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ばね設計の基礎 「ばね設計手順 7つのポイント」

 
 

ばねを設計するときに、

 

「まずはじめに、これだけは知っておいてほしい」というポイントです。

 

一般的なコイルばねを例に説明します。

 

 

>ばね設計 「材料選択 5つのポイント」

 

>ばね設計「押しばね設計 5つのポイント」

 

>ばね設計「引きばね設計 5つのポイント」

 

 

 

 

 

ばね設計手順7つのポイント

 

 

ばね設計

 

 

 

ポイント1 バネを取り付けるスペース、取り付け位置を確認する

 

機械などを設計するときにバネから設計を始める人はほとんどいません。だいたい最後の方で設計することが多いです。

 

筐体や周りの部品設計が全て出来上がってから、余ったスペースの範囲内でバネ設計は行われます。

 

どのくらいの大きさ・形状のバネまで設計できるスペースがあるのか、安定した取付けができるスペースもあるのかも含めて確認しましょう。

 

その限られたスペースの中で、必要な機能(荷重など)を発揮させるように設計します。

 

バネを設計したが取付け位置に無理があって、複雑な形状のバネになってしまい、結果的にコストが高くなってしまうケースがあります。

 

 

 

 

ポイント2 バネの使用方法、使用環境を確認する

 

主として以下の点を確認します。

 

①何度もバネを繰返して使用するのか(動的使用)、それとも一度取り付けたら繰返しがほとんどないのか(静的使用)。

 

②バネを使用する周りの温度はどのくらいか。

 

③塩分の多い雰囲気で使用したりしないか。屋内か屋外か。

 

④取付けに案内棒を使用する場合には、バネと接触する状態。

 

⑤バネが折損した場合に、簡単に取り換えることができるか。

 

 

 

ポイント3 必要なバネ定数や荷重はどのくらいか

 

必要なバネ定数や荷重を計算して数値をきっちり出せる場合はよいのですが、

 

「今のバネよりも強く、弱く」とか感覚的にしか表現できない場合もあります。

 

その場合、基準になるバネサンプルがあれば、バネ試験機で荷重測定が可能ですので、おおよの必要荷重が推定できます。

 

そのバネサンプルよりも10%強くするとか数値化しやすくなります。

 

バネサンプルがない場合は、「とりあえずサンプル」を製造して、それを基準に強くしたり弱くしたりシュミレーションします。

 

あるいは、よさそうな規格バネがある場合には、まずそれを購入して試してみてから、きっちりとした必要荷重を割り出すのも一つの方法です。

 

 

 

 

ポイント4 ばね設計の検討項目の順番

 

経験的に次の順で検討するとスムーズに設計できます。

 

①材質

 

②自由長

 

③コイル平均径

 

④有効巻数

 

⑤線径

 

⑥端末形状

 

 

まず①材質を選択します。

 

次に、②自由長と③コイル平均径をバネの取り付けスペースの寸法から割り出します。

 

④有効巻数は密着時の寸法を考慮します。3巻以上がおススメです。

 

バネ定数は、③コイル平均径 ④有効巻数 ⑤線径 の3つのパラメーターの組み合わせで決まります。

 

従って、③コイル平均径と④有効巻数が決まれば、必然的に⑤線径が決まります。

 

最後に⑥端末形状を検討します。

 

 

ばね計算ソフトに数値を入れれば、簡単に荷重やバネの寿命が計算できます。

 

 

設計案が複数ある場合には、ばね定数の低い設計を選択するのが一般的です。

 

なぜかというと、取付け位置にバラつきがあった場合、ばね定数の低いほうが荷重の変化を小さくすることができ、ばね機能がより安定化するからです。

 

 

 

ポイント5 表面処理を検討する

 

防錆油を塗布するだけの場合が多いです。

 

バネの使用する箇所によっては、メッキ、塗装、化成処理などを検討します。

 

オイルテンパー線のようにメッキに向かない材料もあるので(水素脆化が激しく折れやすくなる)注意が必要です。

 

また、引張りバネにメッキや塗装をする場合は、密着部に表面処理をすることができず、密着部から錆びていきます。

 

錆を防止するには特殊なメッキ治具が必要となり、高コストになります。

 

 

 

ポイント6 製造コスト

 

次のような場合に製造コストが高くなるので、設計するときに注意が必要です。

 

 

①特殊仕様の材料(異形線など)や流通量の少ない材料で設計する。

 

一から生産しないと無いことが多いです。その場合、材料生産は数百キロ単位になります。

 

1個だけバネを作る場合でも、材料代は数百キロ分になってしまいます。

 

 

 

②バネのJIS規格1級を超える精度を要求する。

 

機械で量産した後、全数検査したり、1個づつ手作業で芯取りを行う必要があり、高コストになる場合があります。

 

 

荷重に精密公差を入れる場合に、その他の寸法にも全て精密公差を入れてしまうと、量産するときに大量ロスが出る、もしくは量産不可になることがあります。

 

材料の引張り強さにもバラつきがあり、寸法通り製造しても荷重がで公差内に入らないことがあるからです。

 

その場合、調整できる寸法(自由長を参考値にするのが一般的)を作ってあげる必要があります。

 

 

 

③バネを溶接する。

 

バネ材料は高炭素鋼です。溶接すると、すぐに折損してしまう材料です。バネ材料は溶接に向きません。

 

折れを防止するためには、溶接後に「なまし」をする工程設備が必要となります。

 

また、特殊な試験機で溶接部分を全数検査する場合もあり、コストが通常の溶接よりも高くなります。

 

 

 

 

ポイント7 バネ屋に設計を丸投げする

 

ポイントの1~3だけ指定して、あとはバネの専門メーカーに設計を助けてもらいましょう。

 

 

 

 

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