CN111936762B - 板状弹簧部件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种板状弹簧部件(1、10)。该板状弹簧部件具有如下的压缩残余应力分布：距表面的深度为50μm以内的部分中的至少一部分的压缩残余应力为500MPa以上，距表面的深度超过50μm的部分的压缩残余应力小于500MPa。

Description

板状弹簧部件

技术领域

本发明涉及板状弹簧部件。本申请基于2018年3月28日在日本申请的日本特愿2018-061191号主张优先权，并且将其内容援引到本说明书中。

背景技术

目前使用板簧、碟形弹簧、波形弹簧等通过加工板状的金属材料而形成的板状弹簧部件。在下述的专利文献1中公开了，通过对这种板状弹簧部件实施喷丸硬化加工，使板状弹簧部件的表面产生压缩残余应力，以提高板状弹簧部件的疲劳强度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本国专利第4808424号公报

发明内容

发明要解决的问题

在这种板状弹簧部件中，除了疲劳强度以外，还要求提高耐弹力减弱性。

本发明是考虑到这种情况而提出的，目的在于提供一种板状弹簧部件，其除了耐久性以外，还提高了耐弹力减弱性。

用于解决问题的方案

本发明的第一方案是一种板状弹簧部件，该板状弹簧部件具有如下的压缩残余应力分布：距表面的深度为50μm以内的部分中的至少一部分的压缩残余应力为500MPa以上，距所述表面的深度超过50μm的部分的压缩残余应力小于500MPa。

根据上述第一方案，由于在板状弹簧部件的表面附近施加有超过500MPa的大的压缩残余应力，因此疲劳强度增大。而且，由于在板状弹簧部件中距表面的深度超过50μm的深的部分未施加有超过500MPa的大的压缩残余应力，因此抑制了由压缩残余应力引起的耐弹力减弱性的降低。因此，根据上述第一方案的板状弹簧部件，除了耐久性以外，还能够提高耐弹力减弱性。

本发明的第二方案是上述第一方案的板状弹簧部件，该板状弹簧部件具有如下的压缩残余应力分布：将表面的深度为30μm以内的部分中的至少一部分的压缩残余应力为500MPa以上，距所述表面的深度超过30μm的部分的压缩残余应力小于500MPa。

根据上述第二方案，由于在板状弹簧部件的表面附近施加有超过500MPa的大的压缩残余应力，因此疲劳强度增大。而且，由于在板状弹簧部件中距表面的深度超过30μm的深的部分未施加有超过500MPa的大的压缩残余应力，因此抑制了由压缩残余应力引起的耐弹力减弱性的降低。因此，根据上述第二方案的板状弹簧部件，除了耐久性以外，还能够提高耐弹力减弱性。

本发明的第三方案是上述第一方案的板状弹簧部件，该板状弹簧部件在将距表面的深度为0μm以及50μm的两点之间的压缩残余应力的差分设为Δσ，并将所述两点之间的距表面的深度的差分设为Δz时，由I＝Δσ÷Δz定义的残余应力梯度I的值为-24～-1.8MPa/μm。

根据上述第三方案，使距表面的深度0～50μm的范围内的残余应力梯度I的值为-24～-1.8MPa/μm。由此，能够在板状弹簧部件的表面(深度0μm)附近施加高的压缩残余应力的同时，在距表面的深度超过50μm的范围内将压缩残余应力抑制得较小，从而确保疲劳强度以及耐弹力减弱性。

本发明的第四方案是一种上述第一方案或上述第二方案的板状弹簧部件，该板状弹簧部件在将距表面的深度为0μm以及30μm的两点之间的压缩残余应力的差分设为Δσ，并将所述两点之间的距表面的深度的差分设为Δz时，由I＝Δσ÷Δz定义的残余应力梯度I的值为-40～-3MPa/μm。

根据上述第四方案，使距表面的深度0～30μm的范围内的残余应力梯度I的值为-40～-3MPa/μm。由此，能够在板状弹簧部件的表面(深度0μm)附近施加高的压缩残余应力的同时，在距表面的深度超过30μm的范围内将压缩残余应力抑制得较小，从而确保疲劳强度以及耐弹力减弱性。

本发明的第五方案是上述第一方案至上述第三方案中任一项的板状弹簧部件，该板状弹簧部件是形成为环状的碟形弹簧，其具有：内周面，其朝向径向内侧；外周面，其朝向径向外侧；内周缘，其是径向内侧的端面；以及外周缘，其是径向外侧的端面，在所述内周面上施加有所述压缩残余应力分布，并且在所述外周面上未施加有所述压缩残余应力分布。

根据上述第五方案，在碟形弹簧工作时作用有拉伸应力的碟形弹簧的内周面的表面附近施加有超过500MPa的大的压缩残余应力。这样，通过施加压缩残余应力以消除在碟形弹簧工作时作用的拉伸应力，能够提高碟形弹簧的耐弹力减弱性。另外，由于在碟形弹簧中距表面的深度超过50μm的深的部分未施加有超过500MPa的大的压缩残余应力，因此抑制了由压缩残余应力引起的耐弹力减弱性的降低。因此，根据上述第四方案的碟形弹簧，除了耐久性以外，还能够提高耐弹力减弱性。

本发明的第六方案是根据上述第一方案至上述第三方案中的任一项的板状弹簧部件，该板状弹簧部件是波形弹簧，其由多个峰部及多个谷部沿周向交替连接而形成为以中心轴线为中心的环状，在所述峰部中的在沿着所述中心轴线的轴向上靠近所述谷部的面以及所述谷部中的在所述轴向上靠近所述峰部的上表面上施加有压缩残余应力分布，在峰部中的在所述轴向上远离所述谷部的面以及所述谷部中的在所述轴向上远离所述峰部的面上未施加有所述压缩残余应力。

根据上述第六方案，能够提供一种波形弹簧，其除了耐久性以外，还提高了耐弹力减弱性。

发明效果

根据本发明，能够提供一种板状弹簧部件，其除了耐久性以外，还提高了耐弹力减弱性。

附图说明

图1A是示出作为本实施方式的板状弹簧部件的一例的碟形弹簧的俯视图。

图1B是图1A的I-I剖视向视图。

图2是示出实施例以及比较例的压缩残余应力的分布的曲线图。

图3是实施例以及比较例的S-N线图。

图4是示出作为板状弹簧部件的一例的波形弹簧的俯视图。

具体实施方式

以下基于附图对本实施方式的板状弹簧部件进行说明。如图1A所示，在本实施方式中，对作为板状弹簧部件的一例的形成为环状的碟形弹簧1进行说明。但是，本实施方式的内容能够适用于通过加工板状的金属材料而形成的具有表面和背面的所有的板状的弹簧部件。在板状弹簧部件中，除了碟形弹簧1以外，还包括板簧、波形弹簧以及盘簧等。

碟形弹簧1形成为以中心轴线O为中心的环状。在本实施方式中，将沿着中心轴线O的方向称为轴向，将从轴向观察的俯视中与中心轴线交叉的方向称为径向。如图1B所示，碟形弹簧1具有内周缘1a、外周缘1b、内周面1d以及外周面1c。内周面1d朝向径向内侧，外周面1c朝向径向外侧。内周缘1a是碟形弹簧1的径向内侧的端面，外周缘1b是碟形弹簧1的径向外侧的端面。

对碟形弹簧1一般实施喷丸硬化加工。通过喷丸硬化加工，使得碟形弹簧1的表面施加有压缩残余应力。由此，能够提高碟形弹簧1的疲劳强度，并且提高耐久性。本申请的发明者们发现，通过使压缩残余应力适当地分布在碟形弹簧1内，不仅能够提高耐久性，还能够提高耐弹力减弱性。以下对压缩残余应力的分布进行说明。

图2是示出碟形弹簧1的压缩残余应力分布的一例的曲线图。图2的曲线图的横轴表示碟形弹簧1中距表面的深度(μm)。图2的曲线图的纵轴表示压缩残余应力的绝对值(MPa)。以下将碟形弹簧1中距表面的深度简称为“深度”。另外，将压缩残余应力的绝对值简称为“残余应力值”。另外，在图2的曲线图中，利用深度为50μm的直线以及残余应力值为500MPa的直线划分象限A～D。象限A是深度在50μm以下且残余应力值在500MPa以上的范围，象限B是深度在50μm以上且残余应力值在500MPa以上的范围，象限C是深度在50μm以下且残余应力值在500MPa以下的范围，象限D是深度在50μm以上且残余应力值在500MPa以下的范围。

另外，在本实施方式中，将残余应力值相对于深度的变化量表示为“残余应力梯度I”。在图2的曲线图中的任意的两点之间，在将压缩残余应力的差分设为Δσ，且将深度的差分设为Δz时，残余应力梯度I由以下公式(1)计算出。换言之，在图2的曲线图中，在将两个不同深度范围即具有两个不同深度的两点之间的压缩残余应力的差分设为Δσ，且将两点之间的两个不同深度的差分设为Δz时，残余应力梯度I由以下公式(1)计算出。

I＝Δσ÷Δz…(1)

根据数学式(1)，残余应力梯度I具有MPa/μm的单位。

(压缩残余应力的分布)

图2所示的实施例以及比较例示出了在不同条件下实施了喷丸硬化加工的两种碟形弹簧。在本实施例以及比较例中，由于喷丸硬化加工的条件不同，因此残余应力值的分布也不同。此外，在图2中，对于比较例以及实施例，均记载了表面(外周面1c)以及背面(内周面1d)这二者的残余应力值。在本实施例以及比较例的各例中，表面和背面的残余应力值略有差异，但是在本实施例以及比较例的各例中，由于是在相同条件下对表面和背面实施喷丸硬化加工，因此该值的差异是数据的偏差。

(比较例)

在比较例的情况下，在深度0～90μm(0μm以上90μm以下)的范围内，随着距表面的深度的增加，残余应力值在约620～700MPa(约620MPa以上约700MPa以下)的范围内，处于略微上升的趋势。即，在深度0～90μm的范围内，残余应力梯度I的值为正值。另外，从深度90μm附近起，随着深度的增加，残余应力值逐渐减小。例如在深度90～150μm(90μm以上150μm以下)的范围内，残余应力梯度I的值为约-9.6MPa/μm，是负值。比较例的曲线图经过象限A、象限B以及象限D，不经过象限C。

(实施例)

在实施例的情况下，在深度0μm、即碟形弹簧的表面处，压缩残余应力的值(残余应力值)为约620MPa，与比较例相等。另一方面，随着深度从0μm变深，压缩残余应力的值逐渐减小。在深度30μm处，压缩残余应力的值为200MPa左右，在深度0～30μm(0μm以上30μm以下)的范围内的残余应力梯度I的值为约-14MPa/μm。在深度50μm处，压缩残余应力的值为100MPa左右，在深度0～50μm(0μm以上50μm以下)的范围内的残余应力梯度I的值为约-10MPa/μm。在超过深度50μm的范围内的残余应力梯度I的值比在深度0～50μm的范围内的残余应力梯度I的值小。在深度90μm以上的范围内，残余应力值为约20MPa，残余应力梯度I的值为约0MPa/μm。实施例的曲线图经过象限A、象限C以及象限D，不经过象限B。换言之，在实施例的情况下，在深度0μm、即碟形弹簧1的表面处，压缩残余应力的值(残余应力值)为约620MPa，与比较例相等。另一方面，在深度30μm处，压缩残余应力的值为200MPa左右，深度为0μm及30μm的两点之间的残余应力梯度I的值为约-14MPa/μm。在深度50μm处，压缩残余应力的值为100MPa左右，深度为0μm以上及50μm的两点之间的残余应力梯度I的值为约-10MPa/μm。深度为0μm以及超过50μm的值的两点之间的残余应力梯度I的值，比深度为0μm及50μm的两点之间的残余应力梯度I的值小。在深度为90μm以上的范围内，残余应力值为约20MPa，深度为0μm以及90μm以上的值的两点之间的残余应力梯度I的值为约0MPa/μm。实施例的曲线图经过象限A、象限C以及象限D，不经过象限B。

(弹力减弱试验)

下述表1示出了针对在与上述实施例以及比较例相同的条件下实施了喷丸硬化加工的多个样本进行弹力减弱试验的结果。在弹力减弱试验中，首先，使各样本发生固定量的弹性变形，测量此时的负载，并将其记录为第一负载。接下来，在高温环境下使各样本发生预定量的弹性变形并放置24小时后，使各样本发生所述固定量的弹性变形，测量此时的负载，并将其记录为第二负载。下述表1的负载降低率表示第二负载相对于第一负载的降低率。例如当负载降低率为10％时，表示第二负载的值为从第一负载的值减少10％后的值。

【表1】

如表1所示，在比较例中，负载降低率的平均值为10.2％。与此相对，在实施例中，负载降低率的平均值为6.6％。这样，与比较例相比，在实施例中负载降低率得到了改善。可以认为这与残余应力值分布的差异有关。即，若金属的内部施加有压缩残余应力，则金属内部中施加有压缩残余应力的部分发生位移。可以认为，由于该位移因外力而移动，因此即使本来应该是弹性区域内的变形的变形，也会产生塑性变形，并且由变形引起的负载(弹力)降低。并且，在实施例中，由于与比较例相比施加有高的压缩残余应力的范围较小，因此可以认为能够将负载降低率抑制得较小。具体地，在比较例中，在超过比较深的深度50μm的范围内，施加有500MPa以上的大的压缩残余应力。另一方面，在实施例中，在超过50μm的深度处，未施加有500MPa以上的压缩残余应力。由此，如表1所示，可以认为，与比较例相比，在实施例中能够将负载降低率抑制得较小。

(疲劳试验)

图3是S-N线图。图3所示的曲线图示出了针对在与上述实施例以及比较例相同的条件下实施了喷丸硬化加工的多个平板状的样本进行疲劳试验的结果。疲劳试验的条件为固定的应力振幅、室温环境下、25Hz、以及应力比为0。图3的横轴表示上述疲劳试验的结果即折损发生时的重复次数。图3的纵轴表示施加于样本的应力振幅中的最大值(最大应力振幅)。此外，若重复次数达到1000万次也没有发生折损，则停止试验。

图3所示的实线是连接实施例的试验结果中位于最下侧的标绘点而得到的。同样地，图3所示的虚线是连接比较例的试验结果中位于最下侧的标绘点而得到的。从实线和虚线几乎重叠可以看出，实施例的样本具有与比较例的样本具有相等的疲劳强度。也就是说，虽然与比较例相比，在实施例中施加有高的压缩残余应力的范围小(参照图2)，但是即使是这样的压缩残余应力分布，实施例也能维持与比较例相等的疲劳强度。

如上所述，实施例的碟形弹簧1，距表面的深度在50μm以内的部分中的至少一部分的压缩残余应力为500MPa以上，距表面的深度超过50μm的部分的压缩残余应力小于500MPa。由此，实施例能够维持与比较例相等的疲劳强度，并且与比较例相比，能够提高耐弹性减弱性。此外，通过使施加有500MPa以上的压缩残余应力的范围为距表面的深度为30μm以内(更优选为20μm以内，更优选为10μm以内)，能够更可靠地提高耐弹性减弱性。

另外，在实施例中，通过使深度0～50μm的范围内的残余应力梯度I的值为约-10MPa/μm，使得在碟形弹簧1的表面(深度0μm)附近施加有大的压缩残余应力的同时，深度超过50μm的范围内的压缩残余应力被抑制得较小，从而确保了疲劳强度以及耐弹性减弱性。深度0～50μm的范围内的残余应力梯度I的值不限于上述的值。例如只要是在-24～-1.8MPa/μm(-24MPa/μm以上-1.8MPa/μm以下)的范围内，就能够得到相同的作用效果。此外，通过使深度在0～30μm的范围内的残余应力梯度I的值在-40～-3MPa/μm(-40MPa/μm以上-3MPa/μm以下)的范围内，能够更可靠地确保疲劳强度以及耐弹性减弱性。将以上的内容换而言之，在实施例中，通过使深度为0μm以及50μm的两点之间的残余应力梯度I的值为约-10MPa/μm，使得在碟形弹簧1的表面(深度0μm)附近施加有大的压缩残余应力的同时，深度超过50μm的范围内的压缩残余应力抑制得较小，从而确保了疲劳强度以及耐弹性减弱性。深度为0μm以及50μm的两点之间的残余应力梯度I的值不限于上述的值。深度为0μm以及50μm的两点之间的残余应力梯度I的值例如只要在-24～-1.8MPa/μm(-24MPa/μm以上-1.8MPa/μm以下)的范围内，就能够得到相同的作用效果。此外，通过使深度为0μm以及30μm的两点之间的残余应力梯度I的值在-40～-3MPa/μm(-40MPa/μm以上-3MPa/μm以下)的范围内，能够更可靠地确保疲劳强度以及耐弹性减弱性。

此外，本发明的技术范围并不限于如上所述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行各种各样的变更。

例如，在图2中，将碟形弹簧1的距表面(外周面1c)或背面(内周面1d)的表面的深度作为横轴，但是也可以将碟形弹簧1中的距任意的表面的深度作为横轴。通过针对这样的深度形成如图2所示的压缩残余应力分布，能够在所述任意的表面确保疲劳强度以及耐弹性减弱性这两者。

另外，在所述实施例中，在碟形弹簧1的整个表面上形成有如图2所示的压缩残余应力分布，但是也可以将碟形弹簧1的一部分形成为这样的压缩残余应力分布。例如，在碟形弹簧1工作时，在图1B所示的外周面1c上作用有压缩应力，另一方面，在内周面1d上作用有拉伸应力。另外，在施加有压缩残余应力的部位，如果进一步施加碟形弹簧1工作时的压缩应力，则容易产生弹力减弱。由此，通过在内周面1d上施加如上所述的压缩残余应力分布，而在外周面1c上不施加如上所述的压缩残余应力分布，能够进一步抑制弹力减弱的发生。同样地，即使在碟形弹簧1以外的板状弹簧部件中，也可以至少在碟形弹簧1工作时作用有拉伸应力的部位，施加如上所述的压缩残余应力分布。

另外，作为板状弹簧部件，也可以使用如图4所示的波形弹簧10。波形弹簧10形成为以中心轴线O为中心的环状，其由在沿着中心轴线O的轴向中向一方突出的多个峰部11与向另一方突出的多个谷部12沿周向交替连接而形成。省略图示，波形弹簧10还可以具有从内周缘10a向径向内侧延伸的爪部，或者，从外周缘10b向径向外侧延伸的爪部。

在波形弹簧10工作时，在从峰部11突出的方向所观察的俯视中，在峰部11的上表面以及谷部12的下表面上作用有压缩应力，在峰部11的下表面以及谷部12的上表面上作用有拉伸应力。在本实施方式中，将波形弹簧10中的、在沿着中心轴线O的轴向上设置有峰部11的一侧称为上侧，将在沿着中心轴线O的轴向上设置有谷部12的一侧称为下侧。基于此，通过在作用有拉伸应力的峰部11的下表面以及谷部12的上表面上施加如上所述的压缩残余应力分布，在峰部11的上表面以及谷部12的下表面上不施加如上所述的压缩残余应力分布，能够进一步抑制弹性减弱的发生。换言之，在波形弹簧10在沿着中心轴线O的轴向上被压缩时，在峰部11中的朝向峰部11突出的方向的面(表面)和谷部12中的朝向谷部12突出的方向的面(背面)上作用有压缩应力，在峰部11中的朝向与峰部11突出的方向为相反方向的面(背面)和谷部12中的朝向与谷部12突出的方向为相反方向的面(表面)上作用有拉伸应力。基于此，通过在作用有拉伸应力的峰部11的背面以及谷部12的表面上施加如上所述的压缩残余应力分布，在峰部11的表面以及谷部12的背面上不施加如上所述的压缩残余应力分布，能够进一步抑制弹性减弱的发生。进一步换言之，在波形弹簧10在沿着中心轴线O的轴向上被压缩时，在峰部11中的在沿着中心轴线O的轴向上远离谷部12的面(表面)和谷部12中的在沿着中心轴线O的轴向上远离峰部11的面(背面)上作用有压缩应力，在峰部11中的在沿着中心轴线O的轴向上靠近谷部12的面(背面)和谷部12中的在沿着中心轴线O的轴向上靠近峰部11的面(表面)作用有拉伸应力。因此，通过在作用有拉伸应力的峰部11的表面以及谷部12的背面上施加如上所述的压缩残余应力分布，在峰部11的表面以及谷部12的背面上不施加如上所述的压缩残余应力分布，能够进一步抑制弹性减弱的发生。

另外，在不脱离本发明的主旨的范围内，也可以将上述实施方式中的构成元件适当地替换为公知的构成元件。

产业上的可利用性

根据本发明，能够提供一种板状弹簧部件，其除了耐久性以外，还提高了耐弹力减弱性。

附图标记说明：

1：碟形弹簧(板状弹簧部件)

1a：内周缘

1b：外周缘

1c：外周面

1d：内周面

10：波形弹簧(板状弹簧部件)

11：峰部

12：谷部

O：中心轴线

Claims (8)

1.一种板状弹簧部件，其特征在于，

具有如下的压缩残余应力分布：距表面的深度为50μm以内的部分中的至少一部分的压缩残余应力为500MPa以上，距所述表面的深度超过50μm的部分的压缩残余应力小于500Mpa，

在将距所述表面的深度为0μm以及50μm的两点之间的压缩残余应力的差分设为Δσ，并将所述两点之间的距所述表面的深度的差分设为Δz时，由I＝Δσ÷Δz定义的残余应力梯度I的值为-24～-1.8MPa/μm。

2.根据权利要求1所述的板状弹簧部件，其特征在于，

具有如下的压缩残余应力分布：距所述表面的深度为30μm以内的部分中的至少一部分的压缩残余应力为500MPa以上，距所述表面的深度超过30μm的部分的压缩残余应力小于500MPa。

3.根据权利要求1或2所述的板状弹簧部件，其特征在于，

所述板状弹簧部件是形成为环状的碟形弹簧，其具有：

内周面，其朝向径向内侧；

外周面，其朝向径向外侧；

内周缘，其是径向内侧的端面；以及

外周缘，其是径向外侧的端面；

在所述内周面上施加有所述压缩残余应力分布，并且在所述外周面上未施加有所述压缩残余应力分布。

4.根据权利要求1或2所述的板状弹簧部件，其特征在于，

所述板状弹簧部件是波形弹簧，其由多个峰部及多个谷部沿周向交替连接而形成为以中心轴线为中心的环状，

在所述峰部中的在沿着所述中心轴线的轴向上靠近所述谷部的面以及所述谷部中的在所述轴向上靠近所述峰部的面上施加有所述压缩残余应力分布，并且在所述峰部中的在所述轴向上远离所述谷部的面以及所述谷部中的在所述轴向上远离所述峰部的面上未施加有所述压缩残余应力。

5.一种板状弹簧部件，其特征在于，

具有如下的压缩残余应力分布：距表面的深度为50μm以内的部分中的至少一部分的压缩残余应力为500MPa以上，距所述表面的深度超过50μm的部分的压缩残余应力小于500Mpa，

在将距所述表面的深度为0μm以及30μm的两点之间的压缩残余应力的差分设为Δσ，并将所述两点之间的距所述表面的深度的差分设为Δz时，由I＝Δσ÷Δz定义的残余应力梯度I的值为-40～-3MPa/μm。

6.根据权利要求5所述的板状弹簧部件，其特征在于，

具有如下的压缩残余应力分布：距所述表面的深度为30μm以内的部分中的至少一部分的压缩残余应力为500MPa以上，距所述表面的深度超过30μm的部分的压缩残余应力小于500MPa。

7.根据权利要求5或6所述的板状弹簧部件，其特征在于，

所述板状弹簧部件是形成为环状的碟形弹簧，其具有：

内周面，其朝向径向内侧；

外周面，其朝向径向外侧；

内周缘，其是径向内侧的端面；以及

外周缘，其是径向外侧的端面；

在所述内周面上施加有所述压缩残余应力分布，并且在所述外周面上未施加有所述压缩残余应力分布。

8.根据权利要求5或6所述的板状弹簧部件，其特征在于，

所述板状弹簧部件是波形弹簧，其由多个峰部及多个谷部沿周向交替连接而形成为以中心轴线为中心的环状，

在所述峰部中的在沿着所述中心轴线的轴向上靠近所述谷部的面以及所述谷部中的在所述轴向上靠近所述峰部的面上施加有所述压缩残余应力分布，并且在所述峰部中的在所述轴向上远离所述谷部的面以及所述谷部中的在所述轴向上远离所述峰部的面上未施加有所述压缩残余应力。

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