ガススプリングの応用の基本を理解する

特定の用途に合わせてガス スプリングを選択する場合、ガス スプリングを指定する際に使用される仕組みと用語についての基本的な理解を得ることが不可欠です。 この記事では、さまざまな取り付け位置に関する推奨事項とガイドラインを提供し、選択した取り付け位置で予想されるさまざまな向きと減衰効果について説明します。

基本的に、ガス スプリングは機械コイル スプリングと同じであり、エネルギーを蓄積するための装置です。 一方、ガススプリングは、コイルスプリングを構成するひずみ材を使用するのではなく、内部に含まれるガスを圧縮することによってエネルギーを蓄えます。

ガススプリングは密閉システムであり、不活性窒素ガスを充填して製造すると、システムを動作させるためにさらにガスを導入する必要がありません。 ピストンの両側の圧力 (図 1 の参照点 1) は、ピストンがどこに配置されていても同じままです。 これは、ガスが圧力をかけることができないロッドの断面積 (図 1 の参照点 2) が小さいためです。

ロッドがチューブに押し込まれると、スプリングに含まれるガスが圧縮されて圧力が増加し、ガスの圧縮によってスプリングのような動作が生じます。 ロッドに取り付けられたピストンは、ピストンを横切るガスの流れを可能にし、ロッドが押し下げられたり伸びたりするときにガスの流れを制御する手段を提供します。

ガス スプリングを指定するときに使用される一般的な用語には次のようなものがあります。

ストローク: ロッドが閉じた長さから伸びた長さまで移動できる最大距離。

延長長さ: 1 つのエンド フィットの中心から次のエンド フィットの中心まで測定したガス スプリングの全長。

閉じた長さ: 1 つのエンド フィットの中心から次のエンド フィットの中心まで測定した、閉じた状態の全長。 端部のはめあいが指定されていない場合もあります。 この測定値は、ロッドの端からチューブの端までの長さを指します（ねじ山を除く）。

ビードロール: チューブの溝のある部分。 この機能は、ガイドとシール パッケージを保持し、伸長中にピストンがシール パッケージを損傷するのを防ぐために使用されます。

ガス スプリングには複数のコンポーネントが含まれており、それぞれのコンポーネントが安全に正常に動作するために不可欠です。 図 2 は、これらのコンポーネントを示しています。

ロッド。ロッドは、精密研磨、研磨されたカーボン、またはステンレス鋼のいずれかで提供されます。 表面は摩耗を改善し、耐食性を高めるために処理されています。 一般に、ロッドは常にスプリングのストロークより長く、チューブの長さよりは短くなります。 炭素鋼は、クロムめっき、塩浴窒化、Nitrotec 表面層処理の使用など、いくつかの方法で処理できます。これには、他の方法に比べて次のような多くの利点があります。

耐摩耗性の向上

低摩擦特性

ステンレス鋼と同等の耐食性

このプロセスは環境に優しく、無毒で、酸性の副産物も生成しません。

チューブ。ガス スプリング チューブは、高圧に適した、完全性の高い粉体塗装されたカーボンまたはステンレス鋼のシームレス溶接チューブで構成されています。 チューブの内面仕上げと引張強度は、ガス スプリングの寿命と破裂圧力性能にとって重要です。

ガイドとシールのパッケージ。プラスチック複合材料から製造されたガイドとシールのパッケージは、ロッドの支持面を提供し、ガスの流出や汚染の侵入を防ぎます。

プラスチック複合材だけでなく、ガススプリングで使用されるガイドも、適切なベアリングスリーブを組み込んだ亜鉛、真鍮、またはその他の材料から製造することができます。 シールにはゴムが標準採用されています。

ピストンアセンブリ。ピストン アセンブリは亜鉛、アルミニウム、またはプラスチックで製造されています。 安全性に関係し、ロッドがスプリングから外れるのを防ぐため、ピストンとロッドの取り付けが完全であることが重要です。 ピストン アセンブリは、ガス スプリングの伸縮速度を制御します。

エンドプラグ。エンドプラグは、ガススプリングのチューブ端をシールし、チューブ端フィッティングに取り付けるために使用されます。

窒素ガス充填。窒素は不活性で不燃性であるため、ガススプリング内で使用されます。 内部コンポーネントとは反応しません。

ガススプリング内に含まれるオイルは、シール、ピストン、ピストンロッドに潤滑を提供するだけでなく、伸張ストロークの終了時のスプリングの速度制御も行います。 オイルはスプリングを遅くするように作用し、スプリングが完全に伸びたときの衝撃荷重を防ぎます。 この減衰制御がないと、ガス スプリングの急激な制御伸びが発生し、製品の故障、損傷、怪我を引き起こす可能性があります。

減衰は通常、ピストンを通るガスとオイルの流れを調整することによって実現されます。 望ましいロッドの下降位置に取り付けた場合、ピストンが完全に伸びた点近くで内部のオイル柱に到達すると、最大の減衰が達成されます。 これをオイルダンピングゾーンと呼びます。

減衰のレベルは、次のようなさまざまな要因によって影響を受ける可能性があります。

動作温度。 これは 2 つの方法でダンピングに影響を与えます。 温度が上昇すると、スプリング内の力が増加し、オイルの粘度が低下します。 その結果、スプリングはより速く伸び、減衰が少なくなります。 低温では逆の現象が起こり、伸張力が減少し、オイルの粘度が増加します。 したがって、スプリングはより遅い速度で伸び、より高い減衰が得られます。

オイルの粘度。 粘度は、定義上、流れとせん断に対する流体の抵抗です。 オイルは高粘度の流体であるため、温度が上昇するとオイルの粘度が低下し、より速く流れ、オイルを通過する物体 (ピストンやガス スプリングなど) に対する抵抗が小さくなります。 さまざまな粘度 (流動抵抗) のオイルを指定できます。 粘度の数値が大きいほど、抵抗は高くなります。

オイルの粘度が高いほど、ガススプリングに対する減衰効果は大きくなります。 ただし、さらに考慮すべき要素はオイルの粘度指数です。 これは 2 つの温度間の変化率を示します。 粘度の変化率は非線形であり、粘度グラフは線形温度に対する対数関数としてプロットされます。 粘度の高いオイルは粘度指数も高くなる傾向があります。 これは、低粘度のオイルよりも大きなレベルの粘度変化を受けやすいことを示しています。 その結果、ガススプリングでは、温度変動に応じて減衰動作がより顕著に変化します。

ロッドの直径に対してチューブの直径が大きいほど、ピストンを通過するために必要な流体の量が多くなります（したがって、減衰効果も大きくなります）。 制御された伸張または圧縮率を達成するためにストローク全体にわたって一貫した減衰が必要な場合は、完全流体ダンパーを使用する必要があります。

オイル量。 スプリング内に含まれるオイルの量が多いほど、ガススプリングがオイルダンピングゾーンに到達するのが早くなり、伸張速度が遅くなります。

オイルを注ぐポイント。 液体の流動点は、液体が半固体になり、流動特性を失う温度です。 ガススプリングの場合、これは、流動点に達すると、オイルが事実上固体になることを意味します。 ガススプリングのストロークを最大限に活用することができず、減衰が発生しません。

計量により、ガス スプリングの伸長率および/または圧縮率が制御されます。 これを達成するために、ピストンオリフィスのサイズの変更からピストンを通る制限的な流路の作成まで、メーカーごとに異なる技術が使用されています。 基本的に、どの方法が使用されるにせよ、目的はピストン全体に圧力降下を生じさせて伸長速度を制御することに変わりありません。 ピストンオリフィスが大きいほど、または流路が短いほど、圧力降下が少なくなり、流路の制限が少なくなり、バネがより早く伸びるようになります。

スプリングの性能に影響を与えるさらなる要因は、離脱摩擦 (スティクションとも呼ばれます) です。 これは、スプリングが一定期間静止したままになっている場合に発生します。 これには最短で数時間かかる場合があります。 スプリング内に圧力がかかるため、潤滑剤がシールから移動する傾向があり、ゴムが金属内の微細な亀裂や隙間に押し込まれます。 スプリングが初めて回転するときは、摩擦を克服してゴムを亀裂や隙間から解放するために追加の力が必要になります。

この記事は、英国レスターの Camloc Motion Control Ltd. から寄稿されました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Motion Design Magazine 2019 年 4 月号に初めて掲載されました。

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