スプリングのバネレート計算：有効巻き数と座巻き
スプリングのバネレートを計算するには以下の計算式が使われるのだが、ここでポイントとなるのが、総巻き数から座巻きを引いた有効巻き数である。
K ： バネ定数 (kgf/mm）
G ： 横弾性係数 ： 8000 (kgf/mm2）
d ： 線径 (mm）
n ： 有効巻き数 (巻）
D ： 中心径 (mm）：外径から線径を引いた数値
K ＝ （G×ｄ^4） ÷ （８×ｎ×D^3）
ｄ^4やD^3はそれぞれd４乗、D３乗を表しています。試しに線径16.1mm、中心径128mm、有効巻き数5.2のスプリングのレートを計算。Googleの検索窓にこの式を入力すれば計算してくれます。
16.1^4=67189
128^3=2097152
K = (8000×67189)÷(8×5.2×2097152)
K = 6.16119458125188
小数点第三位以下切り捨てでK=6.16となって、このスプリングのレートは6.16kgf/mmとなりました。
と、有効巻き数がはっきりしている場合はさらさらっと計算できてよいのだが、難しいのはここからである。
東海バネ工業株式会社さんというスプリングメーカーさんの掲示板で尋ねたところ、んーと頭を悩ませてくれることがでてきた。
スプリングを地面においたときにまっすぐに立たせる事が出来る両端がクローズドエンドのスプリングの場合は座巻きが明白なので計算は簡単なのだが、そうではなく、地面においたときに斜めになってしまう両端がオープンエンドで開いたようなスプリングの場合は、スプリング単体でみた場合は総巻き数イコール有効巻き数となるので、どのようにスプリングが設置されるかにより、どこまでをそのスプリングの座巻きとして判断するかによって計算結果が異なってしまう。
つまり、スプリングを点で支えるように設置した場合と、面で支えるように設置した場合とでは「計算結果としてのスプリングのバネレート」が変わってきてしまうのである。
総巻き数5.2のスプリングで座巻きを上下１巻きづつとるとして、有効巻き数3.2として計算。
K = (8000×67189)÷(8×3.2×2097152) = 10.0119411945343
K = 10.01
総巻き数=有効巻き数5.2とみたスプリングのレート計算では6kg程だったレートが、有効巻き数3.2としたレート計算では10kにもなってしまうのだ。
と、これって結構大事な事なのか、くだらない悩みなのかわからないが、ここ迄書いてまた聞いてみた。
そしたらやはり、座面との接触幅の違いにより厳密にはバネレートが変化するというお答えを頂いた。
はぁ〜、スプリングと座面って重要なんだなぁ。
以上の事をふまえ、私なりにまとめてみると、オープンエンドのスプリングは座面に対してゼロタッチ等で設置すると、初期の動作等ではほぼバネ単体のレートで作用するが、座巻きをきっちり取るような形で設置した場合では有効巻き数が減った分バネレートが硬くなるということだ。
つまり、実際の走行時のショックアブソーバーのストローク範囲を十分に検討し、伸びきった時点でスプリングの座巻きをどのくらいとるかによって同じ長さの同じバネレートのスプリングでも、使用感としては異なるバネレートとして使い分けが出来る、もしくは実用バネレートが設置状況により変化してしまうので注意が必要という事か。
待て待てぃ、インシュレータもあったか、インシュレータはスプリングの端部に沿った形状をしているが、このインシュレータと接する部分が座巻きになるのか？、これについて聞いてみたが、やはりインシュレータと接する部分は座巻きと判断して良いようだ。といってもインシュレーターの材質も様々で硬いものもあればほとんどゴムかシリコンかといった柔らかいものもあり、なんとも話をシメがたい。
参考：
東海バネ工業株式会社
こちらのページにサスペンションに関するオススメ本をまとめてみました。ぜひ読んでみて下さい。
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