JP2016008678A - コイルスプリング及びそれを用いた油圧制御機器 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルスプリングに圧縮力が作用すると、該コイルスプリングに曲げモーメントが作用する。【解決手段】コイルスプリング１に圧縮力が作用すると、座巻き部と該座巻き部に隣接するコイル素材とが自己接触位置Ａ，Ｂにて接触する。コイルスプリングの両端部の自己接触位置Ａ，Ｂが、コイルスプリングを軸方向からみた平面視において一致又は近接した位置にある。これにより、曲げモーメントの原因となるコイルスプリング両端部で生じる横力Ｆｕ，Ｆｄは小さい。【選択図】図３

Description

本発明は、圧縮して用いられるコイルスプリング、並びに該コイルスプリングが用いられるスプールバルブ及びダンパ等の油圧制御機器に関する。

コイルスプリングは、モジュレータバルブ、切換えバルブ等のスプールバルブ等において、スプール等の摺動部材を一方向に付勢する手段として多く用いられている。該コイルスプリングは、スプールを摺動自在に支持する中空部のスプリングハウジング部に収納されてスプールの一端に圧縮状態で収納され、かつスプールの他端からの力により上記圧縮力は変化する。

該コイルスプリングは、その両端から作用する圧縮力により座屈して、上記中空部のスプリングハウジング部にその一端が接触して弾性係数が変化する可能性がある。

本出願人は、上記不具合を解決するため、コイルスプリングの素線を１回（３６０度）巻いたときの有効巻き数を１ターンとして、前記コイルスプリングを同一平面上の環状位置として表現するとき、巻き始め端部と巻き終わり端部の位置が０．２５±０．２５ターンの範囲内とし、かつ、巻き始め端部面と巻き終わり端部面の各面が平面と接触したときの非接触範囲が各略０．１〜０．３ターンの範囲内としたコイルスプリングを提案した（特許文献１参照）。

これにより、巻き始め端部の非接触範囲と巻き終わり端部の非接触範囲とは重なり合わない位置となり、コイルスプリングの長さ方向から圧縮力を加えた場合、巻き始め端部と巻き終わり端部の面に加えられたコイルスプリングの長さ方向に加える外力を両端部がバランスよく受け止め、座屈を生じ難くすることができる。

特開２００９−８５２７１号公報

上記特許文献１のものは、コイルスプリングの座屈の発生要因として、巻き始め端部と巻き終り端部との関係を着目したものであり、該巻き始め端部と巻き終り端部との関係が０．２５ターン（９０°）のとき、コイルスプリング両端の研削された平面部からなる接触部以外の非接触範囲で、コイルスプリングの中心線に対して対称となることを根拠とするものである。

しかし、上記コイルスプリングを試験して測定すると共に解析した結果、必ずしも、正確に上記特許文献１の通りにならないものも現出した。そこで、本発明者等は、鋭意研究した結果、中空部の壁面の摩耗発生の要因として、コイルスプリングに作用する横力（コイルスプリングの軸線（中心線）に直交する方向の力；サイドフォース）によって傾いたスプールが中空部の壁面に片当たりすることが要因の１つであることを発見した。

本発明は、上記横力の大きさがコイルスプリングの両端部の自己接触位置の平面視での距離に起因することに着目してなされたものである。

本発明は、両端部に平面部を有する座巻き部を備えたコイルスプリングにおいて、軸方向に圧縮力が作用すると、前記座巻き部と該座巻き部に隣接するコイル素材とが接触する自己接触位置を備え、両端部の前記自己接触位置が、前記コイルスプリングを軸方向からみた平面視において一致又は近接した位置にある、ことを特徴とする。

本発明は、スプールと、該スプールを摺動自在に収納する中空部を有するハウジングとを備えた油圧制御機器において、前記ハウジングの中空部にスプリングハウジング部を設け、該スプリングハウジング部に前記コイルスプリングを収納し、該コイルスプリングが、前記スプールと前記ハウジングに一体の固定部との間に縮設されて、前記スプールを付勢してなることを特徴とする。

コイルスプリングの両端部の自己接触位置が、平面視において一致又は近接した位置にあるので、コイルスプリングに作用する横力を低減することができる。

前記油圧制御機器は、スプールを付勢するコイルスプリングが、両端部で自己接触位置が平面視において一致又は近接した位置にある前記コイルスプリングからなるので、該コイルスプリングに生じる横力が小さく、スプールが中空部の壁面に片当たりすることを低減して、油圧機器の性能を長期に亘って保持し得る。

本実施の形態によるコイルスプリングを示す斜視図であり、（ａ）はつづみ型スプリング、（ｂ）はストレート型スプリングを示す。 本実施の形態に係るコイルスプリングの自己接触を説明する図で、（ａ）はコイル素材に作用する曲げモーメントを示す側面図、（ｂ）はそれによる自己接触を示す側面図。 巻数及び自己接触位置の違いによる横力（サイドフォース）を解析した図。 巻数及び自己接触位置と横力の関係を示す図。 コイルスプリングを用いた油圧制御機器を示し、（ａ）はモジュレータバルブの断面図、（ｂ）はダンパの断面図。

本実施の形態に係るコイルスプリングは、図１（ａ）に示すつづみ型スプリング１_１と、図１（ｂ）に示すストレート（円筒）型スプリング１_２とがある。両コイルスプリング１_１，１_２（以下１と表記する）とも、両端部は、研削加工により平面に加工されて座巻き部２，３となっており、それより中央側は、隣接するコイル素材１ａの間隔が等間隔からなる有効巻き部５となっている。上記両コイルスプリング１は共に、巻き始め端部（下端部）Ｓと巻き終り端部（上端部）Ｅとが、コイルスプリングを軸方向にみた平面視において円の１／４（９０°）ずれた位置になるように設計されている。即ち、コイルスプリング１の有効巻き数をＸとし、該コイルスプリングを同一平面上の環状位置で表現すると、Ｘ．２５となる。製造誤差等を考えて、有効巻き数を１ターンとしたとき、同一平面での巻き始め端部Ｓと巻き終り端部Ｅの位置が０．２５±０．２５ターンの範囲内にある。

上記コイルスプリング１の座巻き部２，３は、それぞれコイルスプリングを収納したスプリングハウジング部の端面及びスプール等の摺動部材に接触しており、その非接触範囲が各略０．１〜０．３ターンの範囲内にあり、例えば巻き始め部面ＳＦの非接触範囲ＳＮが０．２５ターンであり、巻き終り端面ＥＦの非接触範囲ＥＮが０．２５ターンである。

そして、上記コイルスプリング１は、その両端から軸方向の圧縮力が作用すると、その軸方向長が収縮するが、その際両端部Ｓ，Ｅから所定長さ離れた位置において、座巻き部２，３とそれに隣接する１巻目のコイル素材１ａとが接触する（自己接触位置Ａ，Ｂ）。該自己接触について、図２に沿って説明する。図２（ａ）に示すように、座巻き部２は、研削された平面部ｄがあり、該平面部ｄがスプール及び固定部等の当接部に当接して、上記軸方向圧縮力によってもコイル素材１ａが捩られることはないが、それ以外のコイル素材には、上記圧縮力により捩りモーメントが発生する。また、コイル素材１ａには、コイル全長に亘って曲げモーメントが作用する。上述したように、平面部ｄで固定部に接している座巻き部２には、上記捩りモーメント及び曲げモーメントは上記平面部ｄから固定部材に作用して担持されるが、上記平面部ｄがなくなって円形断面（線径）となる有効巻き部５からは、上記捩りモーメント及び曲げモーメントがコイル素材に応力として作用する。

従って、平面部ｄがなくなった（座巻き部２が終った）部分Ｇを中心として、コイル素材１ａには上記捩りモーメント及び曲げモーメントが作用する。例えば、図２（ａ）の座巻き部２の終り部分Ｇを固定支持として、コイルスプリング１の中心線Ｏ−Ｏを中心とした半径Ｒからなる梁が延びている状態となる。該断面円形の梁であるコイル素材１ａに、上記圧縮力に起因する荷重が伝播して、曲げモーメントＭが作用する。この状態では、図２（ｂ）に示すように、最大曲げモーメントは、上記固定支持点Ｇから所定長さ離れた位置にあり、座巻き部２に隣接するコイル素材１ａは、上記曲げモーメントＭにより撓み変形するが、有効巻き部５の１巻き目のピッチ角が変化するため、固定部に支持される座巻き部２における端面Ｓから所定長さ離れた自己接触位置Ａに、該座巻き部２に隣接するコイル素材１ａが接触する。

なお、上記説明は、巻き始め端部Ｓ側で説明したが、巻き終り端部Ｅ側でも同様である。また、自己接触位置Ａ，Ｂは、コイルスプリングに作用する圧縮力の大きさにより移動する。

上記圧縮力によりコイル素材１ａを伝播された荷重は、上記自己接触位置Ａ，Ｂにて集中荷重Ｐとして当接部に作用し、該自己接触位置Ａ，Ｂがコイルスプリング１の中心線（軸線）Ｏ−Ｏから離れた円周の所定１個所であるため、該コイルスプリングに偏倚力として作用し、上記自己接触位置Ａ，Ｂがコイルスプリング１の両端面部であるため、コイルスプリング１に、その中心線（軸線）Ｏ−Ｏ方向に対する曲げモーメントとして作用する。これにより、コイルスプリング１には、その両端面部にコイルスプリング１の中心線（軸線）Ｏ−Ｏに垂直な方向の横力（サイドフォース）が対向して作用する。該対向する横力の大きさは、上記自己接触位置Ａ，Ｂの軸方向からみた平面視におけるずれ量（相違）により大きく影響される。

図３は、各コイルスプリングの両端部の位置及び自己接触位置の相違による横力の関係を示す。形状の欄は、コイルスプリングを軸方向からみた（平面視）平面図であり、上端部及び下端部から平面上の環状位置として表現され、それぞれＳは巻き始め端部、Ｅは巻き終り端部であり、Ａは巻き始め端側の自己接触位置、Ｂは巻き終り端側の自己接触位置を示す。中段は、ストレート（円筒）型のコイルスプリング１_２の横力の作用位置及びその大きさを示し、下段は、つづみ型のコイルスプリング１_１の横力の作用位置及びその大きさを示す。なお、グラフ（中段及び下段）において、黒丸は上（巻き終り）端側の横力、白丸は下（巻き始め）端側の横力を示す。横力は、解析により求めた値であるが、実測値も略々同様の傾向となる。

図３（ａ）は、平面視において、コイルスプリングの両端部Ｓ，Ｅは、略々一致した（重なった）位置にあり（Ｘ．００巻き）、両端部Ｓ，Ｅから所定長さずれた位置にそれぞれ自己接触位置Ａ，Ｂがある。なお、巻き始め（下）端部Ｓと巻き終り（上）端部Ｅとは、重なった位置となるが、図面上離して表記してある。該形状では、上側横力は、横軸（Ｘ−Ｘ軸）から所定長さ離れた位置において縦軸（Ｙ−Ｙ軸）方向の所定（例えば２Ｅ）の横力が作用し、かつ上側横力Ｆｕと下側横力Ｆｄとは、反対方向に対向して作用する。従って、該コイルスプリングには、該コイルスプリングの軸長に上記横力を乗じた、中心軸Ｏ−Ｏに対する曲げモーメントが作用する。

図３（ｃ）は、平面視において、コイルスプリングの両端部Ｓ，Ｅは、略々１８０°離れた対称位置にあり（Ｘ．５０巻き）、両端部Ｓ，Ｅから所定長さずれた位置にそれぞれ自己接触位置Ａ，Ｂがある。該形状では、コイルスプリングの両端部分に、横方向（Ｘ−Ｘ軸方向）に所定（例えば３Ｅ）の横力Ｆｕ，Ｆｄが反対方向に対向して作用し、従って該コイルスプリングには、上記曲げモーメントが作用する。図３（ｄ）は、平面視において、コイルスプリングの両端部Ｓ，Ｅが３／４回転離れた位置にあり（Ｘ．７５巻き）、両端部Ｓ，Ｅから所定長さずれた位置にそれぞれ自己接触位置Ａ，Ｂがある。この形状では、コイルスプリングの両端部分に斜め方向に所定（例えば３√２Ｅ）の横力Ｆｕ，Ｆｄがそれぞれ対向して作用し、該コイルスプリングには、大きな曲げモーメントが作用する。

図３（ｂ）は、平面視において、コイルスプリングの両端部Ｓ，Ｅが１／４回転（ターン）離れた位置にあり（Ｘ．２５巻き）、両端部Ｓ，Ｅから所定長さずれた位置に自己接触位置Ａ，Ｂがある。なお、巻き始め（下）端側自己接触位置Ａと巻き終り（上）端側自己接触位置Ｂとは、図面上離して表記してあるが、実際は一致しているか又は近接しており、少なくとも一部が重なっている。この形状にあっては、コイルスプリングの上端部及び下端部に対向して作用する横力Ｆｕ，Ｆｄは、小さいか又は殆ど０であり、従ってコイルスプリングに作用する曲げモーメントは０か又はあっても極めて小さい。つづみ型のコイルスプリング１_１がストレート型のコイルスプリング１_２より横力が小さいが、これは、つづみ型では、自己接触面が座巻き部の内径側面となって、その分、自己接触位置において有効巻き部のコイル素材１ａから座巻き部に作用する荷重Ｐの分力が小さくなるためである。

図４は、巻数及び自己接触位置と横力との関係を示す図である。ここで、上述したように、巻数Ｘの小数点以下は、コイルスプリングを軸方向からみた平面視（コイルスプリングを同一平面上の環状位置としてみるとき）による巻き始め位置（下端位置）Ｓと巻き終り位置（上端位置）Ｅとの１ターン（３６０°）に対するずれ量であり、自己接触位置は、巻き始め端（下端）側の自己接触位置Ａと巻き終り端（上端）側の自己接触位置Ｂとの１ターンに対するずれ量を示す。該図４から明らかなように、上下での自己接触位置Ａ，Ｂが一致しているとき（０）、横力は最も小さく、−０．０８（−２８．８°）と＋０．１２（＋４３．２°）の範囲で、コイルスプリングとスプリング収納部との接触のない通常使用の許容範囲となる。該通常使用範囲にあっては、コイルスプリングの横力によって傾いたスプールが中空部壁面と片当たりすることによる摩耗の発生が低減される。

なお、自己接触位置Ａ，Ｂは、コイルスプリングに作用する圧縮力の変化により移動するが、使用範囲において上下の自己接触位置Ａ，Ｂの移動範囲が、少なくとも一部が重なるように設定すれば、上記横力によるコイルスプリング及び収納部の接触による摩耗及びコイルスプリングの弾性係数の変化等の不具合が発生しない。また、上記横力によりスプールが傾き、中空部壁面に片当たりすることによる摩耗の発生を低減する。

図５は、上述したコイルスプリング１_１，１_２を用いた油圧制御機器を示す断面図である。モジュレータバルブ１０は、図５（ａ）に示すように、スプール１１と、該スプールを摺動自在に収納する中空部１２ａを有するハウジング１２とを備える。ハウジング１２には、中空部１２ａに連通する制御油室１３、ドレーンポート１５、入力ポート１６、出力ポート１７、スプリングハウジング部１９及び該スプリングハウジング部１９に連通するドレーンポート１８が形成されている。スプール１１は、２個のランド部１１ａ，１１ｂと、これらランド部の間の小径連通部１１ｃと、小径のロッド部１１ｄと、を有する。該ロッド部１１ｄを囲うようにコイルスプリング１が配置され、該コイルスプリングは、上記スプリングハウジング部１９内に収納されて、上記中空部１２ａを閉塞するプラグ１４の装着により所定の圧縮力が付与されている。

上記モジュレータバルブ１０は、以上のような構成からなり、制御油室１３に所定の制御油圧（又はフィードバック圧）が作用し、スプール１１をコイルスプリング１の付勢力に抗して移動する。これにより、スプール１１の小径連通部１１ｃが入力ポート１６に対するドレーンポート１５及び出力ポート１７の連通割合を調整して、入力ポート１６の入力圧を調圧して出力ポート１７から出力する。

この際、コイルスプリング１は、制御油室１３に制御油圧が作用していない設定圧縮力と、最大制御油圧が作用してロッド部１１ｄの先端がプラグ１４に当接する最大圧縮力状態との間で圧縮力が変化する。該使用範囲内にあっては、巻き始め端（下端）側の自己接触位置Ａと巻き終り端（上端）側の自己接触位置Ｂとが平面視において少なくとも一部が重なるように設定されている。これにより、コイルスプリング１に作用する横力は小さく、コイルスプリング１がスプリングハウジング部１９に接触することが防止される。また、スプール１１が傾き、中空部１２ａの壁面に片当たりすることが低減される。

ダンパ２０は、図５（ｂ）に示すように、スプール（ピストン）２１と、該スプール２１を摺動自在に収納する中空部２２ａを有するハウジング２２とを備える。ハウジング２２の中空部２２ａには、所定油路に連通するポート２３及びスプリングハウジング部２９が形成されている。スプール２１は、ランド部２１ａと、該ランド部の一端面に形成されている小径の突部２１ｂと、該ランド部の他端面に形成されている小径のロッド部２１ｃとを有する。該ロッド部２１ｃを囲むようにコイルスプリング１が配置され、該コイルスプリング１は、上記スプリングハウジング部２９内に収納されて、上記中空部２２ａを閉塞するプラグ２４の装着により所定の圧縮力が付与されている。

上記ダンパ２０は、以上のような構成からなり、連通ポート２３に作用する油圧がスプール２１をスプリング１の付勢力に抗して移動する。これにより、連通ポート２３の油圧が急激に変動してもスプール２１の移動により吸収され、上記油圧変動が緩和される。

この際、コイルスプリング１は、連通ポート２３に油圧が作用していない設定圧縮力と、油圧が最大に作用する最大圧縮力状態との間で圧縮力が変動するが、該使用範囲にあっては、巻き始め端（下端）側の自己接触位置Ａと巻き終り端（上端）側の自己接触位置Ｂとが平面視において少なくとも一部が重なるように設定されている。これにより、コイルスプリングに作用する横力は小さく、コイルスプリング１がスプリングハウジング部２９に接触することが防止される。また、スプール２１が傾き、中空部２２ａの壁面に片当たりすることが低減される。

上記モジュレータバルブ１０及びダンパ２０は、自動車に搭載される自動変速機のバルブボディに配置されることが好適である。また、前記コイルスプリングは、上記モジュレータバルブ１０及びダンパ２０に限らず、切換えバルブ等のあらゆる油圧制御機器に適用可能である。更に、前記コイルスプリングは、油圧制御機器に限らず、他の機器に適用可能である。コイルスプリングは、円筒形のストレート型コイルスプリング１_２でも、中央がくびれたつづみ型のコイルスプリング１_１でも適用可能であり、更に中央が膨れたたる型や、座巻が２重以上に巻かれたものであってもよい。

以下、上記開示した内容をまとめて示すと以下の通りである。なお、構成要素の図面対照符号をカッコ内に示したが、これにより特許請求の範囲に記載の構成に何等影響を及ぼすものではない。

１．両端部に平面部（ｄ）を有する座巻き部（２，３）を備えたコイルスプリング（１）において、
軸方向に圧縮力が作用すると、前記座巻き部（２，３）と該座巻き部に隣接するコイル素材（１ａ）とが接触する自己接触位置（Ａ，Ｂ）を備え、
両端部の前記自己接触位置（Ａ，Ｂ）が、前記コイルスプリングを軸方向からみた平面視において一致又は近接した位置にあることを特徴とする。

前記コイルスプリングは、コイル素材に伝播された圧縮力が前記接触位置において座巻き部を介して当接面に集中荷重として作用する。コイルスプリングの両端部の自己接触位置が、平面視において一致又は近接した位置にあるので、コイルスプリングに作用する横力は小さく、これによりコイルスプリングに作用する曲げモーメントは小さく、コイルスプリングに作用する横力が小さくできるので、スプールの傾きを抑制できる。その結果、スプールの片当たりによるスプール自体及び中空壁面の摩耗の発生を低減することができる。

２．前記自己接触位置（Ａ，Ｂ）は、前記圧縮力が変化することによりコイル素材（１ａ）に沿って移動し、
前記コイルスプリングの使用範囲における前記両端部の自己接触位置（Ａ，Ｂ）の移動範囲は、前記コイルスプリングを軸方向からみた平面視において少なくとも一部が重なる位置にある。

これにより、コイルスプリングに作用する圧縮力変化が通常の使用範囲にあっては、圧縮力により変動する両端部の自己接触位置が、少なくとも一部が重なる位置にあるので、コイルスプリングに生じる横力が小さい状態の範囲でコイルスプリングは使用される。

３．前記コイルスプリングは、ストレート（円筒）型のコイルスプリング（１_２）である。また、前記コイルスプリングは、つづみ型のコイルスプリング（１_１）である。

コイルスプリングは、ストレート型でもつづみ型でも適用可能である。

４．スプール（１１）（２１）と、該スプールを摺動自在に収納する中空部（１２ａ）（２２ａ）を有するハウジング（１２）（２２）とを備えた油圧制御機器（１０）（２０）において、
前記ハウジングの中空部（１２ａ）（２２ａ）にスプリングハウジング部（１９）（２９）を設け、
該スプリングハウジング部に前記コイルスプリング（１）を収納し、
該コイルスプリングが、前記スプール（１１）（２１）と前記ハウジング（１２）（２２）に一体の固定部（１４）（２４）との間に縮設されて、前記スプールを付勢してなる。

前記油圧制御機器は、スプールを付勢するコイルスプリングが、両端部で自己接触位置が平面視において一致又は近接した位置にある前記コイルスプリングからなるので、該コイルスプリングに生じる横力が小さく、スプールの傾きを抑制できる。その結果、スプールの中空部の壁面への片当たりによる摩耗の発生及び弾性係数の変化を低減して、油圧制御機器の寿命を長期化すると共に、該油圧制御機器による油圧制御特性、ダンパ特性、切換え応答性の制御特性を向上しかつその特性を長期に亘って保持することができる。

１ コイルスプリング
１_１ つづみ型コイルスプリング
１_２ ストレート型コイルスプリング
１ａ コイル素材
２，３ 座巻き部
５ 有効巻き部
Ｓ 巻き始め端部
Ｅ 巻き終り端部
Ａ，Ｂ 自己接触位置
１０，２０ 油圧制御機器（モジュレータバルブ，ダンパ）
１１，２１ スプール
１２，２２ ハウジング
１２ａ，２２ａ 中空部
１９，２９ スプリングハウジング部
１４，２４ 固定部（プラグ）

Claims (3)

1. 両端部に平面部を有する座巻き部を備えたコイルスプリングにおいて、
   軸方向に圧縮力が作用すると、前記座巻き部と該座巻き部に隣接するコイル素材とが接触する自己接触位置を備え、
   両端部の前記自己接触位置が、前記コイルスプリングを軸方向からみた平面視において一致又は近接した位置にある、
   ことを特徴とするコイルスプリング。
2. 前記自己接触位置は、前記圧縮力が変化することによりコイル素材に沿って移動し、
   前記コイルスプリングの使用範囲における前記両端部の自己接触位置の移動範囲は、前記コイルスプリングを軸方向からみた平面視において少なくとも一部が重なる位置にある、
   請求項１記載のコイルスプリング。
3. スプールと、該スプールを摺動自在に収納する中空部を有するハウジングとを備えた油圧制御機器において、
   前記ハウジングの中空部にスプリングハウジング部を設け、
   該スプリングハウジング部に、請求項１または２のいずれか１項記載のコイルスプリングを収納し、
   該コイルスプリングが、前記スプールと前記ハウジングに一体の固定部との間に縮設されて、前記スプールを付勢してなる、
   油圧制御機器。

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