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 | 単位 | 記号の意味 |
---|---|---|
d | 材料の直径 | mm |
D | コイル中心径 | mm |
Hf | 自由高さ | mm |
Na | 有効巻数 | — |
P | ばねにかかる荷重 | N |
δ | ばねのたわみ | mm |
k | ばね定数 | N/mm |
Pi | 初張力 | |
τi | 初応力 | mm |
M | ねじりモーメント、曲げモーメント | N/mm |
σ | 引張り応力 | N/mm2 |
τ0 | 未修正せん断応力 | N/mm2 |
τ | 修正せん断応力 | N/mm2 |
κ | 応力修正係数 | — |
c | ばね指数 | — |
G | 横弾性係数 | N/mm2 |
r1 | フック部曲げR | mm |
r2 | フック部曲げR | mm |
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 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 |
コイル部のたわみの基本式は、圧縮コイルばねの式
を用いて計算する。
但し、荷重については、初張力を考慮する必要があり、この初張力を Pi とすると任意荷重 P は
となる。式(1)よりたわみ δ は、
となる。また、せん断応力 τ0・τ は、圧縮コイルばねと同様に
で求められる。
フック部には、曲げモーメントとねじりモーメントに基づく引張応力、及びせん断応力が発生しており、正確な計算は複雑である。ここでは、広く利用されている半丸フック、Uフックについて、近似的な計算を紹介する。
図1 半丸フック
図1において引張応力の最大値はA部の内側に、せん断応力の最大値はB部の内側に生じる。
A部内側の最大引張応力は、曲げモーメント M と軸荷重 P による引張応力との和であるから、
となる。ここでK1 は曲率に基づく応力集中係数で、
とすると次式で与えられる。
式(7)を整理すると
を得る。但しK1 は
である。ここで、C はコイル部のばね指数である。
B部内側の最大せん断応力は、ねじりモーメントM によるものであり
となる。ここで K2 は曲率に基づく応力集中係数で、
とすると次式で与えられる。
図2 Uフック
図2において引張応力の最大値はA部の内側に、せん断応力の最大値はB部の内側に生ずる。
A部内側の最大引張応力は、曲げモーメント M と軸荷重 P による引張応力との和であるから、
となる。ここでK3 は曲率に基づく応力集中係数で、
とすると次式で与えられる。
式(13)を整理すると、
を得る。但し、K′3 は
である。B部の最大せん断応力は、半丸フックと同様に式(11)で与えられる。尚、他の形状のフックについても同様に考えれば良い。