ばねの設計に用いる記号を下記の表1に示します。また、横弾性係数Gの値は表2によります。
表1. 計算に用いる記号及び単位
記号 | 記号の意味 | 単位 |
---|---|---|
P | 荷重 | N |
δ | ばねのたわみ | mm |
δ1 | 接着していない部分のたわみ | mm |
δ2 | 接着している部分のたわみ | mm |
R | 角度θの点のコイル平均半径 | mm |
R1 | 最小コイル平均半径 | mm |
R2 | 最大コイル平均半径 | mm |
θ | 半径R2の点からコイルに沿って長さsの点までの軸まわり角度 | |
n | 無荷重時の有効巻数 | — |
n’(=θ/2π) | R2から数えて角度θの点までの巻数 | — |
n1 | 接着していない部分の有効巻数 | — |
n2 | 接着している部分の有効巻数 | — |
d | 線径 | mm |
Ip(=πd4/32) | 断面2次モーメント | mm4 |
φ=PR/GIp | 素線の単位長さ当たりのねじれ角 | rad(度,°) |
ν=( R2-R1)/n | コイル平均半径の1巻当たりの変化 |
表2.横弾性係数:G(N/m㎡)
材料 | Gの値 | |
---|---|---|
ばね鋼鋼材 硬鋼線 ピアノ線 オイルテンパー線 |
7.85×104 | |
ステンレス鋼 |
SUS304 SUS316 SUS631J1 |
6.85×104
7.35×104 |
黄銅線 | 3.9×104 | |
洋白線 | 3.9×104 | |
リン青銅線 | 4.2×104 | |
ベリリウム銅線 | 4.4×104 |
ピッチ角一定の円錐コイルばねでは、Rとn’ (=θ/2π)は次式で関係づけられる。
したがって、無荷重時の最大コイル径から測ってn’ 巻目までの高さHは、ピッチ角αが小さいとき次式で表わせる。
コイルが密着を始める前までのたわみは、dδ=Rφds と dR=(ν/2πR)ds の2式から ds を消去した dδ=(2πφ/ν)R2dR を、R1から R2まで積分して求められ、
となる。最大せん断応力は最大コイル半径 R2 の点に生ずるから
ただし、κはc=2R2/dとして式 から求める
コイルが接着してからのたわみと応力は、つぎのようにして求められる。
円筒コイルばねを密着させたときのコイル展開曲線は、直線となるが、円錐ばねではある曲線をなす。
しかし横軸にθを取った接着部分の展開曲線は h=θd’/2π なる直線で表せる。
したがって実際の接着部分の展開曲線の傾斜角α’ は
となる。ただし、d’ は図①に示す接着コイルの中心距離で次式から計算される
したがってピッチ角αがあまり大きくなければ
が成り立つから、これをθについて0から2n2πまで積分すると
となる。ここでn2/n=(R2-Rs)/(R2-R1)なる関係を用いた。
δ1は上述のたわみの式(δ=16Pn/Gd4…)で分子のR2のかわりにRsとおいて求められるから、
結局たわみδは
一方、荷重PはRsと なる関係があるから、
これを書きなおして
上式をRsについて解くのは面倒であるから、荷重とたわみの関係はRsを媒介変数として上述のたわみの式(δ=δ1+δ2=n/R2-R1[…)及び荷重の式(P=πd4G/32R2s…)から求めると良い。接着開始荷重とその時のたわみ式は上述のたわみの式(δ=δ1+δ2=n/R2-R1[…)及び荷重の式(P=πd4G/32R2s…)でRs=R2とおいて求められる。円すい形の径射角とばねのピッチ角がともに大きければ1-(R2-R1)/nd≦0となる場合がある。
このような場合は、コイルの密着が隣接するコイルではなく支持板に対して行われる。
この場合のたわみと荷重は上述の式(δ=δ1+δ2=n/R2-R1[…)、(P=πd4G/32R2s…)でd’=0とおけばよく、次式のようになる。
最大せん断応力τmaxは、接着が隣接コイルと座の支持面のいずれに対して行われる場合も、次式で計算される。
κはc=2Rs/dとして、式 から求める。