JPH0217741B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0217741B2 JPH0217741B2 JP589285A JP589285A JPH0217741B2 JP H0217741 B2 JPH0217741 B2 JP H0217741B2 JP 589285 A JP589285 A JP 589285A JP 589285 A JP589285 A JP 589285A JP H0217741 B2 JPH0217741 B2 JP H0217741B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cross
- section
- coil
- stress
- coil spring
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 5
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 241000282485 Vulpes vulpes Species 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
- F16F1/00—Springs
- F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
- F16F1/04—Wound springs
- F16F1/042—Wound springs characterised by the cross-section of the wire
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Springs (AREA)
Description
（産業上の利用分野）
本発明は、コイルばね、特に、その素線の断面
形状が半円と半楕円の組み合わせからなり、断面
周上の応力を均一化し、その最大応力の低減を図
つたコイルばねに関する。 （従来技術） 最近、自動車の軽量化が図られる中で、エンジ
ンの弁ばねやクラツチのトーシヨンばね等におい
て、限られたスペース内に収容できしかも軽量で
あるばねを設計する必要性が生じてきた。このこ
とは、ばね圧縮時の密着長を出来るだけ小さく
し、しかも一定量のエネルギーを吸収する重量を
小さくすること、すなわち、エネルギー効率を向
上させるということである。 ところで、ばねの密着長HSは一般に次式によ
り算出される。 HS＝（Ｎ−0.5）ｔ ……(1) ここで、 Ｎ：総巻数 ｔ：素線の縦方向寸法。 つまり、密着長を小さくするには、総巻数Ｎを
少なくし、素線の縦方向寸法ｔを小さくすればよ
い。また、エネルギー効率を向上させるには、断
面周上の応力を均一化し、最大応力を低くすれば
よい。 一般に、コイルばね素線は円形断面のものが従
来から用いられている。しかしながら、この円形
断面コイルばねに軸荷重が作用すると、断面周上
の発生応力は、周知のごとく、コイル素線がわん
曲している影響と直接せん断力により、コイル内
側の応力が増大し、エネルギー効率が悪い。この
最大応力τmaxは次のワールの式により求まる。 τmax＝8DP／πd3（4C−１／4C−４＋0.615／Ｃ）
……(2) ここで、Ｃはばね指数と呼ばれるもので、断面
中心間のコイル径をＤ、素線の直径をｄとしたと
き、 Ｃ＝Ｄ／ｄ である。なお、Ｐは荷重である。 このような応力の増大する欠点を改良したもの
として、特公昭27−3261号および米国特許第
2998242号のものがある。前者は、素線断面が卵
形状であるとしているが、応力を低減するための
素線断面寸法については明確にしていない。ま
た、後者は、その形状を半円と半楕円の組み合せ
であるとし、その断面の長径ｗと短径ｔとの関係
を次式で決定するとしている。 ｗ／ｔ＝１＋1.2／Ｃ ……(3) ここで、Ｃ＝Dm／Ｗ、Dm：断面の中心間の
コイル径。 これら両者とも、素線断面を偏平にすることに
より、密着長を小さくできる点については効果が
ある。しかし、これらを弾性力学に基づいた解析
手法により応力解析を行うと、応力均一および最
大応力を低減するという点からは、必ずしも十分
ではない。 （発明が解決しようとする問題点） 本発明は、従来の材料力学的解法では任意断面
形状の応力解析が非常に困難であるため、断面外
周境界を多数の線素に分割し、線素を直線近似
し、各線素に沿つてフーリエ展開を施し、それを
境界全域に拡張するという、弾性力学に基づいた
解法（フーリエ展開境界値平均法）により応力解
析し、特に、従来のものに比してその断面周上の
応力の均一化および最大応力の低減化をより図
り、また、それにより素線の細線化を図り、密着
長の短縮および重量を大幅に低減した、コイル外
周側が半円形状でコイル内周側が半楕円形状の素
線断面のコイルばねを提供することを目的とする
ものである。 （問題点を解決するための手段） 本発明のコイルばねは、第１図に示すように、
コイル素線の断面形状が、コイル外周側が半円形
状で、コイル内周側が半楕円形状であり、その断
面の長径ｗと短径ｔとの比がほぼ次式の関係にあ
る。 ｗ／ｔ＝１＋0.55／Ｃ ……(4) ここで、Ｃ＝Dm／Ｗ、Dm：断面の中心間の
コイル径 （作用） 上記の関係を満たすコイルばねにあつては、断
面周上の応力は従来の円形断面のコイルばね、先
の(3)式で決定される従来のコイルばねに比べて、
均一化されており、最大応力もより小さい。 応力分布の解析は、コイル重心径DGを一定、
軸荷重Ｐを一定、断面積を一定（πd2／４＝
πwt／４）、倒れ角、ピツチ角0゜の条件の下で、
ｗ／ｔを0.1ずつ変化させ、応力が最も小さくな
るｗ／ｔを求めた。その結果を第３図に示す。横
軸はｗ／ｔであり、縦軸はβ＝τmax／τ0（ただし
τmaxはFECM解の最大応力値、τ0は丸線の未修
正応力）である。尚、DG／ｄ＝DG／√は３、
４、５、６、７、８の６種類とし、図中にC′とし
て表示してある。 この応力の最低点ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆを
ｗ／ｔと１／Ｃ（Ｃ＝Dm／ｗ）に関してプロツ
トした結果を第４図に示す。この理想断面は式(4)
で近似されることが明らかであり、Fuchsの断面
形状からは大きくずれている。 （実施例） 以下、図面を参照にして本発明の実施例を詳細
に説明する。 素線が円形断面以外の任意断面を有するコイル
ばねについては、従来の材料力学的解法では断面
周上の応力を求めることができない。そこで、先
に述べたように、本発明において効率的なコイル
ばねを求めるために、フーリエ展開境界値平均法
（Fourier Expansion Colocation Method、Ｆ、
Ｅ、Ｃ、Ｍ）を用いた。この解法は、断面外周境
界を多数の線素に分割し、線素を直線近似し、各
線素に沿つてフーリエ展開を施し、それを境界全
域に拡張するという、弾性学に基づいた解法であ
る。 第１図は、本発明の実施例を示したものである
が、図において、DGは断面の重心間のコイル径
を示し、Dnは断面の中心間のコイル径を示す。
本発明のコイルばねの素線の断面形状は、コイル
外周側の半円とコイル内周側の半楕円と組み合せ
により構成されている。これは、従来の米国特許
第2998242号のものと同一であるが、Ｆ、Ｅ、Ｃ、
Ｍ、を用いて求めた結果、最大応力が最低となる
本発明のコイルばね素線の断面の長径Ｗと短径ｔ
との比は次式の関係にある。 Ｗ／ｔ＝１＋0.55／Ｃ（ここでＣ＝Dm／Ｗ） ……(5) 第２図は、従来の円形断面素線のコイルばね、
(3)式で決定される従来の異形コイルばね、およ
び、(5)式で決定される本発明のコイルばねそれぞ
れの断面周上の応力解析を行つた結果、得られた
応力分布を示すものである。この場合のそれぞれ
の素線断面積を同一としたばね仕様を次表に示
す。
形状が半円と半楕円の組み合わせからなり、断面
周上の応力を均一化し、その最大応力の低減を図
つたコイルばねに関する。 （従来技術） 最近、自動車の軽量化が図られる中で、エンジ
ンの弁ばねやクラツチのトーシヨンばね等におい
て、限られたスペース内に収容できしかも軽量で
あるばねを設計する必要性が生じてきた。このこ
とは、ばね圧縮時の密着長を出来るだけ小さく
し、しかも一定量のエネルギーを吸収する重量を
小さくすること、すなわち、エネルギー効率を向
上させるということである。 ところで、ばねの密着長HSは一般に次式によ
り算出される。 HS＝（Ｎ−0.5）ｔ ……(1) ここで、 Ｎ：総巻数 ｔ：素線の縦方向寸法。 つまり、密着長を小さくするには、総巻数Ｎを
少なくし、素線の縦方向寸法ｔを小さくすればよ
い。また、エネルギー効率を向上させるには、断
面周上の応力を均一化し、最大応力を低くすれば
よい。 一般に、コイルばね素線は円形断面のものが従
来から用いられている。しかしながら、この円形
断面コイルばねに軸荷重が作用すると、断面周上
の発生応力は、周知のごとく、コイル素線がわん
曲している影響と直接せん断力により、コイル内
側の応力が増大し、エネルギー効率が悪い。この
最大応力τmaxは次のワールの式により求まる。 τmax＝8DP／πd3（4C−１／4C−４＋0.615／Ｃ）
……(2) ここで、Ｃはばね指数と呼ばれるもので、断面
中心間のコイル径をＤ、素線の直径をｄとしたと
き、 Ｃ＝Ｄ／ｄ である。なお、Ｐは荷重である。 このような応力の増大する欠点を改良したもの
として、特公昭27−3261号および米国特許第
2998242号のものがある。前者は、素線断面が卵
形状であるとしているが、応力を低減するための
素線断面寸法については明確にしていない。ま
た、後者は、その形状を半円と半楕円の組み合せ
であるとし、その断面の長径ｗと短径ｔとの関係
を次式で決定するとしている。 ｗ／ｔ＝１＋1.2／Ｃ ……(3) ここで、Ｃ＝Dm／Ｗ、Dm：断面の中心間の
コイル径。 これら両者とも、素線断面を偏平にすることに
より、密着長を小さくできる点については効果が
ある。しかし、これらを弾性力学に基づいた解析
手法により応力解析を行うと、応力均一および最
大応力を低減するという点からは、必ずしも十分
ではない。 （発明が解決しようとする問題点） 本発明は、従来の材料力学的解法では任意断面
形状の応力解析が非常に困難であるため、断面外
周境界を多数の線素に分割し、線素を直線近似
し、各線素に沿つてフーリエ展開を施し、それを
境界全域に拡張するという、弾性力学に基づいた
解法（フーリエ展開境界値平均法）により応力解
析し、特に、従来のものに比してその断面周上の
応力の均一化および最大応力の低減化をより図
り、また、それにより素線の細線化を図り、密着
長の短縮および重量を大幅に低減した、コイル外
周側が半円形状でコイル内周側が半楕円形状の素
線断面のコイルばねを提供することを目的とする
ものである。 （問題点を解決するための手段） 本発明のコイルばねは、第１図に示すように、
コイル素線の断面形状が、コイル外周側が半円形
状で、コイル内周側が半楕円形状であり、その断
面の長径ｗと短径ｔとの比がほぼ次式の関係にあ
る。 ｗ／ｔ＝１＋0.55／Ｃ ……(4) ここで、Ｃ＝Dm／Ｗ、Dm：断面の中心間の
コイル径 （作用） 上記の関係を満たすコイルばねにあつては、断
面周上の応力は従来の円形断面のコイルばね、先
の(3)式で決定される従来のコイルばねに比べて、
均一化されており、最大応力もより小さい。 応力分布の解析は、コイル重心径DGを一定、
軸荷重Ｐを一定、断面積を一定（πd2／４＝
πwt／４）、倒れ角、ピツチ角0゜の条件の下で、
ｗ／ｔを0.1ずつ変化させ、応力が最も小さくな
るｗ／ｔを求めた。その結果を第３図に示す。横
軸はｗ／ｔであり、縦軸はβ＝τmax／τ0（ただし
τmaxはFECM解の最大応力値、τ0は丸線の未修
正応力）である。尚、DG／ｄ＝DG／√は３、
４、５、６、７、８の６種類とし、図中にC′とし
て表示してある。 この応力の最低点ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆを
ｗ／ｔと１／Ｃ（Ｃ＝Dm／ｗ）に関してプロツ
トした結果を第４図に示す。この理想断面は式(4)
で近似されることが明らかであり、Fuchsの断面
形状からは大きくずれている。 （実施例） 以下、図面を参照にして本発明の実施例を詳細
に説明する。 素線が円形断面以外の任意断面を有するコイル
ばねについては、従来の材料力学的解法では断面
周上の応力を求めることができない。そこで、先
に述べたように、本発明において効率的なコイル
ばねを求めるために、フーリエ展開境界値平均法
（Fourier Expansion Colocation Method、Ｆ、
Ｅ、Ｃ、Ｍ）を用いた。この解法は、断面外周境
界を多数の線素に分割し、線素を直線近似し、各
線素に沿つてフーリエ展開を施し、それを境界全
域に拡張するという、弾性学に基づいた解法であ
る。 第１図は、本発明の実施例を示したものである
が、図において、DGは断面の重心間のコイル径
を示し、Dnは断面の中心間のコイル径を示す。
本発明のコイルばねの素線の断面形状は、コイル
外周側の半円とコイル内周側の半楕円と組み合せ
により構成されている。これは、従来の米国特許
第2998242号のものと同一であるが、Ｆ、Ｅ、Ｃ、
Ｍ、を用いて求めた結果、最大応力が最低となる
本発明のコイルばね素線の断面の長径Ｗと短径ｔ
との比は次式の関係にある。 Ｗ／ｔ＝１＋0.55／Ｃ（ここでＣ＝Dm／Ｗ） ……(5) 第２図は、従来の円形断面素線のコイルばね、
(3)式で決定される従来の異形コイルばね、およ
び、(5)式で決定される本発明のコイルばねそれぞ
れの断面周上の応力解析を行つた結果、得られた
応力分布を示すものである。この場合のそれぞれ
の素線断面積を同一としたばね仕様を次表に示
す。
【表】
第２図は、ばねに作用する荷重20Kgの場合の応
力分布を示し、横軸は第１図で示した重心点Ｇの
まわりの角度θであり、コイル内側を0゜とし、コ
イル外側が180゜としている。縦軸は断面周上の各
点の応力を示したものである。Ａは従来の円形断
面のもの、Ｂは従来の異形断面のもの、Ｃは本発
明のものである。この比較したグラフより、円形
断面のものＡはコイル内側にピーク値があり、ま
た、従来の異形のものＢは角度60゜付近にピーク
値があり、それぞれ応力は均一ではない。これに
対して、本発明のものは０〜60゜付近まで応力は
ほぼ均一となり、最大応力τmaxも従来のいずれ
のものより小さい。 （発明の効果） 以上、実施例から明らかなように、(4)式の関係
にある本発明のコイルばねにおいては、断面周上
の応力はほぼ均一に分布しており、そのため、一
定量のエネルギーを吸収する重量をより小さくで
き、エネルギー効率を従来のものより向上させる
ことができる。 また、一般にばね寿命は断面周上の最大応力に
より決定づけられるので、本発明のばねは、従来
の半円と半楕円の組み合わせからなるもの、およ
び、同一断面積の円形断面のものより高寿命とな
る。 さらに、密着長に関しても、従来の円形断面の
ものより小さくできる。 これらから、ばね全体がコンパクトな設計とな
り、重量を大幅に改善でき、非常に効果が大き
い。
力分布を示し、横軸は第１図で示した重心点Ｇの
まわりの角度θであり、コイル内側を0゜とし、コ
イル外側が180゜としている。縦軸は断面周上の各
点の応力を示したものである。Ａは従来の円形断
面のもの、Ｂは従来の異形断面のもの、Ｃは本発
明のものである。この比較したグラフより、円形
断面のものＡはコイル内側にピーク値があり、ま
た、従来の異形のものＢは角度60゜付近にピーク
値があり、それぞれ応力は均一ではない。これに
対して、本発明のものは０〜60゜付近まで応力は
ほぼ均一となり、最大応力τmaxも従来のいずれ
のものより小さい。 （発明の効果） 以上、実施例から明らかなように、(4)式の関係
にある本発明のコイルばねにおいては、断面周上
の応力はほぼ均一に分布しており、そのため、一
定量のエネルギーを吸収する重量をより小さくで
き、エネルギー効率を従来のものより向上させる
ことができる。 また、一般にばね寿命は断面周上の最大応力に
より決定づけられるので、本発明のばねは、従来
の半円と半楕円の組み合わせからなるもの、およ
び、同一断面積の円形断面のものより高寿命とな
る。 さらに、密着長に関しても、従来の円形断面の
ものより小さくできる。 これらから、ばね全体がコンパクトな設計とな
り、重量を大幅に改善でき、非常に効果が大き
い。
第１図は本発明のコイルばねの部分縦断面図、
第２図は応力分布図、第３図は断面形状と応力係
数の関係を示すグラフ、第４図は理想断面形状を
示すグラフである。 Ｗ：断面の長径、ｔ：断面の短径、Dm：断面
の中心間のコイル径、DG：断面の重心間のコイ
ル径、Θ：重心のまわりの角度。
第２図は応力分布図、第３図は断面形状と応力係
数の関係を示すグラフ、第４図は理想断面形状を
示すグラフである。 Ｗ：断面の長径、ｔ：断面の短径、Dm：断面
の中心間のコイル径、DG：断面の重心間のコイ
ル径、Θ：重心のまわりの角度。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ コイル素線の断面形状がコイル外周側が半円
形状でコイル内周側が半楕円形状を有するコイル
ばねにおいて、その断面の長径Ｗと短径ｔとの比
がほぼ次式の関係にあることを特徴とするコイル
ばね。 ｗ／ｔ＝１＋0.55／ｃ、 ここで、Ｃ＝Dm／Ｗ、Dm：断面の中心間の
コイル径。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP589285A JPS61167728A (ja) | 1985-01-18 | 1985-01-18 | コイルばね |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP589285A JPS61167728A (ja) | 1985-01-18 | 1985-01-18 | コイルばね |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61167728A JPS61167728A (ja) | 1986-07-29 |
| JPH0217741B2 true JPH0217741B2 (ja) | 1990-04-23 |
Family
ID=11623546
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP589285A Granted JPS61167728A (ja) | 1985-01-18 | 1985-01-18 | コイルばね |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61167728A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4923183A (en) * | 1987-10-20 | 1990-05-08 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Non-circular cross-section coil spring |
| JP5257825B2 (ja) * | 2007-05-08 | 2013-08-07 | 日立工機株式会社 | 打込機 |
| WO2009136514A1 (ja) * | 2008-05-07 | 2009-11-12 | 株式会社東郷製作所 | 異形断面コイルばね |
| JP5981958B2 (ja) * | 2014-05-28 | 2016-08-31 | 三菱製鋼株式会社 | 懸架コイルばね及びストラット型懸架装置 |
-
1985
- 1985-01-18 JP JP589285A patent/JPS61167728A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61167728A (ja) | 1986-07-29 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |