圧縮バネは、圧縮されると機械エネルギーを蓄え、荷重が取り除かれると機械エネルギーを放出します。 圧縮バネは通常、バネ鋼で作られていますが、炭素、マグネシウム、ニッケル、クロム、錫、銅、タングステン、アルミニウムが含まれる場合もあります。
材料が異なると、圧縮バネの弾性とエネルギー貯蔵能力が異なります。
ロバート・フックは、1676 年には、ばねによって発揮される力 (伸びに比例する) を計算する公式を提案しました。
圧縮バネは、軸方向の圧縮荷重を感知するように特別に設計された機械装置です。 通常、ある点まで伸縮したり回転したりすることもできます。 一般に、圧縮バネは圧縮荷重を受けると機械エネルギーを蓄えることができます。 負荷が取り除かれると、弾性変形を受けて元の形状とサイズに戻ります。
位置エネルギーを蓄えるこのユニークな能力と、その比較的単純さと手頃な価格の組み合わせにより、圧縮バネは幅広い用途で価値があります。 メカニカルキーボードのボタン、マットレス、ボールペンから、銃器や車のサスペンションのショックアブソーバーまで。 15世紀から圧縮バネを使用しており、最初の圧縮バネは時計装置に使用されました。
圧縮バネの種類
圧縮バネにはさまざまな幾何学的形状を持たせることができます。 最も一般的なものはコイルまたは渦巻バネです。 この形状は、シームレスな高圧縮と点までの拡張を可能にするため、他の形状よりも人気があります。 また、圧縮荷重を吸収する必要性を満たすために使用する材料が少ないため、軽量でもあります。 最後に、このタイプはコイルバネの形状により比較的大きなバネ定数が得られます (詳しくは後述します)。
このカテゴリはさらに次のようなサブカテゴリに分類されます。
圧縮バネの材質
圧縮バネは通常、降伏強度の高い鋼の一種であるバネ鋼で作られています。 これにより、極端に変形した場合でも、元の形状、サイズ、形状を維持することができます。 したがって、これらの鋼は応力下で大きな弾性変形空間を持ちます。 これは分子レベルで起こるため、これらの鋼の組成は弾性に大きな影響を与えます。
一般的にばね鋼には、炭素、マンガンのほか、ニッケル、クロム、モリブデン、錫、バナジウム、銅、鉄、タングステン、アルミニウムが含まれています。 ばね鋼は降伏強度と硬度に基づいて公式 ASTM によって分類されているため、さまざまな材料組成がさまざまな用途に適しています。 たとえば、ASTM A228 はピアノの弦に使用されており、0.7% -1% 炭素と 0.2% -0.6% マンガンを含み、最大の収量が得られます。強度は530メガパスカル、引張強度は400メガパスカル。
圧縮バネの特徴
このセクションでは、最も広く使用されている圧縮バネであるアンコイル コイル スプリングについて紹介します。 これらのスプリングには、その性能にとって非常に重要な特定の特性があります。 外径（D）とは、バネによって形成される円筒を上から見たときの直径を指します。 コイルの直径は、同じく円筒形のスプリング ワイヤーの厚さ (d) を指します。 自由長 (L) は、圧縮されていない状態のばねの全長を指します。一方、有効螺旋 (na) と総螺旋 (n) は、機械的エネルギーを蓄積および放出するコイルの数とバス コイルの数です (少なくとも 2 つはスプリングの端/基部専用です)。 もう 1 つの重要な形態学的属性は、回転の方向であり、左または右にすることができます。
ばねによって及ぼされる力はその伸びに比例するという法則は、1676 年にロバート フックによって最初のばねの適用から数年以内に提案されました。 フックはこの公式を世界に紹介しました。 「F=- kx」。ここで、F はバネ力、x は伸張距離、k はバネ定数です。 それぞれのスプリングは異なり、メーカーが実験によって決定するか、ユーザーが公式によって決定します。 K=Gd4/[83dna]。 前述したように、バレル コイルと円錐コイルは非線形バネであるため、フックの法則は適用されません。 フックの法則は、すでに変形しているか、一般的な弾性限界を超えているスプリングには適用されません。
完全に圧縮されたバネの力
完全に圧縮されたばねの力を計算するには、次の公式を使用できます。 Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]。 Eはヤング率、dは鋼線の直径、Lは自由長、nは有効螺旋/コイルの数、νはポアソン比、Dは外径です。 それらのうちのいくつかは設計者が選択した鋼によって決まりますが、他のものはばねの形状、形状、サイズによって決まることは明らかです。
設計上の考慮事項
圧縮バネを設計するとき、最初に決定するのは、どのような材料を使用するかです。 次に、データ テーブルからせん断弾性率 (G) と引張強度 (TS) を求めます。 これら 2 つの要素は、たとえば荷重要件 (100* σ/ 引張強度に基づいて、特定の荷重が加えられたときにバネが圧縮される程度を計算) を計算する場合など、応力のパーセンテージを決定するために重要です。
もう 1 つの重要な考慮事項は、最大点まで圧縮されたときのスプリングの直径です。 圧縮渦巻きばねは、圧縮中に直径が増加する傾向があります。 したがって、式「expansion={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}」を使用してこの拡張を計算することが重要です。
ばねの指数は重要であり、設計者はそれを 4 ～ 10 の範囲内に維持しようとします。その計算方法は「C=(Dd/d)」であり、ワイヤの比率の良い概念を提供します。厚さはバネの直径に相当します。 これにより、スプリングの全体的な強度が決まります（小さいほど強いですが、大きいほど圧縮しやすくなります）。
