WO2015098182A1 - 懸架ばね及び懸架ばねの製造方法 - Google Patents

Abstract

　懸架ばねは、第１の部分（１１ｂ）と、第１の部分（１１b）より腐食しやすい第２の部分（ｗ１）と、を備える。第２の部分（ｗ１）の表面から０．５ｍｍまでの範囲における圧縮残留応力を８００ＭＰａ以上とする。第２の部分（ｗ１）の腐食が表面から０．５ｍｍまで進行しても、８００ＭＰａ以上の圧縮残留応力により、疲労強度は保たれる。

Description

懸架ばね及び懸架ばねの製造方法

　本明細書に開示の技術は、懸架ばね及び懸架ばねの製造方法に関する。

　特許文献１（日本国特開２００２－１６８２７８号公報）には、コイルばねにショットピーニングを施す技術が開示されている。特許文献１に開示の技術では、コイルばねの表面の所定の部分にショットピーニングを施すことによりコイルばねの疲労強度を高めている。

　特許文献１の技術のようにばねにショットピーニングを施すと、ばねの表面に圧縮残留応力が付与され、ばねの疲労強度が高くなる。しかしながら、ショットピーニングではばねの表面に大きな圧縮残留応力を付与しているだけであり、ばねの表面よりも内部の範囲に大きな圧縮残留応力を付与することは難しい。このため、経年によりばねの表面が腐食した場合、表面より内部の範囲が外部に露出し、十分な圧縮残留応力が付与されていない部分が露出してしまう。これにより、ばねの疲労強度が低下するという課題があった。

　そこで本明細書は、腐食しても優れた疲労強度を有する懸架ばね及び懸架ばねの製造方法を提供することを目的とする。

　本明細書に開示する懸架ばねは、第１の部分と、第１の部分より腐食しやすい第２の部分と、を備えている。第２の部分の表面から０．５ｍｍまでの範囲における圧縮残留応力が８００ＭＰａ以上である。ここで、「腐食しやすい」とは、懸架ばねを実際に使用して年数が経過したときに腐食しやすいことを意味している。このため、使用前の状態で第２の部分が第１の部分より腐食し易い必要はなく、使用された結果、第２の部分が第１の部分よりも腐食が進行していれば、ここでいう「腐食しやすい」に相当する。

　懸架ばねについて発明者らが研究したところ、懸架ばねでは十分な疲労強度を発揮するためには、表面の圧縮残留応力が８００ＭＰａ以上であることが好ましいことが判明した。また、発明者らが研究したところ、懸架ばねにおいて腐食しやすい部分（第２の部分）では、懸架ばねの耐用年数が経過するまでの間に表面から深さ０．５ｍｍの範囲まで腐食が顕著に進行することが判明した。この結果より、懸架ばねの腐食が進行しても懸架ばねの強度を保つためには、腐食が進行した後において、腐食した部分の表面における圧縮残留応力が８００ＭＰａ以上であることが要求される。

　そこで上記の懸架ばねによれば、第２の部分の表面から０．５ｍｍまでの範囲における圧縮残留応力が８００ＭＰａ以上であるので、第２の部分の腐食が表面から０．５ｍｍまで進行したとしても、その表面には８００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が付与されている。このため、腐食しても優れた疲労強度を有している。

　また、上記の懸架ばねにおいて、第１の部分の表面における圧縮残留応力が８００ＭＰａ以上であり、第１の部分の表面から０．５ｍｍの位置における圧縮残留応力が８００ＭＰａ以下であってもよい。

　また、上記の懸架ばねは、重なり合う複数のリーフを備え、第２の部分はリーフ同士が接触／非接触を繰り返す部分に位置していてもよい。

　また、各リーフは、中央部と、その中央部の両端のそれぞれに形成され、中央部の板厚より薄い板厚となる端部と、を備えていてもよい。各リーフの中央部に締結孔が形成されており、各リーフの締結孔に締結部材が挿通されることで重なり合う複数のリーフの中央部が互いに接触した状態で締結していてもよい。第２の部分は、隣接するリーフと対向する面であって、中央部と端部との境界に位置していてもよい。また、第２の部分の幅が５ｍｍ～１５ｍｍであってもよい。

　また、上記の懸架ばねでは、素材のロックウェル硬さＨＲＣが４２～５５であることが好ましい。

　本明細書に開示する懸架ばねの製造方法は、第１の部分より腐食しやすい第２の部分に圧縮残留応力を付与する第１工程と、第１工程後に、第１の部分および第２の部分に圧縮残留応力を付与する第２工程と、を備えている。第１工程では、第２の部分の表面から所定の位置における圧縮残留応力が最も高くなるように圧縮残留応力を付与する。第２工程では、第１工程における所定の位置より浅い位置における圧縮残留応力が最も高くなるように圧縮残留応力を付与する。

　このような構成によれば、第２の部分の表面から０．５ｍｍまでの範囲における圧縮残留応力を８００ＭＰａ以上にすることができる。したがって、上記のように表面が腐食しても優れた疲労強度を有する懸架ばねを得ることができる。

　また、上記の懸架ばねの製造方法において、第１工程では、ニードルピーニング、レーザーピーニング、ハンマリング、ディープローリング、またはショットピーニングにより圧縮残留応力を付与してもよい。

　また、第２工程では、ショットピーニングにより圧縮残留応力を付与してもよい。

実施形態に係る懸架ばね（リーフばね）の側面図である。 実施形態に係るリーフの中央部の平面図である。 実施形態に係るリーフの中央部の側面図である。 第２の部分の表面からの距離と第２の部分に付与された圧縮残留応力との関係を示すグラフである。 他の実施形態に係るリーフの中央部の側面図である。

　以下、実施形態について添付図面を参照して説明する。本実施形態に係る懸架ばねは、複数のリーフを備えるリーフばねである。懸架ばね（リーフばね）は、自動車に搭載され、荷重を支持するために用いられる。図１に示すように、懸架ばね（リーフばね）２は、多段に重なり合った複数のリーフ２１を備えている（本実施形態のリーフばね２は、２段のリーフ２１を備えている。）。リーフ２１は、金属の板状部材であり、弓なりに反った形状をしている。リーフ２１の素材のロックウェル硬さＨＲＣは４２～５５である。重なり合った上段のリーフ２１は、それより下段のリーフ２１よりも短い。各リーフ２１の中央部１１ａには締結孔２２が形成されている。図２，３に示すように、締結孔２２はリーフ２１の中央部に形成されている。複数のリーフ２１は締結孔２２に挿入されたボルト２５とナット２６により締結される。複数のリーフ２１がボルト２５とナット２６により締結された状態では、各リーフ２１の中央部１１ａは、それと隣接する他のリーフ２１の中央部１１ａと接触している（図２，３参照）。リーフばね２が自動車に搭載された状態では、各リーフ２１の一方の面（図１の上面）に引張応力が作用し、各リーフ２１の他方の面（図１の下面）に圧縮応力が作用する。このため、各リーフ２１の引張側となる面（図１の上面）に圧縮残留応力が付与される。

　各リーフ２１は、中央部１１ａと、中央部１１ａの両側に形成された端部（１１ｂ，１１ｃ）を備えている。中央部１１ａの板厚は、端部（１１ｂ，１１ｃ）の板厚よりも厚い。上述したように中央部１１ａには、締結孔２２が形成されている。端部（１１ｂ，１１ｃ）は、中央部１１ａ側に設けられたテーパ部１１ｃと、テーパ部１１ｃの先端に連続して設けられた薄板部１１ｂを備えている。テーパ部１１ｃの基端は中央部１１ａに接続されており、テーパ部１１ｃの先端は薄板部１１ｂに接続されている。テーパ部１１ｃの板厚は、中央部１１ａ側から薄板部１１ｂ側に向かって徐々に減少している。薄板部１１ｂの板厚は、中央部１１ａの板厚より薄くなっている。上述したように各リーフ２１の中央部１１ａが締結部材で締結されると、各リーフ２１の中央部１１ａが互いに接触した状態で締結される。各リーフ２１の板厚は中央部１１ａで厚く、端部（１１ｂ，１１ｃ）において薄くされている。このため、各リーフ２１の端部（１１ｂ，１１ｃ）では、隣接するリーフと非接触の状態となっている。なお、各リーフ２１の中央部１１ａと端部（１１ｂ，１１ｃ）の境界部分１２では、各リーフ２１の変形に応じて接触状態と非接触状態とに切換えられる。すなわち、リーフばね２が自動車に搭載されると、リーフばね２に荷重が作用し、各リーフ２１が変形する。各リーフ２１の中央部１１ａは互いに締結されているため、各リーフ２１の端部（１１ｂ，１１ｃ）が変形する。その結果、各リーフ２１の中央部１１ａと端部（１１ｂ，１１ｃ）の境界部分１２が接触／非接触を繰り返すこととなる。本実施例では、この境界部分１２が第２の部分であり、その他の部分（接触状態を維持している部分又は非接触状態を維持している部分）と比較して腐食しやすい部分である。リーフばね２が例えば自動車に搭載されている場合、車が走行するときに各リーフ２１の第２の部分１２が接触／非接触を繰り返して腐食しやすくなる。リーフ２１の表裏面に第２の部分１２が形成されている。第２の部分１２は、締結孔２２を挟んで両側に形成されている。第２の部分１２は、中央部１１ａと端部（１１ｂ，１１ｃ）の境界に形成されるため、締結孔２２からの距離は、中央部１１ａの幅ｗ２の半分（ｗ２／２）となる。図２に示す例では、斜線で示す部分に第２の部分１２が形成されている。リーフ２１の長手方向における第２の部分１２の幅ｗ１は、例えば５～１５ｍｍである。幅ｗ１はリーフ２１の大きさによって適宜相違する。

　第１の部分１１は第２の部分１２以外の部分である。すなわち、中央部１１ａから境界部分１２（第２の部分）を除いた部分と、端部（１１ｂ，１１ｃ）から境界部分１２（第２の部分）を除いた部分である。図２に示す例では、斜線で示す第２の部分１２以外のすべての部分が第１の部分１１に相当する。

　上述したように、リーフ２１の表裏面に第２の部分１２が形成されるが、リーフ２１の一方の面（図１の上面）に引張応力が作用し、リーフ２１の他方の面（図１の下面）に圧縮応力が作用する。このため、リーフ２１の破壊はリーフ２１の引張側の面（図１の上面）で生じる。このため、リーフ２１の引張側の面の第２の部分１２には、図３に示すように、その表面から深さ方向にわたって圧縮残留応力が付与されている。圧縮残留応力を付与する方法については後述する。第２の部分１２には、その表面から深さ（距離）０．５ｍｍまでの範囲において８００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が付与されている。

　リーフ２１の引張側の面（図１の上面）の第１の部分１１には、その表面に圧縮残留応力が付与されている。第１の部分１１の表面における圧縮残留応力は８００ＭＰａ以上である。また、第１の部分１１の表面から深さ（距離）０．５ｍｍの位置における圧縮残留応力は８００ＭＰａ以下である。

　上記のような懸架ばね（リーフばね）２によれば、第２の部分１２の表面から０．５ｍｍまでの範囲における圧縮残留応力が８００ＭＰａ以上であるので、第２の部分１２の腐食が表面から０．５ｍｍまで進行したとしても、８００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を維持しているので、疲労強度を維持することができる。よって、腐食しても優れた疲労強度を有している。

　次に懸架ばね（リーフばね）の製造方法について説明する。懸架ばね（リーフばね）２を製造するときは、まず複数のリーフ２１を準備する。次に、各リーフ２１の第２の部分１２に圧縮残留応力を付与する（第１工程）。圧縮残留応力を付与する方法としては、例えばニードルピーニング、レーザーピーニング、ハンマリング、ディープローリング、ショットピーニングを挙げることができる。本実施形態ではニードルピーニングを用いている。ニードルピーニングは、振動するニードル（ピン）により対象物を打撃し、打撃により対象物に圧縮残留応力を付与して対象物の強度を高める技術である。ニードル（ピン）によって第２の部分１２の表面を打撃することにより第２の部分１２に圧縮残留応力を付与する。

　第１工程では、第２の部分１２の表面から所定の深さ位置における圧縮残留応力が最も高くなるように圧縮残留応力を付与する。例えば図４に示す例では、線Ａで示すように、第２の部分１２の表面から約０．４５ｍｍの深さ位置における圧縮残留応力が最も高くなるように設定されている。なお、付与した圧縮残留応力の大きさについては、例えば、Ｘ線残留応力測定法等により測定可能である。

　続いて、各リーフ２１の第１の部分１１および第２の部分１２に圧縮残留応力を付与する（第２工程）。圧縮残留応力を付与する方法としては、ショットピーニングを用いる。ショットピーニングは、多量のショット材を対象物に衝突させ、ショット材の衝突により対象物の表面に圧縮残留応力を付与して対象物の強度を高める技術である。また、リーフ２１にストレスを付与した状態でショットピーニングをするストレスピーニングを用いてもよい。上記の第１工程でショットピーニングを用いる場合は、第１工程のショットピーニングと第２工程のショットピーニングとで、ショット材の材質、ショット条件等を変える。例えば、ショットピーニングに用いるショット材の粒径、速度、または温度などの条件を変えることができる。

　第２工程では、第１工程における所定の位置より浅い位置における圧縮残留応力が最も高くなるように圧縮残留応力を付与する。例えば図４に示す例では、線Ｂで示すように、第１工程において最も高い圧縮残留応力を付与した深さ位置（約０．４５ｍｍ）より浅い深さ位置（表面から約０．１８ｍｍの深さ位置）における圧縮残留応力が最も高くなるように設定されている。

　第１工程および第２工程を行うことにより、各リーフ２１の第２の部分１２の表面から深さ（距離）０．５ｍｍまでの範囲における圧縮残留応力を８００ＭＰａ以上にすることができる。また、各リーフ２１の第１の部分１１の表面における圧縮残留応力を８００ＭＰａ以上にすることができる。また、各リーフ２１の第１の部分１１の表面から深さ（距離）０．５ｍｍの位置における圧縮残留応力を８００ＭＰａ以下にすることができる。

　その後、下塗り塗装を施し、圧縮残留応力が付与された複数のリーフ２１を多段に重ね合わせる。そして、締結孔２２にボルト２５を挿入して複数のリーフ２１を締結する。その後、上塗り塗装を行う。これにより、懸架ばね（リーフばね）２を製造することができる。

　リーフ２１の第２の部分１２の表面に単に第２工程のようなショットピーニングをするだけであると、図４の線Ｂに示すように、表面近傍に８００ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力を付与することができるが、表面より深い位置になるにしたがって付与できる圧縮残留応力が低下してしまう。そのため、表面から深さ０．５ｍｍの位置では、表面近傍の圧縮残留応力と比べて大きく低下した圧縮残留応力となる。しかしながら、第１工程により圧縮残留応力を付与すると、表面から更に深い位置においても高い圧縮残留応力を付与することができる。そのため、第２の部分１２の表面から０．５ｍｍまでの範囲における圧縮残留応力を８００ＭＰａ以上にすることができる。腐食しても優れた疲労強度を有する懸架ばね（リーフばね）を得ることができる。

　以上、一実施形態について説明したが、具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では懸架ばねとしてリーフばねについて説明したが、懸架ばねはコイルばねであってもよい。コイルばねの場合、例えば、コイルばねとばね受けが当接する部分が第２の部分に相当する。第２の部分は、その他の部分と比較して腐食しやすい部分である。コイルばねの第２の部分は、ばね受けと接触／非接触を繰り返すことにより腐食しやすくなる。

　また、上記実施形態では締結孔２２の両側に第２の部分１２が形成されていたが、第２の部分１２はこの構成に限定されるものではない。第２の部分１２は、懸架ばねにおいて、他の部分に比べて腐食しやすい部分であれば、その位置は上記実施形態に限定されるものではない。懸架ばねを実際に使用し、使用後の懸架ばねを観察することで、腐食し易い部分を第２の部分として適宜設定することができる。また、第１の部分１１は、第２の部分１２よりも腐食しにくい部分であれば上記実施形態に限定されるものではない。

　また、他の実施形態に係る懸架ばね（リーフばね）では、図５に示すように、重なり合ったリーフ２１とリーフ２１の間にスペーサー２８が配置されていてもよい。スペーサー２８は、リーフ２１の中央部１１ａの一端部から他端部まで横方向に延びている。スペーサー２８の両端部と接触する部分には、他の部分と比較して腐食しやすい第２の部分が形成される。スペーサー２８の両端部がリーフ２１に接触する部分では、接触／非接触を繰り返すことにより他の部分より腐食しやすくなる。締結孔２２から第２の部分までの距離は、スペーサー２８の幅ｗ３の半分（ｗ３／２）となる。なお、図５において、図３と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

　以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２；懸架ばね（リーフばね）
１１；第１の部分
１１ａ；中央部
１１ｂ；端部（薄板部）
１１ｃ；端部（テーパ部）
１２；第２の部分
２１；リーフ
２２；締結孔
２３；締結部材
２５；ボルト
２６；ナット
２８；スペーサー

Claims (8)

1. 　第１の部分と、
   　第１の部分より腐食しやすい第２の部分と、を備え、
   　第２の部分の表面から０．５ｍｍまでの範囲における圧縮残留応力が８００ＭＰａ以上であることを特徴とする懸架ばね。
2. 　第１の部分の表面における圧縮残留応力が８００ＭＰａ以上であり、第１の部分の表面から０．５ｍｍの位置における圧縮残留応力が８００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の懸架ばね。
3. 　重なり合う複数のリーフを備え、第２の部分はリーフ同士が接触／非接触を繰り返す部分に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の懸架ばね。
4. 　各リーフは、中央部と、その中央部の両端のそれぞれに形成され、中央部の板厚より薄い板厚となる端部と、を備え、
   　各リーフの中央部に締結孔が形成されており、各リーフの締結孔に締結部材が挿通されることで重なり合う複数のリーフの中央部が互いに接触した状態で締結しており、
   　第２の部分は、隣接するリーフと対向する面であって、中央部と端部との境界に位置しており、
   　第２の部分の幅が５ｍｍ～１５ｍｍであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の懸架ばね。
5. 　素材のロックウェル硬さＨＲＣが４２～５５であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の懸架ばね。
6. 　懸架ばねの製造方法であって、
   　第１の部分より腐食しやすい第２の部分に圧縮残留応力を付与する第１工程と、
   　第１工程後に、第１の部分および第２の部分に圧縮残留応力を付与する第２工程と、を備え、
   　第１工程では、第２の部分の表面から所定の位置における圧縮残留応力が最も高くなるように圧縮残留応力を付与し、
   　第２工程では、第１工程における所定の位置より浅い位置における圧縮残留応力が最も高くなるように圧縮残留応力を付与することを特徴とする懸架ばねの製造方法。
7. 　第１工程では、ニードルピーニング、レーザーピーニング、ハンマリング、ディープローリング、またはショットピーニングにより圧縮残留応力を付与することを特徴とする請求項６に記載の懸架ばねの製造方法。
8. 　第２工程では、ショットピーニングにより圧縮残留応力を付与することを特徴とする請求項６又は７に記載の懸架ばねの製造方法。

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