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疑問・お悩み相談室

ねじりコイルバネについて

キーワード
ねじりコイルばね
トルク

【ご相談内容】 kou

はじめまして。
当方、仕事でバネを使う製品扱っている者です。
現在コイルバネをねじって回転力を得る物を検討していますが
成型したバネを所定回数ひねって必要トルクを得たいのですが
必要回数ひねった後にバネが巻戻ると当初の位置まで戻って来ません。
線材同士が接触しないように両端を引張ってひねりを与えていますが、それでも戻りません。
これは線材が塑性変形をしてしまっているのでしょうか?
計算上は許容応力範囲内で使用しているのですが?

また、線材同士が接触しないように引張って使用するとコイルが蛇行して芯材に接触してしまいます。
これは線材にとって悪影響を及ぼすのでしょうか?
蛇行を防ぐ方法はありますか?

いきなりいろいろ書きましたがアドバイスをよろしくお願いいたします。

ばねっと君

【返答】 ばねっと君

kou様

書込みありがとうございます!
実際の詳しい使用状況はわかりませんが、数回ひねって巻戻らない
ということは、やはり応力オーバーによる塑性変形ではないでしょうか。
圧縮コイルばねや引張コイルばねは、ねじり応力ですが、ねじりコイルばね
は曲げ応力で設計しなければなりませんので、ご注意下さい。
また、ねじりばねは摩擦に注意しなければなりません。
案内棒の最適直径は、最大ねじりモーメント時のコイル内径の90%
がよいとされています。
密着巻きの場合、ばねの線同士が摩擦して接触部に赤サビが生ずる
ことがあります。このような状態になりますとコイル間の摩擦力が
大きくなり、誇張して言えばコイル部が固着した状況に近くなります。
この事は、下のねじりコイルばねの計算式をご参照下さい。

Φ=ML/EI

Φ:ばねのねじれ角(Rad)
L:ばねの有効長さ(mm)
M:ねじりモーメント(kgmm)
E:縦弾性係数(kg/mm^2)
I:断面二次モーメント(mm^4)

Φが一定で、Lがコイル部の固着のため短くなれば、当然Mは大となります。
Mが大となれば応力は増大しますので、したがって固着しない腕だけが
ばね作用することになり、直接摩耗被害が全然ない、綺麗な肌の腕
のつけ根の部分から疲れ破壊に至ってしまうんです・・・。
よろしくお願いしまーす!

【返答】 kou

早速のご解答ありがとうございました。
やはり応力オーバーによる塑性変形なのでしょうか?
ちなみに使用している材料は高鋼線(SWC)なのですが
許容曲げ応力の計算はどのように計算したら良いのですか?
線径φ4.0で1300N/mm^2程度と考えていましたが...?

ばねっと君

【返答】 ばねっと君

こんにちは!
静荷重を受けるねじりコイルばねについて、JISB2709では、許容
される曲げ応力の基準を添付図のように定められています。
ただし、使用環境が高温で長時間の場合はクリープまたはリラク
セーション現象による永久変形を考え、適切な材料選択と許容応力
を設定する必要があります。
ちなみに線径Φ4の材質SWCですと、許容曲げ応力1000N/mm^2を基準として下さい。

【返答】 kou

素早いご返答ありがとうございます。
先ほどのご返答に「線径Φ4の材質SWCですと、許容曲げ応力1000N/mm^2」とありましたが添付のグラフを見ると1200N/mm^2強位かと思います。グラフからの数値に安全率を掛けたのでしょうか?
また線径を変えた場合の許容応力は線径の比で良いのでしょうか?

ばねっと君

【返答】 ばねっと君

kou様

こんにちは!
休暇期間をまたいでしまい、ご返信が遅くなりましてスイマセン!
SWC許容曲げ応力についてですが、JIS引張り強さの下限値を見ております。
ですので、耐へたり性を考慮してグラフ値の80%くらいの値を推奨します!

【返答】 kou

いろいろとお世話になりありがとうございました。
この事を踏まえて検証をしてみたいと思います。
ありがとうございました。

ところでもうひとつお聞きしたいのですが
コイルバネを成形した後に熱処理(焼きなまし)をしますが
この熱処理をするとコイル全長が変化してしまいます。
この変形量を踏まえて成形を行うのが通常ですよね?
また、熱処理時間はこの変形が収まるまで行うのが理想ですよね?
熱処理時間が長すぎると不具合はありますか?

また質問になってしまいました。
アドバイスをよろしくお願いいたします。

ばねっと君

【返答】 ばねっと君

kou様

こんにちは!
低温焼なましの目的は、成形によって生じたひずみ(残留応力)を
ある程度まで除去してやることと材料の機械的性質を改善することに
あります。
この処理によって冷間成形されたばねは、耐へたり性や疲れ強さが
改善されます。
これは各種材質によって処理温度や時間が適切に管理されていまして、
熱処理時間が短すぎても長すぎてもダメですので、ご注意下さい!

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