フランジヘッドナットとワッシャ付き標準六角ナット: 軸受応力分布と埋め込み抵抗の違いを定量化
高予圧下では、次のいずれかを選択できます。 フランジヘッドナット 平ワッシャー付きの標準的な六角ナットは、ジョイントの性能に大きな影響を与えます。どちらの構成も支持面積を増やし、表面応力を軽減することを目的としていますが、実験データでは、圧力を分散する方法とジョイント材料への埋め込みに抵抗する方法に大きな違いがあることが明らかになりました。
1. 接触応力比較：定量化データ
次の表は、同一の予圧条件 (耐荷重の 75%) で測定された、フランジ頭ナット、普通六角ナット、およびワッシャー付き六角ナットの接触応力データを示しています。
| ファスナーグレード | サイズ | 構成 | 接触応力 (ksi) | 接触応力 (N/mm²) |
|---|---|---|---|---|
| 10.9 | M10 | フランジ付きヘッド | 36.3 | 250 |
| 10.9 | M16 | フランジ付きヘッド | 39.9 | 275 |
| 10.9 | M10 | プレーンヘックス | 52.2 | 360 |
| 10.9 | M16 | プレーンヘックス | 94.3 | 650 |
| 10.9 | M10 | 六角ワッシャー | 27.6 | 190 |
| 10.9 | M16 | 六角ワッシャー | 33.4 | 230 |
| 12.9 | M10 | プレーンヘックス | 63.8 | 440 |
| 12.9 | M22 | プレーンヘックス | 131 | 900 |
| 12.9 | M10 | 六角ワッシャー | 29 | 200 |
| 12.9 | M22 | 六角ワッシャー | 50.8 | 350 |
データ ソース: ボルト接合設計研究からの接触応力測定。
グレード 10.9 M16 ファスナーの場合、フランジ ヘッド ナットの接触応力は約 39.9 ksi ですが、普通の六角ナットの接触応力は 94.3 ksi (57.7% 減少) です。ワッシャー付き六角ナットは 33.4 ksi を実現し、普通の六角ナットに比べて 64.6% 削減されます。より高強度のグレード 12.9 M22 ファスナーの場合、プレーン六角ナットは 131 ksi を生成しますが、ワッシャー構成ではこれが 50.8 ksi に減少し、61.2% 削減されます。
2. 軸受応力分布: 圧力プロファイルの違い
平ワッシャーによるピーク応力の軽減は顕著ではありますが、接触面積のみに基づいて予測されるレベルには達しません。 1/2"-13 ファスナーを耐荷重の 80% でテストしたところ、硬化平ワッシャーはピーク圧力を約 50% 低減し、フランジ ヘッド ファスナーは個々のファスナーの形状により大きく依存する荷重分散を実現したことがわかりました。
圧力表示フィルムを使用した接触面積の測定により、フランジヘッドの下の接触面積は、本質的に全面からフランジ外径の狭い帯、またはクリアランスホール近くのリングまで変化する可能性があることが明らかになりました。この変動は、フランジのテーパーとナット本体の剛性によるものです。ワッシャー付きの六角ナットの場合、標準の平ワッシャーは、外径に荷重を均一に分散するのに十分な厚みがないため、外径から予測される完全な応力軽減を達成できません。ワッシャが厚いほど、荷重を分散し、ワッシャとジョイント部材の両方の応力を軽減するのに効果的です。
3. 埋め込み抵抗: 予圧損失の防止
埋め込みとは、ナット支持面の下のジョイント材料の局所的な降伏または圧縮です。これは、締め付け後の早期の予圧損失の主な原因です。フランジ頭ナットとワッシャ付き六角ナットの両方が座面の接触応力を下げることで埋め込みを軽減します。
- フランジヘッドナット: 統合されたフランジにより、より大きなベアリング領域が提供され、圧力がより広いゾーンに分散されます。これにより、ナットがアルミニウム、薄い鋼板、またはコーティングされた表面などの柔らかい素材に埋め込まれるリスクが軽減されます。また、フランジは表面の損傷を防ぎ、ナットがジョイント素材を突き抜けてしまう危険性を軽減します。
- 硬化ワッシャー付き六角ナット: 適切に指定された硬化ワッシャーは、埋め込みを防止し、荷重をより均一に分散することにより、ワッシャーを使用しない場合と比較して、ガスケットまたはジョイントの荷重を 30 ～ 50% 増加させることができます。不規則な表面状態を補正し、座面の摩擦を軽減します。
4. パフォーマンスに関する追加の考慮事項
- トルクと張力の関係: 接触領域の半径は、所定の予圧を生成するために必要なトルクに影響します。フランジの外径で接触が発生すると、抵抗モーメントが大きくなり、同じ入力トルクでも発生するボルト張力は小さくなります。テストでは、内径と外径の接触の差によって張力が 10 ～ 15% 減少することが示されています。
- 防振性能： 鋸歯状のフランジ ナット (ウィズ ナットと呼ばれることが多い) には、相手面に食い込む歯が座面に組み込まれており、振動による緩みに抵抗する機械的なロック作用を提供します。滑らかなフランジ ナットにはこのようなロック効果はありません。
- 表面の損傷: 鋸歯状のフランジ ナットは、塗装面、陽極酸化処理面、または柔らかい面を損傷する可能性があります。完成品または化粧品の用途には、滑らかなフランジ ナットまたはワッシャー付きの標準的な六角ナットが推奨されます。
5. 製造と品質の観点
フランジヘッドナットの荷重分散の利点を実現するには、一貫したフランジ形状と管理された製造公差が不可欠です。 浙江チャンス＆ユニオン輸出入株式会社 (Chance & Union) は、SEA Monies Metal Co., Ltd. 傘下の家族経営企業であり、金属製造における 20 年にわたる家族の経験と品質の伝統を継承しています。 Shengzhao Metal の強力な生産能力とサプライチェーンの優位性を利用して、当社は高品質の金属製品の研究開発、生産、世界販売を専門としています。家族の精度の追求、厳格な作業姿勢、長期的な取り組みを堅持し、安定した信頼性の高い製品とサービスを世界中のお客様にお届けしています。
工場の充実した研究開発・生産能力を活かし、高強度リベット、ボルト、ナット、ワッシャー、ピン、ネジ、各種カスタムパーツなどを専門に取り扱っております。当社の製品範囲は、ステンレス鋼、合金鋼、アルミニウム合金、銅、特殊合金などの材料をカバーしており、冷間圧造、熱間鍛造、CNC 加工などのプロセスを活用しています。当社の製品は 25 か国以上に輸出され、200 を超える顧客にサービスを提供しています。
Chance & Union は、「中国製造」を国際市場とシームレスに結び付けることに尽力し、専門的な技術と卓越した品質を通じて、研究開発から量産までワンストップの締結ソリューションを世界中の顧客に提供します。
6. よくある質問（FAQ）
- Q1: フランジ ヘッド ナットは硬化ワッシャーの必要性を完全に置き換えるものですか?
A: ほとんどの用途では、はい、フランジによってより大きなベアリング領域が提供され、荷重が効果的に分散されるためです。ただし、非常に柔らかい材料、長穴、または接合面が不均一な場合は、埋め込みを防止して均一な荷重分散を確保するために硬化ワッシャーが必要な場合があります。 浙江チャンス＆ユニオン輸出入株式会社 (Chance & Union) は、お客様の特定のジョイントの設計と材質に基づいて、適切な構成を推奨します。 - Q2: 接触応力データにより、サイズによってはワッシャー付き六角ナットの方がフランジ頭ナットよりも優れていることが示されているのはなぜですか?
A: データは座面の接触応力を反映しています。適切なサイズの硬化ワッシャーは、特にフランジの形状が全面接触を生じない場合、ナットのフランジよりも効果的に荷重を分散できる場合があります。標準の平ワッシャーをボルトと一緒に使用すると、特定のテストでフランジよりも応力がより均一に分散されることが観察されています。 浙江チャンス＆ユニオン輸出入株式会社 (Chance & Union) は、お客様のアプリケーションに特定の推奨事項と製品データを提供できます。 - Q3: 鋸歯状フランジナットと平滑フランジナットの主な性能の違いは何ですか?
A: 鋸歯状のフランジ ナットは、合わせ面に食い込むことで機械的なロック作用を発揮し、振動による緩みを防ぎます。滑らかなフランジ ナットは、表面に跡を残さずに荷重を分散し、表面仕上げを維持する必要がある場合に使用されます。 浙江チャンス＆ユニオン輸出入株式会社 (Chance & Union) では両方のタイプを用意しており、お客様の組立条件に最適な選択をアドバイスすることができます。
DIN 6923 フランジナットとワッシャー付き DIN 934 六角ナット: フランジの直径と振れ許容差は、接触応力と埋め込み抵抗による予圧保持にどのように影響しますか?
の間の選択 DIN 6923 フランジナット また、別個のワッシャーを備えた DIN 934 六角ナットは、ボルトジョイントの設計において重要な決定事項です。どちらの構成も軸受応力を分散し、埋め込みに抵抗することを目的としていますが、幾何学的な違いや公差の違いにより、接触応力の分布、ひいては予圧保持力に定量的な違いが生じます。この記事では、DIN 6923 ナットのフランジ外径 (dw) と振れ許容差がどのように異なる機械的動作に反映されるかを検証します。
1. 寸法比較: DIN 6923 フランジナットとワッシャー付き DIN 934 六角ナット
DIN 6923 ナットの一体型フランジは、定義された一貫した座面形状を提供します。対照的に、DIN 934 ナットは別個のワッシャーに依存しているため、追加の公差とアセンブリのばらつきが生じます。次の表は、M10 と M16 サイズのキー座面の寸法を比較しています。
| パラメータ | DIN 6923 フランジ ナット (M10) | DIN 934 六角ナットワッシャー (M10) | DIN 6923 フランジ ナット (M16) | DIN 934 六角ナットワッシャー (M16) |
|---|---|---|---|---|
| 軸受外径 (dw) 最小 | 19.6mm | ~18.0 mm (ワッシャー外径) | 31.9mm | ~30.0 mm (ワッシャー外径) |
| ベアリング内径 (da) 最大 | 10.8mm | ~11.0 mm (ワッシャー内径) | 17.3mm | ~17.0 mm (ワッシャー内径) |
| ベアリングエリア | ~214 mm² | ~160 mm² | ~560 mm² | ~480 mm² |
| 振れ許容値（面からねじ軸まで） | ISO 4759-1による | ワッシャーにより公差の積み重ねが追加される | ISO 4759-1による | ワッシャーにより公差の積み重ねが追加される |
データ ソース: Westfield Fasteners の DIN 6923 寸法。
2. 接触応力分布: 研究が示したこと
実験と FEM 研究により、フランジ ナット下の軸受圧力分布の重要な特性が明らかになりました。
- 不均一な放射状分布: 三次元光弾性実験により、六角フランジナットの座面上の圧力分布が均一ではないことが示されました。フランジの内側では圧力が集中し、外側では圧力がほぼゼロになります。これは、有効耐荷重面積がフランジ全体の面積が示すよりも小さいことを意味します。
- 非対称分布: 同じ研究により、ねじ部の非対称形状に対応して、ボルト締結部の応力分布とフランジ ナットの座面の圧力分布が軸方向に非対称であることが実証されています。この非対称性が緩みのメカニズムに寄与します。
- フランジ ジオメトリの効果: 弾塑性 FEM 解析により、フランジの厚さとフランジの傾斜角が、座面の接触応力分布と永久ひずみ (埋め込み) の両方に大きな影響を与えることが確認されました。フランジの形状を適切に設計すると、内側エッジでの応力集中を軽減できます。
ワッシャー付きの標準的な六角ナットの場合、接触圧力も不均一ですが、別個のワッシャーの存在により追加の変数が導入されます。つまり、ワッシャーが完全に中心に配置されていない可能性があり、荷重による変形が圧力プロファイルに影響を与える可能性があります。
3. 埋め込みと予圧保持
埋め込み（ナットまたはワッシャーの下の座面の局所的な塑性変形）は、締め付け後の予圧損失の主な原因です。
- DIN 6923 フランジ ナット: フランジ ナットのより大きなベアリング領域により、所定の予圧に対する接触応力が減少し、それによって埋め込みの深さが減少します。ただし、圧力はフランジの内縁付近に集中するため、応力の減少は単純な面積比の計算よりも小さくなります。鋸歯状のフランジ (歯付き) を使用すると、合わせ面に食い込むことでロックを向上させることができますが、これにより表面の損傷が増大し、接続の再利用性が低下する可能性があります。
- DIN 934 ワッシャー付き六角ナット: 適切に指定された硬化ワッシャーは、埋め込みを防止し、荷重をより均一に分散することにより、ワッシャーを使用しない場合と比較して、ジョイントの荷重を 30 ～ 50% 増加させることができます。ただし、その効果はワッシャーの硬さ、厚さ、配置によって異なります。ワッシャーが薄すぎると、荷重が外径方向に分散されず、利点の一部が損なわれます。
4. 製造と品質の観点
フランジヘッドナットの荷重分散の利点を実現するには、一貫したフランジ形状と管理された製造公差が不可欠です。 浙江チャンス＆ユニオン輸出入株式会社 (Chance & Union) は、SEA Monies Metal Co., Ltd. 傘下の家族経営企業であり、金属製造における 20 年にわたる家族の経験と品質の伝統を継承しています。 Shengzhao Metal の強力な生産能力とサプライチェーンの優位性を利用して、当社は高品質の金属製品の研究開発、生産、世界販売を専門としています。家族の精度の追求、厳格な作業姿勢、長期的な取り組みを堅持し、安定した信頼性の高い製品とサービスを世界中のお客様にお届けしています。
工場の充実した研究開発・生産能力を活かし、高強度リベット、ボルト、ナット、ワッシャー、ピン、ネジ、各種カスタムパーツなどを専門に取り扱っております。当社の製品範囲は、ステンレス鋼、合金鋼、アルミニウム合金、銅、特殊合金などの材料をカバーしており、冷間圧造、熱間鍛造、CNC 加工などのプロセスを活用しています。当社の製品は 25 か国以上に輸出され、200 を超える顧客にサービスを提供しています。
Chance & Union は、「中国製造」を国際市場とシームレスに結び付けることに尽力し、専門的な技術と卓越した品質を通じて、研究開発から量産までワンストップの締結ソリューションを世界中の顧客に提供します。
5. よくある質問（FAQ）
- Q1: DIN 6923 フランジ ナットは硬化ワッシャーの必要性を完全に置き換えるものですか?
A: はい、ほとんどのアプリケーションで可能です。一体型フランジにより座面が大きくなり、荷重が効果的に分散されます。ただし、非常に柔らかい材料、長穴、または接合面が不均一な場合は、埋め込みを防止して均一な荷重分散を確保するために硬化ワッシャーが必要な場合があります。 浙江チャンス＆ユニオン輸出入株式会社 (Chance & Union) は、お客様の特定のジョイントの設計と材質に基づいて、適切な構成を推奨します。 - Q2: フランジナット下の接触応力がフランジ全体に均一に分布しないのはなぜですか?
A: 光弾性実験では、フランジの内側部分に圧力が集中する一方、外側部分の圧力はほぼゼロにまで減少することが示されています。これは、ナット本体の剛性とフランジの形状によるものです。 浙江チャンス＆ユニオン輸出入株式会社 (Chance & Union) は正確なフランジ形状を保証し、荷重分散を最適化します。 - Q3: フランジの傾斜角度が予圧保持に及ぼす影響は何ですか?
A: 弾塑性 FEM 解析により、フランジの傾斜角が接触応力分布と座面の永久歪みの両方に大きな影響を与えることが示されました。最適化されたフランジの傾斜角度により、荷重がより均一に分散され、応力集中と予圧損失の原因となるそれに伴う埋め込みが軽減されます。 浙江チャンス＆ユニオン輸出入株式会社 (Chance & Union) は、特定の用途に最適なフランジ形状に関するガイダンスを提供します。
