JP6653124B2 - つるまきばねの横力の特定方法及び低減方法 - Google Patents

Description

本願は、２０１４年４月１日に出願されたアメリカ合衆国の仮特許出願Ｎｏ．６１／９７３，４５４の優先権を主張する。

本発明は、概して圧縮つるまきばねに関するものである。特に、本発明は圧縮つるまきばねの性能を最適化する方法に関するものである。

圧縮ばねは、長年にわたり様々な分野で用いられてきた。たとえば、圧縮つるまきばねは、サスペンションシステム、ブレーキアクチュエータや、その他のばねの圧縮によって生じた軸力が利用される機械部品に用いられる。一般に、機械部品の位置と動きに影響を与えるために、望ましい力、又はばねのＫ値が用いられる。フックの法則は、ばねが圧縮された距離に基づき、圧縮ばねが生じる実際の力を表す物理学の法則である。軸力は、つるまきばねを圧縮することにより生じる期待された結果である。しかし、横力として知られる現象は、現在でも未解決の歴史的問題である。

横力は、ばねの軸に沿った軸力に対して横方向の、圧縮されたばねによって生じる力である。そして、ばねの軸は、圧縮つるまきばねの胴体によって定義される。横力は、ブレーキアクチュエータやその他の圧縮ばねの軸力を利用する機械部品において、早期破壊を引き起こすことが知られている。ばねのいかなる機械的特徴が好ましくない横力を引き起こしているかに関しては、知られていない現象である。したがって、現在まで、横力という現象に対する解決策は、開発されていない。それゆえに、圧縮つるまきばねの横力の原因を特定し、機械部品における横力の問題を解決することが望ましい。

胴体とその両端に末端コイルを有するつるまきばねの横力を監視する方法が示される。平面を定義する土台を有する固定部があり、固定部からシャフトが前記平面に対して垂直に伸びる。つるまきばねによって定義される軸は、前記シャフトと（一直線に）並んでいる。ばねの両端コイルの一方の、シャフトからの角変位が測定され、ばねの横力の値と相互に関連づけられる。

つるまきばねの圧縮中に生じる横力として知られる現象は、つるまきばねによって定義される軸に対する、つるまきばねの末端コイルの角変位の結果であると判断された。つるまきばねによって生じる横力の原因はこれまで不明であった。そこで、つるまきばねの少なくとも一方の末端コイルの角変位を保持することが、当該つるまきばねの圧縮によって生じる横力の量を制御するであろうと判断された。たとえば、両端にある末端コイルの少なくとも一方の角変位をばね軸に垂直な平面に対して約−１．５°から＋２．５°の間に保つことは、つるまきばねが生じる横方向の負荷を、横力が機械部品に与える損傷を本質的に除去すると考えられる所定の閾値未満に制御する。このようにして、歴史的問題である圧縮つるまきばねの横力の問題を解決する望ましいばねの製造過程が開発された。

図１は本発明が対象とする圧縮つるまきばねの具体例の一つを示した説明図である。 図２Ａはブレーキアクチュエータとして用いられる圧縮つるまきばねの断面図である。 図２Ｂはブレーキアクチュエータとして用いられる圧縮つるまきばねの断面図である。 図３Ａは本発明にかかる装置を表した正面図である。 図３Ｂは本発明にかかる装置を表した側面図である。 図４はアセンブリを示した平面図である。 図５は統計的な試験データを示す散布図である。

本発明の他の長所もまた、添付の図面との関連で考えれば、以下の発明の詳細な説明の記述を参照することで容易に理解されるであろう。

図１を参照すると、本発明に属する典型的なばねが、ばね１０に一般的に示されている。ばね１０は、ばね軸ａに沿って圧縮された結果としてエネルギーが蓄えられる圧縮型のつるまきばねに関するものである。ばね１０は、第一の末端コイル１２とその反対に位置する第二の末端コイル１４とを含む。ばねの胴体１６は、第一の末端コイル１２と第二の末端コイル１４の間に画定される。図１に示されたばね１０は、ばねの胴体１６の直径が第一の末端コイル１２及び第二の末端コイル１４のそれよりも大きい樽型のつるまきばねに関するものであるが、全体にわたってコイルの直径がほぼ一定である管型ばね等、他のつるまきばねも本発明の対象であることは、当業者によって理解されるべきである。

第一の末端コイル１２は、コイルの最初の末端である第一の末端１８に位置するコイルとして特定され、ばねの軸の周りに約１８０°広がっている。同様に、第二の末端コイル１４は、第二の末端２０からばね軸の周りに約１８０°延びている。

上記のように、つるまきばね１０の主要な機能は、ばね軸ａに沿って変換される圧縮に基づくエネルギーを蓄えることである。しかし、横力Ｌは、つるまきばね１０の歴史的に制御されない現象であった。つるまきばね１０によって生じる横力Ｌは、例えばブレーキアクチュエータやサスペンションシステムのような、軸方向のばね力Ｋを利用するその他の関連機械部品に構造的な欠陥を引き起こすことが知られている。

ここで、図２Ａ及び図２Ｂに、一例が示されている。２２でブレーキアクチュエータの関連部分が概要的に描かれている。つるまきばね１０は、パワーばねハウジング２４の中に配置されている。ハウジング２４は、嵌合部２８により、フランジケース２６に固定されている。ダイヤフラム３０は、パワーばねハウジング２４とフランジケース２６との間において、嵌合部２８内に固定されている。パワーばねチャンバ３２はダイヤフラム３０とパワーばねハウジング２４との間と定義される。つるまきばね１０が伸びた状態が図２Ａに、圧縮されて蓄えられたエネルギーを有する状態が図２Ｂに示されている。

ばねピストン３４は、つるまきばね１０を圧縮・伸長するとともにこれを構造的に支えるよう、当該つるまきばねをガイドするため、ダイヤフラム３０とつるまきばね１０との間に配置される。図２Ａに示されている空気チャンバ３６は、つるまきばね１０を、プレート３８に力を加えながら伸長させ、ピストンロッド４０を既知の方法で動作させることを可能とするように、減圧されている。空気チャンバ３６は、図２Ｂに示されているように、既知の方法でつるまきばね１０を圧縮するように、吸排気口４２で十分な空気圧で加圧されている。戻しばね４２は、空気チャンバ３６が加圧されたときに、プレート３８とピストンロッド４０を後退させるように、パワーばねチャンバ３２に向かってプレート３８とピストンロッド４０を伸長させる。

上記のように、つるまきばね１０は、ばね軸ａに沿った力を発生させるだけでなく、つるまきばねは、他の欠陥に加えて、ダイヤフラム３０を傷つける不定の角度でばねピストン３４を動作させることにより損傷を引き起こすと考えられている横力Ｌをも発生させることが知られている。そこで、本発明は、望ましくない横力によって引き起こされる欠陥を低減又は除去するため、つるまきばね１０に伴う横力を低減又は除去しようとするものである。

ここで、図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、出願人は、何がつるまきばねにおける横力を生じさせるかを特定するための独自の装置を開発した。本発明の発明者らは、第一の末端コイル１２と第二の末端コイル１４のいずれか一方がばね軸ａに対して垂直な平面となす角変位が、つるまきばね１０に生じる横力の原因であると判別した。この発見に加え、前記角変位を測定する装置が発明され、図３Ａ及び図３Ｂにおいて最も良く示され、４４に一般的に示されている。

シャフト４６は、平面５０を定義する土台４８から伸びている。シャフト４６は土台４８上の平面５０から垂直に伸びている。円錐部５２は、シャフト４６に支えられ、当該シャフト４６と軸を同じくし、円錐の細くなっていく部分が上を向くように、土台４８の平面５０に配置されている。第二の円錐部である第二の円錐部５４は、第一の円錐部５２に対して反対向きであり、アセンブリ５６を支持する。

アセンブリ５６は、図４に最も良く表されているように、回転軸の旋回点Ｐにおいて回転可能なように管状部６０に取り付けられている。管状部６０は、シャフト４６に取り付けられたときに、第二の円錐部５４が当該シャフトと同軸となるように、第二の円錐部５４と中心が同一となる配置がされている。停止部６２は、明細書で後述する目的を有する旋回点Ｐに位置する。角度計６４は、シャフト４６に垂直な平面に対して０°と測定されるように、回転軸アーム５８上に配置されている。角度計６４は、Ｗｉｘｅｙ Ｖｉｓｕａｌ Ａｎｇｌｅ Ｇａｕｇｅの品番ＷＲ３００又はその同等品が想定される。

末端コイル１２や１４の角変位を測定するとき、つるまきばね１０は、第二の末端コイル１４が第一の円錐部５２に係合するように、装置４４に設置される。結果として、第二の円錐部５４は、第一の末端コイル１２の中に位置し、それによって、ばね軸ａを、第一の円錐部５２及び第二の円錐部５４によって定義される軸と同じ軸であるシャフト４６の軸に平行に揃える（一直線に並べる）。アセンブリ５６は、シャフト４６に設置され、それによって当該アセンブリ５６を、ばね軸ａと平行に揃える（一直線に並べる）。旋回点Ｐと交差する軸に沿って管状部６０に固定されている基準アーム６６は、第一の末端コイル１２と接触する。基準アーム６６は、第一の末端コイル１２の第一の末端１８が停止部６２と接触するまでアセンブリ５６を回転させるために用いられる。このようにして、回転軸アーム５８と角度計６４は、第一の末端１８から９０°回転した位置にある部分の第一の末端コイル１２上の位置に配置する。この観点から、回転軸アーム５８は、角度計６４がつるまきばね１０によって定義されるばね軸ａに垂直な平面に対する第一の末端コイル１２の角変位の関係を計測できるように、旋回点Ｐを中心として回転することができる。類似の方法で、つるまきばね１０が反対にされ、第二の末端コイル１４の角度が角度計６４によって計測される。

圧縮ばねの横力が事前に測定され、４０％以上のつるまきばね１０が、望ましい横力の値より高い横力を有するという結果となった。応用例の中には、約４００Ｎの横力であることが判明している。そこで、出願人は、所望の横方向の目標負荷に対して末端コイルの角度を最適化することとした。図５に示すように、ばね軸ａに垂直な平面に対して約−１．５°から＋２．５°の間が最適化された角変位であると判別された。さらに、ばね軸ａと平行な平面に対して−１°から０°の角度の間の範囲がより最適であることも判明した。その上、ばね軸ａと水平な平面に対して約−１°の目標値が、横力を最小にするための目標値である。

ばね製造の工程において、耐性を高めるためのいくつかの過程が施された。コイルを巻くに先立って予熱されたワイヤを用いることが、ばね軸ａに垂直な平面に対して約−１．５°から＋２．５°の一貫した角変位に保つことに最も有効であることがわかった。ＳＡＥ Ｊ２３１８規格のばねやこれと同等のものに対しては、伸びた状態で測定された軸力対横力の測定目標比は、約６７対１から１３対１の間である。目標比は、約５３対１である。ＳＡＥ Ｊ２３１８規格を約２０％超えるばねが伸びた状態での軸力の横力に対する測定目標比は、目標比が約６４対１であるところ、約８０対１から６０対１である。
なお、つるまきばねを製造する方法は、次のステップＡ、Ｂ、Ｃを含む。ステップＡは、合金から形成されたワイヤを提供するステップである。ステップＢは、両末端コイルの間にばねの胴体を形成するために前記ワイヤをコイル状に巻くステップであって、ばねの胴体がばね軸を定義し、それぞれの末端コイルが末端において終端するステップである。ステップＣは、少なくとも一方の前記末端コイルの前記ばねの胴体によって定義される前記ばね軸に対する角変位を該ばね軸に垂直な平面に対して約−１．５°から＋２．５°の間に保持するステップである。
前記ワイヤをコイル状に巻くステップは、前記つるまきばねが伸びた状態で、軸力対横力の比が約６７対１から１３対１の間、約５３対１、約８０対１から１６対１の間又は約６４対１のいずれかであるばねを製造するステップを有していてもよい。

本発明は、例を示す方法で記載されており、用語は限定的ではなく、むしろ表記された言葉の本来的な意味通りの意図で使用されていることが理解されるべきである。上記の説明に鑑みると、当業者にとって、本発明の多数の改良や改変が可能であることは明らかである。したがって、本発明は特に記載されたものとは異なる態様で実施されることが可能であり、それらもまた本出願にかかる発明の技術的範囲に含まれることが理解されるべきである。
［付記］
［付記１］
ばねの胴体とその両端に末端コイルとを有するつるまきばねの生じる横力を監視する方法であって、
平面を定義する土台を有する固定部及び前記平面に対して垂直の角度で、前記平面から伸びるシャフトを提供するステップと、
前記つるまきばねによって定義されるばね軸を前記シャフトと平行に揃えるステップと、
末端コイルの前記シャフトからの角変位を測定し、当該角変位と横力の大きさとを関連づけるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
［付記２］
前記末端コイルの前記シャフトからの角変位を測定する前記ステップが、前記末端コイルの末端から約９０°の位置での前記シャフトからの変位を測定することであることをさらなる特徴とする付記１に記載の方法。
［付記３］
前記末端コイルの前記シャフトからの角変位を測定する前記ステップが、両方の前記末端コイルの前記シャフトからの角変位を測定することであることをさらなる特徴とする付記１に記載の方法。
［付記４］
ばねの両端の末端コイルを固定するため前記シャフトと平行に揃えられる複数の対向する保持部をさらに提供し、それにより前記つるまきばねによって定義される軸と前記シャフトを平行に揃えることを特徴とする付記１に記載の方法。
［付記５］
前記シャフトからの前記末端コイルの角変位を測定する前記ステップは、さらに、角度計を提供し、当該角度計を前記末端コイルの末端から約９０°の位置で接続するアーム上に設置することを特徴とする付記１に記載の方法。
［付記６］
前記シャフトからの前記末端コイルの角変位を測定する前記ステップにおいて、さらに、前記末端コイルの末端によって定義される前記シャフト上の位置まで停止部を回転させることを特徴とする付記５に記載の方法。
［付記７］
前記末端コイルの末端から約１８０°の末端コイルの位置に基準アームを位置づけるステップをさらに含むことを特徴とする付記６に記載の方法。
［付記８］
前記両端の保持部を提供するステップにおいて、前記つるまきばねの末端コイルを受けるように方向づけられた、相対する円錐部をさらに提供することを特徴とする付記４に記載の方法。
［付記９］
最適化された横力を有する圧縮つるまきばねを製造する方法であって、
合金から形成されたワイヤを提供するステップと、
両末端コイルの間にばねの胴体を形成するために前記ワイヤをコイル状に巻くステップであって、ばねの胴体がばね軸を定義し、それぞれの末端コイルが末端において終端する、ステップと、
少なくとも一方の前記末端コイルの前記ばねの胴体によって定義される前記ばね軸に対する角変位を該ばね軸に垂直な平面に対して約−１．５°から＋２．５°の間に保持するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
［付記１０］
前記ばねの胴体によって定義される前記ばね軸に対する角変位を保持するステップにおいて、当該角変位を−１．０°に保持することをさらなる特徴とする付記９に記載の方法。
［付記１１］
前記両末端コイルを形成するステップにおいて、さらに、前記末端コイルを当該末端コイルの末端から約１８０°まで展開するように形成することを特徴とする付記１０に記載の方法。
［付記１２］
前記少なくとも一方の前記末端コイルの前記ばねの胴体によって定義される前記ばね軸に対する角変位を当該ばね軸に垂直な平面に対して約−１．５°から＋２．５°の間に保持するステップにおいて、
さらに、両方の前記末端コイルを前記ばねの胴体によって定義される前記ばね軸に垂直な平面に対して約−１．５°から＋２．５°の間に保持することを特徴とする付記９に記載の方法。
［付記１３］
前記つるまきばねが伸びた状態で、軸力対横力の比が約６７対１から１３対１の間であるばねを製造するステップをさらに含むことを特徴とする付記９に記載の方法。
［付記１４］
前記つるまきばねが伸びた状態で、軸力対横力の比が約５３対１であるばねを製造するステップをさらに有することを特徴とする付記９に記載の方法。
［付記１５］
前記つるまきばねが伸びた状態で、軸力対横力の比が約８０対１から１６対１の間であるばねを製造するステップをさらに有することを特徴とする付記９に記載の方法。
［付記１６］
前記つるまきばねが伸びた状態で、軸力対横力の比が約６４対１であるばねを製造するステップをさらに有することを特徴とする付記９に記載の方法。

Claims (8)

1. ばねの胴体とその両端に末端コイルとを有するつるまきばねの生じる横力を監視する方法であって、
   平面を定義する土台を有する固定部及び前記平面に対して垂直の角度で、前記平面から伸びるシャフトを提供するステップと、
   前記つるまきばねによって定義されるばね軸を前記シャフトと平行に揃えるステップと、
   前記平面と前記つるまきばねの末端コイルとのなす角度である末端コイルの角変位と前記つるまきばねの横力の値との間の相関関係を求めるステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記平面と前記つるまきばねの末端コイルとのなす角度である末端コイルの角変位と前記つるまきばねの横力の値との間の相関関係を求めるステップが、前記末端コイルの末端から約９０°の位置での前記シャフトからの変位を測定することを含むことをさらなる特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記平面と前記つるまきばねの末端コイルとのなす角度である末端コイルの角変位と前記つるまきばねの横力の値との間の相関関係を求めるステップが、両方の前記末端コイルの前記シャフトからの角変位を測定することを含むことをさらなる特徴とする請求項１に記載の方法。
4. ばねの両端の末端コイルを固定するため前記シャフトと平行に揃えられる複数の対向する保持部をさらに提供し、それにより前記つるまきばねによって定義される軸と前記シャフトを平行に揃えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記平面と前記つるまきばねの末端コイルとのなす角度である末端コイルの角変位と前記つるまきばねの横力の値との間の相関関係を求めるステップは、
   前記末端コイルの末端を通り、前記ばね軸と直交する旋回軸を中心に揺動可能に支持されたアームを設置し、前記末端コイルの角変位を測定できるように、前記ばね軸を中心として前記末端コイルの末端から約９０°進んだ位置に相当する前記アーム上の位置に角度計を設置し、角度計により末端コイルの角変位を計測すること、を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記平面と前記つるまきばねの末端コイルとのなす角度である末端コイルの角変位と前記つるまきばねの横力の値との間の相関関係を求めるステップは、前記末端コイルの末端を前記旋回軸に位置する停止部の位置に設置することで前記角度計を含むアセンブリを揺動するステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記ばね軸を中心として前記停止部から約１８０°進んだ位置において、前記シャフトと同軸であるように当該シャフトに取り付けられた円筒形状の管状部に固定されている基準アームを、前記ばね軸を中心として前記末端コイルの末端から約１８０°進んだ位置に位置づけるステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記両端の保持部を提供するステップにおいて、前記つるまきばねの末端コイルを受けるように方向づけられた、相対する円錐部をさらに提供することを特徴とする請求項４に記載の方法。

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