JP5337302B2

JP5337302B2 - ウェーブコイルばね

Info

Publication number: JP5337302B2
Application number: JP2012518245A
Authority: JP
Inventors: 寿恵笛木
Original assignee: Piolax Inc
Current assignee: Piolax Inc
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2031-05-30
Also published as: WO2011152025A1; JPWO2011152025A1

Description

本発明は、波形の板材を螺旋状に巻回して形成したウェーブコイルばねに関する。

ウェーブコイルばねは、たとえば、自動車の変速機のクラッチに収容されているピストンを付勢するばねとして用いられる。特許文献１には、隣接する波形部の山と谷の位置ずれを抑えるウェーブコイルばねが開示されている。特許文献１に記載のウェーブコイルばねは、隣接する波形部の山に凸部、谷に凹部を設け、凸部と凹部に係止機構を設けて凸部と凹部の係止機構を嵌合させた構成となっている。

実開平５−６７８３６号公報

ところで、ウェーブコイルばねは、自由状態から圧縮されて短くなった所定の軸方向長さで装置（たとえばオートマチックトランスミッション内部）に組み付けられてセット状態にされ、装置が稼動状態においては、このセット状態から更に所定ストローク圧縮された負荷状態へ、そして負荷状態からセット状態へ、何度も繰り返されて使用される。このとき、押圧を何度も繰り返すと山部の頂点と谷部の頂点との接触点が周方向にずれることがある。

これは、ウェーブコイルばねを押圧したときにウェーブコイルばねの波形の振幅が小さくなって波長が伸びることで、頂点どうしの接触点がコイル径が拡がる方向にずれる傾向が認められる。そして押圧を元のセット状態に戻すと、ずれた接触点が元に戻ろうとするが、このとき摩擦力の影響で完全に元の頂点位置まで戻りきらず、頂点の手前の斜面に接触してとどまる。このように山部の頂点と谷部の頂点がずれて接触した状態から再び負荷状態になると、山部と谷部の接点が斜面に位置することから周方向の分力によって斜面を下る方向に接触点が更にずれていく。これを繰り返すうちに斜面にある接触点が頂点からさらにずれる可能性が増し、ウェーブコイルばねの荷重特性が変化してしまう問題点があった。

上記のずれを防止するものとして特許文献１があるが、特許文献１に記載の技術では、ウェーブコイルばねに凸部および凹部を設ける必要があるが、硬いばね材への加工は難しく、生産性が低下してしまう。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、山部と谷部との接触点のずれが過度に大きくなることを抑え、製造が容易であるウェーブコイルばねを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のウェーブコイルばねは、山部と谷部とを交互に有する波形の板材を螺旋状に巻回して形成されており、ｎ巻目の谷部と（ｎ＋１）巻目の山部とは、軸心方向に対向して接触する。そしてｎ巻目の谷部と（ｎ＋１）巻目の山部との接触点を通る接線の傾斜角θは、（ｎ＋１）巻目の山部の頂点を通る接線の傾斜角を０度として、板材が右巻に巻回されている場合、−ａｒｃｔａｎμ度≦θ＜０度であり、板材が左巻に巻回されている場合、０度＜θ≦ａｒｃｔａｎμ度である。なおｎは自然数、μは板材の静摩擦係数である。

この態様によると、ウェーブコイルばねの接触点の位置がコイル径が拡がる方向にずれることを抑えることができる。また、接触点の位置をずらすことによって製造することができるため、接触点に係止部材等を設ける場合と比べて加工が容易である。

本発明の別の態様も、ウェーブコイルばねである。このウェーブコイルばねは、山部と谷部とを交互に有する波形の板材を螺旋状に巻回して形成されており、ばね本体の内周側に、ばね本体が縮径することを規制するガイド部材が設けられ、ｎ巻目の谷部と（ｎ＋１）巻目の山部とは、軸心方向に対向して接触する。そしてｎ巻目の谷部と（ｎ＋１）巻目の山部との接触点を通る接線の傾斜角θは、（ｎ＋１）巻目の山部の頂点を通る接線の傾斜角を０度として、板材が右巻に巻回されている場合、θ＜０度であり、板材が左巻に巻回されている場合、０度＜θである。

この態様によると、ウェーブコイルばねのコイル径の拡径および縮径を抑えることができる。

本発明のさらに別の態様もまた、ウェーブコイルばねである。このウェーブコイルばねは、山部と谷部とを交互に有する波形の板材を螺旋状に巻回して形成されており、ばね本体の外周側に、ばね本体が拡径することを規制するガイド部材が設けられ、ｎ巻目の谷部と（ｎ＋１）巻目の山部とは、軸心方向に対向して接触する。そして、ｎ巻目の谷部と（ｎ＋１）巻目の山部との接触点を通る接線の傾斜角θは、（ｎ＋１）巻目の山部の頂点を通る接線の傾斜角を０度として、板材が右巻に巻回されている場合、０度＜θであり、板材が左巻に巻回されている場合、θ＜０度である。

本発明によれば、山部と谷部との接触点のずれが過度に大きくなることを抑えることができる。

第１実施形態に係るウェーブコイルばねを示す斜視図である。一般的なウェーブコイルばねを示す正面図である。図２に示すウェーブコイルばねにおいて接触点がずれる態様を示す正面図である。第１実施形態に係るウェーブコイルばねの正面図を示す図である。第１実施形態に係るウェーブコイルばねの変形例の正面図を示す図である。第２実施形態に係るウェーブコイルばねの正面図を示す図である。

図１は、第１実施形態に係るウェーブコイルばね１０を示す斜視図である。以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。

ウェーブコイルばね１０は、山部１４と谷部１６とを交互に有する波形の板材を螺旋状に右巻に巻回して形成され、波形はサインカーブとなるように形成される。端部１８を有する上下の１巻をともに座巻部１２という。なお、ウェーブコイルばね１０の最上段を１巻目とし、上から順にｎ巻目の段に対向する下段を（ｎ＋１）巻目の段とする（ｎは自然数である）。

図２は、一般的なウェーブコイルばね１１０を示す正面図である。以下の図２から図６では、円筒形状のウェーブコイルばねを平面に展開した状態で示す。ウェーブコイルばね１１０は、右巻に巻回して形成されている。図２に示すウェーブコイルばね１１０は、山部の頂点１１４と谷部の頂点１１２が接触しており、頂点の位置が軸方向に一致している。ウェーブコイルばね１１０は、押圧部材１１６によってセット荷重が常に加えられており、この状態からさらに押圧力が加えられて用いられる。接触点のすべてが山部の頂点と谷部の頂点とで接触していればずれは生じにくいが、実際には何度も押圧が繰り返されると、山部と谷部の接触点が頂点からずれることがある。なお以下、山部と谷部の接触点を単に「接触点」と呼ぶこともある。接触点のずれについて具体的に以下に説明する。

図３は、図２に示すウェーブコイルばね１１０において接触点がずれる態様を示す正面図である。このウェーブコイルばね１１０は、何度も押圧された結果、コイル径が拡がる方向に接触点１０５がずれている。接触点１０５のずれとは、山部の頂点１０７または谷部の頂点１０４からのずれをいい、セット状態から押圧される前の元の位置からのずれをいうこともある。右巻のウェーブコイルばね１０においては、接触点１０５の位置が時計回り方向に（図面左方向）ずれるとコイル径が拡がり、接触点１０５の位置が反時計回り方向に（図面右方向）ずれるとコイル径が縮まる。

ウェーブコイルばね１１０がセット荷重を加えられている状態から押圧されると、押圧される前と比べてそれぞれの波の波長が伸びる。そのため、ｎ巻目の谷部の頂点１０４と（ｎ＋１）巻目の山部の頂点１０７との接触点１０５がコイル径が拡がる方向にずれる。そして押圧を元のセット荷重に戻すと、ずれた接触点１０５が元の位置（頂点）に戻ろうとするが、接触点１０５の位置が斜面にあるため摩擦力の影響で完全に元の位置に戻り切らず、接触点１０５が頂点から少しだけずれた状態となる。そして押圧が何度も繰り返されると接触点１０５のずれが徐々に大きくなる。接触点１０５のずれが大きくなると、ばね特性が変化し、最悪の場合、いずれかの巻目が径方向に拡がって接触がはずれて座屈してしまうおそれがある。なお、波長が伸びても上下の座巻部は押圧部材１１６と平面で接触しているため、座巻部の位置はずれ難く、仮にずれたとしても負荷状態からセット状態に戻って荷重が小さくなるとずれが解消する。

そこで、第１実施形態に係るウェーブコイルばねは、あらかじめ接触点を頂点からコイル径が縮まる方向にずらして形成する。これは、ｎ巻目の谷部からちょうど１巻（３６０度）をわずかに越えた位置に（ｎ＋１）巻目の山部を位置させることで達成される。これにより、押圧を繰り返したとしても、ウェーブコイルばねの接触点の位置が、コイル径が拡がる方向にずれることを抑えることができる。また、製造に際しては単に接触点の位置をずらすだけでよく、加工が容易となり、接触点に係止機構を設ける場合と比べて製造コストを低減することができる。

図４は、第１実施形態に係るウェーブコイルばね１０の正面図を示す。このウェーブコイルばね１０は右巻であり、波形はサインカーブである。ｎ巻目の谷部３０と（ｎ＋１）巻目の山部３２とは、軸心方向に正対して接触している。

ｎ巻目の谷部３０の頂点２８と（ｎ＋１）巻目の山部３２の頂点２６は軸心方向に正対しておらず、（ｎ＋１）巻目の山部３２の頂点２６は、ｎ巻目の谷部３０の頂点２８に対して時計回り方向にずらしている。これにより、上下の接触点を結ぶ線ｌ_１は、外方向から見て軸心に対して右上がりに傾斜する。この接触点の結線ｌ_１と隣り合う接触点の結線ｌ_２も同様に傾斜し、接触点の結線ｌ_１および接触点の結線ｌ_２は平行している。右巻のウェーブコイルばね１０では接触点の位置を頂点から大きくずらすほど、接触点の結線ｌ_１および接触点の結線ｌ_２は、外方向から見て軸心に対して時計回り方向に回転するようにずれる。ｎ巻目の谷部３０と（ｎ＋１）巻目の山部３２との接触点３４は斜面に位置している。

接触点３４は斜面に位置するため、摩擦角の斜面より急な斜面に接触点３４が位置すると、ウェーブコイルばね１０に荷重を加えた場合に接触点３４がずれることになる。そこで、接触点３４の位置を摩擦角の斜面と同じまたはより緩やかな斜面に設定する。なお、摩擦角θ_０とは、斜面上の物体がすべりだす直前に、その斜面が水平となす角をいい、ｔａｎθ_０＝μである。

具体的には、ｎ巻目の谷部３０と（ｎ＋１）巻目の山部３２との接触点３４を通る接線３６の傾斜角θが、−ａｒｃｔａｎμ度≦θ＜０度となるように、接触点３４の位置を設定する。なお、μはウェーブコイルばね１０を形成するばね鋼の静摩擦係数であり、たとえばμ＝０．１５、ａｒｃｔａｎμ度＝８．５度である。また、接触点３４を通る接線の傾斜角θは、ウェーブコイルばね１０の外周側からみて、（ｎ＋１）巻目の山部３２の頂点２６を通る接線の傾斜角を０度として、そこから反時計回りに回転すると正にカウントされ、以下に記載される傾斜角も同様である。これにより、接触点３４の位置がコイル径が拡がる方向にずれることを防ぎつつ、接触点３４がずれやすくなることを抑えることができる。なお、図４には自由状態のウェーブコイルばね１０を示すが、接触点３４を通る接線３６の傾斜角θは、ウェーブコイルばね１０がセット状態である際の角度であってよい。

より好ましくは、ｎ巻目の谷部３０と（ｎ＋１）巻目の山部３２との接触点３４を通る接線３６の傾斜角θが、θ≦−ａｒｃｔａｎ（μ／４）度となるように、接触点３４の位置を設定する。接線３６の傾斜角θは、μ＝０．１５であればθ≦−２．１４である。ウェーブコイルばね１０を押圧する間隔が長くなれば波長の伸びが大きくなって接触点３４がよりずれやすくなり、接触点３４の位置が（ｎ＋１）巻目の山部３２の頂点２６を越えて、コイル径が拡がるおそれがある。この構成によれば、接触点３４の位置を頂点２６から乖離させることで、接触点３４の位置がコイル径が拡がる方向にずれることをよりいっそう抑えることができる。また、加工誤差によって、接触点３４が頂点２６を越えてコイル径が拡がる方向の斜面に位置することを抑えることができる。

また、ｎ巻目の谷部３０と（ｎ＋１）巻目の山部３２との接触点３４を通る接線３６の傾斜角θが、−ａｒｃｔａｎ（３μ／４）度≦θとなるように、接触点３４の位置を設定する。接線３６の傾斜角θは、μ＝０．１５であれば−６．４２≦θである。これにより、加工誤差等によって接触点３４の位置が摩擦角の斜面より急な斜面にずれて、接触点３４がずれやすくなることをよりいっそう抑えることができる。

一方、板材が左巻に巻回されている場合、図４に示すウェーブコイルばね１０とは対称的に、ｎ巻目の谷部と（ｎ＋１）巻目の山部との接触点を通る接線の傾斜角θは、０度＜θ≦ａｒｃｔａｎμ度となる。また、より好ましくは、ｎ巻目の谷部と（ｎ＋１）巻目の山部との接触点を通る接線の傾斜角θは、ａｒｃｔａｎ（μ／４）度≦θ≦ａｒｃｔａｎ（３μ／４）度であってよい。

図４に示すウェーブコイルばね１０には、コイル径が縮径することを規制する第１ガイド部材２０が設けられてよい。第１ガイド部材２０は、ドーナツ形状の台座部２４と、台座部２４の内周から立設された円筒部２２とを備える。台座部２４にはウェーブコイルばね１０の下側の座巻部が載せられる。円筒部２２の外径は、取り付け容易のため、ウェーブコイルばね１０の内径より少しだけ小さい値に設定される。ウェーブコイルばね１０は押圧されるため、円筒部２２の高さはウェーブコイルばね１０の高さより短い。円筒部２２はウェーブコイルばね１０の内周側に内挿される。第１ガイド部材２０の代わりにウェーブコイルばね１０をコイル径が縮径することを規制する円柱部材に取り付けて用いてもよい。

ウェーブコイルばね１０は、接触点３４の位置をあらかじめコイル径が縮まる方向にずらしているため、コイル径が拡がる方向にはずれないものの、コイル径が縮まる方向にずれるおそれがある。そこで、第１ガイド部材２０を設けることで、ウェーブコイルばね１０のコイル径が縮径することを規制することができる。

右巻のウェーブコイルばね１０において、第１ガイド部材２０が設けられ、かつ、ｎ巻目の谷部３０と（ｎ＋１）巻目の山部３２との接触点３４を通る接線３６の傾斜角θが、（ｎ＋１）巻目の山部３２の頂点を通る接線の傾斜角を０度として、θ＜０度となるように接触点３４の位置が設定される。これにより、コイル径の拡径および縮径を抑えることができる。より好ましくは、接線の傾斜角θはθ≦−ａｒｃｔａｎ（μ／４）度に設定される。これによりコイル径の拡径をよりいっそう抑えることができる。

一方、板材が左巻に巻回されている場合、第１ガイド部材２０が設けられ、かつ、ｎ巻目の谷部と（ｎ＋１）巻目の山部との接触点を通る接線の傾斜角θが、（ｎ＋１）巻目の山部の頂点を通る接線の傾斜角を０度として、０度＜θとなるように接触点の位置が設定される。より好ましくは、接線の傾斜角はａｒｃｔａｎ（μ／４）度≦θに設定される。

図５は、第１実施形態に係るウェーブコイルばね４０の変形例の正面図を示す。本発明者は、山部と谷部の接触点の位置ずれが座巻部との接触点に発生しやすいとの知見を得た。そこで、ウェーブコイルばね４０は上下の座巻部だけ、コイル径が縮径する方向に接触点の位置をずらしてもよい。

具体的には、ウェーブコイルばね４０の上側から１巻目の谷部４３の頂点４４を上側から２巻目の山部４５の頂点４６に対し反時計回り方向（図面右方向）にずらし、下側から１巻目の山部５１の頂点５２を下側から２巻目の谷部４９の頂点４８に対し時計回り方向（図面左方向）にずらす。そして図５に示すように、座巻部と接触しておらず、軸心方向内側に位置する接触点を上下に結ぶ線ｍ_１、結線ｍ_３は軸心と平行である。座巻部との接触点４２および接触点５０を含む結線ｍ_２は、座巻部との接触点４２および接触点５０と、その接触点４２および接触点５０より軸心方向内側に位置する接触点５３，５４とを上下に結んだものである。この結線ｍ_２は、中央部分では結線ｍ_１および結線ｍ_３と平行であるものの、座巻部との接触点４２，５０を結ぶ線分では結線ｍ_１および結線ｍ_３に対して傾斜している。これにより、効率的にコイル径が拡がることを抑えることができる。

上側から１巻目の谷部４３と２巻目の山部４５との接触点４２を通る接線の傾斜角θが、２巻目の山部４５の頂点４６を通る接線の傾斜角を０度として、−ａｒｃｔａｎμ度≦θ＜０度となるように、接触点４２の位置を設定する。より好ましくは、接触点４２を通る接線の傾斜角θは、−ａｒｃｔａｎ（３μ／４）度≦θ≦−ａｒｃｔａｎ（μ／４）度であってよい。また、ウェーブコイルばね４０には、コイル径が縮径することを規制する第１ガイド部材２０が設けられてもよい。

図６は、第２実施形態に係るウェーブコイルばね６０の正面図を示す。図示するウェーブコイルばね６０は右巻であり、ウェーブコイルばね６０にはコイル径が拡径することを規制する第２ガイド部材６２が設けられる。点線で図示する第２ガイド部材６２は底部を有する円筒形であり、ウェーブコイルばね６０の外周側を囲むように外挿される。組立てた際にウェーブコイルばね６０の上側の座巻部は第２ガイド部材６２の底部に接触する。ガイド部材６２の内径は、ウェーブコイルばね６０の外径より少しだけ大きくなるように設定される。このようなガイド部材６２が設けられたウェーブコイルばね６０において、ウェーブコイルばね６０のｎ巻目の谷部６６と（ｎ＋１）巻目の山部６７との接触点６３は、コイル径が拡径する方向にあらかじめずらしている。

具体的には、ウェーブコイルばね６０に第２ガイド部材６２が設けられ、かつ、ｎ巻目の谷部６６と（ｎ＋１）巻目の山部６７との接触点６３を通る接線６８の傾斜角θが、（ｎ＋１）巻目の山部６７の頂点６４を通る接線の傾斜角を０度として、０度＜θとなるように接触点６３の位置が設定される。この構成により、第２ガイド部材６２によりコイル径が拡径することを抑えつつ、接触点６３の位置をずらしたことによりコイル径の縮径を抑えることができる。より好ましくは、接触点６３を通る接線６８の傾斜角θが、ａｒｃｔａｎ（μ／４）度≦θとなるように接触点６３の位置が設定される。これによりいっそうコイル径の縮径を抑えることができる。

一方、ウェーブコイルばねが左巻に巻回されている場合、ウェーブコイルばねに第２ガイド部材６２が設けられ、かつ、ｎ巻目の谷部と（ｎ＋１）巻目の山部との接触点を通る接線の傾斜角θが、θ＜０度となるように接触点の位置が設定される。また、より好ましくは、接触点６３を通る接線６８の傾斜角θが、θ≦−ａｒｃｔａｎ（μ／４）度となるように接触点の位置が設定される。

本発明は上述の各実施例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施例に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施例も本発明の範囲に含まれうる。

たとえば、ウェーブコイルばねは、波形のピッチが交互に長尺のピッチと短尺のピッチになるように設定され、さらに長尺ピッチに設定された谷部に対して長尺ピッチに設定された山部を対向させて接触させる。つまり、ｎ巻目の谷部と（ｎ＋１）巻目の山部との接触点が長尺ピッチの斜面に位置するように設定される。これにより、接触点が短尺ピッチの斜面より緩やかな長尺ピッチの斜面に位置するため、接触点のずれをいっそう抑えることができる。なお、ｎ巻目の谷部と（ｎ＋１）巻目の山部との接触点は、摩擦角の斜面と同じまたはより緩やかな斜面に位置するように設定されてよい。

１０，４０，６０ウェーブコイルばね、１２座巻部、１４山部、１６谷部、１８端部、２０第１ガイド部材、２２円筒部、２４台座部、６２第２ガイド部材、１１６押圧部材。

本発明によれば、波形の板材を螺旋状に巻回して形成したウェーブコイルばねに利用することができる。

Claims

山部と谷部とを交互に有する波形の板材を螺旋状に巻回して形成されたウェーブコイルばねであって、
ｎ巻目の前記谷部と（ｎ＋１）巻目の前記山部とは、軸心方向に対向して接触し、
ｎ巻目の前記谷部と（ｎ＋１）巻目の前記山部との接触点を通る接線の傾斜角θは、（ｎ＋１）巻目の前記山部の頂点を通る接線の傾斜角を０度として、
前記板材が右巻に巻回されている場合、−ａｒｃｔａｎμ度≦θ＜０度であり、
前記板材が左巻に巻回されている場合、０度＜θ≦ａｒｃｔａｎμ度であり、
ｎ巻目の前記谷部と（ｎ＋１）巻目の前記山部との前記接触点の隣の接触点を通る接線の傾斜角も、前記傾斜角θと同様に設定されることを特徴とするウェーブコイルばね。
ｎは自然数、μは板材の静摩擦係数である。
山部と谷部とを交互に有する波形の板材を螺旋状に巻回して形成されたウェーブコイルばねであって、
ばね本体の内周側に、ばね本体が縮径することを規制するガイド部材が設けられ、
ｎ巻目の前記谷部と（ｎ＋１）巻目の前記山部とは、軸心方向に対向して接触し、
ｎ巻目の前記谷部と（ｎ＋１）巻目の前記山部との接触点を通る接線の傾斜角θは、（ｎ＋１）巻目の前記山部の頂点を通る接線の傾斜角を０度として、
前記板材が右巻に巻回されている場合、θ＜０度であり、
前記板材が左巻に巻回されている場合、０度＜θであり、
ｎ巻目の前記谷部と（ｎ＋１）巻目の前記山部との前記接触点の隣の接触点を通る接線の傾斜角も、前記傾斜角θと同様に設定されることを特徴とするウェーブコイルばね。
ｎは自然数である。
山部と谷部とを交互に有する波形の板材を螺旋状に巻回して形成されたウェーブコイルばねであって、
ばね本体の外周側に、ばね本体が拡径することを規制するガイド部材が設けられ、
ｎ巻目の前記谷部と（ｎ＋１）巻目の前記山部とは、軸心方向に対向して接触し、
ｎ巻目の前記谷部と（ｎ＋１）巻目の前記山部との接触点を通る接線の傾斜角θは、（ｎ＋１）巻目の前記山部の頂点を通る接線の傾斜角を０度として、
前記板材が右巻に巻回されている場合、０度＜θであり、
前記板材が左巻に巻回されている場合、θ＜０度であり、
ｎ巻目の前記谷部と（ｎ＋１）巻目の前記山部との前記接触点の隣の接触点を通る接線の傾斜角も、前記傾斜角θと同様に設定されることを特徴とするウェーブコイルばね。
ｎは自然数である。
前記傾斜角θは、
前記板材が右巻に巻回されている場合、θ≦−ａｒｃｔａｎ（μ／４）度であり、
前記板材が左巻に巻回されている場合、−ａｒｃｔａｎ（μ／４）度≦θであることを特徴とする請求項１または２に記載のウェーブコイルばね。