JPWO2018142832A1 - 車両懸架用コイルばね - Google Patents

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Abstract

１つの実施形態の車両懸架用コイルばね(2)は、下側の座巻部(20)と、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)とを有している。前記上側の座巻部(21)と前記下側の座巻部(20)との少なくとも一方に、このコイルばね(2)の荷重軸(FL)を制御するためのテイパー長さとテイパー厚みとを有するテイパー部(25)(26)が形成されている。このテイパー部(25)(26)は、座巻部(20)(21)の長さ方向の途中の厚さ変化部(25a)(26a)から、素線(4)の先端に向かって、厚さがテイパー状に減少している。前記厚さ変化部(25a)(26a)は荷重軸(FL)寄りの位置に配置されている。

Description

この発明は、自動車等の車両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、ストラットタイプの懸架装置に使用されるコイルばねが示されている。車両懸架用コイルばねの機能を最大限に発揮させるには、コイルばねの荷重軸（Force Line）を適切に制御することが重要である。このため従来は、コイルばねの有効部の形状を工夫したり、ばね座の形状を工夫したり、有効部と座巻部との相対位置を調整したりして、荷重軸を制御している。しかし荷重軸の制御は、当業者といえども決して簡単ではなかった。
本発明の目的は、座巻部の素線形状に基いて荷重軸を制御することができ、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車両懸架用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素線を有し、下側のばね座と上側のばね座との間に配置される車両懸架用コイルばねであって、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具備している。さらにこのコイルばねは、前記下側の座巻部または前記上側の座巻部の少なくとも一方に、前記荷重軸を制御するためのテイパー長さとテイパー厚みとを有したテイパー部を有している。このテイパー部は、座巻部の長さ方向の途中の厚さ変化部から前記素線の先端に向かって、素線の厚さがテイパー状に減少し、かつ前記厚さ変化部が前記荷重軸の寄りの位置に配置されている。前記下側の座巻部のみに前記テイパー部が形成されてもよいし、前記上側の座巻部のみに前記テイパー部が形成されてもよい。また前記下側の座巻部と前記上側の座巻部の両方に前記テイパー部が形成されてもよい。テイパー部の一例は、上面と下面とが平坦なフラットテイパー形のテイパー部である。テイパー部の他の例は、素線の全周が素線の先端に向かって断面が円形のまま減少するラウンドテイパーであってもよい。例えば冷間成形コイルばねの場合には、コイリングされた素線の端部を研磨加工することによって、前記テイパー部が形成されてもよい。
本実施形態の車両懸架用コイルばねによれば、座巻部に形成されたテイパー部の長さおよびテイパー厚み等に応じて荷重軸を制御することができるため、車両の懸架装置にコイルばねが組込まれた状態において、懸架ばねとして望まれる機能を発揮することができる。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端部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可能である。
図１は、第１の実施形態に係るコイルばねを備えた車両用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が圧縮されていない自由形状の側面図である。 図３は、同コイルばねがリバウンド位置まで圧縮された状態の側面図である。 図４は、同コイルばねが中立位置まで圧縮された状態の側面図である。 図５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６は、同コイルばねの素線のテイパー部の斜視図である。 図７は、同コイルばねの素線のテイパー部の正面図である。 図８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９は、第１のテイパー厚みおよび第２のテイパー厚みと、荷重軸との関係を表した図である。 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。 図１５は、第４の実施形態に係るコイルばねの側面図である。
以下に本発明の１つの実施形態に係る懸架用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、車両懸架用コイルばね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。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。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。
図２は、圧縮荷重が負荷されていない自由形状のコイルばね２とばね座１０，１１とを示している。図３は、コイルばね２がリバウンド位置まで圧縮された状態を示している。図４は、コイルばね２が中立位置まで圧縮された状態を示している。図５は、コイルばね２が最大に圧縮され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の下端から例えば０．６〜０．７巻き付近までである。ただし座巻部２０の長さは素線４の下端の位置に左右されるため、上記の長さ範囲に限らない。
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の上端から例えば０．８巻き付近までである。ただし座巻部２１の長さは素線４の上端の位置やコイルばねの巻数に左右されるため、上記の長さ範囲に限らない。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３に示されるように、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との間に、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との間にも、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。有効部２２は、圧縮の荷重が負荷されていない自由形状において、コイル中心軸まわりに実質的に胴曲り(bowing)が生じていない形状（円筒形）である。すなわち有効部２２のコイル径がコイル中心軸まわりに一定となっている。
この実施形態の場合、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。ただし他の実施形態では、素線４の下端側または上端側のいずれか一方のみにテイパー部が形成されていてもよい。このテイパー部は、荷重軸ＦＬの位置（ＦＬＰ）や傾きを制御するためのテイパー長さとテイパー厚みとを有している。この実施形態の第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の下端に向かって、第１の長さＴＬ１にわたり素線４の厚さがテイパー状に減少している。第１のテイパー部２５の先端の厚さを第１のテイパー厚みＴ１と称する。第１の厚さ変化部２５ａは、荷重軸ＦＬの下端寄りの位置に配置されている。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の上端に向かって、第２の長さＴＬ２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のテイパー部２６の先端の厚さを第２のテイパー厚みＴ２と称する。第２の厚さ変化部２６ａは，荷重軸ＦＬの上端寄りの位置に配置されている。
図２に示されるように、コイルばね２が圧縮されていない自由形状において、第１の厚さ変化部２５ａは下側のばね座１０と接しているが、第１のテイパー部２５の下面２５ｂは下側のばね座１０から離れている。第２の厚さ変化部２６ａは上側のばね座１１と接しているが、第２のテイパー部２６の上面２６ｂは上側のばね座１１から離れている。ただしコイルばねの形態によっては、圧縮の荷重が負荷されていない状態において、テイパー部がばね座に接している場合もありある。
図３から図５に示されるように、コイルばね２が圧縮された状態において、第１のテイパー部２５の下面２５ｂは下側のばね座１０に接する。このため下側の座巻部２０が安定した状態で下側のばね座１０によって支持される。コイルばね２が圧縮された状態において、第２のテイパー部２６の上面２６ｂは上側のばね座１１に接する。このため上側の座巻部２１が安定した状態で上側のばね座１１によって支持される。第１の厚さ変化部２５ａと第２の厚さ変化部２６ａとに接触力が集中する。
図６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。図７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の先端にわたり、テイパー部２６が形成されている。
図８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は、それぞれほぼ平坦である。
図９は、第１のテイパー厚みＴ１および第２のテイパー厚みＴ２と、荷重軸ＦＬとの関係を表している。素線４の径の一例は１２．８ｍｍである。第１のテイパー部２５の長さＴＬ１は例えば１８０ｍｍであり、素線４の下端から０．３７５巻きである。第２のテイパー部２６の長さＴＬ２は例えば１８６ｍｍであり、素線４の上端から０．５２５巻きである。ここに記載した数値はあくまで一例であり、コイルばねの仕様によって変化することは言うまでもない。
図９に示されるように、第１のテイパー厚みＴ１が小さくなるにつれて、荷重軸ＦＬが車両外側に７．２ｍｍ移動する。また、第２のテイパー厚みＴ２が小さくなるにつれて、荷重軸ＦＬの上端が車両内側に５ｍｍ移動する。したがって荷重軸ＦＬの移動量は最大１２．２ｍｍとなる。このことを利用して、コイルばね２の荷重軸ＦＬの傾きを制御するとともに、座巻部２０，２１と有効部２２との偏心量も合わせて調整することで、荷重軸ＦＬを目標位置に合わせることができる。
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（Ａ３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の径が断面が円形のまま減少するラウンドテイパーであってもよい。このようなラウンドテイパー形のテイパー部２６´によっても、荷重軸ＦＬの位置を制御することができる。
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。
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。このようなテイパー部２５´によっても、荷重軸ＦＬを制御することが可能である。
図１５は、第４の実施形態に係るコイルばね２´を示している。このコイルばね２´も、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´の巻数は４である。自由形状において、有効部２２´は実質的に胴曲りが生じていない形状（円筒形）であり、ピッチＰ１も実質的に一定である。図１５中の２点鎖線ＣＹ１は、有効部２２´の外周の位置を表している。ここで「実質的に一定」とは、素線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。
下側の座巻部２０´には、厚さ変化部２５ａから素線４の下側の先端にわたり、厚さがテイパー状に減少するテイパー部２５が形成されている。上側の座巻部２１´にはテイパー部が形成されていないが、必要に応じて第１の実施形態と同様に厚さ変化部２６ａから厚さがテイパー状に減少する第２のテイパー部２６が形成されていてもよい。他の実施形態では、上側の座巻部のみにテイパー部を形成し、下側の座巻部にテイパー部を形成しないこともありえる。すなわち下側の座巻部と上側の座巻部の少なくとも一方にテイパー部が形成されていればよい。
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、２，２´…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、２０，２０´…下側の座巻部、２１，２１´…上側の座巻部、２２，２２´…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、４Ｘ，４Ｙ…素線の先端、Ｃ１，Ｃ２…力の重心、ＦＬ…荷重軸。

Claims (9)

  1. 螺旋形に成形された素線(4)を有し、下側のばね座(10)と上側のばね座(11)との間に配置される車両懸架用コイルばねであって、
    前記下側のばね座(10)に接する下側の座巻部(20)(20’)と、
    前記上側のばね座(11)に接する上側の座巻部(21)(21’)と、
    前記下側の座巻部(20)(20’)と前記上側の座巻部(21)(21’)との間の円筒形の有効部(22)(22’)と、
    前記有効部(22)(22’)を圧縮する力が前記下側の座巻部(20)(20’)と前記上側の座巻部(21)(21’)とに負荷された状態において前記下側の座巻部(20)(20’)に加わる力の重心(C1)と前記上側の座巻部(21)(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、
    前記下側の座巻部(20)(20’)または前記上側の座巻部(21)(21’)の少なくとも一方に、
    その座巻部の長さ方向の途中の厚さ変化部(25a)(25a’)(26a)(26a’)から前記素線(4)の先端(4X)(4Y)に向かって、素線(4)の厚さがテイパー状に減少し、かつ前記厚さ変化部(25a)(25a’)(26a)(26a’)が前記荷重軸(FL)の寄りの位置に配置され、前記荷重軸(FL)を制御するためのテイパー長さとテイパー厚みとを有したテイパー部(25)(25’)(26)(26’)とを具備した車両懸架用コイルばね。
  2. 請求項１に記載の車両懸架用コイルばねにおいて、
    前記下側の座巻部(20)(20’)に前記テイパー部(25)(25’)が形成され、このテイパー部(25)(25’)は、前記下側の座巻部(20)(20’)の長さ方向の途中の第１の厚さ変化部(25a)(25a’)から前記素線(4)の下端側の先端(4X)に向かって第１の長さにわたり素線(4)の厚さがテイパー状に減少し、かつ前記第１の厚さ変化部(25a)(25a’)が前記荷重軸(FL)の下端寄りに配置されている車両懸架用コイルばね。
  3. 請求項１に記載の車両懸架用コイルばねにおいて、
    前記上側の座巻部(21)(21’)に前記テイパー部(26)(26’)が形成され、このテイパー部(26)(26’)は、前記上側の座巻部(21)(21’)の長さ方向の途中の第２の厚さ変化部(26a)(26a’)から前記素線(4)の上端側の先端(4Y)に向かって第２の長さにわたり素線(4)の厚さがテイパー状に減少し、かつ前記第２の厚さ変化部(26a)(26a’)が前記荷重軸(FL)の上端寄りに配置されている車両懸架用コイルばね。
  4. 請求項１に記載の車両懸架用コイルばねにおいて、
    前記下側の座巻部(20)(20’)に第１のテイパー部(25)(25’)が形成され、この第１のテイパー部(25)(25’)は、前記下側の座巻部(20)(20’)の長さ方向の途中の第１の厚さ変化部(25a)(25a’)から前記素線(4)の下端側の先端(4X)に向かって第１の長さにわたり素線(4)の厚さがテイパー状に減少し、かつ前記第１の厚さ変化部(25a)(25a’)が前記荷重軸(FL)の下端寄りに配置され、
    前記上側の座巻部(21)(21’)に第２のテイパー部(26)(26’)が形成され、この第２のテイパー部(26)(26’)は、前記上側の座巻部(21)(21’)の長さ方向の途中の第２の厚さ変化部(26a)(26a’)から前記素線(4)の上端側の先端(4Y)に向かって第２の長さにわたり素線(4)の厚さがテイパー状に減少し、かつ前記第２の厚さ変化部(26a)(26a’)が前記荷重軸(FL)の上端寄りに配置されている車両懸架用コイルばね。
  5. 請求項１に記載の車両懸架用コイルばねにおいて、
    前記テイパー部(25)(25’)(26)(26’)がフラットテイパー形のテイパー部である車両懸架用コイルばね。
  6. 請求項１に記載の車両懸架用コイルばねにおいて、
    前記テイパー部(25)(25’)(26)(26’)がラウンドテイパー形のテイパー部である車両懸架用コイルばね。
  7. 請求項４に記載の車両懸架用コイルばねにおいて、
    前記第１のテイパー部(25)(25’)と前記第２のテイパー部(26)(26’)との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る車両懸架用コイルばね。
  8. 請求項１に記載の車両懸架用コイルばねにおいて、
    前記テイパー部(25)(25’)(26)(26’)が座面研磨形のテイパー部である車両懸架用コイルばね。
  9. 請求項１に記載の車両懸架用コイルばねにおいて、
    熱間成形された円筒形の前記有効部(22)(22’)を有している車両懸架用コイルばね。
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