ばね
【課題】上方移動用および下方移動用の少なくとも一方の用途を適宜選択することができ、選択された用途でのばね定数を低値に適宜調整することができるばねを提供する。
【解決手段】本体部１０は、軸線方向断面において、内周部１０Ａと外周部１０Ｂとの間の中央部が内周部１０Ａと外周部１０Ｂとを結ぶ直線に対して凸状をなし、その凸状が曲線状をなすような形状を有する。第１フランジ部１１を上方移動させる荷重Ｐが加わると、本体部１０が弾性変形して、本体部１０の内周部１０Ａが上方に移動する。第１フランジ部１１を下方移動させる荷重Ｐが加わると、本体部１０が弾性変形して、本体部１０の内周部１０Ａが下方に移動する。ばね１の変形では、上方移動時および下方移動時のいずれのときにも、本体部１０の径方向に対して引張が加わる引張モードを示すことができ、この場合、曲げ変形をすることができる。
【解決手段】本体部１０は、軸線方向断面において、内周部１０Ａと外周部１０Ｂとの間の中央部が内周部１０Ａと外周部１０Ｂとを結ぶ直線に対して凸状をなし、その凸状が曲線状をなすような形状を有する。第１フランジ部１１を上方移動させる荷重Ｐが加わると、本体部１０が弾性変形して、本体部１０の内周部１０Ａが上方に移動する。第１フランジ部１１を下方移動させる荷重Ｐが加わると、本体部１０が弾性変形して、本体部１０の内周部１０Ａが下方に移動する。ばね１の変形では、上方移動時および下方移動時のいずれのときにも、本体部１０の径方向に対して引張が加わる引張モードを示すことができ、この場合、曲げ変形をすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動伝達の抑制に用いられるばねに係り、特に、高周波帯域での使用に好適なばねの形状の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
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おり、振動伝達の抑制技術では弾性部材が用いられている。たとえば自動車等の車両において路面からの車体への衝撃伝達を抑制する装置であるサスペンション装置では、緩衝器と車体との間に弾性部材が用いられている。
【０００３】
具体的には、サスペンション装置は、緩衝器とサスペンションスプリングを備えている。緩衝器は、車体側に連結されるピストン部と、車輪側に連結されるとともにピストン部を摺動自在に案内するシリンダ部を有している。シリンダ部は、サスペンションアーム等を介して車輪側に連結される。ピストン部は、その上端部にロッド有し、ロッドの上端部は、車体側に連結され、ロッドの下端部に弁が固定されている。ピストン部の弁は、シリンダ部内面を摺動し、ロッドは、その周囲に設けられたロッドガイド部のシールを摺動する。ピストン部およびサスペンションスプリングの上端部は、アッパシートを介して車体側に連結される。
【０００４】
緩衝器では、高周波帯域や微振幅領域の振動に対して追従できないため、それら振動に対して緩衝機能を実現することができない。たとえば、ロッドガイド部のシールとロッド間にスティックスリップが発生した場合、滑らかな動作を行うことができない。その結果、乗り心地が悪くなる。そこで、乗り心地の悪化防止のために、上記のように緩衝器と車体との間に弾性部材が設けられている。この場合、ピストン部のロッドからの車体上下方向（緩衝器の軸線方向）の振動は、弾性部材に対してせん断応力として作用することから、操縦安定性を確保する必要がある。
【０００５】
これにより、弾性部材には、緩衝器の軸線方向において高周波帯域で柔らかいばね特性を示すこと（緩衝器の軸線方向の動的ばね定数が低いこと）、および、緩衝器の軸線方向以外の方向の撓みが抑制されること（剛性が高いこと）が要求されている。
【０００６】
従来では、たとえば特許文献１に開示されているように上記弾性部材としてゴム部材が用いられていたが、ゴム部材の場合、動的ばね定数が高く、軸線垂直方向／軸線方向のばね定数比を高めるには限界があったため、上記問題を解決することができない。
【０００７】
そこで弾性部材として、動的ばね定数の低い金属ばねを用いることが考えられ、上記特性を満足することができる金属ばねには皿ばねがある（たとえば特許文献２）。皿ばねは、通常、常用荷重として所定荷重が付与された状態から上下方向に荷重が変動するような片振りでの使用形態を前提としている。皿ばねでは、高さＨと板厚ｔとの比（＝Ｈ／ｔ）を調整することにより、常用荷重時とその上下方向の微小振幅でのばね定数を低く設定することができる。
【０００８】
図３１は、皿ばね２００が第１部材１１１と第２部材１１２の間に設置されている状態を表し、（Ａ）は動作前の状態、（Ｂ）は第１部材１１１が皿ばね２００の突出方向と同方向に移動した時（上方移動時）の状態、（Ｃ）は第１部材１１１が皿ばね２００の突出方向とは逆方向に移動した時（下方移動時）の状態を表す軸線方向断面図である。なお、図３１では、皿ばね２００の右側部分を表し、皿ばね２００の突出方向は、第２部材１１２からみた方向である。皿ばね２００は、略円錐形状をなすとともに孔部２１０Ａを有する本体部２１０を備え、本体部２１０の内周部および外周部にはフランジ部２１１，２１２が形成されている。内周部側のフランジ部２１１は内周部の内側に向けて突出し、外周部側のフランジ部２１２は外周部の外側に向けて突出している。フランジ部２１１，２１２は、第１部材１１１と第２部材１１２に完全に固定されている。第１部材１１１と第２部材１１２の形状は、フランジ部２１１，２１２の形状に対応している。
【０００９】
たとえば、図３１（Ａ）に示す皿ばね２００の一例（従来例）を用い、Ｈ／ｔを７に設定して荷重を負荷した場合、図３２に示す特性が得られる。この場合、板厚ｔを０．６ｍｍ、外径φを１３１．４ｍｍ、内径φを２８．８ｍｍ、外周部のフランジ部２１２の外径φを１６１．４ｍｍ、内周部２１１のフランジ部の内径φを１３ｍｍに設定している。なお、本願では、荷重たわみ特性は、有限要素法（ＦＥＭ）により得ている。また、本願では、内側は径方向中心側方向を示し、外側は径方向中心側方向とは反対の方向を示している。本願では、内径および外径等の径寸法は板厚中心での寸法とし、荷重値を示すグラフの全てにおいて、皿ばねに負荷する荷重Ｐを絶対値で示している。本願では、上方移動時のたわみ量の符号は正、下方移動時のたわみ量の符号は負で示している。図３２に示すように、１２００Ｎ±５０Ｎの荷重範囲で用いる場合、５００Ｎ／ｍｍ以下という低ばね定数で荷重を支えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許２６６２１６４号
【特許文献２】特公昭６２−３０９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
緩衝器に皿ばね２００を設ける場合、車体による荷重はサスペンションスプリングで受けられるから、皿ばね２００の初期状態は無荷重の状態である。この状態で上下方向に高荷重が加えられるから、皿ばね２００は、両振りでの使用形態となる。両振りでの使用形態では、皿ばね２００にフランジ部２１１，２１２を設けることは必須となる。
【００１２】
皿ばね２００では、図３１（Ｂ）に示すように、第１部材１１１の上方移動に伴って第１フランジ部１１が上方移動した時、図の矢印で示すように、本体部２１０は径方向に引張が加わる引張モードとなる。これに対して、図３１（Ｃ）に示すように、第１部材１１１の下方移動に伴って第１フランジ部２１１が下方移動した時、図の矢印で示すように、本体部２１０は径方向に圧縮が加わる圧縮モードとなる。
【００１３】
図３３は、上記従来例においてＨ／ｔを変更して得られた特性を表すグラフである。なお、この場合、Ｈ／ｔ以外のサイズおよび相手部材は変更していない。図３３に示すように、Ｈ／ｔを小さく設定することにより、圧縮モードでのばね定数を低く設定することができるが、上方移動時の引張モードでのばね定数は、Ｈ／ｔを調整しても、下方移動時の圧縮モードでのばね定数と同程度に低く設定することができず、圧縮モードでのばね定数とは顕著に異なる。そのため、皿ばね２００は、上方移動用のばねとして使用することができない。
【００１４】
また、下方移動時の圧縮モードでの荷重たわみ線図では、Ｈ／ｔを大きく設定した場合、所定のたわみ量以上で荷重Ｐの絶対値の変化が単調増加から減少へと移行する。この場合、荷重たわみ線図での荷重の絶対値のピークよりも大きい荷重Ｐを負荷した後に荷重Ｐを除いても、本体部２１０は、元の形状に戻ることができず、変形状態のままとなる。そのため、皿ばね２００は、下方移動用のばねとして使用する場合、ばね定数を低値に設定することができるが、荷重に応じてＨ／ｔを選択することが制限されるため、ばね定数を適宜調整することができない。一方、荷重Ｐの絶対値の変化が減少へ転じないように最大荷重を制限することによってＨ／ｔを適宜調整することが可能であるが、この場合、低ばね定数となるのは高荷重領域に限られる。
【００１５】
したがって、本発明は、軸線垂直方向／軸線方向のばね定数比を高めることができるのはもちろんのこと、上方移動用および下方移動用の少なくとも一方の用途を適宜選択することができ、選択された用途でのばね定数を低値に適宜調整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。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のばねは、内周部および外周部を有するとともに弾性変形可能な本体部と、本体部の内周部および外周部に設けられ、内周部および外周部のそれぞれの相手部材に固定されるフランジ部とを備え、本体部は、軸線方向断面において、内周部と外周部との間の中央部が内周部と外周部とを結ぶ直線に対して凸状をなし、その凸状が曲線状をなすような形状を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明のばねでは、両振りの荷重をばねに負荷した場合、たとえば一方のフランジ部は相手部材の移動に従って上方あるいは下方に移動する。ここで本発明のばねでは、本体部が、軸線方向断面において、内周部と外周部との間の中央部が内周部と外周部とを結ぶ直線に対して凸状をなし、その凸状が曲線状をなすような形状を有する。
【００１８】
したがって、一方のフランジ部が上方に移動したとき（上方移動時）、上記形状をなす本体部が適宜弾性変形することにより、本体部における一方のフランジ部側の周部（内周部あるいは外周部）が、一方のフランジ部の上方移動に応じて上方に移動することができる。このようなばねの変形は、本体部では径方向に引張が加わる引張モードである。また、一方のフランジ部が下方に移動したとき（下方移動時）、上記形状をなす本体部が適宜弾性変形することにより、一方のフランジ部の下方移動に応じて下方に移動することができる。このようなばねの変形では、本体部では径方向に引張が加わる引張モードである。
【００１９】
このように両振りの荷重を加えた場合、一方のフランジ部が上方に移動した時および下方に移動した時のいずれの時も、ばねは、引張モードという同様な変形モードを示すことができる。したがって、下方移動時には圧縮モードが生じないから、皿ばねの下方移動時とは異なり、荷重に応じてＨ／ｔを選択することができ、ばね定数の調整が可能となる。
【００２０】
ここで本発明のばねでは、上記のように曲線状の凸状をなす本体部は、内周部と外周部との間の中央部が内周部と外周部とを結ぶ直線状に沿って形成されている皿ばねとは異なり、上方移動時および下方移動時の引張モードにおいて曲げ変形をすることができる。したがって、上方移動時および下方移動時のいずれも弾性変形しやすくなり、ばね定数を低く設定することができる。この場合、ばね定数は、荷重方向や荷重の大きさに依存せずに略一定に設定することができる。さらに、同一荷重時における応力は、皿ばねの場合と同等あるいはそれ以下に設定することができるので、皿ばねの場合と同等あるいはそれ以上の疲労耐久性を有することができる。このように上方移動用および下方移動用の少なくとも一方の用途を適宜選択することができ、選択された用途でのばね定数を低値に適宜調整することができる。また、軸線垂直方向／軸線方向のばね定数比を高めることができる。
【００２１】
本発明のばねは種々の構成を用いることができる。たとえば内周部および外周部に筒状部が設けられ、筒状部は、本体部の凸状の突出方向とは逆方向に突出し、フランジ部は、筒状部を介して内周部および外周部に設けられている態様を用いることができる。
【００２２】
上記態様では、本体部が内周部側および外周部側の筒状部を介して内周部側および外周部側の相手部材のそれぞれに固定することができるから、内周部側および外周部側の少なくとも一方の筒状部の高さを適宜設定することにより、相手部材への取付位置を調整することができる。また、一方のフランジ部が上方あるいは下方に移動した場合、本体部が弾性変形することができるのはもちろんのこと、本体部と筒状部との境界部および筒状部が弾性変形することができるから、ばね定数をさらに低く設定することができる。
【００２３】
本体部は種々の曲線形状を有することができる。この場合、ばねの用途に応じて最適形状を設定することができる。なお、本願では、本体部の形状の記載について、本体部の軸線方向断面において、軸線方向を縦軸として用い、径方向を横軸として用いた座標系を設定し、縦軸の正方向を軸線方向の上側方向に設定し、横軸の正方向を径方向において内終端から外終端に向かう方向に設定し、軸線方向断面における本体部の形状の勾配を本体部の凸状の輪郭線における各位置での接線の傾きとし、本体部の形状を下方に向けて凸状に設定した場合を用いている。
【００２４】
たとえば本体部の内周部側の相手部材の移動方向が本体部の形状の凸状の突出方向とは逆方向に移動（上方移動）するためのばねとして本発明のばねを用いるとき、軸線方向断面における本体部の形状の勾配は内周端から外周端に向かって単調増加し、本体部の内周端の形状の勾配は負であり、その絶対値は、本体部の外周端の形状の勾配の絶対値よりも大きく、本体部の形状の勾配が０になる箇所は、内周端と外周端との中心位置よりも内周端側に位置する態様を用いることができる。この態様では、半径方向の曲げモーメントを均一とすることにより、半径方向の曲げ応力の均一化を図ることができるから、本体部に分布している応力のうち最大となる応力を低く設定することができる。したがって、図３０に示すように、上方移動時のばね定数を低値に適宜調整することができる。
【００２５】
たとえば本体部の内周部側の相手部材の移動方向が本体部の形状の凸状の突出方向に移動（下方移動）するためのばねとして本発明のばねを用いるとき、軸線方向断面における本体部の形状の勾配は、内周端から外周端に向かって減少し、内周端と外周端との中心位置よりも内周端側で増加に転じ、本体部の内周端の形状の勾配は負であり、その絶対値は、本体部の外周端の形状の勾配の絶対値よりも大きく、本体部の形状の勾配が０になる箇所は、中心位置よりも外周端側に位置する態様を用いることができる。この態様では，円周方向の曲げモーメントを均一とすることにより、円周方向の曲げ応力の均一化を図ることができるから、本体部に分布している応力のうち最大となる応力を低く設定することができる。したがって、図３０に示すように、下方移動時のばね定数を低値に適宜調整することができる。
【００２６】
たとえばばねを上方移動用および下方移動用の両用として用いるとき、軸線方向断面における本体部の形状の勾配は内周端から外周端に向かって単調増加し、本体部の内周部の形状の勾配は負であり、その絶対値は、本体部の外周部の形状の勾配の絶対値よりも大きく、本体部の形状の勾配が０になる箇所は、内周端と外周端との中心位置よりも外周端側に位置する態様を用いることができる。この態様では，各部位において半径方向および円周方向の曲げモーメントの絶対値のうちの大きい方の曲げモーメントを均一とすることにより、最大主応力の均一化を図ることができるから、本体部に分布している応力のうち最大となる応力を低く設定することができる。したがって、図３０に示すように、上方移動時および下方移動時のいずれの時もばね定数を低値に適宜調整することができる。
【００２７】
また、内周端と外周端との軸線方向の位置が同じである態様を用いることができる。この態様では、上方移動時あるいは下方移動時のたわみ量が大きくなった時でも、ばね定数を低く設定することができる。さらに、たとえば本体部の形状としては、円弧形状や楕円形状を用いることができる。さらに、本体部は、曲線形状の一部に直線形状が形成されていてもよい。本体部は複数の直線形状を有することができ、この場合、隣接する直線形状の境界部を湾曲形状とし、全体として略曲線形状をなすようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のばねによれば、上方移動用および下方移動用の少なくとも一方の用途を適宜選択することができ、選択された用途でのばね定数を低値に適宜調整することができる等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係るばねの構成を表し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）はばねの軸線方向断面図である。
【図２】図１に示すばねの右側部分の動作状態を表し、（Ａ）はばねの上方移動時の状態、（Ｂ）はばねの下方移動時の状態を表す軸線方向断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るばねの一例の右側部分の構成を表す軸線方向断面図である。
【図４】図３に示すばねの一例（第１本発明例）において高さＨと板厚ｔの比（＝Ｈ／ｔ）を変更して得られた荷重たわみ線図である。
【図５】第１本発明例においてＨ／ｔを６．３に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。
【図６】第１本発明例においてＨ／ｔを６．３に設定した場合の軸線垂直方向のたわみ量に対する荷重、および、ばね定数の線図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るばねの好適例（第２本発明例）の右側部分の構成を表す軸線方向断面図である。
【図８】図７に示すばねの好適例（第２本発明例）および第１本発明例においてＨ／ｔを６．３に設定した場合の荷重たわみ線図である。
【図９】第２本発明例おいてＨ／ｔを６．３に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。
【図１０】第１本発明例おいてＨ／ｔを５．５に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係るばねの本体部の好適形状を得るために用いる円板モデルを表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は概略側面図である。
【図１２】図１１に示す円板モデルから得られた軸線方向断面における上面側の応力分布の一例を表すグラフである。
【図１３】図１１に示す円板モデルから得られた軸線方向断面における下面側の応力分布の一例を表すグラフである。
【図１４】図１２，１３のグラフから得られた円板の上面側および下面側での最大主応力のうちの大きい方の最大主応力を示したグラフである。
【図１５】図１４のグラフに基づき得られた軸線方向断面における曲げモーメント分布の一例を表すグラフである。
【図１６】本実施形態に係る上方移動用ばねの本体部の形状の好適例（第３本発明例）を説明するための図である。
【図１７】第３本発明例の本体部の形状の好適例の右側部分の構成を表す軸線方向断面図である。
【図１８】第３本発明例の形状において第２筒状部を設けない場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。
【図１９】第２筒状部を有しない第３本発明例において下方に１５００Ｎの荷重を負荷したときの最大主応力と等しい最大主応力に設定したときの第１本発明例のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。
【図２０】第３本発明例の変形例（図１６の変形例）を説明するための図である。
【図２１】第３本発明例の変形例のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。
【図２２】本実施形態に係る下方移動用ばねの本体部の形状の好適例（第４本発明例）を説明するための図である。
【図２３】第４本発明例の本体部の形状の好適例の右側部分の構成を表す軸線方向断面図である。
【図２４】第４本発明例の本体部の形状において第２筒状部を設けない場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。
【図２５】第４本発明例においてＨ／ｔを９に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。
【図２６】本実施形態に係る上方移動用および下方移動用の両用ばねの本体部の形状の好適例（第５本発明例）を説明するための図である。
【図２７】第５本発明例の本体部の形状の好適例の右側部分の構成を表す軸線方向断面図である。
【図２８】第５本発明例の形状において第２筒状部を設けない場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。
【図２９】本発明の一実施形態に係るばねの適用例であるサスペンション装置の概略構成を表す軸線方向断面図である。
【図３０】本発明に係る上方移動用ばね、下方移動用ばね、および、上方移動用および下方移動用の両用ばねの荷重たわみ線図の一例を表すグラフである。
【図３１】皿ばねの右側部分の動作状態を表し、（Ａ）は動作前の状態、（Ｂ）はばねの上方移動時の状態、（Ｃ）はばねの下方移動時の状態を表す軸線方向断面図である。
【図３２】図３１に示す皿ばねの一例（従来例）においてＨ／ｔを７に設定した場合のたわみ量に対する荷重およびばね定数の線図である。
【図３３】従来例においてＨ／ｔを変更して得られた荷重たわみ線図である。
【図３４】従来例においてＨ／ｔを１．５に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（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、ばね１の構成を表し、（Ａ）はばね１の上面図、（Ｂ）は、ばね１の軸線方向断面図である。図２は、図１に示すばね１における軸線中心よりも右側部分の動作状態を表し、（Ａ）はばね１の上方移動時の状態、（Ｂ）はばね１の下方移動時の状態を表す軸線方向断面図である。図２の破線部は、動作前のばね１の形状を示している。
【００３１】
ばね１は、ばね鋼や強化材プラスチックからなる。ばね１は、たとえば図１（Ａ）に示すように内周部１０Ａおよび外周部１０Ｂを有する本体部１０を備え、内周部１０Ａおよび外周部１０Ｂは円形状をなしている。本体部１０の内周部１０Ａおよび外周部１０Ｂの形状は、円形状に限定されるものではなく、たとえば楕円形状でもよい。この場合、本体部１０の外周部の形状が長手方向に延在する板状をなす場合とは異なり、省スペース化を図ることができる。本体部１０、下記フランジ部１１，１２、および、下記筒状部１３，１４にスリットを形成してもよい。この態様では、軽量化を図ることができる。
【００３２】
本体部１０は、たとえば第１部材１１１と第２部材１１２からの押圧力の方向に対して交差する方向に延在している。本体部１０は、弾性変形可能なばね部である。本体部１０は、たとえば図１（Ｂ）に示すように軸線方向断面において、内周部１０Ａと外周部１０Ｂとの間の中央部が内周部１０Ａと外周部１０Ｂとを結ぶ直線Ｓに対して凸状をなし、その凸状が曲線状をなすような形状を有する。たとえば図１，２に示す形態では、凸状の突出方向は下側方向である。本体部１０は、軸線方向断面において、たとえば円弧状や楕円状をなすことができる。
【００３３】
本体部１０の内周部１０Ａは、たとえば径方向の内側に向かって突出する第１フランジ部１１を有している。本体部１０の外周部１０Ｂは、たとえば径方向の外側に向かって突出する第２フランジ部１２を有している。たとえば本体部１０の内周端１０Ａと外周端１０Ｂの高さ方向の位置が同じである。第１フランジ部１１は、ねじ手段等を用いることにより第１部材１１１に固定され、第２フランジ部１２は、ねじ手段等を用いることにより第２部材１１２に固定されている。第１フランジ部１１の内周部には、たとえばねじ手段を設けるための孔部１１Ａが形成されている。なお、ねじ手段以外の手段（たとえば溶接）を用いる場合、孔部１１Ａは設けなくてもよい。フランジ部１１，１２の突出方向および形状は、図１に示されるものに限定されるものではなく、種々の変形が可能であり、相手部材や干渉物等に応じて適宜設定することができる。
【００３４】
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。
【００３５】
（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の本体部１０は、図１に示すように軸線方向断面において、内周部１０Ａと外周部１０Ｂとの間の中央部が内周部１０Ａと外周部１０Ｂとを結ぶ直線Ｓに対して突出する凸状をなし、その凸状が曲線状をなすような形状を有するから、ばね１は、上方移動時および下方移動時、次のような変形モードを示す。
【００３６】
たとえば図２（Ａ）に示すように第１フランジ部１１を上方移動させるような荷重Ｐが加わると、上記形状をなす本体部１０が適宜弾性変形することにより、本体部１０の内周部１０Ａは、第１フランジ部１１の上方移動に伴って、本体部１０の外周部１０Ｂに対して上方に移動することができる。このようなばね１の変形は、図の矢印で示すように、本体部１０では径方向に引張が加わる引張モードである。
【００３７】
一方、図２（Ｂ）に示すように第１フランジ部１１を下方移動させるような荷重Ｐが加わると、上記形状をなす本体部１０が適宜弾性変形することにより、本体部１０の内周部１０Ａは、第１フランジ部１１の下方移動に伴って、本体部１０の外周部１０Ｂに対して下方に移動することができる。このようなばね１の変形は、図の矢印で示すように、本体部１０では径方向に引張が加わる引張モードである。
【００３８】
このように両振りの荷重を加えた場合、第１フランジ部１１の上方移動時および下方移動時のいずれの時も、ばね１は引張モードという同様な変形モードを示すことができる。また、上記のように曲線状の凸状をなす本体部１０は、内周部と外周部との間の中央部が内周部と外周部とを結ぶ直線に沿って形成されている皿ばねとは異なり、上方移動時および下方移動時の引張モードにおいて曲げ変形をすることができる。このようなばね１は、たとえば次のような特性を得ることができる。
【００３９】
図３は、本発明の一実施形態に係るばね１の一例の右側部分の構成を表す軸線方向断面図である。図３に示すばね１の一例では、本体部１０が軸線方向断面において一定の曲率を有する円弧形状をなしている。円弧形状の高さＨは、内周端１０Ａと外周端１０Ｂとを結ぶ直線の中心位置から円弧までの距離である。図４は、図３に示すばね１の一例（第１本発明例）において高さＨと板厚ｔの比（＝Ｈ／ｔ）を変更して得られた荷重たわみ線図である。なお、第１本発明例および第２本発明例について、本体部およびフランジ部の内外径、板厚、ならびに、相手部材は、皿ばねの上記一例（従来例）と同じである。
【００４０】
第１本発明例は、図４に示すように、Ｈ／ｔを変更することにより、ばね定数を変化させることができる。また、この場合、上方移動時と下方移動時とでは、皿ばねとは異なり、荷重の絶対値とたわみ量との関係がともに略線形特性を示す。
【００４１】
図５は、第１本発明例においてＨ／ｔを６．３に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。図３４は、従来例においてＨ／ｔを１．５に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。なお、この場合、第１本発明例のばねと従来例との本体部およびフランジ部の内外径、板厚、ならびに、相手部材は上記のように同じである。
【００４２】
従来例では、図３３に示すように、圧縮側の荷重特性は、Ｈ／ｔが約１．５を超えた場合、所定のたわみ量以上で荷重Ｐの絶対値の変化が単調増加から減少へと移行する。この場合、荷重Ｐの絶対値のピークよりも大きい荷重Ｐを負荷した後に荷重を除いても、本体部２１０は変形した状態のままであって、元の形状に戻らない。このため、従来例では、高荷重を負荷することができ、かつばね定数を低く設定することができるＨ／ｔの上限値は、約１．５である。この場合、従来では、図３４に示すように、ばね定数を５００Ｎ／ｍｍ以下に設定できるのは、下方移動側２５０Ｎ〜下方移動側１００Ｎ程度の荷重範囲のみであり、それ以外の範囲ではばね定数が高い。
【００４３】
これに対して、第１本発明例では、図５に示すように、ばね定数は、荷重方向および荷重の大きさに依存せずに略一定となり、いかなる荷重においても、ばね定数を５００Ｎ／ｍｍ程度の低いばね定数に設定することができる。この場合、第１本発明例では、高荷重を負荷することができ、かつばね定数を低く設定することができるＨ／ｔが約１．５に限定されていた皿ばね２００とは異なり、Ｈ／ｔの範囲を広く設定することができる。さらに、同一荷重時における最大主応力は従来例のものよりも低く、疲労耐久性は、従来例のものよりも同等あるいはそれ以上となる。
【００４４】
図６は、第１本発明例においてＨ／ｔを６．３に設定した場合の軸線垂直方向のたわみ量に対する荷重およびばね定数の線図である。図５，６から判るように、第１本発明例では、軸線垂直方向のばね定数は、軸線方向のばね定数の４０倍以上の高い値に設定することができる。したがって、第１本発明例では、ゴム部材とは異なり、軸線垂直方向／軸線方向のばね定数比を高めることができる。
【００４５】
以上のように本実施形態では、たとえば高荷重の両振りでの使用形態において、高さＨと板厚ｔとの比（＝Ｈ／ｔ）を調整することにより、ばね定数を低く設定することができる。特に、本体部１０の内周端１０Ａと外周端１０Ｂの高さ方向の位置が同じであるから、上方移動時あるいは下方移動時のたわみ量が大きくなった時でも、ばね定数を低く設定することができる。また、ゴム部材とは異なり、軸線垂直方向／軸線方向のばね定数比を高めることができる。
【００４６】
（３）実施形態の好適例
（３−１）筒状部を設ける例
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。たとえば図７に示すように、本体部１０の内周部１０Ａおよび外周部１０Ｂに第１筒状部１３および第２筒状部１４を設けることができる。この場合、筒状部１３，１４は、本体部１０の凸状の突出方向とは逆方向（図７では上側方向）に突出することができる。たとえば第１フランジ部１１は、第１筒状部１３を介して本体部１０の内周部１０Ａに設けることができる。たとえば第２フランジ部１２は、第２筒状部１４を介して本体部１０の外周部１０Ｂに設けることができる。たとえば筒状部１３，１４は、その高さＧが同一に設定された円筒部である。この場合、たとえば本体部１０の内周端１０Ａと外周端１０Ｂの高さ方向の位置が同じであるから、フランジ部１１，１２の本体側端部１１Ｃ，１２Ｄ（筒状部１３，１４の上端同士）の高さ方向の位置が等しく設定されている。
【００４７】
上記態様では、本体部１０が内周部側および外周部側の筒状部１３，１４を介して内周部側および外周部側の相手部材のそれぞれに固定することができるから、内周部側および外周部側の少なくとも一方の筒状部の高さを適宜設定することにより、相手部材への取付位置を調整することができる。また、上記態様は、次のような特性を得ることができる。
【００４８】
図８は、図７に示すばねの変形例（第２本発明例）および第１本発明例においてＨ／ｔを６．３に設定した場合の荷重たわみ線図である。第２本発明例は、第１本発明例と同じ内外径および板厚を有し、Ｈ／ｔも上記値と同じに設定されている。
【００４９】
図８から判るように、筒状部を有する第２本発明例は、筒状部を有しない第１本発明例よりも荷重Ｐの絶対値が低く、ばね定数が低い。 なお、筒状部を有する第２本発明例について、筒状部の上端部が本体部からの離間距離が長くなると、筒状部のうち本体部から離間している部分はほとんど変形しないから、筒状部の高さＨを高くしても効果はほぼ変化しない。たとえば高さＨが１０ｍｍの場合と高さＨが１０ｍｍの場合と高さＨが２０ｍｍの場合との荷重たわみ特性は略同等となる。
【００５０】
図９は、第２本発明例おいてＨ／ｔを６．３に設定した場合の荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。図５、９から判るように、筒状部を有する第２本発明例は、筒状部を有しなくて、かつＨ／ｔ（＝６．３）が同じである第１本発明例と比較すると、ばね定数は低くなる。しかしながら、この場合、第２本発明例は、荷重値に対応する最大主応力が高く、疲労耐久性が異なるため、両者の性能を比較することができない。
【００５１】
図１０は、第１本発明例おいてＨ／ｔを５．５に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。筒状部を有しない第１本発明例のＨ／ｔを５．５に設定し、荷重値に対応する最大主応力を第２本発明例のものと同じに設定すると、図９，１０から判るように、筒状部を有する第２本発明例は、筒状部を有しない第１本発明例よりもばね定数を低くすることができる。このように筒状部を有する第２本発明例では、疲労耐久性が同等の第１本発明例よりもばね定数を低く設定することができる。
【００５２】
（３−２）本体部の好適形状
（Ａ）本体部の好適形状の取得手法例
（Ａ−１）勾配の決定手法
本実施形態では、本体部１０の形状を適宜設定することにより上方移動用および下方移動用の少なくとも一方の用途を適宜選択することができ、この場合、高さＨと板厚ｔとの比（＝Ｈ／ｔ）を調整することにより、ばね定数を低値に適宜調整することができる。
【００５３】
たとえば本体部１０の曲線形状の最適形状は、たとえば軸対称曲げを受ける円板モデルを用いて取得した曲げモーメント分布を利用することにより決定することができる。具体的には、円板モデルを用いて半径方向の位置ｒに対する曲げモーメントの分布Ｍ（ｒ）を取得し、その分布を打ち消すような形状を選択する。この場合、本体部の形状を軸対称形状に設定して、中心軸からの半径方向の位置ｒに応じて高さｈを設定することにより本体部の形状を表現する場合、その勾配ｄｈ/ｄｒの絶対値|ｄｈ/ｄｒ|が曲げモーメントＭの絶対値|Ｍ|に比例するように高さｈ(ｒ)を得る。このように得られた高さｈ(ｒ)を利用することにより、本体部１０の形状を得ることができる。
【００５４】
曲げモーメントは、図１１（Ａ），１１（Ｂ）に示すように円板３００（内径Ｄｉｎ、外径Ｄｏｕｔ）を用いることにより得ることができる。円板３００では、内径Ｄｉｎより内側部分３００Ａは剛体とし、内側部分３００Ａの中心位置（円板３００の中心位置（軸中心位置））に荷重Ｐとしてせん断荷重を加える。円板３００は、内周部および外周部にフランジ部（図示略）を有し、内周部側のフランジ部への荷重負荷を再現するための条件に近似する支持条件を用い、その支持条件では、円板３００の外周部が変位しないように完全固定され、円板３００の内周部では、そこにせん断力を加える方向以外は完全固定される。このような円板３００に、その中心位置に原点を有する極座標系（ｒ、θ、ｚ） を設定する。円板３００は荷重Ｐの負荷により曲げられ、その内部に応力が生じる。以下のように曲げモーメントの各成分を求めることにより、曲げ応力の各成分を得る。
【００５５】
弾性学の円板曲げ理論および２次元弾性論を用いることにより円板３００でのたわみ角φは、数１の数式で表される。円板３００の支持条件を数１の式に代入した数３，４の数式から立てた連立方程式を解くことにより、Ｃ１，Ｃ２は数５，６の数式で表される。
【００５６】
【数１】
なお、ｒは円板３００の原点からの距離、Ｐは荷重値、Ｄは、円板の曲げ剛性であって数２の数式で表される。
【００５７】
【数２】
なお、Ｅはヤング率、νはポアソン比である。
【００５８】
【数３】
【００５９】
【数４】
【００６０】
【数５】
【００６１】
【数６】
【００６２】
２次元弾性論を用いることにより、数７の数式で表される半径方向の曲げモーメントＭｒおよび数８の数式で表される円周方向の曲げモーメントＭθが得られる。数７，８の数式のなかのｄφ/ｄｒは、数１の数式を微分することによって数９の数式で与えられる。上方移動用のばねの形状を決定するために必要な半径方向の曲げモーメント分布は、数７の数式により得られる。下方移動用のばねの形状を決定するために必要な円周方向の曲げモーメント分布は、数８の数式により得られる。勾配は、その大きさがそのような分布を有する曲げモーメントの大きさに比例するように決定される。なお、曲げモーメントは荷重Ｐ、円板の曲げ剛性の逆数１／Ｄに比例することから、勾配の分布は、荷重Ｐおよび板厚ｔによらず、内径Ｄｉｎおよび外径Ｄｏｕｔにより決定される。
【００６３】
【数７】
【００６４】
【数８】
【００６５】
【数９】
【００６６】
上方移動用および下方移動用の両用のばねの形状を決定するために必要な最大主応力σmaxの考えに基づくモーメントの分布の算出について説明する。数７の数式で表される半径方向の曲げモーメントＭｒおよび数８の数式で表される円周方向の曲げモーメントＭθを用いると、円板３００の上面側および下面側の応力成分σｒ（上面）、σθ（上面）、σｒ（下面）、σθ（下面）は、数１０〜１３の数式で与えられる。応力成分σｒは半径方向の曲げモーメントＭｒに比例し、応力成分σθは円周方向の曲げモーメントＭθに比例していることが判る。
【００６７】
【数１０】
なお、Ａは板厚ｔによって決定されるパラメータ（＝６／ｔ２）である。
【００６８】
【数１１】
なお、Ａは、数１０の数式と同じパラメータである。
【００６９】
【数１２】
【００７０】
【数１３】
【００７１】
上記のように円板３００にせん断荷重を加えた場合、軸線方向断面での任意の最大主応力σmaxは、数１４の数式で表され、疲労強度パラメータとして用いられる。応力成分τｒθは軸対称問題のために０であるから、最大主応力σmaxは数１５の数式で表される。
【００７２】
【数１４】
【００７３】
【数１５】
【００７４】
任意の半径ｒにて半径方向の曲げモーメントＭｒおよび円周方向の曲げモーメントＭθのうちの大きい方の曲げモーメントをＭmaxとした場合、Ｍmaxは数１６の数式で表される。Ｍmaxを用いることにより、最大主応力σmaxは数１７の数式で表される。この場合、円板３００の上面側と下面側では最大主応力σmaxが異なる。たとえば、荷重Ｐが正のとき、上面側の最大主応力σmaxは図１２に示す分布を有し、下面側の最大主応力σmaxは図１３に示す分布を有する。
【００７５】
【数１６】
【００７６】
【数１７】
なお、Ａは、数１０の数式と同じパラメータである。
【００７７】
上面側および下面側の最大主応力σmaxのうちの大きい方の最大主応力σmax’は数１８の数式で表される。σmax’は、図１２，１３に示すグラフから図１４に示すように得られる。σmax’に対応する曲げモーメント分布Ｍmax’は、数１９の数式に示すように半径方向および円周方向の曲げモーメントの絶対値のうちの大きい方のモーメントを採用することにより得られる。Ｍmax’は、図１５に示すように得られる。曲げモーメント分布Ｍmax’に着目し、勾配は、その大きさが上記分布を有する曲げモーメントＭmax’の絶対値に比例するように決定される。なお、曲げモーメント分布Ｍmax’は｜Ｍｒ｜および｜Ｍθ｜で表現されることから、勾配の分布は、ＭｒおよびＭθと同様、荷重Ｐおよび板厚ｔによらず、内径Ｄｉｎおよび外径Ｄｏｕｔにより決定される。
【００７８】
【数１８】
【００７９】
【数１９】
【００８０】
（Ａ−２）高さの決定手法
ばねの本体部の形状はたとえば下方に向けて凸状に設定されているから、勾配の正負が本体部の内終端から外終端へ向かう途中で１回変化するように符号が決定される。この場合、勾配が０となる位置で正負が変化すると、曲線は連続的に変化するから、勾配の正負は、上方移動用のばねあるいは下方移動用のばねとして用いる場合には、数２０の数式を満たす位置ｒ（＝ｒ’）で変化させ、上方移動用および下方移動用の両用のばねとして用いる場合には、勾配は常に０より大きいから、勾配の大きさが最も小さな位置となる数２１の数式を満たす位置ｒ（＝ｒ’）で変化させる。
【００８１】
【数２０】
なお、Ｍは、上方移動用のばねの場合にはＭｒ、下方移動用のばねの場合にはＭθである。
【００８２】
【数２１】
【００８３】
以上のように曲げモーメントＭ（上方移動用のばねの場合にはＭｒ、下方移動用のばねの場合にはＭθ、上方移動用および下方移動用の両用のばねの場合にはＭmax’）に基づき勾配を求めて本体部の形状を得る場合、勾配とモーメントの関係は数２２の数式で表される。一方、高さ位置ｈは、勾配を積分することにより得られ、数２３の数式で表される。数２２および数２３の数式から高さ位置ｈが得られ、高さ位置ｈは、数２４の数式で示すように、任意の軸線方向断面上の位置ｒで表される。本体部の形状の設計時、比例定数αを調整することにより、ｈ(r)を調整することができる（すなわち、高さＨを調整することができる）。したがって、 Ｈ／ｔを適宜調整することができるから、ばねの仕様に応じてばね定数を調整することができる。なお、本体部の好適形状の取得で用いられる高さＨは、たとえば本体部１０の形状を下方に向けて凸状に設定した場合、ｈ（r）のうちの最小値ｈminの絶対値|ｈmin｜であり、ｈminは、数２５の数式で表される。
【００８４】
【数２２】
なお、αは、０より大きな任意の比例定数である。
【００８５】
【数２３】
【００８６】
【数２４】
【００８７】
【数２５】
【００８８】
なお、本体部の形状を得るために、曲げモーメント分布Ｍmax’の代わりにその変形例であるモーメント分布Ｍmax”を用いてもよい。Ｍmax’は常に０より大きいため、ｒ＝ｒ’のときのＭmax’は、ｒの全域において与えられる。そこで、数２６の数式で表されるモーメントＭmax”について説明する。Ｍmax”はｒ＝ｒ’となる位置の勾配が０となるから、モーメント分布Ｍmax”のモーメントの大きさに勾配の大きさを比例させることにより本体部を得、その本体部では、その曲線形状が連続的に変化する。
【００８９】
【数２６】
【００９０】
（Ｂ）本体部の好適形状例
本体部の好適形状例について、たとえば本体部およびフランジ部の内外径、板厚、ならびに、相手部材は、皿ばねの上記一例（従来例）と同じである場合、軸対称曲げを受ける円板モデルを用いて得られる曲げモーメントＭ（上方移動用のばねの場合にはＭｒ、下方移動用のばねの場合にはＭθ、上方移動用および下方移動用の両用のばねの場合にはＭmax’）の分布は、図１５に示すように得られる。勾配の大きさが、図１５に示す分布を有する曲げモーメントＭの大きさに比例するように作成した曲線を利用することにより、本体部１０の曲線形状の最適形状を得ることができる。
【００９１】
上方移動用のばね、下方移動用のばね、および、上方移動用および下方移動用の両用のばねを用いる場合の本体部の好適形状例について説明する。なお、本願では、符号Ｃは、本体部１０の内周端１０Ａと外周端１０Ｂとの中心位置を示し、符号Ｑは、本体部１０の形状の勾配の正負が変化する箇所を示し、符号Ｌは、本体部１０の形状の内周端１０Ａの勾配のデータを示し、符号Ｍは、本体部の形状の外周端１０Ｂの勾配のデータを示している。なお、以下の本体部の好適形状例では、たとえば本体部１０の外周部１０Ｂに第２筒状部１４を設けることにより、本体部１０の内周端１０Ａ（第１フランジ部１１の本体側端部１１Ｃ）と第２フランジ部１２の本体側端部１２Ｄの高さ方向の位置を等しく設定している。
【００９２】
（Ｂ―１）上方移動用のばねを用いる場合
図１６は、得られた本体部１０の形状の好適例（第３本発明例）を示すグラフである。図１６は、勾配の大きさが、図１５に示す分布を有する半径方向の曲げモーメントＭｒの大きさの大きさに比例するように勾配分布を決めたときの高さ分布である。図１６に示す例では、Ｈ／ｔを６．３に設定し、Ｈ／ｔ以外のサイズおよび相手部材は、皿ばねの上記一例（従来例）と同じである。
【００９３】
本体部１０の軸線方向断面の形状について、たとえば図１６，１７に示すように本体部１０の形状を下方に向けて凸状に設定した場合、軸線方向断面における本体部１０の形状の勾配は内周端１０Ａから外周端１０Ｂに向かって単調増加し、本体部１０の内周端１０Ａの形状の勾配は負であり、その絶対値は、本体部１０の外周端１０Ｂの形状の勾配の絶対値よりも大きく、本体部１０の形状の勾配の正負が変化する位置Ｑは中心位置Ｃよりも内周端１０Ａ側に位置する。なお、このような本体部１０の特徴は、板厚、外径、内径を変更しても同様である。
【００９４】
第３本発明例では、半径方向の曲げモーメントＭｒを均一とすることにより、応力成分σｒの均一化を図ることができるから、本体部に分布している応力のうち最大となる応力を低く設定することができる。したがって、上方移動時のばね定数を低値に適宜調整することができる。
【００９５】
図１８は、第３本発明例の形状において第２筒状部を設けない場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。第３本発明例では、図１８に示すようにたとえば引張方向の荷重Ｐが１５００Ｎのときのたわみ量は４．２ｍｍであり、０〜１５００Ｎの範囲での平均ばね定数に換算すると約３６０Ｎ／ｍｍである。第１本発明例では、図４に示すようにＨ／ｔを調整しても、たわみ量を大きく設定することができないため、ばね定数は高いが、第３本発明例では上記のようにばね定数を低く設定することができる。
【００９６】
図１９は、第１本発明例のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。この場合、第１本発明例において荷重値に対応する最大主応力を、筒状部を有しない第３本発明例（図１８に示す例）のものと同じに設定している。本体部１０が円弧形状をなす第１本発明例では、図１９に示すようにたとえば下方移動するように１５００Ｎの荷重を負荷したときのたわみ量は３．１ｍｍであり、下方移動における０〜１５００Ｎの範囲での平均ばね定数に換算すると約４８０Ｎ／ｍｍである。したがって、第３本発明例は、第１本発明例よりもばね定数を低く設定することができる。このように第３本発明例では、疲労耐久性が同等の第１本発明例よりもばね定数を低く設定することができる。
【００９７】
（Ｂ―２）下方移動用のばねを用いる場合
図２２は、得られた本体部１０の形状の好適例（第４本発明例）を示すグラフである。図２２は、勾配の大きさが図１５に示す分布を有する円周方向の曲げモーメントＭθの大きさに比例するように勾配分布を決めたときの高さ分布である。図２２に示す例では、Ｈ／ｔを６．３に設定し、Ｈ／ｔ以外のサイズおよび相手部材は、皿ばねの上記一例（従来例）と同じである。
【００９８】
本体部１０の軸線方向断面の形状について、たとえば図２２，２３に示すように本体部１０の形状を下方に向けて凸状に設定した場合、軸線方向断面における本体部１０の形状の勾配は、内周端１０Ａから外周端１０Ｂに向かって減少し、中心位置Ｃよりも内周端１０Ａ側で増加に転じ、本体部１０の内周端１０Ａの形状の勾配は負であり、その絶対値は、本体部１０の外周端１０Ｂの形状の勾配の絶対値よりも大きく、本体部１０の形状の勾配の正負が変化する位置Ｑは、中心位置Ｃよりも外周端１０Ｂ側に位置する。なお、このような本体部１０の特徴は、板厚、外径、内径を変更しても同様である。
【００９９】
第３本発明例では、円周方向の曲げモーメントＭθを均一とすることにより、応力成分σθの均一化を図ることができるから、本体部に分布している応力のうち最大となる応力を低く設定することができる。したがって、下方移動時のばね定数を低値に適宜調整することができる。
【０１００】
図２４は、第４本発明例の形状において第２筒状部を設けない場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。第４本発明例では、図２４に示すようにたとえば下方移動時の荷重Ｐが１０００Ｎのときのたわみ量は―５ｍｍであり、下方移動における０〜１０００Ｎの範囲での平均ばね定数に換算すると約２００Ｎ／ｍｍである。第１本発明例では、図４に示すようにＨ／ｔを調整しても、たわみ量を大きく設定することができないため、ばね定数が高いが、第４本発明例では上記のようにばね定数を低く設定することができる。
【０１０１】
図２５は、第４本発明例においてＨ／ｔを９に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。第４本発明例では、図２５に示すようにたとえば圧縮方向の荷重Ｐが１５００Ｎのときのたわみ量は、―４．８１ｍｍである。本体部１０が円弧形状をなす第１本発明例では、図１９に示すようにたとえば圧縮方向の荷重Ｐが１５００Ｎのときのたわみ量は―３．５ｍｍであり、最大主応力は高くなっている。したがって、第４本発明例は、第１本発明例よりも、最大主応力が低くて、かつ平均ばね定数を低く設定することができる。このように第４本発明例では、疲労耐久性が同等の第１本発明例よりも下方移動時のばね定数を低く設定することができる。
【０１０２】
（Ｂ―３）上方移動用および下方移動用の両用のばねを用いる場合
図２６は、得られた本体部１０の形状の好適例（第５本発明例）を示すグラフである。図２６は、勾配の大きさが、図１５に示す分布において半径方向の曲げモーメントの大きさ|Ｍｒ|および円周方向の曲げモーメントの大きさ|Ｍθ|のうちの大きい方の値であるモーメントＭmax’に比例するように勾配分布を決めたときの高さ分布である。図２６に示す例では、Ｈ／ｔを６．３に設定し、Ｈ／ｔ以外のサイズおよび相手部材は、皿ばねの上記一例（従来例）と同じである。
【０１０３】
本体部１０の軸線方向断面の形状について，たとえば図２６，２７に示すように本体部１０の形状を下方に向けて凸状に設定した場合、軸線方向断面における本体部１０の形状の勾配は内周端１０Ａから外周端１０Ｂに向かって単調増加し、本体部１０の内周端１０Ａの形状の勾配は負であり、その絶対値は、本体部１０の外周端１０Ｂの形状の勾配の絶対値よりも大きく、本体部１０の形状の勾配が０になる位置Ｑは、中心位置Ｃよりも外周端１０Ｂ側に位置する。なお、このような本体部１０の特徴は、板厚、外径、内径を変更しても同様である。
【０１０４】
第５本発明例では、半径方向の曲げモーメントの大きさ|Ｍｒ|および円周方向の曲げモーメントの大きさ|Ｍθ|のうちの大きい方の値であるモーメントＭmax’を均一とすることにより、最大主応力σmaxの均一化を図ることができるから、本体部に分布している応力のうち最大となる応力を低く設定することができる。したがって、上方移動時および下方移動時のばね定数を低値に適宜調整することができる。
【０１０５】
図２８は、第５本発明例の形状において第２筒状部を設けない場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。第５本発明例では、図２８に示すようにたとえば上方移動時の荷重Ｐが１５００Ｎのとき、図１９に示すように、本体部１０が円弧形状をなす第１本発明例と同一の最大主応力とたわみ量を示す。第５本発明例は、図２８に示すようにたとえば下方移動時の荷重Ｐが１５００Ｎのとき、図１９に示す第１本発明例よりも最大主応力が低くて、かつ平均ばね定数を低く設定することができる。このように第５本発明例では、上方移動時および下方移動時のいずれの時も、疲労耐久性が同等あるいはそれ以下の第１本発明例よりもばね定数を低く設定することができる。
【０１０６】
なお、本体部の好適形状の設定では、勾配と曲げモーメントの関係を示す数２２の数式の比例定数αを、軸線方向断面の径方向の位置毎に変更してもよい。たとえば上記実施形態では、上方移動用のばね、下方移動用のばね、および、上方移動用および下方移動用の両用のばねを用いる場合の本体部１０の好適形状例について、本体部１０の形状を下方に向けて凸状に設定したとき、いずれの例でも、本体部１０の内周端１０Ａは、外周端１０Ｂよりも上方に位置するが、たとえば内周端１０Ａと外周端１０Ｂの高さ方向の位置が等しくなるように、径方向の所定位置を境にして比例定数αを変更して調整してもよい。
【０１０７】
比例定数αを一定にしている図１８，２４，２８に示す第３本発明例、第４本発明例、および、第５本発明例のたわみ量に対するばね定数の線図では、いずれの例でも、上方移動時のたわみ量が増すに従い、ばね定数が高くなる。このように本体部１０の内周端１０Ａが外周端１０Ｂよりも上方に位置する形状では、軸線方向断面の本体部１０の外周端１０Ｂ近傍の略円弧形状の長さが短いため、図２（Ａ）で示す上方移動時にたわみ量が大きくなると、本体部１０が変形しにくくなる虞がある。そのため、上方移動時のたわみ量が大きくなるに従って、ばね定数も高くなる虞がある。
【０１０８】
そこでたとえば図２０に示す第３本発明例の変形例では、半径方向の曲げモーメントＭｒに対する勾配の比例定数が、勾配の正負の変化位置Ｑよりも内周側と外周側とにおいて異なるように設定することにより、内周端１０Ａと外周端１０Ｂの高さを等しく設定することができる。図２１は、第３本発明例の変形例（図１６の変形例、第６本発明例）のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。図１８，２１から判るように、第６本発明例では、第３本発明例よりも上方移動のたわみ量が大きいときのばね定数を低くすることができる。このように第６本発明例では、内周端１０Ａと外周端１０Ｂの高さ方向の位置を等しく設定することにより、上方移動時のたわみ量が大きくなった時でも、ばね定数を低くすることができる。
【０１０９】
（４）実施形態の適用例
ばね１は、たとえば図２９に示すサスペンション装置５０に適用することができる。サスペンション装置５０は、たとえば緩衝器６０、サスペンションスプリング７０、および、ばね１を備えている。ばね１は、たとえばサスペンション装置５０のアッパシートとしての機能を兼ねている。
【０１１０】
緩衝器６０は、ピストン部６１およびシリンダ部６２を備えている。ピストン部６１の下端部の弁（図示略）がシリンダ部６２内面を摺動する。ピストン部６１のロッドは、その周囲に設けられたロッドガイド部（図示略）のシールを摺動する。シリンダ部６２の外周部には、サスペンションスプリング７０の車輪側端部を受けるフランジ部６３が形成されている。シリンダ部６２には、作動油等が封入され、作動油等が摺動時の弁を通過して抵抗が発生することにより緩衝機能が実現される。サスペンションスプリング７０は、フランジ部６３とばね１との間に設けられ、たとえばコイルスプリングである。
【０１１１】
ばね１では、第１フランジ部１１が、孔部１１Ａに設けられたねじ手段等の固定部材７１により固定されるとともに、第２フランジ部１２が、ねじ手段等の固定部材７２により車体１２０に固定される。ばね１としては、要求される特性に応じて、上方移動用、下方移動用、あるいは、上方移動用および下方移動用の両用のばねを用いることができる。
【０１１２】
車両の車輪側からの荷重が緩衝器６０を通じて車体に入力される場合、その荷重が高周波帯域や微振幅領域の振動である時、緩衝器６０がそのような振動に対して追従できない虞がある。この場合、軸線方向のばね定数が低く設定されているばね１が、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように変形することにより、高周波帯域や微振幅領域の振動を吸収することができる。したがって、緩衝器６０でスティックスリップが発生した場合でも、ばね１は荷重変動を抑制することができるから、乗り心地が良好となる。
【０１１３】
また、ばね１では、本体部１０が皿ばね部として機能するから、緩衝器６０の軸線方向以外の方向の剛性を高くすることができる。したがって、緩衝器６０の軸線方向の振動がばね１に対してせん断応力として作用した場合でも、ばね１は軸線方向以外の方向に撓まない。その結果、操縦安定性を確保することができる。
【符号の説明】
【０１１４】
１…ばね、１０…本体部、１０Ａ…内周部，内周端、１０Ｂ…外周部，外周端、１１…第１フランジ部（フランジ部）、１２…第２フランジ部（フランジ部）、１３…第１筒状部（筒状部）、１４…第２筒状部（筒状部）、１１１…第１部材（相手部材）、１１２…第２部材（相手部材）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動伝達の抑制に用いられるばねに係り、特に、高周波帯域での使用に好適なばねの形状の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
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おり、振動伝達の抑制技術では弾性部材が用いられている。たとえば自動車等の車両において路面からの車体への衝撃伝達を抑制する装置であるサスペンション装置では、緩衝器と車体との間に弾性部材が用いられている。
【０００３】
具体的には、サスペンション装置は、緩衝器とサスペンションスプリングを備えている。緩衝器は、車体側に連結されるピストン部と、車輪側に連結されるとともにピストン部を摺動自在に案内するシリンダ部を有している。シリンダ部は、サスペンションアーム等を介して車輪側に連結される。ピストン部は、その上端部にロッド有し、ロッドの上端部は、車体側に連結され、ロッドの下端部に弁が固定されている。ピストン部の弁は、シリンダ部内面を摺動し、ロッドは、その周囲に設けられたロッドガイド部のシールを摺動する。ピストン部およびサスペンションスプリングの上端部は、アッパシートを介して車体側に連結される。
【０００４】
緩衝器では、高周波帯域や微振幅領域の振動に対して追従できないため、それら振動に対して緩衝機能を実現することができない。たとえば、ロッドガイド部のシールとロッド間にスティックスリップが発生した場合、滑らかな動作を行うことができない。その結果、乗り心地が悪くなる。そこで、乗り心地の悪化防止のために、上記のように緩衝器と車体との間に弾性部材が設けられている。この場合、ピストン部のロッドからの車体上下方向（緩衝器の軸線方向）の振動は、弾性部材に対してせん断応力として作用することから、操縦安定性を確保する必要がある。
【０００５】
これにより、弾性部材には、緩衝器の軸線方向において高周波帯域で柔らかいばね特性を示すこと（緩衝器の軸線方向の動的ばね定数が低いこと）、および、緩衝器の軸線方向以外の方向の撓みが抑制されること（剛性が高いこと）が要求されている。
【０００６】
従来では、たとえば特許文献１に開示されているように上記弾性部材としてゴム部材が用いられていたが、ゴム部材の場合、動的ばね定数が高く、軸線垂直方向／軸線方向のばね定数比を高めるには限界があったため、上記問題を解決することができない。
【０００７】
そこで弾性部材として、動的ばね定数の低い金属ばねを用いることが考えられ、上記特性を満足することができる金属ばねには皿ばねがある（たとえば特許文献２）。皿ばねは、通常、常用荷重として所定荷重が付与された状態から上下方向に荷重が変動するような片振りでの使用形態を前提としている。皿ばねでは、高さＨと板厚ｔとの比（＝Ｈ／ｔ）を調整することにより、常用荷重時とその上下方向の微小振幅でのばね定数を低く設定することができる。
【０００８】
図３１は、皿ばね２００が第１部材１１１と第２部材１１２の間に設置されている状態を表し、（Ａ）は動作前の状態、（Ｂ）は第１部材１１１が皿ばね２００の突出方向と同方向に移動した時（上方移動時）の状態、（Ｃ）は第１部材１１１が皿ばね２００の突出方向とは逆方向に移動した時（下方移動時）の状態を表す軸線方向断面図である。なお、図３１では、皿ばね２００の右側部分を表し、皿ばね２００の突出方向は、第２部材１１２からみた方向である。皿ばね２００は、略円錐形状をなすとともに孔部２１０Ａを有する本体部２１０を備え、本体部２１０の内周部および外周部にはフランジ部２１１，２１２が形成されている。内周部側のフランジ部２１１は内周部の内側に向けて突出し、外周部側のフランジ部２１２は外周部の外側に向けて突出している。フランジ部２１１，２１２は、第１部材１１１と第２部材１１２に完全に固定されている。第１部材１１１と第２部材１１２の形状は、フランジ部２１１，２１２の形状に対応している。
【０００９】
たとえば、図３１（Ａ）に示す皿ばね２００の一例（従来例）を用い、Ｈ／ｔを７に設定して荷重を負荷した場合、図３２に示す特性が得られる。この場合、板厚ｔを０．６ｍｍ、外径φを１３１．４ｍｍ、内径φを２８．８ｍｍ、外周部のフランジ部２１２の外径φを１６１．４ｍｍ、内周部２１１のフランジ部の内径φを１３ｍｍに設定している。なお、本願では、荷重たわみ特性は、有限要素法（ＦＥＭ）により得ている。また、本願では、内側は径方向中心側方向を示し、外側は径方向中心側方向とは反対の方向を示している。本願では、内径および外径等の径寸法は板厚中心での寸法とし、荷重値を示すグラフの全てにおいて、皿ばねに負荷する荷重Ｐを絶対値で示している。本願では、上方移動時のたわみ量の符号は正、下方移動時のたわみ量の符号は負で示している。図３２に示すように、１２００Ｎ±５０Ｎの荷重範囲で用いる場合、５００Ｎ／ｍｍ以下という低ばね定数で荷重を支えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許２６６２１６４号
【特許文献２】特公昭６２−３０９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
緩衝器に皿ばね２００を設ける場合、車体による荷重はサスペンションスプリングで受けられるから、皿ばね２００の初期状態は無荷重の状態である。この状態で上下方向に高荷重が加えられるから、皿ばね２００は、両振りでの使用形態となる。両振りでの使用形態では、皿ばね２００にフランジ部２１１，２１２を設けることは必須となる。
【００１２】
皿ばね２００では、図３１（Ｂ）に示すように、第１部材１１１の上方移動に伴って第１フランジ部１１が上方移動した時、図の矢印で示すように、本体部２１０は径方向に引張が加わる引張モードとなる。これに対して、図３１（Ｃ）に示すように、第１部材１１１の下方移動に伴って第１フランジ部２１１が下方移動した時、図の矢印で示すように、本体部２１０は径方向に圧縮が加わる圧縮モードとなる。
【００１３】
図３３は、上記従来例においてＨ／ｔを変更して得られた特性を表すグラフである。なお、この場合、Ｈ／ｔ以外のサイズおよび相手部材は変更していない。図３３に示すように、Ｈ／ｔを小さく設定することにより、圧縮モードでのばね定数を低く設定することができるが、上方移動時の引張モードでのばね定数は、Ｈ／ｔを調整しても、下方移動時の圧縮モードでのばね定数と同程度に低く設定することができず、圧縮モードでのばね定数とは顕著に異なる。そのため、皿ばね２００は、上方移動用のばねとして使用することができない。
【００１４】
また、下方移動時の圧縮モードでの荷重たわみ線図では、Ｈ／ｔを大きく設定した場合、所定のたわみ量以上で荷重Ｐの絶対値の変化が単調増加から減少へと移行する。この場合、荷重たわみ線図での荷重の絶対値のピークよりも大きい荷重Ｐを負荷した後に荷重Ｐを除いても、本体部２１０は、元の形状に戻ることができず、変形状態のままとなる。そのため、皿ばね２００は、下方移動用のばねとして使用する場合、ばね定数を低値に設定することができるが、荷重に応じてＨ／ｔを選択することが制限されるため、ばね定数を適宜調整することができない。一方、荷重Ｐの絶対値の変化が減少へ転じないように最大荷重を制限することによってＨ／ｔを適宜調整することが可能であるが、この場合、低ばね定数となるのは高荷重領域に限られる。
【００１５】
したがって、本発明は、軸線垂直方向／軸線方向のばね定数比を高めることができるのはもちろんのこと、上方移動用および下方移動用の少なくとも一方の用途を適宜選択することができ、選択された用途でのばね定数を低値に適宜調整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。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のばねは、内周部および外周部を有するとともに弾性変形可能な本体部と、本体部の内周部および外周部に設けられ、内周部および外周部のそれぞれの相手部材に固定されるフランジ部とを備え、本体部は、軸線方向断面において、内周部と外周部との間の中央部が内周部と外周部とを結ぶ直線に対して凸状をなし、その凸状が曲線状をなすような形状を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明のばねでは、両振りの荷重をばねに負荷した場合、たとえば一方のフランジ部は相手部材の移動に従って上方あるいは下方に移動する。ここで本発明のばねでは、本体部が、軸線方向断面において、内周部と外周部との間の中央部が内周部と外周部とを結ぶ直線に対して凸状をなし、その凸状が曲線状をなすような形状を有する。
【００１８】
したがって、一方のフランジ部が上方に移動したとき（上方移動時）、上記形状をなす本体部が適宜弾性変形することにより、本体部における一方のフランジ部側の周部（内周部あるいは外周部）が、一方のフランジ部の上方移動に応じて上方に移動することができる。このようなばねの変形は、本体部では径方向に引張が加わる引張モードである。また、一方のフランジ部が下方に移動したとき（下方移動時）、上記形状をなす本体部が適宜弾性変形することにより、一方のフランジ部の下方移動に応じて下方に移動することができる。このようなばねの変形では、本体部では径方向に引張が加わる引張モードである。
【００１９】
このように両振りの荷重を加えた場合、一方のフランジ部が上方に移動した時および下方に移動した時のいずれの時も、ばねは、引張モードという同様な変形モードを示すことができる。したがって、下方移動時には圧縮モードが生じないから、皿ばねの下方移動時とは異なり、荷重に応じてＨ／ｔを選択することができ、ばね定数の調整が可能となる。
【００２０】
ここで本発明のばねでは、上記のように曲線状の凸状をなす本体部は、内周部と外周部との間の中央部が内周部と外周部とを結ぶ直線状に沿って形成されている皿ばねとは異なり、上方移動時および下方移動時の引張モードにおいて曲げ変形をすることができる。したがって、上方移動時および下方移動時のいずれも弾性変形しやすくなり、ばね定数を低く設定することができる。この場合、ばね定数は、荷重方向や荷重の大きさに依存せずに略一定に設定することができる。さらに、同一荷重時における応力は、皿ばねの場合と同等あるいはそれ以下に設定することができるので、皿ばねの場合と同等あるいはそれ以上の疲労耐久性を有することができる。このように上方移動用および下方移動用の少なくとも一方の用途を適宜選択することができ、選択された用途でのばね定数を低値に適宜調整することができる。また、軸線垂直方向／軸線方向のばね定数比を高めることができる。
【００２１】
本発明のばねは種々の構成を用いることができる。たとえば内周部および外周部に筒状部が設けられ、筒状部は、本体部の凸状の突出方向とは逆方向に突出し、フランジ部は、筒状部を介して内周部および外周部に設けられている態様を用いることができる。
【００２２】
上記態様では、本体部が内周部側および外周部側の筒状部を介して内周部側および外周部側の相手部材のそれぞれに固定することができるから、内周部側および外周部側の少なくとも一方の筒状部の高さを適宜設定することにより、相手部材への取付位置を調整することができる。また、一方のフランジ部が上方あるいは下方に移動した場合、本体部が弾性変形することができるのはもちろんのこと、本体部と筒状部との境界部および筒状部が弾性変形することができるから、ばね定数をさらに低く設定することができる。
【００２３】
本体部は種々の曲線形状を有することができる。この場合、ばねの用途に応じて最適形状を設定することができる。なお、本願では、本体部の形状の記載について、本体部の軸線方向断面において、軸線方向を縦軸として用い、径方向を横軸として用いた座標系を設定し、縦軸の正方向を軸線方向の上側方向に設定し、横軸の正方向を径方向において内終端から外終端に向かう方向に設定し、軸線方向断面における本体部の形状の勾配を本体部の凸状の輪郭線における各位置での接線の傾きとし、本体部の形状を下方に向けて凸状に設定した場合を用いている。
【００２４】
たとえば本体部の内周部側の相手部材の移動方向が本体部の形状の凸状の突出方向とは逆方向に移動（上方移動）するためのばねとして本発明のばねを用いるとき、軸線方向断面における本体部の形状の勾配は内周端から外周端に向かって単調増加し、本体部の内周端の形状の勾配は負であり、その絶対値は、本体部の外周端の形状の勾配の絶対値よりも大きく、本体部の形状の勾配が０になる箇所は、内周端と外周端との中心位置よりも内周端側に位置する態様を用いることができる。この態様では、半径方向の曲げモーメントを均一とすることにより、半径方向の曲げ応力の均一化を図ることができるから、本体部に分布している応力のうち最大となる応力を低く設定することができる。したがって、図３０に示すように、上方移動時のばね定数を低値に適宜調整することができる。
【００２５】
たとえば本体部の内周部側の相手部材の移動方向が本体部の形状の凸状の突出方向に移動（下方移動）するためのばねとして本発明のばねを用いるとき、軸線方向断面における本体部の形状の勾配は、内周端から外周端に向かって減少し、内周端と外周端との中心位置よりも内周端側で増加に転じ、本体部の内周端の形状の勾配は負であり、その絶対値は、本体部の外周端の形状の勾配の絶対値よりも大きく、本体部の形状の勾配が０になる箇所は、中心位置よりも外周端側に位置する態様を用いることができる。この態様では，円周方向の曲げモーメントを均一とすることにより、円周方向の曲げ応力の均一化を図ることができるから、本体部に分布している応力のうち最大となる応力を低く設定することができる。したがって、図３０に示すように、下方移動時のばね定数を低値に適宜調整することができる。
【００２６】
たとえばばねを上方移動用および下方移動用の両用として用いるとき、軸線方向断面における本体部の形状の勾配は内周端から外周端に向かって単調増加し、本体部の内周部の形状の勾配は負であり、その絶対値は、本体部の外周部の形状の勾配の絶対値よりも大きく、本体部の形状の勾配が０になる箇所は、内周端と外周端との中心位置よりも外周端側に位置する態様を用いることができる。この態様では，各部位において半径方向および円周方向の曲げモーメントの絶対値のうちの大きい方の曲げモーメントを均一とすることにより、最大主応力の均一化を図ることができるから、本体部に分布している応力のうち最大となる応力を低く設定することができる。したがって、図３０に示すように、上方移動時および下方移動時のいずれの時もばね定数を低値に適宜調整することができる。
【００２７】
また、内周端と外周端との軸線方向の位置が同じである態様を用いることができる。この態様では、上方移動時あるいは下方移動時のたわみ量が大きくなった時でも、ばね定数を低く設定することができる。さらに、たとえば本体部の形状としては、円弧形状や楕円形状を用いることができる。さらに、本体部は、曲線形状の一部に直線形状が形成されていてもよい。本体部は複数の直線形状を有することができ、この場合、隣接する直線形状の境界部を湾曲形状とし、全体として略曲線形状をなすようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のばねによれば、上方移動用および下方移動用の少なくとも一方の用途を適宜選択することができ、選択された用途でのばね定数を低値に適宜調整することができる等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係るばねの構成を表し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）はばねの軸線方向断面図である。
【図２】図１に示すばねの右側部分の動作状態を表し、（Ａ）はばねの上方移動時の状態、（Ｂ）はばねの下方移動時の状態を表す軸線方向断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るばねの一例の右側部分の構成を表す軸線方向断面図である。
【図４】図３に示すばねの一例（第１本発明例）において高さＨと板厚ｔの比（＝Ｈ／ｔ）を変更して得られた荷重たわみ線図である。
【図５】第１本発明例においてＨ／ｔを６．３に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。
【図６】第１本発明例においてＨ／ｔを６．３に設定した場合の軸線垂直方向のたわみ量に対する荷重、および、ばね定数の線図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るばねの好適例（第２本発明例）の右側部分の構成を表す軸線方向断面図である。
【図８】図７に示すばねの好適例（第２本発明例）および第１本発明例においてＨ／ｔを６．３に設定した場合の荷重たわみ線図である。
【図９】第２本発明例おいてＨ／ｔを６．３に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。
【図１０】第１本発明例おいてＨ／ｔを５．５に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係るばねの本体部の好適形状を得るために用いる円板モデルを表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は概略側面図である。
【図１２】図１１に示す円板モデルから得られた軸線方向断面における上面側の応力分布の一例を表すグラフである。
【図１３】図１１に示す円板モデルから得られた軸線方向断面における下面側の応力分布の一例を表すグラフである。
【図１４】図１２，１３のグラフから得られた円板の上面側および下面側での最大主応力のうちの大きい方の最大主応力を示したグラフである。
【図１５】図１４のグラフに基づき得られた軸線方向断面における曲げモーメント分布の一例を表すグラフである。
【図１６】本実施形態に係る上方移動用ばねの本体部の形状の好適例（第３本発明例）を説明するための図である。
【図１７】第３本発明例の本体部の形状の好適例の右側部分の構成を表す軸線方向断面図である。
【図１８】第３本発明例の形状において第２筒状部を設けない場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。
【図１９】第２筒状部を有しない第３本発明例において下方に１５００Ｎの荷重を負荷したときの最大主応力と等しい最大主応力に設定したときの第１本発明例のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。
【図２０】第３本発明例の変形例（図１６の変形例）を説明するための図である。
【図２１】第３本発明例の変形例のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。
【図２２】本実施形態に係る下方移動用ばねの本体部の形状の好適例（第４本発明例）を説明するための図である。
【図２３】第４本発明例の本体部の形状の好適例の右側部分の構成を表す軸線方向断面図である。
【図２４】第４本発明例の本体部の形状において第２筒状部を設けない場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。
【図２５】第４本発明例においてＨ／ｔを９に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。
【図２６】本実施形態に係る上方移動用および下方移動用の両用ばねの本体部の形状の好適例（第５本発明例）を説明するための図である。
【図２７】第５本発明例の本体部の形状の好適例の右側部分の構成を表す軸線方向断面図である。
【図２８】第５本発明例の形状において第２筒状部を設けない場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。
【図２９】本発明の一実施形態に係るばねの適用例であるサスペンション装置の概略構成を表す軸線方向断面図である。
【図３０】本発明に係る上方移動用ばね、下方移動用ばね、および、上方移動用および下方移動用の両用ばねの荷重たわみ線図の一例を表すグラフである。
【図３１】皿ばねの右側部分の動作状態を表し、（Ａ）は動作前の状態、（Ｂ）はばねの上方移動時の状態、（Ｃ）はばねの下方移動時の状態を表す軸線方向断面図である。
【図３２】図３１に示す皿ばねの一例（従来例）においてＨ／ｔを７に設定した場合のたわみ量に対する荷重およびばね定数の線図である。
【図３３】従来例においてＨ／ｔを変更して得られた荷重たわみ線図である。
【図３４】従来例においてＨ／ｔを１．５に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（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、ばね１の構成を表し、（Ａ）はばね１の上面図、（Ｂ）は、ばね１の軸線方向断面図である。図２は、図１に示すばね１における軸線中心よりも右側部分の動作状態を表し、（Ａ）はばね１の上方移動時の状態、（Ｂ）はばね１の下方移動時の状態を表す軸線方向断面図である。図２の破線部は、動作前のばね１の形状を示している。
【００３１】
ばね１は、ばね鋼や強化材プラスチックからなる。ばね１は、たとえば図１（Ａ）に示すように内周部１０Ａおよび外周部１０Ｂを有する本体部１０を備え、内周部１０Ａおよび外周部１０Ｂは円形状をなしている。本体部１０の内周部１０Ａおよび外周部１０Ｂの形状は、円形状に限定されるものではなく、たとえば楕円形状でもよい。この場合、本体部１０の外周部の形状が長手方向に延在する板状をなす場合とは異なり、省スペース化を図ることができる。本体部１０、下記フランジ部１１，１２、および、下記筒状部１３，１４にスリットを形成してもよい。この態様では、軽量化を図ることができる。
【００３２】
本体部１０は、たとえば第１部材１１１と第２部材１１２からの押圧力の方向に対して交差する方向に延在している。本体部１０は、弾性変形可能なばね部である。本体部１０は、たとえば図１（Ｂ）に示すように軸線方向断面において、内周部１０Ａと外周部１０Ｂとの間の中央部が内周部１０Ａと外周部１０Ｂとを結ぶ直線Ｓに対して凸状をなし、その凸状が曲線状をなすような形状を有する。たとえば図１，２に示す形態では、凸状の突出方向は下側方向である。本体部１０は、軸線方向断面において、たとえば円弧状や楕円状をなすことができる。
【００３３】
本体部１０の内周部１０Ａは、たとえば径方向の内側に向かって突出する第１フランジ部１１を有している。本体部１０の外周部１０Ｂは、たとえば径方向の外側に向かって突出する第２フランジ部１２を有している。たとえば本体部１０の内周端１０Ａと外周端１０Ｂの高さ方向の位置が同じである。第１フランジ部１１は、ねじ手段等を用いることにより第１部材１１１に固定され、第２フランジ部１２は、ねじ手段等を用いることにより第２部材１１２に固定されている。第１フランジ部１１の内周部には、たとえばねじ手段を設けるための孔部１１Ａが形成されている。なお、ねじ手段以外の手段（たとえば溶接）を用いる場合、孔部１１Ａは設けなくてもよい。フランジ部１１，１２の突出方向および形状は、図１に示されるものに限定されるものではなく、種々の変形が可能であり、相手部材や干渉物等に応じて適宜設定することができる。
【００３４】
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。
【００３５】
（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の本体部１０は、図１に示すように軸線方向断面において、内周部１０Ａと外周部１０Ｂとの間の中央部が内周部１０Ａと外周部１０Ｂとを結ぶ直線Ｓに対して突出する凸状をなし、その凸状が曲線状をなすような形状を有するから、ばね１は、上方移動時および下方移動時、次のような変形モードを示す。
【００３６】
たとえば図２（Ａ）に示すように第１フランジ部１１を上方移動させるような荷重Ｐが加わると、上記形状をなす本体部１０が適宜弾性変形することにより、本体部１０の内周部１０Ａは、第１フランジ部１１の上方移動に伴って、本体部１０の外周部１０Ｂに対して上方に移動することができる。このようなばね１の変形は、図の矢印で示すように、本体部１０では径方向に引張が加わる引張モードである。
【００３７】
一方、図２（Ｂ）に示すように第１フランジ部１１を下方移動させるような荷重Ｐが加わると、上記形状をなす本体部１０が適宜弾性変形することにより、本体部１０の内周部１０Ａは、第１フランジ部１１の下方移動に伴って、本体部１０の外周部１０Ｂに対して下方に移動することができる。このようなばね１の変形は、図の矢印で示すように、本体部１０では径方向に引張が加わる引張モードである。
【００３８】
このように両振りの荷重を加えた場合、第１フランジ部１１の上方移動時および下方移動時のいずれの時も、ばね１は引張モードという同様な変形モードを示すことができる。また、上記のように曲線状の凸状をなす本体部１０は、内周部と外周部との間の中央部が内周部と外周部とを結ぶ直線に沿って形成されている皿ばねとは異なり、上方移動時および下方移動時の引張モードにおいて曲げ変形をすることができる。このようなばね１は、たとえば次のような特性を得ることができる。
【００３９】
図３は、本発明の一実施形態に係るばね１の一例の右側部分の構成を表す軸線方向断面図である。図３に示すばね１の一例では、本体部１０が軸線方向断面において一定の曲率を有する円弧形状をなしている。円弧形状の高さＨは、内周端１０Ａと外周端１０Ｂとを結ぶ直線の中心位置から円弧までの距離である。図４は、図３に示すばね１の一例（第１本発明例）において高さＨと板厚ｔの比（＝Ｈ／ｔ）を変更して得られた荷重たわみ線図である。なお、第１本発明例および第２本発明例について、本体部およびフランジ部の内外径、板厚、ならびに、相手部材は、皿ばねの上記一例（従来例）と同じである。
【００４０】
第１本発明例は、図４に示すように、Ｈ／ｔを変更することにより、ばね定数を変化させることができる。また、この場合、上方移動時と下方移動時とでは、皿ばねとは異なり、荷重の絶対値とたわみ量との関係がともに略線形特性を示す。
【００４１】
図５は、第１本発明例においてＨ／ｔを６．３に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。図３４は、従来例においてＨ／ｔを１．５に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。なお、この場合、第１本発明例のばねと従来例との本体部およびフランジ部の内外径、板厚、ならびに、相手部材は上記のように同じである。
【００４２】
従来例では、図３３に示すように、圧縮側の荷重特性は、Ｈ／ｔが約１．５を超えた場合、所定のたわみ量以上で荷重Ｐの絶対値の変化が単調増加から減少へと移行する。この場合、荷重Ｐの絶対値のピークよりも大きい荷重Ｐを負荷した後に荷重を除いても、本体部２１０は変形した状態のままであって、元の形状に戻らない。このため、従来例では、高荷重を負荷することができ、かつばね定数を低く設定することができるＨ／ｔの上限値は、約１．５である。この場合、従来では、図３４に示すように、ばね定数を５００Ｎ／ｍｍ以下に設定できるのは、下方移動側２５０Ｎ〜下方移動側１００Ｎ程度の荷重範囲のみであり、それ以外の範囲ではばね定数が高い。
【００４３】
これに対して、第１本発明例では、図５に示すように、ばね定数は、荷重方向および荷重の大きさに依存せずに略一定となり、いかなる荷重においても、ばね定数を５００Ｎ／ｍｍ程度の低いばね定数に設定することができる。この場合、第１本発明例では、高荷重を負荷することができ、かつばね定数を低く設定することができるＨ／ｔが約１．５に限定されていた皿ばね２００とは異なり、Ｈ／ｔの範囲を広く設定することができる。さらに、同一荷重時における最大主応力は従来例のものよりも低く、疲労耐久性は、従来例のものよりも同等あるいはそれ以上となる。
【００４４】
図６は、第１本発明例においてＨ／ｔを６．３に設定した場合の軸線垂直方向のたわみ量に対する荷重およびばね定数の線図である。図５，６から判るように、第１本発明例では、軸線垂直方向のばね定数は、軸線方向のばね定数の４０倍以上の高い値に設定することができる。したがって、第１本発明例では、ゴム部材とは異なり、軸線垂直方向／軸線方向のばね定数比を高めることができる。
【００４５】
以上のように本実施形態では、たとえば高荷重の両振りでの使用形態において、高さＨと板厚ｔとの比（＝Ｈ／ｔ）を調整することにより、ばね定数を低く設定することができる。特に、本体部１０の内周端１０Ａと外周端１０Ｂの高さ方向の位置が同じであるから、上方移動時あるいは下方移動時のたわみ量が大きくなった時でも、ばね定数を低く設定することができる。また、ゴム部材とは異なり、軸線垂直方向／軸線方向のばね定数比を高めることができる。
【００４６】
（３）実施形態の好適例
（３−１）筒状部を設ける例
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。たとえば図７に示すように、本体部１０の内周部１０Ａおよび外周部１０Ｂに第１筒状部１３および第２筒状部１４を設けることができる。この場合、筒状部１３，１４は、本体部１０の凸状の突出方向とは逆方向（図７では上側方向）に突出することができる。たとえば第１フランジ部１１は、第１筒状部１３を介して本体部１０の内周部１０Ａに設けることができる。たとえば第２フランジ部１２は、第２筒状部１４を介して本体部１０の外周部１０Ｂに設けることができる。たとえば筒状部１３，１４は、その高さＧが同一に設定された円筒部である。この場合、たとえば本体部１０の内周端１０Ａと外周端１０Ｂの高さ方向の位置が同じであるから、フランジ部１１，１２の本体側端部１１Ｃ，１２Ｄ（筒状部１３，１４の上端同士）の高さ方向の位置が等しく設定されている。
【００４７】
上記態様では、本体部１０が内周部側および外周部側の筒状部１３，１４を介して内周部側および外周部側の相手部材のそれぞれに固定することができるから、内周部側および外周部側の少なくとも一方の筒状部の高さを適宜設定することにより、相手部材への取付位置を調整することができる。また、上記態様は、次のような特性を得ることができる。
【００４８】
図８は、図７に示すばねの変形例（第２本発明例）および第１本発明例においてＨ／ｔを６．３に設定した場合の荷重たわみ線図である。第２本発明例は、第１本発明例と同じ内外径および板厚を有し、Ｈ／ｔも上記値と同じに設定されている。
【００４９】
図８から判るように、筒状部を有する第２本発明例は、筒状部を有しない第１本発明例よりも荷重Ｐの絶対値が低く、ばね定数が低い。 なお、筒状部を有する第２本発明例について、筒状部の上端部が本体部からの離間距離が長くなると、筒状部のうち本体部から離間している部分はほとんど変形しないから、筒状部の高さＨを高くしても効果はほぼ変化しない。たとえば高さＨが１０ｍｍの場合と高さＨが１０ｍｍの場合と高さＨが２０ｍｍの場合との荷重たわみ特性は略同等となる。
【００５０】
図９は、第２本発明例おいてＨ／ｔを６．３に設定した場合の荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。図５、９から判るように、筒状部を有する第２本発明例は、筒状部を有しなくて、かつＨ／ｔ（＝６．３）が同じである第１本発明例と比較すると、ばね定数は低くなる。しかしながら、この場合、第２本発明例は、荷重値に対応する最大主応力が高く、疲労耐久性が異なるため、両者の性能を比較することができない。
【００５１】
図１０は、第１本発明例おいてＨ／ｔを５．５に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。筒状部を有しない第１本発明例のＨ／ｔを５．５に設定し、荷重値に対応する最大主応力を第２本発明例のものと同じに設定すると、図９，１０から判るように、筒状部を有する第２本発明例は、筒状部を有しない第１本発明例よりもばね定数を低くすることができる。このように筒状部を有する第２本発明例では、疲労耐久性が同等の第１本発明例よりもばね定数を低く設定することができる。
【００５２】
（３−２）本体部の好適形状
（Ａ）本体部の好適形状の取得手法例
（Ａ−１）勾配の決定手法
本実施形態では、本体部１０の形状を適宜設定することにより上方移動用および下方移動用の少なくとも一方の用途を適宜選択することができ、この場合、高さＨと板厚ｔとの比（＝Ｈ／ｔ）を調整することにより、ばね定数を低値に適宜調整することができる。
【００５３】
たとえば本体部１０の曲線形状の最適形状は、たとえば軸対称曲げを受ける円板モデルを用いて取得した曲げモーメント分布を利用することにより決定することができる。具体的には、円板モデルを用いて半径方向の位置ｒに対する曲げモーメントの分布Ｍ（ｒ）を取得し、その分布を打ち消すような形状を選択する。この場合、本体部の形状を軸対称形状に設定して、中心軸からの半径方向の位置ｒに応じて高さｈを設定することにより本体部の形状を表現する場合、その勾配ｄｈ/ｄｒの絶対値|ｄｈ/ｄｒ|が曲げモーメントＭの絶対値|Ｍ|に比例するように高さｈ(ｒ)を得る。このように得られた高さｈ(ｒ)を利用することにより、本体部１０の形状を得ることができる。
【００５４】
曲げモーメントは、図１１（Ａ），１１（Ｂ）に示すように円板３００（内径Ｄｉｎ、外径Ｄｏｕｔ）を用いることにより得ることができる。円板３００では、内径Ｄｉｎより内側部分３００Ａは剛体とし、内側部分３００Ａの中心位置（円板３００の中心位置（軸中心位置））に荷重Ｐとしてせん断荷重を加える。円板３００は、内周部および外周部にフランジ部（図示略）を有し、内周部側のフランジ部への荷重負荷を再現するための条件に近似する支持条件を用い、その支持条件では、円板３００の外周部が変位しないように完全固定され、円板３００の内周部では、そこにせん断力を加える方向以外は完全固定される。このような円板３００に、その中心位置に原点を有する極座標系（ｒ、θ、ｚ） を設定する。円板３００は荷重Ｐの負荷により曲げられ、その内部に応力が生じる。以下のように曲げモーメントの各成分を求めることにより、曲げ応力の各成分を得る。
【００５５】
弾性学の円板曲げ理論および２次元弾性論を用いることにより円板３００でのたわみ角φは、数１の数式で表される。円板３００の支持条件を数１の式に代入した数３，４の数式から立てた連立方程式を解くことにより、Ｃ１，Ｃ２は数５，６の数式で表される。
【００５６】
【数１】
なお、ｒは円板３００の原点からの距離、Ｐは荷重値、Ｄは、円板の曲げ剛性であって数２の数式で表される。
【００５７】
【数２】
なお、Ｅはヤング率、νはポアソン比である。
【００５８】
【数３】
【００５９】
【数４】
【００６０】
【数５】
【００６１】
【数６】
【００６２】
２次元弾性論を用いることにより、数７の数式で表される半径方向の曲げモーメントＭｒおよび数８の数式で表される円周方向の曲げモーメントＭθが得られる。数７，８の数式のなかのｄφ/ｄｒは、数１の数式を微分することによって数９の数式で与えられる。上方移動用のばねの形状を決定するために必要な半径方向の曲げモーメント分布は、数７の数式により得られる。下方移動用のばねの形状を決定するために必要な円周方向の曲げモーメント分布は、数８の数式により得られる。勾配は、その大きさがそのような分布を有する曲げモーメントの大きさに比例するように決定される。なお、曲げモーメントは荷重Ｐ、円板の曲げ剛性の逆数１／Ｄに比例することから、勾配の分布は、荷重Ｐおよび板厚ｔによらず、内径Ｄｉｎおよび外径Ｄｏｕｔにより決定される。
【００６３】
【数７】
【００６４】
【数８】
【００６５】
【数９】
【００６６】
上方移動用および下方移動用の両用のばねの形状を決定するために必要な最大主応力σmaxの考えに基づくモーメントの分布の算出について説明する。数７の数式で表される半径方向の曲げモーメントＭｒおよび数８の数式で表される円周方向の曲げモーメントＭθを用いると、円板３００の上面側および下面側の応力成分σｒ（上面）、σθ（上面）、σｒ（下面）、σθ（下面）は、数１０〜１３の数式で与えられる。応力成分σｒは半径方向の曲げモーメントＭｒに比例し、応力成分σθは円周方向の曲げモーメントＭθに比例していることが判る。
【００６７】
【数１０】
なお、Ａは板厚ｔによって決定されるパラメータ（＝６／ｔ２）である。
【００６８】
【数１１】
なお、Ａは、数１０の数式と同じパラメータである。
【００６９】
【数１２】
【００７０】
【数１３】
【００７１】
上記のように円板３００にせん断荷重を加えた場合、軸線方向断面での任意の最大主応力σmaxは、数１４の数式で表され、疲労強度パラメータとして用いられる。応力成分τｒθは軸対称問題のために０であるから、最大主応力σmaxは数１５の数式で表される。
【００７２】
【数１４】
【００７３】
【数１５】
【００７４】
任意の半径ｒにて半径方向の曲げモーメントＭｒおよび円周方向の曲げモーメントＭθのうちの大きい方の曲げモーメントをＭmaxとした場合、Ｍmaxは数１６の数式で表される。Ｍmaxを用いることにより、最大主応力σmaxは数１７の数式で表される。この場合、円板３００の上面側と下面側では最大主応力σmaxが異なる。たとえば、荷重Ｐが正のとき、上面側の最大主応力σmaxは図１２に示す分布を有し、下面側の最大主応力σmaxは図１３に示す分布を有する。
【００７５】
【数１６】
【００７６】
【数１７】
なお、Ａは、数１０の数式と同じパラメータである。
【００７７】
上面側および下面側の最大主応力σmaxのうちの大きい方の最大主応力σmax’は数１８の数式で表される。σmax’は、図１２，１３に示すグラフから図１４に示すように得られる。σmax’に対応する曲げモーメント分布Ｍmax’は、数１９の数式に示すように半径方向および円周方向の曲げモーメントの絶対値のうちの大きい方のモーメントを採用することにより得られる。Ｍmax’は、図１５に示すように得られる。曲げモーメント分布Ｍmax’に着目し、勾配は、その大きさが上記分布を有する曲げモーメントＭmax’の絶対値に比例するように決定される。なお、曲げモーメント分布Ｍmax’は｜Ｍｒ｜および｜Ｍθ｜で表現されることから、勾配の分布は、ＭｒおよびＭθと同様、荷重Ｐおよび板厚ｔによらず、内径Ｄｉｎおよび外径Ｄｏｕｔにより決定される。
【００７８】
【数１８】
【００７９】
【数１９】
【００８０】
（Ａ−２）高さの決定手法
ばねの本体部の形状はたとえば下方に向けて凸状に設定されているから、勾配の正負が本体部の内終端から外終端へ向かう途中で１回変化するように符号が決定される。この場合、勾配が０となる位置で正負が変化すると、曲線は連続的に変化するから、勾配の正負は、上方移動用のばねあるいは下方移動用のばねとして用いる場合には、数２０の数式を満たす位置ｒ（＝ｒ’）で変化させ、上方移動用および下方移動用の両用のばねとして用いる場合には、勾配は常に０より大きいから、勾配の大きさが最も小さな位置となる数２１の数式を満たす位置ｒ（＝ｒ’）で変化させる。
【００８１】
【数２０】
なお、Ｍは、上方移動用のばねの場合にはＭｒ、下方移動用のばねの場合にはＭθである。
【００８２】
【数２１】
【００８３】
以上のように曲げモーメントＭ（上方移動用のばねの場合にはＭｒ、下方移動用のばねの場合にはＭθ、上方移動用および下方移動用の両用のばねの場合にはＭmax’）に基づき勾配を求めて本体部の形状を得る場合、勾配とモーメントの関係は数２２の数式で表される。一方、高さ位置ｈは、勾配を積分することにより得られ、数２３の数式で表される。数２２および数２３の数式から高さ位置ｈが得られ、高さ位置ｈは、数２４の数式で示すように、任意の軸線方向断面上の位置ｒで表される。本体部の形状の設計時、比例定数αを調整することにより、ｈ(r)を調整することができる（すなわち、高さＨを調整することができる）。したがって、 Ｈ／ｔを適宜調整することができるから、ばねの仕様に応じてばね定数を調整することができる。なお、本体部の好適形状の取得で用いられる高さＨは、たとえば本体部１０の形状を下方に向けて凸状に設定した場合、ｈ（r）のうちの最小値ｈminの絶対値|ｈmin｜であり、ｈminは、数２５の数式で表される。
【００８４】
【数２２】
なお、αは、０より大きな任意の比例定数である。
【００８５】
【数２３】
【００８６】
【数２４】
【００８７】
【数２５】
【００８８】
なお、本体部の形状を得るために、曲げモーメント分布Ｍmax’の代わりにその変形例であるモーメント分布Ｍmax”を用いてもよい。Ｍmax’は常に０より大きいため、ｒ＝ｒ’のときのＭmax’は、ｒの全域において与えられる。そこで、数２６の数式で表されるモーメントＭmax”について説明する。Ｍmax”はｒ＝ｒ’となる位置の勾配が０となるから、モーメント分布Ｍmax”のモーメントの大きさに勾配の大きさを比例させることにより本体部を得、その本体部では、その曲線形状が連続的に変化する。
【００８９】
【数２６】
【００９０】
（Ｂ）本体部の好適形状例
本体部の好適形状例について、たとえば本体部およびフランジ部の内外径、板厚、ならびに、相手部材は、皿ばねの上記一例（従来例）と同じである場合、軸対称曲げを受ける円板モデルを用いて得られる曲げモーメントＭ（上方移動用のばねの場合にはＭｒ、下方移動用のばねの場合にはＭθ、上方移動用および下方移動用の両用のばねの場合にはＭmax’）の分布は、図１５に示すように得られる。勾配の大きさが、図１５に示す分布を有する曲げモーメントＭの大きさに比例するように作成した曲線を利用することにより、本体部１０の曲線形状の最適形状を得ることができる。
【００９１】
上方移動用のばね、下方移動用のばね、および、上方移動用および下方移動用の両用のばねを用いる場合の本体部の好適形状例について説明する。なお、本願では、符号Ｃは、本体部１０の内周端１０Ａと外周端１０Ｂとの中心位置を示し、符号Ｑは、本体部１０の形状の勾配の正負が変化する箇所を示し、符号Ｌは、本体部１０の形状の内周端１０Ａの勾配のデータを示し、符号Ｍは、本体部の形状の外周端１０Ｂの勾配のデータを示している。なお、以下の本体部の好適形状例では、たとえば本体部１０の外周部１０Ｂに第２筒状部１４を設けることにより、本体部１０の内周端１０Ａ（第１フランジ部１１の本体側端部１１Ｃ）と第２フランジ部１２の本体側端部１２Ｄの高さ方向の位置を等しく設定している。
【００９２】
（Ｂ―１）上方移動用のばねを用いる場合
図１６は、得られた本体部１０の形状の好適例（第３本発明例）を示すグラフである。図１６は、勾配の大きさが、図１５に示す分布を有する半径方向の曲げモーメントＭｒの大きさの大きさに比例するように勾配分布を決めたときの高さ分布である。図１６に示す例では、Ｈ／ｔを６．３に設定し、Ｈ／ｔ以外のサイズおよび相手部材は、皿ばねの上記一例（従来例）と同じである。
【００９３】
本体部１０の軸線方向断面の形状について、たとえば図１６，１７に示すように本体部１０の形状を下方に向けて凸状に設定した場合、軸線方向断面における本体部１０の形状の勾配は内周端１０Ａから外周端１０Ｂに向かって単調増加し、本体部１０の内周端１０Ａの形状の勾配は負であり、その絶対値は、本体部１０の外周端１０Ｂの形状の勾配の絶対値よりも大きく、本体部１０の形状の勾配の正負が変化する位置Ｑは中心位置Ｃよりも内周端１０Ａ側に位置する。なお、このような本体部１０の特徴は、板厚、外径、内径を変更しても同様である。
【００９４】
第３本発明例では、半径方向の曲げモーメントＭｒを均一とすることにより、応力成分σｒの均一化を図ることができるから、本体部に分布している応力のうち最大となる応力を低く設定することができる。したがって、上方移動時のばね定数を低値に適宜調整することができる。
【００９５】
図１８は、第３本発明例の形状において第２筒状部を設けない場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。第３本発明例では、図１８に示すようにたとえば引張方向の荷重Ｐが１５００Ｎのときのたわみ量は４．２ｍｍであり、０〜１５００Ｎの範囲での平均ばね定数に換算すると約３６０Ｎ／ｍｍである。第１本発明例では、図４に示すようにＨ／ｔを調整しても、たわみ量を大きく設定することができないため、ばね定数は高いが、第３本発明例では上記のようにばね定数を低く設定することができる。
【００９６】
図１９は、第１本発明例のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。この場合、第１本発明例において荷重値に対応する最大主応力を、筒状部を有しない第３本発明例（図１８に示す例）のものと同じに設定している。本体部１０が円弧形状をなす第１本発明例では、図１９に示すようにたとえば下方移動するように１５００Ｎの荷重を負荷したときのたわみ量は３．１ｍｍであり、下方移動における０〜１５００Ｎの範囲での平均ばね定数に換算すると約４８０Ｎ／ｍｍである。したがって、第３本発明例は、第１本発明例よりもばね定数を低く設定することができる。このように第３本発明例では、疲労耐久性が同等の第１本発明例よりもばね定数を低く設定することができる。
【００９７】
（Ｂ―２）下方移動用のばねを用いる場合
図２２は、得られた本体部１０の形状の好適例（第４本発明例）を示すグラフである。図２２は、勾配の大きさが図１５に示す分布を有する円周方向の曲げモーメントＭθの大きさに比例するように勾配分布を決めたときの高さ分布である。図２２に示す例では、Ｈ／ｔを６．３に設定し、Ｈ／ｔ以外のサイズおよび相手部材は、皿ばねの上記一例（従来例）と同じである。
【００９８】
本体部１０の軸線方向断面の形状について、たとえば図２２，２３に示すように本体部１０の形状を下方に向けて凸状に設定した場合、軸線方向断面における本体部１０の形状の勾配は、内周端１０Ａから外周端１０Ｂに向かって減少し、中心位置Ｃよりも内周端１０Ａ側で増加に転じ、本体部１０の内周端１０Ａの形状の勾配は負であり、その絶対値は、本体部１０の外周端１０Ｂの形状の勾配の絶対値よりも大きく、本体部１０の形状の勾配の正負が変化する位置Ｑは、中心位置Ｃよりも外周端１０Ｂ側に位置する。なお、このような本体部１０の特徴は、板厚、外径、内径を変更しても同様である。
【００９９】
第３本発明例では、円周方向の曲げモーメントＭθを均一とすることにより、応力成分σθの均一化を図ることができるから、本体部に分布している応力のうち最大となる応力を低く設定することができる。したがって、下方移動時のばね定数を低値に適宜調整することができる。
【０１００】
図２４は、第４本発明例の形状において第２筒状部を設けない場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、およびばね定数の線図である。第４本発明例では、図２４に示すようにたとえば下方移動時の荷重Ｐが１０００Ｎのときのたわみ量は―５ｍｍであり、下方移動における０〜１０００Ｎの範囲での平均ばね定数に換算すると約２００Ｎ／ｍｍである。第１本発明例では、図４に示すようにＨ／ｔを調整しても、たわみ量を大きく設定することができないため、ばね定数が高いが、第４本発明例では上記のようにばね定数を低く設定することができる。
【０１０１】
図２５は、第４本発明例においてＨ／ｔを９に設定した場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。第４本発明例では、図２５に示すようにたとえば圧縮方向の荷重Ｐが１５００Ｎのときのたわみ量は、―４．８１ｍｍである。本体部１０が円弧形状をなす第１本発明例では、図１９に示すようにたとえば圧縮方向の荷重Ｐが１５００Ｎのときのたわみ量は―３．５ｍｍであり、最大主応力は高くなっている。したがって、第４本発明例は、第１本発明例よりも、最大主応力が低くて、かつ平均ばね定数を低く設定することができる。このように第４本発明例では、疲労耐久性が同等の第１本発明例よりも下方移動時のばね定数を低く設定することができる。
【０１０２】
（Ｂ―３）上方移動用および下方移動用の両用のばねを用いる場合
図２６は、得られた本体部１０の形状の好適例（第５本発明例）を示すグラフである。図２６は、勾配の大きさが、図１５に示す分布において半径方向の曲げモーメントの大きさ|Ｍｒ|および円周方向の曲げモーメントの大きさ|Ｍθ|のうちの大きい方の値であるモーメントＭmax’に比例するように勾配分布を決めたときの高さ分布である。図２６に示す例では、Ｈ／ｔを６．３に設定し、Ｈ／ｔ以外のサイズおよび相手部材は、皿ばねの上記一例（従来例）と同じである。
【０１０３】
本体部１０の軸線方向断面の形状について，たとえば図２６，２７に示すように本体部１０の形状を下方に向けて凸状に設定した場合、軸線方向断面における本体部１０の形状の勾配は内周端１０Ａから外周端１０Ｂに向かって単調増加し、本体部１０の内周端１０Ａの形状の勾配は負であり、その絶対値は、本体部１０の外周端１０Ｂの形状の勾配の絶対値よりも大きく、本体部１０の形状の勾配が０になる位置Ｑは、中心位置Ｃよりも外周端１０Ｂ側に位置する。なお、このような本体部１０の特徴は、板厚、外径、内径を変更しても同様である。
【０１０４】
第５本発明例では、半径方向の曲げモーメントの大きさ|Ｍｒ|および円周方向の曲げモーメントの大きさ|Ｍθ|のうちの大きい方の値であるモーメントＭmax’を均一とすることにより、最大主応力σmaxの均一化を図ることができるから、本体部に分布している応力のうち最大となる応力を低く設定することができる。したがって、上方移動時および下方移動時のばね定数を低値に適宜調整することができる。
【０１０５】
図２８は、第５本発明例の形状において第２筒状部を設けない場合のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。第５本発明例では、図２８に示すようにたとえば上方移動時の荷重Ｐが１５００Ｎのとき、図１９に示すように、本体部１０が円弧形状をなす第１本発明例と同一の最大主応力とたわみ量を示す。第５本発明例は、図２８に示すようにたとえば下方移動時の荷重Ｐが１５００Ｎのとき、図１９に示す第１本発明例よりも最大主応力が低くて、かつ平均ばね定数を低く設定することができる。このように第５本発明例では、上方移動時および下方移動時のいずれの時も、疲労耐久性が同等あるいはそれ以下の第１本発明例よりもばね定数を低く設定することができる。
【０１０６】
なお、本体部の好適形状の設定では、勾配と曲げモーメントの関係を示す数２２の数式の比例定数αを、軸線方向断面の径方向の位置毎に変更してもよい。たとえば上記実施形態では、上方移動用のばね、下方移動用のばね、および、上方移動用および下方移動用の両用のばねを用いる場合の本体部１０の好適形状例について、本体部１０の形状を下方に向けて凸状に設定したとき、いずれの例でも、本体部１０の内周端１０Ａは、外周端１０Ｂよりも上方に位置するが、たとえば内周端１０Ａと外周端１０Ｂの高さ方向の位置が等しくなるように、径方向の所定位置を境にして比例定数αを変更して調整してもよい。
【０１０７】
比例定数αを一定にしている図１８，２４，２８に示す第３本発明例、第４本発明例、および、第５本発明例のたわみ量に対するばね定数の線図では、いずれの例でも、上方移動時のたわみ量が増すに従い、ばね定数が高くなる。このように本体部１０の内周端１０Ａが外周端１０Ｂよりも上方に位置する形状では、軸線方向断面の本体部１０の外周端１０Ｂ近傍の略円弧形状の長さが短いため、図２（Ａ）で示す上方移動時にたわみ量が大きくなると、本体部１０が変形しにくくなる虞がある。そのため、上方移動時のたわみ量が大きくなるに従って、ばね定数も高くなる虞がある。
【０１０８】
そこでたとえば図２０に示す第３本発明例の変形例では、半径方向の曲げモーメントＭｒに対する勾配の比例定数が、勾配の正負の変化位置Ｑよりも内周側と外周側とにおいて異なるように設定することにより、内周端１０Ａと外周端１０Ｂの高さを等しく設定することができる。図２１は、第３本発明例の変形例（図１６の変形例、第６本発明例）のたわみ量に対する荷重、最大主応力、および、ばね定数の線図である。図１８，２１から判るように、第６本発明例では、第３本発明例よりも上方移動のたわみ量が大きいときのばね定数を低くすることができる。このように第６本発明例では、内周端１０Ａと外周端１０Ｂの高さ方向の位置を等しく設定することにより、上方移動時のたわみ量が大きくなった時でも、ばね定数を低くすることができる。
【０１０９】
（４）実施形態の適用例
ばね１は、たとえば図２９に示すサスペンション装置５０に適用することができる。サスペンション装置５０は、たとえば緩衝器６０、サスペンションスプリング７０、および、ばね１を備えている。ばね１は、たとえばサスペンション装置５０のアッパシートとしての機能を兼ねている。
【０１１０】
緩衝器６０は、ピストン部６１およびシリンダ部６２を備えている。ピストン部６１の下端部の弁（図示略）がシリンダ部６２内面を摺動する。ピストン部６１のロッドは、その周囲に設けられたロッドガイド部（図示略）のシールを摺動する。シリンダ部６２の外周部には、サスペンションスプリング７０の車輪側端部を受けるフランジ部６３が形成されている。シリンダ部６２には、作動油等が封入され、作動油等が摺動時の弁を通過して抵抗が発生することにより緩衝機能が実現される。サスペンションスプリング７０は、フランジ部６３とばね１との間に設けられ、たとえばコイルスプリングである。
【０１１１】
ばね１では、第１フランジ部１１が、孔部１１Ａに設けられたねじ手段等の固定部材７１により固定されるとともに、第２フランジ部１２が、ねじ手段等の固定部材７２により車体１２０に固定される。ばね１としては、要求される特性に応じて、上方移動用、下方移動用、あるいは、上方移動用および下方移動用の両用のばねを用いることができる。
【０１１２】
車両の車輪側からの荷重が緩衝器６０を通じて車体に入力される場合、その荷重が高周波帯域や微振幅領域の振動である時、緩衝器６０がそのような振動に対して追従できない虞がある。この場合、軸線方向のばね定数が低く設定されているばね１が、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように変形することにより、高周波帯域や微振幅領域の振動を吸収することができる。したがって、緩衝器６０でスティックスリップが発生した場合でも、ばね１は荷重変動を抑制することができるから、乗り心地が良好となる。
【０１１３】
また、ばね１では、本体部１０が皿ばね部として機能するから、緩衝器６０の軸線方向以外の方向の剛性を高くすることができる。したがって、緩衝器６０の軸線方向の振動がばね１に対してせん断応力として作用した場合でも、ばね１は軸線方向以外の方向に撓まない。その結果、操縦安定性を確保することができる。
【符号の説明】
【０１１４】
１…ばね、１０…本体部、１０Ａ…内周部，内周端、１０Ｂ…外周部，外周端、１１…第１フランジ部（フランジ部）、１２…第２フランジ部（フランジ部）、１３…第１筒状部（筒状部）、１４…第２筒状部（筒状部）、１１１…第１部材（相手部材）、１１２…第２部材（相手部材）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周部および外周部を有するとともに弾性変形可能な本体部と、
前記本体部の内周部および外周部に設けられ、前記内周部および前記外周部のそれぞれの相手部材に固定されるフランジ部とを備え、
前記本体部は、軸線方向断面において、前記内周部と前記外周部との間の中央部が前記内周部と前記外周部とを結ぶ直線に対して凸状をなし、その凸状が曲線状をなすような形状を有することを特徴とするばね。
【請求項２】
前記内周部および前記外周部に筒状部が設けられ、
前記筒状部は、前記本体部の前記凸状の突出方向とは逆方向に突出し、
前記フランジ部は、前記筒状部を介して前記本体部の前記内周部および前記外周部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のばね。
【請求項３】
前記本体部の軸線方向断面において、軸線方向を縦軸として用い、径方向を横軸として用いた座標系を設定し、縦軸の正方向を軸線方向の上側方向に設定し、横軸の正方向を径方向において前記内終端から前記外終端に向かう方向に設定し、前記軸線方向断面における前記本体部の形状の勾配を前記本体部の凸状の輪郭線における各位置での接線の傾きとし、前記本体部の形状を下方に向けて凸状に設定した場合、
前記本体部の形状の前記勾配は前記内周端から前記外周端に向かって単調増加し、前記本体部の前記内周端の形状の前記勾配は負であり、その絶対値は、前記本体部の前記外周端の形状の前記勾配の絶対値よりも大きく、前記本体部の形状の前記勾配の正負が変化する箇所は、前記内周端と前記外周端との中心位置よりも内周端側に位置することを特徴とする請求項１または２に記載のばね。
【請求項４】
前記本体部の軸線方向断面において、軸線方向を縦軸として用い、径方向を横軸として用いた座標系を設定し、縦軸の正方向を軸線方向の上側方向に設定し、横軸の正方向を径方向において前記内終端から前記外終端に向かう方向に設定し、前記軸線方向断面における前記本体部の形状の勾配を前記本体部の凸状の輪郭線における各位置での接線の傾きとし、前記本体部の形状を下方に向けて凸状に設定した場合、
前記本体部の形状の前記勾配は、前記内周端から前記外周端に向かって減少し、前記内周端と前記外周端との中心位置よりも内周端側で増加に転じ、前記本体部の前記内周端の形状の前記勾配は負であり、その絶対値は、前記本体部の前記外周端の形状の前記勾配の絶対値よりも大きく、前記本体部の形状の勾配の正負が変化する箇所は、前記中心位置よりも前記外周端側に位置することを特徴とする請求項１または２に記載のばね。
【請求項５】
前記本体部の軸線方向断面において、軸線方向を縦軸として用い、径方向を横軸として用いた座標系を設定し、縦軸の正方向を軸線方向の上側方向に設定し、横軸の正方向を径方向において前記内終端から前記外終端に向かう方向に設定し、前記軸線方向断面における前記本体部の形状の勾配を前記本体部の凸状の輪郭線における各位置での接線の傾きとし、前記本体部の形状を下方に向けて凸状に設定した場合、
前記本体部の形状の前記勾配は、前記内周端から前記外周端に向かって単調増加し、前記本体部の前記内周端の形状の勾配は負であり、その絶対値は、前記本体部の前記外周端の形状の勾配の絶対値よりも大きく、前記本体部の形状の勾配の正負が変化する箇所は、前記内周端と前記外周端との中心位置よりも外周端側に位置することを特徴とする請求項１または２に記載のばね。
【請求項６】
前記内周端と前記外周端との前記軸線方向の位置が同じであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のばね。
【請求項１】
内周部および外周部を有するとともに弾性変形可能な本体部と、
前記本体部の内周部および外周部に設けられ、前記内周部および前記外周部のそれぞれの相手部材に固定されるフランジ部とを備え、
前記本体部は、軸線方向断面において、前記内周部と前記外周部との間の中央部が前記内周部と前記外周部とを結ぶ直線に対して凸状をなし、その凸状が曲線状をなすような形状を有することを特徴とするばね。
【請求項２】
前記内周部および前記外周部に筒状部が設けられ、
前記筒状部は、前記本体部の前記凸状の突出方向とは逆方向に突出し、
前記フランジ部は、前記筒状部を介して前記本体部の前記内周部および前記外周部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のばね。
【請求項３】
前記本体部の軸線方向断面において、軸線方向を縦軸として用い、径方向を横軸として用いた座標系を設定し、縦軸の正方向を軸線方向の上側方向に設定し、横軸の正方向を径方向において前記内終端から前記外終端に向かう方向に設定し、前記軸線方向断面における前記本体部の形状の勾配を前記本体部の凸状の輪郭線における各位置での接線の傾きとし、前記本体部の形状を下方に向けて凸状に設定した場合、
前記本体部の形状の前記勾配は前記内周端から前記外周端に向かって単調増加し、前記本体部の前記内周端の形状の前記勾配は負であり、その絶対値は、前記本体部の前記外周端の形状の前記勾配の絶対値よりも大きく、前記本体部の形状の前記勾配の正負が変化する箇所は、前記内周端と前記外周端との中心位置よりも内周端側に位置することを特徴とする請求項１または２に記載のばね。
【請求項４】
前記本体部の軸線方向断面において、軸線方向を縦軸として用い、径方向を横軸として用いた座標系を設定し、縦軸の正方向を軸線方向の上側方向に設定し、横軸の正方向を径方向において前記内終端から前記外終端に向かう方向に設定し、前記軸線方向断面における前記本体部の形状の勾配を前記本体部の凸状の輪郭線における各位置での接線の傾きとし、前記本体部の形状を下方に向けて凸状に設定した場合、
前記本体部の形状の前記勾配は、前記内周端から前記外周端に向かって減少し、前記内周端と前記外周端との中心位置よりも内周端側で増加に転じ、前記本体部の前記内周端の形状の前記勾配は負であり、その絶対値は、前記本体部の前記外周端の形状の前記勾配の絶対値よりも大きく、前記本体部の形状の勾配の正負が変化する箇所は、前記中心位置よりも前記外周端側に位置することを特徴とする請求項１または２に記載のばね。
【請求項５】
前記本体部の軸線方向断面において、軸線方向を縦軸として用い、径方向を横軸として用いた座標系を設定し、縦軸の正方向を軸線方向の上側方向に設定し、横軸の正方向を径方向において前記内終端から前記外終端に向かう方向に設定し、前記軸線方向断面における前記本体部の形状の勾配を前記本体部の凸状の輪郭線における各位置での接線の傾きとし、前記本体部の形状を下方に向けて凸状に設定した場合、
前記本体部の形状の前記勾配は、前記内周端から前記外周端に向かって単調増加し、前記本体部の前記内周端の形状の勾配は負であり、その絶対値は、前記本体部の前記外周端の形状の勾配の絶対値よりも大きく、前記本体部の形状の勾配の正負が変化する箇所は、前記内周端と前記外周端との中心位置よりも外周端側に位置することを特徴とする請求項１または２に記載のばね。
【請求項６】
前記内周端と前記外周端との前記軸線方向の位置が同じであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のばね。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【公開番号】特開２０１２−２３７４２２（Ｐ２０１２−２３７４２２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０８２３３（Ｐ２０１１−１０８２３３）
【出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【出願人】（０００００４６４０）日本発條株式会社 (1,048)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【出願人】（０００００４６４０）日本発條株式会社 (1,048)
【Ｆターム（参考）】
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