JP6499648B2 - コイルばね組立体 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用ミッションダンパーや、自動車用足回りのリバウンドスプリング等に供されるコイルばね組立体に関する。

従来、この種のコイルばね組立体として、特許文献１に記載のものがある。

このコイルばね組立体は、コイルばねと、ばねシート部材とを備えたものである。ばねシート部材は、コイルばねの座巻部に取付けられ、シート本体とばね取付部材とを備えている。

シート本体は、座部と取付軸部とを有している。座部は、周回状に形成され、コイルばねの座巻部の端面に当接される。取付軸部は、座部の中心部に突出され、その軸方向中央部の外周に環状の係合溝部が形成されている。

ばね取付部材は、中空円筒状でかつ径方向に撓み変形可能な弾性係止部を有し、弾性係止部が取付軸部の係合溝部に係合されることによってシート本体に取付けられる。この係合は、弾性係止部の径方向外方への撓み変形を利用して行われる。

このばね取付部材は、コイルばねの座巻部内に弾性係止部の径方向内方への撓み変形を利用して取り付けられる。

したがって、シート本体に対するばね取付部材の取付性を向上させながら、コイルばねに対する取付性を向上し、かつ取付後の脱落を防止あるいは低減することができる。

しかし、ばねシート部材が、シート本体の他にばね取付部材を必要とするため部品点数が増大し、製造、部品管理が煩雑となり、コストアップの原因となっていた。

これに対し、特許文献２には、単体のシート部材をコイルばねの端部に係合させる構造が記載されている。

しかし、単に係合させる構造であり、シート部材とコイルばねとの適正な係合に関して考慮されておらず、コイルばねの座巻部とシート部材との無理な干渉を招き、耐久性が損なわれると共に、座巻部とシート部材との間に大きな隙間ができ、取り付けが不安定になるという問題があった。

また、使用時にシート部材がコイルばねから抜けないようにするには、シート部材とコイルばねの座巻部との係合代（圧入代）を十分に取ることが必要になり、このことがシート部材をコイルばねの座巻部に圧入により係合させるとき、座巻部が大きく拡径変形して破壊を招く問題もあった。

特許第４６９９２７３号公報 特開２００７−６４３４５号公報

解決しようとする問題点は、シート部材とコイルばねとの適正な係合に関して考慮されておらず、コイルばねの座巻部とシート部材との無理な干渉を招き、耐久性が損なわれる点、シート部材とコイルばねの座巻部との係合代（圧入代）を十分に取るとシート部材をコイルばねの座巻部に圧入により係合させるとき、座巻部が大きく拡径変形して破壊を招く点である。

本発明は、シート部材であるコイルばね用シートとコイルばねとの適正に係合させ、コイルばねの座巻部とコイルばね用シートとの無理な干渉を抑制し、耐久性向上を可能とするため、本体部の両端に座巻部を備えたコイルばねと前記座巻部に取付けられるコイルばね用シートとからなるコイルばね組立体であって、前記コイルばねは、前記座巻部が前記本体部に対し相対的に縮径して一巻目まで形成され、前記本体部及び座巻部の間に前記座巻部から本体部へ渦巻きを漸次拡径する遷移部を有し、前記コイルばね用シートは、前記座巻部の座面に受け面が当接する座部と、この座部の受け面から突出された取付軸部と、この取付軸部の先端に形成された圧入ガイド用の拡径部とを有し、前記取付軸部は、前記座巻部が嵌合して該座巻部の座面が前記座部の受け面に当接した自由状態で前記コイルばね用シートの拡径部との間に隙間を有するか又は隙間が零となる軸長に設定され、前記遷移部は、前記座巻部の座面が前記座部の受け面に当接した状態で前記拡径部を迂回し、拡径部に接触しないか、隙間が零になることを特徴とする。

本発明は、シート部材とコイルばねの座巻部との係合代（圧入代）を十分に取りながら座巻部の破壊を抑制することを可能とするために、上記コイルばね組立体であって、前記コイルばねは、深さ５０μｍ以下の表層硬化層と表面から３μｍ以下の白層とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る取付軸部は、前記座巻部が嵌合して該座巻部の座面が前記座部の受け面に当接した自由状態で前記コイルばね用シートの拡径部との間に隙間を有するか又は隙間が零となる軸長に設定され、前記遷移部は、前記座巻部の座面が前記座部の受け面に当接した状態で前記拡径部を迂回する。

このため、コイルばね用シートを、コイルばねの一巻目まで形成された座巻部に取付軸部を嵌合させるように取り付け、コイルばね用シートと座巻部とを周回で確実に嵌合させることができる。

しかも、コイルばねの遷移部は、座巻部の座面が座部の受け面に当接した状態で拡径部を迂回するため、座巻部の座面と座部の受け面とを確実に当接させ、コイルばね用シートとコイルばねとを適正に組み付けることができる。

かかる組み付けにより、コイルばね組立体の耐久性を向上させることができると共に、座巻部とコイルばね用シートとの間の隙間を抑制し、取り付けを安定させることができる。

本発明は、上記コイルばね組立体であって、前記コイルばねは、深さ５０μｍ以下の表層硬化層と表面から３μｍ以下の白層とを備えた。

このため、コイルばねの靭性を高め、シート部材とコイルばねの座巻部との係合代（圧入代）を十分に取りながら座巻部の破壊を抑制することができる。

コイルばね組立体のコイルばね及びコイルばね用シートを分解して示す側面図である。（実施例１） コイルばね用シートの拡大側面図である。（実施例１） コイルばね用シートの各部の寸法を示す図表である。 （Ａ）は、コイルばねの表面から内部に至る硬さの変化を示すグラフ、（Ｂ）は、コイルばねの表面側の硬さの変化を示すグラフである。 （Ａ）は、せん断応力に対するクラックの発生を示す説明図、（Ｂ）は、（Ａ）のクラック発生数の指標を示す説明図である。 白層及び表層との関係における曲げ応力に対するクラックの発生を示す説明図である。 圧入代範囲を示すグラフである。 コイルばね用シートの取り付けを示し、（Ａ）は、要部断面図、（Ｂ）は、要部拡大断面図である。（実施例１） コイルばね用シートの取り付けを示し、（Ａ）は、要部断面図、（Ｂ）は、要部拡大断面図である。（比較例） コイルばね用シートの取り付けに係り、（Ａ）は、要部断面図、（Ｂ）は、（Ａ）のＸＢ部拡大断面図である。（実施例２） コイルばね用シートの取り付けに係り、（Ａ）は、要部断面図、（Ｂ）は、（Ａ）のＸＩＢ部拡大断面図である。（実施例２）

シート部材であるコイルばね用シートとコイルばねとの適正に係合させ、コイルばねの座巻部とコイルばね用シートとの無理な干渉を抑制し、耐久性向上を可能とするという目的を、コイルばねは、座巻部が本体部に対し相対的に縮径して一巻目まで形成され、本体部及び座巻部の間に座巻部から本体部へ漸次拡径する遷移部を有し、コイルばね用シートは、座巻部の座面に受け面が当接する座部と、この座部の受け面から突出された取付軸部と、この取付軸部の先端に形成された圧入ガイド用の拡径部とを有し、取付軸部は、座巻部が嵌合して座巻部の座面が座部の受け面に当接した自由状態でコイルばね用シートの拡径部との間に隙間を有するか又は隙間が零となる軸長に設定され、遷移部は、座巻部の座面が座部の受け面に当接した状態で拡径部を迂回することで実現した。

また、シート部材とコイルばねの座巻部との係合代（圧入代）を十分に取りながら座巻部の破壊を抑制することを可能にするという目的を、コイルばねが、深さ５０μｍ以下の表層硬化層と表面から３μｍ以下の白層とを備えルことで実現した。

［コイルばね］
図１は、本発明実施例１に係るコイルばね組立体のコイルばね及びコイルばね用シートを分解して示す側面図である。

図１のコイルばね組立体１は、例えば自動車用ミッションダンパーや、自動車用足回りのリバウンドスプリング等に供される。

このコイルばね組立体１は、コイルばね３とコイルばね用シート５とからなっている。

コイルばね３は、その材質は特に限定されるものではないが、例えば、ばね用シリコンクロム鋼オイルテンパー線（ＳＷＯＳＣ）の高強度材で形成され、本体部７の両端に相対的に縮径し一巻目まで形成され座巻部９、１１を備えている。本体部７及び座巻部９、１１の間に、座巻部９、１１から本体部７へ漸次拡径する遷移部１３、１５を有している。

このコイルばね３は、窒化処理により深さ５０μｍの表層と表面から３μｍ以下、好ましくは１．５μｍ程度の白層とを備えている。コイルばね３の白層の硬さは、７５０Ｈｖ以上に設定されている。かかる表層、白層、硬さの設定により、座巻部９、１１にコイルばね用シート５を圧入するとき、破壊しないように靭性を与えることができる。

座巻部９、１１の座面研磨は、周方向で１８０°以上、例えば先端から通常２７０°（３／４巻き）の範囲で行われ、座面９ａ、１１ａを形成している。従って、後述するコイルばね用シート５の受け面に安定して当接し、着座することができる。

コイルばね用シート５は、その材質は特に限定されるものではないが、鉄系材料に浸炭窒化焼入れ焼き戻しが施されたものであり、例えば、機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ、Ｓ６０Ｃ、その他）、ヘッダ（冷間圧造用）炭素鋼（ＳＷＣＨ）などで形成されている。

このコイルばね用シート５は、例えば一対備えられ、両座巻部９、１１に取付けられる。なお、図１では、座巻部９側のコイルばね用シート５のみを示して説明する。座巻部１１側のコイルばね用シートの取り付け構造は、座巻部９側と同様であり、説明は省略する。

コイルばね用シート５は、座部１７と、取付軸部１９と、拡径部２１とを有している。

座部１７は、周回形状に形成され、受け面１７ａを有している。座部１７の外径は、座巻部９の外径と同一又は僅かに大きく若しくは小さく形成される。これにより、座部１７を座巻部９に安定して当接させることができる。

取付軸部１９は、座部１７の受け面１７ａから同心に突出形成され、この取付軸部１９の先端に拡径部２１が圧入ガイド用として形成されている。拡径部２１の外径は、座巻部９の内径よりも大きく、圧入代を有している。拡径部２１の先端外周には、圧入ガイド用の面取り２１ａが形成されている。

取付軸部１９は、座巻部９が嵌合して座巻部９の座面９ａが座部１７の受け面１７ａに当接した自由状態でコイルばね用シート５の拡径部２１との間に隙間を有するか又は隙間が零となる軸長に設定されている。

取付軸部１９への座巻部９の嵌合は、コイルばね３の一巻目で形成される座巻部９が取付軸部１９の全周に周回で行われる。

座巻部９と拡径部２１との間の隙間は、座巻部９が拡径部２１に接触しない程度であれば良く、不必要に空ける必要はない。隙間が零の状態は、座巻部９が拡径部２１に接触はするが座巻部９に応力が作用しない状態を言う。

遷移部１３は、座巻部９の座面９ａが座部１７の受け面１７ａに当接した状態で拡径部２１を迂回し、遷移部１３が拡径部２１に接触しないように設定されている。

この迂回は、遷移部１３が座巻部９から本体部７へ渦巻きを漸次拡大するようにして行われる。この迂回により座巻部９が取付軸部１９の径方向へ相対移動しても遷移部１３は拡径部２１に接触しないか、隙間が零になる状態となる。
［圧入代範囲及びクラック］
図２は、コイルばね用シートの拡大側面図、図３は、コイルばね用シートの各部の寸法を示す図表である。

図２のようにコイルばね用シート５の取付軸部１９の軸長をＢ寸法、取付軸部１９の直径をＨ寸法、拡径部２１の直径をＧ寸法とする。

図２、図３のように、実施例のＧ寸法は、比較例３種に比べて大きくしてある。このＧ寸法を大きくすることで、圧入代が大きくなる。Ｇ寸法は、座巻部９の内径が寸法公差を見込んだ最大のときよりも大きい値を設定している。圧入代を大きくすることで座巻部９に対するコイルばね用シート５の脱落を防ぐことができる。なお、比較例３種は、一般的なコイルばね用シートの寸法割合を示すものである。

本発明実施例のコイルばね ３は、窒化処理を行った比較例のコイルばねに対し、圧入代が大きくなっても材質に関係なく座巻部９の破壊が抑制される窒化処理 となっている。

つまり、本発明実施例では、窒化処理により上記のように深さ５０μｍの表層と表面から３μｍ以下、好ましくは１．５μｍ程度の白層とを形成した。コイルばね３の白層の硬さは、前記のように７５０Ｈｖ以上に設定されている。このため、高い表面硬さと白層の柔らかさとを実現させ、靭性の高いコイルばね３を得ることができた。

これに対し、比較例は窒化処理により８０〜１２０μｍの表層と２．５〜５μｍの白層とが形成されたものであり、硬さはあるが靱性が低く、本発明実施例のように圧入代が大きくなると座巻部が破壊される欠点がある。

図４は、本発明実施例及び比較例３種を示し、（Ａ）は、コイルばねの表面から内部に至る硬さの変化を示すグラフ、（Ｂ）は、コイルばねの表面側の硬さの変化を示すグラフである。図４の縦軸はビッカース硬さ（Ｈｖ）を示し、横軸は表面からの深さ（ｍｍ）を示す。

図４のように、本発明実施例のコイルばね３は、表面から５０μｍの深さにおいて６００Ｈｖを僅かに上回る程度の硬さとなっているのに対し、比較例３種のコイルばねは、表面から６０μｍの深さにおいても６００Ｈｖを上回る硬さとなっている。

このように、本発明実施例のコイルばね３は、比較例３種に対し、硬さ及び靭性において全く異なる設定とした。この設定により比較例に対し高い表面硬さと白層の柔らかさとを実現させ、靭性の高いコイルばね３となった。

図５（Ａ）は、せん断応力に対するクラックの発生を示す説明図、（Ｂ）は、（Ａ）のクラック発生数の指標を示す説明図である。コイルばねの有効部をリング状に切断し、図中白抜き矢印のように両側から引っ張り、クラックの発生を確認した。図５の縦軸は、曲げ応力（σＭＰａ）を示す。

クラックの発生を３ケ、２ケ、１ケ、無の４種類とし、曲げ応力との対応を見た。

図５のように、本実施例では、曲げ応力σ＝１８００ＭＰａまでクラックの発生は無く、２０００ＭＰａで２ケ、２２００ＭＰａで１ケ、２４００ＭＰａで３ケのクラックが発生する結果を得た。

比較例１、２、３は、何れもσ＝１８００ＭＰａで３ケのクラックが発生する結果となった。

この結果より、本発明実施例は、比較例よりも圧入代範囲を大きくすることができることが分かる。

図６は、白層及び表層との関係における曲げ応力に対するクラックの発生を示す説明図である。図６の縦軸は曲げ応力（ＭＰａ）、横軸は、表層の深さ（μｍ）を示す。この場合、図５の場合と同様にして引っ張り、クラックの発生を確認した。

図６のように、表層５０μｍ、白層略３．０μｍ以下において、σ＝１８００ＭＰａ以上でも○で示すようにクラックの発生は無かった。この表層５０μｍ、白層略３．０μｍ以下の構成により、コイルばね３の材質に関わらずクラックの発生を防止できる。

これに対し、表層５０μｍ以下であっても、白層３．５μｍ、白層５．２μｍでは、σ＝１８００ＭＰａを下回る範囲でもクラックが発生した。

さらに、白層５０μｍを上回る範囲では、白層２．５〜５．７μｍの何れにおいてもσ＝１８００ＭＰａ以下においてクラックが発生した。

かかる結果からも明らかなように、深さ５０μｍの表層と表面から３μｍ以下の白層との組み合わせにより、高い表面硬さでありながらクラックが容易には発生しない靭性の高いコイルばね３を得ることができた。

このような本発明実施例の従来にないコイルばね３の特性により圧入代範囲を大きくすることができた。

図７は、圧入代範囲を示すグラフである。横軸はコイルばねの内径、縦軸は圧入代を示す。図７の線分Ｕは最大圧入代を示し、コイルばねが破壊しない限界であり、線分Ｌは最小圧入代を示し、使用時にコイルばねからコイルばね用シートが抜け落ちない限界である。

図７のように、比較例では圧入時の破壊を考慮しコイルばねの内径に応じａ、ｂ、ｃの３種の圧入代範囲から選択する。３種類ａ、ｂ、ｃから選択するのは、比較例のコイルばねは相対的に靭性が低く、内径に対する変形代が小さいからである。比較例では、この圧入代範囲の選択においてもコイルばねに対するコイルばね用シートの抜けがみられた。

これに対し本実施例のコイルばね３は、比較例よりもはるかに高い靭性を有し、圧入代範囲を広げることができ、ｄにすることができた。この圧入代範囲ｄは、コイルばね３の内径に係わらず比較例３種の圧入代範囲ａ、ｂ、ｃをすべて包含することができた。しかも、本実施例の圧入代範囲ｄでは、コイルばね３に対するコイルばね用シート５の抜けはなかった。

［適正な取り付け］
図２、図３に戻り、本実施例のコイルばね用シート５のＨ寸法は、比較例に比べ、小さく設定されている。座巻部９の内径が寸法公差を見込んだ最小のときより小さくすることで、コイルばね３との干渉を防ぎ、座巻部９が応力緩和する寸法となっている。

Ｂ寸法は、比較例に比べ、大きくなっている。この寸法は、コイルばね３の１巻目が拡径部２１に当たらないように設定されるものである。

つまり、本発明実施例のコイルばね用シート ５は、コイルばねの素線の直径を２２ｍｍ、コイル座巻外径１６．９０ｍｍ、コイル座巻内径１１．６５ｍｍとしたとき、Ｂ寸法において比較例１．６０ｍｍに対し２．４９ｍｍと長く設定されている。

かかるＢ寸法の設定により、座巻部９へのコイルばね用シート５の取り付けは、図８のようになる。図９は、比較例に係る。

図８は、本実施例のコイルばね用シートの取り付けを示し、（Ａ）は、要部断面図、（Ｂ）は、要部拡大断面図、図９は、比較例のコイルばね用シートの取り付けを示し、（Ａ）は、要部断面図、（Ｂ）は、要部拡大断面図である。

前記図３の本実施例及び比較例のコイルばね用シートの各部の寸法において、取付軸部の軸長Ｂの相違により、図８、図９の干渉の有無となる。

図８のように、本発明実施例では、取付軸部１９に座巻部９が嵌合して座巻部９の座面９ａが座部１７の受け面１７ａに当接し座巻部９の自由長状態で、先端９ｂ上に位置する素線一巻目９ｃが、拡径部２１に対して隙間を有している。

この隙間を有したまま遷移部１３がコイル径を漸次拡大するように遷移しながら拡径部２１を迂回して接触せず、遷移部１３でのさらなる半巻目１３ａの位置で拡径部２１の外周側に隙間を持ってオフセットし、本体部７へと遷移する。実施例では二巻目に至る前にコイルばね用シート５の軸方向外に至る。

したがって、図８の本発明実施例では、コイルばね用シート５のＢ寸法（図２）が大きく、座巻部９及び遷移部１３が拡径部２１に干渉しない。このため、コイルばね組立体１の耐久性を維持することができると共に、座巻部９の座面９ａとコイルばね用シート５の受け面１７ａとの間の隙間を抑制し、取り付けを安定させることができる。

これに対し、図９の比較例は、コイルばね用シート５ＡのＢ寸法（図２）が相対的に小さく、座巻部９の座面９ａが座部１７の受け面１７ａに当接した状態で、コイルばね３の先端９ｂ上に位置する素線一巻目９ｃが、拡径部２１に干渉する。断面により図には表れないが、二巻目に至る遷移部も拡径部２１に干渉する形態となる。なお、図９では、干渉部を重ねて図示している。

このような比較例の構造は、コイルばね３の座巻部９とコイルばね用シート５Ａとの無理な干渉を招き、耐久性が損なわれると共に、座巻部９の座面９ａとコイルばね用シート５Ａの受け面１７ａとの間に大きな隙間ができ、取り付けが不安定になる。

図１０、図１１は実施例２のコイルばね用シートの取り付けに係り、（Ａ）は、要部断面図、（Ｂ）は、（Ａ）のＸＢ部、ＸＩＢ部拡大断面図である。

図１０、図１１のように、本実施例のコイルばね３Ａは、断面円形の素線ではなく、断面オーバル形状の素線を用いた。コイルばね３Ａは、素線のコイル内径側３Ａａの断面が例えば半楕円形状部で構成され、コイル外径側３Ａｂの断面が半円形状部で構成されている。

図１０の例は、コイル外径側３Ａｂの半円形状部の曲率半径を、実施例１の円形断面と同一にしたとき、座巻部９Ａ（１１Ａ）とコイルばね用シート５の拡径部２１との間の隙間が実施例１に比較して大きくなることを示している。

したがって、本実施例の場合、コイルばね用シート５のＢ寸法（図２）を小さくして図１１のように座巻部９Ａ（１１Ａ）とコイルばね用シート５の拡径部２１との間の隙間の縮小を図ることができる。

その他、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

３、３Ａ コイルばね
３Ａａ コイル内径側
３Ａｂ コイル外径側
５、５Ａ コイルばね用シート
７ 本体部
９、９Ａ、１１、１１Ａ 座巻部
９ａ、９Ａａ、１１ａ、１１Ａａ 座面
１３、１５ 遷移部
１７ 座部
１７ａ 受け面
１９、１９Ａ 取付軸部
２１ 拡径部

Claims (4)

1. 本体部の両端に座巻部を備えたコイルばねと前記座巻部に取付けられるコイルばね用シートとからなるコイルばね組立体であって、
   前記コイルばねは、前記座巻部が前記本体部に対し相対的に縮径して一巻目まで形成され、前記本体部及び座巻部の間に前記座巻部から本体部へ渦巻きを漸次拡径する遷移部を有し、
   前記コイルばね用シートは、前記座巻部の座面に受け面が当接する座部と、この座部の受け面から突出された取付軸部と、この取付軸部の先端に形成された圧入ガイド用の拡径部とを有し、
   前記取付軸部は、前記座巻部が嵌合して該座巻部の座面が前記座部の受け面に当接した自由状態で前記コイルばね用シートの拡径部との間に隙間を有するか又は隙間が零となる軸長に設定され、
   前記遷移部は、前記座巻部の座面が前記座部の受け面に当接した状態で前記拡径部を迂回し、拡径部に接触しないか、隙間が零になる、
   ことを特徴とするコイルばね組立体。
2. 請求項１に記載のコイルばね組立体であって、
   前記コイルばねは、深さ５０μｍ以下の表層硬化層と表面から３μｍ以下の白層とを備えた、
   ことを特徴とするコイルばね組立体
3. 請求項２に記載のコイルばね組立体であって、
   前記コイルばねは、前記白層の硬さが７５０Ｈｖ以上である、
   ことを特徴とするコイルばね組立体。
4. 請求項１〜３の何れか１項記載のコイルばね組立体であって、
   前記コイルばねの素線は、断面オーバル形状であり、コイル外径側が前記素線の断面半円形状部で構成された、
   ことを特徴とするコイルばね組立体。

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