スプリングの座屈: 圧縮スプリングが曲がる理由と使用初期にそれを止める方法

圧縮バネは、軸が荷重と一直線にならずに横に曲がると座屈します。何も亀裂はなく、ワイヤのサイズも小さくなく、短いサンプルで測定された速度は正確でした。バネが不安定になっただけで、一度曲がると、図面上のすべての数字が意味を失ってしまいます。

詳細の前に簡単な答えを示します。 スプリングの座屈は安定性の問題であり、強度の問題ではありません。 その大部分は 3 つの変数によって決まります。細長比 (自由長をコイルの平均直径で割ったもの)、両端がシートにどのように着座するか、そしてスプリングが吸収する必要がある移動量です。次に、製造管理は、紙上で安定しているスプリングがビン内でも安定しているかどうかを判断します。

スプリング座屈とは何か、そして何ではないのか

軸方向の荷重がかかったコイル スプリングは、部分的には円柱のように、部分的にはフレキシブル シャフトのように動作します。らせんは主にねじりで荷重を支えますが、曲げ剛性もあり、バネが圧縮されると曲げ剛性は低下します。中心を外れたシート、湾曲したワイヤ、またはわずかに先細になった端を通して、加えられた荷重がたとえ小さな横方向成分であっても発生すると、横方向のたわみは軸方向のたわみよりも早く大きくなります。それは、バネがバネであることをやめ、不安定な支柱になり始める瞬間です。

実稼働環境では、座屈が劇的な横方向のスナップとして現れることはほとんどありません。それは、ボアが擦れたり、コイルの片側に沿って光沢のある研磨バンドが摩耗したり、自由長が失われたり、予測されたレート計算よりも明らかに低い 80% のたわみで荷重を与えるスプリングとして現れます。

座屈、サージング、へたり、疲労は 4 つの異なる故障です

• 座屈は、静的または準静的な横方向の不安定性です。これは圧縮ストローク全体にわたって徐々に発生し、負荷レベルと形状に依存します。
• サージングは​​、コイルに沿って高速で伝わるダイナミックな波です。これは細さではなく周波数と質量分布によって決まり、完全に真っ直ぐなスプリングでも発生する可能性があります。
• 永久歪みは、ワイヤの弾性限界を超える応力によって引き起こされる自由長の損失です。スプリングは完全に真っ直ぐなままでありながら、高さが失われている可能性があります。
• 疲労とは、サイクルを繰り返した後に亀裂が発生することです。座屈は、設計がすでに負っているねじれ応力に加えて曲げ応力を追加するため、状況を悪化させます。

ほぼすべてを決定する 2 つの比率

世界中のばね設計の実践は、2 次元のない数値に基づいて行われます。 1つ目は LF/D 、自由長を平均コイル直径で割ったもの。 2つ目は たわみを自由長で割った値 、Lf の分数として書かれます。標準的な座屈曲線は、一方を他方に対してプロットしており、曲線の上のすべての点は、ばねが曲がることが予想されることを意味します。

スプリング設計文献で広く使用されているスクリーニング ルールは次のとおりです。 Lf/D が約 2.6 未満の圧縮スプリングは座屈しません。 圧縮の程度に関係なく。およそ 2.6 ～ 4 の間では、リスクは移動と終了条件によって異なり、4 を超える場合は、スプリングを後付けとしてではなく、設計の最初からガイド付きコンポーネントとして扱う必要があります。

終了条件は同等の列の有効長を変更するため、重要です。古典的なオイラー関係では、臨界荷重は次のように変化します。 1 を有効長係数 K の 2 乗で割った値 したがって、K を 1.0 から 0.5 に改善しても、座屈しきい値は 2 倍ではなく 4 倍になります。

「安全な」スプリングが依然として座屈する場合: 製造上のばらつき

平均的なスプリングを設計図で説明します。座屈に関する苦情は常に分布の末端から発生します。つまり、3 つまたは 4 つの小さな偏差が同じ方向に並んでいます。実際には、製造現場や顧客監査で発生する苦情のほとんどは、次の変動要因によって引き起こされます。

• 自由な長さの広がり。 圧縮バネの通常の製造バンドは、公称自由長の 1 ～ 2% であることがよくあります。バンドの短い端にあるスプリングは、中心からわずかにずれたシートと組み合わせると、設計図で臨界と呼ばれるたわみの約 60% で曲がり始める可能性があります。
• ワイヤーの真直性とキャスト。 残留曲率を持って到着したワイヤは、自由状態ですでに軸が曲がったコイルを生成します。バネが圧縮されても弓は消えるのではなく、単に方向を選択するだけです。
• ピッチの均一性。 アクティブなコイル全体のピッチが数十分の 1 ミリメートル変化するということは、一部のコイルが他のコイルよりも先に固体に近づくことを意味します。これらの閉じたコイルは横方向のヒンジとして機能し、座屈閾値が急激に低下します。
• コイル径のドリフト。 平均直径が長さに沿って変化すると、局所的な速度が変化し、ばねは不均一に圧縮されます。硬いセクションはたわみを少なくし、柔らかいセクションはボーイングを行います。

サーボ制御のコイリングはこれに直接対処します。プログラム可能なピッチ、閉ループ外径補正、および一貫したワイヤ送給圧力により、自由長、ピッチ、直径がタイトなバンド内に保持されます。これは、生産全体を座屈曲線から回避するための最も安価な方法です。

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このクラスの装置では、ワイヤの送り、ピッチおよび直径の修正は機械式カムではなく制御システムによって処理されるため、ワイヤのロットの変更が自動的にスプリングの形状の変更を意味するわけではありません。かろうじて安定しているばねの場合、その再現性が最初の製品の合格と不合格の分かれ目となることがよくあります。

端部の直角度と研削: 最も安価な座屈修正

ここでの計算は単純なので、ワイヤ サイズを変更する前に実行する価値があります。 自由長 100 mm のばねの端面を 3 度傾けると、遠端は軸から約 5.2 mm 外れます。 3 度のタンジェントはおよそ 0.052 であるためです。これだけの偏心量は、最初の圧縮ストロークで座屈曲線を超える境界線のスプリングを押すのに十分です。

適切な研削方法は、ワイヤ直径の少なくとも 4 分の 3 にわたって平坦な接触面を形成し、2 つの端面がワイヤ直径のわずかな部分内で平行になるようにすることを目的としています。研削作業では、ワイヤー端の過熱も避ける必要があります。研削焼けは、麦わら色または青い焼き戻し色として見え、スプリングの端、まさにコラム荷重がかかる場所に局所的に柔らかいヒンジを残します。

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制御された送り速度と研削圧力を備えた自動エンドグラインダーにより、オペレータの変動を排除します。端面が不均一に研磨されている場合、下流の検査で失われた直角度は回復せず、設計上の問題と思われる症状でばねは不合格になり続けます。

焼き戻し、残留応力、および曲がるべきでないときにスプリングが曲がる理由

冷間巻き圧縮スプリングには、コイリング操作により大きな残留応力がかかります。応力緩和サイクルがないと、負荷がかかるとこれらの応力がゆっくりと緩和され、ばねの自由長と真直度の両方が失われます。冷間巻き炭素鋼スプリングは通常、200 ～ 300℃ の範囲で 30 ～ 60 分間応力が解放されますが、正確な範囲はワイヤのグレードと設計で許容される応力レベルによって異なります。

座屈に関して重要な炉の詳細は、ピーク温度ではなく均一性です。負荷の片側が低温ゾーンにある場合、コイルの片側が軽減する応力はもう一方の側よりも少なく、スプリングはすでに湾曲した状態で炉から出ます。数℃以内の作業ゾーンの均一性が、ストレートスプリングをサポートする炉と静かにスクラップを生成する炉を分けるものです。

熱間で巻かれたスプリングは、はるかに高い温度でオーステナイト化、焼き入れ、焼き戻しという順序で行われる異なるルートを通過します。ここで、不均一な焼き入れにより反りが生じ、いくら端部を研削しても修正できません。これは、曲率がスプリングの端部にあるのではなく、スプリングの本体全体を通っているためです。

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どのような炉設計が使用される場合でも、実際のテストは簡単です。バッチを実行し、ストレート ラック内で冷却し、定盤上で軸の反りを測定します。反りがコイル内の位置ではなく炉内の位置と相関している場合は、コイリングマシンではなく熱処理が問題となります。

座屈閾値を上げるレバーの設計

現場ですでにバネが座屈している場合、これらは実際に結果を変えるレバーであり、おおよその実装コストの順に使用されます。

1. スプリングをガイドします。 ボア内のロッドまたは外径上のスリーブにより、湾曲の自由が失われます。一般的な工場の慣例では、ガイド ロッドのサイズは最小内径の約 90 パーセント、ボアのサイズは最大外径の約 110 パーセントです。クリアランスが少なすぎると、スプリングがガイドに引っかかります。あまりにも多すぎると、スプリングがすでに数ミリメートル曲がるまでガイドは何もしません。
2. 自由長を短くしてください。 Lf/D を減らすのが最も直接的な解決策ですが、通常は同じレートでより多くのコイルが必要となるため、ソリッドの高さが大きくなります。完全圧縮時にスプリングにまだ移動量の余裕があることを確認してください。
3. 予圧を追加し、作動距離を減らします。 圧縮された長さでスプリングを取り付けると、使用中にスプリングが吸収しなければならないたわみの割合が減少し、動作点が座屈曲線上で左下に移動します。
4. 終了状態を改善します。 平らな平行シート上の接地された閉じた端は、K を 0.5 に向かって動かします。これはスプリングの変更ではなくシートの再設計であることが多く、通常は最も低コストの改善となります。
5. ネストされたスプリングを使用します。 細さの小さい 2 つの同心スプリングが荷重を分担します。それぞれが個別に座屈曲線から離れた位置にあり、一方が曲がった場合でも、もう一方はアセンブリの中心を維持します。
6. ワイヤグレードを変更する前に材料係数を確認してください。 ミュージック ワイヤーからクロム シリコンに至るまで、一般的なばね鋼はすべて、およそ 200 ～ 210 GPa です。より高い引張等級に移行すると、許容応力は増加しますが、座屈に対しては何の効果もありません。チタンは約 110 GPa で座屈を悪化させます。グレードの選択がジオメトリとどのように相互作用するかについて詳しくは、このガイドを参照してください。 ばね機械のばね材料の選択 .
7. スプリングだけでなくシートも点検してください。 磨耗または変形したポケットは、誰もスプリングの図面に触れずに、K 0.5 のスプリングを有効 K 1.5 に変えることができます。

お客様が座屈を起こす前に座屈を発見する方法

座屈は苦情になるずっと前に証拠を残します。基本的な受信検査ルーチンでほとんどの情報を検出できます。

• 1点ではなく4点で荷重をかけてください。 最大作動たわみの 25、50、75、および 100% でテストします。より高い点の荷重が最初の 2 つの点からの直線投影を下回る場合、エネルギーは横方向に流れて反りを生じます。
• 戻りストロークに注目してください。 座屈したスプリングにはヒステリシスが見られます。つまり、ガイドまたはボアに対する摩擦が作用するため、戻る方向の荷重は、同じたわみで戻る方向の荷重よりも低くなります。
• ポーランド製のバンドを探してください。 コイルの片側に沿った明るい摩耗縞、またはガイド ロッドの鏡面仕上げは、横方向の接触の直接の証拠です。
• 直角度を確認します。 スプリングを定盤の上に直角に立てて、コイル上部の軸と基準との隙間を測定します。
• 完全な圧縮サイクルの後、自由長を再測定します。 1 サイクル後に 1 ～ 3 ミリメートルの永続的な横方向の歪みは、スプリングが座屈閾値に近づきすぎて動作していることを示す強力な指標です。
• 定盤の上でスプリングを転がします。 スムーズに転がらずにぐらつくばねは曲がっており、曲がったばねはすでに座屈に向かう途中で耐用年数が始まります。

座屈に最も費用がかかる場所

座屈が単一部品の問題であることはほとんどありません。これはシステムの問題であり、アセンブリ内での横方向の動きに対する許容度が最も低い業界が最初にそれを感じます。

車のサスペンションやシートの用途では、シート内で曲がるスプリングによりホイールレートが変化し、シートの絶縁体が摩耗し、顧客がすぐに報告する騒音が発生します。で 自動車用ばね製造 、コイル直径の一貫性と端の直角度は、まさにこの理由から機能要件として扱われます。動弁装置のスプリングは狭いボア内で動作し、横方向の接触がリテーナーとヘッドの摩耗につながります。航空宇宙および医療のアセンブリでは、限られた穴内で細長いスプリングが使用されることが多いため、設計者はテストの不合格を待つのではなく、最初のスケッチからガイドを作成します。テレコムおよびコネクタのスプリングは十分に短いため、座屈が問題になることはほとんどありませんが、座屈を防ぐ同じピッチと端の品質管理により、接触力の一貫性も保護されます。

商業的なポイントはシンプルです。座屈不良は通常、組み立て時または納品後に見つかります。つまり、再加工、分類、設計のレビューが必要になります。 3 つとも、機械の状態を解消するためのコイル ワイヤの実行よりもはるかに高いコストがかかります。

ばねの座屈に関するよくある質問

圧縮バネはどの細さ比で座屈し始めますか?

広く使用されているスクリーニング値は、Lf 対 D 比約 2.6 です。それ以下では、座屈は実際的な問題として扱われません。おおよそ 4 を超えると、スプリングをガイドするか、設計をやり直す必要があります。これら 2 つの数値の間で、答えは使用する自由長の量と最終条件によって異なります。

座屈は最大圧縮時にのみ発生しますか?

いいえ。座屈のしきい値は通常、計算された臨界たわみの 60 ～ 80% で到達し、ばねはストロークの後半にわたって曲がった状態になる可能性があります。スプリングが作業高さでの一点荷重テストに合格しても、使用中に失敗する可能性があるのはこのためです。

接地端だけで座屈を防ぐことができますか?

接地端は偏心を低減し、有効長係数を 0.5 に近づけるため、しきい値が大幅に上昇する可能性があります。本物の細いスプリングのガイドを置き換えるものではありません。研削により負荷の導入が修正されます。バネ自体が直径に比べて長すぎるという事実は変わりません。

より高い張力のワイヤーに切り替えると座屈は止まりますか?

ほとんどありません。座屈は形状と弾性率に依存し、一般的なばね鋼の弾性率は 200 ～ 210 GPa の数パーセント以内です。グレードが高くなると、ワイヤーが耐えられる応力が高くなりますが、これは疲労とセットの問題であり、安定性の問題ではありません。

ストレス解消は本当に直進性に影響するのでしょうか？

それは実際に行われており、その効果は測定可能です。応力が適切に解放されていない冷間巻きスプリングは、負荷がかかると不均一に緩和し、最も高い残留応力がかかるコイル側で緩和する傾向があります。その結果、最初の数百サイクルで弓が成長します。

ガイドロッドが常に答えとなるのでしょうか?

これは最も信頼性の高い単一の測定方法ですが、摩擦、磨耗片、隙間が機能するには十分にタイトである必要がありながら、焼き付きを避けるために十分に緩い必要があるなど、独自の問題を引き起こします。ガイドが不可能な場合は、入れ子状のスプリング、または移動量を減らした短くて硬い設計を使用すると、通常、全体的な結果が向上します。

バックリングとサージングは​​どう違うのですか?

座屈は、荷重と細さによって引き起こされる静的な横方向の不安定性です。サージングは​​励起周波数によって引き起こされる動的現象であり、短くてしゃがんだスプリングは、座屈に近づくことはなくても、激しくサージングすることがあります。修正には関連性がないため、修正措置の前に診断を行う必要があります。

バネの座屈は予測可能であり、それは良い知らせです。細長比を計算し、有効終了条件を決定し、業界の座屈曲線に対して操作点をプロットしてから、プロセスが実際に計算で想定した形状を保持できるかどうかを確認します。ほとんどの場合、修正方法は、短いスプリング、接地端、適切なサイズのガイド、またはバッチごとに真直度を維持するコイリングと熱処理プロセスです。

最初に数値を実行し、次にシートを検査し、それからスプリングを交換します。この注文により、時間と配線が最も節約されます。