ぜんまいばねとは
ぜんまいばねは、ねじれた形状の巻き線を持つばねの1種です。
ぜんまいばねはコイルが渦状に巻かれており、力が加わると、そのエネルギーが蓄積・解放されます。 そして、押しや引っ張りなどの力に対して反発することで運動が生まれ、これを取り出して機構の制御に利用します。
また、 適切な材料と設計がされていれば、強度と耐久性に優れた特性を持ちます。長期間にわたって安定した弾性特性を維持することが可能です。
比較的コンパクトなばねで、機構の設計上組み込むスペースが少ない場合によく検討されます。
ぜんまいばねの使用用途
1. 車両のサスペンション
ぜんまいばねは、自動車のサスペンションシステムに使用される場合があります。車の振動を吸収し、乗り心地を向上させるために、サスペンションに組み込まれます。車輪と車体の間で力の吸収と放出を行い、走行中の衝撃を緩和します。
2. 産業機械
産業機械には、振動の吸収や制御、部品の位置合わせ、クッションなどの目的で使用されます。機械の運転中に生じる振動を抑制し、正確な動作を維持するのに役立ちます。
3. 消費者製品
ぜんまいばねは消費者製品にも使用されています。例えば、ドアクローザーやショックアブソーバー、キーボードのキータッチなどが挙げられます。目的はクッションや振動吸収です。また、コード式掃除機のコードの巻取り機構には昔からよく使われています。
4. 時計
腕時計などでも使用されます。ぜんまいばねが巻かれた状態から力が解放されることで、時計の動力となります。ぜんまいばねは、コンパクトにばねをまとめることができるので、スペースの少ない時計などにはよく使われます。
5. 家庭用品
身近な家庭用品にも多く、ぜんまいばねが使われています。具体的には、家具のクッション、ドアを自動で閉じる装置や、玩具などです。また、コンベックスやメジャーの巻き取り機構にもほとんど使用されています。
ぜんまいばねの原理
1. フックの法則
フックの法則は、ばねが受ける力とその伸びや圧縮との間に比例関係があることを示しています。ばねが受ける力は、ばね定数と変位に比例します。この原理は、ばね一般に適用されます。なお、「フック」とは、この法則を発見した人の名前です。
2. 弾性エネルギーの蓄積と放出
ぜんまいばねが力を受けて変形すると、その内部にエネルギーが蓄積されます。この蓄積されたエネルギーは、ばねが解放された際に放出されます。ぜんまいばねはこのエネルギーを使って、元の形状に戻ろうとします。この時のばねの動きを取り出して、機構を制御しようするのがばね一般の原理です。
3. 周期性と振動
ぜんまいばねに周期的な力が加わると、ばねがその都度エネルギーを蓄積・解放します。その応答の結果、周期的な運動が生まれ、振動が生じます。このため、特定の周波数や振幅での振動を実現可能です。
ぜんまいばねは、このばね一般の原理を使って、コンパクトにばねを構成することができるので、身近なところから産業用まで様々なところで使われています。
ぜんまいばねの選び方
まず、適切な荷重範囲を考慮してばねの荷重要件を選ぶ必要があります。また、ぜんまいばねの伸びや圧縮の必要範囲も重要な要素です。
そして、設計条件に合った適切なばね定数を決定します。ばね定数は、ぜんまいばねの変形の度合いを示す指標です。ばね定数が大きいほど、同じ力に対して伸びや圧縮が小さくなります。
材質は耐久性、強度、耐腐食性などに影響を与えます。用途や環境に合った適切な材料を選定し、これらを総合的に踏まえたうえで、コストに見合うかどうかを検討します。
参考文献
https://www.fusehatsu.co.jp/product/product-06/zenmaibane.html
https://www.kagaspring.com/keyword/basic/item_1808.html