(57)【要約】【目的】低圧から高圧まで用いることが出来て、コンパクトで加工や組立てが簡単な構造で、ダンパー効果も組込められるバネを提供する。【構成】スライド角度（７）を有する受圧ポンチ（１）と同じ角度のスライド部（３）を有する弾性リング（２）よりなり、受圧ポンチ（１）の下にオイル室（１２）と、その潤滑油の通路途中にチェックバルブ付調整ネジ（１５）を取り付けた物である。【選択図】                図  ３
2006300300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受圧ポンチ（１）がスライド角度（７）を有し、同じスライド角度（７）の穴を有する弾性リング（２）で構成されるリング形状のバネ。
【請求項２】
受圧ポンチ（１）と弾性リング（２）をスライドさせるスライド角度（７）を、０．３〜７０°とする請求項１のバネ。
【請求項３】
受圧ポンチ（１）のスライド部（３）にオリフィス溝（１１）を有する請求項１のバネ。
【請求項４】
オイル室（１２）内の潤滑油が通過する油路１（１３）があり上部に勾配を有するオリフィス穴（１４）と先端に同じ勾配を有するチェックバルブ付調整ネジ（１５）を配し、油路２（１６）からオイルピット（８）に到る経路とオイルピット（８）の上に空気室（１７）を持つ請求項１のバネ。
【請求項５】
受圧ポンチ（１）にサーメット・ステライト・超硬合金・高速度鋼・セラミックを用いた請求項１のバネ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】  本発明は、低荷重から高荷重の荷重や衝撃力が掛かる機械・装置・金型・ビルや橋等の、構造体に用いるバネとダンパーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、バネの構造には、コイルバネ、板バネ、皿バネ、ガススプリング等があったが、本発明のようなリング形状のバネは無かった。
コイルバネは、線状金属を螺線状に巻いて線状金属の捻れ弾性変形を利用したものである。このために、高荷重になると非常に太い棒状金属を用いることになり、コイル材料の棒径やコイルの直径を大きくするのでバネが大きくなって、棒状金属をコイル巻いたり熱処理をする工程がながくなり加工も難しかった。
板バネは、フラットな板を曲線状に曲げ変形をさせたもので、その曲がり分が荷重によりたわみの弾性変形を利用したものである。列車の車台に用いられるように、高荷重になると板厚・受圧面積を大きくしたり何枚も重ねたりするので大きな構造になっていた。
皿バネは、穴明き円盤のフラット面を皿状の凹凸に変形させたもので、その凹凸が荷重によりたわみや伸びの弾性変形を利用したものである。高加重になると何枚も重ねて用いるので、高さ方向に長くなっていた。又、この重なりが均一にならずばらつくために初期の荷重変形が一定にならなかった。
ガススプリングは、シリンダー内部に主してガス体の窒素を封入して、その窒素の圧縮性によって最大内圧が制約されているので、高荷重ではシリンダーの内径や肉厚を大きくしなければならなかった。その上窒素を高圧で封入しているために洩れたり、夏冬の温度差で圧縮率の変化が出ていた。
これらのために、高荷重に対応するバネは非常に大きな構造や、多数のバネを並べて使うために大きな面積が必要になっていた。又、熱処理や加工工程が長くなっていた。
例えば、吊橋のケーブルを引っ張り固定するために用いているガススプリングは、専用の１５〜２０ｍ２位の小屋が造られている。大型のプレス機・ダイカスト機の締め付け力・衝撃防止・高層ビルの免振装置・戦車や建設機械のキャタビラー用ダンパー等高荷重にになるに従って飛躍的に大きな構造体となり、数個を並べて用いる必要があった。
【本発明が解決しようとする課題】
【０００３】  本発明は、低荷重から高荷重迄使えて、ことに高荷重による大きな構造をコンパクトにしバネの加工が容易で工程が短くなるバネと、そのバネに一体化して組込みが可能なダンパー構造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】
【０００４】  従来の一般のバネは、線状金属のねじりや板状バネのたわみや皿バネはたわみと伸びを用いているので、高荷重の掛かる条件では大きな構造やバネを数多く並べることになってしまう欠点があった。又、荷重による変形速度を調節するダンパーは、一体で作ることが出来ずに別部品として取り付けなければならなかった。
【０００５】  これらの問題に対して、コンパクトで低荷重から高荷重まで使用が出来て、加工が簡単になる（図１）のような、スライド角度（７）を有し弾性変形がしにくい硬い受圧ポンチ（１）の上面で荷重を受ける部分と、円周方向の伸びによる弾性変形をする弾性リング（２）の部分の２つの部品で構成するリング形状のバネ構造が良いことが解った。
この構造は、受圧ポンチ（１）の入るリング内径（５）とリング外形（６）の差の１／２の肉厚と、リング高さ（９）を大きくすれば幾らでも伸びの断面積を大きくとれて、更に弾性率の高い材料で高荷重に対応出来て全体の構造を小さくコンパクトにすることが出来る。又、リング内径（５）とリング高さ（９）が大きいほど、スライド部（３）の接触面積が大きくなって弾性リング（２）に掛かる単位当たりの荷重を低減する設計も可能となるものである。
リング内径（５）とリング外径（６）の差の１／２を小さくしたり、リング高さ（９）を小さくすれば断面積が小さくなって、更に弾性率の低い材料を用いれば低荷重にも対応出来る構造となるものである。
又、金型・機械・設備等の動作距離に応じてスライド角度（７）を設定することが出来る。
このリング形状のバネは、機械のベースや金型の裏板や設備の固定部分を設置台（１０）として、その上に据え置きするものである。
この構造の動作は、荷重を受圧をポンチ（１）の上面で受け、スライド部（３）でスライドをさせると、弾性リング（２）が円周方向に伸びて弾性変形をする。弾性リング（２）の材料特性の弾性限界以内に設定すれば荷重を除去した時、弾性変形が零に戻るので受圧ポンチ（１）はその弾性回復の収縮力のバネ作用で元の位置に復帰が出来るものである。
【０００６】  受圧ポンチ（１）と弾性リング（２）を円形に設計すれば旋盤加工で、円形以外の多角形の場合は放電加工で簡単に成形加工が出来る。但し、スライド部（３）に凹凸があると噛りの元になるので、研磨や磨き仕上げを施す必要がある。
【０００７】  スライド角度（７）が小さい場合は、受圧ポンチ（１）の軸方向の動作距離の割に、弾性リング（２）の伸び変形が少なくなるので掛かる応力が小さくなるばかりでなく、受圧ポンチ（１）の荷重を除去をした時に受圧ポンチ（１）が元の位置に戻りにくくなる問題が出た。スライド部（３）に極圧添加剤入りの潤滑油で境界潤滑が出来る条件下でも、０．３°未満になると受圧ポンチは戻りが悪く戻り途中で止まったりした。
スライド角度（７）が大きい場合は、受圧ポンチ（１）の軸方向の動作距離の割に、弾性リング（２）の伸び変形が大きくなって、掛かる応力が大きくなってくる。このために弾性リング（２）の肉厚が薄くなる下端（４）では、応力が集中しやすく曲がり変形を起こやすくなるので、そのスライド角度（７）を無くした下端（４）の幅を５ｍｍをストレートにして上記の境界潤滑条件下でスライド角度（７）が７０°迄は確実な動作が得られた。スライド角度（７）が７０°を越えると、弾性リング（２）に掛かる垂直の面圧が大きくなって弾性リング（２）の伸び変形が塑性変形になりやすく、境界潤滑条件下でもその高い面圧になって境界潤滑膜が破壊して弾性リング（２）側が噛りを起こしやすくなる傾向が出た。
これらの結果、受圧ポンチ（１）が問題無くスムーズに動作が出来るスライド角度（７）は、０．３°〜７０°の範囲が良かった。
【０００８】  板バネは形状的に該当して比較する大きさが無いので、簡単な形状での、耐荷重の比較をするのは困難である。比較がしやすくほぼ同じ大きさで使用できる応力は、直径１００ｍｍのコイルバネでは約１トン、直径１００ｍｍのガススプリングでは約４．５トン、直径１００ｍｍの皿バネでは約０．６トンであるのに、（図１）の構造の本発明のリング外径（６）が１００ｍｍでは約２５トンと約５倍の耐荷重が可能となった。この耐荷重は、例えばコイルバネでコイル線間が当たるとバネとして機能しなくなるこの時点の荷重のことである。
【０００９】  コイルバネ、板バネ、皿バネは、弾性変形の作用しかなく変形速度を変えるダンパー作用がない。このために、ダンパー作用のある別の部品を取り付けなければならず、更に大きな構造が必要になる。ガススプリングは、窒素ガスの圧縮性による弾性的バネ作用と小さい穴によるダンパー作用がある。
このダンパー作用は、凹凸道を走る車やオートバイのように衝撃的な力が加わる場合にゆっくり変形をさせて、衝撃力を緩和する作用のことである。
リング形状のバネに一体で組込んだダンパー作用を付加するために（図２）受圧ポンチ（１）のスライド部（３）に潤滑油の供給を兼ねて小さい溝のオリフィス溝（１１）を付けた。その結果、受圧ポンチ（１）の下側のオイル室（１２）に溜めた潤滑油が受圧ポンチ（１）の下降に従って、小さいオリフィス溝（１１）を潤滑油が少しずつ上昇をしオイルピット（８）に溜まる。受圧ポンプ（１）に掛かる荷重が無くなると、オイルピット（８）の潤滑油がオリフィス溝（１１）を下降してオイル室（１２）に戻る。これで、弾性変形にダンパー効果が得られる粘性変形が取ることができる様にしたものである。荷重や衝撃力が一定な条件の機械や装置では、始めに設定したオリフィス構（１１）で固定してよい場合に適用できる。
鍛造やプレスの金型等のように、荷重や衝撃力が一定にならずダンパー作用の調節が必要となる場合は、オリフィス溝（１１）の大きさを可変にして、潤滑剤の通過量を変えられるようにする必要がある。
この場合は更に、オリフィス溝（１１）の深さを０．３ｍｍ以下にして潤滑油がにじむ程度に少なくして、受圧ポンチ（１）のスライド部（３）の潤滑を主体にする。
その上で、荷重を受けた受圧ポンチ（１）が下降するとき、オイル室（１２）で押された潤滑油が油路１（１３）を通り、弾性リング（２）の上部に勾配を有するオリフィス穴（１４）を通り、その勾配と同じ勾配を有するチェックバルブ附調整ネジ（１５）を取り付ける。その勾配部の隙間を調整して潤滑油の通過流量を変えることで、ダンパー効果の粘性変形の速度を自由に変化させるようにしたものである。チェックバルブ附調整ネジ（１５）を通った潤滑油は、油路２（１６）を経由してオイルピット（８）に溜める。この時、オイルピット（８）が潤滑油で充満すると、オイルシール（１８）に圧力が掛かり、蓋（１９）を押し上げてしまう。これは、オイルピット（８）の上に過剰の空間となる空気室（１７）を設けることで掛かる圧力を解除するものである。
受圧ポンチ（１）に掛かっていた荷重が除去され、変形していた弾性リング（２）が縮む時、オイルピット（８）の潤滑油が油路２（１６）から大きい通路のチェックバルブ附調整ネジ（１４）内のチェックバルブを通過させる。このチェックバルブにより潤滑油の通貨量が大きくなって、受圧ポンチ（１）は急速に元の位置に戻ることが出来る。チェックバルブを出た潤滑油は、オリフィス穴（１３）から油路１（１３）を経由して、オイル室（１２）に戻る。
受圧ポンチ（１）・蓋（１９）・オイルシール（１８）・チェックバルブ付調整ネジ（１５）・弾性リング（２）を組立ててケース（２０）に一体化して収納することで、コンパクトなバネとダンパー作用のあるリング形状のバネとしたものである。
【００１０】  弾性リング（２）に必要な材料特性は、伸びのある弾性材料を掛かる荷重の大きさに応じた弾性限界内で選択し、リング外径（６）とリング内径（５）の差で厚さと、リング高さ（９）で設定することで成立出来る。この為に、伸びのある材料  亜鉛合金・アルミニウム合金・銅合金・炭素鋼・特殊鋼・ステンレス等、受圧ポンチ（１）に加わる荷重の大きさによって選択をし、後は設計的形状で決められる。ことに、弾性限界の高い特殊工具鋼・耐熱鋼等を焼入れ硬化して用いると、高荷重でもコンパクトな構造で対応出来る。
受圧ポンチ（１）に必要な材料特性は、弾性リング（２）より硬くて弾性変形がしにくければ成立出来るものである。
しかし、実際には受圧ポンチ（１）と弾性リング（２）の境界のスライド部（３）に摩擦を生じるので、摩擦摩耗特性の良い材料組合わせも考慮する必要がある。
低荷重の場合は、比較的弾性リング（２）と受圧ポンチ（１）の材料組合わせより極圧添加剤が入った潤滑油で、十分境界潤滑膜が形成出来るので問題にならない。
しかし、高荷重の場合は、弾性リング（２）に耐熱鋼（ＳＫＤ−６１）を硬化熱処理をして非常に高い弾性変形状態にすると、同じ鉄鋼系では高荷重によって境界膜が破れると噛りを発生する。この為に、弾性リング（２）と違う材料系列で高硬度の弾性変形がしにくい材料が良い。これに該当する材料には、サーメット・ステライト・超硬合金・高速度鋼・セラミック等がある。これらの材料は、冷間鍛造の金型にも用いられるように非常に高荷重での変形や摩擦に優れている。例えば、（図３）の受圧ポンチ（１）に使用して繰り返し試験を１０万回しても摩耗は、寸法的に１ミクロンも検出出来なかった。
それらの材料にＰＶＣＤ・ＣＶＤ・ＰＶＤ等の表面処理をすると、更に高い硬度が得られて、耐摩耗性や潤滑性が良くなるものである。
【作用】
【００１７】  応力に対して変形をしにくい剛性を持った受圧ポンチ（１）に応力が加わると、スライド部（３）のスライドによって、弾性を持った弾性リング（２）が円周方向に伸びる。この伸びる量が大きくなる程、弾性係数によって大きな応力となり、応力が除去されると円周方向に伸びていた弾性リング（２）が元に戻ると同時に受圧ポンチ（１）も元に復帰をする。
一般的に、急激に高い応力が掛かる衝撃力を吸収するために、応力変形の速度を変えるダンパー作用を持たせる。このために、潤滑油をオイル室（１２）油路１（１３）オリフィス穴（１４）を経由させて、チェックバルブ付調整ネジ（１５）を通過するときに絞って流量を調節して、弾性リング（２）の変形速度を変えるものである。チェックバルブ付調整ネジ（１５）部を通過した潤滑油は、油路２（１６）を通過してオイルピット（８）に溜める。
受圧ポンチ（１）の上面に掛かっている荷重が解除されると、オイル室（１２）が負圧になって潤滑油は、オイルピット（８）油路２（１６）チェックバルブ付調整ネジ（１５）のチェックバルブ部分を楽に通過して、オリフィス穴（１４）油路１（１３）を通り、オイル室（１２）に戻るように働くものである。
【実施例】
【００１７】  以下、本発明の実施例について説明をする。
【実施例１】  材料は、工具用炭素鋼（ＳＫ−５）を用い、受圧ポンチ（１）は焼入れをして硬くし弾性リング（２）は焼入れ焼戻しをし弾性をもたせた。
スライド角度（７）小さいほうで０．１，０．２，０．３，０．４，０．５°大きいほうで５０，５５，６０，６５，７０，７５，８０°を造り、スライド部（３）は研磨加工をし、潤滑油を塗付して受圧ポンチ（１）に１０回繰り返し荷重を掛けた。
戻り回数／繰り返し回数
０．１°    受圧ポンチ（１）が元に戻らず                      ０／１０
０．２°    受圧ポンチ（１）が元に戻ったり戻らなかったりした  ５／１０
スライド部（３）を鏡面に磨いた。                  ７／１０
０．３，０．４，０．５°  受圧ポンチ（１）が簡単に元に戻った１０／１０
５０，５５，６０，６５，７０°小さい角度に較べて、スライド角度（７）が
大きくなるに従って荷重は大きくなったが、全く問題無くスム
ーズに動作が出来た。                          １０／１０
７５°      弾性リング（２）の下端（４）部に返りバリが発生    ９／１０
８０°      スライド部（３）に噛り跡が７回目に発生            ７／７
このまま継続して繰り返し荷重を掛けた。
弾性リング（２）の下端（４）部に永久変形が発生    ９／１０
０．３〜７０°の間はスムーズに問題無く動作が出来た。
【比較例１】
ほぼ同じ大きさのバネを選択して、バネの作用が無くなる耐荷重を比較した。
直径１００ｍｍのコイルバネ          耐荷重    １．０Ｔｏｎ
直径１００ｍｍのガススプリング      耐荷重    ４．５Ｔｏｎ
直径１００ｍｍの皿バネ              耐荷重    ０．６Ｔｏｎ
板バネは比較が出来る適切な大きさが見つからなかった。
【実施例２】  本発明のリング形状バネで、弾性リング材料は耐熱鋼（ＳＫＤ−６１）で熱処理をし、受圧ポンチ（１）に超硬合金を用いた。設計形状は、リング内径（５）４０ｍｍ・スライド角度５°とした。
リング外形（６）１００ｍｍ          耐荷重  ２５．４Ｔｏｎ
【実施例３】  コンパクトにするためには、高い耐荷重が必要になるので、弾性リング（２）材料に（実施例２）と同じ耐熱鋼（ＳＫＤ−６１）の硬度ＨＲＣ４２に熱処理済を用いて、設計形状はリング内径（５）４０ｍｍ・スライド角度５°とした。
２０Ｔｏｎの板金プレス機に設置して１０，０００回の繰り返し試験をした。
受圧ポンチ（１）材料
＊弾性リング（２）より柔らかい材料は、受圧ポンチ（１）側が変形するので使用することが出来ない。
工具用炭素鋼ＳＫ−５の焼入れ〜ＨＲＣ５０
スライド部（３）の噛り跡は認められなかったが、直径で０．３２ｍｍ摩耗をした。
耐熱鋼ＳＫＤ−６１の熱処理  〜ＨＲＣ５０
同材での硬度の違いで細かい髭状の噛りが少し発生し、直径で０．０６ｍｍ摩耗をした。
超硬合金
試験の範囲では全く異常は無かったので、１０万回迄延長したが摩耗は検出出来なかった。
高速度鋼
試験の範囲では全く異常は無かったので、１０万回迄延長したが摩耗は検出出来なかった。
サーメット
試験の範囲では全く異常は無かったので、１０万回迄延長したが摩耗は検出出来なかった。
セラミック
弾性リング（２）に３筋の噛り跡が発生したが、問題にするレベルでは無かった。
【実施例４】  ２０Ｔｏｎ板金プレス機でテント用の金具を成形する時、金型が５０５ショットで大割れをし、金型剛性を上げるため金型肉厚を厚くした場合も５５２ショットで割れたものがあった。生産性を上げるために機械の動作速度を上げて掛かる衝撃荷重が大きい条件になっていた。
（図３）のダンパー作用のあるリング状のバネを金型の下側に入れ、受圧ポンチの上面がプレス成形の終りの少し手前で上型に当たるように高さを調節し、チェックバルブ付調整ネジ（１５）を絞って変形速度を遅くなるようにセットした。
その結果、４５，０００ショットを生産したが割れなくなり、まだ生産中である。
【発明の効果】
【００２２】  従来のバネとほぼ同じ大きさなら、約５倍以上の耐荷重があるので、約１／５の大きさに設計が出来てコンパクトになるものである。
旋盤加工や放電加工で簡単に造ることが出来るのでコストも安くなるし、基本になる部品点数は２部品、従来は別部品となるダンパー作用を組み込んでも６部品で済む非常に簡単な構造となっている。このために組み立ても簡単で全部の工程が短く出来るものとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  リング状バネの縦断面図
【図２】  受圧ポンチの斜視図
【図３】  ダンパー作用入りリング状バネの一部省略をした縦断面図
【符号の説明】
１  受圧ポンチ
２  弾性リング
３  スライド部
４  下端
５  リング内径
６  リング外形
７  スライド角度
８  オイルピット
９  リング高さ
１０  設置台
１１  オリフィス溝
１２  オイル室
１３  油路１
１４  オリフィス穴
１５  チェックバルブ付調整ネジ
１６  油路２
１７  空気室
１８  オイルシール
１９  蓋
【図１】
2006300300.tif 000003
【図２】
2006300300.tif 000004
【図３】
2006300300.tif 000005