JP2021001692A - 粗い金属製ロックワッシャ - Google Patents

Abstract

【課題】接触面間の摩擦力を増加させるだけでなく、接触面が当接する対向する要素を保護することができる、金属製ロックワッシャを提供する。【解決手段】本発明は、ナットと支持要素との間を係合するためにネジ／ナットシステムに取り付けられることを目的とした金属製ロックワッシャ（１０，２０，２０’）であって、ナットおよび支持要素のどちらか一方と接触するのに適した接触面（１２，１４；３０，３２；３０’，３２’）を有し、接触面（１２，１４；３０，３２；３０’，３２’）は、ナットが緩んだ時、ナットおよび支持要素のどちらか一方と擦れ合うようになるのに適した表面を有する、金属製ロックワッシャに関する。本発明によると、接触面は、金属製ワッシャ（１０，２０，２０’）の接触面（１２，１４；３０，３２；３０’，３２’）と、ナットおよび支持要素のどちらか一方と、の間の摩擦力の増加を可能にするために、付加物質の熱突出によって、粗い表面を形成する粗いコーティング剤で覆われている。【選択図】図２

Description

本発明は、ネジ／ナットシステムに取り付けられることを目的とした金属製ロックワッシャに関する。

ネジ／ナットシステムが使用される組み立ての分野においては、ナットが緩まないことが必須要件である。また、例えば、放射状リッジを有するワッシャが、ねじ留めされる要素と、ねじ軸部材が通過するナットと、の間に置かれ、これによってリブ付きワッシャと、ねじ留めされる要素およびナットと、の間の摩擦力が増加する。このようにして、ワッシャは、ナットが締め付けられた後、ねじ留めされる要素とナットとの間で堅固に保持される。また、例えば振動が原因で起こるその緩みは、放射状リッジによって的確に制動される。放射状リッジは、実際、接触面の間の摩擦力を増加させる。

そのような放射状リッジは、二つのワッシャクラウンを有するロックワッシャにも導入される。そのようなロックワッシャは、互いに対して同軸に作用される二つのワッシャクラウンを備えており、これらが支持要素とナットとを係合させる。各ワッシャクラウンは、係合面と、反対側のリッジ状支持面と、を有する。係合面は、非対称ラジアル歯を有しており、この非対称ラジアル歯は、一方では、クレストと、クレストから傾斜して離間された歯底部とを有し、他方では、二つの対向する側面を有する。これらの側面の一方は、ワッシャクラウンによって定義される正中面に対して実質的に傾斜しており、クレストと歯底部との間を傾斜して延在する。これは、摺動側を形成するように構成されている。正中面に対して実質的に傾斜した側面の最大傾斜を有する角度は、ネジ／ナットシステムのらせん角度よりも実質的に大きくなくてはならない。もう一方の側面は、次に続く歯の傾斜側に対して実質的に垂直であり、停止側を構成する。したがって、ワッシャクラウンの係合面は、一方では、傾斜した摺動側がそれぞれ互いに接触するようになり、他方では、停止側がそれぞれ互いに当接するようになるように、互いに対して作用することを目的としている。

また、ナットが締め付けられた場合には、ロックワッシャが支持要素とナットとの間に堅固に保持され、係合面は、圧力下において互いに対して軸方向に動かされる。ナットが緩みやすい場合には、ナットは、ナットが当接するワッシャクラウンを放射状リッジにより回転させ、その結果として、このワッシャクラウンの摺動側が、ランプ（ｒａｍｐ）を形成しつつ、もう一方のワッシャクラウンの摺動側に対して摺動自在となる。このようにして、ワッシャクラウンは、ネジに対するナットの並進運動よりも高い係数（ｍｏｄｕｌｕｓ）に従って、互いから軸方向に隔離される。また、ネジ／ナットシステムにおいて発揮される軸力が、著しく増加する。これにより、ネジ／ナットシステムにおいて生じる摩擦力が大幅に増加し、ナットの回転に対してロックをすることになる。より具体的には、摺動側は、ネジ／ナットシステムの軸に対して、このシステムのらせん角度よりも大きな角度で傾斜しているので、ナットが緩んだ時に、ナットがワッシャクラウンを回転させると、ワッシャクラウンがナットに対して軸方向に動かされ、くさび効果によってナットをロックする。

しかしながら、放射状リッジを導入することで生じる表面の粗さは、特定の導入条件において、ネジの緩みにブレーキをかけるのに十分な高さの摩擦力に到達させない；これは、例えば、対向する物質の硬度が高すぎた時の場合である。それに加えて、放射状リッジは、対向する要素を非常に傷つけやすいため、金属材料において、初期の破砕、特に疲労破壊を引き起こす。そのように傷をつけることは、複合材料などの非金属要素にとっても弊害となる。また、生じている課題であり、本発明が解決しようとしている課題は、接触面間の摩擦力を増加させるだけでなく、接触面が当接する対向する要素を保護することができる、金属製ロックワッシャを提供することである。

この課題を解決するために、本発明は、ナットと支持要素との間を係合するためにネジ／ナットシステムに取り付けられることを目的とした金属製ロックワッシャであって、ナットおよび支持要素のどちらか一方と接触するのに適した接触面を有し、この接触面は、ナットが緩んだ時、ナットおよび支持要素のどちらか一方と擦れ合うようになるのに適した表面を有する、金属製ロックワッシャを提案する。本発明によると、接触面は、金属製ワッシャの接触面と、ナットおよび支持要素のどちらか一方と、の間の摩擦力の増加を可能にするために、付加物質の熱突出によって、粗い表面を形成する粗いコーティング剤で覆われる。

したがって、ワッシャの表面に均一に分布されるコーティング剤を提供することにより、リッジまたは溝の形状に不完全さが形成され、それによって均一的に分布する山部や谷部が現れる。この結果、該表面に対して摩擦力を増加させることができる均一な粗度が、これによりナットまたは支持要素に損傷を与えることなく、得られる。本発明によるコーティング剤により得られた接触面の摩擦力は、例えばワッシャに機械的に放射状リッジを提供して得られるものよりも優れている。二つの連続したリッジもしくは溝間、または、二つの山部間の距離は、例えば、平均すると、数十ミクロンから１ミリメートルの間である。

それに加えて、特に有利には、粗いコーティング剤の粗度Ｒの平均深さは、１０ミクロンより大きく、好ましくは２０ミクロンよりも大きい。この値は、溝の突出部とくぼみ部との間の距離の平均に対応している。これは、粗い表面の不完全さのパターンを表す。この値は、２ミクロンの不完全さＲａのプロファイルの算術平均偏差の値に本質的に対応する。後者の値は、一般的に表面と平行である向きの直線である中心線と結びついており、この中心線は、規定の長さについては、この中心線からの偏差の二乗の和が最小になるような方法で突出部およびくぼみ部を分ける。

また、有利には、粗いコーティング剤は、５００Ｈｖより大きなビッカース硬度を有する。このようにして、コーティング剤の硬度は、ほとんどの場合において、金属製ワッシャの材料の硬度よりも大きく、それにより耐摩耗性および不完全さのゆがみを著しく改善でき、よって、例えば取り付けおよび取り外しが交互にあるにもかかわらず、粗度を維持することができる。

さらに、特に有利な実施形態によると、金属製ワッシャの表面は、コーティング剤と表面との間の結合を増大させるため、被覆される前に洗浄される。付加物質は、実際は、金属製ワッシャの凹凸に詰まることになるので、コーティング剤のより良い固定が可能となる。

例えば、金属製ワッシャの表面は、機械的に洗浄される。好ましくは、ワッシャの表面は、初期脱脂を受ける。

本発明の特に好ましい実施形態によると、金属製ロックワッシャは平坦である。例えば、本発明によると、二つのワッシャクラウンを有するワッシャの二つの対向する支持面が、それぞれ加工される。このようにして、二つのクラウンはそれぞれ、ナット及び締め付けられる要素に固定されるようになってもよいのに対して、二つの係合面は、互いに対して摺動するのに適している。特定の実施形態によると、金属製ロックワッシャは、単一であろうと二つのワッシャクラウンを有していようと、ネジ／ナットシステムにおける軸力を維持するために、円錐状をしている。

本発明の特に好ましい実施形態によると、付加物質は、炭化タングステンまたは炭化クロムである。これにより、ビッカース硬度が８００から１５００Ｈｖの範囲内であるコーティング剤が得られ、この結果、その摩耗は、締め付けおよびネジ抜き工程が交互にあるにもかかわらず、極めて少ない。加えて、付加物質は、好ましくは、コバルトも含み、炭化タングステンではこれによって、ビッカース硬度がいっそう大きくなる。

熱突出に関しては、付加物質は、好ましくは、プラズマを介して放出される。

本発明の他の特性および利点は、添付の図面を参考にして、非限定的で説明に役立つ例として挙げられた、本発明の特定の実施形態に関する下記の説明を読むことによって、明らかになるであろう。

本発明による被覆された第一の金属製ロックワッシャの、上から見た概略図である。 図１Ａに示す金属製ワッシャの軸方向の概略図である。 本発明による被覆された第二の金属製ロックワッシャの概略図である。 本発明による平坦な金属製ロックワッシャの概略図である。 本発明による平坦な金属製ロックワッシャの概略図である。

本発明は、ネジ／ナットシステムにおいて接触面の摩擦力を同時に増加させるために、表面が粗い少なくとも一つの面を有する、金属製ロックワッシャである。

そのために、接触面は、付加物質の熱突出によって実現される粗いコーティング剤で覆われる。これが、粗い表面が形成される方法である。

よって、付加物質の粒子を高温でワッシャの表面に加速および輸送することを可能にするベクトルガスを用いることで、ワッシャは、付加物質の粗いコーティング剤で覆われる。

有利となるように、一般的な熱突出手法が使用されてもよい。そのような手法の例には、プラズマ型、ジェットテクスチャリングによる突出、ワイヤアーク、冷突出、デトネーションガンによるものなどが挙げられる。

プラズマ手法は、コーティング剤を形成するために、処理される表面に向けて付加物質を融解および加速させるプラズマトーチを使用する。ジェットテクスチャリングによる突出は、付加物質を融解および加速するガス放出速度が非常に早い炎を作り出す。ワイヤ−アーク手法は、例えば空気などの冷ガスベクトルと電源とを使用し、付加物質の二つのワイヤ間で電気アークを作り出す。ワイヤは常に巻かれていないが、処理される表面に対して、付加物質は融解し、ベクトルガスに取り込まれる。冷突出に関しては、処理される表面との衝突中に、その熱転移を得るために、非常に早い速度で、付加物質を粉末の状態で加速することにより構成される。デトネーションガン手法は、付加物質の粒子を高温で非常に急速に加速させる。

本発明の方法を実行するのに、様々な付加物質が粉末やワイヤの形で適している。例えば、下記でロックワッシャに適用された、指定されたＷＣである炭化タングステンに注目する。炭化タングステンは、コーティング剤の硬度を高めるために、コバルトまたはニッケルを伴ってもよい。コバルトにより、コーティング剤は、付着物の化学組成、厚み、および多孔率に直接関連する耐腐食性が改善される。これから説明される高い硬度レベルおよび粗い表面を有するコーティング剤を提供できるのであれば、当然、他の材料が考慮されてもよい。よって、例には、炭化クロム、窒化ホウ素、酸化クロム、酸化アルミニウム、または特定のセラミック材料が含まれる。

さらに、被覆される金属製ワッシャの表面は、有利には、被覆の前に洗浄される。好ましくは、該表面は、最初に脱脂も行われる。そのような洗浄は、コーティング剤が金属製ワッシャに固定するのを向上させる。これは、例えば、ブラスチングやピーニングによって達成されてもよい。コーティング剤が良好に固定されるようにするため、ニッケル−クロムの基礎層の付着につながるよう、例えば、純粋に化学的なものや、または、その他の機械的−化学的手法などの、他の表面処理手法が使用されてもよい。この層はまた、ワッシャの耐腐食性を改善でき、コーティング剤の粗度が高められる。

したがって、図１Ａおよび１Ｂに示された円錐状ロックワッシャ１０は、付加物質の熱突出によって、粗い表面を形成する粗いコーティング剤で覆われている。ワッシャは、それぞれの表面が付加物質としての炭化タングステンで覆われる前に最初に洗浄された、二つの対向面１２および１４を有する。

得られたコーティング剤の厚さは２５０μｍであり、そのビッカース硬度は１０００Ｈｖである。さらに、コーティング剤の粗度Ｒの平均深さは３２．５μｍであり、これは６．５μｍの算術平均偏差Ｒａに実質的に対応する。そのような粗度によって、コーティング剤は、０．２の平均摩擦係数を有し、よって、下記において二つの異なる態様により説明されるように、ネジが緩むのを防ぐのに十分高い摩擦力が得られる。

さらに、コーティング剤は、優れた耐腐食性を有し、５００°Ｃ程度の高温にも耐える可能性がある。

よって、ネジ／ナットの組み立てにおいて、４１，８００Ｎｅｗｔｏｎの軸力下、締め付けおよびネジ抜き工程を５回連続して交互に行いながら、円錐状ロックワッシャ１０についての試験が行われた。これにより、４１，８００Ｎｅｗｔｏｎの軸力下に置かれるために必要な締め付けトルクおよび支持要素に対するネジ頭の摩擦の両方が測定された。

結果は、従来の非被覆金属製ワッシャとの比較によって、下記の表１に表される。

こうして、被覆ワッシャに関しては、０．２４というロックワッシャ１０の接触面に対するネジ頭下の平均摩擦係数が得られ、非被覆ワッシャに関しては、０．１５という値が得られた。
また、ネジ頭下の摩擦が高ければ高いほど、ネジ／ナットシステムのネジが外れる可能性が高い恐れは少なくなるので、被覆ワッシャの優位性が明確に現れるであろう。

よって、コーティング剤は、非常に高い硬度と、全ての材料を互いに対して確実に機械的に固定するのに十分高い粗度と、を有する。この解決法の利点は、金属製または非金属性の複合型であれ、乾燥していようが、グリース塗布されていようが、または潤滑処理までもが行われていようが、材料からは準独立であって、高く、制御され、そして一定の摩擦係数を確実にもたらす機械的なマイクロ−アンカリング（ｍｉｃｒｏ−ａｎｃｈｏｒｉｎｇ）を作り出すことであり、これは、亀裂の発生および疲労破壊の伝播を起こしやすい表面の不完全さを発生させない。

さらに、付着物の厚みは、耐久性を確保しながらも、少ないままである。付着物が受ける内部張力は低く、その疲労強度およびかしめ強度は、特に締め付け／ネジ抜き行程中、強い。

そしてさらに、ワッシャが円錐状の場合には、締め付け／ネジ抜き工程中、付着物は強力な弾性変形に耐える可能性がある。

そのような種類のコーティング剤は、図２に示されるように、二つのワッシャクラウンを有するロックワッシャ２０にも導入されている。

ロックワッシャ２０は、互いに対して同軸に作用される二つのクラウン２２、２４を備え、支持要素とネジ頭との間を係合している。各クラウン２２、２４は、係合面２６、２８と、反対側の被覆された支持面３０、３２と、を有する。反対側の被覆された支持面３０、３２は、接触面を構成する。係合面は、放射状の非対称歯３４を有しており、この歯は、一方では、クレスト３６と、クレスト３６から傾斜して離間された歯底部３８とを有し、他方では、二つの対向する側面４０、４２を有する。この側面の一方４２は、クラウンによって定義された正中面に対して実質的に傾斜しており、クレスト３６と歯底部３８との間を傾斜して延在する。これは、摺動側を形成するように構成されている。正中面に対して実質的に傾斜した側面４２の最大傾斜を有する角度は、ネジ／ナットシステムのらせん角度よりも実質的に大きくなくてはならない。もう一方の側面４０は、次に続く歯の傾斜した側面に対して実質的に垂直であり、停止側を構成する。したがって、ワッシャクラウンの係合面２６、２８は、一方では、傾斜した摺動側４２がそれぞれ互いに接触するようになり、他方では、停止側４０がそれぞれ互いに当接するようになるように、互いに対して作用することを目的としている。

対向する支持面３０、３２はその後、上述された円錐状ロックワッシャ１０と同様に、付加物質としての炭化タングステンで被覆される。

したがって、二つのワッシャクラウンを有するロックワッシャ２０が、ネジ頭と支持要素との間を係合するようになる場合、反対側の被覆された支持面３０、３２はそれぞれ、ネジ頭と、その逆の方向において支持要素と、に当接するようになる。支持面３２が粗いことによって、支持面３２の一つに対するネジ頭および支持要素に対する他の支持面３０の摩擦係数はそれぞれの、非被覆ロックワッシャと比較して、増加する。

よって、ネジが緩む傾向がある場合、ネジ頭は、支持面３２の一つと係合し、対応するワッシャクラウン２２を、他の支持面３０が支持要素と係合し続けているもう一方のワッシャクラウン２４に対して回転させる。したがって、二つのワッシャクラウン２２、２４は、互いに対して回転させられやすくなり、摺動面４２が互いに対して当接し、そしてこれが、ネジとのくさび効果によって、ネジが外れる工程を阻止することを可能にする。

このようにして、粗いコーティング剤によって、当接面３０、３２の固定が向上し、その結果、それ自体がロックの向上を可能にする摺動面の滑り効果が向上する。

１６ｍｍの直径を有する別の種類の円錐状ワッシャについて、異なる工程および異なる導入に基づき異なるコーティング剤で被覆して、一連の試験が行われた。よって、プラズマ手法とは別に、アーク−ワイヤ手法が用いられた。さらに、炭化タングステンとは別に、炭化クロムも用いられた。一塗り（ｏｎｅ ｓｉｎｇｌｅ ｒｕｎ）または二塗り（ｔｗｏ ｒｕｎｓ）することにより、異なる厚みで塗布されている。その結果、異なる表面粗度が得られ、１１５，００Ｎの軸力下のネジ／ナット組み立てにおいて、第一の締め付け、第二の締め付け、および第三の締め付けの後に、摩擦測定が行われた。

これらの試験の結果は、下記表２に示されている。

１から３までの番号が付けられた最初の３つの試験は、第一の作業工程および一塗りによる５０μｍ、１００μｍ、および１５０μｍの各厚みに基づき、プラズマ手法を用いて炭化クロムで被覆されたワッシャに対応する。

４から６までの番号が付けられた次の３つの試験は、該第一の作業工程および一塗りによる５０μｍ、１００μｍ、および１５０μｍの各厚みに基づき、プラズマ手法を用いて炭化タングステンで被覆されたワッシャに対応する。

７および８との番号が付けられた次の２つの試験は、該第一の作業工程および二塗りによる５０μｍおよび１００μｍの各厚みに基づき、プラズマ手法を用いて炭化タングステンで被覆されたワッシャに対応する。

９および１０との番号が付けられた次の２つの試験は、別の作業工程および一塗りによる５０μｍおよび１００μｍの各厚みに基づき、プラズマ手法を用いて炭化タングステンで被覆されたワッシャに対応する。

１１から１３までの番号が付けられた最後の３つの試験は、３つの異なる作業工程に基づき、アーク−ワイヤ手法を用いて炭化クロムで被覆されたワッシャに対応する。しかしながら、アーク−ワイヤ手法で得られた摩擦係数は、他の手法で得られたものよりも優れており、有利な費用で得られる。

よって、同一の非被覆寸法を有する円錐状ワッシャに対応する０．１５０という参考摩擦係数と比較すると、被覆ワッシャでは、４０％を超える増加が得られる。

さらに、有利には、１０μｍの層状亜鉛の付着物が、耐腐食性を向上させるために、アーク−ワイヤ手法によって炭化クロムで被覆されたワッシャに塗布される。

上述の例は、円錐状のロックワッシャについてのものであるが、上記で簡単に述べられた発明が、二つのワッシャクラウンを備える平坦なロックワッシャにも適用可能であることが理解されるべきである。この例として、平坦な構造のロックワッシャ２０’が図３Ａに示されている。ロックワッシャ２０’は、互いに対して同軸に作用され、例えば支持要素とネジ頭との間に適用されることを目的としている、二つのクラウン２２’、２４’を備える。各クラウン２２’、２４’は、係合面２６’、２８’を有する。反対側の面３０’、３２’は、被覆された支持面であり、接触面を構成する。係合面２６’、２８’は、カムとも呼ばれる放射状の非対称歯３４’を有する。非対称歯３４’は、クレスト３６’と、クレスト３６’から傾斜して離間された歯底部３８’と、を有する。図３Ａの点線は、歯底部３８’およびクレスト３６’の位置を概略的に示す。ロックワッシャ２０’が二つのクラウン２２’、２４’で組み立てられる場合、クレスト３６’および歯底部３８’は、したがって、図３Ａのロックワッシャ２０’の位置からは見えない。接触面３０’および３２’も図３Ａに示されており、図３Ｂに示すように、接触面３０’は、ロックワッシャ２０’の反対側に位置している。クレスト３６’および歯底部３８’は、図に示すように、傾斜して離間している。クレスト３６’および歯底部３８’が同一の角度位置に位置している、と図３Ａおよび３Ｂに記載されていても、これをそのまま受け入れることはない。これは単に例であり、側面４０’はワッシャの中心線４３’に対して角度をなしてもよく、直線形状である必要がないことが理解されるべきであって、下記に述べるように、好適には、側面４０’は側面４２’に対して実質的に垂直な角度をなす。さらに、側面４２’は、クラウンによって定義された正中面に対して実質的に傾斜しており、クレスト３６’と歯底部３８’との間を傾斜して延在する。これは、摺動側を形成するように構成されている。正中面に対して実質的に傾斜した側面４２’の最大傾斜を有する角度は、作用されるよう意図されているネジ／ナットシステムのらせん角度よりも実質的に大きくなくてはならない。もう一方の側面４０’は、次に続く歯の傾斜した側面に対して実質的に垂直であり、これは停止側を構成する。したがって、ワッシャクラウンの係合面２６’、２８’は、一方では、傾斜した摺動側４２’がそれぞれ互いに接触するようになり、他方では、停止側４０’がそれぞれ互いに当接するようになるように、互いに対して作用することを目的としている。

対抗する面３０’、３２’は、よって、上述のように、粗いコーティング剤で被覆される。したがって、ワッシャ２０と共に先に述べたように、ネジが外れた場合、接触面３０’、３２’のコーティング剤によってくさび効果が起きて摩擦の増加を生じさせ、これによりワッシャクラウン２２’、２４’を互いに対して回転させ、くさびロック効果を作り出す。

１０ ロックワッシャ
１２ 対向面
１４ 対向面
２０ ロックワッシャ
２０’ ロックワッシャ
２２ ワッシャクラウン
２２’ ワッシャクラウン
２４ ワッシャクラウン
２４’ ワッシャクラウン
２６ 係合面
２６’ 係合面
２８ 係合面
２８’ 係合面
３０ 接触面
３０’ 接触面
３２ 接触面
３２’ 接触面
３４ 非対称歯
３４’ 非対称歯
３６ クレスト
３６’ クレスト
３８ 歯底部
３８’ 歯底部
４０ 停止側
４０’ 停止側
４２ 摺動側
４２’ 摺動側
４３’ 中心線

Claims (1)

1. 明細書及び添付図面に関連付けて実質的に説明されたナットと支持要素との間を係合するためにネジ／ナットシステムに取り付けられることを目的とした金属製ロックワッシャ（１０，２０，２０’）。