圧縮コイルばね

圧縮コイルばね（あっしゅくコイルばね、英語：helical compression spring）とは、圧縮の荷重を受けて用いられるコイルばねの一種である。圧縮ばねと呼ばれることもある。ばね部品の中でも最も広く使用され、多くの機械や器具で使用されている。主に、圧縮方向の荷重を受け止める、圧縮させて反力を利用する、圧縮方向の衝撃や振動を緩和する、といった用途に使用される。
円筒状のコイルばねが最も一般的だが、円錐状や樽形に巻いたものなど様々な種類がある。軽荷重用の小型のものから重荷重用の大型のものまで、大きさも幅広い。
コイル状にする素線自体には、主にねじりモーメントが加わり、素線がねじり変形を起こすことで、ばねが全体として伸び縮みする。ばねが変形するときの単位体積当たりの弾性エネルギーは他のばね部品と比較して大きく、エネルギー吸収効率が高い。そのため、取り付けに必要な空間は比較的小さいという長所もある。
基本形状と各部位の名称.
標準的な圧縮コイルばねは、素線と呼ばれる棒状あるいは線状の材料を螺旋状に等間隔で巻くことで作られる。圧縮コイルばねの各部位は以下のような名称で呼ばれている。
また、以下のような寸法比も設計上の目安となる。
種類.
圧縮コイルばねの種類は多岐に渡る。以下にそれらの分類を示す。これらの種類の組み合わせも存在するので、可能性のある種類は膨大な数となる。しかし、全ての組み合わせが可能なわけでなく、設計的あるいは製造的に不可能な組み合わせもある。
素線断面形状による分類.
素線の断面形状はいくつかの種類があり、それによって次のように分類される。
荷重特性による分類.
ばねの荷重とたわみの関係のことを荷重特性と呼ぶ。荷重特性は、荷重とたわみの関係が直線でばね定数一定の線形と、それ以外の関係である非線形に分けられる。荷重特性によって圧縮コイルばねは大まかに以下のように分けられる。
全体形状による分類.
コイルばねの全体的な形状で分類する場合は、以下のように分類がある。
特性.
ばね定数.
円形断面・等ピッチの一般的な円筒コイルばねのばね定数は、次の簡略式で計算できる。
ここで、"k" はばね定数、"G" は素線の横弾性係数で、その他の記号は上節で示されるとおりである。荷重 "P" とたわみ "δ" の関係で表せば
となる。
発生応力.
荷重 "P" によってコイルばねに発生する最大せん断応力の計算には、次の簡略式がある。
"κ" は応力修正係数と呼ばれる、実際の応力値に近づけるための係数である。応力修正係数にはいくつか種類があるが、その中でも次のワールの応力修正係数がよく使用される。
座屈.
細長い柱に垂直に圧縮荷重を加えていくと、荷重がある限界値まで達すると柱が大きく折れ曲がる現象が発生する。この現象を座屈と呼ぶ。圧縮コイルばねにおいても細長いばねをある程度以上たわませると、ばねが折れ曲がり、座屈を起こす。座屈発生の起こりやすさには、圧縮コイルばねの縦横比 "H"0/"D" が関連する。座屈のことを考慮して、縦横比は4以下にすることを日本工業規格では推奨している。
使用例.
圧縮コイルばねは、ばね部品の中でも最も広く使用され、多くの機械や器具で使用されている部品である。使われている分野は、自動車、鉄道車両、航空宇宙、建設機械、一般機械、工作機械などから家電や日用品までに至る。主要な使用箇所の例として、自動車のサスペンション用、エンジンの吸排気弁用、クラッチ用、鉄道車両の台車用、安全弁用、その他計測機器用などが挙げられる。特にエンジンの弁ばねは、2億回以上も伸縮を繰り返すまで使用されることもあり、燃焼室と排気による熱の影響も相まって、最も過酷な使用条件に置かれるといわれるばねである。
標準的な円筒形コイルばね以外の例としては、自動車でサスペンション全体の小型化のために樽形コイルばねが用いられることもある。二輪車のサスペンションでは、不等ピッチコイルばねが使用されている。また、ばね定数の非線形性を利用しているというよりは、形状による安定性を利用するために、つづみ形コイルばねがソファーやベッドに使用されることもある。
外部リンク.
 - 科学技術振興機構