ねじりばね設計のポイント

ねじりばねを設計するにあたり、ばね材料の知識が必要です。

ばね材料を一読してから、下記のねじりばね設計へお進みください。

ばねの材料
ねじりばねの計算・設計
設計のポイント
応力のとり方

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．ねじりばねの設計・計算

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。

縦弾性係数

縦弾性係数は、ヤング率やヤング係数とも言います。材料固有の硬さを表す指標の一つです。

ヤング係数が大きければ、部材も固くなります。逆にヤング係数が低ければ、部材は柔らかくなります。

縦弾性係数は「Ｅ」で表します。下表にて一般的な材料の縦弾性係数を示します。

計算式

ばね指数（Ｃ　Ｄ／ｄ）
トルクばね定数（Ｋ Td）
　アーム長さを考慮するか否かの一応の目安　

　　　１）アームを考慮しなくてよい場合

　　　２）アームを考慮する場合

3．トルク（Ｔ）

４．荷重（Ｐ）

５．応力（σ）

　　１）ばねの巻き込む方向へ使用する場合の応力計算に使用

　　２）ばね巻き戻し方向へ使用する場合の応力計算に使用

６．案内棒（Ｄｓ）

　　　　　△Ｄ　＝　φdmax÷（360Ｎ）×Ｄ

　　　　　　※φdmaxは、最大ねじり角

　　　　　　ばねを巻き込む方向にねじるとコイルの直径が減少するので、案内棒の直径（ＤＳ）は、

　　　　　　最大使用時のコイル内径（Ｄｉ-△Ｄ）の約９０％にとることが望ましい。

アームの形状（代表的なもの）

3．設計のポイント

（１）ばね指数：Ｃ
　　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が困難となる。従って、冷間で成形する場合のばね指数は、６～１５の範囲で選ぶのがよい。

（２）有効巻数：Ｎａ
　　有効巻数が３未満の場合、ばね特性が不安定になり、かつ、基本式から求めたばね定数との差異が大きくなるので、３以上とするのがよい。

（３）アームの形状
　　ねじりコイルばねのアームは、ばね内において不連続な応力状態に曝されるため、出来るだけ簡単な形状が望ましい。特に曲げ部については、内Ｒが１ｄ以下の場合、応力集中による使用時での破壊や、加工時での折損等が発生する危険が高まる。

（４）コイル径：Ｄ
　　コイル径は、ばねの使用状態に応じて内径（シャフトを用いる場合）又は外径（ガイドを用いる場合）で指定する。基本式に用いる平均径は、実際の測定に困難を伴うので用いないのが一般的である

（５）ボディー長さ
　　ねじりコイルばねは、密着巻きされていることが一般的であるが、アーム成形加工部の影響と、

線径のわずかな不同の影響、更に、

ばねを巻き込む方向に動作させた場合は、巻数の増加に伴いボディー長さ（コイルの軸方向の長さ）も大きくなるため、ボディー長さ＞ｄ×（Ｎａ＋１）と　なってしまうことが比較的多い。

　従って、ばねを収納するスペースとのアソビについては、これらを十分に考慮する必要がある。

　また、特に必要でない場合は、指定しないのが一般的であり　どうしても指定する場合には、十分な許容差を設けることが必要である。

（６）動作方向

　　ねじりコイルばねは、コイル部を加工する際に、線の外径側には引張力、線の内径側には圧縮力が作用するため、加工の終了後には、それぞれ逆（線の外径側には圧縮力、線の内径側には引張力）の応力が残留する（これを残留応力と言う）。

　従って、ばねを巻き込む方向に動作させる場合は、残留応力が軽減され、疲労強度が高まるが、ばねを巻き戻す方向に動作させる場合は、残留応力との相乗効果により、疲労強度が著しく低下することになる。

　これらのことから、ねじりコイルばねを使用する場合は、可能な限り、ばねを巻き込む方向に動作させるよう、周辺部品を設計することが重要である。

（７）負荷による巻数の増加と平均コイル径の減少
　　ねじりコイルばねは、ばねを巻き込む方向に動作させると、コイル径が減少し、巻数が増加する。

　従って、内径側にシャフトを使用する場合は、案内棒の計算式より求めた径より細いシャフトを使用しないと、ばねのシャフトへの抱き付き（巻き込み）が発生し、特性が不安定になったり、早期疲労破壊を生じたりする可能性が高まる。

（８）ばね特性
　　ねじりコイルばねのばね特性は、アームの固定、保持の方法、内径側のシャフトの径、密着巻きの場合は、コイル間の密着力による摩擦等により、基本式との間の差異が大きく、特に必要でない場合は、指定しないのが一般的である。

　また、どうしても指定する場合には、十分な許容差を設け、かつ、アームの自由角度を参考値とすることが必要である。

（９）密着巻きとピッチ巻き
　　ねじりコイルばねは、密着巻きのものが一般的であるが、ピッチ巻きのものも少なくない。

　両者の特性の違いは、大凡下記の通りである。

4．応力のとりかた

（１）静荷重で使用される場合

　静荷重を受けるねじりコイルばねについて、JIS B 2704では許容される曲げ応力の基準を下図1のように定めています。
　ただし、使用環境が高温の場合は永久変形を考え、適切な材料選択と許容応力を設定する必要があります。

図１．ばねの許容曲げ応力

（２）繰り返し荷重で使用される場合

　寿命予測として、JIS B 2704の参考方法を下記に示します。

　ピアノ線、弁ばね用オイルテンパー線など耐疲労特性の優れた線を使用したとき、　図２の疲れ強さ線図を用いて通常雰囲気における寿命を推定することができます。

　σBは材料の引張り強さであり、斜線γは、

　また、上限応力係数の0.7の太い横線は、へたりの許容度によって上下に移動するもので、わずかなへたりを許容するならば、係数σmax/σBのσmaxを、図１に示す許容曲げ応力まで取り、太い横線を上方に移動してもよい。

図２.疲れ強さ線図

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