WO2010073918A1

WO2010073918A1 - ばね

Info

Publication number: WO2010073918A1
Application number: PCT/JP2009/070678
Authority: WO
Inventors: 秀雅伊藤; 典拓田嶋
Original assignee: 日本発條株式会社
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2010-07-01
Also published as: EP2381124A4; CN102265056B; EP2381124B1; US20110254210A1; CN102265056A; JP2010144915A; US8523153B2; JP5073643B2; EP2381124A1

Abstract

　ばね１の本体部１０では、第１角部１３の本体部１０側の接線Ｕが、本体部１０の内周部と外周部とを結ぶ直線Ｈに対して所定の角度θ_１を有している。これにより、ばね１では、第１角部１３における荷重の垂直成分が、本体部の内周部と外周部とが直線状に接続されている比較例のばねの垂直成分と比較して、小さくなる。したがって、第１角部１３において反時計回りに発生する曲げモーメントを小さくすることができるので、そこで発生する応力を低減することができる。その結果、本体部１０における第１角部１３に近傍する部分の局所変形を抑制することができる。このような効果は、第２角部１４でも同様に得ることができる。その結果、荷重特性でのヒステリシスの発生を防止することができることはもちろんのこと、発生荷重を増大させることができる。　

Description

ばね

　本発明は、第１部材と第２部材との間に設けられ、それら部材間での高周波振動の伝達を抑制するばねに係り、特にばねの形状の改良に関する。

　自動車産業や、精密機器産業、家電、建築等の各種分野では、振動伝達を抑制する技術が要求されている。振動伝達の抑制技術は、エンジンや、高速回転するモータ、洗濯機の脱水槽、建築物等に適用されている。振動伝達の抑制技術としては、対象物と支持部により構成される系の固有振動数を、所定の振動数帯域よりも十分に低く設定することが有効である。その手法として、支持部のばね定数を小さくすることが考えられるが、この場合、ばね定数を小さくすると、荷重を支えるためには、ばねを大きくしなければならない。

　そこで、対象物と支持部との間に皿ばねを用いる手法が提案されている（たとえば特許文献１，２）。皿ばねの荷重特性は、図６に示す曲線のように設計することができるから、荷重を支えることができるとともにばね定数を小さく設定することができる領域Ａを設定することができる。

　皿ばねは、その形状が荷重印加により略平坦状をなすように変形するときに、皿ばねの内周縁部および外周縁部が、相手部材に対して摺動して摩擦が発生する。このため、皿ばねの使用範囲を図６の領域Ａの範囲に設定した場合、実際の荷重曲線には、図７（Ａ）に示すヒステリシスが生じる。その結果、皿ばねの使用範囲での実質的な動的ばね定数は、図７（Ａ）の点Ｐと点Ｑを結ぶ対角線ｌの傾きとなる。この場合、使用範囲の振幅を小さくしたとき、図７（Ｂ）に示すように、対角線ｌの傾きが大きくなるため、動的ばね定数が大きくなってしまう。このように皿ばねが適用された系では、高周波振動のような微振幅の振動を入力すると、皿ばねの動的ばね定数が大きくなるため、系の固有振動数が増加し、その結果、高周波振動の伝達を抑制できないという問題があった。

　以上のような問題を解決するために本出願人は、図８に示すばね２００を提案している（ばね２００はまだ開示されていない）。図８は、ばね２００の構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は、ばね２００の右側部分の断面図である。図８（Ｂ）は、ばね２００が第１部材１０１と第２部材１０２の間に設置されている状態を表している。ばね２００は、中心部に孔部２１０Ａが形成された本体部２１０を備えている。

　本体部２１０の内周部には、第１部材１０１に向けて突出する第１円筒部２１１が設けられ、本体部２１０の外周部には、第２部材１０２に向けて突出する第２円筒部２１２が設けられている。本体部２１０と第１円筒部２１１との境界部には第１角部２１３が形成され、本体部２１０と第２円筒部２１２との境界部には第２角部２１４が形成されている。ばね２００では、角部２１３，２１４が、荷重印加時に相手部材１０１，１０２からの押圧力に応じて、その角度を変化させるように弾性変形することができるので、筒状部２１１，２１２の相手部材１０１，１０２に対する摺動を防止することができる。

　しかしながら、ばね２００では、円筒部２１１，２１２の剛性が他の部位より高いため、荷重印加時の本体部２１０の変形が制限される。このため、角部２１３，２１４において、大きな応力が発生するため、図９に示すように、本体部２１０における角部２１３，２１４に近傍する部分Ｅが、そこで発生する曲げモーメントＭによって、局所的に大きく変形し、その結果、ある応力以下で設計しようとすると、発生荷重が小さくなる虞があった。なお、図９では、角部２１３およびその近傍部分Ｅのみを図示している。

特開平５－１７２１７１号公報特開２００２－５４６８５号公報

　したがって、本発明は、荷重特性でのヒステリシスの発生を防止することができることはもちろんのこと、発生荷重を増大させることができるばねを提供することを目的としている。

　本発明のばねは、第１部材と第２部材との間に設けられるばねであって、孔部を有する本体部と、本体部の内周部および外周部に設けられた筒状部と、本体部と筒状部との境界部に形成された角部とを備え、本体部は、第１部材および第２部材からの押圧力の方向に交差する方向に延在し、筒状部は、本体部の周部から第１部材および第２部材のいずれかの部材に向けて突出してそこに当接する当接部を有し、角部は、その角度が押圧力に応じて変化するように弾性変形可能であり、角部の本体部側湾曲部の接線のうちの少なくとも一方は、本体部の内周部と外周部とを結ぶ直線に対して所定の角度を有することを特徴としている。なお、本願でいう断面形状とは、筒状部の軸線方向に平行方向の断面形状（側断面形状）のことであり、以下、断面形状と表記している。

　本発明のばねでは、相手部材（第１部材および第２部材）から受ける荷重が圧縮荷重である場合、角部の本体部側の接線は、本体部の内周部と外周部とを結ぶ直線に対して時計回り方向側に位置するように設定する。

　本発明のばねでは、荷重印加時に角部が弾性変形することができるので、筒状部における角部と相手部材との間の距離を適宜設定することにより、荷重印加時に筒状部の相手部材近傍の部位の変形を防止することができる。したがって、筒状部の相手部材に対する摺動を防止することができるので、筒状部と相手部材との間に摩擦が発生しなく、その結果、ばねの荷重特性にヒステリシスが発生しない。

　ここで、本発明のばねは、角部の本体部側の接線のうち少なくとも一方は、本体部の内周部と外周部とを結ぶ直線に対して所定の角度を有している。これにより、本発明のばねでは、角部における荷重の垂直成分（角部の本体部側の接線に対する垂直方向の成分）が、本体部の内周部と外周部とが直線状に接続されている比較例のばねの垂直成分（本体部の内周部と外周部とを結ぶ直線に対する垂直方向の成分）と比較して、小さくなる。したがって、角部で発生する曲げモーメントを小さくすることができるから、本体部における角部に近傍する部分の局所変形を抑制することができ、その結果、ある応力以下で設計した場合でも、発生荷重の増大を図ることができる。

　本発明のばねは種々の構成を用いることができる。たとえば本体部の断面は種々の形状を有することができる。たとえば本体部の断面は、少なくとも一つのＳ字形状を有することができる。この態様では、上記効果をより良く得ることができる。また、本体部の断面は、直線形状を含んでいてもよい。

　本発明のばねによれば、荷重特性でのヒステリシスの発生を防止することができることはもちろんのこと、角部で発生する応力を低減することができるので、本体部における角部に近傍する部分の局所変形を抑制することができる、その結果、ある応力以下で設計した場合でも、発生荷重の増大を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るばねの構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は、ばねの右側部分の側断面図である。図１のばねの右側部分の動作状態を表し、（Ａ）は、ばねの動作前（点線）と動作時（実線）の側断面図であり、（Ｂ）は、ばねの動作時の第１角部および第２角部の拡大側断面図である。図２（Ｂ）の第１角部における荷重印加時に作用する荷重の各成分を説明するための図である。本発明例および比較例のばねについて第１角部で発生する応力および荷重のシミュレーション結果を表すグラフである。本発明の一実施形態に係るばねの変形例の構成を表し、ばねの変形例の右側部分の側断面図である。皿ばねの荷重特性を表すグラフである。ヒステリシスが生じる実際の皿ばねの荷重特性を表すグラフであり、（Ａ）使用範囲の振幅が所定の大きさの場合、（Ｂ）は使用範囲の振幅が（Ａ）の場合よりも小さい場合のグラフである。比較例のばねの構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は、比較例のばねの右側部分の側断面図である。比較例のばねにおいて曲げモーメントにより発生する局所的変形状態を表す部分の側断面図である。

　１…ばね、１０…本体部、１０Ａ…孔部、１１…第１円筒部（筒状部）、１２…第２円筒部（筒状部）、１３…第１角部（角部）、１４…第２角部（角部）、１０１…第１部材、１０２…第２部材、Ｕ，Ｖ…接線、Ｈ…直線、θ_１，θ_２…角度

（１）実施形態の構成
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るばね１の構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は、ばね１の右側部分の断面図である。図１（Ｂ）は、ばね１が第１部材１０１と第２部材１０２の間に設置されている状態を表している。図１（Ｂ）において、符号Ｈは、本体部１０の内周部と外周部とを結ぶ直線、符号Ｕは、第１角部１３の本体部１０側の接線、符号Ｖは、第２角部１４の本体部１０側の接線を示している。ばね１は、たとえば相手部材（第１部材１０１，第２部材１０２）から受ける荷重が圧縮荷重である場合に適用されるばねである。

　ばね１は、たとえば中心部に孔部１０Ａが形成された本体部１０を備えている。本体部１０は、たとえば第１部材１０１および第２部材１０２からの押圧力の方向に対して交差する方向に延在し、皿ばねとしての機能を有する。

　孔部１０Ａは、たとえば円形状をなしている。本体部１０の内周部には、第１部材１０１に向けて突出する第１円筒部１１（筒状部）が設けられている。第１円筒部１１の上端部は、第１部材１０１に当接する当接部である。本体部１０の外周部には、第２部材１０２に向けて突出する第２円筒部１２（筒状部）が設けられている。第２円筒部１２の下端部は、第２部材１０２に当接する当接部である。

　本体部１０と第１円筒部１１との境界部には第１角部１３が形成され、本体部１０と第２円筒部１２との境界部には第２角部１４が形成されている。第１角部１３および第２角部１４は、第１部材１０１および第２部材１０２からの押圧力に応じて、その角度（図２の角度α，β）を変化させるように弾性変形可能である。第１角部１３および第２角部１４は、種々の手法により形成することができる。第１角部１３および第２角部１４は、たとえば、本体部１０と第１円筒部１１の境界部および本体部１０と第２円筒部１２の境界部を折り曲げて形成することができる。また、たとえば、本体部１０と第１円筒部１１の溶接および本体部１０と第２円筒部１２の溶接により形成することができる。

　本体部１０の断面は、たとえば第１角部１３側湾曲部および第２角部１４側湾曲部を有するＳ字状をなしている。この場合、本体部１０の形状は、次のような条件を満たすように設定されている。図１（Ｂ）に示すように、第１角部１３の本体部１０側湾曲部の接線Ｕは、本体部１０の内周部と外周部とを結ぶ直線Ｈに対して所定の角度θ_１を有し、直線Ｈに対して時計回り方向側に位置している。第２角部１４の本体部１０側湾曲部の接線Ｖは、本体部１０の内周部と外周部とを結ぶ直線Ｈに対して所定の角度θ_２を有し、直線Ｈに対して時計回り方向側に位置している。なお、第１角部１３の本体部１０側および第２角部１４の本体部１０側には、Ｓ字形状の湾曲部に加えて、板厚の１～２倍程度の大きさを有する製造上必要な湾曲部（図示略）が形成されている。

　荷重印加時における円筒部１１，１２の機能について、おもに図２を参照して説明する。図２は、ばね１の動作状態を表し、（Ａ）は、ばね１の動作前（点線）と動作時（実線）の断面図であり、（Ｂ）は、ばね１の動作時の第１角部１３および第２角部１４の拡大断面図である。なお、図２では、図１（Ｂ）と同様にばね１の右側部分のみを図示している。

　図２（Ａ）の点線で示すように、第１部材１０１と第２部材１０２の間に配置されたばね１に対して、第１部材１０１から下側方向の荷重を加える。すると、図２（Ｂ）の実線で示すように、ばね１は撓んで第１部材１０１が下方に移動する。図中の符号ｄは、ばね１の撓みの大きさを示している。

　本体部１０は、第１部材１０１からの押圧力の方向に交差する方向に延在し、ばね１の上側において、第１円筒部１１は、本体部１０の内周部から第１部材１０１に向けて突出してそこに当接している。そのような本体部１０と第１円筒部１１の境界部に形成した第１角部１３は、荷重印加時に第１部材１０１からの押圧力に応じて角度αが変化するように弾性変形することができる。この場合、第１角部１３は、上記のような位置関係にある本体部１０と第１円筒部１１の境界部に形成された部位であるから、そのような第１角部１３は、荷重印加時に角度αを変化させながら、本体部１０の内周部の内側（図の左側）に移動することができる。

　このように荷重印加時に第１角部１３は弾性変形することができるので、第１円筒部１１が荷重印加時に第１部材１０１側の不変形部分（図２（Ｂ）中の点Ｓより上側）を有するように第１円筒部１１の長さを適宜設定することにより、第１円筒部１１の第１部材１０１側部分の変形を防止することができる。

　一方、ばね１の下側において、第２円筒部１１は、本体部１０の内周部から第２部材１０２に向けて突出してそこに当接している。この場合、第１角部１３と同様な機能を有する第２角部１４は、荷重印加による弾性変形時に、第２部材１０２からの押圧力に応じて、角度βを変化させながら、本体部１０の外周部の外部側（図の右側）に移動することができる。

　このように荷重印加時に第２角部１４は弾性変形することができるので、第２円筒部１２が荷重印加時に第２部材１０２側の不変形部分（図２（Ｂ）中の点Ｔより下側）を有するように第２円筒部１２の長さを適宜設定することにより、第２円筒部１２の第２部材１０２側部分の変形を防止することができる。

　以上のようにばね１は、円筒部１１，１２に不変形部分を有するので、ばね１と相手部材との摺動を防止することができる。その結果、ばね１の荷重特性では、皿ばねで問題となっていたヒステリシスが発生しない。

（２）実施形態の動作
　以上のような構成を有するばね１の角部１３，１４の荷重印加時の変形状態について、おもに図３を参照して説明する。図３は、図２（Ｂ）の第１角部１３における荷重印加時に作用する荷重の各成分を説明するための図である。なお、荷重印加時の第２角部１４の変形状態は、第１角部１３のものと同様であるから、その説明は省略する。符号Ｐは、第１部材１０１から第１円筒部１１を通じて加えられる荷重である。

　符号Ｐ_Ｊ１は、本発明例のばねに加えられる荷重の垂直成分（接線Ｕに対して垂直な荷重成分）、符号Ｐ_Ｋ１は、本発明例のばねに加えられる荷重の平行成分（接線Ｕに対して平行な荷重成分）である。本発明例のばねは、第１角部１３の本体部１０側湾曲部の接線Ｕが本体部１０の内周部と外周部とを結ぶ直線Ｈに対して所定の角度θ_１をなす断面形状の本実施形態の本体部１０を有するばねである。

　比較例のばねは、本体部１０の内周部と外周部とを結ぶ直線Ｈと同様な断面形状を有する本体部を有するばね（図８のばね２００）であり、本体部の形状以外は、本発明例のばねと同様な構成を有している。符号Ｐ_Ｊ０は、比較例のばねに加えられる荷重の垂直成分（直線Ｈに対して垂直な荷重成分）、符号Ｐ_Ｋ０は、比較例のばねに加えられる荷重の平行成分（直線Ｈに対して平行な荷重成分）である。

　荷重Ｐの印加時、本発明例のばねでは、以上のように荷重Ｐの垂直成分がＰ_Ｊ１となり、比較例のばねでは、以上のように荷重Ｐの垂直成分がＰ_Ｊ０となる。ここで、本発明例のばねは、第１角部１３の本体部１０側の接線Ｕは、本体部１０の内周部と外周部とを結ぶ直線Ｈに対して所定の角度θ_１を有している。これにより、本発明例のばねでは、第１角部１３における荷重の垂直成分Ｐ_Ｊ１が、本体部の内周部と外周部とが直線状に接続されている比較例のばねの垂直成分Ｐ_Ｊ０と比較して、小さくなる。したがって、第１角部１３において反時計回りに発生する曲げモーメントを小さくすることができるので、そこで発生する応力を低減することができる。その結果、本体部１０における第１角部１３に近傍する部分の局所変形を抑制することができるので、発生荷重の増大を図ることができる。

　図４は、本発明例および比較例（従来例）のばねについて第１角部で発生する応力および荷重のシミュレーション結果を表すグラフである。シミュレーションでは、本発明例および比較例のばねについてともに、ばねの板厚を０．４ｍｍ、第１円筒部の内径を１３ｍｍ、第２円筒部の内径を５０ｍｍに設定し、本発明例のばねの本体部の湾曲部の曲げ半径を４０ｍｍに設定した。なお、ばねの板厚を０．４ｍｍに設定した場合、第１角部１３の本体部１０側および第２角部１４の本体部１０側には、板厚の１～２倍程度の大きさ（０．４～０．８ｍｍ）を有する製造上必要な湾曲部が形成される。

　図４から判るように、本発明例のばねでは、比較例のばねと比較して、角部で発生する応力を低減することができるとともに、発生荷重の増大を図ることができることを確認した。

　以上のように本実施形態のばね１では、荷重特性でのヒステリシスの発生を防止することができることはもちろんのこと、角部１３，１４で発生する応力を低減することができるので、本体部１０における角部１３，１４に近傍する部分の局所変形を抑制することができ、その結果、ある応力以下で設計した場合でも、発生荷重の増大を図ることができる。

（３）変形例
　以上のように上記実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。なお、以下の変形例では、上記実施形態と同様な構成要素には同符号を付し、その説明は省略している。

　上記実施形態では、本発明の本体部はＳ字形状をなすようにしたが、これに限定されるものではない。本発明の本体部の断面において、角部１３，１４の本体部１０側の接線Ｕ，Ｖが、本体部１０の内周部と外周部とを結ぶ直線Ｈに対して所定の角度を有しているような形状であればよい。具体的には、本体部１０は、種々の曲面形状をなすことができ、Ｓ字形状を複数含んでいてもよい。また、本体部１０の断面は、曲線だけではなく直線形状を含んでいてもよく、さらに図５に示す本体部２０のように複数の直線形状からなるようにしてもよい。この場合、角度θ_１は、第１角部１３の本体部２０側直線部と、本体部２０の内周部と外周部とを結ぶ直線Ｈとのなす角度であり、角度θ_２は、第２角部１４の本体部２０側直線部と、本体部２０の内周部と外周部とを結ぶ直線Ｈとのなす角度である。

　上記実施形態では、本発明の筒状部として第１，第２円筒部１１，１２を用いたが、これに限定されるものではなく、筒状部は種々の構成を用いることができる。たとえば、ばねのたわみが小さい場合には、第１，第２円筒部１１，１２のいずれか一方のみを用いることができる。また、筒状部の形状は、上記実施形態に示す円筒状に限定されるものではなく、円錐状等の種々の形状を用いることができる。また、この場合、その断面は、直線状に限定されるものではなく、略Ｓ字状などの曲線状であってもよい。

　本発明のばねの本体部および筒状部には、軽量化のためにスリットを形成することができる。加えて、第１円筒部１０１および第２円筒部１０２が当接する第１部材１０１および第２部材１０２には、そこに第１円筒部１０１および第２円筒部１０２を固定するストッパを形成することができる。本発明のばねは、締結機構等の各種機構や、防振装置等の各種装置に適用することができる。また、本発明のばねの角部の本体部側湾曲部は、角部１３，１４のいずれか一方に形成してもよい。

　以上のような各種変形例は適宜組み合わせることができるのは言うまでもない。

Claims

　第１部材と第２部材との間に設けられるばねにおいて、
　孔部を有する本体部と、
　前記本体部の内周部および外周部に設けられた筒状部と、
　前記本体部と前記筒状部との境界部に形成された角部とを備え、
　前記本体部は、前記第１部材および前記第２部材からの押圧力の方向に交差する方向に延在し、
　前記筒状部は、前記本体部の前記周部から前記第１部材および前記第２部材のいずれかの部材に向けて突出してそこに当接する当接部を有し、
　前記角部は、その角度が前記押圧力に応じて変化するように弾性変形可能であり、
　前記角部の前記本体部側の接線のうちの少なくとも一方は、前記本体部の前記内周部と前記外周部とを結ぶ直線に対して所定の角度を有することを特徴とするばね。
　前記本体部の断面は、少なくとも一つのＳ字形状を有することを特徴とする請求項１に記載のばね。
　前記本体部の断面は、直線形状を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のばね。
　前記角部の前記本体部側の接線は、前記本体部の前記内周部と前記外周部とを結ぶ直線に対して時計回り方向側に位置していることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のばね。