自動車用リーフスプリングサスペンション

自動車用リーフスプリングサスペンションは、構造がシンプルで、耐荷重性が高く、低コストで耐久性があるため、商用車、ピックアップトラック、トラック、一部のオフロード車で広く使用されている従来のサスペンションシステムです。リーフスプリングの製造には、材料の選択、成形、熱処理、組み立て、テストなどの工程が含まれます。

1. リーフスプリングサスペンションの構成と機能

• 構成：
  • リーフスプリング：複数の（または単一の）ばね鋼板を重ねて構成され、Uボルトで固定されます。
  • 連結部品：シャックル、センターボルト、クランプなど。
  • ショックアブソーバー：補助的な減衰を行い、リーフスプリングと連携します。
  • サスペンション付属品：ブッシュ、ブラケット、固定座など。
• 機能：
  • 車両の重量を支え、路面からの衝撃を吸収します。
  • 剛性のあるサポートを提供し、重荷重（トラックの積載量10〜20トンなど）に適しています。
  • 車輪の動きを誘導し、車軸の位置を維持します。
• 応用：トラック（東風、福田など）、ピックアップトラック（フォードF-150など）、オフロード車（ジープ・ラングラーなど）でよく見られます。

2. リーフスプリングの製造工程

リーフスプリングの製造は主にプレス、熱処理、組み立て工程で行われます。鋳造工程は、高い靭性と弾性が必要なため、リーフスプリングにはほとんど使用されません。鋳造材料（鋳鉄など）は剛性は十分ですが、靭性が不足しています。以下に詳細な手順を示します。

材料の選択

• ばね鋼：
  • 一般的な材料：60Si2Mn、55CrMnA、SUP9（日本規格）、または5160（米国規格）。
  • 特性：高強度（引張強度1200〜1800 MPa）、高い弾性限度、耐疲労性。
  • 炭素含有量：0.5〜0.6％、靭性と耐久性を向上させるために、シリコン、マンガン、クロムなどの合金元素が含まれています。
• 厚さとサイズ：
  • 単板の厚さ：6〜20mm（耐荷重の必要性に応じて）。
  • 長さ：800〜2000mm、幅50〜100mm。
  • 層数：3〜10枚（多板式）または単板（一部の小型トラックなど）。
• その他の材料：摩擦と騒音を低減するために、シャックルにゴムまたはポリウレタンブッシュが使用されます。

設計と計画

• 機能要件：
  • 耐荷重性：車両総重量（GVW）に基づいて設計されます。例：小型トラック1〜3トン、大型トラック10〜20トン。
  • 剛性（k値）：通常200〜1000 N/mmで、サスペンションの硬さと快適性に影響します。
  • 疲労寿命：数百万回の繰り返し荷重に耐える必要があります（約10年の使用寿命）。
• CAD設計：
  • SolidWorksまたはCATIAを使用して、スプリングの曲率、長さ、層数を設計します。
  • 有限要素解析（FEA）で応力分布をシミュレートし、最大荷重下で変形しないようにします。
• 形状：パラボラ型または多板重ね型。パラボラ型はより軽量で、応力分布が均一です。

成形工程

• 切断：
  • シャーリングマシンまたはレーザー切断機を使用して、ばね鋼板を指定されたサイズにカットします。
  • 精度は±0.5mmに制御し、重ね合わせの一貫性を確保します。
• 熱間成形：
  • 加熱：鋼板を850〜900℃（オーステナイト化温度）に加熱し、可塑性を高めます。
  • プレスまたはロール成形：油圧プレス（1000〜3000トン）またはロール成形機で弧状構造に成形します。パラボラ型スプリングは、1枚ずつ正確に成形する必要があります。
  • 利点：熱間成形により、鋼板内部の結晶粒が微細化され、強度と弾性が向上します。
• 端部加工：
  • アイフォーミング：鋼板の両端を丸いシャックルに巻き上げ、車軸または車体への接続に使用します。
  • 穴あけ：センターホールはセンターボルトの取り付けに使用し、複数のスプリングを接続します。

熱処理

• 焼入れ：
  • 成形後の鋼板を850〜900℃に加熱し、急速冷却（油冷または水冷）します。
  • 目的：マルテンサイト組織を形成し、硬度（HRC 40〜50）と強度を高めます。
• 焼戻し：
  • 400〜600℃で焼戻しを行い、内部応力を除去し、靭性と耐疲労性を高めます。
  • 焼戻し後の硬度：HRC 30〜40、剛性と弾性のバランスを取ります。
• ショットピーニング：
  • 高速鋼球で表面を叩き、圧縮応力を導入し、疲労寿命を向上させます（50〜100％延長可能）。

表面処理

• 防錆コーティング：
  • エポキシ樹脂または粉体塗料を50〜100μmの厚さでスプレーします。
  • 溶融亜鉛めっきまたは電気めっき、耐塩水噴霧試験>500時間。
• 潤滑：多板スプリング間にグラファイト潤滑剤を塗布するか、プラスチックシムを追加して、摩擦と騒音を低減します。

組み立て

• 重ね合わせと固定：
  • 複数のスプリングを曲率の大きさ順に重ね、センターボルト（M12〜M20）で固定します。
  • クランプ（Uボルト）でスプリングを車軸に固定します。
• 付属品の取り付け：
  • シャックルブッシュ（ゴムまたはポリウレタン）、車体とスプリングを接続します。
  • ショックアブソーバーをスプリングと並列に配置し、振動を制御します。
• 位置合わせ：スプリングの曲率と車軸の位置が揃っていることを確認します。偏差<1mm。

テストと品質管理

• 剛性試験：
  • 油圧試験機を使用して荷重（1〜20トン）をかけ、変形量を測定し、剛性（k値）を検証します。
• 疲労試験：
  • 数百万回の繰り返し荷重（周波数1〜3 Hz）をシミュレートし、破損がないことを確認します。
• 寸法検査：
  • 三次元測定機（CMM）で曲率、長さ、穴の位置を検査します。精度±0.5mm。
• 耐腐食性試験：
  • 塩水噴霧試験（500〜1000時間）で、コーティングの耐久性を検証します。
• 負荷試験：
  • 最大荷重（20トンなど）をシミュレートし、変形や破損がないことを確認します。