さまざまな種類のばねとその用途

バネは、多くの製品において、動きを実現したり、衝撃吸収能力を向上させたりするために使用される非常に重要な機械部品です。言い換えれば、3D プリントや CNC 加工などのラピッドプロトタイピングサービスにより、時計や携帯電話などの製品の実現や製造に使用されるさまざまなタイプのバネを作ることができます。

製品設計においてスプリングが広く使用されていることを考えると、スプリングの種類、用途、性能特性を理解することは不可欠です。この記事では、さまざまな種類のスプリング、その利点、制限、実際の用途について詳しく説明します。

バネの原理

まず、バネについてお話しましょう。バネは力が加えられるとエネルギーを蓄え、力がなくなるとエネルギーを放出します。通常、バネの種類に関係なく、荷重がなくなるとバネは元の形状に戻ります。

スプリングの機能は、 フックの法則フックの法則は、加えられた力とバネの弾性の関係を定義します。簡単に言えば、フックの法則は、バネを圧縮または伸張するために必要な力が変位に正比例することを述べています。

数学的にはフックの法則は F= -kX として表されます。

F = バネにかかる力

X = スプリングの変位 (負の値は、復元力が逆の方向であることを示します。

k = はバネ定数です。 スプリングの種類によって硬さが異なります。

さまざまな種類の機械ばねとその用途

ばねは、さまざまな材質、形状、機能などで作られており、さまざまな用途が必要です。ばねには 3 つの主要なカテゴリがあり、各カテゴリには異なるサブカテゴリがあります。

カテゴリー XNUMX: つる巻きバネ

らせんばねは、製品の製造において最も一般的です。ワイヤーをらせん状に巻くことで、さまざまな断面を持つばねが作られます。以下は、このカテゴリのばねの種類です。

1. 圧縮ばね

圧縮スプリングは、一定のコイル径と可変形状を備えたオープンコイルらせん設計を特徴とし、軸方向の圧縮に抵抗します。

その応用の最も単純な例はボールペンであり、そこでは「はじける」効果を担当します。 バルブやサスペンションにも応用可能です。

2. 引張りスプリング

伸張スプリングは、圧縮タイプとは異なり、閉じたコイルのらせん構造を採用しています。張力を発生させ、エネルギーを蓄え、それを使って元の形状に戻ります。

その応用例としては、ガレージドアが挙げられます。 他には、プルレバー、ジョープライヤー、計量機などがあります。

3. トーションスプリング

ねじりバネの両端は異なる部品に取り付けられています。これにより、2つの部品は一定の角度で離れています。これらのバネは、回転により力が放射状に作用するときに放射方向を使用します。さらに、 CNC加工能力 カスタム2体ねじりバネを大量生産できます。

4. 渦巻きバネ

スパイラル スプリングは、長方形の金属片を平らな螺旋状に巻いて作られています。作動すると、適度な量のエネルギーを蓄え、一定の割合で放出することができます。一定の割合で放出されるため、機械式時計、おもちゃ、座席リクライニングチェアなどに適しています。

カテゴリ XNUMX: 板バネ

リーフ スプリングは、リーフとも呼ばれる長方形の金属板で作られています。長方形の金属板は通常、ボルトで締め付けられ、大型車両で主に使用されます。以下は、さまざまなタイプのリーフ スプリングとその用途です。

1. 楕円形の板バネ

2 つの半楕円形のスプリングを反対方向に連結すると、楕円形のリーフ スプリングが作成され、楕円形になります。古い車では、これらのスプリングが車軸とフレームに取り付けられ、圧縮時に両方の半楕円形のスプリングが均等に伸びるため、シャックルが不要でした。ただし、現代の車では使用されなくなりました。

2. 半楕円形の板バネ

自動車で最も一般的なリーフ スプリングです。長さは異なりますが、幅と厚さは同じ鋼板で作られています。両端の最上部/最長の鋼板がマスター リーフです。鋼板の配置は半楕円形に似ています。

半楕円形のリーフ スプリングは、片方の端が車両フレームにしっかりと固定され、もう片方の端がシャックルに固定されています。これにより、長さを変えて、起伏の多い地形を走行する際の衝撃を吸収できます。メンテナンスの必要性が少なく、修理も簡単で、長寿命です。

3. XNUMX分のXNUMX楕円板バネ

カンチレバー型リーフ スプリングとも呼ばれる 1/4 楕円リーフ スプリングも古いものです。片方の端は U 字型クランプまたは I 字型ボルトを使用してフレームのサイド メンバーに固定されています。もう一方の端はフロント アクスルに自由に接続されています。フロント アクスル ビームに衝撃荷重がかかると、リーフがまっすぐになり、衝撃を吸収します。

4. XNUMX/XNUMX楕円板ばね 

簡単な応用例としては、ドアのヒンジが挙げられます。ドアを開けると、バネが回転エネルギーを蓄えます。ドアを放すと、蓄えられたエネルギーを使ってドアを元の位置に戻します。回転力はバネの回転によって決まります。

1/4楕円スプリングと半楕円スプリングを組み合わせたタイプです。半楕円部分の片端を車体フレームに取り付け、もう一端を1/4楕円スプリングに接続し、Iボルトでフレームに固定します。

5. 横方向板ばね

横方向の板ばねは、半楕円形のばねを車体の幅に渡って取り付けることによって作られます。最も長い板は下部に配置され、中央部分はUボルトを使用してフレームに固定されます。この設計では2つのシャックルを使用しますが、横転を引き起こす可能性があるため、 自動車用ファスナー.

カテゴリ XNUMX: 皿ばね

ディスク スプリングは、単一または複数のスプリングを直列または並列に積み重ねたもので、狭いスペースで高荷重を吸収できます。ディスク スプリングには次の種類があります。

1.皿バネ

皿ばねは円錐形の皿ばねとも呼ばれ、カップ状の構造をしています。 それらは平らに横たわっているわけではありません。 代わりに、圧縮して重い負荷を処理できるようにする標準的な形状を採用しています。

2. 湾曲皿バネ

三日月ワッシャーとしても知られており、相手部分に軽い圧力を加えて、振動による緩みを防ぎます。 一定の振動が発生する機械において、ねじ付きボルト、ネジ、ナットの荷重を均等に分散するのに適しています。

3. 穴付き皿ばね

ディスクの外径と内径にスロットを設けることで、スロット付きディスク スプリングが作られます。この設計により、負荷が軽減され、たわみが大きくなるため、スロット付きディスク スプリングは、オートマチック トランスミッション、クラッチ、および過負荷カップリングで広く使用されています。

4. ウェーブ皿バネ

ウェーブ ディスク スプリングは、1 回転あたり複数のウェーブがあり、価格と予測可能な荷重を提供するのに適しています。ここでは、軸方向の圧縮による応力を吸収することでクッションとして機能します。

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ばねの材料

バネは鉄だけで作られているという一般的な考えに反して、バネはさまざまな材料から作られています。これらの材料はバネの特性、種類、用途に影響します。以下は、よく使用される材料の一部です。

ベリリウム銅合金

この合金から作られたバネは、強度が高く、クリープが少なく、導電性に優れています。複雑な形状を成形するのに最適で、楽器、測定装置、弾丸などに適しています。

セラミック

セラミック材料は、非常に高温で使用されるバネの製造に適しています。耐摩耗性、耐水性があり、非常に硬いです。また、摩擦係数が低く、密度も低いです。

一方向ガラス繊維複合材料

一方向ガラス繊維複合材料は強力な強度をもつ強化ガラス繊維です。 その結果、メーカーは現在、あらゆるばねを製造するための潜在的な材料としてそれを検討しています。

ゴム/ウレタン

これらの材料は、円筒形/非コイル設計のスプリングの製造に適しています。安全で信頼性が高く、非導電性のため、磁性、腐食、振動の問題が常に存在する製品に応用されています。

鋼合金

鋼合金は、その優れた強度と耐久性から、ばねに最もよく使用される材料です。他の材料で強化することもできますが、その基本的な特性は非常に信頼性が高いままです。

プロジェクトでスプリングを使用する利点

スプリングは多くの用途に不可欠であり、柔軟性、エネルギー貯蔵、正確な制御を提供します。スプリングを設計に組み込むことで、機能性を高め、機械的な課題に効率よく対処できます。スプリングがプロジェクトにどのような付加価値をもたらすかについて詳しく見ていきましょう。

より優れた衝撃吸収能力

スプリングは衝撃を吸収することで衝撃の影響を軽減できるため、多くの製品に幅広く使用されています。製品が衝撃を受けると、スプリングが圧縮され、緩んで衝撃を吸収します。そのため、スプリングは自動車の重要な部品です。

エネルギー貯蔵

ゼンマイは電池の代わりとして機能します。力を加えるとエネルギーを生成し、継続的に放出するため、機械式時計の重要な部品となっています。

接合機構

スプリングを使用すると、製品または部品の 2 つの部分を結合できます。たとえば、ガレージ、ドア、計量機などで、2 つの部品を結合して機能させるために使用されます。

製品の安定性

バネには衝撃吸収機能があり、使用された製品の安定性を確保します。 製品の安定性は、部品の摩擦や振動の低減にもつながります。

工学におけるスプリングの欠点

スプリングは有用であるにもかかわらず、エンジニアリングの結果に影響を及ぼす可能性のある制限があります。

サイズと重量の制約

スプリングは、高負荷に対応するためにサイズと重量が増加する場合があり、スペースが制限されたアプリケーションや重量に敏感なアプリケーションでは課題が生じ、設計が複雑になり、システム効率に影響を及ぼす可能性があります。

複雑な設計要件

特定の力と変形の基準を満たすスプリングの設計は複雑で、材料特性、スペースの制約、および望ましい性能を慎重に考慮する必要があり、複雑で困難な設計プロセスにつながることがよくあります。

時間の経過とともに効果が失われる

スプリングは圧縮と弛緩が同時に起こるため、時間の経過とともにその効果が失われます。 これは製造に使用される材料によって異なります。 最終的には、フックの法則に従わなくなり、変形しても元の形状に戻らなくなります。

結論

スプリングは、動きのある製品にとって不可欠です。最新のスプリングは、材質、設計、製造プロセスに基づいて機能と特性が異なります。製品にスプリングを選択するときは、これらの要素を慎重に評価することが重要です。

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