皿ワッシャー選択ガイド: サイズ、シリーズ、積み重ね

DIN EN 16983 シリーズ システムについて

皿ワッシャー 万能の製品ではありません。従来の DIN 2093 規格は現在 DIN EN 16983 に吸収されており、ワッシャーを寸法比に基づいて 3 つの異なるシリーズに分類しています。シリーズ文字は、ワッシャーの剛性プロファイルを直接示します。敏感なアルミニウム フランジにシリーズ A ワッシャーを使用すると、埋め込みや変形が発生します。一方、シリーズ C ワッシャーは、振動環境下での自己緩みを防ぐのに十分な残留クランプ荷重を供給できない可能性があります。

シリーズ B は、耐振動性が必要なほとんどのボルト接合の主力製品として機能します。シリーズ B ワッシャーを使用可能なたわみの合計の 75% まで平らにすると、荷重の増加は安定して予測可能になります。シリーズ C ワッシャーは、留め具をスナップするのに十分なクランプ力を増加させることなく、ボルトによる大幅な軸方向の膨張を吸収できるため、動的な熱環境に独自に適しています。

ボルトの正しいサイズの計算

ワッシャーの物理的形状は、ボルトのシャンクと合わせ面に一致する必要があります。これには 3 つの重要な次元チェックが含まれます。まず、ワッシャーの内径は、最小限の隙間でボルトのねじ山の外径をクリアする必要があります。ここでの嵌合が甘いと偏心荷重が発生します。第 2 に、ワッシャーの外径によって、クランプされた材料にかかる軸受応力が決まります。ワッシャーの下の表面が柔らかい場合、圧縮降伏強度を超えると埋め込み緩和が発生します。第三に、ワッシャーの厚さと無負荷状態のコーンの高さによって、ワッシャーが固まる前にどこまで圧縮できるかが決まります。通常の動作荷重では皿ワッシャーが平らな位置に達することはできません。少なくとも安全マージンを残さなければなりません 総たわみ移動量の 10 ～ 15% 固着を防ぐため。

ワッシャー ID とボルト サイズの一致

標準のメトリック サイズがグループ化されています。 M8 ボルト用に設計されたワッシャーの内径は通常約 8.4 mm です。ただし、転造ねじを使用する構造用途の場合、実際のボルト本体の直径は公称値をわずかに下回る場合があります。ベースラインとして次の組み合わせを確認してください。

• M6 ボルトにはワッシャー ID 〜 6.4 mm、外径は通常 12.5 mm または 14 mm が必要です。
• M12 ボルトにはワッシャー ID ～ 13 mm、外径は通常 23 mm または 28 mm が必要です。
• M20 ボルトにはワッシャー ID ～ 21 mm、外径は通常 36 mm または 40 mm が必要です。

オーバーサイズの OD を選択すると、反力がより広い領域に分散され、面圧が軽減されます。これは、表面応力を以下に抑える必要があるグラスファイバー フランジや軟質アルミニウムをクランプする場合に重要です。 100MPa .

スタッキング構成とそのバネレート

積み重ねると、単一のワッシャーの性能限界が変わります。 3 つの基本的な積層配置により、まったく異なる荷重とたわみの特性が生成されます。並列スタックは特定のたわみに必要な力を増大させますが、直列スタックは特定の力で利用できる合計たわみを増大させます。これらを混合すると、カーブ内にニーポイントを持つプログレッシブ スプリング システムが作成されます。

平行スタッキングで力を強化

同一のワッシャーを互いの内側に入れ子にし、すべて同じ向きにします。 2 つのワッシャーを並列に配置すると、同じたわみに対する力の出力が 2 倍になります。 5 つのワッシャーを平行に配置すると、力が 5 倍になります。ただし、入れ子になったコーン間の摩擦によりヒステリシスが増加します。実際には、4 つのワッシャーを並列に積み重ねると、 摩擦損失は約6～8% 理論上の線形乗算と比較します。二硫化モリブデンペーストで合わせ面を潤滑することは、3 枚のワッシャーを超える並列スタックでのトルクから予荷重への変換を予測可能にするために必要です。

シリーズスタッキングで長距離移動も可能

各ワッシャーの向きを交互にして、互いに向かい合うようにします。 2 つのワッシャーを直列に使用すると、同じ力レベルでの総たわみ容量が 2 倍になります。 4 個を直列に積み重ねると、移動量が 4 倍になります。この配置は、周期的な熱膨張を受けるボルト締めフランジに活荷重を加えるのに最適です。スタックはコンプライアントなスプリングのように機能し、数ミリメートル伸縮するギャップにわたってクランプ荷重を維持します。

漸進曲線の混合スタッキング

平行ワッシャーのセットと直列ワッシャーのセットを組み合わせます。典型的な構成は、「トリプル並列、ダブル直列」スタックです。これは、3 つのワッシャーが一緒にネストされ (並列)、次にそれらのトリプルネストのうちの 2 つが対向する (直列) ことを意味します。スプリング カーブは、最初は平行なトリプルの堅く強い力のパスに従います。過負荷によりジョイントがわずかに分離すると、直列の反対側が噛み合い、バネ定数が大幅に柔らかくなり、疲労破壊を引き起こすボルト張力の急激なスパイクが防止されます。

材料の選択と腐食界面

ワッシャーの母材によって疲労寿命と耐食性が決まります。 42 ～ 48 HRC に焼き入れおよび焼き戻しされた標準炭素鋼 (C67S、1.5014) は、屋内用途の大部分をカバーします。屋外の構造ボルト締めや海洋環境では、AISI 316 ステンレス鋼またはインコネル 718 が必要ですが、合金ばね鋼と比較して引張剛性が大幅に低下します。

中間硬化平ワッシャーを使用せずに、硬質炭素鋼の皿ワッシャーと柔らかいステンレス鋼のボルトを決して組み合わせないでください。スプリング ワッシャーの円錐形のエッジがボルトの座面に食い込み、疲労亀裂を引き起こす応力上昇を生じます。面取りされたボアを備えた薄い表面硬化平ワッシャーがボルトヘッドのフィレット半径を保護します。

皿ワッシャーによる予圧の設定

トルクではなくスプリングのたわみがクランプ力を決定するため、トルクを使用して Belleville スタックにプリロードを設定することは信頼性がありません。正しい方法は、希望するプリロードでのスプリングのたわみを計算し、その物理的なたわみが測定されるまで締め付けることです。総移動量が 2.15 mm の単一のシリーズ B ワッシャーの場合、 たわみ 1.5mm (移動量の 70%) 定格平坦荷重を達成するために。これは、ダイヤルインジケーターまたはクランプされたプレート間のギャップを測定する深さマイクロメーターで確認されます。ワッシャーのスタックが隠れている場合は、油圧張力を使用するか、超音波でボルトの伸びを測定します。トルクレンチのみに頼ると予圧がばらつく可能性があります。 ±25% 、多くの場合、ワッシャーの弾性作動範囲を超えます。

一般的な障害モードの回避

疲労破壊は通常、圧縮中に引張フープ応力が集中するワッシャーの内端から始まります。ワッシャーの凹面にショットピーニングを施すと、亀裂の発生が遅れます。内径に対する座面に鋭いバリや溶接スパッタがないことを確認してください。ボルトシャンクのバリは切削工具として機能し、ワッシャーの穴に傷を付け、破壊の起点を生成します。もう 1 つの見落とされている失敗は、逆スタッキングです。 1 つのワッシャーが誤って裏返されると、ジョイントはばね機能を完全に失い、平らなジョイントになり、すぐに緩みやすくなります。検査中に逆ワッシャーが視覚的に明らかになるように、組み立て後は常に平行スタックの外縁にペイント ペンで印を付けてください。

高振動ジョイントの適用チェックリスト

デザインを決定する前に、次の 5 つのポイントを確認してください。まず、ボルトのクランプ長さは、ワッシャのたわみがジョイント全体の弾性の重要な部分となるのに十分な長さでなければなりません。第二に、ワッシャーは最大使用負荷時に平らに平らになってはいけません。第三に、座面を硬化するか、平ワッシャーで保護する必要があります。第 4 に、平行ワッシャーの数は、摩擦の軽減をせずに 4 つを超えてはなりません。第 5 に、材料は環境の上限温度に、熱を失うことなく耐える必要があります。これらのチェックのいずれかが欠けていると、わずかな量の埋め込みで張力が失われるスプリット ロック ワッシャーではなくベルビル ワッシャーを選択する根本的な理由が損なわれます。