(57)【要約】【課題】荷重設計が容易な皿ばねを提供することを課題とする。【解決手段】皿ばね１は、円錐リング状の本体２と、本体２の内周縁から突出する複数の爪３と、を備える。内周縁により形成される円Ａの中心Ｂに対する、任意の一つの爪３の根本の周方向両端３１ａ、３１ｂ間の中心角を、根本角度θとして、爪３の根本角度θは、３０°未満である。皿ばね１によると、力学計算式から算出される荷重と、ＦＥＭ解析に基づく荷重と、を精度よく対応させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円錐リング状の本体と、
前記本体の内周縁から突出する複数の爪と、
を備える皿ばねであって、
前記内周縁により形成される円の中心に対する、任意の一つの前記爪の根本の周方向両端間の中心角を、根本角度として、
前記爪の前記根本角度は、３０°未満であることを特徴とする皿ばね。
【請求項２】
前記円の周長を内周長、任意の一つの前記爪の根本の周方向両端間の直線距離を根本幅として、
前記内周長を１００％として、前記根本幅は５％以下である請求項１に記載の皿ばね。
【請求項３】
全ての前記爪の前記根本角度の合計は、１８０°以下であり、
前記爪の前記根本角度は、１５°以下である請求項１または請求項２に記載の皿ばね。
【請求項４】
全ての前記爪の前記根本角度の合計は、１８０°または９０°であり、
前記爪の前記根本角度は、１５°、１０°、７．５°、５°から選ばれるいずれか一つである請求項３に記載の皿ばね。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車用トランスミッション、スプリンクラーヘッド、建築部材などに用いられる爪付きの皿ばねに関する。
【背景技術】
【０００２】
皿ばねの荷重−たわみ特性は、ばね高さや板厚を変更することにより、設計される。特に、特許文献１に示すような爪付きの皿ばねの場合、通常の皿ばねに対して爪が追加されるため、荷重−たわみ特性の設計の自由度が多くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−８７９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
設計には、ＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ）解析が用いられる。しかしながら、ＦＥＭ解析を用いると、適切なパラメータの選択、設定などに、一定の経験が必要になる。このため、荷重設計が困難である。そこで、本発明は、荷重設計が容易な皿ばねを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明の皿ばねは、円錐リング状の本体と、前記本体の内周縁から突出する複数の爪と、を備える皿ばねであって、前記内周縁により形成される円の中心に対する、任意の一つの前記爪の根本の周方向両端間の中心角を、根本角度として、前記爪の前記根本角度は、３０°未満であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の皿ばねによると、力学計算式（詳しくは、Ａｌｍｅｎ  ａｎｄ  Ｌａｓｚｌｏの近似式と、台形梁の計算式と、に基づく式）から算出される荷重（計算荷重）と、ＦＥＭ解析に基づく荷重（解析荷重）と、を精度よく対応させることができる。このため、力学計算式を用いて、荷重−たわみ特性を設計することができる。したがって、皿ばねの荷重設計が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】皿ばねの上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ方向断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は実施例１〜５の上面図である。（ｆ）は比較例１の上面図である。
【図４】実施例１、２、比較例１の荷重−たわみ特性を示すグラフである。
【図５】実施例３〜５の荷重−たわみ特性を示すグラフである。
【実施例】
【０００８】
以下、本発明の皿ばねの荷重−たわみ特性について、計算荷重と解析荷重とを比較した検証について説明する。
【０００９】
＜モデル＞
検証用のモデルである実施例１〜５、比較例１について説明する。まず、全モデルに共通する構成について説明する。図１に、皿ばねの上面図を示す。図２に、図１のＩＩ−ＩＩ方向断面図を示す。図１、図２に示すように、皿ばね１は、本体２と、複数の爪３と、を備えている。本体２は、上向きに尖る円錐リング状を呈している。皿ばね１を上側（円錐凸側）から見ると、本体２の内周縁により、円Ａが形成されている。爪３は、先端（自由端）３０を上底、根本（固定端）３１を下底とする台形板状を呈している。爪３は、内周縁（円Ａ）から、径方向内側に突出している。複数の爪３は、等間隔に配置されている。各モデル間における皿ばね１全体の剛性は、同一である。
【００１０】
次に、モデルごとに相違する構成について説明する。図３に、各モデルの上面図を示す。（ａ）は実施例１の、（ｂ）は実施例２の、（ｃ）は実施例３の、（ｄ）は実施例４の、（ｅ）は実施例５の、（ｆ）は比較例１の上面図である。表１に、モデルごとの相違点を示す。
【表１】
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【００１１】
表１において、「爪の配置数」とは、単一の皿ばね１における爪３の合計数である。「根本角度θ」とは、円Ａの中心Ｂに対する、爪３の根本３１の周方向一端３１ａと周方向他端３１ｂと間の中心角である。「根本角度θの合計」とは、単一の皿ばね１における根本角度θの合計数である。すなわち、内周縁の全周（３６０°）に占める、全ての爪３の中心角である。「根本幅」とは、周方向一端３１ａと周方向他端３１ｂと間の直線距離である。表１に示すように、各モデルの爪３の配置数、根本角度θ、根本角度θの合計は、相違している。また、円Ａの周長を１００％として、実施例１〜５の根本幅ｂ０は５％以下に設定されている。一方、比較例１の根本幅ｂ０は５％を超過している。
【００１２】
＜力学計算式＞
次に、計算荷重の算出に用いた力学計算式について、図１、図２を参照しながら、説明する。なお、図２に示す点線は、皿ばね１を形成する板材の板厚方向中心線である。Ｅを縦弾性係数、νをポアソン比、Ｈを本体２の高さ、ｈを板厚、ｒ１を本体２の内径、ｒ２を本体２の外径、ｒ０を爪３の内径、ｎを爪３の配置数、ｂを爪３の先端３０の幅、ｂ０を爪３の根本３１の幅（根本幅）、Ｃ１を定数、Ｐを本体２の内周縁上および外周縁上における荷重、δを爪３の先端３０のたわみ、δ１を荷重Ｐが加わる際（図２の二点鎖線参照）の本体２の揺動変位による爪３の先端３０の変位、δ２を爪３のたわみ、δ３を本体２のたわみとすると、荷重Ｐは式（１）により、係数Ｃは式（２）により、変位δ１は式（３）により、たわみδ２は式（４）により、係数Ｋは式（５）により、たわみδ（皿ばね１の総たわみ）は式（６）により、各々算出される。
【００１３】
式（１）〜式（６）においては、皿ばね１の総たわみを、本体２のたわみと、爪３のたわみと、の和であると想定した。本体２のたわみにＡｌｍｅｎ  ａｎｄ  Ｌａｓｚｌｏの近似式を、爪３のたわみに台形梁の計算式を、各々適用した。以下、式（１）〜式（６）を順に示す。
【数１】
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【数２】
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【数３】
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【数４】
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【数５】
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【数６】
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【００１４】
＜ＦＥＭ解析＞
次に、解析荷重の算出に用いたＦＥＭ解析について説明する。解析には市販のソフトウェアを使用した。要素タイプは、ソリッドまたはシェルにて、要素長は０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度、たわみは剛表面との接触により与えるものとした。
【００１５】
＜検証結果＞
次に、検証結果について説明する。図４に、実施例１、２、比較例１の荷重−たわみ特性をグラフで示す。なお、縦軸の「荷重」は式（１）の荷重Ｐを、横軸の「たわみ」は式（６）のたわみδを、各々示す。図中、「力学計算式」は、実施例１、２、比較例１の計算荷重を示す。「実施例１」は実施例１の解析荷重を、「実施例２」は実施例２の解析荷重を、「比較例１」は比較例１の解析荷重を、各々示す。
【００１６】
図４に示すように、力学計算式によると、実施例１、２、比較例１の荷重（計算荷重）−たわみ曲線は一致している。これに対して、ＦＥＭ解析によると、実施例１、２、比較例１の荷重（解析荷重）−たわみ曲線は相違している。実施例１、実施例２、比較例１の順に、解析荷重が大きくなる。
【００１７】
計算荷重と解析荷重とを比較すると、実施例１、２の場合、計算荷重と解析荷重とがよく一致している。これに対して、比較例１の場合、計算荷重を解析荷重が大きく上回っている。図４に線Ｌで示すように、最大たわみ状態において、計算荷重を１００％として、解析荷重は計算荷重を１１％超過している。このように、比較例１に対して、実施例１、２によると、計算荷重と解析荷重とを精度よく対応させることができる。このため、力学計算式を用いて、皿ばね１の荷重−たわみ特性を設計することができる。したがって、ＦＥＭ解析のみを用いて荷重設計を行う場合と比較して、皿ばね１の荷重設計が容易になる。
【００１８】
比較例１において計算荷重を解析荷重が大きく上回ったのは、比較例１の根本幅ｂ０が大きい（５％を超過している）ことに起因すると考えられる。すなわち、根本幅ｂ０が大きい場合、ＦＥＭ解析（あるいは実物）における爪３の形状（弧状梁）と、力学計算式における爪３の形状（台形梁）と、の乖離が大きくなる。このため、ＦＥＭ解析に対して、力学計算式の方が、爪３の曲げ剛性を低く見積もってしまう。したがって、根本幅ｂ０が大きい比較例１において、計算荷重を解析荷重が大きく上回ったと考えられる。
【００１９】
図５に、実施例３〜５の荷重−たわみ特性をグラフで示す。なお、縦軸の「荷重」、横軸の「たわみ」、図中の「力学計算式」、「実施例３」、「実施例４」、「実施例５」の意味は、図３同様である。図５に示すように、力学計算式によると、実施例３〜５の荷重（計算荷重）−たわみ曲線は一致している。また、ＦＥＭ解析によると、実施例３〜５の荷重（解析荷重）−たわみ曲線は略一致している。
【００２０】
計算荷重と解析荷重とを比較すると、実施例３〜５の場合、計算荷重と解析荷重とがよく一致している。このため、力学計算式を用いて、皿ばね１の荷重−たわみ特性を設計することができる。したがって、ＦＥＭ解析のみを用いて荷重設計を行う場合と比較して、皿ばね１の荷重設計が容易になる。
【００２１】
このように、実施例１〜５は、いずれも力学計算式（式（１）〜式（６））だけを用いた設計方法により、設計することができる。あるいは、力学計算式とＦＥＭ解析とを併用した設計方法により、設計することができる。このため、力学計算式を用いた設計方法により設計できない（計算荷重を解析荷重が大きく上回ってしまう）比較例１と比較して、皿ばね１の荷重設計が容易になる。
【００２２】
＜その他＞
以上、本発明の皿ばねの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。例えば、爪３の配置数、径方向長さは特に限定しない。また、爪３に孔を設けてもよい。
【符号の説明】
【００２３】
１：皿ばね、２：本体、３：爪、３０：先端、３１：根本、３１ａ：周方向一端、３１ｂ：周方向他端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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