ばねの基礎 |ばねの種類やそれぞれの特徴を詳しく説明します!

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ばねの基礎 |ばねの種類やそれぞれの特徴を詳しく説明します!


身の回りのもので『ばね』が使われている製品と言えば、皆さん何を思い浮かべるでしょうか。

パッと思いつきそうなもので自転車やボールペンなどがありますね。

ですがこうして改めて思い返してみると、世の中にありふれているように思えて、実は日常的にばねを見かけることは案外少ないかもしれません。

今回の記事ではそんな私たちがよく知るばねについて、製造業ではどんな特徴や役割があるのかを種類別に解説していきたいと思います。

ばねというのは実は意外な形をしている種類もあり、私たちの日常に割と多く溶け込んでいたりするんですよ

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ばねの種類

ばねの形状と言えば、弾力性のあるぐるぐると巻かれたコイル状のものを皆さん思い浮かべるかと思います。

ばねの力を利用しているのが分かりやすい日用品・玩具として、ボールペンやホッピングなどがありますね。

レインボースプリングなんかは正しくばねそのものと言う感じで、懐かしく思う方もいらっしゃるのではないでしょうか。

引用元:amazon 楽天市場

ですが製造業におけるばねとは、あくまでネジやギアのような部品の一つのことを指します。

その中には、フックがついていたり腕が生えているようなものから、おそよばねとは呼べなさそうな見た目のものまでいろいろな種類があります。

コイルばね

コイルばねとは、その名の通りぐるぐると巻かれた一般的な見た目のばねです。

ばねにもいろいろな種類がありますが、このコイルばねがばねの部品の中で最もよく使われている種類ですね。

押し込んだり戻したりする反発力があり、主に衝撃や振動を抑えるクッションとしての役割を持っています。

引用元:株式会社 アキュレイト

材料はSUS304-WPBというステンレス線がよく使われており、ニッケルでメッキを施すことにより錆びにくく金属間での摩擦に強いばねが成形できます。

一昔前ではSWP-Aというピアノ線で作られていることが多くかったのですが、錆びにくいステンレス素材のばねが現在のコイルばねの主流となっています。

コイルばねは大別して圧縮コイルばね引張コイルばねねじりコイルばねの3つの分類があり、取り付ける場所や用途によって使い分けられます。


引用元:Tech Note

画像を見ると、違いと言えばフックがあるかないかぐらいに思えますが、用途はきちんとそれぞれ違います。

圧縮コイルばねは上から押されてから反発する力を利用しており、引張コイルばねは引っ張って戻る力を利用しています。

ベッドに飛び乗ってボヨンボヨンと跳ねることができるのは、圧縮コイルばねの反発力があるからですね。

より詳しい説明は後の項目にありますので、今は3つの種類があるということだけ紹介しておきます。

板ばね

板ばねとはパッと見、ばねとは思えないような形状をしている平らなばねです。

板ばねには大きく分けて薄板ばね重ね板ばねの2種類のばねがあり、細かく分類した場合、その種類の多さはなんとコイルばね以上に多くあります。

材料は1970~80年代こそ銅が主流でしたが、現在では板ばねもステンレス素材が主となって使われています。

引用元:株式会社 山陽ばね製作所

板ばねは形状を見る限りでは、ばねというより留め金という方が近い形をしているかもしれませんね。

板ばねはコイルばねよりも複雑な形状にすることができ、少量生産、オーダーメイドの対応にも向いています

主な用途としては、電気のスイッチの切り替え部分やサスペンションと呼ばれる車や電車などの振動を和らげるクッションのような使い方をします。

皿ばね

皿ばねは円盤状の金属にドーナツ状の穴が開いているばねです。

これもばねというよりは留め金と言う感じで、ネジやボルトの緩みを止めたり、軸受回りのガタ防止に使われます。

引用元:Tech Note Wikipedia

皿ばねの材料もコイルばねや板ばねと同じくステンレスです。

その薄い形状から小さい取り付けスペースで有効に力を発揮でき、コイルばねや板ばねでは組み込めない狭い箇所で重宝されます。

また、皿ばねは何枚も重ね合わせて使うことで、緩み止めとしての効力を増加できます。

ネジはしっかり締めたつもりでも、緩み止めがないと月日が過ぎれば次第に緩んできてしまいますよね。

そうならないようにネジの緩み防止に皿ばねが使われますが、その際一枚では足りないことがあるため、二枚三枚と重ねることで緩み止めの力を強化できるのです。

引用元:Wikipedia 楽天市場

皿ばねを重ねるときに同じ向きに重ねることを並列重ねといい、反対に重ねることを直列組合せといいます。

並列重ねをすると緩み止めが強化され、直列組合せをするとたわみが増します。

たわみというのは金属を意図的に曲げた時に起こる歪みのことです。


引用元:Tech Note

たわみを付ける意味は自転車のチェーンで例えると分かりやすくなります。

チェーンがたゆんたゆんになっていると、走っている最中少しの振動でチェーンが外れやすくなってしまいますよね。

逆にきつく張りすぎてしまうと今度はペダルが重くなって走りにくくなってしまいます。

つまり、たわみは適度にある方がいいんですね。

そのため、金属を曲げたい時は皿ばねを直列に重ねていくことでたわみをつけていくのです。

枚数を増やせばその分たわみが増えていくので、必要に応じて複数重ねて調節することが可能です。

トーションバー

トーションバーとは細長い棒の形をした蛍光灯のようなばねです。

もちろん金属でできているため蛍光灯というほど割れやすくはありません。

他のばねよりもずいぶん大きく、本当にばねなのか疑わしいのですが、言葉だけでは伝わりにくいため百聞は一見にしかずということでとりあえず画像を。

引用元:DRESS UP NAVI タイヤ館

やはり画像で見ただけではただの棒にしか見えませんが、これもばねの一種なんですね。

トーションバーと聞くと何に使うかを想像しがたい名前ですが、日本語に直すと『ねじり棒ばね』という名称になり、形状も役割も名前そのままということが分かります。

用途は主に車や戦車のサスペンションに使われ、カーブで曲がる時に安定感を出し、乗り心地を良くしてくれる働きがあります。

トーションバーの動きとしては、カーブの際に棒がねじれるような動きをします。

そんなことしたら割れてしまいそうですが、真っすぐの棒に見えて実はねじれるようにできてるんですね。

両端のうち一方だけが固定されており、もう一方は回転するようにねじれます。

イメージとしては片手を伸ばして右左にひねる感じです。

腕は体に固定されてて、手の方は回転するようにねじれますよね。イメージとしてはそんな感じです。

そうして棒がねじれて、カーブを曲がり終えるとねじれた分も戻ります。

トーションバーの最大の働きは、その戻ってくる力を利用することで、振動のない安定した走りが可能になることです。

かなり想像しづらい説明になってしまったかと思いますが、今言ったことをまとめますとトーションバーの動きとしてはねじれること、そして役割としては振動を抑えたりカーブの安定感を出すことです。

車のサスペンションにはコイルばねを使うこともありますが、場合によっては何個も必要になってしまうことがあるので、だいたい一本から二本ですむトーションバーの方が車体の軽量化に繋がって優秀です。

また、コイルばねよりもスペースをあまりとらないというメリットもあります。

トーションバーはシンプルな作りであるゆえに多様性こそありませんが、必要最小限の本数・スペースで効率よく高い性能を引き出してくれます。

渦巻きばね

渦巻きばねとは巻かれた金属が伸びたり巻かれたりすることで動力を発生させるねじです。

名前の通り渦巻きのような形をしており、日本ではその形状から『ぜんまいばね』と呼ばれることも多くあります。

引用元:モノタロウ

ばねの先端を引っ張ることでばねが伸び、そこからもとに戻ろうとする力を利用して回転する力を生み出します。

よく使われている場所は時計やシートベルトの巻き取り部分など。

渦巻きばねのメリットとして、同じ力で長い時間稼働することができ、細長い金属を小さなスペースに収納できることがあげられます。

そのメリットから時計や計測機器など精密な動作が求められる製品にも多く利用されています。

ばね全体の比率で言うとあまり使われていない方ですが、電力の確保ができない災害時でも使える省エネで長持ちするばねです。


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コイルばねの詳しい特徴・用途

数多くあるばねの中でも代表的な位置にあるコイルばね。

おさらいになりますが、それらコイルばねには大きく分けて圧縮コイルばね、引張コイルばね、ねじりコイルばねの3種類がありましたね。

私たちの生活の中でその3種類のコイルばねがどんな使われ方をしているのか、それぞれ特徴や用途を詳しく見ていきましょう。

圧縮コイルばね

圧縮コイルばねは形状・用途から見てもっとも一般的なばねです。

押し込めばボヨンと反発力が生まれ、元に戻ります。それ以上もそれ以下の動きもしません。

非常にシンプルですね。

圧縮コイルばねには等ピッチコイルばね不等ピッチコイルばねの2種類があり、スペースの広さや機能によって使い分けされます。


引用元:Tech Note

等ピッチコイルばねは完全な円柱の形になっており、不等ピッチコイルばねは円すいだったりたる型だったりいろいろです。

ボールペンを分解したら出てくるのは、この内の等ピッチコイルばねですね。

等ピッチコイルばねの用途は、ボールペンの他に車のサスペンションやコンピューターのキーボード、不等ピッチコイルばねは乾電池を入れる所の+-の部分やソファ・ベッドのクッションなどに使われています。

乾電池を入れる部分のばねは実は円柱ではなく、円すいの形をしているんですよ。

意外に思う方もいるかと思うので、気になった方は一度見てみてくださいね。

引張コイルばね

引張コイルばねは両端にフックが付いてるばねで、横に引っ張られる動きで使われることが多いばねです。

圧縮コイルばねが縮められて元に戻る動きがあるのに対し、引張コイルばねは縮んでいる状態から、伸ばされて元に戻る動きがあります。

両端のフックには丸フックやVフックなどいろいろな形があり、それぞれ適した用途で使い分けられています。


引用元:モノタロウ

使われるフックはだいたい画像の6種類であることがほとんどです。

引張コイルばねが使われているところは車のブレーキ部分や計量器など。

後は自転車のスタンドなんかが身近にあるものの良い例ですね。

引用元:東洋スプリング工業㈱のブログ

引張コイルばねのフックの部分はもろい箇所でありながら、強い力を加えられることが多く、破損トラブルがよく起こる箇所です。

そのため製造の際には、フック部分の耐久がばねの設計の段階で弱かったりすることがないよう、強度には特に気を使って丈夫な作りにする必要があります。

引張コイルばねのフックの強度をどうするかは、設計時に多くの企業が頭を悩ませるところだったりします。

ねじりコイルばね

ねじりコイルばねはコイルの両端が腕のように伸びているコイルのことをいいます。

両端にフックがある種類とない種類があり、さらにコイルによって腕の長さや角度、巻き数などのが違い、用途に応じて使い分けます。


引用元:Tech Note

主な使用例として、身近な製品で言うと安全ピンや穴あけパンチ、クリップなどが挙げられます。

上の二つのコイルよりも見慣れない形状ではありますが、日用品の部品として案外紛れ込んでいたりするので、目ざとく探してみると他にも使われている製品が見つかるかもしれません。

実はデジカメなんかにもひっそりと使われていたりします。

コイルばねの製造方法

コイルばねの形状は子供の頃からよくに目にするためか、その形に疑問を抱くことがあまりありませんが、よくよく考えると金属があんなにぐるぐる巻きになっているのは不思議ですよね。

コイルばねを製造する方法をざっくりと説明すると、針金のような金属を鉄の棒に巻き付けていくことで成形していきます。

加工の様子が分かる動画が下にありますのでよろしければご覧ください。


手巻き 動画


旋盤巻き 動画

鉄を巻いていく作業をコイリングといい、コイリングの方法には熱間加工冷間加工があります。

熱間加工とは金属を過熱して柔らかくする加工方法のことで、冷間加工とは常温から金属が溶けないぐらいの温度で加工することをいいます。

なら名称としては常温加工では?と問いたいところですが、なぜか冷間加工と言う名称なんですね。

コイルばねは少量生産や試作品を作る時は手作業による冷間加工でコイリングし、大量生産する場合は熱間加工と冷間加工のいずれかで、機械による全自動で製造します。

手作業となると、実際に冷えた金属を抑え続けるていると凍傷になってしまいそうなので、常温で作ることができてよかったですね。

ばねのへたりについて

コイルばねを作る際に注意することとして、へたりが出ないように気を付ける必要があります。

へたりというのはコイルの力が衰えて弾力性が落ちてしまうことです。

ばねを長いこと使い込むと、次第に潰れていったり伸びてしまったりして勢いがなくなってしまいますよね。

コイルばねは製造の過程でそのへたりが起きやすいばねなのです。

何年何か月も使った結果、消耗してしまうなら仕方ありませんが、新品の状態からすでにへたりが起きてしまっていては商品になりません。

そのため、コイルを製造する過程ではへたりを防止する工程がいくつもあり、技術者たちもなるべくへたりが出ないようにいつも心掛けています。

コイルを手作業で巻く技術は動画見ると何とも簡単そうに思えますが、実はけっこうな職人技なのです。

板ばねの詳しい特徴・用途

金属の板を材料とする板ばねは、丸型が基本のコイルばねと異なり四角い形状をしていることがほとんどです。

板ばねは薄板ばねと重ね板ばねの2種類に分けられますが、材料が同じ板金であることから皿ばねや渦巻きばねも板ばねの分類に含まれることもあります。

今回は皿ばねや渦巻きばねを先で紹介しているため、薄板ばねと重ね板ばねの二つを説明していきます。

薄板ばね

ばねというには名ばかりの薄い板状の代物ですね。

トーションバーほどではないにしろ、見た目からしてばねっぽくないのが伺えます。

性能も反発力のあるコイルばねとは違い、押さえることも引っ張ることもできません。

ですが板ばねの中では一番使われれる種類で、形状や用途も様々あり、日常的に見かける製品にも多く使われています。


引用元:Tech Note

主な用途は棚やドアが外れないようにする留め金やストッパーなど。

日用品としてはホッチキスやパンを掴むトングとかに利用されています。

また、ねじの代わりにガラス窓やアルミサッシを固定するはめ殺しのために使われることもあります。

はめ殺しとは、窓や障子などを開閉できないように取り付けることです。

ホテルやタクシーの窓は開けられなくなっていることがよくありますよね。

その理由に安全性を考慮しているのと、ネジを使うよりも低コストで済むため、板ばねで固定してしまうことが多いのです。

板ばねは使われ方としては地味ですが、製品を機能させるための関節として働いているとても重要な役割を持っています。

重ね板ばね

重ね板ばねは長さが違う金属の板を何枚も重ねた丈夫なばねです。

金属板の弾力性を利用することでクッションとしての効果を持たせ、車輌や機械の振動を抑えることができます。

いまいちピンとこない方は、文字を書くときにノートの間に挟むしたじきを想像していただけると分かりやすいかと思います。

両側から力を入れるとボヨンボヨンと曲がりますよね。

そのボヨンボヨンとなる弾力性で振動を軽減させるんですね。

複数枚重ねることにより耐久性も高くでき、大きな振動でも継続的に耐えることが可能になっています。

引用元:日本自動車部品協会(JAPA)

重ね板ばねが使われる場所はトラックや鉄道車両のサスペンション、プレス機やハンマーの装置などです。

大型の乗り物や機械に使われていることが多いですね。

重ね板ばねは別の呼び方でリーフスプリングとも呼ばれ、車で使われる場合、タイヤを固定する所と車本体とを支える働きをしています。

薄板ばねが関節なら重ね板ばねは車や機械を支える縁の下の力持ちと言ったところでしょう。

板ばねの製造方法

板ばねもコイルばねと同様、少量生産は手作業で大量生産は機械で行うことがほとんどです。

板ばねを大量生産する方法に単発型、順送型、トランスファー型の三つがあります。

引用元:Tech Note

単発型は穴をあける時は穴をあけるだけ、金属を切る時は切るだけといった、一つの加工のみが可能なプレス機を使うことをいいます。

単発型は機械による加工ですが、1工程ずつの加工となるため時間が掛かり、そこまで大量には生産できません。

順送型は『穴あけ』や『せん断』などの二つ以上の加工を一つの機械でできるプレス機のことです。

複数の加工が一つの手間でできる分、単発式よりも多くの製品を作ることができます。

トランスファー型は加工する物をベルトコンベアーなどで流すことで、ほぼすべての加工を自動的に行える装置のことです。

穴あけやせん断などの機械があるところに加工品を通していくことにより、一連の加工を人の手を介さずに一回一回止めることなくできます。

テレビのニュースや番組で製品ができるまでの様子を紹介している時によくVTRで流れるのがそのトランスファー型です。

順送型や単発型に比べ値段が高額なのがネックですが、ほぼ全自動なので作業に負担が掛からず非常に高い生産効率を維持できます。

ばねの原因によって起こる不具合

どれだけ用心していても製品を作り続ける以上不具合は起きてしまうものです。

機材の誤作動や経年劣化によるトラブルはいやおうなしに、人為的ミスで起こる事故も決して少なくはありません。

そういった不具合を少しでも減らすために原因を追究して対策することは、効率よく安全に製品を作る上で必須と言えるでしょう。

ばねのへたり

ばねのトラブルでまず起こりやすいのは、ばねにへたりが出ることです。

前述の通り、ばねにへたりが出ると伸び縮みの勢いがなくなってしまうのですが、そうなることで製造の効率が落ちたり機材の動作不良が起こったりしてします。

ばねがへたる原因として、高温の状態でばねを使用した機材に合わないばねを使用した、そして経年劣化などがあげられます。

ばねが異様に早くへたってしまう時は機材や環境がばねに合っているか確認した方が良いでしょう。

そして、長期間の使い過ぎで弾力性がなくなってしてしまう前にメンテナンスをきちんとする必要がありますね。

ばねの破損

ばねは製品を機能させる上でとても重要な役割を持っているので、当然ながらなるべく丈夫に作られてはいますが、それでも壊れてしまうことがあります。

よくある例が引張コイルばねのフックの部分が壊れてしまうことです。

前の項目でも書きましたが、フックの部分はコイルばねの中でも特に破損しやすく、ばねトラブルが多く起きている箇所です。

経年劣化が原因で壊れてしまうこともありますが、その箇所に合わない形のフックを使っていたり、フック部分に負荷が掛かりすぎていることが主な破損の原因となっています。

また、ばねの破損は板ばねでもよく起こり、先端の折り曲げてある部分が曲がってしまったり、折れてしまうことが多々あるので、引張コイルばねにせよ板ばねにせよ、バネが耐えられるかどうかの計算と確認はしっかりしなければいけません。

錆び

ばねは長年使い続けていたために錆びてしまうことがあります。

乾電池を入れる部分や車・自転車などがよくある例でしょう。

環境によって錆びることもあり得ますが、それも含めて製品の交換やメンテナンスをしていないことがほとんどなので、事故になってしまう前に取り換えておくのがよいかと思います。

導通不良

ばねが使われる製品には電子部品が組み込まれているものも多くあります。

板ばねの取り付けが不十分だったり、部品との接触が不安定で不具合が起きることもありますが、電子機器の場合、そもそも電気系統の知識不足が原因であることも珍しくありません。

電子機器の導通不良もばねトラブルの例としてしばしばあることなので、品質の良い製品を安全に作るために、しっかりとした知識と技術が求められます。

ばねのトラブルの原因には、他にも強度が強すぎたり弱すぎたり、寸法が合わないばねを使っているなど、不適格なばねを使用していることがもとになっていることもありえます。

その製品や機材に適したばねを使わなければ、不具合が生じるのも道理と言えますね。

後からトラブルが発生してしまっては手遅れなので、ばねに限らずどんな部品でも無理やり使わず、その製品や機械に合った適切な部品を使うようにしましょう。

まとめ

ものづくりにおいて、ばねの重要性はネジに次ぐと言っても過言ではありません。

ばねが使われている製品・機械は、家の中でも外でもいたる所で見かけることができます。

ばねによる支えはいつも私たちの生活の支えとなっているのです。


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