JPH10184750A - 圧縮コイルばね - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮コイルばねの最大圧縮点に於ける共振に
よるプラス側応力増加を効果的に減少させることがで
き、ばねの永久変形や折損を防止し、しかも圧縮コイル
ばねを小型、軽量化し、その製造を容易にする。 【解決手段】 圧縮コイルばねであって、前記取り付け
点から、該取り付け点と前記最大圧縮点との間のたわみ
量の３０％以下の区間に設定された遷移点までのたわみ
−荷重ばね特性を線形とし、該遷移点を超える最大圧縮
点までのたわみ量の区間では、たわみ−荷重ばね特性が
下向きに凸な非線形特性を有するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮コイルばねに
関し、特に内燃機関の弁ばねや燃料噴射ポンプに於ける
弁ばねなど、予圧縮荷重が与えられた取り付け点と最大
圧縮点との間で繰り返し変形する用途に用いられる圧縮
コイルばねに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関のバルブばねは、一般に或る初
期荷重を有する状態で取り付けられ、最大開弁時に於い
て、ばねが最大たわみ状態となり、取り付け点と最大圧
縮点との間で高速で繰り返し変形することになる。しか
るに高速エンジンに於いては、弁ばねの共振によるサー
ジングが問題となり、それを回避することが必要とな
る。即ち、弁ばねの共振によるサージングは、通常エン
ジンバルブの開閉に伴って弁ばねに加わる静的荷重に加
えて、動的荷重を加えることから、弁ばねに加わる最大
荷重を増大させ、弁ばねの折損、或いは永久変形の原因
となる。その対策としては、ばねのコイルピッチを不等
とし、ばねの動作範囲内に於いて、ばね定数を変化させ
ることにより、共振現象を回避する方法が種々提案され
ている。

【０００３】例えば、特公昭４７−２２３６３号公報
（従来技術１）には、密巻部及び粗巻部からなる２つの
等ピッチ部分を有する圧縮コイルばねを、取り付け点付
近で密巻部が密着して、ばね定数が変化するように取り
付ける方法が開示されている。これによれば、粗巻部の
みが作動範囲で有効巻き部となり比較的慣性質量は小さ
くなり、比較的固有振動数が高くなるが、最大圧縮点付
近では有効巻き数が変化しないため、共振防止効果が必
ずしも十分でないと云う問題がある。

【０００４】実公昭６２−８４４５号公報（従来技術
２）には不等ピッチである密巻部と、等ピッチである粗
巻部とを設け、取り付け点の近傍に於いて、密巻部の一
部の素線同士が密接するようにして、取り付け点に若干
ばらつきがあっても、比較的安定した共振防止効果が得
られるようにする技術が開示されている。しかしなが
ら、不等ピッチ部を用いていることから、取り付け点及
び最大圧縮点でそれぞれ所定のばね荷重を得るために
は、初期のばね定数を小さくする必要があり、同一スペ
ース内に納めようとするためには、線径を細くせざるを
得ず、設計応力が高くなり、実用化が困難となる。それ
以外の点では、この従来発明の利点及び欠点は前記した
従来技術１のものとほぼ同様である。

【０００５】特開昭５４−９１６５６号公報（従来技術
３）には、密巻部及び粗巻部からなる２つの等ピッチ部
分を設け、最大圧縮点の近傍に於いて、初めて密巻部が
密接し同部分に於いてばね定数が変化するようにした構
成が示されている。これによれば、取り付け点と最大圧
縮点の略全範囲にわたってコイルばね全体が有効巻部と
して機能し、質量が大きく、ばね定数が小さいため、固
有振動数の大きい領域が多く、共振防止効果が比較的小
さい。

【０００６】特開昭７−３３２０４０号公報（従来技術
４）には、中央部のピッチを大とし、両端部を同一小ピ
ッチとした上下対称形状としたコイルばねを用い、しか
も固有振動数の変化する位置を全たわみ範囲の６０〜８
０パーセントとすることが提案されている。これによれ
ば、全たわみ範囲の中間部分でばね定数が変化するよう
にしているが、やはり、取り付け点から最大圧縮点の範
囲内の大きな部分で全コイルの略全てが有効巻きとして
作用しており、質量が大きく、ばね定数が小さいため、
やはり固有振動数が低い領域が多く、比較的共振防止効
果が小さい。

【０００７】図1及び２には、これらの従来技術に於け
る、たわみ対荷重及びたわみ対固有振動数の関係を示し
た。一般に、共振現象による応力のピークは、図３に示
されるように、取り付け点と最大圧縮点の２点が問題と
なる。ここで、ばねの永久変形は、温度条件が一定の場
合、最大圧縮点のピークが主たる原因となる。また、ば
ねの折損は、動的最大応力振幅と動的平均応力の大小に
影響される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような従来技術の
問題点に鑑み、本発明の主な目的は、この最大圧縮点に
於ける共振によるプラス側応力増加を減少させることを
主眼に改善をはかると共に、動的最大振幅を増加させる
ことなく動的平均応力を下げることで、ばねの永久変形
や折損を防止し、かつ小型軽量化を可能としたする圧縮
コイルばねを提供することにある。

【０００９】本発明の第2の目的は、サージング防止効
果が高く、しかも製造の容易な、エンジンのバルブばね
として適する圧縮コイルばねを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような課題は、本発
明によれば、所定の予圧縮荷重を与えられた状態の取り
付け点と、最大圧縮点との間で繰り返し変形する圧縮コ
イルばねであって、前記取り付け点から、該取り付け点
と前記最大圧縮点との間のたわみ量の３０％以下の区間
に設定された遷移点までのたわみ−荷重ばね特性を線形
とし、該遷移点を超える最大圧縮点までのたわみ量の区
間では、たわみ−荷重ばね特性が下向きに凸な非線形特
性を有するようにしたことを特徴とする圧縮コイルばね
を提供することにより達成される。本発明の別の側面に
よれば、前記取り付け点から、該取り付け点と前記最大
圧縮点との間のたわみ量の３０％以下の区間に設定され
た遷移点までの当該ばねの固有振動数を一定とし、該遷
移点を超える最大圧縮点までのたわみ量の区間では、た
わみの増大に従って当該ばねの固有振動数が急激に上昇
するようにしている。

【００１１】このように本発明によれば、たわみ量が最
大圧縮点に向けて増大するに伴い、ばね定数或いは固有
振動数が急激に増大し、最大圧縮点近傍に於ける＋側の
動的応力の振幅をを効果的に低減させることか出来るこ
とから、最大応力振幅を低減させ、動的平均応力を低減
させることが出来るため、ばねの折損やへたり防止に大
きな効果を発揮することが出来る。また、ばねの巻数を
増やす必要もないため、或いは、ばねの素線のねじり剛
性を格別高める必要がないため、概ね従来形式の弁ばね
等をそのまま適用することが出来、ばねの小型化、軽量
化並びに低コスト化にも貢献することが出来る。また、
このような圧縮コイルばねを内燃機関の弁ばねに適用す
ることにより、取り付け点の近傍での該圧縮コイルばね
の動的応力振幅が比較的大きくなるようにして、前記取
り付け点の近傍に於ける該圧縮コイルばねの軸線回りの
回転を促し、それに結合された弁の回転を引き起こすよ
うにすることができる。

【００１２】このようなばね特性は種々の態様をもって
実現することができる。例えば、当該圧縮コイルばね
が、不等ピッチの密巻部及び等ピッチの粗巻部を有し、
前記取り付け点に於いては、前記ばねの素線が密着せ
ず、前記遷移点から、素線が前記不等密巻部の最小ピッ
チ部より漸進的に密着するようにすることができる。逆
に、当該圧縮コイルばねが、等ピッチの密巻部及び不等
ピッチの粗巻部を有し、前記取り付け点に於いては、前
記ばねの素線が密着せず、前記遷移点から、素線が前記
等ピッチ密巻部より密着した後、前記最大圧縮点に至る
までの間に前記不等ピッチ粗巻部の最小ピッチ部より漸
進的に素線が密着するようにすることもできる。或い
は、当該圧縮コイルばねが全体的に不等ピッチを有し、
前記取り付け点に於いては、前記ばねの素線が密着せ
ず、前記遷移点から、素線が最小ピッチ部より漸進的に
密着するようにすることもできる。

【００１３】当該圧縮コイルばねが内燃機関の弁ばねと
して構成された場合には、動端側の慣性質量を削減する
ことが好ましいことから、前記密巻部がシリンダヘッド
側に、前記粗巻部がバルブステム側にそれぞれ対応する
ように配置されると良い。また、 圧縮コイルばねの各
端に座巻部が設けられるのが一般的であるから、座巻部
からの円滑な連続性を利用する上で、前記密巻部及び粗
巻部を上下対称に振り分けると、コイルばねの製造工程
が単純化される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に添付の図面に示された具体
例に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明す
る。

【００１５】図４及び５は、本発明に基づく圧縮コイル
ばねのたわみ対ばね荷重及びたわみ対固有振動数の関係
を示す。即ち、取り付け点から、取り付け点と最大圧縮
点との間のたわみ量の範囲の内で、最初の３０％以下の
範囲内に設定された遷移点までは、圧縮コイルばねのば
ね特性が線形となるようにし、それ以上のたわみ範囲で
は、たわみ量の増加に対して、ばね荷重が漸増或いは急
激に増大するような非線形なばね特性が得られるように
している（図４）。これを固有振動数で見ると、取り付
け点から、遷移点までは圧縮コイルばねの固有振動数が
一定であるようにし、それ以上のたわみ範囲では、たわ
み量の増加に対して、固有振動数が漸増或いは急激に増
大するような非線形なばね特性が得られるようにしてい
る（図５）。図６及び７には、このようなばね特性を実
現するために、コイルばねのコイルピッチを配分する種
々の態様が示されている。

【００１６】図６Ａの圧縮コイルばねは、不等ピッチの
密巻部と、等ピッチの粗巻部とを有するもので、取り付
け点近傍、即ち取り付け点から、取り付け点と最大圧縮
点との間の範囲のたわみの全変化量に対してたわみ量が
３０パーセント以下の範囲に設定された遷移点までは、
コイルの素線が全く密着せず、遷移点に於いて初めて密
巻部の最小ピッチ部より素線を漸進的に密着させるもの
である。

【００１７】図６Ｂは、全体的に不等ピッチを有し、取
り付け点から遷移点までは素線が何ら密着せず、遷移点
から最大圧縮点の間で、小ピッチ側から素線を漸進的に
密着させるものである。

【００１８】図６Ｃは、等ピッチの密巻部と不等ピッチ
の粗巻部とを設けたもので、取り付け点から遷移点まで
は素線が何ら密着せず、遷移点付近で等ピッチの密巻部
の素線が密着し始め、最大圧縮点に至るまで、不等ピッ
チの粗巻部の小ピッチ側から素線を漸進的に密着させる
ものである。

【００１９】図７Ａ〜Ｃは、上下端を比較的密巻とな
し、中間部が粗巻となるように、ピッチの分布を上下対
称に振り分けた実施例を示す。

【００２０】図８は一般的な動弁機構を示すもので、シ
リンダヘッド１に設けられたバルブシート２に係合する
バルブ３のステム３ａは、シリンダヘッドに対してバル
ブガイド４によりガイドされており、ステム３ａの最外
端には、コッタ５を介してバルブリテーナ６が固定され
ている。バルブリテーナ６とシリンダヘッド１の対向面
との間には圧縮コイルばね７が配置されており、更に、
バルブステム３ａの最外端が、シュー８を介してカム９
により駆動され、周知の要領をもって、圧縮コイルばね
７のばね力に抗するカム９の駆動力により、バルブ３が
開閉駆動されるようになっている。

【００２１】このような用途にあっては、圧縮コイルば
ねの動端側の質量を低減するのが望ましいことから、
図６Ａ〜Ｃに示されたような姿勢で、粗巻部側をバルブ
ステム３ａに係合する上端側に設けると良い。図６Ａ〜
Ｃに示された対称形の圧縮コイルばねは、上下方向を誤
って組み付ける虞れを解消することができる。

【００２２】図９は、本発明に基づく圧縮コイルばねを
用いたときに、カムの回転数に対する、取り付け点及び
最大圧縮点に於ける動的応力の関係を示すもので、比較
のために、従来技術１、３、４について得られた、カム
の回転数に対する、取り付け点及び最大圧縮点に於ける
動的応力の関係を図１０〜１２に示す。本発明によれ
ば、従来技術に比較して、特に最大圧縮点に於ける動的
応力のプラス側の振幅を効果的に抑制できることが理解
される。

【００２３】一方、本実施例の圧縮コイルばねを内燃機
関の弁ばねに利用した場合、取り付け点近傍に於いて、
動的応力のマイナス側の振幅が比較的大きく、共振が生
じやすいため、取り付け荷重が、瞬時低下する機会が増
える。また、取り付け点近傍に於ける圧縮コイルばねの
振動振幅が比較的大きい。そのため、ばねの巻方向と圧
縮による回転モーメントとにより、ばねの軸線回りの回
転が促される。その結果、運転時に、ばね座面とバルブ
リテーナとの間に回転が生じ易くなり、更に、バルブリ
テーナとくさび状のコッタを介して連結されているバル
ブを回転させることが可能となる。このようなバルブの
回転は、バルブ及びバルブシート上の堆積物を削り取る
効果があり、バルブシートの気密性を向上する上で有効
であることが知られている。従って、従来、バルブを回
転させるために積極的にベアリングを利用したバルブロ
テータを用いる場合があったが、本発明に基づく圧縮コ
イルばねを用いた場合には、バルブロテータを用いるこ
となくバルブを回転させることが可能となり、エンジン
の小型軽量化、コストダウンに加えて、エンジンの性能
向上を図ることが出来る。

【００２４】

【発明の効果】このように本発明によれば、圧縮コイル
ばねの最大圧縮点に於ける共振によるプラス側応力増加
を効果的に減少させることができ、ばねの永久変形や折
損を防止し、しかも圧縮コイルばねを小型、軽量化し、
その製造を容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術に基づく圧縮コイルばねに於けるたわ
み対ばね荷重の関係を示すグラフである。

【図２】従来技術に基づく圧縮コイルばねに於けるたわ
み対固有振動数の関係を示すグラフである。

【図３】弁ばねとして用いられる圧縮コイルばねに発生
する静的応力及び動的応力の時間変化を表すグラフであ
る。

【図４】本発明に基づく圧縮コイルばねに於けるたわみ
対ばね荷重の関係を示すグラフである。

【図５】本発明に基づく圧縮コイルばねに於けるたわみ
対固有振動数の関係を示すグラフである。

【図６】Ａ、Ｂ及びＣからなり、本発明に基づく圧縮コ
イルばねの３種の実施態様を示す立面図である。

【図７】Ａ、Ｂ及びＣからなり、本発明に基づく圧縮コ
イルばねの更に３種の対称形をなす実施態様を示す立面
図である。

【図８】一般的な内燃機関用動弁機構を単純化して示す
断面図である。

【図９】本発明に基づく圧縮コイルばねの、取り付け点
及び最大圧縮点に於ける、それぞれ、カム回転速度に対
するプラス側及びマイナス側の応力増加量を表すグラフ
である。

【図１０】従来技術１に基づく圧縮コイルばねの、取り
付け点及び最大圧縮点に於ける、それぞれ、カム回転速
度に対するプラス側及びマイナス側の応力増加量を表す
グラフである。

【図１１】従来技術３に基づく圧縮コイルばねの、取り
付け点及び最大圧縮点に於ける、それぞれ、カム回転速
度に対するプラス側及びマイナス側の応力増加量を表す
グラフである。

【図１２】従来技術４に基づく圧縮コイルばねの、取り
付け点及び最大圧縮点に於ける、それぞれ、カム回転速
度に対するプラス側及びマイナス側の応力増加量を表す
グラフである。

【符号の説明】

１ シリンダヘッド ２ バルブシート ３ バルブ ３ａ バルブステム ４ バルブガイド ５ コッタ ６ バルブリテーナ ７ 圧縮コイルばね ８ シュー ９ カム

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【手続補正書】

【提出日】平成９年４月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】特開昭５４−９１６５６号公報（従来技術
３）には、密巻部及び粗巻部からなる２つの等ピッチ部
分を設け、最大圧縮点の近傍に於いて、初めて密巻部が
密接し同部分に於いてばね定数が変化するようにした構
成が示されている。これによれば、取り付け点と最大圧
縮点の略全範囲にわたってコイルばね全体が有効巻部と
して機能し、質量が大きく、ばね定数が小さいため、固
有振動数の低い領域が多く、共振防止効果が比較的小さ
い。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような従来技術の
問題点に鑑み、本発明の主な目的は、この最大圧縮点に
於ける共振によるプラス側応力増加を減少させることを
主眼に改善をはかると共に、動的最大振幅を増加させる
ことなく動的平均応力を下げることで、ばねの永久変形
や折損を防止し、かつ小型軽量化を可能とした圧縮コイ
ルばねを提供することにある。

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川鍋 賢治郎 長野県上伊那郡宮田村3131番地 日本発条 株式会社内 (72)発明者 金安 光敏 長野県上伊那郡宮田村3131番地 日本発条 株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の予圧縮荷重を与えられた状態の
   取り付け点と、最大圧縮点との間で繰り返し変形する圧
   縮コイルばねであって、 前記取り付け点から、該取り付け点と前記最大圧縮点と
   の間のたわみ量の３０％以下の区間に設定された遷移点
   までのたわみ−荷重ばね特性を線形とし、該遷移点を超
   える最大圧縮点までのたわみ量の区間では、たわみ−荷
   重ばね特性が下向きに凸な非線形特性を有するようにし
   たことを特徴とする圧縮コイルばね。
2. 【請求項２】 所定の予圧縮荷重を与えられた状態の
   取り付け点と、最大圧縮点との間で繰り返し変形する圧
   縮コイルばねであって、 前記取り付け点から、該取り付け点と前記最大圧縮点と
   の間のたわみ量の３０％以下の区間に設定された遷移点
   までの当該ばねの固有振動数を一定とし、該遷移点を超
   える最大圧縮点までのたわみ量の区間では、たわみの増
   大に従って当該ばねの固有振動数が急激に上昇するよう
   にしたことを特徴とする圧縮コイルばね。
3. 【請求項３】 当該圧縮コイルばねが、不等ピッチの
   密巻部及び等ピッチの粗巻部を有し、前記取り付け点に
   於いては、前記ばねの素線が密着せず、前記遷移点か
   ら、素線が前記不等密巻部の最小ピッチ部より漸進的に
   密着するようにしたことを特徴とする請求項１若しくは
   ２に記載の圧縮コイルばね。
4. 【請求項４】 当該圧縮コイルばねが全体的に不等ピ
   ッチを有し、前記取り付け点に於いては、前記ばねの素
   線が密着せず、前記遷移点から、素線が最小ピッチ部よ
   り漸進的に密着するようにしたことを特徴とする請求項
   １若しくは２に記載の圧縮コイルばね。
5. 【請求項５】 当該圧縮コイルばねが、等ピッチの密
   巻部及び不等ピッチの粗巻部を有し、前記取り付け点に
   於いては、前記ばねの素線が密着せず、前記遷移点か
   ら、素線が前記等ピッチ密巻部より密着した後、前記最
   大圧縮点に至るまでの間に前記不等ピッチ粗巻部の最小
   ピッチ部より漸進的に素線が密着するようにしたことを
   特徴とする請求項１若しくは２に記載の圧縮コイルば
   ね。
6. 【請求項６】 前記密巻部及び粗巻部を上下対称に振
   り分けたことを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに
   記載の圧縮コイルばね。
7. 【請求項７】 当該圧縮コイルばねが内燃機関の弁ば
   ねとして構成されていることを特徴とする請求項１乃至
   ６のいずれかに記載の圧縮コイルばね。
8. 【請求項８】 当該圧縮コイルばねが内燃機関の弁ば
   ねとして構成され、前記密巻部がシリンダヘッド側に、
   前記粗巻部がバルブステム側にそれぞれ対応するように
   配置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか
   に記載の圧縮コイルばね。
9. 【請求項９】 所定の予圧縮荷重を与えられた状態の
   取り付け点と、最大圧縮点との間で繰り返し変形する内
   燃機関の弁ばね用の圧縮コイルばねであって、 前記取り付け点から、該取り付け点と前記最大圧縮点と
   の間のたわみ量の３０％以下の区間に設定された遷移点
   までのたわみ−荷重ばね特性を線形とし、該遷移点を超
   える最大圧縮点までのたわみ量の区間では、たわみ−荷
   重ばね特性が下向きに凸な非線形特性を有するようにし
   て、 前記取り付け点の近傍での該圧縮コイルばねの動的応力
   振幅が比較的大きくなるようにして、前記取り付け点の
   近傍に於ける該圧縮コイルばねの軸線回りの回転を促
   し、それに結合された弁の回転を引き起こすようにした
   ことを特徴とする圧縮コイルばね。