ばねの基礎のお話し

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ばねは(跳ね)がなまって混用したのが語源というのが有力、英語のSPRINGも跳ね、春、泉、跳動を意味し弾力を想像する言葉
ばね、とは力をかけて変形状態にして後に力(蓄積エネルギー)を取り除くと元に戻る形状で弾性(反発力)を利用する機械要素
機械要素の語を無くして弾性を有効に利用する物とすると広い意味で弓矢なども当てはまります、従って我々人類のバネの歴史は相当古いと言えます。弓矢以外に広い意味で思い当たるものを考えて見て下さい。棒高跳びの棒も変形から棒の反発で人がバーを越える競技です、他にも結構存在してると思います。


コイルスプリングの基礎

写真左の写真を見て、これは何ですか?との質問に対して、1.ばね、2.バネ、3.スプリングの3語の内のどれかを答える事が出来ると大分類としては正解ですが更に種類となると、現在同種であっても正式名で呼ばずその特徴で様々に呼ばれます、関係者は当然分かってますが一般の方は言葉が違うので混同してしまいます、次項でまとめています。1と2については厳密には、語源から1の方が正解の様ですが大分類の3語は通常、同義語として呼んでいます。左写真に限ってもし大分類3語の前に押し、圧縮のいずれかを付けて答えられると作動方法や荷重状態を知っていて、種類まで分かってる事になります。圧縮コイルばねと答えれば大正解です。圧縮して使うコイル状(らせん状)のばねという訳です。


同じスプリングの種類

写真の形状の様に代表に3種が有ります、下が正式名ですが作動、加えるちからの状態で右の語の後に上記大分類の1〜3のいずれかを付けて呼ばれることが一般的に多くあってそれをまとめてみました。例えば、押しバネと圧縮ばね又はトーションスプリングとキックバネは同種。

画像1圧縮、圧縮コイル、押し

画像2引張、引張コイル、引き

画像3トーション、ねじり、戻り、キック

torsion トーションは、ねじる、ねじれの事、左右巻きそれぞれを1つに合体成形のダブルトーション〜も同種でダブルキック〜と呼んでいます

具体的に種類が分かると作動方法も分かります、写真の上から押す⇔戻る、引張る⇔戻る、ねじる⇔戻るとなります。


製造会社

製造会社名にスプリングやばねとあれば誰でも分かります、最近ではこれらの名が全く無い会社も増えてきましたが、〜発條(はつじょう)、〜発条もばね、ぜんまいを意味しスプリング製造会社です。更に社名が〜フォーミングも線材や板材を加工する(曲げる)と言う意味です、非常に複雑なワイヤー加工も得意でしょう。


材質

ピアノ線SWPとステンレスSUSを一般によく使用しますが反発性を有効利用するのが基本ですからそれが高いほうが優れる、これは必ずしも正しいとは言えません、弾性限に限ってはSWPの方が上です、強度のみが最優先なら反発力が上の選択で良いですが、この2種は性質が違う為に用途や使われる環境などを考慮して選ばなくてはなりません、又値段の安いものと決めてしまわずに分からない時には相談して適切な物を選択します。よく使われる材料


作り方

A 大型用の熱間成型加工法 ⇒ 材料の状態ですでに反発力があります、およそ15ミリ以上を使用して作る大型品は、反発力もそうとうでコイリングがそのままでは非常に困難です、そこで材料を高温に熱してからコイリングします。
B 中小型用の冷間成形加工法 ⇒ 中小型は通常の環境でバネを加工をします、家庭や身近に存在のほとんどはこの冷間方法で製造します。この方法の具体的な製造工程

例えば、ここに設計者から図面でバネの線径が1ミリでコイル径10ミリ(種類は何でも)指定があるとします、製作者は初めから10ミリにはコイリングしません、重要な工程の熱処理によって変化するからで簡単に言うと強度と形状の安定化を与える処理で行うと材質により全く反対の変化をします。指定の材質がステンレスなら径は広く、(ピアノ、硬鋼)線は狭くなる方へ変わります、従ってその変わる量を見込んで成形しますつまり熱処理後に指定寸法になるようにする訳ですが、変わる量は仕様により様々です。線径1ミリ指定の変化は無いので最初に指定材の選択します。

設備等無しの環境での自作は、何かに巻き付けられれば隙間の開いたらせん状の形は作れるかもしれませんが以外と難しいのは均等に密着に巻く事です、QandA にも掲載してあります、ご覧ください。一般に針金と呼ばれるものがありますが非常に柔らかくフニャフニャですこれを使えば色々な形状にできますがバネ用としては不向きです、あまりにも弾性がありません、但し少し複雑なトーションバネはいち早く形状を把握する為に針金を利用したりしますが製品にはなりません。

 

スプリングの強さを表す用語

以前はkgでしたが現在この値は、N(ニュートン)単位で表します、具体的に〜mm変化させることによってでるちからは1 荷重(N)で記号はP、又は1ミリに限定変化の力は、2 ばね定数(N/mm)で記号はkです。2はバネレート、スプリングレートとも呼ばれます。


強さを変える

どの様に変更すると良いのか、これは設計の基本計算式を見ると良くわかります、上記のPとk求める基本式を記します
P=G d4 δ/8 Na D3
k=P/δ=G d4/8Na D3
記号ばかりですが各用語の詳しく解説のページがありお時間があればご覧になって下さい。dは線径(太サ)、Dはコイル中心径、Naは有効巻数、δはたわみ、Gは横弾性係数です。さて、どの寸法箇所を変えると最も効果が出るでしょうか?dは4乗していますので最も効果的なのが分かります、ばねの線径とは、材料の太さのこと。Gは材料特有の値でステンレスSUSは69500、ピアノ線SWPは78500です、従って全く同寸法のSUS、SWPのスプリングの強さはSWP使用の方が強いのが分ります。りん青銅のGは42000です、同寸法ではかなり弱くなります。
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以下は強弱の基礎と考慮すべき事項です
1 強弱の幅が大きい時は、dを変更
2 全長を長くすると強い、短くすると弱くなる
3 Dを細くすると強い、広くすると弱くなる
4 巻き数を減らすと強い、増やすと弱くなる
5 トーションスプリングはアーム角度で変更は可能
6 材質を変えることでも可能、但し、用途によっては不可

上記1〜6までの注意点
1 0.1mm程度UPでもかなりの効果があって、1mmなら倍にするには2mmに、これは間違いですね、倍どころではなくなってしまいます
2 ピッチが開きすぎは、全長の減少を起こしてしまい適正内(D/2以下)で行う ピッチ参照
3 取り付け状態をよく見る、押しバネは内にシャフトが入るか自身が穴に入る取り付けがほとんどで変更後取り付け、作動が正常にできるかを確認
4 2と同様の注意
5 最大までの角度を多く取ると戻ってこなくなってしまう事がある
6 G(横弾性係数)の値の違いで可能だが選択が適切な場合は変えずの方が良い

強弱変化でそれまでの適正作動範囲が変わります特に強くするとその範囲が少なくなってしまう事があって注意が必要、他の箇所に悪い影響が無いかも考慮する


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