バネに詳しい方、ご教授ください。

質問

バネに詳しい方、ご教授ください。

3kg程度の重さのものを、バネを使って15cm浮かせておき、上から手で押すと縮み、手を離すと元の高さに戻るようにしたいです。

重さを乗せる前のバネの長さは、バネを筒の中に入れるので、まったく無視してかまいません。
また筒の直径は9cmなので、バネの直径は9cm以内がいいです。

このようなバネをどこかで求める場合、何か数字をしめして、こういう力のバネください　といえばよいでしょうか？

ネットをいくつかめぐったところでは、バネ定数というものを示すようですが、よくわかりません。

バネに詳しい方、お手数ですが、教えていただけると助かります。
よろしくお願いします。

↓プロポーショナルでないフォントでみると、おおよその構造が判っていただけるかと思います

┌─────┐
│　　ば　　│
│　　ね　　│
│　　　　　│この外筒を15cm浮かせる。押すと縮んで、手を離すと元に戻る
│　┌─┐　│
│　│　│　│
│　│　│　│
│　│　│　│
　　│　│
　　│　│
──┘　└─ 台座

回答No.4

kagakusuki · ベストアンサー

回答番号:ANo.1です。

>具体的に何キロの力でというのは物理に詳しくないので出せませんが、できるだけ軽い力であると助かります。
>抽象的ですが、片手で押し下げて抵抗なく下がるなら最高です。

　バネで押し上げている処から、更にバネを押し縮めるのですから、かなり抵抗はあります。
　例えば、上に載せるものと外筒の重量の合計が3.0kgで、これをストッパーに対してバネで押し付けている力の大きさを仮に0.5kg（＝4.9N）としたの場合、バネの弾性力は3.5kgf（＝34.3N）になります。
　これを150mm押し下げて、台に接触させるのに必要な力を、仮に2.0kgf（＝19.6N：２リットル入りのペットボトルを持ち上げるのと同程度）の力が必要だとした場合、バネの弾性力は
2.0kgf-0.5kgf＝1.5kgf

だけ増えます。
　バネの長さが150mm縮んだ時に、弾性力が1.5kgf（＝14.7N）増えるのですから、バネのバネ定数は

バネ定数＝弾性力÷長さの変化量＝1.5kgf÷150mm＝0.01kgf/mm（＝0.098N/mm）

になります。
　バネ定数が0.01kgf/mmのバネで、3.5kgfの弾性力を出すためには、

3.5kgf÷0.01kgf/mm＝350mm

も縮める必要があります。
　そこから更に150mmも縮めなくてはならないのですから、合わせて500mmも縮める必要があります。
　バネは限界近くまで縮めると、弾性力の大きさが計算通りにはならなくなるため、普通は押し縮める事の出来る限界（「全たわみ」と言います）の７割以下までしか縮めません。
　ですから、

500mm÷0.7＝714mm

も縮める事が出来るバネが必要になります。
　従って、バネ定数が0.01kgf/mm、全たわみが714mmのバネを使えば良いという計算になります。

　しかし、バネ定数が0.01kgf/mmというのは、比較的細い針金で出来たバネですが、細長いバネを縮め様とすると、途中で折れ曲がってしまうため、圧縮バネはあまり細長いものは造れません。
　ですから、バネ定数が0.01kgf/mm、全たわみが714mmの圧縮バネは、おそらく製造されていないと思います。
　それどころか、全たわみが150mmのバネですら、バネ定数がもっと大きなものしか無いと思います。
　バネ定数が大きいという事は、バネが硬いという事ですから、台に接触させるためには、より大きな力が必要になります。
　ですから、手で押しただけで150mmも押し下げる事が出来る様に設計するのは難しいかも知れません。

　尚、圧縮バネではなく、定荷重バネという種類のバネを使えば、この問題を解決出来るかも知れません。
　定荷重バネはゼンマイ状の引張バネで、巻かれている薄い金属製の帯を引き出した時、引き出した長さに関係なく、元に戻ろうとする力が常に一定になっているバネです。
　但し、定荷重バネは価格が高く、寿命が短い事が難点です。
　市販されている定荷重バネの一例ですが、以下のサイトからダウンロード可能なデジタルカタログの中に、定荷重バネが掲載されております。

【参考URL】
　モノづくりとばねの通販サミニ株式会社
　　http://www.samini.co.jp/

　それから、バネの設計に関して詳しく載っているサイトを見つけましたので、そのURLをついでに貼っておきます。
　尤も、どのバネを使えば良いのかを選択するだけでしたら、以下のサイトの内容を全て理解しておく必要はありません。

【参考URL】
　ばねの技術情報｜バネ・ばね・スプリング｜ばね1個から完全受注生産。オリジナルばねオーダーサイト｜東海バネ工業
　　http://www.tokaibane.com/tech/index.html

お礼

もっと簡単なものかと思っていたのですが、意外に難しいのですね。
外筒は上に向かって押し付けたい。そして、手で簡単に下がり、手を放すと上がる　という動作なら、中にバネを入れればＯＫだろうと思っていたのですが……
ガススプリングとかの方がいいのでしょうか？　何かよい知恵があれば、教えてください。

回答No.3

大明神（@bathbadya）

昨日は、的外れの回答だったかな？

〉上から手で押すと縮み
体重計を手で押して、これぐらいの重さ的なものを数値にした方が良いですね。

1）3kgの重りを乗せたときに、１５ｃｍ。
2）手で押して*kg相当の時に、さらに**ｃｍ縮む

で、大体決まりますよ。

あとは、外/内径と最大圧縮長さかな？

〉手を離すと元に戻る
手で押した時の最大重さを決めておかないと、つぶれて戻らなくなったりします。

あと、ダンパみたいなものを考えておかなくてよろしいですか？
そのままだと、ビヨンビョンするけど大丈夫？？？

お礼

外筒の上にストーパーを設けて、それ以上は上に行かないようにするつもりでしたので、ダンパーは考えていませんでした。

回答No.2

大明神（@bathbadya）

ばね定数；平たく言えば、そのバネを１ｍｍ縮めるのに必要な荷重(重さじゃないよ荷重だよ)

〉バネを使って15cm浮かせておき
これは、あとから考えれば良い。

〉上から手で押すと縮み、手を離すと元の高さに戻るようにしたいです。
どれだけの荷重で押したときに、どれだけ縮めたいかでバネ定数を決めます。

で、どれだけの重さの物を載せるかで、自然長さなどが決まってくるし・・・
最大荷重で、どれだけ縮めたいか（限界長さ）で線径や巻き数が決まってくる。

もっと細かく言えば、共振周波数なんかもあるけどね・・・

最近は、バネ屋さんもネットで小売しているんで、検索して、上位５件ぐらいに問い合わせれば良いよ。
大体の使用条件を伝えて、合うものがありますか？　と聞けば、親切に教えてくれるよ。
その代り、結構高いよ。ホームセンタで売ってるものの１０倍位の値段かな？？？

バネを扱っているホームセンターのサービス窓口で聞いて、取り寄せるのが一番安くて良いよ。
ホームセンタに話が判る担当者がいない場合は、取り扱っているバネメーカを聞いて、そのメーカーに問い合わせてから、取り寄せしてもらう。

お礼

近くのホームセンターでは、バネを売っていなかったので、ネットで聞こうと思ったのですが、注文フォームのようなところに、バネ定数とか、なにやら技術的な数字をもっていたので、ここで質問してみた次第です。
どうも、圧縮ばねではむずかしそうですので、何かほかの方法がないか、考えてみます。

回答No.1

kagakusuki

>バネに詳しい方、お手数ですが、教えていただけると助かります。

　それ程詳しいわけではありませんが、宜しいでしょうか。
　まず、御質問の文中に示されている情報だけでは、情報が不足しているため、どの様なばねを使用すべきであるかを決める事が出来ません。
　ですから、この回答欄の側にある「補足する」と記された箇所をクリックして頂いて、補足欄に追加の情報を書き込んでは頂けないでしょうか。

(1)
>3kg程度の重さのものを、バネを使って15cm浮かせておき、

　重量とバネの弾性力を釣り合わせて浮かせる高さを決める構造では、ゴム紐の先に重りを吊り下げた様なもので、簡単に上下に揺れてしまい、高さが安定しませんし、又、バネの劣化で弾力が変化したり、重量が変化すると、高さも変わってしまいますが、それでも宜しいのでしょうか。
　ストッパーを設ける等の方法で、15cm以上は浮かない様な構造とした上で、15cm浮いた時のバネの力が３kgを超える様に設計すれば、バネの力で上部がストッパーに押し付けられるため、高さが安定しますが、どちらの方法が宜しいでしょうか。

(2)
>上から手で押すと縮み、手を離すと元の高さに戻るようにしたいです。

　手で押すと言われますが、軽く押すのと、力付くで抑えつけるのでは、大分違いがあると思いますが、具体的には何kg程度の力で押す事を考えられておられるのでしょうか。
　その値を指定して頂けないと計算のやりようがありません。

(3)バネが縮まって、外筒が台座に接した時のバネの長さは、自由に決めても構わないのでしょうか、それとも既に何mmなのか決まっているのでしょうか。
　それにより、計算の手順が変わって来ます。

　以上の点に関して補足をして頂く様、御願い致します。

補足

(1)について
> ストッパーを設ける等の方法で、15cm以上は浮かない様な構造とした上で、
> 15cm浮いた時のバネの力が３kgを超える様に設計すれば、バネの力で上部
> がストッパーに押し付けられるため、高さが安定します

はい。ストッパーを設け、15cmの高さに、下から「押し付ける」感じがいいです。

(2)について

具体的に何キロの力でというのは物理に詳しくないので出せませんが、できるだけ軽い力であると助かります。
抽象的ですが、片手で押し下げて抵抗なく下がるなら最高です。

(3)について
はい。15cm程度の「浮き沈み」を確保したいので、最も縮んだときの高さはある程度自由に決めていただいてかまいません。

現在の外筒の高さは25ｃｍありますので、もっとも理想を言えば、完全に縮みきったときのバネの長さが10ｃｍ以内なら最高ですが、無理なら外筒自身の長さをもっと長いものに交換します。