可変式ばね構造について

質問

構造物の強度（ばね定数）を可変できる構造を考えております。
多少説明が長くなりますが、ご覧いただきたく思います。

?まず1案として、可変でき金属（以下A）と金属（以下B）の間に可変式ばね構造(以下C）を取り付け、A・B・Cの一体構造として、ある時にはやわらかいくある時には硬くなる構造にしたいと考えています。
条件としては、中空でサイズで外径φ40～50内径もφ20程度、厚み20mm以下のもので、かつ手動ではなく自動制御できる方式が必要です。
また、A・B・Cのつぶれる方向に負荷(最大500N）はかかりますので耐えられる必要があります。取り付けはねじがよいです。
現状候補として考えていたのは空気ばねで圧力を可変させる方式ですが、中空のものが見つからず断念いたしました。

?第2案として、金属そのものに溝をいれ変形しやすい構造とし、溝の間にピンを出し入れして強度を可変させる方式も考えましたが、
スペースが小さいため、該当するシリンダーなどが見つかりませんでした。

◎質問としては上記の内容で?ではC候補となる構造、?では該当するもの
その他別案の構造など何かしらｱﾄﾞﾊﾞｲｽをいただきたく思います。

よろしくお願いします。

回答No.4

noname#230359

再出です。

小生が試作品を製作する場合には、先ずばねを製作します。
市販品ではなく、重荷重用なので、特注品です。
線径；φ5mm、中心径；φ45mm、自由長；250mm、有効巻数；12巻き、総巻数；14巻き、にて、
バネ定数；5.61N/mm　となり、荷重値が400N⇒高さ178.7mm、荷重値が500N⇒高さ160.87mm、
荷重値が650N⇒高さ134.14mm、荷重値が820N⇒高さ103.83mm　となります。

そして、外径φ39.5mm＆内径φ34.5mmのH10位と外径34.5mme9位＆内径29.5mmを茶筒の本体と蓋
のように、組み合わせ動作するようにします。
その中に、例えばSMC製のCM220シリンダのエアハイドロタイプをセットします。
茶筒の本体にシリンダ本体を取り付け、茶筒の蓋にシリンダのロッドをねじ込み固定します。
また、茶筒式のガイドは、ばねの座屈防止のガイドとして使用しますし、ばねを圧縮させ、ばねの
高さを160.87mmに調整し500Nの荷重を受けても縮まないようにします。

これで、外径がφ50mmにて、つぶれる方向に負荷(最大500N）が掛かりますが耐えられる
条件となります。

そして、茶筒式スライドに縦のスリッドを入れて、シリンダへの配管や配管経路を確保します。
また、エアハイドロタイプのシリンダなので、水は錆びるので油を入れて、シリンダの押し出し
側ポートと引き込み側ポートを直接つなぎ、その間にハイドロ若しくは油圧の精密絞り弁を接続
します。
バネ定数；5.61N/mmを間接的に増やしたければ、つぶす方向に負荷を掛ける時に絞り弁を閉める
方向に廻し具合を確かめます。

その仕様で試作確認して、問題なければ絞り弁を自動で可変できるタイプに変更します。
絞り弁は、配管経路中の設置なので、自由に設置場所が変更できると考えてのことです。

如何でしょうか？

回答No.3

noname#230359

＞?第2案として、、金属そのものに溝をいれ変形しやすい構造、、スペースが小さいため、

その通りだと思います。

＞空気ばねで圧力を可変させる方式ですが、中空のものが見つからず断念いたしました。

市販に無ければ作る。設計が出来さえすれば、精度と面粗さがキモながらさほど難しいとは思えません。

にしても、ストロークとの関係はどうなのでしょう？

空気ばねは圧力を上げると、ばね常数は上がるが、縮み量との関係もあり１／Ｘの関係で変わる。
それと圧を上げると、ある荷重までばねとして働かずシリンダー上限に張り付く予荷重が働いた状態で、強いコイルスプリングの挙動とは異なります。
このいずれが良いのかダメなのか選択要。

空気／油圧の応用例はクルマのサスに見られます。
有名なのがシトロエンのハイドロニューマチック。

クルマのサスは乗り心地のために、ばね効果だけでなく振動減衰作用（コンプライアンス）が重要です。
題意の用途で、この考慮が必要ないものかどうか。逆にマズクても空圧／油圧では減らしにくいでしょう。

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%8F%E3%82%A4%E3%83%89%E3%83%AD%E3%83%8B%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%83%9E%E3%83%81%E3%83%83%

回答No.2

noname#230359

円筒状の金属の剛性を変化させるという意味合いでしょうか。考えられる方法
を下記します。
?シリンダー構造とし同心の３種のコイルばねをシリンダ以内に構成します
。階段状に変化させるのであれば３種のコイル長さを変化させておけば、
３段階でばね定数を変化できます。ただしばねの保持方法には工夫が要りま
す。コイルばねのばね定数はｋ＝Ｇ ｄ＾４/（８Ｎａ Ｄ＾３）ですから、ｄ：線径、Ｎａ：有効巻き数（長さ）、Ｄ：コイル平均径を　操作すること
でｋを変えることができます。なおＧ：横弾性率です。
?棒材の場合はｋ＝ＥＡ/Ｌ　Ｅ：縦弾性率、Ａ：有効断面積、Ｌ：長さです
から、Ａが操作要素になります。スリットを設けピン等で接触ポイントを変化
させてＡを見かけ上変化させることは可能でしょう。
各部位の強度については十分に検討が必要だと思います。
これらは段階的に変化させる方法で、連続的に変化するのは無理です。

回答No.1

noname#230359

説明文章を正確に把握できなかった恐れもありますが、?は構造物の強度（ばね定数）を
可変できる構造となっていません。

?は、ばね定数の異なる３種類のばねを並列に連結しているだけと同じと考えるので、可変できる
構造となっていません。
確か、ばね定数(弾性係数)は、３種類の和となり、同じです。
<物理等での、ばね計算方法の資料でも確認できます>

?は、１本の長いばねを伸ばしている途中で、ばね線の間にピンを突っ込み、結局ばね長さを
変えているだけなので、
ばねを直列に例えば５本つなげて、ピンを突っ込み４本にしたり、３本にしたり、２本にしたり、
１本にしたりすることと同じなら、力に対しての伸び量が変わり軟らかくなったり、硬くなったり
します。
でも、メカ的に複雑な構造なので、流体シリンダーのようなものを可動部に取付て、自動可変の
絞り弁を配管し、絞り弁を自動で開けたり絞ったりして、動作に対する抵抗(負荷)を変動させる
手法を用いますね、小生ならね。

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems:微小電気機械システム)での製品構築が必要と
考えます。
ですから、他の面で、ビジネスチャンスがあるかもしれませんね。

参考URL：

http://www.wakariyasui.sakura.ne.jp/3-2-0-0/3-2-2-1dannseiryoku.html