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ばねについて

「特質と機能」     「ばねの種類と特徴」     「ばね材料」     「ばね用語と記号(JIS B0103)」
「ばね設計上の注意」     「生産性と公差」     「圧縮コイルばねの許容差」     「引張コイルばねの許容差」
「表面処理」     「関連JIS規格（参考）」

「特質と機能」

　一般に機械部品、機械、構造物は弾性変形が出来るだけ少ないことが望ましい。弾性変形が出来るだけ少ない方がよいということは、理想としては変形が全くないものが好ましいということになる。しかし、この理想は力学でことがらを単純にするために物体を剛体と仮想する場合に概念的に存在するだけで、実際にはあり得ない。従ってこのような場合には、弾性変形はやむを得ないものとして取扱い、変形によって生ずる弊害を出来るだけ少なくするのが普通である。これに反して、弾性を出来るだけ利用するものがある。昔から弓や釣り竿、近代における棒高跳びの棒などその例であり、文明の進歩とともに弾性を利用したものへの要求が強まり、「ばね」という独特の機械要素が発達
してきた。　

【ばねとは（ＪＩＳ）】

　　「物体の弾性、または、変形によるエネルギーの蓄積などを利用することを主目的とする機械要素」

【ばねの三大特性】

　○たわむ・復元する
　○エネルギー（力）を蓄える
　○固有の振動数を持つ

【ばねの機能と用途】

　a)力を除くと自らもとにもどる機能 　弁ばね、定荷重ばね、圧力計
　b)振動の絶縁、または利用の機能 　　懸架ばね、防振ばね
　c)衝撃の緩和の機能 　　　　　　　　連結機・昇降機の緩衝ばね
　d)エネルギー貯蔵の機能 　　　　　　時計のぜんまい、モーターばね
　e)力の計測の機能　　　　　　　　　 はかり、圧力計

　以上はばねを利用することによって目的を果たすことが出来る。中でも金属ばねは、材料自身の弾性ひずみを極度に利用することによって、これらの機能を果たすようコンパクトに設計された機械部品である。

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「ばねの種類と特徴」

　ばねは、荷重による変位を多くするために、材料に曲げモーメントやねじりモーメントを受けやすく工夫されたものが多い。しかも機械部品として、占める空間を出来るだけ小さくするために、すなわち限られた材料で多くの弾性ひずみエネルギを蓄え、これらのモーメントを受ける材料各部の応力分布が一様になるように設計されるのが普通である。　よってばね材料に生ずる応力は、ほぼ一様な曲げ応力やねじり応力となるものが多い。

材料の受ける応力の状態	ば　ね　の　種　類
曲げ応力を生じるもの	重ね板ばね，薄板ばね，ねじりコイルばね，渦巻ばね，ぜんまいばね，歯付座金，波板座金（ウェーブスプリング）
ねじり応力を生じるもの	圧縮コイルばね，引張コイルばね，トーションバー，竹の子ばね，ばね座金
引張・圧縮応力を生じるもの	輪ばね，さらばね
組合せ応力を生じるもの	ガータースプリング，ジグザグばね，横荷重を受けるコイルばね

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「ばね材料」

【ばね材料として必要なこと】
　a)弾性限の高いこと、すなわち引張り強さが大きいこと。
　b)大部分のばねは、繰り返し荷重がかかるので寿命の上から耐疲労性がよいこと。（表面状態がよいこと）
　c)ばねの荷重の関係が、設計と一致することのために寸法精度が優れていること。

　このほかに使用環境によっては、耐食性（ステンレス鋼、銅合金）、耐熱性（ステンレス鋼、インコネルＸ）、導電性（銅合金）などの特殊要求が加わる。また全般的には、材料の信頼性と加工性（特に冷間成形のばねの加工性）の見地から材料の均一性が重要となってくる。

【ばね材料の強さと硬さ】
　ばね材料の弾性ひずみエネルギーを極度に利用するには、一義的には弾性限または降伏点の高い材料が好ましい。しかし弾性限、降伏点は測定上問題が生ずるので、一般的にはこれらの値と比例的な関係にある引張強さをもとにして、材料の適正を判断し、かつ、ばねの設計上の静的最大応力を判定する。硬さは、冷間成形材料では測定が面倒なため規定されていないが、焼入・焼戻しが施されるばねでは、引張強さと比例関係にある範囲内を限度に、ほぼＨＲＣ４０〜５０を常用している。

【ばね材料に強さを与える処理】
　a)焼入れ・焼戻し処理
　　ばね鋼、オイルテンパー線、ばね用炭素鋼帯、マルテンサイト系ステンレス鋼
　b)恒温変態処理
　　ベイナイト鋼帯、薄板ばねのベイナイト処理（オーステンパー）
　c)加工硬化処理（低温焼鈍型）
　　ピアノ線、硬鋼線、りん青銅、18-8ステンレス鋼
　d)析出硬化処理
　　ベリリウム銅、17-7PHステンレス鋼、インコネルＸ

【ばね用材料の種類】

冷間加工線	炭素鋼線	ピアノ線 弁ばね用ピアノ線 硬鋼線	SWP-A，B SWP-V SW C,B
	合金鋼線	ばね用ステンレス鋼線	SUS302-WPB,A SUS304-WPB,A SUS316-WPA SUS631J1-WPC
熱処理線	炭素鋼線	ばね用炭素鋼 オイルテンパー線 弁ばね用炭素鋼 オイルテンパー線	SWO-B,A SWO-V
	合金鋼線	弁ばね用オイルテンパー線 　　　　　　クロムバナジウム鋼 　　　　　　シリコンクロム鋼 　　　　　　シリコンマンガン鋼 ばね鋼	SWOCV-V SWOSC-V,B SWOSM-B,C,A SUP 6 〜 13
銅合金線（ばね用）		りん青銅線 ベリリウム銅線 洋白線	C5191W,5212W C1720W C7451W,7521W 7541W,7701W
ばね用板材料	炭素鋼帯	ばね用冷間圧延鋼帯 　　　　　　焼きなまし 　　　　　　冷間圧延 　　　　　　焼入焼戻し 　　　　　　オーステンパー	SK5 -CSPA SK5 -CSPR SK5 -CSPH S60C-CSPB
	合金鋼鋼帯	ばね用ステンレス鋼帯	SUS301,304,631-CSP
	銅合金帯	ばね用 　　　　　　りん青銅板及び条 　　　　　　ベリリウム銅板及び条 　　　　　　洋白板及び条	C5210P,R C1700,1720P,R C7701P,R

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「ばね用語と記号(JIS B0103)」

　線状の材料を用いた各種形状のばねや製品の総称。材料そのものが持つ弾性を利用しており、身近なところではホースクランプやファスナー類、ゼムクリップもこの一種といえます。

用　語	記号	単　位	定　義
線　径 平均径 内　径 外　径 有効巻数 総巻数 座　巻 巻方向　 自由高さ 密着高さ ばね指数 ばね定数 軸荷重 ピッチ 横弾性係数 未修正応力 修正応力 応力修正係数 初張力 たわみ へたり 縦横比	ｄ Ｄ Ｄｉ Ｄｏ Ｎａ ＮＴ Ｈ Ｈｓ Ｃ ｋ Ｐ ｐ Ｇ τ0 τ κ Ｐi δ ｅ H/D	mm mm mm mm ───── ───── ───── ───── mm mm ───── N/mm {kgf/mm} N{kgf} mm N/mm2{kgf/mm2} N/mm2{kgf/mm2} N/mm2{kgf/mm2} ───── N{kgf} mm mm ─────	材料の直径 ばねの計算に使用する直径 内径と外径の平均 コイルの内径（ＩＤ） コイルの外径（ＯＤ） ばね定数を計算するとき基礎になる巻数 　一般に（ＮＴ−２） ばねの端から端までの巻数（ＴＣ） 圧縮ばねにおいて見かけ上、ばねに作用 しない部分の巻数 時計方向→右巻、反時計方向→左巻 無負荷時のばねの高さ（自由長） 圧縮ばねの互いにとなりあうコイルが 密着したときの高さ（長さ） コイル平均径と線径との比（Ｄ／ｄ） ばねに単位たわみを与えるのに必要な荷重 ばねに負荷される外力 線の中心から中心まで ねじり応力（応力：外力に抵抗して 　　　　　　ばね内部に生じる内力） τ＝κ×τ0 ワールの応力修正係数 引張ばねにおいて無負荷時に働いている力 負荷によるばねの荷重方向の変位 疲れ、または許容応力以上の応力によ って生じたばねの永久変形 圧縮ばねの自由高さと平均径との比

【弾性係数（横弾性係数：Ｇ，縦弾性係数：Ｅ）】

材　　料		Ｇ N/mm2{kgf/mm2}	Ｅ N/mm2{kgf/mm2}
ばね鋼鋼材		78,500 {8000}	206,000 {21000}
硬 鋼 線		78,500 {8000}	206,000 {21000}
ピアノ線		78,500 {8000}	206,000 {21000}
オイルテンパー線		78,500 {8000}	206,000 {21000}
ステンレス鋼線	SUS302	68,500 {7000}	186,000 {19000}
	SUS304
	SUS316
	SUS631J1	73,500 {7500}	196,000 {20000}
黄 銅 線		39,000 {4000}	98,000 {10000}
洋 白 線		39,000 {4000}	108,000 {11000}
りん青銅線		42,000 {4300}	98,000 {10000}
ベリリウム銅線		44,000 {4500}	127,000 {13000}

【各材料の耐熱性】

　ばねによっては、ある程度の高温で使用されるものがある。一般的にばね材料は温度上昇とともにいろいろの機械的性質が減少するが、ある温度以上で急激にそのばね特性が減少する。材料の化学成分、製造方法によってその低下する温度は異なる。普通使用可能な温度範囲を下表に示す。

材　　　　料	作用温度限界（℃）
ピアノ線・硬鋼線	１００
炭素鋼オイルテンパー線	１２０
Cr-V 鋼オイルテンパー線	２００
Si-Cr鋼オイルテンパー線	２３０
18-8ステンレス鋼線	２６０
17-7PHステンレス鋼線	３５０
インコネルX750 SPRING TEMPER	４４０
インコネルX750 ��1 TEMPER	５４０
インコネル718	６００

注）65kgf/mm2の締付応力で0.1%の残留せん断ひずみを目安

【ばねの計算基礎式（JIS B2704：圧縮及び引張コイルばね−設計基準）】

　　計算適用範囲　：　Ｃ≧4，ｐ≦0.5Ｄ，Ｎａ≧4

　　　a)圧縮ばね及び初張力のない引張りばねの場合

　　　　　　 　Ｐ 　　　Ｇｄ4
　　　　ｋ ＝ ── ＝ ───── 　，　Ｐ＝ｋδ
　　　　　　　 δ 　　 ８ＮａＤ3

　　　　　　　　　　　　　　　 ８ＤＰ
　　　　τ ＝ κτ0 ， τ0 ＝ ────
　　　　　　　　　　　　　　　 πｄ3

　　　　　　　４Ｃ−１ 　 　０.６１５
　　　 κ ＝ ───── ＋ ──────
　　　　　　　４Ｃ−４ 　　　　Ｃ

　　　b)初張力のある引張りばねの場合
　　　　　　　　　　　　　　　　　 πｄ3
　　　　Ｐ ＝ ｋδ＋Ｐｉ ， Ｐｉ＝ ───τｉ
　　　　　　　　　　　　　　　　 　 　　　　　　　　 ８Ｄ
　　　　　　　　　Ｇ
　　　　τｉ＝─────
　　　　　　　 １２０Ｃ

注）本計算式による初張力は、低温焼鈍前の値であり低温焼鈍により鋼線で約30%、ステンレス線で20%減少するの　　で注意が必要である。

「ばね設計上の注意」

【ばねとスペース】
　このテキストは、既に設計されたばねの仕様検討及び限られたスペース（取付条件）の中で設計される場合に使いやすいように書いた、いわゆる初心者が「ばね」を理解するためのものである。
　一般にばねは機械設計の順序から、単一部品と考えられ、周囲のスペースが決められてから、その限られた範囲の中で設計されることが多く、とかく無理な設計に陥りやすい。機能を十分にかつ寿命を保証しなくてはならないときには、部屋を造ってしまってから中身を考えるのではなく、中身にあった部屋を造るよう心がけることが必要となる。

【基本的な「ばね」設計順序】
　　1)ばねの種類
　　　用途目的にあったばねを選ぶ
　　　　荷重方向：垂直，横，回転
　　　　荷重特性：直線，曲線，定荷重
　　　　荷重形態：静的，動的（繰返し），衝撃
　　2)ばねの材質を決める
　　　使用環境，温度，腐食，摩耗，表面処理
　　3)寿命を検討する
　　　時間強度，疲労限度
　　4)寸法を決める
　　5)質量，コストを検討する
　　6)取付スペースを決める
　　7)量産時の生産性、許容差を検討する
　　8)その他

【応力修正係数】
　圧縮コイルばねの基本式は、ｃ≧４及びｐ≦Ｄ／２（後述）を満足する場合に適用し、それ以外については別途厳密な計算をする必要がある。またワールの応力修正係数は、ばね指数ｃの関数で純粋なねじりが加わると仮定して導いた τ０をコイルの曲率の影響と直接せん断力効果を含めて導き出すと、最大応力はコイルの内径側に生ずることになり、これを修正するためのものである。同様な応力修正係数は他にもレーバー、ウッド、ゲーナー等の諸式があるが、ＪＩＳはワールの式を採用している。

【端部の形状（各端部の特徴）】
　　1)クローズドエンド（無研削）
　　　安価にしたいときに用いられ、特に線径が細く、ばね指数が大きいときはこの形状が一般的である。
　　2)クローズドエンド（研削）
　　　最も多く使用されている。ばねの倒れが少なく、品質上バラツキが少なくかつ密着高さを低くとることができ　　　る。しかし、4)オープンエンド（研削）と同様に線径が細いとき、研削することにより端部の形状が変形しや　　　すいのでばね指数によっても異なるが、線径がφ0.5 以下のものに対しては、端面研削をしない方向にもって　　　いくのが望ましい。
　　3)ピッグテールエンド
　　　ばねの取付上やむを得ないとき以外は、コスト面からも出来るだけ避けるべきである。
　　4)オープンエンド（研削）
　　　2)のクローズドエンド研削と比較すると、より密着高さは低くできるが品質上ばらつきやすい点がある。
　　5)オープンエンド（無研削）
　　6)タンジェントテールエンド
　　　5,6)ともに特殊な使用のとき用いられ、一般的ではない。
　　　一般的に端部を研削する場合、先端厚さは 0.25dを狙うが、線径の細いときや激しい衝撃を受けるものは厚く　　　する必要がある。　

【有効巻数】
　圧縮コイルばねでは、すべての部分を等ピッチに巻くようなことはなく、座巻部から正規のピッチを備えた部分に至る間でピッチ角が０から連続的に変化している。このため、ばねに荷重（たわみ）を加えていくと座巻に近い部分のコイルは互いに接触をはじめる。従って、荷重とたわみの比例関係が成立するのは、荷重（たわみ）をある程度加えてからである。ばねはさらに圧縮し続け、密着近くまでくると急激にばね定数が増加する。これはピッチ角が不同のため、有効コイル中のコイルが互いに接触をはじめ、有効コイル長（有効巻数）が減少するためである。
　特に有効巻数が少ない（Ｎ≦３）のときは、逆に有効巻数が増加すると同じようにばね定数が小さくなることがあるので注意が必要である。　

【座屈（縦横比：H/D）】
　細長い柱に軸荷重を加えていくと、突然柱が横に曲がりはじめる現象を座屈といい、圧縮コイルばねにおいても自由高さがコイル平均径に比べて大きい（縦横　比が大きい）ときは注意を要する。
　一般的な両端支持方法（両端が平面で挟まれている）では、縦横比:H/Dは４以下程度までとされている。また、それ以上のときには、内径側か外径側に案内を入れて使用する。

【ばね指数（c=D/d）】
　コイルばねを成形するとき、ｃ≦４になると材料より内径に入れる芯金が細くなり成形が困難になる。また自動機で成形するときもツールが破損しやすく、コストが上がってくる。中でも焼入れ線（オイルテンバー線：SWOXX など）では、材料の伸び（じん性）が少ないため、外径側にマイクロクラックが入りやすくなるため、ｃ≧５が望ましいとされている。
　一方ｃ≧１５を超えると、座巻が不安定となりコイル部から外れやすくなり、成形時ばかりか使用時の品質も問題が出やすい。特性を重視するところでは、ｃを４以上１０以下が望ましいと規制している。

【ピッチ（p≦0.5D）】
　これまで述べてきた基本式は、ばねの形状、すなわちピッチ角やコイル径が荷重を加えても変化しないという前提で成立している。その限界（無視できる）がp≦0.5Dであり、無荷重時のピッチ角が大きく、一巻当たりのたわみ量が大きいばね、たとえばピッチ角≒２０°で、一巻当たりのたわみが無荷重時のコイル半径に等しいようなばねでは、たわみ量の差は15%近くにも達する。

「生産性と公差」

公差（許容差）は、ＪＩＳ規格に規定されている。
この規格（JIS B2707 冷間成形圧縮コイルばね）には各項目に１，２，３級の等級が設けてある。設計時、厳しい公差をつけることにより、優良なばねが得られると誤解されがちであるが、ばねの機能、取付状態を考え、必要な部分にのみ最小限の公差を指定して、極力ムダを省くようにするべきである。

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「圧縮コイルばねの許容差」JIS B2707「冷間成形圧縮コイルばね」抜粋

（１）指定高さ時の荷重の許容差

等　級		1級	2級	3級
有効巻数	3以上10以下	±5%	±10%	±15%
	10を超えるもの	±4%	±8%	±12%

（２）ばね定数の許容差

等　級		1級	2級	3級
有効巻数	3以上10以下	±5%	±10%	±15%
	10を超えるもの	±4%	±8%	±12%

（３）自由高さの許容差

等　級		1級	2級	3級
D/d	4以上　　 8以下	±1.0％,±0.2�o	±2.0％,±0.5�o	±3.0％,±0.7�o
	8を超え　15以下	±1.5％,±0.5�o	±3.0％,±0.7�o	±4.0％,±0.8�o
	15を超え 22以下	±2.0％,±0.6�o	±4.0％,±0.8�o	±6.0％,±1.0�o

（４）コイル直径の許容差 　　　　　

等　級		1級	2級	3級
D/d	4以上　　 8以下	±1.0％,±0.2�o	±2.0％,±0.5�o	±3.0％,±0.7�o
	8を超え　15以下	±1.5％,±0.5�o	±3.0％,±0.7�o	±4.0％,±0.8�o
	15を超え 22以下	±2.0％,±0.6�o	±4.0％,±0.8�o	±6.0％,±1.0�o

（５）コイル外側面の傾きの許容限度

等　級	1級	2級	3級
コイル外側面の傾き(e)	0.02Hf（1.15°)	0.05Hf（2.9°)	0.08Hf（4.6°)

（６）最大試験荷重時の表面応力

材　料	硬鋼線 ピアノ線	オイルテンパー線	ステンレス鋼線	黄銅線	洋白線 りん青銅線 ベリリウム銅
ばねの表面応力 N/�o2｛�sf/�o2｝	引張強さ×0.5	引張強さ×0.55	引張強さ×0.4	引張強さ×0.35	引張強さ×0.4

「引張コイルばねの許容差」JIS B2707「冷間成形圧縮コイルばね」抜粋

（１）指定長さ時の荷重の許容差
有効巻数が３以上のばねにおける指定長さ時の荷重の許容差は、次による。
　　　±［初張力×α＋（指定長さ時の荷重−初張力）×β］　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　ここに、α：初張力のばらつき（αによる。）β：たわみに対する荷重のばらつき（βによる。）　
αの値

等級	1級	2級	3級
α	0.10	0.15	0.20

βの値

等　級		1級	2級	3級
有効巻数	3以上10以下	0.05	0.10	0.15
	10を超えるもの	0.04	0.08	0.12

（２）ばね定数の許容差

等　級		1級	2級	3級
有効巻数	3以上10以下	±5%	±10%	±15%
	10を超えるもの	±4%	±8%	±12%

（３）自由長さの許容差

等　級		1級	2級	3級
D/d	4以上　　 8以下	±1.0％,±0.2�o	±2.0％,±0.5�o	±3.0％,±0.7�o
	8を超え　15以下	±1.5％,±0.5�o	±3.0％,±0.7�o	±4.0％,±0.8�o
	15を超え 22以下	±2.0％,±0.6�o	±4.0％,±0.8�o	±6.0％,±1.0�o

（４）コイルの直径許容差

等　級		1級	2級	3級
D/d	4以上　　 8以下	±1.0％,±0.15�o	±1.5％,±0.20�o	±2.5％,±0.40�o
	8を超え　15以下	±1.5％,±0.20�o	±2.0％,±0.30�o	±3.0％,±0.50�o
	15を超え 22以下	±2.0％,±0.30�o	±3.0％,±0.50�o	±4.0％,±0.70�o

「表面処理」

【よく使われる表面処理】

	俗　称	後　処　理	色	特　徴
電気亜鉛めっき	亜鉛のどぶづけ	なし	鉛色	廉価
	亜鉛クロメート	有色クロメート処理 ３価のクロム酸とH2SO4の混合液に 数秒浸漬	黄緑	耐食性良 耐熱性弱 (150℃)
	黒亜鉛	黒色クロメート処理 有色クロメート処理後 　　　　　　AgNO3で焼付（浸漬）	黒	耐食性良 耐摩耗性劣 装飾品向
	電着塗装	カチオン電着塗装 低濃度で水溶性の電着塗料中に、被塗物を浸漬	黒	廉価  耐食性良
化成処理	黒染め	アルカリ性着色法 140℃水酸化ナトリウムを煮沸 表面にFe3O4を結晶させる	黒	廉価 耐摩耗性劣 油塗布要
	パーカー ライジング処理	りん酸塩皮膜処理 90℃のりん酸塩水溶液を煮沸し金属酸化皮膜を結晶させる	薄黒	耐摩耗性良 油塗布要
	ダクロダイズド 　　　　　処理	亜鉛を３価のクロム（300℃）で結合させ、表面に被膜させたもの	鉛色	コスト高 美観良 耐摩耗性良
	カニゼンメッキ	無電解ニッケル  表面にニッケル・リン合金のコーティングを被膜させたもの		耐食性良 耐摩耗性良 密着性良

「関連JIS規格（参考）」

ばね
　 　JIS B 0004　　ばね製図
　　　　 B 0103　　ばね用語　
　　　 　B 2702　　熱間成形コイルばね
　　　　 B 2704　　圧縮及び引張コイルばね設計基準
　　　　 B 2706　　さらばね
　　　　 B 2707　　冷間成形圧縮コイルばね
　　 　　B 2708　　冷間成形引張コイルばね
　　　　 B 2709　　ねじりコイルばね設計基準

　ばね材料
　　 JIS G 3511　　みがき特殊帯鋼 S,SK,SCM,SUP
　　　　 G 3502 　 ピアノ線材 SWRS
　　　　 G 3506　　硬鋼線材 SWRH
　　　　 G 3521　　硬鋼線 SW
　　　　 G 3522 　 ピアノ線 SWP
　　　　 G 3560 　 ばね用オイルテンパー線 SWO,SWOSC,SWOSM
　　　　 G 3561　　弁ばね用オイルテンパー線 SWO,SWOCV,SWOSC
　　　　 G 4313　　ばね用ステンレス鋼帯　 SUS-CSP
　　　　 G 4314　　ばね用ステンレス鋼線 SUS-WP
　　　　 G 4801　　ばね鋼鋼材 SUP
　　　　 G 4802　　ばね用冷間圧延鋼帯 SXXC-CSP,SKX-CSP,SUPXX-CSP

　　　　 H 3130　　ばね用ベリリウム銅，りん青銅及び洋白の板及び条
　　　　　　　　　　C17XX P,R　　　　　　 C5210 P,R 　C7701 P,R
　　　　 H 3270　　ベリリウム銅，りん青銅及び洋白の棒及び線
　　　　　　　　　　C1720 B,W 　　　C5XXX B,W　 C7XXX B,W

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