JP2015523263A - 軽量管状捩りビーム - Google Patents

Abstract

【課題】Ｕ型溝（２２）と、管状端セクション（２８）と、両管状端セクション（２８）の間の移行セクション（２６）とを備えた管状本体（２０）を有する管状捩りビームを提供することにある。【解決手段】Ｕ型溝（２２）の幅Ｗは、各移行セクション（２６）から管状本体（２０）の中心点Ｃまで連続的に減少し、移行セクション（２６）から中心点Ｃの回りの領域まで応力を変化させるため中心点Ｃで最も狭くなっている。管状本体（２０）はまた各移行セクション（２６）の側壁（３８）に沿う凹部（２４）を有し、応力をＵ型溝（２２）の下面に指向させ、更に管状本体（２０）の長さに沿って応力レベルをバランスさせるようになっている。したがって、管状本体（２０）は薄い厚さｔで成形でき、このため性能を犠牲にすることなく重量を軽減させることができる。【選択図】図３

Description

このＰＣＴ特許出願は、２０１２年６月１５日付米国仮特許出願第６１／６６０，１５１号（名称「軽量管状捩りビーム部品（Light Weight Tubular Twist Beam Part）」）の利益を主張する。この米国仮特許出願の全開示は本願の開示の一部とみなし、本願に援用する。

本発明は自動車用捩りビームに関し、より詳しくは、管状捩りビームおよび管状捩りビームの成形方法に関する。

自動車は、長手方向コントロールアームを介して２つの後輪を一体に連結する捩りビームを有している。リアサスペンションに使用される特殊形式のトーション（torsion）ビームは、捩りビーム（ツイスト(twist)ビーム）である。捩りビームは、しばしば、Ｏ型、Ｃ型、Ｕ型またはＶ型の断面を有しかつ曲りを防止できる充分な剛性および捩りを可能にする充分な可撓性を有する管状部品からなる。したがって、管状捩りビームは、構造部材であるだけでなく、トーションスプリングとしても機能する。管状捩りビームの一例が下記特許文献１に開示されている。

管状捩りビームの重量は自動車の全重量に寄与するため、小さいことが好ましい。しかしながら、管状捩りビームは、捩りその他のファクタにより大きな応力を受ける。したがって、特に捩りによる最大応力レベルは、最小限の材料厚さを必要とし、このため管状捩りビームは必然的に重くなってしまう。

管状捩りビームはまた、車両の乗り心地およびハンドリングに影響を与える車両のロール率（roll rate）の制御にも使用される。ロール率は車両のライドレート（ride rate）に類似しているが、車両のばね上質量にローリングを引き起こす横加速度を含む作用である。ロール率は、車両のばね上質量のロール角（degree of roll）当たりのトルクで表わされ、一般に「Ｎｍ／°」で測定される。車両のロール率は車両の重量移動の総量を変化させるものではないが、車両のシャーシを介して特定アクスルから他のアクスルに移動される重量の移動速度および百分率を変化させる。一般に、車両のアクスルのロール率が大きいほど、アクスルでの重量移動の割合が大きくなる。重量移動速度が小さいほど、車両が横転する傾向は小さくなる。管状捩りビーム部品の寸法および設計は、車両のロール率に大きい影響を与える。

米国特許出願第２０１０／０３０１５７７号公報

本発明は、両端セクション間の中心軸線に沿って長手方向に延びる管状本体を有する管状捩りビームを提供することにある。

各端セクションは、中心軸線の回りの円筒状開口を呈している。管状本体は上壁および側壁を有している。側壁は、上壁の両側に配置されている。上壁は、各端セクションから、両端セクションから等距離に位置する中心点に向かって内方にかつ中心軸線に向かって下方に延びていて、移行セクションを形成している。各側壁は各移行セクションに沿う凹部を備えている。管状本体の上壁は両側壁の間でＵ型溝を形成し、Ｕ型壁は両移行セクションの間で中心軸線に沿って長手方向に延びている。管状本体の両側壁はこれらの間に幅を有し、該幅は、各移行セクションから中心点まで、中心軸線およびＵ型溝に沿って連続的に減少している。

本発明はまた、管状捩りビームの成形方法を提供する。本発明の成形方法は、両端セクションの間で中心軸線に沿って長手方向に延びる管状本体を用意する工程を有している。管状本体は、両端セクションから等距離に位置する中心点を有し、管状本体の各端セクションは中心軸線を囲む円筒状開口を有している。本発明の方法は次に、両端セクションに円筒状開口を維持しながら、管状本体の上壁を中心軸線の方向にプレスして、両側壁の間に延びかつ両端セクションの間で中心軸線に沿って長手方向に延びているＵ型溝を成形する工程を有している。上壁を中心軸線の方向にプレスする前記工程は、両端セクションとＵ型溝との間に移行セクションを成形する工程を含んでいる。移行セクションでは、上壁は中心軸線および中心点に向かって内方に延びている。本発明の方法は更に、各移行セクションの側壁を内方にプレスして凹部を形成する工程と、Ｕ型溝の幅が各移行セクションから中心点まで中心軸線に沿って連続的に減少するように、管状本体の側壁をＵ型溝に沿って内方にプレスする工程とを有している。

Ｕ型溝に沿って管状本体の幅が連続的に減少しているため、移行セクションから中心点の回りの領域まで応力を変化させることができる。また、凹部は、応力を下壁（Ｕ型溝の下面とも呼ばれる）に指向させる。管状本体は、この長さに沿って応力レベルをバランスさせ全応力レベルを低減できるように設計されている。したがって、管状本体は薄い厚さで成形でき、このため最大応力レベルを超えることなくまたは性能を犠牲にすることなく重量を軽減させることができる。

本発明の他の長所は、添付図面に関連して以下の詳細な説明を読むことにより、容易にかつより良く理解されよう。

本発明の一実施形態による管状本体を有する管状捩りビームを示す斜視図である。 図１の管状本体の他の斜視図であり、開口の断面積を示すものである。 図２の一部の拡大図であり、凹部の深さを示すものである。 図１の管状本体を示す側面図である。 図１の管状本体を示す平面図である。 図１のＡ-Ａ線に沿う管状本体の拡大断面図である。 図１の管状本体を示す底面図である。 図１の管状本体の他の平面図であり、概略応力レベル解析を示すものである。 図１の管状本体の他の底面図であり、概略応力レベル解析を示すものである。 比較のための管状捩りビームを示す斜視図である。 図８の比較のための管状捩りビームを示す側面図である。

図面を参照すると、管状本体２０を有する管状捩りビームが概略的に示されている。管状本体２０は、Ｕ型溝２２と、１対の管状端セクション２８と、該管状端セクション２８とＵ型溝２２との間の移行セクション２６とを有している。Ｕ型溝２２の幅Ｗは、管状本体２０の移行セクション２６から中心点Ｃまで連続的に減少している。応力を移行セクション２６から離れる方向に変位させるため、幅Ｗは中心点Ｃで最も狭い。Ｕ型溝２２の幅Ｗは、所望のロール率を達成するため調節できる。また、応力を下方壁３４（Ｕ型溝２２の下面とも呼ばれる）に指向させるため、各移行セクション２６の側壁３８に沿って凹部すなわち窪み２４が形成されている。Ｕ型溝２２の連続的に変化する幅Ｗおよび凹部２４は、管状本体２０の全体に亘って応力をバランスさせかつ全応力レベルを低減させる。したがって、管状本体２０は少量の材料で形成できかつ管状本体２０の全重量を低減できる。図１〜図７は、一例示実施形態による管状本体２０の、それぞれ、斜視図、側面図および底面図である。

管状本体２０は、中心軸線Ａの回りで該軸線Ａに沿って長手方向に延びる金属チューブから形成される。チューブは種々の寸法にすることができるが、図１〜図７に示す例示の管状本体２０は、直径９０ｍｍ、長さ９３０ｍｍおよび厚さ２．８ｍｍのチューブから形成される。管状本体２０は、両端セクション２８の間で中心軸線Ａに沿って長手方向に延びている。図１〜図５に示すように、中心点Ｃは両端セクション２８から等距離に位置している。管状本体２０の幾何学的形状は、側壁３８、下壁３４、および該下壁３４に対向する上壁３２に関連して説明できる。側壁３８、上壁３２および下壁３４は、互いに一体でありかつ中心軸線Ａを囲んでいる。側壁３８は、上壁３２と下壁３４とを互いに隔てかつ上壁３２および下壁３４の両側に配置されている。

管状本体２０の形成に使用される金属チューブの両端部は、管状端セクション２８を形成するように、変形されない状態に維持される。各管状端セクション２８は、図２および図２Ａに示すように、中心軸線Ａの回りで開口する円筒状を呈しかつ中心軸線Ａを横切って延びる直径Ｄを呈している。端セクション２８の円筒状開口は、円形断面を呈している。円筒状開口は中心軸線Ａの一部に沿って長手方向に延び、次にＵ型溝２２に沿うＵ型開口へと移行する。開口は、図２および図２Ａに示すように、管状本体２０の端セクション２８に沿って一定ではあるが残りのセクションに沿って連続的に変化する断面積Ｘおよび寸法を有している。

Ｕ型溝２２および移行セクション２６は、プレス、ピンチングまたは金属チューブを変形させる他の方法により成形される。管状本体２０の上壁３２は、一般に、中心軸線Ａに向かって内方および下方にプレスされ、管状本体２０の側壁３８は、互いに近づく方向および中心軸線Ａに向かって内方にプレスまたはピンチングされる。管状本体２０のプレスまたはピンチングの度合いは、所望のロール率に応じて定められる。しかしながら、下壁３４は、一般に、管状本体２０の長さに沿う凸状輪郭に維持される。

移行セクション２６は各端セクション２８とＵ型溝２２との間に形成され、両端セクション２８とＵ型溝２２とを連結している。両移行セクション２６は、内方に凹んでおりまたは押し潰された上壁３２により形成されている。上壁３２は、各端セクション２８から中心軸線Ａおよび中心点Ｃに向かって内方および下方に延びている。上壁３２は、移行セクション２６では、中心軸線Ａに沿ってＵ型溝２２まで長手方向に延びる凹状輪郭を有している。移行セクション２６の上壁３２はまた、各側壁３８から中心軸線Ａに向かって内方に傾斜している。したがって、各移行セクション２６の形状は、タフ（tough）型と呼ぶことができる。

移行セクション２６はまた、図３に示すように、管状端セクション２８からＵ型溝２２まで中心軸線Ａに沿って連続的に減少する高さｈを有している。管状本体２０の高さｈは上壁３２から下壁３４まで延び、かつ上壁３２および下壁３４に沿って垂直方向に整合した位置同士の間の距離に等しい。移行セクション２６の幅Ｗは、図２Ａおよび図４に最も良く示すように、管状端セクション２８からＵ型溝２２まで中心軸線Ａに沿って連続的に減少する。幅Ｗは、側壁３８の水平方向に整合した最外方位置から測定され、これらの位置同士の間の距離に等しい。開口の断面積Ｘも、図２および図２Ａに最も良く示すように、移行セクション２６に沿って連続的に減少する。

各側壁３８には、応力を下壁３４またはＵ型溝２２の下面に指向させる凹部２４が、各移行セクション２６に沿って形成されている。各移行セクション２６の凹部２４は、対向側壁３８上で長手方向に整合している。各凹部２４は、図１に示すように、外縁部２５から内縁部２７まで延びておりかつ両縁部２５、２７の間で凹状輪郭を有している。凹部２４は、側壁３８が押し潰されるか内方に凹むように管状本体２０の側壁３８をプレスし、ピンチングしまたは変形する他の方法により成形される。各凹部２４は、図２Ａに示すように、中心軸線Ａに向かって内方に延びる深さｄ_ｄを有している。例示の実施形態では、各凹部２４は１７．１８ｍｍの深さｄ_ｄを有している。中心軸線Ａに沿う各移行セクション２６の位置は、各凹部２４の内縁部２７により一部を定めることができる。移行セクション２６は、上壁３２が内方に凹む位置で開始し、かつ凹部２４の内縁部の位置で終了する。上壁３２は、連続的に内方に凹みすなわち押し潰されかつ移行セクション２６に沿って下壁３４に向かって下方に延びている。上壁３２は、最終的に中心軸線Ａより下方に延びて、Ｕ型溝２２を形成する。

管状本体２０の上壁３２により形成されるＵ型溝２２は、両側壁３８の間に配置される。Ｕ型溝２２はトーションセクションとも呼ばれ、Ｕ型溝２２の寸法は、所望のロール率を達成するように設計される。Ｕ型溝２２は、一般に各凹部２４の内縁部２７に終端する対向移行セクション２６の間に連続的に延びている。各Ｕ型溝２２は、移行セクション２６の凹部２４と中心点Ｃとの間で中心軸線Ａに沿って長手方向に延びている。図２Ａおよび図４に示すように、Ｕ型溝２２の両側壁３８はまた、これらの間の幅Ｗを有し、Ｕ型溝２２の幅Ｗは、各凹部２４の内縁部２７から中心点Ｃまで、中心軸線Ａに沿って連続的に減少する。管状本体２０の側壁３８は、各移行セクション２６と中心点Ｃとの間のＵ型溝２２に沿う任意の点で互いに平行ではない。

図２Ａおよび図４Ａに示すように、Ｕ型溝２２はまた、両側壁３８の間の、上壁３２の頂部と整合した点から下壁３４まで延びている深さｄ_ｇを有する。Ｕ型溝２２の深さｄ_ｇは、各移行セクション２６から中心点Ｃまで連続的に増大する。また、開口の断面積Ｘは、中心点Ｃに向かうＵ型溝２２に沿って連続的に減少し、中心点Ｃで最小になる。一実施形態では、上壁３２、下壁３４および側壁３８は、中心点Ｃで一緒になり、このため開口は中心点Ｃで完全に閉じられる。図３に示すように、管状本体２０の高さｈは、中心点Ｃの近くのＵ型溝２２の一部に沿って僅かに増大している。また、管状本体２０の上壁３２は、図４Ａに示すように、側壁３８とＵ型溝２２との間に膨出部３６を形成している。移行セクション２６にも膨出部３６を設けることができる。

図４Ａに示すように、管状本体２０の各壁３２、３４、３８は厚さｔを有し、この厚さｔは、一般に他の壁３２、３４、３８の厚さｔに等しい。例えば、管状本体２０は、２．８ｍｍ、３．２ｍｍまたは３．６ｍｍの厚さｔにすることができる。しかしながら、管状本体２０の厚さｔは、成形方法、所望のロール率または他のファクタに応じて増大または減少させることができる。管状本体２０の長さに沿う厚さｔは一般に一定であるが、僅かに変化できる。中心軸線Ａの回りの管状本体２０の厚さｔも一般に一定であるが、中心軸線Ａの回りで変化させることができる。
管状本体２０を備えた本発明の管状捩りビームは、比較のための捩りビームと比べて幾つかの長所を有している。図８および図９には、比較のための捩りビームの一例が参照番号１２０で示されている。比較のための捩りビーム１２０も、管状端セクション１２８と、Ｕ型溝１２２と、移行セクション１２６とを有している。しかしながら、比較のための捩りビーム１２０では、Ｕ型溝１２２は一定の幅Ｗを有し、側壁１３４は、Ｕ型溝１２２の大部分に沿って互いに平行である。

管状本体２０を備えた本発明の捩りビームは、比較のための部品１２０と比べ、移行セクション２６において受ける応力が小さい。なぜならば、Ｕ型溝２２の幅Ｗが、移行セクション２６から中心点Ｃに向かって連続的に減少し、中心点Ｃで最小になるからである。したがって、捩り歪みは移行セクション２６から離れる方向に指向され、移行セクション２６の全ピーク応力レベルは低減される。凹部２４も、応力を管状本体２０の下面に指向させるため、移行セクション２６の全ピーク応力レベルを低減させる。

図６および図７は、管状本体２０が４０４Ｎｍ／°のロール率を有する車両に使用された場合の例示管状本体２０に沿う近似応力レベルを示す、それぞれ平面図および底面図である。これらの図面に示された概略応力レベルの説明もここに掲示されている。管状本体２０の長さに沿う応力レベルは、比較のための捩りビーム１２０および従来技術の他の管状捩りビームの応力レベルより一層バランスがとれている。また、試験結果は、管状本体２０の厚さは、全応力レベルを増大させることなく、比較のための捩りビーム１２０の厚さより小さくできることを示している。したがって、管状本体２０を備えた本発明の捩りビームは、軽量にすることができ、このため最大応力レベルを超えることなくまたは性能を犠牲にすることなくコストを大幅に節約することができる。また、管状本体２０により得られるロール率は、Ｕ型溝２２の幅Ｗまたは該Ｕ型溝２２に沿う管状本体２０の厚さｔを調節することにより調節できる。例えば、厚さｔまたはＵ型溝２２の幅Ｗを減少させることにより、ロール率を小さくすることができる。

本発明はまた、管状本体２０を備えた管状捩りビームの成形方法を提供する。本発明の方法は、最初に、両端セクション２８の間で中心軸線Ａに沿って長手方向に延びる管状本体２０を用意する工程を有している。上壁３２および側壁３８を内方にプレスする前では、管状本体２０は、２．８ｍｍの厚さ、９３０ｍｍの長さおよび９０ｍｍの直径を有している。

本発明の方法は、次に、両端セクション２８に円筒状開口を維持しながら、管状本体２０の上壁３２を中心軸線Ａの方向にプレスしてＵ型溝２２を成形する工程を有している。上壁３２を中心軸線Ａの方向にプレスするこの工程は、端セクション２８とＵ型溝２２との間に移行セクション２６を成形する工程を含んでいる。

本発明の方法はまた、Ｕ型溝２２の幅Ｗが中心軸線Ａに沿って連続的に減少するように、管状本体２０の側壁３８をＵ型溝２２に沿って内方にプレスする工程を有している。上壁３２をプレスする前記工程は、一般に、Ｕ型溝２２の深さｄ_ｇを、各移行セクション２６から中心点Ｃまで連続的に減少させる工程を含んでいる。本発明の方法は更に、各移行セクション２６の側壁３８の一部を内方にプレスして凹部２４を形成する工程を有している。

上記教示から、本発明の多くの修正および変更が可能であり、かつ本発明の範囲内に包含される上記特定実施形態以外のものも実施することができる。

２０ 管状本体
２２ Ｕ型溝
２４ 凹部
２６ 移行セクション
２８ 端セクション
３２ 上壁
３４ 下壁
３６ 膨出部
Ａ 中心軸線
Ｃ 中心点
Ｄ 端セクションの直径
Ｗ Ｕ型溝の幅
Ｘ 開口の断面積
ｄ_ｄ 凹部の深さ
ｄ_ｇ Ｕ型溝の深さ
ｈ 管状本体の高さ

Claims (15)

1. 両端セクションの間で中心軸線に沿って長手方向に延びる管状本体を有し、該管状本体は、両端セクションから等距離に位置する中心点を有し、両端セクションは、中心軸線を囲む円筒状開口を形成しており、
   管状本体は、上壁と、該上壁の両側に配置された側壁とを備え、上壁は、各端セクションから中心点に向かって内方にかつ中心軸線に向かって下方に延びていて、移行セクションを形成し、各側壁は各移行セクションに沿う凹部を備え、
   管状本体の上壁は、両側壁の間でＵ型溝を形成しかつ両移行セクションの間で中心軸線に沿って長手方向に延びており、
   管状本体の両側壁はこれらの間に幅を有し、該幅は、各移行セクションから中心点まで、中心軸線およびＵ型溝に沿って連続的に減少していることを特徴とする管状捩りビーム。
2. 前記Ｕ型溝は深さを有し、該深さは中心点において最大であることを特徴とする請求項１記載の管状捩りビーム。
3. 前記Ｕ型溝の深さは、各移行セクションから中心点まで連続的に増大することを特徴とする請求項２記載の管状捩りビーム。
4. 前記側壁は、各移行セクションと中心点との間のＵ型溝に沿う任意の位置で互いに平行ではないことを特徴とする請求項１記載の管状捩りビーム。
5. 前記移行セクションの凹部は凹状であることを特徴とする請求項１記載の管状捩りビーム。
6. 前記管状本体は開口を有し、該開口は断面積を有しかつ両端セクションの間で連続的に延びており、開口の断面積は、両端セクションから中心点まで、中心軸線に沿って減少していることを特徴とする請求項１記載の管状捩りビーム。
7. 前記管状本体は上壁に対面する下壁を有し、下壁は凸状であることを特徴とする請求項１記載の管状捩りビーム。
8. 前記管状本体は下壁から上壁までの高さを有し、該高さは、端セクションから移行セクションに沿ってＵ型溝まで、中心軸線に沿って減少していることを特徴とする請求項７記載の管状捩りビーム。
9. 前記管状本体の高さは、中心点の回りのＵ型溝の一部に沿って増大していることを特徴とする請求項８記載の管状捩りビーム。
10. 前記管状本体の上壁は、側壁とＵ型溝との間に膨出部を有していることを特徴とする請求項１記載の管状捩りビーム。
11. 前記上壁は、各移行セクションの中心軸線に沿って長手方向に延びている凹状輪郭を有し、移行セクションの上壁は両側壁から中心軸線に向かって内方に傾斜していることを特徴とする請求項１記載の管状捩りビーム。
12. 前記管状本体の幅は、中心点の位置で最も狭いことを特徴とする請求項１記載の管状捩りビーム。
13. 両端セクションの間で中心軸線に沿って長手方向に延びる管状本体を用意する工程を有し、管状本体は、両端セクションから等距離に位置する中心点を有し、管状本体の各端セクションは中心軸線を囲む円筒状開口を有し、
    両端セクションに円筒状開口を維持しながら、管状本体の上壁を中心軸線の方向にプレスしてＵ型溝を成形する工程を有し、
    上壁を中心軸線の方向にプレスする前記工程は、両端セクションとＵ型溝との間に移行セクションを成形する工程を含み、上壁は中心軸線および中心点に向かって内方に延びており、
    各移行セクションの側壁を内方にプレスして凹部を形成する工程と、
    Ｕ型溝の幅が各移行セクションから中心点まで中心軸線に沿って連続的に減少するように、管状本体の側壁をＵ型溝に沿って内方にプレスする工程とを更に有することを特徴とする管状捩りビームの成形方法。
14. 前記上壁をプレスする工程は、Ｕ型溝の深さを、各移行セクションから中心点まで連続的に増大させる工程を含むことを特徴とする請求項１３記載の管状捩りビームの成形方法。
15. 前記管状本体は、前記プレス工程の前に、２．８ｍｍの厚さ、９３０ｍｍの長さおよび９０ｍｍの直径を有し、前記凹部は、前記プレス工程の後に１７．１８ｍｍの深さを有することを特徴とする請求項１３記載の管状捩りビーム。

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