座屈現象とその対処

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縦横比(全長/コイル平均径)が大きいいわゆる細長く圧縮量が多い押しバネに起こりやすい変形 0.8〜4を推奨


座屈とは

設計で問題有りと成るチェックポイントにすべてでありませんが代表に下の4つの事項が有ります。製作スプリングが1〜3になってしまう時も悪い状況を起こす可能性があるがこの項で特に問題になるのは4の縦横比でもっと詳しく言うと上限の4倍を著しく超えるスプリング、バネに起こる可能性がある変形現象のことです。

  1. ピッチがコイル中心径の半分以下で無い
  2. 使用する線径とコイル中心径との関係が4〜20倍の範囲を超す
  3. 有効巻き数が3以下
  4. 縦横比が0.8〜4の範囲外

例えば細く長い柱に上から力を加えていくと突然柱が横に曲がり始める状態を越してしまいます。徐々に直線的に強い荷重が加えてゆくとあるところで力が横に逃げようとする為で、同様に圧縮荷重される押しバネにおいても縦横比(全長がコイルの平均径に比べて)が大きいいわゆる細長い形状の強力仕様のタイプは圧縮量も非常に多い為、同様の状態が起こる時が多々有ります、これをバネの座屈現象と言い変形や最悪破損する場合もあってサージング現象とともに破損原因の一つの要因になることもあって注意が必要です。徐々に荷重が加えられてゆきある程度の力に達すると横方向に隙間(余裕)があればそちらの方向へ逃げようとしてそこの箇所が横ずれ状態になりそのままさらに荷重が加わって行くと変形したままで圧縮してしまいその結果、変形と全長の減少をおこし使用不可になってしまう。この状態を防ぐ為には、まず起こりにくい仕様(縦横比)内での設計をする、但しその設計が無理であれば幾つかの対処方法を取り防ぐ様にします。

起こりにくい寸法/バネの縦横比を適切な範囲に

この座屈を防ぐのに、一般にはバネの縦横比(全長/コイル平均径 L/D)の値を0.8以上4以下におさえると良いとJISでも推奨していますが、0.8〜4の範囲の特に上限を大きく超える、いわゆる細長いタイプは多く見かけ又注文も生産も実際にはとても多く、設計上でどうしても座屈現象が起こりうる寸法になってしまう時には、製造工程の問題というより作動使用の際の取り付け固定方法を重要視して対策方法をとります。

対処法 1 固定方法/適切なばね案内棒(シャフト)を選定

具体的には、このタイプの形状を作動使用させる際には、固定方法として内径に適切なバネの案内棒(シャフト)を入れるか、自体を穴に入れる様にセットします。使用していて明らかな変形以外に急に弱くなる場合、巻き数不足で全長が減少してしまった事がまず1つ原因として考えられるがそれが問題なしであるのなら巻き部分をよく見て波打った様な状態になっていると、案内棒(シャフト)が細すぎて間に隙間がありすぎて横ずれ状態のままの作動をしてしまった可能性が考えられます。波打状態は比較的軽い状況と言えるのですが重要なのは丁度良い寸法の案内棒(シャフト)でバネの内径との隙間はできるかぎり小さくしたほうが良く、自体が穴に入るのであればその穴寸法が大事で、これもなるべく隙間は小さいのがベストで、ばねと穴の内寸法の差が大きすぎるとやはり横ににげようと座屈現象が起きる可能性があります。反対に窮屈すぎても作動時にどこかが接触しキズを付けてしまうのも良くありません。適切な案内棒の選択はとても難しい事のようですがとにかく力を加える際に横方向へ逃げないで直線状に徐々に力が加わってゆくようにさせる、これが重要です。
適切なシャフト

対処法 2/両端末の研磨処理、ピッチをなるべく狭く

両端末の座に対して研削処理をして傾きを極力無くすこと、更に研削によって両端部の接地部分は線から面に変わり多少広くなり又適切な案内棒(シャフト)との組み合わせにより直線的に荷重を受けやすく横にずれるのを防ぐ効果があります。通常、細長い形状の押しばねは、傾きを小さくする為に研削処理はよく行われる工程で、もししてない場合は是非行うようにしましょう。更にもう1つの対処法としてピッチは広いより狭い方が良いので密着長、圧縮量などがクリアーできるのなら巻数を多くして狭い線間にすると良く、例えば1.5mmで巻き数20の場合、1.6mmに線径をUPして1.5mmと同じ強度にできる巻き数に増やせるのならその方がバネ座屈は多少でも起こりにくくなるはずで、ピッチは広いと有効巻き部が膨らんでしまうことも有り、もし過大評価の時は上記の様な処置を取りコイル平均径の半分以下に先ずはするべきです。

L=高さ  D=コイル平均径 L/D=4を著しく超える細長い形状は注意が必要、座屈現象は、バネの縦横比が大きくなって行くにつれておこりやすい為、細長いタイプはこれをおこさないように、まとめると次の様になります十分に考慮して下さい。

  1. 全長/コイル平均径の値を0.8以上4までににおさえる、どうしても避けられなければ次の2〜4の対処法をとる
  2. 適切な案内棒を選定、内径にセットして作動、細長形状のバネに限らず必要な事だが特に厳密に
  3. 両端末を研削して傾きを少なくすることと力の接触部分を面に変える
  4. 線間の隙間は狭く(言い換えると巻きを多く)する、過大だとそれだけで直線的にスムーズに力が加えられても全長の減少をおこしやすくなる可能性が大

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