メカ機構の基本要素　ばね設計と選定のポイント

特集 メカの強みを生かす！ 使いやすい機械を実現する機構設計の基礎知識． 解脱4 メカ機構の基＊要素 はね殿計と選定のポイント アキ ュレイ ト阿部 敏＊ ＊あべ さとし：技術担当マネージャー 〒35炉1255 埼玉県越谷市下間久里92-1 TEL :( 048) 973-151 FAX: (048) 973-1512 URL :h tp://w ww.accurate.jp/ ばねは，その役割や形状ごとに非常に多くの種 に機械油に触れた環境であるか，そうでない場合 類があり，使われ方もさまざまである。その種類 はめっきや塗装を施して錆びにくくしなければな の多さゆえに，ばねを一括りにして論じることは らないことである。なお，炭素鋼は単純に“鉄＂ 非常に難しく，実際の設計・開発の場においても で表現される場合が多く，実際当社もユーザーか 仮定と実証の繰り返しながら使いこなしをマスタ ら「材質は鉄で作ってほしい」などと言って依頼 ーしていくことが多い。その際いかに多くのば 受けることが多い。 ね機構を手掛けたか設計者の経験の多さが物をい 特にばねに使われる炭素鋼は，ばねに必要な弾 うことになる。 性を持たせるために炭素が多く含まれているので とはいえ，誰もが最初は未経験者である。本稿 “高炭素鋼＂に分類される。高炭素鋼系で多く採 では，ばね設計，あるいはばねメ ーカーに製作を 用されている材質は「ピアノ線」で， JIS記号は 依頼する際に設計者が知っておきたいばね基礎知 SWPとなっている。SWPは汎用的な A種と，さ 識を，機構に組み込むポイントを踏まえてビギナ らにばね性に優れた B種があり，その際記号で ーにもわかりやすいように噛み砕いて紹介してい 指定するのであればSWP-AかSWP-Bと表記する。 きたい。 (2)ステン レス鋼 ． 一方．ステンレス鋼は逆に錆びにくいのが特色 となる。ばね材としての特性は炭素鋼に比べて一 ばねの材質 割ほど劣るが．それでもばね性・耐食性の両者に 優れているので．電気 ・電子機器などの機構向け 多くのばねは金属の線でできているが（まれに の小物ばねに多く採用されている。 金属でない樹脂材のばねもある），その金属の種 ステンレス鋼で代表的な鋼種は JIS記号で 類もさまざまである。多種多様なこれらの金属ば SUS304である。さらにSUS304でばね用に適した ねをあえて大まかに分類すると「炭素鋼」か「ス 冷間加工線を意味する WPBをつけ． SUS304WPB テンレス鋼」に別けることができる。 と指定される。 (1)炭素鋼 SUS系でもう 一つあげるとすれば 304より低 炭素鋼は，ばね材として硬く，曲げても元に戻 磁性で耐食性に優れた SUS316WPAがある。 る限界が比較的衛い材料なので，ばねの力がより ばねの製作を依頼するにあたり．“材質は何で 強く（剛く）なる線径 2mm以上の中～大物のばね もよい”というわけにはいかない。せめて炭素鋼 向けと言える。弱点は， とても錆びやすいので常 系（鉄）なのか．ステンレス鋼系か指定するか． 32 機 械 設 計

． 解謁4 メカ機構の基本要素 ばね設計と選定のポイント あるいは用途を伝えてばねメーカーと相談して決 80％程度を推奨している。また， 設計上のスペー める必要がある。 スがタイトで，支持棒と内径のクリアランスを大 きく取れない場合などは実装試験で評価を行うべ きである。このようなばねは内径で製作指示する。 ばねの形状と設計上のポイント JIS記号は 外径： Do 内径 ：Di と表す。外 径は OutsideDiameter, 内径はInsideDiameterの 次にばねの力，特性を決める要目について名称 略で，それぞれO.D.とI.D. で表す場合もある。 ごとに紹介したい。 もう 一つ，ばねの径の表す一つに”コイル平均 (1)コイル径 径＇がある 。先の外径・内径が製造上・品質管理上 コイル径とは，ばねの巻き径を指す。しかし， の必要寸法であるのに対して，こちらはばね設計 単にコイル径で表すだけでは正しくばねの大きさ 上で使われる径となる。製造上の加工率などの目 を伝えたことにはならない。コイル径もさまざま 安になるので，図面上には参考値程度に記載する。 であるからだ。 平均径は外径と内径の平均の径になり，図で表 ばねを製作する立場からみると，仕上がり寸法 すとコイルをなす線の中心を通る径でもあるので が依頼どおりにできているか否かを測定する必要 中心径とも言う（図 1)。JIS記号は コイル平均 がでてくる。測定可能な径となるとコイルの外側 径： D となる。 か内側の径になり，それぞれ“コイル外径', ‘コ (2)線径とばね指数 イル内径’という （図1)。 線径はばね成形に用いた材料径であるから，こ 既製品のばねの多くが外径指定で製作・管理さ れ以上の説明は省いて“ばね指数”について述べ れているが特注で依頼する場合は，このコイル たい。 外径か内径かどちらかで指定する。 コイル状のばねは曲げ加工の連続で成形されて ばねを装置などに組み込む際，押して（あるい いる。製造上コイリング加工（写真 1)と呼ばれる は引っ張って）戻るストロークを安定させなけれ 工程である。同じ線径で小さくきつく加工すれば ばならない。安定させるには適切な支持が必要と コイル径は小さくなり，大きく 緩やかに曲げ続け なる。 ればコイル径は大きくなる。 ザグリ穴などでばねを支持する場合，ばね外径 板のプレス加工でも曲げ限界があるように，コ が穴よりも大きいと，（当たり前だが）ばねはそ イリング加工でも線径に対して成形できるコイル の穴に入らない。外径側に規制があるので図面に 径の上限・下限があり，その目安となるのが“ば は外径で指示する。 ね指数”となる。 一方，ばねの座屈（折れ曲がって縮む）を防ぐ ばね指数は Didで表され， D:コイル平均径と ために，ばねの内側に棒を通して支持することが d： 線径の比の値となる。 JISの設計基準において 多い。その際内径側に通る支持棒の径は内径の ~ f ヽ ( ヽ で‘ ヽ 叫 ｀ ー ` 江 含 f . ( lこ ヘ ・ヽ ) , n ．．• 。ヽ ー > ‘̀、 ＼ ノ し 図1 圧縮コイルばねの寸法名称 写真1 コイリン グ加工 第 58巻 第 6号 (2014年 6月号） 33

寸法許容差が適用されるばね指数の範囲は 4~22 よう 。巻数はらせん状に巻かれた線材が，巻始め とされ， この値はほぼ一般的な加工能力範囲に即 から巻終わりまで何回転しているかの要領で数え している。 る。図のばねは，総巻数 8巻で，両端の閉じた巻 つまり D/dが4であればコイル平均径は線径の が各 1巻ずつであることから，座巻各 1巻，両端 4倍ということになり，これが線径に対してコイ で計2巻となり ，逆算で， ル径を小さくできる目安になる。 総巻数8ー座巻数2＝有効巻数6巻 必ずしもこの範囲外のばねは製作不可能と言う となる。JIS記号は 有効巻数 ：Na 総巻数： Nt わけではないが加工スピード・歩留りなどに影 で， active（有効な）な巻か，total（総数）の巻かで 響を及ぽし，生産材として量産に不向きな形状で 記号が異なる。このように巻数も役割ごとに分け あると言える。 られるので，図面などで製作指示を出す際は，そ 特に D/dが 22を大幅に超えるようなばねは形 れぞれの巻を分けて指示することになる。 状が安定せず，ばね荷重もバラッキがちとなる。 (4)自由高さと縦横比 ばねを動力とした機構ユニットを開発する際は， 自由高さはばねの全長で，負荷をかけてない自 周辺部品形状を決定する前に早い段階でばねを組 由な状態でのばねの高さ （長さ）になる。 み込むスペースに目途をつけたいところである。 圧縮コイルばねの自由時の裔さは図 lに示す外 (3)巻数 一外の距離だが，引張コイルばねの自由長さは図 巻数もばね特性に影響を与えるので重要な要素 3のとおり，外ー外ではなくフックの内ー内同士 である。巻数が多いと作動感は柔らかくなり，少 になる。 ないと剛いばねになる。その特性に関わる巻の数 混同するかも知れないが，ばねを組み込む長さ を“有効巻数＂という 。ばねとして作用する有効 と考えると， フックを相手部品に引っ掛けて使用 な巻の数で，圧縮コイルばねであれば螺旋状の巻 するので，引張コイルばねの場合内側同士である ピッチ（間隔）が開いている巻の数になる（図 2)。 ことに納得できる。 巻ピッチが開いたままでは，ばねを垂直に立て 圧縮コイルばねにおいては， 自由高さとコイル ることができないため，相手部品に収まりが悪く， 径の比率を示した“縦横比”も考慮すべき値であ ストロークも安定しないので，ばね特性も設計値 る。 自由高さ＋平均径で求められるこの値が 10 どおりに得られないことになる。 であればそのばねは径の 10倍の長さというこ ばねの座りを良くするために設けるのが“座 とになる。推奨する縦横比の範囲は 0.8-4だが， 巻”である。図 2の両端の巻ピッチを閉じて巻い 機構上細長いばねを動力とする場合もあるので， てある部分である。こ の有効巻数と座巻を足した あくまで推奨値である。ただし，椎奨値上限を超 トータルの巻数が “総巻数＂となる。 える場合は，ばねがたわむ際，座屈する（折れ曲 それでは，図 2の巻数が幾つであるか数えてみ がって縮む）可能性が高いので案内棒など支持具 に工夫が必要となる。縦横比は，ばね周辺部品を 口 総巻数 自由長さ x 図2 有効巻数と総巻数 図3 引張コイルばねの自由長さ 34 機械設計

・解説4 メカ機構の基本要素 ばね設計と選定のポイント クローズドエンド 研削なし 一｀曇← 一□曇 □ 〗□ クローズドエンド 研削あり 逆丸フック 丸フック 図5 主なフック形状 図4 クローズド・エンド き最低限の項目について以下にまとめる。 設計する際に参考とすべき値である。 ① 材質 (5)端末形状 ② 線径 ばねの形状を表す要目の最後に，端末形状につ ③ コイル径 外径指示か内径指示か（寸法 いて解説したい。 精度については別途相談すべし） 圧縮コイルばねは，先の巻数の項でも述べたス ④巻数有効巻数と総巻数，あるいは有効 トロークを安定させる目的で座巻を設けるが， こ 巻数と座巻数と二つ指定する の形状をクローズド・エンドという 。つまり両端 ⑤ 自由高さ 引張コイルばねの場合は“自 の座巻指定があれば＝クローズ ド・エンドとなる。 由長さ” さらにばねの直角度を保つために，両端を平ら ⑥ 端末形状圧縮コイルばねの場合，研削 にする研削処理を行う場合があり，そのまま研削 の有無。引張コイルばねはフック形状を あり・なしで指定する（図4)。 指定する この研削処理は加工機の能力的から判断すると 線径 0.5mm以上であればおおむね研削可能であ いろいろと解説してきたがきっちりとした図 る。ただし，線径が細くさらにばね指数 Didが 面がなくとも以上の項目を文字で伝えればばねは 大きいばねは端末の巻角度の調整で直角度を確保 できて しまう 。量産製品に組み込むばねであれば することも可能であり，研削の効果が薄くなる。 別であろうが，試作開発などは気軽に相談してい コスト面においても研削処理工程が追加され高 ただければと思う 。 コストとなるので使用上に大差なければ省くに 本稿で詳しく挙げなかったさらなる材質線径 越したことはない。実際，特注ばねの多くは線径 のバリエーションについては当社の Webサイト I) 1mmが研削あり・なしの境目であり，当社の規 を参考にしていただきたい。また，本稿では，ば 格ばねウルトラスプリングは線径 0.7mm未満を ね荷重の計算については割愛したが，上記のばね 研削なしとしている。 形状と変位させる量を入力すれば荷重計算される 引張コイルばねは，伸縮変位による反力を相手 サイトも併せて紹介しておきたい2)。 部品に伝えるためのフックを両端に成形する。 1)アキュレイト「特注ばねサイト」． 一般的なフック形状は“逆丸フック＂で，規格 http:/,vi,V¥v.accurate.jp/contents/custom_ sp rings.html 技術情報： ばねにも採用されている（図5)。 http:/www.accurate.jp/teclmology/inclex.html ． 2)ばね計算サイト「選ばね君」 http://WW'.v.accurate.jp/senbane_kwVJP/inclex.html ばね製作時の必須検討項目 ばねを製作依頼するにあたり要目表に記載すべ 第 58巻第 6号 (2014年 6月号） 35