KR20230110644A - 코일 스프링 - Google Patents

Abstract

하나의 실시 형태에 관한 코일 스프링은, 일단과 타단을 갖는 소선(2)으로 이루어진다.　이 코일 스프링의 소선(2)은 소선(2)의 단면에 관한 것이고, 원형 단면부(30)로 이루어지는 유효부(13)와, 단면이 실질적으로 정사각형이며 엔드 턴부(11)(12)를 포함하는 정사각형 단면부(31)와, 테이퍼부(32)를 갖고 있다.　상기 정사각형 단면부(31)의 단면의 1변의 길이는, 상기 원형 단면부(30)의 소선(2)의 직경의 루트 2분의 1 이하이다.　상기 테이퍼부(32)는 상기 원형 단면부(30)로부터 상기 정사각형 단면부(31)를 향하여, 단면이 원형에서 대략 정사각형으로 변화함과 함께 단면적이 감소한다.

Description

코일 스프링

본 발명은 예를 들어 차량의 현가 장치 등에 사용되는 코일 스프링(Coil spring)에 관한 것이다.

차량의 현가 장치에 사용되는 코일 스프링의 일 예는, 나선형으로 감긴 소선(wire rod)으로 이루어진다.　일반적으로 코일 스프링의 소선의 단면(소선의 길이 방향과 직각인 단면)은 원형이다.　상기 코일 스프링은, 현가 장치의 제1 스프링 시트에 접하는 제1 엔드 턴부와, 제2 스프링 시트에 접하는 제2 엔드 턴부와, 상기 제1 엔드 턴부와 상기 제2 엔드 턴부 사이의 유효부를 갖고 있다.

상기 유효부는 복수의 코일부(coil portion)를 갖고 있다.　이 코일 스프링이 하중에 의해 소정 길이로 압축된 상태에 있어서, 상기 유효부의 상기 코일부의 사이에 간극이 존재하고 있다.　엔드 턴부는, 하중의 크기에 관계없이 항상 스프링 시트에 접하고 있다.　유효부의 일부는 하중의 크기에 따라 스프링 시트에 접하거나, 스프링 시트로부터 떨어지거나 한다.

상기 코일 스프링은, 상정된 최소 하중과 최대 하중 사이에서, 소정의 스트로크로 신축한다.　차량에 따라서는, 비선형 특성을 갖는 코일 스프링이 요망되는 경우가 있다.　비선형 특성을 갖는 코일 스프링은, 하중의 크기에 따라 스프링 상수(spring constant)가 변화한다.　예를 들어 하중이 작은 동안은 코일 스프링이 제1 스프링 상수로 휘고, 하중이 커지면 제2 스프링 상수로 휜다.　제2 스프링 상수는, 제1 스프링 상수보다 크다.

유효부의 도중에서 소선의 단부를 향하여 소선 직경을 작게 한 테이퍼부를 갖는 테이퍼 코일 스프링도 알려져 있다.　테이퍼 코일 스프링은, 테이퍼부의 강성이 작기 때문에 소하중역에서는 주로 테이퍼부가 휜다.　하중이 커지면 테이퍼부가 밀착 상태가 되어 유효부가 휘기 때문에, 비선형 특성이 된다.

일본 특허 공개 소57-11743호 공보(특허문헌 1)에 기재된 테이퍼 코일 스프링은, 유효부의 도중에서 엔드 턴부를 향하여 소선 직경이 감소하고 있다.　일본 특허 공개 소56-141431호 공보(특허문헌 2)에 기재된 테이퍼 코일 스프링은, 테이퍼부와 엔드 턴부의 소선의 단면이 원형에 가까운 둥근 모양을 띤 8각형이다.

일본 특허 공개 소57-11743호 공보 일본 특허 공개 소56-141431호 공보 일본 특허 공개 제2000-337415호 공보 일본 특허 공개 소54-52257호 공보

단면이 대략 원형의 소선으로 이루어지는 코일 스프링에 있어서, 소선 직경이 극단적으로 작은 부분을 가공하는 것은 용이하지 않다.　예를 들어 소성 가공에 의해 소선 직경을 충분히 작게 하기 위해서는, 특수한 압연롤을 사용할 필요가 있다.　절삭이나 스웨이징(swaging)에 의해 선 직경을 작게 할 수도 있지만, 가공에 필요한 비용이 높고, 가공 시간이 오래 걸리는 등, 실용에 부적합하다.　이러한 사정으로, 소선의 일부의 소선 직경을 극단적으로 작게 하는 것이 곤란하였다.

비선형 특성의 코일 스프링에 있어서, 테이퍼부와 소단면부(소경부)의 소선 직경을 작게 하는 데에 한계가 있어도, 테이퍼부와 소단면부의 권수를 많게 하면 소하중역에서의 스프링 상수를 낮추는 것이 가능하다.　그러나 비선형 특성의 코일 스프링 테이퍼부와 소단면부는, 하중이 커지면 밀착 상태가 된다.　밀착 상태가 된 테이퍼부와 소단면부는, 스프링으로서 기능하지 않는 데드 코일부가 된다.　데드 코일부의 권수가 많은 코일 스프링은, 차량의 중량이 커지는 원인이 된다.

일본 특허 공개 제2000-337415호 공보(특허문헌 3)나 일본 특허 공개 소54-52257호 공보(특허문헌 4)에 기재된 코일 스프링은, 소선의 길이 방향의 일부(엔드 턴부를 포함하는 부분)를 압연함으로써, 편평한 직사각형 단면의 플랫부를 형성하고 있다.　직사각형 단면의 플랫부는, 일반의 압연롤을 사용하여 비교적 용이하게 형성할 수 있다.　그러나 플랫부는, 원형 단면의 소선과 비교하여 단면 이차 극 모멘트(Polar Moment of inertia of area)가 현격히 크다.　이 때문에 플랫부를 갖는 비선형 특성의 코일 스프링은, 원하는 비선형 특성이 얻어져도, 경량화시키는 것은 곤란하였다.

본 발명의 목적은, 비선형 특성을 갖고 또한 경량의 코일 스프링을 제공하는 데 있다.

본 발명의 하나의 실시 형태는, 일단과 타단을 갖는 소선으로 이루어지는 코일 스프링이며, 상기 소선의 상기 일단을 포함하는 제1 엔드 턴부(first end turn part)와, 상기 소선의 상기 타단을 포함하는 제2 엔드 턴부(second end turn part)와, 유효부(effective spring part)를 갖고 있다.　상기 유효부는, 상기 제1 엔드 턴부와 상기 제2 엔드 턴부 사이에 형성된 복수의 코일부(coil portion)를 갖고, 서로 이웃하는 상기 코일부의 사이에 간극을 두고 있다.　상기 유효부는, 상기 소선의 길이 방향과 직각인 제1 단면이 원형인 원형 단면부를 포함하고 있다.

또한 본 실시 형태의 코일 스프링은, 상기 소선의 상기 일단으로부터 제1 엔드 턴부를 넘는 길이의 정사각형 단면부와, 상기 원형 단면부와 상기 정사각형 단면부 사이에 형성된 1.0권 이상의 테이퍼부를 갖고 있다.　상기 정사각형 단면부는, 상기 길이 방향과 직각인 제2 단면이 실질적으로 정사각형이며, 또한 상기 제2 단면의 1변의 길이가 상기 원형 단면부의 소선의 직경의 루트(√) 2분의 1 이하이며, 또한 상기 제2 단면이 상기 길이 방향으로 일정하다.　상기 테이퍼부의 단면(소선의 길이 방향과 직각인 제3 단면)은 상기 원형 단면부로부터 상기 정사각형 단면부를 향하여, 원형에서 대략 정사각형으로 변화하고 또한 단면적이 감소한다.

상기 정사각형 단면부가, 상기 코일 스프링의 중심축을 따르는 외측의 제1 면 및 내측의 제2 면과, 상기 제1 면 및 제2 면과 직각이며 서로 평행한 상측의 제3 면 및 하측의 제4 면을 가져도 된다.　본 실시 형태의 코일 스프링에 있어서, 상기 정사각형 단면부가 적어도 제1 코일부(first coil portion)와 제2 코일부(second coil portion)를 갖고, 상기 코일 스프링이 압축된 상태에 있어서, 제1 코일부의 상기 제3 면과 제2 코일부의 상기 제4 면이 서로 접하는 맞닿음부를 가져도 된다.　상기 정사각형 단면부의 상기 제2 코일부의 코일 직경이, 상기 제2 코일부의 코일 직경보다 작아도 된다.

상기 테이퍼부가, 상기 정사각형 단면부의 상기 제1 면에 이어지는 제1 평면부와, 상기 제2 면에 이어지는 제2 평면부와, 상기 제3 면에 이어지는 제3 평면부와, 상기 제4 면에 이어지는 제4 평면부와, 상기 제1 평면부와 상기 제3 평면부 사이의 제1 원호부와, 상기 제1 평면부와 상기 제4 평면부 사이의 제2 원호부와, 상기 제2 평면부와 상기 제3 평면부 사이의 제3 원호부와, 상기 제2 평면부와 상기 제4 평면부 사이의 제4 원호부를 가져도 된다.

상기 정사각형 단면부는, 압연롤 등을 사용하여 비교적 용이하게 가공하는 것이 가능하다.　상기 정사각형 단면부의 단면적을 원형 단면부의 단면적과 비교하여 충분히 작게 하는 것도 그다지 곤란하지 않다.

도 1은 제1 실시 형태에 관한 코일 스프링의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 코일 스프링이 압축된 상태에 있어서, 동 코일 스프링의 일부를 단면으로 나타낸 사시도.
도 3은 코일링되기 전의 상기 코일 스프링의 소선의 일부를 나타낸 측면도.
도 4는 상기 소선의 정사각형 단면부의 일 예를 모식적으로 나타낸 단면도.
도 5는 단면이 서로 다른 3종류의 소선의 각각의 단면 이차 극 모멘트(polar moment of inertia of area)를 나타낸 도면.
도 6은 도 1에 도시된 코일 스프링의 스프링 특성(휨과 하중의 관계)을 모식적으로 나타낸 도면.
도 7은 동 코일 스프링의 하단으로부터의 위치(turns from lower end)와 응력(inner side of coil)의 관계를 나타낸 도면.
도 8은 압연 장치를 모식적으로 나타낸 사시도.
도 9는 코일링 머신의 일부의 평면도.
도 10은 제2 실시 형태에 관한 코일 스프링의 사시도.
도 11은 도 10에 도시된 코일 스프링의 일부를 단면으로 나타낸 사시도.

이하에 본 발명의 하나의 실시 형태에 관한 코일 스프링에 대하여, 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한다.

도 1은 자동차 등의 차량의 현가 장치에 사용되는 코일 스프링(1)을 나타내고 있다.　코일 스프링(1)은 나선형으로 감긴 소선(wire rod)(2)을 갖고 있다.　소선(2)은 예를 들어 스프링강으로 이루어진다.　코일 스프링(1)은 소선(2)의 일단(2a)을 포함하는 제1 엔드 턴부(11)와, 소선(2)의 타단(2b)을 포함하는 제2 엔드 턴부(12)와, 유효부(13)를 갖고 있다.　유효부(13)는 제1 엔드 턴부(11)와 제2 엔드 턴부(12) 사이에 형성되고, 복수의 코일부(13a)를 갖고 있다.　코일 스프링(1)이 차량의 현가 장치에 내장되면, 제1 엔드 턴부(11)가 상측에 위치하고, 제2 엔드 턴부(12)가 하측에 위치한다.　이 경우, 코일 스프링(1)의 중심축 C1은 상하 방향으로 연장되어 있다.

유효부(13)의 일 예는, 피치 P1(도 1에 나타냄)이 일정하며 또한 코일 직경 R1이 실질적으로 일정한 원통형이다.　여기서 「실질적으로 일정」이란, 코일링 머신에 의해 제조된 코일 스프링의 공차의 범위의 변동이나, 스프링백에 의한 허용 범위의 변동이 실용상 무시할 수 있을 정도인 것을 의미하고 있다.　또한 피치 P1과 코일 직경 R1이, 중심축 C1을 따르는 방향으로 변화하는 비원통형의 코일 스프링이어도 된다.

제1 엔드 턴부(11)는 현가 장치의 상측의 스프링 시트(20)(도 2에 나타냄)에 의해 지지된다.　도 1에 나타내는 바와 같이 제2 엔드 턴부(12)는 현가 장치의 하측의 스프링 시트(21)에 의해 지지된다.　코일 스프링(1)은 상측의 스프링 시트(20)와 하측의 스프링 시트(21) 사이에서 압축된다.　코일 스프링(1)이 소정의 하중역(현가 장치로서 사용되는 하중의 범위)에서 압축된 상태에 있어서, 유효부(13)는 서로 이웃하는 코일부(13a)의 사이에 간극 G1을 갖고 있다.

차량의 현가 장치에 사용되는 코일 스프링(1)은 상정되는 최소 하중과 최대 하중 사이의 하중역에서 사용된다.　유효부(13)는 최대로 압축된 풀 범프(full bump) 상태와, 최대로 신장된 풀 리바운드(full rebound) 상태 중 어느 것에 있어서도, 서로 이웃하는 코일부(13a)끼리 서로 접하지 않고, 스프링으로서 유효하게 기능한다.

도 2는 코일 스프링(1)이 압축된 상태에서, 코일 스프링(1)의 일부(엔드 턴부(11) 부근)를 단면으로 나타낸 사시도이다.　본 실시 형태의 코일 스프링(1)은 유효부(13)의 원형 단면부(30)와, 제1 엔드 턴부(11)의 정사각형 단면부(31)와, 원형 단면부(30)와 정사각형 단면부(31) 사이에 형성된 테이퍼부(32)를 포함하고 있다.　제1 엔드 턴부(11)는 정사각형 단면부(31)를 갖고, 나선형으로 성형되어 있다.　제2 엔드 턴부(12)는 원형 단면부(30)의 일부를 갖고, 나선형으로 성형되어 있다.　유효부(13)는 원형 단면부(30)로 이루어지고, 나선형으로 성형된 복수의 코일부(13a)를 갖고 있다.

도 3은 소선(2)이 코일링되기 전의 소선(2)의 일부를 나타내고 있다.　소선(2)의 중심을 통과하는 축선 X1은, 소선(2)의 길이 방향으로 연장되어 있다.　도 3에 도시된 소선(2)은 길이 L1의 원형 단면부(30)와, 길이 L2의 정사각형 단면부(31)와, 길이 L3의 테이퍼부(32)를 갖고 있다.　원형 단면부(30)는 유효부(13)의 복수의 코일부(13a)에 필요한 길이 L1을 갖고 있다.　정사각형 단면부(31)는 소선(2)의 일단(2a)으로부터 길이 L2에 걸쳐 형성되어 있다.　테이퍼부(32)는 원형 단면부(30)와 정사각형 단면부(31) 사이에, 길이 L3에 걸쳐 형성되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 원형 단면부(30)의 단면(소선(2)의 축선 X1과 직각인 제1 단면 S1)은 원형이다.　게다가 제1 단면 S1은, 소선(2)의 길이 방향(축선 X1을 따르는 방향)으로 실질적으로 일정하다.　제2 엔드 턴부(12)는 원형 단면부(30)의 일부로 이루어지기 때문에, 단면이 원형이다.　제2 엔드 턴부(12)의 소선 직경은 유효부(13)의 원형 단면부(30)의 소선 직경과 동일하다.

정사각형 단면부(31)는 코일 스프링(1)의 중심축 C1(도 1과 도 2에 나타냄)을 따르는 외측의 제1 면(31a) 및 내측의 제2 면(31b)과, 제1 면(31a)과 직각인 상측의 제3 면(31c) 및 하측의 제4 면(31d)을 갖고 있다.　제3 면(31c)과 제4 면(31d)은, 코일 스프링(1)의 중심축 C1에 대하여, 거의 직각인 평면으로 되어 있다.　정사각형 단면부(31)는 제1 코일부(41)와 제2 코일부(42)를 갖고 있다.　제2 코일부(42)의 코일 직경 r2는, 제1 코일부(41)의 코일 직경 r1보다 작다.

도 2는 코일 스프링(1)이 중심축 C1을 따르는 하중에 의해 압축된 상태를 나타내고 있다.　코일 스프링(1)이 압축되면, 정사각형 단면부(31)의 제1 코일부(41)의 상면(31c)과, 제2 코일부(42)의 하면(31d)이 코일 스프링(1)의 중심축 C1을 따르는 방향으로 겹쳐진다.　이에 의해 맞닿음부(43)가 형성된다.　이 때문에 제2 코일부(42)가 제1 코일부(41)의 내측으로 들어가는 것(미끄러져 들어감)을 피할 수 있었다.

정사각형 단면부(31)의 단면(축선 X1과 직각인 제2 단면 S2)은 실질적으로 정사각형(대략 정사각형)이다.　이 명세서에서 말하는 「실질적으로 정사각형(대략 정사각형)」이란, 기하학상의 엄밀한 의미에서의 정사각형이 아니다.　도 4에 모식적으로 도시된 제2 단면 S2와 같이, 단면의 4개의 변 A1, A2, A3, A4의 각각의 길이 T1, T2, T3, T4가, 가공상의 공차의 범위에서 서로 동등하면 된다.　각 변 A1, A2, A3, A4의 길이 T1, T2, T3, T4는, 각각, 원형 단면부(30)의 직경 D1의 루트(√) 2분의 1 이하이다.

각 변 A1, A2, A3, A4가 서로 이루는 내각 θ1, θ2, θ3, θ4는, 가공상의 공차의 범위에서 거의 90°이다.　각 변 A1, A2, A3, A4가 교차하는 개소에, 둥근 모양을 띤 코너부 B1, B2, B3, B4가 형성되어 있어도 된다.　제2 단면 S2는, 소선(2)의 길이 방향(축선 X1을 따르는 방향)으로 실질적으로 일정하다.

테이퍼부(32)의 단면(축선 X1과 직각인 제3 단면 S3)은 원형 단면부(30)로부터 정사각형 단면부(31)를 향하여, 원형에서 대략 정사각형으로 점차 변화함과 함께 단면적이 감소한다.　테이퍼부(32)는 원형 단면부(30)와 정사각형 단면부(31) 사이에, 1.0권 이상 형성되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 테이퍼부(32)의 단면(제3 단면 S3)은 제1 평면부(32a)와, 제2 평면부(32b)와, 제3 평면부(32c)와, 제4 평면부(32d)와, 제1 원호부(32e)와, 제2 원호부(32f)와, 제3 원호부(32g)와, 제4 원호부(32h)를 갖고 있다.　제1 평면부(32a)는 정사각형 단면부(31)의 제1 면(31a)으로 이어져 있다.　제1 평면부(32a)는 코일 스프링(1)의 중심축 C1을 따라 있다.

제2 평면부(32b)는 정사각형 단면부(31)의 제2 면(31b)으로 이어져 있다.　제2 평면부(32b)는 코일 스프링(1)의 중심축 C1을 따라 있다.　제3 평면부(32c)는 정사각형 단면부(31)의 제3 면(31c)으로 이어져 있다.　제3 평면부(32c)는 제1 평면부(32a)와 직각이다.　제4 평면부(32d)는 정사각형 단면부(31)의 제4 면(31d)으로 이어져 있다.　제4 평면부(32d)는 제1 평면부(32a)와 직각이다.

제1 원호부(32e)는 제1 평면부(32a)와 제3 평면부(32c) 사이에 형성된 원호형의 곡면으로 이루어진다.　제2 원호부(32f)는 제1 평면부(32a)와 제4 평면부(32d) 사이에 형성된 원호형의 곡면으로 이루어진다.　제3 원호부(32g)는 제2 평면부(32b)와 제3 평면부(32c) 사이에 형성된 원호형의 곡면으로 이루어진다.　제4 원호부(32h)는 제2 평면부(32b)와 제4 평면부(32d) 사이에 형성된 원호형의 곡면으로 이루어진다.　이들 원호부(32e, 32f, (32g, 32h)는 각각, 정사각형 단면부(31)의 코너부 B1, B2, B3, B4(도 4에 나타냄)로 이어져 있다.

도 5는 단면이 서로 다른 3종류의 소선에 대하여, 각각의 길이 방향의 위치와 단면 이차 극 모멘트(비틀림 강성)의 관계를 나타낸 도면이다.　도 5 중의 실선 M1은, 본 실시 형태에 관한 소선(2)(도 3에 나타냄)의 단면 이차 극 모멘트를 나타내고 있다.　본 실시 형태의 원형 단면부(30)의 소선 직경은 15.4mm, 정사각형 단면부(31)의 1변의 길이가 6mm이다.　도 5에 있어서, 횡축의 제로(0)로부터 길이 L3a가 테이퍼부(32)의 단면 이차 극 모멘트, 길이 L2a가 정사각형 단면부(31)의 단면 이차 극 모멘트이다.　정사각형 단면부(31)의 단면 이차 극 모멘트는, 원형 단면부(30)의 단면 이차 극 모멘트와 비교하여 충분히 작다.

도 5 중의 2점쇄선 M2는, 플랫 테이퍼부(flat taper portion)를 갖는 종래예 1의 소선의 단면 이차 극 모멘트를 나타내고 있다.　종래예 1의 소선은, 소선 직경이 15.4mm인 원형 단면부의 단부로부터, 소선의 선단까지의 길이 L4에 걸쳐, 플랫 테이퍼부를 갖고 있다.　플랫 테이퍼부의 단면은 편평한 직사각형이다.　플랫 테이퍼부의 단부면의 폭은 15.4mm, 두께는 5.5mm이다.

플랫 테이퍼부를 갖는 종래예 1의 단면 이차 극 모멘트(2점쇄선 M2)는 본 실시예의 단면 이차 극 모멘트(실선 M1)와 비교하여 현격히 크다.　플랫 테이퍼부를 갖는 종래예 1의 코일 스프링의 제1 스프링 상수를 작게 하기 위해서는, 플랫 테이퍼부의 권수를 많게 할 필요가 있다.　이 때문에 제2 스프링 상수 영역 하에서는 데드 코일부의 권수가 많아져, 중량이 커진다.

도 5 중의 파선 M3은, 라운드 테이퍼부(round taper portion)를 갖는 종래예 2의 소선의 단면 이차 극 모멘트를 나타내고 있다.　종래예 2의 소선은, 원형 단면부의 단부로부터 길이 L3a의 라운드 테이퍼부와, 길이 L2a의 소단면부(소선 직경 11.4mm)를 갖고 있다.　원형 단면부의 소선 직경은 15.4mm이다.

종래예 2의 단면 이차 극 모멘트(파선 M3)는 본 실시예의 단면 이차 극 모멘트(실선 M1)보다 크다.　라운드 테이퍼부를 갖는 종래예 2의 코일 스프링의 제1 스프링 상수를 작게 하기 위해서는, 라운드 테이퍼부의 권수를 많게 할 필요가 있다.　이 때문에 제2 스프링 상수 영역 하에서는 데드 코일부의 권수가 많아져, 중량이 커진다.

정사각형 단면과 원형 단면의 각각의 단면 이차 극 모멘트가 서로 동일한 경우, 정사각형 단면의 1변의 길이는 원형 단면의 직경의 약 0.87-0.89이며, 양자의 차는 작다.　서로 등가 사이즈의 원형 단면과 정사각형 단면은, 비틀림 강성에 관하여 큰 차이는 없다.　단면이 원형인 소선을 가공하여, 직경이 극단적으로 작은 라운드 테이퍼를 형성하는 것은 용이하지 않다.　이에 반해 정사각형 단면부(31)는 적어도 한 쌍의 압연롤을 사용하여 비교적 용이하게 가공할 수 있다.　정사각형 단면부는, 단면의 1변의 길이를 원형 단면부의 소선 직경의 루트 2분의 1 이하로 소성 가공하는 것도 실용상 가능하다.

도 6은 본 실시 형태의 코일 스프링(1)의 스프링 특성(하중과 휨의 관계)을 모식적으로 나타내고 있다.　도 6 중의 횡축은 휨을 나타내고, 종축은 하중을 나타내고 있다.　코일 스프링(1)은 하측의 스프링 시트(21)(도 1에 나타냄)와 상측의 스프링 시트(20)(도 2에 나타냄) 사이에서 압축된다.　하중이 제로 내지 W1에서는, 주로 정사각형 단면부(31)가 휜다.

이 때문에 도 6 중의 선 K1로 나타내는 바와 같이, 비교적 작은 스프링 상수의 제1 스프링 상수 영역 E1이 된다.　하중이 W1을 초과하면, 정사각형 단면부(31)가 밀착 상태가 되고, 주로 원형 단면부(30)가 휜다.　이 때문에 도 6 중의 선 K2로 나타내는 바와 같이, 스프링 상수가 커진다(제2 스프링 상수 영역 E2).

도 7은 코일 스프링(1)이 압축되었을 때 소선의 내측에 생기는 응력과, 소선(2)의 하단으로부터의 위치(turns from lower end)의 관계를 나타내고 있다.　유효부(13)의 코일부(13a)마다 응력의 피크 τmax가 생기고 있다.　이들 피크 τmax는, 현가 장치에 있어서 허용되는 응력보다 작다.　엔드 턴부(11) 부근에 작은 피크 τ1이 생기고 있다.

본 발명자가 예의 연구를 행한바, 테이퍼부(32)의 권수가 1.0 미만에서는, 도 7 중에 τ2로 나타낸 바와 같이, 테이퍼부(32)의 응력이 유효부(13)의 응력 피크 τmax를 초과해 버리는 것을 알 수 있었다.　테이퍼부(32)의 응력이 유효부(13)의 응력을 초과하는 것은 바람직하지 않다.　이에 따라 본 실시 형태에서는, 테이퍼부(32)의 권수를 1.0 이상으로 하였다.

도 8은 단면이 원형인 소선(2)에 정사각형 단면부(31)와 테이퍼부(32)를 성형하는 압연 장치(50)를 모식적으로 나타내고 있다.　소선(2)은 화살표 F1로 나타내는 방향으로 이동한다.　이 압연 장치(50)는 압연롤(51, 52)을 갖고 있다.　압연롤(51, 52)의 간격을 조정할 수 있다.　소선(2)이 압연롤(51, 52)을 통과함으로써 소선(2)이 압연된다.　그 후 소선(2)이 축선 X1 주위로 90° 회전되어, 소선(2)이 다시 압연롤(51, 52)에 의해 압연된다.

도 9는 코일 스프링을 열간(예를 들어 A₃ 변태점 이상, 1150℃ 이하)에서 성형하는 코일링 머신(60)의 일부를 나타내고 있다.　코일링 머신(60)은 원기둥형의 맨드럴(61)과, 척(62)과, 가이드부(63)를 포함하고 있다.　가이드부(63)는 한 쌍의 제1 가이드 롤(65, 66)을 포함하고 있다.

스프링강으로 이루어지는 소선(2)은 미리 코일 스프링 1개분의 길이로 절단되어 있다.　소선(2)이 오스테나이트화 온도(A₃ 변태점 이상, 1150℃ 이하)로 가열되어, 공급 기구에 의해 맨드럴(61)에 공급된다.　척(62)은 소선(2)의 선단을 맨드럴(61)에 고정한다.　가이드부(63)는 소선(2)을 안내함으로써, 맨드럴(61)에 휘감기는 소선(2)의 위치를 제어한다.

맨드럴(61)의 한쪽 단부(61a)는 척(62)에 의해 구동 헤드(70)에 보유 지지되어 있다.　맨드럴(61)은 구동 헤드(70)에 의해, 축선 X2 주위로 회전한다.　맨드럴(61)의 다른 쪽 단부(61b)는 맨드럴 홀더(71)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다.　가이드부(63)는 맨드럴(61)의 축선 X2를 따르는 방향으로 이동하고, 성형해야 할 코일 스프링의 피치 각에 따라 소선(2)을 안내한다.

소선(2)은 코일 스프링 1개분의 길이이다.　소선(2)이 맨드럴(61)에 공급되기 전에, 소선(2)이 가열로에 의해 가열된다.　가열된 소선(2)의 선단이 척(62)에 의해 맨드럴(61)에 고정된다.　맨드럴(61)이 회전함과 함께, 맨드럴(61)의 회전에 동기하여, 가이드부(63)가 맨드럴(61)의 축선 X2를 따르는 방향으로 이동한다.　이에 의해, 소선(2)이 맨드럴(61)에 소정 피치로 휘감겨 간다.

이하에 기술하는 비교예 1, 2, 3, 4는, 각각, 원형 단면부를 포함하는 유효부와, 라운드형의 테이퍼부 및 소단면부를 갖는 비선형 특성의 코일 스프링이다.　이에 반해 실시예 1, 2, 3, 4는, 각각, 도 1에 도시된 코일 스프링(1)과 마찬가지로, 원형 단면부(30)와, 정사각형 단면부(31)와, 테이퍼부(32)를 갖는 비선형 특성의 코일 스프링이다.

[비교예 1]

비교예 1의 코일 스프링은, 원형 단면부의 소선 직경이 18mm, 소단면부의 소선 직경이 13mm, 총권수 8.5, 중량이 7.0kg이다.

[실시예 1]

실시예 1의 코일 스프링은, 원형 단면부(30)의 소선 직경이 18mm, 정사각형 단면부(31)의 단면의 1변의 길이가 7mm, 총권수 8.5이다.　정사각형 단면부(31)의 단면의 1변의 길이는, 원형 단면부(30)의 소선 직경의 40％였다.　실시예 1의 스프링 특성(하중과 휨의 관계)은 비교예 1과 동등하다.　실시예 1의 코일 스프링의 중량은 5.2kg이며, 비교예 1의 코일 스프링과 비교하여 약 24％의 경량화가 되었다.

[비교예 2]

비교예 2의 코일 스프링은, 원형 단면부의 소선 직경이 15mm, 소단면부의 소선 직경이 11mm, 총권수 8.5, 중량이 7.0kg이다.

[실시예 2]

실시예 2의 코일 스프링은, 원형 단면부(30)의 소선 직경이 15mm, 정사각형 단면부(31)의 단면의 1변의 길이가 7mm, 총권수 9.0이다.　정사각형 단면부(31)의 단면의 1변의 길이는, 원형 단면부(30)의 소선 직경의 47％였다.　실시예 2의 스프링 특성은 비교예 2와 동등하다.　실시예 2의 코일 스프링의 중량은 4.0kg이며, 비교예 2의 코일 스프링과 비교하여 약 23％의 경량화가 되었다.

[비교예 3]

비교예 3의 코일 스프링은, 원형 단면부의 소선 직경이 22mm, 소단면부의 소선 직경이 17mm, 총권수 8.0, 중량이 8.5kg이다.

[실시예 3]

실시예 3의 코일 스프링은, 원형 단면부(30)의 소선 직경이 22mm, 정사각형 단면부(31)의 단면의 1변의 길이가 7mm, 총권수 8.0이다.　정사각형 단면부(31)의 단면의 1변의 길이는, 원형 단면부(30)의 소선 직경의 32％였다.　실시예 3의 스프링 특성은 비교예 3과 동등하다.　실시예 3의 코일 스프링의 중량은 6.5kg이며, 비교예 3의 코일 스프링과 비교하여 약 22％의 경량화가 되었다.

[비교예 4]

비교예 4의 코일 스프링은, 원형 단면부의 소선 직경이 16mm, 소단면부의 소선 직경이 12mm, 총권수 10.0, 중량이 6.0kg이었다.

[실시예 4]

실시예 4의 코일 스프링은, 원형 단면부(30)의 소선 직경이 15mm, 정사각형 단면부(31)의 단면의 1변의 길이가 7mm, 총권수 9.0이다.　정사각형 단면부(31)의 단면의 1변의 길이는, 원형 단면부(30)의 소선 직경의 47％였다.　실시예 4의 스프링 특성은 비교예 4와 동등하다.　실시예 4의 코일 스프링의 중량은 5.0kg이며, 비교예 4의 코일 스프링과 비교하여 약 18％의 경량화가 되었다.

실시예 1 내지 4의 코일 스프링의 정사각형 단면부(31)의 단면의 1변의 길이는, 원형 단면부(30)의 소선 직경의 50％ 이하이다.　정사각형 단면부(31)를 형성할 때 단면의 1변의 길이가 다소 변동되는 경우가 있지만, 정사각형 단면부의 단면의 1변의 길이를 원형 단면부의 소선 직경의 루트 2분의 1 이하로 함으로써, 종래의 코일 스프링과 비교하여 20％ 가까운 경량화가 가능하게 되었다.

도 10은 제2 실시 형태에 관한 코일 스프링(1A)을 나타내고 있다.　도 11은 코일 스프링(1A)의 일부(엔드 턴부(11) 부근)를 단면으로 나타낸 사시도이다.　코일 스프링(1A)은 2권 이상의 정사각형 단면부(31)와, 1.0권 이상의 테이퍼부(32)를 갖고 있다.　제2 엔드 턴부(12)의 소선의 단면은 원형이다.　제2 엔드 턴부(12)의 소선 직경은 원형 단면부(30)의 소선 직경과 동일하다.　제2 엔드 턴부(12)는 소선(2)의 타단(2b)을 향하여 코일 직경이 감소하는 소경 코일부(90)를 갖고 있다.　제2 엔드 턴부(12)의 소선 직경은, 원형 단면부(30)의 소선 직경보다 작아도 된다.

코일 스프링(1A)의 제1 엔드 턴부(11)를 포함하는 정사각형 단면부(31)는 적어도 제1 코일부(41)와 제2 코일부(42)를 갖고 있다.　제2 코일부(42)의 외측의 코일 직경 r4는 제1 코일부(41)의 내측의 코일 직경 r3보다 작다.　코일 스프링(1A)이 압축되면, 도 11에 2점쇄선 Z1로 나타내는 바와 같이, 제2 코일부(42)가 제1 코일부(41)의 내측으로 들어갈 수 있다.

상기 이외의 구성과 작용에 대하여 제2 실시 형태의 코일 스프링(1A)은 제1 실시 형태의 코일 스프링(1)과 공통이기 때문에, 양자에 공통인 부호를 붙여서 설명은 생략한다.

본 발명의 코일 스프링은, 차량의 현가 장치를 비롯하여, 다양한 양태의 기기에 사용되는 코일 스프링에 적용할 수 있다.

1, 1A: 코일 스프링
2: 소선
11: 제1 엔드 턴부
12: 제2 엔드 턴부
13: 유효부
13a: 코일부
30: 원형 단면부
31: 정사각형 단면부
31a: 제1 면
31b: 제2 면
31c: 제3 면
31d: 제4 면
S1: 제1 단면
S2: 제2 단면
S3: 제3 단면
32: 테이퍼부
32a: 제1 평면부
32b: 제2 평면부
32c: 제3 평면부
32d: 제4 평면부
32e: 제1 원호부
32f: 제2 원호부
32g: 제3 원호부
32h: 제4 원호부
C1: 중심축
41: 제1 코일부
42: 제2 코일부
43: 맞닿음부

Claims (5)

1. 일단과 타단을 갖는 소선(2)으로 이루어지고,
   상기 소선(2)의 상기 일단을 포함하는 제1 엔드 턴부(11)와,
   상기 소선(2)의 상기 타단을 포함하는 제2 엔드 턴부(12)와,
   상기 제1 엔드 턴부(11)와 상기 제2 엔드 턴부(12) 사이에 형성된 복수의 코일부(13a)를 갖고, 서로 이웃하는 상기 코일부(13a)의 사이에 간극(G1)이 존재하는 유효부(13)를
   갖는 코일 스프링이며,
   상기 소선(2)이,
   상기 소선(2)의 길이 방향과 직각인 제1 단면(S1)이 원형인 원형 단면부(30)와,
   상기 소선(2)의 상기 일단으로부터 상기 제1 엔드 턴부(11)를 넘는 길이를 갖고, 상기 길이 방향과 직각인 제2 단면(S2)이 실질적으로 정사각형이며, 또한 상기 제2 단면(S2)의 1변의 길이가 상기 원형 단면부(30)의 소선(2)의 직경의 루트 2분의 1 이하이며, 또한 상기 제2 단면(S2)이 상기 길이 방향으로 일정한 정사각형 단면부(31)와,
   상기 원형 단면부(30)와 상기 정사각형 단면부(31) 사이에 1.0권 이상 형성되고, 상기 길이 방향과 직각인 제3 단면(S3)이 상기 원형 단면부(30)로부터 상기 정사각형 단면부(31)를 향하여, 원형에서 대략 정사각형으로 변화하고 또한 단면적이 감소하는 테이퍼부(32)를
   구비한 코일 스프링.
2. 제1항에 있어서,
   상기 정사각형 단면부(31)가 상기 코일 스프링의 중심축(C1)을 따르는 외측의 제1 면(31a) 및 내측의 제2 면(31b)과, 상기 제1 면(31a) 및 제2 면(31b)과 직각이며 서로 평행한 제3 면(31c) 및 제4 면(31d)을 갖는 코일 스프링.
3. 제2항에 있어서,
   상기 정사각형 단면부(31)가 적어도 제1 코일부(41)와 제2 코일부(42)를 갖고, 상기 코일 스프링이 압축된 상태에 있어서, 상기 제1 코일부(41)의 상기 제3 면(31c)과 상기 제2 코일부(42)의 상기 제4 면(31d)이 서로 접하는 맞닿음부(43)를 갖는 코일 스프링.
4. 제2항에 있어서,
   상기 테이퍼부(32)가,
   상기 정사각형 단면부(31)의 상기 제1 면(31a)에 이어지는 제1 평면부(32a)와,
   상기 제2 면(31b)에 이어지는 제2 평면부(32b)와,
   상기 제3 면(31c)에 이어지는 제3 평면부(32c)와,
   상기 제4 면(31d)에 이어지는 제4 평면부(32d)와,
   상기 제1 평면부(32a)와 상기 제3 평면부(32c) 사이의 제1 원호부(32e)와,
   상기 제1 평면부(32a)와 상기 제4 평면부(32d) 사이의 제2 원호부(32f)와,
   상기 제2 평면부(32b)와 상기 제3 평면부(32c) 사이의 제3 원호부(32g)와,
   상기 제2 평면부(32b)와 상기 제4 평면부(32d) 사이의 제4 원호부(32h)를
   갖는 코일 스프링.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 엔드 턴부(12)의 상기 소선(2)의 단면이 원형이며 또한 상기 제2 엔드 턴부(12)의 상기 소선(2)의 직경이 상기 원형 단면부(30)의 상기 소선(2)의 직경과 동일한 코일 스프링.

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