KR102011176B1 - 고피로 아치형 스프링 - Google Patents

Abstract

스프링에 아치형 형상을 제공하도록 구성 및 치수 설정된 복수의 코일을 갖고, 코일들을 선형 정렬로 압박하는 경향이 있는 내부 응력이 실질적으로 없는 아치형 스프링이 개시된다. 스프링은 그 자연적인 아치형 형상을 유지하면서 부하 조건 하에서 기능하도록 설계된다. 스프링은 유도 가열 프로세스의 사용에 의해 가열될 수 있다.

Description

고피로 아치형 스프링{HIGH FATIGUE ARCUATE SPRING}

본 발명은, 본 명세서에 합체되어 있는 2012년 7월 6일 출원된 미국 가출원 제61/668,658호를 우선권 주장한다.

본 발명은 개량된 아치형 스프링(arcuate spring) 및 아치형 스프링을 형성하기 위한 방법에 관한 것이다.

차량 구동열(drive train) 내의 진동은 오래된 문제점이었고, 비틀림 진동 댐퍼 조립체는 바람직하지 않은 충격 부하, 진동, 소음 등을 야기할 수 있는 차량 엔진으로부터 발생하는 임의의 비틀림 진동을 중화하는 것이 바람직하다.

비틀림 진동 댐퍼 조립체는, 원하는 아치형 형상을 얻기 위해 클립, 웨지(wedge), 스프링 분리기 또는 분할기 등의 사용을 통해 강제로 굴곡된 코일 스프링과 같은 직선형 탄성 수단을 일반적으로 포함한다. 게다가, 복수의 더 짧은 직선형 스프링이 때때로 더 긴 굴곡된 스프링에 의해 점유되어 있는 경로를 따라 더 긴 굴곡된 스프링으로 대체되어 있다. 그러나, 이러한 구성은 복잡하여, 조립체를 완성하기 위해 복수의 정밀한 부분을 필요로 한다. 따라서, 이러한 조립체는 제조, 유지 및 작동이 어려웠는데, 이는 더 높은 제조 비용으로 전이된다.

이러한 과거의 문제점을 처리하기 위해, 본 명세서에 합체되어 있는 US 5,052,664호에 개시되어 있는 바와 같이 아치형 스프링이 개발되었다. '664 특허는 아치형 스프링을 형성하기 위한 원호 개방 프로세스(arc opening process)의 사용을 개시하고 있다. 원호 개방 프로세스는 표준 아치형 스프링 제조 프로세스의 중요한 단계이지만, 이러한 원호 개방 프로세스는 매우 시간 소모적이다.

아치형 스프링의 형성을 위한 현재의 기술 분야의 견지에서, 아치형 스프링을 형성하기 위한 개량된 프로세스, 개량된 성능을 갖는 아치형 스프링, 및 아치형 스프링의 제조 비용을 낮추기 위한 프로세스에 대한 필요성이 존재한다.

본 발명은 전술한 현재의 필요성을 처리하는 아치형 스프링 및 아치형 스프링을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명은 스프링의 전체 또는 부분이 아치형 형상(예를 들어, 원호형, S형, U형, C형 등)을 갖는 스프링을 형성하기 위한 개량된 제조 프로세스이다. 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의해 형성될 수 있는 스프링의 다양한 형상은 비한정적이다. 적어도 아치형 부분을 포함하는 이들 스프링 모두를 이하에서 "아치형 스프링"이라 칭할 것이다. 개량된 프로세스는 원호 개방 프로세스를 배제하고, 대신에 스프링에 원호를 형성하기 위해 유도 가열 프로세스를 사용한다. 본 발명의 아치형 스프링은 일반적으로 그 자유 상태 또는 자연 상태에서 스프링에 아치형 형상을 제공하도록 구성 및 치수 설정된 복수의 코일로 형성된 나선형 스프링이다. 이해될 수 있는 바와 같이, 스프링은 나선형 형상 이외의 형상을 가질 수 있다. 아치형 스프링의 코일은 일반적으로 코일들을 선형 정렬로 압박하는 경향이 있을 수 있는 내부 응력이 없다. 아치형 스프링은 일반적으로 아치형 경로를 따른 아치형 방향에서 힘을 탄성적으로 흡수 및/또는 해제하는 데 충분한 강도를 갖도록 설계된다.

본 발명의 비한정적인 일 실시예에서, 아치형 스프링은 경화 가능한 강 또는 경화된 강으로 제조된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 아치형 스프링은 다른 재료로 형성될 수 있다. 일반적으로, 스프링의 아치형 부분을 형성하는 데 사용된 재료는 유도 가열될 수 있는 재료이다. 아치형 스프링은 일반적으로 적어도 약 20 내지 최대 약 80, 그리고 통상적으로 약 40 내지 60의 로크웰(Rockwell) C 경도를 성취하는 것이 가능하도록 설계되지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 아치형 스프링은 일반적으로 적어도 90,000 psi, 통상적으로 적어도 약 100,000 psi, 그리고 더 통상적으로 적어도 약 190,000 psi의 인장 강도를 갖지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 아치형 스프링의 크기, 형상 및 길이는 비한정적이다. 스프링의 코일들의 단면 형상 및 크기는 비한정적이다. 스프링의 원호 반경은 비한정적이다.

본 발명의 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 실시예에서, 초기에 똑바른 스프링을 형성하고, 스프링에 아치형 형상으로 예비 응력을 가하고, 스프링 내의 응력을 완화하고 아치형 스프링을 형성하도록 충분한 시간 동안 상승된 온도에서 유도 가열에 의해 스프링을 열처리하고, 이어서 아치형 스프링을 더 낮은 온도(예를 들어, 주위 온도)로 냉각함으로써 아치형 스프링을 제조하는 방법이 제공된다. 스프링은 고정구(fixture)의 사용에 의해 예비 응력을 받는다. 고정구의 유형은 비한정적이다. 스프링은 고정구에 의해 예비 응력을 받은 후에 열처리될 수 있고 그리고/또는 고정구에 의해 예비 응력을 받기 전에 가열될 수 있다. 일반적으로, 스프링은 고정구에 의해 예비 응력을 받은 후에 가열된다. 열처리 단계는 일반적으로 유도 가열 프로세스에 의해 스프링의 하나 이상의 부분을 가열하는 것을 포함한다. 선택적으로, 스프링의 하나 이상의 부분을 가열하기 위해 부가의 유형의 열처리 프로세스가 사용될 수 있다. 열처리 단계는 스프링을 냉각하는 단계를 포함한다. 비한정적인 일 구성에서, 냉각 단계는 스프링을 유체(예를 들어, 공기, 가스, 액체 등) 내로 담금질하는 것을 포함한다. 비한정적인 일 예에서, 담금질 유체는 액체(예를 들어, 물, 오일, 물과 오일 혼합물 등)이다. 다른 비한정적인 예에서, 담금질 유체는 가스(예를 들어, 질소, 아르곤, 공기 등)이다. 냉각 프로세스 중에 스프링은 일반적으로 주위 온도(예를 들어, 60 내지 90℉)의 +150℉ 내지 -50℉인 온도로 담금질 유체에 의해 일반적으로 급냉된다(예를 들어, 0.01 내지 5분 이내의 냉각 등). 비한정적인 일 예에서, 냉각 프로세스 중에 스프링은 일반적으로 주위 온도(예를 들어, 60 내지 90℉)의 약 ±30℉인 온도로 담금질 유체에 의해 일반적으로 급냉된다(예를 들어, 0.01 내지 2분 이내의 냉각). 일반적으로, 스프링은 담금질 단계 후에 및/또는 담금질 단계 중에 고정구로부터 해제된다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 아치형 스프링을 형성하기 위한 종래의 방법에 대한 개량이다. 아치형 스프링을 형성하기 위한 현재의 기존 프로세스는,

1. 똑바른 나선형 스프링을 형성하기 위해 와이어를 권취하는 단계;

2. 형성된 똑바른 나선형 스프링을 응력 완화하는 단계;

3. 똑바른 나선형 스프링을 쇼트 피닝(shot peening)하는 단계;

4. 똑바른 나선형 스프링의 단부들을 연삭하는 단계;

5. 똑바른 나선형 스프링을 2번째로 쇼트 피닝하는 단계;

6. 똑바른 나선형 스프링을 예열하는 단계;

7. 나선형 스프링을 고정구 내에서 구부리는 단계;

8. 고정구 내에 있는 동안 20분 초과 동안 오븐 내에서 굽혀진 나선형 스프링을 가열하는 단계;

9. 가열된 나선형 스프링을 담금질하는 단계;

10. 고정구로부터 담금질된 나선형 스프링을 제거하는 단계

를 포함한다.

본 발명은 아치형 스프링을 형성하기 위한 종래의 프로세스에 비해 상당한 개량이다. 본 발명의 프로세스는,

a. 똑바른 스프링을 형성하도록 와이어를 권취하는 단계;

b. 스프링을 고정구 내에서 구부리기 전에 유도 가열에 의해 스프링을 가열하는 단계;

c. 가열된 스프링을 고정구 내에서 구부리는 단계;

d. 가열된 스프링을 담금질하는 단계;

e. 고정구로부터 담금질된 스프링을 제거하는 단계

를 포함한다.

본 발명에 따른 형성 프로세스는 스프링이 고정구 내에 배치되기 전에 스프링이 먼저 유도 가열에 의해 가열되는 점에서, 종래의 아치형 스프링 형성 프로세스와는 근본적으로 상이하다. 이해될 수 있는 바와 같이, 스프링은 가열 이전에 그리고 가열 도중에 고정구 내에 배치될 수 있다. 스프링이 유도 가열될 때, 스프링이 똑바른 스프링인 동안 스프링은 일반적으로 가열된다. 스프링의 유도 가열은 일반적으로 약 5분 미만, 통상적으로 약 2분 미만, 더 통상적으로 약 1분 미만, 그리고 더욱 더 통상적으로 약 30초 미만이 소요되지만, 다른 시간이 사용될 수 있다. 유도 가열 프로세스를 사용하는 가열 시간은 오븐 내에서 행해지는 대류 가열 시간보다 상당히 적은데, 이 선행 가열 시간은 10분 초과, 통상적으로 적어도 20분이다. 스프링이 직선 형상일 때 유도 가열된 후에, 가열된 직선형 스프링은 일반적으로 유도 가열된 후에 약 5분 미만, 통상적으로 유도 가열된 후에 약 2분 미만, 더 통상적으로 유도 가열된 후에 약 1분 미만, 그리고 더욱 더 통상적으로 유도 가열된 후에 약 30초 미만에 아치형 형상으로 고정구 내에서 형성되지만, 다른 시간이 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 프로세스에 의해 가열되고 경화되었던 스프링은 전통적인 가열 오븐 내에서 가열된 스프링과 비교할 때 향상된 잔류 응력비를 나타내었다.

본 발명의 아치형 스프링을 형성하기 위해 하나 이상의 부가의 프로세스 단계가 사용될 수 있다. 이러한 선택적 부가 단계는,

ⅰ. 유도 가열 전에 및/또는 유도 가열 후에, 형성된 스프링을 응력 완화하는 단계;

ⅱ. 유도 가열 전에 및/또는 유도 가열 후에 1회 이상 스프링을 쇼트 피닝하는 단계;

ⅲ. 유도 가열 전에 스프링을 예열하는 단계;

ⅳ. 유도 가열 전에 및/또는 유도 가열 후에 스프링의 단부들을 연삭하는 단계;

ⅴ. 스프링의 단부들의 연삭과 함께 또는 연삭 없이 스프링의 하나 이상의 단부들에 단부캡을 부착하는 단계

를 포함한다.

본 발명의 비한정적인 일 목적은 아치형 스프링을 형성하기 위한 개량된 프로세스를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은 향상된 성능을 갖는 아치형 스프링을 형성하기 위한 개량된 프로세스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은, 아치형 스프링의 제조 비용을 낮추는, 아치형 스프링을 형성하기 위한 개량된 프로세스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은 유도 가열 처리에 의해 유도된 더 양호한 잔류 응력 프로파일을 이용하여, 파괴를 포함할 위험을 감소시키는 아치형 스프링을 형성하기 위한 개량된 프로세스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은 재료 경도를 증가시켜, 고피로 아치형 스프링(즉, 향상된 피로 특성)을 생성하는 아치형 스프링을 형성하기 위한 개량된 프로세스를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은 특유한 스프링 형상(예를 들어, S형, C형, U형 등)을 또한 생성할 수 있는 아치형 스프링을 형성하기 위한 개량된 프로세스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은 향상된 기계적 특성을 갖는, 아치형 스프링을 형성하기 위한 개량된 프로세스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은 아치형 스프링을 형성하기 위한 시간을 감소시키는, 아치형 스프링을 형성하기 위한 개량된 프로세스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은 아치형 스프링을 형성하기 위해 유도 가열을 사용하는, 아치형 스프링을 형성하기 위한 개량된 프로세스를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은 아치형 스프링의 일 단부 또는 양 단부를 연삭할 필요성을 배제하거나 감소시키기 위해 스프링의 하나 이상의 단부 상에 단부캡을 사용하는, 아치형 스프링을 형성하기 위한 개량된 프로세스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은 a) 똑바른 스프링을 형성하도록 와이어를 권취하는 단계; b) 유도 가열에 의해 스프링을 가열하는 단계; c) 가열된 스프링을 고정구 내에서 구부리는 단계; d) 가열된 스프링을 담금질하는 단계; e) 고정구로부터 담금질된 스프링을 제거하는 단계를 포함하는, 아치형 스프링을 형성하기 위한 개량된 프로세스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은 ⅰ) 유도 가열 전에 및/또는 유도 가열 후에, 형성된 스프링을 응력 완화하는 단계; ⅱ) 유도 가열 전에 및/또는 유도 가열 후에 1회 이상 스프링을 쇼트 피닝하는 단계; ⅲ) 유도 가열 전에 스프링을 예열하는 단계; ⅳ) 유도 가열 전에 및/또는 유도 가열 후에 스프링의 단부들을 연삭하는 단계; 및/또는 ⅴ) 스프링의 단부들의 연삭과 함께 또는 연삭 없이 스프링의 하나 이상의 단부에 단부캡을 부착하는 단계를 비롯하여, 하나 이상의 추가적인/선택적인 프로세스 단계를 포함하는 아치형 스프링을 형성하기 위한 개량된 프로세스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은, 스프링에 아치형 형상을 제공하도록 구성 및 치수 설정된 복수의 코일을 갖고 코일을 선형 정렬로 압박하는 경향이 있을 수 있는 내부 응력이 실질적으로 없는 아치형 스프링을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은, 스프링에 아치형 형상을 제공하도록 구성 및 치수 설정된 복수의 코일을 갖고 스프링의 단부들의 연삭과 함께 또는 연삭 없이 스프링의 하나 이상의 단부에 연결된 단부캡을 갖는 아치형 스프링을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은 유도 가열 처리에 의해 형성되거나 형성될 수도 있는 아치형 스프링을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적인 목적은 유도 가열 처리에 기인하여 증가된 피로 수명 및 더 양호한 재료 특성을 갖는 아치형 스프링을 제공하는 것이다.

이러한 목적 및 다른 목적 그리고 이러한 장점 및 다른 장점은 첨부 도면과 함께 취한 이 상세한 설명의 숙독 및 추종 시에 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백해질 것이다.

본 발명에 따르면, 아치형 스프링의 형성을 위한 현재의 기술 분야의 견지에서, 아치형 스프링을 형성하기 위한 개량된 프로세스, 개량된 성능을 갖는 아치형 스프링, 및 아치형 스프링의 제조 비용을 낮추기 위한 프로세스를 얻을 수 있다.

이제, 본 발명의 비한정적인 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조할 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 아치형 스프링의 등각도이다.
도 2는 도 1의 아치형 스프링의 정면도이다.
도 3은 도 2의 라인 3-3을 따른 단면도이다.
도 4는 도 2의 라인 4-4를 따른 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스프링 고정구의 정면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 단부캡의 정면도이다.
도 7은 도 6의 단부캡의 평면도이다.
도 8 내지 도 15는 본 발명에 따른 여러 비한정적인 아치형 스프링의 측면도이다.

이제, 본 발명의 비한정적인 실시예를 도시하고 있는 도 1 내지 도 15를 참조하면, 아치형 스프링 및 아치형 스프링의 제조 방법이 제시되어 있다. 아치형 스프링은 다양한 상이한 용례에 사용될 수 있다. 비한정적인 일 용례는 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 US 5,502,664호에 제시되어 있는 바와 같은 비틀림 진동 댐퍼 조립체 내에서의 아치형 스프링의 사용이다. 아치형 나선형 스프링을 갖는 비틀림 진동 댐퍼 조립체의 작동은, 강제로 굴곡된 직선형 스프링을 이용하는 비틀림 진동 댐퍼 조립체의 작동보다 원활할 것이다. 강제로 굴곡된 직선형 스프링은 스프링을 직선화하는 경향이 있는 내부 응력을 일정하게 경험한다. 따라서, 강제로 굴곡된 직선형 스프링은 비틀림 진동 댐퍼 조립체의 면들에 대해 마찰되고 간섭하며, 따라서 원활한 작동을 방해한다. 아치형 스프링은 비틀림 진동 댐퍼 조립체 상에 사용될 때 또한 전술된 바와 동일한 이유로 직선형 스프링을 이용하는 종래의 진동 댐퍼보다 향상된 스프링 진동의 감쇠 개선 또는 댐핑 개선을 제공할 것이다. 게다가, "중실" 구성, 즉 각각의 코일이 각각의 인접한 코일에 접촉하는 구성으로의 아치형 스프링의 압축은 다른 수단의 사용에 대해 독립적으로 시스템 내의 정지부로서 작동한다. 또한, 아치형 나선형 스프링 내의 바람직하지 않은 응력은, 스프링의 아치형 형상에 기인하여, 그리고 스프링의 형성 프로세스 중에 스프링의 유도 가열을 사용하는 것에 의해 회피될 것이어서, 이에 의해 진동 댐퍼 조립체의 효율적인 사용을 향상시킨다. 조립 시에 강제로 굴곡된 직선형 스프링은, 비틀림 진동 댐퍼 조립체 내에서의 사용을 통해 스프링에서 발생하는 응력에 대해 반대 방향인, 부자연스러운 설치에 기인하는 응력을 경험한다. 이러한 방식으로 설치된 스프링은 휴지 시에 유닛과 일 방향으로 응력을 경험한다. 토크가 유닛에 인가되어 증가됨에 따라, 스프링은 이들 응력이 0으로 감소하는 지점에 있을 때까지 편향된다. 추가의 로딩 및 편향은 이들 응력이 반대 방향으로 증가하게 한다. 이러한 양방향 응력은, 사용 시에 스프링에 의해 경험될 수 있는 과잉의 이완 또는 파괴를 회피하도록 허용 가능한 응력을 감소시킨다. 대조적으로, 아치형 스프링의 본체는, 아치형 스프링이 그 자연적인 아치형 상태에서 하우징 내에 수용되기 때문에, 단지 수직의 단방향 응력만을 경험할 것이다. 따라서, 아치형 스프링은 과도하게 응력을 받지 않을 것이고, 이에 의해 진동 댐퍼 조립체의 유용한 능력 및 서비스 수명을 증가시킨다. 진동 댐퍼 조립체의 내구성은 또한 작동을 위해 요구되는 스프링의 수의 감소에 기인하여 증가될 수 있다. 스프링 단부들은 연삭된 단부 코일의 선단부 부근에서 굽힘 피로 파괴를 받아 왔다. 본 발명은 또한 본 발명의 신규한 단부캡이 사용될 때 스프링의 단부를 연삭하기 위한 과거의 요구를 회피한다. 종래의 비틀림 진동 댐퍼 조립체에서는, 복수의 직선형 스프링이 채용되어, 이에 의해 연삭된 단부의 수를 증가시키고 파괴를 위한 더 많은 기회를 제공한다. 그러나, 단일의 아치형 스프링이 복수의 더 짧은 직선형 스프링을 대체할 수도 있기 때문에, 스프링 단부의 수가 감소된다. 또한, 이들 남아 있는 스프링 단부는 댐퍼 내의 구성 요소의 최소화로부터 발생하는 절약된 공간을 사용함으로써 보강될 수도 있다. 따라서, 잠재적인 파괴 위치의 수가 감소되고, 조립체의 수명 및 내구성은 아치형 스프링의 사용에 의해 증가될 수 있다.

이제, 도 1 내지 도 4 및 도 8 내지 도 15를 참조하면, 본 발명의 아치형 스프링(10)은 다양한 프로세스에 의해 제조될 수 있다. 도 1 내지 도 4 및 도 15는 원호형 스프링을 도시하고 있고, 도 8 내지 도 14는 S형 스프링(도 8 내지 도 9 및 도 14), C형 스프링(도 10 및 도 13), U형 스프링(도 11) 및 파형 스프링(도 12)의 유형을 도시하고 있다. 도 8 내지 도 11에 도시되어 있는 스프링을 통한 실선은 단지 스프링의 형상을 도시하기 위해 스프링의 중심축을 따른 선이고, 임의의 유형의 스프링의 구조를 표현하는 것은 아니다. 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 스프링은 아치형 형상을 포함하는 다른 형상을 가질 수 있다. 비한정적인 일 방법에서, 종래의 권취형 직선형 스프링이 전통적인 나선형 스프링 제조 기술에 의해 형성된다. 이러한 기술은 임의의 요구된 단면의, 어닐링되거나 또는 예비 경화되고 템퍼링된 재료로 시작하는 것을 포함한다. 사용될 수 있는 현재 재료는 적합한 품질의 스프링 와이어로 가공된 바와 같은 1070 강, 6150 강, 개질된 6150 및 9254 강을 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로, 둥근 단면의, 예비 경화된 그리고 템퍼링된(Rc 45 내지 55) 6150 강이 사용될 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 다른 재료가 사용될 수 있다. 또한 이해될 수 있는 바와 같이, 재료는 어닐링되고, 예비 경화되고 그리고/또는 템퍼링될 필요가 없을 수도 있다. 더 이해될 수 있는 바와 같이, 재료는 상이한 Rc 값을 가질 수 있다.

스프링이 똑바른 나선 형상으로 형성된 후에, 스프링은 이어서 유도 가열 프로세스에 의해 열처리된다. 예를 들어, 예비 경화된 그리고 템퍼링된 6150 강의 경우에, 유도 가열에 의한 열처리는 약 1분 미만일 것이고, 금속은 적어도 약 700℉로 가열될 것이다. 임의의 표준 유도 가열 프로세스가 사용될 수 있다.

스프링이 유도 가열된 후에, 똑바른 나선형 스프링은 고정구의 사용에 의해 굴곡되어 원호로 강제된다. 임의의 유형의 고정구가 사용될 수 있다. 일반적으로, 고정구는 금속 재료 및/또는 세라믹 재료로 형성되지만, 다른 재료 또는 부가의 재료가 사용될 수 있다. 비한정적인 일 고정구 장치가 도 5에 도시되어 있다. 고정구 장치(20)는 스프링(10)의 대향측에 위치된 2개의 아치형 프로파일 표면(30, 40)을 갖는 클램핑 장치를 포함한다. 이와 같이, 똑바른 스프링이 2개의 아치형 프로파일 표면 사이에 위치되어 있는 동안 클램핑 장치의 2개의 아치형 프로파일 표면이 함께 견인될 때, 2개의 아치형 프로파일 표면은 스프링의 측면과 접촉 시에 스프링이 원하는 아치형 형상으로 굴곡되게 할 것이다. 2개의 아치형 프로파일 표면을 형성하는 데 사용되는 재료는 비한정적이다. 예를 들어, S형 스프링(도 8 내지 도 9 및 도 14)이 형성될 때, 2개의 아치형 프로파일 표면은 S형 프로파일을 가질 수 있다. 2개의 아치형 프로파일 표면은 또한 C형 스프링(도 10 및 도 13 참조), U형 스프링(도 11 참조), 파형 스프링(도 12) 등을 형성하기 위한 형상을 가질 수 있다. 일반적으로, 스프링의 제1 측면에 접촉하는 아치형 프로파일 표면(40)의 곡률 반경은 스프링의 대향 측면에 접촉하는 아치형 프로파일 표면(30)의 곡률 반경보다 크다. 아치형 프로파일 표면(30)은 장착부(32, 34)에 의해 고정 위치에 장착되는 것으로서 도시되어 있지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 아치형 프로파일 표면(40)은 클램핑 위치와 비-클램핑 위치 사이에서 아암(42, 44)에 의해 이동 가능한 것으로 도시되어 있지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 이해될 수 있는 바와 같이, 하나의 아치형 프로파일 표면 또는 2개의 아치형 프로파일 표면은 이동 가능하도록 설계될 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 고정구는 다른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 고정구는 완성된 아치형 스프링의 원하는 자유 각도 및 원호 반경과는 상이한 자유 각도 및 원호 반경의 밀접 끼워맞춤식 곡선형 로드 또는 핀의 사용을 포함할 수 있다. 이러한 밀접 끼워맞춤식 곡선형 로드 또는 핀은 스프링 내에 삽입된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 스프링이 가열 프로세스에 앞서 원하는 원호로 굴곡되게 하기 위해 다른 고정구(예를 들어, 스프링 둘레의 굴곡된 튜브 또는 만곡된 튜브, 다이, 드럼 또는 맨드릴 등)가 사용될 수 있다.

가열된 스프링이 고정구에 의해 아치형 형상으로 형성된 후에, 가열된 스프링은 약 3분 미만, 통상적으로 약 2분 미만 그리고 더 통상적으로 약 1분 미만에, 주위 온도의 약 ±150℉의 온도, 통상적으로 주위 온도의 약 ±30℉의 온도로 담금질(예를 들어, 공기 담금질 및/또는 액체 담금질)되지만, 다른 담금질 시간이 사용될 수 있다. 담금질 유체가 액체이면, 액체는 대략 주위 온도의 물일 수 있지만, 다른 물 온도가 사용될 수 있다. 담금질 프로세스는 일반적으로 스프링이 고정구 내에 형성된 후에 그리고/또는 유도 가열 프로세스가 완료된 후에 약 120초(예를 들어, ≥60초; ≥30초 등) 이내에 이루어진다. 물은, 사용 시에, 가용성 오일 및/또는 다른 유형의 폴리머 재료를 포함할 수 있지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 담금질 프로세스가 완료된 후에, 스프링은 고정구로부터 제거되고(예를 들어, 2개의 아치형 프로파일 표면은 재차 서로로부터, 제거된 로드 등으로부터 분리됨), 이때 스프링은 스프링을 직선화하는 경향이 있을 수 있는 임의의 내부 응력이 실질적으로 없는 아치형 구성을 유지한다. 비한정적인 일 프로세스에서, 유도 가열의 단계는 약 5분 미만(예를 들어, 0.1 내지 3분, 0.1 내지 2분, 0.1 내지 1분 등)이고, 고정구 내에서의 가열된 스프링의 굽힘 단계는 유도 가열의 단계 후에 약 5분 미만(예를 들어, 0.01 내지 2분, 0.01 내지 1분, 0.01 내지 0.5분 등)이고, 가열된 스프링을 담금질하는 단계는 상기 고정구 내에서의 상기 가열된 스프링의 굽힘 후에 약 5분 미만(예를 들어, 0.1 내지 3분, 0.1 내지 2분, 0.1 내지 1분 등)에 완료된다.

스프링의 하나 이상의 단부는 유도 가열 프로세스 전에 및/또는 유도 가열 후에 선택적으로 연삭될 수 있지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 연삭 단계는 도 6 내지 도 7에 도시되어 있는 바와 같은, 단부캡(50)의 사용에 의해 배제될 수 있다. 단부캡은 베이스부(70) 및 노즈(nose)(60)를 포함한다. 노즈는 스프링 코일의 내부에 적어도 부분적으로 삽입되도록 설계된다. 베이스부는 대체로 원형인 단면 형상을 갖지만, 베이스부는 다른 형상을 가질 수 있다. 베이스부의 단면 크기 및 형상은 일반적으로 베이스부가 스프링 코일의 내부 내에 완전히 삽입될 수 없도록 선택되지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 베이스부의 두께는 비한정적이다. 노즈부(60)는 불균일한 단면 크기를 갖는 것으로서 도시되어 있지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 노즈부는 대체로 원형인 단면 형상을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 노즈부는 다른 형상을 가질 수 있다. 노즈부는 상부 노즈부(62) 및 하부 노즈부(64)를 갖지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 상부 노즈부의 상부 섹션은 선택적으로 테이퍼(61)를 포함할 수 있다. 상부 노즈부(62)는 하부 노즈부(64)보다 작은 단면 크기를 갖는 것으로서 도시되어 있다. 일반적으로, 하부 노즈부(64)는, 하부 노즈부(64)가 단부캡을 스프링에 고정하는 것을 용이하게 하기 위해 스프링 코일의 내부의 내부면에 결합하도록 하는 단면 크기 및 형상을 갖지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 선택적으로, 전이부(65)가 상부 노즈부(62)와 하부 노즈부(64) 사이에 형성될 수 있다. 전이부는, 사용될 때, 선택적으로 테이퍼진 형태 또는 경사진 형태를 가질 수 있다. 베이스부의 상부면은 선택적으로 나사결합 립(72) 및/또는 정지부(68)를 포함한다. 나사결합 립은, 사용될 때, 단부캡이 스프링 내에 나사결합될 수 있도록 스프링 코일의 내부의 내부면에 결합되게 설계된, 도 7에 도시되어 있는 바와 같은, 좁은 전방부를 가질 수 있지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 정지부는, 사용될 때, 스프링 상의 단부캡의 추가의 나사결합을 제한하도록 설계된다. 단부캡이 스프링 상에 나사결합됨에 따라, 스프링의 단부(12)는 정지부에 결합될 것이고 이에 의해 스프링 내로의 단부캡의 추가의 나사결합을 방지할 것이다. 나사결합 립은 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 좁은 전방부로부터 정지부(68)까지 두께가 증가하는 것으로서 도시되어 있다. 단부캡은 임의의 유형의 재료로 형성될 수 있다. 단부캡은, 사용될 때, 스프링의 단부들을 보호함으로써 스프링의 수명을 연장시키는 데 사용될 수 있다. 스프링의 단부들이 적절하게 연삭되지 않을 때, 바람직하지 않은 응력이 스프링의 사용 중에 스프링 단부들에 인가될 수 있고, 이에 의해 스프링의 조기 파괴를 유발한다. 스프링 상의 단부캡의 사용은 스프링의 단부들 상에서 이러한 바람직하지 않은 응력을 감소시키거나 배제할 수 있고, 따라서 스프링의 사용 가능 수명을 연장시킨다.

본 발명의 아치형 스프링을 형성하기 위해 하나 이상의 부가의 프로세스 단계들이 사용될 수 있다. 이러한 선택적인 부가 단계들은,

ⅰ. 유도 가열 전에 및/또는 유도 가열 후에, 형성된 스프링을 응력 완화하는 단계;

ⅱ. 유도 가열 전에 및/또는 유도 가열 후에 스프링을 1회 이상 쇼트 피닝하는 단계;

ⅲ. 유도 가열 전에 스프링을 예열하는 단계

를 포함한다.

따라서, 이상의 설명으로부터 명백해진 것들 중에, 전술된 목적들은 효율적으로 얻어지고, 특정 변경이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않으면서 설명된 구성에서 이루어질 수도 있기 때문에, 상기 설명에 포함되고 첨부 도면에 도시되어 있는 모든 주제는 한정적인 개념이 아니라 예시적인 것으로서 해석되어야 한다는 것이 의도된다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 바람직한 실시예 및 대안적인 실시예를 참조하여 설명되었다. 본 명세서에 제공된 본 발명의 상세한 설명을 숙독하고 이해할 때, 변형 및 변경은 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백해질 것이다. 본 발명은, 본 발명의 범주 내에 있는 한, 모든 이러한 변형 및 변경을 포함하는 것으로 의도된다. 이하의 청구범위는 본 명세서에 설명된 모든 일반적인 특징 그리고 특정한 특징 및 언어의 측면에서 이에 속하는 것으로 일컬어질 수도 있는 본 발명의 범주의 모든 언급을 포괄하도록 의도된 것이라는 것이 또한 이해되어야 한다.

10 : 스프링
12 : 스프링의 단부

Claims (26)

1. 아치형 스프링을 형성하기 위한 방법으로서,
   a. 비-아치형 형상을 갖는 코일식 와이어 스프링을 제공하는 단계로서, 상기 스프링은 종방향 길이, 복수 개의 코일, 및 이 복수 개의 코일을 통과하는 중심축을 갖고, 상기 스프링은, 이 스프링이 자유 상태(free state)에 있고 내부 응력이 없는 동안에 상기 스프링의 상기 종방향 길이 및 상기 중심축을 따라 직선 형상을 나타내도록 구성 및 치수 설정되며, 상기 스프링은 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 것인 단계;
   b. 상기 스프링이 직선형 스프링인 동안 유도 가열에 의해 상기 스프링을 가열하는 단계;
   c. 가열된 스프링이 가열된 상태로 고정구에 존재할 때 상기 가열된 스프링을 구부려 상기 가열된 스프링의 상기 중심축이 상기 스프링의 종방향 길이를 따라 비선형 형상을 갖도록 하는 단계로서, 상기 고정구는 상기 가열된 스프링의 대향 측들에 위치하는 제1 아치형 프로파일 표면 및 제2 아치형 프로파일 표면을 갖는 클램핑 장치를 포함하고, 상기 제1 아치형 프로파일 표면 및 상기 제2 아치형 프로파일 표면 중 적어도 하나는 클램프 위치와 비-클램프 위치 사이에서 이동 가능하도록 구성되는 것인 단계;
   d. 상기 스프링의 상기 중심축이 상기 비선형 형상으로 존재하는 동안 상기 고정구에서 상기 가열된 스프링을 담금질하여, 상기 스프링이 이 스프링의 상기 중심축 및 상기 종방향 길이를 따라 아치형 형상을 갖도록 하는 단계;
   e. 상기 담금질을 행하는 단계 후에 상기 고정구로부터 상기 스프링을 제거하는 단계로서, 상기 스프링은, 이 스프링이 담금질되고 상기 고정구로부터 제거된 후에 상기 스프링의 상기 종방향 길이 및 상기 중심축을 따라 상기 아치형 형상을 유지하며, 상기 스프링은, 자유 상태에 있고 내부 응력이 없을 때 상기 스프링의 상기 중심축 및 상기 종방향 길이를 따라 상기 아치형 형상을 갖는 것인 단계
   를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 유도 가열을 행하는 단계는 5분 미만이고, 상기 가열된 스프링을 상기 고정구 내에서 구부리는 단계는 5분 미만에 완료되며, 상기 가열된 스프링을 구부리는 단계는 상기 유도 가열을 행하는 단계가 완료된 후에 이루어지고, 상기 가열된 스프링을 담금질하는 단계는 상기 가열된 스프링을 상기 고정구 내에서 구부리는 단계 후에 5분 미만에 완료되는 것인 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 아치형 프로파일 표면은, 상기 비-아치형인 스프링의 상기 중심축에 대해 접하는 방향으로 상기 제2 아치형 프로파일 표면을 향해 그리고 상기 제2 아치형 프로파일 표면으로부터 멀어지게 이동 가능한 것인 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 담금질을 행하는 단계 후에 상기 스프링의 적어도 하나의 단부 상에 단부캡을 부착하는 단계
   를 더 포함하며, 상기 단부캡은 베이스부 및 노즈를 포함하고, 상기 노즈는 상기 코일의 내부 내로 적어도 부분적으로 삽입되도록 구성되며, 상기 베이스부는, 이 베이스부가 상기 코일의 상기 내부 내에 완전히 삽입될 수 없도록 하는 단면 크기 및 형상을 갖는 것인 방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 담금질을 행하는 단계 후에 상기 스프링의 적어도 하나의 단부 상에 단부캡을 부착하는 단계
   를 더 포함하며, 상기 단부캡은 베이스부 및 노즈를 포함하고, 상기 노즈는 상기 코일의 내부 내로 적어도 부분적으로 삽입되도록 구성되며, 상기 베이스부는, 이 베이스부가 상기 코일의 상기 내부 내에 완전히 삽입될 수 없도록 하는 단면 크기 및 형상을 갖는 것인 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 베이스부의 상부면은 나사결합 립 및 정지부를 포함하고, 상기 나사결합 립은, 상기 단부캡이 상기 스프링 내에 나사결합될 수 있도록 상기 코일의 내부면에 결합하게 구성되며, 상기 정지부는 상기 스프링 상에서의 상기 단부캡의 추가적인 나사결합을 제한하도록 구성되고, 상기 정지부는 상기 나사결합 립의 단부에 위치 설정되며 상기 나사결합 립으로부터 상방으로 연장되는 것인 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 베이스부의 상부면은 나사결합 립 및 정지부를 포함하고, 상기 나사결합 립은, 상기 단부캡이 상기 스프링 내에 나사결합될 수 있도록 상기 코일의 내부면에 결합하게 구성되며, 상기 정지부는 상기 스프링 상에서의 상기 단부캡의 추가적인 나사결합을 제한하도록 구성되고, 상기 정지부는 상기 나사결합 립의 단부에 위치 설정되며 상기 나사결합 립으로부터 상방으로 연장되는 것인 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 스프링의 적어도 일부는 원호형, S형, C형, 파형 또는 U형을 포함하는 것인 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 스프링의 적어도 일부는 원호형, S형, C형, 파형 또는 U형을 포함하는 것인 방법.
10. 제1항에 있어서,
    a) 상기 가열을 행하는 단계 전에 상기 스프링의 응력을 완화시키는 단계;
    b) 상기 가열을 행하는 단계 후에 상기 스프링의 응력을 완화시키는 단계;
    c) 상기 가열을 행하는 단계 전에 상기 스프링을 쇼트 피닝(shot peening)하는 단계;
    d) 상기 가열을 행하는 단계 후에 상기 스프링을 쇼트 피닝하는 단계;
    e) 상기 가열을 행하는 단계 전에 상기 스프링을 예열하는 단계;
    f) 상기 가열을 행하는 단계 전에 상기 스프링의 적어도 하나의 단부를 연삭하는 단계;
    g) 상기 가열을 행하는 단계 후에 상기 스프링의 적어도 하나의 단부를 연삭하는 단계
    로 이루어지는 군으로부터 선택되는 단계 중 하나 이상
    을 더 포함하는 방법.
11. 제9항에 있어서,
    a) 상기 가열을 행하는 단계 전에 상기 스프링의 응력을 완화시키는 단계;
    b) 상기 가열을 행하는 단계 후에 상기 스프링의 응력을 완화시키는 단계;
    c) 상기 가열을 행하는 단계 전에 상기 스프링을 쇼트 피닝(shot peening)하는 단계;
    d) 상기 가열을 행하는 단계 후에 상기 스프링을 쇼트 피닝하는 단계;
    e) 상기 가열을 행하는 단계 전에 상기 스프링을 예열하는 단계;
    f) 상기 가열을 행하는 단계 전에 상기 스프링의 적어도 하나의 단부를 연삭하는 단계;
    g) 상기 가열을 행하는 단계 후에 상기 스프링의 적어도 하나의 단부를 연삭하는 단계
    로 이루어지는 군으로부터 선택되는 단계 중 하나 이상
    을 더 포함하는 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 스프링을 구부리는 단계는, 상기 제1 아치형 프로파일 표면과 상기 제2 아치형 프로파일 표면 사이의 거리가 단축되도록 하여, 상기 가열된 스프링이 상기 아치형 프로파일 표면들과 맞물리도록 하고 상기 가열된 스프링이 구부러져, 상기 클램프 위치에 있을 때, 상기 제1 아치형 프로파일 표면과 상기 제2 아치형 프로파일 표면 사이의 공간의 형상에 순응하도록 하는 것인 방법.
13. 제11항에 있어서, 상기 스프링을 구부리는 단계는, 상기 제1 아치형 프로파일 표면과 상기 제2 아치형 프로파일 표면 사이의 거리가 단축되도록 하여, 상기 가열된 스프링이 상기 아치형 프로파일 표면들과 맞물리도록 하고 상기 가열된 스프링이 구부러져, 상기 클램프 위치에 있을 때, 상기 제1 아치형 프로파일 표면과 상기 제2 아치형 프로파일 표면 사이의 공간의 형상에 순응하도록 하는 것인 방법.
14. 제1항에 있어서, 상기 스프링을 제거하는 단계는, 상기 스프링을 담금질한 이후에 상기 제1 아치형 프로파일 표면 및 상기 제2 아치형 프로파일 표면 중 적어도 하나를 상기 비-클램프 위치로 이동시키는 것을 포함하는 것인 방법.
15. 제13항에 있어서, 상기 스프링을 제거하는 단계는, 상기 스프링을 담금질한 이후에 상기 제1 아치형 프로파일 표면 및 상기 제2 아치형 프로파일 표면 중 적어도 하나를 상기 비-클램프 위치로 이동시키는 것을 포함하는 것인 방법.
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