JP2014122652A - Suspension spring device and suspension coil spring - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、自動車等の車両の懸架機構に使用される懸架用ばね装置と、懸架用コイルばねに関する。 The present invention relates to a suspension spring device used in a suspension mechanism of a vehicle such as an automobile, and a suspension coil spring.
自動車等の車両の懸架機構に使用される懸架用ばね装置は、例えば特許文献1に見られるように、懸架用コイルばね(圧縮コイルばね)と、該コイルばねの下側に配置された下側のばね座と、該コイルばねの上側に配置された上側のばね座を備えている。該コイルばねは、荷重の大きさに応じて伸縮する。
A suspension spring device used in a suspension mechanism of a vehicle such as an automobile includes a suspension coil spring (compression coil spring) and a lower side disposed below the coil spring, as disclosed in, for example,
懸架用コイルばねが折損する原因の1つに、飛び石によってコイルばねの塗装が剥がれて錆が生じ、この錆が成長することによって腐食ピットが形成され、腐食ピットを起点としてコイルばねが折損することが知られている。そこで特許文献2に開示されているように、懸架用コイルばねの表面に2層構造の塗膜を形成することが提案されている。2層構造の塗膜は、エポキシ樹脂系のアンダーコート層と、その上に形成されたエポキシポリエステル樹脂系のトップコート層とからなる。また特許文献3に記載されているように、大きな投射エネルギーでコイルばね全体に第1のショットピーニングを行い、そののち、小さな投射エネルギーで第2のショットピーニングを行なうことも提案されている。
One of the causes of breakage of the suspension coil spring is that the coating of the coil spring is peeled off by the stepping stone and rust is generated, and this rust grows to form a corrosion pit, and the coil spring breaks starting from the corrosion pit. It has been known. Therefore, as disclosed in
懸架用コイルばねの座巻部は、荷重の大きさにかかわらず常にばね座と接する第1の部分と、荷重の大きさに応じてばね座と接したり離れたりする第2の部分と、荷重の大小にかかわらず常にばね座から離れている第3の部分とを含んでいる。このため、第2の部分とばね座との間に砂などの異物が挟まれることがある。コイルばねの表面には防錆塗装が施されているが、座巻部とばね座との間に砂などの硬い異物が挟まった状態でコイルばねが伸縮すると、塗膜が剥がれて錆が生じたり、挟まった異物によってコイルばねの表面が傷ついたりすることもある。この傷に錆が生じ、錆びが大きくなると、コイルばねが折損する原因となる。 The end winding portion of the suspension coil spring includes a first portion that always contacts the spring seat regardless of the magnitude of the load, a second portion that contacts or separates from the spring seat depending on the magnitude of the load, And a third portion that is always away from the spring seat regardless of the size. For this reason, foreign substances such as sand may be sandwiched between the second portion and the spring seat. The surface of the coil spring has a rust-proof coating, but if the coil spring expands or contracts while a hard foreign object such as sand is sandwiched between the end winding part and the spring seat, the coating film peels off and rust is generated. Or, the surface of the coil spring may be damaged by the foreign matter pinched. When this scratch is rusted and the rust becomes large, the coil spring breaks.
特許文献1のコイルばねのように、ばね座に対して座巻部の一部が接したり離れたりする場合、特に下側の座巻部とばね座との間に砂などの異物が入りやすい。この異物が座巻部とばね座との間に挟まると塗膜が剥がれて錆が生じ、コイルばねが折損する原因となってしまう。
When a part of the end winding part comes into contact with or separates from the spring seat as in the coil spring of
特許文献2のように、アンダーコート層とトップコート層とからなる2層構造の塗膜を有するコイルばねは、飛び石に対しては有効であるが、座巻部とばね座との間に入り込んだ砂等が原因となって生じる腐食や傷に対して効果は少ない。しかも2層構造の塗膜は、一般的な塗膜を有するコイルばねと比較して、塗装に要するコストが高いという問題がある。特許文献3では、第1のショットピーニングと第2のショットピーニングとがいずれもコイルばね全体に実施され、しかも第1のショットピーニングではショットを大きな投射エネルギーでコイルばね全体に投射するためエネルギー消費が大きい。しかも大きな投射エネルギーに耐えるショットピーニング装置が必要となり、ショットピーニング装置の消耗も大きい。
As in
従って本発明の目的は、座巻部に生じた腐食によってコイルばねが折損することを抑制できる懸架用ばね装置と、懸架用コイルばねを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a suspension spring device and a suspension coil spring that can suppress the breakage of the coil spring due to corrosion generated in the end winding portion.
本発明に係る懸架用ばね装置は、下側のばね座と、上側のばね座と、螺旋形に成形された素線を有しかつ前記下側のばね座と前記上側のばね座との間に圧縮された状態で配置されたコイルばねとを備えている。該コイルばねは、前記素線の下端から1巻目未満の下側の座巻部と、前記素線の上端から1巻目未満の上側の座巻部とを有し、少なくとも前記下側の座巻部は、該コイルばねに加わる荷重にかかわらず常に前記下側のばね座に接する第1の部分と、該コイルばねに加わる荷重に応じて前記下側のばね座に接したり離れたりする第2の部分と、荷重の大小にかかわらず常にばね座から離れている第3の部分とを有している。そして前記下側の座巻部と前記上側の座巻部との間に、前記素線の表面から第1の深さまで圧縮残留応力が付与された圧縮残留応力部を有し、前記下側の座巻部の前記第2の部分を含む領域に、前記素線の表面から前記第1の深さよりも深い第2の深さまで圧縮残留応力が付与された深層残留応力部を有している。 The suspension spring device according to the present invention includes a lower spring seat, an upper spring seat, and a strand formed in a spiral shape, and between the lower spring seat and the upper spring seat. And a coil spring arranged in a compressed state. The coil spring has a lower end winding portion less than the first turn from the lower end of the strand, and an upper end winding portion less than the first turn from the upper end of the strand, and at least the lower end winding portion. The end winding portion always contacts or separates from the first spring seat in contact with the lower spring seat regardless of the load applied to the coil spring, and the lower spring seat in accordance with the load applied to the coil spring. It has a second part and a third part that is always away from the spring seat regardless of the magnitude of the load. And between the lower end winding part and the upper end winding part, there is a compressive residual stress part to which a compressive residual stress is applied from the surface of the strand to a first depth, and the lower end winding part In the region including the second portion of the end winding portion, a deep layer residual stress portion to which compressive residual stress is applied from the surface of the strand to a second depth deeper than the first depth is provided.
1つの実施形態では、前記深層残留応力部の圧縮残留応力の絶対値の最大値が、前記圧縮残留応力部の圧縮残留応力の絶対値の最大値よりも大きい。また前記深層残留応力部と前記圧縮残留応力部との境に、圧縮残留応力が次第に減少する応力移行部を有しているとよい。また前記圧縮残留応力部の表面に第1のショットピーニング打痕が形成され、前記深層残留応力部の表面に第2のショットピーニング打痕が形成され、該第2のショットピーニング打痕の大きさが前記第1のショットピーニング打痕の大きさよりも大きい。また前記深層残留応力部が、前記下側の座巻部と、前記上側の座巻部との双方に形成されていてもよい。 In one embodiment, the maximum value of the absolute value of the compressive residual stress of the deep residual stress part is larger than the maximum value of the absolute value of the compressive residual stress of the compressive residual stress part. Further, it is preferable that a boundary between the deep residual stress portion and the compressive residual stress portion has a stress transition portion where the compressive residual stress gradually decreases. In addition, a first shot peening dent is formed on the surface of the compressive residual stress portion, a second shot peening dent is formed on the surface of the deep residual stress portion, and the size of the second shot peening dent. Is larger than the size of the first shot peening dent. The deep residual stress portion may be formed on both the lower end winding portion and the upper end winding portion.
1つの実施形態では、前記下側のばね座が、前記下側の座巻部の下面と外周面とをそれぞれ拘束する底面と外側壁とを有し、該座巻部の前記下面と前記外周面とを含む範囲に前記深層残留応力部が形成されている。他の実施形態では、前記下側のばね座が、前記下側の座巻部の下面と内周面とをそれぞれ拘束する底面と内側壁とを有し、該座巻部の前記下面と前記内周面とを含む範囲に前記深層残留応力部が形成されていてもよい。 In one embodiment, the lower spring seat has a bottom surface and an outer wall that restrain the lower surface and the outer peripheral surface of the lower end winding portion, respectively, and the lower surface and the outer periphery of the end winding portion. The deep residual stress portion is formed in a range including the surface. In another embodiment, the lower spring seat has a bottom surface and an inner wall that constrain the lower surface and the inner peripheral surface of the lower end winding portion, and the lower surface of the end winding portion and the The deep residual stress portion may be formed in a range including the inner peripheral surface.
本発明によれば、懸架用コイルばねの座巻部とばね座との間に挟まれた砂等の硬い異物によって生じた腐食を起点としてコイルばねが折損することを抑制でき、コイルばねの耐久性が向上する。このコイルばねは、ばね座に対して接したり離れたりする座巻部の少なくとも第2の部分を含む領域に、例えば超音波ショットピーニングによって深層残留応力部を形成すればよい。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can suppress that a coil spring breaks starting from the corrosion produced by hard foreign materials, such as the sand pinched | interposed between the end winding part of the coil spring for suspension, and a spring seat, and durability of a coil spring Improves. In this coil spring, a deep residual stress portion may be formed, for example, by ultrasonic shot peening in a region including at least the second portion of the end winding portion that is in contact with or away from the spring seat.
以下に第1の実施形態に係る懸架用ばね装置について、図1から図9を参照して説明する。
図1と図2は、車両10のフロント側に配置されたマクファーソン・ストラット形懸架機構11を示している。この懸架機構11は、懸架用コイルばねの一例であるコイルばね12(圧縮コイルばね)と、コイルばね12の下側に配置された下側のばね座13と、コイルばね12の上側に配置された上側のばね座14と、ショックアブソーバ15と、マウントインシュレータ16などを備えている。コイルばね12は、下側のばね座13と上側のばね座14との間に圧縮された状態で配置されている。コイルばね12とばね座13,14とによって、懸架用ばね装置18が構成されている。
A suspension spring device according to a first embodiment will be described below with reference to FIGS.
1 and 2 show a McPherson
ショックアブソーバ15は、油等の流体が収容されたシリンダ20と、該シリンダ20に挿入されたロッド21と、シリンダ20の内部に設けられた減衰力発生機構と、ロッド21の摺動部分を覆うカバー部材22などを有している。ロッド21はシリンダ20に対してショックアブソーバ15の軸線X1方向に伸縮することができ、前記減衰力発生機構によってロッド21の動きに抵抗を与えるようになっている。ショックアブソーバ15は、鉛直線X0に対して角度θだけ傾いた姿勢で車体30に取付けられている。
The shock absorber 15 covers a
シリンダ20の下端部には、ナックル部材25(図1に示す)を取付けるためのブラケット26が設けられている。ナックル部材25の下部はロアアーム27にボールジョイント28を介して回転自在に支持されている。ロアアーム27は、車両10の幅方向に延びるクロスメンバ29に上下方向に回動可能に取付けられている。
A
図3は、コイルばね12に圧縮の荷重が負荷されていない状態(いわゆる自由状態)を示している。この明細書では、該自由状態のもとでのコイルばね12の長さを自由長と称している。コイルばね12に荷重が負荷されると、コイルばね12は自由長よりも長さが短くなる方向に撓む。図2に示す懸架用ばね装置18は、下側のばね座13と上側のばね座14との間に圧縮されたアセンブリ状態で、車体30に取付けられている。
FIG. 3 shows a state where the
図3に示されたコイルばね12は、螺旋形に成形された素線(ワイヤ)40を有している。素線40は断面が円形のばね鋼からなる。コイルばね12は、素線40の下端40aから1巻目未満の下側の座巻部12aと、素線40の上端40bから1巻目未満の上側の座巻部12bとを有している。座巻部12a,12b間の螺旋形の有効部12cは、最大に圧縮された状態でも素線40同士が接しないようなピッチPで巻かれている。
The
素線40の線径の一例は12.5mm、平均コイル径が110.0mm、自由長(無荷重時の長さ)が382mm、有効巻数が5.39、ばね定数が33.3N/mmである。線径は8〜21mmが主流であるが、これ以外の線径であってもよい。コイルばね12の一例は円筒コイルばねであるが、懸架機構の仕様に応じて、たる形コイルばね、鼓形コイルばね、テーパコイルばね、不等ピッチコイルばね、あるいは自由状態で予め胴曲がりを生じているコイルばねなど、種々の形態の圧縮コイルばねであってもよい。
An example of the wire diameter of the
素線40の材料であるばね鋼の種類は特に限定されないが、例えば米国の“Society of Automotive Engineers”に準拠するSAE9254が挙げられる。SAE9254の化学成分(mass%)は、C:0.51〜0.59、Si:1.20〜1.60、Mn:0.60〜0.80、Cr:0.60〜0.80、S:最大0.040、P:最大0.030、残部Feである。鋼種の他の例が超高強度ばね鋼であってもよい。ここで言う超高強度ばねの化学成分(mass%)の一例は、C:0.40、Si:1.8、Mn:0.3、Cr:1.05、P:0.010、S:0.005、Ni:0.4、Cu:0.25、V:0.18、Ti:0.07、残部Feである。
Although the kind of spring steel which is the material of the
前記コイルばね12は、下側のばね座13と上側のばね座14との間に圧縮された状態で配置され、車両10の上方から負荷される荷重を弾性的に支持する。下側の座巻部12aは、ばね座13の上面に接している。上側の座巻部12bは、ばね座14の下面に接している。このコイルばね12は、フルリバウンド時に最大に伸張し、フルバンプ時に最大に圧縮される。「フルリバウンド」とは、車体をリフトしたときに、ばね下荷重によってコイルばねが最大に伸張した状態を言う。「フルバンプ」とは、車体上方から加わる負荷によってコイルばねが最大に圧縮された状態である。
The
図4は、コイルばね12の座巻部12aを模式的に表わした底面図である。この座巻部12aは、素線40の巻き方向に関して、矢印R1で示す範囲の第1の部分12a1と、矢印R2で示す範囲の第2の部分12a2と、第3の部分12a3とを有している。第1の部分12a1は、素線40の下端40a(0巻目)から0.5巻目を越える範囲、例えば0巻目から0.6巻目付近にわたっており、コイルばね12に加わる荷重にかかわらず、常にばね座13に接している。
FIG. 4 is a bottom view schematically showing the
第1の部分12a1に連続する第2の部分12a2は、素線40の下端40aから1巻目未満(例えば0.6巻目付近から0.9巻目付近)までである。第2の部分12a2は、コイルばね12に加わる荷重に応じて、ばね座13に接したり離れたりする。つまり第2の部分12a2は、荷重が小さいときにばね座13から離れ、荷重が大きいときにばね座13に接する。第3の部分12a3は、荷重の大小にかかわらず常にばね座13から離れている。
The
上側の座巻部12bも、下側の座巻部12aと同様に、第1の部分12b1と、第2の部分12b2と、第3の部分12b3とを有している。第1の部分12b1は、素線40の上端40b(0巻目)から0.5巻目を越える範囲にわたっており、コイルばね12に加わる荷重にかかわらず常にばね座14に接している。第1の部分12b1に連続する第2の部分12b2は、素線40の上端40bから1巻目未満(例えば0.6巻目付近から0.9巻目付近)までである。第2の部分12b2は、コイルばね12に加わる荷重に応じて、ばね座14に接したり離れたりする。第3の部分12b3は、荷重の大小にかかわらず常にばね座14から離れている。
The upper
コイルばね12は、座巻部12a,12b間に形成された圧縮残留応力部50と、座巻部12a,12bに形成された深層残留応力部51,52とを有している。圧縮残留応力部50には、素線40の表面から第1の深さまで圧縮残留応力が付与されている。
The
下側の座巻部12aに形成された深層残留応力部51は、少なくとも座巻部12aの第2の部分12a2を含む領域に形成されている。この深層残留応力部51には、第2の深さまで圧縮残留応力が付与されている。上側の座巻部12bに形成された深層残留応力部52は、座巻部12bの第2の部分12b2を含む領域に形成されている。この深層残留応力部52も、前記第2の深さまで圧縮残留応力が付与されている。
Deep
図3において深層残留応力部51,52が平行斜線(ハッチング)で表わされている。図4では、説明の都合上、下側の座巻部12aに形成された深層残留応力部51が梨地模様で表わされている。この深層残留応力部51は、座巻部12aの第2の部分12a2の全域をカバーする範囲に形成されている。このため深層残留応力部51の一端51aは、座巻部12aの第1の部分12a1に位置している。深層残留応力部51の他端51bは、有効部12cに形成された圧縮残留応力部50に連なっている。
In FIG. 3, the deep
このように下側の深層残留応力部51は、下側の座巻部12aのうち、第2の部分12a2を含む領域、すなわち、ばね座13と接したり離れたりする可能性のある領域に形成されている。この深層残留応力部51が第2の部分12a2と第3の部分12a3との双方にわたって形成されていてもよい。
As described above, the lower deep layer
座巻部12aの第1の部分12a1は常にばね座13に接しているため、深層残留応力部51の一端51aは常にばね座13に接している。深層残留応力部51の他端51b、すなわち圧縮残留応力部50との境は、下端40aからの巻数位置が大きくなるにつれて圧縮残留応力が徐々に小さくなる応力移行部としている。この応力移行部により、他端51b付近の圧縮残留応力が急激に変化することを防ぐとともに、他端51b付近に引っ張りの残留応力が生じることを防いでいる。
Since the
上側の座巻部12bに形成された深層残留応力部52は、下側の深層残留応力部51と同様に、座巻部12bの第2の部分12b2の全域をカバーする範囲に形成されている。つまり上側の深層残留応力部52は、座巻部12bのうち、第2の部分12b2を含む領域、すなわちばね座14と接したり離れたりする可能性のある領域に形成されている。この深層残留応力部52が第2の部分12b2と第3の部分12b3との双方にわたって形成されていてもよい。
Deep
図5は、前記圧縮残留応力部50の応力分布(破線L1)と、前記深層残留応力部51,52の応力分布(実線L2)を表わしている。図5の横軸は、表面からの深さ(距離)を示している。図5の縦軸は残留応力値を示しているが、当業界の慣例として圧縮残留応力値がマイナスで表わされている。図5に破線L1で示すように、圧縮残留応力部50には、表面から第1の深さD1(深さ0.30mm前後)まで圧縮残留応力が形成され、その最大値(絶対値)H1は750MPa前後である。
FIG. 5 shows the stress distribution of the compressive residual stress portion 50 (broken line L1) and the stress distribution of the deep
これに対し深層残留応力部51,52は、図5に実線L2で示すように、表面から第2の深さD2(深さ0.8mm付近)まで圧縮残留応力が形成されており、しかも圧縮残留応力の最大値(絶対値)H2が900MPaに達している。つまり深層残留応力部51,52には、圧縮残留応力部50よりも深い位置まで圧縮残留応力が形成されている。しかも深層残留応力部51,52の圧縮残留応力の最大値(絶対値)H2は、圧縮残留応力部50の圧縮残留応力の最大値(絶対値)H1よりも大きい。なお、H2がH1と同等またはH1よりも小さくてもよい。
On the other hand, as shown by the solid line L2 in FIG. 5, the compressive residual stress is formed in the deep layer
図6は、圧縮残留応力部50と深層残留応力部51,52の表面付近を模式的に示す断面図である。圧縮残留応力部50の表面には、以下に説明する第1のショットピーニングで投射されたショット60によって、第1のショットピーニング打痕61が形成されている。そしてこの圧縮残留応力部50には、表面から第1の深さD1(図5に示す)まで、圧縮残留応力が付与されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the vicinity of the surfaces of the compressive
これに対し深層残留応力部51,52の表面には、第2のショットピーニング(超音波ショットピーニング)で投射された鋼球ショット65によって、第2のショットピーニング打痕66が形成されている。そしてこの深層残留応力部51,52には、表面から第2の深さD2(図5に示す)まで、圧縮残留応力部50よりも大きな圧縮残留応力が付与されている。なお、深層残留応力部51,52の圧縮残留応力の絶対値が、圧縮残留応力部50の圧縮残留応力の絶対値と同等以下であってもよい。
In contrast, second shot peening dents 66 are formed on the surfaces of the deep
圧縮残留応力部50を形成するための第1のショットピーニングでは、遠心式加速装置のインペラー(翼車)を回転させ、該インペラーの高速回転によって生じる遠心力によって、ショット60をコイルばね12の全体に打付ける。ショット60(図6に示す)の一例はカットワイヤである。ショットサイズの一例は0.67mm、投射速度77m/sである。新品のカットワイヤは円柱形であるが、ある程度使用されたカットワイヤは角がとれて丸みを帯びている。この第1のショットピーニングによって、素線40の表面に打痕サイズd1(図6に示す)の多数の打痕61が形成されるとともに、素線40の表面から前記第1の深さD1まで圧縮残留応力が発現する。
In the first shot peening for forming the compressive
図7は、第2のショットピーニングを実施する超音波ショットピーニング装置70を模式的に示している。この超音波ショットピーニング装置70は、マスキング手段として機能する筐体71と、筐体71の内部に配置された超音波振動子72と、駆動部73と、筐体71の内部に移動自在に収納された複数の鋼球ショット65を備えている。鋼球ショット65は、例えばボールベアリングの鋼球のように実質的に真球でかつ平滑な表面を有している。鋼球ショット65の直径は例えば3〜4mmであり、第1のショットピーニングで使用されるショット60のショットサイズ(例えば0.6〜1.2mm)と比べると格段に大きい。しかも鋼球ショット65は、一般のショット60と比較すると表面が滑らかで真球に近い。
FIG. 7 schematically shows an ultrasonic shot peening apparatus 70 that performs the second shot peening. The ultrasonic shot peening apparatus 70 is housed in a housing 71 that functions as a masking means, an ultrasonic vibrator 72 disposed in the housing 71, a
鋼球ショット65の硬さの一例は670HVである。筐体71を素線40の被投射領域に被せ、超音波振動子72を駆動部73によって例えば周波数20kHz、振幅150μmで振動させる。これにより、筐体71の内部で鋼球ショット65が素線40に向けて投射される。例えば、鋼球ショット65の投射時間が80秒、投射距離が90mm、アークハイト(C級)が0.289mmである。
An example of the hardness of the steel ball shot 65 is 670 HV. The casing 71 is placed on the projection area of the
超音波振動子72から素線40に向けて投射された鋼球ショット65は、素線40の表面に衝突して跳ね返り、再び超音波振動子72によって素線40に向けて投射される。こうして鋼球ショット65の投射と反射を繰返すことにより、図6に示すように、打痕サイズ(打痕径)d2の第2のショットピーニング打痕66が形成される。第2のショットピーニング打痕66の打痕サイズd2は、第1のショットピーニング打痕61の打痕サイズd1よりも大きい。
The steel ball shot 65 projected from the ultrasonic transducer 72 toward the
ショットサイズが大きければ、その分、質量が大きい。このため超音波ショットピーニング装置70によってコイルばね12に打付ける鋼球ショット65の運動エネルギーは、第1のショットピーニングに使用されるショット60の運動エネルギーと比較して格段に大きい。よって、第2のショットピーニングでは、図5に線分L2で示すように、表面から深さD2にわたって、大きな圧縮残留応力が発現する。しかも深層残留応力部51,52の圧縮残留応力の最大値(絶対値)H2は、圧縮残留応力部50の圧縮残留応力の最大値(絶対値)H1よりも大きい。
The larger the shot size, the greater the mass. For this reason, the kinetic energy of the steel ball shot 65 struck against the
鋼球ショット65の径は例えば4mmであり、第1のショットピーニングで使用されるショット60のショットサイズと比較して3倍以上大きい。しかも鋼球ショット65の表面は真球に近いため、第2のショットピーニング打痕66の打痕サイズd2は、第1のショットピーニング打痕61の打痕サイズd1よりも大きくなる。しかも第2のショットピーニング打痕66の表面は滑らかである。このため座巻部12aに形成された第2のショットピーニング打痕66がコイルばね12の折損の起点になることを抑制できる。
The diameter of the steel ball shot 65 is, for example, 4 mm, which is three times or more larger than the shot size of the
図8は、コイルばね12を熱間で形成する場合の製造工程の一例を示している。
図8中の加熱工程S1において、コイルばね12の材料(素線)がオーステナイト化温度(A3変態点以上、1150℃以下)に加熱される。次いで、成形工程S2において、材料が螺旋形に巻かれる。その後、熱処理工程S3において、焼入れと焼戻しの熱処理が行なわれる。熱処理工程S3では、素線の硬さが47〜59HRCとなるように調質される。その後、熱処理工程S3の余熱を利用して、温間(150〜350℃)でホットセッチング工程S4が行なわれる。ホットセッチング工程S4では、コイルばね12に軸線方向の荷重が所定時間付与される。
FIG. 8 shows an example of a manufacturing process when the
In the heating step S1 in FIG. 8, the material of the coil spring 12 (wire) is heated to an austenitizing temperature (A 3 transformation point or higher, 1150 ° C. or less). Next, in the forming step S2, the material is wound in a spiral shape. Thereafter, in the heat treatment step S3, heat treatment of quenching and tempering is performed. In the heat treatment step S3, the strands are tempered to have a hardness of 47 to 59 HRC. Then, hot setting process S4 is performed warm (150-350 degreeC) using the residual heat of heat processing process S3. In the hot setting step S4, a load in the axial direction is applied to the
さらに第1のショットピーニング工程S5において、温間で前記第1のショットピーニングを実施する。第1のショットピーニング工程S5では、ショットサイズ(粒径)が0.67mmのショット(鉄製のカットワイヤ)が使用される。このショットを230℃の処理温度で、素線に速度77m/secで投射する。これにより、コイルばね12全体に第1の深さD1まで圧縮残留応力部50が形成される。なお、第1のショットピーニング工程S5において、ショットサイズが1.1mmのショットを、230℃の処理温度で速度77m/secで投射してもよい。
Further, in the first shot peening step S5, the first shot peening is performed warmly. In the first shot peening step S5, a shot (iron cut wire) having a shot size (particle diameter) of 0.67 mm is used. This shot is projected at a speed of 77 m / sec onto the strand at a processing temperature of 230 ° C. Thereby, the compressive
また、第1のショットピーニング工程S5に多段ショットピーニングが適用されてもよい。多段ショットピーニングでは、2段階あるいは3段階以上に分けてショットピーニングが行なわれる。例えばショットサイズ0.87〜1.2mmのラージサイズのショットを使って前段ショットピーニングを行なったのち、例えばショットサイズ0.4〜0.7mmのスモールサイズのショットを使って後段ショットピーニングを行なってもよい。 Further, multi-stage shot peening may be applied to the first shot peening step S5. In multi-stage shot peening, shot peening is performed in two stages or three or more stages. For example, after performing pre-stage shot peening using a large shot having a shot size of 0.87 to 1.2 mm, for example, performing post-stage shot peening using a small shot having a shot size of 0.4 to 0.7 mm. Also good.
第2のショットピーニング工程S6では、超音波ショットピーニング装置70を用いて第2のショットピーニング(超音波ショットピーニング)を実施する。第2のショットピーニングは、第1のショットピーニングよりも低い温度(例えば室温)にて行なわれる。また第2のショットピーニングでは、第1のショットピーニングのショット60よりも格段に大きい直径4mmの鋼球ショット65が使用される。鋼球ショット65の投射時間は例えば80秒である。
In the second shot peening step S <b> 6, second shot peening (ultrasonic shot peening) is performed using the ultrasonic shot peening apparatus 70. The second shot peening is performed at a lower temperature (for example, room temperature) than the first shot peening. In the second shot peening, a steel ball shot 65 having a diameter of 4 mm that is much larger than the
図7に示すように、超音波ショットピーニング装置70によって素線40の表面に鋼球ショット65を投射することにより、座巻部12aの下面に角度α1の範囲にわたって深層残留応力部51が形成される。その際に超音波ショットピーニング装置70を矢印Y方向に移動させてもよい。
As shown in FIG. 7, by projecting a steel ball shot 65 onto the surface of the
超音波ショットピーニング装置70を深層残留応力部51の一端51aから他端51b(図4に示す)に向かって移動させることにより、深層残留応力部51に第2の深さD2の圧縮残留応力が発現する。深層残留応力部51の他端51bは、深層残留応力部51から圧縮残留応力部50に向かって圧縮残留応力が徐々に小さくなる応力移行部である。このため深層残留応力部51の他端51bにおいては、超音波ショットピーニング装置70の移動速度を次第に大きくするとか、鋼球ショット65の投射速度を次第に小さくすることにより、圧縮残留応力が徐々に小さくなるようにする。
By moving the ultrasonic shot peening apparatus 70 from one
上側の座巻部12bに深層残留応力部52を形成する際には、図7とは上下を逆さまにすることにより、上側の座巻部12bを下に向け、座巻部12bの下側から超音波振動子72によって座巻部12bに向けて鋼球ショット65を投射する。
When forming the deep layer
第2のショットピーニング工程S6で使用される鋼球ショット65の外径は、第1のショットピーニング工程S5で使用されるショットのショットサイズと比較して格段に大きく、しかも鋼球ショット65は実質的に真球であり、表面が滑らかである。このため第1のショットピーニング工程S5によって粗さが大きくなっている素線の表面を第2のショットピーニング工程S6によって小さくすることができ、表面状態が改善される。第1のショットピーニング工程S5によって得られる圧縮残留応力部50の平均表面粗さは、例えば5.4μmである。これに対し第2のショットピーニング工程S6によって得られる深層残留応力部51,52の平均表面粗さは5.1μmである。
The outer diameter of the steel ball shot 65 used in the second shot peening step S6 is much larger than the shot size of the shot used in the first shot peening step S5, and the steel ball shot 65 is substantially It is truly a sphere and has a smooth surface. For this reason, the surface of the strand whose roughness has been increased by the first shot peening step S5 can be reduced by the second shot peening step S6, and the surface state is improved. The average surface roughness of the compressive
第2のショットピーニング工程S6によって座巻部12a,12bに深層残留応力部51,52が形成されると、深層残留応力部51,52が形成された箇所では、第1のショットピーニングによって形成されていた圧縮残留応力部50がキャンセルされる。このため深層残留応力部51,52間の領域が圧縮残留応力部50として残る。
When the deep layer
第2のショットピーニング工程S6が終了したのち、必要に応じてプリセッチング工程S7を実施することにより、コイルばねの無荷重時の長さ(自由長)を調整する。このプリセッチング工程S7によって、コイルばねのクリープ性(耐へたり性)を向上させてもよい。なお、プリセッチング工程S7を省略してもよい。次いで、塗装工程S8において、コイルばね全体に防錆塗料が静電塗装等によって塗布される。最後に品質検査S9が行なわれてコイルばねが完成する。 After the second shot peening step S6 is completed, the pre-setting step S7 is performed as necessary to adjust the length (free length) of the coil spring when there is no load. The creeping property (sagging resistance) of the coil spring may be improved by this pre-setting step S7. Note that the pre-setting step S7 may be omitted. Next, in the coating step S8, a rust preventive paint is applied to the entire coil spring by electrostatic coating or the like. Finally, quality inspection S9 is performed to complete the coil spring.
以上の説明はコイルばね12を熱間で成形する場合である。これに対しコイルばね12を冷間で形成する場合には、熱処理工程において素線に焼入れと焼戻しの熱処理が行なわれる。その後、成形工程(コイリング工程)において、素線を螺旋形に成形する。その後、ひずみ取り焼鈍工程が実施される。ひずみ取り焼鈍工程では、コイルばねを所定温度の雰囲気中に所定時間放置することによって、成形時に生じた加工歪が取り除かれる。その後、ホットセッチング工程において、ホットセッチングを実施する。さらに第1のショットピーニング工程において、前記第1のショットピーニングを実施する。その後に行なわれる第2のショットピーニング工程において、前記第2のショットピーニング(超音波ショットピーニング)を実施する。また必要に応じてプリセッチング工程を実施することにより、コイルばねの無荷重時の長さ(自由長)を調整する。その後、塗装工程と品質検査が行なわれる。なお、前記プリセッチング工程を省略してもよい。
The above explanation is a case where the
前記したように本実施形態のコイルばね12は、第1のショットピーニング工程S5によって圧縮残留応力部50が形成され、第2のショットピーニング工程S6によって座巻部12a,12bに深層残留応力部51,52が形成される。すなわちこのコイルばね12は、座巻部12a,12b間の圧縮残留応力部50と、下側の座巻部12aに形成された深層残留応力部51と、上側の座巻部12bに形成された深層残留応力部52とを有している。圧縮残留応力部50には第1のショットピーニング打痕61が形成され、深層残留応力部51,52には第2のショットピーニング打痕66が形成されている。しかも深層残留応力部51,52の圧縮残留応力の最大値H2は、圧縮残留応力部50の圧縮残留応力の最大値H1よりも大きい。なお、H2がH1と同じかまたはH1より小さくてもよい。
As described above, in the
このコイルばね12は、ばね座13,14間で圧縮し予荷重(プリロード)を与えた状態でショックアブソーバ15に組付け、さらに車体30に取付ける。車体30に取付けられた懸架用ばね装置18に、上下方向の荷重が負荷される。この負荷の大きさに応じて、コイルばね12が下側のばね座13と上側のばね座14との間で撓む。すなわちこのコイルばね12は、荷重の大きさに応じてフルバンプ(最大圧縮状態)とフルリバウンド(最大伸張状態)との間で伸縮する。
The
コイルばね12が伸びた状態においては、下側のばね座13と第2の部分12a2との間、あるいはばね座13と第3の部分12a3との間の隙間が広がる。また、上側のばね座14と第2の部分12b2との間、あるいはばね座14と第3の部分12b3との間の隙間も広がる。このため、これらの隙間に砂等の硬い異物が進入する可能性がある。特に、下側のばね座13と座巻部12aの第2の部分12a2との間に砂が入りやすい。
In a state where the
逆に、コイルばね12が圧縮されると、下側のばね座13と第2の部分12a2との間、あるいはばね座13と第3の部分12a3との間の隙間が狭くなる。また、上側のばね座14と第2の部分12b2との間、あるいはばね座14と第3の部分12b3との間の隙間も狭くなる。このため、座巻部12a,12bの前記隙間に砂等の硬い異物が入り込んでいると、コイルばね12の塗装が剥がれたり、素線40が傷付いたりするなどして、素線40に錆が生じる原因となる。
Conversely, when the
従来のコイルばねは、座巻部とばね座との間に砂等の異物が挟まると塗装が剥がれて素線が腐食し、腐食ピットがある程度大きくなると、腐食ピットを起点として折損することがあった。これに対し前記実施形態では、座巻部の第2の部分を含む領域の表面から深い位置まで大きな圧縮残留応力が付与されているため、座巻部に生じた腐食によってコイルばねが折損することが抑制され、耐久性を向上させることができた。なお、懸架機構の構造によっては、上側のばね座14と座巻部12bとの間に砂等の異物が入り込むことを防げる場合がある。その場合には、下側の座巻部12aのみに深層残留応力部51を形成すればよい。
In conventional coil springs, if foreign matter such as sand is sandwiched between the end winding and the spring seat, the paint peels off and the strands corrode, and if the corrosion pits become large to a certain extent, the corrosion pits may break. It was. On the other hand, in the above embodiment, since a large compressive residual stress is applied from the surface of the region including the second portion of the end winding portion to a deep position, the coil spring breaks due to corrosion generated in the end winding portion. Was suppressed, and durability could be improved. Depending on the structure of the suspension mechanism, foreign matter such as sand may be prevented from entering between the
図9中の線分M1は、一般のショットピーニングによって形成された圧縮残留応力部50のみを有するコイルばねの耐久試験結果を示している。図9中の線分M2は、超音波ショットピーニングによって形成された深層残留応力部51,52を有するコイルばねの耐久試験結果を示している。この耐久試験では、腐食ピットを有するコイルばねを所定回数加振し、折損の有無と、腐食ピット深さおよび応力振幅の関係を測定した。
A line segment M1 in FIG. 9 shows the durability test result of the coil spring having only the compressive
図9に線分M1で示すように、圧縮残留応力部50のみを有するコイルばねでは、腐食ピットの深さが0.2mmを越えると応力振幅230MPa付近で折損した。これに対し、深層残留応力部51,52を有するコイルばねでは、腐食ピットの深さが0.4mmと大きい場合でも、応力振幅420MPaでは折損しなかった。この深層残留応力部51,52を有するコイルばねは、応力振幅460MPaでは、腐食ピット以外の箇所から折損した。
As shown by the line segment M1 in FIG. 9, in the coil spring having only the compressive
以上説明した効果は鋼種によらず同様の傾向が認められ、前述のSAE9254や超高強度ばね鋼をはじめとして、例えばSUP7などでも同様の結果が得られた。また本発明によれば、懸架用コイルばねに通常使用されているばね鋼を用いて座巻部の腐食耐久性を高めることができるため、コイルばねの材料コストが高くなることを抑制できる効果もある。 The effects described above have the same tendency regardless of the steel type, and similar results were obtained not only with the aforementioned SAE 9254 and ultra-high strength spring steel, but also with SUP7, for example. Further, according to the present invention, since the corrosion durability of the end winding portion can be increased by using spring steel that is usually used for the suspension coil spring, it is possible to suppress an increase in the material cost of the coil spring. is there.
図10は第2の実施形態に係るコイルばね12の座巻部12aの一部と、ばね座13の一部を示している。図11は、図10に示された座巻部12aを模式的に示す底面図である。この実施形態の座巻部12aの下面と外周面とは、それぞれ、ばね座13の底面13aと外側壁13bとによって拘束されている。このためこの座巻部12aは、ばね座13の底面13aと外側壁13bに対して、α2で示す範囲で接する。よって深層残留応力部51は、α2よりも広い範囲α3にわたって形成されている。それ以外の構成については、第1の実施形態のコイルばね12と共通である。
FIG. 10 shows a part of the
図12から図15は、第3の実施形態に係るニーアクションタイプの懸架機構100に使われるコイルばね12の一例を示している。図12に示すように車両10のリヤ側に左右一対の懸架機構100が設けられている。これら懸架機構100は互いに同等の構成であるため、以下に一方の懸架機構100を代表して説明する。
12 to 15 show an example of the
図13は懸架機構100を車両10の側方から見た側面図である。この懸架機構100は、トレーリングアームとして機能するアーム部材101と、懸架用コイルばね12と、コイルばね12の下端側に配置された下側のばね座103と、コイルばね12の上端側に配置された上側のばね座104と、ショックアブソーバ105(図12に示す)などを備えている。アーム部材101は、車体のアーム取付部110に、ピボット(揺動軸)111を介して上下方向に揺動自在に取付けられている。図12に示すように左右一対のアーム部材101は、車両10の幅方向に延びるビーム部材112によって互いに結合されている。アーム部材101には車軸支持部113を介してハブユニット114が設けられている。
FIG. 13 is a side view of the
図13に示すように、下側のばね座103はアーム部材101に設けられている。下側のばね座103は、ピボット111を中心とする円弧状の軌跡X3(図13に示す)に沿って相対的に上下方向に揺動する。上側のばね座104は、車体のばね取付部120に設けられている。コイルばね12は、下側のばね座103と上側のばね座104との間で圧縮され、アーム部材101を下方に付勢している。コイルばね12と、ばね座103,104とによって、懸架用ばね装置130が構成されている。
As shown in FIG. 13, the
図14は、座巻部12aの一部とばね座103の一部を示している。この座巻部12aの下面と内周面とは、それぞれ、ばね座103の底面103aと内側壁103bとによって拘束されている。このため座巻部12aの下面と内周面とは、それぞれ、ばね座103の底面103aと内側壁103bに対してα4で示す範囲で接する。図14に示すように深層残留応力部51は、α4よりも広い範囲α5にわたって形成されている。それ以外の構成については、第1の実施形態のコイルばね12(図3〜図6)と共通である。
FIG. 14 shows a part of the
図15は、座巻部12aを模式的に示す底面図であり、深層残留応力部51が梨地模様で表わされている。この深層残留応力部51は、第1の実施形態のコイルばね12(図3〜図6)と同様に、少なくとも座巻部12aの第2の部分12a2を含む領域に形成されている。
FIG. 15 is a bottom view schematically showing the
前記懸架機構100に設けられたコイルばね12は、荷重の大きさに応じてフルバンプ(最大圧縮状態)とフルリバウンド(最大伸張状態)との間で伸縮する。例えばコイルばね12が伸びると、下側の座巻部12aの第2の部分12a2が下側のばね座103から離れる。このため第2の部分12a2とばね座103との間に砂等の異物が入り込む可能性がある。逆に、コイルばね12が圧縮されると、第2の部分12a2がばね座103に接する。このため、座巻部12aとばね座103との間に砂等の硬い異物が挟まると、コイルばね12の塗装が剥がれたり、素線40が傷付いたりして、腐食ピットが生じる原因となる。
The
しかるにこの実施形態のコイルばね12は、第1の実施形態で説明したコイルばね12(図3〜図6)と同様に、少なくとも第2の部分12a2を含む領域に深層残留応力部51が形成されているため、座巻部12aの腐食が原因となってコイルばね12が折損することが抑制され、耐久性を向上させることができる。なお、上側の座巻部12bにも下側の深層残留応力部51と同様の深層残留応力部52が形成されていてもよい。
However, in the
なお本発明を実施するに当たって、コイルばねの具体的な形状や寸法、巻数、材料、ばね定数をはじめとして、懸架用ばね装置を構成する各要素(コイルばねやばね座等)の態様や構造、配置等を種々に変更して実施できることは言うまでもない。また本発明は自動車以外の車両の懸架機構に適用することもできる。 In carrying out the present invention, the specific shape and dimensions of the coil spring, the number of turns, the material, the spring constant, and the aspect and structure of each element (coil spring, spring seat, etc.) constituting the suspension spring device, Needless to say, the arrangement can be changed in various ways. The present invention can also be applied to a suspension mechanism for vehicles other than automobiles.
10…車両、11…懸架機構、12…懸架用コイルばね、12a…下側の座巻部、12a1…第1の部分、12a2…第2の部分、12a3…第3の部分、12b…上側の座巻部、12b1…第1の部分、12b2…第2の部分、12b3…第3の部分、13…下側のばね座、14…上側のばね座、18…懸架用ばね装置、40…素線、40a…下端、40b…上端、50…圧縮残留応力部、51…深層残留応力部、51a…一端、51b…他端(応力移行部)、52…深層残留応力部、70…超音波ショットピーニング装置、100…懸架機構、103…下側のばね座、104…上側のばね座、130…懸架用ばね装置。
10 ... vehicle, 11 ... suspension mechanism, 12 ... suspension coil spring, the end turn portion of 12a ... lower,
Claims (8)
上側のばね座と、
螺旋形に成形された素線を有しかつ前記下側のばね座と前記上側のばね座との間に圧縮された状態で配置されたコイルばねと、
を備えた懸架用ばね装置であって、
前記コイルばねは、
前記素線の下端から1巻目未満の下側の座巻部と、前記素線の上端から1巻目未満の上側の座巻部とを有し、
少なくとも前記下側の座巻部は、該コイルばねに加わる荷重の大小にかかわらず常に前記下側のばね座に接する第1の部分と、該コイルばねに加わる荷重に応じて前記下側のばね座に接したり離れたりする第2の部分と、荷重の大小にかかわらず常にばね座から離れている第3の部分とを有し、
前記下側の座巻部と前記上側の座巻部との間に、前記素線の表面から第1の深さまで圧縮残留応力が付与された圧縮残留応力部を有し、
前記下側の座巻部の前記第2の部分を含む領域に、前記素線の表面から前記第1の深さよりも深い第2の深さまで圧縮残留応力が付与された深層残留応力部を有したことを特徴とする懸架用ばね装置。 A lower spring seat,
An upper spring seat;
A coil spring having a strand formed in a spiral shape and disposed in a compressed state between the lower spring seat and the upper spring seat;
A suspension spring device comprising:
The coil spring is
A lower end winding portion less than the first turn from the lower end of the strand, and an upper end winding portion less than the first turn from the upper end of the strand;
At least the lower end winding portion has a first portion that always contacts the lower spring seat regardless of the load applied to the coil spring, and the lower spring according to the load applied to the coil spring. A second portion that contacts or separates from the seat and a third portion that is always away from the spring seat regardless of the magnitude of the load;
Between the lower end winding part and the upper end winding part, having a compressive residual stress part to which a compressive residual stress is applied from the surface of the strand to the first depth,
A region including the second portion of the lower end winding portion has a deep residual stress portion to which a compressive residual stress is applied from the surface of the strand to a second depth deeper than the first depth. A suspension spring device characterized by that.
少なくとも前記下側の座巻部は、荷重の大小にかかわらず常に下側のばね座に接する第1の部分と、荷重の大きさに応じて前記下側のばね座に接したり離れたりする第2の部分と、荷重の大小にかかわらず常にばね座から離れている第3の部分とを有し、
前記下側の座巻部と前記上側の座巻部との間に、前記素線の表面から第1の深さまで圧縮残留応力が付与された圧縮残留応力部を有し、
前記下側の座巻部の前記第2の部分を含む領域に、前記素線の表面から前記第1の深さよりも深い第2の深さまで圧縮残留応力が付与された深層残留応力部を有したことを特徴とする懸架用コイルばね。 A lower end winding portion less than the first turn from the lower end of the spirally formed strand, and an upper end winding portion less than the first turn from the upper end of the strand;
At least the lower end winding portion always contacts the lower spring seat regardless of the magnitude of the load, and a first portion that contacts or separates from the lower spring seat depending on the magnitude of the load. 2 and a third portion that is always away from the spring seat regardless of the magnitude of the load,
Between the lower end winding part and the upper end winding part, having a compressive residual stress part to which a compressive residual stress is applied from the surface of the strand to the first depth,
A region including the second portion of the lower end winding portion has a deep residual stress portion to which a compressive residual stress is applied from the surface of the strand to a second depth deeper than the first depth. A suspension coil spring characterized by that.
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