JP5970349B2 - ストラット形懸架装置と、懸架装置用圧縮コイルばね - Google Patents

Description

この発明は、自動車等の車両に使われるストラット形懸架装置と、該懸架装置に用いる懸架装置用圧縮コイルばねに関する。

自動車等の車両に使用されるストラット形懸架装置は、例えば特許文献１あるいは特許文献２に見られるように、懸架ばねとして機能する圧縮コイルばねと、該圧縮コイルばねの下端側に配置された下側のばね座と、該圧縮コイルばねの上端側に配置された上側のばね座と、該圧縮コイルばねの内側を通るストラットとしてのショックアブソーバなどを備えている。ショックアブソーバは、流体を収容したシリンダと、該シリンダに伸縮自在に挿入されたロッドと、ロッドの伸縮運動を減衰させる減衰力発生機構などを含んでいる。

また、前記ショックアブソーバのシリンダとロッドとの間に生じる摺動抵抗を小さくするために、特許文献１に開示されているように、ショックアブソーバに対し圧縮コイルばねのコイル中心軸を車両外側にオフセットさせた位置に配置することが提案されている。また特許文献２に開示されているように、圧縮コイルばねのピッチ角を素線（ワイヤ）の巻数位置に応じて変化させることも提案されている。

当業界では、車両を軽量化する観点から懸架装置用圧縮コイルばねを軽量化することが強く望まれている。懸架装置用圧縮コイルばねは、荷重が負荷された状態において素線各部に生じる応力が一般には一定でないことが知られている。このような圧縮コイルばねを軽量化するには、素線の応力分布を可能な限り均一（フラット）に近付けることが有効である。圧縮コイルばねの応力分布を均一にする１つの手段として、特許文献３に記載されているように、素線の１巻きの間で素線径を変化させることが提案されている。例えば特許文献３の第６図のように、圧縮コイルばねの外力作用点がコイル中心軸に対してコイル径方向にオフセットしている場合、オフセットしている側の素線径を小さくしている。

特開２０００−１０３２１６号公報 特開２００４−１５０６３７号公報 特開昭５９−２１９５３４号公報

しかしながらストラット形懸架装置に使用される圧縮コイルばねの応力を均等化すべく本発明者達が鋭意研究したところ、ストラット形懸架装置のように圧縮コイルばねのコイル中心軸がショックアブソーバに対して車両外側にオフセットしている場合、車両内側の素線径を小さくすると、素線の応力分布が均等化に近付くどころか、かえって応力分布のばらつきが大きくなっていることが判った。

従って本発明の目的は、圧縮コイルばねの応力分布を均等化に近付けることができるストラット形懸架装置と、懸架装置用圧縮コイルばねを提供することにある。

本発明に係るストラット形懸架装置は、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圧縮コイルばねと、シリンダおよび該シリンダに挿入されたロッドを有し前記圧縮コイルばねの内側を通るショックアブソーバとを具備し、前記圧縮コイルばねのコイル中心軸が前記ショックアブソーバの軸線に対し車両外側にオフセットした位置に配置され、前記圧縮コイルばねの前記素線が、前記ショックアブソーバの前記軸線よりも車両内側に位置する該素線の反オフセット側部分に配置されかつ素線径が該素線の平均素線径より大きい大径素線部と、前記ショックアブソーバの前記軸線よりも車両外側に位置する該素線のオフセット側部分に配置されかつ素線径が前記大径素線部より小さい小径素線部と、前記大径素線部と前記小径素線部との間で素線径が連続的に変化する線径変化部とを具備している。

１つの実施形態では、前記ショックアブソーバに対し前記圧縮コイルばねが車両外側にオフセットした位置に配置され、該圧縮コイルばねの車両内側の部分（反オフセット側）に前記大径素線部が設けられ、該圧縮コイルばねの車両外側の部分（オフセット側）に前記小径素線部が設けられている。また前記下側のばね座が、前記圧縮コイルばねの下端側の座巻部のうち車両内側の座巻部分を支持する内側ばね受け部と、該下端側の座巻部のうち車両外側の座巻部分を支持する外側ばね受け部とを有し、該外側ばね受け部から前記上側のばね座までの距離が、前記内側ばね受け部から前記上側のばね座までの距離よりも小さくてもよい。また、前記圧縮コイルばねが前記下側のばね座と前記上側のばね座との間で圧縮された状態において、該圧縮コイルばねの車両外側の部分の圧縮量が車両内側の部分の圧縮量よりも大きくてもよい。

本発明に係る懸架装置用圧縮コイルばねは、螺旋形に成形された素線を有しストラット形懸架装置の下側のばね座と上側のばね座との間に圧縮された状態で配置される圧縮コイルばねであって、ショックアブソーバよりも車両内側に配置されかつ素線径が該素線の平均素線径よりも大きい大径素線部と、前記ショックアブソーバよりも車両外側に配置されかつ素線径が前記大径素線部の素線径よりも小さい小径素線部と、前記大径素線部と前記小径素線部との間で素線径が連続的に変化する線径変化部とを具備している。

本発明によれば、ストラット形懸架装置に使われる圧縮コイルばねの応力分布を均等化に近付けることができることにより、ストラット形懸架装置用圧縮コイルばねの軽量化が図れ、ひいては車両の軽量化に寄与することができる。

本発明の１つの実施形態に係るストラット形懸架装置を備えた車両の一部を模式的に示す斜視図。 図１に示されたストラット形懸架装置の縦断面図。 前記ストラット形懸架装置に使用される圧縮コイルばねの一例を示す斜視図。 図３に示された圧縮コイルばねの素線の下端からの距離と素線径との関係を示す図。

以下に本発明の１つの実施形態に係るストラット形懸架装置について、図１から図４を参照して説明する。
図１は、車両１０のフロント側に使用されるストラット形懸架装置１１を示している。図２はストラット形懸架装置１１の断面図である。ストラット形懸架装置１１は、上下方向に延びるコイル中心軸Ｘ１を有する圧縮コイルばね１２と、圧縮コイルばね１２の下端側に配置された下側のばね座１３と、圧縮コイルばね１２の上端側に配置された上側のばね座１４と、圧縮コイルばね１２の内側を通るショックアブソーバ（ストラット）１５と、該懸架装置１１の上端に設けられたマウントインシュレータ１６などを備えている。圧縮コイルばね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。

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Ｘ２方向に伸縮することができ、伸縮時に減衰力発生機構が機能することによって、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。

このストラット形懸架装置１１は、ショックアブソーバ１５の上部が下部よりも車両内側に位置するように、重力の鉛直線Ｘ_０に対してショックアブソーバ１５の軸線Ｘ２を角度θだけ内側に傾けた姿勢で車体３０に取付けられている。マウントインシュレータ１６は、防振ゴム３１と、車体３０に固定される支持部材３２とを有している。該懸架装置１１は、支持部材３２に設けられたボルト等の固定用部材３３によって車体３０の一部であるサスペンション取付部３４（図２に示す）に揺動可能に取付けられ、ベアリング３５を介して軸線Ｘ２を中心に回転自在に支持されている。

ショックアブソーバ１５のシリンダ２０とロッド２１との摺動部の摩擦抵抗を小さくするためなどの理由から、ショックアブソーバ１５の軸線Ｘ２に対して圧縮コイルばね１２のコイル中心軸Ｘ１が車両外側（図２に矢印Ｚで示す方向）にオフセットした位置に配置されている。矢印Ｚとは反対側が反オフセット側である。

下側のばね座１３は、車両１０の幅方向に関して車両内側に位置する内側ばね受け部１３ａと、車両外側に位置する外側ばね受け部１３ｂとを有している。内側ばね受け部１３ａの高さと外側ばね受け部１３ｂの高さは互いに異なっている。すなわち外側ばね受け部１３ｂから上側のばね座１４までの距離Ｌ２は、内側ばね受け部１３ａから上側のばね座１４までの距離Ｌ１よりも小さい。

図３は、圧縮コイルばね１２にコイル中心軸Ｘ１に沿う方向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圧縮コイルばね１２の長さを自由長と称している。圧縮コイルばね１２にコイル中心軸Ｘ１に沿う荷重が負荷されると、この圧縮コイルばね１２は自由長よりも長さが短くなる方向に圧縮されて撓む。

この圧縮コイルばね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アセンブリ状態で、車体３０に取付けられている。この明細書ではアセンブリ状態での圧縮コイルばね１２の長さを組付高さと称している。圧縮コイルばね１２の車両外側の部分１２ｂの自由長から組付高さまでの圧縮量は、車両内側の部分１２ａの自由長から組付高さまでの圧縮量よりも大きい。

図３に示す圧縮コイルばね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はばね鋼からなり、断面が円形である。圧縮コイルばね１２の一例は円筒コイルばねであるが、懸架装置の仕様に応じて、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。

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。鋼種の他の例として、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standard）に準拠するＳＵＰ７や、それ以外の鋼種であってもよい。素線４０の材料に高耐食性ばね鋼が使用される場合の化学成分（ｍａｓｓ％）の一例は、Ｃ：０．４１、Ｓｉ：１．７３、Ｍｎ：０．１７、Ｎｉ：０．５３、Ｃｒ：１．０５、Ｖ：０．１６３、Ｔｉ：０．０５６、Ｃｕ：０．２１、残部Ｆｅである。

圧縮コイルばね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の上下方向に負荷される荷重を弾性的に支持する。この実施形態の素線４０は、素線４０のおよそ１巻きごとに交互に形成された大径素線部４０ａと小径素線部４０ｂとを有している。大径素線部４０ａは、車両の幅方向に関して圧縮コイルばね１２の車両内側の部分１２ａ（圧縮コイルばねの反オフセット側）に配置されている。大径素線部４０ａの素線径ｄ１は、該素線４０の有効部の平均素線径より大きい。

これに対し小径素線部４０ｂは、車両の幅方向に関して圧縮コイルばね１２の車両外側の部分１２ｂ（圧縮コイルばねのオフセット側）に配置されている。小径素線部４０ｂの素線径ｄ２は、大径素線部４０ａの素線径ｄ１より小さい。大径素線部４０ａと小径素線部４０ｂとの間には、大径素線部４０ａの素線径ｄ１と小径素線部４０ｂの素線径ｄ２との間で素線径が緩やかに連続的に（例えばテーパ状に）変化する線径変化部４０ｃが形成されている。圧縮コイルばね１２の下端側の座巻部４０ｄと上端側の座巻部４０ｅの素線径は有効部の素線径よりも小さく、それぞれ最小となっている。

下端側の座巻部４０ｄは下側のばね座１３の上面に接している。下側のばね座１３には前記したように互いに高さが異なる内側ばね受け部１３ａと外側ばね受け部１３ｂとが形成されている。内側ばね受け部１３ａは、下端側の座巻部４０ｄのうち車両内側の座巻部分を支持している。外側ばね受け部１３ｂは、下端側の座巻部４０ｄのうち車両外側の座巻部分を支持している。上端側の座巻部４０ｅは上側のばね座１４の下面に接している。

図４は、素線４０の下端４０ｆ（図３に示す）からの距離と素線径との関係の一例を示している。図４に示すように下端４０ｆからの巻数位置に応じて素線径が変化している。すなわち素線４０の有効部では、約１巻きごとに車両内側にて素線径が極大値をとる大径素線部４０ａと、車両外側にて素線径が極小値をとる小径素線部４０ｂとが交互に形成されている。図４に示す例では、大径素線部４０ａの極大値が１１．２〜１１．５ｍｍ、小径素線部４０ｂの極小値が９．６〜９．８ｍｍ、有効部の平均素線径が１０．５ｍｍである。線径変化部４０ｃは、素線４０の有効部の約１巻きごとに素線径の極大値と素線径の極小値との間で連続的に変化している。座巻部４０ｄ，４０ｅの素線径はそれぞれ９ｍｍで最小となっている。図４中の２点鎖線Ｍは、従来の素線径一定のコイルばねを示している。

この実施形態のように素線径が連続的に変化する素線４０は、例えば切削等の機械加工や、スエージングマシンによる縮径（鍛造の一種）、あるいはプレス等の塑性加工によって成形することが可能である。スエージング加工によれば、切削加工の場合に線径が変化する部分に生じる境界部（応力集中の原因となる箇所）や、切削によって金属組織のメタルフローが切断されたりすることを回避でき、線径が変化する部分を滑らかに連続させることができる。また供給側のローラと引抜側のローラとの間で材料を引っ張るダイレス加工装置によっても、大径素線部４０ａと小径素線部４０ｂと線径変化部４０ｃと座巻部４０ｄ，４０ｅとを形成することができる。

これらの加工手段によって加工された素線４０は、曲げ工程（例えば熱間コイリング工程）において、螺旋形に成形される。さらに焼戻し等の熱処理およびショットピーニングが行なわれたのち、必要に応じてセッチング等による調整が行なわれ、塗装と品質検査が行なわれて製品が完成する。この圧縮コイルばね１２を、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。

こうして車両１０に設けられたストラット形懸架装置１１に、上下方向の荷重が負荷される。この負荷に応じて圧縮コイルばね１２が下側のばね座１３と上側のばね座１４との間でさらに圧縮されて撓む。圧縮コイルばね１２の組付高さからの圧縮量に応じて、ショックアブソーバ１５が軸線Ｘ２方向に伸縮するとともに、負荷に応じて下側のばね座１３と上側のばね座１４との間の距離が変化する。しかしばね座１３，１４の姿勢は圧縮コイルばね１２の圧縮量が変化しても一定に保たれるため、ばね座１３，１４間に組付けられた圧縮コイルばね１２は、負荷に応じて車両内側の部分１２ａと車両外側の部分１２ｂとがそれぞれ同等のストロークで圧縮される。

この圧縮コイルばね１２は、車両内側の部分１２ａ（圧縮コイルばね１２の反オフセット側）に大径素線部４０ａを形成し、車両外側の部分１２ｂ（圧縮コイルばね１２のオフセット側）に小径素線部４０ｂを形成したことによって、ばね座１３，１４間で圧縮された状態の素線４０の応力分布を均等化に近付けることが可能となり、素線径が一定の従来品と比較して圧縮コイルばね１２を軽量化することができた。例えば従来の圧縮コイルばねが素線径１１．０ｍｍ、総巻数５．３９、ばね定数が３３．３Ｎ／ｍｍ、質量２．０９ｋｇであったのに対し、本実施形態の圧縮コイルばね１２は、大径素線部４０ａの素線径ｄ１が１１．３ｍｍ、小径素線部４０ｂの素線径ｄ２が９．７ｍｍ、平均線径が１０．５ｍｍ、総巻数４．９３、ばね定数が３３．３Ｎ／ｍｍ、質量１．７９ｋｇであり、従来品と比較して１４．４％の軽量化が可能となった。

なお本発明を実施するに当たって、圧縮コイルばねの具体的な形状や寸法、巻数、材料（鋼種）、ばね定数をはじめとして、ストラット形懸架装置を構成する各要素（例えばショックアブソーバや上下のばね座等）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。

１０…車両、１１…ストラット形懸架装置、１２…懸架装置用圧縮コイルばね、１２ａ…車両内側の部分、１２ｂ…車両外側の部分、１３…下側のばね座、１３ａ…内側ばね受け部、１３ｂ…外側ばね受け部、１４…上側のばね座、１５…ショックアブソーバ、２０…シリンダ、２１…ロッド、４０…素線、４０ａ…大径素線部、４０ｂ…小径素線部、４０ｃ…線径変化部、４０ｄ…下端側の座巻部、４０ｅ…上端側の座巻部。

Claims (5)

1. 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圧縮コイルばねと、
   シリンダおよび該シリンダに挿入されたロッドを有し前記圧縮コイルばねの内側を通るショックアブソーバと、
   を具備したストラット形懸架装置において、
   前記圧縮コイルばねのコイル中心軸が前記ショックアブソーバの軸線に対し車両外側にオフセットした位置に配置され、
   前記圧縮コイルばねの前記素線が、
   前記ショックアブソーバの前記軸線よりも車両内側に位置する該素線の反オフセット側部分に配置されかつ素線径が該素線の平均素線径より大きい大径素線部と、
   前記ショックアブソーバの前記軸線よりも車両外側に位置する該素線のオフセット側部分に配置されかつ素線径が前記大径素線部の素線径より小さい小径素線部と、
   前記大径素線部と前記小径素線部との間で素線径が連続的に変化する線径変化部と、
   を具備したことを特徴とするストラット形懸架装置。
2. 前記圧縮コイルばねが、前記下側のばね座に接する下側の座巻部と、前記上側のばね座に接する上側の座巻部とを有し、
   前記下側の座巻部の素線径と前記上側の座巻部の素線径とが、それぞれ該圧縮コイルばねの有効部の素線径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のストラット形懸架装置。
3. 前記下側のばね座が、前記圧縮コイルばねの下端側の座巻部のうち車両内側の座巻部分を支持する内側ばね受け部と、該下端側の座巻部のうち車両外側の座巻部分を支持する外側ばね受け部とを有し、該外側ばね受け部から前記上側のばね座までの距離が、前記内側ばね受け部から前記上側のばね座までの距離よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載のストラット形懸架装置。
4. 前記圧縮コイルばねが前記下側のばね座と前記上側のばね座との間で圧縮された状態において、該圧縮コイルばねの車両外側の部分の圧縮量が車両内側の部分の圧縮量よりも大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のストラット形懸架装置。
5. 螺旋形に成形された素線を有し、ストラット形懸架装置のショックアブソーバの軸線に対しコイル中心軸が車両外側にオフセットした位置に配置され下側のばね座と上側のばね座との間に圧縮される懸架装置用圧縮コイルばねであって、
   前記素線が、
   前記ショックアブソーバの前記軸線よりも車両内側に位置する該素線の反オフセット側部分に配置されかつ素線径が該素線の平均素線径より大きい大径素線部と、
   前記ショックアブソーバの前記軸線よりも車両外側に位置する該素線のオフセット側部分に配置されかつ素線径が前記大径素線部の素線径より小さい小径素線部と、
   前記大径素線部と前記小径素線部との間で素線径が連続的に変化する線径変化部と、
   を具備したことを特徴とする懸架装置用圧縮コイルばね。

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