Spring

Japanese: ばね

A mechanical element that utilizes the elasticity of an object. Also known as a spring, it is used in a wide range of applications, such as absorbing and storing energy for shock absorption, or extracting stored energy to perform work.

[Hidetaro Nakayama]

Function of the spring

(1) Examples of springs used statically or quasi-statically include spring balances, springs used in sofas, and valve springs in safety valves. There are also springs that gradually extract stored elastic energy and use it as power, such as the mainsprings of clocks and spring-loaded toys. (2) Examples of springs used dynamically include valve springs in internal combustion engines and governors that use spring force. (3) Examples of springs used to prevent vibration include springs that reduce vibration, such as the support springs placed between the wheels and bodies of railway cars and automobiles, and springs that absorb and reduce impact energy, such as rail car couplers and elevator shock absorbers. Springs in this case are sometimes called shock absorber springs or vibration-proof springs. When springs are used to reduce vibration or impact, they are usually equipped with an appropriate damping device.

[Hidetaro Nakayama]

Spring Material

The important mechanical properties are elastic limit, fatigue limit, and hardness, but tensile strength and elongation are not so important. In particular, when a spring is used in a place where dynamic external forces act, the material and shape must be selected taking into consideration not only strength but also fatigue phenomena. The material can be improved to some extent by appropriate heat treatment, shot peening, and other processing. Steel, which is often used as a spring material, is also usually subjected to special heat treatment. Other metal materials used include phosphorus bronze and nickel alloys. Metal springs include helical springs, leaf springs, spiral springs, ring springs, and disc springs. The appropriate shape of spring is used depending on the load applied in tension, compression, twisting, or bending, and the location of use. Helical springs are made by winding rod-shaped metal materials such as round steel or square steel into a cylindrical spiral, and can be used when the load is either tension or compression. When used under compressive loads, the springs may be double or triple-layered. Leaf springs may be used as a single spring, but more often several are stacked together. Where large external forces are applied, leaf springs stacked in a trapezoidal or triangular shape are used. They are often used to reduce vibrations in automobiles and railway vehicles. Spiral springs are also called main springs, and are made by winding steel strips. The power spiral springs used in watches are one example.

Non-metallic materials such as rubber and air are also used as spring materials. Rubber is used to prevent vibrations in vibrating bodies such as engines and vehicles. It is called anti-vibration rubber and comes in many shapes and types. Generally, when an object vibrates, it produces sound, and anti-vibration rubber is also used for soundproofing. The compressors in household electric refrigerators are supported by anti-vibration rubber so that the rubber can absorb the compressor's vibrations and prevent noise generation. Air springs, which are made of rubber bellows shaped like Odawara lanterns and have air sealed inside, are used to support the bodies of tourist buses and other vehicles where a comfortable ride is important, and to prevent vibrations in railway cars. The rubber tires of cars and bicycles are also a type of air spring.

[Hidetaro Nakayama]

[Reference] | Air spring | Main spring

Main types of springs (metallic)
©Takashi Aoki

Main types of springs (metallic)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

物体の弾性を利用した機械要素の一つ。スプリング、発条(はつじょう)ともいい、エネルギーを吸収、蓄積させ、緩衝用に利用したり、蓄積されたエネルギーを取り出して仕事をさせるのに利用するなど、きわめて広範囲に使用されている。

［中山秀太郎］

ばねの働き

(1)静的または準静的に使用するものとしては、ばね秤(ばかり)、ソファに使用されているばね、安全弁の弁ばねなどがある。また時計のぜんまい、ばね仕掛けの玩具(がんぐ)に使われているばねのように、蓄えた弾性エネルギーを徐々に取り出して動力として利用するものもある。(2)動的に使用するばねとしては、内燃機関の弁ばね、ガバナーのようにばねの力を利用するものがある。(3)振動防止に使用されるものとしては、鉄道車両、自動車の車輪と車体との間に入れてある担いばねのように振動を緩和するもの、あるいは鉄道車両の連結器、エレベーター用の緩衝装置のように衝撃エネルギーを吸収、緩和するのに使われるばねなどがその例である。この場合のばねを緩衝ばねまたは防振ばねとよぶこともある。ばねを振動や衝撃を緩和するのに使用する場合には適当な減衰装置を取り付けるのが普通である。

［中山秀太郎］

ばねの材料

機械的性質として弾性限度、疲れ限度、硬さなどが重要で、引張り強さ、伸び率などはあまり重要でない。とくに、ばねを動的外力の作用するところで使用する場合は、強度だけでなく、疲れ現象を考慮して材質、形状を選定しなければならない。材質については、適当な熱処理、ショットピーニングなどの加工によりある程度改善することができる。ばねの材料として多く使用される鋼も、特殊な熱処理を施すのが普通である。金属材料としてはほかにリン青銅、ニッケル合金などが使用される。金属材料を用いたばねには、つる巻きばね、板ばね、渦巻きばね、輪ばね、皿ばねなどがある。荷重の加わり方が引張り、圧縮、ねじり、曲げの場合、また使用箇所などに応じて適当な形のばねを使用する。つる巻きばねは、丸鋼、角鋼など棒状の金属材料を円筒形の螺旋(らせん)状に巻いたもので、荷重が引張りの場合でも圧縮の場合でも使用することができる。とくに圧縮荷重のもとで使用するときには、ばねを二重または三重にすることもある。板ばねは一枚で使用する場合もあるが、数枚重ねて使用することが多い。大きな外力が加わるところでは、台形または三角形状に重ね合わせた板ばねを使用する。自動車、鉄道車両などの振動緩和用に多く使用されている。渦巻きばねはぜんまいばねともいい、帯鋼を巻いてつくる。時計に使用されている動力用渦巻ばねはその例である。

　ばねの材料としてはゴムや空気のような非金属材料も使用される。ゴムは、エンジン、車両など振動体の防振用として用いられている。防振ゴムといわれ、その形状、種類はきわめて多い。一般に物体は振動すると音を発生するが、防振ゴムは防音用にも用いられる。家庭用の電気冷蔵庫のコンプレッサーを防振ゴムで支持しているのは、コンプレッサーの振動をゴムで吸収し、騒音の発生を防ぐためである。ゴム製の小田原提灯(ちょうちん)状の容器（ベローズbellows）の中に空気を密閉した空気ばねは、乗り心地を重要視する観光バスなどの車体の支持や、鉄道車両の振動防止用としても利用されている。自動車や自転車のゴムのタイヤも空気ばねの一種である。

［中山秀太郎］

[参照項目] | 空気ばね | ぜんまい

ばねのおもな種類（金属製）

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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