專利名稱：螺旋彈簧的制作方法
技術領域：
本發明涉及螺旋彈簧，所述螺旋彈簧用作用于扭轉阻尼器的扭簧、閥彈簧、回位彈簧、懸簧、模具彈簧等。
背景技術：
在扭簧和用于例如離合器片的類似物中，存在一種物件，其具有以螺旋狀卷繞并且具有形成在其圓形橫截面外周形狀上用作成形抵接面的平坦面的彈簧絲。當載荷施加到螺旋彈簧來將螺旋彈簧擠壓為緊密壓縮狀態或鎖定狀態時，相鄰的螺旋部分的平坦面抵接來穩定地接受載荷，并且抑制沿螺旋徑向的滑移。通常，螺旋彈簧的彈簧絲螺旋形狀的內徑側(螺旋內徑側部分)上的應力高于其外徑側(螺旋外徑側部分)上的應力。另外，形成平坦面導致改變截面扁平率(flattening) 的變化，并且與應力偏離一起影響沿截面圓周方向的彈簧絲的應力分布狀態。設置有平坦面的彈簧絲可減小其截面形狀的扁平率，從而通過平坦面抵接而縮短沿螺旋軸線方向的無間隙長度。該結構在設計具有長行程和低剛度的彈簧時是有利的。因此，確定彈簧絲的截面扁平率在實現具有良好應力分布和更好設計的螺旋彈簧中是重要的。通常建議扁平率為0. 85到0. 98。但是該扁平率范圍在設計比截面外周形狀為圓形的螺旋彈簧更好的螺旋彈簧時有局限性，因而需要進一步改進。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 日本待審專利申請公開No. H06-300065
發明內容
本發明解決的問題由本發明解決的問題是，當設計比其截面外周形狀為圓形的螺旋彈簧更好的螺旋彈簧時存在限制。解決問題的措施為了實現設計比其截面外周基本形狀為圓形的螺旋彈簧更好的螺旋彈簧，本發明提供一種螺旋彈簧，具有彈簧絲，其以螺旋形狀卷繞，并且其截面外周基本形狀為圓形； 和成形抵接面，其形成在所述彈簧絲的截面外周形狀的螺旋內徑側部分和螺旋外徑側部分之間，以使沿軸線方向彼此相鄰的螺旋部分在其通過所述成形抵接面抵接而穩定。沿螺旋軸線方向具有成形抵接面的截面外周形狀的扁平率τ/w設置成使應力比等于或低于其截面外周形狀為圓形的螺旋彈簧的應力比。本發明的效果在具有以螺旋形狀卷繞并且其截面外周基本形狀為圓形的彈簧絲的螺旋彈簧中，本發明成形抵接面形成在彈簧絲的截面外周形狀的螺旋內徑側部分和螺旋外徑側部分之間，以使沿螺旋軸線方向彼此相鄰的螺旋部分在其通過成形抵接面抵接而穩定。沿螺旋軸線方向具有成形抵接面的截面外周形狀的所述扁平率T/W設置成使應力比等于或低于截面外周形狀為圓形的螺旋彈簧的應力比。這將應力減小為等于或低于不具有平坦面的圓形橫截面上的應力，并且實現更好的設計。
圖1為螺旋彈簧的前視圖。(第一實施例)圖2為螺旋形狀的內徑側上相關部分的放大剖視圖。(第一實施例)圖3為彈簧絲的放大剖視圖。(第一實施例)圖4為示出通過有限元方法得出的應力分布狀態分析結果的示例性視圖。(第一實施例)圖5為示出通過有限元方法得出的應力分布狀態分析結果的示例性視圖。(比較例)圖6為示出扁平率和應力比之間關系的曲線。(第一實施例)圖7為示出扁平率和無間隙高度比(solid height ratio)之間關系的曲線，其中 (a)是D/W = 3的情況，(b)是D/W = 5的情況，(c)是D/W = 7的情況。(第一實施例)圖8為示出扁平率和應力比之間關系的曲線。(第一實施例)圖9為示出扁平率和無間隙高度比之間關系的曲線(第一實施例)圖10為部分示出具有平坦面(flat faces)的螺旋彈簧的剖視圖，其中(a)是沒有失穩的情況，(b)是失穩的情況。(第一實施例)圖11為示出失穩出現的曲線。(第一實施例)附圖標記說明1螺旋彈簧3彈簧絲4螺旋軸線5螺旋內徑側部分7螺旋外徑側部分9，11平坦面(成形抵接面)T 螺旋內徑側部分沿螺旋軸線方向的最大厚度尺寸W 彈簧絲的截面外周基本形狀的直徑T/ff 扁平率
具體實施例方式改善應力分布狀態和實現更好的設計的目的通過將沿螺旋軸線方向具有成形抵接面的螺旋彈簧的截面外周形狀的扁平率τ/w設置為0. 83到0. 32來實現。第一實施例螺旋彈簧(扭簧)
圖1是根據本發明第一實施例的螺旋彈簧的前視圖，圖2是示出螺旋形狀內徑側的相關部分的放大剖視圖，圖3是彈簧絲的放大剖視圖。圖1的螺旋彈簧1是安裝在例如用于(設計用于)濕或干離合器機構的摩擦片的雙質量飛輪、變矩器鎖止器或扭轉阻尼器(扭轉振動阻尼器)。彈簧絲3以螺旋狀卷繞。螺旋彈簧1具有螺旋軸線4，其在自由狀態下呈圓弧形狀。該圓弧形狀在裝配狀態具有曲率半徑R。由彈簧絲3形成的彈簧形狀可具有螺旋軸線，其自由狀態下呈直線形狀或不同于具有曲率半徑R的裝配形狀的形狀，以使彈簧絲3可在裝配時形成曲率半徑為R的圓形形狀。如圖2和3中所示，螺旋彈簧1的彈簧絲3具有圓形截面的外周基本形狀。在彈簧絲3的截面外周形狀的圓形螺旋內徑側部分5和圓形螺旋外徑側部分7之間形成用作成形抵接面的平坦面9和11。螺旋內徑側部分5和螺旋外徑側部分7形成圓形截面外周基本形狀的一部分。平坦面9和11為形成的成形抵接面，其允許沿螺旋軸線4的方向彼此相鄰的部分抵接并且穩定。根據該實施例，平坦面9和11分別形成在沿螺旋軸線4的兩側。如圖2中所示，平坦面9和11基本上沿螺旋軸線4的曲率半徑的方向形成，并且朝向螺旋形狀的曲率中心傾斜，以使彈簧絲3的截面形狀具有楔形形狀。如圖3中所示，平坦面9和11的寬度H取決于扁平率T/W。根據該實施例，具有平坦面9和11的截面外周形狀沿螺旋軸4的方向具有0. 76的扁平率T/W。另外，“T”是螺旋內徑側部分5沿螺旋軸線4的方向的最大厚度尺寸，而“W”是彈簧絲3的截面外周基本形狀的直徑。替代地，“T”可以是螺旋外徑側部分的厚度或螺旋內徑側部分5和螺旋外徑側部分7的平均厚度。根據扁平率T/W的設置和傾斜，平坦面9和11具有內角θ，螺旋內徑側部分5為具有最大厚度尺寸T的半圓形。內角θ中心位于螺旋彈簧1的曲率中心。(應力分布)圖4和圖5為示出通過有限元方法得出的應力分布狀態的分析結果的示例性視圖，其中，圖4是所述實施例，圖5為比較例。圖5中，與圖4的部分相對應的部分使用相同的附圖標記加“Α”表示。如圖4中所示，設置有平坦面9和11并且扁平率T/W = 0. 76的彈簧絲3可在螺旋內徑側部分5上直到螺旋外徑側部分7連續第分布應力。如通過與圖11的示例相比較顯而易見的，圖4的實施例具有適當選擇的扁平率和在螺旋內徑側部分5和螺旋外徑側部分7之間的連續、確定和均勻分布的應力。另一方面，圖5的扁平率T/W = 0. 92的比較例顯示了與該實施例相比較在螺旋內徑側部分和螺旋外徑側部分5Α和7Α之間對連續并且均勻的應力分布的限制。(扁平率和應力比率)圖6是示出扁平率和應力比率之間關系的曲線。圖6中，無間隙高度Hs固定為 25，相對于扁平率T/W中的變化來檢測應力比率中的變化。沒有平坦面的圓形橫截面的應力比率τ /P設置為1。另外，“ τ ”是螺旋最內圓周處的最大剪切應力，“P”是施加到螺旋的載荷。
如圖6中所示，扁平率T/W為0. 83或更低使得應力比率τ /P等于或低于1，S卩，等于或低于不具有平坦面的圓形橫截面的應力比率，以實現更好的設計。(螺旋滑移)在汽車扭簧中，在彈簧接受將彈簧擠壓為緊密壓縮狀態或過壓縮狀態的載荷時， 螺旋可能沿螺旋徑向滑移。為了防止該現象，扭簧沿螺旋軸線方向在彈簧絲橫截面的一側或兩側設置上有平坦面。相關技術認為，如果基本截面形狀為圓形，則在應力方面，較大的扁平率是有利的，并且因此確定扁平率為0. 98到0.85。根據我們的分析檢測，發現，較小的扁平率在螺旋彈簧設計方面是有利的。(第一實施例的效果)根據該實施例，螺旋彈簧1具有以螺旋狀卷繞并且其截面外周基本形狀為圓形的彈簧絲3。在彈簧絲3的截面外周形狀的螺旋內徑側部分5和螺旋外徑側部分7之間形成平坦面9和11，以使沿螺旋軸線4的方向彼此相鄰的螺旋部分在通過平坦面9和11抵接而穩定。具有平坦面9和11的截面外周形狀沿螺旋軸線方向的扁平率T/W設置成使應力比等于或低于截面外周形狀為圓形的螺旋彈簧的應力比。這將應力減小到等于或低于不具有平坦面的圓形橫截面螺旋彈簧的應力水平，并且實現更好的設計。平坦面9和11穩定地接受載荷，并且在緊密壓縮狀態中縮短無間隙長度。這在設計具有較長行程和較低剛度的彈簧時是有利的。同時，這沿截面外周形狀的圓周方向提供更好的應力分布，并且提高應力分布的均勻性。S卩，該實施例在設計具有長行程和低剛度的扭簧時容易地確保足夠的質量。平坦面9和11沿螺旋軸線方向4分別形成在彈簧絲3的截面形狀的兩側，以確定地在螺旋處于緊密壓縮狀態時沿螺旋軸4的方向接受載荷，由此確定地抑制沿螺旋徑向的滑移。螺旋形狀的螺旋軸線4為圓弧形狀，并且平坦面9和11基本上沿螺旋軸4的曲率半徑的方向形成。即使螺旋軸線4為圓弧形狀，仍可確定地沿螺旋軸線4的方向接受載荷， 以確定地抑制沿螺旋徑向的滑移。當螺旋軸線4在自由狀態下呈圓弧形狀時，彈簧絲3的螺旋形狀允許螺旋軸線4 容易地以圓弧形狀安裝。另外，平坦面9和11可容易地根據螺旋軸線4的圓弧形狀設置。由彈簧絲3形成的螺旋形狀的螺旋軸線4在自由狀態下可呈直線形狀或不同于具有曲率半徑R的裝配形狀的形狀，以使彈簧絲3可在裝配時形成曲率半徑為R的圓弧形狀。 在該情況下，裝配前的螺旋軸線4可制成直線形狀或近似直線形狀。這實現容易的部件管理。螺旋彈簧1安裝在例如濕或干離合器機構的摩擦片的雙質量飛輪、變矩器鎖止器或扭轉阻尼器(扭轉振動阻尼器)中。這易于使螺旋彈簧1具有長行程和低剛度。這方便地提高安裝在引擎系統中的扭轉阻尼器(扭轉振動阻尼器)所需的動力學過濾功能，以減小聲音和震動。(其他)成形抵接面不限于優選的平坦面9和11。其可以是略凸或略凹的面。成形抵接面可在彈簧絲3的螺旋軸線4 一側略凸，并且在另一側略凹。平坦面9和11的傾斜可從螺旋軸線4的圓弧形狀的曲率半徑R方向略微偏轉。[螺旋彈簧概述]上述內容不限于扭簧，諸如形成平坦面并且設置扁平率T/W來實現等于或低于截面外周形狀為圓形的螺旋彈簧應力比等內容通常可適用于螺旋彈簧。所述螺旋彈簧可給螺旋彈簧提供將應力減小到低于不具有平坦面的圓形橫截面的螺旋彈簧的應力的效果，以及實現更好的設計的效果。所述內容也可適用于螺旋軸線4為直線形狀的螺旋彈簧。在該情況下，平坦面9 和11可基本上與螺旋軸線正交形成。下面將針對一般的螺旋彈簧敘述。(無間隙高度比)圖7(a) ,7(b)和7 (c)是示出根據該實施例的扁平率和無間隙高度比之間關系的曲線。在圖7(a)、7(b)和7(c)中，應力比1斤固定，并且彈簧指數0/1在3、5和7之間變化。如圖7(a)、7(b)和7 (c)中所示，如果扁平率T/W為0. 32或更大，則每一個彈簧指數D/W = 3，5和7可減小各種規格的螺旋彈簧的應力和無間隙高度。(無需磨削工藝的承載表面)彈簧絲3的截面外周基本形狀為圓形，并且在該截面形狀上，平坦面9用作沿螺旋軸線方向每一側的承載表面。平坦面9在螺旋彈簧1形成時在每一個螺旋端部制作，以使平坦面基本上與螺旋軸正交，從而形成承載表面。因此，不需要承載表面的磨削工藝。此時，扁平率根據螺旋彈簧1的規格選擇，以實現等于或優于傳統圓形橫截面螺旋彈簧的設計。圖8示出螺旋彈簧的螺旋圈總數和彈簧絲截面扁平率之間的關系，所述螺旋彈簧不涉及磨削工藝，并且實現與具有圓形橫截面并且涉及磨削工藝的正常螺旋彈簧相同無間隙高度。圖8中，螺旋直徑、彈簧常數和應力比τ/P固定。在低于圖8中示出的線條(更小的扁平率)下方的區域中，可能實現等于或優于傳統圓形橫截面設計的設計。該線條表述如下Y = -0. 0000023837 χ Χ4+0. 0002456386 χ X3-O. 0090929958 χ Χ2+0. 147730555 χ Χ+0. 0180485763其中X是扁平率，Y是總圈數。用于汽車的AT或CVT的回位彈簧、用于扭轉阻尼器的扭簧或用于引擎的閥彈簧具有相對粗的彈簧絲直徑、相對大的螺旋直徑和大操作載荷，并且因此其螺旋總圈數約為 11. 2或更小。由于彈簧絲直徑較厚，并且螺旋直徑大，因此消除磨削工藝的結果是更大地縮短工藝時間和減少磨削量。因此，具有總圈數11. 2或更少的彈簧可采用具有低于上述線條的扁平率的彈簧絲截面形狀，以消除磨削工藝，并且實現等于或優于傳統的圓形截面彈簧的性能。(承載表面磨削量降低)可進行磨削工藝，同時選擇扁平率來降低比相關技術更小的磨削余量(abrasive
7margin)，以通過縮短工藝時間和降低磨削量，使設計等于或優于傳統的圓形截面設計。通常，螺旋彈簧需要0. 75圈的磨削量來使螺旋彈簧在使用中穩定。根據所述實施例，這可減少到0. 5圈或更小，以縮短工藝時間和磨削量。圖9示出螺旋彈簧的總螺旋圈數和彈簧絲截面扁平率之間的關系，所述螺旋彈簧涉及承載表面磨削余量為0. 5圈，并且實現與具有圓形橫截面并且涉及磨削工藝的正常螺旋彈簧相同的無間隙高度。圖9中，螺旋內徑、彈簧常數和應力比τ/P固定。在圖9中所示的線條下方(更小的扁平率)的區域中，可能實現等于或優于傳統圓形截面設計的設計。該線條表述為Y = -0. 0000065161 χ Χ4+0. 0004455905 χ X3-O. 0110490116 χ Χ2+0. 1189494097 χ Χ+0. 4928257777其中，X是扁平率，Y是總圈數。(卷繞的失穩)圖10是示出具有平坦面的螺旋彈簧的局部剖視圖，其中圖10(a)是沒有失穩的情況，圖10(b)是失穩的情況。圖11是示出失穩出現的曲線。當具有扁平橫截面的彈簧絲材料類似于圖10(a)卷繞時，螺旋有時類似于圖 10(b)失穩。失穩增大螺旋彈簧的無間隙長度和應力，并且使扁平橫截面的設計優勢變差； 因而，優選是不引起失穩。卷繞的失穩具有以下關系小T/W—大失穩小D/W—大失穩大導向部間隙一大失穩通過FEM分析(卷繞模擬)檢測無間隙模型上的0. Imm的適當導向部間隙下的失穩。結果如圖11中所示，如果W/D彡0. 5(D/W彡2)并且W/T彡5(T/W彡0. 2)，不出現失穩。S卩，根據本發明的實施例，螺旋彈簧1具有彈簧絲3，其以螺旋形狀卷繞，并且其截面外周基本形狀是圓形。在彈簧絲3的截面外周形狀的螺旋內徑側部分5和螺旋外徑側部分7之間形成平坦面9和11，以使沿螺旋軸線4的方向彼此相鄰的螺旋部分在其通過成形抵接面9和11抵接而穩定。具有平坦面9和11的截面外周形狀的沿螺旋軸線的扁平率T/ W設置在0. 2 ^ T/ff ^ 0. 83的范圍內。(承載表面研磨)螺旋彈簧的端部研磨來形成承載表面，以使彈簧在使用中穩定。關于這點，需要磨削工藝。該工藝耗費時間，并且由于其產生磨削渣泥而影響環境。這在螺旋彈簧具有粗彈簧絲和大螺旋直徑時特別嚴重。關于這點，所述實施例在彈簧絲材料部分的每一側具有平坦面9，以實現等于或優于相關技術的性能，同時消除磨削工藝或縮短工藝時間并且減小磨削余量。這還降低成本， 并且通過減少磨削渣泥保護環境。閥彈簧可用于閥彈簧的內容為上述內容中不限制到扭簧的那些內容，例如形成平坦面和設置扁平率T/W，該扁平率T/W實現應力比等于或低于具有圓形截面外周形狀的螺旋彈簧的應力比，和關于一般的螺旋彈簧提到的那些內容。另外，必須提及以下內容(第一圈斷裂)閥彈簧的端部和第一圈包括彈簧絲-彈簧絲接觸部分，其由于接觸壓力產生高接觸應力，并且造成通過丸擊(shot peening)形成的彈簧絲表面上的增強層的脫落。這導致起始于彈簧絲之間的高接觸壓力部分的疲勞斷裂。本發明的所述實施例形成平坦面，以增大彈簧絲-彈簧絲抵接面積，并且減小接觸壓力和磨削，由此幾乎不造成第一圈斷裂。(喘振減小)閥彈簧造成共振現象，即在實際使用中喘振，增大應力并且降低耐久性。為了抑制喘振，通過彈簧絲之間接觸和分離來吸收喘振能量被認為是有效的。本發明的所述實施例增大彈簧絲之間的抵接面積。這期望提高吸收的能量并且抑制喘振。(引擎頂尺寸降低)如果根據所述實施例提供最佳模式的扁平率，則可縮小閥彈簧的無間隙高度10% 或更大。這導致降低引擎頂的高度、使引擎變輕和降低燃料消耗。[AT回位彈簧]適用于AT回位彈簧的內容為上述內容中不限于扭簧的那些內容，例如形成平坦面，并且設置實現等于或低于具有圓形截面外周形狀的螺旋彈簧的應力比的應力比τ/w，以及關于一般的螺旋彈簧敘述的那些內容。另外，必須提及下面的內容AT回位彈簧沿螺旋軸線方向具有有限的空間。因此，必須減少其圈數。這產生出現載荷偏心而傾斜地推動活塞并且造成摩擦的問題。本發明的所述實施例可降低無間隙高度，以提高圈數，從而幾乎不造成載荷偏心。
權利要求
1.一種螺旋彈簧，包括彈簧絲，其以螺旋形狀卷繞，并且其截面外周基本形狀為圓形；和成形抵接面，其形成在所述彈簧絲的截面外周形狀的螺旋內徑側部分和螺旋外徑側部分之間，以使在螺旋軸線方向彼此相鄰的螺旋部分通過所述成形抵接面抵接而穩定，其中在螺旋軸線方向具有成形抵接面的截面外周形狀的扁平率τ/w設置成使應力比等于或低于其截面外周基本形狀為圓形的螺旋彈簧的應力比。
2.根據權利要求1中所述的螺旋彈簧，其中，所述扁平率設置為T/W^ 0. 83。
3.根據權利要求1或2中所述的螺旋彈簧，其中，所述扁平率設置為0.2 ^ T/W。
4.根據權利要求1到3中任一項所述的螺旋彈簧，其中，所述成形抵接面為平坦面。
5.根據權利要求1到4中任一項所述的螺旋彈簧，其中，所述成形抵接面布置在所述彈簧絲在螺旋軸線方向的截面形狀的每一側。
6.根據權利要求1到5中任一項所述的螺旋彈簧，其中，所述螺旋形狀的螺旋軸線為直線形狀，并且所述成形抵接面基本上正交于所述螺旋軸線形成。
7.根據權利要求1到6中任一項所述的螺旋彈簧，其中，所述螺旋形狀的螺旋軸線為圓弧形狀，并且所述成形抵接面基本上沿所述螺旋軸線的曲率半徑方向形成。
8.根據權利要求7中所述的螺旋彈簧，其中，所述彈簧絲的螺旋形狀設置成螺旋軸線在自由狀態下呈圓弧形狀。
9.根據權利要求7中所述的螺旋彈簧，其中，所述彈簧絲的螺旋形狀設置成在自由狀態下螺旋軸線呈直線形狀或曲率半徑與裝配狀態的曲率半徑不同的形狀，并且當裝配時， 變成具有裝配狀態的曲率半徑的圓弧形狀。
全文摘要
本發明提供一種應力分布狀態改善并且實現更好設計的螺旋彈簧(1)，其具有彈簧絲(3)，所述彈簧絲(3)以螺旋形狀卷繞，并且其截面外周基本形狀為圓形。在所述彈簧絲(3)的螺旋內徑側部分(5)和螺旋外徑側部分(7)之間形成平坦面(9、11)，以使沿螺旋軸線(4)的方向彼此相鄰的螺旋部分通過其抵接而穩定。具有平坦面(9、11)的沿螺旋軸線方向的截面外周形狀的扁平率T/W設置成使應力比等于或低于截面外周形狀為圓形的螺旋彈簧的應力比。所述平坦面(9、11)穩定地接受載荷，并且縮短處于緊密壓縮狀態時的無間隙長度。這在設計具有長行程和低剛度的彈簧時是有利的。沿截面圓周形狀的圓周方向的更好的應力分布提高應力分布均勻性。
文檔編號F16F15/134GK102472345SQ201080033679
公開日2012年5月23日 申請日期2010年4月26日 優先權日2009年7月31日
發明者加藤信治, 山田浩隆, 藪下毅士, 鹿野仁悅 申請人:日本發條株式會社