JP2005029140A - トーションビーム式サスペンション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トーションビームにおけるエッジ部の疲労特性を低コストで効果的に高め、高性能のトーションビーム式サスペンション装置を経済的に提供すること。
【解決手段】 開放断面形状を有するトーションビームを備えたトーションビーム式サスペンション装置であって、トーションビームの開放断面におけるエッジ部のうち、最も大きな捩れ変形力を受ける部位を含む領域の剪断面比率を９０％以上とすることで、疲労強度を高める。
【選択図】 図７

Description

本発明は、トーションビーム式サスペンション装置に関し、特にトーションビームの耐久寿命を大幅に高めたトーションビーム式サスペンション装置に関するものである。

トーションビーム式サスペンション装置は、車両の後輪用サスペンション装置として広く普及している。このタイプのサスペンション装置は、左右後輪に対応して設けられるトレーリングアームと、該トレーリングアームを連結するトーションビームを備えており、トレーリングアームは、その前方側で車体に連結され、後端側で車輪を支持している。

トーションビームは、その横断面を例えばＵ字型の開放形状とすることによって捩れ剛性が高められており、左右の車輪に逆ストロークの上下振動が生じたときには、該トーションビームが捩れ変形することで振動を吸収する。そして、この様にトーションビームが左右両輪の逆ストローク移動によって繰返し捩れ変形すると、断面のエッジ部に引張応力と圧縮応力が繰返し作用することになる。

ところで通常のトーションビームは、圧延材を切断したのちプレス加工することによって形成されるため、断面のエッジ部は切断されたままの状態となる。この様な切断面は表面が粗く、しかも切断エッジ部を含む加工層に引張りの残留応力が生じているため疲労強度が低い。従って、トーションビームの耐久性を改善するには、断面エッジ部の疲労強度を高める必要がある。

そこで、トーションビームのエッジ部の疲労強度を高めるための手段として、幾つかの方法が提案されている。例えば特許文献１には、上記エッジ部にショットピーニング処理を施して疲労強度を高める方法が示されている。この方法は確かに有効であり、エッジ部の疲労強度を有意に高めることができる。しかし、トーションビームの如き大型部品をショットピーニング加工するには大規模な設備を必要とし、しかもプレス工程やその他の工程も必要になるため、トーションビームの製造コストが高騰する。

このほか例えば特許文献２には、エッジ部にコイニング処理を施すことによって疲労強度を高める方法が開示されている。この方法は、前掲のショットピーニング処理の如き特殊な専用設備を必要とせず、しかもプレス工程の中で処理を行なうことができるため、経済的で且つ効率的な方法と言える。

しかしエッジ部のコイニング加工は、通常の板金プレスとは違って鍛造加工であるため、大型のプレス装置が必要になること、しかもコイニング加工により金型寿命が著しく短縮されるため、製造コストの面からは実用に適した方法とは言い難い。しかも、実際の現場で量産に適用した場合はエッジ部の形状にバラツキが生じ易く、高レベルの疲労強度を安定して確保できるとは限らない。
特開平１０−３２９５１９号公報 特開２０００−５２７３３号公報

本発明は上記の様な事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、トーションビームにおけるエッジ部の疲労特性を低コストで効果的に高め、高性能かつ長寿命のトーションビーム式サスペンション装置を提供することにある。

上記課題を達成することのできた本発明に係るトーションビーム式サスペンション装置とは、開放断面形状を有するトーションビームを備えたトーションビーム式サスペンション装置において、トーションビームの開放断面におけるエッジ部のうち、少なくとも最も大きな捩れ変形力を受ける部位を含む領域の剪断面比率が９０％以上であるところに特徴を有している。

本発明において、剪断面比率を９０％以上に高める手法として最も好ましいのはシェービング加工であり、従って、上記大きな捩れ変形力を受ける部位を含む前記領域は、シェービング加工によって剪断面比率を９０％以上に高めたものが好ましい。また、この様に剪断面比率を高めることによる疲労強度向上効果は、トーションビーム自体の素材強度が高いものほど顕著に発揮され、具体的には、５００ＭＰａ級以上の素材強度を有するものに対してより効果的に適用される。

なお本発明において、トーションビームの開放断面における「エッジ部」とは、適当な幅に切断された鋼板を、例えば後記図２に示す如く通常はＵ字状にプレス加工し開放断面形状としたトーションビーム側縁の切断端面（１Ｅ，１Ｅ）をいう。

また剪断面比率とは、切断面内に占める剪断面の面積比率（残部は破断面）を言う。ここで剪断面とは、素材切断面がミクロ的に見ても剪断的に鋭利に切断された様な面をいい、これに対し破断面とは、素材切断面がミクロ的に見ると引き千切られるように荒く破断された面を意味する。

本発明によれば、トーションビームにおいて少なくとも最も大きな捩れ変形力が作用する部位を含む領域の剪断面比率を９０％以上に高めることにより、疲労強度を大幅に改善することができる。特に、剪断面比率を高めるための手法としてシェービング加工法を採用すれば、比較的簡単な処理と装置で経済的かつ効果的に疲労強度を高めることができる。

本発明では、上記の如くトーションビームのエッジ部において、少なくとも最も大きな捩れ変形力を受ける部位を含む領域（換言すると、左右両輪の逆ストローク移動によって最も大きな応力振幅に曝される部位を含む領域）における剪断面比率を９０％以上とすることによって達成される。

ちなみに、開放断面を有するトーションビームは、前述した如く薄板を所定の寸法・形状に打抜き加工した後、これをＵ字状などの開放断面形状にプレス加工することによって製造されるが、開放断面のエッジ部（端面）は打抜き加工のままの状態であるため剪断面比率が低い。

剪断面比率とは、前述した如く切断面内に占める剪断面の面積比率（残部は破断面）を言うが、ダイスとパンチを用いた通常の打抜き加工の場合、打抜き加工面に表われる破断面と剪断面の比率は一般的に３０〜５０／７０〜５０（％）程度であり、一般的な剪断面比率は４０％前後であるため、これが疲労強度に少なからぬ影響を及ぼしているものと考えられる。

そこで、打抜き断面エッジ部の剪断面比率を高めてやれば、該エッジ部の残留応力が低減し、それに伴って疲労特性も向上するのではないかと考え、その線に沿って研究を進めてきた。その結果、以下に詳述する如く端面エッジ部の剪断面比率を９０％レベル以上に高めてやれば、疲労強度が安定して大幅に向上することを確認し、上記本発明に想到した。

打抜き加工における断面エッジ部の剪断面比率を高めるための具体的な手法は特に限定されないが、好ましい方法としては、ファインブランキング加工やシェービング加工などが例示される。即ちファインブランキング加工とは、代表的な精密打抜き加工法の一つで、静水圧加圧条件下で打抜き加工を行なう方法であり、この方法を採用すれば、打抜き加工面の剪断面比率を容易に９０％以上、更には９５％以上に高めることができる。他方、シェービング加工とは、打抜き断面を２次的にポンチ−ダイスで仕上げ加工する方法であり、ポンチ−ダイス間のクリアランスや加工速度等を適正に制御することによって、２次加工面の剪断面比率を容易に９０％以上に高めることができる。

何れにしても、後述する実験例からも明らかな如く、トーションビームの疲労特性は、当該トーションビームの開放断面におけるエッジ部の剪断面比率と密接な相関性を有しており、該エッジ部の剪断面比率を９０％以上に高めてやれば、安定して高レベルの疲労強度を確保できる。

尚、断面エッジ部の剪断面比率を９０％以上に高める具体的な手法として特に好ましいのはシェービング加工法である。ちなみにシェービング加工は、前述した如く通常は打抜き加工などで切断した断面に対し２次的に仕上げ加工を施す方法であり、該加工工程では前の切断端面が薄く削り取られる。即ちシェービング工程では、前の切断加工でその断面に生じた加工層（引張り応力残留部を含む）を削り取る様な処理が施されるため、結果的に切断端面に残される該加工層は非常に薄肉となり（後記図９参照）、それに伴って疲労特性が飛躍的に高められるので好ましい。

これに対し、ファインブランキング加工等の如くプレス切断加工を１回で済ませる手法では、工程数は低減できるものの、シェービング加工に比べると切断端面に残される加工層は相対的に厚肉となる（後記図８参照）。

そのため、最終的な断面エッジ部の剪断面比率が同様に９０％以上であっても、切断端面をシェービング加工で仕上げたものの方が、優れた疲労特性を発揮し得るものとなる。もっとも、ファインブランキング加工等で切断を行ったものであっても、該加工面の剪断面比率が９０％以上、より好ましくは９５％以上であれば、こうした剪断面比率を全く考慮に入れていない従来のトーションビームに比べると、有意に優れた疲労特性を発揮する。

なお上記断面エッジ部は、トーションビームの開放断面の全域を９０％以上の剪断面比率に高めるのが好ましいことは当然であるが、トーションビームの疲労破壊は、開放断面エッジ部のうち最も大きな捩れ変形力を受ける部位を起点として発生するので、少なくとも当該部位を含む領域の剪断面比率を９０％以上に高めておけば、本発明の目的は十分に達成される。言い換えると、上記以外の領域、すなわち使用時に受ける捩れ変形力が相対的に小さい領域については、敢えて高レベルの剪断面比率に加工する必要はなく、場合によっては打抜き断面のままで残しておいても構わない。

図１は、本発明が適用されるトーションビーム式サスペンション装置を例示する概略平面図であり、図中、１はトーションビーム、２，２はトレーリングアーム、３，３はサスペンション受皿、４，４は車輪を夫々示している。図２は、図１に示したトーションビーム１のＡ−Ａ線断面相当図であり、開放断面形状がＵ字型のものを示しているが、開放断面構造を有するものであれば、Ｕ字型以外にも例えばＶ字型など、任意の開放断面形状にすることが可能である。

いずれにしても、トーションビームをこの様な解放断面形状とすることで、車輪４，４に生じた逆ストロークの上下振動がトレーリングアーム２，２を通して作用したときには、該トーションビーム１が捩れ変形することでその振動を吸収する。そして、当該トーションビーム１に捩れ変形力がかかった時には、該トーションビーム１の断面エッジ部１Ｅ，１Ｅに大きな引張り／圧縮力が作用する。

ところでトーションビームは、前述した如く圧延鋼板を所定の寸法・形状に打抜き加工した後、Ｕ字型などにプレス形成することによって作製されるため、エッジ部は切断面のままとなっており、こうした切断面の疲労強度は非常に低い。そこで従来技術では、この様な切断面の疲労強度を高めるべく種々の工夫が施されている。

そこで本発明者らも、こうした切断端面の疲労強度改善を期して研究を進めた。先ず、この様な切断面の疲労強度を正確に評価するため、図３に示す様な寸法・形状の試験片を作製し、板面内で繰り返し曲げ／曲げ戻しをかけた時の切断面の疲労強度を評価した。この試験には、引張強度が２７０ＭＰａ級、５９０ＭＰａ級および７８０ＭＰａ級の３種の圧延鋼板（ＳＡＰＨ材；ＪＩＳ Ｇ３１１３規定の熱延鋼板、厚さ：３．２ｍｍ）を使用し、短冊状試験片の両側縁を円弧状に打抜き加工したままのものと、該円弧状打抜き加工面（全面）にシェービング加工を施して剪断面比率を９０％以上に高めたものについて、疲労強度を調べた。尚、実験条件は下記の通りとし、剪断面比率は、切断端面をＳＥＭにより２５倍の倍率で観察し、板厚方向に引いた任意の線５本における剪断面比率を平均して求めた。

実験条件：株式会社神戸製鋼所製の疲労強度試験機を使用し、周波数２０Ｈｚ、Ｒ＝−１、荷重制御にて面内曲げ疲労強度を測定した。

結果は図４（打抜き加工まま材；打抜き条件はクリアランスを０．４ｍｍとし、剪断面比率を４０〜６０％とした）および図５（シェービング加工材；シェービング条件はクリアランスを０．０２ｍｍとし、剪断面比率は、２７０ＭＰａ材を９３％、５９０ＭＰａ材を９５％、７８０ＭＰａ材を９９％とした）に示す通りであり、素材強度レベルが異なる３種の供試材の何れについても、切断面の疲労強度は素材自体の疲労強度よりも明らかに低く、その傾向は素材強度が高いほど顕著に表われている。つまり、素材の強度レベルを高めて静的強度や疲労強度を高くしても、エッジ部の疲労強度は意図するほどには向上せず、素材強度を高めても、トーションビーム式サスペンション装置の耐久性はそれほど改善されない。

そこで、トーションビーム式サスペンション装置の耐久寿命をより効果的に高めるべく鋭意研究を重ねたところ、前述した如く、切断端面の疲労強度が低い最大の原因は、切断面が粗くて加工層に引張り応力が残留していること、そしてその改善策としては、トーションビームにおける切断面エッジ部の剪断面比率を９０％以上にすればよいことが確認された。

図６は、素材強度と剪断面比率の異なる幾つかのサンプルを用いて得た疲労試験結果から、疲労強度と剪断面比率の関係を整理して示したグラフである。なお実験条件は、前記図４，５と同じ条件を採用した。剪断面比率が６０％以下であるものは、通常の打抜きままのものである。

図６からも明らかな如く、素材強度の低い２７０ＭＰａ級のものについては、剪断面比率と疲労強度の間に格別顕著な変化は認められない。ところが、素材強度が５９０ＭＰａ級および７８０ＭＰａ級の供試材の場合、剪断面比率が約７０％程度までは、該剪断面比率の上昇にも拘らず疲労強度は殆ど向上しないが、剪断面比率が９０％を超えると、剪断面比率が５０〜６０％レベルであるものの疲労強度に対して５０％を超える顕著な疲労強度の上昇が認められる。しかも、素材強度が高くなるほど、剪断面比率の上昇による疲労強度の改善効果は顕著に現れることが分る。

通常のトーションビームは、車体構造材としての安全設計上の要請もあって通常は４００ＭＰａレベル以上、好ましくは５００ＭＰａレベル以上の素材強度が求められているが、剪断面比率を高めることによる本発明の疲労強度向上効果は、上記図６の結果からも明らかな様に素材強度が高いほど顕著に現れるので、こうした観点からしても本発明は極めて実用に即したものといえる。

図７は、５９０ＭＰａ級の熱延鋼板を対象として、前記と同様の方法で通常のプレス打抜き（クリアランス；０．４ｍｍ）を行って得た従来材（剪断面比率；約５０％）と、精密打抜き（クリアランス；０．０２ｍｍ）を行って得た本発明材１（剪断面比率；約１００％）、および上記従来材にシェービング加工（クリアランス；０．０２ｍｍ）を施して得た本発明材２（剪断面比率；約１００％）について、前記図４，５と同様の方法で疲労試験を行った結果を示したものである。

この図から次の様な傾向を確認できる。まず、通常のプレス打抜き材（従来材）は、精密打抜きで剪断面比率を９０％以上に高めた本発明材１、および２次的なシェービング加工で剪断面比率を９０％以上に高めた本発明材２の何れに比べても疲労特性は明らかに低い。

しかし本発明材１，２のうち、精密打抜きで剪断面比率を高めた本発明材１は、応力が約２７０ＭＰａレベルまでの相対的に低応力側での疲労特性は従来材に比べて明らかに優れているが、３００ＭＰａを超える高応力側での疲労特性は従来材と殆んど変わりがない。これに対しシェービング加工で切断端面に仕上げ処理を施した本発明材２では、低応力側は勿論のこと、高応力側についても格段に優れた疲労特性を示している。これらの実験結果から、本発明によってもたらされる作用効果は、シェービング加工で剪断面比率を高めることによってより効果的に発揮されることを確認できる。

ちなみに図８，９は、上記図７で供試材として用いた本発明材１と本発明材２の切断端面に現れるメタルフローとミクロ組織を示す断面写真である。これらの図を対比すれば明らかな様に、両者の剪断面比率はほぼ同等であるが、本発明材１の精密打抜き材（図８）では、切断端面に加工の影響が強く現れており、表面からかなり深い位置にまで加工による素材流れが観察されるのに対し、本発明材２のシェービング加工材（図９）では、切断端面のごく僅かな深さ位置まで加工の影響が観察されるだけに過ぎない。これらの図から、同程度の剪断面比率を有するものであっても、シェービング加工材では切断端面における加工劣化部の厚さが格段に薄くなり、これが疲労特性の向上に好影響を及ぼしたものと考えられる。

図１０は、実際のトーションビーム式サスペンション装置を試作してその耐久性を評価した結果を示したグラフである。なお実験では、シェービング加工を行っていない剪断面比率が３０％のブランク材と、トーションビームの中でも最も捩り変形力が集中し易い両端から３００ｍｍまでの領域だけをシェービング加工することによって、その部分の剪断面比率を約９５％に高めたもの、および同領域に従来のコイニング処理（端面押し潰し処理）を施したものについて、繰返し荷重負荷回数と歪との関係を調べた。

図１０からも明らかな様に本発明によれば、トーションビームの所定位置に剪断面比率向上処理を施すことによって、未処理材や従来のコイニング処理剤に比べて疲労寿命を飛躍的に延長できることが分る。

本発明が適用されるトーションビーム式サスペンション装置を例示する概略平面図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面相当図である。 実験で使用した疲労特性試験片を示す説明図である。 打抜き加工まま材の繰返し負荷サイクル数と疲労強度の関係を示すグラフである。 打抜き加工材における両側円弧部の剪断面比率を９５％に高めた場合の繰返し負荷サイクル数と疲労強度の関係を示すグラフである。 素材強度レベルの異なる３種の供試材について行った剪断面比率と疲労強度の関係を示すグラフである。 ＳＡＰＨ材からなる５９０ＭＰａ級の熱延鋼板を対象とし、通常のプレス打抜き材と、本発明に係る精密打抜き材およびシェービング加工材について行った疲労試験結果を示したグラフである。 上記図７で供試材として用いた本発明材１（精密打抜き材）の切断端面に現れるメタルフローとミクロ組織を示す断面写真である。 上記図７で供試材として用いた本発明材２（シェービング加工材）の切断端面に現れるメタルフローとミクロ組織を示す断面写真である。 剪断面比率の異なる３種の供試材について行った捩り疲労試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１ トーションビーム
２ トレーリングアーム
３ サスペンション受皿
４ 車輪

Claims (3)

1. 開放断面形状を有するトーションビームを備えたトーションビーム式サスペンション装置において、トーションビームの開放断面におけるエッジ部のうち、少なくとも最も大きな捩れ変形力を受ける部位を含む領域の剪断面比率が９０％以上であることを特徴とするトーションビーム式サスペンション装置。
2. 最も大きな捩れ変形力を受ける部位を含む前記領域の剪断面比率を、シェービング加工によって９０％以上に高めたものである請求項１に記載のトーションビーム式サスペンション装置。
3. 素材強度が５００ＭＰａ級以上である請求項１または２に記載のトーションビーム式サスペンション装置。

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