JPH0113564B2

JPH0113564B2 -

Info

Publication number: JPH0113564B2
Application number: JP59102049A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Hirose
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-05-21
Filing date: 1984-05-21
Publication date: 1989-03-07
Also published as: JPS60246427A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）この発明はブレーキ装置やクラツチ装置などの
動力伝達装置に応用可能な内部力補償型の倍力装
置に関する。

（従来の技術）車輌などでみられるブレーキ装置やクラツチ装
置では、一般に、油圧方式やてこ方式により、ペ
ダルの操作力を増倍してブレーキシユーやクラツ
チシユーに伝え、ブレーキ操作やクラツチ切換え
操作を行うようになつている。

しかしながら、油圧方式やてこ方式による動力
伝達装置では、構造が複雑であつたり、コンパク
トに設計し難い問題を有する。

（発明が解決しようとする課題）以上述べたように、従来の動力伝達装置におい
ては、構造が複雑で、かつ、コンパクトに製造し
難いという問題があつた。

そこで、この発明は、構造が単純で、かつコン
パクトに製造することができ、動力伝達装置とし
て優れた倍力装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するためにこの発明は、通常の
ばね特性を有するばねと、これとはほぼ逆のばね
特性を有する座屈ばねと、これらをそれぞれ支持
する手段と、同じく同一方向に変位させる手段を
設け、第１、第２のばねを変位させる力を入力と
して、この変位によつてばね支持手段のばね支持
部間に生じる力を出力とするようにしたものであ
る。

（作用）上記構成によれば、２つのばねがほぼ逆のばね
特性を有するので、これらの相互作用により、倍
力を得ることができる。

また、座屈ばねは、正負いずれの側でも変位さ
せることができるので、平衡点を境に、正負いず
れの側でも倍力を得ることができる。

（実施例）以下、図面を参照してこの発明の実施例を詳細
に説明する。

第１図はこの発明の一実施例の構成を示す図で
ある。

ここで、第１図の実施例を説明するに当り、ま
ず第２図のような構成を考える。

図示の力学系は２つのスプリング１１，１２を
直列に連結し、この連結スプリングの両端をそれ
ぞれコの字型のフレーム１３の各端部に固定し、
さらに、両スプリング１１，１２の連結部に操作
部材１４を設けたものである。この力学系では、
平衡点（連結部１４の変化ｘが０の点）で２つの
スプリング１１，１２が自然長であるならば、合
成ばね定数、つまり連結スプリングのばね定数は
単一ばね定数、つまり、各スプリング１１，１２
のばね定数の和となり、合成ばね特性Ｃと各ばね
１１，１２の単一ばね特性C₁₁，C₁₂の関係は第３
図に示すようになる。なお、図には、各スプリン
グ１１，１２のばね定数が等しい場合を代表とし
て表す。

平衡点（ｘ＝０）で、２つのスプリング１１，
１２がいずれも伸展し、f₀の力で引き合つている
場合は、合成ばね特性Ｃと単一ばね特性C₁₁，C₁₂
の関係は第４図に示すようになり、合成ばね定数
はやはり単一ばね定数の２倍となる。

このような力学系では、操作部材１４をストロ
ークさせることにより、フレーム１１に発生する
力は操作部材１４に与える力と同じであり、倍力
装置を構成することはできない。

これに対し、この実施例では、反発力に抗して
変位を与えると、その変位量の増加とともに反発
力が増大する第１のばねと、反発力に抗して変位
を与えると、その変位量の増加とともに反発力が
減少する座屈ばねを成す第２のばねとを組み合せ
ることにより、倍力装置を構成するものである。

すなわち、第１図において、１５は第１のばね
を成す正特性ばねであり、通常のスプリングを代
表として示す。１６は座屈ばねである（図には、
便宜上、模式的に示す）。これら２つのばね１５，
１６は直列に連結され、この連結ばねの両端はそ
れぞれコの字型のフレーム１１の各端部に固定さ
れ、さらに、連結部には操作部材１７が設けられ
ている。そして、この操作部材１７を操作するこ
とにより、ばね１５，１６は同方向に変位させら
れる。

このような構成においては、２つのばね１５，
１６のばね定数をそれぞれＫ，−Ｋというように、
絶対値を等しくすると、各ばね１５，１６のばね
特性C₁₅，C₁₆は第５図に示すようになり、操作部
材１７がどのような変位にあつても、この操作部
材１７に働く２つのばね１５，１６の力の和は、
２つのばね１５，１６のばね定数の絶対値が同じ
で符号が異なるため、０となる。言い換えれば、
０の力で操作部材１７を上下動させることができ
る。一方、フレーム１１に働く力を考えると、 (1) ｘ＝０のとき、フレーム１１には力が働かな
い (2) ｘ＞０のとき、フレーム１１には変位ｘに応
じた縮めようとする力が働く (3) ｘ＜０のとき、フレーム１１には変位ｘに応
じた押し広げようとする力が働くというように、変位ｘに応じて作用する力が変化
し、この力は各ばね１５，１６からの力の合成力
となる。

以上のことから、操作部材１７の力０のストロ
ーク運動でフレーム１１に大きな力変化を与える
ことができることがわかる。これは、入力される
運動は変位はあるが、力が０であり、また、出力
される運動は力は大きいが変位はない、つまり、
両者ともエネルギー的には０の関係なので矛盾は
ない。

より実際的な動作としては、ばね１５，１６か
らの力でフレーム１１が若干変位することで、外
部にある仕事をする。このときには、ばね１５と
ばね１６の平衡状態は多少ずれることになるた
め、当然、操作部材１７のストローク運動にも多
少のエネルギーを必要とすることになる。つま
り、この場合には、第１図の装置は大変位で小さ
な力の入力を、小変位で大きな力の出力に変換す
る変速装置と同等の作用を行うことになる。

このように、この実施例によれば、正特性ばね
１５と座屈ばね１６とを組み合せる簡単かつコン
パクトな構成により、理想的にはほとんど０の力
で大きな力を発生させることができる倍力装置を
実現することができる。

第６図に座屈ばねの一例を示す。第７図に第６
図に示す座屈ばね２７のばね特性C₂₇を示す。図
示の如く、座屈ばね２７は、変位０を中心に、あ
る変位領域−X_nax〜X_naxでは負でしかも線形の
ばね特性を示す。

なお、この発明で使用可能な座屈ばねとして
は、第６図の形状のものに限定されるものではな
く、他の種々の形状のものを用いてもよい。例え
ば、J.F.Dijksman：Ａ Study of Some
Aspects of the Mechanical Behaviour of
Cross−Spring Pivots and Plato Spring
Mechanisms with Negative Stiffness，
Laboratory of Fine Mechanics
Landbcrgstraat3 Delft University of
Technology WTHD No.116 The Netherlands
（1979）なる文献に記載される座屈ばねを用いて
もよい。

ところで、座屈ばねは負の線形特性を示すもの
であるから、正特性ばねとしても、理想的には、
正の線形特性を有し、かつ、ばね定数の絶対値が
座屈ばねのばね定数の絶対値と同じものを用いる
ことにより、０の力で大きな力を発生させること
ができる。

線形のばね特性を示す正特性ばね１５としては
板ばねが考えられる。第８図は正特性ばね１５と
して板ばねを用い、さらに各ばねを先の実施例の
ように１つのフレームではなく、別々のフレーム
に支持した実施例を示すものである。

第８図において、３１は板ばねであり、３２は
第６図に示す座屈ばね２７とほぼ同じ形状の座屈
ばねである。３３，３４はそれぞれ板ばね３１、
座屈ばね３２を支持するフレームである。ばね３
１，３２はこれらフレーム３３，３４に対向する
ように支持されている。この場合、板ばね３１は
例えばフレーム３３にねじ止めされており、座屈
ばね３２は例えばフレーム３４に埋込みによつて
支持されている。

なお、板ばね３１の固定手段としては、ねじ止
めに限られるものではなく、例えば、自動車等に
使用される板ばねに見られるように、板ばね３１
の端部を折り曲げ、この部分をフレーム３３に埋
込むようにしてもよい。

フレーム３３，３４はそれぞれコ字状に形成さ
れ、対応するばね３１，３２の変位を許容するよ
うになつている。また、フレーム３３，３４は別
体として形成され、その間隔Ｔがほぼ一定となる
ように位置規制されている。

３５はばね３１，３２に同じ方向の変位ｘを与
える操作部材である。この操作部材３５は板ばね
３１に固定されている。

また、この操作部材３５の一端は座屈ばね３２
に当接され、他端はフレーム３３の上面に形成さ
れた透孔３６を介してフレーム３３の上方に突出
している。なお、ばね３１，３２は例えば長方形
をしている。

上記構成においては、板ばね３１は操作部材３
５と固定連結となつているので、第９図にばね特
性C₃₁で示すように、操作部材３５を正、負いず
れの方向にストローク運動させたときでも、変位
させられる。これに対し、座屈ばね３２は操作部
材３５と単に接触による連結となつているので、
第９図にばね特性C₃₂で示すように、操作部材３
５をｘ＞０なる方向に操作したときだけ変位させ
られる。つまり、図示の構成は、ｘ＞０の部分で
倍力を得る構成となつている。

このような構成において、操作部材３５をｘ＞
０なる方向に変位させると、各フレーム３３，３
４にはそれぞれ対応するばね３１，３２からその
変位ｘに応じたばね力が与えられる。この場合、
板ばね３１と座屈ばね３２のばね定数の絶対値を
等しくすれば、理想的には、操作部材３５を０の
力でストロークさせることができる。そして、こ
の場合、ばね３１，３２の変位領域０〜x_naxに対
して、フレーム３３，３４に与えられるばね力
は、それぞれ０〜F_nax，０〜−F_naxの範囲で変化
する。

ここで、座屈ばね３２が負のばね特性を示す変
位領域−x_nax〜x_naxでのこの座屈ばね３２のばね
定数ｋは、ｋ＝−208Ｂ／l³ …(1) である。式(1)のＢは、Ｂ＝Ebl³／12 …(2) 但し、Ｅ：座屈ばね材のヤング率〔Ｎ／mm²〕ｂ：座屈ばね材の幅〔mm〕ｈ：座屈ばね材の厚さ〔mm〕ｌ：座屈ばね材の長さ〔mm〕である。最大変位量x_naxは、 x_nax＝0.62√・〔mm〕 …(3) Δl：座屈量〔mm〕で示される。

最大発生力F_naxは、で示される。このような座屈ばね３２を設計する
には、使用する材料の強度、つまり、最大圧縮応
力σ₁、最大せん断応力σ₂、最大曲げ応力σ₃を見積
ることが必要である。これは、次のようにして求
まる。

σ₁＝8.18π²B／l² …(5) 板ばね３１のばね定数k^*は、 k^*＝E^*b^*h^*3／2l^*3 …(8) 但し、E^*：板ばね材のヤング率「Ｎ／mm²」 b^*：板ばね材の幅「mm」 h^*：板ばね材の厚さ「mm」 l^*：板ばね材の長さ「mm」である。また、設計的に考慮すべき最大曲げ応力
σ₃ ^*は変形量に比例する。そこで、座屈ばね３２
が最大変位x_naxをとるときの応力を最大曲げ応力
σ₃ ^*とすると、これは、 σ₃ ^*＝3Eh／2l²ｘ＝0.93E^*h^*／l^*2√・ …(9) のように示される。

また、座屈ばね３２と板ばね３１のばね定数の
絶対値を一致させることから、次の関係が求ま
る。すなわち、前式(1)と(8)より、 208／12 Ebh³／l³＝１／２ E^*b^*h^*3／l^*3 …(10) なる関係が求まる。ここで、Ｅ＝E^*，ｌ＝l^*とす
れば、式(10)は、 34.67bh³＝b^*h^*3 …(11) となる。もし、ｂ＝b^*という条件を加えれば、
ばね３１，３２の厚さｈ，h^*に次式(12)を満足さ
せることにより、ばね定数ｋとk^*の絶対値を等
しくすることができる。

h^*／ｈ＝3.26 …(12) 以上詳述したこの実施例においては、板ばね３
１や座屈ばね３２は構造が単純で、しかも機械的
剛性が高いので、コンパクトで堅牢な装置を実現
することができる。

第１０図は板ばねや座屈ばねをほぼ正方形に形
成するとともに、両ばねを正負両領域で変位させ
ることができるように構成した実施例を示すもの
である。

第１１図は第１０図の斜視図である。

図において、３７，３８はそれぞれほぼ正方形
に形成された板ばね、座屈ばねである。３９，４
０はそれぞれ各ばね３７，３８を支持するフレー
ムであり、やはり、ほぼ正方形に形成されてい
る。板ばね３７を支持するフレーム３９のばね支
持部３９１，３９２はくさび状の溝として形成さ
れ、板ばね３７を線支持するようになつている。
これは、板ばね３７のばね特性の線形性を極力損
わないようにするためである。

４１は板ばね３７と座屈ばね３８を同一方向に
変位させるための操作部材である。この操作部材
４１と板ばね３７、座屈ばね３８の連結は第１２
図に示すようになつている。すなわち、板ばね３
７、座屈ばね３８はそれぞれ中央部にて２分する
ように挾持部材４２，４３にて挾持されている。
そして、板ばね３７側の挾持部材４２には、操作
部材４１が取り付けられている。挾持部材４２の
両端部には、第１３図に示すように、座屈ばね３
８側に延びる舌片４２１，４２２が形成されてい
る。一方、挾持部材４３の両端部には、ピン４３
１，４３２が形成され、このピン４３１，４３２
が舌片４２１，４２２に形成された孔４２３，４
２４に嵌合されるようになつている。これによ
り、操作部材４１のストローク運動は板ばね３７
に伝えられるとともに、座屈ばね３８にも伝えら
れ、両者を同方向に変位させることができる。

このような構成においては、第１４図に示すよ
うに、ｘ＜０の部分でも倍力を得ることができ、
各フレーム３９，４０には、それぞれ−F_nax〜
F_naxの範囲のばね力を与えることができる。

第１５図はこの発明の倍力装置で車輌のブレー
キ装置を実現した場合の実施例を示すものであ
る。

図示のブレーキ装置はいわゆるデイスク型の装
置である。図において、４５はブレーキ装置の本
体フレームである。このフレーム４５はほぼ正方
形の箱状に形成されている。４６は車輌（図示せ
ず）の回転軸であり、４７はこの回転軸４６の軸
受けであり、４８はこの回転軸４６に取り付けら
れた円盤状のブレーキデイスクである。

４９はブレーキキヤリパーであり、ほぼ正方形
に形成され、フレーム４５内を安定に摺動できる
ようになつている。５０はこのブレーキキヤリパ
ー４９に取り付けられたブレーキシユーである。

５１は板ばねであり、５２は座屈ばねであり、
５３はこれら板ばね５１、座屈ばね５２を同一方
向に変位させるためのロツドである。これら板ば
ね５１、座屈ばね５２、ロツド５３の連結構造は
例えば先の第１２図、第１３図に示す板ばね３
７、座屈ばね３８、操作部材４１の連結構造とほ
ぼ同じような構造となつている。

板ばね５１は上記ブレーキキヤリパー４９に対
してブレーキシユー５０の取付け面とは反対側の
面に取り付けられている。座屈ばね５２は本体フ
レーム４５に取り付けられている。本体フレーム
４５において、ロツド５３付近には小型電磁石５
４が取り付けられ、その電磁力によりロツド５３
にストローク運動させるようになつている。

図示の状態はブレーキをかけていない状態であ
り、ブレーキキヤリパー４９は座屈ばね５２のば
ね力によつて支えられ、ブレーキデイスク４８か
ら離間している。この状態で、ブレーキペダル
（図示せず）が踏まれると、小型電磁石５４に電
流が流れ、ロツド５３が吸引される。これによ
り、ブレーキシユー５０がブレーキデイスク４８
に圧着され、車輪の回転が停止される。

この場合、小型電磁石５４は、座屈ばね５２を
変位させて、ブレーキシユー５０をブレーキデイ
スク４８に接触させる力とほぼ等しい力を発生さ
せるだけでよい。すなわち、ブレーキシユー５０
がブレーキデイスク４８に接触した後は、板ばね
５１と座屈ばね５２との相互作用により、これら
ばね５１，５２を変位させるのに必要な電磁力
は、ブレーキシユー５０の圧着による板ばね５１
と座屈ばね５２との変位の差を考えても非常に小
さいからである。なお、通常はブレーキシユー５
０とブレーキデイスク４８の間隔は非常に小さい
から、ブレーキシユー５０をブレーキデイスク４
８に接触させるのに必要な電磁力も小さくて済
む。したがつて、第１５図のような構成では、非
常に小さな電力でブレーキをかけることができ
る。

第１６図はこの発明の倍力装置でクラツチ装置
を実現した場合の実施例を示すものである。図に
おいて、５５はクラツチ装置の本体フレーム、５
６はエンジン（図示せず）によつて回転駆動され
る回転軸、５７はこの回転軸５６の軸受け、５８
は回転軸５６に連結されたクラツチデイスク、５
９はクラツチ切換え部のベルトプーリ、６０はＶ
ベルト、６１はプーリ５９のベアリング、６２，
６３はそれぞれクラツチデイスク５８、ベルトプ
ーリ５９に取り付けられたクラツチシユーであ
る。

クラツチデイスク５８はスプリング６４によつ
てクラツチシユー６２をクラツチシユー６３から
離す方向に付勢されている。すなわち、この実施
例では、先の実施例と違つて、座屈ばね５２のば
ね力によつてクラツチシユー６２をクラツチシユ
ー６３から離すのではなく、スプリング６４のば
ね力によつて離すようになつている。クラツチデ
イスク５８はさらに板ばね５１を支持する板ばね
フレーム６５にベアリング６６によつて回転自在
に連結されている。

図示の状態はクラツチを切り換えるために、ク
ラツチペダル（図示せず）を踏んだ状態を示す。
この状態では、小型電磁石５４に対する電流の供
給が停止され、クラツチシユー６２はスプリング
６４のばね力によつてクラツチシユー６３から離
されている。したがつて、クラツチ切換え部のベ
ルトプーリ５９にエンジンの回転力が伝えられ
ず、クラツチの切換えが可能となる。

クラツチの切換え操作が終了し、クラツチペダ
ルを離すと、小型電磁石５４に電流が流れ、ロツ
ド５３が吸引される。これにより、クラツチシユ
ー６２がクラツチシユー６３に圧着され、エンジ
ンの回転がクラツチデイスク５８、ベルトプーリ
５９などを介して車輌に伝えられる。この場合
も、先の実施例と同様に、非常に少ない電力でク
ラツチシユー６２，６３の圧着状態を維持するこ
とができる。

なお、この発明はクラツチ装置やブレーキ装置
以外の動力伝達装置一般に適用可能であることは
勿論であるし、動力伝達装置以外の装置に適用可
能なことも勿論である。

〔発明の効果〕

このようにこの発明によれば、構造が単純でか
つコンパクトに製造することができる倍力装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例の構成を示す
図、第２図は第１図と対比される力学系を示す
図、第３図及び第４図は第２図の動作説明に供す
るばね特性図、第５図は第１図の動作説明に供す
るばね特性図、第６図は負特性ばねの具体例を示
す図、第７図は第６図のばね特性図、第８図はこ
の発明の第２の実施例の構成を示す側面図、第９
図は第８図の動作説明に供するばね特性図、第１
０図はこの発明の第３の実施例の構成を示す側面
図、第１１図は同じく斜視図、第１２図及び第１
３図はそれぞれ第１０図の各ばねと操作部材の連
結構造を示す斜視図、第１４図は第１０図乃至第
１３図の動作説明に供するばね特性図、第１５図
はこの発明の第４の実施例を示すもので、ブレー
キ装置を構成した例を示す側面図、第１６図はこ
の発明の第５の実施例を示すもので、クラツチ装
置を構成した例を示す側面図である。１１，３４，３９，４０……フレーム、１５…
…正特性ばね、１６，２７，３２，３８，５２…
…座屈ばね、１７，３５，４１……操作部材、３
１，３７，５１……板ばね、３６……透孔、５３
……ロツド、５４……小型電磁石。

Claims

【特許請求の範囲】１反発力に抗して変位を与えると、その変位量
の増加とともに反発力が増大する第１のばねと、反発力に抗して変位を与えると、その変位量の
増加とともに反発力が減少する座屈ばねを成す第
２のばねと、上記第１、第２ばねをそれぞれ支持するばね支
持手段と、上記第１、第２のばねに同一方向の変位を与え
るばね操作手段とを具備し、上記第１、第２のばねを上記ばね操作手段によ
つて変位させる力を入力とし、この第１、第２の
ばねの変位によつて上記ばね支持手段のばね支持
部間に生じる力を出力とすることを特徴とする倍
力装置。