春の基礎知識101：完全ガイド

スプリングは、その弾性特性により、機械産業と電子産業の両方で広く使用されている。

バネが荷重を受けると大きく弾性変形し、機械的な仕事や運動エネルギーが蓄積された変形エネルギーに変換される。

負荷が解除されると、スプリングは元の状態に戻り、蓄積された変形エネルギーは再び機械的な仕事または運動エネルギーに変換される。

バネの荷重と変形の関係はバネの硬さと呼ばれる。剛性が高いほどバネは硬くなります。

1.スプリングの機能

バネの機能には次のようなものがある：

• 自動車や列車のサスペンションに使われる減衰バネや、さまざまな緩衝システムなどの緩衝と減衰。
• 内燃機関のバルブスプリングやクラッチのコントロールスプリングなど、機構の動きを制御する。
• 時計のバネや銃のラッチバネなど、エネルギーを蓄えたり放出したりするもの。
• バネスケールやダイナモメーターのバネなど、力を測定するもの。

2.スプリングの分類

ばねはその応力の性質から、引張ばね、圧縮ばね、ねじりばね、曲げばねの4種類に分類される。

引張ばねは、軸方向に張力がかかるコイルばねの一種です。

これらのスプリングは通常、円形断面の材料で作られている。

荷重がかかっていないとき、引張りばねのコイルは通常、隙間なくしっかりと巻かれている。

圧縮ばねは、圧縮力に耐えるように設計されたらせんばねの一種です。

圧縮スプリングの断面は一般的に円形だが、長方形やマルチストランド・スチールで作られることもある。

これらのスプリングは通常、ピッチが等しく、コイルとコイルの間に小さな空間がある。

外部からの荷重を受けると、圧縮ばねは圧縮、変形し、その変形にエネルギーを蓄える。

トーション・スプリングはコイル・スプリングの一種。

角エネルギーを蓄えたり放出したりすることが可能で、バネ本体の中心軸を中心にフォースアームを回転させることで装置を静止位置に保つことができる。

ねじりばねの両端は他の部品に固定されており、これらの部品がばねの中心を中心に回転すると、ばねはそれらを元の位置に引き戻し、トルクまたは回転力を発生させます。

一般的なものに加えて スプリングの種類空気バネとカーボンナノチューブバネだ。

空気ばねは 非金属 柔軟な密閉容器に加圧空気を入れることで、空気の圧縮性を利用して弾性効果を生み出すバネ。

高級車のサスペンションシステムに使用されると、空気ばねは乗り心地を大幅に向上させ、自動車や鉄道機関車に広く使用されている。

カーボンナノチューブスプリングは、カーボンナノチューブフィルムの準備から始まる紡糸技術によって作られる。

直径数百ミクロン、長さ数センチのカーボンナノチューブ・スプリングは、巻き取り式導体、フレキシブル電極、マイクロひずみセンサー、スーパーキャパシター、集積回路、太陽電池、電界放出源、エネルギー散逸ファイバーなど、数多くの潜在的用途がある。また、張力を感知する包帯のような医療機器への応用も期待されている。

3.バネの材質と許容応力

運転中、ばねは交番荷重や衝撃荷重を受けることが多く、大きな変形が要求される。そのため、スプリングの材料は、高い引張強度と弾性限界、そして、耐衝撃性が要求されます。 疲労強度.

さらに、製造工程では、十分な焼入れ性、耐 脱炭そして良好な表面品質。

一般的なバネ材料と許容せん断応力

注：

• スプリングは、荷重を受けるサイクルの数によって3つのカテゴリーに分類されます：タイプI、n > 10⁶タイプII、n = 10³ ~ 10⁵ タイプIIIは、n < 10である。³.
• シャックル引張ばねの許容応力は表の値の80%です。スプリングが強い圧力処理を受けた場合、その許容応力は20%増加することができます。
• 炭素ケーブルばね鋼は、その機械的特性に基づいて4つのグループに分けられ、グループ1が最も高い引張強度を持ち、グループIIが2位、グループIIIが最も低く、グループIVはグループIIと同じ引張強度を持つが、より優れた塑性を持つ。

カーボンケーブルスプリングスチールワイヤーのSbは、表で見つけることができます。

炭素バネ鋼線の強度

4.スプリングの製造

コイルスプリングの製造工程には、圧延、フックの作成または端面リングの完成、熱処理、性能テストが含まれる。

大規模生産では、スプリングはユニバーサル自動巻線機で巻かれます。単品や少量生産の場合は、伝統的な旋盤や手作業で作られます。スプリングワイヤーの直径が8mm以下の場合、一般的にコールドコイリング法が利用されます。

コイリング前に熱処理が必要で、コイリング後に低温焼戻しが必要である。直径が8mmを超える場合は、熱間コイリング法（800℃～1000℃）を採用する。熱間コイリング後 焼き入れと焼き戻し 中温で。

スプリングが成形された後、表面品質検査を行い、滑らかで傷などの欠陥がないことを確認する、 脱炭などの欠陥がある。変動荷重にさらされるスプリングは、次のような検査を受ける必要があります。 表面処理疲労寿命を向上させるために、ショットピーニングなどが行われる。

5.スプリングの端部構造

圧縮スプリングの変形に参加する有効なターン数Nは、スプリングが均等に機能し、その中心線が端面に対して垂直であることを保証するために重要である。

これを実現するために、スプリングの両端にはデッドサークルまたはサポーティングリングと呼ばれる、しっかりと支える役割を果たす3/4から7/4のターンがある。これらのターンは、作業中の変形には関与しません。

引張ばねの端部には、取り付けや荷重をかけるためのフックがあり、一般的な端部構造には、半円形シャックル、円形シャックル、調整可能フック、回転可能フックの4種類がある。

半円形や円形のシャックルは製造が簡単で広く使われていますが、フックの移行部の曲げ応力が大きいため、スプリングワイヤーの直径d≦10mmのスプリングにしか適していません。一方、調整可能で回転可能なフックは、良好な応力条件下で、任意の位置に回転させることができ、簡単に取り付けることができます。

6.バネの応力計算

圧縮ばねの応力解析

図(a)は、アキシャル使用荷重Fを負担する円筒形圧縮ばねを示す。

断面法の解析によると、スプリングワイヤーの断面には、せん断力Fと、F×D÷2に等しいトルクTの両方がかかる：

せん断力Fによって発生するせん断応力と、ばね線のらせん状の湾曲の影響を考慮すると、最大せん断応力tは、図(b)に示すように、ばねの内側で求めることができる。その値と強度条件は次の通りである：

どこでだ、

C - 巻線比、

C = D / D。表1に従って選択できる。

K - スプリングの曲率係数、

Kは表2から直接求めることもできる。

表から、Cが大きいほどTに対するKの影響が小さいことがわかる；

F - スプリングの使用荷重、N；

D - スプリングのピッチ直径、mm；

D - 素材の直径 mm。

表1 巻線比の推奨値

表2 曲率係数K

式1において、fをばねの最大使用荷重F2に置き換えることで、強度条件に応じたばね鋼線径の計算式が得られる：

引張ばねの強さを計算する方法は、圧縮ばねと同じです。

7.バネが所定の位置にない。

実際の作業では、バネが移動体を所定の位置まで押すことができず、バネの自由長計算値が短くなる状況によく遭遇する。

この問題の原因は、初期圧縮処理の不足にある。初期圧縮処理とは、（必要であれば）相当な力でスプリングを圧縮高さまたは締め付け高さまで圧縮し、元の自由長に戻るようにスプリングを解放することである。

バネが短くなる量を "初期圧縮収縮率 "と呼ぶ。

通常、3～6回圧縮されると、スプリングの長さはもはや短くならず、"その位置に落ち着く"。

最初の圧縮を受けた後、スプリングは永久的に変形することに注意することが重要である。

8.春の注意事項

実用的な用途では、圧縮ばねはその材料の弾性限界を超える力を受けても、その使用長さを維持できなければならない。

その結果、完成されたスプリングの長さは、計算されたスプリングの長さに最初の圧縮収縮を足したものと等しくなるはずです。これにより、スプリングが所定の位置にないことを防ぎ、スプリングコイルを締め付けた時に危険な応力が発生し、スプリングの異常なたわみにつながる危険性を減らすことができます。

完成したスプリングの熱処理、特に焼き入れと焼き戻しの工程では、スプリングの自重によってスプリングが短くなり、不適切な動作につながることを防ぐため、ワークを炉内で水平に置く（寝かせる）ことが重要です。