JPS5847581B2 - 重ね板ばね - Google Patents

重ね板ばね

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JPS5847581B2
JPS5847581B2 JP55058526A JP5852680A JPS5847581B2 JP S5847581 B2 JPS5847581 B2 JP S5847581B2 JP 55058526 A JP55058526 A JP 55058526A JP 5852680 A JP5852680 A JP 5852680A JP S5847581 B2 JPS5847581 B2 JP S5847581B2
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JP
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leaf spring
spring
cross
stacked
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JP55058526A
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和男 吉川
咸恒 青山
好道 長谷川
順一 樋口
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Chuo Hatsujo KK
Toyota Central R&D Labs Inc
Aichi Steel Corp
Original Assignee
Chuo Hatsujo KK
Toyota Central R&D Labs Inc
Aichi Steel Corp
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Publication date
Application filed by Chuo Hatsujo KK, Toyota Central R&D Labs Inc, Aichi Steel Corp filed Critical Chuo Hatsujo KK
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Priority to US06/518,766 priority patent/US4512559A/en
Publication of JPS5847581B2 publication Critical patent/JPS5847581B2/ja
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    • B60G11/10Resilient suspensions characterised by arrangement, location or kind of springs having leaf springs only characterised by means specially adapted for attaching the spring to axle or sprung part of the vehicle
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00Springs
    • F16F1/02Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
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    • F16F1/185Leaf springs characterised by shape or design of individual leaves
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • B60GVEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
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    • B60G2200/31Rigid axle suspensions with two trailing arms rigidly connected to the axle
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    • B60G2204/4306Bracket or knuckle for rigid axles, e.g. for clamping
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧延鋼材により構成される曲げ変形を受ける重
ね板ばねの改良に係るもので、従来使用されている平ば
ねの重ね板ばねに比して単位重量あたりの曲げ剛性およ
び疲労強度が優れた、軽量な重ね板ばねを提供しようと
するものである。
従来、車輛の車軸懸架用に使用されている板ばねなど極
く普通の板はね用鋼板は第1図に示す長さ方向に垂直の
断面がほぼ矩形断面を有する圧延平鋼が一般に慣用され
ており、一部には長さ方向に垂直な断面が第2図に示す
溝を底面に形成した溝付断面、または第3図に示す梯台
形断面の圧延平鋼が用いられてきた。
これら第2図および第3図に示す断面を有する板ばね用
鋼板が用いられる理由は、第1図に示す矩形断面の板ば
ね用鋼板と比較して、その断面形状において曲げ負荷時
に引張応力を受ける側の幅を圧縮応力を受ける側の幅よ
り広くすることによって、断面の曲げ中立軸を引張応力
側に移動させ、曲びモーメント作用時の引張応力の軽減
(圧縮応力の増加)によって単位重量あたりに負担し得
る繰返し曲げモーメントの振巾を増加させようとするも
のである。
ちなみに車軸懸架用に多用される第2図、第3図に示す
断面を有する板ばねを数枚重ねた重ね板ばね等は、静荷
重としての平均曲げモーメントと動荷重としての曲げモ
ーメント振巾とが作用するが、繰返し疲労強度が静荷重
による平均曲げ圧縮側では平均曲げ引張側よりも高いと
いう性質を利用して単位重量あたりの疲労強度の改善を
はかつているものである。
しかしながら、第2図および第3図に示す断面形状の重
ね板ばねを所定の寸法公差で圧延することは、第1図に
示す単純な矩形断面の板ばねの圧延に比して技術的に困
難性が高く、圧延コストの上昇を招く。
さらに第1図ないし第3図に示す断面形状の板ばねにお
いては、その疲労破壊は曲げ引張応力側の表面において
曲げ時に応力の集中する隅角部から発生するという共通
の問題が未解決の問題として残っており、材質同等の丸
棒材のばねに比較すると、板ばねの疲労強度は隅角部の
ない丸棒材のばねの疲労強度に比し、第4図に一例を示
すように2割近く低下するのが普通である。
即ち、第4図は縦軸に耐久限度、横軸に硬さを示した図
であって、丸棒材のばねの回転曲げ耐久限度(図中黒丸
で示す)を、平鋼材のばねの平面曲げ耐久限度(図中白
丸で示j)と比較して示している。
本発明は板ばねの製造に慣用されている圧延平鋼からの
成形を踏襲でき、第2図および第3図に示す断面形状の
板ばねよりは成形が容易であり、軽量、低コストで高疲
労強度の板ばねを得ようとして種々研究の結果、曲げ引
張側の応力を曲げ圧縮側の応力より低くシ、さらに従来
の前掲板ばねにおいて疲労強度の低下を招いていた隅角
部の応力集中の問題を解決できる板ばねとして、板ばね
の長さ方向に垂直な面における断面形状を、曲げ引張側
の表面を円弧状に膨出させるとともに曲げ圧縮側の表面
を円弧状に凹陥させた形状のものが断面曲げ中立軸を圧
縮応力側に移動させ、曲げモーメント作用時の引張応力
を軽減することを探知し、さらに、かかる円弧断面の板
ばねの複数枚を重ね、長さ方向の適当な部位でこれらを
緊締して重ね板ばねを構成するにあたり、これら複数枚
の板ばねをその膨出する面が凹陥する面に対向するよう
に重ね合わされ、板ばねの対向面は、板ばねの長さ方向
に垂直な面内の断面において、円弧状に膨出する面の頂
部においては対向する凹陥させた面に接触せず、前記の
頂部より側方において接触するように空間を形成させ、
さらに、胴締部における緊締にあたって重ね合わされた
板ばねの少くとも一部のものに板巾方向の弾性変形をも
生ぜさせることにより、この重ね板ばねをその長さ方向
両端部において支持部材に支承させた状態で曲げ荷重を
加えられるようにされたとき、単位重量あたりの曲げ剛
性および疲労強度が極めて優れた重ね板ばねを得ること
ができたものである。
さらに本発明の重ね板ばねは、重ね板ばねを構成する各
板ばねとしての鋼板の幅をb1 方向中心線の半径をr。
とするときその厚さ とすることにより、平板に比し、高い剛性を得るととも
に単位重量あたりの疲労強度が最も優れた板ばねを得る
ことができ、また該板ばねの製造時における半径r。
の製造誤差による曲げ剛性のばらつきを少くシ、軽量化
を達成する優れた効果を有するものである。
また、上記断面における板厚をtとしたとき、とするこ
とにより、板ばねの成形性の向上、加工の確実性および
効率の向上を図り、かつ平均応力圧縮側の疲労強度の有
効利用を図るようにしたものである。
ここにt / bが0.2を超えると疲労強度の利用が
不充分となり、t/bが0.05以下であると熱間加工
の限界で成形が困難となる。
さらに、板ばねの前記円弧状に膨出する側の表面の曲率
半径を、ro1円弧状にへこむ側の曲率半径をri
とするとき、 とするときは、該板ばねを複数枚重ねて本発明の重ね板
ばねに供する場合、互に隣接する鋼材の膨出表面とへこ
み表面との間に板ばねの幅方向の中央部に所定の範囲内
の隙間を形成せしめ、胴締端部、子板板端位置等におけ
るフイレツテイングおよびコロージョンの発生を防止し
疲労強度に優れた効果を奏することができる。
このro/riの値が1.0以下になると膨出表面の中
央部が該表面と接する隣接の板ばねのへこみ表面と接触
することとなり、その値が1.2を超えると前記隙間が
あまりに過大となり、減衰効果が薄れる。
その上板ばねの膨出する側の表面の中央頂部をその幅方
向の両端を結ぶ線に平行な面で截頭して平面部を形成し
、板厚tに対する截頭量をhとしたとき、 とすることにより、截頭を施さない場合とほぼ同一の断
面係数で断面2次モーメントを低下せしめ、応力即ち疲
労強度を変えることなく曲げ剛性のみを低い方に調節で
き、さらに截頭部表面を研削あるいは切削することによ
り表面キズや脱炭層の除去ができて疲労強度が一層向上
するという実用的効果を奏する。
このように、本発明の重ね板ばねを構成する各板ばねは
従来の平鋼板ばねに比して単位重量あたりの曲げ剛性を
高くとり得るようにし、また従来の第2図、第3図に示
す断面形状の平鋼板と同様に曲げ引張側の応力(平均応
力、応力振幅)を曲げ圧縮側の応力より低くすることに
より、その静曲げ圧縮側の疲労強度の余裕を有効利用し
、さらに従来の平鋼板と異って疲労破壊の危険度が平均
曲げ荷重による引張応力側の円弧状に膨出する表面頂部
であるため、曲げ荷重時に従来の平鋼板の引張側隅角部
にみられた切欠効果が皆無となり、疲労に対してその材
質から期待できるだけの高い許容応力をとり得るように
したものである。
第5図は本発明の重ね板ばねに用いる板ばねの第1実施
例のものを長さ方向に垂直な面によって断面を示した図
であって、板ばねの上面1と下面2とはその半径が板厚
tの差を有する同心円に形成せしめたものである。
第6図は本発明の重ね板ばねを構成する板ばねの第2実
施例のものを長さ方向に垂直な面によって断面を示した
図であって板ばねの上面3と下面4とは等しい半径の円
弧に形成されたものである。
第7図は本発明の重ね板ばねを構成する板ばねの第3実
施例の板ばねを長さ方向に垂直な面によって断面を示し
た図であって、板ばねの上面5と下面6とは、同断面内
において板厚に著るしい差が生じないように任意の弧状
の線によって形成したものである。
第1実施例における板ばねの厚さ方向中心線の半径r。
は上面1の半径から板厚tの半分を減じた長さとして計
算され得る。
第2実施例の場合も計算で算出できるが、一般には第3
実施例に図示したように、板ばねの中央部における板厚
tの中心点P1板ばねの両端における板厚t′の中心点
Q,Hの3点を通る円を画き、その半径を厚さ方向中心
線の半径としてもよい。
rc/bの比の上限を2.0としたのは、該比が2.0
以下であれば従来の圧延平鋼板ばねに比してばね常数な
らびに重量比において優れているが、該比が2.0以上
になると、前記従来の板ばねとほぼ均等の効果しか見ら
れなくなるからであり、またrc/bの比の下限を0.
64としたのは、圧延平鋼を円弧状に成形する際該比が
0.64以下となると成形時の曲率半径の寸法誤差によ
る断面2次モーメントの変化が大きく所望の効果の板ば
ねを得る確率が低下するからである。
第8図は第2実施例の板ばねとして、板幅bが69.5
ミIJメートル、幅方向中心部の板厚tが6.48ミl
Jメートル、上下3,4の直径がそれぞれ91ミリメー
トルの板ばね7を用意し、その上面に曲げ圧縮応力が作
用するように一端を支承台8に固定して長さ600ミリ
メートルの片持梁とし、その先端に静荷重をかけて片持
曲げ試験を行ったところを示す。
図においてA点ないしE点は片持曲げ試験においてたわ
み量を計測した点であって、それぞれ支承端より、A点
は600ミリメートル、B点は580ミリメートル、C
点は475**ミリメートル、D点は350ミリメート
ル、E点は60ミリメートル距った点である。
上記の試験結果は第1表に示すとおりであって、別途梁
理論によって求め第9図に示すたわみ量の計算値(これ
を線Fで示す)とよく一致している。
また上記の試験において板ばねの長さ方向に垂直な面内
での一断面に沿って第10図に示すようにその表面に歪
ゲージを接着し、これらの位置における応力を測定した
結果を第11図上で曲げ中立軸からの距離に対して点G
でプロットしたが、この計測値も梁理論により求めた応
力分布の計算値(これを線Hで示す)とよく一致してい
る。
このような結果から、本発明の重ね板ばねを構成する要
素である板ばねは、第1図ないし第3図の断面形状を有
する従来の板ばねと同様の弾性梁として取扱い得ること
が明白となった。
次に本発明の重ね板ばねを構成する1枚の円弧断面板ば
ねのばね材としての有用性を検討する。
第12図は板厚7ミリメートル板幅70ミリメートルの
鋼板を断面円弧状に形成した板ぱねの断面の曲率半径を
変化させた場合の断面2次モーメントの変化をあらわし
た線図、第13図は同じ円弧断面板ばねの断面の曲率半
径を変化させた場合の最大圧縮応力と最大引張応力の比
の変化をあらわした線図であって、点Jは同一寸法の断
面の平板鋼板の値を、また点J′はこれら鋼板とほぼ等
しい断面積を有する第2図に示す圧縮応力作用面に溝を
形成した平板鋼板の値を夫々比較のためにあらわしてい
る。
第12図によると断面2次モーメントは平板ばねの約2
000および溝付断面鋼板の約2400に比して高く、
ばね定数が高いことをあらわしているが、第13図に示
すように最大圧縮応力と最大引張応力の比(σ。
/σ1)は平板断面鋼板の1.0はもちろん溝付断面鋼
板の約1.22に比しても高くとることができ、これは
曲げ圧縮側の最大応力σ が引張側の最大応力σ1より
も高くなるC ため、後述する第5表に示されているように、曲げ荷重
時における曲げ圧縮側の疲労強度の引張側に対する余裕
を十分に活用することができる。
さらに曲げによる最大引張応力の位置が円弧状に膨出す
る表面頂部であるため、平板断面溝付断面でみられた引
張側隅角部の切欠効果による疲労強度の低下が皆無であ
る。
従って本発明の重ね板ばねを構成する円弧断面はねは同
一巾、同一断面積の平板断面鋼板または溝付平板ばねに
比してばね定数は高いがσ。
/σtの値ならびに疲労強度も高いので、従来使用され
ている平板ばねの重ね板ばねに置換えて円弧断面の板ば
ねを使用する場合、同一幅、同一断面積の※※円弧断面
板ばねを使用すれば重ね板ばねを構成するリーフの数を
減らすことができる。
また第12図において曲率半径120ミリメートルの断
面2次モーメントは図から約3200(mm’)であっ
て、これとほぼ同一の断面2次モーメントを有する板幅
70ミリメートルの平板ばねの板厚は約10ミリメート
ルであるところから、ばね定数のほぼ等しい平板ばねに
円弧断面板ばねを置換えるときは、板厚をほぼ30%薄
くでき、しかも第13図からもわかるように応力比は同
一寸法の断面の平板ばねに比して約30%高いところか
ら、本発明によるときはほぼ同一のばね特性で平板ばね
およぴ溝付平板ばねに比してかなりの荷重あたりのばね
重量を減らした重ね板ばねを提供することができる。
次に本発明の重ね板ばねを構成する円弧断面板ばねと千
板ばねとを同一条件で製作し疲労試験を行って両者の平
均寿命を求めて比較した。
試験に供した板ばねの寸法および本数は第2表に示すと
おりで、すべて日本工業規格SUP6材を所要の寸法に
成形し、ばね協会型疲労試験機により平均引張側の応力
を平均応力65kg/ma,応力振幅55kg/miの
応力条件で部分片振の疲労試験を行った。
試験に供した鋼板はそれぞれ同一条件で焼入れ焼戻し後
表面にショットビーニング処理を施したもので、熱処理
後の硬さはBHD3.05である。
また試験に供した本発明の板ばねは第1実施例に示す断
面における上下面が同心円の形状を有するものである。
この疲労試験結果は第14図に示すとおりであって、繰
返し数で比較して本発明の重ね板はね用円弧断面板ばね
は従来の平板ばねに比して4倍ほど寿命が長いことがわ
かった。
なおこの疲労試験においては円弧断面板ばねは、円弧状
に膨出した面を引張応力側に位置せしめて繰返し変位を
加えたことは勿論である。
また第14図において白丸中に黒点を付した記号を結ぶ
線は本発明用の円弧断面板ばねの全数における破壊確率
を示すものである。
試料の表面脱炭層の硬さを考慮して公知の方法で評価し
た丸棒脱炭材と平板脱炭材の公知の繰返し曲げS−N線
図(第15図)上に本試験における50%破壊確率にお
ける破壊繰返し数をプロットすると、円弧断面板ばねの
全数の平均は白丸であらわすように実線であらわした丸
棒脱炭材の線上に位置し、一方平板ばねのそれ(黒丸で
あらわす)は平板脱炭材の線上によくのっていることが
わかる。
以上の結果から円弧断面板ばねは、引張応力側表面を円
弧状に膨出せしめ最大引張応力の作用位置を円弧状膨山
部の頂部付近に移動せしめたことによって、平板断面鋼
板や溝付断面鋼板において疲労き裂の起点となる引張応
力側の表面におけるコバ部の切欠き効果をなくしたこと
に起因して丸棒材なみの疲労強度が得られること、なら
びにばね用熱間圧延鋼材の熱処理後において黒皮脱炭層
強化のために平均応力引張側の表面に施されるピーニン
グ加工にあたって、平板ばねの場合は前記コバ部にショ
ットピーニングが施し難いのに対し、円弧断面板ばねの
場合は疲労破壊の危険部位が曲率半径の大なる円弧状膨
出面の頂部であるために、ショットピーニング加工にあ
たり該危険部位には直角に近い角度でショットが衝突し
、十分なピーニング効果を得られる利点があることが判
明した。
上述したように円弧断面板ばねは曲げ剛性および疲労強
度が従来の圧延平鋼の板ばねより優れていることは明ら
かであるが、単位重量あたりの曲げ剛性および疲労強度
を向上するには板ばねの断面形状を適切に定め、単位重
量あたりのばね特性を検討する必要がある。
特に円弧断面板ばねは圧延乎鋼板から成形し得る断面形
状であるが、板幅に比して板厚が厚いと製造時に発生す
る板ばねの表裏両面の円弧状面の曲率半径の寸法誤差に
より断面2次モーメントに大きな変化が生ずることは明
らかである。
そこで板幅で割って無次元表示した板厚(t/b)をパ
ラメータにとって、前記第1実施例および第2実施例の
板ばねの無次元表示した断面2次モーメン} ( I/
b’ )と板厚の中心を通る円弧の半径(ro)を板厚
bで割って無次元表示した曲率半径(rO/b)との線
図を画いてみると第16図のようになり、上記の観点に
よれば曲率半径(r c/b)は板厚(t/b)の小な
る場合は程度の範囲が望ましいことがわかる。
なお第16図において破線で示す線は第1実施例の板ば
ね、実線で示す線は第2実施例の板ばねの場合である。
次にトラックの車軸懸架に現に実用されている幅70ミ
リメートル、板厚8ミリの圧延乎鋼板ばね(ばね定数1
0kg/mm,応力常用時42ゆ7’ma)と対比する
ため、第3表に示す諸元の円弧断面鋼板による板ばねの
ばね定数と応力を試算し、併せて前記圧延平鋼板ばねと
の重量比を図で示すと、第17図および第18図のよう
になる。
即ち円弧断面鋼板による板はねは引張側応力を従来の平
板ばねと同等とする条件でははね定数は平板ばねより高
く、重量は従来の平板ばねより小であり、板厚(t/b
)が犬になるに従って平板はねに近づくことがわかる。
そして第17図、第18図から曲率半径(rO/b)が
2.0になると、ばね定数ならびに重量比において前記
公知の圧延平鋼板ばねとほぼ同等になるところから、円
弧断面板ばねにおける曲率半径(ro/b)は上限を2
.0とする必要があり、ro/hが2.0を超えた場合
には従来の板ばねに比して重量軽減の※※効果は求めら
れない。
?19図ないし第21図には、平均曲げを伴った繰返し
曲げを受ける3種の表面性状(第4表参照)の焼入れ焼
もどしをした構造用鋼丸棒材について、組織、硬さ、残
留応力に基いて公知の方法により評価した耐久限度線図
を示す。
第19図は丸棒平滑材、第20図は黒皮脱炭丸棒材、第
21図はショットピーニングを施した黒皮脱炭丸棒材に
ついて示したものである。
これらの図において疲労耐久限度線、および曲げ変形限
度線で囲まれた範囲が実用し得る応力範囲となる。
図示のように平均応力圧縮側では引張側より疲労強度は
余裕がある。
懸案ばね等は、一般に、部分片振状態で使用される。
そこで耐久限度線図上に応力振幅σ8と平均応力σの比
(応力比)σa/σ=±1,±0.5,±0.25(正
は平均曲げによる引張応力側表面、負は圧縮応力側表面
に対応する)の応力状況を示す線を記入した。
これらの線と2種類の破損限界線(耐久限度線、曲げ変
形限度線)とのうち、破損限界として応力レベルの低い
方の応力を応力振幅値で読みとり、第5表に示す。
これらの応力値をもとに、引張応力側表面の破損応力σ
′1に対する圧縮応力側表面の破損応力σ′の比σ’c
//tを求めて第5表にC 併記すると そこで円弧断面鋼板板ばねについて板厚(t/b)をパ
ラメータとして、曲率半径(ro/b)と応力比(σ。
/σt)の線図を示すと、第1実施例の板ばねについて
は第22図に、第2実施例の板ばねについては第23図
に示すとおりの線図が得られる。
第22図における線KLおよび第23図における線PQ
は、曲率半径による断面2次モーメントの変化の関係か
ら定めた限界線を、第22図の線LMおよび第23図の
線QRは耐久限度線図から求めた望ましいσC/σ1を
示す限界線を、第22図の線MNおよび第23図の線R
Sは重量軽減度の計算結果から定めた限界線を、第22
図の線KNおよび第23図の線PSは板ばねの圧縮限界
から定めた板厚比(t/b)の限界線をそれぞれ示し、
本発明の好ましい実施態様はそれぞれ点KLMNおよひ
点PQRSで囲まれる範囲内にある。
すなわち板厚tは0.05b〜0.2bである。なお板
ばねの圧延限界から定めた板厚比の限界( t/b=
0.0 5 )とは、現在実用化されている板幅70ミ
リメートルの圧延平鋼板の圧延限界は厚さ3.5ミリメ
ートルまでといわれているところから、板厚比(t/b
)の限界を3.577 0 = 0.0 5とした。
第24図には本発明の重ね板ばねを構成する板ばねの他
の実施例における円弧断面板ばねを長さ方向に垂直な面
に沿った断面で示すもので、本実施例は圧縮応力側の板
ばねの表面12を引張応力側に膨出した表面11の円弧
と同心円の円弧に形成した板ばねの引張応力側表面11
の頂部を、その幅方向の両端を結ぶ線に平行な面で削除
して截頭した平面部13に形成したものである。
第25図は板幅b−70mm、板厚t=3.5mm、板
厚の中心を通る円弧の半径r。
−90mmの板はねにおいて引張応力側表面11の中心
において半径方向にhmm截頭した例、第26図は板幅
b=70mm、板厚t=7mm,板厚の中心を通る円弧
の半径r。
=90關の板ばねにおいて引張応力側表面11の中心に
おいて半径方向にham削り取り截頭した例における、
截頭深さhを横軸にとり、縦軸には截頭深さ0即ち両面
11 ,12が同心円の円弧である原板ばねの測定値を
1として応力比σ。
/σ1、断面係数Z[よび断面2次モーメント■の比を
表示した線図である。
第18図および第19図より本実施例の板ばねは断面係
数Zをあまり変えることなく断面2次モーメントを截頭
を施さないものの80%前後まで下げることが可能であ
ることがわかる。
以上の説明において円弧断面板ばねは弾性梁として取扱
うことができ、また平均曲げ圧縮側の疲労強度の引張側
に対する余裕を有効に利用し、さらに最大引張応力の作
用位置が円弧状膨出部の頂部付近に移ることにより、丸
棒材なみの疲労強度が得られ、単位重量あたりのばね特
性の優れたところから、板ばねとして優れているもので
あることを説明した。
本発明においては、かかる円弧断面板ばねの複数を重ね
あわせ、これを緊締して重ね板ばねとするもので、円弧
状に膨出する表面と円弧状に凹陥させた表面とを重ねて
数枚の円弧断面板ばねを束ね、これを1個の弾性梁とし
て使用するものである。
そして、膨出表面の曲率半径をへこみ表面の曲率半径よ
り犬とし、あるいは第24図に示した截頭を施した円弧
断面鋼板を使用することによって、重ね合わせ面の幅方
向両側端部のみで相互に接触させ、幅方向中央部を無接
触の状態に束ねるものとする。
このようにすれば胴締端子板板端位置等における互に隣
接接触する円弧断面鋼板の重ね合わせ面のフイレツテイ
ングおよひコロージョンの発生を防止することができる
以上に述べた板ばねを親板板端に目玉部のない単純な形
の重ね板ばねとして貨物車に適用した本発明の一実施例
を第27図ないし第30図に示す。
図において符号14ないし19は、第24図に示す実施
例の断面を有する截頭平面部26を形成した板ばねであ
って、板ばね14.15の両端部には車輛の支持装置2
0に当接する支持部のみを平坦に形成せしめ、支持装置
20との間の摺動面積を付与してある。
板ばね16ないし19の両端には両側縁を斜めに剪断し
たかい先部21が形成されており、その長さ方向中央部
において下面に板ばね19の凹陥面に適合する膨出面を
形成した子板22を当接しセンタボルト23により全体
を緊締され、Uボルト24により胴締めされるとともに
、車軸29に結合されている。
符号25はまきつけ形のクリップであって板ばね16の
板端部付近にその中央をカシメ付けしその両端付近にお
いて板ばね14ないし16を締付けている。
本実施例の重ね板ばねは第29図および第30図から明
らかなように、各板ばねの対向面間には、各板ばねの截
頭平面部26と対向する凹陥面との間に空間21が形成
され、その両側は膨出面と凹陥面とが接触している。
膨出面の曲率半径が凹陥面の凹率半径より小なるときは
センタボルト23およびUボルト24を強く緊締して両
面を接触せしめる。
この場合においても疲労破壊の危険部位である膨出面頂
部は無接触に保たれて胴締め端、子板板端位置等におけ
るフイレツテイングおよひコロージョンの発生による疲
労強度の低下を防止することができる。
本発明の重ね板ばねを自動車の車軸の懸架装置の重ね板
ばねとした一実施例を第31図および第32図に示す。
図において重ね板ばねは車軸42を取付けるべき面を円
弧状に膨出せしめた板はねとし、その親板には両端に目
玉34を形成せしめて車台30に突設した承部31には
軸32により、また他方の承部35に軸架したシャツク
ル36の端部には軸37によりそれぞれ目玉34によっ
て懸架せしめられるように構成される。
重ね板ばねを構成する各リーフの板ばね33は第5図に
示した板ばねの円弧状に膨出する面39と円弧状に凹陥
する面40とがその曲率半径を同心円に形成したもので
あって、これを重ね合わせるときは、膨出面39の曲率
半径が凹陥面40の曲率半径より犬であるため、板ばね
の長さ方向に垂直な面内の断面においては、板ばねの相
対向する面間では両側端においてのみ接触し、両面間に
閉じた空間41が形成される。
そこで車軸42の下部に重ね板ばねの親ばねの膨出面に
適合する凹形に形成せしめたばね取付座46を溶接し、
重ね板はね33の下面には当て板44を当接せしめ、U
ボルト43の中央部屈曲部を車軸42に嵌め、自由端部
を当て板44に穿設した通孔を貫通せしめて該自由端部
にナット45を螺装せしめることにより、重ね板ばね3
3を構成する各板ばねを車軸42のばね取付座46、当
て板44と共に緊締するときは、重ね板ばね33を構成
する各板ばね間に存在する前記空間41が縮小されるよ
うに各板ばねは弾性変形し、十分な胴締め効果が得られ
る。
またUボルトによる胴締端、子板の板端位置等の荷重集
中部においても第33図に示すととく膨出面の頂部付近
において対向する凹陥面との間に空間41を形成し、膨
出部の頂部付近でフイレツテイングおよびコロージョン
を生ずることはない。
このように構成された重ね板ばね33は、自動車の重量
および走行に伴う、衝撃により曲げ荷重を受け、その曲
げ荷重は図における重ね板ばね33,の上面、即ち円弧
状に膨出された面39に引張応力が作用し、他面即ち円
弧状に凹陥された面40に圧縮応力が作用する。
そして重ね板ばねを構成する各板ばねは、同一断面寸法
およひ同一長さの平板ばねに比してばね定数は高いが、
静曲げ圧縮側と引張側の最大応力の比σ。
/σ1が1より大きく圧縮側に余裕があるので、平板ば
ねに比して板厚の薄い円弧断面板ばねを使用でき、かっ
ぱね定数を低下させることができるので、従来の平板ば
ねで構成した重ね板ばねとほぼ同一の特性を持つ重ね板
ばねを、軽量に構成することができ、耐久性の優れたも
のを提供することができる。
また上記のように親板の凹陥面と子板の膨出面とを接触
せしめるのでクリップを用いなくとも各板ばねがその長
さに直交する方向への位置ずれを生ずることなく、また
、初期弾性変形を与えて胴締めすることにより胴締め荷
重の低下やゆるみを抑制し、かつ子板板端接触部付近の
板間接触が円弧の頂部付近で起らないことにより、この
部のフイレツテイングおよびコロージョンの発生による
疲労強度の低下を防止することができる優れた作用効果
を奏するものである。
なお本発明の重ね板ばねを構成する板ばねをその長さ方
向に垂直な面内における、断面を弧状にしたことにより
、前記第31図に示した目玉34の形成にあたり、目玉
34を形成すべき両端部を平板状断面として筒状に形成
させ、第34図に示すように従来の平板ばねによる目玉
と同様の筒状目玉51とするほか、円弧断面を生かして
第35図aに示すような鼓状目玉52あるいは第35図
bに示すような樽伏目玉53に形成することもできる。
特に第35図a,bに示す目玉52.53の場合は、板
ばねの全長にわたって同一断面に形成されるため、板ば
ねの前後方向に作用する荷重により目玉形成部に生ずる
モーメントに対しては、従来の平板ばねにおける目玉形
成部と比較して疲労強度および曲げ剛性を著るしく向上
させることができる。
なおこれらの目玉巻きは、所謂上巻き目玉と下巻き目玉
について図示したが、ベルリン型等の場合も同様に可能
である。
ところで、長さ方向に垂直な面内の断面において引張応
力側表面を円弧状に膨出させ、圧縮応力側表面を円弧状
に凹陥させた板ばねを重ねた本発明重ね板ばねにおいて
、さらに1つの特長ある効果は、かい先部(第28図符
号21参照)の形成が極めて容易なことである。
即ち重ね板ばねでは、構成要素の各板ばねの隣り合った
板はね間の荷重の伝達を滑らかにするとともに、板端部
の応力分布を合理化し、重量軽減を計るため、板端部の
板幅を次第に減少させてかい先部を形成している。
平板ばねによる重ね板ばねの場合に、板ばね間の荷重の
伝達を滑らかにして応力分布を合理化するには、板端部
の板幅の減少だけでは不充分で、般に板端部を熱間圧延
でテーパ加工し、先端部の板厚の減少による効果を利用
するのが普通となっている。
これに対し本発明の重ね板ばねにおいては、構成要素の
各板ばねの断面形状を利用することによって、かい先部
の形成にあたり、板端部を剪断加工によって斜めに切り
落すだけでも平板ばねの板端部を熱間圧延によってテー
パ加工した場合とほ※※ぼ同様の効果が得られる。
第36図には同一の板幅、板厚の板ばねの板端部に同一
長さのかい先部を形成し、かい先部先端の幅を変えた場
合の板端形状係数Kiの変化を図示している。
板端形状係数は重ね板ばねを構成するばね板板端部のた
わみ易さをあらわす数値であって、元の断面形状のばね
板のたわみに基いて、かい先を構成したことによるたわ
みの増加量を無次元化してあらわす。
板端形状係数Ki=0はかい先のない場合、Ki=1は
かい先のない場合のたわみに対して2倍のたわみを生ず
ることを示す。
板幅70ミリメートル、板厚7ミリメートル、板厚の中
心点を通る円弧の曲率半径が85ミリメートルである板
ばねを用い、その板端部の100ミリメートルの両端縁
を均等に斜めに截断してかい先部を形成した。
図の横軸は形成されたかい先先端の幅を板厚中心の弦の
長さであらわしており、そのかい先先端の弦の長さ(W
O)を、その長さ(WO)と板ばねの板幅(WN)との
比と対応させると第6表のとおりとなる。
第6表および第36図から明らかなように、かい先先端
の幅を細くすれば板端形状係数Kiは大きくなり、また
かい先先端の幅を犬とすれば板端形状係数Kiは小さく
なることが知られる。
次に第37図には、板幅69.5ミIJメートル、板厚
6.2ミリメートル、板厚の中心を通る円弧の曲率半径
を81.5ミIJメートルとした板ばねを形成し、その
板端部の両側縁を夫々10度の角度で剪断してかい先部
を形成した場合の、かい先部の長さの変化に対する板端
形状係数Kiの変化を実線で、またかい先部先端の幅(
板厚の中心の弦の長さ)の変化を実線で示した図である
第37図から明らかなようにかい先角度を同一とした場
合には、かい先部の長さが長いはど板端形状係数Kiは
犬となる。
また比較の目的で板巾70ミリメートル、板厚7ミリメ
ートル、板厚中心の円弧の曲率半径90ミリメートルと
した円弧断面圧延鋼材の板ばねにかい先角10度のかい
先部を形成させ、その板端形状係数と、板巾70ミリメ
ートル、板厚7ミリメートルの平板ばねのかい先部にテ
ーパ加工を施した板端形状係数とを対比した。
その寸法および板端形状寸法は第7表のとおりである。
以上から重ね板ばねの構成要素として円弧断面圧延鋼材
の板ばねを適用すれば、かい先部の板端形状係数はその
先端部を斜めに直線的に剪断加工により切り落すのみで
、平板ばねにおけるテーパ加工と同様の効果を得ること
ができる。
以下本発明の重ね板ばねを小型トラックフロント用懸架
ばねとして実施した製作例を示す。
第8表に示す設計条件に基き、本発明ばねIおよび本発
明ばね■を第9表に示す構成で製作した。
※ なお本発明はね1はすべて板巾bが70扉へ厚tが
7mw,曲率半径r。
が90mmの円弧断面板ばねを用い、本発明ばね■はリ
ーフ/l61および2の親ばねおよび全長板を板巾bが
70mm,板厚tが7朋、曲率半径r。
が90mmの円弧断面板ばね、リーフ./fL3〜6は
板巾bが70mw1板厚tが6.5n1曲率半径r。
が90mmの円弧断面板ばねを用いた。
公知例の板ばねは板巾bが70mm,板厚t; が8m
mの平板ばねで構成した。
上記重ね板ばねはセンタボルトを中心に75m間に胴締
めを施し耐久試験を行った。
耐久試験は、両目玉部をローラ支持し、中央部で負荷す
る三点曲げによる繰返し曲げ試験で、この方法は重ね板
ばね単体の耐久性を調べる基本的な試験方法である。
荷重条件は、最低荷重を100kp、最大荷重はばねの
使用条件を考慮して、常用荷重6 8 5kgから65
miE変位を与えた時の荷重(685+ばね定数X65
mm)k9とした。
第10表に公知の平鋼板による重ね板ばねと本発明ばね
I,Iの円弧状鋼板による重ね板ばねについて、ばね定
数、常用荷重6 8 5kg時の応力、重量、耐久試験
における荷重条件と破断繰返し数を示す。
円弧断面板ばねによる重ね板ばねを平鋼板による重ね板
ばねと比較すると、耐久性は両者ほぼ同等で、重量は8
0%弱と軽量になり、さらに、円弧断面板ばねによる重
ね板はねでは、平鋼板による重ね板ばねより、応力(凸
側表面の頂点)を20%前後高く取ることが出来るなど
、優れた効果があることが分かる。
なお、本発明ばねI,Iはともに、ばね定数が若干公知
例ばねより高くなっている。
ばね定数は、第9表に示したばね板構成のうち、板厚、
リーフ長さ、かい先形状等を調整しても、平鋼板による
**重ね板ばねのばね定数に合わせることも出来るが、
截頭した円弧断面板ばね(第24図)を用いることによ
り、ばね定数を調整することも可能である。
そこで、次に、前述の円弧断面板ばねによる重ね板ばね
のうち、本発明ばねIにつき、ばね板を円弧状鋼板(b
Xt:rc=70×7=90)から截頭型円弧断面板ば
ね(bXt:ro−70×7:90、截頭量h===:
1.0)におきかえた重ね板ばねを設計、製作し各種実
験を行なった。
その結果、円弧断面板ばねによる重ね板ばねに対して、
截頭型円弧断面板ばねによる重ね板ばねは、ばね定数が
k = 1 0.5kg/imと本発明ばねIの90%
に低下し、平鋼板による重ね板ばねのばね定数と合わせ
ることが出来た。
また、応力、重量は若干低下(2%程度)シ、耐久寿命
は同等以上であった。
以上詳細に説明したように、本発明の重ね板ばねは、構
成要素である各板ばねを、長さ方向に垂直な面内におけ
る断面は曲げ荷重時に引張応力を受ける側の表面を円弧
状に膨出させるとともに、圧縮応力を受ける側の表面を
円弧状に凹陥させた断面形状としたことによって、各板
ばねそれ自体が従来の平板ばねに比して単位゛重量あた
りの曲げ剛性を高くとることができ、曲げ引張側の応力
(平均応力、応力振幅)を圧縮側の応力より低くするこ
とにより、曲げ圧縮側の疲労強度の余裕を有効利用する
ことができるものであるから、従来の千板ばねによる重
ね板ばねと同一特性の重ね板ばねを構成せしめるときは
軽量で疲労強度に余裕のある耐久性の優れたものが得ら
れ、かつその膨出する面が隣り合う板ばねの凹陥する面
と対向するように重ねられるのでその長さ方向によく整
夕1ルてずれを生ずる心配はなく、さらに板ばねの相対
向する面間には、その長さ方向の少くともほぼ中央部に
おいては膨出する面の頂部が対向する凹陥する面と接触
せず、その側方において接触するように空間を形成した
ことにより疲労破壊の危険部位である引張応力側表面の
膨出する面の頂部が無接触を維持し、フレツテイングな
どによる疲労強度の低下を生ずるおそれをなくすことが
できる。
その上かい先部を形成して隣り合った板ばね間の荷重の
伝達を円滑にし板端部の応力分布を合理化せしめる場合
にも、該かい先部の形成は板ばねの両側縁を所定角度に
斜めに剪断加工するのみでなし得られ、従来の平板ばね
においてかい先部を形成する際のように板厚方向にテー
パ加工を施す必要もなく、重ね板ばねを構成する各板ば
ねの成形加工も、従来の平板ばねの圧延工程とほぼ同一
であって、その最終工程の代りにカリバーによる一段成
形工程を入れることにより、所望の寸法および形状に圧
延成形をすることが可能であるので、成形加工も容易で
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図ないし第3図は従来使用されている板ばねの断面
図、第4図は種々のばね鋼材の回転曲げ耐久限度と平板
試験片による両振平面曲げ耐久限度を硬さとした線図、
第5図ないし第7図は本発明の重ね板ばねを構成する各
板ばねのそれぞれ第1実施例、第2実施例、第3実施例
の断面図、第8図は片持ち曲げ試験の計測点を示す図、
第9図は本発明重ね板ばねを構成する板ばねの片持ち曲
げのたわみ量を示す線図、第10図は本発明重ね板ばね
を構成する板ばねの2分の1断面上におけるゲージ取付
点を示す図、第11図は該断面上における応力分布を示
す図、第12図は本発明重ね板ばねの曲率半径に対する
断面2次モーメントを示す図、第13図は同じく曲率半
径に対する最大圧縮応力と最大引張応力の比を示す図、
第14図は疲労試験結果を示す図、第15図はS −N
線図、第16図は板厚をパラメータとした曲率半径に対
する断面2次モーメントの変化を示す線図、第17図は
曲率半径に対するばね定数および応力の変化を示す図、
第18図は曲率半径に対する重量比の変化を示す図、第
19図ないし第21図は各種板ばねの繰返し曲げ耐久限
度を示す線図、第22図および第23図は前記の第1お
よび第2実施例の板ばねにおける板厚をパラメータとす
る曲率半径に対する応力比の変化を示す線図、第24図
は本発明の重ね板ばねを構成する板ばねの他の実施例の
断面図、第25図および第26図はその実施例における
截頭深さが断面2次モーメント、断面係数および応力比
に及ぼす影響を示す線図、第2T図は本発明重ね板ばね
の一実施例の側面図、第28図はその下面図、第29図
は第27図■一■線に沿う断面図、第30図は第27図
■−IX線に沿う断面図、第31図は本発明の他の一実
施例の側面図、第32図は第31図X−X線に沿う断面
図、第33図ないし第35図は板ばねの目玉部の斜面図
、第36図はかい先先端の弦長に対する板端形状係数の
変化を示す線図、第37図はかい先部の長さに対する板
端形状係数の変化を示す線図をそれぞれ示すものである
。 なお図中符号1,3,5.11は本発明円弧断面鋼板の
断面における引張応力側表面、2,4,6,12はその
圧縮応力側表面、13は截頭平面部、14ないし19は
板ばね、23はセンタボルト、24はUボルト、27は
空間、33は板ばね、34は目玉、42は車輛、43は
Uボルト、51ないし53は目玉を夫々示すものである

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 長さが幅よりも犬なる複数のばね鋼板を重ねて構成
    され、それぞれが長さ方向にほぼ垂直でその厚さ方向に
    曲げ変形を受けるようにされた重ね板ばねにおいて、 前記各鋼板の長さ方向に垂直な面内における断面は、曲
    げ荷重時に引張応力を受ける側の表面を円弧状に膨出さ
    せるとともに、圧縮応力を受ける側の表面を円弧状に凹
    陥させた断面形状とし、前記各鋼板は、その膨出する面
    が凹陥する面に対向するように重ね合わされ、 前記重ね合わされた部分における各鋼板の前記円弧状膨
    出面の表面の曲率および前記円弧状凹陥面の表面の曲率
    をそれぞれ各鋼板の長さ方向にわたってほぼ同一とし、 かつ前記鋼板の対向面は、各鋼板の長さ方向に垂直な面
    内において少くとも前記膨出面の頂部においては対向す
    る凹陥面に接触せず、該頂部より側方において接触する
    ように空間を形成させたことを特徴とする重ね板ばね。 2 前記鋼板をその長さ方向の適所において、少くとも
    その一部の鋼板に板幅方向の弾性変形をも生ずるように
    緊締したことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載
    の重ね板ばね。 3 前記各鋼板は、その長さ方向に垂直な面内の断面に
    おける板幅の長さをb1その板厚の中心を通る線の半径
    をrcとしたとき としたことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の
    重ね板ばね。 4 前記各鋼板は、その長さ方向に垂直な面内の断面に
    おける板厚をtとしたとき としたことを特徴とする特許請求の範囲第3項に記載の
    重ね板ばね。 5 前記各鋼板は、その長さ方向に垂直な面内の断面に
    おける前記膨出する面の表面の曲率半径をr 前記凹
    陥する面の表面の曲率半径をri とO) したとき、 としたことを特徴とする特許請求の範囲第3項または第
    4項に記載の重ね板はね。 6 前記鋼板の少くとも1つは、その長さ方向に垂直な
    面内の断面において、曲げ荷重時に引張応力を受ける円
    弧状に膨出する側の表面の頂部を、その幅方向の両端を
    結ぶ線に平行な面で截頭して平面部を構成し、かつ前記
    断面における原板厚を11該板厚に対する截頭量をhと
    したときとしたことを特徴とする特許請求の範囲第1項
    ないし第5項のいずれかに記載の重ね板ばね。
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