺栓及螺母组合时有利，在与将具有细牙螺纹的螺栓及螺母组合时特别有利。对于螺栓及螺母，在精密的结构用途中，优选使用细牙螺纹，对于细牙螺纹，耐久性的问题更严重，因此更希望对使用细牙螺纹时的紧固结构进行改良，因此该方案的垫圈带来的效果在与细牙螺纹的螺栓及螺母一起使用的情况下更为显著。但是，该方案的垫圈与粗牙螺纹的螺栓及螺母一起使用的情况下也具有效果，进而即使在粗螺纹的情况下也是有效的。

另外，本发明的第二方面的垫圈(1)在其他优选方案中，可以具有与上述的范围不同的范围的L。例如，也可以提供在与粗牙或粗螺纹的螺栓及螺母组合时特别有利的垫圈。

(优选的应力非传递空间)

图5示出作为本发明的第二方面的优选例的垫圈(1)和使用该垫圈(1)的垫圈紧固结构的纵剖视图。(3)是螺栓，(4)是螺母，(1)是垫圈，(2)是被紧固物，(5)是基体。垫圈(1)具有垫圈主体(1b)和贯通垫圈主体(1b)且具有轴线的螺栓孔(1h)。垫圈(1)及垫圈主体(1b)具有轴线及轴线方向z和相对于轴线z垂直的半径方向r。

垫圈主体(1b)具有平行的两个平面，即上平面(1u)和下平面(1w)，具有在中央划分螺栓孔(1h)的内周面(1i)和相对于螺栓孔(1h)位于半径方向的外侧的外周面(1o)。螺栓孔(1h)是使螺栓(3)贯通的孔，根据设想的螺栓直径而具有比该螺栓直径稍大的直径R。例如，公称M10(螺纹牙径10mm)的螺栓用的螺母的螺栓孔径可以是11mm。划分螺栓孔1h的直径R的面(内周面)(1i)在图6那样的包括轴线的纵剖视图中与轴线平行。螺栓孔(1h)的横截面的形状(俯视图中的形状)没有限定，通常为圆形。为了通过使螺栓贯通螺栓孔1h而使垫圈(1)相对于螺栓(3)稳定地配置，垫圈(1)的螺栓孔(1h)相对于螺栓(3)的外径为规定的大小且为圆形。但是，后述的檐部1p优选其内周面由螺栓孔的内周面(1i)构成，但檐部(1p)的内周面(1i)在俯视图(横剖视图)中不需要存在于圆形的螺栓孔(1h)的整周，只要形成两个以上的突起状，能够相对于螺栓(3)定位即可。在具有该突起状的檐部(1p)的情况下，俯视图中的突起之间的空间不是本发明的第二方面中的螺栓孔。在俯视图中，螺栓孔与其突起之间的空间是连续的。若包括该突起之间的空间在内考虑螺栓孔，则螺栓孔的平面形状不是圆形，但在这样的情况下，螺栓孔是假想的圆形的孔，仅将垫圈主体1b的构成该假想的圆形的孔的内周面(1i)考虑为螺栓孔的内周面(1i)。

在图5～7的纵剖视图中，垫圈主体(1b)具有应力非传递空间(1s)，应力非传递空间(1s)在螺栓孔(1h)开口。应力非传递空间(1s)是在纵剖视图中，三维地以垫圈(1)的螺栓孔(1h)的轴线为中心，将图6及图7的(a)所示的截面形状的空间旋转360度而形成的三维形状的空间(同心圆环状)(参照图7的(b)、(c))。通过应力非传递空间(1s)在螺栓孔(1h)开口，垫圈主体(1b)的螺栓孔侧的紧固力的轴向的传递被切断，因此施加于位于螺栓孔侧的螺栓的紧固啮合低阶螺纹牙的力减少。

在将本发明的第二方面的垫圈(1)与螺母(4)一起使用的情况下，从垫圈(1)与螺母(4)的接触面施加于螺栓(3)的螺纹的压缩应力由于应力非传递空间(1s)的存在而被仅限定于应力非传递空间(1s)的外周侧，从应力非传递空间(1s)的外周侧绕入螺栓孔(1h)，该压缩应力到达螺栓孔侧的方向从应力非传递空间(1s)的远离螺栓孔(1h)的末端即位置Ps相对于轴线z大致45度的仰角(角度θ)最大。以相对于该轴线z约45度以下的角度向螺栓孔侧传递的压缩应力根据应力非传递空间1s的半径方向尺寸L的大小，朝向螺栓的高阶螺纹牙(特别是牙顶)、即开放侧，能够减少螺栓的螺纹低阶螺纹牙、特别是第一牙的负荷分担率。另外，若将应力非传递空间(1s)的半径方向的尺寸L设为适当的尺寸以下，则能够充分减小施加于低阶的螺纹牙的应力，并且能够将螺母及垫圈的外径尺寸抑制得较小，故优选。

应力非传递空间(1s)的距离L基于先前定义的p的值为0.5p以上，例如可以为0.6p以上、0.7p以上、0.8p以上、1.0p以上、1.2p以上、2.0p以上、2.5p以上、3p以上，另外为5.7以下，例如可以为5.0p以下、4.0p以下、3.5p以下，优选满足0.6p≤L≤5.6p、更优选满足0.8p≤L≤5.6p、1.0p≤L≤5.0p、进一步优选满足1.5p≤L≤4.5p、特别满足2.0p≤L≤4.0p、进一步满足2.5p≤L≤3.5p。

(形态A的应力非传递空间；第一应力非传递空间)

图5示出作为本发明的第二方面中的形态A的优选例的垫圈(1)和使用该垫圈(1)的垫圈紧固结构的纵剖视图。(3)是螺栓，(4)是螺母，(1)是垫圈，(2)是被紧固物，(5)是基体。垫圈(1)具有垫圈主体(1b)和贯通垫圈主体(1b)且具有轴线的螺栓孔(1h)。垫圈(1)及垫圈主体(1b)具有轴线及轴线方向z和相对于轴线z垂直的半径方向r。

在图5～7的纵剖视图中，垫圈主体(1b)具有第一应力非传递空间(11s)，第一应力非传递空间(11s)在螺栓孔(1h)开口并且也在上平面(1u)开口。即，第一应力非传递空间(11s)在纵剖视图中与上平面(1u)的延长线(B1)相接并位于其下侧。在纵剖视图中，第一应力非传递空间(11s)与垫圈主体(1b)的第三边界线(B3)从上平面(1u)的位置Pt以向上凸的圆弧或椭圆弧等应力集中缓和曲线延伸至垫圈主体(1b)的内周面(1i)(划分螺栓孔(1h)的面)的位置Ph。位置Pt位于垫圈主体(1b)的上平面(1u)(是上平面(1u)的末端，是上平面(1u)与第一应力非传递空间(11s)的边界)，因此相对于轴线z的仰角45度的直线X是第一应力非传递空间(11s)的距离螺栓孔(1h)最远且相接的位置Ps，并且通过该位置P₁的直线X也是与垫圈主体(1b)的上平面(1u)相交的位置Pt。在该情况下，虽然称为直线X与第一应力非传递空间(11s)“相接”，但是指直线X与第一应力非传递空间(11s)“相交的”距离螺栓孔(1h)的“最远的位置”。

第一应力非传递空间(11s)在纵剖视图中具有与垫圈主体(1b)的上平面(1u)(或其延长线)相接且位于其下方的截面形状，是三维地以垫圈(1)的螺栓孔(1h)的轴线为中心，将图6及图7的(a)所示的截面形状的空间旋转360度而形成的三维形状的空间(同心圆环状)(参照图7的(b)、(c))。

参照图5～7，第一应力非传递空间(11s)在垫圈(1)的纵剖视图中在螺栓孔(1h)开口。通过第一应力非传递空间(11s)在螺栓孔(1h)开口，垫圈主体(1b)的螺栓孔侧的紧固力的轴向的传递被切断，因此施加于位于螺栓孔侧的螺栓的紧固啮合低阶螺纹牙的力减少。

在与螺母一起使用本发明的第二方面的垫圈的情况下，从垫圈(1)与螺母(4)的接触面施加于螺栓(3)的螺纹的压缩应力由于第一应力非传递空间(11s)的存在而被仅限定于第一应力非传递空间(11s)的外周侧，从第一应力非传递空间(11s)的外周侧绕入螺栓孔(1h)，就该压缩应力到达螺栓孔侧的方向而言，从第一应力非传递空间(11s)的远离螺栓孔的末端即位置Ps相对于轴线z大致45度的仰角(角度θ)最大。以相对于该轴线z约45度以下的角度向螺栓孔侧传递的压缩应力根据第一应力非传递空间(11s)的半径方向尺寸L的大小朝向螺栓的高阶螺纹牙(特别是牙顶)、即开放侧，能够减少螺栓的螺纹低阶螺纹牙、特别是第一牙的负荷分担率。另外，若将第一应力非传递空间(11s)的半径方向的尺寸L设为适当的尺寸以下，则能够充分减小施加于低阶的螺纹牙的应力，并且能够将螺母及垫圈的外径尺寸抑制得较小，故优选。

在一个方案中，第一应力非传递空间(11s)的距离L优选满足0.6p≤L≤5.6p、更优选满足0.8p≤L≤5.6p、1.0p≤L≤5.0p、进一步优选满足1.5p≤L≤4.5p、特别满足2.0p≤L≤4.0p、进一步满足2.5p≤L≤3.5p。

(式中，将所述螺栓孔的半径设为R，R及p的单位为mm，R及p处于上述的关系。)

垫圈主体(1b)的螺栓孔(1h)侧的端部构成垫圈主体(1b)的末端面向螺栓孔(1h)的内周面(1i)，能够进行螺栓(3)的定中心即可，因此垫圈主体(1b)的末端部(第一应力非传递空间(11s)的下侧)的厚度也可以较小。垫圈主体(1b)的末端(内周面(1i)的轴向尺寸可以为垫圈主体(1b)的厚度T的1～99％。另外，例如，垫圈主体(1b)的末端部(内周面(1i))的轴向的最小尺寸(厚度)Th优选为垫圈的厚度T的0.1倍以上且0.7倍以下。更优选的是，Th为0.2T≤Th≤0.6T，更优选为0.22T≤Th≤0.5T。

在垫圈的纵剖视图中，垫圈主体(1b)与第一应力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)由曲线或曲线与直线的组合构成，优选由没有角的应力集中缓和曲线构成，特别优选仅由曲线构成。另外，垫圈主体(1b)的上平面(1u)与第一应力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)的连接部位是用于紧固的应力容易集中的部位，因此特别优选构成为没有角的应力集中缓和曲线。另一方面，垫圈主体(1b)的螺栓孔内周面(1i)与第一应力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)的连接部位的应力不大，因此也可以不一定构成为应力集中缓和曲线。

(冯米塞斯等效应力分布)

本发明的第二方面的形态A的垫圈在一个优选方案中，在垫圈(1)的纵剖面中，垫圈主体(1b)与第一应力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)优选位于比相对于基准为规定的比例的冯米塞斯等效应力值的应力分布曲线靠螺栓孔1h侧，将如下的冯米塞斯等效应力值作为基准，即，假定垫圈主体(1b)为不具有第一应力非传递空间(11s)的形状，在对垫圈主体(1b)的上平面(1u)施加基于假想螺母的紧固力时，在垫圈主体(1b)形成的冯米塞斯等效应力分布中，从上平面(1u)与第一应力非传递空间(11s)相接的位置Pt向与上平面(1u)垂直的下方施加的冯米塞斯等效应力值。该规定的比例可以为95％。并且，该规定的比例例如可以是90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％、5％中的任一个。规定的比例特别优选为20％、10％、或5％。

冯米塞斯等效应力分布是使实际上看不到的延性材料内部的力的状态可视化的技术，通过将物质内部细分化，计算3轴方向的矢量，将其集中表现，从而将内部的力的方向、力(应力)的大小作为分布来表示。是材料力学中熟知的方法，代表性的公式如下，冯米塞斯应力σMises使用主应力σ1、σ2、σ3以下式表示；

[式2]

σ²Mises＝{(σ₁-σ₂)²+(σ₂-σ₃)²+(σ₃-σ₁)²}/2

在紧固时产生的螺栓的轴向力全部成为应力，该应力为：与螺母相接的螺纹牙整体不均等地啮合，将与轴向力相当的力向螺母转移，由螺母的螺纹牙不均等地分担的力的总和经过螺母的内部，在与垫圈的整个接触面上压缩的应力。螺栓轴向力的整体与由垫圈的整个面承受的应力总和相等。图13中示出了一个纵剖面，例如图8、图11的解析以1/360度的量进行，与360度的总和一致。另外，施加于垫圈(1)的应力绝对不均等，以在螺栓孔侧(螺母的内周侧)较多或者更多的比例(根据各种的模拟结果)集中在螺栓孔侧。螺母(4)及垫圈(1)的外周侧的负荷分担小(模拟的黑色部分多)。因此，即使考虑到集中施加于内径侧的螺母和垫圈的接触点Pt，也考虑成为更安全侧而进行解析、设计是适当的。

参照图11，在紧固时，从螺母(4)的座面向垫圈(1)的接触面(比Pt靠外径侧的区域)施加紧固力，在图11的(a)的位置Pt垂直地负荷来自螺母座面的压缩的力F，在垫圈内从位置Pt产生压缩应力。此时，假定垫圈(1)是上下两面都在整个面范围内平坦，整个面为相同厚度的垫圈，施加于垫圈的力假定仅集中施加于位置Pt。然后，力F在垫圈内扩散。这样，若直到垫圈的螺栓孔端部对如上述那样施加力的状态进行FEM解析，则较大的力向力F的朝向方向作用，同时产生在垫圈内扩散的应力。在此，如果垫圈及螺母的形状确定，则垫圈内的冯米塞斯等效应力分布(相对值)不依赖于紧固力的大小，因此能够采用上述假定。另外，冯米塞斯等效应力分布依赖于垫圈的材质(杨氏模量和泊松比)，但在特定的垫圈中由杨氏模量和泊松比及形状决定。

图11的(b)中以白黑的渐变表示将上述的假定中的冯米塞斯等效应力分布可视化的例子。位置Pt正下方为最大应力，随着远离Pt，应力变弱。另外，在图11的(a)中，用示意性地表示力线的曲线箭头表现力的流向。在图11的(a)中，从中央的1ma向螺栓孔侧显示1mb、1mc、1md、1me、1mf、1mg的六条线。编号仅标在一侧，但应力分布曲线对称地存在于两侧。若按照应力大小的顺序排列，则是1ma＞1mb＞1mc＞1md＞1me＞1mf＞1mg。1ma是从Pt垂直地向下方施加的应力，是最大应力。以该1ma的应力的大小为基准时的1ma、1mb、1mc、1md、1me、1mf、1mg所表示的应力的相对大小与垫圈的紧固力的大小无关地决定，但无论是一定间隔，还是不一定的间隔，能够任意地选择。在该例中，从1ma到1mg的外侧显示7个阶段。图11的(b)的白黑的渐变以9个阶段显示，与图11的(a)的线不直接对应。但是，若观察垫圈的距螺母侧平面的深度较浅的区域，则存在得到接近图11的(a)的线的线的部位。由于能够求出冯米塞斯等效应力分布，因此以想要求出的相对应力进行划分的阶段显示即可。例如，可以选择5个阶段、7个阶段、8个阶段、9个阶段的显示，各阶段的强度差可以相同，也可以仅对Pt正下方附近的相对应力进行形成细小差异的阶段评价。根据用途能够知道想要求出的冯米塞斯等效应力分布曲线。单纯地，以从位置Pt垂直地向下方施加的应力1ma为基准，在相对于该基准的相对应力大于95％～90％的区域中，优选不存在第一紧固力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)，也可以通过冯米塞斯等效应力分布求出该相对应力线。

在图11的(a)中，1ma是位置Pt正下方的垂直线，在垫圈(1)的上平面(1u)是最靠螺栓孔侧的线，是最大的应力线。1mb～1mg是依次比1ma小的应力线。1mg是最小的应力线，由此螺栓孔侧的应力小，因此该区域的应力可以忽略紧固力对垫圈的强度带来的影响。因此，若第一紧固力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)存在于比1mg靠螺栓孔侧的区域(虚线阴影部)，则即使形成第一紧固力非传递空间(11s)，也可以忽视施加于位置Pt的力对垫圈强度的影响。第三边界线(B3)位于比施加在位置Pt的正下方的冯米塞斯等效应力1ma的大小的95％的应力分布曲线靠螺栓孔侧时，在图11的(a)中，95％的应力分布曲线例如是如1mb那样从上平面1u朝向下平面1w几乎接近垂直的线，在多数情况下，第三边界线(B3)根据距离L/p＝0.5～5.7的条件，即使在沿着1mb那样的应力分布曲线的情况下，也会在中途的某处拐折而向螺栓孔侧延伸。1mg例如优选为1ma的应力的10％、特别优选为5％。关于该相对应力，如根据图11的(b)能够理解的那样，由于曲线箭头的上部(Pt附近)的应力和下部(图的箭头的箭头附近)的应力的大小不同，因此在一个方案中，可以在垫圈的下平面(1w)(即与被紧固物(2)接触的面)进行评价。

在另一个方案中，可以从垫圈的螺母侧平面到特定的深度进行评价。表示这样的应力分布的是图11的(b)的黑(应力大)～灰色～白色(应力小)。力在扩散时也大多在切线方向上扩展到45度左右。此时，如果使Pt正下方的应力的强度(1ma)和比其靠螺栓孔侧的应力的强度(例如1mc)之比为t，则1ma较大的情况由图11的(b)的黑色和灰色表现。观察到图11的(b)的黑色、深灰色(应力大)的区域朝向位置Pt的下方而应力降低，但由于施加的力在垫圈内部也向横向(螺纹轴半径方向)扩散，因此与Pt附近相比，应力显示相对较小。

在图11的(a)、(b)那样的纵剖面中，第一紧固力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)不应该存在的区域是从位置Pt正下方的线1ma向螺栓孔侧微小的区域，但重要的是从位置Pt开始的第一紧固力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)例如在大于0.01p且0.03p以内(p是事先定义的值。)在位置Pt附近是应力集中缓和曲线。作为应力集中缓和曲线，例如为圆弧或椭圆弧，如果是圆弧，则Pt是顶点，该圆的中心是Pt的正下方，如果是椭圆弧，则Pt点优选为椭圆的短轴的顶点。另外，从垫圈主体(1b)的上平面(1u)的位置Pt与第一紧固力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)连结的部分也特别优选构成为如上述的圆弧、椭圆的一部分、其他应力集中缓和曲线。

在本发明的第二方面中，垫圈主体(1b)的第三边界线(B3)位于比特定的冯米塞斯等效应力分布靠螺栓孔(1h)侧是指，第一应力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)仅位于曲线箭头的例如1mb、1mc、1md、1me、1mf、1mg中任一个的螺栓孔侧。例如，在最优选的特定的冯米塞斯等效应力分布为线1mg(上述的相对应力为5％的应力线)的情况下，在该第三边界线(B3)的右侧的区域侧成为来自位置Pt的应力几乎不影响的范围，是即使形成空间，垫圈(1)也不发生变形、压曲的区域。

在一个方案中，优选的是，图11的(a)的虚线阴影所示的范围作为不受来自位置Pt的应力的影响的范围，仅在其中设定第一应力非传递空间(11s)的区域。但是，由于也可以在部件结构上应力所及的范围内使用，因此，在该情况下，与图11的(a)的曲线箭头的形状相似，位置Pt附近以应力集中缓和曲线开始，在比其靠螺栓孔侧，第三边界线(B3)成为向下平面侧下降的形状，但第三边界线(B3)只要比1ma靠螺栓孔侧即可，也可以设置于比1mg靠外周侧。在图11中，第三边界线(B3)从位置Pt起位于比冯米塞斯等效应力分布线1mg靠螺栓孔(1h)侧，以向上凸的曲线开始，在中途拐折而作为向下凸的曲线到达位置Ph，特别是，从垫圈主体(1b)的上平面(1u)的位置Pt与第三边界线(B3)连结的部分也构成为应力集中缓和曲线。只要位于比1ma靠螺栓孔侧即可，更优选位于1mb的螺栓孔侧、1mc的螺栓孔侧、进而比1md靠螺栓孔侧、比1me靠螺栓孔侧、比1mf靠螺栓孔侧。特别优选形成在比1mg靠外侧的螺栓孔侧。相反地在最严格的1ma处垂直地切断应力分布范围是现有方式的紧固，成为图4的应力分布的状况。因此，边界线B3不能如1ma那样成为垂直线。冯米塞斯等效应力分布的求出方法如上所述是公知的。冯米塞斯等效应力根据紧固力的大小而变化，但上述的相对应力的大小的分布不变。

与图11所示的冯米塞斯等效应力分布相当的来自螺母的力进入图11所示的该应力分布的范围，压缩应力作用于垫圈内部。例如，假设垫圈的第三边界线(B3)离开Pt后立即朝向垫圈内部进入，并假设具有进入线1mb与线1mc之间、直接垂直下降的线时，第三边界线B3通过从Pt朝向螺栓孔侧的压缩力矢量所在的部位。此时，在应力力线1mb与1mc之间的Pt附近的部分(从力线半径的中心看，从Pt向螺栓孔侧下降5度左右的部分)，朝向螺栓孔侧的矢量起很大作用。该矢量从Pt通过载荷F连续提供。在该范围内存在第三边界线(B3)时，在由该第三边界线B3形成的曲线上，从垫圈(1)内部施加有来自载荷F的力。用图11的(b)等调查应力分布时，在该第三边界线(B3)上显示应力大。在该矢量朝向螺栓孔侧而位于垫圈内的情况下，在对从螺母进入的初始紧固负荷F反复施加外部负荷变动时，若该外部负荷过大，则是初始紧固负荷较大地作用的部分，由第三边界线(B3)构成的第一应力非传递空间(11s)的螺栓孔侧表面有可能发生疲劳破坏而引起压曲。因此，在第三边界线(B3)进入内部应力大的区域的情况下，优选提高垫圈的强度、刚性等满足使用条件。

第二方面的形态A在一个优选的方案中，形成垫圈(1)的第一紧固力非传递空间(11s)的第三边界线(B3)的形状有时受到厚度的限制。其限制如下：i)在一定的厚度T中，第三边界线(B3)在螺栓孔侧具有具备能够与螺栓的轴进行中心对齐的长度的面，但是，在垫圈最外周部设置中心对齐机构的情况下不需要，ii)垫圈的第一紧固力非传递空间(11s)可以在单面或双面，iii)根据垫圈的第一紧固力非传递空间(11s)的深度而减小的垫圈构件的厚度在垫圈的厚度T的1％～99％的范围，iv)与螺母座面接触的点Pt以基准点Po为起点朝向外周侧处于0.5p以上且6p以下的范围(0.5p≤L≤6p)，v)形成垫圈的第一紧固力非传递空间(11s)的边界线B3在冯米塞斯等效应力分布中不进入施加有应力的范围，vi)在位置Pt，边界线B3与螺母座面通过无边缘的应力集中缓和曲线相接，vii)螺母座面与垫圈的接触以位置Pt为边界而位于比其靠外周侧，形态A的垫圈的第一紧固力非传递空间11s优选尽可能多地满足这些条件。在此，Pt～Po间的距离L以基准点Po为起点朝向外周侧处于0.5p以上且6p以下的范围(0.5p≤L≤6p)，优选为1p≤L≤5p，更优选为2p≤L≤4p的范围。

(第一应力非传递空间的形态A的变形例)

在图12的(a)～(d)中示出第一应力非传递空间(11s)的变形例的简图。

·图12的(a)是具有仅通过从位置Pt开始的椭圆的一部分到达位置Ph的第三边界线(B3)的例子。

·图12的(b)是通过如下边界线B3构成的例子，该边界线B3是第一应力非传递空间(11s)位于上下平面双方且为上下对称形状，从位置Pt与使用椭圆的一部分开始出现的线连续，通过拐点，接着通过向下凸的线向垫圈的平面接近，再次具有拐点，通过水平的直线到达位置Ph。

·图12的(c)是第一应力非传递空间(11s)位于上下平面双方，通过上下非对称的第三边界线(B3)分别到达Ph的形状的例。

·图12的(d)是仅在上平面具有第一应力非传递空间(11s)，通过由椭圆的一部分开始，中途进入相反朝向的圆弧的一部分，最后以直线到达位置Ph的边界线(B3)形成第一应力非传递空间(11s)的例子，各线由曲线连接。

·图12的(e)是在第一应力非传递空间(11s)中在半径方向上距离螺栓孔(1h)最远的位置Ps与垫圈的上平面(1u)中的形成与第一应力非传递空间(11s)的边界点的位置Pt相比，位于更远离螺栓孔(1h)的位置的例子。

在图12中，1m是冯米塞斯等效应力分布曲线。根据由这样的第三边界线(B3)形成的第一应力非传递空间(11s)，具有在通过切削、冲压加工等制作空间(11s)时变形、减薄的量变少的优点。另外，在这样的情况下，由于能够在垫圈的两个面设定第一应力非传递空间(11s)，因此还具有在使用垫圈时不需要表背的区别的优点。另外，形态A的垫圈并不限于图12所示的变形例。垫圈为了与螺栓的中心对齐，优选螺栓孔内周面的轴向尺寸比P(P是上述定义的值。)长。该p以上的接触面尺寸不仅可以是一个截面的尺寸，也可以是在螺栓孔内周面的轴向或周向上使用多处进行中心对齐的形状、尺寸。另外，如果是在垫圈的外周侧与螺栓进行中心对齐的垫圈，则螺栓孔尺寸只要在表示Pt位置和冯米塞斯应力分布的、至少比1mb靠垫圈的螺栓孔侧具有第三边界线(B3)即可，也可以扩大垫圈的螺栓孔，使变宽的部分轻量化。

如图12的(b)、(c)那样，在垫圈(1)的两个面设置第一应力非传递空间(11s)的情况下，螺母(4)的座面与被紧固物(2)的接触位置Pt在两个面成为大致相同的距离的情况较多，在该情况下，在垫圈(1)内产生的冯米塞斯等效应力的分布由于从螺母座面向垫圈的螺栓孔侧扩展较少，因此为了使承受压缩应力的垫圈不发生压曲，更优选为高硬度、高强度。垫圈的强度选择需要在设计时引入。在该情况下，被紧固物(2)与垫圈(1)相接的点也以通过应力集中缓和曲线的切线接触的方式形成，为了不引起不必要的压曲，优选角部无论是螺栓孔侧还是外周侧都带有应力集中缓和结构的圆、椭圆的一部分。

(形态A的垫圈的FEM解析结果)

图8示出以与图4(现有方式垫圈)相同的尺寸结构对形态A的垫圈进行FEM解析，以冯米塞斯等效应力分布表示的应力状况。能观察到，在位置Pt处倾斜地存在白色(应力大)，压缩应力大，朝向第四螺纹牙。亮灰色(应力稍大)扩展，直至凸缘螺母螺纹第二牙～第五牙。若观察螺栓侧，则白色(应力大)位于螺栓螺纹第一牙、第二牙，但面积小。淡灰色为螺纹第三牙，暗灰色(应力稍小)大幅度扩展到螺栓的端部。这样，应力扩展到螺母(4)的大多部分，通过大部分螺纹牙，螺栓(3)和螺母(4)相互施加力。关于垫圈(1)的应力分布，在垫圈(1)内应力收敛，黑色应力小的部分位于螺栓(3)侧和垫圈(1)的外周侧。在与Pt相当的接触部分不产生座面变形等不良影响。

在图9中，对于利用图6所示的形态A的垫圈结构紧固的情况和利用图1所示的现有结构的垫圈紧固的情况的由FEM解析求出的结果，在图9的(a)中以一览表比较地示出各螺纹牙的负荷分担率，在图9的(b)中以条形图表示出该负荷分担率的比较。紧固啮合第一牙处的负荷分担率的状况在现有结构垫圈的情况下为35.6％，与此相对，在形态A的模型(图6的例)中第一牙为30.2％，绝对值减少5.4点，相对值减少约15％。

形态A具有L/p越大(与L变长等效)、啮合第一牙螺纹牙的负荷分担率越降低的倾向。其理由是，在距离L中存在位置Ps(在图8中为位置Pt)，在其外周侧存在来自垫圈的力进入螺母座面的关系，如图8所示，从该输入位置向倾斜右上方向增加朝向螺母的螺纹牙的力，在螺母的螺纹牙的开放侧的第三牙之后应力增加，因此相对地进入第一牙的负荷分担率下降。在图6中，在垫圈(1)的上平面(1u)上，Ls作为从与螺母螺纹谷底的轴向延长线(4e)垂直相交的点到位置Ps(Pt)的距离。另外，将从垫圈(1)的螺栓孔内周面(1i)到位置Ps(Pt)的距离设为L。L相对于Ls而言，与螺栓孔的间隙的长度变短。该间隙长度是螺栓孔相对于螺栓的间隙长度，标准为使用的螺母的螺距p的0.35倍～0.65倍，在此设定为0.4p。

图10的左图表示本发明的第一方面的形态A中的距离L(L/p)的变化与啮合第一牙的负荷分担率的关系。在图的图表上示出了横轴L/p的值。在图10左图的例子中，是Ls＝L+0.5mm＝L+0.4p(L/p＝(Ls/p)-0.4)。在图10的右图中汇总示出了改变形态A的垫圈的距离L时的效果。图10的右上图是图1的现有结构的垫圈紧固的冯米塞斯等效应力分布图，右中图是模型2(L/p＝1.81)的冯米塞斯等效应力分布图，右下图是模型3(L/p＝2.60)的冯米塞斯等效应力分布图。在模型2和模型3中，第一应力非传递空间(11s)的形状如下：从Po到螺栓孔内周面(1i)的Ph的深度Lh相同，与模型2相比，在模型3中距离Ls在半径方向上变更长。参照这些冯米塞斯等效应力分布图，观察到随着从右上图到右中图、右下图，应力大的白色部分从螺纹第一牙向高阶螺纹牙侧延伸。根据这些图求出在各黑点位置处的螺栓螺纹第一牙负荷分担率时，在右上图中为35.6％，在右中图中为30.2％，在右下图中为29.1％。表示随着距离L或者Ls变长，螺纹第一牙的负荷分担率大致直线地下降，由于距离L的增大，螺栓螺纹第一牙负荷分担率从35.6％减少到29.1％，也相对地减少了约18％。通过该第一牙负荷降低，在螺栓的啮合第一牙谷底的疲劳强度提高方面有效。

根据上述的由螺栓的疲劳试验结果求出的S-N线图的关系式，负荷分担率从35.6％降低到32.8％、30.2％、29.1％、28.7％、28.3％时，作为应力指数b＝4，可期待Nf及寿命分别增大到约1.39倍、约1.92倍、约2.22倍、约2.33倍、约2.56倍。

(形态B的应力非传递空间；第二应力非传递空间)

图13～15中示出本发明的第二方面的形态B的垫圈(1)的例子。除了图15的(b)(c)以外是纵剖视图。图15的(b)(c)是立体图。垫圈(1)具有：垫圈主体(1b)；以及贯通垫圈主体(1b)且具有轴线的螺栓孔(1h)。垫圈(1)及垫圈主体(1b)具有轴线及轴线方向z和相对于轴线z垂直的半径方向r。

垫圈主体(1b)具有平行的两个平面(在该方案中，为了方便起见，也分别称为上平面(1u)和下平面(1w))，具有在中央划分螺栓孔(1h)的内周面(1i)和相对于螺栓孔(1h)位于半径方向的外侧的外周面(1o)。螺栓孔(1h)是使螺栓贯通的孔，根据设想的螺栓直径而具有比该螺栓直径稍大的直径R。例如，公称M10(螺纹牙径10mm)的螺栓用的螺母的螺栓孔径可以是11mm。螺栓孔(1h)的划分直径R的面(内周面(1i))在图13～15那样的包括轴线的纵剖视图中与轴线平行。螺栓孔(1h)的横截面的形状(俯视图中的形状)没有限定，通常为圆形。为了通过使螺栓贯通螺栓孔(1h)而使垫圈(1)相对于螺栓稳定地配置，优选垫圈(1)的螺栓孔(1h)相对于螺栓的外径为规定的大小且为圆形。但是，后述的檐部(1p)优选其内周面由螺栓孔的内周面(1i)构成，但檐部(1p)的内周面(1i)在俯视图(横剖视图)中不需要存在于圆形的螺栓孔(1h)的整周，只要形成两个以上的突起状，能够相对于螺栓定位即可。在具有该突起状的檐部(1p)的情况下，俯视图中的突起之间的空间不是本发明中的螺栓孔。在俯视图中，螺栓孔与其突起之间的空间是连续的。若包括该突起之间的空间在内考虑螺栓孔，则螺栓孔的平面形状不是圆形，但在这样的情况下，螺栓孔是假想的圆形的孔，仅将垫圈主体(1b)的构成该假想的圆形的孔的内周面(1i)考虑为螺栓孔的内周面(1i)。

在图13～15的纵剖视图中，垫圈主体(1b)具有在螺栓孔(1h)开口的第二应力非传递空间(12s)，第二应力非传递空间(12s)也在下平面(1w)开口。第二应力非传递空间(12s)与垫圈主体(1b)的边界线从下平面(1w)大致垂直地立起(立起部(Br))，经由接近圆弧的曲线的角部而向上平面(1u)接近，延伸到垫圈主体(1b)的内周面(1i)(划分螺栓孔(1h)的面)，在第二应力非传递空间(12s)的上侧形成有檐部(1p)。从下平面(1w)大致垂直地立起的立起部(Br)考虑到制作的精度，可以在相对于垂直方向±20度的角度的范围内。

第二应力非传递空间(12s)在纵剖视图中具有图13～15所示的向上凸的截面形状，三维地呈以垫圈(1)的螺栓孔(1h)的轴线为中心的同心圆环状(参照图15的(b)、(c))。即，第二应力非传递空间(12s)是将图13～15所示的截面形状的空间以轴线为中心旋转360度而成的三维形状的空间(同心圆环状空间)。

参照图13～15，第二应力非传递空间(12s)在垫圈的纵剖视图中在螺栓孔(1h)开口。通过第二应力非传递空间(12s)在螺栓孔(1h)开口，垫圈主体(1b)的螺栓孔侧的紧固力的轴向的传递被切断，因此施加于位于螺栓孔侧的螺栓的紧固啮合低阶螺纹牙的力减少。

在与螺母一起使用第二方面的垫圈的情况下，从垫圈(1)与螺母(4)的接触面到螺栓(3)的螺纹部的压缩应力由于第二应力非传递空间(12s)的存在而被仅限定于第二应力非传递空间(12s)的外侧，从第二应力非传递空间(12s)的外侧绕入螺栓孔侧，其结果是，该压缩应力到达螺栓孔侧的方向是从第二应力非传递空间(12s)的在半径方向上距离螺栓孔最远的位置Ps以相对于轴线z为约45度以下的仰角(角度θ)的区域。发现了优选的特征是，通过以相对于该轴线z为约45度以下的角度向螺栓孔侧弯曲的压缩应力朝向螺栓的高阶螺纹牙(特别是牙顶)的开放侧，从而施加于螺栓的紧固啮合低阶螺纹牙的应力变小。若将第二应力非传递空间(12s)的半径方向的尺寸设为适当的尺寸以下，则能够充分地减小施加于低阶的螺纹牙的应力，并且能够将螺母及垫圈的外径尺寸抑制得较小，故优选。

在第二方面的形态B的一个方案中，从第二应力非传递空间(12s)的距离轴线最远的位置Ps到与螺栓孔(1h)的轴线平行的内周面(1u)的半径方向的距离L优选满足0.5p≤L≤5.6p、更优选满足0.7p≤L≤5.6p、1.0p≤L≤5.0p、进一步优选满足1.5p≤L≤4.5p、特别满足2.0p≤L≤4.0p、进一步满足2.5p≤L≤3.5p。

(式中，将所述螺栓孔的直径设为R，R及p的单位为mm，R及p处于上述的关系。)

在图13～15的纵剖视图中，垫圈主体(1b)在第二应力非传递空间(12s)的上侧具有檐部(1p)。檐部(1p)是用于相对于螺栓孔(1h)与螺栓3进行定中心的构件，檐部(1p)的前端只要构成螺栓孔(1h)的内周面即可。构成螺栓孔(1h)的内周面(1i)的檐部(1p)在垫圈主体(1b)的俯视图中不一定需要存在于螺栓孔(1h)的整周，但优选存在于整周而划分圆形的螺栓孔(1h)。檐部(1p)不是传递应力的部分，因此只要能够确保檐部(1p)的强度，图13～15的上下方向的厚度可以较小，厚度越小，对应力传递的贡献越小，故优选。例如，檐部(1p)的最小厚度(Th)优选为垫圈的厚度T的0.1倍以上且0.7倍以下。更优选的是，Th为0.2T≤Th≤0.6T，更优选为0.22T≤Th≤0.5T。该檐部(1p)的厚度能够局部地变薄，若采用通过角部而到达螺栓孔内周面的中途最薄的形状，则能够确保能容易进行与最内径侧的螺栓的定中心的内周面(1i)的长度。

参照图13～15的纵剖视图，垫圈主体(1b)与第二应力非传递空间(12s)的第四边界线(B4)具有角部(Bc)，该角部(Bc)将从垫圈主体(1b)的下平面(1w)大致垂直地立起的立起部(Br)与划分面向螺栓孔(1h)的檐部(1p)的部分之间连结。垫圈主体(1b)与第二应力非传递空间(12s)的边界线(B4)、特别是在图13～15中为向上凸的曲线但其角部(Bc)的边界线(B4)优选由整体由曲线或曲线与直线的组合构成、不具有直线与直线交叉的角部的应力集中缓和线构成。角部(Bc)没有限定，但在图13～15的纵剖视图中，是所述边界线从与相对于轴线z呈20～25度、特别是25度的直线相接的位置到与相对于轴线z呈65～70度、特别是65度的直线相接的位置的部分，是存在相对于轴线z具有45度的仰角θ的直线与所述边界线相接的位置(P)的部分。角部(Bc)例如可以由仰角约40～50度、特别是约45度的直线构成，在该情况下，优选角部(Bc)与立起部(Br)的连接部分及角部(Bc)与檐部(1p)的连接部分用曲线结合而不形成角。另外，角部(Bc)可以由圆弧或椭圆弧或者接近其的形状形成。从角部(Bc)到螺栓孔内周面(1i)是螺栓孔内周末端部(Be)。

在一个方案中，参照图13～15的纵剖视图，垫圈主体(1b)与第二应力非传递空间(12s)的第四边界线(B4)可以为，从自垫圈主体(1b)的下平面(1w)大致垂直地立起的立起部(Br)，与圆弧或椭圆弧或两侧与曲线相连的中间为直线的复合线连接而形成角部(Bc)，然后通过曲率进一步变小的螺栓孔内周末端部(Be)到达螺栓孔内周面(1i)。这样的第四边界线(B4)除了与下平面(1w)及螺栓孔内周面(1i)的连接部位以外是应力集中缓和曲线，而且该形状的第二应力非传递空间(12s)容易形成。另外，若相对于轴线的仰角45度的直线与角部(Bc)相接的位置P接近上平面(1u)，则从被紧固物(2)向螺纹传递的压缩应力具有使围绕第二应力非传递空间(12s)的外侧的位置更远离螺栓孔内周面(1i)的效果，故优选。角部(Bc)与相对于轴线的仰角45度的直线相接的位置P优选位于从垫圈主体(1b)的下平面(1w)到垫圈(1)的厚度T的1/2以上的轴线方向距离，优选从垫圈主体(1b)的下平面(1w)中的立起部(Br)的起点的位置P3(Ps)朝向螺栓孔内周面(1i)为螺纹的1间距的长度以下。立起部(Br)(从下平面(1w)到相对于轴线的仰角20～25度的直线与第四边界线(B4)相接的位置)没有限定，但优选具有垫圈(1)的厚度T的1/4～1/3以上的轴线方向长度。螺栓孔内周末端部(Be)(从相对于轴线的仰角65～70度的直线与第四边界线(B4)相接的位置到螺栓孔内周面(1i))是从与角部(Bc)的连接部位到螺栓孔内周面(1i)为止，切线相对于轴线形成的仰角逐渐增加的形状，最大仰角优选为90度以下。形成在螺栓孔内周末端部(Be)的上侧的檐部(1p)的最小厚度(在图14中为螺栓孔内周面(1i)的厚度t)优选为垫圈(1)的厚度T的3～20％、更优选为5～15％的范围。如图19及图20所示，螺栓孔内周末端部(Be)可以是各种变形，进而也可以不存在螺栓孔内周末端部(Be)，角部(Bc)的中途或末端是与螺栓孔内周面(1i)的连接部位。

(形态B的垫圈的FEM解析结果)

使用本发明的第二方面的形态B的垫圈，如图13所示，对将螺母(4)紧固于螺栓(3)时的施加于垫圈(1)、螺母(4)及螺栓(3)的应力进行了FEM解析。螺栓、螺母、垫圈的螺纹牙形状、构件强度、构件杨氏模量、泊松比、紧固转矩、轴向力等要素全部使用JIS{ISO}规定的内容。但是，螺母的凸缘部的厚度、螺纹轴部的强度是以具有充分的强度为前提的。该部分在JIS中没有特别规定，推荐最低的强度。螺纹的间距采用了细牙(螺栓的螺纹径M＝12mm，螺距P＝1.25mm)。

图16表示冯米塞斯等效应力分布图。在图16中，颜色越白，冯米塞斯等效应力越大，颜色越黑，冯米塞斯等效应力越小。灰色是中间的大小，在黑色部分与白色相比应力小。如果比较该图16和现有结构的垫圈的图4，则观察到白色的应力大的范围、位置明显不同。在图16中，浅灰色、深灰色的范围扩展到螺纹牙第五牙，黑色(应力小)部分变小。根据该图16，应力分布示出了应力在螺纹牙第三牙之后扩散。另外，若观察冯米塞斯等效应力大的白色部分，则可知从凹状空间的角部以相对于螺纹轴线方向主要为仰角45度或比其稍小的角度延伸较大的冯米塞斯等效应力，但在第三牙之后(第五牙)也存在表示较大的冯米塞斯等效应力的白色及灰色的部分。这样，如果与不存在凹部空间的情况相比较大的冯米塞斯等效应力所朝向的目的地在螺母的螺纹的第三牙之后，则与不存在凹部空间的情况相比，能够降低第一牙的螺纹的应力负荷分担率。

图17的(a)和(b)是通过FEM解析求出的形态B的垫圈与现有结构的垫圈的各螺纹牙的负荷分担率和负荷分担率的比较条形图表。在图16中使用的模型中，将距离Ls设定为p(1.25mm)的2.21倍。示出了紧固啮合第一牙的负荷分担率为32.3％，与现有结构的垫圈的该负荷分担率35.6％相比，绝对值减少3.3点，相对比减少9.3％。

图18左图是在第二方面的形态B的垫圈中将横轴设为L/p(由于是相同的间距p，因此与改变距离L的情况等效)，表示啮合第一牙的负荷分担率的图表。图18的右上图是与图1对应的现有结构的垫圈紧固的冯米塞斯等效应力分布图，右中图是模型2(设为L＝1.81p)的冯米塞斯等效应力分布图，右下图是模型3(设为L＝2.60p)的冯米塞斯等效应力分布图。在模型2和模型3中，第二应力非传递空间(12s)的形状如下：其立起部及角部的形状大致相同，与模型2相比，在模型3中檐部(1p)在半径方向上变更长。参照这些冯米塞斯等效应力分布图，观察到随着从右上图到右中图、右下图，应力大的白色部分从螺纹第一牙也向高阶螺纹牙侧延伸。根据这些图求出各黑点位置处的螺栓螺纹第一牙的负荷分担率时，在右上图(现有方式垫圈)中为35.6％，在右中图中为32.3％，在右下图中为30.9％。表示随着距离L(L/p)变长，螺纹第一牙的负荷分担率大致直线地下降，由于距离L(L/p)的增大，螺栓螺纹第一牙负荷分担率从35.6％降低到30.9％，绝对值降低4.7点，相对比也降低约13％。通过该第一牙负荷降低，在螺栓的啮合第一牙谷底的疲劳强度提高方面有效。根据上述的由螺栓的疲劳试验结果求出的S-N线图的关系式，负荷分担率从35.6％分别降低到34.5％、32.3％、30.9％、30.3％、29.7％时，作为应力指数b＝4，可期待Nf及寿命分别增大到约1.12倍、约1.45倍、约1.75倍、约1.92倍、约2.13倍。

(第二应力非传递空间的形态B的变形例)

在图19的(a)～(c)及图20中示出第二应力非传递空间(12s)的变形例的简图。在图19中，B4是垫圈主体(1b)与第二应力非传递空间(12s)的边界线。

·图19的(a)是螺栓孔内周面(1i)的轴线方向长度(t)比檐部(1p)的最小厚度(Th)长的一例。

·图19的(b)示出在从被紧固物与垫圈(1)的接触位置到立起部(Br)的部分附加应力集中缓和曲线的结构的一例，在该情况下的距离L如图所示比立起部(Br)更靠半径方向外周侧。

·图19的(c)是在垫圈主体的厚度的中间设置从螺栓孔内周侧朝向外周侧凸出的第二应力非传递空间(12s)，第二应力非传递空间(12s)不在垫圈主体的上下平面(1u、1w)开口的例子。图19的(c)是将两个图19的(b)的垫圈相对地粘贴那样的例子。在垫圈主体的厚度(T)较厚时，通过在接近螺母的部位设置图19的(c)那样的应力非传递空间(12s)，能够降低啮合第一牙的螺纹牙负荷分担率。另外，在该例子中，垫圈的上下平面相同，使用时不会误使用。

·图19的(d)是考虑了垫圈的中心对齐的形状，示出了增大螺栓孔内周面的长度t的方法(参照螺栓孔侧的形状)、和在外周侧的螺母侧设置环状、多处突起部，利用螺母外周部进行与螺栓的中心对齐的方法(参照垫圈主体的外周侧的突起)的一变形例。在图19的(d)的例子中，由于利用螺母外周部进行螺栓(3)与垫圈(1)的中心对齐，因此螺栓孔的直径可以比设想的螺栓的直径大。在该情况下，基于图19的(d)的例子的螺栓孔的直径R，用于具有比基于不等式0.5p≤L≤5.6p中的定义的p的值小的间距的螺纹的螺栓，但在满足上述不等式时，能够得到降低螺栓的螺纹第一牙的负荷分担率。

·图20是第二应力非传递空间(12s)的边界线(B4)的角部(Bc)由直线构成，立起部(Br)、螺栓孔内周末端部(Be)也由直线构成，将角部(Bc)与立起部(Br)及螺栓孔内周末端部(Be)的连接部分由曲线构成的例子。

本发明的第二方面的垫圈(1)具有两个平面、即第一及第二平面(1u、1w)，但在用螺栓(3)、螺母(4)将被紧固物(2)紧固时，使垫圈(1)的两个平面中的任一个朝向被紧固物侧(或螺母侧)使用。关于第二方面的垫圈是形态A还是形态B，在将两个平面中的任一方考虑为第一平面(1u)(螺母侧、上平面)时，只要满足形态A或形态B的要件即可。因此，一个垫圈在将一个平面考虑为第一平面(1u)时是形态A的垫圈，并且将另一个平面考虑为第一平面(1u)时也可以是形态A的垫圈。在这样的情况下，该垫圈无论将哪个平面作为上平面使用都能够作为形态A的垫圈使用。另外，一个垫圈在将一个平面考虑为第一平面(1u)时可以是形态A的垫圈，并且将另一个平面考虑为第一平面(1u)时可以是形态B的垫圈。满足形态A的要件的垫圈若将上下平面翻转，则作为形态B的垫圈，多数情况能够直接使用。另一方面，满足形态B的要件的垫圈可以将上下平面翻转而作为形态A的垫圈使用，但为了作为形态A的垫圈使用，优选将与立起部和下表面连接的部分构成为应力非集中曲线。

另外，一个垫圈具有两个应力非传递空间(1s)，这两个应力非传递空间(1s)也能够分别满足形态A的要件和形态B的要件。在这样的情况下，该垫圈在将一个平面作为上平面使用时，是形态A同时也是形态B的垫圈，但认为在使用时实质上作为第一牙负担降低效果大的方案的垫圈发挥作用。但是，本发明的第二方面的垫圈即使同时满足形态A和形态B的要件，也是为了作为形态A或形态B中的任一个方案使用而制造的，当然优选以该意图的方案使用。

(垫圈的厚度)

本发明的垫圈(1)的厚度(上下平面间的轴线方向尺寸)作为没有形成应力非传递空间的垫圈主体部分的厚度T，相对于螺栓孔径R，可以为0.1倍以上、0.2倍以上、还可以为0.5倍以上，另外可以为20倍以下、10倍以下、还可以为1.0倍以下。

在本发明的形态A的垫圈的一个方案中，厚度(T)可以为螺栓孔内径的0.1倍以上，优选为螺栓孔径的0.2倍以上且2.0倍以下，更优选为螺栓孔径的0.3倍以上1.5倍以下。

(垫圈的外周面)

本发明的垫圈(1)的外周面参照图5，垫圈(1)的与螺母(4)的接触面(上平面)及垫圈(1)的与被紧固物(2)的接触面(下平面)均优选为了利用螺母(4)及垫圈(1)将被紧固物(2)紧固而具有充分的面积。用于通过螺母(4)及垫圈(1)将被紧固物(2)紧固的面积可以与不具有应力非传递空间(1s)的现有的垫圈相同。现有的垫圈中的垫圈(1)的外周面可以是具有螺栓孔径的2倍左右(例如，2R±10％以内)的内切圆的尺寸。

在本发明的一个方案中，就本发明的垫圈(1)的外周面而言，在设为与垫圈主体(1b)的上平面(1u)的外周内切的圆的直径为D₁、螺栓孔径为R时，可以是D₁＝nR(n≥1.8，进一步为n≥1.9、n≥2.0、n≥2.2)。在此，螺栓孔径R是由垫圈主体的内周面划分的中心孔的直径(在本发明中，在其他部位中也相同。)。

在本发明的一个方案中，就本发明的垫圈的外周面而言，在垫圈主体(1b)的上平面的俯视图中，与垫圈的上平面的外周面内切的圆的直径可以为螺栓孔径的2倍(或者在其±10％以内；同上)和从螺栓孔的内周面到位置Ps的距离L的合计以上的尺寸。可以是D₀＝nR+L(n≥1.8，进一步为n≥1.9、n≥2.0、n≥2.2)。

在本发明的其他一个方案中，例如，设与垫圈主体的上平面的外周内切的圆的直径为D₀、螺栓孔径为R、从螺栓孔的内周面到位置Ps的距离为L，优选为(D₀/2)²-(R/2+L1)²＝3k(R/2)²(式中，k≥0.8)。式中，更优选为k＝0.8～1.5，进一步优选为k＝0.9～1.3。另外，在垫圈的纵剖视图中，优选垫圈主体的外周面不位于比与通过位置Ps的仰角45度的直线相交的位置靠内周侧。此时，在垫圈(1)的纵剖视图中，与垫圈主体的上平面1u侧的外周尺寸相比，下平面1w侧的外周尺寸大，因此可以将垫圈主体的上平面1u侧如图6及图12所示那样倾斜切断(例如相对于轴线的仰角30～60度，特别是约40～50度)。

在本发明的形态A的一个方案中，垫圈的外周径可以为螺栓孔径的1.4倍以上且4倍以下、优选为螺栓孔径的1.5倍以上且3.5倍以下、更优选为螺栓孔径的1.7倍以上且2.8倍以下。

垫圈主体(1b)的外周可以比与螺母接触的上平面(1u)的外周大。在纵剖面中，垫圈主体(1b)的外周(1o)与上平面(1u)的连接部例如可以以30～60度、进一步为40～50度的仰角切除。该切口部(1d)的大小以垫圈主体(1b)的厚度方向的尺寸计，可以为垫圈主体(1b)的厚度(T)的一半以下、进一步为三分之一以下。

(垫圈的其他形状)

本发明的垫圈(1)优选为在垫圈主体(1b)中不形成应力非传递空间以外的空间的实心体。但是，只要在不妨碍本发明的垫圈的强度、紧固力的范围内，也可以具有应力非传递空间以外的空间。

本发明的垫圈(1)能够对角部进行倒角，特别优选以曲线进行倒角。由于倒角尺寸较小，因此在考虑上述的垫圈主体及应力非传递空间的形状及尺寸的情况下，可以忽略倒角，也可以除去倒角部分。

以下，对垫圈(1)的其他结构及制造方法进行说明，这些事项是本发明的第一方面及第二方面双方共同的事项。

(垫圈的材质)

对于本发明的垫圈(1)的材质，可以使用现有的垫圈所使用的金属、非铁金属、各种合金、高分子树脂、氧化物、碳化物、氮化物、复合材料(CFRP；碳纤维强化塑料等)、硬质树脂(例如，维氏硬度Hv70以上，还具有Hv100以上的硬度)中的一个或两个以上的组合。具有足以承受紧固时的压缩应力的强度。另外，材质、强度的选定可以通过用户侧技术人员的选择来决定。

(表面处理)

本发明的垫圈(1)能够实施具有现有垫圈所要求的防锈、装饰、滑动性提高、识别等效果的表面处理。具体而言，可以选择使用金属镀敷、高分子涂层、氟树脂涂装、PVD、CVD等基于等离子体覆膜处理的DLC、TiN、CrN、BN等覆膜、磷酸锰化成处理、防蚀铝、电解研磨等中的一种或两种以上的组合。为了确保垫圈(1)与螺母(4)的滑动性，可以在前工序中进行提高表面粗糙度的研磨加工。特别是通过在垫圈表面与螺母座面接触的部分进行摩擦阻力小、进而摩擦系数稳定的表面处理，从而具有提高将螺母紧固转矩转换为轴向力的效率，减小由摩擦的偏差引起的轴向力产生变动的优点。

(S-DLC包覆)

垫圈(1)的表面与螺母座面之间进行伴随压力的滑动，因此优选相对摩擦系数小的表面。不仅在初始紧固时，而且在使用中施加的外力负荷在螺母座面与垫圈之间相互输入。在初始紧固时以紧固转矩为基准进行紧固的情况下，包含螺母座面与螺纹牙的摩擦阻力，摩擦较大时，受到实际的轴向力产生变小的影响。此时，有时为了减小螺纹牙、螺母座面的摩擦阻力而施加润滑油。通过该供油，摩擦系数看作与油相同，摩擦系数下降到约0.1左右。考虑到干燥环境下许多金属的摩擦系数为0.5左右，摩擦系数0.1是非常低的数值。以同样的目的，有时对垫圈表面实施降低摩擦的磷酸锰处理、固体润滑剂、二硫化钼膏涂布等来进行紧固。这样的处理由于与垫圈表面的密合性弱，因此具有不适合重复的加紧、分解、再紧固等的性质。作为能够解决这些课题的表面处理，有DLC(金刚石状碳膜)等固体润滑层覆膜，其中，适于重复紧固的是将DLC膜进一步细分化，是表面排列多条被槽等分割的不连续的膜的分段结构DLC。已知的是，对于分段结构DLC(S-DLC)，由于在螺母与垫圈的接触下柔软的基材产生较大的弹性变形，因此即使是高脆性、高硬度薄膜，也难以追随其基材变形而引起膜破坏。在对垫圈实施DLC等具有低摩擦系数的覆膜处理的情况下，由于在螺母座面与垫圈接触的范围内摩擦变小，因此在以相同的转矩紧固螺母时，座面阻力与摩擦系数的偏差变小，具有螺栓轴向力提高且轴向力的偏差变小的优点。通过在垫圈的上平面(螺母座面侧)覆盖S-DLC，最能够发挥摩擦降低效果，实施S-DLC的效果表现得较大。

在S-DLC的覆膜的情况下，具有如下特征：即使在垫圈进行了较小的弹性变形的情况下，膜的破坏也极少，在紧固完成时能够进行不改变轴向力而减少螺栓的扭转转矩的螺母的微细的反旋转。实现螺栓的扭转转矩减少会带来使螺钉的开始松动延迟的效果。

垫圈的滑动面优选形成为具有不阻碍螺母螺合时的旋转的表面粗糙度及平面度。作为这样的表面粗糙度，算术平均粗糙度Ra优选为50μm以下、进一步优选为6.5μm以下，作为平面度，优选为0.2mm以下、进一步优选为0.05mm以下。算术平均粗糙度Ra的测定基于JISB0601：2013进行。

(垫圈的使用方式)

本发明的垫圈(1)与现有的垫圈同样地，例如如图2及图14所示，可以插入被紧固物(2)与螺母(4)之间使用。与本发明的垫圈一起使用的螺母(4)可以为六角螺母，但优选为凸缘螺母。这是由于，若为凸缘螺母，则不用增大螺母的凸缘部以外的螺纹轴部分，就能够增大与垫圈的接触侧面的面积。

(垫圈的制造方法)

垫圈的制造方法可以大致分为i)去除加工(机械切削加工等)和ii)塑性加工(冲压加工、锻压加工等)。i)是由原材料使用NC车床、精密自动机械、通用车床等机床和切削用刀具而制作的，具有使用对象物专用的性质。ii)在以相同的形状制造多个通用品的方面优异，使用模具连续地制作。作为一例，小的产品通过用冲压加工从板冲裁而决定形状、尺寸，通过去毛刺工序和表面处理而成为完成品。另外，在制作中型～大型的垫圈时可以通过冷锻造(精密冲裁)方法从原材料连续地锻造来制作形状，在具有表面粗糙度、平面度等的精加工、表面处理等的后工序作业时，通过进行该部分而成为完成品。

在通过上述的机械加工(加工、切削)进行制造的情况下，在逐个进行加工的NC车床(包括自动设备)那样的机床中，大多使用立铣刀状的专用刀具，因此专用刀具的刀面形状是重要的。在现有方式垫圈中，由于座面几乎是平面，因此刀具也采用适于切削平面的刀具。为了削出本发明的垫圈，需要削出应力集中缓和曲线，刀具通过使用预先将刀部加工成专用的形状的成形利器，在制作机床的NC程序(数控部分)不具备的椭圆曲线时简单，不需要在外部预先制作程序，具有工时减少的合理性。

关于形成本发明的垫圈时的刀具：

大致分为1；通过机械加工直接加工结构的情况、和2；制作模具，使用该模具转印形状的方法。在1的直接加工的情况下，通过将类似于开孔用的钻头的立铣刀形状的刀成形为按照目的的形状，能够得到“容易切削，适于机床，刀的强度、耐久性有实际成绩”这样的产品。在2的情况下，由于最终加工对象物成为产品，因此被转印的形状成为所谓的凹凸的关系。为了切削这样的形状，也优选使用具有成为本发明的垫圈的结构的曲线的刀具。刀具不限于切削，也包括磨削砂轮。

图21的(a)～(e)中显示刀具的专用形状的几个例子。空心部分是刀具21的截面，是在其周围的////部分(阴影部)设置切削刃22的刀具21的变形例。由于切削刃22的形状为与应力非传递空间的形状对应的形状，因此当刀具21旋转时，通过切削刃22在垫圈的螺栓孔部分形成////部分(阴影部)的截面形状的空间。

·图21的(a)是立铣刀形状，设为用椭圆、圆的形状制作垫圈结构的边界线B3、B4的刀形状22，能够与多个孔径对应。

·图21的(b)是钻头23位于中心，在两侧加有与(a)相同的用于形成应力缓和曲线的刀22的结构，根据设置于被切削物的引导孔，容易使孔的中心与垫圈结构的中心对准。

·图21的(c)是模具等的主要能够削出突起部的结构，在转印的对象物的形状成为母型的模具的情况下使用。

·图21的(d)是在图19的(c)所示的垫圈的螺栓孔侧制作结构的情况下使用的例子。适于当垫圈为长管状时，在管内径端部附近制作形态B的垫圈结构。除此以外，还存在与使用对象对应的多个变形例。特别是在制作椭圆、圆等应力集中缓和曲线时，如果在使用的刀具中预先加入刀具所希望的形状，则能够用NC机床简单地制作具有所期望的应力集中缓和曲线的形状。

在通过塑性加工制作本发明的垫圈(1)时，可以通过在模具中预先加入目标形状来还制作所期望的垫圈结构。仅模具形状不同，制造方法完全不变，能够在不增加工时的情况下获得各种本发明的垫圈。由于模具的转印模成为产品，因此削出模具的刀具也成为形成应力集中缓和曲线的形状是合理的。锻造工法也相同。

在制作厚度薄的垫圈时，大多数使用塑性加工用的模具。举出制造顺序的一例，i)冲裁内径孔，ii)将设置于模具的本发明的垫圈结构作成部分形成为压入形状，iii)冲裁外径部，iv)进行去毛刺处理，v)进行表面处理而成为完成品。在此，i)和ii)也可以用相同的模具进行。通过这样设计模具，能够在不增加工时的情况下制作本发明产品。图22表示该模具的一例。在制作厚度较厚的垫圈、材质特别的垫圈、较大的垫圈等时，有时采用铸造方法，图23表示此时的模具的一例。如果在模具预先设置曲面，则可以用现有的铸造技术制作本发明的垫圈。不会增加加工工时。

图22表示作为模具的一例的冲模的纵剖视图。阳模(上部)31和阴模(下部)32的中间的粗黑线表示被加工物33。在加工前为平板(用虚线表示)的被加工物23以孔为基准利用冲模(模具)31、32接受冲压塑性加工，肩～孔部分向下方变形成椭圆型。垫圈的孔的角部成为垫圈结构的形状。使用时螺栓螺纹牙从图的下侧出来，是螺母座面从上方与螺栓螺合的结构。另外，与以往相同，可以说通过一次冲压加工就能够进行目标加工不会增加用于制作结构的工时。模具为专用模具，不会弄错孔位置、方向等。

图23表示铸造模具41的一例子。用黑色表示环状的铸件42，阴影部表示铸件模具41。虽然简化了形状，但黑箭头是直浇口(浇口)43，从该处流入熔融金属而充满空间，经过冷却，可以得到黑色的产品。如果在用阴影表示的模具(铸件模具)中预先装入垫圈结构的形状，则可以将所期望的垫圈的结构转印到产品上。铸造工法不是如冲压加工那样的从一个方向的加工，而是能够从所有方向成形，因此，例如具有如下特征：在块状模具设置多个模具形状，能够在该模具内部一次从多个、所有角度以不同的尺寸制作垫圈结构。铸造、压铸、MIM(金属粉末注塑成形)、失蜡、注射模具等将原材料熔化后放入模具中成形的模具具有无限的应用变形例。

刀具材质

加工用刀具的材质可以从以往实际使用的合金钢、刃物钢、碳化钨(WC)等碳化物、陶瓷、氮化物等选择使用。

表面处理

如前所述，可以对本发明的垫圈(1)实施具有以往垫圈所要求的防锈、装饰、滑动性提高、识别等效果的表面处理。

刀具的表面处理

关于刀具的表面处理，除了现有方式的高频淬火、渗碳淬火、氮化处理等之外，还可以在表面涂敷固化覆膜来提高耐久性。可以涂敷DLC、TiN、TiC、CrN、BN、Al₂O₃等涂布薄膜，薄膜涂布方式可以使用PVD(物理蒸镀)、CVD(化学蒸镀)、电弧离子镀、溅射、FCVA(过滤器型阴极真空电弧)、磁控溅射、PBII(等离子体基离子注入法)、DC单脉冲CVD等。

产业上的可利用性

本发明提出了在适当地紧固的螺栓螺母紧固体中使用的垫圈的结构的改良。通过本发明的垫圈结构的改良，不仅降低了螺栓的啮合第一螺纹牙的负荷分担率，而且对各螺纹牙的负荷分担率的均衡化有效，能够实现提高来自螺栓的螺纹部的疲劳断裂强度。

附图标记说明：

1 垫圈

1b 垫圈主体

1h 螺栓孔

1u 上平面(第一平面)

1w 下平面(第二平面)

1h 螺栓孔

1s 应力非传递空间

1p 檐部

1i 螺栓孔内周面

1o 垫圈的外周面

2 被紧固物

3 螺栓

3h 螺栓头

4 螺母

4e 连结螺母的螺纹谷底的线

4o 螺母螺纹牙的开放侧(箭头的朝向为松缓螺纹的方向)

4c 螺母螺纹牙的紧固侧(箭头的朝向为紧固螺纹的方向)

4w 螺母的与垫圈接触的面

4s 螺母的螺纹轴部

4f 螺母的凸缘部

5 基体

11s 第一应力非传递空间

12s 第二应力非传递空间

21 刀具

22 切削刃的截面

23 钻头

31 阳模

32 阴模

33 被加工物

41 铸造模具

42 铸件

43 直浇口(浇口)

B1～B6 边界线

Br 立起部的边界线

Bc 角部的边界线

Be 螺栓孔内周末端部的边界线

p 螺距

z 轴线

r 半径方向

θ 仰角

Pt 第一应力非传递空间的上平面开始位置

Po 上平面与螺栓孔内周面的延长线的交点

P1 第二应力非传递空间的螺栓孔内周面开始位置

P2 第二应力非传递空间的螺栓孔内周面终点位置

P3 第二应力非传递空间的下平面终点位置

Ps 应力非传递空间的在半径方向上距离螺栓孔内周面最远的位置

R 垫圈的螺栓孔径

Do 垫圈的外周尺寸

Ls 从位置Ps到连结螺栓孔谷底的距离

L 从位置Ps到螺栓孔内周面的距离

Lh 从垫圈上平面到位置Ph的距离

T 垫圈的厚度

Th 檐部的最小厚度

t 檐部的螺栓孔侧端部的厚度

※ 容易破坏的螺栓的啮合第一牙的螺纹谷底的位置。

Claims (27)

1.一种垫圈紧固结构，其是从基体(5)侧延伸的螺栓(3)贯穿被紧固物(2)和垫圈(1)的螺栓孔(1h)，并利用所述螺栓(3)和螺母(4)使用所述垫圈(1)将所述被紧固物(2)紧固于基体(5)的垫圈紧固结构，其特征在于，

所述螺栓(3)、所述垫圈(1)、所述螺母(4)及所述垫圈紧固结构具有共同的轴线及轴线方向以及与所述轴线垂直的半径方向，

所述共同的轴线及轴线方向以下也简称为“所述轴线”及“轴线方向”，

所述与所述轴线垂直的半径方向以下也简称为“所述半径方向”，

所述垫圈(1)具有垫圈主体(1b)和贯通所述垫圈主体(1b)的所述螺栓孔(1h)，

所述垫圈主体(1b)具有应力非传递空间(1s)，所述应力非传递空间(1s)为以所述螺栓孔(1h)的所述轴线为中心的同心圆环状，

所述应力非传递空间(1s)在所述螺栓孔(1h)开口。

2.根据权利要求1所述的垫圈紧固结构，其中，

在所述半径方向上，将靠近所述轴线的一侧作为内侧，将远离所述轴线的一侧作为外侧，

将从所述被紧固物(2)朝向所述垫圈(1)、从所述垫圈(1)朝向所述螺母(4)的方向作为上、上侧或上方，将其相反方向作为下、下侧或下方，

所述螺母(4)具有沿所述半径方向延伸的平坦的下平面(4w)和沿所述轴线方向延伸的螺纹，所述螺纹交替地由螺纹牙和螺纹谷构成，并具有螺距p，

关于所述垫圈主体(1b)的所述应力非传递空间(1s)，在所述垫圈(1)的包含所述轴线的纵剖面中，将从所述垫圈主体(1b)的所述螺栓孔的内周面(1i)向所述半径方向的外侧最远的位置设为Ps，从所述位置Ps到连结所述螺母(4)的螺纹谷底的线的延长线(4e)的所述半径方向的距离Ls处于超过所述螺母(4)的所述螺距p的0.5倍且为6倍以下的长度的范围。

3.根据权利要求2所述的垫圈紧固结构，其中，

所述垫圈主体(1b)具有：在所述螺母(4)侧沿所述半径方向延伸的平坦的上平面(1u)；在所述被紧固物(2)侧沿所述半径方向延伸的平坦的下平面(1w)；以及划分所述螺栓孔(1h)的与所述轴线平行的螺栓孔内周面(1i)，

所述垫圈(1)具有从所述上平面(1u)到所述下平面(1w)的厚度(T)，

所述应力非传递空间(1s)是在所述螺栓孔(1h)开口且也在所述垫圈主体(1b)的所述上平面(1u)开口的第一应力非传递空间(11s)，

关于所述第一应力非传递空间(11s)，在所述垫圈(1)的包含所述轴线的纵剖面中，

为如下空间：将所述垫圈主体(1b)的所述上平面(1u)的延长线设为第一边界线(B1)，将所述螺栓孔内周面(1i)的延长线设为第二边界线(B2)，将位于比所述第一边界线(B1)靠下侧且比所述第二边界线(B2)靠所述半径方向外侧、且将位于所述第一边界线(B1)上的位置Pt和所述第二边界线(B2)的位置Ph连结的线设为第三边界线(B3)，

将所述第一边界线(B1)与所述第二边界线(B2)相交的位置设为Po，从所述位置Po到所述位置Ph的所述轴线方向的距离Lh处于所述螺母(4)的所述螺距p的0.01倍以上到所述垫圈(1)的所述厚度T的99％以下的范围，

所述第一应力非传递空间(11s)是将由所述纵剖面中的所述第一边界线(B1)、所述第二边界线(B2)及所述第三边界线(B3)包围的所述空间以所述垫圈(1)的所述轴线为中心旋转而形成的同心圆环状的三维形状的空间，

(以下，将具有所述第一应力非传递空间(11s)的垫圈紧固结构称为“形态A”)。

4.根据权利要求3所述的垫圈紧固结构，其中，

关于所述形态A，在所述纵剖面中，所述第一应力非传递空间(11s)的所述第三边界线(B3)在从所述第一边界线(B1)至少到所述轴线方向的深度成为所述螺距p的0.1倍的区域是由曲线或曲线和直线的组合构成、不存在角部的应力集中缓和线。

5.根据权利要求3或3所述的垫圈紧固结构，其中，

关于所述形态A，在所述纵剖面中，所述第一应力非传递空间(11s)的所述第三边界线(B3)位于比相对应力为基准的95％的所述螺栓孔(1h)侧的应力分布线靠所述螺栓孔(1h)侧，将如下大小作为所述基准，即，在将施加于所述垫圈主体(1b)的所述上平面(1u)的紧固力施加于假定为所述垫圈(1)的所述上平面(1u)从所述位置Pt到所述位置Po是平坦的所述垫圈(1)时，在上述假定的垫圈内产生的冯米塞斯等效应力分布中，从位置Pt向垂直下方施加的冯米塞斯等效应力的大小。

6.根据权利要求2所述的垫圈紧固结构，其中，所述垫圈主体(1b)具有：在所述螺母(4)侧沿所述半径方向延伸的平坦的上平面(1u)；在所述被紧固物(2)侧沿所述半径方向延伸的平坦的下平面(1w)；以及划分所述螺栓孔(1h)的与所述轴线平行的螺栓孔内周面(1i)，

所述垫圈(1)具有从所述上平面(1u)到所述下平面(1w)的厚度(T)，

所述垫圈主体(1b)的所述应力非传递空间(1s)是不在所述垫圈主体(1b)的所述上平面(1u)开口的第二应力非传递空间(12s)，

所述第二应力非传递空间(12s)为如下空间：在所述垫圈(1)的包含所述轴线的纵剖面中，将从所述垫圈主体(1b)的所述螺栓孔内周面(1i)的位置P1向所述半径方向外侧延伸而到达所述螺栓孔内周面(1i)的位置Ph或到达所述垫圈主体(1b)的所述下平面(1w)的位置P3的线设为第四边界线(B4)，将所述螺栓孔内周面(1i)的延长线设为第五边界线(B5)，或进一步将所述垫圈主体(1b)的所述下平面(1w)的延长线设为第六边界线(B6)，

从所述垫圈主体(1b)的所述上平面(1u)到所述第二应力非传递空间(12s)的所述轴线方向的最短尺寸即檐部最小厚度(Th)为垫圈1的厚度T的1％以上，

所述第二应力非传递空间(12s)是将由所述纵剖面中的所述第四边界线(B4)和所述第五边界线(B5)、或所述第四边界线(B4)、所述第五边界线(B5)和所述第六边界线(B6)包围的所述空间以所述垫圈(1)的所述轴线为中心旋转而形成的同心圆环状的三维形状的空间，

(以下，将具有所述第二应力非传递空间(12s)的垫圈紧固结构称为“形态B”)。

7.根据权利要求6所述的垫圈紧固结构，其中，

关于所述形态B，在所述纵剖面中，所述第二应力非传递空间(12s)也在所述垫圈主体(1b)的所述下平面(1w)侧开口，所述第四边界线(B4)包括：立起部(Br)，其从所述垫圈主体(1b)的所述下平面(1w)以相对于所述轴线方向呈20度以内的角度向所述上方延伸，并到达与相对于所述轴线呈仰角20～25度的直线相接的位置；角部(Bc)，其将与相对于所述轴线呈仰角20～25度及65～70度的两个直线分别相接的位置之间连结；以及螺栓孔内周末端部(Be)，其从所述角部到达所述螺栓孔内周面(1i)。

8.根据权利要求6或7所述的垫圈紧固结构，其中，

关于所述形态B，在所述纵剖面中，所述第四边界线(B4)的除了与所述垫圈主体(1b)的所述下平面(1w)和/或所述螺栓孔内周面(1i)的连接部位以外是由曲线或曲线和直线构成、不存在角部的应力集中缓和线。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的垫圈紧固结构，其中，

在从所述轴线方向观察的所述紧固结构的俯视图中，关于所述垫圈(1)的所述上平面(1u)与所述螺母(4)的所述下平面(4w)的接触面，在设想以所述轴线为中心与所述接触面内切的圆时，所述内切圆的半径具有连结所述螺母(4)的所述螺纹的谷底的线(4e)与所述螺母的轴线之间的所述半径方向的距离的2倍和所述距离Ls之和的至少0.8倍的尺寸。

10.根据权利要求2至9中任一项所述的垫圈紧固结构，其中，

所述距离Ls处于所述螺距p的2倍以上且4倍以下的长度的范围。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的垫圈紧固结构，其中，

所述螺母(4)为凸缘螺母。

12.一种垫圈，其是具有垫圈主体(1b)和螺栓孔(1h)的垫圈(1)，所述垫圈主体(1b)具有平行的第一平面(1u)及第二平面(1w)，所述螺栓孔(1h)贯通所述垫圈主体(1b)且沿与所述第一平面(1u)及第二平面(1w)垂直的方向延伸，其特征在于，

所述垫圈具有所述螺栓孔(1h)的轴线和与所述轴线垂直的半径方向，

所述垫圈主体(1b)具有应力非传递空间(1s)，该应力非传递空间(1s)在所述垫圈(1)的包含所述轴线的纵剖面中在所述螺栓孔(1h)开口且沿所述半径方向延伸，

所述应力非传递空间(1s)是以所述螺栓孔(1h)的所述轴线为中心的同心圆环状。

13.根据权利要求12所述的垫圈，其中，

关于所述垫圈主体(1b)的所述应力非传递空间(1s)，在所述垫圈(1)的所述纵剖面中，将从所述垫圈主体(1b)的所述螺栓孔的内周面(1i)向所述半径方向的外侧最远的所述应力非传递空间(1s)的位置设为Ps，从所述位置Ps到所述螺栓孔(1h)的与所述轴线平行的内周面或其延长线的所述半径方向的距离L满足：

0.5p≤L≤5.7p，

式中，将所述螺栓孔(1h)的直径设为R，R及p的单位为mm，

R为1.9以下时p为0.2，

R在超过1.9且为2.4以下时p为0.25，

R在超过2.4且为3.7以下时p为0.35，

R在超过3.7且为5.5以下时p为0.5，

R在超过5.5且为7.5以下时p为0.75，

R在超过7.5且为9.5以下时p为1.0，

R在超过9.5且为13以下时p为1.25，

R在超过13且为23以下时p为1.5，

R在超过23且为34以下时p为2，

R在超过34且为40以下时p为3，

R在超过40且为150以下时p为4。

14.根据权利要求12或13所述的垫圈，其中，

将从所述垫圈主体(1b)的所述第二平面(1w)朝向所述第一平面(1u)的方向作为上、上侧或上方，将其相反方向作为下、下侧或下方，

在所述垫圈(1)的所述纵剖面中，所述应力非传递空间(1s)是也在所述垫圈主体(1b)的所述第一平面(1u)开口的第一应力非传递空间(11s)，

所述垫圈主体(1b)在比所述第一应力非传递空间(11s)靠所述下侧的位置延伸至所述螺栓孔(1h)的与所述轴线平行的内周面，

(以下，将具有所述第一应力非传递空间(11s)的垫圈紧固结构称为“形态A”)。

15.根据权利要求14所述的垫圈，其中，

关于所述形态A的所述垫圈(1)，在所述纵剖面中，所述垫圈主体(1b)与所述第一应力非传递空间(11s)的边界线(B3)在从所述第一平面(1u)至少到所述轴线方向的深度成为所述p的0.1倍的区域是由曲线或曲线和直线的组合构成、不存在角部的应力集中缓和线。

16.根据权利要求14或15所述的垫圈，其中，

关于所述形态A的所述垫圈(1)，在所述垫圈(1)的所述纵剖面中，

所述垫圈主体(1b)与所述第一应力非传递空间(11s)的边界线(B3)位于比基准值的95％的冯米塞斯等效应力值的应力分布曲线靠所述螺栓孔(1h)侧，将如下的冯米塞斯等效应力值作为所述基准值，即，假定所述垫圈主体(1b)为不具有所述第一应力非传递空间(11s)的形状，对所述垫圈主体(1b)的所述上平面施加基于假想螺母的紧固力时，在所述垫圈主体(1b)形成的冯米塞斯等效应力分布中，从所述上平面(1u)与所述第一应力非传递空间(11s)相接的位置向与所述上平面(1u)垂直的所述下方施加的冯米塞斯等效应力值，并且

所述垫圈主体(1b)与所述第一应力非传递空间(11s)的所述第三边界线(B3)是由曲线或曲线和直线构成、不存在角部的应力集中缓和线。

17.根据权利要求12或13所述的垫圈，其中，

在所述垫圈(1)的所述纵剖面中，所述垫圈主体(1b)的所述第一平面(1u)延伸至所述螺栓孔(1h)的与所述轴线平行的螺栓孔内周面(1i)，所述垫圈主体(1b)在所述第一平面(1u)的所述上侧形成檐部(1p)，所述应力非传递空间(1s)是存在于所述檐部(1p)的所述下侧的第二应力非传递空间(12s)，

(以下，将具有所述第二应力非传递空间(12s)的垫圈紧固结构称为“形态B”)。

18.根据权利要求17所述的垫圈，其中，

关于所述形态B的所述垫圈(1)，在所述垫圈(1)的所述纵剖面中，所述第二应力非传递空间(12s)也在所述垫圈主体(1b)的所述第二平面(1w)侧开口，所述垫圈主体(1b)与所述第二应力非传递空间(12s)的第四边界线(B4)包括：立起部(Br)，其从所述垫圈主体(1b)的所述第二平面(1w)以相对于所述轴线方向呈20度以内的角度向所述上方延伸，并到达与相对于所述轴线呈仰角20～25度的直线相接的位置；角部(Bc)，其将与相对于所述轴线呈仰角20～25度及65～70度的直线分别相接的位置之间连结；以及螺栓孔内周末端部(Be)，其从所述角部到达所述螺栓孔内周面(1i)。

19.根据权利要求17或18所述的垫圈，其中，

关于所述形态B的所述垫圈(1)，在所述垫圈(1)的所述纵剖面中，所述垫圈主体(1b)与所述第二应力非传递空间(12s)的所述第四边界线(B4)是由曲线或曲线和直线构成、不存在角部的应力集中缓和线，其中，与所述第二平面(1w)的连接部也可以不是应力集中缓和线。

20.根据权利要求13至19中任一项所述的垫圈，其中，

所述垫圈满足2p≤L≤4p。

21.根据权利要求13至20中任一项所述的垫圈，其中，

在所述垫圈(1)的从与所述轴线垂直的方向观察的俯视图中，将与所述垫圈主体(1b)的所述第一平面(1u)的外周内切的圆的直径设为D，将所述螺栓孔(1h)的直径设为R，

则(D/2)²-(R/2+L)²≥k(R/2)²，式中，k＝2.5。

22.根据权利要求12至21中任一项所述的垫圈，其中，

对所述垫圈(1)的表面的一部分或全部实施具有防锈、耐磨损、润滑性提高、滑动性提高、外观提高、装饰、或识别的目的的表面处理。

23.根据权利要求22所述的垫圈，其中，

所述表面处理是镀敷、等离子体CVD覆膜、等离子体PVD覆膜、真空蒸镀、树脂涂装、高分子涂层、防蚀铝或磷酸锰化成处理、或它们中的两种以上的组合。

24.根据权利要求12至23中任一项所述的垫圈，其中，

所述垫圈(1)的材质选自金属、氮化物、碳化物、氧化物、复合树脂、CFRP或硬质树脂。

25.根据权利要求12至24中任一项所述的垫圈，其中，

所述垫圈(1)的所述两个平面具有算术平均粗糙度Ra为50μm以下的表面粗糙度及0.2mm以下的平面度。

26.一种垫圈的制造方法，其是制造权利要求12至25中任一项所述的垫圈的方法，其特征在于，

通过冲压加工、切削加工、磨削加工、冷冲压加工、温冲压加工、热冲压加工、铸造、锻造、注射成型、烧结加工或组合这些方法来对垫圈(1)进行加工、制造。

27.根据权利要求26所述的垫圈的制造方法，其中，

使用模具、切削工具、切削刀具或它们的组合进行成形加工。

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