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引張りばねの選定・通販 | MISUMI-VONA【ミスミ】
Dシリーズ 引張コイルばね（DIN 2098規格）【1～20個入り】. ケーエス産業 … 材質をばね用ステンレス線に変更して作成した円筒形引張コイル…もっと読む.
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引張りばね – Amazon.co.jp
引張りばね · 圧縮ばね 引張ばね 20種類 コイルばね 圧縮スプリング バネセット 収納ケース付き スプリング ピック · WAKI ステンレス 引きバネ 0.6X3.5X25mm SR-403.
Source: www.amazon.co.jp
Date Published: 9/5/2022
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- Date Published: 2022. 7. 31.
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引張コイルばねの特徴と種類 【通販モノタロウ】
機械要素の基礎講座
多くの産業を支える機械の基礎として重要な「機械要素」。 歯車やベルト・チェーン、ばねなど多岐にわたります。本連載では、 それらの機械要素について、知っておくべき基本的な事項をご紹介していきます。
第3章 化学製品の基本
引張コイルばねは、引張荷重を受けてはたらくコイルばねであり、圧縮コイルばねに次いで広く用いられています。圧縮コイルばねと異なる点としてまずあげられるのが、荷重を加える方向が逆であることです。そのため、引張コイルばねを引きばね、圧縮コイルばね押しばねと呼ぶこともあります。 また、圧縮コイルばねは圧縮して使用するため、コイル間に隙間がありましたが、引張コイルばねは引っ張って使用するため、この隙間が不要です。 一般的にはスペースを小さくするため、コイル間に隙間がない密着巻きで用いられます。圧縮コイルばねは圧縮すればすぐにばね作用が発生しましたが、圧縮コイルばねは荷重がある値を超えたところから所要のばね作用を発揮する初張力があります。この初張力はコイルを製造する段階で適切な大きさに管理しています。
引張コイルばね
引張コイルばねの各部の寸法には、圧縮コイルばねと同様に、コイル部分の直径であるコイル径、線材の直径である線径、コイルの巻数である有効巻数などがあります。圧縮コイルばねにはない大きな特徴として、両端にさまざまな形状のフックを有することがあげられます。 すべて丸い形状と思われるかもしれませんが、丸い形状でも用途に応じた微妙な違いがあり、また他の形状もあります。実際に使用する場合にはこのフックを介して最初に荷重が加わることになるため、その形状の選定はとても重要となります。
丸フックはコイル部の一巻を起こしてフックとした形状です。逆丸フックはコイル部の一巻をねじり起こしてフックとした形状であり、もっとも一般的なフック形状です。半丸フックはコイル部の半巻きを起こしてフックとしたものであり、自由長を短くしたい場合に用いられます。 角フックは端部を角形に加工したフックであり、平板に取り付ける場合に適しています。Uフックは端部U字形に加工した自由長さを自由に設計できるフックであり、長いフックが必要な場合に用いられます。Vフックは端部をV字形に加工したフックであり、取り付け相手とのガタつきを小さくしたい場合に用いられます。
フックを複雑な形状にすると物体の形状変化部で局所的に応力が増大する応力集中が生じ、成形時に折損などの問題が発生するため、できるだけ簡単な形状にします。また、フックをコイルの外径より大きくすると、へたりが生じやすいため、両者は同一にするのが望ましいとされます。
執筆: 日本化学会フェロー 田島 慶三
ばねの基礎 ｜ばねの種類やそれぞれの特徴を詳しく説明します！
身の回りのもので『ばね』が使われている製品と言えば、皆さん何を思い浮かべるでしょうか。
パッと思いつきそうなもので自転車やボールペンなどがありますね。
ですがこうして改めて思い返してみると、世の中にありふれているように思えて、実は日常的にばねを見かけることは案外少ないかもしれません。
今回の記事ではそんな私たちがよく知るばねについて、製造業ではどんな特徴や役割があるのかを種類別に解説していきたいと思います。
ばねというのは実は意外な形をしている種類もあり、私たちの日常に割と多く溶け込んでいたりするんですよ。
ばねの種類
ばねの形状と言えば、弾力性のあるぐるぐると巻かれたコイル状のものを皆さん思い浮かべるかと思います。
ばねの力を利用しているのが分かりやすい日用品・玩具として、ボールペンやホッピングなどがありますね。
レインボースプリングなんかは正しくばねそのものと言う感じで、懐かしく思う方もいらっしゃるのではないでしょうか。
ですが製造業におけるばねとは、あくまでネジやギアのような部品の一つのことを指します。
その中には、フックがついていたり腕が生えているようなものから、おそよばねとは呼べなさそうな見た目のものまでいろいろな種類があります。
コイルばね
コイルばねとは、その名の通りぐるぐると巻かれた一般的な見た目のばねです。
ばねにもいろいろな種類がありますが、このコイルばねがばねの部品の中で最もよく使われている種類ですね。
押し込んだり戻したりする反発力があり、主に衝撃や振動を抑えるクッションとしての役割を持っています。
材料はSUS304-WPBというステンレス線がよく使われており、ニッケルでメッキを施すことにより錆びにくく金属間での摩擦に強いばねが成形できます。
一昔前ではSWP-Aというピアノ線で作られていることが多くかったのですが、錆びにくいステンレス素材のばねが現在のコイルばねの主流となっています。
コイルばねは大別して圧縮コイルばね、引張コイルばね、ねじりコイルばねの3つの分類があり、取り付ける場所や用途によって使い分けられます。
画像を見ると、違いと言えばフックがあるかないかぐらいに思えますが、用途はきちんとそれぞれ違います。
圧縮コイルばねは上から押されてから反発する力を利用しており、引張コイルばねは引っ張って戻る力を利用しています。
ベッドに飛び乗ってボヨンボヨンと跳ねることができるのは、圧縮コイルばねの反発力があるからですね。
より詳しい説明は後の項目にありますので、今は3つの種類があるということだけ紹介しておきます。
板ばね
板ばねとはパッと見、ばねとは思えないような形状をしている平らなばねです。
板ばねには大きく分けて薄板ばねと重ね板ばねの2種類のばねがあり、細かく分類した場合、その種類の多さはなんとコイルばね以上に多くあります。
材料は1970～80年代こそ銅が主流でしたが、現在では板ばねもステンレス素材が主となって使われています。
板ばねは形状を見る限りでは、ばねというより留め金という方が近い形をしているかもしれませんね。
板ばねはコイルばねよりも複雑な形状にすることができ、少量生産、オーダーメイドの対応にも向いています。
主な用途としては、電気のスイッチの切り替え部分やサスペンションと呼ばれる車や電車などの振動を和らげるクッションのような使い方をします。
皿ばね
皿ばねは円盤状の金属にドーナツ状の穴が開いているばねです。
これもばねというよりは留め金と言う感じで、ネジやボルトの緩みを止めたり、軸受回りのガタ防止に使われます。
皿ばねの材料もコイルばねや板ばねと同じくステンレスや銅です。
その薄い形状から小さい取り付けスペースで有効に力を発揮でき、コイルばねや板ばねでは組み込めない狭い箇所で重宝されます。
また、皿ばねは何枚も重ね合わせて使うことで、緩み止めとしての効力を増加できます。
ネジはしっかり締めたつもりでも、緩み止めがないと月日が過ぎれば次第に緩んできてしまいますよね。
そうならないようにネジの緩み防止に皿ばねが使われますが、その際一枚では足りないことがあるため、二枚三枚と重ねることで緩み止めの力を強化できるのです。
皿ばねを重ねるときに同じ向きに重ねることを並列重ねといい、反対に重ねることを直列組合せといいます。
並列重ねをすると緩み止めが強化され、直列組合せをするとたわみが増します。
たわみというのは金属を意図的に曲げた時に起こる歪みのことです。
たわみを付ける意味は自転車のチェーンで例えると分かりやすくなります。
チェーンがたゆんたゆんになっていると、走っている最中少しの振動でチェーンが外れやすくなってしまいますよね。
逆にきつく張りすぎてしまうと今度はペダルが重くなって走りにくくなってしまいます。
つまり、たわみは適度にある方がいいんですね。
そのため、金属を曲げたい時は皿ばねを直列に重ねていくことでたわみをつけていくのです。
枚数を増やせばその分たわみが増えていくので、必要に応じて複数重ねて調節することが可能です。
トーションバー
トーションバーとは細長い棒の形をした蛍光灯のようなばねです。
もちろん金属でできているため蛍光灯というほど割れやすくはありません。
他のばねよりもずいぶん大きく、本当にばねなのか疑わしいのですが、言葉だけでは伝わりにくいため百聞は一見にしかずということでとりあえず画像を。
やはり画像で見ただけではただの棒にしか見えませんが、これもばねの一種なんですね。
トーションバーと聞くと何に使うかを想像しがたい名前ですが、日本語に直すと『ねじり棒ばね』という名称になり、形状も役割も名前そのままということが分かります。
用途は主に車や戦車のサスペンションに使われ、カーブで曲がる時に安定感を出し、乗り心地を良くしてくれる働きがあります。
トーションバーの動きとしては、カーブの際に棒がねじれるような動きをします。
そんなことしたら割れてしまいそうですが、真っすぐの棒に見えて実はねじれるようにできてるんですね。
両端のうち一方だけが固定されており、もう一方は回転するようにねじれます。
イメージとしては片手を伸ばして右左にひねる感じです。
腕は体に固定されてて、手の方は回転するようにねじれますよね。イメージとしてはそんな感じです。
そうして棒がねじれて、カーブを曲がり終えるとねじれた分も戻ります。
トーションバーの最大の働きは、その戻ってくる力を利用することで、振動のない安定した走りが可能になることです。
かなり想像しづらい説明になってしまったかと思いますが、今言ったことをまとめますとトーションバーの動きとしてはねじれること、そして役割としては振動を抑えたり、カーブの安定感を出すことです。
車のサスペンションにはコイルばねを使うこともありますが、場合によっては何個も必要になってしまうことがあるので、だいたい一本から二本ですむトーションバーの方が車体の軽量化に繋がって優秀です。
また、コイルばねよりもスペースをあまりとらないというメリットもあります。
トーションバーはシンプルな作りであるゆえに多様性こそありませんが、必要最小限の本数・スペースで効率よく高い性能を引き出してくれます。
渦巻きばね
渦巻きばねとは巻かれた金属が伸びたり巻かれたりすることで動力を発生させるねじです。
名前の通り渦巻きのような形をしており、日本ではその形状から『ぜんまいばね』と呼ばれることも多くあります。
ばねの先端を引っ張ることでばねが伸び、そこからもとに戻ろうとする力を利用して回転する力を生み出します。
よく使われている場所は時計やシートベルトの巻き取り部分など。
渦巻きばねのメリットとして、同じ力で長い時間稼働することができ、細長い金属を小さなスペースに収納できることがあげられます。
そのメリットから時計や計測機器など精密な動作が求められる製品にも多く利用されています。
ばね全体の比率で言うとあまり使われていない方ですが、電力の確保ができない災害時でも使える省エネで長持ちするばねです。
コイルばねの詳しい特徴・用途
数多くあるばねの中でも代表的な位置にあるコイルばね。
おさらいになりますが、それらコイルばねには大きく分けて圧縮コイルばね、引張コイルばね、ねじりコイルばねの3種類がありましたね。
私たちの生活の中でその3種類のコイルばねがどんな使われ方をしているのか、それぞれ特徴や用途を詳しく見ていきましょう。
圧縮コイルばね
圧縮コイルばねは形状・用途から見てもっとも一般的なばねです。
押し込めばボヨンと反発力が生まれ、元に戻ります。それ以上もそれ以下の動きもしません。
非常にシンプルですね。
圧縮コイルばねには等ピッチコイルばねと不等ピッチコイルばねの2種類があり、スペースの広さや機能によって使い分けされます。
等ピッチコイルばねは完全な円柱の形になっており、不等ピッチコイルばねは円すいだったりたる型だったりいろいろです。
ボールペンを分解したら出てくるのは、この内の等ピッチコイルばねですね。
等ピッチコイルばねの用途は、ボールペンの他に車のサスペンションやコンピューターのキーボード、不等ピッチコイルばねは乾電池を入れる所の＋－の部分やソファ・ベッドのクッションなどに使われています。
乾電池を入れる部分のばねは実は円柱ではなく、円すいの形をしているんですよ。
意外に思う方もいるかと思うので、気になった方は一度見てみてくださいね。
引張コイルばね
引張コイルばねは両端にフックが付いてるばねで、横に引っ張られる動きで使われることが多いばねです。
圧縮コイルばねが縮められて元に戻る動きがあるのに対し、引張コイルばねは縮んでいる状態から、伸ばされて元に戻る動きがあります。
両端のフックには丸フックやVフックなどいろいろな形があり、それぞれ適した用途で使い分けられています。
使われるフックはだいたい画像の6種類であることがほとんどです。
引張コイルばねが使われているところは車のブレーキ部分や計量器など。
後は自転車のスタンドなんかが身近にあるものの良い例ですね。
引張コイルばねのフックの部分はもろい箇所でありながら、強い力を加えられることが多く、破損トラブルがよく起こる箇所です。
そのため製造の際には、フック部分の耐久がばねの設計の段階で弱かったりすることがないよう、強度には特に気を使って丈夫な作りにする必要があります。
引張コイルばねのフックの強度をどうするかは、設計時に多くの企業が頭を悩ませるところだったりします。
ねじりコイルばね
ねじりコイルばねはコイルの両端が腕のように伸びているコイルのことをいいます。
両端にフックがある種類とない種類があり、さらにコイルによって腕の長さや角度、巻き数などのが違い、用途に応じて使い分けます。
主な使用例として、身近な製品で言うと安全ピンや穴あけパンチ、クリップなどが挙げられます。
上の二つのコイルよりも見慣れない形状ではありますが、日用品の部品として案外紛れ込んでいたりするので、目ざとく探してみると他にも使われている製品が見つかるかもしれません。
実はデジカメなんかにもひっそりと使われていたりします。
コイルばねの製造方法
コイルばねの形状は子供の頃からよくに目にするためか、その形に疑問を抱くことがあまりありませんが、よくよく考えると金属があんなにぐるぐる巻きになっているのは不思議ですよね。
コイルばねを製造する方法をざっくりと説明すると、針金のような金属を鉄の棒に巻き付けていくことで成形していきます。
鉄を巻いていく作業をコイリングといい、コイリングの方法には熱間加工と冷間加工があります。
熱間加工とは金属を過熱して柔らかくする加工方法のことで、冷間加工とは常温から金属が溶けないぐらいの温度で加工することをいいます。
なら名称としては常温加工では？と問いたいところですが、なぜか冷間加工と言う名称なんですね。
コイルばねは少量生産や試作品を作る時は手作業による冷間加工でコイリングし、大量生産する場合は熱間加工と冷間加工のいずれかで、機械による全自動で製造します。
手作業となると、実際に冷えた金属を抑え続けるていると凍傷になってしまいそうなので、常温で作ることができてよかったですね。
ばねのへたりについて
コイルばねを作る際に注意することとして、へたりが出ないように気を付ける必要があります。
へたりというのはコイルの力が衰えて弾力性が落ちてしまうことです。
ばねを長いこと使い込むと、次第に潰れていったり伸びてしまったりして勢いがなくなってしまいますよね。
コイルばねは製造の過程でそのへたりが起きやすいばねなのです。
何年何か月も使った結果、消耗してしまうなら仕方ありませんが、新品の状態からすでにへたりが起きてしまっていては商品になりません。
そのため、コイルを製造する過程ではへたりを防止する工程がいくつもあり、技術者たちもなるべくへたりが出ないようにいつも心掛けています。
コイルを手作業で巻く技術は動画見ると何とも簡単そうに思えますが、実はけっこうな職人技なのです。
板ばねの詳しい特徴・用途
金属の板を材料とする板ばねは、丸型が基本のコイルばねと異なり四角い形状をしていることがほとんどです。
板ばねは薄板ばねと重ね板ばねの2種類に分けられますが、材料が同じ板金であることから皿ばねや渦巻きばねも板ばねの分類に含まれることもあります。
今回は皿ばねや渦巻きばねを先で紹介しているため、薄板ばねと重ね板ばねの二つを説明していきます。
薄板ばね
ばねというには名ばかりの薄い板状の代物ですね。
トーションバーほどではないにしろ、見た目からしてばねっぽくないのが伺えます。
性能も反発力のあるコイルばねとは違い、押さえることも引っ張ることもできません。
ですが板ばねの中では一番使われれる種類で、形状や用途も様々あり、日常的に見かける製品にも多く使われています。
主な用途は棚やドアが外れないようにする留め金やストッパーなど。
日用品としてはホッチキスやパンを掴むトングとかに利用されています。
また、ねじの代わりにガラス窓やアルミサッシを固定するはめ殺しのために使われることもあります。
はめ殺しとは、窓や障子などを開閉できないように取り付けることです。
ホテルやタクシーの窓は開けられなくなっていることがよくありますよね。
その理由に安全性を考慮しているのと、ネジを使うよりも低コストで済むため、板ばねで固定してしまうことが多いのです。
板ばねは使われ方としては地味ですが、製品を機能させるための関節として働いているとても重要な役割を持っています。
重ね板ばね
重ね板ばねは長さが違う金属の板を何枚も重ねた丈夫なばねです。
金属板の弾力性を利用することでクッションとしての効果を持たせ、車輌や機械の振動を抑えることができます。
いまいちピンとこない方は、文字を書くときにノートの間に挟むしたじきを想像していただけると分かりやすいかと思います。
両側から力を入れるとボヨンボヨンと曲がりますよね。
そのボヨンボヨンとなる弾力性で振動を軽減させるんですね。
複数枚重ねることにより耐久性も高くでき、大きな振動でも継続的に耐えることが可能になっています。
重ね板ばねが使われる場所はトラックや鉄道車両のサスペンション、プレス機やハンマーの装置などです。
大型の乗り物や機械に使われていることが多いですね。
重ね板ばねは別の呼び方でリーフスプリングとも呼ばれ、車で使われる場合、タイヤを固定する所と車本体とを支える働きをしています。
薄板ばねが関節なら重ね板ばねは車や機械を支える縁の下の力持ちと言ったところでしょう。
板ばねの製造方法
板ばねもコイルばねと同様、少量生産は手作業で大量生産は機械で行うことがほとんどです。
板ばねを大量生産する方法に単発型、順送型、トランスファー型の三つがあります。
単発型は穴をあける時は穴をあけるだけ、金属を切る時は切るだけといった、一つの加工のみが可能なプレス機を使うことをいいます。
単発型は機械による加工ですが、１工程ずつの加工となるため時間が掛かり、そこまで大量には生産できません。
順送型は『穴あけ』や『せん断』などの二つ以上の加工を一つの機械でできるプレス機のことです。
複数の加工が一つの手間でできる分、単発式よりも多くの製品を作ることができます。
トランスファー型は加工する物をベルトコンベアーなどで流すことで、ほぼすべての加工を自動的に行える装置のことです。
穴あけやせん断などの機械があるところに加工品を通していくことにより、一連の加工を人の手を介さずに一回一回止めることなくできます。
テレビのニュースや番組で製品ができるまでの様子を紹介している時によくVTRで流れるのがそのトランスファー型です。
順送型や単発型に比べ値段が高額なのがネックですが、ほぼ全自動なので作業に負担が掛からず非常に高い生産効率を維持できます。
ばねの原因によって起こる不具合
どれだけ用心していても製品を作り続ける以上不具合は起きてしまうものです。
機材の誤作動や経年劣化によるトラブルはいやおうなしに、人為的ミスで起こる事故も決して少なくはありません。
そういった不具合を少しでも減らすために原因を追究して対策することは、効率よく安全に製品を作る上で必須と言えるでしょう。
ばねのへたり
ばねのトラブルでまず起こりやすいのは、ばねにへたりが出ることです。
前述の通り、ばねにへたりが出ると伸び縮みの勢いがなくなってしまうのですが、そうなることで製造の効率が落ちたり機材の動作不良が起こったりしてします。
ばねがへたる原因として、高温の状態でばねを使用した、機材に合わないばねを使用した、そして経年劣化などがあげられます。
ばねが異様に早くへたってしまう時は機材や環境がばねに合っているか確認した方が良いでしょう。
そして、長期間の使い過ぎで弾力性がなくなってしてしまう前にメンテナンスをきちんとする必要がありますね。
ばねの破損
ばねは製品を機能させる上でとても重要な役割を持っているので、当然ながらなるべく丈夫に作られてはいますが、それでも壊れてしまうことがあります。
よくある例が引張コイルばねのフックの部分が壊れてしまうことです。
前の項目でも書きましたが、フックの部分はコイルばねの中でも特に破損しやすく、ばねトラブルが多く起きている箇所です。
経年劣化が原因で壊れてしまうこともありますが、その箇所に合わない形のフックを使っていたり、フック部分に負荷が掛かりすぎていることが主な破損の原因となっています。
また、ばねの破損は板ばねでもよく起こり、先端の折り曲げてある部分が曲がってしまったり、折れてしまうことが多々あるので、引張コイルばねにせよ板ばねにせよ、バネが耐えられるかどうかの計算と確認はしっかりしなければいけません。
錆び
ばねは長年使い続けていたために錆びてしまうことがあります。
乾電池を入れる部分や車・自転車などがよくある例でしょう。
環境によって錆びることもあり得ますが、それも含めて製品の交換やメンテナンスをしていないことがほとんどなので、事故になってしまう前に取り換えておくのがよいかと思います。
導通不良
ばねが使われる製品には電子部品が組み込まれているものも多くあります。
板ばねの取り付けが不十分だったり、部品との接触が不安定で不具合が起きることもありますが、電子機器の場合、そもそも電気系統の知識不足が原因であることも珍しくありません。
電子機器の導通不良もばねトラブルの例としてしばしばあることなので、品質の良い製品を安全に作るために、しっかりとした知識と技術が求められます。
ばねのトラブルの原因には、他にも強度が強すぎたり弱すぎたり、寸法が合わないばねを使っているなど、不適格なばねを使用していることがもとになっていることもありえます。
その製品や機材に適したばねを使わなければ、不具合が生じるのも道理と言えますね。
後からトラブルが発生してしまっては手遅れなので、ばねに限らずどんな部品でも無理やり使わず、その製品や機械に合った適切な部品を使うようにしましょう。
まとめ
ものづくりにおいて、ばねの重要性はネジに次ぐと言っても過言ではありません。
ばねが使われている製品・機械は、家の中でも外でもいたる所で見かけることができます。
ばねによる支えはいつも私たちの生活の支えとなっているのです。
Wikipedia
圧縮コイルばね（あっしゅくコイルばね、英語：helical compression spring）とは、圧縮の荷重を受けて用いられるコイルばねの一種である 。圧縮ばねと呼ばれることもある 。ばね部品の中でも最も広く使用され、多くの機械や器具で使用されている 。主に、圧縮方向の荷重を受け止める、圧縮させて反力を利用する、圧縮方向の衝撃や振動を緩和する、といった用途に使用される 。
円筒状のコイルばねが最も一般的だが、円錐状や樽形に巻いたものなど様々な種類がある 。軽荷重用の小型のものから重荷重用の大型のものまで、大きさも幅広い 。
コイル状にする素線自体には、主にねじりモーメントが加わり、素線がねじり変形を起こすことで、ばねが全体として伸び縮みする 。ばねが変形するときの単位体積当たりの弾性エネルギーは他のばね部品と比較して大きく、エネルギー吸収効率が高い 。そのため、取り付けに必要な空間は比較的小さいという長所もある 。
基本形状と各部位の名称 [ 編集 ]
密着長さに達した状態
標準的な圧縮コイルばねは、素線と呼ばれる棒状あるいは線状の材料を螺旋状に等間隔で巻くことで作られる 。圧縮コイルばねの各部位は以下のような名称で呼ばれている。
線径 （ d ）：素線の直径 。
（ ）：素線の直径 。 コイル内径 （ D i ）：コイルばね内側の直径 。
（ ）：コイルばね内側の直径 。 コイル外径 （ D e ）：コイルばね外側の直径 。
（ ）：コイルばね外側の直径 。 コイル平均径 （ D ）：コイル内径とコイル外径の平均値（( D i + D e )/2） 。
（ ）：コイル内径とコイル外径の平均値（( + )/2） 。 平均コイル半径 （ R ）：コイル平均径の半分（ D /2） 。
（ ）：コイル平均径の半分（ /2） 。 座巻 ：コイルばねの端面からばねとして作用しない部分までを指す 。「ざまき」とよぶ 。
：コイルばねの端面からばねとして作用しない部分までを指す 。「ざまき」とよぶ 。 総巻数 （ N t ）：コイル全体の巻数 。
（ ）：コイル全体の巻数 。 有効巻数 （ N a ）：総巻数の内、ばねとして作用する部分の巻数 。圧縮コイルばねの場合は総巻数から両端の座巻数を引いた数となることが多い 。
（ ）：総巻数の内、ばねとして作用する部分の巻数 。圧縮コイルばねの場合は総巻数から両端の座巻数を引いた数となることが多い 。 自由長さ （ L 0 ）：無負荷時のコイルばねの長さ。特に圧縮コイルばねの場合は 自由高さ とも呼ぶ 。
（ ）：無負荷時のコイルばねの長さ。特に圧縮コイルばねの場合は とも呼ぶ 。 密着長さ （ L c ）：荷重をかけてコイル同士を密着させたときのコイルばね長さ。特に圧縮コイルばねの場合は 密着高さ とも呼ぶ 。実際には密着にならない範囲で使用されるのが普通である 。
（ ）：荷重をかけてコイル同士を密着させたときのコイルばね長さ。特に圧縮コイルばねの場合は とも呼ぶ 。実際には密着にならない範囲で使用されるのが普通である 。 ピッチ （ p ）：一巻した隣のコイルとの距離 。
（ ）：一巻した隣のコイルとの距離 。 ピッチ角 （ α ）：コイルの勾配を角度で表したもの 。
（ ）：コイルの勾配を角度で表したもの 。 巻方向：コイルばねを巻く方向のことで、右巻と左巻がある 。
また、以下のような寸法比も設計上の目安となる。
ばね指数 （ c ）：コイル平均径と線径の比（ D / d ） 。
（ ）：コイル平均径と線径の比（ / ） 。 縦横比：自由長さとコイル平均径の比（L 0 /D） 。
種類 [ 編集 ]
圧縮コイルばねの種類は多岐に渡る 。以下にそれらの分類を示す。これらの種類の組み合わせも存在するので、可能性のある種類は膨大な数となる 。しかし、全ての組み合わせが可能なわけでなく、設計的あるいは製造的に不可能な組み合わせもある 。
素線断面形状による分類 [ 編集 ]
長方形断面ばね
素線の断面形状はいくつかの種類があり、それによって次のように分類される 。
円形断面ばね ：素線断面が円形のばね 。大きな短所がなく、最も広く使用されている 。
：素線断面が円形のばね 。大きな短所がなく、最も広く使用されている 。 異形断面ばね ：円形断面以外のばねの総称で、以下のような種類がある 。円形断面と比べると、いずれの種類も材料入手や製造が難しいという短所がある 。 角ばね ：素線断面が四角形のばね。 長方形断面ばね とも呼ばれる 。他の寸法を同じとしたら、円形断面よりもばね定数を大きくできる長所がある 。 楕円断面ばね ：素線断面が楕円形のばね。密着長さを小さくできるなどの長所がある 。 卵形断面ばね ：素線断面が卵形のばね 。楕円断面と同じく、密着長さを小さくできるなどの長所がある [30] 。 より線ばね ：複数の小さな素線をより合わせて一つの素線にしたばね 。小さな素線同士が擦れることで摩擦力による減衰が起こる長所がある 。
：円形断面以外のばねの総称で、以下のような種類がある 。円形断面と比べると、いずれの種類も材料入手や製造が難しいという短所がある 。
荷重特性による分類 [ 編集 ]
ばねの荷重とたわみの関係のことを荷重特性と呼ぶ 。荷重特性は、荷重とたわみの関係が直線でばね定数一定の線形と、それ以外の関係である非線形に分けられる 。荷重特性によって圧縮コイルばねは大まかに以下のように分けられる 。
線形特性 ：等線径、等ピッチの円筒コイルばね 。ただし、このようなばねでも、荷重とたわみが厳密に直線関係となることはない。たわみが密着長さに到達する前からいくつかの素線が接触しだし、見かけ上の有効巻数が減ってくる。これによって実際の圧縮コイルばねでは、たわみが大きくなるほどばね定数もやや大きくなっていく 。
：等線径、等ピッチの円筒コイルばね 。ただし、このようなばねでも、荷重とたわみが厳密に直線関係となることはない。たわみが密着長さに到達する前からいくつかの素線が接触しだし、見かけ上の有効巻数が減ってくる。これによって実際の圧縮コイルばねでは、たわみが大きくなるほどばね定数もやや大きくなっていく 。 非線形特性 ：以下のようなものが挙げられる。いずれも形状変化によってコイル同士の接触を偏らせて起こし、荷重増加に伴って有効巻数を変化させて非線形特性を得ている 。 コイル径が変化するもの ：等線径、等ピッチだが、コイル径が変化するばね。円すいコイルばね、たる形コイルばね、つづみ形コイルばね等がある 。 線径が変化するもの ：等コイル径、等ピッチだが、線径が変化するばね。 テーパばね と呼ばれる 。 ピッチが変化するもの ：等コイル径、等線径だが、ピッチが変化するばね。 不等ピッチコイルばね と呼ばれる 。ピッチが小さい部分から先にコイル同士の接触が起こり、たわみが増すにつれて有効巻数が減少していく。これによって非線形な荷重特性となる 。
：以下のようなものが挙げられる。いずれも形状変化によってコイル同士の接触を偏らせて起こし、荷重増加に伴って有効巻数を変化させて非線形特性を得ている 。
全体形状による分類 [ 編集 ]
円すいコイルばね
つづみ形コイルばね
コイルばねの全体的な形状で分類する場合は、以下のように分類がある 。
円筒コイルばね ：最も一般的な形状で、円筒形状のもの 。製造し易さ、吸収エネルギー効率のバランスの良さなど、長所がある 。
：最も一般的な形状で、円筒形状のもの 。製造し易さ、吸収エネルギー効率のバランスの良さなど、長所がある 。 円すいコイルばね ：端から片端まで徐々にコイル径が小さくなっていく形状をした、円錐状のコイルばね 。コイル径が大きな側は大きくたわむので、先にこちらからコイルの接触が起こる。これによって荷重・たわみ線図が右肩上がりとなる特性を持つ 。
：端から片端まで徐々にコイル径が小さくなっていく形状をした、円錐状のコイルばね 。コイル径が大きな側は大きくたわむので、先にこちらからコイルの接触が起こる。これによって荷重・たわみ線図が右肩上がりとなる特性を持つ 。 たる形コイルばね ：コイル径が不等で、ばねの両端付近のコイル径が小さくなっており、樽のような形をしたもの 。
：コイル径が不等で、ばねの両端付近のコイル径が小さくなっており、樽のような形をしたもの 。 つづみ形コイルばね ：コイル径が不等で、ばねの真ん中付近のコイル径が小さくなっており、鼓のような形をしたもの 。
：コイル径が不等で、ばねの真ん中付近のコイル径が小さくなっており、鼓のような形をしたもの 。 異形コイルばね ：上記以外のもの。以下のような種類がある 。 片絞りコイルばね ：ばねの片端側のコイル径が絞られた形状のもの だ円コイルばね ：コイルが円ではなく楕円形に巻かれたもの アークコイルばね ：コイル径は一定だが、コイル全体が円弧状に曲げられたもの
：上記以外のもの。以下のような種類がある 。
特性 [ 編集 ]
ばね定数 [ 編集 ]
P とたわみ δ と自然長 L 0 荷重とたわみと自然長
円形断面・等ピッチの一般的な円筒コイルばねのばね定数は、次の簡略式で計算できる 。
k = G d 4 8 N a D 3 {\displaystyle k={\frac {Gd^{4}}{8N_{a}D^{3}}}}
ここで、k はばね定数、G は素線の横弾性係数で、その他の記号は上節で示されるとおりである。荷重 P とたわみ δ の関係で表せば
P = G d 4 δ 8 N a D 3 {\displaystyle P={\frac {Gd^{4}\delta }{8N_{a}D^{3}}}}
となる 。
発生応力 [ 編集 ]
荷重 P によってコイルばねに発生する最大せん断応力の計算には、次の簡略式がある 。
τ = κ 8 D P π d 3 {\displaystyle \tau =\kappa {\frac {8DP}{\pi d^{3}}}}
κ は応力修正係数と呼ばれる、実際の応力値に近づけるための係数である 。応力修正係数にはいくつか種類があるが、その中でも次のワールの応力修正係数がよく使用される 。
κ = 4 c − 1 4 c − 4 + 0.6115 c {\displaystyle \kappa ={\frac {4c-1}{4c-4}}+{\frac {0.6115}{c}}}
座屈 [ 編集 ]
細長い柱に垂直に圧縮荷重を加えていくと、荷重がある限界値まで達すると柱が大きく折れ曲がる現象が発生する。この現象を座屈と呼ぶ 。圧縮コイルばねにおいても細長いばねをある程度以上たわませると、ばねが折れ曲がり、座屈を起こす 。座屈発生の起こりやすさには、圧縮コイルばねの縦横比 H 0 /D が関連する 。座屈のことを考慮して、縦横比は4以下にすることを日本工業規格では推奨している 。
使用例 [ 編集 ]
圧縮コイルばねは、ばね部品の中でも最も広く使用され、多くの機械や器具で使用されている部品である 。使われている分野は、自動車、鉄道車両、航空宇宙、建設機械、一般機械、工作機械などから家電や日用品までに至る 。主要な使用箇所の例として、自動車のサスペンション用、エンジンの吸排気弁用、クラッチ用、鉄道車両の台車用、安全弁用、その他計測機器用などが挙げられる 。特にエンジンの弁ばねは、2億回以上も伸縮を繰り返すまで使用されることもあり、燃焼室と排気による熱の影響も相まって、最も過酷な使用条件に置かれるといわれるばねである 。
標準的な円筒形コイルばね以外の例としては、自動車でサスペンション全体の小型化のために樽形コイルばねが用いられることもある[53]。二輪車のサスペンションでは、不等ピッチコイルばねが使用されている 。また、ばね定数の非線形性を利用しているというよりは、形状による安定性を利用するために、つづみ形コイルばねがソファーやベッドに使用されることもある 。
脚注 [ 編集 ]
参照文献 [ 編集 ]
日本ばね学会（編）、2008、『ばね』第4版、丸善出版 ISBN 978-4-621-07965-2
ばね技術研究会（編）、1998、『ばねの種類と用途例』初版、日刊工業新聞社〈ばね技術シリーズ〉 ISBN 4-526-04232-3
ばね技術研究会（編）、2001、『ばねの設計と製造・信頼性』初版、日刊工業新聞社〈ばね技術シリーズ〉 ISBN 4-526-04705-8
日本機械学会（編）、2005、『機械工学便覧 デザイン編 β 4 機械要素・トライボロジー』初版、丸善 ISBN 4-88898-129-9
日本工業標準調査会、2015、『JIS B 0103 ばね用語』
日本工業標準調査会、2009、『JIS B 2704-1 コイルばね－第１部：圧縮及び引張コイルばね基本計算方法』
渡辺彬・武田定彦、1989、『ばねの基礎（訂正版）』訂正1版、パワー社〈基礎シリーズ(5)〉 ISBN 4-8277-1245-X
蒲久男、2008、『絵とき「ばね」基礎のきそ』初版、日刊工業新聞社 ISBN 978-4-526-06112-7
門田和雄、2006、『絵とき「機械要素」基礎のきそ』初版、日刊工業新聞社 ISBN 978-4-526-05655-0
小玉正雄、1985、『ばねのおはなし』第1版、日本規格協会〈おはなし科学・技術シリーズ〉 ISBN 4-542-90109-2
村上敬宜、1994、『材料力学』第1版、森北出版〈機械工学入門講座1〉 ISBN 4-627-60510-2
山田学、2010、『めっちゃ、メカメカ! 2 ばねの設計と計算の作法―はじめてのコイルばね設計』初版、日刊工業新聞社 ISBN 978-4-526-06578-1
Erik Oberg, Franklin Jones, Holbrook Horton, Henry Ryffel, Christopher McCauley (2012). Machinery’s Handbook (29 ed.). Industrial Press. ISBN 978-0-8311-2900-2
外部リンク [ 編集 ]
THE MAKING （５８）ばね（自動車用）ができるまで – YouTube – 科学技術振興機構
圧縮コイルばねの特徴と種類 【通販モノタロウ】
機械要素の基礎講座
多くの産業を支える機械の基礎として重要な「機械要素」。 歯車やベルト・チェーン、ばねなど多岐にわたります。本連載では、 それらの機械要素について、知っておくべき基本的な事項をご紹介していきます。
第3章 化学製品の基本
圧縮コイルばねは、主として圧縮荷重を受けて弾性エネルギーを蓄えるコイルばねです。 線材の直径が幅広く、製作が容易であること、コンパクトでエネルギー吸収効率がよいなどの特長があるため、ボールペンなどの文具から、日用品、家電製品などはもちろん、自動車のエンジンのバルブやサスペンションなど、さまざまな場面で用いられています。
圧縮コイルばね
コイルばねの各部の寸法には、コイル部分の直径であるコイル径、線材の直径である線径、コイルの巻数である有効巻数などがあります。また、無荷重時のばねの高さを自由高さといいます。ばねに加える荷重とたわみの関係は、一次式の関係で表される線形が一般的ですが、あえて非線形にした形状もあります。
A：コイル径
B：線径
H：自由高さ（H1：圧縮時の高さ）
C：有効巻数（この図では10巻）
ばねに加える荷重とたわみの関係は線形が基本
円錐コイルばねは、コイル部分が円錐状のコイルばねです。このばねは圧縮されたときにコイル部分が干渉しないという特長があり、身近なところでは電池ボックスなどに用いられています。このばねは荷重とたわみの関係が非線形になるため、荷重が大きくなるほど、たわみの変化量が小さくなります。
円錐コイルばね
円錐コイルばねの荷重とたわみの関係は非線形
たる形コイルばねは、コイルの両端の直径が小さく、中央の直径が大きいたる形のコイルばねです。非線形ばねであり、両端のスペースを小さくしたい場合などに用いられます。 つづみ形コイルばねは、コイルの両端の直径が大きく、中央の直径が小さいつづみ形のコイルばねです。こちらも同じく非線形ばねであり、圧縮したときに中央付近での干渉を避けることができます。
たる形コイルばね
つづみ形コイルばね
不等ピッチばねは、一つの圧縮コイルばねの内部でピッチが大きい部分と小さい部分がある変わった形状のばねです。このような形状のばねに圧縮荷重がはたらくと、はじめはピッチの小さい部分が大きく収縮し、ピッチの大きな部分はあまり収縮しません。 さらに圧縮荷重が加わり、ピッチの小さい部分の収縮が終わると次にピッチの大きい部分の収縮が行われます。すなわち、二種類のピッチがある場合は、ばね定数が二段階になると考えられるため、はじめのうちは変形しやすく、次第に変形しにくい非線形のばねになります。
不等ピッチばね
ばね定数が二段階に変化する
また、コイルばねには断面が円形以外の形状をしたものもあります。長方形や正方形にした角ばねは小さな空間で大きなばね定数を得ることができ、卵形断面ばねは密着高さを低くすることができます。
圧縮コイルばねが最初に荷重を受けるのが座巻とよばれる両端部であり、この部分の形状は取り付けにも大きく影響するため、用途に応じて研削処理をしたいくつかの形状があります。
執筆：宮城教育大学 教育学部 技術教育専攻 門田 和雄 准教授
引張コイルばね(引きばね)
Kシリーズ
引張コイルばねへ Dシリーズ
引張コイルばねへ DSシリーズ
引張コイルばねへ 材料の直径 0.2〜2.0mm 0.1〜2.5mm 0.5〜2.5mm 材質 ステンレス鋼線
SUS 304-WPB 線径:0.1〜 0.4 ステンレス鋼線 SUS 304-WPB
線径:0.5〜2.5 ピアノ線 SWP-B ステンレス鋼線
SUS 304-WPB Kシリーズ
引張コイルばねへ Dシリーズ
引張コイルばねへ DSシリーズ
引張コイルばねへ
主として引張荷重を受けるばねです。一般に使用する冷間で形成される円筒形引張コイルばねで、円形断面の材料を使用したものになります。スーパースプリングシリーズの引張コイルばねは、3つのシリーズに大別され、豊富なラインナップの中から必要な用途に応じて選択が可能です。
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