スプリングの種類解説：用途と選定ガイド

スプリングは、多くの製品で動作を実現し、衝撃吸収能力を向上させるなど、極めて重要な機械コンポーネントです。言い換えれば、3DプリントやCNCマシニングなどのラピッドプロトタイピングサービスで、時計、携帯電話などの製品に採用される様々なスプリングの種類を製造できます。

最も広く使用されている製品のいくつかは設計にスプリングを組み込んでいます。これによりスプリングとその用途に関する知識と選定の必要性が生じ、スプリングとその用途を理解する必要性が生まれます。したがって、本記事ではスプリング、その利点と欠点、そして異なるスプリングの種類とその用途について語ります。

スプリングの原理

スプリングについて何かから始めましょう。スプリングは、荷重からの力（負荷）の適用時にエネルギーを蓄え、負荷除去後にエネルギーを放出する装置です。通常条件下では、製品に使用されるスプリングの種類に関わらず、負荷除去時にスプリングは元の形状に戻ります。

製品でのスプリング使用はフックの法則に基づきます。フックの法則は単純に「力」とスプリングの弾性の関係を示します。簡単に言えば、フックの法則はスプリング圧縮と伸張に必要な力が変位に比例することを述べています。

数学的にフックの法則は F = -kX と表現されます。

F = スプリングに加えられる力

X = スプリングの変位（負の値は復元力が方向と反対であることを示す）

k = ばね定数。スプリングの種類に依存し、剛性を示します。

スプリングの種類とその用途

スプリングは異なる材料、形状、機能などで作られ、様々な用途を必要とします。スプリングには3つの主要カテゴリーがあり、各カテゴリーに異なるサブカテゴリーがあります。

カテゴリ1：ヘリカルスプリング（コイルスプリング）

ヘリカルスプリングは製品製造で最も一般的なスプリングタイプです。異なる断面を持つヘリックス形状（らせん形状）に巻かれたワイヤーでヘリカルスプリングを作れます。以下はカテゴリ1のスプリング種類です。

1. 圧縮コイルスプリング

圧縮コイルスプリングは一定の巻き径と可変形状を持つ開巻きヘリカルスプリングで、軸方向圧縮に抵抗します。

最もシンプルな用途例はボールペンで、「カチッ」という効果を生み出します。バルブとサスペンションにも適用可能です。

2. 引張コイルスプリング

圧縮コイルスプリングとは異なり、引張コイルスプリングは閉巻きヘリカルスプリングです。テンション生成、エネルギー蓄積、エネルギーを使用してスプリングを元の形状に戻すのに適しています。

シンプルな用途例はガレージドア。その他、プルレバー、ペンチ、計量器などがあります。

3. ねじりコイルスプリング

ねじりコイルスプリングは2つの異なるコンポーネントに2端で取り付けられます。これにより2コンポーネントを一定角度で離して保持します。これらのスプリングは回転によるラジアル方向の力が作用する際にラジアル方向を使用します。さらに、CNCマシニング能力でカスタム2ボディねじりスプリングを大量生産できます。

4. 渦巻スプリング

渦巻スプリングは長方形金属ストリップを平らな渦巻きに巻いて作ります。作動時、相当量のエネルギーを蓄え、一定速度で放出できます。一定放出により機械式時計、おもちゃ、シートリクライナーに適しています。

カテゴリ2：板バネ（リーフスプリング）

板バネは長方形金属プレート（リーフとも呼ばれる）から作られるスプリングの種類です。長方形金属プレートは通常ボルト留めとクランプされ、重車両で主要な用途を持ちます。以下は異なる板バネタイプとその用途です。

1. 楕円板バネ

逆方向に2つの半楕円バネを接続することで楕円板バネを構築できます。これにより楕円形状を形成。車軸とフレームが楕円板バネを取り付けます。2つの半楕円バネが圧縮時に同じ量伸びるため、スプリングシャックルは不要。楕円板バネは昔の車でのみ適用可能で、現代では使用されません。

2. 半楕円板バネ

これらは自動車で最も人気のある板バネです。長さは異なるが幅と厚さは同じ鋼リーフから作られます。最上部/最長リーフが両端でマスターリーフです。鋼リーフの配列が半楕円形状を形成。

半楕円板バネは一端が車両フレームに剛性固定され、他端がシャックルに接続。これにより長さ変化と荒地走行時の衝撃吸収が可能。半楕円板バネはメンテナンスが少なく、修理容易、長寿命です。

3. 四分の一楕円板バネ

カンチレバー型板バネとしても知られ、四分の一楕円板バネも古い板バネです。片端がUクランプまたはIボルトの助けでフレーム側部材に固定。もう片端が前車軸に自由接続。前車軸ビームが衝撃荷重を受けると、リーフが伸びて衝撃を吸収。

4. 四分の三楕円板バネ

シンプルな用途例はドアヒンジ。ここでドアを開けるとスプリングが回転エネルギーを蓄え、ドアを離すと蓄えたエネルギーでドアを元の位置に戻します。回転力はスプリングの回転に依存。

この板バネは四分の一楕円バネと半楕円バネの組み合わせです。半楕円部分の一端が車両フレームに取り付けられ、他端が四分の一楕円バネに取り付け。四分の一楕円バネの他端がフレームとヘッドにIボルトで取り付けられます。

5. 横置き板バネ

横置き板バネは半楕円板バネを車幅方向に横置きマウントすることから来ます。配列はスプリングの最長リーフが底部に位置し、中央部分がUボルトでフレームに固定。横置き板バネは2つのシャックルを利用。しかし、ローリングを引き起こす可能性があり、自動車には不向きです。

カテゴリ3：皿ばね（ディスクスプリング）

横置き板バネ 皿ばねは単数または複数のスプリングが直列または並列配列でスタックされています。この配列により、狭いスペースで高荷重を吸収できます。皿ばねの種類には：

1. ベルビル皿ばね

円錐形皿ばねとしても知られ、ベルビル皿ばねはカップ構造を持ちます。平らには横たわりません。代わりに、重い荷重を扱えるように圧縮を許容するカノニカル形状を取ります。

2. 曲面皿ばね

三日月ワッシャーとしても知られ、振動による緩みを防ぐためにマッチングパートに軽圧力をかけます。定常振動を生む機械で、ネジ、ボルト、ナットのねじ部荷重を均等に分散するのに適しています。

3. スロット付き皿ばね

ディスクスプリングの外径と内径にスロットを設けることでスロット付き皿ばねが作れます。これによりレバーが生まれ、スプリング荷重を減らし撓みを増やします。スロット付き皿ばねは自動変速機、クラッチ、過負荷カップリングに幅広く用途があります。

4. ウェーブ皿ばね

ウェーブ皿ばねは1巻きあたり複数の波を持ち、精密で予測可能な荷重提供に適しています。ここでは、軸方向圧縮によるストレスを吸収してクッションとして機能できます。

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スプリング製造に使用される材料

スプリングが鉄から来るという従来の想定とは異なり、スプリングが異なる材料から来ることを知ることは重要です。材料タイプが特性、スプリングの種類、用途を決定します。以下は一般的な材料です：

・ベリリウム銅合金

この合金で作られたスプリングは高強度、低クリープ、優れた導電性を持ちます。複雑な形状形成にも適しています。結果として、楽器、特定測定デバイス、弾丸などに使用されるスプリング製造に銅合金が良いです。

・セラミック

セラミック材料は非常に高温で使用されるスプリング製造に適しています。耐摩耗性、耐水性、非常に硬いです。また、低摩擦係数と低密度を持ちます。

・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持つ強化ガラス繊維です。結果として、メーカーは現在、全てのスプリング製造の潜在的材料として検討しています。

・ゴム/ウレタン

これらの材料は円筒/非コイル設計のスプリング製造に適しています。安全で信頼性が高く、非導電特性により磁気、腐食、振動が常に問題となる製品に用途があります。

・鋼合金

鋼合金スプリングは最も人気のあるスプリングタイプです。他材料で強化可能ですが、いずれにせよ優れた強度と耐久性を持ちます。

スプリングの利点と欠点

スプリングは多くの広く使用される製品を構成する必須部品の一つとしていくつかの素晴らしい利点を持ちますが、いくつかの欠点も持ちます。順番にスプリングの利点と欠点を見てみましょう。

スプリングの利点

・優れた衝撃吸収能力

スプリングは衝撃を吸収してその影響を軽減できるため、多くの製品で幅広い用途を持ちます。製品が衝撃を受けると、スプリングが圧縮と緩和で吸収します。結果として、スプリングは車両の重要部品です。

・エネルギー蓄積

渦巻スプリングはバッテリーの代替として機能するスプリングの例です。力の適用でエネルギーを生成し、一定の方法で放出できます。これが機械式時計の重要コンポーネントになる理由です。

・接合メカニズム

スプリング使用で製品や部品の2部分を接合できます。例えば、ガレージ、ドア、計量機で2部品を接合して機能させるためにスプリングが適用されます。

・製品安定性

衝撃吸収能力での使用により、スプリングはそれらを使用する製品が安定することを保証します。製品安定性は部品摩擦と振動低減の形でもあります。

スプリングの欠点

・高コスト

スプリング追加が一部機械で高コストになることがあります。これはスプリングの種類の違い、製造容易性、適切な材料の入手性、製品設計によるものです。

・時間経過で効果を失う

スプリングは同時圧縮と緩和により時間経過で効果を失います。これは製造使用材料に依存します。最終的にフックの法則に従わなくなり、変形時に元の形状に戻らなくなります。

結論

スプリングは動作を伴うあらゆる製品の重要部分です。圧縮と膨張でエネルギーを蓄え放出します。正しいスプリング選択は現在使用されているスプリングの種類を知ることから来ます。各スプリングは使用材料、設計、製造プロセスに依存する独自の特徴と特性を持ちます。したがって、あなたの製品用スプリング製造を選択する際、上記要因を考慮するのが最善です。

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FAQ

スプリングの3つの種類は？

スプリングの3つの主要タイプはヘリカルスプリング、皿ばね、板バネです。各主要タイプの下に異なるスプリング種類があります。例えば、ヘリカルスプリングはねじりスプリング、引張スプリング、渦巻スプリング、圧縮スプリングで構成されます。

ヘリカルスプリングの種類は？

ヘリカルスプリングはそれぞれ用途を持つ4つの異なるスプリング種類で構成されます。4つはねじりスプリング、引張スプリング、渦巻スプリング、圧縮スプリングです。

最も一般的なスプリングの種類は？

最も一般的なスプリングの種類はねじりスプリングです。2つの異なるコンポーネントに2端で取り付けられ、一定角度で離して保持します。用途例はドアヒンジ。ここでドアを開けるとスプリングが回転エネルギーを蓄え、ドアを離すと蓄えたエネルギーでドアを元の位置に戻します。