JP2004050906A

JP2004050906A - 懸架コイルばね

Info

Publication number: JP2004050906A
Application number: JP2002208841A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Okura; 大倉　伸介; Kouji Gotou; 後藤　交司
Original assignee: Chuo Hatsujo KK; Chuo Spring Co Ltd
Current assignee: Chuo Hatsujo KK; Chuo Spring Co Ltd
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-07-17
Also published as: JP4212311B2

Abstract

【課題】簡単な構造で、ニーアクションに伴う付加応力を極力抑えると共に、応力振幅を極力小さくし得る懸架コイルばねを提供する。
【解決手段】車輪を支持するアーム３が、車体に取り付けたピボット１を中心としてニーアクションを行う車両の懸架装置に用いる。例えば鼓型コイルばね１０がフルバンプ状態にあるときに、荷重軸が胴部１３の中心軸と略一致するように、上下の座巻部１１及び１２の座面角度を設定すると共に、無負荷状態にあるときに、胴部の中心軸を、アームがニーアクションを行う面上でピボットと反対側に、所定距離偏心するように形成する。更に、鼓型コイルばねがフルリバウンド状態にあるときに、その自由巻端が、何れもアームがニーアクションを行う面に垂直で上下の座巻部の中心を含む面に対してピボット側に位置し、且つ、アームがニーアクションを行う面に対して略対称となるように配置するとよい。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の懸架装置に用いる懸架コイルばねに関し、特にトーションビームアクスル式サスペンション、トレーリングアーム式サスペンション等の、ニーアクションを行う懸架装置に好適な懸架コイルばねに係る。
【０００２】
【従来の技術】
車両の懸架装置に関しては、種々の形式のものが知られており、後輪用としてトレーリングアーム式サスペンションが知られている。これは、車両前方に配置したピボットと後輪の車軸をアームで結合し、ピボットを中心として上下方向に揺動し、所謂ニーアクションを行うもので、例えば特開２００２−４６４４３号公報、特開平８−２６８０１８号公報等に開示されている。これらに記載のサスペンション構造は、車輪を懸架するサスペンションリンクと、車輪のバンプ・リバウンドの動きを緩衝する緩衝装置によって構成されている。
【０００３】
上記何れの公報にも懸架コイルばねの構成については言及されていないが、一般的に、ニーアクションを行うサスペンションにおいては、積載状態等に応じてアームがその回転中心回りを中心として揺動するため、通常の円筒型の圧縮コイルばねを用いた場合には、垂直荷重による応力に加え、ニーアクションに伴うモーメントによって付加応力が印加される。このため、懸架コイルばねの最大主応力（フルバンプ状態における応力）や応力振幅（フルバンプ状態からフルリバウンド状態までの応力変動）の設定に際しては、付加応力を加味しなければならず、大きな線径の懸架コイルばねが必要となる。尚、フルバンプ状態とは最大圧縮状態をいい、フルリバウンド状態とは、乗員無の車両をリフトしたとき、車輪の自重によって懸架コイルばねが最も伸長する最大伸長状態をいう。
【０００４】
また、上記のサスペンションに要求されるばね特性は線形ではなく、非線形であるため、最大主応力や応力振幅の調整が一層困難である。これに対しては、一般的に、有効巻部の巻数を負荷に応じて変化させるため、ピッチ、コイル径、線径等を調整した種々の懸架コイルばねが提案されている。このような非線形コイルばねとしては、例えば、胴部に最大径を有する樽形状を呈し、コイル素線の線径が軸方向中心から両端に向かって漸減するように両端部の素線を切削した特殊コイルばねが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
然し乍ら、上記の特殊コイルばねにおいては、両端部の線径が漸減するように形成することは容易ではなく、量産に適さず、必然的に高価となる。而して、少なくとも線径を変化させることなく所望の非線形特性を確保することが望まれている。このような要請に応え得る懸架コイルばねとしては、例えば鼓形状の圧縮コイルばねがある。これは、両端から軸方向中心に向かって外径が漸減する徐変座巻部と、この徐変座巻部の最小径部に連続する略同径の胴部を備え、外形が鼓形状を呈するものであり、所望の非線形特性を容易に設定することができる。
【０００６】
そこで、本発明は、車輪を支持するアームが、車体に取り付けたピボットを中心としてニーアクションを行う車両の懸架装置に用いる懸架コイルばねにおいて、簡単な構造で、ニーアクションに伴う付加応力を極力抑えると共に、応力振幅を極力小さくし得る懸架コイルばねを提供することを課題とする。
【０００７】
また、本発明は、上記のニーアクションを行う車両の懸架装置に用いる懸架コイルばねにおいて、ニーアクションに伴う付加応力を極力抑えると共に、応力振幅を極力小さくし、且つ線径を変化させることなく所期の非線形特性を確保し得る懸架コイルばねを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は請求項１に記載のように、車輪を支持するアームが、車体に取り付けたピボットを中心としてニーアクションを行う車両の懸架装置に用いる懸架コイルばねにおいて、該懸架コイルばねがフルバンプ状態にあるときに、荷重軸が前記懸架コイルばねの胴部の中心軸と略一致するように、前記懸架コイルばねの上下の座巻部の少なくとも一方の座面角度を設定すると共に、前記懸架コイルばねが無負荷状態にあるときに、前記懸架コイルばねの胴部の中心軸を、前記アームがニーアクションを行う面上で前記ピボットと反対側に、所定距離偏心するように形成したものである。
【０００９】
例えば、前記懸架コイルばねの上下の座巻部を、各々の座面が互いに反対方向の外側に所定角度傾斜するように形成し、及び／又は上下の座巻部を、各々の座面が同方向に所定角度傾斜するように形成することにより、フルバンプ状態の懸架コイルばねの荷重軸が胴部の中心軸と一致するように設定することができる。更に、懸架コイルばねが無負荷状態にあるときに、懸架コイルばねの胴部の中心軸を、アームがニーアクションを行う面上でピボットと反対側に（例えば車両の後方側に）、所定距離偏心（オフセット）するように形成することにより、フルバンプ状態となったときの胴部の中心軸と荷重軸とのずれを小さくすることができる。
【００１０】
前記懸架コイルばねにおいて、更に、請求項２に記載のように、前記懸架コイルばねがフルリバウンド状態にあるときに、前記懸架コイルばねの上下の自由巻端が何れも、前記アームがニーアクションを行う面に垂直で前記懸架コイルばねの上下の座巻部の中心を含む面に対して前記ピボット側に位置し、且つ前記懸架コイルばねの上下の自由巻端が相互に、前記アームがニーアクションを行う面に対して略対称となるように配置するとよい。例えば、トーションビームアクスル式サスペンションでは、懸架コイルばねがフルリバウンド状態にあるときに、車両の上方からみて、懸架コイルばねの上下の自由巻端が何れも車両の前方に位置し、且つ懸架コイルばねの上下の自由巻端が相互に略左右対称となるように配置することにより、フルバンプ状態からフルリバウンド状態となったときの胴部の中心軸と荷重軸のずれを小さくして応力振幅を低減することができる。
【００１１】
請求項１又は２に記載の懸架コイルばねとしては、請求項３に記載のように、両端から軸方向中心に向かって外径が漸減する徐変座巻部と、該徐変座巻部の最小径部に連続する略同径の胴部を備えた鼓形状の圧縮コイルばねとするとよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は本発明の懸架コイルばねを備えた車両の懸架装置の一実施形態に係る後輪用のトーションビームアクスル式サスペンションを示すものである。図１において、車両（図示せず）の左右の車輪（図示せず）のサスペンションに関し、夫々車両前方の車体に設けられたピボット１と車両後方の車輪の軸２がトレーリングアーム（以下、単にアームという）３で結合されており、更に、左右のアーム３がトーションビーム４によって結合されている。而して、左右のアーム３が各々のピボット１を回転中心として上下方向に揺動し、ニーアクションが行なわれるように構成されている。
【００１３】
そして、車体（図示せず）とアーム３との間に鼓形状の圧縮コイルばね１０（以下、鼓型コイルばね１０という）が介装されると共に、車体（図示せず）と軸２との間にショックアブソーバ２０が介装されている。鼓型コイルばね１０は本発明の懸架コイルばねとして機能するもので、本実施形態では図３に示すように、両端から軸方向中心に向かって外径が漸減する徐変座巻部（以下、単に座巻部という）１１，１２と、これら座巻部１１，１２の最小径部に連続する胴部（自由巻部）１３を備えた鼓形状に形成されており、トーションビームアクスル式サスペンションとして好適な非線形特性を有する。図１に示すように、鼓型コイルばね１０は、車体（図示せず）に支持される上側座５と、アーム３に支持される下側座６との間に配置されている。
【００１４】
図２は上記鼓型コイルばね１０の作動状態を示すもので、ＣＴはアーム３の回転中心を示す。ＵＳは上側の座巻部１１の座面を示し、ＦＢはフルバンプ状態の下側の座巻部１２の座面を、ＬＤは積載状態の座巻部１２の座面を、ＥＭは空車状態の座巻部１２の座面を、そしてＦＲはフルリバウンド状態の座巻部１２の座面を、夫々示す。ここで、フルバンプ状態とは最大圧縮状態、即ち鼓型コイルばね１０が最も圧縮された状態であり、積載状態（ＬＡＤＥＮ）とは例えば２名乗車時というように所定重量の積載物が存在する状態である。そして、フルリバウンド状態とは、乗員無の車両をリフトしたとき、車輪の自重によって鼓型コイルばね１０が最も伸長する最大伸長状態であり、走行中に車輪が最も下方に位置する。
【００１５】
図３は、上記の鼓型コイルばね１０を拡大して示すもので、座巻部１１及び１２と胴部１３は図３の右側に概略範囲で示したように、これらの境界は、例えばフルリバウンド状態からフルバンプ状態に至るまで素線と座（図示せず）との接触及び素線間の接触に従って変化するので、これに伴い、胴部１３の自由巻数（即ち、有効巻数）は徐変（減少）することとなる。そして、鼓型コイルばね１０がフルバンプ状態にあるときに、荷重軸（ばね反力線）が鼓型コイルばね１０の胴部１３の中心軸と略一致するように、上下の座巻部１１及び１２の少なくとも一方の座面角度が設定され、且つ、鼓型コイルばね１０が無負荷状態にあるときに、胴部１３の中心軸を、アーム３がニーアクションを行う面上でピボット１と反対側（本実施形態では車両の後方側）に、所定距離偏心するように形成されている。これについては後に図５乃至図７を参照して詳述する。
【００１６】
鼓型コイルばね１０の最大主応力は、フルバンプ状態（図２において、コイルばねの上端及び下端が夫々ＵＳ及びＦＢであるとき）における応力であり、これは荷重変化の経路とは無関係に決まる。従って、フルバンプ状態の鼓型コイルばね１０の荷重軸（ばね反力線）が胴部１３の中心軸と一致するように設定すれば、フルバンプ状態では付加応力が生じないことになる。この点について、コイルばね素線と荷重軸との関係を示す図４を参照して説明する。コイルばね素線Ｗ（以下、単に素線Ｗという）の各部に発生する応力は、荷重軸ＣＦと素線Ｗとの間の距離Ｌに応じたねじりモーメントＭ（＝Ｆ・Ｌ。ここで、Ｆは素線Ｗに対する荷重）によって発生する。従って、荷重軸ＣＦとコイル中心軸ＣＬが一致した場合に、素線の全域に亘って応力が均一で、余計な付加応力が発生していない状態となる。
【００１７】
そして、胴部１３の中心軸（上記のコイル中心軸ＣＬに対応）と荷重軸（上記の荷重軸ＣＦに対応）を一致させるためには、上下の座巻部１１，１２の座面を図５及び／又は図６に示すように傾斜させればよい。例えば、図５に示すように、鼓型コイルばね１０の上下の座巻部１１及び１２を、各々の座面が互いに反対方向に所定角度α及びβ傾斜するように形成すると、胴部１３の中心軸は傾斜前のＣａｏからＣａｓに平行移動する。あるいは、図６に示すように、座巻部１１及び１２を、各々の座面が同方向に所定角度γ、δ傾斜するように形成するか、もしくは一方側だけ傾斜させることにより、胴部１３の中心軸はＣｂｏからＣｂｓに回転する。尚、図５及び図６の２点鎖線は傾斜前の座巻部１１及び１２の状態を示す。而して、これらの座巻部１１，１２の座面角度調整によって、フルバンプ状態の鼓型コイルばね１０の荷重軸（ばね反力線）が胴部１３の中心軸と一致するように設定される。
【００１８】
上記のように、座巻部１１，１２の座面角度調整によってフルバンプ状態で胴部１３の中心軸と荷重軸が一致するように設定されると、上下の座巻部１１，１２の相対角度変化によって胴部１３が車両前方に膨出し（即ち、鼓型コイルばね１０の胴曲がりが生じ）、胴部１３の中心軸と荷重軸とが外れることになる。このため、本実施形態においては、図７に示すように、鼓型コイルばね１０が無負荷状態にあるときに、胴部１３の中心軸Ｃｃｓが当初の中心軸Ｃｃｏから車両（図示せず）の後方側に所定距離（ｄ）偏心（オフセット）するように形成されている。これにより、フルバンプ状態となったときの上記の胴部１３の中心軸と荷重軸とのずれを小さくすることができる。
【００１９】
更に、本実施形態では鼓型コイルばね１０の総巻数が固定されており、鼓型コイルばね１０がフルリバウンド状態にあるときに、鼓型コイルばね１０の上下の自由巻端が何れも、アーム３がニーアクションを行う面に垂直で座巻部１１，１２の中心を含む面に対してピボット１側に位置し、且つ鼓型コイルばね１０の上下の自由巻端が相互に、アーム３がニーアクションを行う面に対して略対称となるように配置することが望ましい。例えば図８に示すように、鼓型コイルばね１０がフルリバウンド状態にあるときに、車両（図示せず）の上方からみて、鼓型コイルばね１０の上下の自由巻端が何れも車両の前方（図８の右側の矢印の範囲内）に位置し、且つ鼓型コイルばね１０の上下の自由巻端が相互に略左右対称（即ち、図８の上下の座巻部１１，１２の自由巻端と車両前後方向との角度εが等しい）となるように配置される。尚、図８において、１１ｅ及び１２ｅは夫々上下の巻線の端末を示す。
【００２０】
ここで、図９において、フルバンプ状態の鼓型コイルばね１０を細い２点鎖線（Ｓｏ）で示すように、フルバンプ状態で胴部１３の中心軸と荷重軸（Ｃｄｂ）を一致させても、フルリバウンド状態の鼓型コイルばね１０を太い２点鎖線（Ｓｒ）で示すように、フルリバウンド状態では胴部１３の中心軸と荷重軸（Ｃｄｒ）は一致しなくなる。これに対し、フルバンプ状態で胴部１３の中心軸と荷重軸が一致するように設定された鼓型コイルばね１０を図８に示すように配置することにより、図９の胴曲がり方向と反対方向に胴曲がりさせて相殺することができるので、フルリバウンド状態でも胴部１３の中心軸と荷重軸（Ｃｄｒ）を略一致させるように調整することができる。而して、フルバンプ状態からフルリバウンド状態に至るまでの応力の変動、所謂応力振幅を低減することができる。
【００２１】
上記の構成になる本実施形態の鼓型コイルばね１０の最大主応力及び応力振幅に関し、通常の鼓型コイルばね（両端面は平坦面で、胴部の偏心無し。自由巻端は車両後方側）と比較した結果を図１０に示す。本実施形態の鼓型コイルばね１０を実線で示し、通常の鼓型コイルばねを破線で示すように、本実施形態では、最大主応力（図１０の上方）及び応力振幅（図１０の下方）の何れについても低減されている。
【００２２】
尚、上記の構成になる本実施形態の鼓型コイルばね１０は、総巻数が固定されており、ばね仕様が異なっても上下の巻端位置は変化しない態様であるので、自由巻端を所定方向に配置し得るが、総巻数が自由の態様では、自由巻端を所定方向に配置し得ない場合がある。従って、この場合には、図８のように配置することはできないので、応力振幅の調整は必ずしも十分ではないが、最大主応力の抑制は前述の実施形態と同様に適切に行うことができる。
【００２３】
上記の実施形態はトーションビームアクスル式サスペンションに係るものであるが、一般的なトレーリングアーム式サスペンションにおいても上記の実施形態と同様に適用できる。更に、ニーアクションを行う懸架装置であれば、上記以外の形式のサスペンションにも適用可能であり、例えば、ウィッシュボーン式サスペンションについても、車両の左右に延在するアームのニーアクションに対し、上記の実施形態と同様に適用することができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、請求項１に係る懸架コイルばねは、フルバンプ状態にあるときに、荷重軸が懸架コイルばねの胴部の中心軸と略一致するように、上下の座巻部の少なくとも一方の座面角度を設定すると共に、無負荷状態にあるときに、胴部の中心軸を、アームがニーアクションを行う面上でピボットと反対側に、所定距離偏心するように形成されているので、従前の懸架装置に対し特に変更を加えることなく、簡単な構造で、ニーアクションに伴う付加応力を極力抑えることができる。特に、フルバンプ状態での最大主応力を適切な値に設定することができるので、略設計仕様通りの懸架コイルばねによって所期のばね特性を充足した上で、必要な耐へたり性及び耐久性を確保することができる。
【００２５】
更に、請求項２に記載のように構成した場合には、フルバンプ状態からフルリバウンド状態となったときの胴部の中心軸と荷重軸のずれを小さくして応力振幅を低減することができ、ニーアクションに伴う耐久性の低下を確実に抑えることができる。
【００２６】
特に、上記の懸架コイルばねを、請求項３に記載のように、鼓形状の圧縮コイルばねとすることにより、線径を変化させることなく所望の非線形特性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る鼓型コイルばねを備えた車両の懸架装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態における鼓型コイルばねの作動状態を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る鼓型コイルばねを拡大して示す斜視図である。
【図４】コイルばね素線と荷重軸との関係に応じてコイルばねに発生する付加応力を説明する説明図である。
【図５】本発明の一実施形態における鼓型コイルばねの胴部中心軸の一調整例を示す側面図である。
【図６】本発明の一実施形態における鼓型コイルばねの胴部中心軸の他の調整例を示す側面図である。
【図７】本発明の一実施形態における鼓型コイルばねの胴部中心軸の更に他の調整例を示す側面図である。
【図８】本発明の一実施形態における鼓型コイルばねの自由巻端の配置例を示す一部断面平面図である。
【図９】本発明の一実施形態における鼓型コイルばねがフルバンプ状態からフルリバウンド状態となったときの荷重軸の変化を示す説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る鼓型コイルばねと一般的な鼓型コイルばねの応力状態を比較した実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１　ピボット，　２　軸，　３　アーム，　４　トーションビーム，
５　上側座，　６　下側座，　１０　鼓型コイルばね，　１１　座巻部，
１２　座巻部，　１３　胴部，　２０　ショックアブソーバ

Claims

車輪を支持するアームが、車体に取り付けたピボットを中心としてニーアクションを行う車両の懸架装置に用いる懸架コイルばねにおいて、該懸架コイルばねがフルバンプ状態にあるときに、荷重軸が前記懸架コイルばねの胴部の中心軸と略一致するように、前記懸架コイルばねの上下の座巻部の少なくとも一方の座面角度を設定すると共に、前記懸架コイルばねが無負荷状態にあるときに、前記懸架コイルばねの胴部の中心軸を、前記アームがニーアクションを行う面上で前記ピボットと反対側に、所定距離偏心するように形成したことを特徴とする懸架コイルばね。
前記懸架コイルばねがフルリバウンド状態にあるときに、前記懸架コイルばねの上下の自由巻端が何れも、前記アームがニーアクションを行う面に垂直で前記懸架コイルばねの上下の座巻部の中心を含む面に対して前記ピボット側に位置し、且つ前記懸架コイルばねの上下の自由巻端が相互に、前記アームがニーアクションを行う面に対して略対称となるように配置することを特徴とする請求項１記載の懸架コイルばね。
前記懸架コイルばねが、両端から軸方向中心に向かって外径が漸減する徐変座巻部と、該徐変座巻部の最小径部に連続する略同径の胴部を備えた鼓形状の圧縮コイルばねであることを特徴とする請求項１又は２記載の懸架コイルばね。