ワッシャーの緩み止め効果について
関心は高いが誤解されがちなワッシャー
多くの方がワッシャーに関心を持っています。ある締結部品ECサイトの最新(2022年11月)の月間ページアクセスランキング、第2位は「スプリングワッシャー」についての、第4位は「ナットとワッシャー」についてのページでした。この傾向はしばらく前から続いています。
恐らくワッシャーが私たちのよく目にする締結部品であり、また、どのように使用するべきかについて何となく“もやっ”としているからであろうと推察します。
「ワッシャーは緩み止めに使うんだよ！」
と、この投稿を目にして突っ込んで下さっている方も多いと思います。
確かにそうなのですが、間違ったワッシャーの選択と使用は世界中で想像以上に頻繁に起こっているのが現状です。
間違ったワッシャーの使用はどんな結果をもたらすのでしょうか？
ねじ接合部の強度が低下し接合部の緩みのリスクは高まり、このことは重大な事故に繫がりかねません。私たちはこの事態を見過ごすわけにはいきません。
では、どのワッシャーを使えばいいのでしょうか？
緩み止めとして利用される代表的な鋼製ワッシャーの丸ワッシャー(平ワッシャー)・スプリングワッシャーそしてリブドロックワッシャー（ドイツ生まれの標準安全座金Schnorr【シュノール】ワッシャー ボサードブランド）を比較すると、それぞれのタイプの長所と短所をより良く理解し正しく使用することができます。
その前にねじ締結が緩んでしまう理由を簡単に振り返りましょう。
ねじの緩み 回転緩み・非回転緩み
ボルトは取り付け部材をボルト頭と反対側にあるナット(や雌ねじ)で挟み込んで圧縮【クランプ】することで締結します。ねじ込まれた際にボルトの軸は引っ張られて伸び、取り付け部材は圧縮されます。そしてボルト・被締結物においてそれぞれの“弾性力”により元の形に戻ろうとする力が生じ、互いに反発しながら均衡し保持されます。このボルトの軸に蓄えられる力が“軸力”と呼ばれます。
ボルト・ナットが緩め方向に回転することでクランプ力が小さくなったり、締結されているボルトやナットと被締結材とが何かの拍子に離れて間隙が生じたりすると、軸力が抜けて締結力が無くなりねじは緩んでしまいます。
ねじの緩みは軸力が抜けてしまう原因によって“回転緩み”“非回転緩み”に区別します。ねじ・ボルトやナットが振動や衝撃などにより緩み方向に回転して緩むのが“回転緩み”です。そして“非回転緩み”は、時間経過と共に馴染んだりヘタったりして被締結材が陥没する（初期緩み）、あるいは強く押しつぶされて陥没してしまう（陥没緩み）、また何らかの理由でボルトが変形・降伏する等の理由で軸力が抜けることで緩む現象です。
では先ほど挙げた代表的な2つのワッシャーとリブドロックワッシャーの緩み止めとしての機能を考察しましょう。
平ワッシャー(丸ワッシャー)
まず、ワッシャーと言って思いつくのは平ワッシャー(丸ワッシャー)ですね。
平ワッシャーを使用するとボルトやナットだけの場合と比較して被締結材との着座面の面積が大きくなります。この大きな着座面積がボルトやナットと接地面における被締結材との圧力を下げ、座面 の沈み込みリスクを低減します。
さらに平ワッシャーをボルト・ナットと被締結物との間に挟み込むことでボルト、ナットが回転する着座面の摩擦係数が一定に なります。締結力をコントロールして狙い通りの結合を実現し、また面圧を下げて非回転緩みを防ぎます。
但し、失った軸力を補うことや回復させる事は出来ないので増し締めや定期的な緩みのチェック等のメンテナンスが必要です。そして回転緩みに対しては無力です。
適切なワッシャーの硬さを決定するには、ファスナーの強度を考慮する必要があります。ワッシャーの硬さを間違えると、陥没の危険性が高まります。陥没すれば非回転緩みが発生します。
「硬さ」についてはこちらをご覧ください。
スプリングワッシャー(ばね座金)
次にスプリングワッシャーについての考察です。
スプリングワッシャーについてはその形状から「接合面に食い込みねじやナットの回転を妨げて緩みのリスクを減らす」と言われますが、これは誤解です。スプリングワッシャーの本当の目的は、クランプ荷重の損失を減らして非回転緩みや回転緩みのリスクを低減することです。
しかし緩み防止効果を発揮できる場面は限られていて、例えば強度8.8以上のファスナーでの使用では(たとえ3号の【重荷重用】でも)その効果は非常に低いか、ほとんどありません。
このようにスプリングワッシャーは軸力の小さなファスナーでの締結箇所で効果を発揮します。
そしてこのような条件では一般的に締結材がデリケートな場合が多いので部材を傷つけることを防ぐためにスプリングワッシャーが平ワッシャーと併用されます。そしてスプリングワッシャーの緩み止め効果は限定的なので緩み止め対策としてスプリングワッシャーを単独で使用することはお勧めできません。
リブドロックワッシャー
リブドロックワッシャーは先に考慮した2種類のワッシャーと比較して別格の緩み止め効果を発揮します。
表面にリブ を設けたこのリブドロックワッシャーは、ワッシャー自体が非常に硬く（ばね鋼製の場合、硬さ380-510HV）、クランプされた部品とボルトやナットの着座面にがっちり喰い付き固定されるように設計されています。こうして摩擦を大きくすることで、ネジやナットの回転緩みを防止します。
また、このワッシャーは台形断面をした皿ばね状で締結時の変形による強い弾性力によって、着座面がある程度沈み込んでもボルトに軸力を保持させて非回転緩みに対しても効果を発揮します。それで振動の激しいところでも緩み止めとして機能します。このようにリブドロックワッシャーは回転緩み・非回転緩みいずれにも効果のある緩み止めワッシャーです。
平ワッシャーと併用してしまうとリブによる回転緩みの防止効果はキャンセルされてしまうので、リブドロックワッシャーは単独での使用をお勧めします。
まとめ
結論です。平ワッシャー・スプリングワッシャーそしてリブドロックワッシャーを緩み止めとして比較すると、
平ワッシャー：着座面積を増加させ面圧を下げることで部材の着座面の沈下を防ぎ、非回転緩みを防止する。そのため木や樹脂、アルミニウムなど被締結材が柔かい場合には緩み防止として特に有効に働く。しかし振動環境等で生じやすい回転緩みに対しては効果なし。
スプリングワッシャー：着座面の沈み込みによるクランプ荷重の損失を減らすことで回転緩みや非回転緩みを防ぐが、弱い軸力でのねじ締結においてのみ有効。それゆえに使用箇所が限定される。
リブドロックワッシャー：回転緩み、非回転緩みいずれに対しても有効に働き広く用いる事ができる、優れた緩み止め機能を持ったワッシャー。
このようにそれぞれのワッシャーの持つ長所短所を良く知り正しく使用するなら、私たちの暮らしの安心・安全を守るねじ締結を実現できます。
ねじの緩みの原因は複雑です。そのため、ねじの緩みを防止する対策品も多岐にわたります。
ねじでお困りですか？私達にご相談下さい。一緒に最適な解決方法を探しましょう！
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