JP5661725B2 - ぜんまいばね - Google Patents

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Description

本発明は、ぜんまいばねに関する。
ぜんまいばねは、例えば、内燃機関においてクランク軸から回転動力を受けてカム軸を回転駆動する為のバルブタイミング調整装置等の種々の用途において広く利用されている。
前記バルブタイミング調整装置は、クランク軸に作動連結されたハウジングとカム軸に作動連結されたベーンロータとを備え、前記ハウジングの内部空間が前記ベーンロータにおけるベーンによって遅角室及び進角室に区画されており、前記遅角室又は前記進角室の一方に作動油を供給し且つ他方から排出させることによって、前記ハウジングに対する前記ベーンロータの回転位相を変化させ得るようになっている。
ここで、前記バルブタイミング調整装置には、さらに、前記ハウジングに対する前記ベーンロータの回転位相を最も遅角側の位置と最も進角側の位置との間の中間位相に保持して、内燃機関の始動性向上を図る為に、ぜんまいばねが備えられている。
前記ぜんまいばねは、前記ベーンロータが中間位相よりも遅角側に位置する際において前記ベーンロータを中間位相へ向けて進角側へ付勢し得るように前記ハウジング及び前記ベーンロータの間に介挿されており、これにより、内燃機関の始動時における前記ベーンロータの回転移動を中間位相に保持して、内燃機関の始動性を向上させ得るようになっている。
ぜんまいばねは、長尺の線材が略同一平面内において螺旋状に巻き回されてなる部材であり、縮径する方向に内端部及び外端部が周方向に相対移動されることで保有弾性を有する状態となる。
図４に、従来のぜんまいばねの平面図を示す。
図４(a)〜(c)は、それぞれ、ぜんまいばねの自由長状態、初期トルク発生状態（ぜんまいばねが所定の初期トルクを発生するように自由長状態から縮径方向に弾性変形された状態）及び最大トルク発生状態（ぜんまいばねが最大トルクを発生するように初期トルク発生状態から縮径方向に弾性変形された状態）を示している。
図４(a)に示すように、従来のぜんまいばねは、自由長状態において、径方向内方に位置する内端部から径方向外方に位置する外端部へ行くに従って曲率半径が略一定割合で大きくなる（半径が略一定割合で大きくなる）ように構成されている。
斯かる構成の従来のぜんまいばねにおいては、図４(b)及び(c)に示すように、初期トルク発生状態や最大トルク発生状態等の保有弾性を有する状態に置かれた際に、最内方に位置する第１巻き部分から径方向最外方に位置する第ｎ巻き部分（図示の形態においては第３巻き部分）に至る全ての巻き部分が周方向に関し略同一位置（以下、周方向第１位置と称す）の一箇所のみで径方向に隣接する他の巻き部分と接触することになる。
即ち、前記従来のぜんまいばねにおいては、全ての巻き部分において、前記周方向第１位置以外の周方向全領域が、径方向に隣接する他の巻き部分との摩擦接触を受けること無く、自由に弾性変形可能な領域となっており、従って、ぜんまいばね全体の固有振動数が低くなるという問題があった。
従って、ぜんまいばねが、例えば、前記特許文献１に記載のようなバルブタイミング調整装置に用いられた場合には、内燃機関の出力回転数が増加して、ぜんまいばねに付加される振動の周波数が固有振動数に近づくと共振が生じ、ぜんまいばねに大きな負荷が掛かってしまう。
さらに、径方向に関し中央に位置する巻き部が前記周方向第１位置において径方向内方に位置する巻き部及び径方向外方に位置する巻き部に接触状態で狭圧されることになり、弾性変形動作時に前記周方向第１位置に応力が集中し、この部分の損傷を招く虞があった。
特開２０１０−１８０８６２号公報
本発明は、前記従来技術に鑑みなされたものであり、固有振動数を上昇させることができ且つ弾性変形動作時における局所的な応力集中を防止又は低減できるぜんまいばねの提供を目的とする。
本発明は、前記目的を達成する為に、座巻き部として作用する固定巻き部と前記固定巻き部の終端部から続く複数の可動巻き部とを有するように長尺線材が実質的に同一平面内で螺旋状に巻き回されたぜんまいばねであって、前記複数の可動巻き部のうち少なくとも径方向最内方に位置する第１可動巻き部は、当該ぜんまいばねが自由長状態から縮径する方向に弾性変形された保有弾性状態において、周方向同一位置において径方向内方側に隣接する前記固定巻き部及び径方向外方側に隣接する第２可動巻き部の双方とは同時に接触せず、且つ、周方向に変位された複数の位置で前記固定巻き部又は前記第２可動巻き部の何れか一方とのみ接触するように構成されたぜんまいばねを提供する。
一形態においては、前記第１可動巻き部は、周方向両側に比して曲率半径が小とされた複数の小曲率部を有し、且つ、前記第２可動巻き部は、周方向に関し前記複数の小曲率部とそれぞれ対応した位置に、周方向両側に比して曲率半径が大とされた複数の大曲率部を有するものとされ、前記保有弾性状態において、前記複数の小曲率部が対応する複数の前記大曲率部に接触する。
例えば、前記複数の小曲率部は、前記固定巻き部の終端部から周方向に離間された位置に設けられた第１小曲率部、前記第１小曲率部から周方向に離間された位置に設けられた第２小曲率部及び前記第２小曲率部から周方向に離間された位置に設けられた第３小曲率部を含み、前記複数の大曲率部は、周方向に関し前記複数の第１〜第３小曲率部とそれぞれ対応した位置に設けられた第１〜第３大曲率部を含む。
好ましくは、前記第１可動巻き部は、前記保有弾性状態において、周方向に関し前記第２及び第３小曲率部の間の中間が前記第２可動巻き部との間に隙間を存しつつ前記固定巻き部に接触するものとされる。
本発明に係るぜんまいばねによれば、保有弾性状態において、複数の可動巻き部のうち少なくとも径方向最内方に位置する第１可動巻き部が周方向同一位置において径方向内方側に隣接する固定巻き部及び径方向外方側に隣接する第２可動巻き部の双方とは同時に接触せず、且つ、周方向に変位された複数の位置で前記固定巻き部又は前記第２可動巻き部の何れか一方とのみ接触しているので、一の巻き部が径方向内方に隣接する他の巻き部及び径方向外方に隣接するさらに他の巻き部の双方に周方向一箇所で接触している従来構成に比して、弾性変形動作時における局所的な応力集中を有効に防止しつつ、固有振動数を有効に上昇させることができる。
図１(a)〜(c)は、本発明の一実施の形態に係るぜんまいばねの平面図であり、図１(a)〜(c)は、それぞれ、自由長状態、初期トルク発生状態及び最大トルク発生状態を示している。 図２は、図１に示す前記ぜんまいばねが初期トルク発生状態とされた際の巻数と曲率との関係を示すグラフである。 図３は、図１に示す前記ぜんまいばねが最大トルク発生状態とされた際の巻数と曲率との関係を示すグラフである。 図４(a)〜(c)は、従来のぜんまいばねの平面図であり、図４(a)〜(c)は、それぞれ、自由長状態、初期トルク発生状態及び最大トルク発生状態を示している。 図５は、図４に示す従来のぜんまいばねが初期トルク発生状態とされた際の巻数と曲率との関係を示すグラフである。 図６は、図４に示す前記ぜんまいばねが最大トルク発生状態とされた際の巻数と曲率との関係を示すグラフである。
以下、本発明に係るぜんまいばねの好ましい実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１に本実施の形態に係るぜんまいばね１の平面図を示す。
図１(a)〜(c)は、それぞれ、前記ぜんまいばね１の自由長状態、初期トルク発生状態（所定の初期トルクを発生するように自由長状態から縮径方向に弾性変形された状態）及び最大トルク発生状態（最大トルクを発生するように初期トルク発生状態から縮径方向に弾性変形された状態）を表している。
図１(a)〜(c)に示すように、前記ぜんまいばね１は、長尺部材１００が実質的に同一平面内で螺旋状に巻き回されることで、径方向最内方に位置し、座巻き部として作用する固定巻き部１０と、前記固定巻き部１０の終端部から続く複数の可動巻き部２０とを有している。
前記固定巻き部１０は、始端側の一端部１０ａが前記ぜんまいばね１の内端部を形成し、且つ、他端部１０ｂが前記一端部１０ａから螺旋状に延びて前記可動巻き部２０につながる終端部を形成している。
本実施の形態においては、前記ぜんまいばね１の内端部から略１．２５巻き領域が前記固定巻き部１０として作用している。
又、前記ぜんまいばね１の内端部（前記固定巻き部の始端部）には内端側取付フック２ａが形成されている。
前記複数の可動巻き部２０は、前記固定巻き部１０の径方向外方に位置するように前記固定巻き部１０の終端部１０ｂから延びる第１可動巻き部２０（１）と、前記第１可動巻き部２０（１）の径方向外方に位置するように前記第１可動巻き部２０（１）の終端部から延びる第２可動巻き部２０（２）とを有している。
図１(a)〜(c)に示すように、本実施の形態に係るぜんまいばね１においては、前記第２可動巻き部２０（２）の終端部が前記ぜんまいばね１の外端部を形成しており、前記外端部（前記第２可動巻き部２０（２）の終端部）には外端側取付フック２ｂが形成されている。
なお、当然ながら、本発明は斯かる形態に限定されるものではなく、前記可動巻き部が３つ以上の巻き部を有することも可能である。
本実施の形態に係る前記ぜんまいばね１においては、自由長状態（図１(a)に示す状態）から縮径する方向に弾性変形されて保有弾性状態（図１(b)及び(c)に示す状態）とされた際に、前記第１可動巻き部２０（１）が、周方向同一位置において径方向内方側に隣接する前記固定巻き部１０及び径方向外方側に隣接する前記第２可動巻き部２０（２）の双方とは同時に接触せず、且つ、周方向に変位された複数の位置で前記固定巻き部１０又は前記第２可動巻き部２０（２）の何れか一方とのみ接触するように構成されている。
具体的には、図１(b)及び(c)に示すように、本実施の形態においては、前記第１可動巻き部２０（１）は、前記保有弾性状態において、始端部から周方向外方へ所定角度離間された第１位置２５ａにおいて前記固定巻き部１０とは径方向に離間された状態で前記第２可動巻き部２０（２）とのみ接触し、前記第１位置２５ａから周方向外方へ所定角度離間された第２位置２５ｂにおいて前記固定巻き部１０とは径方向に離間された状態で前記第２可動巻き部２０（２）とのみ接触し、且つ、前記第２位置２５ｂから周方向外方へ所定角度離間された第３位置２５ｃにおいて前記固定巻き部１０とは径方向に離間された状態で前記第２可動巻き部２０（２）とのみ接触している。
なお、本実施の形態においては、前記保有弾性状態の際に、前記第１可動巻き部２０（１）は、さらに、周方向に関し前記第２位置２５ｂ及び前記第３位置２５ｃの間の第４位置２５ｄにおいて前記第２可動巻き部２０（２）とは径方向に離間された状態で前記固定巻き部１０とのみ接触している。
このように、本実施の形態においては、前記保有弾性状態において、前記第１可動巻き部２０（１）が、周方向同一位置において前記固定巻き部及び第２可動巻き部の双方とは同時に接触せず、且つ、周方向に変位された複数の位置で前記固定巻き部１０又は前記第２可動巻き部２０（２）の何れか一方とのみ接触するように構成されている。
斯かる構成を備えた本実施の形態に係る前記ぜんまいばね１は、従来のぜんまいばねに比して、固有振動数を高めることができ、さらに、局所的な応力集中を有効に防止することができる。
図４(a)〜(c)に、それぞれ、従来のぜんまいばね２００の自由長状態、初期トルク発生状態及び最大トルク発生状態における平面図を示す。
又、図５に、従来のぜんまいばね２００が初期トルク発生状態（図４(b)）とされた際の巻数と曲率との関係を示す。
図６に、従来のぜんまいばね２００が最大トルク発生状態（図４(c)）とされた際の巻数と曲率との関係を示す。
図４(a)に示すように、従来のぜんまいばね２００は、自由長状態において、径方向内方に位置する内端部から径方向外方に位置する外端部へ行くに従って曲率半径が略一定割合で大きくなる（半径が略一定割合で大きくなる）ように構成されている。
斯かる構成の従来のぜんまいばね２００においては、図４(b)及び(c)に示すように、初期トルク発生状態や最大トルク発生状態等の保有弾性状態とされた際には、最内方に位置する第１巻き部分２１０（１）から径方向最外方に位置する第３巻き部分２１０（３）に至る全ての巻き部分が周方向に関し略同一位置（以下、周方向第１位置２０５と称す）の一箇所のみで径方向に隣接する他の巻き部分と接触することになる。
この場合、全ての巻き部分の各々において、前記周方向第１位置２０５以外の周方向全領域が、径方向に隣接する他の巻き部分との摩擦接触を受けること無く自由に弾性変形可能な領域となり、従って、ぜんまいばね全体の固有振動数が低くなり、共振が生じやすい。
さらに、前記従来構成においては、径方向に関し中央に位置する巻き部（図示の形態においては第２巻き部分２１０（２））が前記周方向第１位置２０５において径方向内方に位置する巻き部（２１０（１））及び径方向外方に位置する巻き部２１０（３）によって狭圧されることになり、弾性変形動作時に前記周方向第１位置２０５に応力が集中するという問題も生じる。
これに対し、本実施の形態に係る前記ぜんまいばね１においては、前記第１可動巻き部２０（１）は周方向に変位された複数の位置２５ａ、２５ｂ、２５ｃで前記固定巻き部１０又は前記第２可動巻き部２０（２）の何れか一方とのみ接触している。従って、固有振動数を上昇させて、共振の発生を有効に防止することができる。
さらに、前記第１可動巻き部２０（１）は、周方向同一位置において前記固定巻き部及び前記第２可動巻き部の双方と同時には接触しないように構成されている。従って、弾性変形動作時に所定箇所に応力集中が生じることを有効に防止できる。
図２及び図３に、それぞれ、本実施の形態に係る前記ぜんまいばね１が初期トルク発生状態（図１(b)）とされた際及び最大トルク発生状態（図１(c)）とされた際の巻数と曲率との関係を示す。
図１(a)〜(c)、図２及び図３に示すように、前記第１可動巻き部２０（１）は、周方向両側に比して曲率半径が小とされた複数の小曲率部を有している。
図示の形態においては、前記複数の小曲率部は、第１〜第３小曲率部２１ａ〜２１ｃを含んでいる。
前記第１小曲率部２１ａは、前記固定巻き部１０の終端部１０ｂから周方向に離間された位置に設けられている。
前記第２小曲率部２１ｂは、前記第１小曲率部２１ａから周方向に離間された位置に設けられている。
前記第３小曲率部２１ｃは、前記第２小曲率部２１ｂから周方向に離間された位置に設けられている。
図１(a)〜(c)、図２及び図３に示すように、前記ぜんまいばね１においては、前記第１小曲率部２１ａより周方向始端側及び終端側に、それぞれ、前記第１小曲率部２１ａよりも曲率半径が大とされた第１移行領域２２ａ及び第２移行領域２２ｂが設けられている。
即ち、前記第１小曲率部２１ａは、周方向に関し前記第１及び第２移行領域２２ａ、２２ｂの間に位置している。
前記第２小曲率部２１ｂは前記第２移行領域２２ｂの周方向終端側に位置しており、前記ぜんまいばね１には、さらに、前記第２小曲率部２１ｂより周方向終端側に前記第２小曲率部２１ｂよりも曲率半径が大とされた第３移行領域２２ｃが設けられている。
即ち、前記第２小曲率部２１ｂは、周方向に関し前記第２及び第３移行領域２２ｂ、２２ｃの間に位置している。
前記第３小曲率部２１ｃは前記第３移行領域２２ｃの周方向終端側に位置しており、前記ぜんまいばね１には、さらに、前記第３小曲率部２１ｃより周方向終端側に前記第３小曲率部２１ｃよりも曲率半径が大とされた第４移行領域２２ｄが設けられている。
即ち、前記第３小曲率部２１ｃは、周方向に関し前記第３及び第４移行領域２２ｃ、２２ｄの間に位置している。
一方、前記第２可動巻き部２０（２）には、周方向に関し前記第１〜第３小曲率部２１ａ〜２１ｃとそれぞれ対応した位置に第１〜第３大曲率部２３ａ〜２３ｃが設けられており、前記第１〜第３大曲率部２３ａ〜２３ｃの各々は、周方向両側に比して曲率半径が大とされている。
斯かる構成において、前記第１〜第３小曲率部２１ａ〜２１ｃが、それぞれ、対応する前記第１〜第３大曲率部２３ａ〜２３ｃに接触している。
詳しくは、前記第１小曲率部２１ａは前記固定巻き部１０との間に隙間を存しつつ前記第１大曲率部２３ａに接触し、前記第２小曲率部２１ｂは前記固定巻き部１０との間に隙間を存しつつ前記第２大曲率部２３ｂに接触し、前記第３小曲率部２１ｃは前記固定巻き部１０との間に隙間を存しつつ前記第３大曲率部２３ｃに接触している。
なお、本実施の形態に係る前記ぜんまいばね１には、図１(a)〜(c)に示すように、前記第４移行領域２２ｄより周方向終端側に、順に、前記第４移行領域２２ｄよりも曲率が小とされた第４小曲率部２１ｄ、前記第４小曲率部２１ｄより曲率が大とされた第５移行領域２２ｅ、前記第５移行領域２２ｅよりも曲率が小とされた第５小曲率部２１ｅ、前記第５小曲率部２１ｅより曲率が大とされた第６移行領域２２ｆ、前記第６移行領域２２ｆよりも曲率が小とされた第６小曲率部２１ｆ、及び、前記第６小曲率部２１ｆより曲率が大とされた第７移行領域２２ｇが設けられている。
斯かる構成において、前記第５〜第７移行領域２２ｅ〜２２ｇが、それぞれ、前記第１〜第３大曲率部２３ａ〜２３ｃとして作用している。
又、本実施の形態に係る前記ぜんまいばね１においては、図１(b)及び(c)に示すように、前記第１可動巻き部２０（１）は、前記保有弾性状態において、周方向に関し前記第２及び第３小曲率部２１ｂ、２１ｃの間の中間が前記第２可動巻き部２０（２）との間に隙間を存しつつ前記固定巻き部１０に接触しており、これにより、固有振動数のさらなる上昇を図っている。
１ ぜんまいばね
１０ 固定巻き部
２０（１） 第１可動巻き部
２０（２） 第２可動巻き部
２１ａ〜２１ｃ 第１〜第３小曲率部
２３ａ〜２３ｃ 第１〜第３大曲率部

Claims (4)

  1. 座巻き部として作用する固定巻き部と前記固定巻き部の終端部から続く複数の可動巻き部とを有するように長尺線材が実質的に同一平面内で螺旋状に巻き回されたぜんまいばねであって、
    前記複数の可動巻き部のうち少なくとも径方向最内方に位置する第１可動巻き部は、当該ぜんまいばねが自由長状態から縮径する方向に弾性変形された保有弾性状態において、周方向同一位置において径方向内方側に隣接する前記固定巻き部及び径方向外方側に隣接する第２可動巻き部の双方とは同時に接触せず、且つ、周方向に変位された複数の位置で前記固定巻き部又は前記第２可動巻き部の何れか一方とのみ接触するように構成されていることを特徴とするぜんまいばね。
  2. 前記第１可動巻き部は、周方向両側に比して曲率半径が小とされた複数の小曲率部を有し、
    前記第２可動巻き部は、周方向に関し前記複数の小曲率部とそれぞれ対応した位置に、周方向両側に比して曲率半径が大とされた複数の大曲率部を有し、
    前記保有弾性状態において、前記複数の小曲率部が対応する複数の前記大曲率部に接触していることを特徴とする請求項１に記載のぜんまいばね。
  3. 前記複数の小曲率部は、前記固定巻き部の終端部から周方向に離間された位置に設けられた第１小曲率部、前記第１小曲率部から周方向に離間された位置に設けられた第２小曲率部及び前記第２小曲率部から周方向に離間された位置に設けられた第３小曲率部を含み、
    前記複数の大曲率部は、周方向に関し前記複数の第１〜第３小曲率部とそれぞれ対応した位置に設けられた第１〜第３大曲率部を含むことを特徴とする請求項２に記載のぜんまいばね。
  4. 前記第１可動巻き部は、前記保有弾性状態において、周方向に関し前記第２及び第３小曲率部の間の中間が前記第２可動巻き部との間に隙間を存しつつ前記固定巻き部に接触していることを特徴とする請求項３に記載のぜんまいばね。
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