JP5587806B2 - バネ部材 - Google Patents

Description

本発明は皿バネを用いて構成されるバネ部材、特に簡易な構成でありながら引張力および圧縮力の双方に対して対応し得るバネ部材に関する。

周知のように皿バネはコンパクトに大きな耐荷重性能を持つバネ部材として種々の機器に使用されている。
特に、特許文献１に示されるように複数の皿バネを直列あるいは並列に組み合わせて用いることで変形性能や耐荷重を増すことができることから、コイルバネよりコンパクトでローコストに所定の性能が得られるメリットがある。

しかしながら、皿バネ単体では圧縮力にしか対応できないので、圧縮力のみならず引張力にも対応できるバネ要素とするためには、たとえば特許文献２に示されるように圧縮力に対応するための皿バネ群と引張力に対応するための皿バネ群を組み合わせて用いる必要がある。

図９はそのようなバネ部材の一例を示すもので、シリンダー１内に両方向に変位可能なピストン２を配設し、（ａ）に示すような皿バネ３を（ｂ）に示すようにピストン２の両側にそれぞれ多数（図示例では８枚づつ）直列に重ねた２組の皿バネ群３Ａとして収容した構成とされたものである。
このバネ部材では、ピストン２に連結したロッド４とシリンダー１の一端に設けたクレビス５との間に生じる圧縮力に対しては、一方（図示例ではピストン２の右側）の皿バネ群３Ａ全体をピストン２により一方向（図示例では右方）に押圧して弾性的に圧縮することで対応し、引張力に対しては他方（同、左側）の皿バネ群３Ａ全体をピストン２により逆方向（同、左方）に押圧して弾性的に圧縮させることで対応することができる。

特開２０１０−３８２２８号公報 特開２０００−２４３４２４号公報

上記のように２組の皿バネ群を組み合わせて圧縮力と引張力の双方に対応する構成のバネ部材では、多数の皿バネを必要とするばかりでなく、バネ部材全体として構成の簡略化、コンパクト化、ローコスト化には自ずと限界がある。

上記事情に鑑み、本発明は、皿バネを用いたバネ部材として、全体の構成が十分に簡略かつコンパクトでローコストでありながら圧縮力と引張力の双方に対応し得る有効適切なバネ部材を提供することを目的とする。

本発明は、互いに離接する方向に相対変位可能な二部材間に介装されて、前記二部材間に生じる相対変位によって弾性的に伸縮するバネ部材であって、シリンダー要素と、該シリンダー要素に対して軸方向に相対変位可能に挿入されたロッド要素と、該ロッド要素の先端部に組み付けられて前記シリンダー要素内に収容されたバネ要素により構成されて、前記ロッド要素の基端部および前記シリンダー要素に対して前記二部材がそれぞれ連結可能とされ、前記バネ要素は複数枚の皿バネを直列および／または並列に重ねてなる１組の皿バネ群の両端側に平板状の押板がそれぞれ配設され、前記複数枚の皿バネおよび前記押板の軸中心には貫通孔が形成され、前記ロッド要素は前記バネ要素の全体に対して軸方向に相対変位可能に前記貫通孔に挿通せしめられているとともに、該ロッド要素には前記各押板の外側の位置に該押板の軸方向の移動を規制するストッパーが設けられていて、該ストッパーの間において前記バネ要素の全体が前記ロッド要素の軸方向両側に弾性的に変位可能な状態で組み付けられ、前記シリンダー要素の軸方向両端部には、前記ロッド要素が延出可能な挿通孔が形成された蓋体が配設され、前記ロッド要素の基端部が前記シリンダー要素から外方に前記挿通孔を介して延出せしめられた状態で該ロッド要素の先端部が前記シリンダー要素内に挿入されて、前記各押板がそれぞれ前記シリンダー要素の両端部に設けられた前記蓋体の内面に対して押圧可能な状態で前記バネ要素の全体が前記シリンダー要素内に収容されてなり、前記ロッド要素が前記シリンダー要素に対して軸方向両側に相対変位した際に、いずれか一方の押板が前記蓋体に対して押圧されるとともに他方の押板が前記ストッパーにより前記シリンダー要素の内側に向かって押圧されて前記バネ要素の全体が弾性的に圧縮可能に構成されてなることを特徴とする。

本発明のバネ部材によれば、引張時および圧縮時のいずれにおいても１組の皿バネ群が圧縮されて一定のバネ剛性を有するバネ部材として機能するから、従来のバネ部材のように２組の皿バネ群を必要とせず、したがって従来と同等のバネ剛性を持つものであっても皿バネの所要枚数を半減できるし、バネ部材全体の所要長さも半減でき、その結果、構成の十分な簡略化と小形化および低価格化を実現し得るものである。
勿論、皿バネ単体としてのバネ剛性やそれらの枚数を調整することで任意の変形性能や耐力に幅広く対応できるから、様々な用途のバネ部材として広く適用可能であり、特に構造物を対象とする制振機構の構成要素としてのバネ部材として用いて好適である。

本発明の一実施形態であるバネ部材の概略構成図である。 同、作動状態を示す図である。 同、皿バネ単体の形状例を示す図である。 同、皿バネ群の構成例（皿バネの組み合わせパターンの例）を示す図である。 同、荷重−変形特性の設計例を示す図である。 本発明の他の実施形態であるバネ部材の概略構成図である。 本発明のさらに他の実施形態であるバネ部材の概略構成図である。 本発明のバネ部材を制振機構に適用する場合の一例を示す図である。 従来一般のバネ部材を示す図である。

図１に本発明の一実施形態であるバネ部材１０の概略構成を示す。なお、本発明のバネ部材１０の構成要素のうち、図９に示した従来のバネ部材と同様に機能する部材については同一符号を付してある。
本実施形態のバネ部材１０は、シリンダー要素１（以下では単にシリンダー１と略す）と、シリンダー１に対して軸方向に相対変位可能に挿入されたロッド要素４（以下では単にロッド４と略す）と、ロッド４の先端部に組み付けられてシリンダー１内に収容されたバネ要素１１により構成されている。

本実施形態におけるバネ要素１１は、複数枚（図示例では８枚）の皿バネ３が直列に重ねられた１組の皿バネ群３Ａの両端側に押板１２（１２ａ、１２ｂ）がそれぞれ配設されたもので、そのバネ要素１１の全体に対してロッド４が軸方向に相対変位可能に挿通せしめられており、そのロッド４には各押板１２の外側の位置にそれぞれストッパー１３（１３ａ、１３ｂ）としての加力ボルトが螺着されて、それらストッパー１３の間においてバネ要素１１の全体がロッド４の軸方向両側に弾性的に変位可能な状態で組み付けられている。

そして、ロッド４の基端部がシリンダー１から外方（図示例では左方）に延出せしめられた状態でその先端部がシリンダー２内に挿入されることにより、各押板１２がそれぞれシリンダー１の両端部に設けられている環状の蓋体１４（１４ａ、１４ｂ）の内面に対して押圧可能な状態でバネ要素１１の全体がシリンダー１内に収容されている。

なお、シリンダー１内にバネ要素１１を収容する際には、シリンダー１内にバネ要素１１を収容してからシリンダー１に対して蓋体１４を装着してボルト締結すれば良いが、あるいはシリンダー１を円周方向に２分割（ないしさらに多分割）しておいてそれらをバネ要素１１の外側に装着して一体に連結するか、もしくはシリンダー１を長さ方向に２分割しておいてそれらの内側にバネ要素１１を収容してから一体に連結すれば良い。

いずれにしても、図示例のように押板１２に当接する皿バネ３は大径側（図３に示す大径寸法Ｄの面）が押板１１に面する向きに配置することが好ましい。
また、ロッド４は各皿バネ３の変形や変位をガイドする部材として機能するので、そのロッド４の硬度はHRC55以上とし、皿バネ３と接触する周面は平滑な円筒面とすることが好ましい。

本実施形態のバネ部材１０は、通常のバネ部材と同様に互いに離接する方向に相対変位可能な二部材（図示せず）の間に介装されて、たとえば制振機構の構成要素としてのバネ要素として機能するものであって、それら二部材の一方がロッド４の基端部に対して連結され、他方がシリンダー１に設けられているクレビス５に対して連結されるようになっている。
そして、上記の二部材の間に相対変位ないし相対振動が生じた際には、上記のバネ要素１１の全体が両方向に弾性的に圧縮されることにより、このバネ部材１０全体が所定のバネ剛性をもって軸方向両側に弾性的に伸縮するようになっている。

すなわち、このバネ部材１０が図１（ａ）に示す状態で二部材間に介装されている状態から、二部材どうしが離間する方向に相対変位を生じて図２（ａ）に示すようにバネ部材１０の両端に対して引張力が作用した際には、ロッド４がシリンダー１から抜き出る方向に変位してバネ部材１０全体が伸張するが、その際、奥側（図示右側）のストッパー１３ａによって奥側（同）の押板１２ａがシリンダー１内に引き込まれて皿バネ群３Ａの全体がその押板１２ａにより一方向（図示左方向）に変位するとともに、手前側（図示左側）の押板１２ｂが手前側（同）の蓋体１４ｂに対して押圧され、これによりバネ要素１１全体が弾性的に圧縮される。
逆に、二部材どうしが接近する方向に相対変位を生じて図２（ｂ）に示すようにバネ部材１０の両端に対して圧縮力が作用した際には、ロッド４がシリンダー１に対して押し込まれる方向に変位してバネ部材１０全体が縮退するが、その際、手前側（図示左側）のストッパー１３ｂによって手前側（同）の押板１２ｂがシリンダー１内に押し込まれて皿バネ群３Ａの全体がその押板１２ｂにより逆方向（図示右方向）に変位するとともに、奥側（図示右側）の押板１２ａが奥側（同）の蓋体１４ａに対して押圧され、これによりバネ要素１１全体が弾性的に圧縮される。

このように、本実施形態のバネ部材１０によれば、引張時および圧縮時のいずれにおいても１組の皿バネ群３Ａが圧縮されて引張力および圧縮力の双方に対応可能であるから、図９に示した従来のバネ部材のように２組の皿バネ群を必要とせず、したがって従来と同等のバネ剛性を持つものであっても皿バネ３の所要枚数を半減できるし、バネ部材１０全体としての所要長さも半減でき、その結果、構成の十分な簡略化と小形化およびローコスト化を実現し得るものである。

勿論、皿バネ３単体としてのバネ剛性や、それらの枚数を調整することで、任意の変形性能や耐力に幅広く対応できる。
そのためには、皿バネ３単体の形状および寸法（図３に示す大径寸法Ｄ、小径寸法ｄ、全高Ｈ、ライズｈ、板厚ｔ）を、その素材である鋼材の弾性特性に応じて任意に設定すれば良い。
また、皿バネ３の枚数や配列パターンは、皿バネ群３Ａ全体として所望のバネ剛性が得られるように、たとえば図４に示すような様々なパターンで任意に設計すれば良い。
その場合、皿バネ３を同じ向きに重ねる並列配列とすれば耐力（荷重）を増大させることができ、逆向きに重ねる直列配列とすれば変形性能を増大させることができるから、バネ部材１０全体として所定の荷重に必要な枚数を並列とし、所定の変形に必要な枚数を直列にすれば良い。

なお、いずれにしても、皿バネ単体の変形性能δは皿バネ単体のライズhに対して
δ≦0.75h とすると良い。
また、皿バネ単体の耐力pは変形がδのときの反力とすると良く、それにより荷重F−変形（たわみ）δの関係がほぼ線形となる。具体的には、バネ部材１０全体の変形量x、負担力Fとして、直列枚数≧x／δ、並列枚数≧F/p となるようにすると良い。

以上で本発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例に過ぎず、本発明はたとえば以下のような設計的変更や応用が可能である。

本発明のバネ部材１０は図５（ａ）に示すような線形の荷重−変形特性とすることが好ましく、そのためには通常時において皿バネ３と押板１２とが当接しており、かつ押板１２と蓋体１４とが当接している状態として、それらの間に隙間がなくかつ皿バネ群３Ａに予圧縮荷重がない状態としてバネ部材１０を組み立てれば良い。
そして、そのためには各構成部品の各部の寸法や厚みを予め厳密に加工しておけば良いが、必要に応じてそれらの間に適宜厚さのスペーサを介装して微調整すれば良い。
また、後述するように、押板１２の蓋体１４やストッパー１３との接触部にゴムシート１６（図７参照）をつけ、音を軽減するようにしても良い。

但し、皿バネ３と押板１２との間、あるいは押板１２と蓋体１４との間、もしくは皿バネどうしの間に、敢えて隙間を確保しておいたり、バネ要素１１に対して予め予圧縮荷重を付与しておくことにより、本発明のバネ部材１０に非線形の特性を持たせることも可能である。
すなわち、バネ要素１１に対して上記のような隙間δ₀を確保しておけばその特性は図５（ｂ）に示すようなスリップ型となり、また、バネ要素１１に予圧縮力F₀を付与しておけばその特性は図５（ｃ）に示すような特性となるから、バネ部材１０の用途や使用目的に応じて最適な特性となるような設計とすれば良い。

上記実施形態のバネ部材１０では、相対変位可能な二部材に対してロッド４およびクレビス５を連結するものとしたが、クレビス５を省略してシリンダー１自体を部材に対して直接連結することでも良い。
その場合、図６に示すようにシリンダー１の断面形状を角形に変更してその一面にフランジ部を設けることにより、これをベースプレート１ａとして対象部材に対して直接的にボルト締結することが考えられる。

上記実施形態では、ロッド要素を単なるロッド４とし、シリンダー要素を単なるシリンダー１として構成したが、本発明のロッド要素とは「皿バネ３の内側にあって皿バネ群３Ａ両端で押板１２外側のストッパー１３と一体化したもの」であれば良く、シリンダー要素とは「皿バネ３の外側にあって２つの押板１２間隔を一定以下に保持するもの」であればよく、その限りにおいてシリンダー要素およびロッド要素の形態は任意である。
シリンダー要素およびロッド要素の形状を変更した場合の実施形態を図７に示す。図７に示す実施形態では図１に示した実施形態とは左右を反転させているが、両者に共通する要素には同一符号を付している。
本実施形態では、上記実施形態では単なるシリンダーとしていたシリンダー要素１を両側の蓋体１４を連結材１５によって連結した構成とし、単なるロッドとしていたロッド要素４をやや大径かつ段付きの形態とし、また押板１２を皿バネ群３Ａの両側に座金の形態で装着し、それら押板１２の外表面にゴムシート１６を装着して蓋体１４およびストッパー１３との当接時の騒音発生を防止するようにしているが、その他は上記実施形態と同様に構成されており同様に機能するものである。

本発明のバネ部材１０は様々な用途、目的のバネ要素として広く適用可能であるが、特に建物等の構造物を対象とする制振機構の構成要素として好適に適用可能であり、その一例を図８に示す。
これは、建物における柱２０と梁２１（２１ａ、２１ｂ）により構成される架構フレーム内に設置されて層間変形を制御するためのもので、上階の梁２１ａに対して固定したＶ型ブレース２２の下端部を接合治具２３を介して下階の梁２１ｂに対して面内相対変位可能に支持し、その接合治具２３と下階の梁２１ｂとの間に慣性質量ダンパー２４と本発明のバネ部材１０とを直列に接続し、さらに接合治具２３と下階の梁２１ｂに固定したダンパー取り付け治具２５との間にオイルダンパー２６を接続したもので、それら慣性質量ダンパー２４と本発明のバネ部材１０とオイルダンパー２６とによって同調型制振機構を構成したものである。
この場合、バネ部材１０として図６に示したようにシリンダー１を角形としたものを用いて、そのベースプレート１ａを下階の梁２１ｂに対して直接接続すれば、納まりおよび施工性に優れる。

このような制振機構において、バネ要素として従来一般のコイルバネや図９に示したような２組の皿バネ群による従来一般のバネ部材を用いる場合には、その寸法が長大になって納まりが困難になる場合があるが、それに代えて上記のように本発明のバネ部材１０を用いることによりバネ要素としての所要長さを十分に短縮し得て支障なく納めることが可能である。

さらに、上記の制振機構において、本発明のバネ部材１０とオイルダンパー２６とを一体化することも考えられる。すなわち、本発明のバネ部材１０におけるシリンダー１とオイルダンパー２６のシリンダーとを一体化し、本発明のバネ部材１０におけるロッド４とオイルダンパー２６におけるロッドとを一体化すれば、バネ要素と減衰要素とをコンパクトに一体化させることが可能である。

１ シリンダー（シリンダー要素）
１ａ ベースプレート
３ 皿バネ
３Ａ 皿バネ群
４ ロッド（ロッド要素）
５ クレビス
１０ バネ部材
１１ バネ要素
１２（１２ａ、１２ｂ） 押板
１３（１３ａ、１３ｂ） ストッパー
１４（１４ａ，１４ｂ） 蓋体
１５ 連結材
１６ ゴムシート
２０ 柱
２１（２１ａ、２１ｂ） 梁
２２ Ｖ型ブレース
２３ 接合治具
２４ 慣性質量ダンパー
２５ ダンパー取り付け治具
２６ オイルダンパー

Claims (1)

1. 互いに離接する方向に相対変位可能な二部材間に介装されて、前記二部材間に生じる相対変位によって弾性的に伸縮するバネ部材であって、
   シリンダー要素と、該シリンダー要素に対して軸方向に相対変位可能に挿入されたロッド要素と、該ロッド要素の先端部に組み付けられて前記シリンダー要素内に収容されたバネ要素により構成されて、前記ロッド要素の基端部および前記シリンダー要素に対して前記二部材がそれぞれ連結可能とされ、
   前記バネ要素は複数枚の皿バネを直列および／または並列に重ねてなる１組の皿バネ群の両端側に平板状の押板がそれぞれ配設され、前記複数枚の皿バネおよび前記押板の軸中心には貫通孔が形成され、
   前記ロッド要素は前記バネ要素の全体に対して軸方向に相対変位可能に前記貫通孔に挿通せしめられているとともに、該ロッド要素には前記各押板の外側の位置に該押板の軸方向の移動を規制するストッパーが設けられていて、該ストッパーの間において前記バネ要素の全体が前記ロッド要素の軸方向両側に弾性的に変位可能な状態で組み付けられ、
   前記シリンダー要素の軸方向両端部には、前記ロッド要素が延出可能な挿通孔が形成された蓋体が配設され、
   前記ロッド要素の基端部が前記シリンダー要素から外方に前記挿通孔を介して延出せしめられた状態で該ロッド要素の先端部が前記シリンダー要素内に挿入されて、前記各押板がそれぞれ前記シリンダー要素の両端部に設けられた前記蓋体の内面に対して押圧可能な状態で前記バネ要素の全体が前記シリンダー要素内に収容されてなり、
   前記ロッド要素が前記シリンダー要素に対して軸方向両側に相対変位した際に、いずれか一方の押板が前記蓋体に対して押圧されるとともに他方の押板が前記ストッパーにより前記シリンダー要素の内側に向かって押圧されて前記バネ要素の全体が弾性的に圧縮可能に構成されてなることを特徴とするバネ部材。

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