JP6868091B2

JP6868091B2 - 皿ばね

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Publication number: JP6868091B2
Application number: JP2019504665A
Authority: JP
Inventors: 秀彰酒井
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2038-03-08
Also published as: JPWO2018164222A1; US11236793B2; CN110418906A; US20210131515A1; CN110418906B; WO2018164222A1

Description

本発明は、皿ばねに関する。
本願は、２０１７年３月８日に日本に出願された特願２０１７−０４４３８０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来から、下記特許文献１に示されるような皿ばねが知られている。この皿ばねは、環状の本体部を備えている。この環状の本体部の中心軸線に沿う方向を軸方向といい、軸方向から見た平面視で中心軸線に直交する方向を径方向といい、中心軸線回りに周回する方向を周方向というとき、下記特許文献１の皿ばねは、本体部の内周縁から径方向内側に向けて突出する爪部を備えている。この爪部は、径方向内側に向かうに従って漸次軸方向の一方側に向けて延びている。
この皿ばねでは、本体部と爪部との間に軸方向の荷重が作用すると、本体部が弾性変形するとともに、爪部の先端が本体部に対して軸方向に移動（ストローク）する。

日本国特許第５２０９９０４号公報

ところで、この種の皿ばねでは、ストロークに対する荷重の特性を安定させることが求められている。ここで、本願発明者らは、このような皿ばねを回転軸に嵌め込み、回転させて使用すると、ストロークに対する荷重の特性が、回転速度に伴って変化してしまうことを見出した。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、回転させて用いる皿ばねの荷重特性を安定させることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る皿ばねは、回転軸に嵌め込まれる皿ばねであって、環状の本体部と、前記本体部の内周縁から径方向内側に向けて突出する爪部と、を有し、前記爪部は、径方向内側に向かうに従って漸次軸方向の一方側に向けて延び、前記爪部のうち、少なくとも先端部に孔が形成されている。

上記態様に係る皿ばねでは、爪部が、径方向内側に向かうに従って漸次軸方向の一方側に向けて延びている。これにより、皿ばねが回転すると、爪部に遠心力が作用し、この遠心力によって、爪部が、本体部との接続部分を基点として、軸方向外側に向けて起き上がるように変形するよう付勢される。そしてこの変形（遠心力）は、爪部の先端に当接している付勢対象物を、軸方向の一方側に向けて、回転速度が大きくなるにつれて強く押圧するように作用する。この押圧力により、皿ばねの見かけの荷重特性が変化する。
ここで、上記態様では、爪部のうち、少なくとも先端部に孔が形成されている。これにより、爪部のうち、上述したような回転による押圧力を大きく生じさせる先端部の質量を小さくして、この押圧力を抑えることができる。従って、皿ばねの荷重特性が回転速度に応じて変化してしまうのを抑制し、荷重特性を安定させることができる。

また、上記態様に係る皿ばねにおいて、前記孔のうち、径方向中央部より外側に位置する部分の開口面積は、径方向中央部より内側に位置する部分の開口面積より小さくてもよい。
また、上記態様に係る皿ばねにおいて、前記孔は、前記爪部の先端部から径方向外側に向けて延びる長孔であり、前記長孔における径方向内端部を除く部分の周方向における幅が、径方向外側に向かうに従って漸次小さくなっていてもよい。

この場合、回転速度に応じた遠心力による影響が大きい、爪部の先端部の質量を小さくするとともに、このような遠心力による影響が比較的小さい、爪部の根本部の断面積を大きくして、この根本部の強度を確保することができる。

また、上記態様に係る皿ばねにおいて、前記長孔のうち、径方向中央部より外側に位置する部分の開口面積は、径方向中央部より内側に位置する部分の開口面積より小さくてもよい。
また、上記態様に係る皿ばねでは、前記長孔の径方向内端部を除く部分に相当する、前記爪部が延びる延在方向の範囲において、前記延在方向に直交する方向における前記爪部の断面積が、径方向外側に向かうに従って漸次大きくなっていてもよい。

この場合、爪部の先端部の質量が小さくなり、根本部の断面積が大きくなる形状を、容易に実現することができる。

本発明の上記態様によれば、回転させて用いる皿ばねの荷重特性を安定させることができる。

本発明に係る一実施形態として示した皿ばねの概略図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。図１に示す皿ばねが装着されたクラッチ装置の概略図である。実施例２の皿ばねの概略図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。皿ばねのストロークと荷重の関係を説明するグラフである。比較例の皿ばねの平面図である。

以下、本発明に係る皿ばねの一実施形態を、図１〜図４を参照しながら説明する。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の皿ばね１０は、環状の本体部２と、複数の爪部３と、を有している。この皿ばね１０は、回転軸（図示せず）を囲むように嵌め込まれて用いられる場合がある。皿ばね１０は、弾性変形可能な金属等の板材から、例えばプレス加工等を用いて形成されているが、皿ばね１０の材質および加工方法は適宜変更してよい。

ここで本実施形態では、本体部２の中心軸線Ｏに沿う方向を軸方向という。また、軸方向から見た平面視において、中心軸線Ｏに直交する方向を径方向といい、中心軸線Ｏ回りに周回する方向を周方向という。また、皿ばね１０を軸方向に挟む２つの領域の一方側を＋Ｘ側（図１（ｂ）の紙面右側）と称し、他方側を−Ｘ側（図１（ｂ）の紙面左側）と称する場合がある。
図１（ａ）は、皿ばね１０を軸方向から見た平面図であり、図１（ｂ）は、皿ばね１０を径方向から見た側面図である。

各爪部３は、本体部２の内周縁から、径方向内側に向けて突出している。複数の爪部３は、周方向に等間隔を空けて配置されている。なお、これに限定されず、例えば、大小の間隔が周方向に交互に設けられるように爪部３が配置されてもよい。各爪部３は、径方向内側に向かうに従って漸次軸方向の一方側（図１（ｂ）の＋Ｘ側）に向けて延びている。本実施形態において、各爪部３の周方向の幅は、その延在方向（後述する延在方向Ｐ）の全域にわたって同等であるが、これに限定されず、例えば、爪部３の幅が、径方向内側に向かうに従い増大したり、あるいは減少したりしてもよい。各爪部３の先端部（径方向内側の端部）には、この爪部３を貫通する円形の孔３ａが形成されている。本実施形態の爪部３の先端部は、爪部３の径方向中央部より先端側の部分に相当する。爪部３の径方向中央部は、爪部３の径方向内端と径方向外端との中央位置に相当する。孔３ａは、爪部３をその板厚方向（爪部３の幅方向および延在方向のいずれにも直交する方向）に貫通している。

次に、皿ばね１０が装着されたクラッチ装置３０について説明する。なお、不図示の構成は従来と同様であるため省略している。

クラッチ装置３０は、図２に示されるように、ケース体（クラッチドラム）３１と、筒状のピストン３４と、皿ばね１０と、摩擦機構３６と、ウェーブスプリング１と、クラッチハブ３７と、スナップリング３８と、を備えている。皿ばね１０は、このクラッチ装置３０のリターンスプリングとして用いられている。
これらのうち、ケース体３１以外の部材１、１０、３４、３６〜３８は、ケース体３１の内側に収容されている。ピストン３４、皿ばね１０、摩擦機構３６、クラッチハブ３７、およびスナップリング３８は、ウェーブスプリング１と同軸に配設されている。

ケース体３１は、例えばアルミニウム合金などで形成されている。
ピストン３４は、横向きの有底筒状に形成されている。ピストン３４の底壁部３４ａに、中心軸線Ｏと同軸に位置する貫通孔３４ｂが形成され、この貫通孔３４ｂの内側に、ケース体３１に形成された支持突部３１ｂが配設されている。ピストン３４の周壁部３４ｃにおける開放端部３４ｄが、摩擦機構３６に対して軸方向に対向している。ピストン３４の周壁部３４ｃの内側に、皿ばね１０、およびスナップリング３８が、軸方向に沿って底壁部３４ａ側（−Ｘ側）から開放端部３４ｄ側（＋Ｘ側）に向けてこの順に配設されている。

スナップリング３８のうち、内周部は、支持突部３１ｂの外周面に固定され、外周部は、皿ばね１０における爪部３の先端（径方向内側の端部）を軸方向に沿う開放端部３４ｄ側（＋Ｘ側）から支持している。すなわち、スナップリング３８の−Ｘ側の面が、皿ばね１０における爪部３の先端を軸方向に支持している。
皿ばね１０は、支持突部３１ｂを囲むように嵌め込まれている。皿ばね１０における本体部２の外周部は、ピストン３４の内面に当接している。すなわち、支持突部３１ｂは、皿ばね１０が囲むように嵌め込まれる回転軸に相当する。
ウェーブスプリング１は、軸方向の一方側に向けて突となる山部およびその反対側に向けて突となる谷部が周方向に交互に連ねられて形成された環状体１３を備えている。環状体１３の外周面（外周縁）には、径方向外側に向けて突出する規制突片１４が配設されている。ウェーブスプリング１は、ピストン３４の周壁部３４ｃにおける開放端部３４ｄと摩擦機構３６との間の軸方向の隙間に配設されている。

以上の構成において、ピストン３４は、軸方向に沿う開放端部３４ｄ側（＋Ｘ側）に移動したときに、皿ばね１０およびウェーブスプリング１を押圧し弾性変形させる。このうち、皿ばね１０によって、ピストン３４が軸方向の−Ｘ側に復元移動させられ、ウェーブスプリング１によって、ピストン３４が摩擦機構３６に当接する際に生じる衝撃力を緩和する。
このとき、皿ばね１０は、爪部３の先端から本体部２の外周縁までの、軸方向における長さＬ（図１（ｂ）参照）が伸縮するように弾性変形する。

摩擦機構３６は、ピストン３４の開放端部３４ｄに、軸方向に沿うピストン３４の外側から対向して配設されている。摩擦機構３６は、環状の従動プレート４０と、従動プレート４０より内径および外径が小さい環状の摩擦プレート３９と、が軸方向に交互に配設されて構成されている。従動プレート４０および摩擦プレート３９は、中心軸線Ｏと同軸に配設されている。従動プレート４０の外周面には、径方向の外側に向けて突出する外規制突片４０ａが形成されている。摩擦プレート３９の内周面には、径方向の内側に向けて突出する内規制突片３９ａが形成されている。

従動プレート４０の外規制突片４０ａ、およびウェーブスプリング１の規制突片１４は、ケース体３１の内面に形成された窪み部３１ａに係合されている。
窪み部３１ａは、軸方向に延びるとともに、径方向の内側に向けて開口した溝状に形成されている。窪み部３１ａは、軸方向から見て矩形状を呈し、その４つの辺のうちの２辺は略径方向に延びている。窪み部３１ａを画成する３つの内面３１ｃ、３１ｄは、軸方向に真っ直ぐ延びている。窪み部３１ａを画成する内面３１ｃ、３１ｄのうち、周方向で互いに対向する一対の対向面３１ｃが、規制突片１４の周端面（周方向の一対の端面）に、周方向で対向している。内面３１ｄは径方向内方に対向している。

クラッチハブ３７は、摩擦機構３６における径方向の内側に配設されている。クラッチハブ３７の外周面には、摩擦プレート３９の内規制突片３９ａが係合する係合凹部３７ａが形成されている。

（作用）
ところで、この種のクラッチ装置３０では、皿ばね１０が中心軸線Ｏ回りに回転させられる場合がある。ここで、皿ばね１０の爪部３は、前述したように、径方向内側に向かうに従って漸次軸方向の一方側（＋Ｘ側）に向けて延びている。これにより、皿ばね１０が中心軸線Ｏ周りに回転すると、爪部３に遠心力が作用し、この遠心力によって、爪部３が、本体部２との接続部分（以下、単に根本部という）を基点として、軸方向外側に向けて起き上がるように変形するよう付勢される。そしてこの変形（遠心力）は、爪部３の先端に当接しているスナップリング３８を、軸方向の一方側（＋Ｘ側）に向けて押す押圧力Ｆ（図１（ｂ）参照）として作用する。このため、本体部２や爪部３の弾性変形による本来の弾性復元力と、この押圧力Ｆと、の合力がスナップリング３８およびピストン３４に及ぼされ、皿ばね１０の見かけの荷重特性が変化する。
さらに、この押圧力Ｆは遠心力に起因するので、皿ばね１０の回転速度が大きくなるにつれて押圧力Ｆも大きくなる。すなわち、皿ばね１０が中心軸線Ｏ周りに回転する回転速度が大きくなるにつれて、皿ばね１０の見かけの荷重が増加することとなり、皿ばね１０の荷重特性が不安定になる可能性がある。

そこで本実施形態の皿ばね１０には、前述の通り、爪部３の先端部に孔３ａが形成されている。これにより、爪部３のうち、上述したような回転による押圧力Ｆを大きく生じさせる先端部の質量を小さくして、この押圧力Ｆを小さく抑えることができる。従って、皿ばねの荷重特性が回転速度に応じて変化してしまうのを抑制し、荷重特性を安定させることができる。
さらに、この孔３ａは爪部３の先端に形成されているため、爪部３の根本部の断面積が減少せず、この根本部の強度を確保することができる。

（荷重特性の検討）
次に、回転の有無、爪部３における孔３ａの有無、および孔３ａの形状が、皿ばね１０の荷重特性に及ぼす影響について検討した結果を、図４を用いて説明する。本検討では、図１、図３、および図５に示す３種類の皿ばねを用い、順に実施例１、実施例２、および比較例と称する。上記３種類の皿ばねは、本体部２および爪部３の厚みや外形などの基本的な緒元は共通であるが、孔３ａの形態のみが異なっている。

具体的には、図１に示す実施例１の皿ばね１０では、爪部３の先端部に円形の孔３ａが形成されている。
図３（ａ）、（ｂ）に示す実施例２の皿ばね１０Ａでは、爪部３に、この爪部３の先端部から径方向外側に向けて延びる長孔３ｂが形成されている。長孔３ｂは、爪部３の先端部から根本部にかけて延びている。長孔３ｂの径方向内側の端部には、径方向内側に向けて突となる曲面が形成されている。この径方向内側に向けて突となる曲面（例えば円弧）を含む長孔３ｂの部分を、径方向内端部と称する。この実施例２において、長孔３ｂの前記径方向内端部の径方向長さは、前記径方向内端部を除く部分の径方向長さよりも小さい。また、長孔３ｂの径方向外側の端部には、径方向外側に向けて突となる曲面が形成されている。長孔３ｂの径方向内側の端部（径方向内端部）における曲率半径は、実施例１における孔３ａの半径と同等である。この長孔３ｂの径方向内端部を除く部分の周方向における幅は、径方向外側に向かうに従って、漸次小さくなっている。これにより、爪部３が延びる延在方向Ｐ（図３（ｂ）参照）に直交する断面視において、長孔３ｂの径方向内端部を除く部分に周方向で隣接する爪部３の断面積が、径方向外側に向かうに従って漸次大きくなっている。言い換えれば、長孔３ｂの径方向内端部を除く部分に相当する、爪部３が延びる延在方向Ｐの範囲において、延在方向Ｐに直交する方向における爪部３の断面積が、径方向外側に向かうに従って漸次大きくなっている。また、爪部３のうち、径方向中央部より外側に位置する部分の質量は、径方向中央部より内側に位置する部分の質量より大きくなっている。なお、延在方向Ｐとは、中心軸線Ｏに直交する方向から見た側面視において、爪部３が根本部から先端部に向けて延びる方向である。
図３（ａ）は、皿ばね１０Ａを軸方向から見た平面図であり、図３（ｂ）は、皿ばね１０Ａを径方向から見た側面図である。

図３（ａ）に示す仮想線Ｃは、長孔３ｂの径方向中央を通る、中心軸線Ｏを中心とした円弧である。長孔３ｂのうち、仮想線Ｃより径方向外側の部分における開口面積をＳ１とし、仮想線Ｃより径方向内側の部分における開口面積をＳ２とすると、Ｓ１＜Ｓ２となっている。すなわち、長孔３ｂのうち、径方向中央部より外側に位置する部分の開口面積Ｓ１は、径方向中央部より内側に位置する部分の開口面積Ｓ２よりも小さい。
図５に示す比較例の皿ばね１００では、爪部３に孔が形成されていない。図５は、皿ばね１００を軸方向から見た平面図である。

ここで、図４に示すグラフのうち、「回転無し」は、図５に示す比較例の皿ばね１００を中心軸線Ｏ周りに回転させずに用いた場合のデータである。また、図４に示すグラフのうち、「比較例」、「実施例１」、および「実施例２」は、比較例および実施例１〜２の各皿ばねを、中心軸線Ｏ周りに５０００ｒｐｍで回転させた場合のデータである。

図４に示す横軸は、皿ばねのストローク量を示している。ここで、ストローク量とは、無負荷時を基準とする、皿ばねの軸方向における長さＬの圧縮変形量である。つまり、皿ばねが軸方向に圧縮変形させられていない場合に、ストローク量が０となる。図４に示す縦軸は、皿ばねによる軸方向の見かけの荷重を示している。この見かけの荷重は、本体部２の弾性復元力および先述の押圧力Ｆの合算値である。

ここで、図４中の「回転無し」および「比較例」のグラフは、ともに比較例の皿ばね１００についてのデータであり、条件の相違点は、皿ばね１００を回転させているか否かである。すなわち、「比較例」のグラフと「回転無し」のグラフとの差分が、皿ばね１００を回転させたことによる、皿ばね１００の見かけの荷重の増加量を示している。すなわち、「回転無し」のデータから荷重の値が大きく離れるほど、皿ばね１００を回転させたことによる押圧力Ｆが大きく作用していることを意味する。

図４から明らかなように、実施例１〜２のグラフはいずれも、「比較例」のグラフより「回転無し」のグラフに近い。すなわち、実施例１〜２のグラフと「回転無し」のグラフとの各差分は、「比較例」のグラフと「回転無し」のグラフとの差分よりも小さい。これは、実施例１〜２では、爪部３に孔３ａ若しくは長孔３ｂが形成され、爪部３が軽量化されることで、この爪部３に作用する遠心力が低減し、押圧力Ｆが減少するためである。このように、爪部３に孔３ａ若しくは長孔３ｂを形成することにより、皿ばねを中心軸線Ｏ周りに回転させたときに荷重特性が不安定になるのを抑えることができる。

また、実施例２のグラフは、実施例１のグラフよりも、「回転無し」のグラフに近い。すなわち、実施例２のグラフと「回転無し」のグラフとの差分は、実施例１のグラフと「回転無し」のグラフとの差分よりも小さい。
これは、実施例２の長孔３ｂのほうが、実施例１の孔３ａよりも、開口面積が大きいため、より爪部３の質量が小さいことによる。
また、実施例２のように、延在方向Ｐに直交する断面における爪部３の断面積が、径方向外側に向かうに従って漸次大きくなるようにすることで、回転速度に応じて大きな押圧力Ｆを発生させる爪部３の先端部の質量を小さくするとともに、このような押圧力Ｆの発生が比較的小さい、爪部３の根本部の断面積を大きくして、この根本部の強度を確保することができる。

詳細な数値の図示は省略するが、検討結果の一例では、ストロークが２ｍｍの時に、比較例の皿ばね１００で生じていた押圧力Ｆを、実施例１の皿ばね１０では約３４％低減し、実施例２の皿ばね１０Ａでは約５６％低減することができた。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、クラッチ装置３０に用いられる皿ばね１０（１０Ａ）について説明したが、この皿ばね１０（１０Ａ）は他の装置に用いられてもよい。
また、前記実施例１〜２で示した本体部２、爪部３、および孔３ａ若しくは長孔３ｂの形状は一例であり、適宜変更することができる。例えば、本体部２から突出させる爪部３の数、周方向の幅、若しくは延在方向Ｐにおける長さ等を適宜変更してもよい。

また、前記実施例１〜２で示した孔３ａおよび長孔３ｂの形態は一例であり、適宜変更することができる。例えば、爪部３の先端部に複数の細孔を形成することにより、この先端部の質量を減少させてもよい。あるいは、このような複数の細孔が爪部３の全域にわたって形成されるとともに、この細孔が配置されている密度が、爪部３のうち、径方向中央部より根本側の部分よりも、径方向中央部より先端側の部分の方が大きくなっていてもよい。すなわち、爪部３のうち、少なくとも先端部に孔が形成されていればよい。
また、長孔３ｂの開口形状は、多角形状、矩形状、若しくは台形状などであってもよい。また、長孔３ｂの径方向内端部における周方向の幅は、径方向内側に向かうに従って漸次小さくなっていてもよく、径方向内側に向かうに従って漸次大きくなっていてもよい。長孔３ｂに、径方向内側に向けて突となる曲面を含む前記径方向内端部が設けられずともよい。

また、前記実施例１〜２で示した爪部３の外形は一例であり、適宜変更することができる。例えば、台形、逆台形、またはハンマー形等の外形を有する爪部３を採用してもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

２本体部
３爪部
３ａ孔
３ｂ長孔
１０、１０Ａ皿ばね
Ｏ中心軸線

Claims

回転軸に嵌め込まれる皿ばねであって、
環状の本体部と、
前記本体部の内周縁から径方向内側に向けて突出する爪部と、を有し、
前記爪部は、径方向内側に向かうに従って漸次軸方向の一方側に向けて延び、
前記爪部のうち、少なくとも先端部に孔が形成されており、
前記孔のうち、径方向中央部より外側に位置する部分の開口面積は、径方向中央部より内側に位置する部分の開口面積より小さい、皿ばね。
前記孔は、前記爪部の先端部から径方向外側に向けて延びる長孔であり、
前記長孔における径方向内端部を除く部分の周方向における幅が、径方向外側に向かうに従って漸次小さくなっている、請求項１に記載の皿ばね。
前記孔は、前記爪部の先端部から径方向外側に向けて延びる長孔であり、
前記長孔の径方向内端部を除く部分に相当する、前記爪部が延びる延在方向の範囲において、前記延在方向に直交する方向における前記爪部の断面積が、径方向外側に向かうに従って漸次大きくなっている、請求項１または２に記載の皿ばね。