JP5268261B2 - コイルばね - Google Patents

Description

本発明は、捩り振動減衰器のトーション・スプリング等に供されるコイルばねに関する。

従来、クラッチ・ディスクに使用されているトーション・スプリング等において、コイル形状に巻かれるばね素線の円形断面の外周形状に成形当接面として扁平面を設けたものがある。

このコイルばねは、コイル形状が密着状態若しくはロック状態になるまでばねに負荷がかかると、扁平面が隣接するコイル部分に当接して負荷を安定して受け、コイル径方向へのずれを抑制することができる。

しかし、一般にコイルばねは、ばね素線のコイル形状に対して内径側となる部分（コイル内径側部分）の応力が、同外径側となる部分（コイル外径側部分）よりも高くなる。さらに、前記扁平面を設けることにより、前記応力の偏りと併せ、ばね素線の断面周方向の応力の分散状態がさらに影響を受ける。

一方、ばね素線に扁平面を設けた場合、その断面形状の扁平率が小さくなれば、扁平面が当接するときのコイル軸線方向の密着長を短くすることができ、ストロークの長い低剛性のばねを設計する上で有利でもある。

図１３は、扁平率Ｔ／Ｗの相違によるばね指数Ｄ／Ｗと応力比との関係を示すグラフ、図１４は、扁平率Ｔ／Ｗの相違によるばね指数Ｄ／Ｗと密着高さ比との関係を示すグラフである。図１５のばね素線１０１の符号を参照すると、Ｔは、コイル軸線方向の最大寸法、Ｗは、コイル半径方向の最大寸法、Ｄは、コイル中心径である。

図１３では、円形断面のばね素線に扁平面を設けた場合について、ばね定数及び密着高さを一定とし、応力比を確認した。図１４では、円形断面のばね素線に扁平面を設けた場合について、ばね定数及び応力を一定とし、密着高さ比を確認した。図１３，図１４の何れも、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．９２のばね指数Ｄ／Ｗに対する応力の変化を１とし、この扁平率Ｔ／Ｗ＝０．９２に対する扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６のコイルばねについて応力比及び密着高さ比を確認した。

図１３，図１４のように、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．９２に対して扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６になると、応力及び密着高さの何れも小さくなった。

図１５，図１６は、従来のコイルばねにおけるばね素線の断面において、有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した説明図である。ばね素線１０１は、ベースとなる円形の断面に扁平面１０３を伸線等により形成し、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．９２としたものである。ばね素線１０５は、ベースとなる円形の断面に扁平面１０７を伸線等により形成し、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６としたものである。

図１５，図１６の比較から明らかなように、ベースが円形断面のばね素線１０１，１０５では、扁平面１０３，１０７の形成によりコイル内径側部分１０８の応力を扁平面１０３，１０７にまで分散できている。しかし、円形断面の場合には、扁平率Ｔ／Ｗが小さくなると周方向での応力分散はできているが、応力分散の連続性が低下する結果となり、扁平面１０３，１０７の形成により扁平率Ｔ／Ｗを小さくして応力の均一化を図ることに限界がある。

図１７は、図１５，図１６と同様に、有限要素法による応力分布状態の解析結果を示したものである。ばね素線１０９は、矩形の断面に形成されたものである。この矩形の断面を有するばね素線１０９の場合も、コイル内径側部分１０８の応力を分散することができると共に、密着状態で安定して負荷を受けることができる点では図１５，図１６と同様である。

しかし、図１７のばね素線の場合も、応力分散の連続性に関しては、同一の扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６である図１６の例と比較しても低下している。

すなわち、従来の円形断面や矩形断面のばね素線に扁平面を設けたコイルばねでは、密着状態で負荷を安定して受けさせると共に扁平率を小さくして密着長を短くし、且つ断面形状の周方向での応力分散の連続性により応力分布の均一性を向上させることに限界があった。
特開平６−３０００６５号公報 特開平１０−８２４４０号公報

解決しようとする問題点は、従来のばね素線に成形当接面を設けたコイルばねでは、密着状態で負荷を安定して受けさせると共に扁平率を小さくして密着長を短くし、且つ断面形状の周方向での応力分散の連続性により応力分布の均一性を向上させることに限界があった点である。

本発明は、密着状態で負荷を安定して受けさせると共に扁平率を小さくして密着長を短くし、且つ断面形状の周方向での応力分散の連続性により応力分布の均一性をより向上させるために、コイル形状に巻かれるばね素線の断面外周形状につき、コイル内径側部分を、ｘ^２＋ｙ^２＝ｂ^２で表わされる半円形状とし、コイル外径側部分を、（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの非円形形状とし、前記αの値を、α＝１．８５〜２．４５の範囲としたコイルばねであって、前記ばね素線における断面外周形状のコイル内外径側部分間に、コイル軸線方向の両側に形成され前記コイル軸線方向に隣接するコイル部分が当接可能な成形当接面を前記半円形状及び非円形形状に渡って設けたことを最も主要な特徴とする。

本発明は、コイル形状に巻かれるばね素線の断面外周形状につき、コイル内径側部分を、ｘ^２＋ｙ^２＝ｂ^２で表わされる半円形状とし、コイル外径側部分を、（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの非円形形状とし、前記αの値を、α＝１．８５〜２．４５の範囲としたコイルばねであって、前記ばね素線における断面外周形状のコイル内外径側部分間に、コイル軸線方向の両側に形成され前記コイル軸線方向に隣接するコイル部分が当接可能な成形当接面を前記半円形状及び非円形形状に渡って設けたため、成形当接面により密着状態で負荷を安定して受けさせると共に扁平率を小さくして密着長を短くし、且つ断面外周形状の周方向での応力分散の連続性により応力分布の均一性をより向上させることができる。

密着状態で負荷を安定して受けさせると共に扁平率を小さくして密着長を短くし、且つ断面形状の周方向での応力分散の連続性により応力分布の均一性を向上させることを同時に達成させるという目的を、コイル内径側部分のｘ^２＋ｙ^２＝ｂ^２で表わされる半円形状と、コイル外径側部分の（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの非円形形状とで形成した断面外周形状に、成形当接面を設けることで実現した。

［コイルばね］
図１は、本発明実施例１に係るコイルばねの正面図、図２は、コイル形状内径側の要部拡大断面図、図３は、ばね素線の拡大断面図、図４は、ばね素線の断面に用いる外周基礎形状を示す説明図である。

図１のコイルばね１は、例えばデュアルマス・フライ・ホイール又はトルクコンバーター用ロック・アップ又は湿式或いは乾式のクラッチ機構用（として設計された）フリクションディスクのトーショナル・ダンパ（捩り振動減衰器）内に組付けられるものであり、ばね素線３が、コイル形状に巻かれたものである。このコイルばね１は、自由状態でコイル軸線４が円弧形状であり、この円弧形状は、組付け状態での曲率半径Ｒを有している。

図２〜図４のように、コイルばね１のばね素線３は、ｘ^２＋ｙ^２＝ｂ^２で表わされる半円形状のコイル内径側部分５と（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの非円形形状のコイル外径側部分７とでなる外周基礎形状（図４）に対し、成形当接面としての扁平面９，１１を設けた構成となっている。αの値は、α＝１．８５〜２．４５の範囲とした。

扁平面９，１１は、ばね素線３における断面形状のコイル軸線方向両側に設けられ、図２，図３のように、ばね素線３の断面形状が楔状となるように相互に傾斜形成されている。本実施例において、扁平面９，１１の傾斜は、コイルばね１の円弧形状の曲率半径方向に沿っている。扁平面９，１１の幅Ｈは、扁平率Ｔ／Ｗに依存し、本実施例では、Ｔ／Ｗ＝０．７６に設定されている。

この扁平面９，１１は、扁平率Ｔ／Ｗ及び傾斜設定により、相互角度θ及び半円形状のコイル内径側部分５の最大寸法Ｔを有する。相互角度θは、コイルばね１の曲率中心を中心とする。

［応力分散］
図５は、有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した説明図である。図５のように、ばね素線３では、扁平面９，１１の形成によりコイル内径側部分５の応力を扁平面９，１１にまで連続して分散できている。同じ扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６の図１６の例と比較して明らかなように、図５の本実施例では扁平率を小さくしながら応力の連続した均一な分散を確実に達成できた。

前記コイル内外径側部分５，７の形状を逆に形成することもできる。

図６は、参考例に係りコイル外径側部分７を半円形状とし、コイル内径側部分５を非円形形状とした場合に、有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した説明図である。すなわち、図６のばね素線３Ａは、コイル外径側部分７をｘ^２＋ｙ^２＝ｂ^２で表わされる半円形状とし、同コイル内径側部分５を（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの非円形形状とした外周基礎形状とし、この外周基礎形状に対して成形当接面としての扁平面９，１１を外周面に設けている。図６のように、このばね素線３Ａでも、扁平率を小さくしながら応力の連続した均一な分散を確実に達成できた。しかも、図５の例よりも、さらに連続した均一な分散を達成できた。

なお、図６の外周基礎形状を持つコイルばねについては、本出願人が既に提案した（特公平６−２３５８３号公報）。

［応力比、密着高さ比、重量比］
図７は、外周基礎形状（ベース）の相違によるばね指数Ｄ／Ｗと応力比との関係を示すグラフ、図８は、ベースの相違によるばね指数Ｄ／Ｗと密着高さ比との関係を示すグラフ、図９は、ベースの相違によるばね指数Ｄ／Ｗと重量比との関係を示すグラフ、図１０は、ばね指数Ｄ／Ｗの相違による扁平率Ｔ／Ｗと応力比との関係を示すグラフ、図１１は、ばね指数Ｄ／Ｗの相違による扁平率Ｔ／Ｗと密着高さ比の関係を示すグラフである。

図７〜図９では、外周基礎形状（ベース）が円、矩形、半円部内径側（図５の断面形状）、半円部外径側（図６の断面形状）の各ばね素線に扁平面を設けた場合に、図７では、ばね定数及び密着高さを一定とし、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６について応力比を確認した。図８では、同ばね定数及び応力を一定とし、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６について密着高さ比を確認した。図９では、同ばね定数及び応力を一定とし、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６について重量比を確認した。図７〜図９の何れも、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６でベースが円のときを１として、ベースが矩形、半円部内径側（図５の断面形状）、半円部外径側（図６の断面形状）の各ばね素線について、それぞれのばね指数Ｄ／Ｗに対して応力比、密着高さ比、重量比を確認した。

図７〜図９のように、ベースが矩形の結果は、応力比、密着高さ、重量比の何れもベースが円の結果を大幅に上回ったのに対し、ベースが半円部内径側（図５の断面形状）、半円部外径側（図６の断面形状）の何れのばね素線の結果も、ベースが円の時の応力、密着高さ、重量を下回ることが確認できた。

図１０では、ベースが半円部外径側（図６の断面形状）のばね素線について、ばね定数及び密着高さを一定として応力比を確認し、図１１では、ベースが半円部外径側（図６の断面形状）のばね素線について、ばね定数及び応力を一定として密着高さ比を確認した。図１０，図１１の何れにおいても、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６の時の応力及び密着高さを１とし、扁平率Ｔ／Ｗを変化させて確認した。

図１０，図１１のように、何れのばね指数Ｄ／Ｗにおいても扁平率が小さくなるにつれて応力、密着高さの同様な変化傾向を得ることができた。

［αと応力比］
図１２は、αの値を変えたときの応力比の変化を示すグラフである。図１２は、ベースが半円部外径側（図６の断面形状）、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６のばね素線に係り、ばね定数、コイル外径、密着高さを一定とした。図１２には、比較例として、ベースが円形で扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６、０．９２の２例と、ベースが矩形で扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６との応力比も併せて示している。

ここで、ベースが円形で扁平率Ｔ／Ｗ＝０．９２の応力比を１として比較し、応力比が１を下回る範囲を特定すると、図１２よりα＝１．８５〜２．４５となる。このα＝１．８５〜２．４５の範囲であれば、ベースが円形で扁平率Ｔ／Ｗ＝０．９２の比較例に対して設計的に有利である。

［実施例１の効果］
本発明実施例１は、コイル形状に巻かれるばね素線３の断面外周形状につき、コイル内径側部分５を、ｘ^２＋ｙ^２＝ｂ^２で表わされる半円形状とし、コイル外径側部分７を、（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの非円形形状とし、前記αの値を、α＝１．８５〜２．４５の範囲としたコイルばね１であって、前記ばね素線３における断面外周形状のコイル内外径側部分５，７間に、コイル軸線４方向の両側に形成されコイル軸線４方向に隣接するコイル部分が当接可能な扁平面９，１１を半円形状及び非円形形状に渡って設けたため、扁平面９，１１により密着状態で負荷を安定して受けさせると共に扁平率Ｔ／Ｗを小さくして密着長を短くし、且つ断面形状の周方向での応力分散の連続性により応力分布の均一性をより向上させることができる。

このため、ねじりダンパ用コイルばね等に必要とされる長いストロークで低剛性のばねを設計する上で十分な品質を得ることが容易となる。また、動的状態でのノイズや振動の発生を低減するフィルタ機能を容易に向上させることができる。この機能は、エンジン系統に組み付けられるトーショナル・ダンパ（ねじれ振動ダンパ）に要求される。

扁平面９，１１を、ばね素線３における断面形状のコイル軸線４方向両側に設けたため、コイル密着状態でのコイル軸線４方向の負荷を確実に受けることができ、コイル径方向へのずれを確実に抑制することができる。

扁平面９，１１は、ばね素線の断面形状が楔状となるように相互に傾斜形成されているため、コイル軸線４が円弧形状の場合であっても、コイル軸線４方向の負荷を確実に受けることができ、コイル径方向へのずれを確実に抑制することができる。

特に、コイル外径側部分７が前記非円形形状であると、コイルばね１の円弧形状の内周側において、図２のようにばね素線３の断面形状に与える影響を極力少なくして扁平面９，１１を形成することができる。

ばね素線３のコイル形状は、自由状態でコイル軸線が円弧形状であるため、コイル軸線４を円弧形状に組み付けることが容易となり、且つ扁平面９，１１コイル軸線４の円弧形状に応じて容易に設定することができる。

ばね素線３のコイル形状は、組み付け状態でコイル軸線４の曲率半径Ｒを有する形状に設定することもできる。この場合、扁平面９，１１のコイル軸線４の曲率に応じた設計自由度を確保することができる。

コイルばね１は、デュアルマス・フライ・ホイール又はトルクコンバーター用ロック・アップ又は湿式或いは乾式のクラッチ機構のトーショナル・ダンパ（ねじれ振動吸収装置）に組み付けることができる。このため、長いストロークで低剛性のコイルばねの適用が可能となる。
［その他］
成形当接面は、扁平面９，１１に限らず、多少の凸面又は凹面で形成することもできる。また、成形当接面は、ばね素線３のコイル軸線４方向一方側が多少の凸面、同他側が多少の凹面等に形成することもできる。

コイルばねの正面図である（実施例１）。 コイル形状内径側の要部拡大断面図である（実施例１）。 ばね素線の拡大断面図である（実施例１）。 ばね素線の断面に用いる外周基礎形状を示す説明図である（実施例１）。 有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した説明図である（実施例１）。 有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した説明図である（参考例）。 ベースの相違によるばね指数Ｄ／Ｗと応力比との関係を示すグラフである（実施例１）。 ベースの相違によるばね指数Ｄ／Ｗと密着高さ比との関係を示すグラフである（実施例１）。 ベースの相違によるばね指数Ｄ／Ｗと重量比との関係を示すグラフである（実施例１）。 ばね指数Ｄ／Ｗの相違による扁平率Ｔ／Ｗと応力比との関係を示すグラフである（実施例１）。 ばね指数Ｄ／Ｗの相違による扁平率Ｔ／Ｗと密着高さ比の関係を示すグラフである（実施例１）。 ベースが半円部外径側のばね素線の場合について、αの値を変えたときの応力比の変化を示すグラフである（参考例）。 扁平率Ｔ／Ｗの相違によるばね指数Ｄ／Ｗと応力比との関係を示すグラフである（従来例）。 扁平率Ｔ／Ｗの相違によるばね指数Ｄ／Ｗと密着高さ比との関係を示すグラフである（従来例）。 有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した説明図である（従来例）。 有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した説明図である（従来例）。 有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した説明図である（従来例）。

１ コイルばね
３ ばね素線
４ コイル軸線
５ コイル内径側部分
７ コイル外径側部分
９，１１ 扁平面（成形当接面）

Claims (6)

1. コイル形状に巻かれるばね素線の断面外周形状につき、
   コイル内径側部分を、ｘ^２＋ｙ^２＝ｂ^２で表わされる半円形状とし、
   コイル外径側部分を、（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの非円形形状とし、
   前記αの値を、α＝１．８５〜２．４５の範囲としたコイルばねであって、
   前記ばね素線における断面外周形状のコイル内外径側部分間に、コイル軸線方向の両側に形成され前記コイル軸線方向に隣接するコイル部分が当接可能な成形当接面を前記半円形状及び非円形形状に渡って設けた、
   ことを特徴とするコイルばね。
2. 請求項１記載のコイルばねであって、
   前記成形当接面は、扁平面に形成された、
   ことを特徴とするコイルばね。
3. 請求項１又は２記載のコイルばねであって、
   前記両成形当接面は、ばね素線の断面形状が楔状となるように相互に傾斜形成されている、
   ことを特徴とするコイルばね。
4. 請求項１〜３の何れか1項記載のコイルばねであって、
   前記ばね素線のコイル形状は、自由状態でコイル軸線が円弧形状である、
   ことを特徴とするコイルばね。
5. 請求項１〜４何れか1項記載のコイルばねであって、
   前記ばね素線のコイル形状は、コイル軸線が組付け状態での曲率半径を有した円弧形状である
   ことを特徴とするコイルばね。
6. 請求項１〜５の何れか1項記載のコイルばねであって、
   デュアルマス・フライ・ホイール又はトルクコンバーター用ロック・アップ又は湿式或いは乾式のクラッチ機構用フリクションディスクのトーショナル・ダンパ（捩り振動減衰器）内に組付けられる
   ことを特徴とするコイルばね。