改変ジグザグばね（S ばね）の性能改善とその変形解析 ―非線形理論に基づく大変形理論解析―

ばねは、その弾性を利用することが主な目的であり、負荷と変形の関係を適格に把握することは工業上基本的かつ重要な課題である。一般に、ばねは小さな負荷に対しても予想外に大きな変形を示すため、従来の微小変形線形理論ではそうした大変形挙動を精確に解析することは極めて難しく、精密な非線形解析が必要である。ところで、例えば、螺旋状のベローズや自動車のシート、ソファーを支えるばねとして使用されるジグザグばね（別称Sばね）は、円弧部分と直線部分を組み合わせた複雑な形状をしており、基本的に円弧部が半円（180°）である。本論文は、こうした半円ジグザグばね（：Sばね）の変形性能改善について力学的観点からイノベーションに挑戦したもので、ピッチ変更を念頭に、円弧部が半円で無い、いわゆる非半円ジグザグばね（：Sばね）を想定した。すなわち、円弧部が半円より大なる場合（＞180°）と半円より小なる場合（＜180°）の非半円ジグザグばね（：Sばね）について、先端を回転固定支持しつつ、その支持端に水平方向に引張荷重または圧縮荷重が作用したときの変形性能を新規に解析した。元々、半円ジグザグばね（：Sばね）は負荷により非線形大変形挙動を示すが、想定したイノベーション非半円ジグザグばね（：Sばね）の大変形特性にも従来の半円ジグザグばねと同様に非線形性が見られ、そうした新規想定ばねの大変形挙動も新たに非線形理論解析し、幾つかの代表的な変形諸量に対してだ円積分を用いた解析解を与えた。ところで、従来の半円ジグザグばね（：Sばね）の変形特性については微小変形線形理論解析が主で、実際に出現する大変形挙動については著者らが初めて解析したものであり、本研究の特長は、半円ジグザグばね（：Sばね）のイノベーションを本邦初として試行するとともに、イノベーションジグザグばねの大変形挙動を解明し、ジグザグばねの性能改善や精度向上指針を明らかにしたことである。付言すれば、本論文は、色々な円弧部を有するジグザグばねに対する大変形解析の一般化理論であり、従来の半円ジグザグばねはその特別な例である。

The main purpose of springs is to utilize their elasticity, and accurately understanding the relationship between load and deformation is a fundamental and important issue in industry. In general, springs show unexpectedly large deformations even when subjected to small loads, so it is difficult to accurately analyze such large deformation behavior by using the conventional small deformation linear theory, and precise nonlinear analysis is required. Incidentally, spiral bellows and zigzag springs（also known as S-springs）, which are used, for example, as springs to support car seats and sofas, have a complex shape that combines arc sections and straight sections, and the arc sections are basically semicircular（180°）. This paper deals with innovations in the deformation characteristics of such semicircular zigzag springs （S-springs）from a mechanical point of view, and in this paper, a new, so-called non-semicircular zigzag spring（S-spring）whose arc sections are not semicircular is assumed with pitch changes in mind. In other words, a new analysis was carried out on the deformation performance of zigzag springs（S-springs）with an arc greater than a semicircle（＞ 180 °）and smaller than a semicircle（＜ 180 °）when the tip is supported in a rotation fixed and a horizontal tensile or compressive load is applied to the supported end. Originally, semicircular zigzag springs（S-springs）exhibited nonlinear large deformation behavior due to loads, but the deformation characteristics of the assumed innovative non-semicircular zigzag springs（S-springs）also have nonlinearity similar to the conventional semicircular zigzag springs. This large deformation behavior has also been newly analyzed by using nonlinear theory, and analytical solutions by using elliptical integrals have been given for some representative deformation quantities. Furthermore, the deformation characteristics of conventional semicircular zigzag springs（S-springs）have mainly been analyzed by using small deformation linear theory, but the authors were the first to perform an actual large deformation analysis. The merit of this research is that it is the first in Japan to attempt an innovation in semicircular zigzag springs（S-springs）, and it has clarified the large deformation behavior of the innovative zigzag springs, revealing guidelines for improving the performance and accuracy of zigzag springs. In addition, this paper presents a generalized theory of large deformation analysis for zigzag springs（S-spring）with various circular arc sections. Semicircular zigzag springs（S-spring）（180 °）are recognized as a special example.

Zigzag spring, Improved S-spring, Spring’ Innovation, Large deformation, Nonlinear analysis