スプリングの種類

スプリングは、エネルギーを蓄えたり放出したりして、力やトルクに抵抗する重要な機械部品です。自動車のサスペンション システムから消費者向け製品まで、さまざまな用途で重要な役割を果たします。この記事では、荷重の適用、力と変位の特性、製造方法に基づいて、さまざまな種類のスプリングについて説明します。

荷重のかかり方による分類

圧縮スプリング

圧縮ばねは、最も一般的なタイプのばねの 1 つです。軸方向にかかる圧縮力に抵抗するように設計されており、圧縮時に機械的エネルギーを蓄え、負荷が除去されるとエネルギーを放出します。これらのばねは、自動車のサスペンション システム、産業機械、ペンやネズミ捕りなどの消費者製品など、幅広い用途に使用されています。

圧縮スプリングは、通常、全長にわたって直径が一定で、らせん状に巻かれた丸線で作られています。材料の選択は、負荷容量、耐腐食性、耐熱性などの特定の用途要件によって異なります。一般的な材料には、ばね鋼、ステンレス鋼、リン青銅などがあります。

伸縮スプリング

引張スプリングとも呼ばれる伸張スプリングは、軸方向にかかる引張力に抵抗するように設計されています。伸張すると機械的エネルギーが蓄えられ、負荷がなくなるとエネルギーが放出されます。伸張スプリングは、ガレージ ドア システム、農業機械、運動器具などでよく使用されます。

伸縮スプリングは、ワイヤをらせん状に巻いて作られ、両端に取り付け用のフックまたはループが形成されています。スプリングの初期張力は、熱処理前にスプリングを特定の長さまで伸ばす製造工程によって決まります。

ねじりバネ

ねじりバネは、軸の周りに加えられる回転力やトルクに抵抗するように設計されています。ねじれると機械的エネルギーが蓄えられ、トルクがなくなるとエネルギーが放出されます。ねじりバネは、ドアのヒンジ、自動車のシートリクライニング、窓のシェードローラーなど、さまざまな用途に使用されています。

ねじりバネは、通常、長方形または正方形のワイヤをらせん状に巻いて作られ、その両端は取り付け用に特定の形状に成形されます。材料の選択は、必要なバネ定数、疲労寿命、および環境条件によって異なります。一般的な材料には、バネ鋼とステンレス鋼があります。

力と変位に基づく分類

リニアスプリング

線形スプリングは一定のバネ定数を示します。つまり、スプリングを圧縮または伸長するために必要な力は変位に正比例します。

この線形関係はフックの法則によって記述される：F = kx、

どこ：

Fは力であり、

kはバネ定数、

x は変位です。

リニア スプリングは、自動車のサスペンション システムや産業機械など、一定の力と変位の関係が求められる用途で使用されます。通常、全長にわたって直径が一定で、らせん状に巻かれた丸線で作られています。

可変レートスプリング

可変レート スプリングは非線形スプリングとも呼ばれ、圧縮または伸長するとスプリング レートが変化します。つまり、スプリングを圧縮または伸長するために必要な力は、変位に応じて非線形に変化します。可変レート スプリングは、自動車のバルブ スプリングやオフロード車のサスペンション システムなど、特定の力と変位のプロファイルが求められる用途で使用されます。

可変レート スプリングは、スプリングの長さに沿ってコイル径、ピッチ、またはワイヤ径を変化させることによって設計できます。円錐形スプリングと樽型スプリングは、コイル径がスプリングの長さに沿って変化する可変レート スプリングの例です。

定荷重スプリング

定力スプリングは、特定の動作範囲にわたって一定の力を出力するように設計されています。定力スプリングは、あらかじめ応力が加えられた材料のストリップ (通常はステンレス鋼) から作られ、らせん状に巻かれています。スプリングが伸びると、材料がコイルからほどけ、動作範囲全体にわたって一定の力が維持されます。

定力スプリングは、カウンターバランス機構、ドアクローザー、張力調整装置など、一定の力が必要な用途で使用されます。コンパクトなサイズ、長い耐用年数、可動範囲全体にわたって一貫した性能などの利点があります。

製造方法による分類

コイルスプリング

コイル スプリングは最も一般的なタイプのスプリングで、ワイヤをらせん状に巻いて作られています。用途の要件に応じて、圧縮スプリング、伸長スプリング、ねじりスプリングとして設計できます。コイル スプリングは、熱間コイリング、冷間コイリング、CNC コイリングなど、さまざまな方法で製造されます。

製造方法の選択は、スプリングの材質、線径、生産量などの要因によって異なります。通常、熱間コイリングは線径が大きく強度の高い材質に使用され、冷間コイリングは線径が小さく強度の低い材質に使用されます。CNC コイリングは高精度で柔軟性が高く、複雑なスプリング形状の製造を可能にします。

フラットスプリングス

板ばねは、板ばね、ベルビルワッシャー、波形ばねなど、さまざまな形状に成形された、通常はばね鋼またはステンレス鋼の平らな材料のストリップから作られています。特定の構成に応じて、曲げ力または圧縮力に対する抵抗を提供するように設計されています。

リーフ スプリングは、自動車のサスペンション システム、特に大型車両で、車両の重量を支え、衝撃を吸収するためによく使用されます。リーフ スプリングは、湾曲したスプリング スチール (リーフ) の複数の層で構成され、積み重ねられ、スプリング シャックルを使用して端が接続されています。

ベルビル ワッシャーは、ディスク スプリングとも呼ばれ、軸方向の荷重に抵抗する円錐形のワッシャーです。直列または並列に積み重ねて、必要な荷重たわみ特性を実現できるため、スペースが限られ、高荷重が求められる用途に適しています。

ウェーブスプリングは、平らなワイヤーを波形に成形して作られ、最小限のスペースを占有しながら軸方向の荷重に対する抵抗力を備えています。航空宇宙や産業機器など、高荷重と小さなたわみが求められる用途で使用されます。

ディスクスプリング

皿ばねはベルビル スプリングとも呼ばれ、軸方向の荷重に抵抗する円錐形のワッシャーです。特定の円錐角度と内径および外径を持つ平らな円形ディスクを打ち抜きまたは鍛造して作られます。皿ばねは、直列または並列に積み重ねて、必要な荷重たわみ特性を実現できます。

ディスク スプリングは、従来のコイル スプリングに比べて、高負荷容量、小さなたわみ、コンパクトなサイズなど、いくつかの利点があります。ディスク スプリングは、高負荷と限られたスペースが重要な要素となる重機、自動車のクラッチ、バルブなどのさまざまな用途で使用されます。

機械加工スプリング

機械加工スプリングは、フライス加工、旋削、研削などの CNC 加工プロセスを使用して製造されるカスタム設計のスプリングです。通常、スプリング鋼、ステンレス鋼、チタンなどの材料の固体バーまたはチューブから作られ、特定の荷重たわみ要件を満たすように設計できます。

機械加工されたスプリングは、高精度、複雑な形状、取り付け穴やねじ山などの機能を組み込む機能など、従来のスプリング製造方法に比べていくつかの利点があります。航空宇宙、医療機器、高性能産業機器などの特殊な用途で使用されます。

成形スプリング

成形スプリングは、ポリウレタンやナイロンなどのポリマー材料を、希望するスプリング形状に成形された金型キャビティに注入して作られます。金属スプリングと比較して、耐腐食性が高く、軽量で、振動を減衰する能力など、独自の特性を備えています。

成形スプリングは、自動車のサスペンション ブッシング、産業用振動アイソレータ、医療機器など、さまざまな用途に使用されています。ポリマー材料の選択は、負荷容量、耐熱性、動作環境との化学的適合性などの要因によって異なります。

ガススプリング

ガス スプリングは、圧縮ガス (通常は窒素) を使用して圧縮力に抵抗するタイプのスプリングです。ピストンと圧縮ガスを内蔵した密閉シリンダーで構成されており、スプリングが圧縮されるとピストンに力が加わります。

ガス スプリングには、調整可能な力の出力、コンパクトなサイズ、減衰機能など、機械式スプリングに比べていくつかの利点があります。自動車のボンネットやトランクのリフト サポート、オフィス チェアの高さ調整機構、産業機械など、さまざまな用途で使用されています。

エアスプリング

空気ばねは、空気ばねとも呼ばれ、圧縮空気を使用して圧縮力に抵抗します。圧縮空気で満たされた柔軟なベローズまたはダイヤフラムで構成されており、ばねに負荷がかかったり負荷がかかったりすると、ベローズまたはダイヤフラムが膨張したり収縮したりします。

エアスプリングは、調整可能な剛性、負荷平準化機能、振動絶縁など、機械式スプリングに比べていくつかの利点があります。自動車のエアサスペンション システム、産業用振動絶縁マウント、農業機械など、さまざまな用途で使用されています。

リーフスプリング

リーフ スプリングは、自動車のサスペンション システム、特に大型車両でよく使用される平らなスプリングの一種です。リーフと呼ばれる湾曲したスプリング スチールの複数の層が積み重ねられ、スプリング シャックルを使用して端が接続されています。

リーフ スプリングは、車両の重量を支え、衝撃を吸収し、乗り心地と操縦性を向上させるように設計されています。特定のアプリケーション要件に応じて、半楕円形、1/4 楕円形、片持ち梁など、さまざまな方法で構成できます。

リーフ スプリングの設計の選択は、負荷容量、車両の重量配分、使用可能なスペースなどの要因によって異なります。リーフ スプリングは、耐久性、負荷容量、横方向の安定性を提供する能力に優れていることで知られており、商用トラックやオフロード車などの大型用途に適しています。

らせんばね

らせんばねは、一定または可変の直径を持つらせん状にワイヤを巻いて作られたコイルばねの一種です。用途の要件に応じて、圧縮ばね、伸長ばね、またはねじりばねとして設計できます。

基本的なスプリング原理

バネは、弾性とフックの法則の原理に基づいてエネルギーを蓄えたり放出したりする機械装置です。バネに力が加わると、バネは変形し、ひずみエネルギーの形で位置エネルギーを蓄えます。力が取り除かれると、バネは元の形に戻り、蓄えられたエネルギーを放出します。

加えられた力とその結果生じる変形の関係は、フックの法則 F = kx で表されます。ここで、F は力、k はバネ定数、x は変形です。バネ定数はバネ率とも呼ばれ、バネの剛性を決定し、バネの材料特性、断面積、長さなどの要因に依存します。

スプリングは弾性限界内で動作するように設計されており、変形は加えられた力に正比例します。力が弾性限界を超えると、スプリングは永久変形または破損を起こし、性能と安全性が損なわれる可能性があります。

スプリングのエネルギー貯蔵容量は、スプリングの形状、材料特性、および適用される荷重によって決まります。最大のエネルギー貯蔵は、スプリングが圧縮されて固体の高さまで、または最大伸長まで伸びたときに発生します。