WO2010123098A1 - コイルスプリング - Google Patents

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WO2010123098A1
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WO
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layer
spring
coil spring
wear
dlc
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PCT/JP2010/057232
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English (en)
French (fr)
Inventor
賢治郎 川鍋
種平 天野
加藤　信治
貴雄 小林
浩隆 山田
Original Assignee
日本発條株式会社
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    • 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
    • F16F1/024—Covers or coatings therefor

Definitions

  • the present invention relates to a coil spring used in a damper device, and more particularly to improvement of a surface treatment technique for the coil spring.
  • Coil springs are used in damper devices such as clutch units, lockups, flywheels, etc. (for example, Patent Documents 1 to 3).
  • an arc spring is provided between the hub and the plate, and when the clutch is engaged, the coil spring transmits torque from the engine side to the transmission side and absorbs an impact generated at that time.
  • the arc spring is a compression coil spring bent in an arc shape.
  • arc springs have been developed and surface-modified (mainly shot peening and nitriding treatment) in order to improve durability against high stress generated on the surface (for example, Patent Document 4).
  • surface-modified mainly shot peening and nitriding treatment
  • contact between the lines occurs due to repeated expansion and contraction.
  • Cheap when the contact between the lines is strong, a part of the lines is thinned by the contact wear between the lines, and the cross-sectional shape of the lines is reduced.
  • an object of the present invention is to provide a coil spring that can reduce hysteresis loss due to frictional resistance with a mating member and can improve durability against contact between wires.
  • FIGS. 1 and 2 show schematic configurations of clutch units 1 and 2 provided with specific examples of coil springs 41 and 42 used for explaining the contents examined by the inventor.
  • FIG. 1A shows the axis of the drive shaft.
  • Sectional drawing of a perpendicular direction, (B) is sectional drawing of the direction parallel to the axis line of a drive shaft. Since the clutch units 1 and 2 have the same configuration except that the forms of the coil springs 41 and 42 are different, the same reference numerals are given to the same configurations.
  • an example in which the coil spring of the present invention is applied to a clutch unit is used. However, the coil spring of the present invention is applied not only to a clutch unit but also to a damper device (mechanism) such as a lockup or a flywheel. Needless to say, you can.
  • a damper device such as a lockup or a flywheel. Needless to say, you can.
  • Each of the clutch units 1 and 2 includes a pair of plates 11 and 12 and a hub 21.
  • the plates 11 and 12 face each other and are connected by pins 33.
  • An engine side drive shaft 31 is connected to the engine side plate 11.
  • the hub 21 is disposed between the plates 11 and 12.
  • the hub 21 is connected to a transmission side drive shaft 32.
  • Coil springs 41 and 42 are provided between the plates 11 and 12 and the hub 21.
  • the plates 11 and 12 are formed with recesses 11A and 12A
  • the hub 21 is formed with an opening 21A at a position facing the recesses 11A and 12A
  • the recesses 11A and 12A and the opening 21A are coil springs. Is arranged.
  • an arc spring 41 is provided as a coil spring.
  • the arc spring 41 is a compression coil spring bent in an arc shape.
  • the arc spring 41 is installed at a predetermined bending angle ⁇ (> 0) inside the clutch unit 1.
  • a coil spring 42 arranged in a straight line is provided as a coil spring. Since the coil spring 42 is not bent inside the clutch unit 2, the bending angle ⁇ is 0 degree.
  • the coil springs 41 and 42 transmit torque from the engine side to the transmission side when the clutch is engaged, and absorb the impact generated at that time.
  • FIG. 5 is a torque diagram showing the relationship between the twist angle ⁇ of the arc spring 41 and the coil spring 42 and the output torque Tb.
  • arrows Sp and Sq indicate the direction (going) in which ⁇ increases
  • bold arrows Rp and Rq indicate the direction (return) in which ⁇ decreases, and in the following description, the direction is specified. Unless there is, the line on the bold arrow (return) side is used.
  • the arc spring 41 is pressed toward the wall portion of the clutch unit 1 and bends while in contact therewith, and the wall portion has a contact force ⁇ F perpendicular to each line of the arc spring 41.
  • the force ⁇ F varies depending on the location, and generally shows a distribution as shown in FIG. ⁇ Tm is generated by the contact force ⁇ F and the friction coefficient ⁇ between the line of the arc spring 41 and the wall portion of the clutch unit 1, and the friction torque Tm is generated as a sum thereof.
  • a torque line Q shown in FIG. 5 is obtained.
  • the following relational expression P is established from the viewpoint of the torque transmission efficiency ⁇ .
  • the output torque Tb and the torque transmission efficiency ⁇ may be considered to be the same. As the output torque Tb increases, ⁇ increases proportionally, and the friction torque Tm increases in reverse. Lower.
  • the torque transmission efficiency ⁇ decreases as the bending angle ⁇ and the coefficient of friction ⁇ increase.
  • the amount of deflection of the coil spring 42 on the wall portion side of the clutch unit 2 increases, the wires easily come into contact with each other, and when excessive torque is input to the clutch unit, the impact of the wires of the coil spring 42 is shocked. Touches are repeated. Such local contact between the lines also occurs in the arc spring 41 shown in FIG.
  • ⁇ Repeated line contact using such a spring causes wear (thinning) on the wire surface. Therefore, a reinforcing layer (surface modified layer) may be formed so that the surface of the spring wire has durability against high stress, but the conventional reinforcing layer disappears due to wear and the durability is significantly reduced. There was a fear. Moreover, surface modification may be performed on the material surface to form a film. However, since the coating of the prior art by surface modification has low hardness and is worn away by long-time contact, there is a high possibility that the abrasion reaches the reinforcing layer on the wire surface. Such wear is inversely proportional to the hardness of the reinforcing layer and tends to decrease as the surface hardness increases.
  • the material of the spring is spring steel such as SWOSC-V or SWP, and the friction coefficient ⁇ due to sliding with the clutch unit is about 0.15. Accordingly, the surface treatment is performed so that the coil spring friction coefficient is smaller than that of the spring steel, and the hysteresis loss in the clutch unit is reduced.
  • the wear between the coil spring wires is inversely proportional to the hardness of the reinforcing layer and tends to decrease as the surface hardness increases.
  • surface modification such as shot peening or nitriding treatment
  • the surface hardness can be obtained only up to around Hv 800 to 1000. Therefore, by performing a surface treatment on the coil spring that is higher than its surface hardness, a decrease in durability due to wear is suppressed.
  • the wear-resistant layer As described above, in order to reduce the hysteresis loss, it is necessary to form a wear-resistant layer having a friction coefficient ⁇ of less than 0.15 on the surface of the coil spring. In order to improve wear resistance, it is necessary to form a wear-resistant layer having a hardness of Hv1000 or more on the surface of the coil spring.
  • the coil spring of the present invention has been obtained in view of the above knowledge, and is a spring applied to a damper device.
  • a wear-resistant layer is formed on the surface, and the wear-resistant layer is an MoS 2 layer (disulfide disulfide). Molybdenum layer), electroless NiP layer (electroless nickel phosphorus layer), DLC layer (diamond-like carbon layer), or TiN layer (titanium nitride layer).
  • the friction coefficient is about 0.08 and the slipping property is improved, so that the hysteresis loss in the clutch unit can be reduced.
  • the friction coefficient is about 0.08, so that the hysteresis loss inside the clutch unit is reduced as in the case of using the MoS 2 layer.
  • the friction coefficient is about 0.1 and the slipping property is improved, so that hysteresis loss inside the clutch unit can be reduced.
  • the TiN layer itself is about Hv2000, and the hardness of the DLC layer itself is about Hv3000, the wear resistance is improved as compared with the MoS 2 layer and the electroless NiP layer. The durability against contact can be further improved.
  • the coil spring of the present invention can have various configurations.
  • the thickness of the DLC layer can be set to 1 to 10 ⁇ m. Since the DLC layer has extremely high hardness, when the film thickness exceeds 10 ⁇ m, cracks may develop in the DLC layer during expansion and contraction of the coil spring, leading to breakage. When the thickness of the DLC layer is less than 1 ⁇ m, the DLC layer may disappear due to wear in a short time. Accordingly, it is preferable to set the thickness of the DLC layer to 1 to 10 ⁇ m.
  • the coil spring of the present invention when the MoS 2 layer is used as the wear resistant layer, hysteresis loss inside the clutch unit can be reduced.
  • an electroless NiP layer, a DLC layer, or a TiN layer when used, it is possible to reduce the hysteresis loss inside the clutch unit and to improve the wear resistance.
  • FIG. 1A and 1B show a schematic configuration of a clutch unit provided with a specific example of a coil spring, in which FIG. 1A is a cross-sectional view taken along line 1A-1A in FIG. 2B, and FIG. 1A and 1B show a schematic configuration of a clutch unit provided with a specific example of a coil spring, in which FIG. 1A is a cross-sectional view taken along line 1A-1A in FIG. 2B, and FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a state in which the engine side drive shaft is twisted at a predetermined twist angle ⁇ in the clutch unit illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view taken along line 1A-1A in FIG. 2B
  • FIG. 1A and 1B show a schematic configuration of a clutch unit provided with a specific example of a coil spring
  • FIG. 1A is a cross-sectional view taken along line 1A-1A in FIG. 2B
  • FIG. FIG. 2 is a cross-
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in which the engine side drive shaft is twisted at a predetermined twist angle ⁇ in the clutch unit shown in FIG. 2.
  • FIG. 5 is a torque diagram showing the relationship between the twist angle ⁇ of the arc spring and the coil spring shown in FIGS. 3 and 4 and the output torque Tb.
  • an experimental example of an arc spring having a DLC layer formed on its surface and a comparative experimental example of an arc spring using spring steel as a material are used in the clutch unit 1 shown in FIG.
  • (A) is a graph showing the relationship between the torsion angle ⁇ and the output torque Tb
  • (B) is the torsion of the experimental example and the comparative experimental example when the friction coefficient ⁇ varies.
  • the arc spring according to the first embodiment is a form suitable for application to the arc spring 41 of the clutch unit 1 shown in FIGS.
  • the arc spring 41 can set the bending angle ⁇ to be larger from the shape thereof, so that a large deflection amount can be obtained. Accordingly, the torsion angle ⁇ can be set large, so that it is often used in the clutch unit.
  • a DLC layer (diamond-like carbon layer) is formed on the surface of the arc spring 41 as a wear-resistant layer by performing DLC treatment (diamond-like carbon treatment) on the surface of the arc spring 41.
  • the friction torque Tm increases.
  • the friction coefficient ⁇ due to sliding with the clutch unit 1 is about 0.15.
  • the friction coefficient ⁇ on the surface of the arc spring 41 is about 0.1. .
  • the output torque Tb and the torque transmission efficiency ⁇ increase due to the decrease in the friction coefficient ⁇ in the relational expression P, and the friction torque Tm decreases.
  • the bending angle ⁇ of the arc spring was set to 120 degrees.
  • FIG. 6B is a graph showing the relationship between the torsion angle ⁇ and the output torque Tb in the experimental example and the comparative experimental example when the friction coefficient ⁇ varies.
  • FIG. 6B is an enlarged graph of a region where the twist angle ⁇ is around 20 degrees.
  • the thin broken lines located above and below the torque lines of the experimental example and the comparative experimental example are the upper and lower fluctuation lines of the experimental example and the comparative experimental example, and the figure shows the fluctuation of the output torque Tb between them. The width is shown.
  • a predetermined tolerance of the output torque Tb is required for a specific torsion angle ⁇ regardless of the bending angle ⁇ .
  • the tolerance of the output torque Tb varies depending on the model, it is generally about ⁇ 10% of the output torque Tb.
  • the friction torque Tm is generated, and the friction torque Tm varies and fluctuates.
  • the output torque Tb is affected.
  • the fluctuation of the output torque Tb due to the fluctuation of the friction torque Tm consumes the torque tolerance, and the torque tolerance as a single spring is substantially compressed.
  • the spring constant needs to be adjusted in order to set the output torque Tb at the center of the tolerance.
  • FIG. 8 is a graph showing the variation rate of the output torque Tb or the torque transmission efficiency ⁇ accompanying the variation of the friction coefficient ⁇ when the variation range of the friction coefficient ⁇ is set to about ⁇ 20%.
  • the torque transmission efficiency ⁇ exceeds ⁇ 2% when the bending angle ⁇ indicates about 38 degrees. That is, when the output torque Tb and the torque transmission efficiency ⁇ exceed the allowable fluctuation value of ⁇ 2% due to the fluctuation of the friction coefficient ⁇ , the effect of reducing the friction coefficient ⁇ by the surface treatment on the arc spring becomes effective.
  • the output torque Tb and the torque transmission efficiency ⁇ are stabilized.
  • the friction coefficient ⁇ is about 0.1 and the TiN layer (titanium nitride layer) to some extent, the MoS 2 layer whose friction coefficient ⁇ is about 0.08, the friction coefficient ⁇ is about 0.08.
  • a certain electroless NiP layer (for example, electroless Ni-P / Ni-P-PTFE) may be formed.
  • the wear-resistant layer is formed on the surface of the arc spring 41 as described above. By forming, slipperiness can be improved, so that hysteresis loss inside the clutch unit 1 can be reduced.
  • the second embodiment of the present invention is a form suitable for application to the coil spring 42 of the clutch unit 2 shown in FIGS.
  • a DLC layer or a DLC / STAR process is performed on the surface of the coil spring 42 to form a DLC layer on the surface of the coil spring 42.
  • a CrN layer 54 (chrome nitride layer 54) and a DLC layer 55 are formed in order from the surface of the spring main body 53 having the spring base material 51 and the reinforcing layer 52.
  • the DLC / STAR process is different from the DLC process in which the CrN layer is not formed in that the CrN layer is formed.
  • the CrN layer 54 is very hard (Hv 3000 or more) and has high adhesion to the reinforcing layer 52.
  • the concave portion of the concavo-convex structure on the surface of the reinforcing layer 52 is filled, and the smoothness of the surface of the coil spring 42 is improved.
  • the coil spring 42 in the clutch unit 2 has a problem of wear due to contact between the wires, but in the second embodiment, a DLC layer is formed on the surface of the coil spring 42 to improve the wear resistance. Since the wear resistance is remarkably improved, the amount of wear can be reduced as compared with the case where the DLC layer is not formed on the reinforcing layer 51.
  • the wear resistance is improved as compared with the MoS 2 layer and the electroless NiP layer which are about Hv 1000, and as a result, durability against contact between lines is improved. Can be improved.
  • the wrinkles on the surface of the reinforcing layer 52 are filled by the DLC / STAR process, not only the wear resistance can be improved, but also the notch sensitivity which is a problem of the high-strength spring can be blunted.
  • the layer thickness of the DLC layer to 1 to 10 ⁇ m, it is possible to prevent the DLC layer from disappearing due to wear and to prevent the occurrence of cracks in the DLC layer.
  • a MoS 2 layer, an electroless NiP layer, or a TiN layer may be formed.
  • FIG. 10 shows a mode in which the spring 61 is arranged inside the spring 62.
  • the wear at the time of mutual contact can be reduced by forming a DLC layer in the springs 61 and 62 surface.
  • the contact resistance between the wires can be reduced, so that the load-deflection characteristics of the spring can be improved.

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Abstract

　相手部材との摩擦抵抗によるヒステリシス損失の低減を図ることができ、線同士の接触に対する耐久性を向上させる。クラッチユニット１内にアークスプリング４１が配置されている。ヒステリシス損失の低減を図るために、アークスプリング４１の表面には、摩擦係数μが０.１５未満、硬度がＨｖ１０００以上となる耐摩耗層を形成している。耐摩耗層は、ＭｏＳ２層(二硫化モリブデン層)、無電解ＮｉＰ層(無電解ニッケルリン層)、ＤＬＣ層(ダイヤモンドライクカーボン層)、あるいは、ＴｉＮ層(窒化チタン層)である。ＭｏＳ２層を用いる場合以外には、耐摩耗性の向上も図ることができる。特に、ＤＬＣ層の場合、その硬度はＨｖ３０００程度であるから、高耐摩耗性が要求される図２に示すコイルスプリング表面にＤＬＣ層を形成することは好適である。

Description

コイルスプリング
　本発明は、ダンパ装置に用いられるコイルスプリングに係り、特に、コイルスプリングへの表面処理技術の改良に関する。
　クラッチユニット、ロックアップ、フライホイール等のダンパ装置には、コイルスプリングが用いられている（たとえば特許文献１～３）。たとえばクラッチユニットでは、ハブとプレートとの間にアークスプリングが設けられ、クラッチ締結時にコイルスプリングがエンジン側から変速機側へトルクを伝達するとともに、そのときに生じる衝撃を吸収している。アークスプリングは、円弧状に曲げられた圧縮コイルスプリングである。
特開平５－１７２１８４号公報 特開昭６３－１４９４４７号公報 特開平８－１０５５０８号公報 特許３９９８７３３号
　しかしながら、クラッチユニット等のダンパ装置内部でアークスプリングを使用すると次のような問題があった。
　アークスプリングがダンパ装置内部で相手部材と接触摺動することにより、摩擦損失が発生し、その摩擦損失がトルク伝達特性に影響を与える。このため、そのような内部ヒステリシス損失（おもに相手部材との接触摺動による摩擦抵抗分）をスプリング単体の荷重公差分として圧縮する必要があるから、製造が困難であった。
　また、アークスプリングでは、その表面に発生する高応力への耐久性向上を図るために、材料の開発や表面改質(おもにショットピーニングや窒化処理)等を行っている（たとえば特許文献４）。ところが、ばねの線同士の間隔が狭く設定されている場合や、線同士が略密着状態で使用される場合、強振動下で使用する場合等、伸縮の繰り返しにより、線同士の接触が発生しやすい。また、線同士の接触が強い場合には、線同士の接触磨耗により線の一部が減肉し、線の断面形状が小さくなる。
　これらの場合、スプリングの表面に形成した強化層(表面改質層)が消滅するため、ばねの耐久性が著しく低下し、早期折損に至る虞がある。このため、線間の間隔を大きく設定することにより、線間接触の発生の抑制を図る必要があった。
　したがって、本発明は、相手部材との摩擦抵抗によるヒステリシス損失の低減を図ることができ、かつ線同士の接触に対する耐久性を向上させることができるコイルスプリングを提供することを目的とする。
　本発明者は、以上のような各目的を実現するために、次のような検討を行った。図１，２は、本発明者による検討内容を説明するために用いるコイルスプリング４１，４２の具体例が設けられたクラッチユニット１，２の概略構成を表し、（Ａ）は駆動シャフトの軸線に垂直な方向の断面図、（Ｂ）は駆動シャフトの軸線に平行な方向の断面図である。クラッチユニット１，２は、コイルばね４１，４２の形態が異なる以外は、同様な構成を有するから、同様な構成には同符号を付している。以下の説明では、本発明のコイルスプリングをクラッチユニットに適用した例を用いているが、本発明のコイルスプリングは、クラッチユニットだけでなく、ロックアップ、フライホイール等のダンパ装置（機構）に適用することができるのは言うまでもない。
　クラッチユニット１，２のそれぞれは、１対のプレート１１，１２と、ハブ２１とを備えている。プレート１１，１２は、互いに対向するとともにピン３３で連結されている。エンジン側プレート１１にはエンジン側駆動シャフト３１が接続されている。ハブ２１は、プレート１１，１２の間に配置されている。ハブ２１には変速機側駆動シャフト３２に接続されている。プレート１１，１２とハブ２１との間には、コイルスプリング４１，４２が設けられている。具体的には、プレート１１，１２には凹部１１Ａ，１２Ａが形成され、ハブ２１には凹部１１Ａ，１２Ａに対向する位置に開口部２１Ａが形成され、凹部１１Ａ，１２Ａおよび開口部２１Ａにコイルスプリングが配置されている。
　図１に示すクラッチユニット１では、コイルスプリングとして、アークスプリング４１が設けられている。アークスプリング４１は、円弧状に曲げられた圧縮コイルスプリングである。アークスプリング４１はクラッチユニット１内部で所定の曲げ角度α（＞０）で設置されている。図２に示すクラッチユニット２では、コイルスプリングとして、直線状に配置されたコイルスプリング４２が設けられている。コイルスプリング４２はクラッチユニット２内部で曲げられていないから、曲げ角度αは０度である。クラッチユニット１，２では、クラッチ締結時にコイルスプリング４１，４２がエンジン側から変速機側へトルクを伝達するとともに、そのときに生じる衝撃を吸収している。
（１）従来技術の問題点の検討
（Ａ）相手部材との摩擦抵抗によるヒステリシス損失について
　図１に示すクラッチユニット１では、図３に示すようにエンジン側駆動シャフト３１をねじり角度θでねじった場合、アークスプリング４１の入力端部４１Ａに入力トルクＴａが作用し、アークスプリング４１の出力端部４１Ｂに出力トルクＴｂが作用する。
　図５は、アークスプリング４１およびコイルスプリング４２のねじり角度θと出力トルクＴｂとの関係を表すトルク線図である。図５では、矢印Ｓｐ，Ｓｑは、θが大きくなる方向（行き）を示し、太字矢印Ｒｐ，Ｒｑは、θが小さくなる方向（帰り）を示しており、下記の説明では、その方向について明記がない限り、太字矢印（帰り）側の線を用いている。
　アークスプリング４１は、図３に示すようにクラッチユニット１の壁部に向けて押圧されるようにして、そこに接触しながらたわみ、その壁部にはアークスプリング４１の各線に垂直な接触力ΔＦが作用する。力ΔＦは、場所により異なり、概ね図３に示すような分布を示す。接触力ΔＦ、および、アークスプリング４１の線とクラッチユニット１の壁部との摩擦係数μによってΔＴｍが生じ、その総和として摩擦トルクＴｍが生じる。このようなクラッチユニット１のアークスプリング４１では、図５に示すトルク線Ｑが得られる。
　一方、図２に示すクラッチユニット２のコイルスプリング４２では、アークスプリング４１とは異なり、図４に示すように曲げ角度は０度であるから、クラッチユニット２の壁部との接触による摩擦損失を無視することができる（すなわち、Ｔａ＝Ｔｂ，Ｔｍ≒０）。これにより、エンジン側駆動シャフト３１をねじり角度θでねじった場合、図５に示すトルク線Ｐが得られる。
　クラッチユニット１内部のアークスプリング４１では、図５に示すトルク線Ｐ，Ｑから判るように、入力トルクＴａ，出力トルクＴｂ，摩擦トルクＴｍの間には、Ｔａ＝Ｔｂ＋Ｔｍ（すなわち、Ｔｍ＝Ｔｂ－Ｔａ）の関係式が成立すると考えられる。なお、ｅは自然対数を示している。ここで、入力トルクＴａおよび出力トルクＴｂについて、トルク伝達効率ηという観点で見ると、下記の関係式Ｐが成立する。数１に示す関係式Ｐから判るように、出力トルクＴｂとトルク伝達効率ηは同じとして考えてよく、出力トルクＴｂが高くなると、ηはそれに比例して高くなり、摩擦トルクＴｍはその逆で低くなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　通常、クラッチユニットでは、アークスプリングの外周部との摩擦抵抗が大きいとき、トルク線図にうねりが生じたり、出力トルクＴｂが変動して、変速フィーリングや実燃費の低下等の問題が引き起こされることから、出力トルクＴｂ(＝η)には、出来るだけ大きな特性(トルク伝達効率ηが大きい)が要求されている。関係式Ｐから判るように、曲げ角度α，摩擦係数μの値が大きくなるに従い、トルク伝達効率ηは低下する。
（Ｂ）線同士の接触に対する耐久性低下について
　従来技術では、スプリングの高強度化を図るために、発生応力が最高となる材料表面の強度を向上することが有効であることから、材料の改良（たとえば耐久限度の高い材料の使用）や表面改質（ショットピーニングや窒化処理等）を行ってきた。
　圧縮スプリングの使用では、一般的に軸線方向に荷重を作用させているが、サージングや過大荷重による過剰圧縮によって線同士の接触が繰り返し起こる。このような線同士の接触は、スプリングに偏荷重が加わる形態（たとえば図４に示すように、クラッチユニット２内部のコイルスプリング４２では、クラッチユニット２の壁部側に極端に圧縮される形態）において顕著である。
　この形態では、コイルスプリング４２のクラッチユニット２の壁部側のたわみ量が増加し、線同士が接触しやすく、しかも、過大トルクがクラッチユニットに入力したとき、コイルスプリング４２の線同士の衝撃的な接触が繰り返される。このような線同士の局部接触は、図２に示すアークスプリング４１でも発生する。
　このようなスプリングの使用により線接触を繰り返すと、線表面には磨耗(減肉)が生じる。そこで、ばね線の表面が高い応力に対して耐久性を有するように強化層(表面改質層)を形成する場合があるが、従来の強化層では、磨耗により消滅し、耐久性が著しく低下する虞があった。また、材料表面に表面改質を行い、被膜を形成する場合がある。しかしながら、表面改による従来技術の被膜は、硬度が低く、長時間の接触により摩滅するため、線表面の強化層まで磨耗が到達する虞が大きかった。このような磨耗は、強化層の硬度に反比例し、表面硬度が高くなるに従い、少なくなる傾向がある。
（２）従来技術の問題点への検討に基づく本発明による対策
　事項（Ａ）の検討から、ヒステリシス損失の低減のためには、コイルスプリングについて摩擦係数μの低い材質を用いることが好適である。通常、スプリングの材質は、ＳＷＯＳＣ－ＶやＳＷＰ等のばね用鋼であり、クラッチユニットとの摺動による摩擦係数μは０．１５程度である。したがって、コイルスプリング摩擦係数がばね用鋼よりも小さくなるように表面処理を行い、クラッチユニット内部でのヒステリシス損失を低減する。
　事項（Ｂ）の検討のように、コイルスプリングの線同士の磨耗は、強化層の硬度に反比例し、表面硬度が高くなるに従い、少なくなる傾向がある。しかしながら、ショットピーニングや窒化処理等の表面改質では、表面硬度はＨｖ８００～１０００前後までしか得られない。したがって、コイルスプリングにその表面硬度よりも高くなる表面処理を行うことにより、摩耗による耐久性低下を抑制する。
　以上のようにヒステリシス損失の低減を図るためには、摩擦係数μが０．１５未満となる耐摩耗層をコイルスプリングの表面に形成する必要がある。また、耐摩耗性の向上を図るためには、硬度がＨｖ１０００以上となる耐摩耗層をコイルスプリングの表面に形成する必要がある。本発明のコイルスプリングは、上記知見に鑑みて得られたものであり、ダンパ装置に適用されるスプリングであって、表面に耐摩耗層が形成され、耐摩耗層は、ＭｏＳ２層（二硫化モリブデン層）、無電解ＮｉＰ層（無電解ニッケルリン層）、ＤＬＣ層（ダイヤモンドライクカーボン層）、あるいは、ＴｉＮ層（窒化チタン層）であることを特徴としている。
　本発明のコイルスプリングでは、耐摩耗層としてＭｏＳ２層を用いる場合、摩擦係数が０．０８程度となり、滑り性が向上するので、クラッチユニット内部でのヒステリシス損失を低減することができる。
　また、本発明のコイルスプリングでは、耐摩耗層として無電解ＮｉＰ層を用いる場合、摩擦係数が０．０８程度となるから、ＭｏＳ２層を用いた場合と同様にクラッチユニット内部でのヒステリシス損失を低減することができることに加えて、表面硬度がＨｖ１０００以上となるので、耐摩耗性が向上し、その結果、線同士の接触に対する耐久性を向上させることができる。さらに、耐摩耗層としてＤＬＣ層あるいはＴｉＮ層を用いる場合、摩擦係数が０．１程度であり、滑り性が向上するので、クラッチユニット内部でのヒステリシス損失を低減することができる。しかも、ＴｉＮ層自体は、Ｈｖ２０００程度であり、ＤＬＣ層自体の硬度はＨｖ３０００程度であるから、ＭｏＳ２層および無電解ＮｉＰ層と比較して、耐摩耗性が向上し、その結果、線同士の接触に対する耐久性をさらに向上させることができる。
　本発明のコイルスプリングは種々の構成を用いることができる。たとえば耐摩耗層としてＤＬＣ層を用いる場合、ＤＬＣ層の層厚を１～１０μｍに設定することができる。ＤＬＣ層は硬度が極めて高いから、膜厚が１０μｍを超える場合、コイルスプリングの伸縮中にＤＬＣ層にクラックが進行し、折損に至る虞がある。ＤＬＣ層の層厚を１μｍ未満の場合、ＤＬＣ層が磨耗により短時間で消滅する虞がある。したがって、ＤＬＣ層の層厚を１～１０μｍに設定することが好適である。
　本発明のコイルスプリングによれば、耐摩耗層としてＭｏＳ２層を用いると、クラッチユニット内部でのヒステリシス損失を低減することができる。また、無電解ＮｉＰ層、ＤＬＣ層、あるいは、ＴｉＮ層を用いると、クラッチユニット内部でのヒステリシス損失を低減することができることに加えて、耐摩耗性を向上させることができることができる。
コイルスプリングの具体例が設けられたクラッチユニットの概略構成を表し、（Ａ）は（Ｂ）の１Ａ－１Ａ線断面図、（Ｂ）は（Ａ）の１Ｂ－１Ｂ線断面図である。 コイルスプリングの具体例が設けられたクラッチユニットの概略構成を表し、（Ａ）は（Ｂ）の１Ａ－１Ａ線断面図、（Ｂ）は（Ａ）の１Ｂ－１Ｂ線断面図である。 図１に示すクラッチユニットでエンジン側駆動シャフトを所定のねじり角度θでねじった状態を表す断面図である。 図２に示すクラッチユニットでエンジン側駆動シャフトを所定のねじり角度θでねじった状態を表す断面図である。 図３，４に示すアークスプリングおよびコイルスプリングのねじり角度θと出力トルクＴｂとの関係を表すトルク線図である。 本発明の第１実施形態において、ＤＬＣ層を表面に形成したアークスプリングの実験例、および、材質としてばね用鋼を用いたアークスプリングの比較実験例を、図１に示すクラッチユニット１内に用いて得られた実験結果を表し、（Ａ）は、ねじり角度θと出力トルクＴｂの関係を表すグラフ、（Ｂ）は、摩擦係数μに変動が生じたときの実験例および比較実験例のねじり角度θと出力トルクＴｂの関係を表すグラフである。 曲げ角度αとトルク伝達効率ηとの関係を表すグラフである。 摩擦係数μの変動幅は±２０％程度に設定した場合の摩擦係数μの変動に伴う出力トルクＴｂあるいはトルク伝達効率ηの変動率を表すグラフである。 本発明の第１実施形態においてＤＬＣ・ＳＴＡＲ処理を施したコイルスプリングの構成を表す断面図である。 本発明の第１，第２実施形態に係るスプリングの変形例を表す側面図である。
（１）第１実施形態
　以下、本発明の第１実施形態について、実施例を用いて説明する。第１実施形態のアークスプリングは、図１，３に示すクラッチユニット１のアークスプリング４１への適用が好適な一形態である。アークスプリング４１は、図３，４に示すコイルスプリング４２と比較して、その形状から曲げ角度αを大きく設定することができるので、大きなたわみ量を得ることができる。これにより、ねじり角度θを大きく設定することができることから、クラッチユニットによく採用されている。
　第１実施形態では、アークスプリング４１の表面にＤＬＣ処理（ダイヤモンドライクカーボン処理）を施すことにより、アークスプリング４１の表面に耐摩耗層としてＤＬＣ層（ダイヤモンドライクカーボン層）を形成している。
　アークスプリング４１の曲げ角度αを大きく設定した場合、摩擦トルクＴｍが増加する。ＳＷＯＳＣ－ＶやＳＷＰ等のばね用鋼を用いた従来のアークスプリング４１では、クラッチユニット１との摺動による摩擦係数μは０．１５程度である。ここで、アークスプリング４１の摩擦係数がばね用鋼の摩擦係数よりも小さくなるように、アークスプリング４１の表面にＤＬＣ層を形成すると、アークスプリング４１表面の摩擦係数μは０．１程度となる。この場合、上記関係式Ｐの摩擦係数μの低下により、出力トルクＴｂ，トルク伝達効率ηが増加し、摩擦トルクＴｍが低下する。
　図６（Ａ）は、ＤＬＣ層を表面に形成したアークスプリングの実験例（摩擦係数μ＝０．１）、および、材質としてばね用鋼を用いたアークスプリングの比較実験例（摩擦係数μ＝０．１５）を、図１に示すクラッチユニット１内に用いて得られたねじり角度θと出力トルクＴｂの関係を表すグラフである。実験例および比較実験例では、アークスプリングの曲げ角度αを１２０度に設定した。図６中の摩擦係数μ＝０のときのトルク線は、摩擦がないときの理論値を示している。
　図６（Ａ）から判るように、実験例（摩擦係数μ＝０．１）のトルク線は、比較実験例（摩擦係数μ＝０．１５）のトルク線と比較して、摩擦係数μの低下により、理論値（摩擦係数μ＝０）に近づいていることを確認した。
　摩擦係数μの変動幅は±２０％程度を設計時に想定している。たとえば、比較実験例（摩擦係数μ＝０．１５）の場合　０．１２～０．１８程度となる。図６（Ｂ）は、摩擦係数μに変動が生じたときの実験例および比較実験例のねじり角度θと出力トルクＴｂの関係を表すグラフである。図６（Ｂ）は、ねじり角度θが２０度付近である領域を拡大したグラフである。図６（Ｂ）では、実験例および比較実験例のトルク線の上下に位置する細い破線は、実験例および比較実験例の変動上下限線であり、図にはそれら間の出力トルクＴｂの変動幅を示している。図中の摩擦トルクＴｍの変動幅は、ねじり角度θが２０度である場合の理論値（摩擦係数μ＝０）との差である。
　図６（Ｂ）から判るように、実験例の出力トルクＴｂの変動幅は、比較実験例のものよりも小さいことを確認した。
　通常、アークスプリングをクラッチユニットに配置した場合、特定のねじり角度θに対して出力トルクＴｂの所定の公差が、曲げ角度αに関係なく要求されている。出力トルクＴｂの公差は、機種によって差はあるが、一般的に出力トルクＴｂの±１０％程度である。
　ここで、アークスプリングでは、摩擦トルクＴｍが発生し、摩擦トルクＴｍにばらつきが生じ、かつ変動することが問題となる。これにより、出力トルクＴｂが影響を受け、たとえば曲げ角度αが０度の場合と曲げ角度αが１８０度の場合では、曲げ角度αが１８０度の場合は、曲げ角度αが０度の場合と比較して、摩擦トルクＴｍの変動による出力トルクＴｂの変動がトルク公差を消費し、ばね単体としてのトルク公差が実質的に圧縮される。その結果、曲げ角度αが１８０度の場合は、出力トルクＴｂをその公差中心に設定するために、ばね定数の調整が必要になる。
　ところが、実際のアークスプリングでは図面上の各寸法や公差の規制が厳しくなる一方であるため、ばね定数を調整するための調整代はほとんどないのが現状である。実際、出力トルクＴｂの公差幅±１０％の範囲内でロット毎の出力トルクＴｂの平均値が±２％を超えると、歩留まりに大きな影響が発生する傾向があった。
　図７は、曲げ角度α（＝接触角度α）とトルク伝達効率ηとの関係を表すグラフ（数１の関係式Ｐを示すグラフ）である。図７から判るように、摩擦係数μが小さくなるに従い、トルク伝達効率ηが大きくなり、曲げ角度αが小さくなるに従い、トルク伝達効率ηが大きくなる。
　図８は、摩擦係数μの変動幅を±２０％程度に設定した場合の摩擦係数μの変動に伴う出力トルクＴｂあるいはトルク伝達効率ηの変動率を表すグラフである。図中の破線は、トルク伝達効率ηが変動許容値である２％を超えるラインに対応する曲げ角度α＝３８度を示している。図８から判るように、摩擦係数μが±２０％程度変動する場合、曲げ角度αが３８度程度を示すとき、トルク伝達効率ηが±２％を超える。すなわち、摩擦係数μの変動によって出力トルクＴｂおよびトルク伝達効率ηが変動許容値である±２％を超える場合、アークスプリングへの表面処理による摩擦係数μの低減効果が効果的になる。
　以上のような結果から、曲げ角度αが４０度以上に設定されたアークスプリング４１の摩擦係数がばね用鋼の摩擦係数（摩擦係数μ＝０．１５）よりも小さくなるように、アークスプリング４１の表面にＤＬＣ層を形成すると、出力トルクＴｂ，トルク伝達効率ηの安定化する。
　本実施形態では、耐摩耗層としてＤＬＣ層を形成した例を説明したが、これに限定されるものではない。たとえば、ＤＬＣ層の代わりに、摩擦係数μが０．１程度である程度ＴｉＮ層（窒化チタン層）や、摩擦係数μが０．０８程度であるＭｏＳ２層、摩擦係数μが０．０８程度である無電解ＮｉＰ層（たとえば無電解Ni-P/Ni-P-PTFE）を形成してもよい。
　従来技術においてクラッチユニット内でのアークスプリング４１の相手部材との摺動によるヒステリシス損失が問題となっていたが、第１実施形態では、以上のようにアークスプリング４１の表面に上記耐摩耗層を形成することにより、滑り性を向上させることができるので、クラッチユニット１内部でのヒステリシス損失を低減することができる。
（２）第２実施形態
　本発明の第２実施形態について、実施例を用いて説明する。本発明の第２実施形態は、図２，４に示すクラッチユニット２のコイルスプリング４２への適用が好適な一形態である。第２実施形態では、コイルスプリング４２の表面にＤＬＣ処理あるいはＤＬＣ・ＳＴＡＲ処理を行うことにより、コイルスプリング４２表面にＤＬＣ層を形成する。
　ＤＬＣ・ＳＴＡＲ処理では、図９に示すように、スプリング母材５１および強化層５２を有するスプリング本体部５３の表面から順にＣｒＮ層５４（クロムナイトライド層５４）およびＤＬＣ層５５を形成する。この場合、ＤＬＣ・ＳＴＡＲ処理は、ＣｒＮ層が形成される点において、ＣｒＮ層が形成されないＤＬＣ処理とは異なる。
　ＤＬＣ・ＳＴＡＲ処理では、ＣｒＮ層５４が形成されるので、非常に硬く（Ｈｖ３０００以上）、かつ強化層５２との密着性が高い。また、ＤＬＣ・ＳＴＡＲ処理では、強化層５２表面の凹凸構造の凹部が埋まり、コイルスプリング４２表面の平滑性が向上する。
　高応力が作用するばね表面では、小さな疵が起点となりそこから亀裂が拡大し、折損に至る虞があるが、第２実施形態では上記のようにＤＬＣ・ＳＴＡＲ処理により疵が埋められるから、高強度ばねの課題であった切欠き感受性を鈍化させることができる。
　従来技術においてクラッチユニット２内でのコイルスプリング４２では、その線同士の接触による摩耗が問題となっていたが、第２実施形態では、コイルスプリング４２表面にＤＬＣ層を形成することにより、耐磨耗性が顕著に向上するので、強化層５１上にＤＬＣ層を形成しない場合と比較して、磨耗量を低減することができる。
　具体的には、ＤＬＣ層自体の硬度はＨｖ３０００程度であるから、Ｈｖ１０００程度であるＭｏＳ２層および無電解ＮｉＰ層と比較して、耐摩耗性が向上し、その結果、線同士の接触に対する耐久性を向上させることができる。また、ＤＬＣ・ＳＴＡＲ処理により強化層５２表面の疵が埋められるから、耐摩耗性向上を図ることができることに加えて、高強度ばねの課題であった切欠き感受性を鈍化させることができる。特に、ＤＬＣ層の層厚を１～１０μｍに設定することにより、ＤＬＣ層の磨耗による消滅を防止することができ、かつＤＬＣ層でのクラック発生を防止することができる。なお、ＤＬＣ層５５の代わりに、ＭｏＳ２層、無電解ＮｉＰ層、あるいは、ＴｉＮ層を形成してもよい。
　以上のように本発明を第１実施形態および第２実施形態を用いて説明したが、これら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。たとえば、複数のスプリング（複数のアークスプリング４１あるいは複数のコイルスプリング４２）を用い、一方のばねの内側に他方のばねを挿入する形態を用いることができる。この場合、ばね同士の軸線を一致させる。図１０は、スプリング６２の内側にスプリング６１を配置した態様を示している。上記態様では、スプリング６１，６２表面にＤＬＣ層を形成することにより、互いの接触時の磨耗を低減することができる。また、スプリング６１，６２同士の間に所定の圧入代を設定した場合、線同士の接触抵抗を低減することができるので、ばねの荷重－たわみの特性の向上を図ることができる。
１，２…クラッチユニット、４１…アークスプリング（コイルスプリング）、４２…コイルスプリング、５５…ＤＬＣ層（耐摩耗層）、６１，６２…スプリング

Claims (3)

  1. 　ダンパ装置に適用されるコイルスプリングにおいて、
    　表面に耐摩耗層が形成され、
    　前記耐摩耗層は、ＭｏＳ２層、無電解ＮｉＰ層、ＤＬＣ層、あるいは、ＴｉＮ層であることを特徴とするコイルスプリング。
  2. 　前記ＤＬＣ層の層厚は、１～１０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のコイルスプリング。
  3. 　前記耐摩耗層は、Ｈｖが１０００以上で、かつ摩擦係数が０．１５未満であることを特徴とする請求項１または２に記載のコイルスプリング。
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