CN108367648B

CN108367648B - 控制臂

Info

Publication number: CN108367648B
Application number: CN201680072058.4A
Authority: CN
Inventors: 巽雄二郎; 大塚研一郎; 中泽嘉明; 泰山正则; 佐久间均; 武者文华
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: JP6570989B2; US20180354328A1; JP2017105296A; CN108367648A; KR20180090877A; KR102119176B1; WO2017099212A1; MX2018007004A; US10744832B2

Abstract

一种控制臂(10)，其具备：一对安装部(12)，其彼此分开地设置；以及主体部(11)，其沿着X方向延伸，将一对安装部(12)连结起来，主体部(11)包括第1V字状构件(13)以及第2V字状构件(14)，在X方向上的任一位置处的与X方向正交的截面中，第1V字状构件(13)具有第1顶部(13a)，且从第1顶部(13a)朝向Y方向上的一侧敞开成V字状，第2V字状构件(14)具有第2顶部14a，且从第2顶部(14a)朝向Y方向上的另一侧敞开成V字状，在所述截面中，第1顶部(13a)和第2顶部(14a)接合在一起，在主体部(11)的X方向上的中心位置处的与X方向正交的截面中，第1V字状构件(13)和第2V字状构件(14)的敞开角度分别是150°以下。

Description

控制臂

技术领域

本发明涉及汽车的悬架的控制臂。

背景技术

控制臂(也被称为悬架臂)是用于对车轮的运动进行控制的臂。是对来自路面的冲击进行缓和、决定行驶性能和车高等的重要的零部件，当然也是决定乘车舒适度的重要的零部件。

使用图15来对汽车的悬架中的I型的控制臂1的安装状况进行说明。图15是从车身上部俯视控制臂1而观察到的状态。

如在图15中所例示那样，控制臂1是将车身(车体)2和车轴(轮轴)3连结起来的纵长状的零部件。更具体而言，控制臂1是用于进行轮轴3在车体2的前后方向或左右方向上的定位，并且能使轮轴3相对于车体2在上下方向上移动的零部件。

控制臂1借助例如连结支架4或连结管(未图示)转动自如地安装于车体2和轮轴3。若轮轴3沿着上下方向位移，则控制臂1相对于车体2和轮轴3转动，并且，其主体部产生扭转变形，从而对轮胎5的运动恰当且柔和地进行控制。由此，能够使轮胎5的接地性提高，并且使汽车的在转弯时的操纵稳定性提高。另外，能够对在轮胎5越过人行道等的台阶时车体2所受到的冲击进行缓和。

对于控制臂而言，具有图15所例示的I字型的外形的I型臂(以下称为“I臂”)1以及具有A字型的外形的A型臂。其中，I臂1的构造简单，因此，能抑制制造成本的上升，因此被采用于很多车种，特别是被采用于具有连杆式悬架的车种。迄今为止，I臂1的主体部使用了圆棒钢或钢管，但在圆棒钢的情况下重量较大，在钢管的情况下成本增大。

如上述那样，I臂1是用于使操纵稳定性和乘车舒适度提高的极其重要的零部件。为了可靠地进行轮轴3在车体2的前后方向或左右方向上的定位，要求I臂1具备预定的抗拉强度和压缩强度。而且，为了使轮轴3沿着上下方向柔和地位移，要求I臂1具备如下特性：在随着轮轴3的沿着上下方向的位移而被施加有扭转应力的情况下，不产生弯曲变形，而是柔软且良好地产生扭转变形。因此，迄今为止，也提出了许多对I臂1的截面形状进行研究而做成的发明。

例如，提出了截面为圆形的I臂(专利文献1)、截面为W字型(专利文献2)、截面为U字型(参照专利文献3、4、图14的(b))等。而且，公开了一种在下臂主体的车轮侧安装部与车身侧安装部之间设有稳定器安装部的汽车的下臂(参照专利文献5、图13的(b))，其中，将车身侧安装部侧设为了大致十字形状。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-76473号公报

专利文献2：日本特表2004-533355号公报

专利文献3：日本特开2009-286325号公报

专利文献4：日本特表2012-509800号公报

专利文献5：日本特开2000-142052号公报

发明内容

发明要解决的问题

如上所述，报告了对I臂的截面形状进行各种研究而做成的例子，但近年来强烈要求进一步提高操纵稳定性和乘车舒适度，因此，要求使扭转刚度进一步降低。

本发明的目的在于提供一种轻量、并具有较高的抗弯强度、且扭转刚度较低并且具备良好的扭转变形性能的控制臂。

用于解决问题的方案

本发明人进行了深入研究，结果发现了如下内容：通过采用将两个V字状构件彼此在顶部接合起来而形成的主体部，从而能获得轻量、具有较高的抗弯强度、扭转刚度较低并且具备良好的扭转变形性能的控制臂。

本发明如以下所述。

(1)一种控制臂，其具备：一对安装部，其彼此分开地设置；以及主体部，其沿着第1方向延伸，将所述一对安装部连结起来，其中，

所述主体部包括第1V字状构件和第2V字状构件，在所述第1方向上的任一位置处的与所述第1方向正交的截面中，

所述第1V字状构件具有第1顶部，且从所述第1顶部朝向与所述第1方向正交的第2方向上的一侧敞开成V字状，

所述第2V字状构件具有第2顶部，且从所述第2顶部朝向所述第2方向上的另一侧敞开成V字状，

在所述截面中，所述第1顶部和所述第2顶部接合在一起，

在所述主体部的所述第1方向上的中心位置处的与所述第1方向正交的截面中，所述第1V字状构件和所述第2V字状构件的敞开角度分别是150°以下。

(2)根据上述(1)所记载的控制臂，其中，

所述第1顶部和所述第2顶部的曲率半径分别是1mm～10mm。

(3)根据上述(1)或(2)所记载的控制臂，其中，

在将所述一对安装部的所述第1方向上的间隔设为L时，所述第1顶部与所述第2顶部接合在一起的部分的合计长度是L/20以上。

(4)根据上述(1)～(3)中任一项所述的控制臂，其中，

在将所述一对安装部的所述第1方向上的间隔设为L时，所述第1顶部与所述第2顶部接合在一起的部分的合计长度小于L。

(5)根据上述(1)～(4)中任一项所述的控制臂，其中，

所述第1V字状构件和所述第2V字状构件由抗拉强度为390MPa级以上的钢板形成。

(6)根据上述(5)所记载的控制臂，其中，

所述钢板的厚度是2mm～3mm。

发明的效果

根据本发明，能够获得轻量、具有较高的抗弯强度、扭转刚度较低并且具备良好的扭转变形性能的控制臂。

附图说明

图1的(a)是本发明的一个实施方式的控制臂的立体图，图1的(b)是用于说明安装部的图。

图2的(a)是本发明的一个实施方式的控制臂的俯视图，图2的(b)是本发明的一个实施方式的控制臂的侧视图。

图3是用于说明A-A截面处的主体部的形状的图。

图4是用于说明本发明的另一个实施方式的控制臂所具备的主体部的、与第1方向正交的截面中的形状的图。

图5是用于说明第1顶部与第2顶部彼此接合的接合方法的例子(图5的(a)：喇叭形坡口焊接、图5的(b)：搭接焊)的图。

图6是表示敞开角度α与扭转刚度之间的关系的图表。

图7是表示敞开角度α与抗弯强度之间的关系的图表。

图8是用于说明比较例1的控制臂的构造的图。

图9是用于说明比较例2的控制臂的构造的图。

图10是用于说明本发明例1的控制臂的构造的图。

图11是表示实施例3中的扭转刚度的评价结果的图表。

图12是表示实施例3中的抗弯强度的评价结果的图表。

图13是用于说明比较例3的控制臂的构造的图。

图14是用于说明比较例4的控制臂的构造的图。

图15是例示汽车的悬架中的I型的控制臂的安装状况的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一个实施方式的控制臂进行说明。其中，控制臂是用于将汽车的车身和车轴连结在一起从而进行车轴的车身前后方向上的定位，并且能够使车轴相对于车身沿着上下方向位移的零部件。

图1的(a)是本发明的一个实施方式的控制臂10的立体图。控制臂10具备主体部11和一对安装部12。如图1的(a)所示，一对安装部12彼此分开地设置，主体部11沿着第1方向(图1的(a)所示的X方向)延伸，将一对安装部12连结起来。

图1的(b)是用于说明安装部12的图。安装部12是用于与连结管或连结支架相连结的零部件。在本实施方式中，安装部12具有空心的圆筒型的形状，如图1的(b)所示，在安装部12的外周面12a接合有主体部11。在图1的(b)中，主体部11与安装部12的接合部位11a以虚线表示。

图2的(a)是本发明的一个实施方式的控制臂10的俯视图，图2的(b)是本发明的一个实施方式的控制臂10的侧视图。并且，图3是用于说明主体部11的第1方向上的中心位置处的、与第1方向正交的截面(图2的(a)所示的A-A截面)中的主体部11的形状的图。如图3所示，主体部11包括第1V字状构件13和第2V字状构件14，在A-A截面中，具有X字状的形状。

第1V字状构件13在A-A截面中具有第1顶部13a，具有从第1顶部13a朝向与第1方向正交的第2方向(图3所示的Y方向)上的一侧敞开成V字状的形状。同样地，第2V字状构件14在A-A截面中具有第2顶部14a，具有从第2顶部14a朝向第2方向上的另一侧敞开成V字状的形状。并且，在A-A截面中，第1顶部13a和第2顶部14a彼此接合在一起。

另外，在A-A截面中，第1V字状构件13的敞开角度α₁和第2V字状构件14的敞开角度α₂分别设定为150°以下。通过使主体部11具有上述的形状，从而能获得轻量且具有较高的抗弯强度的控制臂10。

优选敞开角度α₁和敞开角度α₂是相等的角度。另外，优选第1V字状构件13和第2V字状构件14在A-A截面中以沿着与第1方向和第2方向正交的第3方向(图3所示的Z方向)延伸且经过主体部11的中心的假想的直线(在图3中以单点划线表示的直线)为对称轴呈线对称。通过使第1V字状构件13和第2V字状构件14具有良好的对称性，使得抗弯强度和扭转变形性能进一步提高。

此外，V字状构件无需严格地呈左右对称。对于V字状构件的对称性而言，只要不有损本发明的控制臂要发挥的效果就被容许。因制造状况而产生的偏差所导致的不对称性、设计变更为适于车身的构造的情况下的不对称性均包含于本发明的V字状构件。第1V字状构件和第2V字状构件既可以以组合分别自身对称的构件的方式进行使用，也可以以组合任一者为对称的构件的方式进行使用，也可以以组合分别自身不对称的构件的方式进行使用。

另外，敞开角度α₁和敞开角度α₂也包括0°。在该情况下，成为图4所示那样的截面形状，但即使是这样的形状，由于两个构件在顶部处接合在一起，因此，也能发挥优异的抗弯强度和扭转变形性能。

而且，参照图3，优选第1顶部13a和第2顶部14a的曲率半径R₁、R₂分别是1mm～10mm。若曲率半径小于1mm，则在成型V字状构件之际有可能产生裂纹。另一方面，若曲率半径超过10mm，则无法成为V字状。此外，在本发明中，曲率半径是指第1顶部13a和第2顶部14a的壁厚中央部分处的曲率半径的值。

如图2的(b)所示，在本实施方式中，在包括主体部11的中心位置在内的区域中，第1顶部13a和第2顶部14a接合在一起。于在主体部11的中心位置处将第1顶部13a和第2顶部14a焊接的情况下，在利用焊接夹具在主体部11的两端部处压紧材料之际，能够对第1V字状构件13和第2V字状构件14均等地施加载荷，可进行稳定的焊接，因此优选。

针对接合位置而言，并不限定于上述的例子。第1顶部13a和第2顶部14a在第1方向上的任一位置处接合在一起即可。不过，若在最端部位置处进行焊接，则存在对主体部11和安装部12之间的焊接部分产生干扰，导致干扰部分的焊接稳定性劣化的可能性。因此，优选在距最端部5mm以上的区域中进行接合。

另外，第1顶部13a和第2顶部14a无需在主体部11的整个长度范围内接合在一起。通过改变第1顶部13a与第2顶部14a接合在一起的部分的长度，从而能够对控制臂10的抗弯强度与扭转刚度之间的平衡进行调整。即，通过增长接合长度，能够提高抗弯强度，另一方面，通过缩短接合长度，能够降低扭转刚度。

在将一对安装部12的第1方向上的间隔设为L时，优选将第1顶部13a与第2顶部14a彼此接合的接合长度L_W设为L/20以上，以便使抗弯强度提高。另外，若接合长度较小，则在产生了较大的扭转的情况下，应力集中于接合部位，接合部分有可能剥离。因此，更优选接合长度L_W是6L/20以上。另一方面，为了降低扭转刚度，优选接合长度L_W小于L，更优选是12L/20以下。

此外，第1顶部13a与第2顶部14a之间的接合既可以连续地进行，也可以断续地进行。在接合部分是断续的情况下，接合长度L_W是接合在一起的部分的合计长度。

图5是用于说明第1顶部13a与第2顶部14a彼此接合的接合方法的例子(图5的(a)：喇叭形坡口焊接、图5的(b)：搭接焊)的图。既可以如图5的(a)所示那样从Z方向上的两侧进行喇叭形坡口焊接而形成喇叭形坡口焊接部21，也可以如图5的(b)所示那样进行Y方向上的搭接焊来形成搭接焊部22。另外，喇叭形坡口焊接部21也可以仅形成于Z方向上的单侧。

此外，不限定是否有填充焊丝的供给。不过，在供给填充焊丝的情况下，焊接后的主体部11的截面积与焊接前的主体部11的截面积相比有增加。截面积的增加导致扭转刚度的增加，因此，优选将焊接前后的截面积的增加率抑制为10％以下，更优选抑制为5％以下。

第1顶部13a与第2顶部14a彼此接合的接合方法并不限定于上述的例子，也可以使用激光焊接、缝焊、粘接接合等。

优选第1V字状构件13和第2V字状构件14由抗拉强度为390MPa级以上的钢板形成。在使用抗拉强度较低的钢板的情况下，为了确保所需要的强度，需要使用板厚较大的钢板。不过，随着板厚的增加，重量增加并且扭转刚度上升，因此并不优选。

在使用抗拉强度为390MPa级以上的钢板的情况下，优选使用厚度为2mm～3mm的薄钢板。其原因在于，若板厚小于2mm则耐腐蚀性变得不充分，另一方面，若为3mm以上则有可能无法充分地降低扭转刚度。

以下，利用实施例更具体地说明本发明，但本发明并不限定于这些实施例。

实施例1

在将主体部11的截面积设为恒定的条件下，将主体部11的抗拉强度设为相等，通过由计算机模拟实现的分析来对第1V字状构件13的敞开角度α₁和第2V字状构件14的敞开角度α₂的相对于扭转刚度和抗弯强度的恰当范围进行了研究。在本实施例中，将敞开角度α₁和敞开角度α₂设为相等的值(α)。

作为第1V字状构件13和第2V字状构件14，使用的是板厚为2.6mm、板宽为30mm、440MPa级的热轧钢板，并且是曲率半径为4mm的冲压成型品。将第1V字状构件13的第1顶部13a和第2V字状构件14的第2顶部14a在整个长度范围内接合起来，从而形成具有X字状的截面形状的主体部11。然后，将具备主体部11的控制臂作为研究模型进行了分析。在表1中汇总表示了上述热轧钢板的机械特性。

[表1]

	YP(MPa)	TS(MPa)	EL(％)
				JSH440	321	462	40.4

将主体部11的第1方向上的中心位置处的敞开角度α在0°～165°的范围内变更，约束主体部11的一个端部并且使另一端部进行旋转位移，对扭转刚度和抗弯强度进行了评价。此外，将主体部11的全长设为230mm。

将敞开角度α与扭转刚度之间的关系在图6中以图表的方式表示，将敞开角度α与抗弯强度之间的关系在图7中以图表的方式表示。

如图7所示，在敞开角度α为90°以上时，抗弯强度成为55.5kN左右。另外，即使敞开角度α小于90°，抗弯强度也是54kN左右，与敞开角度α为90°以上的情况相比较，其差微小。即，即使敞开角度α是任一角度，抗弯强度也良好。

相对于此，如图6所示，若敞开角度α超过150°，则成为了扭转刚度超过5N·m/deg并且大幅度上升的结果。

实施例2

针对在实施例2中进行的由计算机模拟实现的分析而言，在使敞开角度α恒定为90°的基础上，进行了使第1顶部13a与第2顶部14a之间的接合长度变化了的情况下的抗弯强度的分析。

根据数值分析的结果，若在主体部11的整个长度范围内进行接合，则抗弯强度为55.5kN，但若完全没有接合，则抗弯强度降低到44kN。接合长度较大的情况对于抗弯强度的提高是有效的。不过，已知的是：在将主体部11的整个长度设为L的情况下，只要将第1顶部13a与第2顶部14a之间的接合长度设为L/20以上，就能够确保47kN以上的抗弯强度，在实际应用上没有问题。

实施例3

图8～图10是用于说明比较例1、比较例2以及本发明例1的控制臂的构造的图。比较例1的控制臂31的主体部23具有封闭截面形状，比较例2的控制臂32的主体部24具有开放截面形状。另外，本发明例1的控制臂33的主体部25具有X字状截面形状。

在任一控制臂31～33中，安装部40都使用了外径为54mm、内径为42mm、长度为31mm的机械构造用碳钢钢管STKM13A。另外，本发明例1的主体部25使用了具有上述的表1所示的机械特性的板厚为2.6mm的440MPa级热轧钢板。

考虑母材的抗拉强度为440MPa级，进行了板厚和总板宽的调整，以使构件的强度成为68kN。具体而言，在比较例1中，设为总板宽为53mm、板厚为2.8mm，在比较例2中，设为总板宽为60mm、板厚为2.6mm，在本发明例1中，设为总板宽为60mm、板厚为2.6mm。此外，在比较例1中，将板厚方向中心位置处的直径设为16.8mm。在本发明中，总板宽是指为制作上述构件所使用的板材的板宽的合计量。

在本发明例1中，对全长为230mm、板宽为30mm的钢板实施冲压成型，在宽度中央位置处使其弯曲，以板厚中心处的曲率半径为4mm且截面呈大致V字状的方式制造成第1V字状构件和第2V字状构件之后，从两侧进行喇叭形坡口焊接，从而进行了接合。在整个长度范围内进行供给了填充焊丝的电弧焊，从而组装了主体部25。即，第1方向上的总接合长度为230mm。主体部25在第1方向上的整个长度范围内具有一样的截面形状。

之后，使安装部40与主体部25对接，对X形状整周进行电弧焊从而制造成控制臂33。对该控制臂进行了扭转刚度和抗弯强度的评价。在图11和图12中以图表的方式表示评价结果。

如图11所示，针对扭转刚度而言，在比较例1中是64N·m/deg，在比较例2中是15N·m/deg，与之相对地，在本发明例1中大幅度降低到5N·m/deg，获得了良好的扭转变形性能。

另外，如图12所示，可知：本发明例1的抗弯强度比比较例1和比较例2的抗弯强度高。

作为本发明例1的抗弯强度较高的主要原因，包括通过供给了填充焊丝而使得截面积增加了5％左右的影响。不过，另外确认到：即使截面积不增加，也能获得与比较例1和2同等程度的抗弯强度。

实施例4

使用在实施例3中所使用的图10所示的本发明例1的控制臂以及图13和图14所示的比较例3和比较例4的控制臂，进行了进一步的性能评价试验。此外，将各控制臂33～控制臂35的整个长度设为230mm。

在比较例3中，将板厚设为2.6mm，进行了调整以使构件的强度成为68kN。另外，在比较例4中，将板厚设为2.0mm，进行了调整以使构件的强度成为76kN。对这些控制臂进行了扭转刚度和抗弯强度的评价。

针对试验的结果而言，在比较例3的控制臂中，成为如下结果：抗弯强度是55kN，扭转刚度是7N·m/deg，发挥比较良好的性能，但与本发明例1的控制臂相比，扭转变形性能较差。另外，在一体成型的控制臂的情况下，与包括两个构件的本发明例1的控制臂不同，接合长度无法变更，因此，无法对抗弯强度与扭转变形性能之间的平衡进行调整。

另外，比较例4的控制臂的抗弯强度是50kN，比较良好，但彼此平行的底部接合在一起，因此，接触面积较大，扭转刚度高达31N·m/deg。本发明例1的控制臂的两个顶部的曲面部彼此接合在一起，因此接触面积较小，能呈现良好的扭转变形性能。

产业上的可利用性

根据本发明，可获得轻量、具有较高的抗弯强度、扭转刚度较低并且具备良好的扭转变形性能的控制臂。因此，通过使用本发明的控制臂，能获得良好的操纵稳定性和乘车舒适度。

附图标记说明

10、控制臂；11、主体部；12、安装部；12a、外周面；13、第1V字状构件；13a、第1顶部；14、第2V字状构件；14a、第2顶部。

Claims

1.一种控制臂，其具备：一对安装部，其彼此分开地设置；以及主体部，其沿着第1方向延伸，将所述一对安装部连结起来，其中，

在所述截面中，所述第1顶部和所述第2顶部接合在一起，

在所述主体部的所述第1方向上的中心位置处的与所述第1方向正交的截面中，所述第1V字状构件和所述第2V字状构件的敞开角度分别是150°以下，

所述第1顶部和所述第2顶部的曲率半径分别是1mm～10mm。

2.根据权利要求1所述的控制臂，其中，

3.根据权利要求1所述的控制臂，其中，

4.根据权利要求2所述的控制臂，其中，

5.根据权利要求1～4中任一项所述的控制臂，其中，

6.根据权利要求5所述的控制臂，其中，

所述钢板的厚度是2mm～3mm。