圧縮コイルばねのソースを表示

[[File:Spring05.jpg|thumb|圧縮コイルばね。標準的な円筒状のもの。]]
'''圧縮コイルばね'''（あっしゅくコイルばね、{{lang-en|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{{Sfn|JIS B 0103|2015|p=7}}。'''圧縮ばね'''と呼ばれることもある{{Sfn|JIS B 0103|2015|p=2}}。[[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{{Sfn|渡辺・武田|1989|p=11}}{{Sfn|日本機械学会（編）|2005|p=133}}。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{{Sfn|山田|2010|p=32}}。

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{{Sfn|ばね技術研究会（編）|1998|pp=8&ndash;9}}。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{{Sfn|日本ばね学会（編）|2008|p=171}}。

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{{Sfn|村上|1994|pp=73&ndash;74}}。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{{Sfn|日本ばね学会（編）|2008|pp=2, 171}}{{Sfn|渡辺・武田|1989|p=11}}。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{{Sfn|渡辺・武田|1989|p=11}}。

==基本形状と各部位の名称==
[[File:Helical compression spring parameters.svg|thumb|圧縮コイルばねの各部分の記号（円形断面・等ピッチの円筒コイルばね）]]
[[File:Solid height of helical compression spring.svg|thumb|密着長さに達した状態]]
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{{Sfn|小玉|1985|p=99}}。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。

*'''線径'''（''d''）：素線の[[直径]]{{Sfn|渡辺・武田|1989|p=12}}。
*'''コイル内径'''（''D<sub>i</sub>''）：コイルばね内側の直径{{Sfn|JIS B 0103|2015|p=19}}。
*'''コイル外径'''（''D<sub>e</sub>''）：コイルばね外側の直径{{Sfn|JIS B 0103|2015|p=19}}。
*'''コイル平均径'''（''D''）：コイル内径とコイル外径の平均値（(''D<sub>i</sub>'' + ''D<sub>e</sub>'')/2）{{Sfn|JIS B 0103|2015|p=19}}。
*'''平均コイル半径'''（''R''）：コイル平均径の半分（''D''/2）{{Sfn|ばね技術研究会（編）|2001|p=1}}。
*'''座巻'''：コイルばねの端面からばねとして作用しない部分までを指す{{Sfn|渡辺・武田|1989|p=16}}。「ざまき」とよぶ{{Sfn|JIS B 0103|2015|p=20}}。
*'''総巻数'''（''N<sub>t</sub>''）：コイル全体の巻数{{Sfn|小玉|1985|p=108}}。
*'''有効巻数'''（''N<sub>a</sub>''）：総巻数の内、ばねとして作用する部分の巻数{{Sfn|渡辺・武田|1989|p=17}}。圧縮コイルばねの場合は総巻数から両端の座巻数を引いた数となることが多い{{Sfn|JIS B 0103|2015|p=19}}。
*'''自由長さ'''（''L''<sub>0</sub>）：無負荷時のコイルばねの長さ。特に圧縮コイルばねの場合は'''自由高さ'''とも呼ぶ{{Sfn|JIS B 0103|2015|p=19}}。
*'''密着長さ'''（''L<sub>c</sub>''）：荷重をかけてコイル同士を密着させたときのコイルばね長さ。特に圧縮コイルばねの場合は'''密着高さ'''とも呼ぶ{{Sfn|JIS B 0103|2015|p=19}}。実際には密着にならない範囲で使用されるのが普通である{{Sfn|山田|2010|p=51}}。
*'''ピッチ'''（''p''）：一巻した隣のコイルとの距離{{Sfn|小玉|1985|p=100}}。
*'''ピッチ角'''（''&alpha;''）：コイルの勾配を角度で表したもの{{Sfn|蒲|2008|p=66}}。
*'''巻方向'''：コイルばねを巻く方向のことで、右巻と左巻がある{{Sfn|JIS B 0103|2015|p=20}}。
また、以下のような寸法比も設計上の目安となる。
*'''ばね指数'''（''c''）：コイル平均径と線径の比（''D''/''d''）{{Sfn|蒲|2008|p=66}}。
*'''縦横比'''：自由長さとコイル平均径の比（''L''<sub>0</sub>/''D''）{{Sfn|渡辺・武田|1989|p=18}}。

==種類==
圧縮コイルばねの種類は多岐に渡る{{Sfn|蒲|2008|p=22}}。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{{Sfn|ばね技術研究会（編）|1998|p=7}}。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{{Sfn|ばね技術研究会（編）|1998|p=7}}。

===素線断面形状による分類===
[[File:Ressort en fil rectangulaire.svg|thumb|100px|長方形断面ばね]]
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{{Sfn|日本ばね学会（編）|2008|p=175}}。
*'''円形断面ばね'''：素線断面が[[円形]]のばね{{Sfn|JIS B 0103|2015|p=8}}。大きな短所がなく、最も広く使用されている{{Sfn|ばね技術研究会（編）|1998|p=11}}。
*'''異形断面ばね'''：円形断面以外のばねの総称で、以下のような種類がある{{Sfn|ばね技術研究会（編）|1998|p=9}}。円形断面と比べると、いずれの種類も材料入手や製造が難しいという短所がある{{Sfn|蒲|2008|p=24}}。
**'''角ばね'''：素線断面が[[四角形]]のばね。'''長方形断面ばね'''とも呼ばれる{{Sfn|日本ばね学会（編）|2008|p=175}}。他の寸法を同じとしたら、円形断面よりもばね定数を大きくできる長所がある{{Sfn|小玉|1985|p=125}}。
**'''楕円断面ばね'''：素線断面が[[楕円]]形のばね。密着長さを小さくできるなどの長所がある{{Sfn|日本ばね学会（編）|2008|p=175}}。
**'''卵形断面ばね'''：素線断面が[[卵]]形のばね{{Sfn|JIS B 0103|2015|p=8}}。楕円断面と同じく、密着長さを小さくできるなどの長所がある<ref>{{Cite web|和書|url=http://www.mscspg.co.jp/egg_spring.html |title=卵型断面ばね |publisher=村田発條 |accessdate=2016-09-24}}</ref>。
**'''より線ばね'''：複数の小さな素線をより合わせて一つの素線にしたばね{{Sfn|JIS B 0103|2015|p=8}}。小さな素線同士が擦れることで摩擦力による[[減衰振動|減衰]]が起こる長所がある{{Sfn|日本ばね学会（編）|2008|p=176}}。

===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{{Sfn|日本ばね学会（編）|2008|p=8}}。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[[線型性|線形]]と、それ以外の関係である[[非線形]]に分けられる{{Sfn|門田|2006|p=166}}。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{{Sfn|ばね技術研究会（編）|1998|p=7}}。
*'''線形特性'''：等線径、等ピッチの円筒コイルばね{{Sfn|ばね技術研究会（編）|1998|p=7}}。ただし、このようなばねでも、荷重とたわみが厳密に直線関係となることはない。たわみが密着長さに到達する前からいくつかの素線が接触しだし、見かけ上の有効巻数が減ってくる。これによって実際の圧縮コイルばねでは、たわみが大きくなるほどばね定数もやや大きくなっていく{{Sfn|山田|2010|p=44}}。
*'''非線形特性'''：以下のようなものが挙げられる。いずれも形状変化によってコイル同士の接触を偏らせて起こし、荷重増加に伴って有効巻数を変化させて非線形特性を得ている{{Sfn|日本ばね学会（編）|2008|p=173}}。
**'''コイル径が変化するもの'''：等線径、等ピッチだが、コイル径が変化するばね。円すいコイルばね、たる形コイルばね、つづみ形コイルばね等がある{{Sfn|日本ばね学会（編）|2008|p=173}}。
**'''線径が変化するもの'''：等コイル径、等ピッチだが、線径が変化するばね。'''テーパばね'''と呼ばれる{{Sfn|ばね技術研究会（編）|1998|p=8}}。
**'''ピッチが変化するもの'''：等コイル径、等線径だが、ピッチが変化するばね。'''不等ピッチコイルばね'''と呼ばれる{{Sfn|ばね技術研究会（編）|1998|p=8}}。ピッチが小さい部分から先にコイル同士の接触が起こり、たわみが増すにつれて有効巻数が減少していく。これによって非線形な荷重特性となる{{Sfn|小玉|1985|p=121}}。

===全体形状による分類===
[[File:Ressorts de compression coniques.jpg|thumb|150px|円すいコイルばね]]
[[File:Bonnell-Federkern.jpg|thumb|100px|つづみ形コイルばね]]
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{{Sfn|日本ばね学会（編）|2008|pp=171&ndash;172}}。
*'''円筒コイルばね'''：最も一般的な形状で、[[円筒]]形状のもの{{Sfn|日本ばね学会（編）|2008|p=171}}。製造し易さ、吸収エネルギー効率のバランスの良さなど、長所がある{{Sfn|ばね技術研究会（編）|1998|p=8}}。
*'''円すいコイルばね'''：端から片端まで徐々にコイル径が小さくなっていく形状をした、[[円錐]]状のコイルばね{{Sfn|JIS B 0103|2015|pp=7, 35}}。コイル径が大きな側は大きくたわむので、先にこちらからコイルの接触が起こる。これによって荷重・たわみ線図が右肩上がりとなる特性を持つ{{Sfn|ばね技術研究会（編）|2001|p=12}}。
*'''たる形コイルばね'''：コイル径が不等で、ばねの両端付近のコイル径が小さくなっており、[[樽]]のような形をしたもの{{Sfn|JIS B 0103|2015|pp=7, 36}}。
*'''つづみ形コイルばね'''：コイル径が不等で、ばねの真ん中付近のコイル径が小さくなっており、[[鼓]]のような形をしたもの{{Sfn|ばね技術研究会（編）|2001|p=14}}。
*'''異形コイルばね'''：上記以外のもの。以下のような種類がある{{Sfn|日本ばね学会（編）|2008|p=172}}。
**'''片絞りコイルばね'''：ばねの片端側のコイル径が絞られた形状のもの
**'''だ円コイルばね'''：コイルが円ではなく[[楕円]]形に巻かれたもの
**'''アークコイルばね'''：コイル径は一定だが、コイル全体が[[円弧]]状に曲げられたもの

==特性==
===ばね定数===
[[File:Load and deflection of helical compression spring.svg|thumb|荷重 ''P'' とたわみ ''&delta;'' と自然長 ''L''<sub>0</sub>]]
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{{Sfn|門田|2006|p=174}}。
:<math>k=\frac{Gd^4}{8N_a D^3}</math>
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 ''&delta;'' の関係で表せば
:<math>P=\frac{Gd^4 \delta}{8N_a D^3}</math>
となる{{Sfn|日本機械学会（編）|2005|p=133}}。

===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{{Sfn|渡辺・武田|1989|p=13}}。
:<math>\tau=\kappa \frac{8 D P}{\pi d^3}</math>
''&kappa;'' 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{{Sfn|渡辺・武田|1989|p=13}}。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{{Sfn|JIS B 2704-1|2009|p=6}}。
:<math>\kappa=\frac{4c-1}{4c-4}+\frac{0.6115}{c}</math>

===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{{Sfn|村上|1994|p=128}}。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{{Sfn|日本ばね学会（編）|2008|212}}。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''<sub>0</sub>/''D'' が関連する{{Sfn|山田|2010|p=59}}。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{{Sfn|JIS B 2704-1|2009|p=8}}。

== 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{{Sfn|渡辺・武田|1989|p=11}}{{Sfn|日本機械学会（編）|2005|p=133}}。使われている分野は、[[自動車]]、[[鉄道車両]]、[[航空宇宙産業|航空宇宙]]、[[建設機械]]、一般機械、[[工作機械]]などから[[家庭用電気機械器具|家電]]や[[日用品]]までに至る{{Sfn|ばね技術研究会（編）|1998|p=13}}。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[[ポペットバルブ|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{{Sfn|日本ばね学会（編）|2008|p=171}}。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[[排気ガス|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{{Sfn|蒲|2008|p=126}}。

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<ref>{{Cite web|和書|date=2010-01-25 |url=https://xtech.nikkei.com/dm/article/HONSHI/20100125/179561/ |title=第17回　懸架用ばね |work=日経テクノロジーオンライン |publisher=日経BP |accessdate=2016-09-24}}</ref>。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{{Sfn|ばね技術研究会（編）|1998|p=89}}。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、[[鼓|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{{Sfn|小玉|1985|p=124}}。

<gallery caption="圧縮コイルばねの使用例" mode="packed" height="220">
File:Deuce front suspension detail.jpg|[[自動車]]のサスペンション
File:Printed Battery Box Part 5.JPG|[[乾電池]]ボックスの接点<br />（主に[[電極#電池|マイナス側]]）
File:Red clothes peg.jpg|[[洗濯ばさみ]]
File:Unit injector.jpg|[[エンジン]]の[[ポペットバルブ|バルブスプリング]]と[[噴射ポンプ#ユニットインジェクタ式|ユニットインジェクター]]
File:Brooks b73 hg.jpg|[[自転車]]のサドル
File:Unicomp space saver model m. with removed key 3864555240 9a2c6b95da o.jpg|[[キーボード (コンピュータ)|コンピュータのキーボード]]
File:JNR-DT21B-2.jpg|[[鉄道車両の台車]]（[[枕ばね]]や軸ばね）
File:Ropeway mounting march 2006.jpg|自動循環式<br />[[チェアリフト]]
File:PlaygroundSpringHorse.JPG|公園の[[スプリング遊具]]
File:Boxspring-corner Shifman.JPG|[[寝具]]のマットレス
File:Tip of a pen.JPG|[[ボールペン]]
File:Primitive station buffer, Cosme Velho, Trem do Corcovado.JPG|駅の[[車止め]]
File:London Millennium Bridge - Damper beneath deck, north side - 240404.jpg|橋の[[動吸振器|同調質量ダンパ]]
File:Yamaha XJ650 Shaft Drive.jpg|[[自動二輪車]]の[[サスペンション]]
</gallery>

==脚注==
{{Reflist|2}}

==参照文献 ==
* {{Cite book ja-jp
|editor=日本ばね学会
|title=ばね
|year=2008
|edition=第4版
|publisher=丸善出版
|isbn =978-4-621-07965-2
|ref={{Sfnref|日本ばね学会（編）|2008}}
}}
*{{cite book ja-jp 
|editor=ばね技術研究会
|title=ばねの種類と用途例
|series=ばね技術シリーズ
|publisher=日刊工業新聞社
|year=1998
|edition=初版
|isbn=4-526-04232-3
|ref={{Sfnref|ばね技術研究会（編）|1998}}
}}
*{{cite book ja-jp 
|editor=ばね技術研究会
|title=ばねの設計と製造・信頼性
|series=ばね技術シリーズ
|publisher=日刊工業新聞社
|year=2001
|edition=初版
|isbn=4-526-04705-8
|ref={{Sfnref|ばね技術研究会（編）|2001}}
}}
*{{cite book ja-jp 
|editor=日本機械学会
|title=機械工学便覧　デザイン編　''&beta;''4　機械要素・トライボロジー
|publisher=丸善
|year=2005
|edition=初版
|isbn=4-88898-129-9
|ref={{Sfnref|日本機械学会（編）|2005}}
}}
*{{cite book ja-jp 
|author=日本工業標準調査会 
|title=JIS B 0103 ばね用語
|year=2015
|ref={{Sfnref|JIS B 0103|2015}}
}}
*{{cite book ja-jp 
|author=日本工業標準調査会 
|title=JIS B 2704-1 コイルばね－第１部：圧縮及び引張コイルばね基本計算方法
|year=2009
|ref={{Sfnref|JIS B 2704-1|2009}}
}}
*{{cite book ja-jp 
|author=渡辺彬・武田定彦
|title=ばねの基礎（訂正版）
|series=基礎シリーズ(5)
|publisher=パワー社
|year=1989
|edition=訂正1版
|isbn=4-8277-1245-X
|ref={{Sfnref|渡辺・武田|1989}}
}}
*{{cite book ja-jp 
|author=蒲久男
|title=絵とき「ばね」基礎のきそ
|publisher=日刊工業新聞社
|year=2008
|edition=初版
|isbn=978-4-526-06112-7
|ref={{Sfnref|蒲|2008}}
}}
*{{cite book ja-jp 
|author=門田和雄
|title=絵とき「機械要素」基礎のきそ
|publisher=日刊工業新聞社
|year=2006
|edition=初版
|isbn=978-4-526-05655-0
|ref={{Sfnref|門田|2006}}
}}
*{{cite book ja-jp 
|author=小玉正雄
|title=ばねのおはなし
|series=おはなし科学・技術シリーズ
|publisher=日本規格協会
|year=1985
|edition=第1版
|isbn=4-542-90109-2
|ref={{Sfnref|小玉|1985}}
}}
*{{cite book ja-jp
|title = 材料力学
|series=機械工学入門講座1
|author = 村上敬宜
|publisher = 森北出版
|year = 1994
|edition=第1版
|isbn=4-627-60510-2
|ref={{Sfnref|村上|1994}}
}}
*{{cite book ja-jp 
|author=山田学
|title=めっちゃ、メカメカ! 2 ばねの設計と計算の作法―はじめてのコイルばね設計
|publisher=日刊工業新聞社
|year=2010
|edition=初版
|isbn=978-4-526-06578-1
|ref={{Sfnref|山田|2010}}
}}
*{{cite book
|title = Machinery's Handbook
|author=Erik Oberg, Franklin Jones, Holbrook Horton, Henry Ryffel, Christopher McCauley
|publisher = Industrial Press
|year = 2012
|edition=29
|isbn=978-0-8311-2900-2
|ref={{Sfnref|Oberg et al.|2012}}
}}

==外部リンク==
{{Commonscat}}
{{YouTube|yszBPX8ym4c|THE MAKING　（５８）ばね（自動車用）ができるまで }} - 科学技術振興機構

{{DEFAULTSORT:あつしゆくこいるはね}}
[[Category:ばね]]