JP3938766B2 - 圧縮コイルばね - Google Patents

Description

本発明は、ばねの構造及びばねの取付け構造に特徴を有するばねに関する。

従来から、自動車等に用いられる例えばストラット型懸架装置に於いて、内部にオイルが充填されたシリンダと、それに受容されたピストンとを有する筒型ショックアブソーバとこれを囲繞するように設けられた圧縮コイルばねとからなるアセンブリを、車体と懸架装置のリンク部材とを連結するように組み付けるものがある。ところが、タイヤからの入力が必ずしもショックアブソーバの軸線と一致せず、横荷重を伴うことから、ショックアブソーバのシリンダとピストンとの摺動部に横荷重及びモーメントが作用し、摺動抵抗が発生して車の乗り心地を損ねると共にショックアブソーバの寿命をも短くするという問題があった。

そこで、従来から、ショックアブソーバの軸線に対して、オフセットしてコイルばねを装着して、コイルばねが発生する横荷重及びモーメントによって、ショックアブソーバのシリンダとピストンとの摺動部に生じる横荷重及びモーメントを低減する方法が知られている。しかしながら、オフセット量が、コイルばねの径、取付けスペースなどの制約を受け、タイヤからの入力により受ける横荷重及びモーメントを完全に打ち消すのに十分な横荷重及びモーメントを発生することができなかった。

特開平１−１５６１１９号公報には、自由状態では軸線が湾曲しているようなコイルばねを用いて、ショックアブソーバのシリンダとピストンとの摺動部に生じる横荷重及びモーメントを低減することが提案されている。しかしながら、湾曲するコイルばねをどのようにして伸直状態で保持し得るのか明らかでなく、また、車輪懸架装置に適するような湾曲するコイルばねは、低コストで製造することができない。

このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、筒型ショックアブソーバ及びそれを囲繞する圧縮コイルばねを備える車両用懸架装置に於いて、大型化することなく、ショックアブソーバのシリンダとピストンとの間に生じる摺動抵抗を好適に低減し得るようにすることにある。

本発明の第２の目的は、上記形式の車両用懸架装置に於いて、ショックアブソーバのシリンダとピストンとの間に生じる摺動抵抗を好適に低減し、車の乗り心地を改善し、ショックアブソーバの耐久性を向上することにある。

本発明の第３の目的は、上記形式の車両用懸架装置に於いて、装置を大型化することなく、しかも組み付け作業性も阻害せずに、ショックアブソーバのシリンダとピストンとの間に生じる摺動抵抗を好適に低減することにある。

本発明の第４の目的は、上記したような車両用懸架装置に用いるのに適するコイルばねを提供することにある。

このような目的は、本発明によれば、垂直な軸線に沿って各巻きごとに一定の巻き方向角度位置にて、ばねの素線に沿う長さの変分に対する素線上の対応する点の高さの変化量として与えられるピッチ角が、コイルの略全長に渡って、唯１回ずつ極大及び極小となるように、かつ各端末が前記軸線に対して垂直な基準座面をなすように巻かれたコイルばねからなり、前記コイルばねを前記軸線方向に伸縮させて用い、前記軸線方向に圧縮された時に両端間に前記軸線に対して直交する横方向力が発生するように適合されていることを特徴とする圧縮コイルばねを提供することにより達成される。

特に、前記コイルばねに発生する前記横方向力が、前記車輪からの負荷の作用方向と前記ショックアブソーバの軸線との間の偏差に起因して、前記ショックアブソーバのピストンとシリンダとの間に作用する横力を極小化するように定められれば、ショックアブソーバのシリンダとピストンとの間に生じる横力に起因する摺動抵抗を好適に低減することができ、車の乗り心地を改善し、ショックアブソーバの耐久性を向上することができる。

傾斜軸線に沿って巻かれたコイルばねを、その両端に、横方向の初期荷重を加えて垂直な軸線を有する状態に保ち、かつ該垂直軸線方向に伸縮するように保持すれば、圧縮コイルばねが、その伸縮に伴い、両端間に横方向力が発生するようなものとすることができ、しかも装置を大型化することなく、また幾何学的制約を受けることなく、所望の横力を発生することができる。また、組み付け作業性も好適であり、製造コストも低廉である。

或いは、垂直な軸線に沿って巻かれたコイルばねを、その両端に、横方向の初期荷重を加えて傾斜軸線を有する状態を保ち、かつ該傾斜軸線方向に伸縮するように保持したり、垂直な軸線に沿って各巻きごとに周期的にピッチ角が極大及び極小となるように巻かれたコイルばねを、その垂直軸線方向に伸縮するように保持することによっても同様な目的を達成することができる。

以下、本発明の好適実施例について図面を参照しながらより詳しく説明する。

図１は、本発明が適用された車両用懸架装置の要部を模式的に示す一部破断部分正面図である。上端が車体１に、下端が車体１とホイールキャリア２とを連結するリンク部材３に揺動可能に取り付けられたストラットアセンブリ４は、筒型オイルダンパからなるショックアブソーバ５と、このショックアブソーバ５のシリンダとピストンとの間にばね座７、８をもって保持された圧縮コイルばね６とからなる。上側のばね座７は、ショックアブソーバ５のピストンロッドの上端と共に、車体１にゴムブッシング等を介して枢着され、下側のばね座８は、ショックアブソーバ５のシリンダの外周に固着されている。

ここで、圧縮コイルばね６は、無負荷の状態では、図２に於いて想像線により示されるように、角度θをもって傾斜した中心軸線Ｂを有する。この圧縮コイルばね６の両端を強固に保持した状態で、両端に横方向に互いに対向する方向に、所定の荷重を加えて弾性的に変形させることにより通常の円筒コイルばねと同様な、垂直な中心軸線Ａを有する形状を得ることができる。

図３に示すように、この圧縮コイルばね６は、上記横荷重を加えて変形させたときに得られる通常の円筒コイルばねを基準形状として、その垂直軸線Ａから傾斜軸線Ｂまで角度θだけ傾けたものと考えることができる。即ち、垂直軸線ＡをＹ軸、垂直軸線Ａと直交し傾斜軸線Ｂの傾斜方向に延在するようにＸ軸を、それぞれ定めた直交座標系に於いて、垂直軸線Ａを有する圧縮コイルばねの任意の点が、座標（Ｓny，Ｓnx）で与えられるとすると、傾斜軸線Ｂを有する圧縮コイルばねの対応する点は、Ｙ方向の位置については、元の座標Ｓnyを維持し、Ｘ方向の位置については、元のＸ方向の座標Ｓnxに対して、Ｙ方向の座標Ｓnyにｔａｎθを乗じた分だけをシフトさせることにより、即ち座標（Ｓnx＋Ｓny・ｔａｎθ，Ｓny）として与えられる。この、圧縮コイルばね６の中心軸線Ｂの傾きθは、当該車両に於けるショックアブソーバ５のシリンダとピストンとの間に加わる横荷重に応じて決定される。また、コイルばね６の両端を、初期横力及びモーメントが加わった状態で保持する必要があり、ばね座をそれに適したものとする必要がある。

このようなばねを作成するには、例えば、斜円柱状の芯金の周りに、素線を、基準垂直軸に沿って等ピッチとなるように巻き付ければ上記したようなコイルばね６が得られる。芯金の外周は平滑であっても、素線をガイドするための螺旋溝が設けられているものであっても良い。このようなコイリングは、通常熱間で行い、その後、焼き戻し等の処理を行う。

ここで、ショックアブソーバ５のシリンダとピストンとの間の摺動抵抗Ｆは、摩擦係数μと、抗力Ｎとにより、
Ｆ＝μ・Ｎ
と表される。そして、この抗力Ｎは、ショックアブソーバ５のシリンダとピストンとの間に加わる横荷重ベクトルＲsusの関数である。

そして、横荷重ベクトルＲsusは、
Ｒsus＝Ｒgeo＋Ｒcoil
と表される。ここで、Ｒgeoはこのサスペンションの構造、即ち車輪の支持方式による車軸とショックアブソーバ５との運動方向の違いにより生じる幾何学的な横荷重ベクトルであり、Ｒcoilはコイルばねの傾きによる横荷重ベクトルである。このＲsusを低減すれば、摺動抵抗Ｆが低減するのであるから、Ｒgeoを打ち消すような大きさ及び方向にＲcoilを設定すれば良い。即ち、他の条件が同じであれば、上記ばね６の中心軸線Ｂの傾きが大きければ大きい程、Ｒcoilは大きくなる。このような関係は、解析的に解くことも可能であるが、実用的には、有限要素法（ＦＥＭ）により解き、用途に応じた最適な設計を行い、それに基づいてコイルを巻くと良い。

ここで、上記構成ではばね６を２次元的に傾斜させたが、Ｒgeoに応じて３次元的に傾斜させても良く、更に無負荷の状態で湾曲した軸線を有するようにしても良い。また、伸縮量によりばね定数が変化するような非線型ばねとしても良い。

一方、上記したような自由状態で傾斜した軸線Ｂを有する圧縮コイルばね６に代えて、本発明の第２の実施形態として、図４に想像線で示すように、自由状態で垂直な軸線Ｃを有する通常の円筒コイルばね１６を用いることもできる。この場合、使用状態に於いては、コイルばね１６の両端を強固に保持し、かつ横方向に荷重を加えて、傾斜軸線Ｄにより示されるように、コイルばね１６の軸線を角度θだけ傾斜させる。更に、コイルばね１６が軸線Ｄ方向に伸縮するように使用する。この場合も、コイルばね１６の両端を、初期横力及びモーメントが加わった状態で保持する必要があり、それに適したばね座を用いる必要がある。

このようなばねを作成するには、通常の円筒コイルばねの場合と同様にコイリングマシンを用い、円柱状の芯金を回転させつつ、そのまわりに送り出し装置により素線を等ピッチで巻いていけば上記したようなコイルばね１６になる。このようなコイリングは、通常熱間で行い、その後、焼き戻し等の処理を行う。前記と同様に、芯金の外周は平滑であっても、素線をガイドするための螺旋溝が設けられているものであっても良い。

図５〜図７に、本発明の第３の実施形態を示す。本構成の圧縮コイルばね２６は、無負荷の状態で図５のような形状をなす。即ち、無負荷の状態で、その中心軸線Ｏが直線をなし、半径ｒが一定、ピッチＰも一定の等ピッチ円筒コイルばねであるが、ピッチ角（α）が各巻きごとに周期的に変化するように定められている。ピッチ角（α）は、ばねの素線に沿う長さ（ｒ・β）の変分（ｒ・Δβ）に対する、素線上の対応する点の高さ（Ｈ）の変化量（ΔＨ）として与えられる。ここで、βは、中心軸線に対する、ばねの素線上の点の巻き方向の回転角度を表す。

このようなばねを作成するには、通常の円筒コイルばねの場合と同様 このようなばねを作成するには、通常の円筒コイルばねの場合と同様にコイリングマシンを用い、円柱状の芯金を回転させつつ、そのまわりに送り出し装置により素線を、１巻き毎にピッチ角が周期的に変化するように垂直軸線方向に送りながら巻いていけば上記したようなコイルばね２６になる。このようなコイリングは、通常熱間で行い、その後、焼き戻し等の処理を行う。前記と同様に、芯金の外周は平滑であっても、素線をガイドするための螺旋溝が設けられているものであっても良い。

図６に於いては、コイルばねの素線に沿って、節点を１回転（３６０゜）当たり２０点設けた場合について、横軸を節点の数、縦軸をばね高さ（Ｈ）としたグラフが示されている。通常のコイルばねの場合には、破線Ｂで示されるように、節点の数、即ちばねの素線上の点の巻き方向の回転角度（β）に対して、対応する素線上の点の高さ（Ｈ）が比例的に増大する。それに対して、図５に示されたコイルばねの場合は、実線Ａで示されるように、節点の数、即ちばねの素線上の点の回転角度（β）に対して、対応する素線上の点の高さ（Ｈ）が、破線Ｂのレベルに対して、１８０゜毎に周期的に増減する。

図７に於いては、同様に節点を定義し、横軸を節点の数、縦軸をピッチ角（α）としたグラフが示されている。このグラフにより示されるように、節点の数、即ちコイルばねの素線上の点の巻き方向の回転角度（β）に対して、コイルばねのピッチ角（α）が実線Ａで示すように、１８０゜毎に極大と極小とを順番に繰り返す。 即ち、１巻（図では２０節点）の間にピッチ角（α）の山と谷が１つずつ現れる。このコイルばね２６を圧縮すると、両端間に特定の方向に横力が生ずる。この横力が、ショックアブソーバ５に生じる横荷重に抗する方向に作用するようにコイルばね２６が取り付けられる。

上記したコイルばね２６の各端に発生する横力は、ピッチ角αの振幅（図７のＷ）が大きいほど大きくなる。その量は当該車両に於けるショックアブソーバ５のシリンダとピストンとの間に加わる横荷重に応じて決定される。また、このコイルばね２６の構造は、図４に示されたコイルばね６と同様の幾何学的構造を有するが、コイルばね２６では、ばねの圧縮方向に対して、ばねの端末の基準座面が垂直であるのに対し、コイルばね６では、素線の螺旋の等ピッチ方向（Ａ）に対して垂直をなし、ばねの中心軸線（Ｂ）に対して角度θをもって傾斜している。

また、上記構成では、ばね２６が、ピッチ角（α）が１８０゜毎に、即ち直径方向で極大と極小を周期的に繰り返すものとしたが、極大同士、極小同士の角度が互いに一致していれば、例えば互いに１６０゜をなすような、直径方向に対してオフセットされた巻き方向角度（β）位置で極大と極小とを繰り返すなど、任意に設定できる。

本発明は円筒形をなすようなコイルばねばかりでなく、円錐コイルばね、鼓形コイルばね、たる形コイルばね、テーパコイルばね等にも適用可能である。図７には、図５に示されるように、ピッチ角が周期的に増減する円筒コイルばね（破線Ａ）及び通常のピッチ角一定の円筒コイルばね（破線Ｂ）に加えて、円錐ばねに於ける節点、即ち巻き方向角度（β）とピッチ角（α）との関係も示されている。例えば、等ピッチの円錐コイルばねとした場合、一巻き毎の軸線方向の距離の増分が一定であることから、破線Ｃにより示されるように、ばねの節点数、即ち巻き数の増大ととも、ピッチ角（α）が徐々が増大する。ピッチ角が周期的に増減する円錐コイルばねの場合は、破線Ａと破線Ｃとの合成として与えられるような、２点鎖線Ｄにより示されるように、ばねの節点数、即ち巻き方向角度（β）が増大するにつれてピッチ角が周期的に増減し、かつその振幅が大きくなるような特性にすると良い。

上記した説明により明らかなように、本発明による車両用懸架装置によれば、車体と車輪との間に、筒型ショックアブソーバと、該ショックアブソーバを囲繞する圧縮コイルばねとを有する車両用懸架装置に於いて、圧縮コイルばねが、その圧縮に伴いショックアブソーバに生じる横荷重に抗する方向の荷重を生じるばねとすることにより、ショックアブソーバに生じる横荷重によるシリンダとピストンとの間の摺動抵抗を低減または完全に相殺することができ、しかも装置が大型化することもない。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、当業者であれば、本発明の請求範囲を逸脱することなく、種々の改変をなし得るであろう。

本発明が適用された車両用懸架装置の要部を模式的に示す一部破断部分正面図である。 本発明が適用された車両用懸架装置のばねのみを示す図である。 図２のばねを説明する模式図である。 本発明が適用された別の実施形態に於ける車両用懸架装置のばねのみを示す図である。 本発明が適用された更に別の実施形態に於ける車両用懸架装置のばねのみを示す図である。 コイルばねの節点（角度）とばね高さ（Ｈ）との関係を示すグラフである。 ばねの節点（角度）とピッチ角（α）との関係を示すグラフである。

Claims (2)

1. 垂直な軸線に沿って各巻きごとに一定の巻き方向角度位置にて、ばねの素線に沿う長さの変分に対する素線上の対応する点の高さの変化量として与えられるピッチ角が、コイルの略全長に渡って、唯１回ずつ極大及び極小となるように、かつ各端末が前記軸線に対して垂直な基準座面をなすように巻かれたコイルばねからなり、
   前記コイルばねを前記軸線方向に伸縮させて用い、前記軸線方向に圧縮された時に両端間に前記軸線に対して直交する横方向力が発生するように適合されていることを特徴とする圧縮コイルばね。
2. 前記コイルばねが、実質的に無負荷の状態で真円筒形状を有することを特徴とする請求項１に記載の圧縮コイルばね。

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