さまざまな複雑さのほぼすべてのエンジニアリング製品では、スレッドが使用されています。ファスナー。他のほとんどの接続方法と比較して、ねじ式ファスナーの主な利点は、分解して再利用できることです。
通常、この特徴が他の接続方法よりもねじ留め具が好まれる理由であり、多くの場合、ねじ留め具は製品の構造的完全性を維持する上で重要な役割を果たします。
しかし、それらは機械やその他のコンポーネントの問題の重大な原因でもあります。これらの問題の原因は、自己緩みのメカニズムにあります。-この自己緩みのメカニズムは長い間問題となっており、過去 150 年にわたり、設計者はこの発生を防ぐ方法を開発してきました。-
ネジ留め具の一般的なロック方法の多くは 100 年以上前に発明されましたが、自己緩みにつながる主なメカニズムが理解されたのは近年のことです。-ネジ留め具の緩みを引き起こすメカニズムは多数あり、回転による緩みと非回転による緩みに分けられます。-
回転ゆるみと非回転ゆるみ-
ほとんどの用途では、ねじ付きファスナーが締め付けられ、接続部に予圧が加えられます。緩みは、締め付けプロセスが完了した後の予圧の喪失として理解できます。これは次の 2 つの方法で発生する可能性があります。
回転緩みは一般に自己緩みと呼ばれ、外部荷重の作用下でファスナーが回転することを指します。-
-非回転緩みとは、雌ねじと雄ねじの間の相対的な動きなしに予圧が失われることを指します。
非回転緩みによるファスナーの緩み-
-組み立て後のファスナー自体や接続されたコンポーネントの変形により、回転以外の緩みが発生する可能性があります。これは、これらの界面の部分的な塑性崩壊の結果です。
粗面接触部の拡大図
2 つの表面が互いに接触している場合、各表面は座面荷重に耐えます。実際の接触面積は表面積よりもはるかに小さいため、中程度の荷重下でも、材料の降伏強度を超える非常に高い局所応力が継続的にかかります。
これにより、締め付け作業の完了後に表面が部分的に崩れる可能性があります。この崩壊は通常、埋め込みと呼ばれます。
埋め込みによって失われるクランプ力の量は、ボルトと接続コンポーネントの剛性、接続に存在する接触面の数、表面粗さ、および加えられる座面応力によって異なります。
中程度の表面応力条件下では、通常、埋め込みによりジョイントが締め付けられた後の最初の数秒以内に約 1% ～ 5% のクランプ力損失が発生します。その後、ジョイントに動的荷重が加わると、ジョイント接触面で発生する圧力変化によりクランプ力がさらに低下する可能性があります。
表面耐力が接続コンポーネント材料の圧縮降伏強さ以下に保たれる場合、埋め込み損失の量を計算し、接続設計で補償することができます。
ユンカーのファスナーの自己緩みに関する理論-
1969 年、ゲルハルト ユンカーは、ねじが自動的に緩む理由についての理論を裏付けるために、工学テストの結果を使用しました。彼の主な発見は、嵌合ねじ間、およびファスナーの座面とクランプ材の間で相対運動が発生すると、予荷重がかかったファスナーが回転によって緩むということでした。
また、横方向の動的荷重は、軸方向の動的荷重よりも深刻な緩みを引き起こすこともわかりました。その理由は、アキシアル荷重下のラジアル移動は、横荷重下のラジアル移動よりも大幅に小さいためです。
ボルト締結の横方向の動き
ユンカー氏は、相手のねじ山とファスナーの座面の間に相対的な動きが生じると、予荷重がかかったファスナーが自動的に緩むことを示しました。{0}これは、ジョイントに作用する横力がボルトの予圧によって生成される摩擦力よりも大きい場合に発生します。
横方向の変位が小さい場合、ねじ山の側面とベアリング接触面の間に相対的な動きが発生する可能性があります。ねじ山クリアランスを超えると、ボルトは曲げ力を受け、横方向の滑りが続くと、ボルト頭の下の座面で滑りが発生します。
開始すると、ネジ山とボルト頭の下で一時的に摩擦がなくなります。ねじ山のねじれ角に作用する予圧によって生成される自己緩めトルクにより、ナットとボルトの間に対応する回転が生じます。-横方向の動きが繰り返されると、この機構により留め具が完全に緩む可能性があります。
緩みの原因を研究するために、ユンカー氏は下図に示すような、ファスナー設計の緩み防止効果を定量化する試験機を開発しました。{0}
ユンカーファスナー試験機
可動プレートと固定プレート間の摩擦効果を排除するためにボールベアリングが使用されています。ナットをクランプする可動プレートから横方向の動きが加えられると、ロードセルがボルトの荷重を継続的に監視します。
通常の振動試験基準と比較して、試験中に予圧の損失を測定し、予圧とサイクル数のグラフをプロットできます。
ユンカーマシンの原理は、カムによって発生する横方向の変位によって締結具が振動し、締結具の摩擦力に打ち勝って緩みが生じるというものです。
ユンカー試験機のスクリーンショット
ユンカー振動試験の緩み曲線
ユンカー試験を通じて、さまざまなファスナーの緩み止め設計の性能を比較できます。{0}過去 20 年にわたり、既存のファスナーの緩み防止設計に関する多数の研究が完了し、その緩み防止特性を比較してきました。-
効果的に比較するには、結果に大きな影響を与えるため、同じ振動振幅を使用することが重要です。下図は、ばね座金の代表的な試験結果を示しています。
テストの結果、ボルトの頭の下にコイルばね座金を置くと、実際に緩みが加速することがわかりました。また、そのようなワッシャーを使用すると、ロック装置なしでボルトを使用した場合と同様の性能があることが証明された人もいます。
多くの大手 OEM は、これらの調査結果を認識しており、社内規格でそのようなワッシャーを指定していません。
ねじ付きファスナーに使用されるロック装置の多くは、ねじ間の相対移動 (例: ナイロンロックナット)、または座面と接続されたコンポーネント (例: さまざまなタイプの「ロック」ワッシャー) 間の相対移動の防止に基づいています。
しかし、ユンカー氏とその後の他の研究者は、ジョイントの横方向の動きを防ぐことの重要性を指摘しています。適切なボルト締め接続設計により、ボルトの締め付け力が接続プレートの摩擦による横方向の動きを防ぐのに十分であることが保証され、したがって緩みが回避されます。
これは、設計段階で、外部荷重によって引き起こされる関節の動きに抵抗するために予荷重が十分な摩擦を生成できるように、適切な締結具のサイズと強度を選択することによって実現できます。
ネジジュンの結論
ねじ留め具の緩みの根本的な原因は、関節の動き、特にねじの横方向の滑りです。ボルトのネジ山そして座面。関節の動きを防ぐのに十分な予圧がボルトから得られる場合は、摩擦によって部品が固定されるため、ロック装置は必要ありません。
ねじ込みファスナーの設計における主な問題は、摩擦条件の変化が含まれる場合に、部品をしっかりと保持するのに十分な予圧を確保することです。
このグラフは、ボルトのプリロードに対する摩擦の変化の影響を示しています。
緩み防止の鍵は十分なボルトの予圧を与えることです
一般に、ジョイントは最大摩擦係数で生成される最小予圧に基づいて設計する必要があります。平均的な予圧値を使用して設計すると、多くの部分が緩みます。ボルト.
同時に、埋め込みによる予圧損失も考慮する必要があります。埋め込み量を制限するには、クランプされた材料が耐えられる最大応力範囲を確保する必要があります。
熱膨張など、関節の動きを防ぐことができない場合には、性能が実証されたロック装置を指定する必要があります。
