JP2001140980A - ばね構体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エネルギーの吸収が少なく、荷重・撓み曲線
が線形性を損なわない、ばね構体と該ばね構体の防錆手
段を提供すること。 【解決手段】 皿ばねを、複数枚、並列に組み合わせて
構成した、ばね構体であって、該ばね構体の外表面が弾
性材で被覆されていると共に、該ばね構体を構成する皿
ばね間に、外表面の弾性材と同質の弾性材を外表面の弾
性材に連続して介在させたことを特徴とするばね構体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、免震・制振・防振
・除振などの振動制御装置並びに荷重を保持したまま変
位を吸収する変位吸収装置（例えば、一定の荷重を与え
る加力装置など）に適用することができる皿ばねを、複
数枚、並列に組み合わせて構成した、ばね構体に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】皿ばねは、小スペースで大荷重を支持で
きる金属ばねであり、その複数枚の組み合わせ方によ
り、任意のばね定数と板間摩擦力を作ることができる。
例えば、図１（ａ）は、１枚の皿ばね（１）の概略の形
態を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ
−Ａ断面図であり、図２（ａ）は、１枚の皿ばね（１）
を複数枚同方向に組み合わせた形態を示す斜視図であ
り、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である
が、その組み合わせ方に関しては、並列と直列があり、
並列は、図３（ａ）に示すように、皿ばね（１）を複数
枚、同方向に配した場合を、また、直列は、図３（ｂ）
に示すように、皿ばね（１）を複数枚、異方向に配した
場合をいい、その挙動は、並列の場合、同一撓みにおい
て、耐荷重性は枚数に比例して大きくなり、直列の場
合、同一荷重において、撓みは枚数に比例して大きくな
る。

【０００３】そして、並列の場合、剛性が増大すると共
に、変形時の皿ばね間の摩擦によりエネルギー損失が生
じ（機械設計便覧、１９９２年３月１０日、丸善
（株）、機械設計便覧編集委員会、ｐ．６７５〜６７
７）、ばね特性を表す荷重・撓み曲線が、図４に示すよ
うな（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）のような非線形を
発現する。このような、非線形性エネルギー吸収の発現
は、皿ばねの用途により長所にも短所にもなる。例え
ば、特開平８−２１８６７８号公報記載の３次元免震装
置の場合は、減衰機能を付与する長所が活用されている
ものである。しかしながら、このような非線形性が好ま
れない技術分野がある。即ち、小さい振動レベルを対象
とする免震・制振・防振・除振などの振動制御装置並び
に荷重を保持したまま変位を吸収する変位吸収装置（例
えば、一定の荷重を与える加力装置）などでは、剛性が
増大し柔軟なばね性能が確保できないため適用すること
に難点がある。

【０００４】特開平８−２１８６７８号公報に記載され
ている皿ばね並びに皿ばねを複数枚並列に組み合わせた
ばね構体のばね機能としての特性を表わす荷重・撓み曲
線を、図４を援用して説明すると、この皿ばね（１）
は、金属材料としてＣｒ−Ｍｎ鋼（ＪＩＳ ＳＵＰ
９）、寸法は、Ｄ（外径）２２５ｍｍ、ｄ（内径）１１
２ｍｍ、ｔ（板厚）１０ｍｍ、ｈ（有効高さ）６ｍｍの
皿ばね（１）を使用したものであって、皿ばね（１）１
枚のばね構体（Ａ１）の荷重・撓み曲線を（Ａ）で表わ
し、皿ばね（１）が並列に２枚組み合わせたばね構体
（Ｂ２）の荷重・撓み曲線を（Ｂ）で表わし、皿ばね
（１）が並列に３枚組み合わせたばね構体（Ｃ３）の荷
重・撓み曲線を（Ｃ）で表わし、皿ばね（１）が並列４
枚組み合わせたばね構体（Ｄ４）の荷重・撓み曲線を
（Ｄ）で表わしたものであって、皿ばね（１）の組み合
わせ枚数が多い程、大きな荷重に耐えることを示してい
る。そして、荷重・撓み曲線（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、
（Ｄ）の各々の板間摩擦力の大きさを表わす一つの撓み
量を夫々ａ、ｂ、ｃ、ｄで表わす。このような測定結果
を背景として、皿ばねの組み合わせ方により、任意のば
ね定数と板間摩擦力を作ることができる。

【０００５】さて、このように、前述のように、皿ばね
（１）を単に複数枚並列に組み合わせたばね構体に荷重
をかけた場合、皿ばね（１）相互間の摩擦の影響で撓み
量が増大する一方、荷重が減少した場合の撓み量の減少
は荷重の減少に直ちに追従しない。即ち、荷重・撓み曲
線が非線形を現出し、エネルギー吸収があり、このばね
機能を活用した技術が前述の、特開平８−２１８６７８
号公報記載の３次元免震装置である。

【０００６】一方、荷重が印加された状態下での荷重量
の小さい変化、即ち、小さい振動レベルを対象とする免
震・制振・防振・除振などの振動制御装置並びに荷重を
保持したまま変位を吸収する変位吸収装置（例えば、一
定荷重を与える加力装置）などに適用するばね構体の機
能としては、荷重が変化しても、小変形時も低い剛性
（柔軟性）を必要とするため、エネルギー吸収が少な
く、つまり、図５に模型的に示すような勾配が犠牲にな
らず、かつ荷重・撓み曲線が線形性を損なわれないよう
なばね構体が求められている。

【０００７】さらに、単に皿ばねをばね構体に適用した
場合の問題点は、前記荷重量変化にあるときは追従し、
あるときは追従しない撓み量変化の他に、皿ばねの材料
が金属であるが故、金属の酸化つまり錆の問題がある。
錆によって金属の劣化を惹起し、所望のばね機能が著し
く低下し、ばね構体としての機能を損なう結果を招来す
る。また、これらばね構体を適用した免震装置は、建築
物、機械設備等では、土台などの基礎部に装着されてい
るため、ばね構体の新旧交換は容易ではなく、一度装着
したばね構体は、それら建築物、機械設備等が耐用年数
や不要等による解体に至るまで機能しなければならない
のが実情である。これに対する対策として、ばね構体を
油槽に浸漬して機能させる技術が考えられているが、免
震装置に油槽関連の付帯設備の装着が必要になり、設備
が複雑になり、コスト高が当然予測されるため、具体化
に至っていないのが現状であり、皿ばねを複数枚組み合
わせたばね構体の防錆手段が求められている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
問題点を解決するため、エネルギーの吸収が少なく、荷
重・撓み曲線が線形性を損なわない、ばね構体と該ばね
構体の防錆手段を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題は、本発明者ら
が鋭意検討の結果、（１）「皿ばねを、複数枚、並列に
組み合わせて構成した、ばね構体であって、該ばね構体
の外表面が弾性材で被覆されていると共に、該ばね構体
を構成する皿ばね間に、外表面の弾性材と同質の弾性材
を外表面の弾性材に連続して介在させたことを特徴とす
るばね構体」、（２）「皿ばねを、複数枚、並列に組み
合わせて構成した、ばね構体であって、該ばね構体の外
表面が、弾性材で被覆されていることを特徴とするばね
構体」、そして、（３）「弾性材が、ゴムであることを
特徴とする前記第（１）項又は第（２）項に記載のばね
構体」により達成できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。 （１）本発明における皿ばねの金属材料としては、目的
とするばね機能によって、鋼材を適宜選択することがで
きるが、熱間成形ばね鋼を選択することが好ましい。例
えば、Ｃｒ−Ｍｎ鋼（ＪＩＳ ＳＵＰ ９）、Ｃｒ−Ｖ
鋼（ＪＩＳ ＳＵＰ １０）などを選択することが好ま
しい（「改定５版 金属便覧」、(社)日本金属学会、平
成４年４月２０日第３刷、８・５ 機械構造用鋼・ばね
鋼、８・５・４ ばね鋼、ｐ．５６５〜ｐ．５６６）。

【００１１】（２）皿ばねに被覆・介在する弾性材は、
ゴム例えば天然ゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ブタ
ジエンゴム、イソプレンゴム、アクリルニトリル・ブタ
ジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム等、プラス
チック例えばポリ塩化ビニル、ポリエチレンを適宜選択
し、使用できる。そして、単体及び／又は相互ブレンド
により、目的に見合った処方で行なう。

【００１２】（３）ゴムを被覆・介在する方法は、金型
を用いて、成型・加硫するのが一般的である。そして、
被覆の厚さは、外表面においては、１ｍｍ〜１０ｍｍに
調整し、皿ばね相互間に介在させる厚さにおいては、皿
ばね自体の厚さ以下に調整する。なお、皿ばねとゴムは
接着剤によって接着してもよい。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明するが、本発明は、これら実施例に何等制限され
るものではない。 （１）１枚の皿ばねは、図１（ａ）、（ｂ）に示すよう
な形状で、金属材料がＣｒ−Ｍｎ鋼（ＪＩＳ ＳＵＰ
９）、寸法が、Ｄ（外径）２２５ｍｍ、ｄ（内径）１１
２ｍｍ、ｔ（板厚）１０ｍｍ、ｈ（有効高さ）６ｍｍの
皿ばね（１）を使用した。

【００１４】（２）そして、本実施例の代表例として、
図６(ａ)（皿ばねを単に４枚並列に組み合わせたばね構
体の斜視図）、図６(ｂ)（（ａ）におけるＡ−Ａ断面
図）に示すように、前記、皿ばね（１）が並列４枚組み
合わせの単なるばね構体（Ｄ４）の外表面をゴム（２）
で被覆し、更に、該皿ばね（１）間に、外表面のゴム
（２）と同質のゴム（２）を外表面のゴム（２）に連続
して介在させて、図７(ａ)（ゴムを被覆・介在させた、
本発明のばね構体の斜視図）、図７(ｂ)（（ａ）におけ
るＡ−Ａ断面図）に示すように、本発明のばね構体
（Ｄ'４）を製造した。同様にして、図示しないが、皿
ばね（１）が並列２枚組み合わせの単なるばね構体（Ｂ
２）並びに並列３枚組み合わせの単なるばね構体（Ｃ
３）の外表面をゴム（２）で被覆し、該皿ばね（１）間
に、外表面のゴム（２）と同質のゴム（２）を外表面の
ゴム（２）に連続して介在させて、本発明のばね構体
（Ｂ'２），（Ｃ'３）を製造した。その際のゴム材料
は、硬度４０になるように加硫剤、加硫促進剤、老化防
止剤、補強剤、充填剤、軟化剤等を配合した天然ゴムを
主体としたゴム材料を使用した。

【００１５】ゴムの被覆方法について詳述すると、前記
の天然ゴム配合材料を、前記の単なるばね構体（Ｂ
２）、（Ｃ３）、（Ｄ４）（皿ばね（１）は、予めその
表面をショットブラストにより清拭した）の外表面と皿
ばね（１）相互間に、金型を用いて成型・加硫、被覆し
て、本発明のばね構体（Ｂ'２），（Ｃ'３），（Ｄ'
４）を得た。その際の被覆の厚さは、外表面において
は、７ｍｍ、皿ばね相互間においては、３ｍｍであっ
た。

【００１６】（３）本発明のばね構体（Ｂ'２）、（Ｃ'
３）、（Ｄ'４）の挙動につき、再度図４の荷重・撓み
曲線を参照して説明する。ゴムを被覆・介在させない単
なるばね構体（Ｂ２）、（Ｃ３）、（Ｄ４）の荷重・撓
み曲線（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、非線形の発現がみら
れ、一つの撓み量を表わす（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）が大
きく、板間摩擦力が大であり、エネルギーの吸収が大き
い。これに対し、本発明のばね構体（Ｂ'２）、（Ｃ'
３）、（Ｄ'４）の挙動を表わす荷重・撓み曲線（Ｂ'
２）、（Ｃ'３）、（Ｄ'４）は、板間摩擦力が小さく、
線形に非常に近い軌跡が現出した。そして、一つの撓み
量を表わす単なるばね構体（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に相
当する撓み量が極めて小さく、エネルギーの吸収が殆ど
認められないことが確認された。このことは、単に皿ば
ねを並列に配置すると、皿ばねの変形に伴い、皿ばね相
互間で摩擦力が生ずる。皿ばねに加える力が大きくなる
に従い、この摩擦力が増大するため、図４に示す
（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）のような非線形な特性
が発現し、負荷、除荷過程で異なった軌跡をたどる。一
方、本発明のように、皿ばね間にゴム（弾性体）を介在
させると、皿ばね相互間での擦合はなくゴム（弾性体）
が剪断変形するため、線形性が大きく損なわれることを
避けることができる。しかしながら、ゴム（弾性体）も
圧縮方向に撓むため、単に皿ばねを並列に配置したばね
構体に比較すると、剛性は低下する。また、ゴム（弾性
体）の内部減衰により、若干の減衰特性の低下を生ずる
ことがある。

【００１７】（４）外表面のみをゴムで被覆した本発明
のばね構体につき説明する。本実施例の代表例として、
図６（ａ）、図６（ｂ）に示すような、前記、皿ばね
（１）が単に並列４枚組み合わせのばね構体（Ｄ４）の
外表面をゴム（２）を被覆した場合について図８
（ａ）、図８（ｂ）を参照して説明する。図８（ａ）
は、外表面のみをゴムで被覆した本発明のばね構体の斜
視図であり、図８（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ断面
図である。ゴムの処方、被覆の方法等は前項（２）と同
様で外表面のみを被覆した本発明のばね構体（Ｄ''４）
得た。

【００１８】（５）本発明のばね構体（Ｂ'２）、（Ｃ'
３）、（Ｄ'４）並びに（Ｄ''４）の防錆効果を確認す
るため、それらばね構体を平成１０年１月２１日から９
月２０日までの８ケ月間、ＪＩＳ Ｚ２３８１−１９８
７に準拠して、連続して屋外に暴露後、ゴム（２）を剥
離して内部を目視で観察したが錆の発生を認められなか
った。

【００１９】

【発明の効果】以上、詳細且つ具体的な説明から明らか
なように、本発明のばね構体は、ゴム（弾性材）の被覆
・介在による簡単な構造で、所望のばね機能を得ること
ができると共に優れた防錆効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は皿ばねの斜視図である。（ｂ）は
（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

【図２】（ａ）は皿ばねを単に複数枚並列に組み合わせ
たばね構体の斜視図である。（ｂ）は（ａ）におけるＡ
−Ａ断面図である。

【図３】（ａ）は皿ばねの並列の組み合わせ方を示す断
面図である。（ｂ）は皿ばねの直列の組み合わせ方を示
す断面図である。

【図４】本発明のばね構体及び単に複数枚並列に組み合
わせたばね構体の荷重・撓み曲線を表わす図である。

【図５】エネルギー損失の少ないばねの荷重・撓み曲線
を表わす図である。

【図６】（ａ）は皿ばねを単に４枚並列に組み合わせた
ばね構体を表わす斜視図である。（ｂ）は（ａ）におけ
るＡ−Ａ断面図である。

【図７】（ａ）はゴムを被覆・介在させた、本発明のば
ね構体の斜視図である。（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ
断面図である。

【図８】（ａ）は外表面のみをゴムで被覆した本発明の
ばね構体の斜視図である。（ｂ）は（ａ）におけるＡ−
Ａ断面図である。

【符号の説明】

１ 皿ばね ２ ゴム Ｄ 皿ばねの外径 ｄ 皿ばねの内径 ｔ 皿ばねの板厚 ｈ 皿ばねの有効高さ Ａ１ 皿ばね１枚のばね構体の断面図 Ｂ２ 皿ばね２枚のばね構体の断面図 Ｃ３ 皿ばね３枚のばね構体の断面図 Ｄ４ 皿ばね４枚のばね構体の断面図Ａ 皿ばね１枚のばね構体の荷重・撓み曲線Ｂ 皿ばね２枚のばね構体の荷重・撓み曲線Ｃ 皿ばね３枚のばね構体の荷重・撓み曲線Ｄ 皿ばね４枚のばね構体の荷重・撓み曲線 ａ Ａの一つの撓み量 ｂ Ｂの一つの撓み量 ｃ Ｃの一つの撓み量 ｄ Ｄの一つの撓み量 Ｄ'４ 本発明のゴムを被覆・介在した皿ばね４枚並列
ばね構体の断面図 Ｄ''４ 本発明の外表面のみゴムを被覆した皿ばね４枚
並列のばね構体Ｂ'２ 皿ばね２枚並列の本発明のばね構体の荷重・撓
み曲線Ｃ'３ 皿ばね３枚並列の本発明のばね構体の荷重・撓
み曲線Ｄ'４ 皿ばね４枚並列の本発明のばね構体の荷重・撓
み曲線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 皿ばねを、複数枚、並列に組み合わせて
   構成した、ばね構体であって、該ばね構体の外表面が弾
   性材で被覆されていると共に、該ばね構体を構成する皿
   ばね間に、外表面の弾性材と同質の弾性材を外表面の弾
   性材に連続して介在させたことを特徴とするばね構体。
2. 【請求項２】 皿ばねを、複数枚、並列に組み合わせて
   構成した、ばね構体であって、該ばね構体の外表面が、
   弾性材で被覆されていることを特徴とするばね構体。
3. 【請求項３】 弾性材が、ゴムであることを特徴とする
   請求項１又は請求項２記載のばね構体。