JP6786632B2 - 懸架装置 - Google Patents

Description

この発明は、自動車等の車両のリンクモーションタイプの懸架装置に使用される車両懸架用コイルばねに関する。

コイルばねを製造する方法として、熱間でコイルばねを成形する方法と、冷間でコイルばねを成形する方法とが知られている。熱間で成形されるコイルばねは、高温（例えば鋼のオーステナイト化温度）に加熱された素線を芯金（マンドレル）に所定ピッチで巻付けることにより螺旋形に成形される。素線の長さはコイルばね１個分である。この明細書では、熱間でコイルばねを製造する装置を熱間成形コイリングマシンと称し、熱間で成形されたコイルばねを熱間成形コイルばねと称す。熱間成形コイリングマシンは、加熱されて柔らかくなった素線を芯金に巻付けるため、素線径が比較的大きいコイルばねを製造するのに適している。熱間成形コイルばねは、コイルばね１個分の長さの素線を芯金に巻付ける。このためコイリング前に素線の端部に、目的に応じた形状の塑性加工部を形成しておくことができる。

これに対し冷間で成形されるコイルばねは、コイルばね複数個分の長さの素線をコイリングマシンの第１ピンと第２ピンとの間に供給し、第１ピンと第２ピンとの間で素線を連続的に円弧状に成形する。１個分のコイルばねが成形されると、素線がカッタによって切断される。この明細書では、冷間でコイルばねを製造する装置を冷間成形コイリングマシンと称し、冷間で成形されたコイルばねを冷間成形コイルばねと称す。冷間成形コイリングマシンは、円筒形以外の特殊形状のコイルばねを製造することもできる。冷間成形コイルばねは、材料に長尺な素線を用い、１個分のコイルばねが成形されるごとに素線が切断される。このため、コイリング前に素線の端部に、目的に応じた形状の塑性加工部を形成しておくことが難しい。

特許文献１（特開２０００−２７２５３５号公報）あるいは特許文献２（特開２００８−１８７８４号公報）に、リンクモーションタイプ（link motion type）の懸架装置が示されている。リンクモーションタイプは knee action type とも称され、ピボットを中心に上下方向に回動するリンク部材と、リンク部材に設けられた下側のばね座と、車体に設けられた上側のばね座と、前記リンク部材を下方に付勢するコイルばね等を備えている。コイルばねは下側のばね座と上側のばね座との間に配置されている。前記リンク部材は、ピボットを中心に上下方向に回動する。このためリンク部材の上下方向の位置に応じて、下側のばね座の傾きが変化する。

特開２０００−２７２５３５号公報 特開２００８−１８７８４号公報

前記コイルばねの下側の座巻部は下側のばね座によって支持されている。前記コイルばねの上側の座巻部は上側のばね座によって支持されている。このためリンク部材が上下方向に回動すると、前記コイルばねの圧縮量が変化するだけでなく、下側の座巻部の傾きに応じて、前記コイルばねが曲がる現象（いわゆる胴曲り）が生じる。胴曲りが生じたコイルばねは、応力のばらつきが大きい。しかもコイルばねが最大に圧縮された状態（full bump）と、コイルばねが最大に伸びた状態（rebound）とで、コイルばねの応力が大きく変化するため、応力振幅が大きい。このため応力低減（stress reduction）と軽量化（weight reduction）を図る上で、さらなる改良が望まれていた。

本発明の目的は、リンクモーションタイプの懸架装置に使用されるコイルばねにおいて、応力振幅を小さくすることができ、しかも熱間成形コイリングマシンによって製造するのに適したコイルばねを有する懸架装置を提供することにある。

本発明の１つの実施形態は、上下方向に回動するリンク部材と、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からなり前記下側のばね座と上側のばね座との間に圧縮した状態で配置されたコイルばねとを備え、前記リンク部材の上下方向の位置に応じて前記下側のばね座の傾きが変化するリンクモーションタイプの懸架装置であって、前記下側のばね座が、前記リンク部材のピボットに近い側の第１の支持部と前記ピボットから遠い側の第２の支持部とを含み、前記コイルばねが、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、前記下側の座巻部と前記上側の座巻部との間の円筒形の有効部と、前記下側の座巻部に形成された胴曲り制御部とを具備している。前記胴曲り制御部は、該座巻部の長さ方向の途中の厚さ変化部から前記素線の下端に向かって厚さと曲げ剛性が小さくなるテイパー部を含み、前記厚さ変化部が前記第１の支持部に配置されかつ前記素線の下端が前記第２の支持部に配置され、前記下側のばね座の傾きの変化を前記テイパー部によって吸収することにより前記有効部の胴曲りを抑制する。

前記テイパー部の形態は、フラットテイパー形、ラウンドテイパー形、座面研磨形などである。本発明に係るコイルばねは、リンク部材の動きに応じてばね座が二次元あるいは三次元運動するリンクモーションタイプの懸架装置において、上下の座巻部の少なくとも一方にテイパー部を有する胴曲り制御部を形成している。そのテイパー部によって座巻部の剛性を小さくすることで、前記ばね座の傾きの変化の大部分を吸収し、ばね座の反力を有効部に伝えないことで有効部の胴曲りを抑制する。すなわち座巻部によって有効部の胴曲りを制御する座巻剛性制御ばねである。

本実施形態によれば、リンクモーションタイプの懸架装置において、リンク部材が上下方向に回動する際のばね座の傾きの変化を、前記胴曲り制御部のテイパー部が変形することによって吸収できる。結果として前記有効部の胴曲りが抑制され、コイルばねの応力振幅を小さくすることができる。しかも前記テイパー部は、素線をコイリングする前に素線の両端を塑性加工することによって予め形成しておくことができる。このためこのコイルばねは、熱間コイリングマシンによって製造することができる。

図１は、第１の実施形態に係るコイルばねを備えたリンクモーションタイプの懸架装置において、コイルばねがリバウンド位置にあるときの断面図である。 図２は、図１に示された懸架装置において、コイルばねがフルバンプ位置まで圧縮された状態の断面図である。 図３は、同コイルばねが圧縮されていない自由状態の側面図である。 図４は、同コイルばねを上方から見た平面図である。 図５は、同コイルばねの素線のテイパー部の斜視図である。 図６は、同コイルばねの素線のテイパー部の正面図である。 図７は、同コイルばねの素線のテイパー部を加工する装置の一部を示す斜視図である。 図８は、同コイルばねのリバウンド位置での応力と、フルバンプ位置での応力とを示した図である。 図９は、従来のコイルばねのリバウンド位置での応力と、フルバンプ位置での応力とを示した図である。 図１０は、熱間成形コイリングマシンの平面図である。 図１１は、第２の実施形態に係るテイパー部の斜視図である。 図１２は、図１１に示されたテイパー部の正面図である。 図１３は、第３の実施形態に係るテイパー部の側面図である。 図１４は、図１３中のＦ１４−Ｆ１４線に沿う断面図である。

以下に本発明の１つの実施形態に係るリンクモーションタイプの懸架装置に使用されるコイルばねについて、図１から図８を参照して説明する。
図１は、リンクモーションタイプの懸架装置１を模式的に表している。この懸架装置１は、コイルばね２と、リンク部材３とを有している。コイルばね２は、螺旋形に成形されたばね鋼からなる素線（ワイヤ）４を有している。リンク部材３は、ピボット（揺動軸）５を中心に上下方向に回動する。

リンク部材３に下側のばね座１０が設けられている。下側のばね座１０の上方に上側のばね座１１が設けられている。上側のばね座１１は車体部材１２の下面に配置されている。コイルばね２は、下側のばね座１０と上側のばね座１１との間に圧縮された状態で配置され、リンク部材３を下方に付勢している。

下側のばね座１０は、ピボット５に近い側の第１の支持部１０ａと、ピボット５から遠い側の第２の支持部１０ｂとを有している。リンク部材３はピボット５を中心に上下方向に回動するため、下側のばね座１０はリンク部材３の上下方向の位置に応じて傾きが変化する。下側のばね座１０の第１の支持部１０ａはピボット５に近いため、リンク部材３が上下方向に回動する際に高さの変化が小さい。これに対し第２の支持部１０ｂはピボット５から遠いため、リンク部材３が上下方向に回動する際に高さの変化が大きい。

図１は、コイルばね２とリンク部材３とがリバウンド位置まで移動した状態を示している。「リバウンド」とは、車体をリフトしたときに、コイルばねが最大に伸びた状態である。図２は、コイルばね２とリンク部材３とがフルバンプ位置まで移動した状態を示している。「フルバンプ」とは、コイルばねが荷重によって最大に圧縮された状態である。リンク部材３は、コイルばね２の圧縮量に応じて、ピボット５を中心に上下方向に移動する。すなわちコイルばね２とリンク部材３とは、図１に示すリバウンド位置と、図２に示すフルバンプ位置との間を移動する。

図３は、圧縮の荷重が負荷されていない自由形状のコイルばね２を示している。コイルばね２にコイル中心軸Ｃ１に沿う圧縮の荷重が負荷されると、コイルばね２の長さは自由状態の長さよりも短くなる。コイルばね２は、下側のばね座１０によって支持される下側の座巻部２０と、上側のばね座１１によって支持される上側の座巻部２１と、座巻部２０，２１間の有効部２２とを含んでいる。有効部２２は、圧縮の荷重が負荷されていない自由状態において、実質的に胴曲り（bowing）が生じていない形状（円筒形）である。自由状態の有効部２２のピッチＰ１はほぼ一定である。

下側の座巻部２０の下面は、下側のばね座１０の上面と対向している。下側の座巻部２０は、コイルばね２が圧縮された状態において下側のばね座１０と接する部分であり、素線４の下側の先端４Ｘから例えば０．６〜０．７巻き付近までである。上側の座巻部２１の上面は、上側のばね座１１の下面と対向している。上側の座巻部２１は、コイルばね２が圧縮された状態において上側のばね座１１と接する部分であり、素線４の上側の先端４Ｙから例えば０．８巻き付近までである。有効部２２は、コイルばね２が最大に圧縮された状態において、互いに隣り合う素線４の巻回部どうしが互いに接することがなく、ばねとして有効に機能する部分である。

図４は、コイルばね２を上方から見た平面図である。図４中のＣ２は、ピボット５の回転中心軸を示している。ピボット５の回転中心軸Ｃ２とコイルばね２の中心Ｃ１とを結ぶ線分Ｃ３は、リンク部材３の長さ方向に延びている。よってリンク部材３は、線分Ｃ３を通る上下方向の面に沿って、ピボット５の回転中心軸Ｃ２まわりに回動する。

コイルばね２は、素線４の下端側に形成された第１のテイパー部２５と、素線４の上端側に形成された第２のテイパー部２６とを有している。第１のテイパー部２５は、下側の座巻部２０の長さ方向の途中の第１の厚さ変化部２５ａから、素線４の下側の先端４Ｘに向かって、第１の長さＴＬ１（図４に示す）にわたり、素線４の厚さがテイパー状に減少している。素線４の径は、例えば１２．８ｍｍである。第１の長さＴＬ１の一例は１８０ｍｍであり、素線４の先端４Ｘから０．３７５巻きである。第１のテイパー部２５の先端４Ｘは、第１のテイパー厚みＴ１（図１に示す）となっている。第１のテイパー部２５は第１の胴曲り制御部１００として機能する。

第２のテイパー部２６は、上側の座巻部２１の長さ方向の途中の第２の厚さ変化部２６ａから、素線４の上側の先端４Ｙに向かって、第２の長さＴＬ２（図４に示す）にわたり素線４の厚さがテイパー状に減少している。第２の長さＴＬ２の一例は１８６ｍｍであり、素線４の先端４Ｙから０．５２５巻きである。第２のテイパー部２６の先端４Ｙは、第２のテイパー厚みＴ２（図１に示す）となっている。第２のテイパー部２６は第２の胴曲り制御部１０１として機能する。

下側の座巻部２０の下面は、下側のばね座１０の上面と対向している。下側のばね座１０は、ピボット５に近い側の第１の支持部１０ａと、ピボット５から遠い側の第２の支持部１０ｂとを含んでいる。すなわち下側のばね座１０は、リンク部材３が上下方向に回動するときの高さ変化が小さい第１の支持部１０ａと、高さ変化が大きい第２の支持部１０ｂとを含んでいる。第１の支持部１０ａは、下側の座巻部２０の下面のうち、ピボット５に近い部分を支持している。第２の支持部１０ｂは、下側の座巻部２０の下面のうち、ピボット５から遠い部分を支持している。

上側の座巻部２１の上面は、上側のばね座１１の下面と対向している。上側のばね座１１は、ピボット５に近い側の第３の支持部１１ａと、ピボット５から遠い側の第４の支持部１１ｂとを含んでいる。第３の支持部１１ａは、上側の座巻部２１の上面のうち、ピボット５に近い部分を支持している。第４の支持部１１ｂは、上側の座巻部２１の上面のうち、ピボット５から遠い部分を支持している。

図４に示されるように第１のテイパー部２５は、下側のばね座１０の第１の支持部１０ａから第２の支持部１０ｂの方向に延びている。第２のテイパー部２６は、上側のばね座１１の第３の支持部１１ａから第４の支持部１１ｂの方向に延びている。第１のテイパー部２５の下面２５ｂは、下側のばね座１０の第２の支持部１０ｂに接する。下側の座巻部２０は安定した状態で下側のばね座１０によって支持される。第２のテイパー部２６の上面２６ｂは、上側のばね座１１の第３の支持部１１ａに接する。上側の座巻部２１は安定した状態で上側のばね座１１によって支持される。

この実施形態の場合、リンク部材３はピボット５を中心に上下方向に回動する。しかし懸架装置の種類によっては、リンク部材が特定のピボットまわりに二次元回動することに加えて、別のピボットまわりに回動するといった三次元的な複雑な動きをすることもある。このためテイパー部２５，２６の最適な位置は懸架装置によって変わることがある。コイルばね２が圧縮されると厚さ変化部２５ａ，２６ａに接触力が集中するが、圧縮の状態によって接触力が集中する箇所も変化する。

図５は、下側の座巻部２０を直線状に展開した状態を示している。素線４の下端側には、座巻部２０の長さ方向の途中の第１の厚さ変化部２５ａから素線４の先端４Ｘにわたり、テイパー部２５が形成されている。第１の厚さ変化部２５ａから素線４の先端４Ｘに向かって、素線４の曲げ剛性が次第に小さくなってゆく。図６は素線４を先端４Ｘ側から見た正面図である。素線４の上端側には、座巻部２１の長さ方向の途中の第２の厚さ変化部２６ａから素線４の先端４Ｙにわたり、テイパー部２６が形成されている。第２の厚さ変化部２６ａから素線４の先端４Ｙに向かって、素線４の曲げ剛性が次第に小さくなってゆく。

図７は、第１のテイパー部２５と第２のテイパー部２６を塑性加工する装置の一部を示している。水平方向の圧延ローラ対２８によって素線４が上下方向から圧延されたのち、垂直方向の圧延ローラ対２９によって素線４が左右方向から圧延される。この動作が複数回繰返されることにより、素線４の一方の端部に、第１の厚さ変化部２５ａから素線４の先端４Ｘにわたり、フラットテイパー形の第１のテイパー部２５が形成される。フラットテイパー形の第１のテイパー部２５の幅は、実質的に素線４と同等である。素線４の他方の端部にも、フラットテイパー形の第２のテイパー部２６が形成される。フラットテイパー形のテイパー部の上面と下面とは、それぞれほぼ平坦である。

本実施形態のコイルばね２は、下側の座巻部２０に形成された第１のテイパー部２５と、上側の座巻部２１に形成された第２のテイパー部２６とを有している。第１のテイパー部２５は、下側のばね座１０の第１の支持部１０ａから第２の支持部１０ｂの方向に延びている。このような第１のテイパー部２５を下側の座巻部２０に形成したことにより、下側の座巻部２０の厚さ変化部２５ａから素線４の先端４Ｘまでの曲げ剛性が制御されている。第２のテイパー部２６は、上側のばね座１１の第３の支持部１１ａから第４の支持部１１ｂの方向に延びている。第２のテイパー部２６を上側の座巻部２１に形成したことにより、上側の座巻部２１の厚さ変化部２６ａから素線４の先端４Ｙまでの曲げ剛性が制御されている。

本実施形態のコイルばね２は、図２に示されるようにフルバンプ位置まで圧縮された状態においても、有効部２２は胴曲りを生じることなく、実質的に円筒形を維持することができた。図２中の１点鎖線Ｚ１はコイルばね２の有効部２２の外周の位置を表している。ばね座１０の大きな回動運動は、剛性の小さい座巻部２０が変形することによって吸収される。つまり有効部２２に胴曲りが生じることを座巻部２０によって抑制することができる。その結果、有効部２２の応力振幅を小さくすることができ、コイルばねの軽量化が可能となった。これに対し、座巻部にテイパー部を有しない従来のコイルばねは、図２中に曲線Ｒ１で示すように、有効部に胴曲りが生じた。

図８は、本実施形態のコイルばね２のリバウンド位置での応力と、フルバンプ位置での応力とを示している。図８中の線Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ、コイルばね２がリバウンド位置にあるときの最大主応力と最大せん断応力とを示している。図８中の線Ｌ３，Ｌ４は、それぞれ、コイルばね２がフルバンプ位置にあるときの最大主応力と最大せん断応力とを示している。本実施形態のコイルばね２はフルバンプ位置での応力のピークが小さく、しかも有効部の応力の変化が少ない。このためリバウンド位置の応力とフルバンプ位置の応力との差（応力振幅Ｑ１）が従来のコイルばねの応力振幅Ｑ２（図９に示す）よりも小さい。

図９は、座巻部にテイパー部を有しない従来のコイルばねのリバウンド位置での応力と、フルバンプ位置での応力とを示している。図９中の線Ｌ５，Ｌ６は、それぞれ、従来のコイルばねがリバウンド位置にあるときの最大主応力と最大せん断応力とを示している。図９中の線Ｌ７，Ｌ８は、それぞれ、従来のコイルばねがフルバンプ位置にあるときの最大主応力と最大せん断応力とを示している。従来のコイルばねはフルバンプ位置での応力のピークが大きい。従来のコイルばねの応力振幅Ｑ２は、本実施形態のコイルばねの応力振幅Ｑ１（図８に示す）よりも大きい。

図１０は、コイルばねを製造するための熱間成形コイリングマシン３０の一例を示している。このコイリングマシン３０は、円柱形の芯金３１と、チャック３３と、ガイド部３５とを含んでいる。芯金３１の一方の端部３１ａは、コイルばねの一端側（巻始め側）の座巻部に応じた形状である。ガイド部３５はガイド部材３９ａ，３９ｂを含んでいる。

ばね鋼からなる素線４は、予めコイルばねの１個分の長さに切断されている。この素線４は、オーステナイト化温度（Ａ_３変態点以上、１１５０℃以下）に加熱され、供給機構によって芯金３１に供給される。チャック３３は、素線４の先端を芯金３１に固定する。ガイド部３５は、芯金３１に巻付く素線４の位置を制御する。芯金３１の一方の端部３１ａは、芯金駆動ヘッド４０によって保持されている。芯金３１は、芯金駆動ヘッド４０によって、軸線Ｘ１まわりに回転する。芯金３１の他方の端部３１ｂは、芯金ホルダ５０によって回転自在に支持されている。ガイド部３５は、芯金３１の軸線Ｘ１に沿う方向に移動し、成形すべきコイルばねのピッチ角に応じて素線４を案内する。

素線４はコイルばね１個分の長さである。この素線４が加熱炉によって、熱間成形に適した温度に加熱される。加熱された素線４の先端がチャック３３によって芯金３１に固定される。芯金３１が回転するとともに、芯金３１の回転に同期して、ガイド部３５が芯金３１の軸線Ｘ１に沿う方向に移動する。これにより、芯金３１に素線４が所定ピッチで巻付いてゆく。以上の説明はコイルばねを熱間成形コイリングマシン３０によって製造する場合についてである。本実施形態のコイルばねは、冷間成形コイリングマシンによって製造することも可能である。

図１１は、第２の実施形態に係るコイルばねの素線４に形成されたラウンドテイパー形のテイパー部２６´を示している。図１２は、テイパー部２６´を先端４Ｙ側から見た正面図である。このテイパー部２６´は、厚さ変化部２６ａ´から素線４の先端４Ｙに向かって、素線４の全周の径がテイパー状に減少している。

ラウンドテイパー形のテイパー部２６´は、素線４の軸まわりに回転対称形である。熱間成形コイリングマシン３０（図１０に示す）によってコイルばねを成形する場合には、巻終わり側の座巻部をラウンドテイパー形のテイパー部２６´とするとよい。なぜなら、素線４はコイリング中に軸まわりにねじれるため、巻終わり側の座巻部の位置を正確に規制することが難しいからである。そこで巻終わり側の座巻部にラウンドテイパー形のテイパー部２６´を採用することにより、素線４のねじれの影響を回避することができる。巻始め側の座巻部は、チャック３３によって位置を規制することができるため、フラットテイパー形のテイパー部２５とする。このように第１のテイパー部と第２のテイパー部とのいずれか一方がフラットテイパー形であり、他方がラウンドテイパー形であってもよい。

図１３は、第３の実施形態に係るコイルばねの素線４のテイパー部２５´を示している。図１４は、図１３に示されたテイパー部２５´の断面を示している。コイリング後の素線４の端部の座面をグラインダ等によって研磨あるいは研削することにより、座面研磨形のテイパー部２５´が形成されている。テイパー部２５´は、厚さ変化部２５ａ´から素線４の先端４Ｘに向かって厚さがテイパー状に減少する。冷間成形コイルばねの場合には、素線をコイリングしたのち、座面研磨形のテイパー部２５´を形成することができる。

本実施形態のコイルばねは、自動車等の車両の懸架装置に使用することができる。このコイルばねは、熱間コイリングマシンによって製造することが可能である。

１…懸架装置、２…コイルばね、３…リンク部材、４…素線、４Ｘ，４Ｙ…素線の先端、５…ピボット、１０…下側のばね座、１１…上側のばね座、２０…下側の座巻部、２１…上側の座巻部、２２…有効部、２５，２５´…テイパー部、２５ａ，２５ａ´…厚さ変化部、２６，２６´…テイパー部、２６ａ，２６ａ´…厚さ変化部、１００，１０１…胴曲り制御部。

Claims (5)

1. 上下方向に回動するリンク部材(3)と、下側のばね座(10)と、上側のばね座(11)と、螺旋形に成形された素線(4)からなり前記下側のばね座(10)と上側のばね座(11)との間に圧縮した状態で配置されたコイルばね(2)とを備え、前記リンク部材(3)の上下方向の位置に応じて前記下側のばね座(10)の傾きが変化するリンクモーションタイプの懸架装置であって、
   前記下側のばね座(10)が、前記リンク部材(3)のピボット(5)に近い側の第１の支持部(10a)と前記ピボット(5)から遠い側の第２の支持部(10b)とを含み、
   前記コイルばね(2)が、
   前記下側のばね座(10)に接する下側の座巻部(20)と、
   前記上側のばね座(11)に接する上側の座巻部(21)と、
   前記下側の座巻部(20)と前記上側の座巻部(21)との間の円筒形の有効部(22)と、
   前記下側の座巻部(20)の長さ方向の途中の厚さ変化部(25a)から前記素線(4)の下端(4X)に向かって厚さと曲げ剛性が小さくなるテイパー部(25)(25’)を含み、前記厚さ変化部(25a)が前記第１の支持部(10a)に配置されかつ前記素線(4)の下端(4X)が前記第２の支持部(10b)に配置され、前記下側のばね座(10)の傾きの変化を前記テイパー部(25)(25’)によって吸収することにより前記有効部(22)の胴曲りを抑制する胴曲り制御部(100)と、
   を具備した懸架装置。
2. 請求項１に記載の懸架装置において、
   前記胴曲り制御部(100)の前記テイパー部(25)がフラットテイパー形である懸架装置。
3. 請求項１に記載の懸架装置において、
   前記胴曲り制御部(100)の前記テイパー部(25)がラウンドテイパー形である懸架装置。
4. 請求項１に記載の懸架装置において、
   前記胴曲り制御部(100)の前記テイパー部(25’)が座面研磨形である懸架装置。
5. 請求項１に記載の懸架装置において、
   熱間成形された円筒形の前記有効部(22)を有した懸架装置。

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