(57)【要約】ＳＵＰ９やＳＵＰ１１といった廉価なばね鋼を材料としても耐久性を向上させることができる車両用リーフスプリングである。ブリネル硬さが３８８ＨＢＷ以上でかつ５５５ＨＢＷ未満（ブリネル球痕径で直径が３．１０ｍｍの硬さ以上でかつ２．７０ｍｍの硬さ未満）を有するばね鋼からなるスプリング本体を１５０〜４００℃に保ちながら、スプリング本体に、その使用状態と同じ方向の荷重を与えながら引張応力が作用する面に第１のショットピーニングを施す。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブリネル硬さが３８８ＨＢＷ以上でかつ５５５ＨＢＷ未満（ブリネル球痕径で直径が３．１０ｍｍの硬さ以上でかつ２．７０ｍｍの硬さ未満）を有するばね鋼からなるスプリング本体を１５０〜４００℃に保ちながら、上記スプリング本体に、その使用状態と同じ方向の荷重を与えながら引張応力が作用する面に第１のショットピーニングを施すことを特徴とする車両用リーフスプリングの製造方法。
【請求項２】
前記荷重により１２００〜１９００ＭＰａの引張応力を与えることを特徴とする請求項１に記載の車両用リーフスプリングの製造方法。
【請求項３】
前記第１のショットピーニングの後に、第１のショットピーニングで用いたショットの平均粒径よりも小さい平均粒径のショットを用い、かつ前記スプリング本体を１５０〜４００℃に保ちながら、上記スプリング本体に、その使用状態と同じ方向の荷重を与えながら引張応力が作用する面に第２のショットピーニングを施すことを特徴とする請求項１に記載の車両用リーフスプリングの製造方法。
【請求項４】
前記第１のショットピーニングで用いるショットの平均粒径が０．８〜１．２ｍｍであり、前記第２のショットピーニングで用いるショットの平均粒径が０．２〜０．６ｍｍであることを特徴とする請求項３に記載の車両用リーフスプリングの製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の製造方法で製造された車両用リーフスプリングであって、前記引張応力が作用する面の表面から０．４〜０．６ｍｍの深さの範囲に残留圧縮応力が分布し、その残留圧縮応力の最大値が８００〜１８００Ｎ／ｍｍ２であることを特徴とする車両用リーフスプリング。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、乗用車、トラック、バス、鉄道などの車両の懸架用リーフスプリングおよびその製造方法に係り、特に、耐久性を可及的に高める技術に関する。背景技術
従来、車両用リーフスプリング（以下、「リーフスプリング」と略称する）は、ばね鋼を成形した後に焼入れ、焼戻しを行い、次いで常温でショットピーニングを施して製造されている。この場合のショットピーニングは、リーフスプリングを車両に装着した状態で引張応力が作用する面に、鋼鉄製のショットを高速で衝突させる処理であり、これにより、その表面部に圧縮残留応力を発生させて耐久性を高めることができる。
近年においては、米国特許第９５９，８０１号、同第３，０９４，７６８号、特開平５−１４８５３７号公報等に開示されているように、ばね鋼に応力を与えながら常温でショットピーニングを行うストレスピーニングも知られている。このようなストレスピーニングでは、通常のショットピーニングよりも大きな残留圧縮応力を発生させることができる。
また、リーフスプリングに用いられるばね鋼は、従来、ＳＵＰ６（シリコンマンガン鋼）、ＳＵＰ９またはＳＵＰ９Ａ（マンガンクロム鋼）、ＳＵＰ１１Ａ（マンガンクロムボロン鋼）が一般的であり、それらは焼入れ、焼戻しの熱処理後のブリネル硬さが３８８〜４６１ＨＢＷ（ブリネル球痕径で２．８５〜３．１０ｍｍ）である。近年では、ブリネル硬さが４４４〜４９５ＨＢＷ（ブリネル球痕径で２．７５〜２．９０ｍｍ）であるＳＵＰ１０（クロムバナジウム鋼）を用いることが検討されている。この鋼種によれば、硬さが硬くしかも結晶粒が微細化するため、残留圧縮応力の大きさはストレスピーニングを施した場合と同程度であるが、耐久性をさらに向上させることができる。
第８図は、ＳＵＰ９またはＳＵＰ９Ａ、ＳＵＰ１１Ａの鋼種で熱処理後に常温でショットピーニングを施したリーフスプリング（１）と、同じ鋼種で熱処理後に常温でストレスピーニングを施したリーフスプリング（２）と、ＳＵＰ１０の鋼種で熱処理後にストレスピーニングを施したリーフスプリング（３）とで耐久試験を行った結果を示すＳ−Ｎ線図である。なお、この耐久試験は、リーフスプリングに６８６ＭＰａの応力（平均応力）を設定し、その応力に対して応力振幅を付与して行った。第８図から判るように、耐久回数は（１）＜（２）＜（３）となる。なお、リーフスプリング（２），（３）の残留圧縮応力は共に８０ｋｇｆ／ｍｍ２であった。
以上のように、ＳＵＰ１０を用いてストレスピーニングを施すと耐久性が格段に向上する。しかしながら、ＳＵＰ１０は、ＳＵＰ６やＳＵＰ９等と比較すると高価なため、材料費が増大するという欠点がある。
発明の開示
したがって、本発明は、ＳＵＰ９やＳＵＰ１１等の廉価な材料を用いながらＳＵＰ１０でストレスピーニングを行ったと同等の耐久性を得ることができるリーフスプリングおよびその製造方法を提供することを目的としている。
本発明のリーフスプリングの製造方法は、ブリネル硬さが３８８ＨＢＷ以上でかつ５５５ＨＢＷ未満（ブリネル球痕径で直径が３．１０ｍｍの硬さ以上でかつ２．７０ｍｍの硬さ未満）を有するばね鋼からなるスプリング本体を１５０〜４００℃に保ちながら、スプリング本体に、その使用状態と同じ方向の荷重を与えながら引張応力が作用する面に第１のショットピーニングを施すことを特徴としている。以下、本発明の作用とともに上記数値限定の根拠を説明する。なお、以下の説明では、本発明におけるショットピーニングを温間ストレスピーニングと称することもある。
ばね鋼硬さ：３８８〜５５５ＨＢＷ
第１図は、焼入れ、焼戻し後の硬さを種々設定したばね鋼からなるリーフスプリングに温間ストレスピーニングを行ったものの耐久回数を示すＳ−Ｎ線図である。なお、この温間ストレスピーニングは、リーフスプリングの引張応力が作用する面に１４００ＭＰａの応力をかけながら２５０〜３００℃に保持して行った。また、この耐久試験は、平均応力を６８６ＭＰａ、応力振幅を７２０ＭＰａにして行った。
第１図に示すように、ばね鋼の硬さがブリネル球痕径（ＨＢＤ）で直径が３．１０ｍｍ以上でかつ２．７０ｍｍ未満の場合には、１０万回の耐久回数を確保することができるが、その範囲を逸脱する硬さでは１０万回未満となる。なお、ＨＢＤは、直径が１０ｍｍの超硬合金球を荷重３０００ｋｇｆで試料表面に押し付けたときに生じたくぼみの径で表される。これは、ばね鋼の硬さがＨＢＤ２．７０ｍｍ以上では、切欠感受性が高くなって耐久性のばらつきが増加し、結果として平均耐久回数が低下したものである。また、材料が硬いとストレスピーニングのショットが材料の硬さに負けてしまうという問題が生じる。このことはショットによる加工が困難となり、疲労強度向上に最も効果のある圧縮残留応力層が充分に形成されなくなることを意味し、疲労強度が向上しないという本質的な問題にもつながる。
一方、ＨＢＤ３．１ｍｍ未満では低温クリープ特性（耐へたり性）が低下し、その結果、耐久回数も低下する。第２図は、焼入れ、焼戻し後の硬さを種々設定したばね鋼からなるスプリング本体に温間ストレスピーニングを行ったものに、１００ＭＰａの応力を７２時間与え、除荷後の残留剪断ひずみを測定した結果を示す線図である。第２図から判るように、ばね鋼の硬さがＨＢＤ３．１０ｍｍ未満では残留剪断ひずみが急激に増加し、耐へたり性が低下する。
温間ストレスピーニング温度：１５０〜４００℃
第３図は、種々の鋼種を用いるとともに焼入れ、焼戻し後の保持温度を種々設定してストレスピーニングを行ったものについて、材料の表面からの深さと残留圧縮応力の大きさとの関係を示す線図である。第３図から判るように、１５０℃で温間ストレスピーニングを施したものは、ＳＵＰ９等の通常のばね鋼でありながらＳＵＰ１０で常温でのストレスピーニングを行ったものよりも圧縮残留応力が大きく、かつ、その深さが深い。さらに、４００℃で温間ストレスピーニングを行ったものでは、残留圧縮応力が飛躍的に増大し、かつ、その深さも大幅に深くなっている。これに対して、通常の材料に常温でストレスピーニングを行ったものはＳＵＰ１０で常温のストレスピーニングを行ったものよりも残留圧縮応力が低く、また、通常の材料で常温でショットピーニングを行ったものはさらに残留圧縮応力が低下する。したがって、材料を１５０〜４００℃に保持してストレスピーニングを行うことにより、廉価な材料であっても耐久回数を増やすことができることが判る。
なお、ストレスピーニングの保持温度が４００℃を超えると、ストレスピーニングによる加工度が大きく表面粗さが大きくなり、その結果、切欠感受性が増加して耐久回数が低下する。また、４００℃を超えると圧縮残留応力の解放が顕著になることも耐久性の低下の一因となる。ショットピーニング時の保持温度は、１５０〜３５０℃が望ましく、２５０〜３２５℃であればさらに好適である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。
本発明における温間ストレスピーニングをより効果的に行うには、スプリング本体に与える荷重により表面に１２００〜１９００ＭＰａの引張応力を与えることが望ましい。本発明者等の検討によれば、引張応力が１２００ＭＰａ未満では残留圧縮応力の値が不充分となり、また、１９００ＭＰａを超えると、特に鋼種がＳＵＰ１１Ａの場合には、ストレスピーニング時にリーフスプリングの中央に形成した孔で折損することがある。
また、第１のショットピーニングの後に、第１のショットピーニングで用いたショットの平均粒径よりも小さい平均粒径のショットを用い、かつスプリング本体を１５０〜４００℃に保ちながら、スプリング本体に、その使用状態と同じ方向の荷重を与えながら引張応力が作用する面に第２のショットピーニングを施すと好適である。これにより、スプリング本体の最表面部に小径のショットで塑性変形を与えることができ、その部分の圧縮残留応力を高めて耐久性をさらに向上させることができる。より具体的には、第１のショットピーニングで用いるショットの平均粒径は０．８〜１．２ｍｍであり、第２のショットピーニングで用いるショットの平均粒径は０．２〜０．６ｍｍとすれば良い。
上記のようなリーフスプリングの製造方法によれば、ＳＵＰ９等の廉価な材料で構成した場合であっても、ＳＵＰ１０にストレスピーニングを施したものと同等以上の耐久性を得ることができる。そして、本発明は、上記のような製造方法で製造されたリーフスプリングであって、引張応力が作用する面の表面から０．４〜０．６ｍｍの深さの範囲に残留圧縮応力が分布し、その残留圧縮応力の最大値が８００〜１８００Ｎ／ｍｍ２であることを特徴とするものである。
本発明に用いて好適なばね鋼は、ＳＵＰ９やＳＵＰ１１等であり、好適には下記第１表に示す組成を有するものである。
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第４図は実施形態のリーフスプリングを示す図である。このリーフスプリングは、中央部から両側へ向けて漸次薄肉となるスプリング本体１の両端部を巻き付けて取付部２を形成し、スプリング本体１の中央部に、ブラケット等の部品を装着するための孔３を形成したものである。このリーフスプリングは、図中一点鎖線で示す湾曲した形状に成形され、使用状態では図中Ｗで示す荷重が矢印方向に与えられる。
第５図は、上記のようなリーフスプリングを製造するための工程を示す図である。まず、入荷された材料の検査をし、所定寸法の板材に切断して中央に孔３を機械加工する。次に、板材を加熱して両端部が漸次薄肉となるように圧延加工する。ついで、板材の両端部のうち巻き付ける部分を漸次幅狭となるように機械加工し、加熱後に両端部を巻き付けて取付部２を形成する。こうして形成されたリーフスプリングの半製品は、加熱後に湾曲形成され、焼入れ槽に投入されて焼入れされる。その後、半製品は焼戻しされ、その後、１５０〜４００℃の温間領域に保持された温間ストレスピーニング装置内でストレスピーニングされる。その際、半製品には、適当な治具によって第４図中矢印で示す方向の荷重が加えられ、半製品には矢印と反対側の方向からショットが投射される。
次に、自然冷却後の半製品は塗装され、ブラケット等が組み付けられるとともに、仕様に応じて複数枚の半製品が組み合わされる。その後、リーフスプリングの組立体には使用時の荷重方向に弾性限度を超える荷重を加えるセッチングが行われ、塗装と検査を経てリーフスプリングの完成品となれる。
上記製造工程では、温間領域に保持される温間ストレスピーニング装置を用いているが、常温ストレスピーニング装置を用いることもできる。すなわち、第５図中二点鎖線で示すように、常温ストレスピーニング装置の直ぐ上流側に専用の焼戻し装置を設置し、焼戻し装置を出た半製品が冷えないうちに常温ストレスピーニング装置に搬入してストレスピーニングを行うこともできる。あるいは、製造時間を短縮するために、温間または常温ストレスピーニング装置を出た半製品を冷却装置で冷却することもできる。
［実施例１］
次に、具体的な製造例を示して本発明をさらに詳細に説明する。ＳＵＰ９からなる板材を第４図に示す形状に成形し、焼入れ、焼戻し後に温間ストレスピーニングを施した。温間ストレスピーニングは、リーフスプリングの引張応力が作用する面に１４００ＭＰａの応力をかけながら２５０〜３００℃に保持して行った。次いで、このリーフスプリングに、平均応力を６８６ＭＰａ、応力振幅を種々設定して耐久試験を行った。また、比較のために、ＳＵＰ１０からなる板材を第４図示す形状に成形し、焼入れ、焼戻し後に１４００ＭＰａの応力をかけながらストレスピーニングを施した。このリーフスプリングに対して上記と同じ条件で耐久試験を行った。その結果を第６図に示す。第６図に示すように、温間ストレスピーニングを施した本発明のリーフスプリングは、ＳＵＰ１０でストレスピーニングを施したものと同等以上の耐久回数を示した。
［実施例２］
種々のばね鋼を用いて第４図に示すリーフスプリングを製造した。その際、リーフスプリングには、常温でのショットピーニング（ＳＰ）、常温でのストレスピーニング（ＳＳＰ）、温間ストレスピーニング（ＷＳＳＰ）のいずれかを行った。この場合、常温でのショットピーニングと常温でのストレスピーニングは９００ＭＰａの応力、温間ストレスピーニングは１４００ＭＰａの応力をかけながら行い、温間ストレスピーニングは２５０〜３００℃に保持して行った。
以上のリーフスプリングに対して、平均応力を６８６ＭＰａとし応力振幅を種々設定して耐久試験を行った。その結果を第７図に示す。第６図中の破線は、ＳＵＰ１０の常温でストレスピーニングを行ったもののプロットの最小値を結んだものである。ＳＵＰ９およびＳＵＰ１１で温間ストレスピーニングを行ったものでは、それらのプロットは破線のほぼ上または右側に存在することから、ＳＵＰ１０で常温ストレスピーニングを行ったものと同等以上の耐久回数を示すことが判る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の作用を説明するための硬さと折損回数との関係を示すグラフである。
第２図は、本発明の作用を説明するための硬さと残留剪断ひずみとの関係を示すグラフである。
第３図は、本発明の作用を説明するための表面からの距離と残留圧縮応力との関係を示すグラフである。
第４図（Ａ）は、本発明の実施形態のリーフスプリングを示す側面図であり、第４図（Ｂ）は、その裏面図である。
第５図は、本発明の実施形態におけるリーフスプリングの製造工程を示す図である。
第６図は、本発明の実施例におけるＳ−Ｎ線図である。
第７図は、本発明の実施例における他のＳ−Ｎ線図である。
第８図は、従来のリーフスプリングにおけるＳ−Ｎ線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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