JP5383372B2 - コイルばね - Google Patents

Description

本発明は、ねじりダンパ用のトーション・スプリング、バルブ・スプリング、リターン・スプリング、サスペンション・スプリング、ダイ・スプリング等に供されるコイルばねに関する。

従来、例えばクラッチ・ディスクに使用されているトーション・スプリング等において、コイル形状に巻かれるばね素線の円形断面の外周形状に成形当接面として扁平面を設けたものがある。

このコイルばねは、コイル形状が密着状態若しくはロック状態になるまでばねに負荷がかかると、扁平面が隣接するコイル部分に当接して負荷を安定して受け、コイル径方向へのずれを抑制することができる。

しかし、一般にコイルばねは、ばね素線のコイル形状に対して内径側となる部分（コイル内径側部分）の応力が、同外径側となる部分（コイル外径側部分）よりも高くなる。さらに、前記扁平面を設けることによる断面の扁平率が変化し、前記応力の偏りと併せ、ばね素線の断面周方向の応力の分散状態が影響を受ける。

一方、ばね素線に扁平面を設けた場合、その断面形状の扁平率が小さくなれば、扁平面が当接するときのコイル軸線方向の密着長を短くすることができ、ストロークの長い低剛性のばねを設計する上で有利でもある。

従って、断面の扁平率をどの程度に設定するかは、応力の分散状態を良好としつつ有利な設計をする上で重要な要素となる。

この扁平率に関し、従来０．８５〜０．９８に設定することが示されている。

しかし、かかる扁平率の範囲では、断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねに比較して有利な設計をする上で限界があり、さらなる改善が求められていた。

特開平６−３０００６５号公報

解決しようとする問題点は、断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねに比較して有利な設計をする上で限界があった点である。

本発明は、断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねに比較して有利な設計を可能とするために、コイル形状に巻かれるばね素線の断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねにおいて、前記ばね素線における断面外周形状のコイル内外径側部分間に、コイル軸線方向に隣接するコイル部分が当接して安定可能な成形当接面を設け、前記成形当接面を有した断面外周形状につきコイル軸線方向の扁平率を０．３２≦Ｔ／Ｗ≦０．８３とし、断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねの応力比と同等以下の応力比となるように設定し、前記成形当接面は、扁平面に成形され、前記成形当接面を、前記ばね素線における断面形状のコイル軸線方向両側に設け、前記コイル形状のコイル軸線が直線形状であり、前記成形当接面は、前記コイル軸線にほぼ直交するように形成され、前記コイル形状は、コイルの内径、ばね定数、応力比を一定としたとき、座面研磨なしとしながら又は通常研磨品よりも座面の研磨代を少なくしながら、通常研磨品と同一の密着高さとなる総巻数と扁平率との関係のラインよりも扁平率が小さくなる領域内の総巻数を有することを最も主要な特徴とする。

本発明は、コイル形状に巻かれるばね素線の断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねにおいて、前記ばね素線における断面外周形状のコイル内外径側部分間に、コイル軸線方向に隣接するコイル部分が当接して安定可能な成形当接面を設け、前記成形当接面を有した断面外周形状につきコイル軸線方向の扁平率を０．３２≦Ｔ／Ｗ≦０．８３とし、断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねの応力比と同等以下の応力比となるように設定し、前記成形当接面は、扁平面に成形され、前記成形当接面を、前記ばね素線における断面形状のコイル軸線方向両側に設け、前記コイル形状のコイル軸線が直線形状であり、前記成形当接面は、前記コイル軸線にほぼ直交するように形成され、前記コイル形状は、コイルの内径、ばね定数、応力比を一定としたとき、座面研磨なしとしながら又は通常研磨品よりも座面の研磨代を少なくしながら、通常研磨品と同一の密着高さとなる総巻数と扁平率との関係のラインよりも扁平率が小さくなる領域内の総巻数を有する。

このため、扁平面のない円形断面と同等かそれよりも応力が下がり、有利な設計ができる。

コイルばねの正面図である。（実施例１） コイル形状内径側の要部拡大断面図である。（実施例１） ばね素線の拡大断面図である。（実施例１） 有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した説明図である。（実施例１） 有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した説明図である。（比較例） 扁平率及び応力比の関係を示したグラフである。（実施例１） 扁平率及び密着高さ比の関係を示し、（ａ）は、Ｄ／Ｗ＝３、（ｂ）は、Ｄ／Ｗ＝５、（ｃ）は、Ｄ／Ｗ＝７のグラフである。（実施例１） 扁平率及び応力比の関係を示したグラフである。（実施例１） 扁平率及び密着高さ比の関係を示したグラフである。（実施例１） 扁平面を有するコイルばねに係り、（ａ）が倒れなし、（ｂ）が倒れ有りの一部断面図である。（実施例１） 倒れの有無を示すグラフである。（実施例１）

応力の分散状態をより良好としつつより有利な設計を可能とするという目的を、成形当接面を有した断面外周形状のコイル軸線方向の扁平率をＴ／Ｗ＝０．８３〜０．３２とすることで実現した。

［コイルばね（トーション・スプリング）］
図１は、本発明実施例１に係るコイルばねの正面図、図２は、コイル形状内径側の要部拡大断面図、図３は、ばね素線の拡大断面図である。

図１のコイルばね１は、例えばデュアルマス・フライ・ホイール又はトルクコンバーター用ロック・アップ又は湿式或いは乾式のクラッチ機構用（として設計された）フリクションディスクのねじりダンパ（捩り振動減衰器）内に組付けられるトーション・スプリングであり、ばね素線３が、コイル形状に巻かれたものである。このコイルばね１は、自由状態でコイル軸線４が円弧形状であり、この円弧形状は、組付け状態での曲率半径Ｒを有している。

なお、ばね素線３によるコイル形状は、コイル軸線が自由状態で直線形状又は組み付け状態での曲率半径Ｒと異なる形状とし、組み付けにより組付け状態での曲率半径Ｒを有した円弧形状にセットすることもできる。

図２，図３のように、コイルばね１のばね素線３は、断面外周基礎形状が円形形状に形成され、このばね素線３の断面外周基礎形状において円弧状のコイル内径側部分５及びコイル外径側部分７間に、成形当接面としての扁平面９，１１を設けた構成となっている。

コイル内径側部分５及びコイル外径側部分７は、断面外周基礎形状の円形形状の一部を形成する。

扁平面９，１１は、コイル軸線４方向に隣接するコイル部分が当接して安定可能な成形当接面であり、本実施例においてコイル軸線４方向両側に設けられている。

図２のように、扁平面９，１１は、コイル軸線４の曲率半径方向にほぼ沿うように形成され、ばね素線３の断面形状が楔状となるようにコイル形状の曲率中心に向けて相互に傾斜形成されている。

図３のように、扁平面９，１１の幅Ｈは、扁平率Ｔ／Ｗに依存し、本実施例では、扁平面９，１１を有した断面外周形状につきコイル軸線４方向の扁平率をＴ／Ｗ＝０．７６に設定している。

なお、Ｔは、コイル内径側部分５のコイル軸線４方向の最大厚み寸法であり、Ｗは、ばね素線３の断面外周基礎形状の直径である。

この扁平面９，１１は、扁平率Ｔ／Ｗ及び傾斜設定により、相互角度θ及び半円形状のコイル内径側部分５の最大厚み寸法Ｔを有する。相互角度θは、コイルばね１の曲率中心を中心とする。

（応力分散）
図４，図５は、有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した説明図であり、図４は本実施例、図５は比較例である。図５においては、図４と対応する構成部分に同符号にＡを付する。

図４のように、ばね素線３では、扁平面９，１１の形成及び扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６の設定により、コイル内径側部分５の応力をコイル外径側部分７側へまで連続して分散できている。図１１の例と比較して明らかなように、図４の本実施例では扁平率を適切に選択してコイル内外径側部分５，７間で応力の連続した均一な分散を確実に達成できた。これに対し、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．９２の図５の比較例では、本実施例に対しコイル内外径側部分５Ａ，７Ａ間で応力の連続した均一な分散に限界を生じている。

（扁平率、応力比）
図６は、扁平率及び応力比の関係を示したグラフである。図６では密着高さＨｓ＝２５を一定とし、扁平率Ｔ／Ｗの変化に対する応力比の変化を調べた。

扁平面のない円形断面の応力比τ／Ｐを１とした。τは、コイル最内周の最大剪断応力、Ｐは、コイルが受ける荷重である。

図６のように、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．８３以下では、応力比τ／Ｐが１以下となり、扁平面のない円形断面と同等かそれよりも応力が下がり、有利な設計ができる。

（コイルずれ）
自動車のトーション・スプリングでは、ばねが密着ないしはそれ以上の負荷を受けた時にコイルがコイル径方向にずれることを防ぐため、コイル軸方向で見て線材断面の片側ないし両側に扁平部を持たせることが行われる。

従来技術においては、ベース断面形状が円形の場合に、扁平率が大きいほうが応力的に有利であるとして扁平率を０．９８〜０．８５と規定されているが、解析的に検討した結果、設計的にはより扁平率が小さいほうが有利となることを発見した。

（実施例１の効果）
本発明実施例は、コイル形状に巻かれるばね素線３の断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばね１において、前記ばね素線３における断面外周形状のコイル内外径側部分５，７間に、コイル軸線４方向に隣接するコイル部分が当接して安定可能な扁平面９，１１を設け、前記扁平面９，１１を有した断面外周形状につきコイル軸線方向の扁平率Ｔ／Ｗを、断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねの応力比と同等以下の応力比となるように設定した。

このため、扁平面のない円形断面と同等かそれよりも応力が下がり、有利な設計ができる。

扁平面９，１１により密着状態で負荷を安定して受けさせると共に、密着長をより短くし、ストロークのより長い低剛性のばねを設計する上でより有利となり、且つ断面外周形状の周方向でのより良好な応力分散により応力分布の均一性をより向上させることができる。

すなわち、トーション・スプリングに必要とされる長いストロークで低剛性のばねを設計する上で十分な品質を得ることが容易となる。

扁平面９，１１を、ばね素線３における断面形状のコイル軸線４方向両側に設けたため、コイル密着状態でのコイル軸線４方向の負荷を確実に受けることができ、コイル径方向へのずれを確実に抑制することができる。

コイル形状のコイル軸線４が円弧形状であり、扁平面９，１１は、コイル軸線４の曲率半径方向にほぼ沿うように形成されたため、コイル軸線４が円弧形状の場合であっても、コイル軸線４方向の負荷を確実に受けることができ、コイル径方向へのずれを確実に抑制することができる。

ばね素線３のコイル形状は、自由状態でコイル軸線４が円弧形状である場合は、コイル軸線４を円弧形状に組み付けることが容易となり、且つ扁平面９，１１をコイル軸線４の円弧形状に応じて容易に設定することができる。

ばね素線３のコイル形状のコイル軸線４が、自由状態で直線形状又は組み付け状態での曲率半径と異なる形状とし組み付けにより組付け状態での曲率半径Ｒを有した円弧形状となる場合は、組付け前のコイル軸線４を直線状又はこれに近い形状にすることができ部品管理等を容易にすることができる。

コイルばね１は、デュアルマス・フライ・ホイール又はトルクコンバーター用ロック・アップ又は湿式或いは乾式のクラッチ機構用（として設計された）フリクションディスクのねじりダンパ（捩り振動減衰器）内に組付けられ、長いストロークで低剛性のコイルばねを容易に用いることができる。

また、このことよりエンジン・システムに組み込まれるねじりダンパ（捩り振動減衰器）に求められる動的状態でのフィルタ機能、つまり音や振動の減衰機能を容易に向上させることができる。

（その他）
成形当接面は、完全な扁平面９，１１に限らず、多少の凸面又は凹面で形成することもできる。また、成形当接面は、ばね素線３のコイル軸線４方向一方側が多少の凸面、同他側が多少の凹面等に形成することもできる。

扁平面９，１１の傾斜は、コイル軸線４の円弧形状の曲率半径Ｒ方向に対して多少ずれるように形成することもできる。
［コイルばね全般］
上記内容において、扁平面を設けること、扁平率Ｔ／Ｗを、断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねの応力比と同等以下の応力比となるように設定すること等、トーション・スプリングに限られない事項は、コイルばね全般に適用でき、扁平面のない円形断面よりも応力が下がり、有利な設計ができる等の効果がある。

また、コイル形状のコイル軸線４が直線形状であるような形態にも適用することができる。この場合、扁平面９，１１を、コイル軸線にほぼ直交するように形成することができる。

さらに、コイルばね全般について、以下のことも述べることができる。

（密着高さ比）
図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、扁平率及び密着高さ比の関係を示したグラフである。図７（ａ），（ｂ），（ｃ）では、応力比τ／Ｐを一定とし、ばね指数Ｄ／Ｗ＝３，５，７の実施例に係る結果を示している。

図７（ａ），（ｂ），（ｃ）のように、ばね指数Ｄ／Ｗ＝３，５，７の何れにおいても、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．３２以上であれば多くの仕様のコイルばねにおいて応力が低くかつ密着高さも低くすることができる。

（座面研磨レス）
ばね素線３の断面外周基礎形状が円形で、この断面をベースとして、断面には、座面に代わるものとしてコイル軸方向で見て両側に扁平部９を有している。

この扁平部９は、コイルばね１成形時にコイル両端部においてコイル軸にほぼ垂直になるように成形され座面となる。このため、座面研磨工程が不要となる。

このとき、コイルばね１の仕様により扁平率を選択すると、従来の円形断面と同等またはより有利な設計が可能となる。

図８は、コイル径、ばね定数、応力比τ／Ｐを一定としたとき、座面研磨なしで円形断面の通常研磨品と同一の密着高さとなるコイル総巻数と素線断面扁平率との関係である。

図のラインから下（扁平率が小さい方）の領域で従来の円形断面と同等又はより有利な設計が可能となる。このラインは以下の式で表される。

Ｙ＝−0.0000023837×Ｘ^４＋0.0002456386×Ｘ^３−0.0090929958×Ｘ^２＋0.147730555×Ｘ＋0.0180485763
ここに、
Ｙ：扁平率
Ｘ：総巻数
自動車のＡＴやＣＶＴ用のリターンスプリング、ねじりダンパー用のトーション・スプリングやエンジン用のバルブ・スプリング等は、線形が比較的太くコイル径が比較的大きく作動荷重が高いため、コイル総巻数が概ね11.2巻き以下である。また、線形が太くコイル径が大きいため、研磨工程廃止による研磨時間、研磨量削減効果が大きい。

よって、総巻数11.2巻き以下のスプリングに対し上記ラインより下の範囲の扁平率の素線断面形状を使用することにより、研磨工程を廃止かつ従来の円形断面と同等以上の性能を得ることができる。

（座面研磨量低減）
従来の円形断面と同等またはより有利な設計で、且つ研磨時間・研磨量低減を目的とし、従来よりも研磨代が少なくなるような扁平率を選択して実施することもできる。

通常、コイルばねは、使用時にばねを安定させるために研磨代が0.75巻き程度となるように研磨する。これを0.5巻き以下とすることで研磨時間・研磨量を低減する。

図９は、コイル内径、ばね定数、応力比τ／Ｐを一定としたとき、座面研磨代0.5巻きで円形断面の通常研磨品と同一の密着高さとなるコイル総巻数と素線断面扁平率との関係である。

図９の破線ラインから下（扁平率が小さい方）の領域で従来の円形断面と同等又はより有利な設計が可能となる。このラインは以下の式で表される。

Ｙ＝−0.0000065161×Ｘ^４＋0.0004455905×Ｘ^３−0.0110490116×Ｘ^２＋0.1189494097×Ｘ＋0.4928257777
ここに、
Ｙ：扁平率
Ｘ：総巻数
（コイリング時の倒れ）
図１０は、扁平面を有するコイルばねに係り、（ａ）が倒れなし、（ｂ）が倒れ有りの一部断面図、図１１は、倒れの有無を示すグラフである。

断面が扁平になっている線材をコイリングすると断面が図１０（ａ）に対し図１０（ｂ）のように倒れることがある。この倒れは、コイルばねの密着高さや応力を高くしてカット断面の設計的な優位性を損なうため、倒れないことが望ましい。

コイリング時のこの倒れは、
Ｔ／Ｗ：小→倒れ：大
Ｄ／Ｗ：小→倒れ：大
ガイドクリアランス：大→倒れ：大
の関係がある。

そこで、適正なガイドクリアランス＝０．１ｍｍでの倒れの検証をソリッドモデルによるＦＥＭ解析（コイリング・シミュレーション）にて実施した結果、図１１のように、Ｗ／Ｄ≦０．５（Ｄ／Ｗ≧２）においてＷ／Ｔ≦５（Ｔ／Ｗ≧０．２）で倒れを発生しないことが判明した。

すなわち、本発明実施例は、コイル形状に巻かれるばね素線３の断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばね１において、前記ばね素線３における断面外周形状のコイル内外径側部分５，７間に、コイル軸線４方向に隣接するコイル部分が当接して安定可能な扁平面９，１１を設け、前記扁平面９，１１を有した断面外周形状につきコイル軸線方向の扁平率を０．２≦Ｔ／Ｗ≦０．８３の範囲とした。

（座面研磨）
また、コイルばねは、使用時にばねを安定させるため端部を研磨し座面を成形する。このため研磨工程が必要となるが、この工程は時間がかかり、また、研磨かすの発生により環境に負荷を与える。特に、線形が太くコイル径がおおきいものはそれが顕著である。

これに対し、線材断面の両側に扁平部９を有することにより、従来と同等ないしは従来以上の性能を有しながら、研磨工程を廃止、または研磨時間・研磨量を削減することによりコスト低減することができ、また、研磨かす低減により環境保護にもなる。
［バルブ・スプリング］
バルブ・スプリングについては、上記の内容において、扁平面を設けること、扁平率Ｔ／Ｗを、断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねの応力比と同等以下の応力比となるように設定すること等、トーション・スプリングに限られない事項、及びコイルばね全般で述べた事項の他、さらに次のことも述べることができる。

（１巻目折損）
端末と１巻目の線間接触部分は、接触圧により高い接触応力が発生すること、また、ショットピーニングにより線表面に付与された強化層が剥落する。このため、線間の高面圧部を起点として疲労折損する。

本発明実施例では、扁平部を設けることにより線間の接触面積が増え線間の面圧の低下及び摩耗の低減が期待できるので、１巻き目折損が発生し難くなる。

（サージング低減）
バブル・スプリングは、実使用時に共振現象、いわゆるサージングにより応力が増加し、耐久性の低下を招く。このサージングを抑制するには、線間の接着離反によるサージエネルギーの吸収が有効と考えられている。

本発明実施例では、線間の接触する面積が増加することにより、吸収されるエネルギーが増加することが予想され、サージング抑制に効果がある。

（エンジン・ヘッド・コンパクト化）
ベストモードの扁平率でバルブ・スプリングに用いると密着高さが１０％以上低くできるため、エンジン・ヘッドの高さを低くすることができ、エンジンの軽量化に大きく寄与できる。これは、燃費向上となる。
［ＡＴリターン・スプリング］
ＡＴリターン・スプリングについても、扁平面を設けること、扁平率Ｔ／Ｗを、断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねの応力比と同等以下の応力比となるように設定すること等、トーション・スプリングに限られない事項、及びコイルばね全般で述べたことの他、さらに次のことも述べることができる。

ＡＴリターン・スプリングは、コイル軸方向のスペースが限られているため巻き数を少なくせざるを得ず、このため、荷重偏心が起こりピストンが斜めに押されてフリクションが発生するという問題がある。

本発明実施例では、密着高さを低くすることができることから巻き数を増やすことができるため、荷重偏心が起こり難くなる。

１ コイルばね
３ ばね素線
４ コイル軸線
５ コイル内径側部分
７ コイル外径側部分
９，１１ 扁平面（成形当接面）
Ｔ コイル内径側部分のコイル軸線方向の最大厚み寸法
Ｗ ばね素線の断面外周基礎形状の直径
Ｔ／Ｗ 扁平率

Claims (4)

1. コイル形状に巻かれるばね素線の断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねにおいて、
   前記ばね素線における断面外周形状のコイル内外径側部分間に、コイル軸線方向に隣接するコイル部分が当接して安定可能な成形当接面を設け、
   前記成形当接面を有した断面外周形状につきコイル軸線方向の扁平率を０．３２≦Ｔ／Ｗ≦０．８３とし、断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねの応力比と同等以下の応力比となるように設定し、
   前記成形当接面は、扁平面に成形され、
   前記成形当接面を、前記ばね素線における断面形状のコイル軸線方向両側に設け、
   前記コイル形状のコイル軸線が直線形状であり、
   前記成形当接面は、前記コイル軸線にほぼ直交するように形成され、
   前記コイル形状は、コイルの内径、ばね定数、応力比を一定としたとき、座面研磨なしとしながら又は通常研磨品よりも座面の研磨代を少なくしながら、通常研磨品と同一の密着高さとなる総巻数と扁平率との関係のラインよりも扁平率が小さくなる領域内の総巻数を有する、
   ことを特徴とするコイルばね。
2. コイル形状に巻かれるばね素線の断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねにおいて、
   前記ばね素線における断面外周形状のコイル内外径側部分間に、コイル軸線方向に隣接するコイル部分が当接して安定可能な成形当接面を設け、
   前記成形当接面を有した断面外周形状につきコイル軸線方向の扁平率を０．３２≦Ｔ／Ｗ≦０．８３とし、断面外周基礎形状を円形形状としたコイルばねの応力比と同等以下の応力比となるように設定し、
   前記成形当接面は、扁平面に成形され、
   前記成形当接面を、前記ばね素線における断面形状のコイル軸線方向両側に設け、
   前記コイル形状のコイル軸線が円弧形状であり、
   前記成形当接面は、前記コイル軸線の曲率半径方向にほぼ沿うように形成され、
   前記コイル形状は、コイルの内径、ばね定数、応力比を一定としたとき、座面研磨なしとしながら又は通常研磨品よりも座面の研磨代を少なくしながら、通常研磨品と同一の密着高さとなる総巻数と扁平率との関係のラインよりも扁平率が小さくなる領域内の総巻数を有する、
   ことを特徴とするコイルばね。
3. 請求項２記載のコイルばねであって、
   前記ばね素線のコイル形状は、自由状態でコイル軸線が円弧形状である、
   ことを特徴とするコイルばね。
4. 請求項２記載のコイルばねであって、
   前記ばね素線のコイル形状は、コイル軸線が自由状態で直線形状又は組み付け状態での曲率半径と異なる形状とし組み付けにより組付け状態での曲率半径を有した円弧形状となる
   ことを特徴とするコイルばね。