JPH05196074A - 特にねじりダンパに適するコイルばね - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コイルばねの線の高さ、あるいはその自由長
さを小さくすると同時に、最大応力を、断面が円形の線
のそれに近付け、特に自動車のねじりダンパに適するよ
うにする。 【構成】 ばねの線の断面が、ばねの外側端(２)をなす
尖端部と、２つの凸部を有する卵形であって、かつ互い
に連結するスプラインの形の２本の対称多円弧曲線を有
するものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コイルばねに関する。
本発明のコイルばねは、特に、例えば、自動車に使用さ
れるねじりダンパに適するが、それに限定されない。

【０００２】

【従来の技術】本明細書で使用する用語"線"は、ばねの
構成材料としての線（ワイヤ）である。線の断面、コイ
ル半径およびコイルのピッチに特徴を有するコイルば
ね、別名ねじればねはよく知られている。線の断面は、
通常、円形である。

【０００３】米国特許第4,735,403号明細書に、線の断
面が細長いものが提案されている。そのねじればねの外
面は、おおむね半円形で、その内面は、半楕円形であ
る。そして、半楕円と半円の間は、円接線の弧となって
いる。上述した断面は、高さあるいは深さを小さくする
ということに関しては最適ではない。実際、断面が円形
の線のばねより、最大応力は若干大である。上述した米
国特許明細書で言及されている最大応力は、５５度にお
ける値である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、従来のコイルばねの線の断面の高さ（ある
いは自由長さ）を小さくし、かつ、ばねの自由長および
外径を一定とした場合に、断面が円形の線のばねに出来
るだけ近い最大応力を持たせることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段は、ばねの線の断面を、いわゆる卵形にし、ばね
の外側端を１つの尖端部とするとともに、２つの凸部を
設け、かつ断面を互いに連結しているスプライン形状の
２本の対称多円弧曲線で画定したことにある。本発明の
線で作られたコイルばねは、特に自動車のねじりダンパ
に遍しているが、それに限定されない。

【０００６】本発明で使用する用語"スプライン"は、特
記する場合以外、数学的意味での多円弧曲線のことであ
って、連続した円弧成分（必ずしも円の円弧である必要
はない）から成っている。そして、スプラインは、接線
と曲率の両方に対して連続しているので、各円弧によっ
て画定される曲線の形はなめらかである。

【０００７】前記の外側を向く点は、スプラインで画定
されていて、曲率半径が小さいので、その点は、おおむ
ね平らである。さらに、この構成によって、線の高さは
低くなる。凸部（本明細書では、"ランプ"とも呼ぶ。）
があるので、最大応力は、外周面の内側方部、即ち２つ
の凸部の間に拡散される。このために、最大応力は、断
面が円形の線のばねと同じになる。従って、断面の曲率
の変化は小さくなり、材料が過剰あるいは無意味に使わ
れることはなくなる。

【０００８】特に、相互に円周方面に配置されている２
つの同軸部を有するねじりダンパの場合、この２つの同
軸部を一緒に連結するねじりばねに、本発明のねじりば
ねを使用すると、角変位量を増加させることが出来る。
２つの同軸部の間の相対変位量が増えると、振動を一層
効果的に減衰させたり、騒音を低減させることが出来
る。このばねを、弁ばねとして使用すると、ターンの数
を減らすことができる。そのため、重量を軽減して、エ
ネルギー消費量を減らすことができる。

【０００９】断面が円形の線のばねと比較して、ばねの
全長が短くなるということも理解されよう。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明を実施例で説明する。この実
施例は、自動車のクラッチ摩擦ホイールに関するが、本
発明は、この実施例に限定されるものではない。

【００１１】図１および２は、内燃機関を備えている自
動車のクラッチの摩擦ホイール形式のねじりダンパを示
している。このねじりダンパは、２つの同軸部材を有し
ている。これらの同軸部材は、一定の角変位量の範囲で
お互いに回転するように、そして円周方向に動作するコ
イルばねの動きに対抗するように取り付けられている。

【００１２】一般に、ダンパの第１部材(Ｅ)は、ハブ(1
0)を有している。このハブ(10)には、内向きの切り込み
が入っており（即ち、軸方向の溝とかみ合う軸歯を有す
るという意味での切り込みである）、この実施例では、
自動車のギアボックスの入力主軸の回転を確実に伝える
ようになっている。

【００１３】ハブ(10)の外側に、ハブプレート(11)ある
いはダンパプレート(11)が取付けられている。このハブ
プレート(11)は、半径方向の外側に突き出ており、（も
し隙間がある場合には、その隙間をなくしてから）、ハ
ブ(10)とともに、回転しうるようにハブに固定されてい
る。この実施例では、ハブプレート(11)は、ハブ(10)に
係合しているが、ハブ(10)と、一体に構成してもよい。

【００１４】ダンパの第２部材(Ｆ)は、２つのガイドリ
ング(12)を備えている。このガイドリング(12)は、ハブ
プレート(11)の両方の側で、ハブ(10)の軸を横断するよ
うに伸びており、ハブプレート(11)とは若干の間隔を設
けてある。ガイドリング(12)は、軸スペーサ(13)によっ
て、数箇所で互いに連結されている。この軸スペーサ(1
3)は、プレート(11)の外周に形成されている通路(14)
を、クリアランスを有して貫通している。

【００１５】さらに同軸部材(Ｆ)は、摩擦ディスク(16)
を備えている。この摩擦ディスク(16)は、スペーサ(13)
でガイドリング(12)に固定されており、ガイドリングの
１つと接触している。ディスク(16)の両面の外周に摩擦
ライナーあるいはパッド(17)が取付けられている。ライ
ナー(17)は、通常の方法で取り付けられ、クラッチの圧
力板と反動板（図示されていない）との間に狭持され
る。尚、実施例では、圧力板と反動板は、自動車の内燃
料機関のクランク、シャフトに固定されている。

【００１６】ダンパの同軸部材(Ｅ)と(Ｆ)の間の円周上
には、幾つかのねじればね(18)が取り付けられる。この
実施例では、６本のばねが取り付けられている。さら
に、これら２つの部材(Ｅ)と(Ｆ)の間には、弾性圧縮摩
擦リングを有する摩擦手段が挿入される。この摩擦手段
は、例えば、米国特許第3,974,903号明細書に記載され
ているような通常の方法によって、ダンパプレート(11)
とガイドリング(12)の間の軸方向に挿入される。これら
のばね(18)は、一定のピッチ円上に、等間隔で配置され
ており、総てのばねは共通の円周に接している。

【００１７】各ばねの一部は、回転する部材(Ｅ)が形成
するハウジングに、そして一部は、回転する部材(Ｆ)が
形成するハウジングに別々に取り付けられている。この
実施例では、ばね(18)は、弾性金属線でダンパプレート
(11)が形成する窓(19)とガイドリング(12)が形成する窓
孔(20)に受容されている。窓(19)は、窓(20)と一直線に
なっている。

【００１８】ねじればね(18)は、その線の断面(１)が、
おおむね卵形で、図４に示すように、左側端の幅が広
く、右側端の幅が狭い。狭い方の端部は、ばねの外側端
(２)となっている。断面は、２つの凸部（ランプ）(３)
を有している。断面(１)の境界は、互いに連結している
２本の対称多円弧曲線を有する曲面で定められている。
これら３本の多円弧曲線は、すでに定義したようにスプ
ライン形状である。

【００１９】この実施例（図５）では、断面が卵形の線
が、ばねの外方（即ち、ばねの対称軸に対して直角）に
向かって対称に伸びている。断面は、互いに対称でかつ
連結している２本のスプライン(６)と(７)で定められて
いる。かくて、米国特許第4,735,403号明細書に開示さ
れている装置とは逆に、狭い方の端部が外側端(２)とな
っている。凸部(３)の効果で、図７に示す方法によっ
て、応力が平均化される。この際、元の点つまり零点
は、図４に示す内側端(４)あるいは極点に対応してい
る。

【００２０】図７において、縦座標は応力を示してお
り、横座標は、線の断面の周囲に沿った位置を示してい
る。内側端(４)は、基準極点あるいは内部極点である。
断面の曲率の変位が緩和されている。かくて、外側端
(２)の曲率半径は、断面のその他の部分の曲率半径より
小さくなり、形状はおおむね平らになる。

【００２１】図６は、断面が円形の線で製作されたばね
の応力／位置曲線を示している。この図６を参照すれ
ば、最大応力が、断面の内部、即ち内側点(４)を通過し
ている２つの凸部(３)の間に分散されていること、およ
び余計な材料を必要としなくてもよいことが分かると思
う。さらに、線の高さを低くできることも理解されよ
う。

【００２２】米国特許第4,735,403号明細書に開示され
ている断面を有するばねと、本発明によるばねを用い
て、断面が円形の線のばねの比較試験を行なった。この
テストの結果を［表１］に示す。［表１］において、欄
Ａ，Ｂ，ＣおよびＤは、４つの異なるばねから得た結果
を示している。即ち：

【００２３】欄Ａ：断面が円の線のばね： 欄Ｂ：米国特許第4,735,403号明細書に記載されている
断面を有する線の第１ばね： 欄Ｃ：大きさだけが異なる欄Ｂと類似のばね： 欄Ｄ：本発明による断面を有する線のばね。 欄Ｂ〜Ｄにおいて、"線の寸法"は、幅および高さの順で
示してある。［表１］の総ての寸法はミリメータで表わ
され、力はニュートン(Ｎ)で表わされている。

【００２４】

【表１】

【００２５】［表１］からも明きらかなように、本発明
によって設計されたばねは、２つの同軸部材(Ｅ)および
(Ｆ)を、回転に伴って次第に偏位させることができる。
外径と無負荷高さ（あるいは自由長）が同じで、断面が
円形のねじりばねと比較して、角度変位の増加は３１％
である。利用可能なこの変位量の増加は、従来提案され
た改良によって得られる量より大きく、同時に、最大応
力も、従来技術のそれに比較して小さくなっている。

【００２６】［表１］に示した最大応力は、断面が円形
の線のばねよりわずかばかり大きい。さらに、線の全巻
き数、すなわちコイルの総数、および圧縮高さ、即ち、
ねじりダンパの２つの同軸部材の間の角変位の端部での
ばねの長さも増加している。従って、従来のクラッチ摩
擦ホイールを改良しないで、特に、その窓孔あるいはば
ねハウジングの寸法を変えないで、本発明のばねは、断
面が円形の線の従来のばねを代替する変更部品として利
用できる。さらに、最大応力を高めることはなく、また
線の太さを細くすることができる。（即ち従来の４mmに
対して、2.92mmとしうる）。

【００２７】本発明のばねの線は、［表１］に示されて
いる２つの従来の線にくらべて、内径が小さいのでばね
の半径方向に伸びることがわかる。より正確に説明する
と、外側端(２)（図４及び５）は、通常平らな表面部分
を有しており、これは、断面の対称軸(８)に対してほぼ
直角に拡がっている。凸部(３)は、内側端(４)にかなり
接近している。このために、エンジンクランクシャフト
とギヤボックス入力シャフト出力の間で発生する振動や
騒音を減衰させることができる。

【００２８】ばねの使用例に応じて、ばねのピッチを変
えて、ばね強度の増加性を改良することもできる。前述
したようにスプラインと呼称している曲線は、多円弧曲
線であって、表面の曲線をなめらかにすることができ
る。

【００２９】本明細書において、"円弧"は、多項方程式
で"数学的に決定される曲線"で、その次数は、通常１〜
15の範囲である。スプラインは、共に連結している連続
多項円弧から構成されており、接線と曲率の両方で互い
に連続している。従って、第３誘導函数は連続である。
この実施例では、断面は、対称軸(８)に対して対称であ
る。

【００３０】スプライン(６)および(７)は、２本の３次
曲線（即ち、３次多項式で表される円弧）で画定されて
いる。第１スプライン(６')は、内側端(４)およびラン
プ(３)（図４）と連なっており、一方第２スプライン
(６")は、ランプ(３)および外側端(２)と連なってい
る。外側端(２)と接するベクトルは、対称軸(８)に対し
て直角である。一方、内側端(４)と接するベクトルは、
対称軸(８)に対する垂線と小さな角度をなしている。こ
の角度（図４）は、０〜７度、好ましくは５度であっ
て、ランプ(３)を正確に画定し、そのため、断面の内部
曲面をも決定している。

【００３１】対称軸(８)にある頂点、つまし内側端(４)
および外側端(２)は、なめらかである。ランプ(３)に対
応する頂点において、接線ベクトルは、図４に示すよう
に、対称軸(８)と平行である。かくて、曲率の変化を押
さえた上で、線の断面をなめらかにできること、その外
側端(２)（即ち、ばね自体の対称軸からかなり離れてい
る断面の端）が２本の円弧で構成されていること、およ
びその２本の円弧の各々が、２本のスプライン(６)およ
び(７)のそれぞれの一部であること、並びに、線の断面
の対称軸(８)に対してほぼ垂直であることがわかる。

【００３２】凸部(３)は、外側端(２)よりも内側端(４)
により近い。この実施例では、ばねの線は金属である。
しかし、ばねの線の材料は、適当な繊維で補強したプラ
スチックス材料を基本とする複合材であってもよい。

【００３３】図４を参照すれば、米国特許第4,735,403
号明細書に開示されているように、そしてＧ（より狭い
方の端部がスプライン(６)の外側に向かっている。）で
示されるように、線の断面の配向を逆にしても、線の高
さ、即ち、ばねの軸方向における線の断面の寸法は、本
発明による線から得られるよりも大きいことがわかる。
このことは、図８で鎖線で示してある。一方、曲線(Ｈ)
は、線の断面が外側に伸びている曲線が最適となってい
ることを示している。

【００３４】図９では、曲線(Ｈ)を実線で表わし、これ
を、鎖線で表された曲線(Ｉ)と比較している。曲線(Ｉ)
は、半径Ｒの半円と半楕円で画定される断面プロフィー
ルを表している。図９において、曲線(Ｉ)の方向は、図
８の曲線(Ｇ)と同じように逆方向である。図９を参照す
れば、曲線(Ｉ)及び曲線(Ｈ)に対して、外側端(２)と、
内側端(４)との間の距離を同じにすることができること
が分かると思う。

【００３５】それ故、本発明の線によると、外側端(２)
においては、曲線(Ｉ)よりも平らになることがわかる。
さらに、本発明の線の場合、凸部(３)は、曲線(Ｉ)のラ
ンプ(30)より、軸方向の内側端(４)に接近していること
もわかる。材料の量は、ランプ(３)および外側端(２)の
間で、わずかばかり増えている。しかし、曲率の変化が
押さえられているため、応力はかなり分散される。

【００３６】曲線(Ｉ)が、従来の一般的なものとは相違
していることに注目されるべきである。この点に関し
て、1959年にフックス(Fuchs)が研究している。ヨーロ
ッパ特許庁のデータ（本願の優先権主張日より後）であ
る1991年８月１日刊行の「ジャーナルドラフト」(Journ
al Draft)」42(1991)718,第499頁によれば、円形部分が
外方向に向かっていて、外側端(２)および内側端(４)の
間の距離と、ランプ(30)の間の距離の比、即ち直交する
長軸と短軸との長さの比は1.22となっている。

【００３７】前掲の［表１］を参照すれば、本発明のば
ねの場合、断面の配向が逆になっており、かつ、この値
は、約1.7から始まっていることが理解されると思う。
従って、線にはより大きな可撓性があり、かつ応力は、
断面が円形の線で製造されたばねの応力と極めて近い。

【００３８】

【発明の効果】本発明の線をばねに使用することによっ
て、下記の効果を奏することができる。 イ．コイルばねの線の高さあるいは自由長さが短かくな
る。 ロ．最大応力が、断面が円形の線のばねに出来るだけ近
くなる。 ハ．曲率変化が小さくなり、従って余計な材料を使用す
る必要がなくなる。 ニ．自動車用のねじりダンパに使用すると、振動や騒音
を効果的に減衰あるいは低下させうる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図２の矢印方向からみたねじりダンパ装置の一
部の正面図である。

【図２】図１の線２−２における断面図である。

【図３】本発明のねじればねの一部を示す正面図であ
る。

【図４】接線を付加した本発明のばねの線の断面図であ
る。

【図５】図４に類似しているが、縮尺が異なり、かつ接
線を付加していない図である。

【図６】断面が円形のばねの特性曲線を示すグラフで、
縦座標が応力を、横座標が、断面の周囲の位置を表して
いる。

【図７】本発明の実施例で得た結果を示す図６と同様の
グラフである。

【図８】本発明による線の断面と、米国特許第4,735,40
3号明細書に開示されている線の断面を逆にして各々を
重ね合わせた図である。

【図９】慣用的でない比率の半円と半楕円からなる断面
を有する他の線を示す図８と同様の図である。

【符号の説明】

１ 断面 ２ 外側端 ３ 凸部 ４ 内側端 ６、７ スプライン ８ 対称軸 10 ハブ 11 ハブプレート 12 ガイドリング 13 軸スペーサー 14 通路 16 摩擦板 17 ライナー 18 ばね 19、20 窓孔 30 ランプ ６' 第１スプライン ６" 第２スプライン Ｅ 同軸第１部材 Ｆ 同軸第２部材 Ｇ 曲線 Ｈ 曲線 Ｉ 曲線 Ｒ 曲線

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ばねの線の断面が、ばねの外側端(２)で
   ある尖端部と、２つの凸部(３)をもつおおむね卵形を有
   すること、および前記断面が、互いに連結するスプライ
   ンの形の２本の対称多円弧曲線を有することを特徴とす
   る、特に自動車のねじりダンパに適するコイルばね。
2. 【請求項２】 断面の曲率の変化が緩くしてあることを
   特徴とする請求項１記載のコイルばね。
3. 【請求項３】 凸部(３)が、外側端(２)よりも、内側端
   (４)に接近しており、かつ外側端(２)が平らであること
   を特徴とする請求項２に記載のコイルばね。
4. 【請求項４】 各曲線が、２本の３次曲線(６')(６")で
   画定されていることを特徴とする請求項３に記載のコイ
   ルばね。
5. 【請求項５】 内側先端に接するベクトルが、断面の対
   称軸(８)に対する垂線に対し、０〜７度範囲の角度にあ
   ることを特徴とする請求項５に記載のコイルばね。