JP3239618U - 緩み止めナット - Google Patents

Abstract

【課題】良好な緩み止め性能を有する環状平板リング付きナットを提供する。【解決手段】緩み止めナットは、両端に位置する２つの面を貫通する雌ねじを有するナット本体（１０）と、ナット本体の一面に固定された環状平板リング（２０）とを備える。環状平板リングは、径方向内方に突出し、雌ねじに螺合するボルトの雄ねじのねじ山に弾性的に摩擦係合する複数の羽根部（２１）と、隣接する羽根部間に位置する切り込み部（２２）とを有する。羽根部（２１）の最内周の円周方向長さをＡとし、羽根部（２１）の根元を通過する円周方向長さをＢとすると、羽根部は、Ａ≧Ｂの関係が成立する形状となっている。【選択図】図２

Description

この考案は、緩み止めナットに関し、特にナット本体の一面に固定された環状平板リングを備える緩み止めナットに関するものである。

道路、橋梁、鉄道などのインフラシステムや、自動車、二輪車、鉄道車両など交通に関る様々な分野で締結部品は使用されている。

上述のインフラシステムや車両などに用いられる締結部品には、常に「振動」という因子が作用する。この振動は、締結部品による締結を緩めるように作用する。

最も一般的な締結部品は、ボルトとナットとの組合せである。従来から、このボルトとナットとの組合せに対して、様々な緩み止め対策が講じられている。

一つの例は、ナットの側面などに孔をあけ、この孔にワイヤを通して被締結部材に縛り付けるワイヤロック方式である。このワイヤロック方式では、ワイヤが破断しない限り締結部品に緩みが生じないが、事前にナットへの孔あけという熟練技能を必要とする機械加工を行わなければならないこと、さらにワイヤをナットの孔に通して被締結部材に縛り付けるという作業が必要になること、縛り付け作業のための作業工具が必要になること等から、作業性や経済性の点で問題がある。

他の緩み止め対策の例として、互いの座面に面圧がかかるようにダブルナットで締め付ける方式がある。この方式では、ナットを２つ締め付けるという手間があり、また部品点数も増えるという問題がある。

例示的に記載した上記の緩み止め対策構造では、作業性や経済性で問題があると言わざるを得ない。

上記の問題点を解消し得る緩み止め対策構造が、実開昭５６－４２５２１号全文明細書（特許文献１）に開示されている。

図１は、特許文献１に開示された緩み止めナットを図示している。図示するように、緩み止めナットは、雌ねじを有するナット本体１と、ナット本体１の上面に固定して取り付けられた環状平板リング２，３とを備えている。環状平板リング２，３は、ばね性を有する金属薄板で作られた摩擦リングである。

図１（ａ）に示す環状平板リング２は、径方向内方に突出した２個の羽根部２ａを有し、図１（ｂ）に示す環状平板リング３は、径方向内方に突出した３個の羽根部３ａを有している。

環状平板リング２，３の羽根部２ａ，３ａの最内周部は、ナット本体１に螺合するボルトの雄ねじのねじ山に係合し、それに伴って各羽根部２ａ，３ａが弾性的にねじれ撓み変形し、ナット本体１の緩み止め作用を発揮する。

実開昭５６－４２５２１号全文明細書

図１に示した構造の緩み止めナットであれば、ボルトとの締結に際し他の部材を追加使用することはなく、また特殊な作業工具も必要としない。

図１（ａ）に示す環状平板リング２では、各羽根部２ａの円周方向長さはほぼ９０度の中心角となる大きさであり、図１（ｂ）に示す環状平板リング３では、各羽根部３ａの円周方向長さはほぼ６０度の中心角となる大きさである。また、各羽根部２ａ，３ａの円周方向の側端を通って径方向に延びる延長線は、ナット本体１のほぼ中心を通過する。

図１に示す従来の環状平板リング付きの緩み止めナットでは、各羽根部２ａ，３ａの最内周の円周方向長さをＡとし、羽根部の根元を通過する円周方向長さをＢとすると、必ずＡ＜Ｂの関係が成立している。また、２枚の羽根部２ａ（図１（ａ））の最内周を通過する円全体の円周長さに対して、２枚の羽根部２ａの最内周の円周方向長さの合計長さは、４０～６０％程度となっている。同様に、３枚の羽根部３ａ（図１（ｂ））の最内周を通過する円全体の円周長さに対して、３枚の羽根部３ａの最内周の円周方向長さの合計長さも４０～６０％程度となっている。

図１に示した緩み止めナットでは、構造上、前述のワイヤロック方式やダブルナット方式に比べると緩み止め効果がやや劣ることは否めない。

摩擦リングとして作用する環状平板リングを備えた緩み止めナットにおいて、緩み止め効果をより高めることが望まれる。

昨今では、ナット等の締結具に対して、耐食性や美観への要求も高まってきており、従来から使用されてきた鉄材表面に亜鉛メッキを施した締結具から、ステンレス鋼製の締結具の使用への変換が進んでいる。ここで問題なのは、ステンレス鋼の熱伝導率が鉄の約１／３程度と低いことから、ステンレス鋼製ボルトとナットとの締結構造では、締結時の摩擦による発生熱が締結部材全体に拡散されにくく、荷重の掛かるねじ表面が局所的に高温になり、最終的には溶着してしまう（焼き付き現象）。完全な焼き付きに至らない場合でも、ねじ表面が荒れて締め付け抵抗、すなわちトルク係数が増大し、使用しづらくなる状態になる（カジリ）。

焼き付きやカジリを防止するために、ねじ表面等に油を塗布したり、二硫化モリブデンやフッ素樹脂を含む潤滑剤を塗布する方法があるが、締め付け作業以外の作業が増え、しかも潤滑剤等のコストも掛かるようになる。また、インフラ分野では屋外の作業が中心となるが、雨天時に油や潤滑剤のねじ面への付着を阻害し、十分な効果を発現できなくなる懸念がある。

本考案は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、良好な緩み止め性能を有する環状平板リング付きナットを提供することである。

本考案の他の目的は、焼き付き防止性能を高めた緩み止めナットを提供することである。

本考案に係る緩み止めナットは、両端に位置する２つの面を貫通する雌ねじを有するナット本体と、ナット本体の一面に固定された環状平板リングとを備える。

環状平板リングは、径方向内方に突出し、雌ねじに螺合するボルトの雄ねじのねじ山に弾性的に摩擦係合する複数の羽根部と、隣接する前記羽根部間に位置する切り込み部とを有する。

羽根部の最内周の円周方向長さをＡとし、羽根部の根元を通過する円周方向長さをＢとすると、羽根部は、Ａ≧Ｂの関係が成立する形状となっている。

好ましくは、複数の羽根部の最内周の円周方向長さの合計長さをＣとし、複数の羽根部の最内周を通過する円全体の円周長さをＤとすると、Ｃ／Ｄの比率が８０％以上となっている。

好ましくは、羽根部の根元の角部は、丸みをもって凹んだ湾曲形状となっている。さらに好ましくは、切込み部は、径方向内端から径方向外端に向かって幅寸法が順次広がる形状となっている。

１つの好ましい実施形態では、ナット本体の雌ねじの切り上がり位置が、複数の羽根部のなかの一つの羽根部の円周方向中央位置領域を通過するように、ナット本体と環状平板リングとの位置関係が選ばれている。

好ましい実施形態では、ナット本体の材質はステンレス鋼である。この場合、ナット本体の表面に、ステンレス鋼の表面酸化層の活性化を行うプライマ材料層と、プライマ材料層の表面に位置し、締結時の摩擦により発生する熱を吸収拡散する機能材料層と、機能材料層の表面に位置し、擦れ合う表面の摩擦を軽減するとともに美観を維持するための機能性化粧材料層とが形成されている。

上記の実施形態において、例えば、プライマ材料層は、厚みが０．２μｍ以上１μｍ以下のニッケル層であり、機能材料層は、厚みが４μｍ以上１２μｍ以下の銅層であり、機能性化粧材料層は、厚みが５μｍ以上１０μｍ以下のスズ層である。

環状平板リングの材質は、例えば、ステンレス鋼である。

本考案によれば、摩擦リングとして作用する環状平板リングの各羽根部は、最内周の円周方向長さに比べて羽根部の根元を通過する円周方向長さが同じか、より短い長さとなっているので、従来の環状平板リングの羽根部に比べて弾性的にねじり撓み変形し易くなり、良好な緩み止め性能を発揮する。

特に、各羽根部が弾性的にねじれ撓み変形し易い形状であるので、ボルトの雄ねじのねじ山に接触する複数の羽根部の円周方向長さの合計を全円周長さの約８０％以上にすることが可能となり、摩擦力を高めて良好な緩み止め性能を発揮できる。

さらに、耐食性および美観の向上のためにナット本体をステンレス鋼製とした場合、ナット本体の表面にプライマ材料層、機能材料層および機能性化粧材料層を順次形成すれば、優れた緩み止め性能に加えて、優れた焼き付き防止性能も発揮できる。

従来の緩み止めナットを示す平面図である。 本考案の一実施形態に係る緩み止めナットを示す平面図である。 本考案の一実施形態に係る緩み止めナットの半縦断面図である。 本考案の一実施形態に係る緩み止めナットの平面図であり、雌ねじの切り上がり位置を示している。 ナット本体の表面に３層の被膜を形成した状態を示す図解図である。 本考案の他の実施形態に係る緩み止めナットの平面図である。

図２および図３は、本考案の一実施形態に係る緩み止めナットを示している。緩み止めナットは、両端に位置する２つの面を貫通する雌ねじを有するナット本体１０と、ナット本体１０の一面（図では上面）に固定された環状平板リング２０とを備える。ナット本体１０は、例えばオーステナイト系ステンレス鋼材でできており、摩擦リングとして作用する環状平板リング２０は、例えばオーステナイト系ステンレス鋼薄板でできている。材質については、耐食性および美観の観点からステンレス鋼が望ましいが、鉄等の他の材質のものであってもよい。

環状平板リング２０は、図３に示すように、ナット本体１０の上端部分の一部１１をプレス装置でかしめ加工することによってナット本体１０の一面（図では上面）に固定されている。

［環状平板リングの特徴］
図示した実施形態では、環状平板リング２０は、径方向内方に突出する４枚の羽根部２１と、隣接する羽根部２１間に位置する切り込み部２２とを備える。環状平板リング２０の内径寸法は、相手部材となるボルトのねじの谷径寸法よりやや小さい。そのため、ボルトは、その雄ねじのねじ山によって環状平板リング２０の内径部を押し上げながらナット本体１０内にねじ込まれる。ナット本体１０にボルトが螺合締結すると、環状平板リング２０の各羽根部２１は、ボルトの雄ねじのねじ山に摩擦係合し、雄ねじのねじ山に沿うように弾性的にねじれ撓み変形する。この弾性的なねじれ撓み変形によって生じる弾性復元力によって、ナット本体１０とボルトとの締結状態の緩みを抑制する。

隣接する羽根部２１間に位置する切り込み部２２は、好ましくは、径方向内端の切り込み口から径方向外方に向かって幅寸法が順次広がる形状となっている。図示した実施形態では、切り込み部２１は、切り込み口に対面する径方向外端部の中央位置に径方向内方に向かって僅かに突出した突出部を有している。

図６に示した他の実施形態では、環状平板リング３０は、４枚の羽根部３１と、隣接する羽根部３１間に位置する切り込み部３２とを有している。図２に示した環状平板リング２０と図６に示した環状平板リング３０とは、切込み部２２，３２の形状が異なるだけである。環状平板リング３０の切り込み部３２は、径方向内端の切り込み口から径方向外方に向かって幅寸法が順次広がる形状となっているが、切り込み口に対面する径方向外端部の中央領域には突出部が形成されておらず、ほぼ直線的になっている。

図２および図６に示した実施形態では、羽根部２１，３１の数は４枚であるが、その数に制約はない。ボルトのねじ山に対する摩擦係合力を高める観点からすると、各羽根部２１，３１の円周方向長さを大きくするのが望ましい。しかし、単純に羽根部の円周方向長さを大きくすると、羽根部がねじれ撓み変形しがたくなる。そこで、図示した実施形態では、隣接する羽根部２１，３１間に、径方向内端の切り込み口から径方向外方に向かって幅寸法が順次広がる切り込み部２２，３２を設けている。

上記形状の切り込み部２２，３２を設けることにより、各羽根部２１，３１は、最内周の円周方向長さをＡとし、羽根部２１，３１の根元部の根元を通過する円周方向長さをＢとすると、Ａ≧Ｂの関係が成立するようになっている。このように根元部の寸法を小さくすることにより、各羽根部２１，３１はねじれ撓み変形し易くなり、ボルトのねじ山に対する摩擦係合力を高めることができる。

各羽根部２１，３１がねじれ撓み変形する際に、局所的に応力が集中するのを避けるために、各羽根部２１，３１の根元の角部は丸みをもって凹んだ湾曲形状となっている。

各羽根部２１，３１の円周方向長さを大きくする観点から、隣接する羽根部間に位置する切込み２２，３２の切り込み口の幅をできるだけ小さくすることが望ましい。具体的には、複数の羽根部２１，３１の最内周の円周方向長さの合計長さをＣとし、複数の羽根部２１，３１の最内周を通過する円全体の円周長さをＤとした場合、Ｃ／Ｄの比率を８０％以上にするのが好ましく、さらに９０％以上にするのが望ましい。

ボルトの雄ねじの先端のねじ山が環状平板リング２０と同じ高さに達するとき、その先端が最初に当接する羽根部２１の円周上のどの位置にあるかによって、環状平板リング２０を持ち上げる度合いが変わる。持ち上げる度合いが小さすぎると、緩み止め作用が期待できない。逆に持ち上げる度合いが大き過ぎると、羽根部２１が弾性変形の限度を超えて塑性域に入る可能性があり、その場合にも弾性復元力（ばね性）が低減し、緩み止め作用が期待できない。

ボルトの雄ねじの先端のねじ山と環状平板リング２０の羽根部との当接位置は、ナット本体１０に切られた雌ねじの切り上がり位置と、環状平板リング２０の切り込み部との相対位置すなわち角度に影響される。本願考案者らは、研究を重ねて、ナット本体１０の雌ねじの切り上がり位置が、複数の羽根部２１のなかの一つの羽根部の円周方向中央位置領域を通過するように、ナット本体１０と環状平板リング２０の位置関係を選ぶことが望ましいことを見出した。実用的には、図４に示した４枚の羽根部２１を有する環状平板リング２０の場合、許容差を考慮して、ナット本体１０の雌ねじの切り上がり位置を１枚の羽根部２１の中央位置（４５度の回転角度位置）を中心として１５度の広がりを持たせた範囲、すなわち回転角度の範囲が３０度～６０度となるように設定した。

［表面処理被膜の特徴］
耐食性や美観の要求に応えるために、ナット本体１０および環状平板リング２０の材質をステンレス鋼とするのが望ましい。既述したように、ステンレス鋼の熱伝導率が鉄の約１／３と小さいことから、締結時に焼き付きやカジリが発生する懸念がある。

本考案の好ましい実施形態では、上記の懸念を払拭するために、締結時にねじ面で発生した熱をナット本体１０の全面に逃がし、ねじ面が局所的に高温になるのを抑制する表面処理被膜を形成している。

図５に示すように、好ましい実施形態では、ステンレス鋼製のナット本体１０の表面に、ステンレス鋼の表面酸化層の活性化を行うプライマ材料層４１と、プライマ材料層４１の表面に位置し、締結時の摩擦により発生する熱を吸収拡散する機能材料層４２と、機能材料層４２の表面に位置し、擦れ合う表面の摩擦を軽減するとともに美観を維持するための機能性化粧材料層４３とが形成されている。熱を吸収拡散する機能材料層４２を形成する材料としては、銅、アルミニウム、銀、またはそれらの合金等、ステンレス鋼に比べて十分に熱伝導率が高い金属または合金を用いるのが望ましい。

ナット本体１０の表面処理の一例を以下に記載する。

まず、下地処理としてナット本体１０を脱脂洗浄する。その後、ナット本体１０の表面に、第１層のプライマ材料層として電気メッキ法によりニッケル（Ｎｉ）を０．２μｍ以上１μｍ以下の厚みで堆積し、次に第２層の機能材料層として電気メッキ法により銅（Ｃｕ）を４μｍ以上１２μｍ以下の厚みで堆積し、次に第３層の機能性化粧材料層として電気メッキ法によりスズ（Ｓｎ）を５μｍ以上１０μｍ以下の厚みで堆積した。

上記の３層被膜は、ナット本体１０のねじ面のみならずナット本体１０の全表面に形成した。３層被膜をナット本体１０の全表面に施すのは、第２層に用いた熱伝導率の大きな銅によって、ねじ面で発生した熱を速やかにナット本体１０の全体へ逃がすことによりねじ面が局所的に高温になるのを抑制するためである。

表面処理のタイミングとしては、環状平板リング２０をかしめ固定する前のナット本体１０に施すのが好ましい。環状平板リング２０をかしめ固定した後に表面処理を施すことも可能であるが、かしめ部に電気メッキの薬液が浸透し、その洗浄に多大な手間と時間を要するからである。実際、予め表面処理を施したナット本体１０に環状平板リング２０をかしめ固定したが、被膜剥がれや傷付きなどの毀損は確認されなかった。

[本考案の実施形態に係る緩み止めナットの性能試験]
（１）振動衝撃試験
ＮＡＳ３３５０－３３５４に規定される軸直角方向振動衝撃試験を実施した。使用したナット本体は六角ナットタイプのものであり、雌ねじのサイズはＭ１０の並目である。締付けの相手部材は、オーステナイト系ステンレス鋼製六角ボルトＭ１０であり、表面処理は施していない。

ナット本体および環状平板リングの材料は、本考案の実施形態と同様に、オーステナイト系ステンレス鋼である。ナット本体の表面に施した表面処理によって、ナット本体の表面にはニッケル層、銅層およびスズ層の三層構造被膜が形成されている。

試験条件は、振幅福１１．４ｍｍ、周波数３０Ｈｚで、３０，０００回の振動と衝撃を付加した後のナットの戻り回転角を調査した。判定基準としては、戻り回転角３６０°までを合格とすることが一般的である。

締付トルクは、発生軸応力がボルト実質耐力値の５０％となる２８．６Ｎ・ｍとした。

振動衝撃試験の結果を下記の表１に示すが、１０個のテスト試料の全部において、戻り回転角が許容値の半分の１８０°以下であり、合格であった。

締付トルクが２８．６Ｎ・ｍの試験では全てのテスト試料が合格であったので、締付トルクを半減させて、発生軸応力がボルトの実質耐力値の２５％となる１４．３Ｎ・ｍとして同様の試験を実施した。試験の結果を下記の表２に示すが、戻り回転角が増加したものの、全てのテスト試料の戻り回転角が３６０°以下であり、合格であった。

（２）締付試験
ＪＩＳ Ｂ １０５４－１に規定されるＡ２－５０の規格耐力値の７５％が負荷される軸力、すなわち９５００Ｎの軸力が発生する時の締付トルクおよびトルク係数を測定した。

その他の試験条件は、以下の通りである。

ａ）１組のボルト・ナットにつき、５回の繰り返し試験を行う。

ｂ）１回締付ける毎に丸座金を新しいものに交換する。

ｃ）ボルト・ナットは、試験前に適切な有機溶剤で脱脂する。

締付試験の結果を下記の表３に示す。一般にトルク係数が約０．４を超えると焼き付きの可能性が格段に高くなると言われているが、テスト試料のトルク係数は０．２～０．３の範囲に入っており、焼き付きの可能性は低いことが認められた。

（３）反復ねじ込み試験
試験を行ったナット本体および相手材のボルトは、共にオーステナイト系ステンレス鋼でできている。本考案の実施例であるテスト試料ａ１～ａ５のナット本体には表面処理を行って３層構造被膜（Ｎｉ／Ｃｕ／Ｓｎ）を形成した。比較例であるテスト試料ｂ１～ｂ５のナット本体には表面処理を施していない。

Ｍ１０×１００の六角ボルトの頭部を治具で固定し、各試料のナット本体を座面同士が接触するまでねじ込んだ後、ナット本体を六角ボルトの先端から外れる直前までねじ戻した。なお、相手材を含めた各試料は有機溶剤で脱脂したものを用い、試験時は潤滑剤などを使用しなかった。

上記の操作を１０回繰り返して、焼き付きやカジリの有無を確認した。その結果を下記の表４に示す。表４から明らかなように、本考案の実施例であるテスト試料ａ１～ａ５（表面処理あり）では、全て、焼き付きやカジリの発生はなかった。それに対して、比較例であるテスト試料ｂ１～ｂ５（表面処理なし）ではカジリが発生した。この結果から、本考案の表面処理被膜は、焼き付き防止効果を発揮していることが認められた。

（４）塩水噴霧試験
本考案の実施例である表面処理被膜付きのナット本体の耐食性能を調査するために、塩水噴霧試験を実施した。４０００時間経過するまでの錆の発生状況を下記の表５に示した。表面処理被膜は、ナット本体の表面にニッケル膜、その上に銅膜、その上にスズ膜を形成した３層構造である。約４０００時間経過後も、最外層に用いたスズ層の表面にスズ特有の白錆が見られたが、中間層の銅層には銅の腐食生成物、いわゆる緑錆（緑青）の発生は見られなかった。この結果から、スズの化粧効果が有効であったことが認められる。

なお、塩水噴霧試験４８０時間は屋外曝露１０年に相当するという説がある。その説によれば、４０００時間は約８３年に相当することになる。

以上、本考案の実施形態を図面を参照して例示的に説明したが、本考案は図示した実施形態の構造や形状に限定されるものではなく、本考案と同一の範囲内または均等の範囲内で種々の変更が可能である。

本考案は、緩み止めナットとして有効に利用され得る。

１ ナット本体、２ 環状平板リング（摩擦リング）、２ａ 羽根部、３ 環状平板リング（摩擦リング）、３ａ 羽根部、１０ ナット本体、１１ かしめ部分、２０ 環状平板リング、２１ 羽根部、２２ 切り込み部、３０環状平板リング、３１ 羽根部、３２ 切り込み部、４１ プライマ材料層、４２ 機能材料層、４３ 機能性化粧材料層。

Claims (8)

1. 両端に位置する２つの面を貫通する雌ねじを有するナット本体と、
   前記ナット本体の一面に固定された環状平板リングとを備え、
   前記環状平板リングは、径方向内方に突出し、前記雌ねじに螺合するボルトの雄ねじのねじ山に弾性的に摩擦係合する複数の羽根部と、隣接する前記羽根部間に位置する切り込み部とを有し、
   前記羽根部の最内周の円周方向長さをＡとし、前記羽根部の根元を通過する円周方向長さをＢとすると、前記羽根部は、Ａ≧Ｂの関係が成立する形状となっている、緩み止めナット。
2. 前記複数の羽根部の最内周の円周方向長さの合計長さをＣとし、前記複数の羽根部の最内周を通過する円全体の円周長さをＤとすると、Ｃ／Ｄの比率が８０％以上となっている、請求項１に記載の緩み止めナット。
3. 前記羽根部の根元の角部は、丸みをもって凹んだ湾曲形状となっている、請求項１に記載の緩み止めナット。
4. 前記切込み部は、径方向内端から径方向外端に向かって幅寸法が順次広がる形状となっている、請求項１に記載の緩み止めナット。
5. 前記ナット本体の雌ねじの切り上がり位置が、前記複数の羽根部のなかの一つの羽根部の円周方向中央位置領域を通過するように、前記ナット本体と前記環状平板リングとの位置関係が選ばれている、請求項１に記載の緩み止めナット。
6. 前記ナット本体の材質はステンレス鋼であり、
   前記ナット本体の表面に、ステンレス鋼の表面酸化層の活性化を行うプライマ材料層と、前記プライマ材料層の表面に位置し、締結時の摩擦により発生する熱を吸収拡散する機能材料層と、前記機能材料層の表面に位置し、擦れ合う表面の摩擦を軽減するとともに美観を維持するための機能性化粧材料層とが形成されている、請求項１に記載の緩み止めナット。
7. 前記プライマ材料層は、厚みが０．２μｍ以上１μｍ以下のニッケル層であり、
   前記機能材料層は、厚みが４μｍ以上１２μｍ以下の銅層であり、
   前記機能性化粧材料層は、厚みが５μｍ以上１０μｍ以下のスズ層である、請求項６に記載の緩み止めナット。
8. 前記環状平板リングの材質は、ステンレス鋼である、請求項１に記載の緩み止めナット。

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