ガススプリングの反力と扉の開閉操作力の計算ツール

技術
2023.11.11

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ガススプリングってご存じですか？結構身の回りのいろいろな製品に使用されているですよ。

自動車のハッチバックのバックドアなんかイメージしやすいですかね。あとは収納付きベッドの跳ね上げ部にも使われてますよね。

このように人力だけでは重いものを持ち上げる力を補助する役割を果たしています。

そんなガススプリングには長さや反発力など様々なバリエーションがあり選定するのも簡単ではありません。そんなん反発力強いもの使っておけばいいじゃん、というものでもないんです。

反発力が強すぎると開ける際に思わぬスピードでビューンッと開いてしまったり、閉じる際に凄い力が必要になったりということになっちゃいます。

なので適切な程よいものを選ぶ必要があるんです。

そんな訳で、今回はガススプリングの反力と扉の開閉操作力の簡単な計算ツールを掲載します。

扉の操作力ってどんなこと計算してるの

●扉の重量とガススプリングの反発力のつり合い

扉の重量、重心とガススプリングの反発力と作用点位置から力のつり合いを計算しています。

下図に示すT1が扉の重量による力、T2がそれに反発するガススプリングの力、T3がその差分となります。

上図の構造で、下記の計算式により扉の各開度の状態での計算をします。

$$F=Fa+\frac{(Fb-Fa)*(Lmax-XFa-L)}{(Lmax-XFa)-(Lmin+XFb)}$$

$$T1=W*g*L1$$

$$T2=F*n*L2$$

開け方向：$$T3=\frac{(T1-T2)}{L3}$$

閉じ方向：$$T3=\frac{(T2-T1)}{L3}$$

計算するためには以下のようなパラメータが必要になります。

  • 開閉扉の重量
  • 開閉扉の重心（座標）
  • 開閉扉の回転中心の座標
  • 開閉扉の操作位置の座標
  • ガススプリングの両端の取付位置の座標
  • ガススプリング最伸長、最縮長
  • ガススプリングの反力特性
  • ガススプリングの使用数量

例えば重力に逆らって扉を開ける方向を考えますと、開時の操作力T3がマイナスの値になっていると、人が力を加えなくてもガススプリングの反発力のみで扉を開けている状態になります。
自動車のハッチバックのドアなんて正にその通りで途中から手を放しても勝ってに開いていっちゃいますよね。

<参考>　栃木屋 ガススプリングの注意事項・選定方法

開閉扉の重量と重心

扉の重量は開閉する扉自体の重量です。

重心位置は正確に分かるなら計算の精度が上がります。CADなどを使用できればより正確に簡単に重心位置を算出できるのでお試しください。

ガススプリングの反発力

出展元：栃木屋

ガススプリングの反発力は左図のように線形の特性をもっています。

反発力の特性は左図のFa、Fbの様に２点で示され、その２点はガススプリングの最伸長から一定長さ縮めた位置および最縮長から一定長さ伸ばした位置での反発力の値が提供されます。

温度

前述のガススプリングの反発力の特性は環境温度によっても変化します。一般的にメーカーのカタログで提供される値は環境温度20℃での特性です。

温度が高くなるほどガススプリングの反発力は強くなり、逆に温度が低くなるにつれてガススプリングの反発力は弱くなります。

摩擦抵抗

出展元：栃木屋

反発力の特性は伸ばす方向と縮める方向とで特性が異なりますが、簡易的に検討する場合には中央値で一本の線形特性で考えます。

この方向による特性の差は摺動摩擦や内部のガス室の内圧変化などにより生じるものです。

計算ツール（開閉扉の操作力）

前述しましたが計算式は以下の通りです。

$$F=Fa+\frac{(Fb-Fa)*(Lmax-XFa-L)}{(Lmax-XFa)-(Lmin+XFb)}$$

$$T1=W*g*L1$$

$$T2=F*n*L2$$

開け方向：$$T3=\frac{(T1-T2)}{L3}$$

閉じ方向：$$T3=\frac{(T2-T1)}{L3}$$

計算ツールへの入力が必要なパラメータは以下の通りです。

INPUT
  • W: 開閉扉の重量 [kg]
  • XG：開閉扉のX方向 重心位置 [mm]
  • YG：開閉扉のY方向 重心位置 [mm]
  • XA：ガススプリング支持点のX方向位置 [mm]
  • YA：ガススプリング支持点のY方向位置 [mm]
  • XB：ガススプリング作用点のX方向位置 [mm]
  • YB：ガススプリング作用点のY方向位置 [mm]
  • XH：操作位置のX方向位置 [mm]
  • YH：操作位置のY方向位置 [mm]
  • Lmax: ガススプリング最伸長 [mm]
  • Lmin: ガススプリング最縮長 [mm]
  • XFa: Fa点長さ [mm]
  • XFb: Fb点長さ [mm]
  • Fa: Fa点でのガススプリング反発力 [N]
  • Fb: Fb点でのガススプリング反発力 [N]
  • N: ガススプリング使用本数 [本]
  • θ: 扉開度 [°]

　※X軸・Y軸の定義と、各座標の点の定義は下図の符号に準じます。
　※A、B、G、H点のインプット値は扉が閉じた状態（開度０°）での値です。

では下記フォームに各パラメータの数値を入力し計算してみてください。
また、計算したい扉の開度をθに入力してください。（θを色々変えて計算することで各扉開度での操作力が計算できます）

計算結果はこんなグラフに出力できるんですが、本ブログの計算ツールと同期した方法が分からなかったので参考で掲載しておきます↓↓

まとめ

以上、今回はガススプリングの反発力と扉の開閉操作力の計算方法と計算ツールの紹介をしました。

本内容を参考にいろいろなガススプリングの組み合わせで、ぜひ自分でいろいろ試しに計算してみてください。


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