ねじりコイルばね

ねじりコイルばねについて

ねじりコイルばね（英: helical torsion spring）は、コイルの中心軸を中心にして力を受けるバネです。このバネは特に回転運動を利用する場面で用いられ、その構造には弾性エネルギーが蓄えられています。今回はねじりコイルばねの特徴、製作方法、計算式などについて詳しく解説します。

特徴

ねじりコイルばねの端部の形状は、取り付け方や設置場所によって異なります。一般的には、コイル部分の内側に案内棒を配置して使用されることが多いです。サイズは小型が主流で、家庭や日常品にも多く使われています。例えば、洗濯ばさみにも見かけることができます。

製作時には冷間加工が行われることが一般的で、その結果として残留応力が生じます。もし端末部にねじりを加える場合、残留応力と新たにかかる応力が相殺されることで強度が増すことになります。そのため、常に巻き方向に合った使い方をすることが推奨されています。

巻き方の種類

ねじりコイルばねの製作では、コイルを密着させる「密着巻き」と、隙間を設ける「ピッチ巻き」の2種類があります。密着巻きは製作が容易ですが、コイル間の摩擦が生じるため、特性が異なることがあります。正確な特性を求める場合は、ピッチ巻きを選択することがあります。

計算式

ねじりコイルばねの定数やねじり角、発生する応力は簡単な計算式で表されます。基本的に計算するための条件として、コイル巻数が3以上、ばね指数が3以上、コイル内側に案内棒がある、コイルの巻き方向に荷重がかかることなどが挙げられます。

腕長さを考慮しない場合

荷重が端末に直にかかる場合、ねじり角度 φ とねじりモーメント M の関連性は次の式で表されます。

$$
heta = \frac{64DN}{Ed^{4}}M
$$

ここで、D はコイルの平均直径、N はコイル巻数、E は材料の弾性係数、d は素線の直径です。この式から得られるばね定数 kT は次のようになります。

$$
k_{T} = \frac{Ed^{4}}{64DN}
$$

また、内側の最大応力 σmax と最小応力 σmin の計算式もあり、これらはコイルの条件に依存します。

腕長さを考慮する場合

腕が長い場合には、腕自体の曲げ変形が影響します。この場合、次の式が用いられます。

$$
heta = \frac{64}{E ext{π}d^{4}}\left[\text{π}DN + \frac{1}{3}(a_{1}+a_{2})\right]M
$$

ここで、a1 と a2 のそれぞれの端末腕長さを示し、最終的にはばね定数もこの値に依存します。腕長さを考える必要があるかは、コイル部分に対する腕長さの比率で判断されます。

まとめ

ねじりコイルばねは、非常に多様な用途に適した重要な部品です。特に、日常生活の中での利用が目立ち、設計や特性についての理解は重要です。そのため、計算式や製作方法をしっかりと理解し、最適な使用を心掛けることが大切です。

もう一度検索