ばね 設計と製造

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ばね

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/01/14 16:12 UTC 版)

設計と製造

設計の基礎事項

ばねの設計上でまず重要となるのは、何の用途に使うかを明確にする点である[164]。他の機械要素と同様に、使用目的に適した性能を設計するばねに与える必要がある[165]。ばねによって実現したい機能に、具体的には次のようなものが挙げられる[166]。

  • 除荷すると元の位置や形状に戻る復元性の利用
  • 物体を弾性的に保持
  • 振動の絶縁・緩和
  • 振動を生み出して利用
  • 衝撃の緩和
  • エネルギーの貯蔵と放出
  • 荷重の計測や規定

機能を満たすという要求の他には、次のようなことがばねの設計上要求される[167]

  • 空間的制限に収まる
  • 永久変形や破壊が起きない
  • 使用期間内で十分な強度を持つ
  • 使用環境中で十分な強度を持つ
  • 軽量である
  • 小型である
  • 製造が容易である
  • 価格が安い

ばねの調達方法としては、販売されている標準品の中から選ぶ場合と、規格品にないものを個別に製作する場合がある[168]。ばねの用途は多様であるため、ファスナーばねを除くと、一つ一つ個別に設計することが多い[169]。そのため、ばねの設計において標準品から選ぶ方式は、同じ機械要素であるボルトやベアリングほどは多くない[163]。

ばねの並列接続
ばねの直列接続

一つのばねで必要なばね特性を得ることができないときは、複数のばねを組み合わせることもある[170]。荷重を分担するようなばねの組み合わせを「並列」や「並列接続」、たわみが加算されるようなばねの組み合わせを「直列」や「直列接続」という[171]。並列では、組み合わさるばねの数が多いほど、組み合わせ全体としてのばね定数は大きくなる[172]。直列では、組み合わさるばねの数が多いほど、組み合わせ全体としてのばね定数は小さくなる[172]。組み合わせの仕方によっては、全体としてのばね特性を非線形特性にすることもできる[173]。

古典理論式と有限要素法

ばねを設計するとき、荷重と変形の関係や発生する応力を計算する方法には、材料力学の古典的な理論式を使う方法と数値解析の有限要素法 (FEM) を使う方法がある[174]。古典的理論では代数式の形で計算式が与えられていることが多く、電卓などでも容易に計算できる[175]。また、形状をどれだけ変えたら特性にどれだけ影響するかなど、要因と結果の関係が明白に理解できる[176]。

圧縮コイルばねの荷重とたわみ。簡略式はコイル中心一直線上に荷重がかかる場合のみを仮定している。

一方で、古典的理論では計算式を導出するためにいくつかの仮定を置いており、それらの仮定に近い範囲の使用のみで式の精度が期待できる[177]。例えば、一般的な圧縮コイルばねのばね定数 k は、形状と材料特性の数値を決めれば次の基本式で計算できる[178]。

自動車の簡略的な4自由度振動モデルの例。車体の上下・ピッチング振動を計算するためのもの。

振動の問題を扱うときなどには、対象の機構をモデル化し、個々の要素から構成されるシステム（系）として考える[189]。基本的な振動モデルは慣性要素、復元要素、減衰要素の3つから成る[190]。復元要素の典型がばねである[190]。ばねの荷重-たわみ特性を求めることができれば、振動モデル上の一要素としてその特性を与えることができる[191]。ただし、振動モデル上でモデル化されたばねは、実際のばねをあくまでも理想化したものであることに注意が必要である[191]。振動モデル上のばねは質量を持たないものとして扱われるが、実際に組み込まれるばねは質量を持っている[191]。実際のばねは、それ自体も一つの振動系である[192]。そのためばね自体も振動し、その振動にも固有振動数が存在する[192]。ばね自体の固有振動数と外からの振動数が一致すると共振が起こる[193]。この共振は「サージング」と呼ばれ、特に高振動数で伸縮される圧縮コイルばねで問題となる[193]。サージングが起こると、機構の動きにばねが追従できずシステムが不安定になったり、ばねの破損を引き起こしたりする[194]。サージングが問題となるときは、ばね自体の固有振動数を上げるなどして対策をする[195]。

強度

一般的な機械設計では壊れないように十分な強度を持たせることが大事であり、ばねもそれは同様である[196]。設計においてばねが他の機械要素と比較して特殊な点は、変形によるたわみ量を必要とする点にある[168]。他の機械要素では強度の評価は行うが、変形量の評価までは通常は必要としない[175]。もう一つの設計上の特徴は、前述のとおり、ばねの使用範囲が弾性変形の範囲内となるようにすることである[197]。これは、ばね設計の「絶対条件」ともいえる[197]。材料の弾性限度を超えるようだと、ばねとしての機能が通常は果たせなくなる[198]。ばねの強度面で特に重要となるのが「疲労」と「へたり」である[181]。

疲労で破壊したコイルばねの断片

疲労は、物体に荷重が変動しながら繰り返し加わり続けることで、物体にき裂が発生して破壊に至る現象である[199]。このような繰り返し荷重のことを「動的荷重」や「動荷重」と呼ぶ[200]。振動を受け続ける車両の懸架装置用ばねなどがそのような荷重を受ける例である[201]。疲労強度には材質、形状、荷重形式、使用温度、雰囲気などの多くの要素が影響する[199]。ばねは繰り返し荷重を受ける形で使用されることが多いことから、設計上も疲労強度の検討が重要となる[202]。一般的には、荷重が繰り返し加わる回数が1000万回までであれば、ばねが疲労破壊しないように設計する[203]。ばねの用途によっては、それよりも少ない回数に耐えれればよい場合やそれ以上の回数に耐えるようにする場合がある[204]。

へたりは、降伏応力以下しか与えない荷重でも長期間かけ続けると、徐々に材料中で塑性変形が発生して、ばねに永久たわみが発生する現象である[205]。へたりは荷重がほぼ一定でかかり続けるような場合にも発生する[205]。このような荷重のことを「静的荷重」や「静荷重」とも呼ぶ[200]。へたりは材料のクリープと呼ばれる現象が主原因である[206]。例えば、自動車の懸架装置用ばねではへたりによる車高変化が問題となる。特に高温領域ではへたりが起きやすいため、高温領域で使用されるばねは発生応力を低く抑えたり、へたりに対する耐性が高い材料を採用するなどの配慮がされる[207]。450℃以上の高温領域におけるへたり現象については解明が進んでいるが、400℃以下の領域におけるへたり現象の発生機構については2014年現在では未だに不明確である[208]。

製造の基礎事項

ばねの製造工程は種類によって様々である。以下では金属ばねに関する製造について大まかに説明する。

コイルばねの熱間成形の様子

金属ばねの場合、棒状や板状の材料から所定のばね形状への成形は主に塑性加工によって行われる[209]。材料に曲げや圧延を行い、望みの形状に加工する[209]。金属ばねの塑性加工は大きく分けて、冷間成形と熱間成形に分かれる[210]。前述のとおり、冷間成形とは材料が常温の状態でばねの形へ加工することで、比較的小型のばねに対して行う[211]。熱間成形とは材料を高温に熱した状態でばねの形へ加工することで、比較的大型のばねに対して行う[211]。

金属ばねの場合、成形後には熱処理が施される。鋼材の熱間成形ばね（重ね板ばね、竹の子ばね、コイルばねなど）であれば成形後直ちに急冷して焼入れ、そして焼戻しを行う[212]。焼入れ焼戻しによって、硬く粘り強い材質にすることができる[213]。鋼材冷間成形ばね（薄板ばね、コイルばね、皿ばねなど）の成形後に熱処理する場合は、焼入れ焼戻しあるいは残留応力を除去するために低温焼なましを行う[214]。非鉄金属材料の場合は時効処理が施され、同じく強度を高める[215]。

ショットピーニングの模式図。硬質粒子を高速でぶつけ、強度を向上させる。

熱処理後には多くの場合、ショットピーニングを行う[209]。ショットピーニングは無数の硬質粒子をばね表面に高速でぶつける処理で、ばね表面に圧縮の残留応力を与えて疲労強度を向上させる[216]。ショットピーニングあるいは熱処理後には、設計上の最大荷重よりも大きな荷重を加える、「プレセッチング」あるいは「セッチング」と呼ばれる工程を多くの場合で行う[209]。セッチングを行うことでへたりに対する耐性を向上させることができる[209]。熱間成形コイルばねなどでは、焼戻しと同時に高温状態でセッチングを行う「ホットセッチング」を行う場合もある[217]。ホットセッチングによって耐へたり性を大きくすることができる[218]。最終工程では、必要に応じてメッキや塗装などで表面処理を行う[219]。

プラスチックばねの場合、ばねに使用されるプラスチックはほとんど熱可塑性樹脂なので、射出成形で成形される[220]。溶融された材料が金型に圧入されて、冷却・固化されて造られる[220]。ゴムばねの一つである防振ゴムの場合は、原料の配合と練りを行い、ゴムを金具へ加硫接着させて製造する[221]。

工業規格

国際規格であるISOの他、各国の工業規格（ASTM、BS、DIN、JIS、JASO、NF、SAEなど）で、ばねの設計や製造に関する規格が制定されている[222]。内容は、ばねに関する用語、各種のばね製品、試験方法、ばね用材料、製図方法などに関するものである[222]。例えば日本産業規格における皿ばねの規格「JIS B 2706：2013」では、材料、分類、設計計算式、寸法許容差、試験方法などが規定されている[223]。ISOでは、2017年現在12カ国が参加する技術委員会「ISO/TC 227」が設置され、金属ばねを所掌範囲として規格開発が行われている[224]。


脚注

注釈

  1. ^ 例えば、日本ばね学会（編） 2008, pp. 1–5、ニッパツ・日本発条株式会社（編） 1998, p. 3、渡辺・武田 1989, pp. 8–10。
  2. ^ 掲載した種類とツリー構造は「ばねの歴史」編纂ワーキンググループ（編） 2012, p. 6 を基にして、そこに 日本ばね学会（編） 2008, pp. 5–7 の「形状による分類」に含まれるメッシュばねを加えた。
  3. ^ ばね鋼とは、後述の熱間成形用のばね用鋼材のみを指す場合もある[117]。
  4. ^ 原文： "About two years since I printed this Theory in an Anagram at the end of my Book of the Descriptions of Helioscopes, viz. ceiiinosssttuu, id est, Vt tensio sic vis; That is, The Power of any Spring is in the same proportion with the Tension thereof: That is, if one power stretch or bend it one space, two will bend it two, and three will bend it three, and so forward. Now as the Theory is very short, so the way of trying it is very easie."[338]

出典

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  377. ^ 『世代の価値』：新字新仮名 - 青空文庫

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