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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

ばねの種類

 

ばねは、使用箇所によりさまざまな形状のものが用いられます。
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。

 

 

「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、多くの場合市販品で対応できることが多いです。市販品で対応できない場合、個別で設計し、仕様書を作成してばねメーカーで作成してもらいます。

 

 

ばねを選定および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(外径/内径)
  • ?最大荷重と最大のたわみ量
  • ?取り付け時荷重と取り付け時のたわみ量

 

 

「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

 

先ほど示したインプット情報から「ばね定数」が決まります。ばね定数は、ばねに単位長さ伸縮させる力のことです。

 

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 ばね設計において、たわみ(記号:\mathbit{\delta})という言葉が使われます。
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。

 

 

 

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