JP4336203B2 - 不連続な支持構造を有する圧縮コイルばね装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮コイルばね装置に関し、特に自動車のストラット型懸架装置に好適な圧縮コイルばね装置に関する。

つるまきばね即ちコイルばねは、良好なばね特性を有するため、様々な用途に用いられている。コイル端に密巻き部を設け、均一な接触面を実現する場合がある。均一な接触面を実現する手段として、コイル端面を研削することも知られている。しかしながら、密巻き部や研削された端面は、ばね座などの相手部品に対してその全面が均一に接触するわけではなく、予測できない位置で部分的に接触するため、荷重と圧縮量との関係、即ちばね特性をばらつかせる要因となる上、ばね力の発生にも寄与しない。そこで、コイルばねの長さを最小化し、しかも最大限のばね作用を確保しようとする場合には、オープンエンドのコイルばねが用いられる場合がある。

このオープンエンドのコイルばねを例にとってコイル端部とばね座との接触について説明すると、オープンエンドのコイルばねは、平面上に安定に座ることができないため、特別な輪郭の支承面を備えたばね座が用いられる場合がある。しかし、ばね座にどのような輪郭形状を持たせても、コイルばねに負荷が加えられ、圧縮するに従ってコイル端部とばね座との接触状態が変化することを回避することはできない。即ち、ばね負荷が軽い場合、コイル端部とばね座との間の接触は、一点或いはコイル端部に位置するワイヤの短い長さの部分を介して行われる。しかしながら、ばね負荷が増大するに従い、コイル端部とばね座との間の接触長さは、漸進的にかつ連続的に増大する。しかも、接触する領域は、コイルばねの個体誤差により設計通りとはならない。

これは、コイル端部とばね座との間の接触圧力の重心がばね負荷に応じて変化することを意味する。このことは、更に、ばね力の作用力線の変化を引き起こす。また、コイルワイヤのばね座と接触した部分は、それ以上撓むことができないので、ばね力を発生する上に有効ではないことから、ばね負荷の増大に応じたコイルワイヤのばね座との接触部の増大は、コイルばねの有効巻き数の減少を意味する。多くの用途において、このようにばね負荷の変化に応じてばね特性が変化することは好ましくはない。

例えば、自動車のストラット型懸架装置においては、車体の構造及び組み付けの都合上、タイヤを押し上げる力の入力点が直線摺動型油圧ダンパの軸線からずれるため、タイヤが上下動すると、或る曲げモーメントがダンパに発生する。この曲げモーメントは、ダンパチューブとピストン間、及びピストンロッドとロッドガイド間の摩擦抵抗を増加させるので、ダンパの円滑な伸縮動作を阻害して乗り心地を悪化させると共に、摺動部の耐久性を低下させる要因となる。

そこでストラット型懸架装置においては、タイヤが上下動する際にダンパに作用する曲げモーメントをキャンセルする向きのモーメントがコイルばねに発生するように、コイルばねの荷重軸とダンパの中心軸とを互いにオフセットさせることが一般的である。従って、ばね力の作用力線を常に制御することが重要となる。

しかるに、図１０に示すストラット型懸架装置Ｓに用いられるオープンエンドのコイルばねＣは、図１１ａ〜１１ｃに示すように、ばね座３に接触する座巻部１の線長が圧縮量の増加に連れて徐々に増加するので、コイルばねの撓み得る部分の巻数、即ち有効巻数は、負荷の増大に応じて減少する。そして有効巻数の減少はばね定数の増加を伴うので、従来のコイルばねは、その荷重と圧縮量との関係が実際には線形ではなく、図１２に示すようにやや非線形の撓み特性を示す。しかも、個々のコイルばね間にばらつきがあるので、負荷の増大に応じた有効巻数の減少の仕方も一本一本異なっており、撓み特性もばらつくこととなっている。

またこれに付随して、ばね座に対する座巻部の接触圧力の重心が負荷に応じて変化するため、タイヤの上下動によって荷重軸の角度が変化してしまい、それに伴ってコイルばねの曲げモーメントキャンセル作用が個々のコイルばねによって変化することとなり、乗り心地の改善効果が有効に作用しないコイルばねが出てくることもあった。

しかも、懸架装置が最適な特性を発揮するためには、コイルばねのばね特性が適切にチューニングされる必要がある。しかしながら、ばね特性は、ばね負荷の増大即ちばねの圧縮に応じて変化するために、正確なチューニングを行うことが不可能となる。これは、懸架装置用のばねにおいての問題であるばかりでなく、ばね特性のチューニングが必要なほかの用途においても問題となる。

このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、ばね負荷に関わらず設計どおりのばね特性を発揮し得るようなコイルばね装置を提供することにある。
本発明の第２の目的は、ばね負荷に関わらず固定された作用力線を有するコイルばね装置を提供することにある。
本発明の第３の目的は、ばね負荷に関わらず固定されたばね定数を呈するコイルばね装置を提供することにある。

このような目的は、本発明によれば、その端部に座巻部を有し、コイル状に巻回されたコイルワイヤを有する圧縮コイルばね装置であって、前記座巻部は、その長手方向に沿って配置された３つの突部を有し、当該圧縮コイルばね装置に加わる荷重が小さい初期状態においては、当該座巻部の端部側に配置された突部においてのみばね座と接触し、当該圧縮コイルばねに加わる荷重が増加するに伴って、残余の突部のうちの当該座巻部の端部側に配置されたものから順番に前記ばね座と接触するようにしたことを特徴とするコイルばね装置を提供することにより達成される。

このように、不連続的な点によりばね端が支持されている限り、ばね負荷に関わらず、コイルばねは、接触圧の重心又はばね力の作用線及びばね定数に関して一様なばね特性を発揮することとなる。即ち、ばね負荷に応じた有効巻き数の変化が最小化され、負荷と圧縮量との関係を実質的に線形にし、ばね力の作用線の角度変化を最小化することができる。またこれによれば、座巻部は決められた突部でのみばね座と接触するので、個々のコイルばね間のばね特性、接触部の摩擦抵抗、並びに曲げモーメントなどのばらつきが小さくなる。

例えば、懸架装置をチューニングする際に、車両が比較的平坦な幹線道路等を巡航している状態のように最も一般的な状況において最適となるようにチューニングすることが重要である。本発明によれば、車両の重量及びばね特性に応じて座巻部の非連続的な支持点の位置を適切に選択することにより、コイルばねの動作中立点の周りにおけるコイルばねの挙動を略線形とし、かつ各車輪に対応する個々のコイルばねのばらつきも小さくすることができる。このようなコイルばねの線形な動作範囲で懸架装置を最適にチューニングし且つばらつきを小さくすることにより、懸架装置は、極めて好適な乗り心地を獲得し得ることとなる。

より具体的には、座巻部を波状に屈曲させるものとしたり、座巻部の素線径を長手方向に沿って変化させるものとしたり、リング状部材を長手方向に沿って間隔を置いて座巻部のコイルワイヤに嵌着するものとしたり、長手方向に沿って間隔を置いて突起を有する管状部材を座巻部のコイルワイヤに被着するものとしてもよい。

図１は、本発明に基づき構成されたコイルばねの座巻部の一例を示している。このコイルばねの座巻部１は、その端末がオープンエンドとされ、複数の屈曲部２ａ・２ｂを形成して波状にされている。これにより、座巻部１のばね座３と接触する部分を線接触ではなく、近似的な点接触となるようにしている。このようにすることにより、従来のものは、座巻部とばね座との接触線長がコイルばねに加わる荷重の増大に応じて漸増していたのが、座巻部１上のある位置の屈曲部２ａがばね座３に接触した状態から荷重を増大させて行き、その次の屈曲部２ｂがばね座３に接触するまでの間は、両屈曲部２ａ・２ｂ間がばね座３から浮いているために有効巻数として寄与することとなる。つまり、座巻部１とばね座３との接触点が、予め決められた位置で段階的に増えて行くこととなるので、個々のコイルばねの個体差によるばね定数のばらつきが抑制され、また荷重と圧縮量との関係の線形性も向上する。

このような座巻部１とばね座３との接触する部分が複数の点接触とされた形態としては、種々の態様が可能である。間隔をおいて素線径を変化させて複数の拡径部４ａ・４ｂを座巻部１に形成したり（図２参照）、複数のリング状部材５ａ・５ｂを、間隔をおいて座巻部１に圧入その他の手段により嵌着したり（図３参照）、軸線上に適宜な間隔をおいて複数の突起６ａ・６ｂを形成した管状部材７を座巻部１に被着したり（図４参照）、ばね座３の座巻部１に対応する円周上に間隔をおいて複数の突部８ａ・８ｂを設けたりする（図５参照）ことでも実現し得る。なお、管状部材７を被着した場合、管状部材７に対する荷重が安定しているので、管状部材７が座巻部１から剥離するおそれは殆ど無い。
また座巻部１とばね座３との接触点は、座巻数が０．７５程度の場合、任意位置の三点（図６参照）、二等辺三角形の各頂点をなす３点（図７参照）、或いは正三角形の各頂点（図８参照）とすることが考えられる。荷重配分を均等にする上では、特に正三角形配置が好ましい。

座巻数が１に近く、３点では十分な安定が得られない場合は、４点としても良く、この場合は、正方形配置とすることが好ましい（図９参照）。

なお、本発明は、上記した自動車用懸架装置のコイルばね装置に限らず、弁ばねなど、他のばね装置にも適用し得ることは言うまでもない。

以上、詳述した通り本発明によれば、
１．荷重と圧縮量との関係の線形性を向上し得る。
２．ばね力の軸線を一定化し得るので、横力を一定化し得る。
３．所定の範囲内で、負荷による荷重軸の変化が少ないので、ある一つの状態での解析及び実験から、この範囲内の状態での荷重軸を把握することができる。
４．コイルばねからばね座が受ける荷重を意図的に分散でき、ばね座が受ける荷重点が明確となるので、ばね座の強度分布を適正化し、軽量化につなげられる。
５．車両におけるストラット型懸架装置の場合、座巻部およびばね座の製造誤差並びに組み付け誤差のばね特性に与える影響が小さくなるので、品質管理を簡略化し得る。
といった格別な効果が得られる。

以上、本発明を特定の実施例について説明したが、当業者であれば、添付の請求の範囲に記載された本発明の技術分野から逸脱することなく本発明に様々な改変を加え得ることは言うまでもない。

図１は、本発明の第１実施形態を示すコイルばねの要部展開図である。
図２は、本発明の第２実施形態を示すコイルばねの要部展開図である。
図３は、本発明の第３実施形態を示すコイルばねの要部展開図である。
図４は、本発明の第４実施形態を示すコイルばねの要部展開図である。
図５は、本発明の第５実施形態を示すコイルばねの要部展開図である。
図６は、接触点の配置の一例を示すコイルばねの要部平面図である。
図７は、接触点の配置の別例を示すコイルばねの要部平面図である。
図８は、接触点の配置の更に別の例を示すコイルばねの要部平面図である。
図９は、接触点の配置の更に別の例を示すコイルばねの要部平面図である。
図１０は、本発明が適用されるストラット懸架装置の要部斜視図である。
図１１ａ〜１１ｃは、従来のコイルばねの問題点を示す概念的説明図である。
図１２は、従来のコイルばねの特性線図である。

Claims (5)

1. その端部に座巻部を有し、コイル状に巻回されたコイルワイヤを有する圧縮コイルばね装置であって、
   前記座巻部は、その長手方向に沿って配置された３つの突部を有し、当該圧縮コイルばね装置に加わる荷重が小さい初期状態においては、当該座巻部の端部側に配置された突部においてのみばね座と接触し、当該圧縮コイルばねに加わる荷重が増加するに伴って、残余の突部のうちの当該座巻部の端部側に配置されたものから順番に前記ばね座と接触するようにしたことを特徴とするコイルばね装置。
2. 前記突部が、前記コイルワイヤを波状に屈曲した部分からなることを特徴とする請求項１に記載のコイルばね装置。
3. 前記突部が、前記コイルワイヤを拡径した部分からなることを特徴とする請求項１に記載のコイルばね装置。
4. 前記突部が、前記コイルワイヤにリング状部材を嵌着してなることを特徴とする請求項１に記載のコイルばね装置。
5. 前記突部が、前記コイルワイヤに嵌着された管状部材に設けられた突起により構成されることを特徴とする請求項１に記載のコイルばね装置。

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