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機械設計エンジニアの基礎知識 | 設計・3DCAD・製図・金型等

ばね と ばね定数 について

「ばね (スプリング)」 は ねじや歯車などの 機械要素と同じく規格が存在しますが、多くの場合製品に合わせた設計が行われます。規格品がない場合は、仕様書を作成してばねメーカーで作成してもらいます。

 

 

ばねを設計する際のインプット情報は以下となります。

 

  • 取り付けスペース(外形/内径)
  • 最大のたわみ量
  • 取り付け時のたわみ量
  • 最大荷重
  • 取り付け時荷重

 

 

「取り付けスペース」 とは、ばねが設置されるスペースのことです。一般的には 「シャフト」 や 「ざぐり」 を入れてばねを固定します。

 

 

これらの情報をもとに、ばねの各種寸法が決定されます。
また、これら寸法以外にも、使用環境や寿命などを考慮して材質、強度、表面処理の方法を決めていきます。

 

ばね定数kについて

 

ばねに単位長さの伸縮させる力を、ばね定数 と言います。

 

例えば、ばねを 1mm 縮めるのに必要な力が 2N であった場合、ばね定数は 2÷1=2 N/mm となります。

 

ばね定数はフックの法則から求めることができます。

 

フックの法則  F=k・x より

 

ばね定数 k = F/x  となります。 

 

変位xは ばね設計では、たわみδと言われ、公式があります。(公式については後述します)
ばね設計時は、必要な力Fたわみδ を念頭に置いて ばね定数kを決定し、ばねを選定します。

 

ばね

ばねは力を加えても変形しない 「剛体」 を用いてやわらかい 「弾性体」 を作ります。ばねの材料を特別な形状または構造に作って、エネルギーを吸収させたり蓄積させたりする目的で使用するものです。ばねの使用箇所によりさまざまな形状のものが用いられます。

 

ばね用材料

ばね用材料は 「熱間成型用」「冷間成型用」 に大別されます。前者は比較的大形の板ばね、コイルばねなどに、後者は冷間成形が可能な小形ばねに使用されます。

 

i.熱間成形用ばね材料 JIS G 4801に9種類のばね鋼(材料記号SUP)が規定されています。特殊な用途として工具鋼、高速度鋼、耐熱鋼などが使用されます。

 

ii.冷間成形用ばね材料 熱間成形用に比べると多くの材料がJISおよびJSMA(ばね工業会)
規格に規定されています。特に耐熱、耐食性が要求される場合にはCo基合金(Elgiloy、Nivaflexなど)、Ni基合金(モネル、インコネルなど)が使用されます。また精密機器用の恒弾性ばね材料としてElinvar,、Ni−SpanCなどの高合金が使用されます。

 

ばねの種類

さまざまな形状のばねがあり、これもばねかと驚く形状のものもありますが、代表的なばねを以下に記します。

 

 

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