JP2014100949A - 懸架装置と、懸架装置用圧縮コイルばね - Google Patents

Abstract

【課題】懸架装置用圧縮コイルばねの応力を均等化に近付けることができるニーアクションタイプの懸架装置を提供する。
【解決手段】ニーアクションタイプの懸架装置１１は、車体のアーム取付部３０に設けられたピボット３１を中心に上下方向に揺動自在に支持されたアーム部材２０と、下側のばね座２２と上側のばね座２３との間に配置された圧縮コイルばね２１と、ショックアブソーバ等を備えている。圧縮コイルばね２１は、車体に加わる荷重の大きさに応じて、フルリバウンド状態（最大伸張状態）とフルバンプ状態（最大圧縮状態）との間で伸縮する。圧縮コイルばね２１の素線４０は、ピボット３１に近い側のピボット側部分２１ａに設けられた大径素線部４０ａと、ピボット３１から遠い側の反ピボット側部分２１ｂに設けられたに小径素線部４０ｂと、線径変化部４０ｃとを有している。大径素線部４０ａの素線径ｄ１は小径素線部４０ｂの素線径ｄ２より大きい。
【選択図】図２

Description

この発明は、自動車等の車両に適用されるニーアクションタイプの懸架装置と、懸架装置用圧縮コイルばねに関する。

自動車等の車両の懸架機構部に使用されるニーアクションタイプの懸架装置は、例えば特許文献１に見られるように、車体に支持されたピボットを中心に上下方向に揺動自在なアーム部材と、懸架ばねとして機能する圧縮コイルばねと、該圧縮コイルばねの下端側に配置された下側のばね座と、該圧縮コイルばねの上端側に配置された上側のばね座と、前記アーム部材の上下動を抑制するショックアブソーバなどを備えている。

当業界では、車両を軽量化する観点から懸架装置用圧縮コイルばねを軽量化することが強く望まれている。懸架装置用圧縮コイルばねは、荷重が負荷された状態において素線各部に生じる応力が一般には一定でないことが知られている。このような圧縮コイルばねを軽量化するには、素線の応力分布を可能な限り均一（フラット）に近付けることが有効である。圧縮コイルばねの応力分布を均一にする１つの手段として、素線の１巻きの間で素線径を変化させることが提案されている。例えば特許文献２に記載された圧縮コイルばねでは、外力作用点がコイル径方向にオフセットしている場合に、オフセットしている側の素線径を小さくしたり、コイル中心軸に対して斜め方向から荷重が加わる場合に、素線径の大きい部分と素線径の小さい部分とをコイル中心軸方向に交互に形成したりしている。

特開２００４−５０９０６号公報 特開昭５９−２１９５３４号公報

しかしながらニーアクションタイプの懸架装置に使用される圧縮コイルばねの応力を均等化すべく本発明者達が鋭意研究したところ、ニーアクションタイプの懸架装置のようにピボットを中心にアーム部材が上下に揺動するものでは、ピボットに近い側の素線径を小さくしたり、コイル中心軸方向に素線径の大きい部分と素線径の小さい部分とを交互に形成したりすると、アーム部材が上下する際のアーム部材の位置によっては素線の応力分布が均等化に近付くどころか、かえって応力分布のばらつきが大きくなることが判った。

従って本発明の目的は、ニーアクションタイプの懸架装置に使用される圧縮コイルばねの応力分布を均等化に近付けることができる懸架装置と、懸架装置用圧縮コイルばねを提供することにある。

本発明は、車体に支持されたピボットを中心に上下方向に揺動自在なアーム部材と、前記アーム部材に設けられた下側のばね座と、該下側のばね座の上方に配置された上側のばね座と、前記下側のばね座と前記上側のばね座との間で圧縮された状態において前記アーム部材を下方に付勢する圧縮コイルばねとを具備したニーアクションタイプの懸架装置において、前記圧縮コイルばねの素線が、前記ピボットに近い側に配置されかつ素線径が該素線の平均素線径より大きい大径素線部と、前記ピボットから遠い側に配置されかつ素線径が前記大径素線部の素線径より小さい小径素線部と、前記大径素線部と前記小径素線部との間で素線径が連続的に変化する線径変化部とを具備している。

１つの実施形態では、前記アーム部材が車体の前後方向に延びるトレーリングアームであり、該トレーリングアームの前端側に前記ピボットが設けられ、前記圧縮コイルばねのピボット側部分に前記大径素線部が設けられ、反ピボット側部分に前記小径素線部が設けられている。

また１つの実施形態では、前記下側のばね座が、前記ピボットに近い側に位置するピボット側ばね受け部と、前記ピボットから遠い側に位置する反ピボット側ばね受け部とを有し、前記圧縮コイルばねのフルリバウンド状態において前記ピボット側ばね受け部から前記上側のばね座までの距離が前記反ピボット側ばね受け部から前記上側のばね座までの距離よりも小さく、該圧縮コイルばねのフルバンプ状態において前記ピボット側ばね受け部から前記上側のばね座までの距離が前記反ピボット側ばね受け部から前記上側のばね座までの距離よりも大きい。

本発明に係る懸架装置用圧縮コイルばねは、車体に支持されたピボットを中心に上下方向に揺動自在なアーム部材を備えたニーアクションタイプの懸架装置の下側のばね座と上側のばね座との間に配置される。この圧縮コイルばねは、螺旋形に成形された素線を有し、該素線が、前記ピボットに近い側に配置されかつ素線径が該素線の平均素線径より大きい大径素線部と、前記ピボットから遠い側に配置されかつ素線径が前記大径素線部の素線径より小さい小径素線部と、前記大径素線部と前記小径素線部との間で素線径が連続的に変化する線径変化部とを具備している。

本発明によれば、ニーアクションタイプの懸架装置に使われる圧縮コイルばねの応力分布を均等化に近付けることができることにより、懸架装置用圧縮コイルばねの軽量化が図れ、ひいてはニーアクションタイプの懸架装置が搭載された車両の軽量化に寄与することができる。

本発明の１つの実施形態に係るニーアクションタイプの懸架装置を備えた車両の一部を模式的に示す斜視図。 図１に示されたニーアクションタイプの懸架装置の側面図。 同懸架装置のフルリバウンド時の側面図。 同懸架装置のフルバンプ時の側面図。 同懸架装置に用いる圧縮コイルばねの一例を示す斜視図。 図５に示された圧縮コイルばねの素線の下端からの距離と素線径との関係を示す図。

以下に本発明の１つの実施形態に係るニーアクションタイプの懸架装置について、図１から図６を参照して説明する。
図１は、車両１０のリヤ側に設けられたニーアクションタイプの一例であるトレーリングアーム式の左右一対の懸架装置１１を示している。左右一対の懸架装置１１は互いに同等の構成であるため、これ以降は一方の懸架装置１１を代表して説明する。

図２は、懸架装置１１を車両１０の側方から見た側面図である。この懸架装置１１は、トレーリングアームとして機能するアーム部材２０と、懸架用ばねとして機能する圧縮コイルばね２１と、圧縮コイルばね２１の下端側に配置された下側のばね座２２と、圧縮コイルばね２１の上端側に配置された上側のばね座２３と、ショックアブソーバ２４などを備えている。上側のばね座２３は下側のばね座２２の上方に配置されている。

ショックアブソーバ２４は、油等の流体が収容されたシリンダ２５と、該シリンダ２５に挿入されたロッド２６と、カバー部材２７と、シリンダ２５の内部に設けられた減衰力発生機構などを有している。ショックアブソーバ２４の下端２４ａはアーム部材２０のショックアブソーバ取付部２０ａに取付けられている。ショックアブソーバ２４の上端２４ｂは車体に取付けられている。

アーム部材２０は、車体の一部であるアーム取付部３０（図２〜図４に示す）に、ピボット（揺動軸）３１を介して上下方向に揺動自在に取付けられている。すなわちこのアーム部材２０は、車体に支持されたピボット３１を中心に上下方向に揺動することにより、いわゆるニーアクションをなすように構成されている。

図１に示すように左右一対の懸架装置１１の各アーム部材２０は、車両１０の幅方向に延びるビーム部材３２によって互いに結合されている。このビーム部材３２は、ねじりの方向に加わる入力に対して反力を生じるトーションビームとして機能させてもよい。アーム部材２０に車軸支持部３３が設けられている。車軸支持部３３には、タイヤを取付けるハブユニット３４が設けられている。

下側のばね座２２はアーム部材２０に設けられており、下側のばね座２２とアーム部材２０とが一体に上下方向に移動するようになっている。上側のばね座２３は車体の一部であるばね取付部３５（図２〜図４に示す）に設けられている。下側のばね座２２は、上側のばね座２３に対し、ピボット３１を中心とする円弧状の軌跡Ｘ２（図２に示す）に沿って相対的に上下方向に揺動する。

圧縮コイルばね２１は、下側のばね座２２と上側のばね座２３との間で圧縮された状態において、車体に対してアーム部材２０を相対的に下方に付勢している。圧縮コイルばね２１のコイル中心軸Ｘ１は上下方向に延びている。

図３は懸架装置１１のフルリバウンド時の側面図、図４は懸架装置１１のフルバンプ時の側面図である。この明細書で「フルリバウンド」とは、車両１０の車体をリフトしたときに、ばね下荷重によって圧縮コイルばね２１が最大に伸張した状態を言う。「フルバンプ」とは、圧縮コイルばね２１が車両１０に組付けられた状態において、車体の上方から加わる負荷によって圧縮コイルばね２１が最大に圧縮された状態である。

アーム部材２０がピボット３１を中心に上下方向に揺動すると、ショックアブソーバ２４が伸縮し、シリンダ２５内の減衰力発生機構が機能することによってロッド２６の動きに抵抗が生じ、その結果としてアーム部材２０の上下方向の動きが抑制される。すなわち圧縮コイルばね２１とショックアブソーバ２４は、上下に揺動するアーム部材２０の位置（高さ）に応じて伸縮する。

そしてアーム部材２０がピボット３１を中心に上下方向に揺動するとき、上側のばね座２３に対して移動側である下側のばね座２２の姿勢（傾き）が変化する。例えば図３に示すフルリバウンド状態では、下側のばね座２２のピボット３１に近い側のばね受け部（ピボット側ばね受け部）２２ａから上側のばね座２３までの距離は、下側のばね座２２のピボット３１から遠い側のばね受け部（反ピボット側ばね受け部）２２ｂから上側のばね座２３までの距離よりも小さい。

しかし図４に示すフルバンプ状態では、下側のばね座２２の前記ピボット側ばね受け部２２ａから上側のばね座２３までの距離は、前記反ピボット側ばね受け部２２ｂから上側のばね座２３までの距離よりも大きくなる。このため圧縮コイルばね２１は、フルリバウンド状態から圧縮の荷重が増加してフルバンプ状態に近付くほど、ピボット側部分２１ａの圧縮量よりも反ピボット側部分２１ｂの圧縮量が増大することになる。

図５は、前記圧縮コイルばね２１に圧縮の荷重が負荷されていない状態（いわゆる自由状態）を示している。この明細書では、自由状態のもとでの圧縮コイルばね２１の長さを自由長と称している。圧縮コイルばね２１にコイル中心軸Ｘ１に沿う荷重が負荷されると、圧縮コイルばね２１は自由長よりも長さが短くなる方向に圧縮されて撓む。

この圧縮コイルばね２１は、螺旋形に成形された素線（ワイヤ）４０を有している。素線４０はばね鋼からなり、断面が円形である。圧縮コイルばね２１の一例は円筒コイルばねであるが、懸架装置の仕様に応じて、たる形コイルばね、鼓形コイルばね、テーパコイルばね、不等ピッチコイルばね、あるいは自由状態で予め胴曲がりを生じているコイルばねなど、種々の形態の圧縮コイルばねであってもよい。

素線４０の材料であるばね鋼の種類は特に限定されないが、例えば米国の“Society of Automotive Engineers”に準拠するＳＡＥ９２５４が挙げられる。ＳＡＥ９２５４の化学成分（ｍａｓｓ％）は、Ｃ：０．５１〜０．５９、Ｓｉ：１．２０〜１．６０、Ｍｎ：０．６０〜０．８０、Ｃｒ：０．６０〜０．８０、Ｓ：最大０．０４０、Ｐ：最大０．０３０、残部Ｆｅである。鋼種の他の例として、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standard）に準拠するＳＵＰ７や、それ以外の鋼種であってもよい。素線４０の材料に高耐食性ばね鋼が使用される場合の化学成分（ｍａｓｓ％）の一例は、Ｃ：０．４１、Ｓｉ：１．７３、Ｍｎ：０．１７、Ｎｉ：０．５３、Ｃｒ：１．０５、Ｖ：０．１６３、Ｔｉ：０．０５６、Ｃｕ：０．２１、残部Ｆｅである。

圧縮コイルばね２１は、下側のばね座２２と上側のばね座２３との間において、ある程度圧縮された状態で配置され、車両１０の上方から負荷される荷重を弾性的に支持する。この実施形態の素線４０は、圧縮コイルばね２１の有効部のおよそ１巻きごとに交互に形成された大径素線部４０ａと、小径素線部４０ｂとを有している。大径素線部４０ａは、車両の前後方向に関してピボット３１に近い側、すなわち圧縮コイルばね２１のピボット側部分２１ａに設けられている。大径素線部４０ａの素線径ｄ１は、該圧縮コイルばね２１の有効部の平均素線径より大きい。

これに対し小径素線部４０ｂは、車両の前後方向に関してピボット３１から遠い側、すなわち圧縮コイルばね２１の反ピボット側部分２１ｂに設けられている。小径素線部４０ｂの素線径ｄ２は、大径素線部４０ａの素線径ｄ１より小さい。大径素線部４０ａと小径素線部４０ｂとの間には、大径素線部４０ａの素線径ｄ１と小径素線部４０ｂの素線径ｄ２との間で素線径が緩やかに連続的に（例えばテーパ状に）変化する線径変化部４０ｃが形成されている。圧縮コイルばね２１の下端側の座巻部４０ｄと上端側の座巻部４０ｅの素線径は有効部の素線径よりも小さく、それぞれ最小となっている。

下端側の座巻部４０ｄは下側のばね座２２の上面に接している。下側のばね座２２にはピボット３１に近い側に位置するピボット側ばね受け部２２ａと、ピボット３１から遠い側に位置する反ピボット側ばね受け部２２ｂとが形成されている。ピボット側ばね受け部２２ａは、下端側の座巻部４０ｄのうち、ピボット３１に近い側の座巻部分を支持している。反ピボット側ばね受け部２２ｂは、下端側の座巻部４０ｄのうち、ピボット３１から遠い側の座巻部分を支持している。上端側の座巻部４０ｅは上側のばね座２３の下面に接している。

図６は、素線４０の下端４０ｆ（図５に示す）からの距離と素線径との関係の一例を示している。図６に示すように下端４０ｆからの巻数位置に応じて素線径が変化している。すなわち圧縮コイルばね２１の有効部では、約１巻きごとにピボット側部分２１ａにて素線径が極大値をとる大径素線部４０ａと、反ピボット側部分２１ｂにて素線径が極小値をとる小径素線部４０ｂとが交互に形成されている。図６に示す例では、大径素線部４０ａの極大値が９．６〜９．８ｍｍ、小径素線部４０ｂの極小値が９．１〜９．２ｍｍ、有効部の平均素線径が９．５５ｍｍである。線径変化部４０ｃは、素線径の極大値と素線径の極小値との間で連続的に変化している。座巻部４０ｄ，４０ｅの素線径は、それぞれ８ｍｍで最小となっている。図６中の２点鎖線Ｍは、従来の素線径一定のコイルばねを示している。

この実施形態のように素線径が連続的に変化する素線４０は、例えば切削等の機械加工や、スエージングマシンによる縮径（鍛造の一種）、あるいはプレス等の塑性加工によって成形することが可能である。スエージング加工によれば、切削加工の場合に線径が変化する部分に生じる境界部（応力集中の原因となる箇所）や、切削によって金属組織のメタルフローが切断されたりすることを回避でき、線径が変化する部分を滑らかに連続させることが可能である。また、供給側のローラと引抜側のローラとの間で材料を引っ張るダイレス加工装置によっても、大径素線部４０ａと小径素線部４０ｂと線径変化部４０ｃと座巻部４０ｄ，４０ｅとを形成することができる。

これらの加工手段によって加工された素線４０は、曲げ工程（例えば熱間コイリング工程）において、螺旋形に成形される。さらに焼戻し等の熱処理およびショットピーニングが行なわれたのち、必要に応じてセッチング等による調整が行なわれ、塗装と品質検査が行なわれて製品（圧縮コイルばね２１）が完成する。

前記圧縮コイルばね２１を組付けた懸架装置１１に車体上方から荷重が負荷される。この負荷に応じて圧縮コイルばね２１が下側のばね座２２と上側のばね座２３との間でさらに圧縮されて撓む。アーム部材２０は、圧縮コイルばね２１の圧縮量に応じて、ピボット３１を中心に上下方向に移動する。すなわちこのアーム部材２０は、図３に示すフルリバウンド位置と、図４に示すフルバンプ位置との間を移動する。

図３に示すフルリバウンド時には、ピボット側ばね受け部２２ａから上側のばね座２３までの距離が、反ピボット側ばね受け部２２ｂから上側のばね座２３までの距離よりも小さい。しかし図２に示す中立状態を経て図４に示すフルバンプ状態に至ると、ピボット側ばね受け部２２ａから上側のばね座２３までの距離は、反ピボット側ばね受け部２２ｂから上側のばね座２３までの距離よりも大きくなる。

つまり圧縮コイルばね２１の反ピボット側部分２１ｂは、ピボット側部分２１ａと比較して、フルリバウンド状態からフルバンプ状態に近付くほど、圧縮量の増加の割合が大きくなる。圧縮コイルばね２１の発生応力が最大となるのは最大圧縮時（フルバンプ状態）である。

本実施形態の圧縮コイルばね２１は、アーム部材２０がフルリバウンド状態とフルバンプ状態との間で上下に移動するニーアクションタイプの懸架装置１１において、フルバンプ付近での圧縮の度合いがピボット側部分２１ａよりも大きくなる反ピボット側部分２１ｂに小径素線部４０ｂを設けたことにより、圧縮コイルばね２１が中立状態からフルバンプ状態に向けて圧縮された状態における応力分布を均等化することができるとともに、素線径一定の圧縮コイルばねと比較して応力振幅を小さくすることができる。

例えば従来の圧縮コイルばねの素線径が９．６ｍｍ、総巻数５．３９、ばね定数が３０．０Ｎ／ｍｍ、質量１．７ｋｇであったのに対し、本実施形態の圧縮コイルばね２１は、大径素線部４０ａの素線径ｄ１が９．７ｍｍ、小径素線部４０ｂの素線径ｄ２が９．１ｍｍ、平均線径が９．４ｍｍ、総巻数４．９３、ばね定数が３０．０Ｎ／ｍｍ、質量１．５ｋｇであり、従来品と比較して１２．０％の軽量化が可能となった。

なお本発明を実施するに当たって、ニーアクションタイプの懸架装置を構成する圧縮コイルばねの具体的な形状や寸法、巻数、材料（鋼種）、ばね定数をはじめとして、例えばアーム部材や上下のばね座等の態様や構造、配置等を種々に変更して実施できることは言うまでもない。ニーアクションタイプの一例であるトレーリングアーム式の懸架装置は、ピボットの軸線が車両の幅方向と平行なフルトレーリングアーム式や、ピボットの軸線が車両の幅方向に対し角度をなすセミトレーリングアーム式の懸架装置を含む概念である。

また本発明の懸架装置用圧縮コイルばねは、リーデングアーム式、スイングアーム式など、要するにピボットを中心にアーム部材が上下に揺動しかつアーム部材の上下動に伴って上側のばね座に対する下側のばね座の相対的な姿勢（傾き）がアーム部材の位置に応じて変化するニーアクションタイプの懸架装置に適用することができる。

１０…車両、１１…ニーアクションタイプの懸架装置、２０…アーム部材、２１…懸架装置用圧縮コイルばね、２２…下側のばね座、２２ａ…ピボット側ばね受け部、２２ｂ…反ピボット側ばね受け部、２３…上側のばね座、２４…ショックアブソーバ、３１…ピボット、４０…素線、４０ａ…大径素線部、４０ｂ…小径素線部、４０ｃ…線径変化部、４０ｄ…下端側の座巻部、４０ｅ…上端側の座巻部。

Claims (4)

1. 車体に支持されたピボットを中心に上下方向に揺動自在なアーム部材と、
   前記アーム部材に設けられた下側のばね座と、
   前記下側のばね座の上方に配置された上側のばね座と、
   前記下側のばね座と前記上側のばね座との間で圧縮された状態において前記アーム部材を下方に付勢する圧縮コイルばねと、
   を具備したニーアクションタイプの懸架装置において、
   前記圧縮コイルばねの素線が、
   前記ピボットに近い側に配置されかつ素線径が該素線の平均素線径より大きい大径素線部と、
   前記ピボットから遠い側に配置されかつ素線径が前記大径素線部の素線径より小さい小径素線部と、
   前記大径素線部と前記小径素線部との間で素線径が連続的に変化する線径変化部と、
   を具備したことを特徴とする懸架装置。
2. 前記アーム部材が車体の前後方向に延びるトレーリングアームであり、該トレーリングアームの前端側に前記ピボットが設けられ、前記圧縮コイルばねのピボット側部分に前記大径素線部が設けられ、反ピボット側部分に前記小径素線部が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の懸架装置。
3. 前記下側のばね座が、前記ピボットに近い側に位置するピボット側ばね受け部と、前記ピボットから遠い側に位置する反ピボット側ばね受け部とを有し、前記圧縮コイルばねのフルリバウンド状態において前記ピボット側ばね受け部から前記上側のばね座までの距離が前記反ピボット側ばね受け部から前記上側のばね座までの距離よりも小さく、前記圧縮コイルばねのフルバンプ状態において前記ピボット側ばね受け部から前記上側のばね座までの距離が前記反ピボット側ばね受け部から前記上側のばね座までの距離よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の懸架装置。
4. 車体に支持されたピボットを中心に上下方向に揺動自在なアーム部材を備えたニーアクションタイプの懸架装置の下側のばね座と上側のばね座との間に配置される圧縮コイルばねであって、
   螺旋形に成形された素線を有し、
   該素線が、
   前記ピボットに近い側に配置されかつ素線径が該素線の平均素線径より大きい大径素線部と、
   前記ピボットから遠い側に配置されかつ素線径が前記大径素線部の素線径より小さい小径素線部と、
   前記大径素線部と前記小径素線部との間で素線径が連続的に変化する線径変化部と、
   を具備したことを特徴とする懸架装置用圧縮コイルばね。

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