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JP4717487B2 - Exhaust flow control valve design method - Google Patents
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Description

本発明は、ねじりコイルばねを備えた構造体に関する。詳しくは、ねじりコイルばねのアームを第1部材(例えば、ハウジング等)に支持すると共にねじりコイルばねのコイル部の側面を第2部材(例えば、弁体)に当接させ、コイル部の撓み反力によって第2部材を付勢するようにした構造体に関する。   The present invention relates to a structure including a torsion coil spring. Specifically, the arm of the torsion coil spring is supported by a first member (for example, a housing) and the side surface of the coil portion of the torsion coil spring is brought into contact with the second member (for example, a valve body), so The present invention relates to a structure in which a second member is urged by force.

ねじりコイルばねを用いて第2部材(例えば、弁体等)を特定の方向に付勢する構造体が知られている。この種の構造体では、通常、ねじりコイルばねの一方のアームを第1部材(例えば、ハウジング等)に固定すると共に他方のアームを第2部材(例えば、弁体等)に固定し、コイル軸周りに発生するモーメントを利用して第2部材を付勢する。この構造体では、第2部材の移動量と第2部材に作用する付勢力とが比例し、第2部材の移動量が大きくなると第2部材を付勢する付勢力も大きくなる。
しかしながら、第2部材の移動量に対して第2部材を付勢する付勢力が大きく変化しないような非線形性が求められる場合がある。例えば、内燃機関(自動車のエンジン等)の排気流路に配置される排気流路制御弁では、弁体の移動量に対して付勢力が変化しないことが望まれる。すなわち、排気流量制御弁は、内燃機関の排気流路に配置され、排気流路を流れる排気ガスの圧力が所定値以上となったときに一気に開弁することが求められる。このため、弁体の開度が大きくなっても弁体を付勢する付勢力が大きくならないことが要求される。
A structure that urges a second member (for example, a valve body or the like) in a specific direction by using a torsion coil spring is known. In this type of structure, one arm of a torsion coil spring is usually fixed to a first member (for example, a housing) and the other arm is fixed to a second member (for example, a valve body), and the coil shaft The second member is urged using a moment generated around the second member. In this structure, the amount of movement of the second member is proportional to the biasing force acting on the second member, and the biasing force that biases the second member increases as the amount of movement of the second member increases.
However, there may be a case where non-linearity is required such that the urging force for urging the second member does not change greatly with respect to the movement amount of the second member. For example, in an exhaust passage control valve disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine (such as an automobile engine), it is desirable that the urging force does not change with respect to the amount of movement of the valve body. That is, the exhaust flow rate control valve is disposed in the exhaust passage of the internal combustion engine, and is required to open at once when the pressure of the exhaust gas flowing through the exhaust passage becomes a predetermined value or more. For this reason, even if the opening degree of a valve body becomes large, it is requested | required that the urging | biasing force which urges | biases a valve body may not become large.

そこで、第2部材の移動量に対して第2部材に作用する付勢力の増大を抑制することができる構造体が開発されている(例えば、特許文献1)。特許文献1には排気流路制御弁が開示されている。この排気流路制御弁は、排気ガスが流れるハウジングと、ハウジングに装着した弁体と、弁体を閉じ側に付勢するねじりコイルばねを備えている。ねじりコイルばねは、弁体の反ハウジング側に配置される。ねじりコイルばねのコイル部は、その側面が弁体の略中央に設けたばね受け部に当接し、コイル部の軸線は弁体表面に対し略平行となっている。ねじりコイルばねのアームは、ばね取付部材に支持されており、ばね取付部材に対してその軸線方向にスライド移動が可能となっている。これらの部品が組み立てられた状態では、弁体が開き側に変位するとアームが回転変位し、そのアームの回転変位により発生するコイル部の撓み反力によって弁体が閉じ側に付勢される。
この排気流路制御弁では、弁体が開き側に変位すると、ねじりコイルばねのアームがばね取付部材に対してスライド移動し、コイル部の撓み反力を生じるアームの有効長(荷重作用半径)、並びにアームから取付部材に作用する力の方向が変化する。したがって、弁体が開き側へ変位しても、弁体に作用する付勢力の増加を低く抑えることができる。これによって、排気ガスの圧力が所定値を超えると一気に全開となり、充分な弁開度を得ることができる。
特許3326746号
Therefore, a structure that can suppress an increase in the biasing force acting on the second member with respect to the movement amount of the second member has been developed (for example, Patent Document 1). Patent Document 1 discloses an exhaust passage control valve. The exhaust flow path control valve includes a housing through which exhaust gas flows, a valve body mounted on the housing, and a torsion coil spring that biases the valve body toward the closed side. The torsion coil spring is disposed on the opposite side of the valve body from the housing. The coil portion of the torsion coil spring has a side surface in contact with a spring receiving portion provided substantially at the center of the valve body, and the axis of the coil portion is substantially parallel to the valve body surface. The arm of the torsion coil spring is supported by a spring mounting member, and is slidable in the axial direction with respect to the spring mounting member. In a state where these parts are assembled, when the valve body is displaced to the opening side, the arm is rotationally displaced, and the valve body is urged to the closing side by the bending reaction force of the coil portion generated by the rotational displacement of the arm.
In this exhaust flow control valve, when the valve body is displaced to the open side, the arm of the torsion coil spring slides with respect to the spring mounting member, and the effective length of the arm that causes the bending reaction force of the coil portion (load working radius) The direction of the force acting on the mounting member from the arm changes. Therefore, even if the valve body is displaced to the opening side, an increase in urging force acting on the valve body can be suppressed to a low level. Thereby, when the pressure of the exhaust gas exceeds a predetermined value, the valve is fully opened at a stretch, and a sufficient valve opening can be obtained.
Japanese Patent No. 3326746

ところで、ねじりコイルばねのコイル部側面を被付勢部材に当接して付勢する構造体では、ねじりコイルばねの疲労に伴う荷重特性の変化(いわゆる、へたりによる荷重特性の変化)が大きな問題となる。すなわち、上述した構造体では、被付勢部材の変位が大きくなってもねじりコイルばねの付勢力があまり大きくならない。このため、ねじりコイルばねの疲労によって設定荷重(初期荷重)が低下すると、被付勢部材が低い荷重で作動し、また、被付勢部材が作動した際は被付勢部材が大きく変位するためである。したがって、上述した構造体では、ねじりコイルばねの疲労によって荷重特性が変化すると、ねじりコイルばねを交換する等の作業が必要となっていた。また、ねじりコイルばねが疲労すると作動特性の変化の度合も大きく、機能不具合が発生して使用過程において交換が必要となる場合もあった。   By the way, in the structure in which the side surface of the coil portion of the torsion coil spring is urged against the biased member, a change in load characteristics (so-called change in load characteristics due to sag) accompanying fatigue of the torsion coil spring is a major problem. It becomes. That is, in the structure described above, even if the displacement of the biased member increases, the biasing force of the torsion coil spring does not increase so much. For this reason, when the set load (initial load) decreases due to fatigue of the torsion coil spring, the biased member operates with a low load, and when the biased member operates, the biased member is greatly displaced. It is. Therefore, in the structure described above, when the load characteristic changes due to fatigue of the torsion coil spring, an operation such as replacing the torsion coil spring is required. In addition, when the torsion coil spring is fatigued, the degree of change in the operating characteristics is large, and there is a case where a malfunction occurs and the replacement is necessary in the use process.

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ねじりコイルばねのコイル部の側面で被付勢部材を付勢する構造体において、ねじりコイルばねの疲労に伴う荷重特性の変化を問題とならないレベルに抑えることができる技術を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide load characteristics associated with fatigue of a torsion coil spring in a structure that urges a biased member on a side surface of a coil portion of the torsion coil spring. It is to provide a technology that can suppress the change of the level to a level that does not cause a problem.

上記課題を解決するために、本明細書に開示する排気流量制御弁の設計方法は、内燃機関の排気流路に配置され、排気流路を閉じる閉弁位置排気流路を開く開弁位置の間を移動可能とされた弁体と、弁体を閉弁位置に向けて付勢するねじりコイルばねと、ねじりコイルばねのアームを支持するばね取付部と、を備えており、ねじりコイルばねは、高温環境下で使用されるねじりコイルばねに用いられる合金によって形成されており、ばね素線がコイル状に巻回されたコイル部と、コイル部の両端に設けられたアームとを有し、アームがその軸線方向にスライド移動可能にばね取付部に支持されると共にコイル部の側面が弁体に当接し、コイル部の撓み反力によって弁体を閉弁位置に向けて付勢しており、排気流路を流れる排気ガスの圧力が所定値以上となると弁体が開弁する排気流量制御弁の設計方法であって、ねじりコイルばねの素線径d、弁体が閉弁位置に移動した状態におけるねじりコイルばねの付勢力Pv、及び、弁体が閉弁位置に移動した状態におけるコイル部のばね中心からアームの支持位置までの高さ方向の距離Hと横方向の距離Wを決定する決定工程を有している。この決定工程では、Pv・W/[d ・cos {tan −1 (H/W)}]<86.4の関係式が成立するように、素線径d、付勢力Pv、距離HおよびWを決定することを特徴とする。
また、本明細書に開示する構造体(例えば、排気流量制御弁)は、第1部材(例えば、ばね取付部)と、第1の位置(例えば、閉弁位置)と第2の位置(例えば、開弁位置)との間を移動可能とされた第2部材(例えば、弁体)と、第2部材を第1の位置に向けて付勢するねじりコイルばねと、を備える。
ねじりコイルばねは、ばね素線がコイル状に巻回されたコイル部と、コイル部の両端に設けられたアームとを有する。そして、アームがその軸線方向にスライド移動可能に第1部材に支持されると共にコイル部の側面が第2部材に当接し、コイル部の撓み反力によって第2部材を第1の位置に向けて付勢する。
ここで、第2部材が第1の位置に移動した状態において、ねじりコイルばねの付勢力をPv、ねじりコイルばねの素線径をd、並びにコイル部のばね中心からアームの支持位置までの高さ方向の距離をH及び横方向の距離をWとすると、
Pv・W/[d・cos{tan−1(H/W)}]<86.4
の関係式が成立することを特徴とする。
ここで、「高さ方向の距離H」は、コイル部をコイル軸方向から見たときに第2部材が移動する方向と同一方向についてのコイル部のばね中心からアームの支持位置までの距離を意味している。
また、「横方向の距離W」は、コイル部をコイル軸方向から見たときに第2部材が移動する方向と垂直方向についてのコイル部のばね中心からアームの支持位置までの距離を意味している。

In order to solve the above problems, an exhaust flow control valve design method disclosed in the present specification is arranged in an exhaust passage of an internal combustion engine, and a closed position for closing the exhaust passage and an open position for opening the exhaust passage. A torsion coil spring that urges the valve element toward the valve closing position, and a spring mounting portion that supports an arm of the torsion coil spring. The spring is formed of an alloy used for a torsion coil spring used in a high-temperature environment, and has a coil portion in which a spring element is wound in a coil shape and arms provided at both ends of the coil portion. The arm is supported by the spring mounting portion so as to be slidable in the axial direction, and the side surface of the coil portion abuts on the valve body, and the valve body is biased toward the valve closing position by the bending reaction force of the coil portion. Pressure of exhaust gas flowing through the exhaust flow path An exhaust flow control valve design method in which a valve body opens when a predetermined value or more is reached, the element wire diameter d of the torsion coil spring, the biasing force Pv of the torsion coil spring in a state where the valve body is moved to the valve closing position, And it has the determination process which determines the distance H of the height direction and the distance W of the horizontal direction from the spring center of a coil part to the support position of an arm in the state which the valve body moved to the valve closing position. In this determination step, the wire diameter d, the biasing force Pv, and the distance H so that the relational expression Pv · W / [d 3 · cos 2 {tan −1 (H / W)}] <86.4 holds. And W are determined.
In addition, a structure (for example, an exhaust flow control valve) disclosed in the present specification includes a first member (for example, a spring mounting portion), a first position (for example, a valve closing position), and a second position (for example, a valve mounting portion). , A valve opening position) and a torsion coil spring that urges the second member toward the first position.
The torsion coil spring includes a coil portion in which a spring element is wound in a coil shape, and arms provided at both ends of the coil portion. The arm is supported by the first member so as to be slidable in the axial direction, and the side surface of the coil portion abuts on the second member, and the second member is directed to the first position by the bending reaction force of the coil portion. Energize.
Here, in a state where the second member has moved to the first position, the biasing force of the torsion coil spring is Pv, the wire diameter of the torsion coil spring is d, and the height from the spring center of the coil portion to the arm support position is high. When the distance in the vertical direction is H and the distance in the horizontal direction is W,
Pv · W / [d 3 · cos 2 {tan −1 (H / W)}] <86.4
The following relational expression holds.
Here, the “distance H in the height direction” is the distance from the spring center of the coil part to the arm support position in the same direction as the direction in which the second member moves when the coil part is viewed from the coil axis direction. I mean.
The “lateral distance W” means the distance from the spring center of the coil portion to the arm support position in the direction perpendicular to the direction in which the second member moves when the coil portion is viewed from the coil axial direction. ing.

この構造体によると、ねじりコイルばねのへたり率を低く抑えることができ、ねじりコイルばねのへたりを原因とする不具合の発生を顕著に抑制することができる。以下、その理由を詳述する。   According to this structure, the sag rate of the torsion coil spring can be kept low, and the occurrence of problems caused by the sag of the torsion coil spring can be remarkably suppressed. The reason will be described in detail below.

一般にねじりコイルばねのへたりは、ねじりコイルばねに作用する応力と、環境温度によって決まる。上述した構造体の場合、ねじりコイルばねに作用する応力は、コイル部のばね中心とアームの支持位置との位置関係、ねじりコイルばねの初期荷重、及びコイル素線の径によって決まる。これらのうちねじりコイルばねの初期荷重及びコイル素線の径は、構造体が用いられる装置上の制約から大きく調整することはできない。一方、コイル部のばね中心とアームの支持位置との位置関係は比較的自由に調整することができ、この位置関係をどのように調整するかが大きな問題となる。また、ねじりコイルばねのへたりは、使用される環境温度の影響を強く受け、高温環境下において著しく進行する。
したがって、ねじりコイルばねのへたりが最も問題となるのは、高温環境下において使用され、ねじりコイルばねの初期荷重が高く、コイル素線の径に制約があり、かつ、高い耐久性が要求される場合である。かかる場合においてねじりコイルばねのへたりが問題とならなければ、その他の場合においてもねじりコイルばねのへたりが問題となることはない。排気流量制御弁は、使用環境温度が600℃程度と高温であり、初期荷重も比較的高く設定され、また、装置のコンパクト化からコイル素線径が限定され、さらに、高い耐久性が要求される。したがって、排気流量制御弁に用いられる条件でへたりが問題とならなければ、他の装置においてもねじりコイルばねのへたりが問題とならないと考えられる。特に、高温環境下で用いられるねじりコイルばねの材質(例えば、Ni基合金、インコネル等)と、常温で使用するねじりコイルばねの材質(例えば、ピアノ線、ステンレス線など)は異なり、一般的に、常温で使用するねじりコイルばねより高温環境下で使用するねじりコイルばねの方がへたり率が大きい。このことからも、高温環境下で用いられるねじりコイルばねでへたりが問題とならない範囲に抑えられれば、他の一般的な構造物(常温で使用される構造物)においてへたりが問題となることはない。
Generally, the sag of the torsion coil spring is determined by the stress acting on the torsion coil spring and the environmental temperature. In the case of the structure described above, the stress acting on the torsion coil spring is determined by the positional relationship between the spring center of the coil portion and the support position of the arm, the initial load of the torsion coil spring, and the diameter of the coil wire. Among these, the initial load of the torsion coil spring and the diameter of the coil wire cannot be largely adjusted due to restrictions on the apparatus in which the structure is used. On the other hand, the positional relationship between the spring center of the coil portion and the support position of the arm can be adjusted relatively freely, and how to adjust this positional relationship is a big problem. Further, the sag of the torsion coil spring is strongly influenced by the environmental temperature to be used, and proceeds significantly in a high temperature environment.
Therefore, the torsion of the torsion coil spring is most problematic because it is used in a high temperature environment, the initial load of the torsion coil spring is high, the coil wire diameter is limited, and high durability is required. This is the case. In such a case, if the torsion coil spring does not become a problem, the torsion coil spring does not become a problem in other cases. The exhaust flow control valve has a high operating environment temperature of about 600 ° C, the initial load is set to be relatively high, the coil wire diameter is limited due to the compactness of the device, and high durability is required. The Therefore, if the sag does not become a problem under the conditions used for the exhaust flow control valve, it is considered that the sag of the torsion coil spring does not pose a problem in other devices. In particular, the materials of torsion coil springs used in high-temperature environments (for example, Ni-based alloys and Inconel) are different from those of torsion coil springs used at room temperature (for example, piano wires and stainless steel wires). The torsion coil spring used in a high temperature environment has a higher settling rate than the torsion coil spring used at room temperature. For this reason, if the torsion coil spring used in a high temperature environment is suppressed to the extent that it does not become a problem, sag becomes a problem in other general structures (structures used at room temperature). There is nothing.

そこで、本発明者は、自動車用消音器内の排気流量制御弁に実際に用いられたNi基合金なら成るねじりコイルばねであって、ねじりコイルばね自身には交換の必要がなく、かつ、装備された自動車の走行距離が10万km以上のものを市場から回収し、そのへたり率を測定した。その結果、ねじりコイルばねのへたり率は9〜15%となった。これによって、ねじりコイルばねのへたり率を15%以内に抑えることができれば、自動車が10万km走行する間にねじりコイルばねの交換を行う必要がないことが判明した。逆に、ねじりコイルばねのへたり率が15%を越えると、消音器の性能が低下し騒音基準値を満足できなくなり、消音機自体の交換が必要であることが判明した。このため、ねじりコイルばねのへたり率を15%以内に抑えることができれば、自動車が10万km走行する間にねじりコイルばねのへたりを理由とする消音器交換作業の必要がない。   Therefore, the present inventor is a torsion coil spring made of a Ni-based alloy actually used for an exhaust flow control valve in an automobile silencer, and the torsion coil spring itself does not need to be replaced and is equipped. The vehicles with a travel distance of 100,000 km or more were collected from the market and the rate of sag was measured. As a result, the sag rate of the torsion coil spring was 9-15%. As a result, it has been found that if the sag rate of the torsion coil spring can be suppressed to 15% or less, it is not necessary to replace the torsion coil spring while the automobile travels 100,000 km. Conversely, if the torsional coil spring sag rate exceeds 15%, the silencer performance deteriorates and the noise reference value cannot be satisfied, and it is found that the silencer itself needs to be replaced. For this reason, if the sag rate of the torsion coil spring can be suppressed to 15% or less, it is not necessary to replace the silencer due to the sag of the torsion coil spring while the automobile travels 100,000 km.

次に、ねじりコイルばねのへたりを15%以内に抑制することが可能となる最大応力値が問題となる。本発明者の検討によると、排気流量制御弁に用いられるねじりコイルばねのへたり率と、ねじりコイルばねに対しする高温曝露試験の結果はよく一致することが判明している。このため、ねじりコイルばねに作用する負荷を変えながら高温曝露試験を行い、へたり率が15%以下となる最大応力値を求めた。その結果、ねじりコイルばねの応力値が440MPa以下であれば、へたり率を15%以下に抑えられることが判明した。
ねじりコイルばねに作用する応力を440MPa以下とすればよいことが判明したため、そのような条件となるコイル部のばね中心とアームの支持位置との位置関係、ねじりコイルばねの初期荷重、及びコイル素線の径の関係を求めた。なお、この種の装置では、通常、第2部材が第1の位置に付勢された状態となることが多い。このため、第2部材が第1の位置に付勢された状態(すなわち、初期状態)の応力値が440MPa以下となれば、へたり率を15%以下に抑えることができる。ねじりコイルばねの応力を求める公式から、第2部材が第1の位置に移動した状態でねじりコイルばねに発生する応力を440MPa以下とするための条件を求めると、下記の条件が成立する必要がある。
Pv・W/[d・cos{tan−1(H/W)}]<86.4
ここで、Pvは第2部材が第1の位置にあるときのねじりコイルばねの付勢力、dはねじりコイルばねの素線径、Hはコイル部のばね中心からアームの支持位置までの高さ方向の距離、Wはコイル部のばね中心からアームの支持位置までの横方向の距離である。
上述の説明から明らかなように、本発明の構造体では、第2部材が第1の位置に移動した状態でねじりコイルばねに作用する応力が440MPa以下となり、そのへたり率を15%以内に抑えることができる。これによって、ねじりコイルばねのへたりを原因とする不具合の発生を顕著に抑制することができる。
Next, the maximum stress value at which the sag of the torsion coil spring can be suppressed within 15% becomes a problem. According to the study by the present inventor, it has been found that the sag rate of the torsion coil spring used in the exhaust flow control valve and the result of the high-temperature exposure test on the torsion coil spring agree well. For this reason, a high temperature exposure test was performed while changing the load acting on the torsion coil spring, and the maximum stress value at which the sag rate was 15% or less was determined. As a result, it was found that if the stress value of the torsion coil spring is 440 MPa or less, the sag rate can be suppressed to 15% or less.
Since it has been found that the stress acting on the torsion coil spring should be 440 MPa or less, the positional relationship between the spring center of the coil portion and the arm support position, which is such a condition, the initial load of the torsion coil spring, and the coil element The relationship of the wire diameter was determined. In this type of device, the second member is usually biased to the first position in many cases. For this reason, if the stress value in the state in which the second member is biased to the first position (that is, the initial state) is 440 MPa or less, the sag rate can be suppressed to 15% or less. From the formula for obtaining the stress of the torsion coil spring, when the condition for reducing the stress generated in the torsion coil spring to 440 MPa or less with the second member moved to the first position, the following condition must be satisfied. is there.
Pv · W / [d 3 · cos 2 {tan −1 (H / W)}] <86.4
Here, Pv is the biasing force of the torsion coil spring when the second member is in the first position, d is the strand diameter of the torsion coil spring, and H is the height from the spring center of the coil portion to the arm support position. The distance in the direction, W, is the lateral distance from the spring center of the coil portion to the arm support position.
As is clear from the above description, in the structure of the present invention, the stress acting on the torsion coil spring is 440 MPa or less with the second member moved to the first position, and the sag rate is within 15%. Can be suppressed. As a result, it is possible to significantly suppress the occurrence of problems caused by the sag of the torsion coil spring.

なお、上述した構造体においては、第2部材が第2の位置に移動した状態において、ねじりコイルばねのばね中心の位置がアーム支持位置と同一高さ若しくはアーム支持位置より低い位置にあることが好ましい。
このように構成することで、ねじりコイルばねのアームと支持部材との係合状態が解除されてしまうことを効果的に抑制することができる。
In the structure described above, the position of the spring center of the torsion coil spring may be at the same height as the arm support position or at a position lower than the arm support position when the second member is moved to the second position. preferable.
By comprising in this way, it can suppress effectively that the engagement state of the arm of a torsion coil spring and a supporting member will be cancelled | released.

また、上述した構造体においては、第2部材にはコイル部を受けるばね受け部が設けられており、このばね受け部が第2部材の基準面(例えば、第2部材の表面)から高さ方向にオフセットされていることが好ましい。
このような構成によると、コイル部のばね中心とアームの支持位置との位置関係の調整代を大きくすることができ、設計の自由度を広げることができる。
あるいは、ねじりコイルばねのアームを屈曲するようにしてもよい。このような構成によっても、コイル部のばね中心とアームの支持位置との位置関係の調整代を大きくすることができる。
In the structure described above, the second member is provided with a spring receiving portion that receives the coil portion, and the spring receiving portion is at a height from the reference surface of the second member (for example, the surface of the second member). It is preferably offset in the direction.
According to such a configuration, the adjustment allowance for the positional relationship between the spring center of the coil portion and the support position of the arm can be increased, and the degree of freedom in design can be expanded.
Alternatively, the arm of the torsion coil spring may be bent. Even with such a configuration, the adjustment allowance for the positional relationship between the spring center of the coil portion and the support position of the arm can be increased.

以下、本発明を具現化した一実施形態に係る構造体について図面を参照して説明する。図1は本実施形態の構造体10の概略構成を示している。図1に示すように構造体10は、第1部材12,14と、第2部材16と、ねじりコイルばね20を備えている。
第1部材12、14は一対の支持部材であり、ねじりコイルばね20のアーム22a,22bをそれぞれ支持する。第1部材12には貫通孔13が形成され、この貫通孔13にねじりコイルばね20のアーム22aが挿通されている。アーム22aは、貫通孔13に対してその軸線方向に摺動自在となっている。第2部材14にも貫通孔15が形成され、この貫通孔15にねじりコイルばね20のアーム22bが挿通されている。アーム22bは、貫通孔15に対してその軸線方向に摺動自在となっている。
第2部材16は、図の矢印の方向(上下方向)に移動することができ、第1部材に対して初期位置から最大移動位置までの間を移動可能となっている。第2部材16の上面にはねじりコイルばね20のコイル部24が当接している。第2部材16にはコイル部24の撓み反力が作用し、第2部材16は初期位置(下方)に向かって付勢されている。
ねじりコイルばね20は、ばね素線がコイル状に巻回されたコイル部24と、コイル部24の両端に設けられたアーム22a,22bを有する。上述したようにアーム22a,22bは第1部材12,14にそれぞれ支持され、コイル部24の側面(胴体)は第2部材16の上面に当接している。
Hereinafter, a structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of a structure 10 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the structure 10 includes first members 12 and 14, a second member 16, and a torsion coil spring 20.
The first members 12 and 14 are a pair of support members, and support the arms 22a and 22b of the torsion coil spring 20, respectively. A through hole 13 is formed in the first member 12, and an arm 22 a of the torsion coil spring 20 is inserted into the through hole 13. The arm 22a is slidable in the axial direction with respect to the through hole 13. A through hole 15 is also formed in the second member 14, and an arm 22 b of the torsion coil spring 20 is inserted into the through hole 15. The arm 22b is slidable in the axial direction with respect to the through hole 15.
The second member 16 can move in the direction of the arrow in the figure (up and down direction), and can move from the initial position to the maximum movement position with respect to the first member. The coil portion 24 of the torsion coil spring 20 is in contact with the upper surface of the second member 16. The second member 16 is subjected to a bending reaction force of the coil portion 24, and the second member 16 is biased toward the initial position (downward).
The torsion coil spring 20 includes a coil portion 24 in which a spring wire is wound in a coil shape, and arms 22 a and 22 b provided at both ends of the coil portion 24. As described above, the arms 22 a and 22 b are respectively supported by the first members 12 and 14, and the side surface (body) of the coil portion 24 is in contact with the upper surface of the second member 16.

図2(a)は第2部材16が最大移動位置に移動した状態を示しており、図2(b)は第2部材16が初期位置にセットされた状態を示している。第2部材16が初期位置にセットされた状態(図2(b)の状態)において、ねじりコイルばね20には初期変位が与えられており、ねじりコイルばね20から第2部材16には初期荷重が作用している。このため、第2部材16に上向きの力が作用しても、その力が初期荷重を超えるまでは、第2部材16が初期位置から移動することはない。なお、ねじりコイルばね20に与えられる初期変位(すなわち、第2部材16が初期位置となるときの、ねじりコイルばね20と貫通孔13,15の位置関係)については、後で詳述する。
第2部材16が最大移動位置に移動した状態(図2(a)の状態)では、第2部材16が初期位置にセットされた状態と比較して、ねじりコイルばね20と貫通孔13,15の位置関係が変化している。すなわち、コイル部24の中心(ばね中心)とアーム22a,22bの支持位置が変化している。また、ねじりコイルばね20と貫通孔13,15の位置関係が変化するのに応じて、アーム22a,22bの有効長(コイル部24から貫通孔13(15)までの距離)も変化する。このため、第2部材16が初期位置から最大移動位置まで移動する際には、アーム22a,22bは貫通孔13,15内を軸方向にスライド移動(摺動)することとなる。
2A shows a state where the second member 16 has moved to the maximum movement position, and FIG. 2B shows a state where the second member 16 has been set to the initial position. In the state where the second member 16 is set at the initial position (the state shown in FIG. 2B), the initial displacement is applied to the torsion coil spring 20, and the initial load is applied from the torsion coil spring 20 to the second member 16. Is working. For this reason, even if an upward force acts on the second member 16, the second member 16 does not move from the initial position until the force exceeds the initial load. The initial displacement applied to the torsion coil spring 20 (that is, the positional relationship between the torsion coil spring 20 and the through holes 13 and 15 when the second member 16 is in the initial position) will be described in detail later.
In the state where the second member 16 has moved to the maximum movement position (the state shown in FIG. 2A), the torsion coil spring 20 and the through holes 13 and 15 are compared with the state where the second member 16 is set to the initial position. The positional relationship has changed. That is, the center of the coil portion 24 (spring center) and the support positions of the arms 22a and 22b are changed. Further, as the positional relationship between the torsion coil spring 20 and the through holes 13 and 15 changes, the effective length of the arms 22a and 22b (distance from the coil portion 24 to the through hole 13 (15)) also changes. For this reason, when the second member 16 moves from the initial position to the maximum movement position, the arms 22a and 22b slide (slid) in the through holes 13 and 15 in the axial direction.

図3はねじりコイルばねが捻られることで発生するばね荷重Pと、コイル部24から第2部材16に作用する力P(付勢力)との関係を示す図である。本実施形態に係る構造体10は、ねじりコイルばね20を中心に左右対称であるため、図3においては、ねじりコイルばね20の片側のみを図示している。
図3に示すようにねじりコイルばね20が捻られると、アーム22から第1部材12(14)にばね荷重Pが作用する。ばね荷重Pが作用する方向は、コイル部24の中心と貫通孔13(15)を結ぶ線分に対して垂直な方向に作用する。例えば、図4に示すように、ねじりコイルばね20のばね荷重P1,P2は、コイル部24の中心とばね荷重P1,P2の作用点A,Bとを結ぶ線分に対して垂直方向に作用する。図4から明らかなように、ばね荷重Pが作用する位置(アーム長さ)が変化すると、その荷重方向も異なることとなる。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the spring load P generated by twisting the torsion coil spring and the force P v (biasing force) acting on the second member 16 from the coil portion 24. Since the structure 10 according to the present embodiment is symmetrical with respect to the torsion coil spring 20, only one side of the torsion coil spring 20 is illustrated in FIG.
When the torsion coil spring 20 is twisted as shown in FIG. 3, the spring load P acts on the first member 12 (14) from the arm 22. The direction in which the spring load P acts acts in a direction perpendicular to the line segment connecting the center of the coil portion 24 and the through hole 13 (15). For example, as shown in FIG. 4, the spring loads P1, P2 of the torsion coil spring 20 act in a direction perpendicular to the line segment connecting the center of the coil portion 24 and the action points A, B of the spring loads P1, P2. To do. As is clear from FIG. 4, when the position (arm length) on which the spring load P acts changes, the load direction also changes.

図3に示すように、ばね荷重Pと第1部材12(14)のなす角をθとすると、Pcosθが第2部材16を下方に付勢する力として用いられる。したがって、第2部材16を下方に付勢する力Pは、ねじりコイルばね20のばね荷重Pだけではなく、角度θによっても変化することとなる。角度θは、コイル部24の中心とアーム支持位置(貫通孔13,15)の位置関係によって変化する。すなわち、コイル部24の中心とアーム支持位置の高さ方向の距離をH、横方向の距離をWとすると、角度θはtan−1(H/W)となる。
図5は、コイル部24の中心とアーム22の支持位置を変化させたときの角度θの変化を表すグラフである。図中、縦軸にθをとり、横軸に[H/D(コイル部24の半径D)]をとっている。なお、高さ方向の距離Hについては、コイル部24の中心がアーム支持位置と同一高さとなる点を0とし、コイル部24の中心が上方にずれたときを(+)、コイル部24の中心が下方にずれたときを(−)としている。図5から明らかなように、コイル部24の中心の位置が変化すると角度θが連続的に変化している。また、H/Dが“0”から離れるに従って角度θも大きくなる。このため、H/Dが“0”から離れるのに応じて、ばね荷重Pが第2部材16の付勢力に寄与する割合が低下していくこととなる。
第2部材16の位置が変化するとコイル部24の位置が変化することから、第2部材16の位置が変化することで角度θも連続的に変化する。したがって、第2部材16の位置と、第2部材16に作用する付勢力の関係は非線形性を有することとなる。
As shown in FIG. 3, when the angle formed by the spring load P and the first member 12 (14) is θ, P cos θ is used as a force for urging the second member 16 downward. Therefore, the force Pv for urging the second member 16 downward varies not only with the spring load P of the torsion coil spring 20 but also with the angle θ. The angle θ varies depending on the positional relationship between the center of the coil portion 24 and the arm support position (through holes 13 and 15). That is, if the distance in the height direction between the center of the coil portion 24 and the arm support position is H, and the distance in the horizontal direction is W, the angle θ is tan −1 (H / W).
FIG. 5 is a graph showing a change in the angle θ when the center of the coil portion 24 and the support position of the arm 22 are changed. In the drawing, the vertical axis represents θ, and the horizontal axis represents [H / D (radius D of coil portion 24)]. As for the distance H in the height direction, the point at which the center of the coil part 24 is at the same height as the arm support position is 0, and when the center of the coil part 24 is shifted upward (+), When the center is shifted downward, (−) is taken. As is clear from FIG. 5, when the center position of the coil portion 24 changes, the angle θ changes continuously. Further, the angle θ increases as H / D increases from “0”. For this reason, as the H / D moves away from “0”, the ratio of the spring load P contributing to the urging force of the second member 16 decreases.
If the position of the 2nd member 16 changes, the position of the coil part 24 will change, Therefore The angle (theta) will also change continuously by the position of the 2nd member 16 changing. Accordingly, the relationship between the position of the second member 16 and the urging force acting on the second member 16 has nonlinearity.

図6には本実施形態の一例に係る構造体のばね特性と、押しばね(圧縮コイルばね)を用いた構造体のばね特性を併せて示している。両構造体とも、初期荷重が同一となるようにばねの仕様を調整した。図6から明らかなように、本実施形態の構造体では、ストローク量(第2部材の移動量)が大きくなっても反力(第2部材に作用する付勢力)の増大が抑えられ(いわゆる、低ばね定数化)、その荷重特性が非線形となっている。一方、押しばね構造体では、ストローク量の増大に比例して反力が増加し、線形な荷重特性を示している。
なお、図6に示す測定結果を得るために用いたばねの仕様を表1に示している。表1から明らかなように、本実施形態の構造体によると、押しばね構造体と比較して、コイル径が小さく、かつ、質量が少なくなっている。このため、本実施形態に係る構造体によると、省スペース化と軽量化が図られることとなる。
FIG. 6 also shows the spring characteristics of a structure according to an example of this embodiment and the spring characteristics of a structure using a pressing spring (compression coil spring). The spring specifications were adjusted so that both structures had the same initial load. As is clear from FIG. 6, in the structure of the present embodiment, an increase in the reaction force (the urging force acting on the second member) is suppressed even when the stroke amount (the amount of movement of the second member) increases (so-called “so-called”). , Lower spring constant), and its load characteristics are non-linear. On the other hand, in the push spring structure, the reaction force increases in proportion to the increase in stroke amount, and shows a linear load characteristic.
Table 1 shows the specifications of the springs used to obtain the measurement results shown in FIG. As is clear from Table 1, according to the structure of the present embodiment, the coil diameter is small and the mass is small as compared with the push spring structure. For this reason, according to the structure concerning this embodiment, space saving and weight reduction will be achieved.

Figure 0004717487
Figure 0004717487

上述した説明から明らかなように、コイル部24の中心とアーム支持位置(貫通孔13,15)の位置関係が変化すると角度θが変化し、角度θが変化すると必要な付勢力を得るためのばね荷重も変化する。ばね荷重が変化すると、ばね素線に作用する曲げモーメントが変化し、ばね素線に作用する応力も変化する。ばね素線に作用する応力は、ばねのへたり・耐久性の面からはできるだけ低応力域での使用が好ましい。特に、高温環境下で使用する場合は、耐熱性に優れたばね材を使用したとしても、使用応力によってへたり量(へたり率)が大きく変化する。
図7は、同一の付勢力が第2部材16に作用するようにしながらコイル部24の中心をアーム支持位置に対して変化させたときの、ねじりコイルばね20のばね素線に作用する応力の変化を表すグラフである。図中、縦軸に応力をとり、横軸に[H/D(コイル部の半径D)]をとっている。また、高さ方向の距離Hについては、コイル部24の中心がアーム支持位置と同一高さとなる点を0とし、コイル部24の中心が上方にずれたときを(+)、コイル部24の中心が下方にずれたときを(−)としている。なお、図にはW(コイル部24の中心からアーム支持位置までの横方向の距離)/Dの値を1.27,1.48,1.82に変化させたときの結果がそれぞれ示されている。
図7から明らかなように、H/Dが“0”のとき(すなわち、コイル部24の中心とアーム支持位置が同一高さのとき)に応力が最小となり、H/Dが0から離れるのに応じて応力が大きくなっている。H/Dが“0”から離れるとばね荷重方向と付勢方向のなす角度θが大きくなり、必要な不勢力を得るためにはばね荷重を大きくしなければならないためである。
As is clear from the above description, the angle θ changes when the positional relationship between the center of the coil portion 24 and the arm support position (through holes 13, 15) changes, and the required biasing force is obtained when the angle θ changes. The spring load also changes. When the spring load changes, the bending moment acting on the spring element changes, and the stress acting on the spring element also changes. The stress acting on the spring wire is preferably used in a low stress region as much as possible from the standpoint of spring sag and durability. In particular, when used in a high temperature environment, even if a spring material with excellent heat resistance is used, the amount of sag (sag rate) varies greatly depending on the operating stress.
FIG. 7 shows the stress acting on the spring wire of the torsion coil spring 20 when the center of the coil portion 24 is changed with respect to the arm support position while causing the same urging force to act on the second member 16. It is a graph showing a change. In the figure, the vertical axis represents stress, and the horizontal axis represents [H / D (radius D of coil portion)]. Further, regarding the distance H in the height direction, the point where the center of the coil part 24 is at the same height as the arm support position is 0, and when the center of the coil part 24 is shifted upward (+), When the center is shifted downward, (−) is taken. The figure shows the results when the value of W (the lateral distance from the center of the coil portion 24 to the arm support position) / D is changed to 1.27, 1.48, and 1.82, respectively. ing.
As is clear from FIG. 7, when H / D is “0” (that is, when the center of the coil portion 24 and the arm support position are at the same height), the stress is minimized and the H / D moves away from 0. The stress increases accordingly. This is because when the H / D is away from “0”, the angle θ formed by the spring load direction and the biasing direction increases, and the spring load must be increased in order to obtain a necessary bias force.

図8は、図7に示す応力をねじりコイルばねに作用させた状態とし、その状態のまま600℃で100時間放置した際のばねの荷重損失率(へたり率)を表している。図8から明らかなように、H/Dが“0”のとき(すなわち、コイル部24の中心とアーム支持位置が同一高さのとき)にへたり率が最小となり、H/Dが“0”から離れるにしたがってへたり率が大きくなっている。ばね素線に作用する応力とへたり率に相関があることが示されている。このため、(H/D)を“0”を中心に変化するように第2部材16の初期位置を設定すると(例えば、H/Dが−0.5〜+0.5の範囲に設定すると)、ねじりコイルばね20に作用する応力を低く抑えることができ、へたり率も低く抑えることができる。   FIG. 8 shows the load loss rate (sag rate) of the spring when the stress shown in FIG. 7 is applied to the torsion coil spring and left in that state at 600 ° C. for 100 hours. As is clear from FIG. 8, when H / D is “0” (that is, when the center of the coil portion 24 and the arm support position are at the same height), the sag rate is minimum, and H / D is “0”. The rate of stagnation increases as you leave. It is shown that there is a correlation between the stress acting on the spring wire and the sag rate. For this reason, when the initial position of the second member 16 is set so that (H / D) changes around “0” (for example, when H / D is set in the range of −0.5 to +0.5). The stress acting on the torsion coil spring 20 can be kept low, and the sag rate can be kept low.

既に説明したように、ねじりコイルばねのへたり率を15%以内に抑えることができれば、ねじりコイルばねの耐久性(へたり)は問題とならない。また、図9に示すように、高温曝露試験によるねじりコイルばねのへたり率と市場から回収した回収品の値は良く一致し、高温曝露試験の結果からねじりコイルばねの応力を440MPa以下に抑えればへたり率を15%以下に抑えることができることについても既に説明した。さらに、上述した構造体10では、第2部材16が初期位置に位置する時間が長いことから、第2部材16が初期位置に位置する時(いわゆる、セット時)に、ねじりコイルばね20に作用する応力を440MPa以下に抑えることが重要であることも既に説明している。
ここでは、ねじりコイルばね20に作用する応力を440MPa以下とするためのセット時の条件を算出する手順について説明する。ねじりコイルばねに発生するモーメントと、コイル素線に発生する応力の関係は、次に示す式で表される。
σ=32M/πd (1)
したがって、へたり率が15%となる条件は下記の式で表される。
440>32M/πd (2)
一方、第2部材16を初期位置にセットした時に第2部材16に作用する付勢力をPvとすると、PvとばねモーメントMとの関係は、
Pv=2×Pcosθ, P=M/r (3)
となる。ここで、Pはばね荷重であり、rはコイル部24の中心からアーム支持位置までの距離(荷重作用半径)である(図3,4参照)。
上記(2)式と(3)式から、次の式が導かれる。
32Pv・r/(2πd・cosθ)<440 (4)
ここで、θ=tan−1(H/W)、r=W/cosθと表されるので(図3参照)、これらを上記(4)式に代入すると、次の式が導かれる。
32Pv・W/[2πd・cos(tan−1(H/W))]<440 (5)
Pv・W/[d・cos(tan−1(H/W))]<86.4 (6)
したがって、第2部材16がセット位置において、上記(6)式を満足するようにPv(初期荷重),d(ばね素線の径),H(コイル部の中心からアーム支持位置までの高さ方向の距離),W(コイル部の中心からアーム支持位置までの横方向の距離)を設定してやれば、へたり率を15%以下に抑えることができる。
As already described, if the sag rate of the torsion coil spring can be suppressed to 15% or less, the durability (sag) of the torsion coil spring does not become a problem. In addition, as shown in FIG. 9, the sag rate of the torsion coil spring by the high temperature exposure test and the value of the recovered product collected from the market agree well, and the stress of the torsion coil spring is suppressed to 440 MPa or less from the result of the high temperature exposure test. It has already been explained that the droop rate can be suppressed to 15% or less. Further, in the structure 10 described above, since the time during which the second member 16 is located at the initial position is long, the second member 16 acts on the torsion coil spring 20 when the second member 16 is located at the initial position (so-called setting). It has already been explained that it is important to suppress the stress to be reduced to 440 MPa or less.
Here, the procedure for calculating the conditions at the time of setting the stress acting on the torsion coil spring 20 to 440 MPa or less will be described. The relationship between the moment generated in the torsion coil spring and the stress generated in the coil wire is expressed by the following equation.
σ = 32M / πd 3 (1)
Therefore, the condition for the sag rate to be 15% is expressed by the following equation.
440> 32M / πd 3 (2)
On the other hand, when the biasing force acting on the second member 16 when the second member 16 is set to the initial position is Pv, the relationship between Pv and the spring moment M is:
Pv = 2 × Pcos θ, P = M / r (3)
It becomes. Here, P is a spring load, and r is a distance (load action radius) from the center of the coil portion 24 to the arm support position (see FIGS. 3 and 4).
From the above equations (2) and (3), the following equation is derived.
32Pv · r / (2πd 3 · cos θ) <440 (4)
Here, θ = tan −1 (H / W) and r = W / cos θ are represented (see FIG. 3), and when these are substituted into the above equation (4), the following equation is derived.
32Pv · W / [2πd 3 · cos 2 (tan −1 (H / W))] <440 (5)
Pv · W / [d 3 · cos 2 (tan −1 (H / W))] <86.4 (6)
Therefore, when the second member 16 is in the set position, Pv (initial load), d (diameter of spring element wire), H (height from the center of the coil portion to the arm support position so as to satisfy the above expression (6). If the distance in the direction) and W (the distance in the lateral direction from the center of the coil portion to the arm support position) are set, the sag rate can be suppressed to 15% or less.

図10には上述した式(6)の条件をグラフ化したものを表示している。図では縦軸をtan−1(H/W)とし、横軸をPv・W/dとしている。式(6)を満足する領域は、f3で示す線よりも上方で、かつ、f4で表す線よりも下方の領域となる。例えば、初期荷重Pv,コイル部24とアーム支持位置との横方向の距離W,コイル素線の径dを決めると、図10の領域内からtan−1(H/W)を決定し、これに基づいてコイル部24とアーム支持位置との高さ方向の距離Hを決定することができる。また、図11には、初期荷重Pvを30[N]、dを2.4[mm]としたときの式(6)の条件が示されている。 FIG. 10 shows a graph of the condition of the above-described formula (6). In the figure, the vertical axis is tan −1 (H / W) and the horizontal axis is Pv · W / d 3 . The region satisfying the expression (6) is a region above the line indicated by f3 and below the line indicated by f4. For example, when the initial load Pv, the lateral distance W between the coil portion 24 and the arm support position, and the diameter d of the coil wire are determined, tan −1 (H / W) is determined from the region of FIG. The distance H in the height direction between the coil portion 24 and the arm support position can be determined based on the above. FIG. 11 shows the condition of the equation (6) when the initial load Pv is 30 [N] and d is 2.4 [mm].

なお、図16に示すように、第1部材12(14)に対してコイル部24(第2部材16)の位置が変化すると、アーム22の有効長さXが変化する。図15にはアーム支持位置に対してコイル部24を変化させたときのアーム22の有効長さXの変化を示している。図15から明らかなように、コイル部24の中心とアーム支持位置の高さが一致するときにアーム有効長さが最小となり、コイル部24の中心が上方又は下方にずれると、それに伴ってアーム有効長Xも長くなる。したがって、コイル部24の中心がアーム支持位置の下方から相対位置“0”に移動する時はアーム有効長さXが徐々に減少し、貫通孔13,15からのアーム22の突出長さは徐々に長くなる。また、コイル部24の中心が相対位置“0”からアーム支持位置の上方に移動する時はアーム有効長さXが徐々に長くなり、その一方で、貫通孔13(15)からのアーム22の突出長さは徐々に短くなる。このため、アーム22の貫通孔13(15)からの脱落防止の観点からは、貫通孔13,15からのアーム突出長さが徐々に長くなる範囲(すなわち、コイル部24の中心が相対位置“0”より下方の範囲)でコイル部24を動作させることが好ましいこととなる。   In addition, as shown in FIG. 16, when the position of the coil part 24 (2nd member 16) changes with respect to the 1st member 12 (14), the effective length X of the arm 22 will change. FIG. 15 shows a change in the effective length X of the arm 22 when the coil portion 24 is changed with respect to the arm support position. As apparent from FIG. 15, when the center of the coil portion 24 and the height of the arm support position coincide with each other, the arm effective length becomes the minimum, and when the center of the coil portion 24 is shifted upward or downward, the arm is accompanied accordingly. The effective length X is also increased. Therefore, when the center of the coil portion 24 moves from the lower side of the arm support position to the relative position “0”, the arm effective length X gradually decreases, and the protruding length of the arm 22 from the through holes 13 and 15 gradually increases. It becomes long. Further, when the center of the coil portion 24 moves from the relative position “0” to above the arm support position, the arm effective length X gradually increases, while the arm 22 from the through hole 13 (15) becomes The protruding length is gradually shortened. For this reason, from the viewpoint of preventing the arm 22 from coming off from the through hole 13 (15), a range in which the arm protrusion length from the through holes 13 and 15 gradually increases (that is, the center of the coil portion 24 is the relative position “ It is preferable to operate the coil portion 24 in a range below 0 ″.

また、コイル部24が上下に移動してアーム22の有効長さXが変化すると、それに伴ってアーム22a,22bが第1部材12,14の貫通孔13,15内を摺動する。アーム22a,22bの摺動は、第2部材16を付勢する付勢力の往路と復路でのヒステリシスループの原因となる。図12は、本実施形態に係る構造体10の一例に対して実測した結果を示している。このようなヒステリシスは使用環境(温度、湿度)や表面性状に大きく影響し、ねじりコイルばね20の荷重特性の安定性の観点からはヒステリシスを小さくすること(すなわち、アーム22a,22bの摺動量を小さくすること)が望まれる。   Further, when the coil portion 24 moves up and down and the effective length X of the arm 22 changes, the arms 22 a and 22 b slide in the through holes 13 and 15 of the first members 12 and 14 accordingly. The sliding of the arms 22a and 22b causes a hysteresis loop in the forward path and the backward path of the biasing force that biases the second member 16. FIG. 12 shows a result obtained by actually measuring an example of the structure 10 according to the present embodiment. Such hysteresis greatly affects the usage environment (temperature, humidity) and surface properties. From the viewpoint of stability of the load characteristics of the torsion coil spring 20, the hysteresis is reduced (that is, the sliding amount of the arms 22a and 22b is reduced). It is desirable to make it smaller.

図13はアーム支持位置に対してコイル部24の中心の初期位置を変更したときのアーム摺動量の変化を示している。図13では第2部材16(コイル部24)の最大移動量(初期位置〜最大移動位置)をD(コイル部24の直径)/2との前提で計算している。図13に示すように最大移動量をD/2とした場合、コイル部24の初期位置を−D/4としたときにアーム22a,22bの摺動量が最も少なくなっている。
ただし、第2部材16の最大移動量が異なると、アーム22a,22bの摺動量が最小となる初期位置は変化する。図14には、第2部材16の最大移動量を変化させたときの最適初期位置(最も摺動量が少なくなる初期位置)の変化を示している。図14に示すように、最大移動量が大きくなると最適初期位置もマイナス側(コイル部24の中心がアーム支持位置に対して下方)に移動している。図14から明らかなように、最大移動量Smaxに対して最適初期位置H/Dは、−Smax/2となっている。すなわち、初期位置と最終移動位置の中間がH/D=0となるように、アーム22a,22bの摺動量を最小とすることができる。
FIG. 13 shows a change in the amount of arm sliding when the initial position of the center of the coil portion 24 is changed with respect to the arm support position. In FIG. 13, the maximum movement amount (initial position to maximum movement position) of the second member 16 (coil part 24) is calculated on the assumption that D (the diameter of the coil part 24) / 2. As shown in FIG. 13, when the maximum movement amount is D / 2, the sliding amount of the arms 22a and 22b is the smallest when the initial position of the coil portion 24 is -D / 4.
However, when the maximum movement amount of the second member 16 is different, the initial position at which the sliding amount of the arms 22a and 22b is minimized changes. FIG. 14 shows a change in the optimum initial position (initial position where the sliding amount is the smallest) when the maximum movement amount of the second member 16 is changed. As shown in FIG. 14, when the maximum movement amount is increased, the optimum initial position is also moved to the minus side (the center of the coil portion 24 is downward with respect to the arm support position). As is apparent from FIG. 14, the optimum initial position H 0 / D is −Smax / 2 with respect to the maximum movement amount Smax. That is, the sliding amount of the arms 22a and 22b can be minimized so that the middle between the initial position and the final movement position is H 0 / D = 0.

上述の説明から明らかなように、本実施形態の構造体10は下記の特徴を有している。
(1)ねじりコイルばね20のアーム22a,22bを第1部材12,14で支持し、ねじりコイルばね20のコイル部24によって第2部材16を付勢する構造体10では、第2部材16の移動量に対して第2部材16を付勢する付勢力の増加を抑えることができ、低ばね定数化を実現することができる。
(2)第2部材16を付勢する初期加重Pvが予め設定されている場合に、アーム支持位置に対するコイル部24の中心の相対位置(H/D)を−0.5〜+0.5の範囲でねじりコイルばね20の初期位置を設定することで、ねじりコイルばね20のコイル素線に作用する応力を小さくすることができる。これによって、ねじりコイルばねのへたりを小さくすることができる。
(3)Pv・W/[d・cos(tan−1(H/W))]<86.4を満足するように初期荷重Pv、コイル素線径d並びにコイル部24の中心とアーム支持位置との位置関係(H,W)を設定することで、高温環境下等の過酷な条件で使用する場合においてもねじりコイルばね20のへたりを問題とならないレベルに抑えることができる。
(4)第2部材16の最大移動量Smaxが与えられた場合に、コイル部24の初期位置Hを−Smax/2に設定することで、ねじりコイルばね20のヒステリシスを最も小さくすることができる。
(5)第2部材16が最も移動したとき(最大移動位置にあるとき)に、コイル部24の中心がアーム支持位置と同一高さ又は低くなるように設定することで、第2部材16の動きによってアーム22が第1部材12,14の貫通孔13,15から抜けることを防止することができる。
(6)アーム支持位置に対するコイル部24の中心の相対位置(H/D)が−Smax〜0の範囲で用いることで、ばねの耐久性、熱へたり量、さらに、アームの抜け防止に顕著な効果を奏することができる。
As is clear from the above description, the structure 10 of the present embodiment has the following characteristics.
(1) In the structure 10 in which the arms 22 a and 22 b of the torsion coil spring 20 are supported by the first members 12 and 14 and the second member 16 is biased by the coil portion 24 of the torsion coil spring 20, An increase in the urging force that urges the second member 16 with respect to the movement amount can be suppressed, and a low spring constant can be realized.
(2) When the initial load Pv for biasing the second member 16 is set in advance, the relative position (H / D) of the center of the coil portion 24 with respect to the arm support position is set to −0.5 to +0.5. By setting the initial position of the torsion coil spring 20 within the range, the stress acting on the coil wire of the torsion coil spring 20 can be reduced. Thereby, the sag of the torsion coil spring can be reduced.
(3) Pv · W / [d 3 · cos 2 (tan −1 (H / W))] <86.4 so that the initial load Pv, the coil wire diameter d, and the center and arm of the coil portion 24 are satisfied. By setting the positional relationship (H, W) with the support position, the sag of the torsion coil spring 20 can be suppressed to a level that does not cause a problem even when used under severe conditions such as in a high temperature environment.
(4) when the maximum moving amount Smax of the second member 16 is given, by setting the initial position H 0 of the coil portion 24 in -Smax / 2, can be minimized hysteresis of the torsion coil spring 20 it can.
(5) By setting the center of the coil portion 24 to be the same height or lower than the arm support position when the second member 16 moves most (when it is at the maximum movement position), the second member 16 It is possible to prevent the arm 22 from coming out of the through holes 13 and 15 of the first members 12 and 14 by the movement.
(6) By using the relative position (H / D) of the center of the coil portion 24 with respect to the arm support position in the range of -Smax to 0, it is remarkable for the durability of the spring, the amount of heat sag, and the prevention of the arm from coming off. Can produce various effects.

次に、上述した実施形態に係る構造体を利用した一実施例に係る排気流路制御弁について添付図面を参照して詳細に説明する。排気流路制御弁は、内燃機関からの排気ガスが流れる排気流路に配置され、排気ガスの圧力が所定値以上となると開弁する排気流路制御弁である。図17,18は本実施例に係る排気流路制御弁を示す斜視図である。図17,18に示すように排気流量制御弁50は、ハウジング60と、弁体70と、弁体70をハウジング60に向かって付勢するねじりコイルばね40を備える。   Next, an exhaust passage control valve according to an example using the structure according to the above-described embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The exhaust passage control valve is an exhaust passage control valve that is disposed in an exhaust passage through which exhaust gas from the internal combustion engine flows, and opens when the pressure of the exhaust gas reaches a predetermined value or more. 17 and 18 are perspective views showing an exhaust passage control valve according to this embodiment. As shown in FIGS. 17 and 18, the exhaust flow control valve 50 includes a housing 60, a valve body 70, and a torsion coil spring 40 that biases the valve body 70 toward the housing 60.

ハウジング60の下端(排気管接続口)には自動車等のエンジンから排出されるガスが導入され、ハウジング60内を排気ガスが流れるようになっている。ハウジング60の上端(排気口)は、弁体70によって開閉可能に閉じられている。
ハウジング60には、ばね取付部62,66が立設されている。ばね取付部62,66には3つのばね取付孔64,68が形成されている。3つのばね取付孔64,68には、ねじりコイルばね40のアーム42a,42bが選択的に取付けられる。したがって、ねじりコイルばね40のアーム42a,42bを取付ける取付孔を選択することで、アーム支持位置に対するねじりコイルばね40の相対的な位置を調整可能となっている。アーム42a,42bがばね取付孔64,68に取付けられると、アーム42a,42bは取付孔64,68に対してその長手方向に摺動自在に支持される。
Gas discharged from an engine such as an automobile is introduced into the lower end (exhaust pipe connection port) of the housing 60 so that the exhaust gas flows in the housing 60. The upper end (exhaust port) of the housing 60 is closed by a valve body 70 so as to be opened and closed.
Spring mounting portions 62 and 66 are erected on the housing 60. Three spring mounting holes 64 and 68 are formed in the spring mounting portions 62 and 66. The arms 42 a and 42 b of the torsion coil spring 40 are selectively attached to the three spring attachment holes 64 and 68. Therefore, the relative position of the torsion coil spring 40 with respect to the arm support position can be adjusted by selecting the mounting holes for attaching the arms 42a and 42b of the torsion coil spring 40. When the arms 42a and 42b are attached to the spring attachment holes 64 and 68, the arms 42a and 42b are supported slidably in the longitudinal direction with respect to the attachment holes 64 and 68.

弁体70は、プレス成形等によって製造される板成形品である。弁体70は、その中央にばね受け部72が形成され、その外周上の対向する位置に一対の溝74a,74bが形成されている。ばね受け部72は、ハウジング60側に凹に形成されており、ねじりコイルばね40のコイル部41に応じた形状に形成されている。   The valve body 70 is a plate molded product manufactured by press molding or the like. The valve body 70 has a spring receiving portion 72 formed at the center thereof, and a pair of grooves 74a and 74b are formed at opposing positions on the outer periphery thereof. The spring receiving portion 72 is formed in a concave shape on the housing 60 side, and is formed in a shape corresponding to the coil portion 41 of the torsion coil spring 40.

弁体70の反ハウジング側にはねじりコイルばね40が配されている。ねじりコイルばね40は、ばね素線をコイル状に巻回したコイル部41と、コイル部41の両端に形成されたアーム42a、42bを備えている。コイル部41は、弁体70のばね受け部72に保持されている。コイル部41の外周がばね受け部72に保持されると、コイル部41の巻回軸線が弁体70(弁体70の上面)と略平行となっている。   A torsion coil spring 40 is disposed on the opposite side of the valve body 70 from the housing. The torsion coil spring 40 includes a coil portion 41 in which a spring element is wound in a coil shape, and arms 42 a and 42 b formed at both ends of the coil portion 41. The coil portion 41 is held by the spring receiving portion 72 of the valve body 70. When the outer periphery of the coil portion 41 is held by the spring receiving portion 72, the winding axis of the coil portion 41 is substantially parallel to the valve body 70 (the upper surface of the valve body 70).

ハウジング60の上端(排気口)は拡径されてフランジ63が形成され、フランジ63において弁体70の下面と当接する。ハウジング60には金属メッシュシート80が固定される。金属メッシュシート80は、ハウジング60のフランジ63に当接するシール部82と、ハウジング60の拡径部61(R形状部)に当接する溶接部84を備えている。金属メッシュシート80は、溶接部84においてハウジング60に溶接されており、シール部82では溶接されていない。すなわち、溶接箇所では「へこみ」や硬化が生じるため、緩衝性能の低下やシール性が悪化する。このため、ハウジング60と弁体70のシール面をシールするシール部82で溶接を行わないことで、シール性能の向上と、緩衝性能の維持が図られている。   The upper end (exhaust port) of the housing 60 is expanded in diameter to form a flange 63, and contacts the lower surface of the valve body 70 at the flange 63. A metal mesh sheet 80 is fixed to the housing 60. The metal mesh sheet 80 includes a seal portion 82 that comes into contact with the flange 63 of the housing 60 and a weld portion 84 that comes into contact with the enlarged diameter portion 61 (R-shaped portion) of the housing 60. The metal mesh sheet 80 is welded to the housing 60 at the weld portion 84 and is not welded at the seal portion 82. That is, since “dentation” and hardening occur at the welded portion, the buffer performance and the sealing performance are deteriorated. For this reason, sealing performance is improved and buffer performance is maintained by not performing welding at the sealing portion 82 that seals the sealing surfaces of the housing 60 and the valve body 70.

図19は3つのばね取付孔64(68)にねじりコイルばね40のアーム42a(42b)を取付けたときのアーム42a(42b)の状態がそれぞれ示されている。図9に示すように、アーム42a(42b)を取付けるばね取付孔64を上から下に移動すると、アーム42a(42b)のばねねじり角が増加していることが示されている。
図20は各ばね取付孔の位置での「弁開度−弁開き荷重」特性が示されている。ばね取付孔が上(−)側の位置では、開弁時の弁開き荷重を低くできる一方で、弁開度が増加するにつれて荷重作用半径が短くなるため、弁開き荷重は徐々に増加する傾向を示している。ばね取付孔が中央(正規)の位置では、開弁時の弁開き荷重が高くなるものの、弁開度が増加するにつれて荷重作用半径が長くなるため、弁開き荷重の増加が抑制されている。ばね取付孔が下(+)側の位置では、上記の傾向がより顕著となる。このため、ばね取付孔64(68)の位置を変えることで、開弁時の弁開き荷重と「弁開度−弁開き荷重」特性を選択することができる。
FIG. 19 shows the state of the arm 42a (42b) when the arm 42a (42b) of the torsion coil spring 40 is attached to the three spring attachment holes 64 (68). As shown in FIG. 9, it is shown that the spring torsion angle of the arm 42a (42b) increases when the spring mounting hole 64 for attaching the arm 42a (42b) is moved from top to bottom.
FIG. 20 shows the “valve opening-valve opening load” characteristic at the position of each spring mounting hole. When the spring mounting hole is on the upper (-) side, the valve opening load at the time of valve opening can be reduced, while the load operating radius becomes shorter as the valve opening increases, so the valve opening load tends to increase gradually. Is shown. When the spring mounting hole is in the center (regular) position, the valve opening load at the time of valve opening becomes high, but the load acting radius becomes longer as the valve opening increases, so that an increase in the valve opening load is suppressed. The above tendency becomes more remarkable at the position where the spring mounting hole is on the lower (+) side. Therefore, by changing the position of the spring mounting hole 64 (68), the valve opening load at the time of valve opening and the “valve opening-valve opening load” characteristic can be selected.

上述した実施例の排気流路制御弁50でも、Pv・W/[d・cos(tan−1(H/W))]<86.4を満足するように初期荷重Pv、コイル素線径d並びにコイル部41の中心とアーム支持位置との位置関係(H,W)を設定することで、高温環境下等の過酷な条件で使用する場合においてもねじりコイルばね20のへたりを問題とならないレベルに抑えることができる。このため、本実施例の排気流量制御弁50を自動車に搭載すると、自動車の走行距離が10万kmを超える前にねじりコイルばねのへたりを原因とする消音機能の低下等の発生を顕著に抑制することができる。 Even in the exhaust flow path control valve 50 of the above-described embodiment, the initial load Pv and the coil wire are set so as to satisfy Pv · W / [d 3 · cos 2 (tan −1 (H / W))] <86.4. By setting the positional relationship (H, W) between the diameter d and the center of the coil portion 41 and the arm support position, there is a problem with the torsion coil spring 20 even when used under severe conditions such as in a high temperature environment. It can be suppressed to a level that does not become. For this reason, when the exhaust flow control valve 50 of the present embodiment is mounted on an automobile, the occurrence of a decrease in the silencing function due to the torsion of the torsion coil spring before the mileage of the automobile exceeds 100,000 km becomes remarkable. Can be suppressed.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
なお、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
It should be noted that the technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

本実施形態に係る構造体の概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of the structure which concerns on this embodiment. 第2部材が最大移動位置に移動した状態(同図(a))と、第2部材16が初期位置にセットされた状態(同図(b))を示す図。The figure which shows the state (the figure (a)) which the 2nd member moved to the maximum movement position, and the state (the figure (b)) where the 2nd member 16 was set to the initial position. ねじりコイルばねが捻られることで発生するばね荷重と、コイル部から第2部材に作用する力(付勢力)との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the spring load which generate | occur | produces when a torsion coil spring is twisted, and the force (biasing force) which acts on a 2nd member from a coil part. ばね荷重の作用点と、その作用方向の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the action point of a spring load, and its action direction. アーム支持位置に対するコイル部の相対位置と、荷重方向θとの関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the relative position of the coil part with respect to an arm support position, and load direction (theta). 第2部材の移動量(ストローク量)と第2部材を付勢する付勢力との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the moving amount (stroke amount) of a 2nd member, and the urging | biasing force which urges | biases a 2nd member. アーム支持位置に対するコイル部の相対位置と、ばね応力との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the relative position of a coil part with respect to an arm support position, and a spring stress. アーム支持位置に対するコイル部の相対位置と、ばねへたり率との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the relative position of the coil part with respect to an arm support position, and a spring sag rate. 高温曝露試験におけるへたり率の暴露時間による変化を示すグラフ。The graph which shows the change by the exposure time of the sag rate in a high temperature exposure test. へたり率が15%以下となる条件をグラフ化した図。The figure which graphed the conditions used as a dripping rate of 15% or less. 特定の条件下でへたり率が15%以下となる取付条件をグラフ化した図。The figure which graphed the installation conditions from which a droop rate will be 15% or less under specific conditions. 本実施形態の構造体の具体例について測定したヒステリシスを示す図。The figure which shows the hysteresis measured about the specific example of the structure of this embodiment. アーム支持位置に対するコイル部の相対位置と、アーム摺動量との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the relative position of the coil part with respect to an arm support position, and arm sliding amount. 最大移動量に対する最適初期位置の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship of the optimal initial position with respect to the maximum moving amount. アーム支持位置に対するコイル部の相対位置と、アーム長さXの関係を示すグラフ。The graph which shows the relative position of the coil part with respect to an arm support position, and the relationship of arm length X. FIG. アーム支持位置に対するコイル部の位置が変化することによってアームの有効長が変化することを説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating that the effective length of an arm changes by the position of the coil part with respect to an arm support position changing. 本発明を具現化した一実施例に係る排気流量制御弁の斜視図。1 is a perspective view of an exhaust flow control valve according to an embodiment embodying the present invention. 図17に示す排気流量制御弁の分解斜視図。FIG. 18 is an exploded perspective view of the exhaust flow control valve shown in FIG. 17. ばね取付孔位置とねじりコイルばねのアーム角度の関係を模式的に示す図。The figure which shows typically the relationship between a spring attachment hole position and the arm angle of a torsion coil spring. 取付孔位置を変えたときの「弁開度−弁開き荷重」特性を示す図。The figure which shows the "valve opening-valve opening load" characteristic when an attachment hole position is changed.

符号の説明Explanation of symbols

10・・構造体
12,14・・第1部材
13,15・・貫通孔
16・・第2部材
20・・ねじりコイルばね
22a,22b・・アーム
24・・コイル部
··· Structures 12 and 14 · · First members 13 and 15 · · Through hole 16 · · Second member 20 · · Torsion coil springs 22a and 22b · · Arm 24 · · coil portion

Claims (2)

内燃機関の排気流路に配置され、排気流路を閉じる閉弁位置排気流路を開く開弁位置の間を移動可能とされた弁体と、
弁体を閉弁位置に向けて付勢するねじりコイルばねと、
ねじりコイルばねのアームを支持するばね取付部と、を備えており、
ねじりコイルばねは、高温環境下で使用されるねじりコイルばねに用いられる合金によって形成されており、ばね素線がコイル状に巻回されたコイル部と、コイル部の両端に設けられたアームとを有し、アームがその軸線方向にスライド移動可能にばね取付部に支持されると共にコイル部の側面が弁体に当接し、コイル部の撓み反力によって弁体を閉弁位置に向けて付勢しており、
排気流路を流れる排気ガスの圧力が所定値以上となると弁体が開弁する排気流量制御弁の設計方法であって、
ねじりコイルばねの素線径d、弁体が閉弁位置に移動した状態におけるねじりコイルばねの付勢力Pv、及び、弁体が閉弁位置に移動した状態におけるコイル部のばね中心からアームの支持位置までの高さ方向の距離Hと横方向の距離Wを決定する決定工程を有しており、
前記決定工程では、
Pv・W/[d ・cos {tan −1 (H/W)}]<86.4
の関係式が成立するように、素線径d、付勢力Pv、距離HおよびWを決定することを特徴とする排気流量制御弁の設計方法。
A valve body that is disposed in the exhaust flow path of the internal combustion engine and is movable between a valve closing position that closes the exhaust flow path and a valve opening position that opens the exhaust flow path ;
A torsion coil spring that biases the valve body toward the closed position;
A spring mounting portion that supports the arm of the torsion coil spring,
The torsion coil spring is formed of an alloy used for a torsion coil spring used in a high temperature environment, and a coil portion in which a spring wire is wound in a coil shape, and arms provided at both ends of the coil portion, The arm is supported by the spring mounting portion so as to be slidable in the axial direction, and the side surface of the coil portion abuts on the valve body, and the valve body is attached to the valve closing position by the bending reaction force of the coil portion. And
A design method of an exhaust flow control valve in which a valve element opens when the pressure of exhaust gas flowing through an exhaust passage becomes a predetermined value or more,
Supporting the arm from the wire diameter d of the torsion coil spring, the biasing force Pv of the torsion coil spring when the valve element is moved to the valve closing position, and the spring center of the coil part when the valve element is moved to the valve closing position A determination step of determining a distance H in the height direction and a distance W in the lateral direction to the position;
In the determination step,
Pv · W / [d 3 · cos 2 {tan −1 (H / W)}] <86.4
A design method of an exhaust flow rate control valve, wherein the wire diameter d, the urging force Pv, and the distances H and W are determined so that the following relational expression is satisfied.
前記決定工程では、弁体開弁位置に移動した状態において、ねじりコイルばねのばね中心の位置がアーム支持位置と同一高さ若しくはアーム支持位置より低い位置にあるように、素線径d、付勢力Pv、距離HおよびWを決定することを特徴とする請求項1に記載の排気流量制御弁の設計方法 In the determining step, the wire diameter d, so that the position of the spring center of the torsion coil spring is at the same height as the arm support position or lower than the arm support position in a state where the valve body has moved to the valve open position . 2. The method of designing an exhaust flow control valve according to claim 1, wherein the urging force Pv and the distances H and W are determined .
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