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疑問・お悩み相談室

圧縮バネのヘタリとバネ定数との関係について

キーワード
ばね定数
圧縮コイルばね
ヘタリ
永久変形

【ご相談内容】 SHINO

いつも拝見させて頂いております。
バネの劣化について調べておりますが、圧縮バネが繰返し荷重等によりヘタリ(塑性変形)を起こした場合、そのバネのバネ定数は変化するのでしょうか。
当然自然長は変化しますが、その際金属が硬化(?)してバネとしての特性が変化するのか知りたいのです。
初心者の質問で申し訳有りませんがご教示願います。

以上

ばねっと君

【返答】 ばねっと君

SHINO様

書込みありがとうございます!
へたりは、そのばねのもっている弾性限をこえるような力が一回でもばねにかかると、へたります。(永久変形)
セッチングなどでへたるのはこの場合です。一般にこの弾性限は、材料の引張強さと一定の関係があり、またどこまでたわませればへたる・・・については、材質や形状寸法によってある程度計算可能です。
しかし、ばね定数は基本的には変化はありません。
このへたりが起こりますと、自然長はやがて短くなってきて、やがて使い物にならないばねになります。

※セッチング・・・成形・熱処理の終わったばねを最終工程で、材料の弾性限以上の高い応力を使用方向に負荷すること。一種の塑性加工。

【返答】 わらび餅

ばねっと君 はじめまして(*^_^*)

ばねについて2点質問があります。
どうぞよろしくお願いいたします!

(質問 1)
ばねを試作してもらうときに
「ばね定数10N/mmを作ってください」といった感じで
ばね定数を指定してお願いするはできるのでしょうか?

(質問 2)
「そのばねのもっている弾性限」を超えない範囲では
ばねはいつまで使い続けることができるのでしょうか?

例えばノック式のボールペンは何回ぐらいカチカチすると
ばねがダメになるといったことはの設計時点でわかるのでしょうか?

お手数をおかけいたします。
初心者でも分かる感じでご回答いただけたら嬉しいです(*^_^*)

どうぞよろしくお願いいたします!

ばねっと君

【返答】 ばねっと君

わらび餅さま

ご投稿ありがとうございます!!
ご質問についてご回答させていただきますね!

質問1
ばね定数を指定頂ければそれに応じてばねの形状を設計させていただきます。
その際、ばね定数以外にも、ばねの慨寸イメージや取り付けスペースなどの
情報を頂ければ、形状を決定させる参考情報となります。

質問2
ばねの弾性限を超えない範囲で、ばねを使用した場合の耐久性は、ばねの
設計段階で、ばねの繰り返し動作に対して、ねじりせん断応力で評価することができます。
評価基準は、材料強度に応じて変わりますが、ボールペンの繰り返し動作によるばねの圧縮量が
わかれば推定することは可能です。

よろしくお願いします!!

【返答】 ばね初心者

圧縮ばねで100万回くらい使用したバネが新品のばねよりバネ定数が20%反発力が下がっていました
全長40mmのものが0.1mmくらいへたっていたくらいですが
7.4mm圧縮しして使用で許容範囲で使用していたのですが
いくつか使用したばねで10本9本は特に変化はなく
1本だけ20%も新品のばねより弱くなっていました
240Nが195Nくらいまで下がっていました
大きくへたっていないバネでも使用すると圧縮力、バネ定数は変わるものなのでしょうか?
特に高温では使用していませんしサビもクラックも見当たりません
他のものはヘタリも圧縮力の変化も見当たらないのいのにわずか一本だけ変化していたので
今は受け入れ時に不良品が混じっていたとしか考えられないのですが
塑性変形のない状態のヘタリの可能性を教えていただけませんか?
どうぞよろしくお願いいたします

ばねっと君

【返答】 ばねっと君

ばね初心者さま

ご投稿ありがとうございます!
10本中、1本のみ著しく反発力が低下しているというのは、すべて同じ環境、
同じ条件で使用されていたとしたら何か不具合が生じていた可能性が考えられます。

材質が分かりませんが、例えば熱処理不良が考えられます。
バネ鋼であれば、焼入れ焼戻しはもちろんですが、SUS系であれば低温焼鈍の未施工などです。
しかし、いずれも塑性変形が生じます。

気になるのは、0.1mmしかヘタっていないという点です。
バネ定数が450N/mmということであれば、あり得るのですが。。。

ヘタリや変形がない状態で、荷重特性が変化するとなると、弾性係数が変化するということになりますが
温度変化もないということですので、何とも言えない状況です・・・

ご使用の環境や、実ばねの検証ができれば要因特定ができるかもしれません。
よろしくお願いします!!

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