JP5281927B2 - ばねの積層構造 - Google Patents

Description

本発明は、第１部材と第２部材との間で、孔部を有する本体部を備えた複数個のばねを、孔部の形成面が対向するように積層したばねの積層構造に係り、特にばねの積層技術に関する。

自動車産業や、精密機器産業、家電、建築等の各種分野では、振動伝達を抑制する技術が要求されている。振動伝達の抑制技術は、エンジンや、高速回転するモータ、洗濯機の脱水槽、建築物等に適用されている。振動伝達の抑制技術としては、対象物と支持部により構成される系の固有振動数を、所定の振動数帯域よりも十分に低く設定することが有効である。その手法として、支持部のばね定数を小さくすることが考えられるが、この場合、ばね定数を小さくしたとき、高荷重を支えるためには、ばねを大きくしなければならない。

そこで、対象物と支持部との間に皿ばねを用いる手法が提案されている（たとえば特許文献１）。皿ばねの荷重特性は、図１１に示すように、ばね定数が低い領域Ａを有するから、高荷重を支えることができるとともにばね定数を小さく設定することができる。そして、このような皿ばねを重ねて使用することにより、高荷重を得ることができるとともに、省スペース化を図ることができる。

特開平１０−３１１３６９号公報

しかしながら、皿ばねは、その形状が荷重印加により略平坦状をなすように変形するときに、皿ばねの内周縁部および外周縁部が、相手部材に対して摺動して摩擦が発生する。このため、図１０に示すように、皿ばね２０１を重ねた場合、皿ばね２０１同士の間および皿ばね２０１と相手部材１０１，１０２との間で摺動して摩耗が生じる。その結果、皿ばねの使用範囲を図１１の領域Ａの範囲に設定した場合、実際の荷重曲線には、図１２に示すように、ヒステリシスが生じる。

さらに、皿ばね２０１では、荷重印加時に上記のように外周部は移動するため、皿ばね２０１同士を互いに固定していない。このため、皿ばね２０１同士が横滑りして偏荷重が発生するから、皿ばね２０１同士の軸合わせ用のガイド２０２が必要であった。

したがって、本発明は、ばね同士の間およびばねと相手部材との間での摺動による摩耗の発生、および、荷重特性でのヒステリシスの発生を防止することができるとともに、ばね同士の軸合わせ用のガイドが不要となるばねの積層構造を提供することを目的としている。

本発明のばねの積層構造は、第１部材と第２部材との間で、孔部を有する本体部を備えた複数個のばねを、孔部の形成面が対向するように積層した積層構造であって、本体部の内周部および外周部に形成されるとともに、隣接するばねに向けて突出する積層部を備え、本体部と積層部との境界部に角部が形成され、角部は、その角度が第１部材および第２部材からの押圧力に応じて変化するように弾性変形可能であり、内周部側の積層部では、角部側の端部の内径が角部側とは反対側の端部の外径よりも大きく設定され、外周部側の積層部では、角部側の端部の外径が角部とは反対側の端部の内径よりも小さく設定され、押圧力が加えられた時の角部の弾性変形では、内周部側の積層部における角部側の端部は縮径し、外周部側の積層部における角部側の端部は拡径することを特徴としている。

本発明のばねの積層構造では、相手部材（第１部材および第２部材）に隣接するばねでは、積層部の端部（角部とは反対側の端部）が相手部材に当接する。この場合、ばねでは、荷重印加時に角部が弾性変形することができるので、積層部における角部と相手部材との間の距離を適宜設定することにより、荷重印加時に積層部の相手部材近傍の部位の変形を防止することができる。したがって、積層部の相手部材に対する摺動を防止することができるので、積層部と相手部材との間に摩耗が発生しない。その結果、荷重特性でのヒステリシス発生を防止することができる。

また、互いに隣接するばね同士において、内周部側の積層部では、角部側の端部の内径が角部側とは反対側の端部の外径よりも大きく設定され、外周部側の積層部では、角部側の端部の外径が角部とは反対側の端部の内径よりも小さく設定されている。これにより、複数個のばねの積層では、互いに隣接するばねの内周部側の積層部同士を嵌合することができ、かつ互いに隣接するばねの外周部側の積層部同士を嵌合することができる。したがって、ばね同士の間での横滑り（軸方向とは垂直な方向の変位）の発生を防止することができる。その結果、ばね同士の軸合わせ用のガイドが不要となる。

ばねの積層部同士の当接する部分では、荷重印加時、互いに向けて変形することにより、そこに大きな接触力が発生するので、その当接部分が固定される。したがって、積層部同士の当接部分の相対的変位を防止することができるので、積層部同士での摩耗の発生を防止することができ、その結果、荷重特性でのヒステリシス発生をさらに防止することができる。また、各ばねのたわみが等しくなるから、ばねの設置個数分の発生荷重を確実に得ることができる（すなわち、ばねの個数がＮの場合、積層構造の発生荷重をばね単体の発生荷重のＮ倍とすることができる）。

本発明のばねの積層構造は種々の構成を用いることができる。たとえば、積層部同士が当接する部分は、固定することができる。この態様では、荷重印加時に、互いに当接している積層部同士の相対的変位を確実に防止することができるので、上記接触力による固定の場合と同様な効果を得ることができる。

本発明のばねの積層構造が適用されるばねは種々の形状を用いることができる。たとえば、積層部の断面は、端部同士を接続するような直線状をなすことができる。この場合、積層部同士が当接する部分の長さが、積層部の長さの１５％以上に設定することにより、上記接触力による効果を確実に得ることができる。また、本体部の断面はＳ字状あるいは階段状をなすことができる。

本発明のばねの積層構造によれば、荷重特性でのヒステリシス発生を防止することができ、かつばね同士の軸合わせ用のガイドが不要となるのはもちろんのこと、ばねの個数分の発生荷重を確実に得ることができる。

本発明の実施形態に係るばねの積層構造が第１部材と第２部材の間に設置されている状態を表す側断面図である。 図１に示すばねの構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はばねの右側部分の側断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は、図２のばねの内周部側積層部および外周部側積層部の端部の長さの関係を表す側断面図である。 図１に示すばねの右側部分の動作状態を表し、（Ａ）は、ばねの動作前（点線）と動作時（実線）の側断面図であり、（Ｂ）は、ばねの動作時の第１角部および第２角部の拡大側断面図である。 荷重印加時におけるばねの第１積層部同士の変形状態を表す概念図である。 本発明例の３個のばねの積層構造とばね単体の荷重特性に関するシミュレーション結果を表すグラフである。 図２に示すばねの変形例の構成を表し、ばねの変形例の右側部分の側断面図である。 図２に示すばねの変形例の構成を表し、ばねの変形例の右側部分の側断面図である。 図２に示すばねの変形例の構成を表し、ばねの変形例の右側部分の側断面図である。 皿ばねが重ね合わされて第１部材と第２部材の間に設置されている状態を表す側断面図である。 皿ばねの荷重特性を表すグラフである。 ヒステリシスが生じる実際の皿ばねの荷重特性を表すグラフである。

（１）第１実施形態
（１−１）実施形態の構成
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る複数（たとえば３個）のばね１の積層構造が第１部材１０１と第２部材１０２の間に設置されている状態を表している。図２は、ばね１の構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はばね１の右側部分の側断面図である。図２（Ｂ）では、１個のばね１が第１部材１０１と第２部材１０２の間に設置されている状態を表している。図３（Ａ），（Ｂ）は、ばね１の積層部１１，１２の端部の外径および内径の関係を表す側断面図である。

ばね１は、たとえば中心部に孔部１０Ａが形成された本体部１０を備えている。本体部１０は、たとえば第１部材１０１および第２部材１０２からの押圧力の方向に対して交差する方向に延在しており、下方に向かうに従って傾斜して皿ばねとしての機能を有する。本体部１０の上面および下面が孔部１０Ａの形成面である。孔部１０Ａは、たとえば円形状をなしている。

本体部１０の内周部には、第１部材１０１に向けて突出する第１積層部１１（内周部側の積層部）が設けられている。第１積層部１１では、図３（Ａ）に示すように、角部１３側の端部の内径ｓ２が角部１３とは反対側の端部の外径ｓ１よりも大きく設定されている（すなわち、ｓ２＞ｓ１）。第１積層部１１は、たとえば、その断面が直線状をなすとともに、第１部材１０１から本体部１０に向かうに従って拡径するテーパ部である。

本体部１０の内周部には、第２部材１０２に向けて突出する第２積層部１２（外周部側の積層部）が設けられている。第２積層部１２では、角部１４側の端部の外径ｔ１が角部１４とは反対側の端部の内径ｔ２よりも小さく設定されている（すなわち、ｔ１＜ｔ２）。第２積層部１２は、たとえば、その断面が直線状をなすとともに、本体部１０から第２部材１０２に向かうに従って拡径するテーパ部である。

第１積層部１１および第２積層部１２が、上記のように構成されているので、互いに隣接するばね１の第１積層部１１同士が嵌合可能となり、互いに隣接するばね１の第２積層部１２同士が嵌合可能となる。

本体部１０と第１積層部１１との境界部には第１角部１３が形成され、本体部１０と第２積層部１２との境界部には第２角部１４が形成されている。第１角部１３および第２角部１４は、第１部材１０１および第２部材１０２からの押圧力に応じて、その角度（図４の角度α，β）が変化するように弾性変形可能である。第１角部１３および第２角部１４は、種々の手法により形成することができる。第１角部１３および第２角部１４は、たとえば、本体部１０と第１積層部１１の境界部および本体部１０と第２積層部１２の境界部を折り曲げて形成することができる。また、たとえば、本体部１０と第１積層部１１の溶接および本体部１０と第２積層部１２の溶接により形成することができる。

荷重印加時における積層部１１，１２の機能について、おもに図４を参照して説明する。図４は、第１部材１０１と第２部材１０２の間に設置された１個のばね１の動作状態を表し、（Ａ）は、ばね１の動作前（点線）と動作時（実線）の断面図であり、（Ｂ）は、ばね１の動作時の第１角部１３および第２角部１４の拡大断面図である。

図２（Ａ）の点線で示すように、第１部材１０１と第２部材１０２の間に配置されたばね１に対して、第１部材１０１から下側方向の荷重を加える。すると、図４（Ｂ）の実線で示すように、ばね１は撓んで第１部材１０１が下方に移動する。図４（Ａ）中の符号ｄは、ばね１の撓みの大きさを示している。図４（Ｂ）中の破線は、変形前の積層部１１，１２の形状を示している。

本体部１０は、第１部材１０１からの押圧力の方向に交差する方向に延在し、ばね１の上側において第１積層部１１は、本体部１０の内周部から第１部材１０１に向けて突出してそこに当接している。そのような本体部１０と第１積層部１１の境界部に形成した第１角部１３は、荷重印加時に第１部材１０１からの押圧力に応じて弾性変形することができる。

具体的には、第１積層部１１における第１角部１３側部分（点Ｓ１より下側の部分、以下、下側部分）は、上記のような位置関係にある本体部１０と第１積層部１１の境界部に形成された部位であるから、荷重印加時に角度αを変化させながら、本体部１０の内周部の内側（図の左側）に移動することができる（すなわち、縮径変形することができる）。第１積層部１１における中間部分（点Ｓ１と点Ｓ２との間の部分、以下、中間部分）は、荷重印加時、本体部１０の内周部の外側（図の右側）に移動することができる（すなわち、拡径変形することができる）。このように第１積層部１１における下側部分および中間部分は、荷重印加時に変形することができるから、第１積層部１１の長さを適宜設定することにより、第１積層部１１における第１部材１０１側部分（点Ｓ２より上側の部分、以下、上側部分）の変形を防止することができる。

一方、ばね１の下側において第２積層部１２は、本体部１０の内周部から第２部材１０２に向けて突出してそこに当接している。この場合、第１角部１３と同様な機能を有する第２角部１４では、荷重印加による弾性変形時に、第２積層部１２における第２角部１４側部分（点Ｔ１より上側の部分、以下、上側部分）は、荷重印加時に角度βを変化させながら、本体部１０の外周部の外側（図の右側）に移動することができる（すなわち、拡径変形することができる）。第２積層部１２における中間部分（点Ｔ１と点Ｔ２との間の部分、以下、中間部分）は、荷重印加時、本体部１０の外周部の内側（図の左側）に移動することができる（すなわち、縮径変形することができる）。このように第２積層部１２における上側部分および中間部分は、荷重印加時に変形することができるから、第２積層部１２の長さを適宜設定することにより、第２積層部１２における第２部材１０２側部分（点Ｔ２より下側の部分、以下、下側部分）の変形を防止することができる。

以上のようにばね１は、積層部１１，１２に不変形部分を有するので、ばね１と相手部材との摺動を防止することができる。その結果、ばね１の荷重特性では、皿ばねで問題となっていたヒステリシスが発生しない。

（１−２）実施形態の動作
以上のような積層部１１，１２を備えたばね１の積層構造の動作について、おもに図１，２を参照して説明する。

３個のばね１は、図１に示すように、第１部材１０１と第２部材１０２の間で本体部１０における孔部１０Ａの形成面が対向するように積層されている。この場合、上側ばね１の第１積層部１１の上端部は、第１部材１０１の下面に当接している。下側ばね１の第２積層部１２の下端部は、第２部材１０２の上面に当接している。

ここで、第１積層部１１では、図３（Ａ）に示すように、角部１３側の端部の内径ｓ２が角部１３とは反対側の端部の外径ｓ１よりも大きく設定されている（すなわち、ｓ２＞ｓ１）。第２積層部１２では、図３（Ｂ）に示すように、角部１４側の端部の外径ｔ１が角部１４とは反対側の端部の内径ｔ２よりも小さく設定されている（すなわち、ｔ１＜ｔ２）。

これにより、図１に示すように、中間側ばね１の下側ばね１に対する積層では、中間側ばね１の第２積層部１２の内面が、下側ばね１の第２積層部１２の外面に当接し、中間側のばね１の第１積層部１１の内面が、下側のばね１の第２積層部１２の外面に当接する。このようにして下側ばね１は、中間側ばね１に嵌合する。

上側ばね１の中間側ばね１に対する積層では、上側ばね１の第２積層部１２の内面が、中間側ばね１の第２積層部１２の外面に当接し、上側のばね１の第１積層部１１の内面が中間側のばね１の第２積層部１２の外面に当接する。このようにして中間側ばね１は、上側ばね１に嵌合する。

以上のように配置された３個のばね１の積層構造に対して、第１部材１０１から下側方向の荷重を加えると、図４に示したように、上側ばね１の第１積層部１１の上端部では、第１部材１０１の下面との間での摺動を防止することができる。また、下側ばね１の第２積層部１２の下端部では、第１部材１０２の上面との間での摺動を防止することができる。これにより、荷重特性でのヒステリシス発生を防止することができる。

また、第１積層部１１同士および第２積層部１２同士は、上記のように互いに嵌合するので、ばね同士の間での横滑り（軸方向とは垂直な方向の変位）の発生を防止することができる。これにより、ばね同士の軸合わせ用のガイドが不要となる。

第１積層部１１同士では、図５に示すように、上側ばね１の下側部分と、中間側ばね１の上側部分および中間部分とが当接する。この場合、荷重印加時、上側ばね１の下側部分は縮径変形しようとし、中間側ばね１の中間部分は、拡径変形しようとするから、互いの当接部分には大きな接触力Ｐが発生し、それら当接部分は固定される。第２積層部１２は、図５に示したように、第１積層部１１と同様な機能を有するから、第２積層部１２同士の当接部分も固定される。このような当接部分の固定は、中間側ばね１と下側ばね１の第１積層部１１同士および第２積層部１２同士でも同様に行われる。

これにより、互いの当接部分の相対的変位を防止することができるので、積層部同士での摩耗の発生を防止することができる。これにより、荷重特性でのヒステリシス発生をさらに防止することができる。また、ばね１のたわみが等しくなるから、ばねの設置個数分の発生荷重を確実に得ることができる。

図６は、本発明例の３個のばねの積層構造とばね単体の荷重特性に関するシミュレーション結果を表すグラフである。本発明例に用いられるばねでは、荷重特性に摩擦によるヒステリシスが発生しないことを確認した。また、本発明例のばねの積層構造（ばねの個数が３）では、積層構造の発生荷重は、ばね１単体の発生荷重の３倍となり、ばねの設置個数分の発生荷重を確実に得ることができることを確認した。

特に、積層部１１，１２同士が当接する部分の長さを、積層部１１，１２の長さの１５％以上に設定することにより、上記接触力による効果を確実に得ることができる。

（２）第２実施形態
本発明の第２実施形態では、図１に示すばね１の積層構造において、第１積層部１１同士および第２積層部１２同士が当接する部分を各種固定手法や固定手段により固定している以外は、第１実施形態と同様な構成である。なお、第２実施形態では、第１実施形態と同様な構成要素には同符号を付し、第１実施形態と同様な作用を有する構成要素の説明は省略している。

第２実施形態では、固定手法として、溶接や、接着、かしめ等を用いることができる。また、固定手段としては、当接部分を互いに嵌合させる凹凸部等を用いることができる。第２実施形態では、第１積層部１１同士および第２積層部１２同士の当接部分を固定しているので、互いの当接部分の相対的変位を防止することができ、その結果、第１実施形態における接触力による固定の場合と同様な効果を得ることができる。

（３）変形例
以上のように上記実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。なお、以下の変形例では、上記実施形態と同様な構成要素には同符号を付し、その説明は省略している。

上記実施形態では、積層部１１，１２の断面は、端部同士を接続するような直線状をなすようにしたが、これに限定されるものではなく、積層部１１，１２の端部の外径および内径が、図３（Ａ），（Ｂ）に示したような関係が成立する範囲内で種々の変形が可能である。たとえば、積層部１１，１２の断面は、図７に示すように、段差１１Ａを有することができる。また、積層部１１，１２の断面は曲線形状をなすことができる。

また、たとえば上記実施形態では、内周部から外周部に向かって下方に傾斜するテーパ状をなす本体部１０を用いたが、これに限定されるものではなく、本体部は種々の形状を用いることができる。たとえば、図８に示すばね２では、内周部から外周部に向かって階段状をなす本体部２０を用いている。本体部２０の階段状は、縦方向部２１および横方向部２２からなる複数の段部を有している。縦方向部２１と横方向部２２の境界部には、角部２３が形成され、段部同士の境界部には角部２４が形成され、角部２３，２４は、上記実施形態の角部１３，１４と同様な機能を有することができる。さらに図９に示すばね３では、略Ｓ字状をなす本体部３０を用いている。

また、第１積層部１１および第２積層部１２が当接する第１部材１０１および第２部材１０２には、そこに第１積層部１１および第２積層部１２を固定するストッパを形成することができる。さらにばね１の本体部および積層部には、軽量化のためにスリットを形成することができる。

本発明のばねの積層構造は、締結機構等の各種機構や、防振装置等の各種装置に適用することができる。以上のような各種変形例は適宜組み合わせることができるのは言うまでもない。

１，２，３…ばね、１０，２０，３０…本体部、１０Ａ…孔部、１１…第１積層部（内周部側積層部）、１１Ａ…段差部、１２…第２積層部（外周部側積層部）、１３…第１角部（角部）、１４…第２角部（角部）、１０１…第１部材、１０２…第２部材、α ，β…角度、ｓ１，ｔ１…外径、ｓ２，ｔ２…内径

Claims (6)

1. 第１部材と第２部材との間で、孔部を有する本体部を備えた複数個のばねを、前記孔部の形成面が対向するように積層したばねの積層構造において、
   前記本体部の内周部および外周部に形成されるとともに、隣接するばねに向けて突出する積層部を備え、
   前記本体部と前記積層部との境界部に角部が形成され、前記角部は、その角度が第１部材および第２部材からの押圧力に応じて変化するように弾性変形可能であり、
   前記内周部側の積層部では、前記角部側の端部の内径が前記角部側とは反対側の端部の外径よりも大きく設定され、
   前記外周部側の積層部では、前記角部側の端部の外径が前記角部とは反対側の端部の内径よりも小さく設定され、
   前記押圧力が加えられた時の前記角部の弾性変形では、前記内周部側の積層部における前記角部側の端部は縮径し、前記外周部側の積層部における前記角部側の端部は拡径することを特徴とするばねの積層構造。
2. 前記積層部同士が当接する部分は、固定されていることを特徴とする請求項１に記載のばねの積層構造。
3. 前記積層部の断面は、前記端部同士を接続するような直線状をなすことを特徴とする請求項１または２に記載のばねの積層構造。
4. 前記本体部の断面はＳ字状あるいは階段状をなすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のばねの積層構造。
5. 前記積層部同士が当接する部分の長さが、前記積層部の１５％以上の長さであることを特徴とする請求項３に記載のばねの積層構造。
6. 前記第１部材の前記第２部材に対する相対的変位時、前記ばねのたわみが互いに等しいことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のばねの積層構造。
   

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