JP2005306146A - Designing method for steering knuckle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ステアリングナックルの設計方法、特に、キャリパマウントを接続した時に当該キャリパマウント内のブレーキの鳴きを抑制することのできるステアリングナックルの設計方法の改良に関する。 The present invention relates to a steering knuckle design method, and more particularly to an improvement in a steering knuckle design method capable of suppressing the squealing of a brake in the caliper mount when the caliper mount is connected.
従来、車両の制動装置として用いられているディスクブレーキは、車軸と共に回転するディスクロータと、当該ディスクロータに押しつけるパッドを支持するキャリパとで構成されている。このキャリパは、キャリパマウントとしてステアリングナックルに固定されている。また、このステアリングナックルには、車軸を受ける部分、ロアアームやショックアブソーバ、タイロッド等が接続され部分が形成されている。 Conventionally, a disc brake used as a braking device for a vehicle includes a disc rotor that rotates together with an axle and a caliper that supports a pad that presses against the disc rotor. This caliper is fixed to the steering knuckle as a caliper mount. The steering knuckle is also formed with a portion for receiving an axle, a lower arm, a shock absorber, a tie rod, and the like.
ところで、車両が制動を行う場合、油圧によりパッドをディスクロータに押しつけるが、この時、パッドの状態やディスクロータの状態等により、キャリパが振動し異音、すなわち、「ブレーキ鳴き」を発生する。このブレーキ鳴きは運転者に違和感、不快感を与えるため、ブレーキ鳴きを抑制するために従来から様々な対策が講じられてきた。例えば、キャリパを支持するキャリパマウントの形状変更を行ったり、質量付加を行う等して振動抑制を行うことが考えられる。また、例えば、キャリパマウントを支持するステアリングナックル側の取付部の捻り剛性を向上させることによりブレーキ鳴きを低減する構成が提案されている。具体的には、ステアリングナックル側の複数の取付部同士を直結する補強連結部を設けることにより、ステアリングナックル側の剛性を向上させて、キャリパマウント側の振動抑制を行おうとするものである(例えば、特許文献1参照)。
しかし、キャリパマウントの形状変更や付加物の取り付けによりブレーキ鳴きを抑制しようとする場合、大きな剛性の確保が必要になる。すなわち、キャリパマウントの大きな形状変更や大きな付加物の取り付けを伴い、各部材の大型化を招く。通常、ステアリングナックルの周囲はスペース的な余裕が少なく、上述のような、キャリパマウントの形状変更や付加物の取り付けによる振動抑制は好ましくない。同様に、ステアリングナックルに補強連結部材を付加することもスペース的に好ましくない。さらに、このような形状変更や付加部材の取り付けは、キャリパマウントやステアリングナックルの設計に多くの制限を与え、設計自由度を低下させる原因になっていた。 However, when trying to suppress brake noise by changing the shape of the caliper mount or attaching an additional component, it is necessary to ensure a large rigidity. That is, a large shape change of the caliper mount and attachment of a large appendage accompany the increase in size of each member. Normally, there is little space around the steering knuckle, and the above-described vibration suppression by changing the shape of the caliper mount or attaching an additional object is not preferable. Similarly, it is not preferable in terms of space to add a reinforcing connecting member to the steering knuckle. Furthermore, such a shape change or attachment of additional members places many restrictions on the design of caliper mounts and steering knuckles, and causes a reduction in design flexibility.
そこで、本発明は、キャリパマウント側の形状変更を伴うことなく、また、ステアリングナックル側の大きな形状変更を伴うことなく、ブレーキ鳴きを低減させることのできるステアリングナックルの設計方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a steering knuckle design method capable of reducing brake noise without changing the shape of the caliper mount and without changing the shape of the steering knuckle. And
本発明は、ステアリングナックルの基本設計を行うステップと、前記ステアリングナックルに接続するキャリパマウントの振動特性を取得するステップと、前記ステアリングナックルに前記キャリパマウントを固定した固定体を形成し、キャリパマウントを前記振動特性に基づき振動させた時の前記固定体全体の振動特性をシミュレーションするステップと、前記固定体の振動特性に基づき、その振動特性のピーク値を抑制するためにステアリングナックルの形状変更を行いステアリングナックルをキャリパマウントに対しダイナミックダンパとして機能させるステップと、形状変更後の固定体の振動特性のシミュレーションと形状変更を繰り返し、固定体を所望の振動特性に落とし込むステップと、を含むことを特徴とする。 The present invention includes a step of performing a basic design of a steering knuckle, a step of obtaining vibration characteristics of a caliper mount connected to the steering knuckle, a fixed body in which the caliper mount is fixed to the steering knuckle, and forming a caliper mount. The step of simulating the vibration characteristics of the whole fixed body when vibrated based on the vibration characteristics, and the shape change of the steering knuckle to suppress the peak value of the vibration characteristics based on the vibration characteristics of the fixed body A step of causing the steering knuckle to function as a dynamic damper with respect to the caliper mount, and a step of repeatedly simulating and changing the vibration characteristics of the fixed body after the shape change, and dropping the fixed body into a desired vibration characteristic. To do.
ここで、キャリパマウントとは、キャリパの本体とマウント本体を含むものとする。また、ステアリングナックルの基本設計とは、所定の車両に要求されるステアリングナックルの形状、強度、重量等の設計を各設計条件に従って行うものとする。 Here, the caliper mount includes a caliper main body and a mount main body. Further, the basic design of the steering knuckle is a design of the shape, strength, weight, etc. of the steering knuckle required for a predetermined vehicle according to each design condition.
この構成によれば、ステアリングナックル側のみの形状変更を行うことにより、当該ステアリングナックルを積極的に振動させる。つまり、一体化されたキャリパマウント側の振動特性にステアリングナックル側の振動特性を略一致させて、ステアリングナックルをキャリパマウントに対するダイナミックダンパとして機能させる。その結果、ステアリングナックルとキャリパマウントとで構成される固定体が一体的に振動し、キャリパマウント単体での振動が抑制され、ブレーキ鳴きが低減される。 According to this configuration, the steering knuckle is actively vibrated by changing the shape only on the steering knuckle side. That is, the vibration characteristic on the steering knuckle side is substantially matched with the vibration characteristic on the integrated caliper mount side, and the steering knuckle functions as a dynamic damper for the caliper mount. As a result, the fixed body composed of the steering knuckle and the caliper mount vibrates integrally, suppressing the vibration of the caliper mount alone and reducing the brake squeal.
また、上記構成において、前記ステアリングナックルの形状変更は、肉盛りまたは肉削ぎにより行うことを特徴とする。 Further, in the above configuration, the shape change of the steering knuckle is performed by overlaying or shaving.
この構成によれば、ステアリングナックル全体を用いて、振動特性の調整を僅かな肉盛り、または肉削ぎにより行うことができる。 According to this configuration, the vibration characteristics can be adjusted by slightly building up or shaving using the entire steering knuckle.
また、上記構成において、前記ステアリングナックルは、前記肉盛りまたは肉削ぎにより、当該ステアリングナックルの突起部の振動状態を変更することを特徴とする。 In the above configuration, the steering knuckle changes the vibration state of the protrusion of the steering knuckle by the build-up or the shaving.
通常、ステアリングナックルには、例えばショックアブソーバ等を接続するための突起部が形成されている。この突起部の例えば根元部分の肉盛りや肉削ぎを行うことにより、僅かな形状変更により突起部の振動状態を大きく変更することが可能になり、振動特性を効率的に調整することができる。 Usually, the steering knuckle is formed with a projection for connecting, for example, a shock absorber. For example, by performing build-up or shaving of the root portion of the protrusion, the vibration state of the protrusion can be greatly changed by a slight change in shape, and the vibration characteristics can be adjusted efficiently.
本発明によれば、ステアリングナックルをキャリパマウントに対しダイナミックダンパとして機能させ、キャリパマウントの振動を抑制しブレーキ鳴きの低減を容易に行うことができる。 According to the present invention, the steering knuckle can be made to function as a dynamic damper with respect to the caliper mount, and the vibration of the caliper mount can be suppressed to reduce the brake squeal easily.
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)を、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態のステアリングナックル10およびディスクブレーキの一部を構成するキャリパ12を含むキャリパマウント14の概略構成図である。なお、図1は、一例としてストラット式サスペンションに使用するステアリングナックル10の概念形状を示している。ステアリングナックル10は、金属製の剛体であり、略中央に車軸を受け入れる開口部10aが形成され、開口部10aの上方にショックアブソーバを接続する突起部10b、図中右側方には、タイロッドを接続する突起部10c、下方側には、ロアアームを接続する突起部10d、左側方には、キャリパ12を含むキャリパマウント14を固定する突起部10e,10fが形成されている。なお、ショックアブソーバ、タイロッド、ロアアームと各突起部10b,10c,10dとの間には、例えばゴム製のブッシュが介在され、各接続部材に対してステアリングナックル10はフリーの状態で支持固定されるようになっている。一方、キャリパマウント14はキャリパ12とマウント本体14aとで構成され、相互に強固に固定され、さらに、マウント本体14aは介在物を介さず、ステアリングナックル10に強固に固定されている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
キャリパ12の内部には、シリンダとピストンがあり、油圧でパッドをホイールと共に回転するディスクロータ(不図示)に押さえつけることにより制動力を発生している。この制動動作の時に、パッドが振動し、さらにキャリパ12が振動することによりブレーキ鳴きが発生する。一般にブレーキ鳴きの周波数は、2〜15kHzであるが、キャリパ12やこのキャリパ12が固定されるステアリングナックル10の形状や構成によって異なる。従って、車両の構成によって、発生しやすいブレーキ鳴きの周波数帯が存在し、この周波数帯の音を抑制するような対策を施すことが望まれる。
Inside the
所定の周波数帯の音を発生させないようにするためには、音の発生源の振動を抑制することが考えられるが、前述したように、振動を抑制するために、振動部(すなわちキャリパマウント14)や振動体の支持部(すなわち、ステアリングナックル10)の剛性を向上させようとすると、部品の大型化や重量化等を伴い、今日のように小型化や軽量化が要求される車両部品においては好ましくない。
In order to prevent the sound of a predetermined frequency band from being generated, it is conceivable to suppress the vibration of the sound generation source. However, as described above, in order to suppress the vibration, the vibration part (that is, the
そこで、本実施形態では、ステアリングナックル10に対し、肉盛りや肉削ぎを行うことにより、ステアリングナックル10の振動特性を意図的に変化させ、ステアリングナックル10を積極的に振動させ、当該ステアリングナックル10をダイナミックダンパとして機能させている。ステアリングナックル10をダイナミックダンパとして機能させることにより、キャリパマウント14の振動を抑制し、結果的にブレーキ鳴きを低減させている。
Therefore, in the present embodiment, the
ステアリングナックル10の場合、前述したように、種々の部材を接続するために、複数の突起部10b〜10fが形成されている。この突起部10b〜10fは、所定の部材(ショックアブソーバ等)との接続が十分に行えればよいため、その形状の自由度は大きく、所定の強度と大きさ(所定のスペースに収まる大きさ)を有していればよい。また、各部材に対しては、ブッシュを介してフリーの状態で接続されているので、ブレーキ鳴きが発生する2〜15kHz程度の周波数でステアリングナックル10を振動させても、その周波数は車両搭乗者の乗り心地に影響を及ぼす数十〜数百Hzの周波数とは大きく離れているので、振動として認識されることはほとんどない。
In the case of the
従って、本実施形態においては、図1に示すように、例えば、ショックアブソーバを接続する突起部10bを積極的に振動させるように、肉盛りや肉削ぎ(ハッチング部16で示す)を行う。なお、一般的には、肉削ぎはステアリングナックル10の強度低下につながるおそれがあるので、ステアリングナックル10の基本形状に対しては、肉盛りで対応することが望ましい。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, for example, overlaying or shaving (indicated by the hatching portion 16) is performed so as to vibrate the
図1に示すように例えば、ステアリングナックル10の突起部10bの根元に肉盛りを施した結果、突起部10bが曲がり始めたとすると、その反力により例えば突起部10dが曲がり、ステアリングナックル10が曲げモードに移行しステアリングナックル10全体が振動を始める。このとき、例えば、ステアリングナックル10の曲げ・捻り共振をキャリパマウント14の捻り共振周波数と同じにするようにステアリングナックル10の肉盛りや肉削ぎ(形状変更)を行うことにより、ステアリングナックル10をダイナミックダンパとして機能させ、キャリパマウント14の振動を抑制することが可能になり、キャリパマウント14の振動に起因するブレーキ鳴きを低減、防止することができる。
As shown in FIG. 1, for example, if the
なお、上述のように突起部10b等の根元部分の肉盛りや肉削ぎを行うことにより、僅かな形状変更により突起部10b等の振動状態を大きく変更することが可能になり、振動特性を効率的に調整することができる。
In addition, as described above, it is possible to greatly change the vibration state of the
以下、図2のフローチャートを用いて、具体的なステアリングナックル10の設計方法を説明する。なお、本実施形態では、ステアリングナックル10の設計をコンピュータ上で3Dモデルとしてコンピュータ支援エンジニアリング(CAE)による例を説明する。
Hereinafter, a specific method for designing the
設計者は、まず、ステアリングナックル10の基本設計を行う(S100)。ここで、ステアリングナックル10の基本設計とは、ステアリングナックル10の形状、強度、重量等の決定を、所定の車両に搭載するための設計条件に基づいて行う。続いて、基本設計を完了したステアリングナックル10に適応するキャリパマウント14(キャリパ12を含む)の形状等のデータを取得すると共に(S101)、その振動特性を取得する(S102)。キャリパ12は使用するディスクブレーキ等の種類に応じて形状等が異なる。従って、キャリパ12を含むキャリパマウント14の振動特性も個々に異なる。そのため、キャリパ12を含むキャリパマウント14の形状データ、振動特性等は、予めデータ作成や振動解析を行っておき、それを読み込んでもよいし、この場で作成、解析を行ってもよい。なお、振動の解析には、例えば有限要素法を用いた解析手法等を用いることができる。
The designer first performs basic design of the steering knuckle 10 (S100). Here, the basic design of the
次に、基本設計を行ったステアリングナックル10にキャリパ12を含むキャリパマウント14を固定した固定体18(図1参照)を3D画面上で形成する(S103)。続いて、ステップ(S102)で取得したキャリパマウント14の振動特性データに基づいて、固定体18を構成するキャリパマウント14を振動させ、固定体18全体としての振動特性のシミュレーションを行う(S104)。この場合、例えば、図3(a)に示すような共振波形の分布が得られる。図3(a)においては、ピーク値Pの周波数において、ブレーキ鳴きが最も顕著に現れることになる(S105)。
Next, a fixed body 18 (see FIG. 1) in which the
もし、ブレーキ鳴きが存在する場合(S105のY)、その周波数のピーク値をステアリングナックル10全体をダイナミックダンパとして機能させて、ブレーキ鳴きを低減するために、ステアリングナックル10の形状変更を行う。具体的には、図1に示すように突起部10b等の周辺に肉盛り(必要に応じて肉削ぎ)を行う(S106)。ステアリングナックル10の振動状態は、その形状によって変化するため、ステップ(S104)に移行し、形状変更後の固定体18の振動特性のシミュレーションを再度行う。
If the brake squeal exists (Y in S105), the shape of the
もし、ステアリングナックル10の形状変更により、キャリパマウント14の捻り共振周波数とステアリングナックル10の捻り共振周波数とが一致した場合、キャリパマウント14とステアリングナックル10とが一体として振動を開始する。つまり、ステアリングナックル10がキャリパマウント14に対してダイナミックダンパとして機能し始め、キャリパマウント14単独の振動が停止しブレーキ鳴きの抑制が可能となる。図3(b)には、ステアリングナックル10をダイナミックダンパとして機能させた結果、ピーク値Pにおける周波数が低下し、その周波数におけるブレーキ鳴きが抑制される状態が視されている。もし、ステアリングナックル10の形状変更を行ってもキャリパマウント14の捻り共振周波数とステアリングナックル10の捻り共振周波数とが一致せず、特定周波数のピークが顕著に存在する場合、つまりブレーキ鳴きがなおも存在する場合(S105のY)再度、ステップ(S106)及びそれ以降のステップを繰り返す。
If the torsional resonance frequency of the
このように、所望の周波数のブレーキ鳴きが抑制された場合(S105のN)、ステアリングナックル10の形状を確定し(S107)、一連のステアリングナックル10の設計を終了する。
As described above, when brake squealing at a desired frequency is suppressed (N in S105), the shape of the
このようなステアリングナックル10の設計方法を採用することにより、ステアリングナックル10をキャリパマウント14に対しダイナミックダンパとして機能させ、キャリパマウント14の振動を抑制しブレーキ鳴きを効果的かつ容易に低減することができる。
By adopting such a design method of the
なお、ブレーキ鳴きは、一般に、パッドとディスクローターの当たり具合、使用状況等により発生する周波数が異なるが、キャリパマウント14とステアリングナックル10との組み合わせにより最も発生しやすいブレーキ鳴きの周波数は特定できる。そのため、本実施形態のステアリングナックル10の設計手法を用いることにより、最も顕著に発生しているブレーキ鳴きの抑制を行うことが可能となる。
In general, the frequency of the brake squeal differs depending on the contact condition between the pad and the disk rotor, the usage situation, etc., but the frequency of the brake squeal that is most likely to occur can be specified by the combination of the
本実施形態においては、ステアリングナックル10の一例として、ストラット式サスペンションに使用するステアリングナックルを示したが、ステアリングナックルの形状変更を行い、その捻り共振周波数を取り付けるキャリパマウントの捻り共振周波数と一致させことにより、ステアリングナックルをダイナミックダンパとして使用するものであれば、ステアリングナックルの形状や、その形状変更を行う部分、形状変更の方法等は任意であり、本実施形態と同様な効果を得ることができる。また、ダブルダブルウィッシュボーン式のサスペンションに使用するステアリングナックルの場合も、本実施形態と同様に、ステアリングナックルがダイナミックダンパとなるように形状変更を行うことにより同様な効果を得ることができる。
In the present embodiment, a steering knuckle used for a strut suspension is shown as an example of the
また、ステアリングナックルの形状変更は、肉盛り、肉削ぎに限定されることなく、例えば曲げ等により行うこともできる。 Further, the shape change of the steering knuckle is not limited to the build-up and the shaving, but can be performed by, for example, bending.
10 ステアリングナックル、10a 開口部、10b,10c,10d,10e,10f 突起部、12 キャリパ、14 キャリパマウント、14a マウント本体、16 ハッチング部、18 固定体、P ピーク値。 10 Steering knuckle, 10a Opening part, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f Protrusion part, 12 caliper, 14 caliper mount, 14a mount body, 16 hatching part, 18 fixed body, P peak value.
Claims (3)
前記ステアリングナックルに接続するキャリパマウントの振動特性を取得するステップと、
前記ステアリングナックルに前記キャリパマウントを固定した固定体を形成し、キャリパマウントを前記振動特性に基づき振動させた時の前記固定体全体の振動特性をシミュレーションするステップと、
前記固定体の振動特性に基づき、その振動特性のピーク値を抑制するためにステアリングナックルの形状変更を行いステアリングナックルをキャリパマウントに対しダイナミックダンパとして機能させるステップと、
形状変更後の固定体の振動特性のシミュレーションと形状変更を繰り返し、固定体を所望の振動特性に落とし込むステップと、
を含むことを特徴とするステアリングナックルの設計方法。 Steps for basic steering knuckle design,
Obtaining vibration characteristics of a caliper mount connected to the steering knuckle;
Forming a fixed body in which the caliper mount is fixed to the steering knuckle, and simulating vibration characteristics of the entire fixed body when the caliper mount is vibrated based on the vibration characteristics;
Based on the vibration characteristics of the stationary body, changing the shape of the steering knuckle to suppress the peak value of the vibration characteristics and causing the steering knuckle to function as a dynamic damper with respect to the caliper mount;
Repeating the simulation and shape change of the vibration characteristics of the fixed body after the shape change, and dropping the fixed body into the desired vibration characteristics;
A method for designing a steering knuckle characterized by comprising:
The steering knuckle design method according to claim 2, wherein the steering knuckle changes a vibration state of a protrusion of the steering knuckle by the build-up or shaving.
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JP2004124115A JP2005306146A (en) | 2004-04-20 | 2004-04-20 | Designing method for steering knuckle |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010139012A (en) * | 2008-12-12 | 2010-06-24 | Toyota Motor Corp | Brake caliper coupling structure, and controller for vehicle suspension device |
JP2019142270A (en) * | 2018-02-16 | 2019-08-29 | トヨタ自動車株式会社 | Steering knuckle design method |
-
2004
- 2004-04-20 JP JP2004124115A patent/JP2005306146A/en active Pending
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