圧縮ばね設計をするに当たり、ばね材料の知識が必要です。
ばね材料を一読してから下記の圧縮ばね設計へお進みください。
1．ばねの材料
ばねに使用される材料の一覧を下記に示します。
一般的にはピアノ線や硬鋼線が用いられ、耐食性を要求されるところには、ばね用ステンレス鋼線が使われます。
ばね用ステンレス鋼線はピアノ線・硬鋼線に比べ、弾性係数及び引張強度が若干劣ります。この後の設計計算で詳しく説明します。
2．圧縮ばねの計算・設計
各寸法の名称
引張強さ
下記表にて主な材料の引張強さを示します。単位はＮ／ｍｍ＾２
一般的な材料は、ＳＷＰ－Ａ（ピアノ線Ａ種）、ＳＷＰ－Ｂ（ピアノ線Ｂ種）、ＳＷＣ（硬鋼線Ｃ種）、ＳＷＢ（硬鋼線Ｂ種）、ＳＵＳ３０４－ＷＰＢ（ばね用ステンレス線）、ＳＵＳ３１６－ＷＰＡ（ばね用ステンレス線）です。
この値は、荷重を求める基本計算式には使いませんが、耐久見込みを求めるときに重要視する要因になります。
横弾性係数
横弾性係数は、材料固有の値でせん断力に対する抵抗具合を示します。
横弾性係数は「Ｇ」で表します。下表にて一般的な材料の横弾性係数を示します。
計算式
端部の形状
下記図.(a)～(g)に圧縮コイルばねの端末形状を示す。
一般用にはクローズドエンドが多く用いられる。ばねの座りをよくするために、端面を研削するかテーパー加工した材料を用いる。
テーパー加工された材料は量産品で多く採用されており、タンジェントテールやピッグテールは自動車の懸架用ばねに多く用いられる。
3．設計のポイント
ばね指数
ばね指数は、熱間で成形する場合には４～15、冷間で成形する場合には4～22の範囲で選ぶのがよい。
ばね指数が小さくなると局部応力が過大となり、また、ばね指数が大きい場合及び小さい場合は加工性が問題となる。
縦横比
縦横比（自由高さとコイル平均径との比：Hf/D）は、有効巻数の確保のため0.8以上とし、さらに、座屈を考慮して、一般的には0.8～4の範囲で選ぶのがよい。
有効巻数
有効巻数は３未満では、ばね特性が不安定になるので、3以上とするのがよい。
ピッチ
ピッチが0.5Dを超えると、一般的に、たわみ（荷重）の増加に伴いコイル径が変化するため、基本式から求めたたわみ及びねじり応力の修正が必要となるので、0.5D以下とする。
なお、一般にピッチの推定は、次の略算式による。
4．応力のとり方
静荷重で使用される場合
静荷重とは、バネの使用状態で荷重変動のほとんどないもの、また繰り返しがあってもおよそ1,000回以下のものをいう。
静的荷重を受ける圧縮コイルばねにおいては、JIS B 2704では許容されるねじり応力の基準を図１. のように定めている。
静的荷重を受ける圧縮コイルばねにおいては、JIS B 2704では許容されるねじり応力の基準を図１. のように定めている。
常用応力としてはこれの80％以下にとるのが望ましい。
この応力には応力修正係数は考慮しなくてよい。
図１．ばねの許容ねじり応力
繰返し荷重で使用される場合
繰り返し荷重で使用される場合は、応力集中を考えるほか、平均応力及び応力振幅、また表面状況などを考慮して許容応力を定める。多くの実験結果から疲れ限度線図は 直線であるとして、図2. に示すような許容応力線図を得ている。
なおここには、ショットピニングなどの影響を考慮する方法は示されていない。
またＳＡＥでは、冷間成形コイルばねと熱間成形コイルばねの許容応力を図3.図4.のように示している。
図２．最大許容応力（d=5mmの場合）
図３．冷間成形ｺｲﾙばねの耐久限度線図 図４．熱間成形ｺｲﾙばねの耐久限度線図
（セッチング及びwahlの修正含む） （セッチング及びwahlの修正含む）