板バネ

リーフスプリングは、車輪付き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、またはカート 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、1 枚または複数枚の細い弧状の薄いプレートで、車軸とシャーシに取り付けられ、路面の凹凸に応じて垂直に曲がります。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、車両の長さに沿って走り、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、位置調整、スプリング、およびリーフ間の摩擦によるある程度の減衰など、サスペンションの複数の機能を果たすことができます。ただし、この摩擦は適切に制御されていないため、スティクションが発生し、サスペンションの動きが不規則になります。このため、一部のメーカーはモノリーフ スプリングを使用しています。

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、弧の中心に車軸が配置され、両端に形成されたループが車両シャーシへの取り付けに使用されます。非常に重い車両の場合、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る傾向があります。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ています。^{[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、他のリーフは両端が先細りになっています。^{[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もあり、その場合はメインリーフに最も近い補助リーフがNo.1、次に近いのがNo.2、というように続きます。^{[1] : 3}リーフは、リーフスプリングの長さの中間点またはその近く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、リーフ間の切り込みや溝、外部クリップなど、いくつかの方法を使用できます。^{[2] : 9–12}

ばね鋼は、炭素含有量が約 1% のときに最も効率的であることがわかっています。^{[2] : 13–15}個々のリーフの厚さは、スタッブスまたはバーミンガム ゲージによって指定され、通常の厚さは 0.203 ～ 0.375 インチ (5.2 ～ 9.5 mm) (6 ～ 3/8 または 00 ゲージ) の範囲です。^{[2] :} 16 材料と寸法は、各リーフがセクション全体にわたって完全にマルテンサイト構造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}

板ばねの両端は、通常、丸いアイレットまたはアイレットに形成され、それを通して留め具がばねの両端を車両のフレームまたはボディに接続します。一部のばねは、スプーン エンドと呼ばれる凹型の端で終わっており(現在ではほとんど使用されていません)、代わりに回転部材を取り付けます。片方のアイは通常固定されていますが、ばねの動きに合わせて回転できます。もう一方のアイは、その端が回転して限られた動きをすることができるヒンジ機構に固定されています。板ばねは、両方のアイでフレームに直接取り付けることも、通常は前端の一方の端に直接取り付け、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、圧縮されたときに板ばねが伸びる傾向を吸収し、サスペンションを柔らかくします。シャックルは、板ばねにある程度柔軟性を与え、重い負荷がかかっても破損しないようにします。車軸は通常、U ボルトでばね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し、別のリンケージは必要ありません。その結果、シンプルで強力なサスペンションが実現します。板間の摩擦によりばねの動きが減衰し、反発が減少します。これは、ショックアブソーバーが広く採用されるまでは、らせんばねに比べて非常に大きな利点でした。^[4]ただし、板ばねは車軸を所定の位置に保持する役割も果たしているため、柔らかいばね、つまりばね定数が低いばねは適していません。その結果生じる剛性と板間の摩擦により、このタイプのサスペンションはライダーにとって特に快適ではありません。^[要出典]

リーフ スプリングにはさまざまな種類があり、通常は「楕円形」という語が使われています。1804 年にイギリスの発明家オバディア エリオットが特許を取得した「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。これ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 コンポーネントに結合されます。この設計には通常、トレーリング アームなどの追加のサスペンション コンポーネントが必要ですが、ホッチキス ドライブで使用される「半楕円形」リーフ スプリングには必要ありません。これは下部の円弧を使用していたため、その名前が付けられました。

「1/4楕円」スプリングは、1920年代のオースチン・セブンのように、スタックされたリーフの最も厚い部分が短いラダーフレームのサイドピースの後端に差し込まれ、自由端が差動装置に取り付けられていることが多い。楕円形ではないリーフスプリングの例として、フォード・モデルTには、ヨークの形に湾曲した複数のリーフスプリングが差動装置上に取り付けられていた。ダンパー（ショックアブソーバー）の代替として、一部のメーカーは金属リーフの間に木材などの非金属シートを敷いた。

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]

• 板バネの例
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  楕円形
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  半楕円形
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  3/4楕円形
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  四分の一楕円形
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  横方向

より現代的な実装は、放物線状の板ばねです。この設計は、より少ない板厚が放物線曲線に沿って中心から端まで変化するのが特徴です。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、板の端と、車軸が接続される中心でのみ接触します。スペーサーが他のポイントでの接触を防ぎます。軽量化の他に、放物線ばねの主な利点は柔軟性が高く、乗り心地が向上することです。乗り心地はコイルばねに近づきますが、トレードオフとして耐荷重性が低下します。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 社とシボレー社 (コルベットなど) によるさらなる開発は、複合プラスチック リーフ スプリングへの移行です。ただし、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です。

通常、自動車のサスペンションに使用される場合、リーフは車軸をサポートし、車軸を位置決め/部分的に位置決めします。スプリングの柔軟な性質により、車軸のバネ下質量を正確に制御することが困難になるため、ハンドリングの問題 (「車軸の踏みつけ」など) が発生する可能性があります。一部のサスペンション設計では、車軸を位置決めするためにワットリンク(またはパナールロッド) と半径アームを使用しており、この欠点はありません。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、オースチン ヒーレー3000 やフィアット 128のさまざまなリアサスペンションがあります。

最も古い板バネは、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バネ（リスボンの図解例）の形で登場し始め、後にイギリスとドイツに渡り、^[6] 1750年頃にこれらの国の富裕層の馬車に登場した。^{[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ことで英国芸術製造者協会から3つの金メダルを授与された。 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、板バネが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た。^{[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の特許を取得し、現代の板ばねを発明したとされ、これにより彼は大きな認知度と収益を得た。技術者たちは板ばねを研究し、設計と製造工程の改良に着手した。板ばねの機構とたわみは、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）によって開発された。^{[2] : 1  [9] [10]} 19世紀後半には、改良された鋼の圧延工程、加工機器、ばね鋼合金も開発され、板ばねの製造がより安定し、コストも削減された。^{[2] : 2}

リーフ スプリングは、1970 年代に自動車メーカーが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るまで、自動車では非常に一般的でした。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全体に負荷を広く分散できるという利点があり、コイル スプリングは負荷を 1 点に伝達します。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の位置も決めるため、トレーリング アームやパナール ロッドが不要になり、シンプルなライブ 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。リーフ スプリングがヘリカル スプリングより優れているもう 1 つの点は、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バネ
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  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
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  横方向のリーフスプリングによる独立したフロントサスペンション。ハンバー、1935年
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  半楕円スプリングによる独立フロントサスペンション。メルセデスベンツ 230 W153、1938 年

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。たとえば、1963 年型シボレー コルベット スティングレイは、独立したリアサスペンションに横向きリーフスプリングを使用しています。同様に、2016 年型ボルボ XC90のリアサスペンションには、複合材料を使用した横向きリーフスプリングが採用されています。これは、 1983 年型コルベットのフロントサスペンションとコンセプトが似ています。この配置では、中央でシャーシにしっかりと固定された直線状のリーフスプリングが使用されています。スプリングの両端はホイールサスペンションにボルトで固定されており、スプリングが各ホイールで独立して機能できます。このサスペンションは、従来のセットアップよりも小型で、フラットで、軽量です。

多板バネは次のように作られます。

1. 予熱処理工程：
   1. 聴覚
   2. テーパーローリング
   3. トリミング
   4. 端の切断とプレス
   5. 2回目のワーピング
   6. スカーフと目を回す
   7. 挟む
   8. C'SKGパンチング
   9. センター穴あけ加工。
2. 熱処理プロセス:
   1. 硬化のための加熱
   2. キャンバー
   3. 焼入れ
   4. 焼き戻し。
3. 熱処理後の処理プロセス:
   1. 整流
   2. サイドベンド除去
   3. ブッシング
   4. リーミング
   5. クランプリベット。
4. 組み立てと表面仕上げ:
   1. ショットピーニング
   2. 絵画
   3. 組み立て
   4. こすりつける
   5. マーキングと梱包。

1. 硬化のための加熱:かなり高い強度にまで硬く引張ったり、圧延したりでき、成形するのに十分な延性を維持できる金属または合金は、ばねに使用できます。また、成形前または成形後に熱処理して高強度および良好な延性を実現できる合金も使用できます。優れた疲労寿命、非磁性特性、耐腐食性、高温およびドリフト性などの特殊なばね特性については、特別な考慮が必要です。ばねは油燃焼硬化炉で臨界温度まで加熱されます。通常、維持される温度は 850°C ～ 950°C です。
2. キャンバー加工:一番上のリーフはマスター リーフと呼ばれます。アイは、スプリングを別の機械部材に取り付けるために用意されています。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触れないようにするために用意されています。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。この操作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。
3. 焼入れ:曲げられた熱い板をトレイに置き、油浴で焼入れしてマルテンサイト組織にします。マルテンサイトは、鋼の結晶構造の中で最も硬い形態です。マルテンサイトは、鉄のオーステナイト形態を急冷して炭素鋼に形成されます。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°C で、油温は 80°C を超えないようにします。焼入れ後、板ばねの構造は非常に硬くなりますが、この特性は必要ありません。ただし、このプロセスは、キャンバー加工後に板を正しい半径に設定するために必要です。硬さを取り除くために、焼き戻しが行われます。
4. 焼き戻し:焼き戻しは熱処理のプロセスで、靭性を高めるために使用されます。焼き入れされた葉は、硬度を必要なレベルまで下げるために再加熱されます。このプロセスには、電気加熱式温度炉が使用されます。葉の硬度は、ブリネル硬度試験を使用して決定されます。このプロセスは、応力を緩和するプロセスでもあります。機械内の温度は 540 ～ 680°C に維持されます。焼き戻しプロセスでは、葉を再結晶温度以下に加熱し、水または空気を使用して冷却します。

板バネは比較的高品質の鋼で作られているため、鍛冶屋に好まれる材料です。インド、ネパール、バングラデシュ、フィリピン、ミャンマー、パキスタンなど、伝統的な鍛冶屋が今でも大量の工具を生産している国では、廃車から取り出した板バネが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よく使われています。

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りに配置されており、柔軟性と弾力性を備えています。^[13]

自動車のクラッチによく使われる「ダイヤフラム」は、板バネの一種です。

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