JP6790130B2 - 懸架装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば車両の懸架装置などに使用可能な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。

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。

図１３Ａに従来のコイルばね１００の一例が模式的に示されている。コイルばね１００の下側の座巻部１００ａは、下側のばね座１０１によって支持されている。コイルばね１００の上側の座巻部１００ｂは、上側のばね座１０２によって支持されている。ばね座１０１，１０２の位置は、コイルばねを支える相手部品の仕様に応じて決められている。素線が螺旋形に巻かれているため、コイルばね１００はコイル中心に対し左右対称形ではない。このためコイルばね１００に圧縮の荷重Ｆ１を加えると、有効部１００ｃが矢印ｆ１で示す方向に曲がり、いわゆる胴曲り（bowing）が生じることが知られている。特に巻数が少ないコイルばね（例えば巻数が５以下）の場合、胴曲りが生じやすい。胴曲りを生じたコイルばね１００は、周囲の部品と干渉する可能性があり、好ましくない。

胴曲りが生じることを防ぐために、図１３Ｂに示す他の従来例のように、荷重が負荷されていない自由形状（free shape）がＣ形あるいはＳ形となるように成形されたコイルばね１１０も提案されている。このコイルばね１１０は、圧縮の荷重Ｆ１を加えた状態において、有効部１１０ｃが矢印ｆ２で示す方向に変形することにより、有効部１１０ｃが真っ直ぐになることをねらっている。

特開平１−１５６１１９公報 特許第２６４２１６３号公報

特許文献１（特開平１−１５６１１９公報）あるいは特許文献２（特許第２６４２１６３号公報）に、Ｃ形に成形されたコイルばねが示されている。このような特殊形状のコイルばねは、熱間成形コイリングマシンによって製造することが実際には難しいことがあるため、冷間成形コイリングマシンが使用される。しかし冷間成形コイリングマシンは、線径が大きいコイルばねを製造する場合に、コイリングマシンの構造や制御に格別な対策が必要であった。

本発明の目的は、熱間成形コイリングマシンによって製造することが可能で、しかも胴曲りが抑制され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、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前記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、前記下側のばね座と前記上側のばね座とが互いに平行でないストラットタイプの懸架装置であって、前記コイルばね(2)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有効部と、前記有効部を圧縮する力が前記下側の座巻部と前記上側の座巻部とに負荷された状態において前記下側の座巻部に加わる力の重心と前記上側の座巻部に加わる力の重心とを結ぶ直線からなる荷重軸とを有し、前記荷重軸が前記下側のばね座と前記上側のばね座とに対し角度をなして傾いている。前記有効部は、このコイルばねが圧縮されていない自由形状（無荷重時）において、前記有効部の軸まわりに円筒形である。つまりこのコイルばねは、無荷重時に前記有効部の軸を中心軸とした円筒形である。また前記有効部は、このコイルばねが圧縮されていない自由形状（無荷重時）において、前記有効部の軸をＺ軸としたとき、Ｚ軸方向にピッチが一定である。

しかも前記有効部は、前記下側のばね座と前記上側のばね座との間で指定高さまで圧縮された圧縮形状（圧縮時）において、前記荷重軸をＺ軸とする座標系に関し、前記Ｚ軸方向にピッチが一定でかつコイル径が実質的に一定の円筒形（荷重軸を中心軸とした円筒形）をなしている。さらにこのコイルばねは、前記荷重軸と前記下側のばね座の中心との差、および前記荷重軸と前記上側のばね座の中心との差に応じて、前記下側の座巻部と前記上側の座巻部とをコイル中心から偏心させ、かつ、前記指定高さにおける前記下側の座巻部と上側の座巻部の傾きを、それぞれ、前記下側のばね座と上側のばね座の傾きに対応させるとよい。

本実施形態のコイルばねによれば、指定高さに圧縮された状態において、有効部に胴曲りが生じない。このためこのコイルばねは、例えば車両の懸架装置に組込まれた状態において、周囲の部品と干渉することが回避される。しかも本実施形態のコイルばねは、熱間成形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懸架装置の断面図である。 図２は、図１に示されたコイルばねの側面図である。 図３は、同コイルばねが最大に圧縮された状態の側面図である。 図４は、同コイルばねが最大に伸びた状態の側面図である。 図５は、図１に示された懸架装置の下側のばね座と上側のばねを模式的に示す図である。 図６は、３種類のコイルばねの素線の巻数位置と荷重軸（force line）からの距離との関係をそれぞれ示す図である。 図７は、図２に示されたコイルばねの素線の巻数位置とピッチとの関係を示す図である。 図８は、３種類のコイルばねの素線の巻数位置と高さとの関係をそれぞれ示す図である。 図９は、熱間成形コイリングマシンの一部の平面図である。 図１０は、第２の実施形態に係るコイルばねの側面図である。 図１１は、図１０に示されたコイルばねが最大に圧縮された状態の側面図である。 図１２は、図１０に示されたコイルばねが最大に伸びた状態の側面図である。 図１３Ａは、従来のコイルばねの断面図である。 図１３Ｂは、他の従来のコイルばねの断面図である。

以下に本発明の１つの実施形態に係るコイルばねについて、図１から図９を参照して説明する。
図１に示す MacPherson Strut type の懸架装置１は、懸架用コイルばね２（これ以降、単にコイルばね２と称す）と、ショックアブソーバからなるストラット３とを備えている。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４を有している。コイルばね２は、下側のばね座１０と上側のばね座１１との間で圧縮された状態で、懸架装置１に取付けられている。ストラット３の上端は、マウントインシュレータ１２を介して車体１３に取付けられている。ストラット３の下部にブラケット１５が設けられている。ブラケット１５には、車軸を支持するためのナックル部材１６（一部のみ示す）が取付けられている。ストラット３は、重力の鉛直線ＸＬに対し、上端側が車両内側に角度θ１だけ軸線Ｘ０が傾いた状態で車体１３に取付けられている。

図２に示されるようにコイルばね２は、下側のばね座１０と上側のばね座１１との間で圧縮されている。図３は、コイルばね２が最大に圧縮された状態を示している。図４は、コイルばね２が最大に伸びた状態を示している。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。下側の座巻部２０の下面２０ａは、下側のばね座１０に接している。上側の座巻部２１の上面２１ａは、上側のばね座１１に接している。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。有効部２２の巻数の一例は４である。下側の座巻部２０は、素線４の下端から例えば０．６〜０．７巻き付近までである。上側の座巻部２１は、素線４の上端から例えば０．８巻き付近までである。下側のばね座１０は、上側のばね座１１に対してストラット３の軸線Ｘ０方向に相対的に移動することができる。

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と座巻部２０とが互いに接し、座巻部２０に加わる力の重心Ｃ１が存在する。力の重心Ｃ１は座巻部２０の巻きの中心（曲率中心）にあるとは限らない。すなわち力の重心Ｃ１は、ばね座１０と座巻部２０との接触力の分布に依存する。上側のばね座１１と座巻部２１とが互いに接しているため、座巻部２１に加わる力の重心Ｃ２が存在する。この明細書では、下側の座巻部２０の力の重心Ｃ１と上側の座巻部２１の力の重心Ｃ２とを結ぶ直線を荷重軸ＦＬ(force line)と称する。荷重軸の位置(force line position)を略してＦＬＰと称することもある。荷重軸ＦＬは、下側の座巻部２０の巻きの中心と上側の座巻部２１の巻きの中心から径方向に偏心した位置にある。

本実施形態のコイルばね２は、圧縮された状態（圧縮形状）において、有効部２２のコイル中心が荷重軸ＦＬと一致するように、座巻部２０，２１の形状と座巻部２０，２１の曲率の中心の偏心位置とが調整されている。つまりコイルばね２の有効部２２は、荷重軸ＦＬを中心としてコイル径が実質的に一定の円筒形である。ここで「実質的に一定」とは、素線４を熱間成形コイリングマシンの芯金に巻付けることによって円筒形の有効部２２を成形した場合に、許容範囲内の成形誤差やスプリングバックによる形状の乱れを無視できる程度であることを意味している。有効部２２のピッチＰ１（図２に示す）は、荷重軸ＦＬをＺ軸とした座標系において、実質的に一定である。このためこのコイルばね２は、Ｚ軸方向に作用する圧縮の荷重に対し、荷重軸ＦＬまわりに均等に潰れる。

図２から図４に示された２点鎖線ＣＹ１は、有効部２２の外周の位置を表している。図２中の破線ＣＹ２は、従来のコイルばねの有効部の外周の位置を表している。従来の有効部は、本実施形態の有効部２２よりも車両内側に配置されていた。ばね座１０，１１の位置は、従来も本実施形態も同じである。

コイルばね２にＺ軸方向の圧縮の荷重を加えると、下側のばね座１０と上側のばね座１１との間で有効部２２が圧縮される。本実施形態のコイルばね２は、圧縮されていない自由形状と圧縮形状とのいずれの場合も、胴曲りを生じていない。

自由形状（無荷重時）において、有効部２２は、その軸まわりに円筒形である。つまり自由形状の有効部２２は、有効部２２の軸を中心軸とした円筒形である。また自由形状の有効部２２は、有効部２２の軸をＺ軸としたときＺ軸方向にピッチが一定である。

指定高さまで圧縮された圧縮形状の有効部２２は、荷重軸ＦＬをＺ軸とする座標系において、Ｚ軸（荷重軸ＦＬ）方向にピッチが一定の円筒形である。圧縮されたコイルばね２の有効部２２は、荷重軸ＦＬをＺ軸とする座標系に関し、荷重軸ＦＬを中心としたピッチ一定の円筒形をなしている。

圧縮形状の有効部２２は、自由形状と比較して、荷重軸ＦＬまわりの全周にわたり、コイル径が同等に大きくなる。すなわちコイルばね２が圧縮されると、荷重軸ＦＬまわりに均等に胴膨れを生じる。胴膨れを生じたコイルばね２は、胴曲りを生じるコイルばねと比較して、周囲の部品と干渉する可能性は小さい。

図５に示されるように、下側のばね座１０は、荷重軸ＦＬと直角な線分Ｓ１に対し、角度θ２をなして傾いている。上側のばね座１１は、荷重軸ＦＬと直角な線分Ｓ２に対し、角度θ３をなして傾いている。すなわち下側のばね座１０と上側のばね座１１とは、互いに平行ではない。しかも荷重軸ＦＬは、下側のばね座１０と上側のばね座１１に対して、角度θ２，θ３をなして斜めに傾いている。

胴曲りをなくしたいばね高さ（指定高さ）における荷重軸ＦＬと座巻部の中心との偏差分を、下側のばね座１０と上側のばね座１１の偏心量として与える。そして角度θ２，θ３を下側のばね座１０と上側のばね座１１の座面角度として与える。ただし、コイルばねの胴曲り方向がばね座１０，１１の傾き方向からずれていることもある。その場合には、その胴曲りを相殺する方向へ、ばね座１０，１１の座面の方向と角度を少し修正する必要がある。

例えば本実施形態のコイルばね２は、荷重軸ＦＬと下側のばね座１０の中心との差、および荷重軸ＦＬと上側のばね座１１の中心との差に応じて、下側の座巻部２０と上側の座巻部２１とをコイル中心から偏心させている。また指定高さにおける下側の座巻部２０と上側の座巻部２１との傾きを、それぞれ、下側のばね座１０と上側のばね座１１の傾きに対応させている。

図６中の線Ｌ１は、コイルばね２の素線４の巻数位置と荷重軸ＦＬからの距離との関係を示している。図６中の線Ｌ１で示されるように、有効部では、荷重軸ＦＬから素線までの距離が荷重軸ＦＬまわりにほぼ一定である。下側の座巻部の一例では、Ｗ１で示されるように、素線の下端から有効部に向かって、荷重軸ＦＬからの距離が大きくなってから小さくなる波形をなしている。上側の座巻部の一例では、Ｗ２で示されるように、素線の上端から有効部に向かって、荷重軸ＦＬからの距離が小さくなってから大きくなる波形をなしている。図６中の線Ｌ２は、従来のコイルばね（巻数：４）の素線の巻数位置と荷重軸ＦＬからの距離との関係を示している。従来のコイルばねは、荷重軸ＦＬから素線までの距離が荷重軸ＦＬまわりに大きく変化している。

図７中の線Ｌ３は、コイルばね２が圧縮された状態（圧縮形状）において、素線の巻数位置とピッチとの関係を示している。図７中の線Ｌ４は、コイルばね２が圧縮されていない自由形状において、素線の巻数位置とピッチとの関係を示している。圧縮形状において、有効部のピッチは荷重軸ＦＬに沿う方向（Ｚ軸方向）に関して実質的に一定である。荷重が負荷されていない自由形状において、有効部のピッチは、有効部のコイル中心に関して実質的に一定である。

図８中の線Ｌ５は、コイルばね２の自由形状での素線の巻数位置と高さとの関係を示している。図８中の線Ｌ５で示されるように、有効部は、巻数位置に応じて次第に高さが大きくなっている。下側の座巻部の一例では、素線の下端から有効部に向かって、高さが大きく増加してから高さの増加が小さくなる（波形にうねる）形状である。上側の座巻部の一例では、素線の上端に向かって高さが増加している。これに対し従来のコイルばねの一例は、図８中の線Ｌ６で示されるように、下側の座巻部と上側の座巻部の高さが、それぞれ、ほとんど変化せずにフラットな形状である。

図９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の一部を示している。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１０は、第２の実施形態に係るコイルばね２Ａを示している。図１１は、コイルばね２Ａが最大に圧縮された状態の側面図である。図１２は、コイルばね２Ａが最大に伸びた状態の側面図である。コイルばね２Ａは、第１の実施形態のコイルばね２と同様に、下側のばね座１０によって支持される下側の座巻部２０Ａと、上側のばね座１１によって支持される上側の座巻部２１Ａと、座巻部２０Ａ，２１Ａ間の有効部２２Ａとを含んでいる。

有効部２２Ａの巻数は３である。有効部２２Ａのコイル径は、第１の実施形態の有効部２２のコイル径よりも大きい。この有効部２２Ａは、第１の実施形態の有効部２２と同様に、自由形状および圧縮形状のいずれの場合も、荷重軸ＦＬまわりに胴曲りが生じていない形状（円筒形）である。すなわち有効部２２Ａは、圧縮されていない自由形状において、有効部２２Ａの軸まわりに円筒形である。また指定高さまで圧縮された圧縮形状では、荷重軸ＦＬをＺ軸とする座標系において、Ｚ軸（荷重軸ＦＬ）方向にピッチが一定の円筒形をなしている。

第２の実施形態の素線４Ａの線径は、第１の実施形態の素線４の線径よりも小さい。図１０から図１２に示された２点鎖線ＣＹ３は、有効部２２Ａの外周の位置を表している。図１０中の破線ＣＹ４は、従来のコイルばねの有効部の外周の位置を表している。従来の有効部は、本実施形態の有効部２２Ａよりも車両内側に配置されていた。ばね座１０，１１の位置は、従来も本実施形態も同じである。

図６中の線Ｌ１７は、第２の実施形態のコイルばね２Ａの素線の巻数位置と荷重軸ＦＬからの距離との関係を示している。図６中の線Ｌ１７で示されるように、有効部では、荷重軸ＦＬから素線までの距離が荷重軸ＦＬまわりにほぼ一定である。下側の座巻部は、Ｗ１で示されるように、素線の下端から有効部に向かって、荷重軸ＦＬからの距離が大きくなってから小さくなる波形をなしている。上側の座巻部は、Ｗ２で示されるように、素線の上端から有効部に向かって、荷重軸ＦＬからの距離が小さくなってから大きくなる波形をなしている。

図８中の線Ｌ１８は、第２の実施形態のコイルばね２Ａの自由形状での素線の巻数位置と高さとの関係を示している。図８中の線Ｌ１８で示されるように、有効部は、巻数位置に応じて次第に高さが大きくなっている。下側の座巻部は、素線の下端から有効部に向かって、高さが大きくなってから小さくなる（波形にうねる）形状である。上側の座巻部は、素線の上端に向かって高さが増加している。

このコイルばねは、ストラットタイプのサスペンションに限らず、例えばリンクモーションタイプのサスペンションに使用することもできる。また本実施形態のコイルばねは、懸架装置以外の用途に使用することも可能である。

１…懸架装置、２…コイルばね、３…ストラット、４…素線、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、Ｃ１，Ｃ２…力の重心、ＦＬ…荷重軸。

Claims (3)

1. 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)と前記上側のばね座(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、前記下側のばね座(10)と前記上側のばね座(11)とが互いに平行でないストラットタイプの懸架装置であって、
   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)との間の有効部(22)と、
   前記有効部(22)を圧縮する力が前記下側の座巻部(20)と前記上側の座巻部(21)とに負荷された状態において、前記下側の座巻部(20)に加わる力の重心(C1)と前記上側の座巻部(21)に加わる力の重心(C2)とを結ぶ直線からなる荷重軸(FL)とを有し、
   前記荷重軸(FL)が前記下側のばね座(10)と前記上側のばね座(11)とに対し角度(θ3)をなして傾き、
   前記有効部(22)は、圧縮されていない自由形状において該有効部(22)の軸まわりに円筒形でかつピッチが一定であり、
   前記下側のばね座(10)と前記上側のばね座(11)との間で指定高さまで圧縮された圧縮形状では、前記荷重軸(FL)をＺ軸とする座標系に関し、前記Ｚ軸方向にピッチが一定でかつコイル径が実質的に一定の円筒形をなしている懸架装置。
2. 請求項１に記載の懸架装置において、
   前記コイルばね(2)の前記荷重軸(FL)と前記下側のばね座(10)の中心との差、および前記荷重軸(FL)と前記上側のばね座(11)の中心との差に応じて、前記下側の座巻部(20)と前記上側の座巻部(21)とをコイル中心から偏心させ、かつ、前記指定高さにおける前記下側の座巻部(20)と上側の座巻部(21)の傾きを、それぞれ、前記下側のばね座(10)と上側のばね座(11)の傾きに対応させた懸架装置。
3. 請求項１に記載の懸架装置において、
   前記コイルばね(2)の前記圧縮形状の前記有効部(22)のコイル径が、前記自由形状の前記有効部(22)のコイル径と比較して、前記荷重軸(FL)まわりの全周にわたり同等に拡大する懸架装置。

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