メカニズム: スプリング | 瀋陽アルパインアドベンチャーグループ

おそらくほとんどの人は、ねじれたり折れたりするまでバネのことを考えないでしょう。しかし、世界のほとんどのバネは非常に重要です。そうでないものはスリンキーという名前で呼ばれています。

私たちは知らず知らずのうちに、毎日何十種類もの泉を利用し、遭遇しています。スプリングの世界を覗いてみると、跳ね返りをテーマにした何百ものバリエーションが見つかります。ばねの原理は非常に単純であるため、想像や加工が可能なほぼすべての形状やサイズに拡張できます。非常に多くの形式を取ることができるため、機構としてのばねには何千もの用途があります。車の下を調べ、格納式ペンを分解し、ホッチキス、オーブンのドア、または安全ピンを開けると、バネが 1 ～ 2 個見つかるでしょう。

技術的に言えば、バネは機械的エネルギーを蓄え、圧縮、伸張、またはねじられるとエネルギーを解放する弾性オブジェクトです。人類に知られている最も古いバネの形態はおそらくアーチェリーの弓であり、次に青銅器時代のピンセットの平らなバネが続きます。古代ローマの馬車は、岩だらけの道路でのスムーズな乗り心地を実現するために、板バネ式サスペンションを使用していました。

現在では最も一般的で識別可能なコイルバネは、15 世紀に錠や時計に初めて使用されました。 1800 年代には、ベッドや家具に出現し始めました。 1980 年代までに、IBM キーボードの内部で定期的に座屈が発生するようになりました。

ばねは、その形状、構成、および用途によって分類できます。ほとんどのスプリングはコイル状またはフラットですが、さまざまな形状のカスタムスプリングが多数あります。スプリングの主な用途には、網戸のように何かを開始位置に戻すことが含まれます。秤のような力の測定。機械式時計やゼンマイ玩具のように、後で使用するためにエネルギーを蓄えます。

ほとんどの場合、バネは金属またはプラスチックで作られています。どちらを選択するかは、目的のアプリケーションと環境によって異なります。大部分は、冷間引抜き炭素鋼合金であるばね鋼で作られています。リン青銅やベリリウム銅などの銅合金で作られたスプリングは、高い電気伝導性と熱伝導性を備えています。プラスチック製のスプリングは実用的ではないように思えるかもしれませんが、不活性材料で作られた非金属機構を必要とする食品加工や X 線装置などの繊細な用途では非常に役立ちます。

組成に関係なく、優れたスプリングとは、永続的な寸法損傷を与えることなく、何度でも平衡状態に戻ることができるスプリングのことです。適切に設計されたばねは長期間にわたって機能するはずです。おそらく、多くのばねが壊れるまで気づかれず、考慮されないのはそのためでしょう。

誰かにバネを描いてもらうと、おそらく圧縮バネを書き出すでしょう。絞ったり圧縮したりすると短くなります。これらは間違いなく最も一般的であり、格納式ペンからソープディスペンサー、ピンボールプランジャー、車のサスペンションに至るまで、あらゆるものに見られます。

スリンキーはあらかじめ圧縮されたらせん状のスプリングで、階段をできるだけしなやかに下りられるようにその特性が調整されています。バッテリーを何かから取り出すと、スペースを節約するためにより平らに圧縮される円錐形の圧縮バネ端子が見つかるでしょう。

引張りばねは 2 番目に一般的です。伸ばしたり引っ張ったりすると長くなります。これらは、網戸をカチッと閉めて、トランポリンに弾みを与えるスプリングです。圧縮バネとほぼ同じ方法で作られています。主な違いは、引っ張りバネの端に、バネを伸ばす負荷に接続するためのフックまたは耳が付いていることです。これらの耳は、1 つまたは複数の端のコイルを外側に曲げることによって作成され、通常は残りのコイルの方向に対して垂直になります。

もう1つの違いはコイル間のスペースです。圧縮スプリングは圧縮するように作られているため、コイルの間隔は十分に広く、圧縮の余地が与えられます。引張りバネは伸びるように作られているため、伸びていない位置でコイルが接触します。

ねじりバネは圧縮バネに似ていますが、作動方法が異なります。圧縮ストリングはねじり、または弾性材料をねじることによって応力がかかりますが、トーションスプリングには曲げによって応力がかかります。それらは洗濯バサミ、ポップアップ電子機器、その他の顎のあるものに多く見られます。

スプリングレッグにはコイルの巻き方向に荷重がかかります。トーションスプリングは、洗濯ばさみのようにトルクを供給するか、ステープルリムーバーのようにトルクに耐える小さな巻き上げられたカンチレバーのようなものです。

もう 1 つの一般的なねじり構成はトーションバーで、一部の車のサスペンションやデロリアン DMC-12 のガルウィングドアで使用されています。ねじりバネは、機械式時計、オルゴール、その他のゼンマイ式おもちゃのひげゼンマイのように、平らなものにすることもできます。

板バネは無ねじり板バネの一種です。トラックやその他の大型車両には、シャーシ全体に荷重を均等に伝達する板バネ式サスペンションが搭載されていることがよくあります。

何かが複雑であればあるほど、より多くのバネが含まれる可能性があります。関係するばねの種類についても同様です。すべてはニーズ次第です。ステープラーには、マガジンを前進させる引張バネと、ステープラーを準備完了位置に戻す板バネの 2 つがあります。車とカセットプレーヤーにはそれぞれ多くの異なるスプリングが付いていますが、平均的な車にはその数が数百以上あります。

多くのものには特殊なスプリングの動作が必要であり、そのために、割りピンやバインダークリップのハンドルなど、さまざまな種類の特殊なスプリング、ワンオフ品、専用のワイヤーフォームが存在します。単一の素材からスプリングを機械加工することもできます。

ウェーブスプリングは、狭いスペースで厳しい荷重たわみが必要な場合に、圧縮スプリングの代わりに使用されます。一部の電動モーターでは、騒音を低減する一種のウェーブスプリングでベアリングに事前負荷がかかっています。

蛇行スプリングは、椅子やソファのサスペンションに使われるジグザグのスプリングです。一般的なポテトマッシャーのデザインもこのようなバネを元に作られたのではないかと思います。

渦巻スプリングは折りたたみ可能なカップに似ており、二重渦巻スプリングはクロワッサンに似ています。多くのタイプのタンクでは、垂直構成と水平構成の両方で渦巻スプリングサスペンションが使用されています。あなたのガレージにある手ばさみは、おそらく二重のボリュートを備えているでしょう。他にはあまり使われていないようです。

最も奇妙なのは Belleville ワッシャーかもしれません。これらは、さまざまな種類の跳ね返りを提供するためにさまざまな構成で積み重ねられた円錐形のディスクで、地雷で最も一般的に見られます。

では、スプリングの弾力性と弾力性は何によってもたらされるのでしょうか? ばね鋼の場合、弾性は分子の相互作用の関数です。静止状態では、内部の引力と反発力はバランスが取れています。

圧縮バネを絞ると反発力が増大し、バネを解放すると分子が押し離されます。引張りバネでは、コイルを伸ばすと引力が増大し、バネを解放すると分子が引き寄せられます。

あらゆる種類のばねに力が作用するとき、その結果として生じるばねの動きの量は、そのたわみとして知られています。弾性限界内で作動するほとんどのばねは、フックの法則に従います。これは、ばねを圧縮または伸ばすのに必要な力 (F) は、ばね定数 (k) と移動距離 (x) の積 (たわみとも呼ばれます) に等しい、というものです。）。言い換えれば、バネの圧縮または伸張はその力に比例します。

スプリングのコイルすべてが荷重を受けても変形するわけではありません。閉じた端を持つスプリングには、応力がかからない非アクティブなコイルがあります。おそらく最も重要なことは、スプリングの設計では、動作に必要なアクティブなコイルの数を考慮する必要があることです。

製品メーカーにとって、スプリングを必要とする設計のための既製のソリューションはありません。スプリングは、希望の寸法とたわみに基づいてオーダーメイドで作成する必要があります。

金属スプリングは、円形、正方形、または長方形のいずれかの引張スチールコードのコイルから始まります。コードは、特定の種類のスプリングを製造するように設定された成形機に供給されます。機械のセットアップには 1 時間以上かかる場合がありますが、一度ダイヤルインすると、1 時間あたり数万個のスプリングを製造できます。

圧縮スプリングは、必要な端部の形状でコイル状に巻いて切断するだけです。引張りばねを製造する場合、機械は最初のコイルまたは 2 つを 90° の角度で曲げてフックを形成します。次に、残りのスプリングをコイル状に巻き、もう一方のフックを形成し、それを切断します。材質やお客様の仕様に応じて、一部のフックは手作業で形成されます。

その後、完成したスプリングを加熱して金属を緩和します。これにより、コイル巻きによる応力が緩和され、曲げた後の形状が維持されます。一部のスプリングには、ショットピーニングと呼ばれるプロセスで強度を高めるためにペレットの高速流が吹き付けられます。

ほとんどの消費者レベルのスプリングは冷間巻きです。線径が 16 mm を超える場合は、以下に示すように熱巻されます。熱巻バネは、自動車、農業および建設機械、機関車のサスペンションに使用されています。

バネ性の恩恵を受ける可能性のあるデザインがあるとします。 Microcenter のスプリングの品揃えの中に必要なものが見つからない場合は、旋盤とマンドレルがあれば、ミュージックワイヤーから自分で作ることができます。詳細については [ThisOldTony] がお手伝いします。スプリングを自分で作ったことがありますか？コメントでお知らせください。

スプリングについてはまだ表面をなぞり始めたばかりですが、これらの勤勉なメカニズムに対する敬意を感じていただければ幸いです。