JP3935979B2 - 波形ばね装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば自動車のオートマチックトランスミッション装置等に用いられる波形ばね装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車の変速装置やクラッチ機構には、クラッチ板等を付勢するためのスプリングとして波形ばね装置を組み込んでなるものがある。この波形ばね装置は、例えば図１０に示すようなものであり、リング状の金属製ばね基体１に周方向に沿って所定の間隔で複数の山谷部２…が設けられてなる。
【０００３】
この波形ばねの製造方法としては、従来は金属板材料から直接上記リング状の基体を打ち抜くことにより行われていた。しかし、このような方法であると材料の歩留まりが非常に悪いことから、最近では図１１（ａ）に示すような帯状の金属板素材３を用い、これを同図（ｂ）に示すようなＣ字リング状、あるいは同図（ｃ）に示すようなコイル状（多層）に曲成することで波形ばね装置を形成する方法が一般に行われている。
【０００４】
このような波形ばね装置については、さらに改良が進められており、例えば、実開平４−７５２４３号公報には上記コイル状の波形ばね装置の山谷部の形状を台形状にすることによって上下層の山谷部のずれを防止したものが開示されている。また、特開平６−２８０９１２号公報には上記山谷部をクロソイド曲線形状とすることによって直線的な荷重・撓み特性を得るようにしたものが開示されている。
【０００５】
さらに、実開昭６０−３３２７号公報には、山谷部の内周側の曲率半径を外周側の曲率半径よりも大きく形成して内外周の応力の均一化を図ったものが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した各種の波形ばね装置は、いずれも完全な線形特性状態での使用のみが想定されている。
すなわち、一般に、上記波形ばね装置の特性の解析は、上記山谷部２の頂部を点支持されてなる真直梁の連続体に近似して行われており、上記山谷部２が完全に押しつぶされて平板状になり対象物に密着する状態（密着状態）については全く考慮されていない。
【０００７】
例えば、前記クロソイド曲線を採用した波形ばね装置（特開平６−２８０９１２号公報）は、荷重特性の直線性を保つことに重点を置いており、上記密着状態については全く言及していない。また、ばねの内外周部の曲率半径についての出願（実開昭６０−３３２７）においても、やはり密着時についての考慮はなく最適形状を明らかにしていない。
【０００８】
さらに、前記台形状の山谷部を有するもの（実開昭６０−３３２７号公報）は、コイル状の波形ばね装置のみが想定され、上下層のずれを防止するためにお互いの山谷部をはじめから密着させたものであり、使用時の変形による密着状態を想定したものではない。
【０００９】
一方、最近の自動車のオートマチックトランスミッション装置等では、省スペース化および軽量化等の点から、この波形ばね装置を線形特性状態から前記密着状態（略板厚近く）にまで圧縮して使用することが要求されており、このような条件の下で最適形状を有する波形ばね装置が必要となってきているという事情がある。
【００１０】
一方、他の問題として上記波形ばね装置の断面形状の変形の問題がある。すなわち、前述したように帯状の素材３（図１１（ａ））を曲成することで波形ばね装置の基体１を形成しようとすると、曲成前は図１２（ａ）に示すような矩形状の断面を有していたものが、曲成時に内周側で圧縮応力が働き外周側では引張応力が働くために、曲成後は歪みによって同図（ｂ）に示すように内周側の厚さが外周側の厚さよりも大きくなってしまい、上記基体１の対象物に当接する面１ａ、１ｂが傾斜面となってしまうということがある。
【００１１】
一般に、断面内における最大応力は断面の中立軸（同図にＴで示す）から最も遠い位置に生じることが知られている。したがって、上記波形ばね装置に生じる内部応力は断面内で不均一となり、最大の内部応力は板厚の最も厚い部分すなわち内周側に生じることとなる。このため、この部分から波形ばね装置の損壊が生じるおそれがある。
【００１２】
また、このような形状では、上記波形ばね装置の山谷部２を幅方向全幅に亘ってを対象物に密着させることができないから、高さ寸法が増大するのみならず、接触部分（図にＡで示す）の圧力が異常に上昇し、この波形ばね装置のみならず対象物にも及ぶおそれがある。
【００１３】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、密着状態の使用が十分に想定され、かつ十分な強度を有する波形ばね装置を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１の手段は、環状をなす基体と、この基体に沿って周方向に所定のピッチで設けられた山谷部とを有する波形ばね装置において、上記山谷部の最小曲率半径Ｒ1 が次式を満足することを特徴とする波形ばね装置である。
【００１５】
【数３】

【００１６】
第２の手段は、上記第１の手段の波形ばね装置において、上記環状の基体は、帯状の素材をこの素材の板厚方向と平行な軸線回りに曲成することで形成されたものであり、この帯状の素材は、上記基体の内周側となる部位の板厚および外周側となる部位の板厚が次式を満たすことを特徴とする波形ばね装置である。
【００１７】
【数４】

【００１８】
第１の手段によれば、この波形ばね装置を略板厚にまで押し縮め、上記山谷部を対象物に対して略平坦状に密着させることができ、この場合でも内部に生じる応力を低く抑えることができるから、この波形ばね装置が破損することを有効に防止することができる。
【００１９】
第２の手段によれば、この波形ばね装置が帯状の素材を曲成して形成するものである場合に、曲成後もその断面形状を略矩形状に保つことができる。したがって、圧縮された場合に対象物に対して面状に密着することができるから、この波形ばね装置および上記対象物に加わる単位面積当たりの圧力を低く抑えることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
図１（ａ）は、この発明の波形ばね装置を示す斜視図である。この波形ばね装置は、リング状（環状）の基体５を有し、この基体５には所定のピッチＰで複数の山谷部６…が形成されている。この山谷部６は、同一曲率半径を有する２つの円弧（山部６ａおよび谷部６ｂ）を凸方向を逆にして互いに連結してなる形状をなす。
【００２１】
また、図１（ｂ）はこの波形ばね装置を乗用車のオートマチックトランスミッション装置に設けた状態を示す側面図である。同図に７、８で示すのは上記オートマチックトランスミッション装置に設けられた一方および他方の押圧体である。オートマチックトランスミッション装置においては、上記一対の押圧体７、８が互いに近接する方向（図に白抜き矢印で示す方向）に押圧されて上記波形ばね装置（山谷部６）を圧縮するようになっている。
【００２２】
図２（ａ）〜（ｃ）は、上記波形ばね装置の谷部６ｂの頂部を拡大して示す側面図である。なお、山部６ａについては、この谷部６ｂと同形状であるので、その説明は省略する。
【００２３】
同図（ａ）は非圧縮の状態を示すものであり、このとき上記谷部６ｂの曲率半径はＲ1 である。また同図に８で示すのは上記他方の押圧体である。また同図（ｂ）は、上記波形ばね装置が上記一方および他方の押圧体７、８によって挟まれて圧縮が開始された状態を示す拡大図である。このとき、上記谷部６ｂには、図に矢印（イ）で示す外力が入力され、上記他方の押圧体８に接した上記谷部６ｂの頂部に最も高い応力が生じる。
【００２４】
この応力の大きさは一般に次のように解析される。すなわち、上記波形ばね装置はこの部分を点支持されてなる真直梁の連続体に近似され、材料力学の公式からこの部分の最大応力は次式（１）で表される。
【００２５】
【数５】

【００２６】
ただし、ここでＥはヤング率、ｔは材料板厚、ｎは一巻あたりの山数、Ｄはばねの径、δは変位である。
なお、上記式（１）は、上記波形ばね装置が上記谷部６ｂ（山部６ａ）の頂部で点支持されている状態でのみ成り立つ式であるが、大きな圧縮力により上記波形ばね装置がさらに圧縮されると、図２（ｃ）に示すように、上記谷部６ｂの曲率半径は圧縮力の増大と共に無限大となる。
【００２７】
ここで曲率半径が無限大とは、同図に示すように上記谷部６ｂが平板状となって他方の押圧体８に密着することを意味し、それ以上曲率半径が変化しない状態をいう。このとき上記谷部６ｂ（密着部分）の内部に生じている応力σは、それまでの曲率半径の変化量（Ｒ1 →無限大）から次式（２）で表される。そしてこのときの応力σが上記波形ばね装置に生じる実質的な最大応力値となる。したがって材料の許容応力をσB とすると、採りうる曲率半径の最小値は次式（３）のようになる。
【００２８】
【数６】

【００２９】
一方、上記波形ばね装置の形状（曲率半径）はスペース的な条件や荷重特性によっても制限される。まず、荷重特性からばね径（Ｄ）、山数（ｎ）等が定まる。また、上記２つの押圧体７、８間のスペース（図１（ｂ）参照）から山有効高さ（ｈ）が定まると、図３に示す図形を描くことができ、上記谷部６ｂ（山部６ａ）が採りうる最大の曲率半径Ｒを幾何学的に求めることができる。すなわち、上記条件において、山部６ａおよび谷部６ｂの曲率を図に示す以上に大きくすると、山部６ａと谷部６ｂの接続部分がずれてこの部分の曲率半径が上記式（３）で示す値よりも小さくなるおそれがあるからである。この図より以下の条件式（４）を導くことができる。
【００３０】
【数７】

そして、この式（４）と、上記式（３）とから、上記波形ばね装置の谷部６ｂ（山部６ａ）の曲率半径Ｒ1 は、次式（５）で示す範囲にあれば良いこととなる。
【００３１】
【数８】

【００３２】
なお、一般（従来）の波形ばね装置においては、変形状態においても常に上記山谷部の頂部は押圧体と点接触している必要があることから、図４や図５に示すように、山谷部の頂部の曲率半径（図にＲａ、Ｒｂで示す）がかなり小さく設定されている。一方、この発明の波形ばね装置は以上に述べたように上記山谷部６が平板状になって各押圧体７、８に密着することを想定しているから、採りうる最小の曲率半径はＥｔ／２σB 以上と、後述するように従来の波形ばね装置の最小曲率半径よりもかなり大きい。
【００３３】
また、この発明の波形ばね装置においては、上記山部６ａと谷部６ｂの接続部分の形状（図３にＢで示す部位の形状）も曲率半径Ｅｔ／２σB 以上でなければならない。この条件を満たせばこの接続部分の形状は特に問われず、直線形状であっても良い。
【００３４】
この発明の好ましい実施例の寸法を図６の表に示す。また同表に、同一設計条件（ばね径、板幅、山数、自由高さ）で設計された従来品１および従来品２の諸現を示す。なお、ここで示す自由高さとは、波形ばね装置を水平に配置したときのその波形ばね装置の上端面から下端面までの寸法で、山有効高さ（ｈ）にばねの板厚分を加えた寸法である。従来品１は、前記式（１）（従来の設計理想式）の下で本発明品と同荷重（３４０ｋｇｆ）で撓み量（厚さ２．１５ｍｍ）が等しくなるように頂部における曲率半径（最小曲率半径）および板厚を定めたものであり、従来品２は、板厚を含めて略全ての寸法が本発明品と等しくなるように上記頂部における曲率半径を定めたものである。なお、本発明品の上記山谷部６の曲線形状は同一曲率半径の円弧を直線部で接続してなる形状をなし、従来品１、２は共に上記山谷部の曲線形状が正弦曲線（図４に示すものに似た形状）なすものである。
【００３５】
同表に示すように、本発明の最小曲率半径は上記式（５）の下で算出された最も小さい値であり１７４．６ｍｍとなっているのに対して、従来品１、２ではこれよりもかなり小さく、それぞれ５７．６ｍｍ、９８．７ｍｍとなっている。また、同表の最下段には、同一の荷重（３４０ｋｇｆ）を加えた際の上記山谷部６における内部応力の最大値を示した。
【００３６】
本発明品の場合、上記荷重（３４０ｋｇｆ）を加えた場合、その厚さは、板厚（２．０５ｍｍ）に近く、上記山谷部６は、図２（ｃ）に示すように略押しつぶされて押圧体に密着している。一方、従来の方法で設計された従来品１は、上記表に示すように同じ荷重で同じ撓み量ではあるが、内部応力が本発明品よりも２０パーセントも大きくなっている。
【００３７】
また、この従来品１よりも板厚が大きく本発明品と同じ板厚寸法を有する従来品２についても、同じ荷重を加えた場合には、本発明品よりも１７パーセントも大きな内部応力が生じている。
【００３８】
すなわち、本発明品と従来品１の応力特性を調べると、図７のグラフに示すようになり、従来品１の応力特性が極限状態まで直線性を有するのに対して、本発明品は比較的低い荷重で上記山谷部６が押しつぶされて平板状になるから応力の上昇が飽和し、同じ荷重を加えた場合でも内部応力の上昇が抑えられるのである。
【００３９】
このような構成によれば、以下に説明する効果を得ることができる。
すなわち、波形ばね装置の山谷部６の最小曲率半径を、この山谷部６を略完全に押しつぶして押圧体７、８に密着させることを想定して設定するようにしたことで、この波形ばね装置を板厚近くにまで押しつぶした場合でも、内部の応力値を従来品に比較してかなり低減することができる。
【００４０】
したがって、上記のような使用状態において波形ばね装置の耐久性を向上させることができ、その分、設計の自由度が高くなる。すなわち、従来の波形ばね装置と比較して板厚を薄くしたり、板幅を狭くすることができるため、波形ばね装置の占有スペースを小さくできる他、軽量化も図ることができる。
【００４１】
このことにより、近年小型、省スペース化が要望されている乗用車のオートマチックトランスミッション装置にも十分に対応することができ、装置の小型化等の目的の達成に寄与しうる。
【００４２】
また、上述したように、この発明の波形ばね装置は耐久荷重がかなり高いので、従来、複数の波形ばね装置で荷重を受けていたところを、１個の波形ばね装置に置換することが可能も可能である。
【００４３】
このことにより、従来複数の波形ばね装置を用いていた製品において、部品点数が減少し、また組み立ても容易になる。
なお、この発明の波形ばね装置は、従来例の項で説明したように、帯状の素材を曲成することで形成することも可能である。この場合、この発明では、曲成後の波形ばね装置の板厚が全幅に亘って略一定となるように、素材の断面形状を整形しておく。
【００４４】
すなわち、従来例の項で説明したように、上記帯状の素材を曲成する際、この素材の内周側に圧縮応力、外周側に引張応力が作用するので、成形後の波形ばね装置の断面形状が図１２（ｂ）に示すように歪んでしまう。
【００４５】
従来品のように、上記山谷部が押しつぶされない範囲内で使用する場合には、この山谷部とこの山谷部が当接する対象物との間に生じる圧力はさほど大きくないので、図１２（ｂ）に示すような断面形状であってもあまり大きな影響はない。しかし、この発明の波形ばね装置の場合には、前述したようにより大きな荷重を加えて使用することが予想されるので、前記のような断面形状では、山谷部と押圧体との間に生じる単位面積当たりの圧力がかなり高くなるということがある。このため、この波形ばね装置や上記押圧体の破損につながるおそれがある。
【００４６】
そこで、この発明では、図８（ａ）に示すように、上記帯状の素材１０の、形成後に基体５の外周側となる部位の厚さｔo を、形成後に内周側となる部位の厚さｔi よりも大きく形成しておくようにした。このことで、曲成時に外周側に引張応力、内周側に圧縮応力が加わることで、曲成後は図８（ｂ）に示すようにこの波形ばね装置の断面形状が矩形状となる。
このためには、材料力学の公式から、上記ｔo 及びｔi を次式（６）に示すような値に設定しておけば良い。
【００４７】
【数９】

なお、ここで、Ｄo は波形ばね装置の外径、Ｗは板幅、ｔc は素材１０の平均板厚（基体５の設計板厚）である。
【００４８】
このような構成によれば、成形後に平均した板厚ｔc の矩形断面を有する波形ばね装置を得ることができる。したがって、高い圧力を加えた場合であっても、波形ばね装置と押圧体８（７）とを全幅に亘って密着させることができるので、両者間に生じる単位面積あたりの圧力を小さくすることができる。したがって、この波形ばね装置や押圧体８が損壊することを有効に防止できる。
【００４９】
なお、この発明は、上記一実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々変形可能である。
たとえば、上記一実施形態では、上記波形ばね装置は、乗用車のオートマチックトランスミッション装置に設けられていたが、これに限定されるものではない。他の装置に設けるようにしても良い。
【００５０】
また、上記一実施形態においては、上記波形ばね装置は一巻きであったがこれに限定されるものではない。図１１（ｃ）に示す従来例のように複数巻きで構成するようにしても良い。
【００５１】
さらに、山谷部６´は、図９に示すような形状であっても良い。この波形ばね装置では、山部６´ａは上記一実施形態と同形状であるが、谷部６´ｂの頂部は上記一実施形態と異なり平坦状になっている。このような形状においても、曲線部の最小曲率半径が前記式（５）を満たすものであれば、上記一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上述べた構成によれば、この発明の波形ばね装置は、山谷部が完全に押しつぶされて平板状になる状態にまで圧縮する場合でも損壊することがないため、狭いスペースに設けることができかつより高い荷重を受けることができる効果がある。
【００５３】
また、帯状の素材を曲成して形成する場合であっても、この波形ばね装置の当接面を当接対象物と平行にすることができ、面当接させることができるから、両者間に生じる圧力の増加を抑えることができ、この波形ばね装置および対象物の損壊を有効に防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態を示す斜視図および側面図。
【図２】同じく、動作を示す拡大工程図。
【図３】同じく、寸法を示す模式図。
【図４】同じく、従来の波形ばね装置の動作を示す工程図。
【図５】同じく、従来の波形ばね装置の動作を示す工程図。
【図６】同じく、本発明品と従来品との性能を比較する表。
【図７】同じく、本発明品と従来品の応力特性を比較するグラフ。
【図８】同じく、断面形状を示す概略斜視図。
【図９】他の実施形態を示す側面図。
【図１０】従来例を示す斜視図。
【図１１】同じく、従来例を示す斜視図。
【図１２】同じく、従来例の断面形状を示す概略斜視図。
【符号の説明】
５…基体、６…山谷部、６ａ…山部、６ｂ…谷部、Ｒ1 …曲率半径。

Claims (2)

1. 環状をなす基体と、この基体に沿って周方向に所定のピッチで設けられた山谷部とを有する波形ばね装置において、
   上記山谷部の最小曲率半径Ｒ１が次式を満足することを特徴とする波形ばね装置。
   

   
2. 請求項１記載の波形ばね装置において、上記環状の基体が、帯状の素材をこの素材の板厚方向と平行な軸線回りに曲成することで形成されたものであり、この帯状の素材における、上記基体の内周側となる部位の板厚および外周側となる部位の板厚が次式を満たすことを特徴とする波形ばね装置。
   

   

Images