WO2011129208A1

WO2011129208A1 - ばね

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Publication number: WO2011129208A1
Application number: PCT/JP2011/058447
Authority: WO
Inventors: 典拓田島; 秀雅伊藤; 潤冨永
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2012-10-13
Also published as: JP2011220477A

Abstract

　高さを低く設定することができ、これにより設置スペースが小さな箇所に対応することができるばねを提供する。第１筒状部１１の当接部は、孔部１０Ａの径方向の内側に向かって突出する補強部２１を有しているから、第１筒状部１１における第１部材１０１側の端部の剛性を高くすることができる。第２筒状部１２の当接部は、孔部１０Ａの径方向の外側に向かって突出する補強部２２を有しているから、第２筒状部１２における第２部材１０２側の端部の剛性を高くすることができる。これにより、筒状部１１，１２の高さを低くした場合でも、荷重印加時の角部１３，１４の弾性変形の際、筒状部１１，１２における相手部材側１０１，１０２の端部の変形を防止することができる。

Description

ばね

　本発明は、相手部材から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、支持部としてコイルばねや板ばねを用いたとき、ばね定数を小さくすると、高荷重を支えるためには、大きな撓みが必要となり、ばねが大型化してしまう。

　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、高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略平坦領域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の略平坦領域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。

特開平５－１７２１７１号公報特開２００２－５４６８５号公報

　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（たとえば特開２００９－２７５７３８）。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は、皿ばねと同様の形状をなし、皿ばねとしての機能を有する。

　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筒状部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筒状部２１２が設けられている。本体部２１０と第１筒状部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筒状部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。この場合、筒状部２１１，２１２の相手部材１０１，１０２側の部分は不変形部分となるように筒状部２１１，２１２の長さを設定している。これによりばね２００では、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。その結果、ばね２００の荷重特性では、ヒステリシスが発生しない。

　しかしながら、ばね２００では、上記のように筒状部２１１，２１２の相手部材１０１，１０２側の部分を不変形部分として確保する必要があるため、筒状部２１１，２１２の高さを低くすることに限界があった。設置スペースが小さな箇所に対応するために、より好適なばねが望まれている。

　したがって、本発明は、高さを低く設定することができ、これにより設置スペースが小さな箇所に対応することができるばねを提供することを目的としている。

　本発明者は、筒状部について鋭意検討を重ねた結果、筒状部の相手部材側の端部の剛性を高めることにより、その端部の変形を防止することができるとの知見を得、筒状部の高さを低く設定した場合でも、その端部を不変形部分として確保することができることを見出し、本発明の完成に至った。

　本発明のばねは、孔部を有する本体部と、本体部の内周部および外周部のうちの少なくとも一方の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、筒状部は、本体部の周部から相手部材に向けて突出してそこに当接する当接部を備え、角部は、その角度が相手部材から加えられる押圧力に応じて変化するように弾性変形可能であり、筒状部の当接部には、孔部の径方向の内側あるいは外側に向かって突出する補強部が形成されていることを特徴としている。

　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では、筒状部の当接部が、孔部の径方向の内側あるいは外側に向かって突出する補強部を有しているから、比較例のばね２００と同様な上記効果に加えて、次のような効果を得ることができる。

　すなわち、本発明のばねでは、筒状部の当接部に設けられた補強部によって、筒状部における相手部材側の端部の剛性を高くすることができるから、筒状部の高さを低くした場合でも、荷重印加時の角部の弾性変形の際、筒状部における相手部材側の端部の変形を確実に防止することができる。具体的には、比較例のばね２００では、筒状部の高さを低くした場合には、それに応じて、筒状部の全体に対する不変形部分の占める割合が減少する。しかも、この場合、筒状部の剛性が低くなるため、荷重印加時の角部の弾性変形の影響を受けやすくなり、実質的に不変形部分の占める割合の減少が顕著になる。これに対して、本発明のばねでは、筒状部の高さを低くした場合でも、筒状部における相手部材側の端部の剛性が高くなっているから、荷重印加時の角部の弾性変形の影響を受けず、上記端部を不変形部分として確保することができる。したがって、筒状部の高さを低くした場合、筒状部の全体に対する不変形部分の占める割合は、比較例のばね２００と比較して、小さくならない。

　以上のことから本発明のばねでは、筒状部の高さを低く設定することができるので、設置スペースが小さな箇所に対応することができる。

　本発明のばねは種々の構成を用いることができる。たとえば補強部には、相手部材に固定するための固定用孔部を形成することができる。この態様では、相手部材に対する摺動を確実に防止することができるから、摺動によるヒステリシスの発生を確実に防止することができる。

　本発明のばねによれば、筒状部の高さを低くした場合でも、筒状部における相手部材側の端部の剛性が補強部により高くなっているから、その端部を不変形部分として確保することができる。その結果、筒状部の高さを低く設定することができるので、設置スペースが小さな箇所に対応することができる。

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、部材間に配置した状態にあるばねの側断面図である。図１に示す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。本発明例のばねについて、第１筒状部の高さを変化させた場合の荷重特性に関するシミュレーション結果を表すグラフである。比較例のばねについて、第１筒状部の高さを変化させた場合の荷重特性に関するシミュレーション結果を表すグラフである。（Ａ），（Ｂ）は本発明例および比較例のばねについて第１筒状部の高さを説明するための図である。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）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）は右側部分の側断面図である。

　１…ばね、１０…本体部、１０Ａ…孔部、１１…第１筒状部（筒状部）、１２…第２筒状部（筒状部）、１３…第１角部（角部）、１４…第２角部（角部）、２１，２２…補強部、２１Ａ，２２Ａ…固定用孔部、１０１…第１部材、１０２…第２部材

（１）実施形態の構成
（１－１）全体構成
　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２は、ばね１の構成を表し、（Ａ）はばね１の斜視図、（Ｂ）は、第１部材１０１と第２部材１０２との間に配置されたばね１の右側部分の側断面図である。

　ばね１は、たとえば、ばね鋼や強化材プラスチックからなる。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と第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。本体部１０は、たとえばたとえば下方に向かうに従って傾斜する略円錐形状をなしている。これにより、ばね１は、その荷重特性が、図６に示す皿ばねの特性と同様に、略平坦領域Ａを有するように非線形となる。

　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筒状部１１（筒状部）が設けられている。第１筒状部１１（筒状部）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筒状部１２（筒状部）が設けられている。第２筒状部１２の下端部は、第１部材１０２に当接する当接部である。筒状部１１，１２はたとえば円筒部である。

　第１筒状部１１の当接部は、孔部１０Ａの径方向の内側に向かって突出する補強部２１を有している。補強部２１には、第１部材１０１に固定するための固定用孔部２１Ａが形成されている。第２筒状部１２の当接部は、孔部１０Ａの径方向の外側に向かって突出する補強部２２を有している。補強部２２には、たとえば第２部材１０２に固定するための固定用孔部２２Ａが形成されている。固定用孔部２１Ａ，２２Ａにねじ手段等を設けることにより、筒状部１１，１２は、相手部材１０１，１０２に固定される。

　本体部１０と第１筒状部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筒状部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と第２部材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可能である。

　ばね１は、プレス成形により各部位を折り曲げて形成することができる。また、各部位を溶接して形成することができる。

（１－２）筒状部の機能
　荷重印加時における筒状部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、第１部材１０１と第２部材１０２の間に設置された１個のばね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２（Ｂ）と同様に、１個のばね１の右側部分のみを図示している。なお、図２では、ばね１の右側部分のみを図示し、補強部２１，２２の図示は省略している。

　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のたわ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筒状部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筒状部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筒状部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筒状部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筒状部１１の長さを適宜設定することにより、第１筒状部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筒状部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筒状部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筒状部１２の長さを適宜設定することにより、第２筒状部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、筒状部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
　ばね１の動作について図面を参照して説明する。ばね１では、第１角部１３の弾性変形時、第１筒状部１１が第１部材１０１側の不変形部分（図２（Ｂ）中の点Ｓより上側）を有するとともに、第２角部１４の弾性変形時、第２筒状部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。

　ここで、第１筒状部１１の当接部は、孔部１０Ａの径方向の内側に向かって突出する補強部２１を有しているから、第１筒状部１１における第１部材１０１側の端部の剛性を高くすることができる。第２筒状部１２の当接部は、孔部１０Ａの径方向の外側に向かって突出する補強部２２を有しているから、第２筒状部１２における第２部材１０２側の端部の剛性を高くすることができる。これにより、筒状部１１，１２の高さを低くした場合でも、荷重印加時の角部１３，１４の弾性変形の際、筒状部１１，１２における相手部材側１０１，１０２の端部の変形を防止することができる。

　図３は、本発明例のばね（ばね１の具体例）について、図５（Ａ）に示す第１筒状部１１の高さを２．８ｍｍ、１．０ｍｍ、０．１ｍｍに設定した各態様での荷重特性に関するシミュレーション結果を表すグラフである。図４は、比較例のばね２００について、図５（Ｂ）に示す第１筒状部２１１の高さを２．８ｍｍ、１．０ｍｍ、０．１ｍｍに設定した各態様での荷重特性に関するシミュレーション結果を表すグラフである。なお、本発明例のばね１の第１筒状部１１の高さは、図５（Ａ）に示すように第１筒状部１１の直線状部の高さｔとし、比較例のばね２００の第１筒状部２１１の高さは、図５（Ｂ）に示すように第１筒状部１１の直線状部の高さｔとした。

　本発明例のばねでは、第１筒状部１１に補強部２１を設け、第２筒状部１２に補強部２２を設けず、補強部２１には固定用孔部２１Ａを形成しない（すなわち、第１筒状部１１の開口部を閉塞した）ばねを用いた。本発明例のばねは、第１筒状部１１に補強部２１に設けた以外は、比較例のばね２００と同様の構成とした。すなわち、本発明例のばねおよび比較例のばね２００について、材質、板厚（＝０．４ｍｍ）、本体部の高さ（＝３．１７ｍｍ）、本体部の内径（＝１３ｍｍ、第１筒状部の開口部の径）、本体部の外径（＝４７ｍｍ、第２筒状部の開口部の径）、および、第２筒状部の高さ（＝５．２ｍｍ）は同じものとした。

　図４から判るように、比較例では、第１筒状部の高さが２．８ｍｍのばねと１．０ｍｍのばねは略同等な荷重特性が得られたが、第１筒状部の高さが０．１ｍｍのばねの荷重特性では、発生荷重が大幅に減少するとともに、ヒステリシスが発生した。その理由としては、比較例のばねでは、第１筒状部の剛性が低くなり、不変形部分が確保されなかったためであると考えられる。これに対して、図３から判るように、本発明例のばねでは、第１筒状部の高さが２．８ｍｍのばね、１．０ｍｍのばね、０．１ｍｍのばねの全てについて、発生荷重が略同等で、かつヒステリシスが発生しなく、略同等な荷重特性が得られた。その理由としては、本発明例のばねでは、第１筒状部における相手部材側の端部の剛性が補強部により高くなっているから、筒状部の高さを低くした場合でも、その端部が不変形部分として確保されていたからであると考えられる。

　以上のように本実施形態では、筒状部１１，１２の当接部に設けられた補強部２１，２２によって、筒状部１１，１２における相手部材１０１，１０２側の端部の剛性が高くなっているから、筒状部１１，１２の高さを低くした場合でも、その端部を不変形部分として確保することができる。したがって、筒状部１１，１２の高さを低く設定することができるので、設置スペースが小さな箇所に対応することができる。

（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。

　本発明の本体部は、たとえば、外周部から内周部に向かって下方に傾斜する円錐状、Ｓ字状や、階段状、平坦状をなすことができる。筒状部は、筒状であればよく、その断面形状は多角形でもよく、その側断面形状は、曲線状でもよい。また、本体部１０および筒状部１１，１２には、軽量化のためにスリットを形成することができる。

　上記実施形態では、第１筒状部１１を第１部材１０１に向けて突出させてそこに当接させ、かつ第２筒状部１２を第２部材１０２に当接させたが、第１筒状部１１を第２部材１０２向けて突出させてそこに当接させ、第２筒状部１２を第１部材１１に向けて突出させてそこに当接させてもよい。さらに、第１角部１３および第２角部１４の形状は、図示の形状に限定されるものではなく、曲面形状等の種々の形状に変更可能である。

　また、第１筒状部１１および第２筒状部１２を本体部１０の内周部および外周部に形成したが、第１筒状部１１および第２筒状部１２のいずれか一方のみに形成してもよい。さらに、固定用孔部２１Ａ，２２Ａを設けてねじ手段等により固定する代わりに、溶接によって補強部２１，２２を相手部材１０１，１０２に固定してもよい。補強部２１，２２の突出方向は、種々の変形が可能であり、たとえば補強部２１は、孔部１０Ａの径方向の外側に向かって突出し、補強部２２は、孔部１０Ａの径方向の内側に向かって突出することができる。

Claims

　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のうちの少なくとも一方の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、
　前記筒状部は、前記本体部の前記周部から相手部材に向けて突出してそこに当接する当接部を備え、
　前記角部は、その角度が前記相手部材から加えられる押圧力に応じて変化するように弾性変形可能であり、
　前記筒状部の前記当接部には、前記孔部の径方向の内側あるいは外側に向かって突出する補強部が形成されていることを特徴とするばね。
　前記当接部は、前記押圧力が変化しても、前記相手部材に対して摺動しないことを特徴とする請求項１に記載のばね。
　前記補強部には、前記相手部材に固定するための固定用孔部が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のばね。