(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪を支持するストラットの上端を車体に支持すると共に、該車体に上側座を支持し前記ストラットに下側座を固定するストラット型懸架装置に装着し、前記上側座と前記下側座との間に圧縮可能に配置する圧縮コイルばねであって、自由状態において所定の曲率で湾曲するコイル軸を有し、該コイル軸の湾曲方向が装着対象の自動車の車体外側方向となるように保持される圧縮コイルばねから成る自動車用懸架コイルばねにおいて、前記圧縮コイルばねの総巻数から前記圧縮コイルばねの上側座巻及び下側座巻の巻数を差し引いた自由巻数の小数部分を０．３０乃至０．６５の値に設定すると共に、前記圧縮コイルばねの下側自由巻端位置を、前記圧縮コイルばねを装着する自動車の車体外側方向を基準に、前記上側座からの平面視で反時計方向を正として、−０．１５巻乃至＋０．０６巻の位置に設定することを特徴とする自動車用懸架コイルばね。
【請求項２】
車輪を支持するストラットの上端を車体に支持すると共に、該車体に上側座を支持し前記ストラットに下側座を固定するストラット型懸架装置に装着し、前記上側座と前記下側座との間に圧縮可能に配置する圧縮コイルばねであって、自由状態において所定の曲率で湾曲するコイル軸を有し、該コイル軸の湾曲方向が装着対象の自動車の車体外側方向となるように保持される圧縮コイルばねから成る自動車用懸架コイルばねにおいて、前記圧縮コイルばねの総巻数から前記圧縮コイルばねの上側座巻及び下側座巻の巻数を差し引いた自由巻数の小数部分を０．３０乃至０．６５の値に設定すると共に、前記圧縮コイルばねの下側座巻の巻端位置が、前記圧縮コイルばねを装着する自動車の車体外側方向を基準に、前記上側座からの平面視で反時計方向を正として−９０゜近傍である場合には、前記圧縮コイルばねの上側座巻の巻数を０．５巻以下の値に設定することを特徴とする自動車用懸架コイルばね。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用懸架コイルばねに関し、特にストラット型懸架装置に好適な自動車用懸架コイルばねに係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車の車体懸架に圧縮コイルばねが供されており、一般的に圧縮コイルばねはそのコイル軸とばね反力の方向が一致するように設計されている。自動車用懸架装置に関しては、種々の形式のものが知られているが、車輪の位置決め用の支柱（ストラット）としてショックアブソーバ（緩衝器）を利用したストラット型懸架装置が普及している。このストラット型懸架装置においては、荷重入力軸とストラット軸との間のずれが不可避であるため、ストラットに曲げモーメントが発生し、ストラットのガイド部及びピストン部に作用する横力によってショックアブソーバとしての円滑な摺動作動が阻害される。これを防止するため、例えば円筒状の圧縮コイルばねのコイル軸をストラット軸に対してオフセットさせて曲げモーメントを相殺する技術が利用されている。
【０００３】
上記の圧縮コイルばねのコイル軸とストラット軸の関係は幾何学的に決められるため、圧縮コイルばね単体としてはオフセットが生じないように、即ちコイル軸とばね反力の方向が一致するように設計することが要求されていた。例えば、ストラット型懸架装置に供される圧縮コイルばねに関しては、本願発明者を含む研究者によって発表された「サスペンション設計における懸架コイルばねの横力低減技術」と題する論文（ばね技術研究会、１９９５年８月２８日発行）に記載のように、圧縮コイルばねの横力を最小化することが課題とされていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
然し乍ら、自動車用懸架装置の一層の小型化が要請される今日においては、通常の円筒状圧縮コイルばねを用いストラット及びその支持機構の改良を加えるだけでは、路面荷重によってストラットに発生する曲げモーメントを打ち消すことは困難である。寧ろ、圧縮コイルばねの横力を積極的に増大させ、この圧縮コイルばねをストラット型懸架装置に適用することが必要となることが判明し、本願出願人は、ストラット型懸架装置への装着時にストラットに対し所望の横力を適切に付与し得る自動車用懸架コイルばねを提案している。
【０００５】
例えば、特願平１１−１４０６４９号及び特願平１１−１６３６５２号の出願で提案したように、自由状態においてコイル軸が湾曲するように形成し、あるいは座巻中心軸（下側座巻及び上側座巻の座巻中心を通る軸）がコイル軸に対しオフセットするように形成して、ばね反力の着力点が上側座面の略中心に位置するように調整しつつ、所望の横力を付与することとしているが、その前提となる汎用の圧縮コイルばねで構成される自動車用懸架コイルばねに関し、横力が最適となる巻数及び巻端位置に設定しておくことが肝要となる。
【０００６】
そこで、本発明は、自動車の懸架装置に装着したときに最適な横力を付与し得る自動車用懸架コイルばねを提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載のように、車輪を支持するストラットの上端を車体に支持すると共に、該車体に上側座を支持し前記ストラットに下側座を固定するストラット型懸架装置に装着し、前記上側座と前記下側座との間に圧縮可能に配置する圧縮コイルばねであって、自由状態において所定の曲率で湾曲するコイル軸を有し、該コイル軸の湾曲方向が装着対象の自動車の車体外側方向となるように保持される圧縮コイルばねから成る自動車用懸架コイルばねにおいて、前記圧縮コイルばねの総巻数から前記圧縮コイルばねの上側座巻及び下側座巻の巻数を差し引いた自由巻数の小数部分を０．３乃至０．６５の値に設定すると共に、前記圧縮コイルばねの下側自由巻端位置を、前記圧縮コイルばねを装着する自動車の車体外側方向を基準に、前記上側座からの平面視で反時計方向を正として、−０．１５巻乃至＋０．０６巻の位置に設定することとしたものである。
【０００８】
また、本発明は、請求項２に記載のように、車輪を支持するストラットの上端を車体に支持すると共に、該車体に上側座を支持し前記ストラットに下側座を固定するストラット型懸架装置に装着し、前記上側座と前記下側座との間に圧縮可能に配置する圧縮コイルばねであって、自由状態において所定の曲率で湾曲するコイル軸を有し、該コイル軸の湾曲方向が装着対象の自動車の車体外側方向となるように保持される圧縮コイルばねから成る自動車用懸架コイルばねにおいて、前記圧縮コイルばねの総巻数から前記圧縮コイルばねの上側座巻及び下側座巻の巻数を差し引いた自由巻数の小数部分を０．３０乃至０．６５の値に設定すると共に、前記圧縮コイルばねの下側座巻の巻端位置が、前記圧縮コイルばねを装着する自動車の車体外側方向を基準に、前記上側座からの平面視で反時計方向を正として−９０゜近傍である場合には、前記圧縮コイルばねの上側座巻の巻数を０．５巻以下の値に設定することとしてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。先ず、図１を参照してストラット型懸架装置（以下、単に懸架装置という）の全体構成を説明すると、車体１にストラット２の上端が弾性的に支持されると共に、上側座３が車体１に支持され、ストラット２の胴部に下側座４が固定されている。これら上側座３と下側座４との間に、ストラット２を囲繞するように圧縮コイルばね５が配置されている。ストラット２の下端はナックル６に固定され、ナックル６はロアアーム７を介して車体１にピボット結合されている。而して、ナックル６に軸支される車輪８はストラット２及び圧縮コイルばね５を介して車体１に支持されると共に、ロアアーム７を介して車体１に支持されている。
【００１１】
ストラット２はシリンダ２ａと、このシリンダ２ａ内に摺動自在に支持されたロッド２ｂを備え、これらによってショックアブソーバが構成されている。ロッド２ｂの上端はストラットマウント１０を介して車体１に取り付けられ、シリンダ２ａの下端がナックル６に取り付けられる。
【００１２】
上記の構成になる懸架装置においては、図１に示すように、荷重入力軸ＡＡとばね反力軸ＲＡは一致せず、ストラット２のストラット軸ＳＡと荷重入力軸ＡＡとは角度θ１をなすのに対し、ストラット軸ＳＡとばね反力軸ＲＡとは角度θ２をなしている。尚、ＬＡはロアアーム７の軸、ＫＡはキングピン軸を表す。上記荷重入力軸ＡＡとストラット軸ＳＡの不一致に起因し、ストラット２のシリンダ２ａとロッド２ｂとの間に摺動抵抗が生じ得るが、この摺動抵抗は圧縮コイルばね５の付勢力によって発生が抑えられ、ロッド２ｂの円滑な摺動作動が確保される。
【００１３】
即ち、本実施形態の圧縮コイルばね５は、その上側座面の中心を通るコイル軸が、自由状態において所定の曲率で湾曲するように形成されており、所定の初期胴曲がりを有する。そして、圧縮コイルばね５の自由状態において湾曲内側（図１の左側）の軸方向長さが短くなる方向に、圧縮コイルばね５の下側座巻５ａの座面、即ち下側座面が、装着対象の下側座４（図１に２点鎖線で示す）に対して所定角度傾斜するように、下側座巻５ａのピッチが設定されている。尚、下側座面と下側座４との関係は相対的であり、図１では下側座４が水平で、これに対し下側座面が所定角度傾斜する関係にあるが、逆に下側座面を水平とし、これに対し下側座４が所定角度傾斜する関係としてもよい。
【００１４】
上記のように湾曲形成された圧縮コイルばね５が、略平行の上側座３と下側座４との間に介装され、そのコイル軸の湾曲方向が車体外側方向となるように保持される。このようにして、圧縮コイルばね５は、ばね反力軸が上側座３の略中心を通るように適切に支持されるので、ストラット２に対して所望の横力を適切に付与し、円滑な緩衝作動を確保することができる。
【００１５】
図２は、汎用の圧縮コイルばねの一態様を示すもので、前述の圧縮コイルばね５のように、下側座巻及び上側座巻が何れもピッグテール巻（上下面はフラット）であるが、座巻中心軸はコイル軸と一致するように形成され、装着対象の上側座及び下側座（図示せず）は何れもフラット形状に形成されている。尚。図２では胴部の一部を省略して２点鎖線で示しているので、全長が実際より短く表れている。
【００１６】
上記の態様を圧縮コイルばね５Ａとして、その上側座巻及び下側座巻の巻数に対し、下記の表１に示すように６種類の組合せで、６個のサンプルＳ１乃至Ｓ６を設定し、これらの各々に関して、コイル総巻数が＋０．５巻〜−０．５巻の範囲で０．１巻毎に、横力の変化を有限要素法によって解析した。尚、何れのサンプルのばね特性も、ばね定数が２８．４（Ｎ／mm）、取付荷重が２６００（Ｎ）、目標最大主応力が１０００（ＭＰａ）に設定されている（総巻数を変えることによって変わる取付荷重及びばね定数は、ばね自由長と線径を変えることにより特性を上記仕様に合わせた）。
【表１】
0004605845.tif 000002
【００１７】
同様に、図３乃至図６に示すように、座巻中心軸がコイル軸と一致する圧縮コイルばね５Ｂ〜５Ｅを設定し、上記表１に示すように、夫々６個のサンプルに関して、コイル総巻数が＋０．５巻〜−０．５巻の範囲で０．１巻毎に、横力の変化を有限要素法によって解析した。以下、圧縮コイルばね５Ｂ〜５Ｅの各構成を図面を参照して説明する。先ず、図３の圧縮コイルばね５Ｂは、上側座巻はピッグテール巻であるが下側座巻はピッグオープン巻で、装着対象の上側座はフラット形状で、下側座はリード付の形状に形成されている。表１に示すように、圧縮コイルばね５Ｂ〜５Ｅについては夫々サンプルＳ１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ７，Ｓ８の６個のサンプルを用いた。
【００１８】
次に、図４の圧縮コイルばね５Ｃは、上側座巻はピッグテール巻（上面はフラット）であるが下側座巻はオープン巻とされ、装着対象の上側座はフラット形状で、下側座はリード付の形状に形成されている。また、図５の圧縮コイルばね５Ｄも、上側座巻がピッグテール巻で下側座巻がオープン巻とされ、装着対象の上側座はフラット形状で、下側座はリード付の形状に形成されているが、上側座巻の０〜１巻間で線間接触が生ずるように設定されている。そして、図６の圧縮コイルばね５Ｅは、上側座巻がオープン巻（上面はフラットで、０〜１巻が等径）で、下側座巻がオープン巻とされ、装着対象の上側座はフラット形状で、下側座はリード付の形状に形成されているが、上側座巻の０〜１巻間で線間接触が生ずるように設定されている。
【００１９】
図７は解析結果の自由巻数と横力の関係の一例を示すもので、横軸は〔総巻数−座巻の巻数〕の自由巻数を示し、縦軸は横力の大きさを示す。尚、横力はコイル軸に垂直なばね反力成分であり、線間接触のある圧縮コイルばね５Ｄ，５Ｅに関しては、接触する上側座巻１巻と下側座巻を総巻数から差し引いた値を自由巻数とする。図７から明らかなように、横力は自由巻数によって変化し、巻数の小数部分の値が０．４５のときに横力が最大値となる。そして、圧縮コイルばね５Ａ乃至５Ｅの全てについて、横力が最大値となる自由巻数の小数部分を取り出すと、図８に示すようになり、平行な実線で囲まれた範囲内に収束している。即ち、自由巻数の小数部分の値が、０．３０〜０．６５のときに横力が最大値となる。
【００２０】
図９は、ばね反力の横方向成分の向き、即ち横力の方向を装着対象の自動車の車体外側方向と一致させるのに最適な条件を設定するための、下側自由巻端位置の基準を示すもので、圧縮コイルばねを軸方向の上方から見た平面視で、白抜矢印の方向（図９の右方）が車体外側方向を示す。この車体外側方向を基準として、図９の反時計方向を正とする巻数の値（Ｎｆ）を、下側自由巻端位置（５ｅ）を表す値として用いる。尚、図９において、下側座巻（５ａ）の巻端位置（５ｄ）から下側自由巻端位置（５ｅ）までの範囲（ＮＬ）が下側座巻（５ａ）を構成する巻数を表す。
【００２１】
而して、横軸にサンプル番号を示し、縦軸に下側自由巻端位置の巻数Ｎｆの値を示す図１０に明らかなように、圧縮コイルばね５Ａ乃至５Ｅの何れにおいても、下側自由巻端位置は、装着対象自動車の車体外側方向を基準（Ｎｆ＝０）に、上側座からの平面視で反時計方向を正とすると、平行な実線で囲まれた範囲内の−０．１５巻乃至＋０．０６巻の位置となる。
【００２２】
ところで、装着対象との関係で、下側座巻の巻端位置が固定されている場合がある。このような場合に横力の方向を車体外側方向と一致させるには、上側座巻の巻数を調整する必要がある。そこで、実際に生じ得る下側座巻の巻端位置が、車体外側方向を基準に上側座からの平面視で反時計方向を正として、＋９０°の位置と−９０°の位置のときに、横力の方向が車体外側方向と一致する上側座巻の巻数を解析した。尚、この場合には、下側座の巻端位置が固定されるので、下側座巻はリード付の下側座に適合するオープン形状とし、０．７５巻に設定する。
【００２３】
図１１は、下側座巻の巻端位置が、車体外側方向を基準に上側座からの平面視で反時計方向を正として、−９０°の位置にあって、上側座巻の巻数が０．４巻のときの、総巻数の値に応じた横力の方向を示すもので、縦軸は車体外側方向を基準とする横力方向を表す。同図から明らかなように、横力方向が０°、即ち横力の方向が車体外側方向と一致するのは、総巻数が５．６５巻の場合である。
【００２４】
一方、図１２は、下側座巻の巻端位置が、車体外側方向を基準に上側座からの平面視で反時計方向を正として、−９０°の位置にあって、上側座巻の巻数が０．７５巻のときの、総巻数の値に応じた横力の方向を示すものである。この場合には、総巻数を変化させても横力の方向を車体外側方向と一致させることは出来ない。つまり、下側座巻の巻端位置が固定されている場合には、上側座巻の巻数を適切な値に設定しないと横力の方向を車体外側方向と一致させることは出来ない。
【００２５】
そこで、下側座巻の巻端位置が、車体外側方向を基準に上側座からの平面視で反時計方向を正として、＋９０°の位置と−９０°の位置のときに、上側座巻の巻数を０．２、０．４、０．６及び０．８巻とした場合に、横力方向を車体外側方向と一致させることができるか否かについて解析したところ、−９０°の位置のときには、上側座巻の巻数が０．５巻以下の値でなければ横力の方向を車体外側方向と一致させることは出来ないことが明らかとなった。これに対し、下側座巻の巻端位置が、車体外側方向を基準に上側座からの平面視で反時計方向を正として、＋９０°の位置のときには、上側座巻の巻数が０．２〜０．８巻の何れの場合にも、横力の方向を車体外側方向と一致させることが可能な総巻数が存在することが明らかとなった。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、請求項１に係る自動車用懸架コイルばねは、コイル軸の湾曲方向が装着対象の自動車の車体外側方向となるように保持される圧縮コイルばねから成り、この圧縮コイルばねの総巻数から上側座巻及び下側座巻の巻数を差し引いた自由巻数の小数部分を０．３０乃至０．６５の値に設定することとしているので、ストラット型懸架装置に装着したときに最大の横力を付与し得る巻数とすると共に、圧縮コイルばねの下側自由巻端位置を、自動車の車体外側方向を基準に、上側座からの平面視で反時計方向を正として、−０．１５巻乃至＋０．０６巻の位置に設定することとしているので、横力の方向を車体外側方向即ちコイル軸の湾曲方向と一致させ得る自動車用懸架コイルばねを構成することができる。従って、この自動車用懸架コイルばねに基づき、同懸架装置に装着したときに所望の横力を適切に付与し得る自動車用懸架コイルばねを、容易に形成し、安定して提供することができる。
【００２８】
また、請求項２に係る自動車用懸架コイルばねは、コイル軸の湾曲方向が装着対象の自動車の車体外側方向となるように保持される圧縮コイルばねから成り、この圧縮コイルばねの総巻数から上側座巻及び下側座巻の巻数を差し引いた自由巻数の小数部分を０．３０乃至０．６５の値に設定することとしているので、ストラット型懸架装置に装着したときに最大の横力を付与し得る巻数とすると共に、圧縮コイルばねの下側座巻の巻端位置が、自動車の車体外側方向を基準に、前記上側座からの平面視で反時計方向を正として−９０゜近傍である場合には、上側座巻の巻数を０．５巻以下の値に設定することとしているので、ストラット型懸架装置に装着したときに下側座巻の巻端位置が−９０゜近傍に固定される場合にも、横力方向を車体外側方向即ちコイル軸の湾曲方向と一致させ得る自動車用懸架コイルばねを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧縮コイルばねを自動車用懸架装置に装着した状態を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に供する汎用の圧縮コイルばねの第１の態様を示す正面図である。
【図３】本発明の一実施形態に供する汎用の圧縮コイルばねの第２の態様を示す正面図である。
【図４】本発明の一実施形態に供する汎用の圧縮コイルばねの第３の態様を示す正面図である。
【図５】本発明の一実施形態に供する汎用の圧縮コイルばねの第４の態様を示す正面図である。
【図６】本発明の一実施形態に供する汎用の圧縮コイルばねの第５の態様を示す正面図である。
【図７】本発明の一実施形態に供する汎用の圧縮コイルばねの一例における自由巻数と横力の関係の一例を示すグラフである。
【図８】図２乃至図６に示す圧縮コイルばねの全てについて、横力が最大値となる自由巻数の小数部分を示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態における、横力の方向を車体外側方向と一致させるのに最適な条件を設定するための、下側自由巻端位置の基準を示す平面図である。
【図１０】図２乃至図６に示す圧縮コイルばねの全てについて、横力の方向を車体外側方向と一致させる下側自由巻端位置を、車体外側方向からの巻数で示すグラフである。
【図１１】下側座巻の巻端位置が、車体外側方向を基準に上側座からの平面視で反時計方向を正として、−９０°の位置にあって、上側座巻の巻数が０．４巻のときの、総巻数の値に応じた横力の方向を示すグラフである。
【図１２】下側座巻の巻端位置が、車体外側方向を基準に上側座からの平面視で反時計方向を正として、−９０°の位置にあって、上側座巻の巻数が０．７５巻のときの、総巻数の値に応じた横力の方向を示すグラフである。
【符号の説明】
１  車体，  ２  ストラット，  ３  上側座，  ４  下側座，
５  圧縮コイルばね，  ５ａ  下側座巻，  ５ｂ  上側座巻，
６  ナックル，  ７  ロアアーム，  ８  車輪，
１０  ストラットマウント
【図１】
0004605845.tif 000003
【図２】
0004605845.tif 000004
【図３】
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【図４】
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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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【図９】
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【図１０】
0004605845.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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