JP6569004B2 - 中空コイルばね - Google Patents

Description

この発明は、中空のロッドを材料として用いる中空コイルばねに関する。

自動車等の車両の懸架装置は、コイルばねと、上側のばね座と、下側のばね座とを有している。上側のばね座は、コイルばねの上端を支持する。下側のばね座は、コイルばねの下端を支持する。コイルばねは、下側のばね座と上側のばね座との間で圧縮される。そしてこのコイルばねは、下側のばね座と上側のばね座との間に加わる荷重の大きさに応じて伸縮する。車両の燃料消費量を少なくするため、あるいは走行性能を高めるために、車両を軽量化する要望がますます高まっている。懸架装置を構成するコイルばねも例外ではなく、軽量化を余儀なくされている。

特許文献１に、コイルばねを軽量化する手段として、材料に中空のロッド（中空のワイヤ）を用いる中空コイルばねが記載されている。特許文献１の中空コイルばねは、中空のロッドとは別部品であるキャップによって、ロッドの先端の開口を塞いでいる。特許文献２には、中空コイルばねのロッドの先端の開口をスピニング加工によって閉鎖する技術が記載されている。そのロッドの先端はスピニング加工によって半球形（ドーム形）に成形される。

特開２００７−１２７２２７号公報 特開２０１２−１１７６１２号公報

特許文献１に記載されている中空コイルばねは、ロッドとは別部品であるキャップによってロッドの先端の開口を塞いでいる。このため、キャップが変形したりキャップが外れたりする可能性がある。特許文献２の中空コイルばねは、キャップを用いることなく、ロッドの先端の開口を端末封止部によって閉鎖することができる。本発明者達は、中空ばね部材の端末封止部の試作や品質評価を行ってきた。本発明者達が鋭意研究したところ、従来の端末封止部に問題があることがわかった。例えば中空ばね部材に焼入や焼戻し等の熱処理を行なったところ、ロッドの急激な温度変化が端末封止部に影響を与えたためか、端末封止部の密封性に問題が生じた。

従って本発明の目的は、ロッドの先端が確実に閉鎖された端末封止部を有する中空コイルばねを提供することにある。

本発明の１つの実施形態は、螺旋形に成形された中空のロッドからなる中空コイルばねであって、前記ロッドの端部に端末封止部を有している。この端末封止部は、前記ロッドの中心を通る軸線を対称軸とする回転対称形をなし、端面を含む端壁部と、先端中心閉鎖部と、前記端壁部の内面に形成された凹部とを有している。前記先端中心閉鎖部は、前記端壁部の中心の前記軸線上に形成されている。前記凹部は、前記軸線を対称軸とする回転対称形である。しかも前記凹部は、前記端壁部の肉厚が前記軸線に近付くほど小さくなる形状であり、該凹部の中心が前記軸線上に位置している。中空ばね部材の１つの形態は、螺旋形に形成された中空のロッド（ワイヤ）からなる中空コイルばねである。中空ばね部材の他の形態は、トーション部とアーム部とが形成された中空のロッドからなる車両用スタビライザである。中空ばね部材の一例がトーションロッドであってもよい。

本実施形態の端末封止部を形成するために絞り加工が行われる。絞り加工では、加熱されたロッドを該ロッドの軸線まわりに回転させる。回転するロッドの外周面に絞り治具を接触させ、絞り治具をロッドの先端に向かって前記軸線に沿う方向に移動させる。これと同時に、前記絞り治具をロッドの中心に向けて移動させる。この絞り加工を１回以上繰り返すことにより、ロッドの先端開口部が絞られてゆく。最終的にロッドの先端開口部が軸線（回転中心）上で接合し、一体化することにより、密閉された先端中心閉鎖部が形成される。

本発明に係る中空コイルばねによれば、端末封止部の端壁部に形成された先端中心閉鎖部の肉厚を凹部の分だけ周囲よりも小さくすることができる。このため熱処理等の温度変化（加熱あるいは急冷等）に対して、先端中心閉鎖部付近の温度がいち早く均一となる。よって、先端中心閉鎖部に過剰な温度差が生じることによる熱応力の影響が抑制され、先端中心閉鎖部の密封性を確実なものにすることができる。

図１は、中空コイルばねを備えた車両用懸架装置の一部を示す斜視図である。 図２は、第１の実施形態に係る中空コイルばねの端末封止部の断面図である。 図３は、図２に示された端末封止部の正面図である。 図４は、絞り加工装置の一部を模式的に示す側面図である。 図５は、端末封止部が形成される前の中空のロッドの端部の一例を示す断面図である。 図６は、中空コイルばねの製造工程の一例を示すフローチャートである。 図７は、端部の内側に面取り部を有するロッドの例を示す断面図である。 図８は、端部の外側に面取り部を有するロッドの例を示す断面図である。 図９は、第２の実施形態に係る端末封止部の断面図である。 図１０は、第３の実施形態に係る端末封止部の断面図である。 図１１は、第４の実施形態に係る車両用スタビライザの平面図である。 図１２は、第５の実施形態に係るトーションロッドの平面図である。

以下に第１の実施形態に係る中空コイルばねと、この中空コイルばねの製造方法について、図１から図６を参照して説明する。中空コイルばねは中空ばね部材の一例である。
図１は、車両用懸架装置の一例として、マクファーソン・ストラットタイプの懸架装置１の一部を示している。本実施形態の懸架装置１は、中空コイルばね１０と、下側のばね座１１と、上側のばね座１２と、ショックアブソーバ１３とを備えている。下側のばね座１１は、中空コイルばね１０の下側の座巻部１０ａを支持する。上側のばね座１２は、中空コイルばね１０の上側の座巻部１０ｂを支持する。ショックアブソーバ１３は、ストラットとして機能する。中空コイルばね１０は、マクファーソン・ストラットタイプ以外の懸架装置に使用されてもよい。

図１に示された中空コイルばね１０は、下側のばね座１１と上側のばね座１２との間に圧縮された状態（予荷重を与えた状態）で車体に組付けられる。この中空コイルばね１０は、車体の上方から負荷される荷重を弾性的に支持する。中空コイルばね１０は、荷重の大きさに応じてばね座１１，１２間で圧縮される。このため、荷重に応じてばね座１１，１２間の距離が変化する。

本実施形態の中空コイルばね１０は、螺旋形に成形（コイリング）された中空のロッド（中空のワイヤ）２０を有している。中空のロッド２０は中空コイルばね１０の材料であり、ばね鋼からなる。中空コイルばね１０の具体的な形状は、円筒コイルばねに限らず、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、その他の形状のばねなど、種々の形態であってもよい。

ロッド２０の材料は、熱間（例えば鋼がオーステナイト化する温度域）で加工されるばね用の鋼材である。鋼材の種類は特に限定されないが、例えば一般的な懸架コイルばね用の鋼材を使用できる。ばね鋼以外にも、例えば高強度鋼や浸炭用鋼でもよい。あるいは炭素濃度が０．１５〜０．６０ｗｔ％程度の低炭素鋼を使用することができる場合もある。要するに各種鋼材を適用することができる。

中空コイルばね１０の両端すなわちロッド２０の両端部２０ａ，２０ｂに、それぞれ、端末封止部３０が形成されている。端末封止部３０は、ロッド２０が螺旋形に成形（コイリング）される前に、予め、絞り加工装置６０によって形成される。

図２は、端末封止部３０の軸線Ｘ１に沿う方向の断面を示している。図３は、図２に示された端末封止部３０の正面図である。ロッド２０の軸線Ｘ１と直角な径方向の断面は円形である。図２に示されるように端末封止部３０は、ロッド２０の中心Ｃ（図３に示す）を通る軸線Ｘ１を対称軸とする回転対称形をなしている。すなわちこの端末封止部３０は、軸線Ｘ１まわりに任意の角度まで回転しても、軸線Ｘ１に沿う断面が変わらない形状である。軸線Ｘ１に沿う断面とは、ロッド２０の中心Ｃ（軸線Ｘ１）を通る長手方向の断面のことである。ロッド２０の内部に密閉空間３１が形成されている。

端末封止部３０は、端面４０を含む端壁部４１と、弧状曲面４２とを有している。端面４０の中心４０ｃが軸線Ｘ１上に位置している。図２に示された端面４０は、中心４０ｃ付近が外側に僅かに突き出た凸形をなしている。端面４０が軸線Ｘ１と略垂直な平坦な形状でもよい。あるいは、端面４０が円弧状に多少膨らんだ凸形をなしていてもよい。弧状曲面４２は、ロッド２０の外周面２０ｃと端面４０との間に円弧状に形成されている。この弧状曲面４２は、ロッド２０の外周面２０ｃと端面４０との間を滑らかな曲面をなしてつないでいる。ロッド２０の内面２０ｄは、外周面２０ｃと同様に、軸線Ｘ１を対称軸とする回転対称形である。

図２に示されるように、端壁部４１の中心で軸線Ｘ１上に、先端中心閉鎖部４３が形成されている。中空のロッド２０の先端（先端開口部）２０ｅが、絞り加工によって軸線Ｘ１に向けて絞り込まれる。絞り込まれたロッド２０の先端（先端開口部）２０ｅが、軸線Ｘ１上で合わさって接合し一体化することにより、先端中心閉鎖部４３が形成される。端壁部４１の内面には、軸線Ｘ１を対称軸とする回転対称形の凹部４５が形成されている。凹部４５は、端壁部４１の肉厚ｔが軸線Ｘ１に近付くほど小さくなる形状である。しかも凹部４５の中心（凹部４５の先端４５ａ）は、先端中心閉鎖部４３と同様に、軸線Ｘ１（対称軸）上に位置している。凹部４５の中心に先端中心閉鎖部４３が形成されている。先端中心閉鎖部４３の肉厚ｔ１は、周囲の肉厚ｔよりも小さい。

図４は、絞り加工装置６０の一部を模式的に示す側面図である。絞り加工装置６０によって、ロッド（中空のワイヤ）２０の端部２０ａに端末封止部３０が形成される。図５は、端末封止部３０が形成される前のロッド２０の断面図である。ロッド２０の外径Ｄの一例はφ１９ｍｍ、厚さＴの一例は３ｍｍである。ロッド２０は軸線Ｘ１を対称軸とする回転対称形である。

図４に示す絞り加工装置６０は、旋盤６１と、加熱手段６２と、絞り機構６４とを有している。旋盤６１は、ロッド２０をチャックして軸線Ｘ１まわりに回転させる。加熱手段６２は、ロッド２０の端部２０ａを加熱する。絞り機構６４は、ローラ状の絞り治具６３を備えている。加熱手段６２の一例はガスバーナである。加熱手段６２の好ましい他の例は、高周波誘導加熱コイルである。ロッド２０の端部２０ａを加熱するためには、高周波誘導加熱コイルが推奨される。回転するロッド２０に絞り治具６３が接した状態において、絞り治具６３は自転軸６３ａを中心に従動回転する。

ロッド２０の端部２０ａが旋盤６１によって回転する。回転するロッド２０の端部２０ａが加熱手段６２によって例えばオーステナイト化温度に加熱される。加熱されたロッド２０は赤くなり、加工に適した柔らかさとなる。加熱されたロッド２０が旋盤６１によって軸線Ｘ１まわりに回転する。こうして加熱され、回転するロッド２０の端部２０ａの外周面２０ｃに、絞り治具６３の先端が当てられる。絞り治具６３の先端を、ロッド２０の先端（先端開口部）２０ｅから数十ミリ（例えば２０ｍｍ）の絞り開始点Ｐ１（図４と図５に示す）に当てる。さらにこの絞り治具６３を、矢印Ｐ２で示す方向（軸線Ｘ１に沿う方向）に移動させる。これと同時に、絞り治具６３を軸線Ｘ１に向かってロッド２０の径方向に移動させる。

このような絞り治具６３の動きにより、ロッド２０の先端（先端開口部）２０ｅを、外周面２０ｃ側から軸線Ｘ１に向かって摺り寄せるように塑性流動させる。そしてロッド２０の先端（先端開口部）２０ｅの径が次第に小さくなるように絞ってゆく。この絞り加工を、ロッド２０の温度があまり低下しないうちに複数回行う。こうすることにより、絞り込まれたロッド２０の先端２０ｅが軸線Ｘ１上で接合して一体となる。その結果、密封された先端中心閉鎖部４３が端壁部４１に形成される。

端壁部４１の中心の軸線Ｘ１上に、先端中心閉鎖部４３が存在する。この先端中心閉鎖部４３は絞り加工により密閉されている。このため、端壁部４１の外部から水や油、ガス等の流体が先端中心閉鎖部４３を通って密閉空間３１内に浸入することを回避できる。

端末封止部３０の端面４０と弧状曲面４２とは、絞り加工装置６０によって端末封止部３０を成形する際に形成される。すなわち端面４０と弧状曲面４２とは、絞り加工の途中で、絞り治具６３の移動軌跡に応じて形成することができる。このため、端面４０や弧状曲面４２を形成するための機械加工等の別工程をわざわざ追加する必要がない。端壁部４１の内面には、軸線Ｘ１を対称軸とする回転対称形の凹部４５が形成されている。

凹部４５は、ロッド２０の先端２０ｅを絞り治具６３によって絞り込む際に、絞り治具６３の動きを制御することにより形成することができる。先端中心閉鎖部４３は軸線Ｘ１上に位置している。端壁部４１の中心の肉厚（先端中心閉鎖部４３の肉厚ｔ１）は、凹部４５が形成されている分だけ周囲の肉厚よりも小さくなっている。このため、コイルばね１０を熱処理する際の温度変化（加熱あるいは急冷）に対して、先端中心閉鎖部４３付近の温度がいち早く均一となる。すなわち先端中心閉鎖部４３の温度ばらつきが小さくなり、先端中心閉鎖部４３に生じる熱応力を小さくすることができた。熱応力が抑制されたことにより、先端中心閉鎖部４３の密封性が確実となり、先端中心閉鎖部４３の弱点を克服することができた。

図６は中空コイルばね１０の製造工程の一例を示している。図６中の端末封止工程Ｓ１において、ロッド２０の両端部２０ａ，２０ｂにそれぞれ端末封止部３０が形成される。そののちコイリング工程Ｓ２において、ロッド２０がコイルばね製造装置によって螺旋形に成形される。コイルばね製造装置の一例は、回転するマンドレルと、回転ヘッド部と、ロッドの先端を回転ヘッド部に固定するためのチャックと、ロッドを案内するガイドなどを備えている。

コイリング工程Ｓ２では、ロッド２０の先端（端末封止部３０）が前記コイルばね製造装置の前記チャックによって回転ヘッド部に固定される。そしてマンドレルを回転させながら、前記ガイドをマンドレルの軸線方向に移動させることにより、ロッド２０が所定ピッチでマンドレルにコイル状に巻き付く。すなわちこのコイルばね１０は熱間加工により螺旋状に成形される。成形されたコイルばね１０はマンドレルから取り外される。

図６中の熱処理工程Ｓ３において、コイルばね１０に焼入れおよび焼き戻し等の熱処理が行なわれる。この熱処理によって、ばねとして必要な硬さの鋼の熱処理組織が形成される。ショットピーニング工程Ｓ４では、ショットピーニング機によってショットピーニングが実施される。このショットピーニングによって、コイルばね１０の表面に圧縮の残留応力が生じる。さらにセッチング工程Ｓ５においてコイルばね１０にセッチングが行われる。塗装工程Ｓ６においてコイルばね１０が塗装されたのち、検査工程Ｓ７において検査され、合格したコイルばね１０が製品となる。

図７は、ロッド２０の端部２０ａの内側に面取り部７０が形成された例である。ロッド２０の外径Ｄがφ１９ｍｍ、厚さＴが３ｍｍのロッド２０の場合、面取り部７０の長さＬ１を２ｍｍとした。面取り部７０はこれ以外の長さであってもよい。この例のようにロッド２０の内側に面取り部７０を有するロッド２０の端部２０ａを、図４に示す絞り加工装置６０によって絞り加工を行うことにより、凹部４５を有する端末封止部３０を形成してもよい。

図８は、ロッド２０の端部２０ａの外側に面取り部７１が形成された例である。ロッド２０の外径Ｄがφ１９ｍｍ、厚さＴが３ｍｍのロッド２０の場合、面取り部７１の長さＬ２を２ｍｍとした。面取り部７１はこれ以外の長さであってもよい。この例のようにロッド２０の外側に面取り部７１を有するロッド２０の端部２０ａを、図４に示す絞り加工装置６０によって絞り加工を行うことにより、凹部４５を有する端末封止部３０を形成してもよい。

図９は、第２の実施形態に係る端末封止部３０Ａの断面を示している。この端末封止部３０Ａも、第１の実施形態の端末封止部３０と同様に、ロッド２０の軸線Ｘ１を対称軸とする回転対称形をなしている。すなわち端末封止部３０Ａは、軸線Ｘ１（対称軸）に沿う断面において、端壁部４１と、弧状曲面４２と、先端中心閉鎖部４３と、凹部４５とを有している。端壁部４１は、軸線Ｘ１に対して垂直でほぼ平坦な端面４０ａを含んでいる。弧状曲面４２は端面４０ａと外周面２０ｃとに連なっている。先端中心閉鎖部４３は、端壁部４１の中心で軸線Ｘ１上に形成されている。凹部４５は、軸線Ｘ１を対称軸とする回転対称形である。凹部４５の中心（凹部４５の先端４５ａ）が軸線Ｘ１上に位置している。ほぼ平坦な端面４０ａは、例えば平坦な押圧面を有する治具を端壁部４１に押付けることによって形成することが可能である。

図１０は、第３の実施形態に係る端末封止部３０Ｂの断面を示している。この端末封止部３０Ｂも、ロッド２０の軸線Ｘ１を対称軸とする回転対称形をなしている。すなわち端末封止部３０Ｂは、軸線Ｘ１（対称軸）に沿う断面において、端壁部４１と、弧状曲面４２と、先端中心閉鎖部４３と、凹部４５とを有している。端壁部４１は、軸線Ｘ１に対して垂直でほぼ平坦な端面４０ａを含んでいる。弧状曲面４２は、端面４０ａと外周面２０ｃとに連なっている。先端中心閉鎖部４３は、端壁部４１の中心で軸線Ｘ１上に形成されている。凹部４５は、軸線Ｘ１を対称軸とする回転対称形である。凹部４５の中心（凹部４５の先端４５ａ）が軸線Ｘ１上に位置している。凹部４５の中心の肉厚、すなわち先端中心閉鎖部４３の肉厚ｔ２は、周囲の肉厚ｔよりも小さい。

図１１は第４の実施形態に係る車両用の中空スタビライザ８０を示している。中空スタビライザ８０は中空ばね部材の一例であり、車両の懸架機構部に配置される。中空スタビライザ８０は中空のロッド２０からなり、車両の幅方向に延びるトーション部８１と、トーション部８１の両端に連なるアーム部８２，８３と、取付部８４，８５とを有している。取付部８４，８５は、それぞれ、前記実施形態と同様の端末封止部を有する中空のロッド２０の端部を加工することにより形成されている。

図１２は第５の実施形態に係る中空トーションロッド（トーションバー）９０を示している。中空トーションロッド９０は中空ばね部材の一例であり、ねじりの荷重が負荷される。このトーションロッド９０は中空のロッド２０からなる。中空トーションロッド９０の両端に取付部９１，９２が設けられている。取付部９１，９２は、それぞれ、前記実施形態と同様の端末封止部を有する中空のロッド２０の端部を加工することにより形成されている。

本発明は中空コイルばね以外に、例えば中空のロッドからなるスタビライザやトーションロッド等の中空ばね部材に適用することもできる。また端末封止部の端壁部の形状や凹部の形状についても、本発明を逸脱しない範囲で様々な形状を採用することができる。中空ばね部材の材料であるロッド（中空ワイヤあるいは中空ロッド）の径や鋼種についても前記実施形態に限定されるものではない。

１０…中空コイルばね、２０…ロッド、２０ａ…端部、２０ｃ…外周面、２０ｄ…内面、２０ｅ…先端、３０，３０Ａ，３０Ｂ…端末封止部、３１…密閉空間、４０，４０ａ…端面、４１…端壁部、４３…先端中心閉鎖部、４５…凹部、４５ａ…凹部の先端、６０…絞り加工装置、６１…旋盤、６２…加熱手段、６３…絞り治具、６４…絞り機構、７０…内側の面取り部、７１…外側の面取り部、８０…中空スタビライザ、９０…中空トーションロッド、Ｘ１…ロッドの軸線（対称軸）。

Claims (2)

1. 螺旋形に成形された中空のロッド(20)からなり、該ロッド(20)の端部(20a)に端末封止部(30)(30A)(30B)を有する中空コイルばねであって、
   前記端末封止部(30)(30A)(30B)は、
   前記ロッド(20)の中心を通る軸線(X1)を対称軸とする回転対称形をなし、かつ、
   端面(40)(40a)を含む端壁部(41)と、
   前記端壁部(41)の中心の前記軸線(X1)上に存する先端中心閉鎖部(43)と、
   前記端壁部(41)の内面に形成され、前記軸線(X1)を対称軸とする回転対称形の凹部(45)と、
   を有した中空コイルばね。
2. 請求項１に記載の中空コイルばねにおいて、
   前記端壁部(41)の前記凹部(45)の肉厚が前記軸線(X1)に近付くほど小さくなり、該凹部(45)の中心が前記軸線(X1)上に位置している中空コイルばね。

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