CN110168246B - 一种螺旋弹簧 - Google Patents

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Abstract

根据一个实施例的螺旋弹簧(2)，具有与下侧弹簧座(10)相接触的下侧支撑部(20)，与上侧弹簧座(11)相接触的上侧支撑部(21)，所述下侧支撑部(20)和所述上侧支撑部(21)之间的有效部(22)。该螺旋弹簧(2)在未被压缩的自由形状下，形成围绕所述有效部(22)的轴的圆柱形。而且该螺旋弹簧(2)，在被压它们到指定高度的压缩形状下，在以荷重轴(FL)作为Z轴的座标系中，在Z轴方向形成螺距恒定的圆柱形。

Description

一种螺旋弹簧
技术领域
本发明涉及可以使用于例如车辆的悬挂装置等中的螺旋弹簧。
背景技术
作为制造螺旋弹簧的方法，已知有通过热加工形成螺旋弹簧的方法，和通过冷加工形成螺旋弹簧的方法。通过热加工成形的螺旋弹簧是通过在高温下(例如钢的奥氏体化温度)将已加热的裸线以规定的间距缠绕在金属芯(心轴)上而成形为螺旋状的。裸线的长度是1个螺旋弹簧的量。在本说明书中，将通过热加工制造螺旋弹簧的装置称为热成型绕线机，将通过热加工成形的螺旋弹簧称为热成型螺旋弹簧。由于热成型绕线机用于将已加热变柔软的裸线缠绕在金属芯上，因此适合制造裸线直径比较大的螺旋弹簧。
与此相反，通过冷加工成形的螺旋弹簧，通过将多个螺旋弹簧量的长度的裸线供给到绕线机的第1螺距和第2螺距之间，并在第1螺距和第2螺距之间连续地将裸线成形为圆弧状。当1个量的螺旋弹簧成形后，通过刀具切断裸线。在本说明书中，将通过冷加工制造螺旋弹簧的装置称为冷成型绕线机，将通过冷加工成形的螺旋弹簧称为冷成型螺旋弹簧。冷成型绕线机可以制造圆筒形以外的特殊形状的螺旋弹簧。
图13A是现有螺旋弹簧100的一个实例示意图。螺旋弹簧100下侧的支撑部100a由下侧的弹簧座101支撑。螺旋弹簧100的上侧的支撑部100b由上侧的弹簧座102支撑。弹簧座101、102的位置取决于支撑螺旋弹簧的对应物的规格。由于裸线卷绕成螺旋形，因此螺旋弹簧100不是相对于螺旋中心而左右对称的。因此将压缩负重F1施加于螺旋弹簧100的话，可知有效部100c将朝箭头f1所示的方向弯曲，即产生所谓的横向变形(bowing)。特别地当螺旋弹簧的缠绕数较少时(例如缠绕数为5以下)，容易产生横向弯曲。产生横向弯曲的螺旋弹簧 100有可能会干挠周围物，因此不是优选的。
为了防止产生横向弯曲，提出一种螺旋弹簧110,其如图13B所示的另一现有实例，在无载荷时自由形状(free shape)为C形或S形。该螺旋弹簧110,旨在施加压缩负重F1的状态下，通过使有效部110c朝向箭头f2所示的方向变形，而使有效部110c笔直。
先行技术文件
专利文件
专利文件1特开平1-156119公报
专利文件2特许第2642163号公报。
发明内容
发明待解决的课题
专利文件1(特开平1-156119公报)或专利文件2(特许第2642163号公报) 中示出了成形为C形的螺旋弹簧。橡这样特殊形状的螺旋弹簧，通过热成型绕线机制造实际上是困难的，因此使用冷成型绕线机。但是，冷成型绕线机，在制造裸线直径较大的螺旋弹簧时，需要特殊的措施来构造或控制绕线机。
本发明的目的在于提供一种螺旋弹簧，其既可以通过热成型绕线机来制造，也可以控制横向弯曲。
解决课题的手段
本发明的一个实施例，是一种螺旋弹簧，其具有成形为螺旋形的裸线并设置于下侧弹簧座和上侧弹簧座之间，其具有与所述下侧弹簧座相接触的下侧支撑部，与所述上侧弹簧座相接触的上侧支撑部，所述下侧支撑部和所述上侧支撑部之间的有效部，以及荷重轴，所述荷重轴由当压缩所述有效部的力施加到所述下侧支撑部和所述上侧支撑部时，连接施加到所述下侧支撑部上的力的重心和施加到所述上侧支撑部上的力的重心的直线构成。所述有效部在该螺旋弹簧为未被压缩的自由形状(无荷重时)时，围绕所述有效部的轴是圆柱形。即，该螺旋弹簧在无荷重时为以所述有效部的轴为中心轴的圆柱形。另外当所述有效部在该螺旋弹簧未被压缩的自由形状(无荷重时)中，在将所述有效部的轴设作Z轴时，在 Z轴方向的螺距是恒定的。
而且，当所述有效部在该螺旋弹簧被压缩到指定高度的压缩形状(压缩时) 时，在将所述荷重轴录作Z轴的座标系中，在所述Z轴方向形成螺距恒定的圆柱形(以荷重轴为中心轴的圆柱形)。进一步地，该螺旋弹簧根据所述荷重轴和所述下侧弹簧座的中心之差，以及所述荷重轴和所述上侧弹簧座的中心之差，使所述下侧支撑部和所述上侧支撑部偏离螺旋中心，并且，分别使在所述指定高度下的所述下侧支撑部和上侧支撑部的倾斜与所述下侧弹簧座和上侧弹簧座的倾斜对应。
发明效果
通过本实施例的螺旋弹簧，在压缩到指定高度状态下，有效部不会产生横向弯曲。因此该螺旋弹簧，在组装到例如车辆的悬挂装置的状态下，可以避免对周围物的干扰。而且，本实施例的螺旋弹簧可以通过热成型绕线机制造。
附图说明
图1为具备与第1实施例相关的螺旋弹簧的悬挂装置的横截面。
图2为图1所示的螺旋弹簧的侧视图。
图3为同一个螺旋弹簧被压缩到最大状态时的侧视图。
图4为同一个螺旋弹簧被拉伸到最大状态时的侧视图。
图5为图1所示的悬挂装置的下侧弹簧座和上侧弹簧的示意图。
图6分别示出了3类螺旋弹簧的裸线的匝数位置和从荷重轴(force line)的距离之间的关系。
图7示出了图2所示的螺旋弹簧的裸线的匝数位置和螺距之间的关系。
图8分别示出了3类螺旋弹簧的裸线的匝数位置和高度之间的关系。
图9为热成型螺旋弹簧的局部平面图。
图10为与第2实施例相关的螺旋弹簧的侧视图。
图11为图10所示的螺旋弹簧在被压缩到最大状态时的侧视图。
图12为图10所示的螺旋弹簧在被拉伸到最大状态时的侧视图。
图13A为现有的螺旋弹簧的截面图。
图13B为其他现有的螺旋弹簧的截面图。
其中的附图标记为：
1.悬挂装置、2.螺旋弹簧、3.支柱、4.裸线、10.下侧弹簧座、11.上侧弹簧座、 20.下侧支撑部、21.上侧支撑部、22.有效部、C1、C2.力的重心、FL.荷重轴。
具体实施方式
以下参考图1至图9,对与本发明的1个实施例相关的螺旋弹簧进行说明。
图1所示的MacPherson Strut type的悬挂装置1具备悬挂用螺旋弹簧2(下文仅称为螺旋弹簧2)和由减震器组成的支柱3。螺旋弹簧2具有成形为螺旋形的弹簧钢制成的裸线4。螺旋弹簧2在压缩于下侧弹簧座10和上侧弹簧座11之间的状态下，安装至悬挂装置1中。支柱3的上端通过绝缘支架12安装于车体 13上。支柱3的下部设置有固定支架15。固定支架15中安装有用于支撑车轴的关节件16(仅示出局部)。支柱3的上端以轴线X0相对于重力的垂直线XL向车辆内侧倾斜角度θ1的状态安装于车体13上。
如图2所示的螺旋弹簧2于下侧弹簧座10和上侧弹簧座11之间呈压缩态。图3示出了螺旋弹簧2被压缩至最大状态。图4示出了螺旋弹簧2拉伸至最大状态。螺旋弹簧2包括通过下侧弹簧座10支撑的下侧支撑部20,通过上侧弹簧座 11支撑的上侧支撑部21,以及支撑部20,21之间的有效部22。下侧支撑部20的下表面20a呈与下侧弹簧座10相接触态。上侧支撑部21的上表面21a呈与上侧弹簧座11相接触态。有效部22为,在螺旋弹簧2被压缩至最大状态下，彼此相邻的裸线4的卷绕部彼此之间不接触，并有效发挥弹簧作用的部分。有效部22 的匝数的一例是4。下侧支撑部20从裸线的下端开始卷绕至例如0。6-0。7匝附近。上侧支撑部21从裸线4的上侧开始卷绕至例如0。8匝附近。下侧弹簧座 10相可以沿支柱3的轴线X0的方向相对于上侧弹簧座11移动。
当螺旋弹簧2呈压缩状态时，下侧弹簧座10和支撑部20彼此相接，并于存在施加于支撑部20的力的重心C1。力的重心C1不一定位于支撑部20的卷绕中心(曲率中心)。即力的重心C1依存于弹簧座10和支撑部20的接触力的分布。由于上侧弹簧座11和支撑部21彼此相接触，因此存在施加于支撑部21的力的重心C2。在本说明书中，连接下侧支撑部20的力的重心C1和上侧支撑部21 的力的重心C2的直线称为荷重轴FL(forceline)。有时将荷重轴的位置 (forcelineposition)略称为FLP。荷重轴FL从下侧支撑部20的卷绕中心和上侧支撑部21的卷绕中心径向偏移。
本实施例的螺旋弹簧2,对支撑部20,21的形状和支撑部20,21的曲率中心的偏心位置进行了调整，使得在压缩状态(压缩形状)下，有效部22的螺旋中心与荷重轴FL一致。即螺旋弹簧2的有效部22为圆柱形，其具有围绕荷重轴FL 的实质恒定的螺旋直径。此处的“实质恒定”指的是当将裸线4卷绕至热成型绕线机的金属芯来成形圆柱形的有效部22时，允许范围内的模制误差或回弹造成的变形可以忽略。有效部22的螺距P1(如图2所示)在将荷重轴FL作为Z轴的座标系中，基本上是固定的。因此作用于该螺旋弹簧2的Z轴方向的压缩负荷可被均等地挤压到荷重轴FL周围。
图2至图4所示的2点划线CY1表示有效部22的外周位置。图2中的虚线 CY2表示现有的螺旋弹簧的有效部的外周位置。现有的有效部比本实施例的有效部22配置于车辆内侧。弹簧座10,11的位置，不管是现有的还是本实施例都是一样的。
当向螺旋弹簧2施加Z轴方向的压缩荷重时，下侧弹簧座10和上侧弹簧座 11之间的有效部22被压缩。本实施例的螺旋弹簧2不管是未被压缩的自由形状还是压缩形状，都不会产生横向弯曲。
在自由形状(无荷重)下，有效部22围绕其轴呈圆柱形。即自由形状的有效部22具有以有效部22的轴为中心轴的圆柱形。另外，自由形状的有效部22 在将有效部22的轴作为Z轴时，在Z轴方向上的螺距是恒定的。
被压缩到指定高度的压缩形状下，有效部22在以荷重轴FL作为Z轴的座标系中为圆柱形，其在Z轴(荷重轴FL)方向上的螺距恒定。被压缩的螺旋弹簧2的有效部22在荷重轴FL为Z轴的座标系中具有以荷重轴FL为中心的螺距恒定的圆柱形。
压缩形状下的有效部22,与自由形状下的有效部22相比，螺旋直径在荷重轴 FL周围同等地变大。即螺旋弹簧2被压缩后，荷重轴FL周围均等地产生躯干膨胀。产生躯干膨胀的螺旋弹簧2与产生横向弯曲的螺旋弹簧相比，对周围物的干扰可能性更小。
如图5所示，下侧弹簧座10相对于线S1倾斜角度θ2,线S1与荷重轴成直角。上侧弹簧座11相对于线S2倾斜角度θ2,S3与荷得轴FL成直角。即下侧弹簧座10和上侧弹簧座11不是相互平行的。而且，荷重轴FL相对于下侧弹簧座 10和上侧弹簧座11倾斜角度θ2,θ3。
将不希望横向弯曲的弹簧高度(指定高度)中的荷重轴FL和支撑部的中心之间的偏差作为下侧弹簧座10和上侧弹簧座11的偏心量。然后将角度θ2,S3作为下侧弹簧座10和上侧弹簧座11的座面角度。但是，螺旋弹簧的横向弯曲方向也有可能从弹簧座10、11的倾斜方向偏离。在这种情况下，有必要将弹簧座10、 11的座面方向和角度向抵消该横向弯曲的方向调整。
例如本实施例的螺旋弹簧2根据荷重轴FL和下侧弹簧座10的中心之间的差以及荷重轴FL和上侧弹簧座11的中心之间的差，使下侧支撑部20和上侧支撑部21偏离螺旋中心。另外，指定高度下的下侧支撑部20和上侧支撑部21的倾斜分别与下侧弹簧座10和上侧弹簧座11的倾斜相对应。
图6中的线L1示出了螺旋弹簧2的裸线4的匝数位置和从荷重轴FL的距离的关系。如图6中的线L1所示，在有效部中，围绕荷重轴FL的从荷重轴FL 到裸线的距离几乎是恒定的。在下侧的支撑部的一例中，如用W1所示的，从荷重轴FL的距离从裸线的下侧开始朝有效部变大，后又变小，形成了波形。在上侧支撑部的一例中，如用W2所示地，从荷重轴FL的距离从裸线的上端朝有效部变小后又变大，形成了波形。图6中的线L2示出了现有的螺旋弹簧(匝数：4) 的裸线的匝数位置和从荷重轴FL的距离的关系。现有的螺旋弹簧，从荷重轴FL到裸线的距离围绕荷重轴FL变大。
图7中的线L3,示出了在螺旋弹簧2被压缩的状态(压缩形状)下，裸线的匝数位置和螺距之间的关系。图7中的线L4示出了在螺旋弹簧2未被压缩的自由形状下，裸线的匝数位置和螺距之间的关系。在压缩形状下，沿荷重轴FL方向(Z轴方向)的有效部的螺距基本上是恒定的。在未施加负重的自由形状下，有效部的螺距实质上相对于有效部的螺旋中心恒定。
图8中的线L5示出了螺旋弹簧2的自由形状下的裸线匝数位置和高度之间的关系。如图8中的线L5所示地，有效部的高度根据匝数位置逐渐变大。在下侧支撑部的一例中，增加的高度从裸线的下端朝有效部先大后小(成波形)。在上侧支撑部的一例中，朝向裸线的上端高度越来越大。与此相反，现有的螺旋弹簧的一例，如图8中的线L6所示，下侧支撑部和上侧支撑部的高度几乎没变化分别保持平坦状态。
图9示出了用于制造螺旋弹簧的热成型绕线机30的一部分。该绕线机30包括圆柱形的金属芯31、抓手33、导向部35。金属芯31的一侧的端部31a的形状对应于螺旋弹簧一侧(开始卷绕侧)的支撑部的形状。导向部35包括导向构39a、 39b。
由弹簧钢制成的裸线4事先切割成1个量的螺旋弹簧的长度。将该裸线加热至奥氏体化温度(A3变形点以上，1150摄氏度以下)，通过供给机构供给金属芯31。抓手33将裸线4的前端固定到金属芯31上。导向部35控制缠绕到金属芯31上的裸线4的位置。金属芯31的一侧的端部31a通过金属芯驱动头40 支撑。金属芯31,通过金属芯驱动头40围绕轴线X1旋转。金属芯31的另一端部31b，通过金属芯支架50的支撑自由旋转。导向部35沿金属芯31的轴线X1 的方向移动，并根据应成形的螺旋弹簧的螺距角引导裸线4。
裸线4是一个量的螺旋弹簧的长度。通过加热炉将该裸线4加热至适于热成形的温度。将加热后的裸线4的前端通过抓手3固定于金属芯31上。随着金属芯31的旋转，导向部35与金属芯31的旋转同步地沿金属芯31的轴线X1的方向移动。由此，裸线4以预定螺距卷绕在金属芯31上。以上的说明是针对通过热成型绕线机30制造螺旋弹簧的情况。本实施例的螺旋弹簧也可以通过冷成型绕线机来制造。
图10示出了与第2实施例相关的螺旋弹簧2A。图11为螺旋弹簧2A被压缩到最大状态的侧视图。图12为螺旋弹簧2A拉伸到最大状态的侧视图。与第1 实施例的螺旋弹簧2一样地，螺旋弹簧2A包括由下侧弹簧座10支撑的下侧支撑部20A，由上侧弹簧座11支撑的上侧支撑部21A，支撑部20A、21A之间的有效部22A。
有效部22A的匝数为3。有效部22A的螺旋直径比第1实施例的有效部22 的螺旋直径大。该有效部22A，与第1实施例的有效部22一样地，不管是自由形状还是压缩形状下，荷重轴FL周围均不会产生横向弯曲(而是圆柱形)。即有效部22A，在未被压缩的自由形状下，围绕有效部22A的轴为圆柱形。另外，压缩至指定高度的压缩形状下，在荷重轴FL作为Z轴的座标系中，沿Z轴(荷重轴FL)方向形成螺距恒定的圆柱形。
第2实施例的裸线4A的线径比第1实施例的裸线4的线径小。如图10至图12所示的2点划线CY3表示有效部22A的外周位置。图10中的虚线CY4表示现有的螺旋弹簧的有效部的外周位置。现有的有效部比本实施例的有效部22A 设置于车辆内侧。弹簧座10、11的位置不管是现有还是本实施例均相同。
图6中的线L17示出了第2实施例的螺旋弹簧2A的裸线的匝数位置和从荷重轴FL的距离之间的关系。如图6中的线L17所示地，在有效部中，从荷重轴 FL到裸线的距离围绕荷重轴FL几乎是恒定的。下侧支撑部，如用W1所示地，从荷重轴FL的距离从裸线的下端开始朝向有效部先变大后变小，成波形。上侧的支撑部，如用W2所示地，从荷重轴FL的距离从裸线的上端开始朝向有效部先变小后变大，成波形。
图8中的线L18示出了第2实施例的螺旋弹簧2A在自由形状下的裸线的匝数位置和高度之间的关系。如图8中的线L18所示地，有效部的高度随着匝数位置逐渐增大。下侧支撑部的高度从裸线的下端朝向有效部先变大后变小，成波形。上侧支撑部的高度随着裸线的上端越来越大。
产业上的可利用性
该螺旋弹簧不限于斯特拉式悬挂，可以用于例如联杆运动机构类型的悬挂。另外，本实施例的螺旋弹簧也可以用于悬挂装置以外的用途。

Claims (3)

1.一种螺旋弹簧，其为具有成形为螺旋形的裸线，并且被布置成在悬挂装置的下侧弹簧座(10)和上侧弹簧座(11)之间被压缩的状态，其特征在于，上侧弹簧座(11)不平行于下侧弹簧座(10)，所述螺旋弹簧具有：
与所述下侧弹簧座(10)相接触的下侧支撑部(20)，
与所述上侧弹簧座(11)相接触的上侧支撑部(21)，
所述下侧支撑部(20)和所述上侧支撑部(21)之间的有效部(22)，
当压缩所述有效部(22)的力被施加到所述下侧支撑部(20)和所述上侧支撑部(21)时，连接施加于所述下侧支撑部(20)的力的重心(C1)和所述上侧支撑部(21)的力的重心(C2)的直线构成的荷重轴(FL)，其中
荷重轴(FL)相对于下侧弹簧座(10)和上侧弹簧座(11)倾斜角度(θ2，θ3)，
所述有效部(22)在未被压缩的自由形状下具有基本恒定的螺距，且围绕所述有效部(22)的轴为圆柱形，以及
在下侧弹簧座(10)和上侧弹簧座(11)之间被压缩到指定高度下时，在以所述荷重轴(FL)为Z轴的座标系中，所述有效部(22)形成基本恒定的螺距和基本恒定的线圈直径的圆柱形，其中荷重轴(FL)在所述有效部(22)的压缩形状下沿所述Z轴方向位于所述有效部(22)的中心。
2.根据权利要求1所述的螺旋弹簧，其特征在于，根据所述荷重轴(FL)和所述下侧弹簧座(10)的中心之差，以及所述荷重轴(FL)和所述上侧弹簧座(11)的中心之差，使所述下侧支撑部(20)和所述上侧支撑部(21)偏离螺旋中心，并且使在所述指定高度下的所述下侧支撑部(20)和上侧支撑部(21)的倾斜分别对应所述下侧弹簧座(10)和上侧弹簧座(11)的倾斜。
3.根据权利要求1所述的螺旋弹簧，其特征在于，所述压缩形状下的所述有效部(22)的螺旋直径，相对于所述自由形状下的所述有效部(22)的螺旋直径，围绕所述荷重轴(FL)的四周同等地扩大。
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