板バネ
リーフスプリングは、車輪付きの車両のサスペンションによく使用される単純な形式のスプリングです。元々はラミネートスプリングまたはキャリッジ スプリングと呼ばれ、半楕円形スプリング、楕円形スプリング、カート スプリングと呼ばれることもあり、車両サスペンションの最も古い形式の 1 つです。リーフ スプリングは、路面の凹凸に応じて垂直方向にたわむことができるように、車軸とシャーシに取り付けられた 1 枚または複数枚の狭い弧状の薄いプレートです。横方向のリーフ スプリングは、最も一般的に使用される配置で、車両の長手方向に沿って配置され、車軸に対して垂直に取り付けられますが、横方向のリーフ スプリングの例も数多く存在します。
リーフスプリングは、サスペンションの複数の機能、すなわち、位置決め、バネ性、そしてある程度はリーフ間の摩擦によるダンピングも担うことができます。しかし、この摩擦は十分に制御されておらず、スティクション（固着）やサスペンションの不規則な動きを引き起こします。このため、一部のメーカーはモノリーフスプリングを採用しています。
操作と基本設計
リーフ スプリングは、長方形の断面を持つ細い弧状のバネ鋼の形状をしています。最も一般的な構成では、弧の中心に車軸の位置が配置され、両端に形成されたループが車両のシャーシへの取り付けに使用されます。非常に重量のある車両の場合、リーフ スプリングは複数のリーフを何層にも重ねて作られる場合があり、リーフは徐々に短くなっていきます。最長のリーフはメイン リーフ、マスター リーフ、または No. 1 リーフとも呼ばれ、リーフは長さの降順で番号が付けられます。[ 1 ]：1～3 リーフ スプリングの端にあるアイがマスター リーフに形成されます。[ 2 ]：6 一般に、メイン リーフを除き、その他のリーフは両端が先細になっています。[ 2 ] : 8 補助リーフやリバウンドリーフがメインスプリングパックの一部になっている場合があり、その場合はメインリーフに最も近い補助リーフがNo.1、次に近いものがNo.2、というように番号が付けられます。 [ 1 ] : 3 リーフは、リーフスプリングの長さの中央またはその付近にあるセンターボルトを介して互いに取り付けられています。[ 2 ] : 8 リーフが横方向に揃った状態を保つために、リーフ間にノッチや溝を入れたり、外部クリップを使用するなど、いくつかの方法が採用されています。[ 2 ] : 9–12
ばね鋼は、炭素含有量が約1%のときに最も効率が高くなることが発見されました。[ 2 ] : 13–15 個々 の板厚は、スタッブスゲージまたはバーミンガムゲージで規定され、典型的な厚さは0.203～0.375インチ（5.2～9.5mm）（6～3/8または00ゲージ）です。[ 2 ] : 16 材料と寸法は、各板が断面全体にわたって完全にマルテンサイト組織になるように硬化できるように選択する必要があります。適切なばね鋼合金には、55Si7、60Si7、65Si7、50Cr4V2、および60Cr4V2があります。[ 1 ] : 6
特徴
リーフスプリングの両端は通常、丸いアイレットまたはアイレットに形成され、それを通してファスナーがスプリングの両端を車両のフレームまたはボディに接続します。一部のスプリングは、スプーンエンドと呼ばれる凹状の端部（現在ではほとんど使用されません）に、代わりに旋回部材を取り付けています。片方のアイレットは通常固定されていますが、スプリングの動きに合わせて回転します。もう一方のアイレットはヒンジ機構に固定されており、ヒンジ機構によって回転し、限られた動きしか行えません。リーフスプリングは、両方のアイレットでフレームに直接取り付けることも、片方の端（通常は前端）に直接取り付け、もう一方の端をシャックル（短いスイングアーム）を介して取り付けることもできます。シャックルは、リーフスプリングが圧縮時に伸長する傾向を吸収し、サスペンションを柔らかくします。シャックルはリーフスプリングにある程度の柔軟性を与え、重い荷重がかかっても破損しないようにします。車軸は通常、Uボルトでスプリングの中央に固定されます。[ 3 ]
板ばねは車軸を所定の位置に保持するリンケージとして機能するため、別途リンケージは不要です。その結果、シンプルで強固なサスペンションが実現します。板ばね間の摩擦によってばねの動きが減衰され、リバウンドが低減されます。これは、ショックアブソーバーが広く普及するまでは、らせんばねに比べて非常に大きな利点でした。[ 4 ]しかし、板ばねは車軸を所定の位置に保持する役割も担っているため、柔らかいばね、つまりばね定数の低いばねは適していません。結果として生じる剛性に加え、板ばね間の摩擦も加わるため、このタイプのサスペンションはライダーにとって快適とは言えません。
種類
リーフスプリングには様々な種類があり、通常は「楕円形」という用語が用いられます。1804年にイギリスの発明家オバディア・エリオットによって特許取得された「楕円形」または「完全楕円形」リーフスプリングは、先端で連結された2つの円弧を指します。この円弧は上部の円弧の上部中央でフレームに結合され、下部の中央はソリッドフロントアクスルなどの「ライブ」サスペンション部品に結合されます。この設計では通常、トレーリングアームなどの追加のサスペンション部品が必要になりますが、ホッチキスドライブで使用される「半楕円形」リーフスプリングでは必要ありません。ホッチキスドライブは下部の円弧を使用していたため、この名前が付けられました。
「1/4楕円形」のスプリングは、 1920年代のオースティン・セブンのように、板バネの最も厚い部分を短いラダーフレームのサイドピースの後端に差し込み、自由端をデファレンシャルに取り付ける構造のものが多かった。楕円形ではない板バネの例として、フォード・モデルTは、デファレンシャル上にヨーク状に湾曲した複数の板バネを備えていた。ダンパー（ショックアブソーバー）の代替として、木材などの非金属板を金属板の間に挟むメーカーもあった。
エリオットの発明は馬車の設計と構造に革命をもたらし、重い止まり木の必要性をなくし、荒れた道路での輸送をより速く、より簡単に、そしてより安価にしました。[ 5 ]
- 板ばねの例
楕円形- 半楕円形
- 3/4楕円形
- 四分の一楕円形
- 横方向
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より現代的な実装は、放物線状の板ばねです。この設計は、中心から端に向かって厚さが放物線状に変化する板ばねの枚数が少ないのが特徴です。この設計の目的は、板間の摩擦を減らすことです。そのため、板間の接触は、車軸が接続される中央と端のみになります。スペーサーによって、その他の箇所での接触が防止されます。軽量化に加えて、パラボリックばねの主な利点は柔軟性の高さです。これは、コイルばねに匹敵する乗り心地の向上につながりますが、その代償として、耐荷重性は低くなります。パラボリックばねは、バスの快適性向上のために広く使用されています。
英国のGKN社とシボレー（コルベットなど）による更なる開発として、複合樹脂製リーフスプリングへの移行が挙げられます。しかしながら、リーフ間の摩擦やその他の内部減衰効果がないため、このタイプのスプリングにはより強力なダンパー／ショックアブソーバーが必要になります。
一般的に自動車のサスペンションに使用されるリーフは、車軸を支持すると同時に、車軸を位置決め（または部分的に位置決め）します。スプリングの柔軟性により、車軸のバネ下質量を正確に制御することが困難になり、ハンドリングの問題（「アクスルトランプ」など）につながる可能性があります。一部のサスペンション設計では、ワッツリンク（またはパナールロッド）とラジアスアームを用いて車軸を位置決めしており、この欠点は発生しません。このような設計では、より柔らかいスプリングを使用できるため、乗り心地が向上します。例としては、オースティン・ヒーレー3000やフィアット128の各種リアサスペンションが挙げられます。
歴史
最も古い板ばねは、17世紀半ばにフランスの馬車に2つの部分からなるエルボスプリング（リスボンの図解例）の形で登場し始め、その後イギリスとドイツに渡り[ 6 ] 、 1750年頃にはこれらの国の富裕層の馬車に登場しました。[ 2 ]：1 リチャード・ラヴェル・エッジワース博士は、 1768年にスプリング馬車の優位性を実証した功績により、英国芸術製造者協会から3つの金メダルを授与されました。1796年までに、ウィリアム・フェルトンの馬車に関する論文は、板ばねが18世紀後半の馬車業界で定期的に販売されていたことを示しています。[ 7 ]：87–97 [ 2 ]：1
オバディア・エリオットは1804年に楕円形の板ばねに関する特許を取得し、現代の板ばねを発明したとされています。この特許により、彼は大きな評価と収益を得ました。技術者たちは板ばねの研究を始め、改良された設計と製造工程の開発に着手しました。板ばねの力学とたわみは、クラーク（1855年）、フランツ・ルーロー（1861年）、[ 8 ]、GRヘンダーソン（1894年）によって開発されました。[ 2 ] : 1 [ 9 ] [ 10 ] 19世紀後半には、改良された鋼圧延工程、加工機器、ばね鋼合金も開発され、板ばねの製造はより安定し、コストも削減されました。[ 2 ] : 2
1970 年代まで、自動車ではリーフ スプリングが一般的でしたが、その年に自動車メーカーは主に前輪駆動に移行し、代わりにコイル スプリングを使用するより洗練されたサスペンション設計が開発されました。今日でもリーフ スプリングはバンやトラック、SUV、鉄道車両などの大型商用車で使用されています。大型車両の場合、リーフ スプリングには車両のシャーシ上で負荷をより広く分散させるという利点があり、コイル スプリングは負荷を 1 点にまとめます。コイル スプリングとは異なり、リーフ スプリングは後車軸も位置決めするため、トレーリング アームやパナール ロッドが不要になり、単純なライブ アクスルリア サスペンションのコストと重量を節約できます。ヘリカル スプリングに対するリーフ スプリングのさらなる利点は、リーフ スプリングの端を一定の経路に沿って誘導できることです。1990 年代後半から 2000 年代前半の多くのトラックでは、リーフ スプリングがヒンクル ビーム ボール ジョイントに接続されています。
- 独立懸架に使用される板ばね
- リーフスプリング式フロント独立懸架。前輪駆動のアルヴィス、1928年製
- 横置きリーフスプリングによる独立懸架式フロントサスペンション。ハンバー、1935年
- 半楕円スプリングによる独立懸架式フロントサスペンション。メルセデス・ベンツ 230 W153、1938年式
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リーフスプリングは現代の自動車にも応用されています。例えば、1963年式シボレー・コルベット・スティングレイは、独立懸架式リアサスペンションに横置きリーフスプリングを採用しています。同様に、2016年式ボルボXC90のリアサスペンションには、複合材料を使用した横置きリーフスプリングが採用されています。これは、 1983年式コルベットのフロントサスペンションと同様のコンセプトです。この構造では、直線状のリーフスプリングを中央でシャーシにしっかりと固定し、スプリングの両端をホイールサスペンションにボルトで固定することで、各ホイールで独立してスプリングが作動します。このサスペンションは、従来の構造よりも小型で、フラットで、軽量です。
製造工程
多板バネは次のように作られます。
- 予熱処理工程：
- 聴覚
- テーパーローリング
- トリミング
- 端面切断とプレス
- 2回目のワープ
- スカーフと目を回す
- 挟む
- C'SKGパンチング
- センター穴あけ加工。
- 熱処理プロセス：
- 硬化のための加熱
- キャンバー
- 焼入れ
- 焼き戻し。
- 熱処理後処理プロセス：
- 整流
- サイドベンド除去
- ブッシング
- リーマ加工
- クランプリベット。
- 組み立てと表面仕上げ:
- ショットピーニング
- 絵画
- 組み立て
- 引っ掻く
- マーキングと梱包。
熱処理
- 焼入れのための加熱：硬質引抜加工または圧延加工により比較的高い強度が得られ、成形に十分な延性を維持できる金属または合金であれば、ばねに使用できます。また、成形前または成形後に熱処理を施すことで高強度かつ良好な延性が得られる合金であれば、ばねに使用できます。優れた疲労寿命、非磁性、耐腐食性、高温耐性、ドリフト耐性といった特殊なばね特性を得るには、特別な配慮が必要です。ばねは油焚きの焼入れ炉で臨界温度まで加熱されます。通常、保持温度は850℃～950℃です。
- キャンバー加工：最上部のリーフはマスターリーフと呼ばれます。アイは、スプリングを他の機械部材に取り付けるためのものです。アイを通る中心線からスプリングに与えられる曲げ量は、キャンバーと呼ばれます。キャンバーは、最大負荷時でもたわんだスプリングが取り付けられている機械部材に接触しないようにするために設けられます。図に示されているキャンバーは、ポジティブキャンバーと呼ばれます。中央のクランプは、スプリングのリーフを保持するために必要です。この作業に使用される機械は油圧プレスです。プレスを使用して、リーフを必要な半径に曲げます。すべてのリーフは、キャンバーゲージを使用して必要な半径についてテストされます。
- 焼入れ：高温の曲げ加工された板バネをトレイに置き、油浴で焼入れすることでマルテンサイト組織を形成します。マルテンサイトは鋼鉄の結晶構造の中で最も硬いものです。炭素鋼では、マルテンサイトはオーステナイト系の鉄を急速冷却、つまり焼入れすることで形成されます。使用される機械はコンベア式の焼入れ油浴です。焼入れ油の発火点は約200℃で、油温は80℃を超えないように注意します。焼入れ後、板バネの構造は非常に硬くなりますが、この特性は不要です。しかし、この工程は、キャンバー加工後に板バネを正しい半径に調整するために必要です。硬さを取り除くために、焼戻しが行われます。
- 焼き戻し：焼き戻しは熱処理工程の一種で、靭性を高めるために用いられます。焼入れされた鋼板は再加熱され、必要な硬度まで下げられます。この工程には電気加熱式昇温炉が使用されます。鋼板の硬度はブリネル硬度試験によって測定され、この工程は応力緩和も行います。機械内の温度は540～680℃に維持されます。焼き戻し工程では、鋼板を再結晶温度以下に加熱し、その後水または空気で冷却します。
その他の用途
鍛冶屋によって
板バネは比較的高品質の鋼で作られているため、鍛冶屋に好まれる素材です。インド、ネパール、バングラデシュ、フィリピン、ミャンマー、パキスタンといった国では、伝統的な鍛冶屋が今でも大量の工具を生産しており、廃車から回収された板バネはナイフやククリなどの工具を作るのによく使われています。[ 11 ]アマチュアや趣味の鍛冶屋にも広く使用されています。
トランポリンで
一部のトランポリン（ソフトエッジトランポリンと呼ばれる）では、従来のコイルスプリングに代わってリーフスプリングが採用されており、これによりユーザーの安全性が向上し、脳震盪のリスクが軽減されています。 [ 12 ]リーフスプリングは、ベースフレームから分岐してジャンプマットを吊り下げる「脚」としてフレームの周囲に配置されており、柔軟性と弾力性を提供しています。[ 13 ]
クラッチ
自動車のクラッチでよく使われる「ダイヤフラム」は、板バネの一種です。
近代化
自動車の分野におけるチューニング（英語の tune、to Adjust、to Harmonise、to fine-tune から派生）は、自動車を個人の嗜好や特定のニーズに合わせるために、大量生産基準に対して変更することを意味する用語である。[ 14 ] [ 15 ]サスペンションのチューニングには、スプリング、ショックアブソーバー、スタビライザー、その他の関連部品の交換が含まれる。[ 16 ]多くのトラックは、リーフ スプリング サスペンションで支えられている。[ 17 ]リーフ スプリング サスペンションは、優れたアーティキュレーションと高い負荷容量を提供し、かなりの酷使にも耐えることができる。適切な方法を使用すれば、車両がより重い荷物を運べるようにしたり、アーティキュレーションを改善したり、より大型のタイヤを装着できるように変更することができる。車両によっては、フロントとリアのリーフ スプリングが装備されている場合や、リア リーフ スプリングのみが装備され独立したフロント サスペンションが装備されている場合がある。リーフ スプリングをアップグレードする方法は主に 2 つある。[ 18 ] 2つ目の選択肢は、純正リーフスプリングパックをよりヘビーデューティーなパックに完全に交換することです。これにより、地上高が向上し、積載能力が大幅に向上し、リアエンドのトラベル（ドループ/コンプレッション）が増加してパフォーマンスが向上します。[ 19 ] 3つ目の選択肢は、純正リーフスプリングパックをコイルスプリングに交換することです。このアプローチは、リアサスペンションのダイナミクスのあらゆる側面を変化させ、車高、積載能力、ホイールトラベルなど、より詳細な制御が可能になります。[ 20 ]
リフトブロックなど、リアには適していてもフロントには適さないリフト方法もあります。ブロックを使ってリアをリフトする方法は、希望の高さを実現するための一般的な方法です。これは、リーフスプリングとリーフスプリングパーチの間に希望の高さのブロックを設置し、長いUボルトを取り付けることで行われます。しかし、これは主にブレーキ時の安全性の問題から、フロントには適していません。ブレーキをかけると、前輪が制動力の大部分を発生します。ブロックは、ブレーキによって発生する横方向の力を、標準状態よりも車軸から高い位置に移動します。その結果、ブロックがずれて完全に制御不能になる可能性があります。
リーフスプリングを増設するより適切な方法は、アド・ア・リーフを使用することです。これは、車両のリーフスプリングパックにリーフを1枚追加するものです。アド・ア・リーフを使用すると車高は上がりますが、スプリングの剛性が増すため、サスペンションのストロークが硬くなることがあります。
オフロード車では、サスペンションのストロークを長くし、より大きなタイヤを装着することに重点が置かれています。タイヤサイズが大きいほど（ホイールサイズは問いません）、最低地上高が上がり、荒れた地形での乗り心地が向上し、クッション性が向上し、路面圧力が軽減されます（これは軟らかい路面では重要です）。[ 21 ] [ 22 ]オフロード車のリアサスペンションは、多くの場合、リーフスプリング式です。
参照
参考文献
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- ^ a b c d e f g h i j『リーフスプリング：その特性と仕様規定方法』ウィルクスバール、ペンシルバニア州：シェルドン・アクスル社、1912年。
- ^ストックル、マーティン・W.; ストックル、マーティン・T.; ヨハンソン、クリス (1996). 『自動車の基礎』 ティンリーパーク: グッドハート・ウィルコックス社 p. 455. ISBN 1566371384。
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- ^ 「リーフスプリングとコイルスプリング — 高耐久性性能にはどちらが最適か？」 timbren.com 2025年7月14日閲覧。
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- ^ 「地上高とは何か、そしてなぜ重要なのか？」 topliftpros.com 2023年8月23日. 2025年7月14日閲覧。
外部リンク
