⚡ 要点
- スプリングワッシャはほとんど効きません。Dravid や Pinelli らによるユンカー試験では、スプリングワッシャを組み込んだボルトは、ワッシャを入れないボルトよりも実際に軸力の低下が速いことが示されています。ドイツの規格団体（DIN/NAS）は動的荷重への使用を推奨しなくなりました。
- 第 1 階層：ねじロック剤（化学的ロック）と戻りトルクナット（ナイロンインサートまたは全金属）。標準的なユンカー試験で軸力保持率が最も高い方式です。
- 第 2 階層：ウェッジロックワッシャ（Nord-Lock タイプ）、正しい手順で締め付けたダブルナット、偏心ナット、SMA 形状記憶ナット。
- 平座金はゆるみ止めにはなりません。座面を保護するだけです。「平座金を追加する」をゆるみ止め対策として数えてはいけません。
- ダブルナットは手順がすべて：下側のナットをトルク管理して締めて保持し、その上から上側のナットを当てます。順序を誤るとロック効果はほぼゼロになります。
- ナイロンインサートは 120 °C を超えるとクリープします。連続加熱では数百時間でロックトルクが失われるため、高温の継手には全金属ナットかねじロック剤が必要です。
- ゆるみの進行速度は軸力 × 摩擦係数 × 横振動振幅で決まります。軸力を上げずにナットだけを変えても、効果はほとんどありません。
- 選定は「最も強力なゆるみ止めを選ぶ」ことではありません。ロック性能、保守性、コスト、温度、アクセスのバランスです。以下の 7 ステップの枠組みがそのバランスを取ります。
1. 本稿の背景：2 件の実際の事故
2. ねじがゆるむ理由：メカニズム
3. 従来の 7 つのゆるみ止め
4. 新しい 3 つのゆるみ止め
5. 設計レビューにそのまま使える 3 つの比較表
6. 7 ステップの選定フレームワーク
7. 技術者が最もよく犯す 6 つの誤り
8. よくある質問：実務の 10 問
9. 規格と参考文献
1. 本稿の背景：2 件の実際の事故
2010 年 6 月、深センの OCT East にあるアトラクション「Space Loos」が崩落し、6 人が死亡、10 人が負傷しました。調査では直接原因は連結ボルトの疲労破壊であり、破壊は繰返し荷重下でねじ継手がゆるみ、ねじ谷に応力が集中した箇所から始まったと結論づけられました。
2007 年、英国で高速列車が脱線しました。Gong らはレビューでこの事例を引用しています。車輪の界面に働く繰返し荷重でナットがボルトから緩み、それが脱線の直接の引き金の一つになったというものです。
どちらの継手もスプリングワッシャ付きの普通ボルトを使っていました。「スプリングワッシャ＝ゆるみ止め」は設計室ではほとんど条件反射になっていますが、Junker が 1969 年に横振動理論を発表して以来、50 年にわたる試験は、スプリングワッシャの軸力保持性能が多くの人の想定よりはるかに低いことを示しています。
本稿はReview on anti-loosening methods for threaded fasteners（ねじ締結部品のゆるみ止め方法に関するレビュー、Gong H., Liu J. H., Feng H. H.、Chinese Journal of Aeronautics、2021）に、NASA-STD-5020、ISO 16047、GB/T 3098、GB/T 10431 を加えて構成しています。主要 10 方式の実力値を、図面と照合できる形で示します。数値はすべて原典の試験条件に基づくものです。
2. ねじがゆるむ理由：メカニズム
多くの技術者は、ゆるみとは「ナットがひとりでに回ること」だと考えています。しかし実際のゆるみは、軸力の低下と回転という 2 つの段階を踏んだプロセスであり、対策も段階ごとに変えなければなりません。
2.1 軸力は継手の生命線
ボルトを締め付けると継手は圧縮され、ボルトは伸びます。この引張力が軸力 Fvです。Fv が保たれている限り、継手は滑らず、ねじ対も回転しません。ゆるみとはナットが回ることではなく、軸力が臨界値を下回り、その後にねじ対が回り始めることです。
軸力は、大きく分けて次の 2 つの経路で失われます。
- 弾性変形となじみによる緩和：継手面の微小突起がつぶれて接触部がクリープするため、Fv は数分から数日のうちに 5–20% 低下します。
- 横振動による回転ゆるみ：Junker の 1969 年の試験は、締結板がボルト軸に直角に動くと、ねじ部と座面の摩擦が瞬間的に消え、ボルトがリード角に沿って自ら回り出すことを示しました。これが最も危険で最も多いモードです。
2.2 ユンカー試験：すべてのゆるみ止めに共通の試験場
現在、ゆるみ止め性能はユンカー横振動試験（DIN 65151 / ISO 16130 / GB/T 10431）で評価します。偏心カムで 2 枚の板に相対的な横移動を与え、ボルトを貫通させ、ロードセルで Fv の時間変化を記録します。
指標は軸力保持率、すなわち 2000 サイクル後の残留 Fv を初期 Fv で割った値です。高いほど優れています。
2.3 ゆるみ速度を決める 5 つの変数
- 初期軸力 Fv：高いほど安全ですが、降伏を超えてはいけません。
- ねじ部と座面の摩擦係数 μ：μ が高いほど回転に抵抗しますが、μ のばらつきは軸力を不安定にします。
- 横振動振幅：板間の相対すべりが大きいほど速くゆるみます。
- 締付長さと径の比 L/d：細長いボルトは振動を吸収します。L/d = 3 未満ではほぼ確実にゆるみます。
- 継手剛性：剛な厚板は、薄板や鋳物より横すべりを伝えやすい。
3. 従来の 7 つのゆるみ止め
3.1 平座金
平座金は座面圧力を分散し、回転するナットから継手面を保護し、大きすぎる穴を埋めます。ゆるみ止め効果はまったくありません。Pinelli ら（2012）は、あり／なしで軸力保持率がほぼ同一であることを確認しています。
3.2 スプリングワッシャ
カタログの中で最も過大評価されている部品です。割り口が座面に食い込み、弾性張力を蓄えるという考え方です。試験データはこれに反します。
- Dravid ら（2012）：スプリングワッシャ付きのボルトは、ワッシャなしより速く軸力を失いました。割り口が応力を集中させ、局所すべりを加速するためです。
- Pinelli ら、車両での 24 か月の供用：実用的な軸力を保持したスプリングワッシャ継手は 1 件もありませんでした。
- 割り口は繰返し振動で継手面を傷つけ、腐食の起点になります。
3.3 皿ばね座金（Belleville）
円錐形の皿座金は弾性たわみを蓄え、その本質的な役割は緩和の補償です。継手がなじむと皿が開いて締付力を維持します。Sawa の FEA は、熱膨張差が大きい継手（アルミと鋼、異種金属の積層）で明確な効果を示しています。ただし横振動下の回転ゆるみは止められません。そのため熱サイクル（エキゾーストマニホールド、熱交換器）向きであり、連続的な横加振（台車、スクリーンデッキ）には向きません。選定では、狙いが熱による緩和の補償なのか、振動による回転の抑止なのかを先に切り分けてください。
3.4 ウェッジロックワッシャ（Nord-Lock タイプ）
過去 20 年間で風力・鉄道・鉱山において最も普及した解です。1 組のワッシャで、外面に放射状の歯、内面にくさびランプを持ち、くさび角 α はねじのリード角 β より大きくなっています。
緩めようとすると、ボルトはランプを乗り上げます。α > β なので、乗り上げに必要な軸力が緩みで解放される軸力を上回り、緩めようとするほど締まる構造です。
Misiek（2017）と Lai の FEA はいずれも、標準ユンカー試験で 80% 以上の軸力保持率を確認しています。欠点は高コスト（1 組でスプリングワッシャの 20–50 倍）、大径での平面度敏感性、穴径の余裕が大きすぎる場合に不向きなことです。採用時には、座面の平面度と穴径の管理値を図面で明確に指定してください。
3.5 歯付き座金
内歯または外歯が座面に食い込んで機械的にロックします。軟質材料（アルミ、樹脂、薄板）で歯が沈み込む場合は有効ですが、焼入れ鋼や高強度鋼では歯が摩耗して平坦になり、ロック効果は失われます。継手面の損傷も大きいため、塗装やアルマイト処理をした部品には避けてください。
3.6 ダブルナット
2 つのナットを押し付け合うと、ねじ対に余分な法線力が発生します。この力がねじ部の摩擦を増やして回転を妨げるのが、ダブルナットの原理です。現場のダブルナット継手は 10 個のうち 9 個まで、組立順序が誤っています。
正しい手順（NASA-STD-5020 の実務）は次のとおりです。
- 下側（本締め）ナットをトルク管理して締め、レンチで保持する。
- 上側（共締め）ナットを、座面が当たるまでねじ込む。
- 両者が押し付け合う軸力が降伏の 30–50% に達するまで締め付ける。
Zhang ら（2019）は、正しい順序で 3 倍以上の軸力保持率を測定しています。順序を誤ると、ダブルナットはシングルナットと同等の性能しか出ません。
3.7 ナイロンインサートナットと全金属戻りトルクナット
ナット上部のナイロンリングがボルトで押し広げられ、摩擦を付加します。シンプルで取り外しでき、安価——自動車や電子機器で既定のゆるみ止めナットです。
致命的な弱点は温度です。120 °C を超えるとナイロンがクリープし、ロックトルクは数百時間で半分以上に低下します。エキゾーストマニホールド、ブレーキ、炉内部品にナイロンナットは使えません。
全金属戻りトルクナット（Spiralock タイプの三角ねじ、ASTM A194 Grade C）は、ナット上部を楕円・スリット・クリンプ形状に変形させます。250 °C まで使えますが、5–10 回を超える再用は避けるべきです。
4. 新しい 3 つのゆるみ止め
いずれも航空宇宙、宇宙、ロボティクスで急速に採用が進んでいます。
4.1 ねじ山変形ロックナット
外観：ナットの最後の 2〜3 山を 60° V から曲面谷（約 30° の円弧）に変えたものです。外観は六角ナットと区別できませんが、ボルトねじ山が滑るのではなくくさび状に食い込むため、回したときに重く感じます。
ロックする理由：通常のナットでは、ねじ谷の半径すきまのためにボルトが横荷重下で揺動し、自然に緩んでいきます。変形ねじ山は接触を谷から山頂へ移し、そのすきまを構造的に消します。ユンカー保持率は 90% 超、15 回以上の再用が可能で、航空機やロボットの継手で最も伸びている選択肢です。ただし下穴とボルトの公差管理は、通常のナットより厳しくする必要があります。
4.2 SMA 形状記憶ナット
ニッケルチタン合金製で、変態温度以上に加熱してボルトに被せ、収縮させます。軸力は従来ナットより 30% 高くなりますが、コストが極端に高く、用途は航空エンジンの重要部位に限られます。
4.3 ねじロック剤（化学的ロック）
機械的なデバイスではなく化学的ロックです。Loctite 243（中強度）と 263（高強度）は嫌気硬化し、ねじ対を一体化します。
Cheatham と Dattilio はいずれも全方式の中で最高の軸力保持率を報告し、継手面の損傷もありません。制約は、表面が清浄であること（油分は接着強度を 70% 低下させます）、243 は常温で手工具により解体できるが263 は永久で 150 °C への加熱か削り取りが必要なこと、どちらも 150 °C を超える連続使用には不向きなことです。
5. 3 つの比較表
表 1 — ユンカー性能で順位付けした 10 のゆるみ止め
出典：Gong et al. 2021、Table 2。標準ユンカー試験（DIN 65151）、横振動 2000 サイクル。
| 階層 | 方式 | 軸力保持率 | 保守性 | 温度 | 相対コスト |
|---|---|---|---|---|---|
| 第 1 階層 | ねじロック剤（243 / 263） | > 90% | 243 は解体可 / 263 は永久 | -55〜150 °C | ★ |
| 戻りトルクナット（全金属 / ナイロン） | 70–90% | 5–15 回再用 | ナイロン 120 °C / 金属 250 °C | ★★ | |
| 第 2 階層 | ねじ山変形ロックナット | 80–90% | 15 回再用 | 250 °C | ★★★ |
| ウェッジロックワッシャ | 70–85% | 完全解体可 | 250 °C | ★★★★ | |
| ダブルナット（正しい順序） | 60–80% | 完全解体可 | 300 °C | ★★ | |
| SMA 形状記憶ナット | 85%+ | 解体不可 | 合金による | ★★★★★ | |
| 第 3 階層 | 皿ばね座金 | 回転ではなく緩和を補償 | 完全解体可 | 300 °C | ★★ |
| 歯付き座金（軟質材） | 40–60% | 完全解体可 | 200 °C | ★ | |
| 偏心 / セルフロックナット | 50–70% | 解体可 | 200 °C | ★★ | |
| 非推奨 | スプリングワッシャ | < 30%、しばしばそれ未満 | 完全解体可 | 200 °C | ★ |
| 平座金 | ≈ 0（ロックなし） | 完全解体可 | 300 °C | ★ |
表 2 — 用途別の推奨方式
| 用途 | 第一選択 | 代替 | 避けるべき |
|---|---|---|---|
| 自動車シャシ、サスペンション、ナックル | ウェッジワッシャ + 10.9 級ボルト | 全金属戻りトルクナット | スプリングワッシャ、排気系付近のナイロンナット |
| エキゾーストマニホールド、ターボチャージャ | 高温用ねじロック剤 + 皿ばね座金 | 全金属ナット（250 °C） | ナイロンナット、スプリングワッシャ |
| 風車ブレード、タワーフランジ | ウェッジワッシャ + トルクボルト | ねじロック剤 + MoS₂ ペースト | スプリングワッシャ、汎用ナイロンナット |
| 民生電子機器の筐体 | ナイロンナット / クリンチナット | Loctite 222（低強度） | スプリングワッシャ（スペースの無駄） |
| 鉄道車両台車 | ダブルナット（正しい順序）+ 割りピン | ウェッジワッシャ | スプリングワッシャ |
| ヒューマノイドロボットの関節 | ねじ山変形ナット + ねじロック剤 | ウェッジワッシャ | スプリングワッシャ |
| 薄肉アルミ | 歯付き座金（軟質金属に沈み込む） | ナイロンナット | 平座金（座面が反る） |
| 頻繁に整備する箇所 | ウェッジワッシャ / 全金属ナット | ダブルナット | 高強度ねじロック剤 |
表 3 — コストと性能
「スプリングワッシャ + 普通ナット」= 1× を基準とした倍率です。価格ではなく倍率なので、自社の購買数値をそのまま当てはめられます。
| 方式 | 相対コスト | ライフ中の再用性 | 代表用途 |
|---|---|---|---|
| スプリングワッシャ + 普通ナット | 1×（基準） | 無制限 | 静的、振動なし |
| ナイロンインサートナット | ≈ 4× | 5–10 | 民生電子機器、家電 |
| 全金属戻りトルクナット | ≈ 12× | 5–10 | 自動車、鉄道 |
| ウェッジワッシャ（1 組） | ≈ 30–75× | 無制限 | 風力、鉄道、産業機械 |
| ねじ山変形ロックナット | ≈ 40–100× | 15 | 航空宇宙、ロボット関節 |
| ねじロック剤（1 継手あたり） | ≈ 1.5× | 243 解体可 / 263 永久 | ほぼ全域 |
| SMA 形状記憶ナット | > 1000× | 解体不可 | 航空エンジンの重要部品 |
6. 7 ステップの選定フレームワーク
図面をこの 7 ステップに通せば、通常は答えが自然に出ます。順番に確認するだけで、候補は 2〜3 案に絞り込めます。
ステップ 1 — 横振動はあるか
継手を手で揺すります。相対変位が見える（> 0.1 mm）、あるいは用途が回転機械、鉄道車両、道路車両、風車であれば、スプリングワッシャと平座金は即座に除外して次へ進みます。
ステップ 2 — 温度はいくらか
- ≤ 120 °C：ナイロンナットが使えます。
- 120–250 °C：全金属ナット、ウェッジワッシャ、高温用ねじロック剤。
- > 250 °C：皿ばね座金と高温用ねじロック剤の併用、または Inconel 全金属ナット。
ステップ 3 — 分解するか
- 頻繁なアクセス（カバー、点検パネル）：ウェッジワッシャ、全金属ナット、ダブルナット。
- 分解しない（構造体）：高強度ねじロック剤。
- 時々（年次整備）：中強度の 243。
ステップ 4 — 継手の材料は何か
- アルミ、樹脂、薄板：歯付き座金かナイロンナット。座面が反る平座金は避けます。
- 焼入れ鋼・高強度鋼：ウェッジワッシャかねじロック剤。歯は摩耗して平坦になります。
- 鋳鉄：平座金と戻りトルクナットの併用。多孔質の表面には荷重分散が必要です。
ステップ 5 — L/d を確認する
3 未満ではボルトが剛すぎて、機械式のゆるみ止めでは継手を救えません。スリーブで締付長さを延ばす、長いボルトを使う、ねじロック剤を併用する、のいずれかを行います。
ステップ 6 — 予算と数量
表 3 を使います。1–2× ならねじロック剤か普通ナット、4–12× ならナイロンまたは全金属の戻りトルクナット、30–100× ならウェッジワッシャかねじ山変形ナット、SMA ナットは航空エンジンの極端なケースのみです。
ステップ 7 — 試作して検証する
GB/T 10431 または ISO 16130 で 2000 サイクルを回し、軸力保持率 60% 以上でのみリリースします。サプライヤのカタログ曲線でリリースしてはいけません。社内試験 1 回が、買える中で最も安い保険です。
7. 技術者が最もよく犯す 6 つの誤り
そうではありません。スプリングワッシャは横荷重下でほとんど働かず、表面を傷つけます。自動車シャシや風車フランジの多くは、すでに採用をやめています。
順序を誤るとロック効果はゼロです。下側ナットを保持し、上側ナットを当ててから、互いに締め付けます。
120 °C を超える連続使用ではインサートがクリープし、ロックトルクは約 500 時間で半減します。
油分の混入は接着強度を 70% 以上低下させます。まず IPA か脱脂剤でねじ部を洗浄してください。
μ のばらつき 0.10–0.18 により、同じトルクでも軸力は最大 80% 変動します。重要継手にはトルク角法か超音波軸力計が必要です。
根本原因は軸力不足です。降伏の 60–70% 未満では、どんなゆるみ止めも保持できません。まず軸力を計算し、その後にデバイスを選びます。
8. よくある質問：実務の 10 問
Q1. スプリングワッシャは全面的に廃止できますか
静的で振動がなく、安全上重要でない継手（内装パネル、軽荷重のカバー）では依然として許容されます。動的荷重、人身リスク、高額なダウンタイムがある箇所では、ウェッジワッシャかねじロック剤に置き換えてください。
Q2. 厚いウェッジワッシャの方が良いですか
いいえ。くさび角はリード角より厳密に大きい必要があり、1 組で使わなければ意味がありません。単品では何も起きません。M16 を超える場合は、目視検査しやすいケーブルマーク付きを選びます。
Q3. ナイロンナットは何回再用できますか
業界の実務は 5–10 回の組立です。組み付けるたびにインサートが広がり、ロックトルクが下がります。航空宇宙では 3 回で廃却することが多いです。
Q4. 222、243、263 のどれを選びますか
222 は低強度で M6 以下、調整可能。243 は中強度で解体でき、M20 以下の一般用途。263 は高強度で M20 超の永久固定です。常に保持できる最も低いグレードを選んでください。高すぎるグレードは分解できなくなることがあります。
Q5. アルミには何が効きますか
アルミのねじ山は弱く、ねじロック剤は取り外し時にねじ山を引きちぎることがあります。軟質金属に沈み込む歯付き座金を使うか、先にワイヤスレッドインサートを入れてからナイロンナットを使います。
Q6. ステンレスボルトにスプリングワッシャは使えますか
いいえ。ステンレス同士はかじりを起こします。組立時に焼き付き、取り外し時にせん断します。全金属戻りトルクナットかコーティング座金を使ってください。
Q7. 降伏の 70% は安全ですか
はい。ISO 898-1 は 8.8 級の耐力を 640 MPa とし、軸力として降伏の 60–75% を推奨しています。破壊のリスクは約 90% を超えると始まります。
Q8. 300 °C を超えると何が効きますか
Inconel 718 ボルト、皿ばね座金、MoS₂ 潤滑です。ねじロック剤は 150 °C 以上で軟化し、ナイロンインサートは 120 °C で失陥します。
Q9. 再用できるゆるみ止めナットはどれですか
全金属は 5–10 回、ナイロンは 5 回、ねじ山変形は 15 回、ウェッジワッシャは無期限、ねじロック剤は実質 1 回です。
Q10. 供用中にボルトがゆるんだことをどう知りますか
点検時にナットと継手をまたいで合いマークを塗ります。線がずれていれば動いています。最も安価で確実な一次診断であり、重要継手では日常点検の項目に入れてください。重要継手ではボルト軸力インジケータや感圧塗料が使えます。
9. 規格と参考文献
中国規格
- GB/T 3098.1 ボルト、ねじ、スタッドの機械的性質
- GB/T 10431 締結部品の横振動試験方法
- GB/T 94.3 スプリングワッシャ — さね形および波形
- GB/T 6184 戻りトルク六角ナット、スタイル 1、全金属
- GB/T 889.1 戻りトルク六角ナット、スタイル 1、非金属インサート
国際規格
- ISO 898-1 締結部品の機械的性質
- ISO 16047 締結部品 — トルク／締付力試験
- ISO 16130 締結部品 — 戻りトルク形の性能試験
- DIN 65151 航空宇宙 — ねじ締結部品のゆるみ止め性能
- NASA-STD-5020 ねじ締結システムの要求事項
主要文献
- Gong H., Liu J. H., Feng H. H. ねじ締結部品のゆるみ止め方法に関するレビュー. Chinese Journal of Aeronautics, 2021. DOI: 10.1016/j.cja.2020.12.038
- Junker G. H. 振動下における締結部品の自己ゆるみに関する新たな評価基準. SAE Automotive Engineering, 1969, 78:314–335.
- Dravid S., Tripathi K., Chouksey M. 平座金とスプリングワッシャの戻りトルクによるロック挙動の実験的研究. Int. J. Eng. Res., 2012.
- Pinelli M., Subramanian C., Tabor J. 供用中における初期緩みトルクの実験的研究. Transport Research Record, 2012.