JP2017116091A - ワッシャーおよび締結構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ねじの締結部分に十分な緩み止め効果が得られるワッシャーと締結構造を提供する。
【解決手段】ワッシャー本体１１の側面１１ａからボルト挿通穴１２を横断して途中までスリット１３が延びると共に熱処理を加えたワッシャー１０を用いる。ボルト２０単独の締結構造ではワッシャー１０をボルト２０の頭部２３と部材２の間に介在させ、ボルト２０とナット３０の組合せの締結構造ではワッシャー１０をナット３０と部材７との間に介在させる。ワッシャー１０の支持片１１Ｂが弾性変形して傾斜する位置までボルト２０を螺合し、前者の締結構造では部材７に対しボルト２０を傾斜させ、後者の締結構造ではボルト３０に対しナット２０を傾斜させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ねじの締結部分に緩みが生じることを防止可能なワッシャーと締結構造に関し、特に確実な締結が求められる箇所や締結の緩みに対する許容量が小さい箇所に用いて好適なワッシャーと締結構造に関する。

ボルトとナットに代表されるねじは主に部材どうしの締結に用いられる固着具であり、ねじの締結部分は緩まないのが理想であるが、衝撃や振動が加わることで緩みが生じることがある。ねじに緩みが生じると車両や鉄道、航空機の運航で、さらに高速道路等で大きな事故につながる。また、一般のボルトとナットの点検では点検ハンマー等を使用して一本一本叩いて点検しなければならず、多大な労力と費用がかかっている。

このため、ねじの緩み止め対策として、ばね作用をもつスプリングワッシャーを使用する例や、上下に重ねた２つのナット（ダブルナット）を使用する例、側面に奥まで切れ込まれたスリットを備えるナットを使用する例等が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−１５６６３７号公報

しかしながら、（１）スプリングワッシャーの例は、ボルトとナットを強く締め付けると上下に潰れて十分な緩み止め効果が得られず、また、振動の激しい場所では不向きである。また、スプリングワッシャーは、構造上熱処理できないことから（熱処理すると内部応力が解放され、形状を一定に維持できない）反発力が弱く、繰り返し使用でバネ力が弱体化する。さらに潰れるとバネ効果が得られない。（２）ダブルナットの例は、１つのボルトにつき２つのナットを用いるため締結時の作業効率が悪い（大量のボルト・ナットを使用する場所ではその傾向が特に強い）。（３）側面にスリットを備えるナットの例は、ナットに生じる振動をスリット部分で遮断するとされているが、緩み止め効果は限定的で、また、スリット付きナットにバネ性を持たせるには材料選びと熱処理が必要で、熱処理するとねじ山やボルト穴に変形をもたらし、ナットとしての機能を損なってしまう。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、ねじの締結部分に十分な緩み止め効果が得られるワッシャーと締結構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るワッシャーは、板厚方向に貫通するボルト挿通穴を有するワッシャー本体に、その側面から前記ボルト挿通穴を横断して延びるスリットが設けられていることを主要な特徴とする。

本発明に係るワッシャーによると、２つの部材をボルトとナットで締結するにあたり、ボルトの頭部と一方の部材間、あるいはナットと他方の部材間に本発明のワッシャーを介在させ、ボルトを締めていくと、ボルトの前進に従い、ワッシャー本体の支持面が傾き（スリットの開口端側が閉じるように傾く）、これに追随してワッシャー本体の支持面に当接するボルトあるいはナットが傾く。ボルトあるいはナットが傾くとボルトと締結部材の両ねじ部間、ボルトとナットの両ねじ部間に強い摩擦力が生まれるので、締結部分の緩みが防止される。

本発明に係るワッシャーは、前記ワッシャー本体の硬度が、ワッシャー本体への熱処理によって５０〜５８度に調整されていることを第２の特徴とする。ここで硬度とはロックウエル硬度を指す。

熱処理によってワッシャー本体の硬度が５０〜５８度に調整されることで、ワッシャー本体に高い強度（丈夫で壊れない）が得られ、同時に強いスプリング効果が得られる。この強いスプリング効果により、支持面が傾斜したワッシャー本体にはボルトやナットに対する反発力（弾性復元力）が生じ、これによりボルトの軸力の保持力が強化される。同保持力の強化によって締結部分の緩みがさらに阻止される。

本発明に係るワッシャーは、ワッシャー本体に対する熱処理条件として、熱入れ温度が９００〜１０００℃、熱戻し温度が２００〜３００℃であることを第３の特徴とする。

本発明に係る締結構造は、少なくとも２つの部材の締結用穴にボルトの軸部を挿通および螺合してなる締結構造であって、請求項１記載のワッシャーを前記ボルトの頭部と一方の部材の間に介在させ、前記ワッシャーにおける支持面が傾斜するまで前記ボルトを螺合し、前記部材に対し前記ボルトを傾斜してなることを特徴とする。

本発明に係る締結構造は、少なくとも２つの部材の締結用穴にボルトの軸部を挿通してナットと螺合してなる締結構造であって、請求項１記載のワッシャーを前記ナットと一方の部材の間に介在させ、前記ワッシャーにおける支持面が傾斜するまで前記ボルトを螺合し、当該ボルトに対しナットを傾斜してなることを特徴とする。

以上説明したように、本発明のワッシャーを用いて締結用部材に対しボルトをあるいはナットを傾けることにより、ボルトの締結部分あるいはボルトとナットの締結部分に強い摩擦力を生じさせ、これにより強い衝撃や振動に対しても締結部分の緩みを阻止できるという効果を奏する。

また、本発明のワッシャーに熱処理を加えることで強いスプリング効果を実現し、同スプリング効果によってボルトの軸力に対する保持力強化を図り、上記の衝撃や繰り返し振動に対して締結部分の緩み阻止をより一層図ることができるという優れた効果を奏する。

さらには、本発明のワッシャーを用いることにより、点検作業に要する時間やコストを削減でき、しかもワッシャーの隙間の有無を利用して、締結状態の適正・不適正を容易にチェックできるという優れた効果を奏する。

本発明に係るワッシャーを示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ線矢視断面図、 本発明に係るワッシャーと、同ワッシャーが用いられるボルトとナットを示す図、 第１の実施形態を示すもので、本発明に係るワッシャーをボルトによる締結部分に用いた例を示す図、 第２の実施形態を示すもので、本発明に係るワッシャーをボルトとナットによる締結部分に用いた例を示す図、 第３の実施形態を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ線矢視断面図である。

本発明を実施するための一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１において、符号１０は本発明に係るワッシャーを示している。

図１に示すように、ワッシャー１０は、円板状のワッシャー本体１１の中央部に板厚方向に貫通するボルト挿通穴１２を有すると共に、ワッシャー本体１１の側面から水平方向に延びてボルト挿通穴１２を横断し相対する側面近くまで延びるスリット１３が設けられている。スリット１３は後述するようにボルト２０またはナット３０に傾きを与えて摩擦力を増すと共に、ワッシャー１０に強いスプリング効果を与えるもので、隙間の有無を目視することで締結状態をチェックする役割もある。スリット１３の上下幅ｄは０．２〜１０ｍｍの間でワッシャー本体１１のサイズによって適宜選択される。

ワッシャー本体１１は、本実施形態の場合、金属製、例えばＳＵＳ、ＳＣＭ、ＳＵＰ等からなり、熱処理（焼き入れと焼き戻し）により材料の硬度（ロックウエル硬度：ＨＲＣ）が高硬度（５０〜５８度）に調節されると共に、前記高硬度およびスリット１３の存在によって、ワッシャー本体１１に強いスプリング効果が付与されている。ワッシャー本体１１は、垂直支持部１１Ａからスリット１３によって上下幅ｄを隔てて一対の水平支持片１１Ｂ、１１Ｃが水平に延びている。ワッシャー本体１１は、ボルト２０の増し締めにより水平支持片１１Ｂ、１１Ｃの一方が弾性変形して傾斜し（スリット１３の開口端が閉じる向きに傾斜する）、同時に傾斜後に蓄えられたボルト２０やナット３０に対する反発力（弾発力）によって、ボルト２０の軸力に対する保持力が強化されるようになっている。

ワッシャー本体１１に対する熱処理は、ワッシャー本体１１の硬度（ロックウエル硬度）が高硬度（５０〜５８度）になるように焼入れと焼き戻しにより調整する。ワッシャー本体１１の材料がＳＵＳ（ステンレス鋼、例えばＳＵＳ４４０Ｃ）の場合、焼入れ温度９００〜１０００度を１０分間保持後空冷し、焼き戻し温度２００〜３００度を２０〜４０分間保持する。ワッシャー本体１１の材料がＳＣＭ（クロムモリブテン鋼：構造用合金鋼、例えばＳＣＭ４３５）の場合、焼き入れ温度８００〜９００度を１０分間保持後油冷し、焼き戻し温度２００〜３００度を２０〜３０分間保持する。ワッシャー本体１１の材料がＳＵＰ（ばね鋼、例えばＳＵＰ１０）の場合、焼き入れ温度７５０〜９００度を１０分間保持後油冷し、焼き戻し温度２００〜３００度を２０〜４０分間保持する。

ＳＵＳとＳＣＭとＳＵＰは代表例であり、他の金属材料も適用可能である。なお、ワッシャー本体１１は後述するように金属製に限らず、他の材料、エンジニアリングプラスチック（ポリアセタール樹脂、注型ナイロン等）も適用可能である。

スリット１３は、図１（Ｂ）の拡大円Ａに示すように、スリット１３の奥面がＵ字形１３ａに加工されており、繰り返し振動時における応力の集中の緩和を図っている。これにより、亀裂の発生を抑止し、ワッシャー１０の長期耐久性が図られている。

また、図１（Ｂ）に示すように、ワッシャー１０の外面の角部はいずれも面取りされておらず、後述する図３、図４の使用例に示すように、ワッシャー本体１１と部材２表面の間、ワッシャー本体１１とボルト２０の頭部２３の間にいずれも隙間がなく、したがって、締結時にスリット１３の先端隙間の有無をチェックし易くなっている。

上記ワッシャー１０は、図２に示すように、ボルト２０とナット３０に対し、あるいはボルト２０単独に対して使用される。図３はボルト２０単独への使用例、図４はボルト２０とナット３０への使用例を示している。

図３の使用例について説明すると、同図に示すように、部材（例えば橋梁の構造材）１に対し、部材（例えば橋梁に対する取付支持材）２を固定する場合、まず、双方の部材１、２に貫通穴３、４が設けられ、部材１の貫通穴３にはねじ部５（ねじ部５は締結用穴３に螺旋状に直接形成されるか、リング状のねじ金具が嵌め込まれてもよい）が設けられ、図１に示すワッシャー１０のボルト挿通穴１２を通して、ボルト２０の軸部２１を上側の部材２の貫通穴４から下側の部材１の貫通穴３に固定する。ボルト２０の軸部２１には先端側から周囲にねじ部（雄ねじ）２２が切られ、貫通穴３側のねじ部（雌ねじ）５と螺合することで、ボルト２０の軸部２１が同貫通穴３に固定され、ボルト２０の頭部２３との間で、双方の部材１、２を互いに締結する。

ここで、ボルト２０の頭部２３と上側の部材２の間にはワッシャー１０が介在されている。ボルト２０を締めるとボルト２０の頭部２３がワッシャー１０の支持面１０ａに当接し、ボルト２０をさらに増し締めすると、図３に示すように、ワッシャー１０の支持面１０ａの自由端側、すなわち水平支持片１１Ｂの自由端側が下向き（スリット１３の開口端が閉じる向き）に弾性変形して傾斜し、追随して頭部２３も同じ向きに傾斜し、かつボルト２０の軸部２１にごく僅かに曲げ変形を生じ、ボルト２０の全体が傾斜する。

そして、ボルト２０に傾斜が生じることでボルト２０の軸部２１側のねじ部２２と部材１側のねじ部５間に強い摩擦力が生じる。同時に、ワッシャー１０による反発力（スプリング効果）によってボルト２０の締結部分の軸力が保持強化される。これらの作用によって、ボルト２０の締結部分は、衝撃や繰り返し振動に対して十分な緩み止め効果を発揮する。

図３に示すように、ボルト２０を規定量増し締めたときにワッシャー１０のスリット１３の先端部が閉じる（隙間がなくなる）ように設定することで、点検者がワッシャー１０のスリット１３の先端の隙間を目視すると、ボルト２０が規定量締められているかどうかをチェックでき、規定量の締め忘れ、締め量の不足を目視で容易に点検でき、手間をかけずに点検作業を効率的に実施できる。

次に図４の使用例について説明すると、同図に示すように、部材（例えば車両の構造材）６に対し部材（例えば車両の構造材）７を固定する場合、まず、双方の部材６、７にボルト２０用の貫通穴８、９が設けられ、図１に示すワッシャー１０のボルト挿通穴１２を通して、ボルト２０の軸部２１を上側の部材６の貫通穴８から下側の部材７の貫通穴９に挿通し、部材７から突出するボルト２０の軸部２１の先端にナット３０のボルト穴３１のねじ部（雄ねじ）３２を螺合する。これにより、ボルト２０の軸部２１がナット３０に固定され、ボルト２０の頭部２３との間で、双方の部材６、７を互いに締結する。

図３の場合と同様に、ボルト２０をナット３０に対し締めるとナット３０がワッシャー１０の支持面１０ａに当接し、ボルト２０をさらに増し締めすると、図４に示すように、ワッシャー１０の支持面１０ａの自由端側、すなわち水平支持片１１Ｂの自由端が上向き（スリット１３の開口端が閉じる向き）に弾性変形して傾斜し、追随してナット３０も同じ向きに傾斜し、かつボルト２０の軸部２１にごく僅かに曲げ変形を生じる。

そして、ナット３０が傾斜することでボルト２０の軸部２１側のねじ部２１とナット３０側のねじ部３２との間に強い摩擦力が生じる。同時に弾性変形を生けたワッシャー１０による反発力（スプリング効果）によってボルト２０とナット３０の締結部分の軸力が保持強化される。これらの作用によって、ボルト２０とナット３０の締結部分は、図３の例と同様に衝撃や繰り返し振動に対して十分な緩み止め効果を発揮する。

本実施形態のワッシャー１０は、以下の（１）から（７）に示すような作用効果、利点を備える。

（１）ワッシャー１０はスプリング効果を備えるので振動や衝撃、変形に強い。また弾性を有するので元の形状に復元しやすく繰り返し使用できる。
（２）ワッシャー１０はスリット部分の先端隙間の有無を目視することで、ボルト２０による締結状態の適正の有無、ボルト２０とナット３０による締結状態の適正の有無をチェックできる。

（３）ワッシャー１０はボルト２０の単独締結構造、ボルト２０とナット３０の組合せ締結構造のいずれに対しても適用できる。
（４）ボルト２０やナット３０のねじのピッチに関係なくワッシャー１０を使用できる（従来技術のスリット入りナットはねじ部にピッチが切ってあるためスリット部分で傾くように変形させることは難しい）。

（５）ワッシャー１０は従来のスプリングワッシャーと平ワッシャーの両方の機能を備え、同ワッシャー１０を介在させてボルト２０やナット３０を締結するだけでよく作業効率がよい。
（６）ワッシャー１０は構造が簡単で加工がしやすい。

図５は他の実施形態を示すもので、図中、符号１０’はワッシャーを示している。ワッシャー１０’は、図１に示すワッシャー１０と基本的に構造が同じであるが、図５（Ｂ）の拡大円Ｂに示すように、スリット１３の奥面は断面Ｕ字形に加工されておらず、電着ＣＢＮホイール等の工具により断面コ字形に切削加工された形状をしている。

本実施形態のワッシャー１０’はスリット１３の奥面を湾曲加工しなくてよいから製作しやすく、安価に製作できるメリットがある。また、図５（Ｂ）の拡大円Ｃに示すように、ワッシャー１０’は外面の角部を面取り加工してよく、取り扱いの安全性が高まる（指等を角で傷つけにくい）。

本発明者は、本発明のワッシャーについて振動試験を行った。振動試験の条件はＮＡＳ３３５０の規定に従い、加振実験機に本発明のワッシャーを２種類（図３のボルト単独に使用するタイプ、図４のボルトとナットの組合せに使用するタイプ）それぞれセットし、１７分間振動（周波数３０Ｈｚ、加速度２０３ｍ／Ｓ^２、速度１．１ｍ／Ｓ、変位１１．４ｍｍ）を付与したところ、どちらも緩みが生じないことを確認した。なお、試験に使用した本発明のワッシャーの各寸法は直径２０ｍｍ、板厚４ｍｍ、スリット上下幅０．８ｍｍ、スリット長１７ｍｍである。

以上の実施形態は、２つの部材を締結する例を説明したが、締結する部材は２つに限らず、多数（３つ以上）の部材を同時に締結する場合にも適用可能である。また、本発明のワッシャーは衝撃や振動を受ける箇所や場所、例えば車両や航空機、船舶のねじ締結部分、道路（高速道路含む）やトンネル、橋梁、ベルトコンベア等の構造物のねじ締結部分、工場（食品工場含む）や建築構造物のねじ締結部分など広く適用可能である。

本発明のワッシャーの材質は、金属材料に限らず、樹脂材料、例えばエンジニアリングプラスチック（ポリアセタール樹脂、注型ナイロン等）も適用可能である。

本発明のワッシャーの大きさは特に限定されない。例えばＪＩＳ規格の呼び径Ｍ２（内径２．３ｍｍ）〜Ｍ３９（内径４１ｍｍ）の小型サイズ、Ｍ３９を超える中型サイズ、Ｍ２００の大型サイズ、さらには特殊サイズにも適用可能である。

かくして、本発明のワッシャーを用いることで、衝撃や繰り返し振動に対し締結部分の緩みを十分に阻止できるようになり、また、点検時間や点検コストの削減、さらには、ワッシャーの隙間を利用して締結状態のチェックの容易化を図れるようになった。また、従来ではスプリングワッシャーと平ワッシャーの２枚が必要であったが、本発明のワッシャーがあれば１枚で足りるようになった。

本発明は、車両、航空機、船舶、道路（高速道路含む）、トンネル、橋梁、ベルトコンベア、工場（食品工場含む）、建築構造物等におけるねじの締結部分に使用するワッシャーとして広く利用可能である。

１，２，６，７ 部材
３，４，８，９ 貫通穴（締結用穴）
５，２２，３２ ねじ部
１０，１０’ ワッシャー
１０ａ 支持面
１１ ワッシャー本体
１１Ａ 垂直支持部
１１Ｂ，１１Ｃ 水平支持片
１２ ボルト挿通穴
１３ スリット
２０ ボルト
２１ 軸部
２３ 頭部
３０ ナット
３１ ボルト穴
ｄ スリットの上下幅

Claims (6)

1. 板厚方向に貫通するボルト挿通穴を有するワッシャー本体に、側面から前記ボルト挿通穴を横断して延びるスリットが設けられていることを特徴とするワッシャー。
2. 前記ワッシャー本体に、前記スリットによってボルトの締結時に少なくとも一方がばね変形可能な一対の支持片が設けられていることを特徴とする請求項１記載のワッシャー。
3. 前記ワッシャー本体の硬度が、ワッシャー本体への熱処理によって５０〜５８度に調整されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のワッシャー。
4. 前記ワッシャー本体への熱処理条件が、熱入れ温度９００〜１０００℃、熱戻し温度２００〜３００℃であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のワッシャー。
5. 少なくとも２つの部材の締結用穴にボルトの軸部を挿通および螺合してなる締結構造であって、請求項１記載のワッシャーを前記ボルトの頭部と一方の部材の間に介在させ、前記ワッシャーにおける支持面が傾斜するまで他方の部材の締結用穴に前記ボルトを螺合し、前記部材に対し前記ボルトを傾斜してなることを特徴とする締結構造。
6. 少なくとも２つの部材の締結用穴にボルトの軸部を挿通してナットと螺合してなる締結構造であって、請求項１記載のワッシャーを前記ナットと一方の部材の間に介在させ、前記ワッシャーにおける支持面が傾斜するまで前記ナットに対し前記ボルトを螺合し、当該ボルトに対し前記ナットを傾斜してなることを特徴とする締結構造。

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