皿バネの荷重について

質問

ボルトの緩み止めに皿バネを使用します。

今回、深座ぐりの中に皿バネを入れます。
設計上、深座ぐりの径を大きくできないので、
普通の皿バネではなく、キャップボルト用皿バネを使用せざるを得ません。
この場合、通常の皿バネに比べて、キャップボルト用皿バネの枚数は
増やす必要がありますでしょうか？その場合、通常何倍の枚数を入れるのでしょうか？
（ネットで調べても、両者とも試験荷重（kN）が等しい値しか出てこず、
径、厚みが違うので、同等の荷重が受けられるはずはないと思っております。）

また、荷重を増やしたいので、皿バネを同じ向きに重ねて使用しようと思いますが、ボルトの座面に対し、皿バネの腹（凸）または背（凹）どちらを向けるべきでしょうか？

以上、何卒宜しくお願い致します。

回答No.10

noname#230359

＞今回の緩み止めの原因は、熱変位、、、緩んでもボルトは回転していない

一般にねじの緩みとは、（必ず）回転を伴うものを指すはず。
すこし議論も出てるが非鉄材でのクリープとか別の現象が出ているのでは？

皿バネは S65CM などの高炭素鋼で耐熱性は低いとはいえ、ほぼ同材質のコイルスプリングも使用温度範囲内。
皿バネは締付けシロが少なく応力過大になることが心配なら、スプリングワッシャの方が良いかも。そしてそれで充分な対策になると思う。

温度変化でのサイクルは振動衝撃によるものとは何桁も低いし、荷重変動幅も小さい。

ねじ緩みウンヌンは無！。バネ荷重計算だけ、となるとやはり回答（２）の資料に戻って行う。形状が異なるなら計算よりばね試験のほうが確実。
プラスして材料のクリープ変形を評価すれば良いのでは？

＞横から見ると、エックスの文字になるように配置、、、荷重を２倍、許容たわみを２倍
直列重ね。荷重は変わらない

回答No.9

noname#230359

再々出です。

質問者さん、再出の追記を参照ください。

回答 （7）さん、あまり興奮しないでください。
貴殿の記述が
> 言わば”焼け石に水”ボルトそのものの、吸収可能な、ひずみエネルギーに
比較して
> 遥かに小さいからであろう。
となっている内容に対して、“少し極端過ぎると思います”と記述しただけです。
自動車のエンジンやミッションは、温度変化も大きいし、振動もあります。
その緩み止め対策として、長いボルトを使用しての前出に記述した内容の論文を、以前に
数点確認しました。
長いボルトを使用しての弾性力を有した歪み量増加の内容と、皿バネを使用しての弾性力を
有した歪み量増加の内容は、同類の内容です。
スペース的には、皿バネを使用した方が有利ですけどね。

長いボルトを使用すると、”焼け石に水”ボルトではなくなると記述しただけです。
悪く思わないで欲しいです。

> 言わば”焼け石に水”ボルトそのものの、吸収可能な、ひずみエネルギーに
比較して
> 遥かに小さいからであろう。
> 最も有効なのはボルト自身の弾性範囲から設計許容軸力を決めて締付トルク管理等で
> 適正軸力がKEEPできるような設計を、たかがネジであってもすることが最も大事なの
> ことだと私は思います
の絶対的な手段ではないですが、ボルトを長くして使用するや皿ばねを使用する等は、
正軸力がKEEPできるような設計となる筈です。

さて、質問者さんへですが、
温度変化に対しては、ボルトを長くするより皿ばねを使用する方が有効的です。
理由は、ボルトを長くする＝固定物を長くする/厚くする　ことになり、温度変化に関しては、
ボルトと固定物の熱の伝わり方によっては、軸力がなくなる/大幅に減少するケースが
でてきます。
また、”低熱膨張金属製ボルト”を使用するにあたっては、再出の追記に記述しました
軸力低下(緩みの原因)と増加(破損の原因)の増加(破損の原因)も考慮が必要です。
この点では、熱膨張に対して撓み量を充分に考慮した皿ばね選定をしますと、皿ばねの荷重
以上は軸力に加わらないので、有効的です。
そして、皿ばねのセット向きで、皿ばねの撓み量が選定でき、熱膨張の差をそれで吸収する
ことができる有効的な手段です。

以上のことを注意して、皿ばねのセット向きと撓み量の設定や皿ばねのMAX荷重設定をして
試験等に望んでください。

少し、勘違いをしておりました。

小生の前出のお礼内容に、貴殿が記述した内容の
> 今回は、
> ・ボルトの頭側に対し、２枚重ねでバネの背（凹）
> ・ボルトの座面側に対し、２枚重ねでバネの背（凹）
> で横から見ると、エックスの文字になるように配置しました。
> 荷重を２倍、許容たわみを２倍、という考え方でそのようにしました。
の記述で、
・ボルトの頭側に対し、２枚重ねでバネの背（凹）　　　は、
上から下にボルトを締付ける場合、ハの字になると思っていました。
ハの字の上が背で、下が腹なので、　　　　また、
・ボルトの座面側に対し、２枚重ねでバネの背（凹）　　　は、
上から下にボルトを締付ける場合、ソの字になると思っていました。
ソの字の上が腹で、下が背なので、
でも、横から見ると、エックスの文字になるように配置しました　　の記述があるので、
小生の勘違いだと気付きました。御免なさい。

そして、ボルトの座面側(取付穴側)の方は、取付け上で問題ありません。
只、ボルトの頭側は、皿ばねの腹が広がる反力を受ける必要があるので、座金を用いた
方がよいでしょう。
そして、皿ばねの荷重や広がりによっては
◆ 標準座金を複数枚使用するか、ミスミ等で厚い座金のを使用する（皿ばねの荷重対策）
◆ 外形の大きな特殊座金を使用する(皿ばねの広がり対策)
が必要です。
以上を訂正します。

> 荷重を２倍、許容たわみを２倍、という考え方でそのようにしました。
は、貴殿が選択する強度区分に対するボルトの“最小破断荷重”の何十％かで皿ばね荷重設定
をして、２枚重ねとした結果でしょうから、問題はないと思います。
また、許容たわみを２倍にしているのも、温度変化に対して軸力の低下を抑える対応なので
問題ないと思います。

以上を、改めて追記します。

このような使用方法があるので、座金にも強度区分的な規格があります。
http://www.wako-kinzoku.co.jp/product.list.maruW.p3.html
(　↑　座金の強度区分的な資料)

それと、ねじやボルトの色々な資料で見識を深めるなら、
http://neji-no1.com/contents/05/index.html
(　↑　最小破断荷重別表　や強度区分・各用語、等々を確認ください)
http://www.ymzcorp.co.jp/ym6/kikaku.html
(　↑　鋼製ネジ　やステンレス製ネジの機械的性質、ネジ参考資料、等々を確認ください)
を紹介しておきます。

お礼

追記いただいた内容で大変納得できました。

ご丁寧に補足いただき、誠にありがとうございました。
参考にさせていただきます。感謝致します。

回答No.8

noname#230359

何か迷走してきているように感じる。

ねじ固定＋ゆるみ止め となると 論議されているように
「あまり効果は期待できない」それどころか「緩みやすい」場合もある。
※これに対しては異議もない所だと思う。

質問内容の前提条件(要求仕様)が曖昧なのが問題。
ねじを締め切って固定ではなく
皿バネをバネとして 異材の組み合わせ(アルミと鉄とか)で
一定の範囲で押付け圧を得たい・・・のでは？

バネとして見るなら
http://tokaibane.com/tech/tech_info_disc.html

テクニカルガイダンス
http://tokaibane.com/consulting/tech.pdf

組み合わせは「たわみ量」と「荷重」で決定します。
僅かなたわみで良ければ並列の組み合わせとなります。

枚数が同じでたわみ量が同じなら 荷重としては組み合わせは
安定して組める向きで良いでしょう。

自分の回答だが
「自己矛盾」に気付いた・・・

バネとして考察するなら「まわり止め対策」は別に必要？

回答 7)さんの
＞但し「ばね座金」も「皿ばね座金」も「緩み止め効果」があるのは認めますヨ

賛同、私も全面否定はしません。

緩みが致命的となる橋梁などに使われるボルトは平座金(ワッシャー)のみだと思っていたら

http://www.bolten.co.jp/nsb/newpage3-13.htm

皿座金の一種だろうが 目的は 締め付けトルクの管理

＞これを「”焼け石に水”」と言わずに何というのだろうか（鳶に油揚げ？）

1.二階から目薬
2.ぬかに釘
3.屁のつっぱり

まだあったかな？

お礼

ありがとうございます。

質問の意図は、ボルト、ねじの緩み止め対策に有効なものは何か、
をお聞きしているのではなく、皿バネを使う前提でのJIS規格皿バネとキャップボルト用皿バネの使い方の違い、枚数や組み合わせ方をお聞きしたかったのです。

多くの方々からいただいたアドバイスは、確かに質問意図から逸脱してきました。
（質問内容の要求仕様が曖昧なので、伝わりにくかったかもしれません。すみません）

東海バネ工業さんのHPも何度か確認しました。
テクニカルガイダンスは有用な情報ですね。
あらためて参考にさせていただきます。ありがとうございました。

回答No.7

noname#230359

近年では、コンピュータでの解析により「ばね座金」や「皿ばね座金」などの
効果やその有効性についての文献も、かなり多く見られるのではないかと思う
これらからも「ばね座金」は気休めに過ぎない程度の緩み止め効果であろう

言わば”焼け石に水”ボルトそのものの、吸収可能な、ひずみエネルギーに
比較して遥かに小さいからであろう。最も有効なのはボルト自身の弾性範囲か
ら設計許容軸力を決めて締付トルク管理等で適正軸力がKEEPできるような設計
を、たかがネジであってもすることが最も大事なのことだと私は思います

またハードロックという楔の原理を応用したネジ締結部品も御存じかと思うが
航空機や新幹線などの決して緩んでは欲しくない箇所には多く使われている
ようなのです。今回は使えないかも知れませんが知っていることに意義がある

http://www.fun.co.jp/products/u-nut.html
↑からの、試験動画から「普通のナット＋ばね座金」を見れば一目瞭然だ
これを「”焼け石に水”」と言わずに何というのだろうか（鳶に油揚げ？）

では、「緩み止め」とは多少の緩みが許されても良いという意味なのかなぁ？
そんなことは無いだろう。旧来の技術が未来永劫、正しいという考え方が古い
良いモノは良い。機械設計ではグレーなものの結果は当然ながらグレーとなる
但し「ばね座金」も「皿ばね座金」も「緩み止め効果」があるのは認めますヨ

これは原発の「冷温停止」→「冷温停止状態」などという、誠に曖昧な表現と
似ている。半端な表現は誤解を生じ易いが、これを上手く使う輩の多いことか
YES/NOを明言しないことで、原発避難区域決定の後手を踏んだ苦い経験もある
時に”東日本大震災”から丁度、丸一年なので、少しだけ興奮してみました

参考URL：

http://www.hardlock.co.jp/index.php

お礼

質問には書かなかったのですが、今回の緩み止めの原因は、熱変位によるものです。（緩んでも、ボルトは回転していない）

振動に因るものではありません。

ハードロックナットは搬送系設備等の振動対策として、よく用いております。

緩み止めの有効な手段についてお聞きしたかったのではなく、
皿バネのhowtoをお聞きしたかったのです。

ありがとうございました。

回答No.6

noname#230359

再出です。

質問内容には、直接関係はありませんが、URLを確認下さい。

緩み止めに関しての参考URLと、皿ばねの取付け方向が参考になります。

さて、前出での確認問い合わせに関しては、取付け穴がボルト径に対して大きい場合に、

傷が皿バネに付き易いです。(取付け穴の跡が残る程度だと思う)

それが直ちに問題になるかと云えば、問題にはなりません。

よりよい方法の範囲なので、ＮＧではありません。

色々な記述が出ておりますが、小生の前出の内容や皿ばねの使用に関しては、絶対的な
緩み止めではありません。
緩み難い状態にしているだけです。
回答（７）さんの記述の通りです。
ですが、”気休めに過ぎない程度”や”焼け石に水”の記述は少し極端過ぎると思います。
緩みの原因の一つである振動の程度にも色々あります。
軽い振動では、効果があると考えます。

回答（４）さんの記述に、
機械の取付剛性をｕｐさせるため、特別に高張力ボルトを購入して締め上げたことがあります。
（ばね座金や皿ばねは使用しなくとも弛みません）
がありますが、これは結局長いボルトを使用して伸び代を増やしたことと同じことです。
高張力ボルトは、普通のボルトより高いトルクで締め付けられる。
因って、普通のボルトより大きな軸力が掛かり、ボルトの伸び代が実質増えたことになる。
だから、ばね座金や皿ばねは使用しなくとも、同じ効果が出ているので緩まないのです。

ねじ又はボルトの軸力がある程度残っていると、軸力と摩擦で緩まないが、ねじの固定原理です。

振動等で、一時的に軸力が著しく低下したり無くなったりして、且つ摩擦係数も著しく低下し、
比較的小さい外力でねじ自体やナットが回転するが緩む原因です。

ボルトの伸び代を増やし、振動等での軸力低下を極力抑えることは、緩み止め対策効果は
有ることになります。（絶対的な効果ではないけれども）

通常では、ねじが自然に緩まないで固定できている仕組み。
振動等で、ねじが緩む仕組み。(振動等としていて、振動に限定していませんよ。)
これが、基本内容です。
温度変化による熱膨張は、固定物とボルトの線膨張係数の違いや、熱の伝わり方の違いによる
温度差で、軸力低下(緩みの原因)や増加(破損の原因)が発生します。
その直接の原因や、軸力の増加を考慮してボルトの標準締付トルクより低いトルクで締付たり
しますと、緩みの原因になります。
これは、基本内容を把握しておくと理解できます。
(ですから、しつこく記載しております)
それと、摩擦力又は摩擦係数が重要で、ボールねじはねじ自身の軸力で回転して、
結果的に緩みます。
因って、回転し難くする工夫も効果が多少なりともあります。

基本内容からの考察をすると、判り易いのではないでしょうか？

参考URL：

http://isogaifastener.co.jp/homepage/right3.htm http://www.forming.co.jp/ http://www.nejitaka.co.jp/index.shtml

お礼

詳しくご説明いただき、誠にありがとうございました。
勉強になりました。

軸力に関してですが、今回は熱膨張（１００度の温度差）での
ネジの摩擦力の変化＝軸力の変化　というケースです。
その熱変化前後でのボルトの緩みが見られたため、緩み止め対策として、
皿バネを検討した場合の話でした。

質問内容が曖昧で申し訳ありません。

回答No.5

noname#230359

回答(1)呈示の資料内容は設計便覧にピッタリ出てました。直列／並列など転記した後で読んだので殆どが無駄。。。。

ギザギザのあるものを同じ向きで重ねて不安定にならないか、すこし気になります。

＞皿バネの腹（凸）または背（凹）どちらを向けるべきでしょうか？

受圧面の大きさと硬さの考察から、お椀を伏せた凸が妥当と思います。

この質問文だけで、激しい振動に対抗する緩み止めを想定してのウンヌンカンヌンはすこし過ぎるのでは？
また、俺が俺がと既回答まで被って全面的にまとめて点数稼ぎしてやろうとする根性は如何にも見苦しい。

お礼

質問内容は、緩み止めの有効な手段、原理をお聞きしたものではありませんでした。

ありがとうございました。

回答No.4

noname#230359

回答(1)さんご紹介のサイトを興味深く拝読いたしました。

機械の取付剛性をｕｐさせるため、特別に高張力ボルトを
購入して締め上げたことがあります。
（ばね座金や皿ばねは使用しなくとも弛みません）

熱膨張による弛みを対策として、低熱膨張金属製ボルトの使用も
考えられますが、特注品で高コストと思われるので無理ですね。

参考URL：

http://www.spsunbrako.co.jp/UNBRAKO-A.html http://jinmetal.web.fc2.com/jinmetal/recomend2.htm

お礼

ありがとうございます。

”低熱膨張金属製ボルト”について、知りませんでした。
コスト検証は必要と思いますが、一つ勉強になりました。
ありがとうございました。

回答No.3

noname#230359

ボルトやねじの緩み止めに関しては、沢山の質問があり、過去ログも沢山あるので、
基本内容を先ず過去ログで確認した方がよいでしょう。

一般的にボルトは、長い物を使用すると緩み難いとされています。(過去ログにも記載有り)
理由は、軸力でボルトが伸びる伸び代が大きくなり、振動等の外力でボルトの軸力又は張力が
一時的になくなり、ボルトやナットが回転し易くなる状態を起こし難くするためです。
短いボルトは伸び代が小さいため、振動等の外力で簡単にボルトの軸力又は張力が一時的に
なくなり緩み易くなります。
長いボルトは伸び代が大きいため、振動等の外力でボルトの軸力又は張力が一時的に
1/2や1/3になっても、零近くにはならないので、緩み難くくなります。
以上が、文献等でも記述されている原則の一つです。

さて、先ず、ボルト用皿バネの使用枚数は、ボルトの強度区分等を考慮した標準締付トルク
から軸力を算出するか、表からピックアップして、軸力を上廻らないように枚数を決めます。

次に、基本的にはボルトの座面は皿バネの腹（凸）側で、ボルトの頭部は皿バネの背（凹）側
で配置です。
そして、バネの使用枚数が偶数の場合には、皿バネの腹（凸）側を２枚重ねとかの対応を
します。
皿バネの腹（凸）側を２枚重ねは、ばね荷重に対して伸び代が少ない使用方法です。
ですが、ボルトの標準締付トルクから算出した軸力で、ボルトの伸び代を算出すると判り
ますが、皿バネの伸び代の方が２枚重ねしても圧倒的に大きいことが判ります。
因って、皿バネを使用して緩み難い目的を達成しているので、２枚重ね使用は問題ありません。

参考URL：

http://www.110.ne.jp/nejitech/ct1_003.html

お礼

たいへん分かりやすくご教授いただき、誠にありがとうございました。

>次に、基本的にはボルトの座面は皿バネの腹（凸）側で、ボルトの頭部は皿バネの背（凹）側で配置です。

上記について、結局ボルトの頭より下側は同じ向きで皿バネを
設置するということになりますね？

今回は、
・ボルトの頭側に対し、２枚重ねでバネの背（凹）
・ボルトの座面側に対し、２枚重ねでバネの背（凹）
で横から見ると、エックスの文字になるように配置しました。
荷重を２倍、許容たわみを２倍、という考え方でそのようにしました。
もしもまずい配置法でしたら、御手数ですが、ご指摘いただければ
ありがたいです。

回答No.2

noname#230359

キャップボルト用皿バネとはJIS規格品それともメーカー規格品ですか？
皿ばねの用途としては座面摩擦の低減、緩み防止、たわみ確保などです。
必要以上に重ねることは緩みはっせの観点からお勧めできませんが、基本は
規格や技術資料を参照ください。

(皿ばね種類参考用）
http://www.n-ken.net/neji-19.htm
(技術資料）
http://wwwsoc.nii.ac.jp/jssr/tech/kandokoro/kan24.pdf

お礼

ありがとうございます。

キャップボルト用皿バネはメーカー規格品のようです。

ということで、技術資料にも明確な記載がないため、
困っています。

今回は熱膨張に対する緩み止めを目的としています。

参考にさせていただきます。

回答No.1

noname#230359

「ゆるみ止め　さらばね」で検索し　｢小堀設計」様のサイトをお読みください

お礼

ありがとうございます。

参考にさせていただきます。