JPWO2016006616A1 - コイルスプリング - Google Patents

Abstract

コイルスプリングは、素線（５１）がコイル形状に巻かれることで形成される。コイル形状に形成された素線（５１）の断面形状は、コイル形状に巻かれた際の内径側部分が、長径（ａ）、短径（ｂ）とした半楕円形状（５１ａ）を含み、コイル形状に巻かれた際の外径側部分が、短径（ｂ）よりも長い半径（ｃ）を有する円を外接円（５１ｏｕｔ）として、それに外接する曲線形状（５１ｃ）と、外接円（５１ｏｕｔ）の曲率より大きい曲率の円弧形状（５１ｄ）と、円弧形状（５１ｄ）の両端と半楕円形状（５１ａ）の両端とをそれぞれ繋ぐ直線形状とを含む。これにより、素線（５１）の断面形状を大きくでき、せん断応力を低減できて、コイルスプリングの耐久性を向上できる。

Description

この技術は、例えば車両に搭載される変速機などのダンパ装置に用いられるコイルスプリングに関する。

一般に、車両等に搭載される自動変速機（オートマチックトランスミッション）や手動式の変速機（マニュアルトランスミッション）には、内燃エンジンから伝わる振動を吸収しつつ回転を変速機構に伝動するダンパ装置が設けられている。ダンパ装置は、ドライブプレートとドリブンプレートとそれらの間に介在されるコイルスプリングとで構成されるものが一般的である。ダンパ装置に配設されるコイルスプリングは、一本の素線をコイル状に巻くことで製造される。この素線の断面形状としては、単純に円形状のものや、例えば長径ａ及び短径ｂの半楕円形状と半径ｂの半円形状とを合わせた卵形状のものが、一般的な基本形状として用いられている（特許文献１参照）。

ところで、素線は、太くする（つまり断面積を大きくする）と耐久性が向上するが、素線を太くし過ぎるとダンパ装置の収納スペースに収まるサイズに巻くことができなくなるという問題があり、単純に太くすることができない。また、素線の断面積を単に大きくするために断面形状を矩形状にしてしまうと、コイルスプリングの伸縮により生じるせん断応力や捩り応力が角部に集中することになり、疲労亀裂を早め、結局は耐久性を損ねてしまう。

また、コイルスプリングが収縮して隣接した素線同士が当接した際に生じる応力を分散するため、素線の断面形状において内外径方向に延びる直線部分を設け、つまり素線の側面に平面状の当接面を設けて応力分散を図ったものも提案されている（特許文献２参照）。

さらに、変速機などのダンパ装置に配設されるコイルスプリングには回転中に遠心力を受けることになるため、ダンパ装置にはコイルスプリングが遠心力で飛び出さないように半筒状のカバーが設けられている。しかしながら、回転中には、そのカバーにコイルスプリングが遠心力により押し付けられることになるので、素線における外径側部分には、その押付力による応力が生じることになる。素線における上記カバーとの接触部分には、遠心力による応力に、コイルスプリングの伸縮によるせん断応力も加わることになって、耐久性に影響を及ぼす虞がある。そのため、素線における外径側部分に直線部分を設け、外径側部分と内径側部分との形状を変えるように構成したものも提案されている（特許文献３参照）。

特開平１０−８２４４０号公報 特開２００８−１８５０７２号公報 米国特許出願公開第２０１４／００５７７２９号明細書

ところで、素線自体は、コイルスプリングの伸縮時に生じるせん断応力に対して耐久性を向上するため、断面積（肉厚）を大きくすることが考えられるが、せん断応力は曲率変化が大きいところに発生し易いため、断面積を大きくしつつ曲率変化がなるべく小さくなるようにしたいという要望がある。しかしながら、上記特許文献３のように、素線における内径側部分を円弧部と直線とで構成すると、円弧部と直線部とを繋ぐ部分で曲率変化が大きくなってせん断応力が集中し易くなり、耐久性を向上することが難しいという問題がある。

そこで、素線の断面積を大きくしつつ、せん断応力を低減することが可能な素線の断面形状を有するコイルスプリングを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための実施態様は、
素線がコイル形状に巻かれることで形成されたコイルスプリングにおいて、
前記コイル形状に巻かれた際の内径側部分の素線の断面形状は、長径及び短径を有し前記長径が内外径方向に向けられた半楕円形状を含み、
前記コイル形状に巻かれた際の外径側部分の素線の断面形状は、前記短径よりも長い半径を有する円を外接円として、それに外接する曲線形状と、前記外接円の曲率より大きい曲率の円弧形状と、前記円弧形状の両端と前記半楕円形状の両端とをそれぞれ繋ぐ直線形状と、を含むコイルスプリングにある。

これにより、外径側部分が、短径よりも長い半径を有する外接円に外接する曲線形状、曲率の大きい円弧形状、直線形状を含むので、例えば外径側部分が半円形状であるものに比して、素線の断面積を大きくすることができる。また、内径側部分が半楕円形状で、外径側部分の直線形状に繋がるので、曲率変化が小さく、せん断応力が集中し難くすることができる。このように、断面積が大きく、曲率変化が小さくなるので、せん断応力を分散でき、コイルスプリングの耐久性を向上することができる。

図１Ａは自動変速機のダンパ装置の一例を示す断面図、図１Ｂは自動変速機のダンパ装置のダンパ部を一部省略して示す正面図。 図２Ａは本実施の形態に係るアーク状のコイルスプリングを示す側面図、図２Ｂは本実施の形態に係るアーク状のコイルスプリングを示す正面図、図２Ｃは本実施の形態に係るアーク状のコイルスプリングを示すコイル軸方向視図。 ストレート状のコイルスプリングを示す側面図。 第１の実施の形態に係るコイルスプリングの素線の断面形状を示す図。 第１の実施の形態に係るコイルスプリングの素線の中心からの角度を示す図。 第１の実施の形態に係るコイルスプリングの伸縮時における素線断面上の角度と最大せん断応力との関係を示す図。 素線の断面形状のオーバル比とばね定数比との関係を示す図。 第２の実施の形態に係るコイルスプリングの素線の断面形状を示す図。 図９Ａは従来の基本形状のアーク状のコイルスプリングを示す側面図、図９Ｂは従来の基本形状のアーク状のコイルスプリングを示す正面図、図９Ｃは従来の基本形状のアーク状のコイルスプリングを示すコイル軸方向視図。 図１０Ａは従来の基本形状のストレート状のコイルスプリングを示す側面図、図１０Ｂは従来の基本形状のストレート状のコイルスプリングの素線の断面図。

＜第１の実施の形態＞
以下、第１の実施の形態について、図１乃至図７に沿って説明する。まず、本第１の実施の形態に係るコイルスプリング５０を適用し得る自動変速機のトルクコンバータ１、及びそれに内蔵されたダンパ部１７の構造について、図１に沿って説明する。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、トルクコンバータ１は、リヤカバー２及びフロントカバー３を一体に溶接してなるハウジング５を有しており、該ハウジング５内に、ポンプインペラ６、タービンランナ７及びステータ８、そしてロックアップクラッチ１１が収納されている。ポンプインペラ６はリヤカバー２に固定された多数のブレードからなり、またタービンランナ７は外郭板９に固定された多数のブレードからなり、ステータ８はワンウェイクラッチ１０に載置された多数のブレードからなる。

フロントカバー３の中央にはセンタピース１３が固着されていると共に周囲部にセットブロック１２が固着されており、図示しないエンジンクランクシャフトに、上記センタピース１３が嵌合して整列すると共に、フレキシブルプレートを介してセットブロック１２が連結されて、該クランクシャフトの回転がハウジング５に伝達される。リヤカバー２の後側面にはポンプ側ボス１４が固着されており、また上記タービンランナ７の外郭板９にタービン側ボス１５が連結されている。ポンプ側ボス１４は、ミッションケースと一体のポンプケース（不図示）に回転自在に支持されて、上記センタピース１３と相俟ってハウジング５を支持している。上記タービン側ボス１５は自動変速機構の入力軸（図示せず）にスプライン１５ａを介してスプライン係合し、また上記ワンウェイクラッチ１０のインナレース１０ａがステータシャフト（不図示）を介してポンプケースに固定される。

ロックアップクラッチ１１は、フロントカバー３の内壁に接離自在に配置されたクラッチプレート１６を有しており、該クラッチプレート１６にて区画される上記ハウジング５内の油室Ａ，Ｂに供給される油流を切換えることにより、該ロックアップクラッチ１１が係合又は解放される。該クラッチプレート１６は、タービン側ボス１５に油密状にかつ回転及び軸方向摺動自在に支持されると共に外径側のエンジン側に摩擦材１６ａが固着されており、油室Ａから油室Ｂにオイルが流れることによりロックアップクラッチ１１が解放され、油室Ｂから油室Ａにオイルが流れることによりロックアップクラッチ１１が係合される。

上記クラッチプレート１６とタービンランナ７との間には、ダンパ部（ダンパ装置）１７が介在している。該ダンパ部１７は、大まかに、ドライブプレート（回転体）２５、第１ドリブンプレート（回転体）２６、カバープレート（カバー）２７、補助プレート２８、第２ドリブンプレート２９、径方向異なる位置に２段に配置された収納部Ｃ_１，Ｃ_２、これら収納部Ｃ_１，Ｃ_２に収納されることで回転方向に向けて配置されたコイルスプリング５０及びコイルスプリング６０を有する。これらコイルスプリング５０，６０は、アーク状（円弧状）の収納部Ｃ_１，Ｃ_２に収納されるようにアークスプリングからなる。

詳細には、ドライブプレート２５は、リベット３１により上記クラッチプレート１６に固着されている。ドライブプレート２５（一方の回転体）の外径側には、カバープレート２７が溶接等により固着されて設けられており、該カバープレート２７の突起部２７ａがコイルスプリング５０の一端に当接している。これにより、ドライブプレート２５及びカバープレート２７は、ロックアップクラッチ１１の係合時にコイルスプリング５０に回転力を伝達する。また、カバープレート２７は、断面視で半筒形状に形成されており、上記収納部Ｃ_１の空間を構成する。また、カバープレート２７の収納部Ｃ_１は、トルクコンバータ１の中心軸ＡＸ１（回転軸）を中心とした半径Ｄの内周面を有しており、つまりコイルスプリング５０は、半径Ｄの内接円に内接することになる。

一方の第１ドリブンプレート２６は、収納部Ｃ_１の内径側を構成していると共に、コイルスプリング５０の他端に当接する当接部２６ａを有している。これにより、コイルスプリング５０は、カバープレート２７を介してドライブプレート２５と、第１ドリブンプレート２６との間に介在されていることになる。

また、第１ドリブンプレート２６は、内径側において、補助プレート２８にリベット３２により固定されており、補助プレート２８と共にコイルスプリング６０を収納する収納部Ｃ_２を構成している。第１ドリブンプレート２６は、図示を省略した突起部でコイルスプリング６０の一端に当接している。

また、第１ドリブンプレート２６と補助プレート２８との間には、第２ドリブンプレート２９が回転方向に摺動自在に配置されている。第２ドリブンプレート２９は、図示を省略した当接部によりコイルスプリング６０の他端に当接している。これにより、コイルスプリング６０は、第１ドリブンプレート２６と第２ドリブンプレート２９との間に介在されていることになる。

そして、第２ドリブンプレート２９は、内径側において、タービン側ボス１５のフランジ部１５ｂと上記外郭板９と共にリベット３３により固着されており、つまりタービン側ボス１５により支持されている。従って、第１ドリブンプレート２６、補助プレート２８、コイルスプリング６０などは、第２ドリブンプレート２９を介してタービン側ボス１５により支持されている。

なお、本実施の形態では、各リベット３１，３２，３３により各プレートなどを固着して締結するものを説明しているが、これに限らず溶接などの接合手段を用いてもよい。また、本実施の形態では、カバープレート２７をドライブプレート２５に固着したものを説明したが、第１ドリブンプレート２６に固着したものでもよい。この場合は、コイルスプリング５０の一端にドライブプレート２５を当接させ、他端に第１ドリブンプレート２６又はカバープレート２７を当接させることになる。さらに、カバープレート２７は、ドライブプレート２５や第１ドリブンプレート２６の一方に固着させるだけでなく、例えば半数をドライブプレート２５に、残りの半数を第１ドリブンプレート２６にそれぞれ固着させてもよく、つまり少なくとも一方の回転体に設けられていればよい。

以上のような構成からなるので、ハウジング５内の油室Ａから油室Ｂへオイルが流れて、ロックアップクラッチ１１が解放状態にある場合、エンジンクランクシャフトの回転は、ハウジング５を介してポンプインペラ６に伝達され、更に該ポンプインペラ６、タービンランナ７及びステータ８を循環するフルードの流れによりタービンランナ７に伝達されて、タービン側ボス１５を介して自動変速機構の入力軸に伝達され、そして該自動変速機構により適宜変速された回転が車輪に伝達される。

上記油室Ｂから油室Ａへオイルの流れを切換えることにより、ロックアップクラッチ１１が係合状態にある場合、エンジンクランクシャフトの回転は、フロントカバー３から該ロックアップクラッチ１１、ドライブプレート２５、カバープレート２７、コイルスプリング５０、第１ドリブンプレート２６及び補助プレート２８、コイルスプリング６０、第２ドリブンプレート２９を介して、直接的にタービン側ボス１５に伝達される。該ロックアップクラッチ１１を介する機械的動力伝達にあって、アクセルのオン・オフ、ロックアップクラッチの断接、自動変速機構のクラッチやブレーキのオン・オフ、並びにエンジンの爆発振動等に伴うトルク変動は、振動周波数が異なるコイルスプリング５０，６０により適宜に吸収される。

この際、コイルスプリング５０，６０は、伸縮を繰り返しながら振動を吸収するので、それぞれ収納部Ｃ_１，Ｃ_２の内面に沿って摺動することになるが、特にダンパ部１７がロックアップクラッチ１１の係合状態によってエンジン回転により連れ回ることになるので、コイルスプリング５０，６０には遠心力が発生すると共に収納部Ｃ_１，Ｃ_２により外径側への移動が規制され、つまり収納部Ｃ_１，Ｃ_２の外径側の内周面に摺動されることになる。特に以下に説明するコイルスプリング５０の場合は、収納部Ｃ_１、つまりカバープレート２７における半径Ｄの内周面に遠心力により押し付けられて摺動することになる。なお、コイルスプリング５０は、コイルスプリング６０よりも外径側に配置されているので、遠心力がより大きく発生することになる。

続いて、本第１の実施の形態に係るコイルスプリング５０の構成について説明するにあたり、従来の基本形状のコイルスプリング２５０を対比のため、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、図１０Ａ、及び図１０Ｂに沿って説明する。

従来の基本形状であるコイルスプリング２５０は、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに示すように、素線２５１がコイル状に巻かれて形成されており、かつダンパ部１７（つまりトルクコンバータ１）の中心軸ＡＸ１を中心として収納部Ｃ_１に納まるように、そのコイル中心軸ＡＸ２がアーク状となるように形成されている。従って、コイルスプリング２５０は、アーク状の外周部分が収納部Ｃ_１の回転方向に対してアーク状の内面の内接円Ｃ_１ＩＮに遠心力によって接触しつつ伸縮時には摺動することになる。

このコイルスプリング２５０は、収納部Ｃ_１に収納される際、一端２５０ａが例えばカバープレート２７の突起部２７ａに当接され、他端２５０ｂが第１ドリブンプレート２６の当接部２６ａに当接されて、設計上の付勢力を生じるように縮設されて配置される。ここで、コイルスプリング２５０が設計上の付勢力となるためには、断面二次モーメントとコイルの有効巻数との関係を適宜に設定する必要がある。

ここで、例えば素線の断面形状が、直径ｄの円形とした場合の有効巻数の計算は、以下のようになる。即ち、断面二次モーメントＩｚは、

であり、

である。
有効巻数Ｎａは、横弾性係数Ｇ、コイル平均径Ｄ、ばね定数ｋとしたとき、

であり、上記数式（３）に上記数式（２）を代入すると、

となる。

ここで、図１０Ｂに示すように、コイルスプリング２５０の素線２５１の断面形状は、長径ａ及び短径ｂの半楕円形状２５１ａと半径ｂの半円形状２５１ｂとを組合せたものである。そのため、素線２５１の断面二次モーメントを詳細に演算し（計算が複雑であるので説明は省略する）、それを数式（３）に代入することにより有効巻数を計算できる。

従って、図１０Ａに示すように、アーク状のコイルスプリング２５０をストレート状に置き換えた場合の長さＬ_２を有するストレート状のコイルスプリング２５０Ｂにおいては、一端２５０ａから他端２５０ｂまでの巻数をＮ_２として設計することになる。なお、アーク状のコイルスプリング２５０は、ストレート状のコイルスプリング２５０Ｂをアーク状に曲げて形成することが主流であるが、これに限らず、アーク状のコイルスプリング２５０を、素線２５１のコイル状に巻くのと同時に形成するようにしてもよく、要するにアーク状の形成手法はどのようなものであってもよい。従って、ストレート状のコイルスプリング２５０Ｂは、単にストレート状のコイルスプリング２５０Ｂとしての一例でもあるが、アーク状のコイルスプリング２５０をアーク状に曲げる前の形状であるとも言える。

ついで、本実施の形態に係るコイルスプリング５０について、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図３、図４、図５、図６、及び図７に沿って説明する。コイルスプリング５０は、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示すように、素線５１がコイル状に巻かれて形成されており、かつダンパ部１７（つまりトルクコンバータ１）の中心軸ＡＸ１を中心として収納部Ｃ_１に納まるように、そのコイル中心軸ＡＸ２がアーク状となるように形成されている。つまり、コイルスプリング５０は、アーク状の外周部分が半径Ｄとなるように形成されており、収納部Ｃ_１のアーク状の内面の内接円Ｃ_１ＩＮに遠心力によって接触しつつ伸縮時には摺動することになる。なお、素線の断面形状は、コイル状に巻かれる前の素線の断面形状と、コイル状に巻かれることでコイルスプリングとして形成された後の素線の断面形状とは、厳密には異なるものであり、図４及び図５に示す素線５１の断面形状は、素線をコイル状に巻いて形成した後の断面形状である。つまり以下に説明でいう「素線」は、「コイルスプリングとして形成された後の素線」を指すものである。

このコイルスプリング５０は、収納部Ｃ_１に収納される際、一端５０ａが例えばカバープレート２７の突起部２７ａに当接され、他端５０ｂが第１ドリブンプレート２６の当接部２６ａに当接されて、設計上の付勢力を生じるように縮設されて配置される。

図４に示すように、コイルスプリング５０の素線５１の断面形状は、半楕円形状となる半楕円形状部５１ａ、直線形状となる直線部５１ｂ、円弧形状となる円弧部５１ｄ、曲線形状となる曲線形状部５１ｃを含むように形成されている。本実施の形態における素線５１は、半楕円形状部５１ａが内径側に、曲線形状部５１ｃが外径側となるように巻かれてコイルスプリング５０が形成されている。従って、曲線形状部５１ｃにより形成されるコイルスプリング５０の最外周部分が、収納部Ｃ_１の内面の内接円Ｃ_１ＩＮに接触・摺動することになる。

上記半楕円形状部５１ａは、中心点Ｐ１から内外径方向に向かって延びる長径ａと、該長径ａと直交する方向に向かって延びる短径ｂとにより、（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で定義される半楕円形状で構成されており、コイル形状に巻かれた際の内径側部分を構成している。なお、αは通常２であるが、これに限らず、楕円形状を表せればどのような値でもよい。また、本実施の形態において、半楕円形状部５１ａは、楕円形状のちょうど半分であるものを説明しているが、これに限らず、短径ｂに沿った方向（平行な方向、或いは僅かに傾斜していても良い）に楕円形状を何れかの場所で区切ったものでよい。即ち、本明細書中でいう「半楕円形状」は、一周しているものではなく、途中で区切られているものを指し、半分であることに限定されるものではなく、実質的に半楕円形状であればよい。

一方、曲線形状部５１ｃは、直線部５１ｂと円弧部５１ｄと共にコイル形状に巻かれた際の外径側部分を構成しており、中心点Ｐ１に対して内外径方向に延びる中心線上に配置された中心点Ｐ２から半径ｃとなる円弧状であり、本第１の実施の形態では、曲線形状部５１ｃに外接する外接円５１ｏｕｔと一部が一致する。この外接円５１ｏｕｔは、本実施の形態では収納部Ｃ_１の内面の内接円Ｃ_１ＩＮよりも小さい曲率となるように設計されており、つまり半径ｃは半径Ｄ（図２Ｂ参照）未満の長さである。要するに曲線形状部５１ｃは、収納部Ｃ_１の内面に遠心力により押し付けられた際に、なるべく広い面積の接触面ＦＳで接触するように、その曲率を設定することが好ましく、曲線形状部５１ｃの曲率が内接円Ｃ_１ＩＮの曲率よりも大きいと、接触面が浮いて、接触点だけに応力が集中することになるので、好ましくない。

また、曲線形状部５１ｃの中心点Ｐ２は、半楕円形状部５１ａの中心点Ｐ１よりも（コイルに巻かれたときの）内径側に位置しており、半径ｃは、上記基本形状の半径ｂ（図１０Ｂ参照）よりも大きい。即ち、半楕円形状部５１ａの内径側端（内径側の頂点）５１ｇと、曲線形状部５１ｃの外径側端（外径側の頂点、外接円５１ｏｕｔの外径側端）５１ｈとの長さｌは、基本形状における長径ａ及び半径ｂを加算した長さよりも長くされている。また、外接円５１ｏｕｔの半径ｃ、つまり曲線形状部５１ｃの半径ｃが半楕円形状部５１ａの長径ａよりも大きいので、曲線形状部５１ｃ（外接円５１ｏｕｔ）の曲率は、半楕円形状部５１ａの曲率よりも大きくなっている。

このように、曲線形状部５１ｃの半径ｃを上記基本形状の半径ｂ（図１０Ｂ参照）よりも大きくし、かつ素線５１の断面積を大きくするため、２つの直線状の直線部５１ｂは、半楕円形状部５１ａの両端、即ち半楕円形状部５１ａの中心点Ｐ１と内外径方向と直交する方向における２つの端部と、円弧部５１ｄを介して曲線形状部５１ｃの両端とをそれぞれ繋いでいる。この直線部５１ｂは、内外径方向に延びており、詳細には、直線部５１ｂの半楕円形状部５１ａ側の部分は、中心点Ｐ１，Ｐ２を結ぶ素線５１の断面形状の中心線に対して平行に形成されている。また、直線部５１ｂの曲線形状部５１ｃ側の部分は、曲線状に丸めて曲線形状部５１ｃに滑らかに連続的になるように円弧部５１ｄによって繋げられており、つまり角部を角Ｒとして応力集中が発生しないような形状となっている。この円弧部５１ｄの曲率は、曲線形状部５１ｃ（外接円５１ｏｕｔ）の曲率よりも大きい（半径が小さい）。なお、直線部５１ｂは、本実施の形態では、内外径方向に対して平行に配置されているものを説明しているが、内外径方向に対して傾斜するように配置されていてもよい。

ここで、図５に沿って、半楕円形状部５１ａ、直線部５１ｂ、曲線形状部５１ｃ、円弧部５１ｄの位置関係を角度に基づき説明する。図５に示す中心Ｐ３は、半楕円形状部５１ａの内径側端（内径側の頂点）５１ｇと、曲線形状部５１ｃの外径側端（外径側の頂点、外接円５１ｏｕｔの外径側端）５１ｈとの長さｌの直線状の真ん中であり、勿論であるが、短径ｂの方向における素線５１の幅方向の真ん中で、言い換えると、素線５１に外接する外接矩形の中心である。

このように中心Ｐ３を素線５１の断面形状の中心とし、内径側端５１ｇを０度としたとき、半楕円形状部５１ａは、０度から９０度まで及び２７０度から３６０度までの領域内に配置されており、本実施の形態では、約０度から７５度まで及び約２８５度から３６０度までの領域に位置する。

また、中心Ｐ３を素線５１の断面形状の中心とし、内径側端５１ｇを０度としたとき、直線部５１ｂは、本実施の形態では、約７５度から１３５度まで及び約２２５度から２８５度までの領域に位置する。なお、直線部５１ｂの長さは、詳しくは後述するオーバル比の設定に基づき変更できる部分であるので、これらの角度に限定されるものではない。

また、中心Ｐ３を素線５１の断面形状の中心とし、内径側端５１ｇを０度としたとき、曲線形状部５１ｃは、少なくとも１７０度から１９０度までの領域に跨って存在するような長さを有しており、本実施の形態では、約１４５度から２１５度までの領域に位置する。なお、曲線形状部５１ｃが位置する角度は、上述したように直線部５１ｂの長さを変更した際に、変わることになるが、少なくとも１７０度から１９０度までの領域に跨って存在することで、例えば素線５１が傾いても（倒れても）１０度未満の傾きであれば、接触面積の減少が大きくなることを防止できることになる。素線５１の傾き（倒れ）については、詳しくは後述する。

そして、中心Ｐ３を素線５１の断面形状の中心とし、内径側端５１ｇを０度としたとき、円弧部５１ｄは、上記直線部５１ｂの長さにもよるが、１２０度から１７０度まで及び１９０度から２４０度までの領域内に配置されることが好ましい。円弧部５１ｄは、本実施の形態では、約１３５度から１４５度まで及び約２１５度から２２５度までの領域に位置している。

ついで、以上説明した素線５１の断面形状における角度と最大せん断応力とのシミュレーション結果を図６に沿って説明する。コイルスプリングは全体がアーク状に形成されており、荷重をかけて縮めると、内径側（０度〜１００度）に約９０％のせん断応力が集中し、特に内径側端（０度）には最も大きなせん断応力が生じることになる。しかしながら、図６に示すように、本実施の形態に係るコイルスプリング５０に荷重をかけて縮めた際、半楕円形状部５１ａの部分に相当する０度から９０度では、特に内径側端（０度）に最大せん断応力が集中することなく、内径側部分における０度から９０度までにおいてせん断応力が分散されて平均化されていることが分かる。

また、直線部５１ｂが位置する７５度から１３５度までと、円弧部５１ｄが位置する１３５度から１４５度までとは、最大せん断応力が内径側部分よりも下降しており、外径側部分の曲線形状部５１ｃが位置する１４５度から１８０度までは最大せん断応力が円弧部５１ｄよりも上昇するが、内径側部分よりも小さいことが分かる。

このように本実施の形態におけるコイルスプリング５０では、最大せん断応力が分散されて特定の部分に集中することがなく、耐久性が向上することが分かる。

次に、コイルの有効巻数について説明する。素線５１の断面形状は、以上説明したように曲線形状部５１ｃの円弧を大きくし、中心線と平行な直線部５１ｂにより半楕円形状部５１ａと繋ぐことで、断面積を大きくすることができる。ここで、コイルスプリング５０が設計上の付勢力となるためには、断面二次モーメントとコイルの有効巻数との関係を適宜に設定する必要がある。

ここで、例えば素線の断面形状が、直交する辺の長さｈ及び長さｂの四角形とした場合の有効巻数の計算は、以下のようになる。即ち、断面二次モーメントＩｚは、

であり、ｂ＝ｈ＝ｄで近似すると、

であり、

である。
そして、上記有効巻数の数式（３）に上記数式（７）を代入すると、

となり、断面形状が半径ｄの円形である場合の数式（４）と、断面形状が一辺の長さｄの四角形である場合に数式（８）とを比較すると、その比が８／πと３／２とであり、四角形の方が大きいことが分かる。

即ち、素線の断面積が大きくなると、有効巻数Ｎａを大きくする必要があり、つまり素線の断面積が大きくなるとスプリングが固くなるので、巻数を増やして設計上の付勢力を設定する必要があることが分かる。

ここで、図７に沿ってオーバル比とばね定数比との関係について、有限要素法を用いたシミュレーション結果を説明する。ここで言うオーバル比とは、素線５１の断面形状における、内外径方向の長さと幅方向の長さ（短径ｂの方向の最大長さ）との比であり、具体的には内径側端５１ｇと外径側端５１ｈとの長さｌを、短径ｂの２倍の長さで除算した値のことである。また、ばね定数比は、素線の断面形状が楕円形状でオーバル比が１．２５であるもののばね定数を１００％とし、それを基準に計算してものである。

図７に示すように、素線の断面形状が楕円形状である場合であっても、オーバル比が約１．３８となるよう、つまり内外径方向に延ばすと、低剛性化が図れることが分かる。そして、素線の断面形状が楕円形状である場合よりも、本実施の形態にかかる素線５１の断面形状では、さらに低剛性化が図れていることが分かる。

本素線５１の断面形状にあって、直線部５１ｂを延ばし、オーバル比を設定する場合、オーバル比が１．３５から１．４５までの間であるとばね定数比が約９０％であって、低剛性化が達成できる。ここでオーバル比を大きくすることは、素線の断面形状が内外径に向けて長くなるということであるが、素線を巻いてコイルを製造する際に、内外径に細長くなると倒れ（傾き）易くなるという問題がある。そのため、製造時のことを考慮すると、オーバル比が１．３８から１．４０までの間であるものが好ましいと分かる。

このようにオーバル比を（例えば１．２５から１．４０のように）上げることは、つまり断面積が大きくなることである。断面積が大きくなると、各部に発生するせん断応力が小さくなるので、線径（素線の径）を細くすることができ、巻数を増やすことができるようになるので、低剛性化が図れるものである。

以上のような巻数の演算手法やオーバル比について考慮すると、図３に示すように、アーク状のコイルスプリング５０をストレート状に置き換えた場合の長さＬ_１を有するストレート状のコイルスプリング５０Ｂにおいては、一端５０ａから他端５０ｂまでの巻数を上述した基本形状のコイルスプリング２５０における巻き数Ｎ_２よりも多いＮ_１として設計することになる。なお、上述した基本形状のコイルスプリング２５０と同様に、アーク状のコイルスプリング５０は、ストレート状のコイルスプリング５０Ｂをアーク状に曲げて形成することが主流であるが、これに限らず、アーク状のコイルスプリング５０を、素線５１のコイル状に巻くのと同時に形成するようにしてもよく、要するにアーク状の形成手法はどのようなものであってもよい。従って、ストレート状のコイルスプリング５０Ｂは、単にストレート状のコイルスプリング５０Ｂとしての一例でもあるが、アーク状のコイルスプリング５０をアーク状に曲げる前の形状であるとも言える。

以上説明したように第１の実施の形態に係るコイルスプリング５０によると、外径側部分が、短径ｂよりも長い半径ｃを有する外接円に外接する曲線形状の曲線形状部５１ｃ、曲率の大きい円弧形状の円弧部５１ｄ、直線形状の直線部５１ｂを含むので、例えば外径側部分が短径ｂを半径とした半円形状である基本形状のものに比して、素線５１の断面積を大きくすることができる。また、内径側部分が半楕円形状の半楕円形状部５１ａで、外径側部分の直線部５１ｂに繋がるので、曲率変化が小さく、せん断応力が集中し難くすることができる。このように、断面積が大きく、曲率変化が小さくなるので、せん断応力を分散でき、コイルスプリング５０の耐久性を向上することができる。

また、素線５１の断面形状に、内外径方向に延び、内径側部分の半楕円形状部５１ａと外径側部分の円弧部５１ｄとをそれぞれ繋ぐ直線状の直線部５１ｂを含むので、コイルスプリング５０が縮んで素線５１同士が接触した際に生じる応力を分散することができる。

さらに、曲線形状部５１ｃには、直線部５１ｂ繋がり、外接円５１ｏｕｔの曲率よりも小さい曲率である円弧部５１ｄを含むので、直線部５１ｂと曲線形状部５１ｃとを滑らかに繋いで、応力が集中してしまうことを防止することができる。

また、外接円５１ｏｕｔの中心点Ｐ２は、半楕円形状部５１ａの中心点Ｐ１よりもコイル形状に巻かれた際の内径側に位置するので、曲線形状部５１ｃの外接円５１ｏｕｔの曲率を大きくすることができ、カバープレート２７に接触する際の遠心力により生じる応力を分散することができる。

また、曲線形状部５１ｃは、内径側端５１ｇと外径側端５１ｈとを結ぶ直線上の真ん中を素線５１の中心Ｐ３として、素線５１の内径側端５１ｇを０度としたときに、１７０度から１９０度までの領域に存在するので、例えば素線が１０度未満で傾いたとしても、カバープレート２７と素線５１との接触面積の減少が大きくなることを防止することができる。

さらに、半楕円形状部５１ａは、内径側端５１ｇと外径側端５１ｈとを結ぶ直線上の真ん中を素線５１の中心Ｐ３として、素線５１の内径側端５１ｇを０度としたときに、０度から９０度まで及び２７０度から３６０度までの領域内に配置されるので、内径側部分に生じるせん断応力を分散させることができ、コイルスプリングの耐久性を向上することができる。

さらに、円弧部５１ｄは、内径側端５１ｇと外径側端５１ｈとを結ぶ直線上の真ん中を素線５１の中心Ｐ３として、素線５１の内径側端５１ｇを０度としたときに、１２０度から１７０度まで及び１９０度から２４０度までの領域内に配置されることが好ましい。

また、内径側端５１ｇと外径側端５１ｈとの長さｌと、短径ｂの方向における最大の長さと、の比が１．３５から１．４５までの間であるので、素線５１の断面積を大きくするものでありながら、線径を細くすることができ、有効巻数を増やすことができて、コイルスプリング５０の低剛性化を図ることができる。

また好ましくは、内径側端５１ｇと外径側端５１ｈとの長さｌと、短径ｂの方向における最大の長さと、の比が１．３８から１．４０までの間であると、製造時に生じる素線５１の倒れの防止を図ることができる。

また、内径側部分の内径側端５１ｇと外径側部分に外接する外接円５１ｏｕｔの外径側端５１ｈとの長さｌが、長径ａと短径ｂとを加算した長さよりも長いので、つまり基本形状の素線２５１の断面積よりも、本コイルスプリング５０の素線５１の断面積を大きくすることができ、応力集中を分散することが可能となって、コイルスプリング５０の耐久性を向上することができる。

そして、外径側部分における外接円５１ｏｕｔに外接する曲線形状において、外接円５１ｏｕｔの曲率が、カバープレート２７の内接円Ｃ_１ＩＮの曲率よりも小さくなるように構成されているので、外径側部分が半円形状であるものに比して、カバープレート２７と素線５１との接触面積を大きくすることができ、さらに、外径側部分に直線部分を有するものに比して、素線５１がカバープレート２７に対して傾いても接触面積の減少が大きくなることを防止できる。このため、総じて遠心力により生じる応力の分散が図られて、コイルスプリングの耐久性を向上することができる。

＜第２の実施の形態＞
ついで、上記第１の実施の形態を一部変更した第２の実施の形態について、図８に沿って説明する。なお、本第２の実施の形態の説明では、第１の実施の形態と同様な部分について、同符号を用いて説明し、その説明を省略する。

本第２の実施の形態は、第１の実施の形態に比して、コイルスプリング５０の素線の断面形状を変更したものである。詳細には、図８に示すように、素線１５１の断面形状は、同様に、半楕円形状部１５１ａ、直線部１５１ｂ、円弧部１５１ｄ、曲線形状部１５１ｃとから形成されている。このうちの半楕円形状部１５１ａ、直線部１５１ｂ、及び円弧部１５１ｄの形状は、第１の実施の形態と同様である。

本第２の実施の形態における曲線形状部１５１ｃは、中心点Ｐ１に対して内外径方向に延びる中心線上に配置された中心点Ｐ２から半径ｃとなる外接円１５１ｏｕｔに２箇所で外接する形状であり、言い換えると、第１の実施の形態の曲線形状部５１ｃに比して、中心線上を通る部分が凹状に凹んでいる形状からなる。曲線形状部１５１ｃに外接する外接円１５１ｏｕｔは、第１の実施の形態と同様に、収納部Ｃ_１の内面の内接円Ｃ_１ＩＮと同じ曲率かそれ以下の曲率となるように設計されており、つまり半径ｃは半径Ｄ（図２Ｂ参照）以下の長さである。曲線形状部１５１ｃは、収納部Ｃ_１の内面に遠心力により押し付けられた際に、２箇所の接触面ＦＳ１，ＦＳ２で接触するように形成されており、例えば第１の実施の形態のような円弧状の曲線形状部５１ｃで半径ｃが半径Ｄよりもかなり小さい場合には、１点で収納部Ｃ_１の内面に接触し、かつ曲率の違いから接触面積が小さくなってしまうが、本第２の実施の形態では、２箇所の接触面ＦＳ１，ＦＳ２で接触するため、その分、遠心力により発生する応力を分散することができる。

本第２の実施の形態における素線１５１にあっても、曲線形状部１５１ｃの中心点Ｐ２は、半楕円形状部１５１ａの中心点Ｐ１よりも（コイルに巻かれたときの）内径側に位置しており、半径ｃは、上記基本形状の半径ｂ（図１０Ｂ参照）よりも大きい。即ち、半楕円形状部１５１ａの内径側端（内径側の頂点）１５１ｇと、外接円１５１ｏｕｔの外径側端（外径側の頂点）１５１ｈとの長さｌは、基本形状における長径ａ及び半径ｂを加算した長さよりも長くされている。従って、基本形状の素線２５１の断面積よりも、素線１５１の断面積の方が大きくなっている。

なお、これ以外の構成、作用、及び効果は、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

（本実施の形態のまとめ）
以上説明したように、コイルスプリング（５０）は、素線（５１，１５１）がコイル形状に巻かれることで形成されたコイルスプリング（５０）において、
前記コイル形状に巻かれた際の内径側部分の素線（５１）の断面形状は、長径（ａ）及び短径（ｂ）を有し前記長径（ａ）が内外径方向に向けられた実質的に半楕円形状（５１ａ，１５１ａ）を含み、
前記コイル形状に巻かれた際の外径側部分の素線（５１）の断面形状は、前記短径（ｂ）よりも長い半径（ｃ）を有する円を外接円として、それに外接する曲線形状と、前記外接円の曲率より大きい曲率の円弧形状と、前記円弧形状と前記半楕円形状とをそれぞれ繋ぐ直線形状と、を含む。

これにより、外径側部分が、短径（ｂ）よりも長い半径（ｃ）を有する外接円（５１ｏｕｔ，１５１ｏｕｔ）に外接する曲線形状（５１ｃ）、曲率の大きい円弧形状（５１ｄ）、直線形状（５１ｂ）を含むので、例えば外径側部分が短径（ｂ）を半径とした半円形状であるものに比して、素線（５１）の断面積を大きくすることができる。また、内径側部分が半楕円形状（５１ａ）で、外径側部分の直線形状（５１ｂ）に繋がるので、曲率変化が小さく、せん断応力が集中し難くすることができる。このように、断面積が大きく、曲率変化が小さくなるので、せん断応力を分散でき、コイルスプリング（５０）の耐久性を向上することができる。

また、本コイルスプリング（５０）において、前記外接円（５１ｏｕｔ，１５１ｏｕｔ）の中心点（Ｐ２）は、前記半楕円形状（５１ａ，１５１ａ）の中心点（Ｐ１）よりも前記コイル形状に巻かれた際の内径側に位置する。

これにより、曲線形状（５１ｃ，１５１ｃ）の外接円（５１ｏｕｔ，１５１ｏｕｔ）の曲率を大きくすることができ、カバー（２７）に接触する際の遠心力により生じる応力を分散することができる。

また、本コイルスプリング（５０）において、前記曲線形状（５１ｃ、１５１ｃ）は、前記内径側部分の内径側端（５１ｇ，１５１ｇ）と前記外径側部分に外接する外接円（５１ｏｕｔ，１５１ｏｕｔ）の外径側端（５１ｈ，１５１ｈ）とを結ぶ直線上の真ん中を前記断面形状の中心（Ｐ３）として、前記断面形状の内径側端（５１ｇ，１５１ｇ）を０度としたときに、１７０度から１９０度までの領域に存在する。

これにより、例えば素線が１０度未満で傾いたとしても、カバーと素線との接触面積の減少が大きくなることを防止することができる。

さらに、本コイルスプリング（５０）において、前記半楕円形状（５１ａ，１５１ａ）は、前記内径側部分の内径側端（５１ｇ，１５１ｇ）と前記外径側部分に外接する外接円の外径側端（５１ｈ，１５１ｈ）とを結ぶ直線上の真ん中を前記断面形状の中心（Ｐ３）として、前記断面形状の内径側端（５１ｇ，１５１ｇ）を０度としたときに、０度から９０度まで及び２７０度から３６０度までの領域内に配置される。

これにより、内径側部分に生じるせん断応力を分散させることができ、コイルスプリングの耐久性を向上することができる。

さらに、本コイルスプリング（５０）において、前記円弧部（５１ｄ，１５１ｄ）は、前記内径側部分の内径側端（５１ｇ，１５１ｇ）と前記外径側部分に外接する外接円の外径側端（５１ｈ，１５１ｈ）とを結ぶ直線上の真ん中を前記断面形状の中心（Ｐ３）として、前記断面形状の内径側端（５１ｇ，１５１ｇ）を０度としたときに、１２０度から１７０度まで及び１９０度から２４０度までの領域内に配置される。

また、本コイルスプリング（５０）において、前記内径側部分の内径側端（５１ｇ，１５１ｇ）と前記外径側部分に外接する外接円の外径側端（５１ｈ，１５１ｈ）との長さと、前記短径（ｂ）の方向における最大の長さと、の比が１．３５から１．４５までの間である。

これにより、素線（５１，１５１）の断面積を大きくするものでありながら、線径を細くすることができ、有効巻数を増やすことができて、コイルスプリング（５０）の低剛性化を図ることができる。

また好ましくは、本コイルスプリング（５０）において、前記内径側部分の内径側端（５１ｇ，１５１ｇ）と前記外径側部分に外接する外接円の外径側端（５１ｈ，１５１ｈ）との長さと、前記短径（ｂ）の方向における最大の長さと、の比が１．３８から１．４０までの間である。

これにより、製造時に生じる素線（５１，１５１）の倒れの防止を図ることができる。

さらに、本コイルスプリング（５０）において、前記内径側部分の内径側端（５１ｇ，１５１ｇ）と前記外径側部分に外接する外接円（５１ｏｕｔ，１５１ｏｕｔ）の外径側端（５１ｈ，１５１ｈ）との長さ（ｌ）は、前記長径（ａ）と前記短径（ｂ）とを加算した長さよりも長い。

これにより、つまり基本形状の素線の断面積よりも、本コイルスプリング（５０）の素線（５１，１５１）の断面積を大きくすることができ、応力集中を分散することが可能となって、コイルスプリング（５０）の耐久性を向上することができる。

また、本コイルスプリング（５０）において、前記半楕円形状は、前記長径をａ、前記短径をｂとしたときに、（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる。

また、本コイルスプリング（５０）は、２つの回転体（２５，２６）の間に介在するように回転方向に向けて配置され、かつ少なくとも一方の回転体（２５）に設けられたカバー（２７）により遠心力による移動が規制されるように配置され、
前記外接円（５１ｏｕｔ，１５１ｏｕｔ）の曲率が、前記カバー（２７）の前記回転方向の内接円（Ｃ_１ＩＮ）の曲率よりも小さい。

これにより、外径側部分が半円形状であるものに比して、カバー（２７）と素線（５１）との接触面積を大きくすることができ、さらに、外径側部分に直線部分を有するものに比して、素線（５１）がカバー（２７）に対して傾いても接触面積の減少が大きくなることを防止できる。このため、総じて遠心力により生じる応力の分散が図られて、コイルスプリングの耐久性を向上することができる。

（他の実施の形態の可能性）
なお、以上説明した第１及び第２の実施の形態にあっては、素線５１，１５１の断面形状において、中心線と平行に延びる直線部５１ｂ，１５１ｂを設けたものを説明したが、直線部５１ｂ，１５１ｂを無くして半楕円形状部５１ａ，１５１ａと曲線形状部５１ｃ，１５１ｃとを直接的に繋ぐような形状であってもよく、さらには、直線部５１ｂ，１５１ｂを円弧状やその他の曲線状で形成してもよい。つまり素線５１，１５１がコイル状に巻けるように内外径の長さが設定され、かつ断面積が基本形状よりも大きくなり、かつカバーに接触する曲線形状部５１ｃ，１５１ｃの外接円５１ｏｕｔ，１５１ｏｕｔの曲率が大きくなるような断面形状であればよい。

また、本実施の形態においては、自動変速機のトルクコンバータに配置されるダンパ装置に本コイルスプリングを提供したものを説明したが、勿論、これに限るものではなく、変速機のクラッチに用いられるリターンスプリング、エンジンの弁バネ、サスペンション、バルブスプリングなどのコイルスプリングであれば、どのようなものに適用しても構わない。

本コイルスプリングは、乗用車、トラック等の車両に搭載される自動変速機やハイブリッド駆動装置などの車両用伝動装置に用いることが可能であり、特に耐久性の向上が求められるものに用いて好適である。

２５ 回転体（ドライブプレート）
２６ 回転体（第１ドリブンプレート）
２７ カバー（カバープレート）
５０ コイルスプリング
５１ 素線
５１ａ 半楕円形状（半楕円形状部）
５１ｂ 直線形状（直線部）
５１ｃ 曲線形状（曲線形状部）
５１ｄ 円弧形状（円弧部）
５１ｇ 内径側端
５１ｈ 外径側端
５１ｏｕｔ 外接円
１５１ 素線
１５１ａ 半楕円形状（半楕円形状部）
１５１ｂ 直線形状（直線部）
１５１ｃ 曲線形状（曲線形状部）
１５１ｄ 円弧形状（円弧部）
１５１ｇ 内径側端
１５１ｈ 外径側端
１５１ｏｕｔ 外接円
ａ 長径
ｂ 短径
ｃ 半径
ｌ 長さ
Ｃ_１ＩＮ 内接円
Ｄ 半径
Ｐ１ 中心点
Ｐ２ 中心点
Ｐ３ 中心点

Claims (10)

1. 素線がコイル形状に巻かれることで形成されたコイルスプリングにおいて、
   前記コイル形状に巻かれた際の内径側部分の素線の断面形状は、長径及び短径を有し前記長径が内外径方向に向けられた実質的に半楕円形状を含み、
   前記コイル形状に巻かれた際の外径側部分の素線の断面形状は、前記短径よりも長い半径を有する円を外接円として、それに外接する曲線形状と、前記外接円の曲率より大きい曲率の円弧形状と、前記円弧形状と前記半楕円形状とをそれぞれ繋ぐ直線形状と、を含む、
   コイルスプリング。
2. 前記外接円の中心点は、前記半楕円形状の中心点よりも前記コイル形状に巻かれた際の内径側に位置する、
   請求項１に記載のコイルスプリング。
3. 前記曲線形状は、前記内径側部分の内径側端と前記外径側部分に外接する外接円の外径側端とを結ぶ直線上の真ん中を前記断面形状の中心として、前記断面形状の内径側端を０度としたときに、１７０度から１９０度までの領域に存在する、
   請求項１又は２に記載のコイルスプリング。
4. 前記半楕円形状は、前記内径側部分の内径側端と前記外径側部分に外接する外接円の外径側端とを結ぶ直線上の真ん中を前記断面形状の中心として、前記断面形状の内径側端を０度としたときに、０度から９０度まで及び２７０度から３６０度までの領域内に配置される、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載のコイルスプリング。
5. 前記円弧形状は、前記内径側部分の内径側端と前記外径側部分に外接する外接円の外径側端とを結ぶ直線上の真ん中を前記断面形状の中心として、前記断面形状の内径側端を０度としたときに、１２０度から１７０度まで及び１９０度から２４０度までの領域内に配置される、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載のコイルスプリング。
6. 前記内径側部分の内径側端と前記外径側部分に外接する外接円の外径側端との長さと、前記短径の方向における最大の長さと、の比が１．３５から１．４５までの間である、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載のコイルスプリング。
7. 前記内径側部分の内径側端と前記外径側部分に外接する外接円の外径側端との長さと、前記短径の方向における最大の長さと、の比が１．３８から１．４０までの間である、
   請求項６に記載のコイルスプリング。
8. 前記内径側部分の内径側端と前記外径側部分に外接する外接円の外径側端との長さは、前記長径と前記短径とを加算した長さよりも長い、
   請求項１ないし７のいずれか１項に記載のコイルスプリング。
9. 前記半楕円形状は、前記長径をａ、前記短径をｂとしたときに、（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる、
   請求項１ないし８のいずれか１項に記載のコイルスプリング。
10. 前記コイルスプリングは、２つの回転体の間に介在するように回転方向に向けて配置され、かつ少なくとも一方の回転体に設けられたカバーにより遠心力による移動が規制されるように配置され、
    前記外接円の曲率が、前記カバーの前記回転方向の内接円の曲率よりも小さい、
    請求項１ないし９のいずれか１項に記載のコイルスプリング。

Images