コイルばね

【課題】密着状態で負荷を安定して受けさせると共に扁平率を小さくして密着長を短くし、且つ断面形状の周方向での応力分散の連続性により応力分布の均一性を向上させ、横ずれを抑制することを可能としたコイルばねを提供する。
【解決手段】コイル形状に巻かれるばね素線３の断面外周形状につき、コイル外径側部分９及びコイル内径側部分７を、（ｘ／ａ）α＋（ｙ／ｂ）α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの超楕円形状とし、αの値を、α＝２〜３の範囲としたコイルばねであって、ばね素線３のコイル軸線５方向一側に、凹凸当接部１１を設け、同他側に、凸弧状当接部１３を設け、凹凸当接部１１は、断面弧状の凹部１５とこの凹部１５の両側及びコイル内外径側部分７，９にそれぞれ連続する断面弧状の一対の凸部１７，１９を備え、一対の凸部１７，１９にコイル軸線５方向に隣接するコイル部分の凸弧状当接部１３が当接してコイルが密着することを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、捩り振動減衰器のトーション・スプリング等に供されるコイルばねに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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。
【０００３】
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り、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さらに影響を受ける。
【０００４】
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。
【０００５】
図１３は、扁平率Ｔ／Ｗの相違によるばね指数Ｄ／Ｗと応力比との関係を示すグラフ、図１４は、扁平率Ｔ／Ｗの相違によるばね指数Ｄ／Ｗと密着高さ比との関係を示すグラフ、図１５〜図１８は、従来のコイルばねにおけるばね素線の断面において、有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した断面応力分布図である。
【０００６】
図１５のばね素線１０１の符号を参照すると、Ｔは、コイル軸線方向の最大寸法、Ｗは、コイル半径方向の最大寸法、Ｄは、コイル中心径である。
【０００７】
図１３は、円形断面のばね素線に扁平面を設けた場合について、ばね定数及び密着高さを一定とし、応力比を確認したものである。図１４は、円形断面のばね素線に扁平面を設けた場合について、ばね定数及び応力を一定とし、密着高さ比を確認したものである。図１３，図１４の何れも、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．９２のばね指数Ｄ／Ｗに対する応力の変化を１とし、この扁平率Ｔ／Ｗ＝０．９２に対する扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６のコイルばねについて応力比及び密着高さ比を確認した。
【０００８】
図１３，図１４のように、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．９２に対して扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６になると、応力比及び密着高さの何れも小さくなった。
【０００９】
図１５のばね素線１０１は、ベースとなる円形の断面に扁平面１０３を伸線等により形成し、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．９２としたものである。図１６のばね素線１０５は、ベースとなる円形の断面に扁平面１０７を伸線等により形成し、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６としたものである。
【００１０】
図１５，図１６の比較から明らかなように、ベースが円形断面のばね素線１０１，１０５では、扁平面１０３，１０７の形成によりコイル内径側部分１０９の応力を扁平面１０３，１０７にまで分散できている。しかし、円形断面の場合には、扁平率Ｔ／Ｗが小さくなると周方向での応力分散はできているが、応力分散の連続性が低下する結果となり、扁平面１０３，１０７の形成により扁平率Ｔ／Ｗを小さくして応力の均一化を図ることに限界がある。
【００１１】
図１７のばね素線１１１は、矩形の断面に形成されたものである。この矩形の断面を有するばね素線１１１の場合も、コイル内径側部分１０９の応力を分散することができると共に、密着状態で安定して負荷を受けることができる点では図１５，図１６と同様である。
【００１２】
しかし、図１７のばね素線１１１の場合も、応力分散の連続性に関しては、同一の扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６である図１６の例と比較しても低下している。
【００１３】
すなわち、従来の円形断面や矩形断面のばね素線に扁平面を設けたコイルばねでは、密着状態で負荷を安定して受けさせると共に扁平率を小さくして密着長を短くし、且つ断面形状の周方向での応力分散の連続性により応力分布の均一性を向上させることに限界があった。
【００１４】
これに対し、図１８のばね素線１１３は、コイル内径側部分１１５を（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの超楕円形状とし、αの値を、α＝１．８〜２．４５の範囲にとり、コイル外形側部分１１７をｘ^２＋ｙ^２＝１の円形形状とした。扁平率は、Ｔ／Ｗ＝０．７６である
このばね素線１１３では、応力比及び密着高さの何れも小さく、しかも応力分散の連続性も向上している。
【００１５】
しかし、このばね素線１１３の場合には、扁平面１１９の密着形態が一義的であり、扁平面１１９相互が傾いていると密着時の座りが安定しないという問題がある。
【００１６】
また、コイルが湾曲形成されるものでは、各扁平面１１９の傾きをコイルの曲率に応じて設定しなければならないという問題もある。
【００１７】
さらに、扁平面１１９相互の当接であるため、コイル径方向への横ずれを招き易いという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平６−３０００６５号公報
【特許文献２】２００８−１８５０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
解決しようとする問題点は、従来のばね素線に成型当接面を設けたコイルばねでは、密着状態で負荷を安定して受けさせると共に扁平率を小さくして密着長を短くし、且つ断面形状の周方向での応力分散の連続性により応力分布の均一性を向上させることに限界があり、しかも横ずれを招き易かった点である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、密着状態で負荷を安定して受けさせると共に扁平率を小さくして密着長を短くし、且つ断面形状の周方向での応力分散の連続性により応力分布の均一性を向上させ、横ずれを抑制するために、コイル形状に巻かれるばね素線の断面外周形状につき、コイル外径側部分及びコイル内径側部分を、（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの超楕円形状とし、前記αの値を、α＝２〜３の範囲としたコイルばねであって、前記ばね素線のコイル軸線方向一側に、凹凸当接部を設け、同他側に、凸弧状当接部を設け、前記凹凸当接部は、断面弧状の凹部とこの凹部の両側及び前記コイル内外径側部分にそれぞれ連続する断面弧状の一対の凸部を備え、前記一対の凸部にコイル軸線方向に隣接するコイル部分の前記凸弧状当接部が当接してコイルが密着することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のコイルばねは、上記構成であるから、コイル外径側部分及びコイル内径側部分と凹凸部及び凸弧状当接部間で応力分布の均一性を向上させ、且つ密着状態で外周凸曲面が凸部に当接することで密着状態が安定し、負荷を安定して受けさせることができる。また、凸弧状当接部が凹部に嵌合するから、コイル径方向のいわゆる横ずれを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】コイルばねの正面図である。（実施例１）
【図２】ばね素線の密着を示す要部拡大断面図である。（実施例１）
【図３】ばね素線の密着を示す要部拡大断面図である。（実施例１）
【図４】ばね素線の形状を示す要部拡大断面図である。（実施例１）
【図５】ばね素線の形状を示す要部拡大断面図である。（実施例１）
【図６】ばね素線の密着を示す要部拡大断面図である。（実施例１）
【図７】ばね素線の密着を示す要部拡大断面図である。（実施例１）
【図８】有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した断面応力分布図である。（実施例１）
【図９】有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した断面応力分布図である。（比較例１）
【図１０】有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した断面応力分布図である。（比較例２）
【図１１】有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した断面応力分布図である。（比較例３）
【図１２】密着長と体荷重応力比との関係を示すグラフである。（実施例１）
【図１３】扁平率Ｔ／Ｗの相違によるばね指数Ｄ／Ｗと応力比との関係を示すグラフである。（従来例）
【図１４】扁平率Ｔ／Ｗの相違によるばね指数Ｄ／Ｗと密着高さ比との関係を示すグラフである。（従来例）
【図１５】有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した断面応力分布図である。（従来例）
【図１６】有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した断面応力分布図である。（従来例）
【図１７】有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した断面応力分布図である。（従来例）
【図１８】有限要素法による応力分布状態の解析結果を示した断面応力分布図である。（従来例）
【発明を実施するための形態】
【００２３】
密着状態で負荷を安定して受けさせると共に扁平率を小さくして密着長を短くし、且つ断面形状の周方向での応力分散の連続性により応力分布の均一性を向上させ、横ずれを抑制することを可能にするという目的を、コイル外径側部分及びコイル内径側部分を、（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの曲線形状とし、前記αの値を、α＝２〜３の範囲としたコイルばねであって、ばね素線のコイル軸線方向一側に、凹凸当接部を設け、同他側に、凸弧状当接部を設けることで実現した。
【実施例１】
【００２４】
［コイルばね］
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、ばね素線の密着を示す要部拡大断面図、図３は、ばね素線の密着を示す要部拡大断面図、図４は、ばね素線の形状を示す要部拡大断面図である。
【００２５】
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トーショナル・ダンパ（捩り振動減衰器）内に組付けられるものであり、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５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。
【００２６】
図２〜図４のように、コイルばね１のばね素線３は、コイル内外径側部分７、９が（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの曲線形状である超楕円形状となっている。αの値は、α＝２〜３の範囲とした。
【００２７】
コイル軸線方向の最大寸法Ｔ、コイル半径方向の最大寸法Ｗとすると、本実施例では、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．７６に設定されている。但し、扁平率Ｔ／Ｗは、０．５〜０．９５の範囲で選択することができる。
【００２８】
ばね素線３のコイル軸線方向一側には、凹凸当接部１１が設けられ、同他側に、凸弧状当接部１３が設けられている。
【００２９】
図５は、ばね素線の形状を示す要部拡大断面図である。
【００３０】
図５のように、凹凸当接部１１は、凹部１５と一対の凸部１７，１９とを備えている。凹部１５は、断面弧状、例えば半径ｒ１の断面円弧状に形成されている。半径ｒ１は、例えばＷ／２よりも大きく設定されている。凸部１７，１９は、凹部１５の両側及びコイル内外径側部分７，９にそれぞれ連続する断面弧状、例えば半径ｒ２の断面円弧状に形成されている。半径ｒ２は、凹部１５の両側及びコイル内外径側部分７，９を滑らかに連続させる程度のものである。
【００３１】
図２、図３のように、一対の凸部１７，１９にコイル軸線５方向に隣接するコイル部分の凸弧状当接部１３が当接してコイルが密着する。この密着状態で凸弧状当接部１３は、凹部１５に嵌合し、コイル径方向のいわゆる横ずれを抑制することができる。
【００３２】
この密着状態は、凹部１５の曲率と同程度の凸円弧２１を形成する場合に比較して、Ｓの範囲で相互間隔を短縮することが可能となり、その分コイルばねの密着高さを低くすることができる。
【００３３】
凹部１５と凸弧状当接部１３との当接間には、コイル密着時に隙間が形成される。この隙間形成により、一対の凸部１７，１９が凸弧状当接部１３に確実に当接し、密着時の座りを確実に安定させることができる。
【００３４】
密着するコイル部分相互の角度θは、コイル軸線５の円弧形状に対応するが、各コイル部分相互の各角度θが多少ずれても、凸部１７，１９と凸弧状当接部１３とは確実に当接することができる。
【００３５】
図６は、ばね素線の密着を示す要部拡大断面図、図７は、ばね素線の密着を示す要部拡大断面図である。
【００３６】
図６、図７は、コイルばね１Ａのコイル軸線が直状である場合の密着を示している。この図６、図７のように、コイル成形時に隣接するコイル部分が相互に多少傾いても、凸部１７，１９と凸弧状当接部１３とは確実に当接することができる。
【００３７】
［応力分散］
図８〜図１１は、有限要素法による応力分布状態の解析結果であり、図８は、本実施例の断面応力分布図、図９〜図１１は、比較例１〜３の断面応力分布図である。
【００３８】
図８〜図１１は、何れもコイル外径φ１９に対して設計し、荷重１Ｎに対する応力（ＭＰａ／Ｎ）である。
【００３９】
図８の実施例では、ばね素線３では、凹凸当接部１１及び凸弧状当接部１３の形成によりコイル内径側部分７の応力を凹凸当接部１１及び凸弧状当接部１３にまで連続して分散できた。コイル内径側部分７の最大応力は、０．９５００（ＭＰａ／Ｎ）であった。また、凸弧状当接部１３が当接する凸部１７，１９の応力は、凹部１５の応力よりも低くでき、繰り返しの密着に対しても耐久性を向上させることができる。
【００４０】
図９の比較例１は、円形断面のばね素線３Ａのものであり、応力分散により内径側の最大応力は、０．９６８１（ＭＰａ／Ｎ）であった。
【００４１】
図１０の比較例２は、ベースが円形断面のばね素線３Ｂのものであり、凹条の当接部１１Ｂを形成したことにより応力分散が十分ではなく、コイル内径側部分７Ｂの最大応力は、１．０２７（ＭＰａ／Ｎ）であった。
【００４２】
隣接するコイル部分の円弧面が嵌合当接する当接部１１Ｂ内の応力は、その両側の凸部よりも大きくなった。
【００４３】
図１１の比較例３は、コイル内径側部分７Ｃを（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの超楕円形状とし、αの値を、α＝１．８〜２．４５の範囲にとり、コイル外形側部分９Ｃをｘ^２＋ｙ^２＝１の円形形状とした、
この比較例３では、コイル内径側部分７Ｃから扁平面１１Ｃに掛けて応力分散の連続性を維持でき、且つコイル内径側部分７Ｃの最大応力は、０．９５４２（ＭＰａ／Ｎ）であった。
【００４４】
隣接するコイル部分の扁平面が当接する扁平面１１Ｃに高い応力部分が存在した。
【００４５】
これら比較例１〜３に対し、本発明実施例のコイルばね１は、応力分散によりコイル内径側部分７の最大応力を最小にすることができ、応力分散の連続性を維持でき、隣接するコイル部分の凸弧状当接部１３が当接する凸部１７，１９の応力を小さくし、繰り返しの密着に対しても耐久性を向上させることができる。
【００４６】
［密着長及び応力比］
図１２は、密着長と体荷重応力比との関係を示すグラフである。
【００４７】
図１２において、プロットした点が本願発明実施例のものであり、縦横直線の範囲外が。比較例２レベルとなる。この図１２から明らかなように、比較例２との対比において、密着長及び応力比共に低減することができた。
【００４８】
［実施例の効果］
コイル形状に巻かれるばね素線３の断面外周形状につき、コイル外径側部分９及びコイル内径側部分７を、（ｘ／ａ）α＋（ｙ／ｂ）α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの超楕円形状とし、αの値を、α＝２〜３の範囲としたコイルばねであって、ばね素線３のコイル軸線５方向一側に、凹凸当接部１１を設け、同他側に、凸弧状当接部１３を設け、凹凸当接部１１は、断面弧状の凹部１５とこの凹部１５の両側及びコイル内外径側部分７，９にそれぞれ連続する断面弧状の一対の凸部１７，１９を備え、一対の凸部１７，１９にコイル軸線５方向に隣接するコイル部分の凸弧状当接部１３が当接してコイルが密着する。
【００４９】
このため、ねじりダンパ用コイルばね等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。また、動的状態でのノイズや振動の発生を低減するフィルタ機能を容易に向上させることができる。この機能は、エンジン系統に組み付けられるトーショナル・ダンパ（ねじれ振動ダンパ）に要求される。
【００５０】
しかも、凸弧状当接部１３が当接する凸部１７，１９の応力を低減し、耐久性を向上させることができる。
【００５１】
ばね素線３の断面外周形状のコイル軸線方向の最大寸法をＴ、コイル半径方向の最大寸法をＷとし、扁平率Ｔ／Ｗ＝０．５〜０．９５とした。
【００５２】
このため、密着長及び応力比共に低減することができる。
【００５３】
凹凸当接部１１及び凸弧状当接部１３を当接させるため、コイル密着状態でのコイル軸線５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。
【００５４】
凹凸当接部１１及び凸弧状当接部１３により、コイル軸線５が円弧形状の場合であっても、コイル軸線５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。
【００５５】
コイル内外径側部分７，９が曲線形状の超楕円形状であり、凹凸当接部１１及び凸弧状当接部１３を備えることで、扁平率を小さくして密着長を短くし、且つ断面形状の周方向での応力分散の連続性により応力分布の均一性を向上させることができる。
【００５６】
ばね素線３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ため、コイル軸線５を円弧形状に組み付けることが容易となる。
【００５７】
ばね素線３のコイル形状は、組み付け状態でコイル軸線５の曲率半径Ｒを有する形状に設定することもできる。この場合、凹凸当接部１１及び凸弧状当接部１３がコイル軸線５の曲率に応じて当接する。
【００５８】
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のトーショナル・ダンパ（ねじれ振動吸収装置）に組み付けることができる。このため、長いストロークで低剛性のコイルばねの適用が可能となる。
【符号の説明】
【００５９】
１，１Ａコイルばね
３ばね素線
５コイル軸線
７コイル内径側部分
９コイル外径側部分
１１凹凸当接部
１３凸弧状当接部
１５凹部
１７，１９凸部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイル形状に巻かれるばね素線の断面外周形状につき、
コイル外径側部分及びコイル内径側部分を、（ｘ／ａ）^α＋（ｙ／ｂ）^α＝１で表わされる長径＝ａ，短径＝ｂの曲線形状とし、
前記αの値を、α＝２〜３の範囲としたコイルばねであって、
前記ばね素線のコイル軸線方向一側に、凹凸当接部を設け、同他側に、凸弧状当接部を設け、
前記凹凸当接部は、断面弧状の凹部とこの凹部の両側及び前記コイル内外径側部分にそれぞれ連続する断面弧状の一対の凸部を備え、
前記一対の凸部にコイル軸線方向に隣接するコイル部分の前記凸弧状当接部が当接してコイルが密着する、
ことを特徴とするコイルばね。
【請求項２】
請求項１記載のコイルばねであって、
前記ばね素線の断面外周形状のコイル軸線方向の最大寸法をＴ、コイル半径方向の最大寸法をＷとし、
扁平率Ｔ／Ｗ＝０．５〜０．９５とした、
ことを特徴とするコイルばね。
【請求項３】
請求項１又は２記載のコイルばねであって、
前記凹凸部は、断面円弧状で連続する、
ことを特徴とするコイルばね。
【請求項４】
請求項1〜３の何れかに記載のコイルばねであって、
前記凹部と前記凸弧状当接部との当接間には、コイル密着時に隙間が形成される、
ことを特徴とするコイルばね。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに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状である、
ことを特徴とするコイルばね。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに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、コイル軸線が組付け状態での曲率半径を有した円弧状である
ことを特徴とするコイルばね。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載のコイルばねであって、
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フリクションディスクのトーショナル・ダンパ（捩り振動減衰器）内に組付けられる
ことを特徴とするコイルばね。

【図２】