すべてのねじ付きファスナー接合部は、その耐用年数にわたって同じ敵に直面します。つまり、振動、熱サイクル、または表面のへたりによってクランプ力が徐々に失われることです。ロックワッシャーは、ばね圧力を生成し、歯付きの設計では合わせ面に食い込んで回転に抵抗することで、この損失に対抗するために開発されました。歯付きファミリー内では、2 つの形状が産業用および消費者向けハードウェア カタログの大半を占めています。 外歯ロックワッシャー 、歯がリムの周りで外側に曲がっていて、 内歯ロックワッシャー 、歯はボアに向かって内側に傾斜しています。どちらも同じ広範なタスクを達成しますが、それらの歯の配置により、力がどのように適用されるか、接触が発生する場所、および各デザインが最適な関節が変わります。
この違いは、見た目よりも重要です。ファスナー エンジニアが 2 つのどちらかを選択するのは、見た目のバリエーションを選択するわけではありません。彼らは、ワッシャー面のどこに食い込みが発生するか、合わせ面のどの程度にマークが付けられるか、繰り返されるトルクと振動の下でワッシャーがどのように動作するかを選択しています。歯の配置、荷重分散、設計意図を理解することで、購入者や設計者は、たまたま棚にある部品をデフォルトで使用するのではなく、正しいワッシャーを正しいジョイントに適合させることができます。
遠くから見るとどちらも鋸歯状のエッジを持つ金属リングのように見えるため、2 つのデザイン間の混乱は理解できます。歯の方向が明らかになるのは、人が歯を手に取り、光の中で回転させた場合のみです。また、その場合でも、クランプされたジョイントが実際にどのように破損するかについての背景がなければ、その方向の実際的な結果が必ずしも直観的に理解できるわけではありません。ボルトまたはネジで締められた接合部は、固定具自体が一定の変化しない負荷の下で自発的に緩むため、めったに緩みません。多くの場合、緩みは締結ヘッド、ワッシャー、およびその下の表面の間の少量の相対運動から始まり、多くの場合、組み立て直後の振動、熱膨張と収縮、またはクランプされた材料のわずかな沈下によって引き起こされます。最初のわずかな動きが現れると、接合面の摩擦はファスナーが少しずつ回転し始めるのに十分なだけ低下し、ジョイントが測定できるほどの締め付け力を失うまで各増加は増大します。
歯付きロックワッシャーは、すべての作業を行う摩擦に加えて、ジョイントに機械的な購入ポイントを与えることで、その一連の出来事を中断します。ボルトの頭とワッシャー、またはワッシャーと基板の間の表面摩擦のみに依存するのではなく、歯が両方の表面に物理的に食い込み、回転運動が開始される前の最初のわずかな回転運動に抵抗する小さな機械的連動を作り出します。その最初のわずかな動作が緩みのカスケードを開始するものであるため、それを早期に停止することは、歯のサイズが小さいことが示唆するものと比較して、長期的な関節の信頼性に非常に大きな影響を与えます。
2 つのタイプのワッシャーの主な物理的な違いを説明するのは簡単ですが、広範囲にわたる影響を及ぼします。外歯ワッシャーには、外径に沿って形成された歯があり、各歯がワッシャーの平面からわずかに外側に傾いた鋭利なエッジを呈するようにねじれています。内部の歯ワッシャーはその配置を反転させます。歯は内径に沿って、ボルトシャンクまたはネジ本体に近く、内側に角度を付けて打ち抜かれています。
外歯ワッシャーは外側リムに食い込むため、ボルトヘッドまたはナットの下の座面に対してより広い接触円で係合します。この幅の広い円により、回転に対する抵抗がより大きな円弧全体に分散され、板金エンクロージャ、塗装パネル、または軽合金ハウジングなどの平坦で柔らかい素材に最も効果を発揮する傾向があります。対照的に、内歯ワッシャーはシャンクのすぐ周囲に噛み込みを集中させるため、ワッシャーの外面が比較的目立たなくなり、外縁が別のコンポーネントの近くにあり、歯の突出を許容できない装飾パネル、器具のハウジング、または接合部など、留め具の周囲の目に見える表面仕上げが重要な場合に好まれることがよくあります。
歯の数と角度も補助的な役割を果たします。ほとんどの打ち抜きデザインでは、リングの周囲に 8 ～ 12 個の歯が配置されており、各歯は平面からわずかにねじれているため、圧縮下では刃先だけでなく小さな片持ちばねのように機能します。留め具を締めると、歯は最初にわずかに平らになり、バネのエネルギーが蓄えられ、次に完全な締め付け力に達すると表面に食い込みます。緩み抵抗機構が大きく異なるにもかかわらず、歯付きワッシャーがスプリット リング設計と並んでより広範なロック ワッシャー ファミリーに分類されることがあるのは、この二重の作用、つまり一部がスプリングで一部が刃先であるためです。スプリットリングワッシャーはほぼ完全に、ファスナーのねじ山を押し戻す蓄えられたスプリング張力に依存していますが、歯付きワッシャーは、スタンピングプロセスによって提供されるスプリング張力に加えて機械的な噛み込みを追加します。
材料の選択は歯の配置にも影響します。厚い構造用鋼のような硬い基材では、外歯設計と内歯設計の両方が深く噛むのに苦労し、どちらの設計も母材に深く食い込むことができないため、実際の性能の差は小さくなります。アルミニウムシートや塗装されたエンクロージャーパネルなどの柔らかい基材では、歯が単に表面に傷を付けるのではなく実際に素材に沈む可能性があるため、違いははるかに顕著になります。これが、経験豊富な組立業者が歯座金の選択を、設計内のすべてのファスナー全体に適用される包括的な標準ではなく、ジョイント固有の決定として扱う理由の 1 つです。
荷重の分散は、歯の配置による実際的な影響が最も明確になる場所です。締め付けられたファスナーの下にあるワッシャーは、回転に抵抗するだけではありません。また、ボルトの頭やナットの締め付け力が下にある素材全体に分散され、応力が小さな点に集中することがなくなります。歯が接触する直径によって、その広がりの半径が変わります。
外歯は特定のワッシャー サイズで利用可能な最大直径に位置するため、より広い円周にわたってバイトが分散され、同じクランプ力でも単一の歯での圧力が低下します。より小さな半径に配置された内歯は、同じトルクに対して歯あたりにより多くの力を集中させるため、局所的な咬合深さが増加しますが、より硬いまたはより薄い材料の穴の周囲に直接表面に跡が付くリスクも増加します。
これらの数値は実験室での測定ではなく例示的なものですが、ジョイントの組み立ての実践で一貫して観察されるパターンを表しています。つまり、より広い接触バイトを持つワッシャーは、より大きな設置面積全体にクランプ応力を分散させ、時間の経過とともに下にある表面が変形したり、ファスナーがより柔らかい材料に沈み込んだりする可能性を減らします。
負荷分散には、見落としがちな副次的な影響もあります。負荷分散は、ジョイントに完全なトルクがかかったときに、クランプされた部品が互いにどの程度均等に配置されるかに影響します。狭いリングに軸受圧力を集中させるワッシャーは、周囲の表面が完全に平坦でない場合、わずかに揺れる傾向を引き起こす可能性があります。これは、荷重経路が広い領域でクッションされるのではなく、小さな接触バンドを通過するためです。軸受の設置面積が広いと、表面の小さな凹凸が平均化される傾向があります。これが、打ち抜かれた板金カバーや押し出し成形されたハウジング部分など、合わせパネルに製造公差によるわずかな波打ちがあるアセンブリで外歯の設計が指定されることが多い理由の 1 つです。
ただし、注目に値するトレードオフがあります。より広い領域に荷重を分散させると、単一の歯でのピーク圧力が低下し、表面の損傷を避けるのに役立ちますが、同じクランプ力を小さなリングに集中させる設計と比較して、平均食い込み深さが浅くなる可能性もあります。これは、2 つのワッシャー タイプ間の重要な機械的トレードオフです。外歯の設計は、周囲の表面を保護するのに適した、幅広く穏やかなかみ合いを優先します。一方、内歯の設計は、より小さい設置面積での回転に抵抗するのに適した、より緊密で集中した咬合を優先します。どちらのアプローチも普遍的に強力というわけではありません。それぞれは、圧力対面積の曲線上でジョイントが位置する位置を単に移動するだけです。
どちらの歯のデザインも、主に振動下での緩みに耐える能力を売りにしていますが、締結具の軸に対して噛み込みが発生する場所により、長時間のサイクリングに耐える方法が若干異なります。内部歯座金のボルトシャンクの近くに配置された歯は、回転微小運動のピボットポイントの近くに位置するため、初期サイクル抵抗において機械的利点が得られます。外歯ワッシャーのより外側に配置された歯は、長いレバー アームの恩恵を受け、最初の噛み合わせが表面に定着すると、より安定した長期保持が可能になります。
ここに示されている曲線は、固定的な保証ではなく、多くの共同研究で見られる一般化されたパターンを反映しています。内歯ワッシャーは、シャンク付近のレバーアームが短いため、初期の咬み合わせがやや強い状態で始まることが多いのに対し、外歯ワッシャーは、噛合半径が広いため、個々の歯が部分的に磨耗した後でも転がり緩みにくいため、徐々に劣化する傾向があります。どちらのパターンも、1 つのデザインが普遍的に優れているというわけではありません。適切な選択は、初期の機器のならし運転中などの初期の激しい振動がジョイントに発生すると予想されるか、それとも機械の連続稼働などの安定した長期サイクルが予想されるかによって異なります。
歯付きワッシャーは、仕様が不十分なファスナーを補うことを目的としたものでもありません。ボルトまたはネジの直径が荷重に対して小さすぎる場合、またはクランプされた材料が柔らかすぎてトルクをまったく保持できない場合、歯の形状をいくらにしてもその不一致を完全に相殺することはできません。これらは、正しいサイズのジョイントの上に重ねられた改良版であり、正しいファスナー サイズの代替品ではありません。
ファスナーのデザインの選択が単一の特性に帰着することはほとんどありません。エンジニアは、表面硬度、完成した接合部の視認性、利用可能なラジアルクリアランス、および予想される振動プロファイルを総合的に評価します。以下の表は、総会の実務から導き出された一般的な決定事項をまとめたものです。
| 考察 | 外歯ワッシャー | 内歯ワッシャー |
|---|---|---|
| バイト半径 | アウターリム、ワイド周回 | インナーボア、シャンク近く |
| 表面マーキング | 幅広の光のリングのマーキング | ボアに近い小さなリング |
| ベストオン | 柔らかいまたは薄いシート素材 | より硬く、より厚い嵌合部品 |
| 目に見える仕上げ効果 | リムでより目立つ | ほとんどがボルトの頭の下に隠れています |
| 一般的な使用方法 | パネルエンクロージャ、ブラケット | 電気端子、小型アセンブリ |
| 許可が必要 | リムスペースが必要です | より狭いボアエリアにフィット |
エンクロージャと構造ブラケットは、薄いシートストックから作られることが多く、より広いバイトによりパネルを変形させることなくクランプ力が分散されるため、外歯のデザインに傾いています。電気端子とコンパクトなハウジングは、目に見える面をきれいな状態に保つ必要があり、穴の周囲のスペースが限られているため、内歯の設計に傾いています。どちらのパターンも厳密なルールではありません。これは、2 つの機械的動作を理解した後で選択をガイドする一般的なロジックを反映しています。
接地および接着ジョイントは、一般的な構造上の締結の外側に歯のワッシャーが使用される最も一般的な場所の 1 つです。歯は噛むときに表面の軽い酸化を切り抜けるため、接着用途ではどちらの設計も一般的に指定されており、通常は端子ラグの周囲の利用可能なスペースによって選択されます。
単一の数値でファスナー コンポーネントの全容がわかることはほとんどないため、選択プロセスでは複数の属性を比較する方が役立つことがよくあります。以下のレーダー チャートは、一般的に相互に比較検討される 5 つの特性、つまり耐振動性、表面保護、エッジバイト強度、組み立て時の位置合わせの容易さ、および一般的な生産量における一般的なコスト効率をプロットしています。
外歯ワッシャーは、バイト半径が広いため緩みに強く、外歯のスタンピングプロセスが一般に容積的に単純であるため、耐振動性とコスト効率の点でより高いスコアを獲得する傾向があります。内歯ワッシャーは、外側のプロファイルが小さいため、リムが周囲のハードウェアから離れ、組み立て中に歯がシャンクの周りでより自然に自己中心に配置されるため、表面保護と位置合わせの容易さでスコアが高くなる傾向があります。刃先食い込み強度は両者ともほぼ同等ですが、相手材の硬さに応じて優位性が変わります。
このようなチャートを読むことは、属性がすべてのアプリケーションで同等に重要であるとして扱われるのではなく、設計されている特定のジョイントに応じて重み付けされている場合に最も役立ちます。屋外構造ブラケットに取り組む設計者は、外観上の懸念よりも耐振動性と長期信頼性の方が重要であるため、外歯の設計のスコアがより高い属性に自然に傾くでしょう。各ネジの周囲の目に見える継ぎ目が最終製品にとって重要であり、利用可能な半径方向のスペースが狭いコンパクトな電子エンクロージャに取り組む設計者は、表面の保護と位置合わせの容易さをより重視し、代わりに内歯の設計に傾きます。実際のプロジェクトでは通常、これらの属性の 1 つだけを最適化するのではなく、複数の属性を同時に相互にバランスさせるため、このチャートは最終的な判断ではなく、会話の出発点です。
正しい歯の形状を選択することは、ジョイントを成功させるための半分にすぎません。いくつかの実践的なチェックを行うと、取り付け後の洗濯機のパフォーマンスが低下する可能性が低くなります。
これらのチェックは一般的な組み立て作業全体で一般的に行われており、最終的にどの歯の形状が選択されるかに関係なく適用されます。最初から間違った種類のワッシャーを選択するよりも、これらを省略する方がジョイントが緩む原因となる可能性が高くなります。
それらは通常、積み重ねるのではなく一度に 1 つずつ使用されます。これは、それぞれがすでに単独で十分な咬合を提供するように設計されており、積み重ねると保持力が比例して増加することなく不必要なジョイントの高さが追加されるためです。
歯の配置は、そのクランプ力に達するために必要なトルクではなく、ファスナーがしっかりと締まった後のクランプ力の配分方法に主に影響しますが、歯が噛み始めるとわずかに高い摩擦が発生する可能性があります。
コーティングされた表面でも使用できますが、歯は通常、接触点でコーティングを突き破ります。これは、咬合が下の基材に到達するかどうかに依存しているため、これは予想される動作です。
内歯ワッシャーは、ボルトシャンクの周りでより簡単に自動調心される傾向があり、外歯設計の外周リム接触と比較して、繰り返しの組み立て中の位置合わせをわずかに早めることができます。
これらは振動による緩みの可能性を軽減しますが、用途によって特に化学的保持が必要な接合部のネジロック剤の代替品ではありません。
