JP2010534163A - 自動車の後輪サスペンション用管状トーションビーム及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は管状トーションビームにのロール剛性及びロール強度を同時に向上させることができる耐久設計によって製造された自動車の後輪サスペンション用管状トーションビームを提供する。前記管状トーシヨンビームは、管状鋼材をハイドロフォーミング方式によって全長にわたって相異なる形状に加圧成形することにより、トレイリングアームに閉断面を成して結合される両端部と、Ｖ字形の開放断面を成す中央部と、断面が変化しながら前記両端部と中央部を連結する転移部とを含む。この管状トーションビームの製造工程において、ハイドロフォーミング装置のアキシャルパンチを利用して前記管状鋼材の両端をフィードすることにより、前記両端部の厚さが前記中央部に比べて増加するようにする。

Description

本発明は一般的に自動車の後輪サスペンション用管状トーションビーム及びその製造方法に係り、より詳細するようにハイドロフォーミング方式を利用して優れたロール剛性（Ｒｏｌｌ Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）とロール強度（Ｒｏｌｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を持つ最適形状の管状トーションビームの提供に関する。

自動車のサスペンション（Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）は、走行時に発生する路面の衝撃が車体や搭乗者に伝達しないようにする構造装置で、路面の衝撃を緩和して乗り心地を向上させる一方、走行時に路面の接地力に対する操縦安全性を高めるように設計しなければならない。また、継続的な路面の衝撃にも一定の剛性と持続的な耐久性能を維持するように設計しなければならない。サスペンションの変形やクラックは車両の走行安全性に致命的な悪影響を及ぼすので、耐久設計がサスペンションの機能設計において重要な部分を占める。

特に、小型車の後輪サスペンションとして主に使われるトーションビームサスペンションはトーションビームに継続的なねじり荷重が作用するので、トーションビームの安定的な耐久設計が必要である。このようなトーションビームサスペンションにおいて、トーションビームの断面形状は耐久性能に重要な役目をする。トーションビームの断面形状は車両の特性によって多様な設計が可能であるが、断面形状は設計初期に車両のロール剛性及びロール強度に関連して決めなければならないので、これに対する綿密な検討が必要である。

言い換えれば、トーションビームは左側車輪輪と右側車輪輪を連結するので、車両の走行時に後輪サスペンションの全体剛性を維持し動力学的特性を決めるのに重要な構成要素である。したがって、トーションビームは左側車輪と右側車輪が逆方向運動をするときに発生するねじり変形や曲げ変形に対して車両の重量に適切なロール剛性を持つように設計しなければならないだけでなく、垂直応力とせん断応力が集中するので、適切なロール強度を持つように設計しなければならないし、走行による疲労を考慮して疲労抵抗を維持するように設計しなければならない。

従来の板状トーションビームが装着されたサスペンションを示す図１を参照して一般的なトーションビームサスペンションの構成及び問題点について簡単に説明する。小型自動車の後輪サスペンションに主に使われるトーションビームサスペンションは、左右一対のトレイリングアーム２が板状トーションビーム３によって互いに連結され、前記トレイリングアーム２の前端部にはラバーブッシュが装着されたブッシュスリーブ１が車体にピボット方式で結合される。また、前記トレイリングアーム２の後端部の内側には、懸架スプリングが装着されるスプリングシート４とショックアブソーバが装着されるダンパーブラケット５が設置され、トレイリングアーム２の後端部の外側には、自動車の後輪を結合させるために、ホイールキャリア６とスピンドルプレート７が設置される。前記ブッシュスリーブ１、トレイリングアーム２、スプリングシート４、ダンパーブラケット５、ホイールキャリア６及びスピンドルプレート７はトーションビームサスペンションを構成する基本構成要素である。

従来の板状トーションビーム３は、４〜６ｍｍ程度の厚い鉄板を用いて、⊃、⊂、∧、＜、＞などの開放断面を有するように加圧成形される。このように開放断面を持つ板状トーションビーム３はねじり変形や曲げ変形に対する剛性及び耐久強度が不足であるので、これを補強するために、トーションバー８とともに付加の補強材をさらに設置しなければならなかった。その結果、部品数が増加し、組立工数が増え、最終製品の重量の増加する問題点があった。

前述した板状トーションビーム３の問題点を解決するために、最近には管状トーションビームが装着されたサスペンションが主に使われている。図２にその一形態が示されている。ここで、ブッシュスリーブ１、トレイリングアーム２、スプリングシート４、ダンパーブラケット５、ホイールキャリア６及びスピンドルプレート７はトーションビームサスペンションの基本構成要素として使われている。

前記管状トーションビーム１０は、円形断面を持つ管状鋼材が全長にわたって相異なる形状を持つように成形されることにより、後輪サスペンション用トレイリングアーム２に三角形、四角形、円形などの閉断面を持って結合される両端部１１と、Ｖ字形に形成され、第１半円面部１３ａが第２半円面部１３ｂに密着し、一側が開放した開放断面を成す中央部１３と、断面の大きさが変化しながら前記両端部１１と中央部１３を自然に連結する転移部１２とから構成される。前記中央部１３は、正確に説明すれば、Ｖ字形の両端に少しの閉断面が形成されているが、全体的に前記第１半円面部１３ａと第２半円面部１３ｂが密着しているので、開放断面をなすものとしてみなす。

図２には前記両端部１１が丸い角を持つ直四角形として示されているが、これに限定されなく、車種によって、三角形、四角形、円形などの閉断面を持つ色々の形態が使われることができる。このように構成された管状トーションビーム１０は、開放断面だけでなる板状トーションビーム３に比べ、ねじり変形及び曲げ変形に対する剛性及び耐久強度に優れているので、付加の補強材なしにそのまま使われることができる。

前記のように、管状トーションビーム１０は全長にわたって相異なる形状を持つように成形される。このような成形方法としては、一般のプレス方式とハイドロフォーミング方式が使われている。前記一般のプレス方式は大韓民国登録特許第５５４３１０号（特許文献１）に開示されている。図３を参照してこれを簡単に説明する。

まず、閉断面を成す両端部、断面が変化する転移部、Ｖ字形の開放断面を成す中央部に当たるように製作された上下部金型２１、２２の間に管状鋼材を供給した後、上下部パッド金型２３、２４を作動させて、閉断面を持つ両端部を加圧成形する［図３の（ａ）］。その後、油圧シリンダー２６を作動させて左右コア２７を管状鋼材の両端部に挿入した後、上下部金型２１、２２を作動させて転移部及び中央部を加圧成形することで、管状トーションビーム２０を最終に完成する［図３の（ｂ）］。その後、上部金型２１を上昇させた後、プッシュロッド２５で管状トーションビーム２０を下部金型２２から除去する。

しかし、一般のプレス方式はコアを使う複合金型技術が要求されるだけでなく、精度が低くて正確な断面形状及び均一な厚さを得にくいため、不良率が多少高い問題点があった。

このような一般のプレス方式の問題点を解決するために、最近にはハイドロフォーミング方式がたくさん使われている。大韓民国公開特許第２００４−１１０２４７号（特許文献２）にはハイドロフォーミング方式についての詳細な内容が開示されている。図４を参照してこれを簡単に紹介すれば、管状鋼材を下部金型３２に供給した後、上下部金型３１、３２をガイド金型３３の間で作動させることで、四角形の閉断面を持つ両端部を先に加圧成形する［図４の（ａ）、（ｂ）］。その後、管状鋼材の長手方向に作動するマンドレルユニットに装着された楕円形アキシャルパンチ（Ａｘｉａｌ ｐｕｎｃｈ）３６を前進させて鋼材の両端部をシールした後、アキシャルパンチ３６の中央に形成された孔を通じて作動油を供給して管状鋼材の内部を満たすことで内部壁面を加圧する。この状態で、上下部パンチ３４、３５を作動させて管状トーションビーム３０の中央部と転移部を加圧成形する［図４の（ｃ）］。

このようなハイドロフォーミング方式によれば、前記作動油によってトーションビームの内壁全体にわたっていつも均一な内圧が加わるので、精密な形状及び厚さ制御が可能であるので、一般のプレス方式より不良率を大きく減少させることができる。したがって、現在、このハイドロフォーミング方式によって管状トーションビームを製作する技術についての多様な研究がなされている。

大韓民国登録特許第５５４３１０号 大韓民国公開特許第２００４−１１０２４７号

車両の安全性が重要視されるにつれて、管状トーションビームに対してより高い耐久設計が要求されている。これまでは単に高強度の素材を使うか素材全体の厚さを増加させる方法で耐久設計を行って来た。しかし、高強度の素材を使えば成形性が低下し、素材全体の厚さを増加させれば車体重量が増加するので、このような耐久設計には限界があった。

したがって、本発明はこのような問題点を解決するためになされてもので、ハイドロフォーミング方式を利用して、全長にわたって断面が変化する管状トーションビームにおいて応力が集中する部位を補強することができる最適の形状を提供することにより、より優れた耐久性を持つ自動車の後輪サスペンション用管状トーションビーム及びその製造方法を提供しようとする。

前記目的を達成するために、本発明は、管状鋼材をハイドロフォーミング方式で全長にわたって相異なる形状に加圧成形することにより、トレイリングアームに閉断面を成して結合される両端部と、Ｖ字形の開放断面を成す中央部と、断面が変化しながら前記両端部と中央部を連結する転移部とを含んでなるトーションビームにおいて、ハイドロフォーミング装置のアキシャルパンチを利用して前記管状鋼材の両端をフィードすることで前記両端部の厚さを前記中央部に比べて増加するようにする自動車の後輪サスペンション用管状トーションビーム及びその製造方法を提供する。

一面において、前記中央部と転移部の間に傾いた形態のオフセット部（ｏｆｆｓｅｔ）が形成されて、前記転移部及び両端部が中央部に比べて外方に拡大されるように形成できる。
他の面において、各転移部の表面にはビードが形成できる。

このように構成された本発明による自動車の後輪サスペンション用管状トーションビーム及びその製造方法は、管状トーションビームにおいて応力が集中する部位に厚さを増加させるか、オフセット部またはビードを形成してロール剛性及びロール強度を増加させることでより優れた耐久性を持つようにする。

本発明の前記及び他の目的、特徴及び他の利点は添付図面を参照する以降の詳細な説明からより明らかに理解可能である。

図１は板状トーションビームが装着された自動車の後輪サスペンションの斜視図である。 図２は従来の管状トーションビームが装着された自動車の後輪サスペンションの斜視図である。 図３は従来技術の一実施例による従来の管状トーションビームの製造方法を示す図である。 図４は従来技術の他の実施例による従来の管状トーションビームのさらに他の製造方法を示す図である。 図５はトーションビームの有限要素モデリングを例示した斜視図である。 図６はトーションビームの有限要素モデリングによる応力集中現象を示す図である。 図７は本発明の実施例による管状トーションビームの構成を示す斜視図である。 図８は本発明の他の実施例による管状トーションビームの構成を示す斜視図である。 図９は本発明によるプレフォーミング装置を示す図である。 図１０は本発明によるハイドロフォーミング装置を示す図である。 図１１は本発明によるハイドロフォーミング装置のアキシャルパンチを示す図である。 図１２は図８のアキシャルパンチを利用した管状トーションビームの製造方法を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明による自動車の後輪サスペンション用管状トーションビーム及びその製造方法についてより詳細に説明する。

本発明者は管状トーションビームの耐久設計のために有限要素モデリングを使った。有限要素モデリングは解決しようとする問題の物理的現象を把握し、これを数学的モデルの概念が含まれた有限要素に分割して仮想実験を行うことにより実際に起こる物理的変化を解釈し出す方法である。

サスペンションの耐久設計のための有限要素モデリング方法は次のようである。リンクシステムはビーム要素でモデリングし、タイヤ、ホイール及びブレーキは質量と慣性特性を考慮して集中質量要素でモデリングする。懸架スプリングとショックアブソーバーは最大減衰係数に対する等価減衰剛性（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｄａｍｐｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）を鑑みた線形剛性スプリング要素でモデリングしてサスペンションの実際挙動に近くなるようにする。

ブッシュは実験によって求められた線形剛性値を考慮して連結部の二つの節点の間に線形剛性スプリング要素でモデリングする。また、ブッシュによってブッシュスリーブと車体が連結される部位は、荷重が全般的にうまく分布できるように、ビーム要素を利用して実際連結される部位の節点全体にわたって連結する。荷重の直接的な作用による部品の変形によって懸架の挙動特性に影響を与えるナックル、トレイリングアーム、及びトーションビームのような構造部品は固体要素またはシェル要素でモデリングする。

図５は本発明によるトーションビームサスペンションの耐久設計のために有限要素モデリングによって板状トーションビーム３と管状トーションビーム１０のサスペンションに対するロール剛性（Ｒｏｌｌ Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）及びロール強度（Ｒｏｌｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を算出する方法を示す。トーションビームサスペンションを構成するブッシュスリーブ１、トレイリングアーム２、トーションビーム３、１０、スプリングシート４、ダンパーブラケット５、ホイールキャリア６及びスピンドルプレート７は前記サスペンションのモデリング方法によって該当の有限要素に分割される。

ついで、ブッシュスリーブ１を固定点（I）（Ｆｉｘｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）とし、両側スピンドルプレート７間の中心線に対して垂直方向に１°ローリング（II）（Ｚ＝１２．９６ｍｍ）を加えた拘束条件下で各節点での反力を計算してロール剛性を算出する［図５の（ａ）］。ついで、ブッシュスリーブ１を固定点（I）として両側スピンドルプレート７間の中心線に対して垂直方向に４°ローリング（III）（Ｚ＝５１．９２ｍｍ）を加えた拘束条件下でトーションビームに加わる応力分布をよく調べることによりロール強度を算出する［図５の（ｂ）］。

図５の（ａ）には板状トーションビーム３を持つサスペンションにおいてロール剛性算出方式について示されており、図５の（ｂ）には管状トーションビーム１０を持つサスペンションにおいてロール強度算出方式について示されているが、有限要素モデリングによってそれぞれの板状トーションビーム３及び管状トーションビーム１０に対してロール剛性とロール強度を共に算出する。この際、管状トーションビーム１０に対してはその厚さを２．６〜３．０ｍｍに変化させながらそれぞれのロール剛性とロール強度を測定したところ、その結果は下記の表１のようである。

前記表１に示すように、管状トーションビームを使用する場合、板状トーションビームより小さな厚さ（小重量）でも高いロール剛性を示す。例えば、６．０ｍｍの板状トーションビームを使用する場合、１９．７２ｋｇ重量で２２７Ｎｍ／ｄｅｇのロール剛性を示すが、２．６ｍｍの管状トーションビームを使えば、１７．５７ｋｇ重量でも４９６Ｎｍ／ｄｅｇの高いロール剛性を持つ。したがって、管状トーションビームを使えば、全重量を減少させながらもっと優れた耐久設計が可能なので、最近トーションビームサスペンションとして主に使われているものである。

一方、管状トーションビームは板状トーションビームに比べてロール強度が高い。ロール強度はトーションビームに加わる最大応力を示すもので、その値が低いほど耐久性が優秀である。なぜならば、トーションビームにかかる最大応力が素材の降伏応力を超えると、走行中に塑性変形が生じて耐久性に致命的な影響を及ぼすからである。したがって、ロール強度は素材の降伏応力より最大限低く設計しなければならない。

従来は、管状トーションビームの高いロール強度を減少させるために、素材の厚さを増加させるか降伏応力の高い高強度素材を使ったが、両方とも効果的な解決方案になることができなかった。何故ならば、素材の厚さを増加させれば、トーションビームの全重量が増加して走行性能が低下し、高強度素材を使えば加工が成形性が低下するからである。

本発明者はこのような点を考慮して、従来と同じ素材を使いながらも管状トーションビームのロール強度を効果的に減少させることができる方法を研究した。管状トーションビームのロール強度が高くなるのは、その長手方向に形状の変化が多くて応力が集中する部位が発生するからである。このような事実は有限要素モデリングによって得た管状トーションビームの応力分布を示す図６から明らかに確認することができる。図６に示すように、管状トーションビーム１０の場合、中央部より両端部に行くほど応力が高くなり、特にＶ字形の開放断面から閉断面に変化する転移部の下端に最大応力（ロール強度）が作用する。

本発明の第１実施例によれば、前記応力分布結果に基づいて、管状トーションビームのロール剛性を増加させる一方、ロール強度を減少させることで、全体的に優れた耐久性を有することができる新しい耐久設計を提供する。

より詳細に説明すれば、図７の（ａ）に示すように、管状トーションビーム１０においてロール強度が高い両端部１１の厚さ（Ｔ）を中央部の厚さ（ｔ）より大きく増加させ、図７の（ｂ）に示すように、最大応力がかかる転移部１２の表面にはビード（ｂｅａｄ）１４をさらに形成した。前記ビード１４は最大応力が加わる転移部１２にだけ形成されることもでき、好ましくは転移部１２から両端部１１まで伸びるように形成されることもできる。

新しい耐久設計による効果を測定するために、２．６ｍｍの厚さを持つ素材を使って両端部１１の厚さを２．６０〜３．９０ｍｍに変化させ、転移部の表面にビードを形成したものと形成しなかったものに区分し、それぞれのロール剛性及びロール強度を測定したところ、その結果は下記表２のようである。

前記表２に示すように、管状トーションビームの両端部と中央部の厚さをいずれも２．６ｍｍにし、転移部の表面にビードを形成しない場合には、言い換えれば、本発明による新しい耐久設計が適用されない場合には、ロール剛性が３４２Ｎｍ／ｄｅｇで、ロール強度は３９０ＭＰａである［参考のため、前記表１に開示された厚さ２．６ｍｍの管状トーションビームと比較するとき、ロール剛性及びロール強度値が相異なることは形状最適化（Ｓｈａｐｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）の結果によるものである］。

この状態で両端部の厚さを３．９０ｍｍまで増加させれば、ロール剛性は４３０Ｎｍ／ｄｅｇに増加してロール強度は３５０Ｍｐａに減少する。すなわち、本発明の耐久設計によって管状トーションビームの両端部の厚さを中央部に比べて増加させれば、ロール剛性は増加するがロール強度は減少して、トーションビームの耐久性が全体的に向上する。

また、転移部の表面にビードを形成した状態で両端部の厚さを３．９０ｍｍまで増加させれば、ロール剛性はビードがない場合に比べ、同じ厚さでより大きい値を示す。ただ、ロール強度の場合には、両端部の厚さが３．１２ｍｍまで増加させるまではビードがない場合より減少するが、両端部の厚さが３．３８ｍｍ以上である場合には、ビードがない場合よりもむしろ増加した。その理由は、管状トーションビームの中央部と両端部の厚さ差が所定の値以上になればビードに応力が集中するからであると判断される。

より詳細には、前記両端部の厚さは中央部の厚さより１．２〜１．５倍増加することが好ましい。前記表２に示すように、管状トーションビームの両端部の厚さを中央部の厚さ（２．６ｍｍ）に比べて１．１倍（２．８６ｍｍ）、１．２倍（３．１２ｍｍ）、１．３倍（３．３８ｍｍ）、１．４倍（３．６４ｍｍ）、１．５倍（３．９０ｍｍ）に増加させながら実験した結果、いずれの場合もロール剛性及びロール強度の面で向上した結果を示した。

しかし、前記１．１倍（２．８６ｍｍ）の場合、改善効果があまり高くなく、１．６倍（データなし）の場合には、ハイドロフォーミング装置のアキシャルパンチをフィードさせる長さがあまり大きくなって管状鋼材の両端部にしわが発生する問題点が発生した。前記アキシャルパンチのフィード長さを含むハイドロフォーミングの方法については図９〜図１２を参照して後述する。

一方、前記転移部１２の表面に形成されたビード１４は、高さ３５ｍｍ、幅１２５ｍｍ及び長さ５５０ｍｍを超えない突条状に形成され、その曲率半径が前記管状鋼材の厚さの２．２倍以上になるように形成されるとき、最適の耐久性向上効果を奏する。すなわち、前記ビード１４の高さが３５ｍｍを超えるか幅が１２５ｍｍを超えるか長さが５５０ｍｍを超えると、ビード１４が応力集中点として作用して耐久性を低下させる。また、ビード１４の曲率半径が管状鋼材の厚さの２．２倍より小さければ、ビード１４があまり尖るので、ハイドロフォーミングによってビードの形状を正確に加工することができなくなる。

以上の結果を総合して見れば、本発明の新しい耐久設計によって管状トーションビームの両端部の厚さを中央部に比べて増加させれば、ロール剛性は増加するとともにロール強度は減少して、全体としての耐久性が大きく向上する。そして、転移部の表面にビードを形成すれば、ロール剛性は一層増加する一方、ロール強度は中央部と両端部の厚さ差によって減少したり増加したりする。結論として、管状トーションビームの耐久設計において、両端部の厚さを中央部に比べて増加させ、両端部と中央部の厚さ差を考慮して転移部にビードをさらに形成すれば優れたロール剛性とロール強度を同時に果たすことができるので、最適の耐久性を表すことができる。

一方、本発明の第２実施例によれば、図６に示すように、管状トーションビーム１０において最大応力（ロール強度）がかかる転移部の下端を補強して耐久性を向上させることができる新しい耐久設計を提供する。

より詳細に説明すれば、図８に示すように、管状鋼材がハイドロフォーミング方式によって全長にわたって相異なる形状に加圧成形されることにより、トレイリングアーム２に閉断面を成して結合される両端部１１と、Ｖ字形の開放断面を成す中央部１３と、断面が変化しながら前記両端部と中央部を連結する転移部１２とから構成されたトーションビーム１０において、前記中央部１３と転移部１２の間に傾いた形態のオフセット部（ｏｆｆｓｅｔ）１５が形成されて、前記転移部１２及び両端部１１が中央部１３に比べて外方に拡大されるように形成される。

このように、管状トーションビーム１０において最大応力がかかる転移部１２に傾いた形態のオフセット部１５が形成されれば、転移部１２及び両端部１１の閉断面積が増加することになり、この断面積の増加に比例して曲げ剛性も増加するので、全体的にトーションビームの耐久性が向上する。前記オフセット部１５が直角になるように形成されれば応力集中点として作用するため、オフセット部１５は傾いた形態に形成されることが好ましい。

また、前記オフセット部１５による円周の増加量は初期管状鋼材の円周の３５％以内であり、前記オフセット部による中央部１３と転移部１２間の高差は５０ｍｍ以内になるようにすることが好ましい。

本発明のハイドロフォーミング方法によれば、金型内に高圧の作動油を供給して前記管状鋼材の内面を加圧、膨脹させることで、全長にわたって相異なる形状を持つ管状トーションビームを成形することになる。したがって、一定厚さを持つ管状鋼材にオフセット部１５を形成して転移部１２と両端部１３のみを膨脹させるのには製造上の限界があるので、その以下に制御しなければならない。すなわち、前記オフセット部１５による円周の増加量が初期管状鋼材の円周の３５％を超え、前記オフセット部１５による中央部１３と転移部１２間の高差が５０ｍｍを超えれば、オフセット部１５が形成される部位に破断が発生することになる。

以下、図９〜図１２を参照して本発明による自動車の後輪サスペンション用管状トーションビームの製造方法について詳細に説明する。

本発明の第１実施例による製造方法は、円形断面を持つ管状鋼材をハイドロフォーミングの金型に装着させるために予備成形を行うプレフォーミングステップ；前記プレフォーミングされた管状鋼材をハイドロフォーミングの下部金型に装着させ、上部金型を下降させて全体金型を閉めるハイドロフォーミング準備ステップ；及び、前記金型の両側に設置されたアキシャルパンチによって金型の内部を密閉させた後、作動油を供給して前記管状鋼材の内面を加圧することで、トレイリングアームに閉断面を成して結合される両端部、Ｖ字形の開放断面を成す中央部、断面が変化しながら前記両端部と中央部を連結する転移部とから構成されたトーションビームを最終成形すると同時に、前記アキシャルパンチを利用して管状鋼材の両端をフィードすることで、前記両端部の厚さが前記中央部に比べて増加するようにするハイドロフォーミングステップ；を含む。

プレフォーミング装置を示す図９を参照して前記プレフォーミングステップを詳細に説明する。

まず、プレフォーミング装置４０は一般的なプレス装置で、固定ベース４１上に下部金型４２が固定設置され、この下部金型４２の上面には管状トーションビームのＶ字形凹部を成形する下部パンチ４３が装着され、下部金型４２の両側には上部金型４５が下降して閉まった場合に管状鋼材が搖れないように固定するホルダ４４が形成されている。また、前記下部金型４２上には上部金型４５がそれぞれの角部に設置されたシリンダー部４６によって上下に一定距離を移動するように設置される。前記上部金型４５の下面には管状トーションビームのＶ字形突部を成形するための凹部が形成されている。

前記のように構成されたプレフォーミング装置を使って、円形断面を持つ管状鋼材をハイドロフォーミングの金型に装着させるために予備成形を実施する。後述するように、ハイドロフォーミング装置は金型内に高圧の作動油を供給して前記管状鋼材の内面を加圧、膨脹させる装置なので、成形範囲に限界があるため円形の断面を持つ管状素材を一度に最終形状に成形することができない。また、ハイドロフォーミング装置の上下部金型には管状トーションビームの最終形状によって屈曲表面が多いため、円形断面を持つ管状鋼材を上下部金型上に搖れないように装着させることができない。このような理由で、本発明ではハイドロフォーミングステップに先立ち、管状トーションビームの最終形状に近くなるように予備成形を実施する。

ハイドロフォーミング装置を示す図１０を参照して前記ハイドロフォーミング準備ステップ及びハイドロフォーミングステップを詳細に説明する。

まず、ハイドロフォーミング装置５０は、固定ベース５１上に下部金型５２が固定設置され、この下部金型５２の上面にはプレフォーミングされた管状鋼材１０ａが装着され、Ｖ字形の凹部を最終に成形するための突出部が形成されている。前記下部金型３２上には上部金型５３が上下に一定距離を移動するように設置され、その下面にはＶ字形の突部を最終に成形するための突出部が形成されている。また、前記上下部金型５２、５３の一側には液圧が漏れないように金型を密閉させるアキシャルパンチ６０と、このアキシャルパンチ６０を前進させて管状鋼材をフィードする油圧アキシャルシリンダー５４が設置される。前記アキシャルパンチ６０の具体的な構成及び作用は図１１及び図１２を参照して後述する。

前記のように構成されたプレフォーミング装置を使用して、まず前記プレフォーミングされた管状鋼材１０ａをハイドロフォーミングの下部金型５２に装着させ、上部金型５３を下降させて全体金型を閉める。この際、上部金型５３は、プレフォーミングされた管状鋼材１０ａに高圧がかかる場合に金型が持ち上げられないように高いプレス荷重が加わる（ハイドロフォーミング準備ステップ）。

その後、前記金型の両側に設置されたアキシャルパンチによって金型の内部を密閉させた後、作動油を供給して前記プレフォーミングされた管状鋼材１０ａの内面を加圧することで、トレイリングアームに閉断面を成して結合される両端部１１、Ｖ字形の開放断面を成す中央部１３、及び断面が変化しながら前記両端部と中央部を連結する転移部１２から構成されたトーションビームを最終に成形すると同時に、前記アキシャルパンチ６０を利用して、プレフォーミングされた管状鋼材１０ａの両端をフィードすることにより、前記両端部１１の厚さが前記中央部１３の厚さより増加するようにする（ハイドロフォーミングステップ）。

以下、管状トーションビームの両端部の厚さを増加させる方法についてより詳細に説明する。従来に使って来た一般的なプレス方法は精密な形状制御が難しくて管状トーションビームの両端部の厚さのみを増加させることが難しかった。それで、本発明者はハイドロフォーミング装置のアキシャルパンチを利用して管状トーションビームの両端部の厚さのみを増加させる方法を新たに開発した。

このときに使われるアキシャルパンチ６０は、図１１に示すように、本体の前方にシリンダーロッド６１が設置され、その両側に支持バー６２が設置される。前記シリンダーロッド６１にはパンチ部６３が装着され、本体の内部に設置されたシリンダーによっての前後進するように設置される。前記パンチ部６３はその中央に作動油が供給される流入孔６５が形成され、その周囲には、管状鋼材の両端に接触して内部をシーリングすることができるように密着面６４が形成される。

図１２は前記のように構成されたアキシャルパンチ６０を利用して管状トーションビームの両端部の厚さのみを増加させる一例を示す。まず、ハイドロフォーミング装置内に、プレフォーミングされた管状鋼材１０ａを置き、上部金型を下降させた後、アキシャルパンチ６０を前進させることでパンチ部６３の密着面６４が管状鋼材の両端に密着するようにする。その後、パンチ部６３の中央に形成された流入孔６５を通じて作動油を供給して管状鋼材の内壁を加圧する。作動油によって加わる内圧が一定大きさ以上になれば鋼材が塑性変形して上下部金型の内面に密着することにより最終の管状トーションビームが製作される［図１２の（ａ）］。

この過程で、シリンダーロッド６２を前進させてパンチ部６３を前方にフィードさせれば、プレフォーミングされた管状鋼材１０ａの両端部１１だけが塑性変形して厚さが増加する。この際、アキシャルパンチ６０のパンチ部６３をフィードする力と時間を制御すれば、管状トーションビームにおいて厚さが増加する部分の長さと厚さを調節することができる［図１２の（ｂ）］。このように、アキシャルパンチをフィードして両端部の厚さを増加させる工程は、図１２の（ａ）のように、作動油の内圧によって管状トーションビームが成形される工程と同時に行われることもでき、後続の工程で行われることもできる。

この際、前記アキシャルパンチ６０を利用したフィードの長さを２〜１５０ｍｍにし、前記両端部の厚さを前記中央部の厚さより１．２〜１．５倍増加させることが好ましい。前記両端部の厚さ増加はアキシャルパンチ６０を利用したフィード長さに比例する。前記フィード長さが２ｍｍ未満であれば両端部の厚さ増加があまり大きくなく、フィード長さが１５０ｍｍを超えれば塑性変形量がとても大きくて両端部の表面にしわが発生するという点は既に説明したようである。

一方、本発明の第１実施例によって管状トーションビーム１０の転移部１１の表面にビード１４を形成する方法は、ハイドロフォーミング装置の上部金型５３の下面に最適化したビードの形状をさらに形成することでなされることができる。
この際、前記ビードを高さ３５ｍｍ、幅１２５ｍｍ及び長さ５５０ｍｍを超えない突起状に形成し、前記ビードの曲率半径が前記管状鋼材の厚さより２．２倍以上になるように形成することが好ましい。前記ビード１４の高さが３５ｍｍを超えるとか幅が１２５ｍｍを超えるとか長さが５５０ｍｍを超えるとかすると、ビード１４が応力集中点として作用して耐久性が低下し、ビード１４の曲率半径が管状鋼材厚さの２．２倍より小さければ、ビード１４がとても尖るため、ハイドロフォーミングによってビードの形状を正確に加工することができなくなるという点は前述したようである。

前記本発明の第２実施例による製造方法は、円形断面を持つ管状鋼材をハイドロフォーミングの金型に装着させるために予備成形をするプレフォーミングステップ；前記プレフォーミングされた管状鋼材をハイドロフォーミングの下部金型に装着させ、上部金型を下降させて全体金型を閉めるハイドロフォーミング準備ステップ；及び前記金型の両側に設置されたアキシャルパンチによって金型の内部を密閉させた後、作動油を供給して前記管状鋼材の内面を加圧することで、トレイリングアームに閉断面を成して結合される両端部、Ｖ字形の開放断面を成す中央部、及び断面が変化しながら前記両端部と中央部を連結する転移部から構成されたトーションビームを最終に成形すると同時に、前記中央部と転移部の間に傾いた形態のオフセット部を形成して、前記転移部及び両端部が中央部に比べて外方に拡大されるようにするハイドロフォーミングステップを含む。

この第２実施例に使われるプレフォーミング装置４０及びハイドロフォーミング装置５０の基本的な技術構成は図９及び図１０を参照して前述したものと同様である。ただ、ハイドロフォーミング装置５０の上下部金型５２、５３の表面に、図８に示すように、傾いた形態のオフセット部１５を形成することが追加される。

この際、前記オフセット部による円周の増加量を初期管状鋼材の円周の３５％以内にし、前記オフセット部による中央部１３と転移部１２間の高差を５０ｍｍ以内にすることが好ましい。前記中央部１３と転移部１２間の高差は前記オフセット部による円周の増加量に比例し、前記オフセット部１５による円周の増加量が初期管状鋼材の円周の３５％を超過すれば、オフセット部１５が形成される部位に破断が発生するというのは前述したようである。

以上本発明の実施例を例示の目的で開示したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に開示されたような発明の範囲及び精神から逸脱することなしに多様な修正、付加及び置換が可能であろう。したがって、ハイドロフォーミング方式で管状トーションビームを生産するに当たり、車種や排気量によって使用素材の厚さや形状が非常に多様であるが、添付の特許請求範囲に開示された技術構成を採択したものであればいずれも本発明の保護範囲に属するものである。

１：ブッシュスリーブ
２：トレイリングアーム
３：板状トーションビーム
４：スプリングシート
５：ダンパーブラケット
６：ホイールキャリア
７：スピンドルプレート
１０、２０、３０：管状トーションビーム
１１：両端部
１２：転移部
１３：中央部
１４：ビード
１５：オフセット部
４０：プレフォーミング装置
５０：ハイドロフォーミング装置
６０：アキシャルパンチ
６１：シリンダーロッド
６２：支持バー
６３：パンチ部
６４：密着面
６５：流入孔

Claims (16)

1. 自動車の後輪サスペンション用管状トーションビームであって、
   管状鋼材をハイドロフォーミング方式で加圧成形し、管状トーションビームが全長にわたって異なる形状を有し、閉断面を有しそれぞれのトレイリングアームに取付けられる両端部と、Ｖ字形の開放断面を有する中央部と、断面が変化しながら前記両端部の各々と中央部を連結する転移部とを備えているトーションビームにおいて、
   ハイドロフォーミング装置のアキシャルパンチを利用して前記管状鋼材の両端をフィードすることにより、前記両端部の厚さが前記中央部に比べて増加するようにした、
   ことを特徴とする自動車の後輪サスペンション用管状トーションビーム。
2. 前記アキシャルパンチを利用したフィードの長さは２〜１５０ｍｍである、
   請求項１に記載の自動車の後輪サスペンション用管状トーションビーム。
3. 前記両端部の厚さは前記中央部の厚さの１．２〜１．５倍増加した、
   請求項１または２に記載の自動車の後輪サスペンション用管状トーションビーム。
4. 前記転移部の表面にはビード（ｂｅａｄ）をさらに含む、
   請求項１に記載の自動車の後輪サスペンション用管状トーションビーム。
5. 前記ビードは、高さ３５ｍｍ、幅１２５ｍｍ及び長さ５５０ｍｍを超えない突条状に形成されている、
   請求項４に記載の自動車の後輪サスペンション用管状トーションビーム。
6. 前記ビードは、その曲率半径が前記管状鋼材の厚さの２．２倍以上になるように形成されている、
   請求項４または５に記載の自動車の後輪サスペンション用管状トーションビーム。
7. 自動車の後輪サスペンション用管状トーションビームであって、
   管状鋼材をハイドロフォーミング方式で加圧成形し、管状トーションビームが全長にわたって異なる形状を有し、閉断面を有しそれぞれのトレイリングアームに取付けられる両端部と、Ｖ字形の開放断面を有する中央部と、断面が変化しながら前記両端部の各々と中央部を連結する転移部とを備えているトーションビームにおいて、
   前記中央部と転移部の間に傾いたオフセット部が形成され、前記転移部及び両端部が、前記中央部に比べて外方に拡大されるように形成されている、
   ことを特徴とする自動車の後輪サスペンション用管状トーションビーム。
8. 前記オフセット部による円周の増加量は初期管状鋼材の円周の３５％以内であり、前記オフセット部による中央部と転移部の間の高差は５０ｍｍ以内である、
   請求項７に記載の自動車の後輪サスペンション用管状トーションビーム。
9. 自動車の後輪サスペンション用管状トーションビームの製造方法であって、
   円形断面を持つ管状鋼材をハイドロフォーミングの金型に装着させるために予備成形するプレフォーミングステップと、
   前記プレフォーミングされた管状鋼材をハイドロフォーミングの下部金型に装着し、上部金型を下降させて全体金型を閉めるハイドロフォーミング準備ステップと、
   前記金型の両側に設置されたアキシャルパンチによって金型の内部を密閉させた後、作動油を供給して前記管状鋼材の内面を加圧することで、閉断面を有しトレイリングアームに連結される両端部と、Ｖ字形の開放断面を有する中央部と、断面が変化しながら前記両端部と中央部を連結する転移部とを備えたトーションビームを最終に成形すると同時に、前記アキシャルパンチを利用して管状鋼材の両端をフィードすることで、前記両端部の厚さが前記中央部に比べて増加するようにするハイドロフォーミングステップとを備えている、
   ことを特徴とする自動車の後輪サスペンション用管状トーションビームの製造方法。
10. 前記ハイドロフォーミングステップは、前記アキシャルパンチを利用したフィードの長さを２〜１５０ｍｍにする、
    請求項９に記載の自動車の後輪サスペンション用管状トーションビームの製造方法。
11. 前記ハイドロフォーミングステップは、前記両端部の厚さを前記中央部の厚さの１．２〜１．５倍増加するようにする、
    請求項９または１０に記載の自動車の後輪サスペンション用管状トーションビームの製造方法。
12. 前記ハイドロフォーミングステップは、前記転移部の表面にビードをさらに形成する、
    請求項９に記載の自動車の後輪サスペンション用管状トーションビームの製造方法。
13. 前記ハイドロフォーミングステップは、前記ビードを高さ３５ｍｍ、幅１２５ｍｍ及び長さ５５０ｍｍを超えない突条状に形成する、
    請求項１２に記載の自動車の後輪サスペンション用管状トーションビームの製造方法。
14. 前記ハイドロフォーミングステップは、前記ビードを、その曲率半径が前記管状鋼材の厚さの２．２倍以上になるように形成する、
    請求項１２または１３に記載の自動車の後輪サスペンション用管状トーションビームの製造方法。
15. 自動車の後輪サスペンション用管状トーションビームの製造方法であって、
    円形断面を持つ管状鋼材をハイドロフォーミングの金型に装着させるために予備成形をするプレフォーミングステップと、
    前記プレフォーミングされた管状鋼材をハイドロフォーミングの下部金型に装着させて上部金型を下降させて全体金型を閉めるハイドロフォーミング準備ステップと、
    前記金型の両側に設置されたアキシャルパンチによって金型の内部を密閉させた後、作動油を供給して前記管状鋼材の内面を加圧することで、閉断面を有しトレイリングアームに連結される両端部とＶ字形の開放断面を成す中央部とび断面が変化しながら前記両端部と中央部を連結する転移部とを有するトーションビームを最終に成形すると同時に、前記中央部と転移部の間に傾いたオフセット部を形成して、前記転移部及び両端部が中央部に比べて外方に拡大されるようにするハイドロフォーミングステップとを備えている、
    ことを特徴とする自動車の後輪サスペンション用管状トーションビームの製造方法。
16. 前記ハイドロフォーミングステップは、前記オフセット部による円周の増加量を初期管状鋼材の円周の３５％以内にし、前記オフセット部による中央部と転移部の間の高差を５０ｍｍ以内にする、
    請求項１５に記載の自動車の後輪サスペンション用管状トーションビームの製造方法。

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