CN102472345B

CN102472345B - 螺旋弹簧

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Publication number: CN102472345B
Application number: CN201080033679.4A
Authority: CN
Inventors: 加藤信治; 山田浩隆; 鹿野仁悦; 薮下毅士
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-04-26
Also published as: EP2461066A4; EP2461066A1; WO2011013278A1; JP5383372B2; US20120193848A1; JP2011033119A; US8876095B2; CN102472345A

Abstract

本发明提供一种应力分布状态改善并且实现更好设计的螺旋弹簧(1)，其具有弹簧丝(3)，所述弹簧丝(3)以螺旋形状卷绕，并且其截面外周基本形状为圆形。在所述弹簧丝(3)的螺旋内径侧部分(5)和螺旋外径侧部分(7)之间形成平坦面(9、11)，以使沿螺旋轴线(4)的方向彼此相邻的螺旋部分通过其抵接而稳定。具有平坦面(9、11)的沿螺旋轴线方向的截面外周形状的扁平率T/W设置成使应力比等于或低于截面外周形状为圆形的螺旋弹簧的应力比。所述平坦面(9、11)稳定地接受载荷，并且缩短处于紧密压缩状态时的无间隙长度。这在设计具有长行程和低刚度的弹簧时是有利的。沿截面圆周形状的圆周方向的更好的应力分布提高应力分布均匀性。

Description

螺旋弹簧

技术领域

本发明涉及螺旋弹簧，所述螺旋弹簧用作用于扭转阻尼器的扭簧、阀弹簧、回位弹簧、悬簧、模具弹簧等。

背景技术

在扭簧和用于例如离合器片的类似物中，存在一种物件，其具有以螺旋状卷绕并且具有形成在其圆形横截面外周形状上用作成形抵接面的平坦面的弹簧丝。

当载荷施加到螺旋弹簧来将螺旋弹簧挤压为紧密压缩状态或锁定状态时，相邻的螺旋部分的平坦面抵接来稳定地接受载荷，并且抑制沿螺旋径向的滑移。

通常，螺旋弹簧的弹簧丝螺旋形状的内径侧（螺旋内径侧部分）上的应力高于其外径侧（螺旋外径侧部分）上的应力。另外，形成平坦面导致改变截面扁平率(flattening)的变化，并且与应力偏离一起影响沿截面圆周方向的弹簧丝的应力分布状态。

设置有平坦面的弹簧丝可减小其截面形状的扁平率，从而通过平坦面抵接而缩短沿螺旋轴线方向的无间隙长度。该结构在设计具有长行程和低刚度的弹簧时是有利的。

因此，确定弹簧丝的截面扁平率在实现具有良好应力分布和更好设计的螺旋弹簧中是重要的。

通常建议扁平率为0.85到0.98。

但是该扁平率范围在设计比截面外周形状为圆形的螺旋弹簧更好的螺旋弹簧时有局限性，因而需要进一步改进。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本待审专利申请公开No.H06-300065

发明内容

本发明解决的问题

由本发明解决的问题是，当设计比其截面外周形状为圆形的螺旋弹簧更好的螺旋弹簧时存在限制。

解决问题的措施

为了实现设计比其截面外周基本形状为圆形的螺旋弹簧更好的螺旋弹簧，本发明提供一种螺旋弹簧，具有：弹簧丝，其以螺旋形状卷绕，并且其截面外周基本形状为圆形；和成形抵接面，其形成在所述弹簧丝的截面外周形状的螺旋内径侧部分和螺旋外径侧部分之间，以使沿轴线方向彼此相邻的螺旋部分在其通过所述成形抵接面抵接而稳定。沿螺旋轴线方向具有成形抵接面的截面外周形状的扁平率T/W设置成使应力比等于或低于其截面外周形状为圆形的螺旋弹簧的应力比。

本发明的效果

在具有以螺旋形状卷绕并且其截面外周基本形状为圆形的弹簧丝的螺旋弹簧中，本发明成形抵接面形成在弹簧丝的截面外周形状的螺旋内径侧部分和螺旋外径侧部分之间，以使沿螺旋轴线方向彼此相邻的螺旋部分在其通过成形抵接面抵接而稳定。沿螺旋轴线方向具有成形抵接面的截面外周形状的所述扁平率T/W设置成使应力比等于或低于截面外周形状为圆形的螺旋弹簧的应力比。

这将应力减小为等于或低于不具有平坦面的圆形横截面上的应力，并且实现更好的设计。

附图说明

图1为螺旋弹簧的前视图。（第一实施例）

图2为螺旋形状的内径侧上相关部分的放大剖视图。（第一实施例）

图3为弹簧丝的放大剖视图。（第一实施例）

图4为示出通过有限元方法得出的应力分布状态分析结果的示例性视图。（第一实施例）

图5为示出通过有限元方法得出的应力分布状态分析结果的示例性视图。（比较例）

图6为示出扁平率和应力比之间关系的曲线。（第一实施例）

图7为示出扁平率和无间隙高度比（solid height ratio）之间关系的曲线，其中（a）是D/W=3的情况，（b）是D/W=5的情况，（c）是D/W=7的情况。（第一实施例）

图8为示出扁平率和应力比之间关系的曲线。（第一实施例）

图9为示出扁平率和无间隙高度比之间关系的曲线（第一实施例）

图10为部分示出具有平坦面（flat faces）的螺旋弹簧的剖视图，其中（a）是没有失稳的情况，（b）是失稳的情况。（第一实施例）

图11为示出失稳出现的曲线。（第一实施例）

附图标记说明

1 螺旋弹簧

3 弹簧丝

4 螺旋轴线

5 螺旋内径侧部分

7 螺旋外径侧部分

9,11 平坦面（成形抵接面）

T：螺旋内径侧部分沿螺旋轴线方向的最大厚度尺寸

W：弹簧丝的截面外周基本形状的直径

T/W：扁平率

具体实施方式

改善应力分布状态和实现更好的设计的目的通过将沿螺旋轴线方向具有成形抵接面的螺旋弹簧的截面外周形状的扁平率T/W设置为0.83到0.32来实现。

第一实施例

螺旋弹簧（扭簧）

图1是根据本发明第一实施例的螺旋弹簧的前视图，图2是示出螺旋形状内径侧的相关部分的放大剖视图，图3是弹簧丝的放大剖视图。

图1的螺旋弹簧1是安装在例如用于（设计用于）湿或干离合器机构的摩擦片的双质量飞轮、变矩器锁止器或扭转阻尼器（扭转振动阻尼器）。弹簧丝3以螺旋状卷绕。螺旋弹簧1具有螺旋轴线4，其在自由状态下呈圆弧形状。该圆弧形状在装配状态具有曲率半径R。

由弹簧丝3形成的弹簧形状可具有螺旋轴线，其自由状态下呈直线形状或不同于具有曲率半径R的装配形状的形状，以使弹簧丝3可在装配时形成曲率半径为R的圆形形状。

如图2和3中所示，螺旋弹簧1的弹簧丝3具有圆形截面的外周基本形状。在弹簧丝3的截面外周形状的圆形螺旋内径侧部分5和圆形螺旋外径侧部分7之间形成用作成形抵接面的平坦面9和11。

螺旋内径侧部分5和螺旋外径侧部分7形成圆形截面外周基本形状的一部分。

平坦面9和11为形成的成形抵接面，其允许沿螺旋轴线4的方向彼此相邻的部分抵接并且稳定。根据该实施例，平坦面9和11分别形成在沿螺旋轴线4的两侧。

如图2中所示，平坦面9和11基本上沿螺旋轴线4的曲率半径的方向形成，并且朝向螺旋形状的曲率中心倾斜，以使弹簧丝3的截面形状具有楔形形状。

如图3中所示，平坦面9和11的宽度H取决于扁平率T/W。根据该实施例，具有平坦面9和11的截面外周形状沿螺旋轴4的方向具有0.76的扁平率T/W。

另外，“T”是螺旋内径侧部分5沿螺旋轴线4的方向的最大厚度尺寸，而“W”是弹簧丝3的截面外周基本形状的直径。替代地，“T”可以是螺旋外径侧部分的厚度或螺旋内径侧部分5和螺旋外径侧部分7的平均厚度。

根据扁平率T/W的设置和倾斜，平坦面9和11具有内角θ，螺旋内径侧部分5为具有最大厚度尺寸T的半圆形。内角θ中心位于螺旋弹簧1的曲率中心。

（应力分布）

图4和图5为示出通过有限元方法得出的应力分布状态的分析结果的示例性视图，其中，图4是所述实施例，图5为比较例。图5中，与图4的部分相对应的部分使用相同的附图标记加“A”表示。

如图4中所示，设置有平坦面9和11并且扁平率T/W=0.76的弹簧丝3可在螺旋内径侧部分5上直到螺旋外径侧部分7连续第分布应力。如通过与图11的示例相比较显而易见的，图4的实施例具有适当选择的扁平率和在螺旋内径侧部分5和螺旋外径侧部分7之间的连续、确定和均匀分布的应力。另一方面，图5的扁平率T/W=0.92的比较例显示了与该实施例相比较在螺旋内径侧部分和螺旋外径侧部分5A和7A之间对连续并且均匀的应力分布的限制。

（扁平率和应力比率）

图6是示出扁平率和应力比率之间关系的曲线。图6中，无间隙高度Hs固定为25，相对于扁平率T/W中的变化来检测应力比率中的变化。

没有平坦面的圆形横截面的应力比率τ/P设置为1。另外，“τ”是螺旋最内圆周处的最大剪切应力，“P”是施加到螺旋的载荷。

如图6中所示，扁平率T/W为0.83或更低使得应力比率τ/P等于或低于1，即，等于或低于不具有平坦面的圆形横截面的应力比率，以实现更好的设计。

（螺旋滑移）

在汽车扭簧中，在弹簧接受将弹簧挤压为紧密压缩状态或过压缩状态的载荷时，螺旋可能沿螺旋径向滑移。为了防止该现象，扭簧沿螺旋轴线方向在弹簧丝横截面的一侧或两侧设置上有平坦面。

相关技术认为，如果基本截面形状为圆形，则在应力方面，较大的扁平率是有利的，并且因此确定扁平率为0.98到0.85。根据我们的分析检测，发现，较小的扁平率在螺旋弹簧设计方面是有利的。

（第一实施例的效果）

根据该实施例，螺旋弹簧1具有以螺旋状卷绕并且其截面外周基本形状为圆形的弹簧丝3。在弹簧丝3的截面外周形状的螺旋内径侧部分5和螺旋外径侧部分7之间形成平坦面9和11，以使沿螺旋轴线4的方向彼此相邻的螺旋部分在通过平坦面9和11抵接而稳定。具有平坦面9和11的截面外周形状沿螺旋轴线方向的扁平率T/W设置成使应力比等于或低于截面外周形状为圆形的螺旋弹簧的应力比。

这将应力减小到等于或低于不具有平坦面的圆形横截面螺旋弹簧的应力水平，并且实现更好的设计。

平坦面9和11稳定地接受载荷，并且在紧密压缩状态中缩短无间隙长度。这在设计具有较长行程和较低刚度的弹簧时是有利的。同时，这沿截面外周形状的圆周方向提供更好的应力分布，并且提高应力分布的均匀性。

即，该实施例在设计具有长行程和低刚度的扭簧时容易地确保足够的质量。

平坦面9和11沿螺旋轴线方向4分别形成在弹簧丝3的截面形状的两侧，以确定地在螺旋处于紧密压缩状态时沿螺旋轴4的方向接受载荷，由此确定地抑制沿螺旋径向的滑移。

螺旋形状的螺旋轴线4为圆弧形状，并且平坦面9和11基本上沿螺旋轴4的曲率半径的方向形成。即使螺旋轴线4为圆弧形状，仍可确定地沿螺旋轴线4的方向接受载荷，以确定地抑制沿螺旋径向的滑移。

当螺旋轴线4在自由状态下呈圆弧形状时，弹簧丝3的螺旋形状允许螺旋轴线4容易地以圆弧形状安装。另外，平坦面9和11可容易地根据螺旋轴线4的圆弧形状设置。

由弹簧丝3形成的螺旋形状的螺旋轴线4在自由状态下可呈直线形状或不同于具有曲率半径R的装配形状的形状，以使弹簧丝3可在装配时形成曲率半径为R的圆弧形状。在该情况下，装配前的螺旋轴线4可制成直线形状或近似直线形状。这实现容易的部件管理。

螺旋弹簧1安装在例如湿或干离合器机构的摩擦片的双质量飞轮、变矩器锁止器或扭转阻尼器（扭转振动阻尼器）中。这易于使螺旋弹簧1具有长行程和低刚度。

这方便地提高安装在引擎系统中的扭转阻尼器（扭转振动阻尼器）所需的动力学过滤功能，以减小声音和震动。

（其他）

成形抵接面不限于优选的平坦面9和11。其可以是略凸或略凹的面。成形抵接面可在弹簧丝3的螺旋轴线4一侧略凸，并且在另一侧略凹。

平坦面9和11的倾斜可从螺旋轴线4的圆弧形状的曲率半径R方向略微偏转。

[螺旋弹簧概述]

上述内容不限于扭簧，诸如形成平坦面并且设置扁平率T/W来实现等于或低于截面外周形状为圆形的螺旋弹簧应力比等内容通常可适用于螺旋弹簧。所述螺旋弹簧可给螺旋弹簧提供将应力减小到低于不具有平坦面的圆形横截面的螺旋弹簧的应力的效果，以及实现更好的设计的效果。

所述内容也可适用于螺旋轴线4为直线形状的螺旋弹簧。在该情况下，平坦面9和11可基本上与螺旋轴线正交形成。

下面将针对一般的螺旋弹簧叙述。

（无间隙高度比）

图7（a）、7（b）和7（c）是示出根据该实施例的扁平率和无间隙高度比之间关系的曲线。在图7（a）、7（b）和7（c）中，应力比τ/P固定，并且弹簧指数D/W在3、5和7之间变化。

如图7（a）、7（b）和7（c）中所示，如果扁平率T/W为0.32或更大，则每一个弹簧指数D/W=3,5和7可减小各种规格的螺旋弹簧的应力和无间隙高度。

（无需磨削工艺的承载表面）

弹簧丝3的截面外周基本形状为圆形，并且在该截面形状上，平坦面9用作沿螺旋轴线方向每一侧的承载表面。

平坦面9在螺旋弹簧1形成时在每一个螺旋端部制作，以使平坦面基本上与螺旋轴正交，从而形成承载表面。因此，不需要承载表面的磨削工艺。

此时，扁平率根据螺旋弹簧1的规格选择，以实现等于或优于传统圆形横截面螺旋弹簧的设计。

图8示出螺旋弹簧的螺旋圈总数和弹簧丝截面扁平率之间的关系，所述螺旋弹簧不涉及磨削工艺，并且实现与具有圆形横截面并且涉及磨削工艺的正常螺旋弹簧相同无间隙高度。图8中，螺旋直径、弹簧常数和应力比τ/P固定。

在低于图8中示出的线条（更小的扁平率）下方的区域中，可能实现等于或优于传统圆形横截面设计的设计。该线条表述如下：

Y=-0.0000023837x X⁴+0.0002456386x X³-0.0090929958x X²+0.147730555x X+0.0180485763

其中X是总圈数，Y是扁平率。

用于汽车的AT或CVT的回位弹簧、用于扭转阻尼器的扭簧或用于引擎的阀弹簧具有相对粗的弹簧丝直径、相对大的螺旋直径和大操作载荷，并且因此其螺旋总圈数约为11.2或更小。由于弹簧丝直径较厚，并且螺旋直径大，因此消除磨削工艺的结果是更大地缩短工艺时间和减少磨削量。

因此，具有总圈数11.2或更少的弹簧可采用具有低于上述线条的扁平率的弹簧丝截面形状，以消除磨削工艺，并且实现等于或优于传统的圆形截面弹簧的性能。

（承载表面磨削量降低）

可进行磨削工艺，同时选择扁平率来降低比相关技术更小的磨削余量（abrasive margin），以通过缩短工艺时间和降低磨削量，使设计等于或优于传统的圆形截面设计。

通常，螺旋弹簧需要0.75圈的磨削量来使螺旋弹簧在使用中稳定。根据所述实施例，这可减少到0.5圈或更小，以缩短工艺时间和磨削量。

图9示出螺旋弹簧的总螺旋圈数和弹簧丝截面扁平率之间的关系，所述螺旋弹簧涉及承载表面磨削余量为0.5圈，并且实现与具有圆形横截面并且涉及磨削工艺的正常螺旋弹簧相同的无间隙高度。图9中，螺旋内径、弹簧常数和应力比τ/P固定。

在图9中所示的线条下方（更小的扁平率）的区域中，可能实现等于或优于传统圆形截面设计的设计。该线条表述为：

Y=-0.0000065161x X⁴+0.0004455905x X³-0.0110490116x X²+0.1189494097x X+0.4928257777

其中，X是总圈数，Y是扁平率。

（卷绕的失稳）

图10是示出具有平坦面的螺旋弹簧的局部剖视图，其中图10（a）是没有失稳的情况，图10（b）是失稳的情况。图11是示出失稳出现的曲线。

当具有扁平横截面的弹簧丝材料类似于图10（a）卷绕时，螺旋有时类似于图10（b）失稳。失稳增大螺旋弹簧的无间隙长度和应力，并且使扁平横截面的设计优势变差；因而，优选是不引起失稳。

卷绕的失稳具有以下关系：

小T/W→大失稳

小D/W→大失稳

大导向部间隙→大失稳

通过FEM分析（卷绕模拟）检测无间隙模型上的0.1mm的适当导向部间隙下的失稳。结果如图11中所示，如果W/D≤0.5(D/W≥2)并且W/T≤5(T/W≤0.2)，不出现失稳。

即，根据本发明的实施例，螺旋弹簧1具有弹簧丝3，其以螺旋形状卷绕，并且其截面外周基本形状是圆形。在弹簧丝3的截面外周形状的螺旋内径侧部分5和螺旋外径侧部分7之间形成平坦面9和11，以使沿螺旋轴线4的方向彼此相邻的螺旋部分在其通过成形抵接面9和11抵接而稳定。具有平坦面9和11的截面外周形状的沿螺旋轴线的扁平率T/W设置在0.2≤T/W≤0.83的范围内。

（承载表面研磨）

螺旋弹簧的端部研磨来形成承载表面，以使弹簧在使用中稳定。关于这点，需要磨削工艺。该工艺耗费时间，并且由于其产生磨削渣泥而影响环境。这在螺旋弹簧具有粗弹簧丝和大螺旋直径时特别严重。

关于这点，所述实施例在弹簧丝材料部分的每一侧具有平坦面9，以实现等于或优于相关技术的性能，同时消除磨削工艺或缩短工艺时间并且减小磨削余量。这还降低成本，并且通过减少磨削渣泥保护环境。

阀弹簧

可用于阀弹簧的内容为上述内容中不限制到扭簧的那些内容，例如形成平坦面和设置扁平率T/W，该扁平率T/W实现应力比等于或低于具有圆形截面外周形状的螺旋弹簧的应力比，和关于一般的螺旋弹簧提到的那些内容。另外，必须提及以下内容：

（第一圈断裂）

阀弹簧的端部和第一圈包括弹簧丝-弹簧丝接触部分，其由于接触压力产生高接触应力，并且造成通过丸击（shot peening）形成的弹簧丝表面上的增强层的脱落。这导致起始于弹簧丝之间的高接触压力部分的疲劳断裂。

本发明的所述实施例形成平坦面，以增大弹簧丝-弹簧丝抵接面积，并且减小接触压力和磨削，由此几乎不造成第一圈断裂。

（喘振减小）

阀弹簧造成共振现象，即在实际使用中喘振，增大应力并且降低耐久性。为了抑制喘振，通过弹簧丝之间接触和分离来吸收喘振能量被认为是有效的。

本发明的所述实施例增大弹簧丝之间的抵接面积。这期望提高吸收的能量并且抑制喘振。

（引擎顶尺寸降低）

如果根据所述实施例提供最佳模式的扁平率，则可缩小阀弹簧的无间隙高度10%或更大。这导致降低引擎顶的高度、使引擎变轻和降低燃料消耗。

[AT回位弹簧]

适用于AT回位弹簧的内容为上述内容中不限于扭簧的那些内容，例如形成平坦面，并且设置实现等于或低于具有圆形截面外周形状的螺旋弹簧的应力比的应力比T/W，以及关于一般的螺旋弹簧叙述的那些内容。另外，必须提及下面的内容：

AT回位弹簧沿螺旋轴线方向具有有限的空间。因此，必须减少其圈数。这产生出现载荷偏心而倾斜地推动活塞并且造成摩擦的问题。

本发明的所述实施例可降低无间隙高度，以提高圈数，从而几乎不造成载荷偏心。

Claims

1.一种螺旋弹簧，包括：

弹簧丝，其以螺旋形状卷绕，并且其截面外周基本形状为圆形；和

成形抵接面，其形成在所述弹簧丝的截面外周形状的螺旋内径侧部分和螺旋外径侧部分之间，以使在螺旋轴线方向彼此相邻的螺旋部分通过所述成形抵接面抵接而稳定，其中

在螺旋轴线方向具有成形抵接面的截面外周形状的扁平率T/W设置成使应力比等于或低于其截面外周基本形状为圆形的螺旋弹簧的应力比τ/P;

其中，“T”是螺旋内径侧部分沿螺旋轴线的方向的最大厚度尺寸、螺旋外径侧部分沿螺旋轴线的方向的厚度或螺旋内径侧部分和螺旋外径侧部分沿螺旋轴线的方向的平均厚度，

“W”是弹簧丝的截面外周基本形状的直径，

“τ”是螺旋最内圆周处的最大剪切应力，

“P”是施加到螺旋的载荷，以及

其中所述螺旋形状具有螺旋圈总数，所述螺旋圈总数设置在具有比螺旋弹簧的螺旋圈总数和弹簧丝截面扁平率之间的关系的线条更小的扁平率的区域中，螺旋直径、弹簧常数和应力比固定，所述螺旋弹簧不涉及磨削工艺或者涉及具有降低的磨削余量的承载表面磨削工艺，并且实现与具有圆形横截面并且涉及承载表面磨削工艺的正常螺旋弹簧相同无间隙高度。

2.根据权利要求1中所述的螺旋弹簧，其中，所述扁平率设置为T/W≤0.83。

3.根据权利要求1或2所述的螺旋弹簧，其中，所述扁平率设置为0.2≤T/W。

4.根据权利要求1或2所述的螺旋弹簧，其中，所述成形抵接面为平坦面。

5.根据权利要求1或2所述的螺旋弹簧，其中，所述成形抵接面布置在所述弹簧丝在螺旋轴线方向的截面形状的每一侧。

6.根据权利要求1或2所述的螺旋弹簧，其中，所述螺旋形状的螺旋轴线为直线形状，并且所述成形抵接面基本上正交于所述螺旋轴线形成。

7.根据权利要求1或2所述的螺旋弹簧，其中，所述螺旋形状的螺旋轴线为圆弧形状，并且所述成形抵接面基本上沿所述螺旋轴线的曲率半径方向形成。

8.根据权利要求7中所述的螺旋弹簧，其中，所述弹簧丝的螺旋形状设置成螺旋轴线在自由状态下呈圆弧形状。

9.根据权利要求7中所述的螺旋弹簧，其中，所述弹簧丝的螺旋形状设置成在自由状态下螺旋轴线呈直线形状或曲率半径与装配状态的曲率半径不同的形状，并且当装配时，变成具有装配状态的曲率半径的圆弧形状。