JP2016075333A - ボールジョイント - Google Patents

Abstract

【課題】ソケットを懸架装置用部品又は操行装置用部品と炭素繊維熱可塑性樹脂とにより一体構造とした場合でも、実用上十分な強度と耐久性を備えると共に、軽量で生産性の良好なボールジョイントを提供する。【解決手段】サスペンションアームのボールジョイント部１２は、ボールスタッド２０、ソケット４０、ボールシート３０、ダストカバー７０に加えてボールシート３０を保持するプラグ６０を備え、ソケット４０は、プラグ６０を固定するカシメ用リング５０を、サスペンションアームのアーム部１４に連なる、連続炭素繊維によるシート状部４４及び不連続炭素繊維による射出成形部４６と一体に形成した炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材とする。【選択図】図２

Description

本発明は、主として車両用リンク機構の連結装置として使用されるボールジョイントに係り、特に、車両用部品と一体に形成された炭素繊維強化樹脂複合材製のボールジョイントに関する。

近年、環境対応などを背景として、自動車等の車両の軽量化ニーズが高まっており、車両用部品に、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics：炭素繊維強化樹脂）が積極的に利用され始めており、サスペンションアーム等の懸架装置用部品においても、ＣＦＲＰを使用したものが提案され、一部、実用化されている例もある。

しかし、ＣＦＲＰは、炭素繊維で強化したエポキシ等の熱硬化性樹脂であり、塑性加工が不可能な材料であることから、カシメ加工による組み立てができないことや成形の自由度が低く、薄板形状にしか成形することができないことが理由で、ボールジョイントとＣＦＲＰ製部品とを一体構造とすることは不可能であった。

従って、ボールジョイントとＣＦＲＰ製部品との結合方法としては、金属製や樹脂製のボールジョイントをＣＦＲＰ製の部品に圧入する方法や、ボルト締結、接着及びこれらの併用が考えられる。

特開平０２−１３３２１１号公報 特開平０３−４８０１１号公報

しかしながら、このような従来のボールジョイントとＣＦＲＰ製部品との構成にあっては、ボールジョイントのソケットとＣＦＲＰ部分との結合強度や耐久性が確保し難いという問題があり、金属製のボールジョイントを圧入等によって使用する場合には、軽量化の効果が薄まってしまうという問題もある。

また、樹脂製のボールジョイントを使用した場合でも、ボールスタッドのソケットからの抜け強度が低いことや、ボールシートを一体成形するために所定の内圧を発生することができず、適正な揺動・摺動トルク（フリクション）が得られない等の問題がある。

金属製及び樹脂製のボールジョイントに共通する問題としては、ボールジョイントがＣＦＲＰ製部品と別の部品であることから、部品点数が多く、生産性が悪いという点が挙げられる。

また、射出成形が可能で成形自由度が高い材料として、ＣＦＲＴＰ（Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics：炭素繊維強化熱可塑性樹脂）があり、ポリカーボネート等の熱可塑性樹脂の中に炭素繊維のフィラメント（長繊維）又はステープル（短繊維）を含有したペレットを用いた射出成形品を車両用部品として使用する例もあるが、ボールジョイントのソケットとサスペンションアーム等をＣＦＲＴＰにより一体形成した場合は、負荷の大きな懸架装置用部品として強度や耐久性が不足するという問題がある。

本発明は、ソケットを懸架装置用部品又は操行装置用部品とＣＦＲＴＰにより一体形成した場合でも、実用上十分な強度と耐久性を備えると共に、軽量で生産性の良好なボールジョイントを提供することを目的とする。

本発明は、スタッド部の一端にボール部を設けたボールスタッドと、スタッド部を開口部から突出させてボール部を収容するソケットと、ボール部をソケット内に摺動自在に内包するボールシートと、スタッド部とソケットの開口部との間を密閉するダストカバーとを備えるボールジョイントにおいて、ソケットは、連続炭素繊維によるシート状部及び不連続炭素繊維による射出成形部を一体に形成した、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材であることを特徴とする。

更に、ボールシートを保持する金属製のプラグを備え、ソケットは、プラグを固定するカシメ用リングを、射出成形部にインサート成形により一体に形成する。

又は、ボールシートを保持する炭素繊維強化熱可塑性樹脂製のプラグを備え、ソケットは、プラグを射出成形部に溶着により固定する。

このようなボールジョイントにおいて、ソケットは、サスペンションアーム、タイロッドエンド及びスタビライザーリンクを含む車両用部品と一体に形成する。

カシメ用リングは、射出成形部との接触部に凹凸状の抜け防止部を設ける。

金属製のプラグをソケットの開口部側に配置した場合に、カシメ用リングと射出成形部との接触部の露出端をダストカバー内に位置させる。

金属製のプラグをボール部の先端側に配置した場合に、カシメ用リングに電蝕防止用の被膜を形成する。

ソケットは、射出成形部のボールシートとの接触面にエア抜き溝を設ける。

ソケットは、サスペンションアームと一体に形成した場合に、シート状部をコの字状としてサスペンションアームの外殻を構成する。

ソケットは、射出成形部を長炭素繊維による射出成形により形成する。

本発明によれば、ボールジョイントのソケットを連続炭素繊維によるシート状部及び不連続炭素繊維による射出成形部を一体に形成した、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材としたことで、実用上十分な強度と耐久性を備えると共に、軽量で生産性の良好なボールジョイントを提供することができる。

更に、ＣＦＲＴＰを使用して金属製のカシメ用リングをインサート成形したことで、片側を高強度な連続炭素繊維によるシート状部で覆うと共に、反対側をカシメ用リングでかしめた金属製のプラグで強固に固定することができ、どちらの方向においてもボールスタッドの抜け強度を十分に確保することができる。

また、カシメ用リングを使用しない場合には、射出成形部に溶着した炭素繊維強化熱可塑性樹脂製のプラグで強固に固定することで、金属製のカシメ用リングやプラグを廃止して軽量化した場合でも、ボールスタッドの抜け強度を十分に確保することができる。

本発明によれば、ソケットを炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材としたことで、サスペンションアーム、タイロッドエンド、スタビライザーリンク等の車両用部品とボールジョイントとを一体構造とすることができ、相手部品とボールジョイントとの結合強度や耐久性を十分に確保することができる。

カシメ用リングの射出成形部との接触部である外周面に、凹凸状の抜け防止部を設けたことで、ボールスタッドを介してカシメ用リングが射出成形部から抜ける方向に力が作用した場合に、十分な抜け強度を確保することができる。

金属製のプラグをソケットの開口部側に配置した場合に、カシメ用リングと射出成形部との接触部の露出端をダストカバー内に位置させて外部雰囲気から隔離したことで、カシメ用リングの金属と射出成形部の炭素との電蝕を防止することができる。

また、プラグを前記ボール部の先端側に配置した場合には、カシメ用リングの表面に電蝕防止用の皮膜を形成して外部雰囲気と遮断したことで、カシメ用リングの金属と射出成形部の炭素との電蝕を防止することができる。

車両用部品とボールジョイントとを一体構造とした場合に、アーム等の部位で曲げ応力が最大となる外殻部分に、高強度且つ高剛性な連続炭素繊維によるシート状部を配置し、その断面形状をコの字状にしたことで、車両用部品の強度と剛性を確保しながら軽量化することができる。

本発明に係るボールジョイントを車両用のサスペンションアームと一体に形成した実施形態を示す説明図 本発明に係るボールジョイントの第１実施形態を示す説明図 図２（Ａ）のボールジョイント部の各部品を分離して示す説明図 図３（Ｄ）のソケットを分解して示す説明図 図１のゴムブッシュ部の実施形態を示す説明図 本発明に係るボールジョイントの第２実施形態を示す説明図 本発明に係るボールジョイントの第３実施形態を示す説明図 本発明に係るボールジョイントの第４実施形態を示す説明図

以下に、本発明に係るボールジョイントの実施形態について、その構成等を示す図面を参照して説明する。なお、本願において使用している「上端」及び「下端」、「上面」及び「下面」等の呼称は、図示状態での方向（上下関係）を表しており、本発明に係るボールジョイントを天地逆や横倒しで配置した場合には、これらの方向に関する呼称は、配置方向に対応させることになる。

［第１実施形態］
図１は、本発明に係るボールジョイントの一実施形態として、車両用のサスペンションアームと一体に形成した構成を示す説明図であり、図１（Ａ）は斜視図、図１（Ｂ）は平面図である。

サスペンションアーム（ボールジョイント）１０は、ボールジョイント部１２、アーム部１４、ゴムブッシュ部１６で構成され、後述のように、ゴムブッシュ１８、ボールスタッド２０、ダストカバー７０等の機能部品を除く構造部は、連続炭素繊維によるシート状部４４と不連続炭素繊維による射出成形部４６とからなるＣＦＲＴＰで形成されている。

図２は、本発明に係るボールジョイントの第１実施形態として、図１のボールジョイント部１２及びアーム部１４を示す説明図であり、図２（Ａ）はボールジョイント部１２を図１のＡ−Ａ矢視断面で示し（ボールスタッド２０は断面としていない）、図２（Ｂ）はアーム部１４を図１のＢ−Ｂ矢視断面で示している。

ボールジョイント部１２は、ボールスタッド２０、ボールシート３０、ソケット４０、プラグ６０、ダストカバー７０で構成され、ソケット４０は、シート状部４４とカシメ用リング５０を射出成形部４６にインサート成形した構造となっている。

また、ボールジョイント部１２は、ボールスタッド２０の下端に形成したボール部２４を、ボールシート３０と共に開口部４２側からソケット４０に組み込み、ボールシート３０を円環状のプラグ６０とカシメ用リング５０とによるカシメ成形で固定してボールスタッド２２を揺動及び摺動自在に支持し、更に、ボールスタッド２０とソケット４０の間には、開口部４２から内部に水や埃が侵入するのを防止するダストカバー７０を装着している。

ソケット４０のシート状部４４と射出成形部４６は、図１に示すように、両方のアーム部１４へ連続的に連なり、更に、アーム部１４は、各々ゴムブッシュ部１６に連続的に連なっている。また、ソケット４０は、射出成形部４６のボールシート３０との接触面の一部にエア抜き溝４８を設け、アーム部１４は、シート状部４４をコの字状としてサスペンションアーム１０の外郭を構成している。

本実施形態では、カシメ用リング５０と射出成形部４６との接触部の露出端８０が、ダストカバー７０内に位置し、大気や雨水等の外部雰囲気から隔離されているため、カシメ用リング５０の金属と射出成形部４６の炭素との電蝕を防止することができる。

図３は、図２（Ａ）に示すボールジョイント部１２の各部品を分離して、図１のＣ−Ｃ矢視断面で示す説明図であり、図３（Ａ）は、ダストカバー７０の断面図、図３（Ｂ）は、プラグ６０の断面図、図３（Ｃ）は、ボールシート３０に圧入された状態のボールスタッド２０の正面図（断面としていない）、図３（Ｄ）は、シート状部４４、射出成形部４６及びカシメ用リング５０を一体に形成したソケット４０の断面図である。

ゴム等の弾性材で形成されたダストカバー７０は、膜部７２の上端に小径開口部７４、下端には大径開口部７６を有し、金属製のプラグ６０は、カシメ用リング５０によりかしめられる部位のフランジ部６２、及び、ボールシート３０の上端部３４を押さえ込む段部６４を設けている。

図３（Ｃ）のボールスタッド２０は、スタッド部２２の下端に設けたボール部２４が、潤滑性に優れた樹脂で形成されたボールシート３０に圧入されており、ボールシート３０には、ボール部２４を圧入し易くするための複数のスリット部３２を設けている。

ソケット４０は、図３（Ｄ）に示すように、射出成形部４６のボールシート３０との接触面４６ａに、ボールシート３０及びボールスタッド２０の圧入時のエア抜き溝４８を設け、組み立てを容易にしている。

図３（Ｄ）のカシメ用リング５０は、カシメ部５４がカシメ成形されていない状態であるが、ボールシート３０及びボールスタッド２０をソケット４０に圧入した後に、プラグ６０をスタッド部２２側から挿入し、プラグ６０のフランジ部６２をカシメ部５４の内側の段部５４ａに係合させた状態で、カシメ部５４をカシメ成形することで、プラグ６０の段部６４がボールシート３０の上端面３４を押さえ込むことになる。

図４は、図３（Ｄ）に示すソケット４０を分解して示す説明図であり、図４（Ａ）は、カシメ用リング５０の断面図、図４（Ｂ）は、射出成形部４６の断面図、図３（Ｃ）は、シート状部４４の断面図である。

カシメ用リング５０には、射出成形部４６との接触部、すなわち筒部５２の外周面５２ａに、複数の鍔５６ａからなる抜け防止部５６を設け、筒部５２の下端部５２ｃには、射出成形時に樹脂を流動させるための樹脂充填用溝５８を、筒部５２の内周面５２ｂから外周面５２ａに放射状に複数形成している。抜け防止部５６は、複数の溝で構成する等の他の形態であっても構わない。

シート状部４４は、例えば、連続炭素繊維の一方向材や織物に熱可塑性樹脂を含浸させたシート状の熱可塑性プリプレグや、連続炭素繊維布と熱可塑性樹脂フィルムを積層した熱可塑性セミプレグを金型で加熱しながら加圧して所定の形状に成形したものであり、その具体的な加工方法は任意であって（ホットプレス成形等）、製品仕様によって適宜選択される。

射出成形部４６は、このようなシート状部４４とカシメ用リング５０を射出成形用の金型にセットしてインサート成形された部分であり、アーム部１４に連なる部位４６ｃとボールシート３０との接触面４６ａを有する部位４６ｂとは、カシメ用リング５０の樹脂充填用溝５８に相当する複数の部位４６ｄで繋がっている。

射出成形には、不連続炭素繊維を含有する熱可塑性樹脂、例えば、ポリカーボネートやポリアミド等のペレットを溶融して使用するが、この場合の不連続炭素繊維とは、連続炭素繊維を所定の長さに裁断したチョップドファイバーのことを指している。

不連続炭素繊維を、例えば、ペレット長より短い短炭素繊維とペレット長となる長炭素繊維とに分類した場合には、長炭素繊維の方が強度的には適しているが、何れを使用するかは成形性等を考慮して適宜選択され、また、射出成形用の樹脂は、不連続炭素繊維を含有するペレットではなく、溶融した熱可塑性樹脂に不連続炭素繊維を混合したものであっても構わない。

図５は、図１に示すサスペンションアーム１０のゴムブッシュ部１６を、Ｄ−Ｄ矢視断面で示す説明図であり、図５（Ａ）は、シート状部４４を射出成形部４６の下面のみに配置した構成、図５（Ｂ）は、シート状部４４を射出成形部４６の下面と両側面にコの字状に配置した構成である。

ゴムブッシュ部１６は、ソケット４０及びアーム部１４から連なっている炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材の先端部にゴムブッシュ１８を圧入した構造であり、アーム部１４から連続しているシート状部４４のコの字状の両側面部位を、図５（Ａ）ではゴムブッシュ部１６の手前で終わらせ、図５（Ｂ）ではゴムブッシュ部１６まで延在させている。

ゴムブッシュ部１６近傍において、アーム部１４の強度や剛性がより必要な場合には、図５（Ｂ）に示すように、シート状部４４を、ゴムブッシュ１８の圧入部を含む全断面でコの字状とすることで、必要な強度や剛性を確保することができる。

［第２実施形態］
図６は、本発明に係るボールジョイントの第２実施形態として、図１に示すようなサスペンションアームのボールジョイント部及びアーム部を示す説明図であり、図６（Ａ）はボールジョイント部、図６（Ｂ）はアーム部を、各々、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）と同様な断面で示している。

ボールジョイント部１１２は、ボールスタッド２０、ボールシート１３０、ソケット１４０、プラグ１６０、ダストカバー１７０で構成され、ソケット１４０は、シート状部１４４とカシメ用リング１５０を射出成形部４６にインサート成形した構造となっている。

また、ボールジョイント部１１２は、ボールスタッド２０の下端に形成したボール部２４を、ボールシート１３０と共に開口部１４２の反対側からソケット１４０に組み込み、ボールシート１３０を円盤状のプラグ１６０とカシメ用リング１５０とによるカシメ成形で固定してボールスタッド２０を揺動及び摺動自在に支持し、更に、ボールスタッド２０とソケット１４０の間には、開口部１４２から内部に水や埃が侵入するのを防止するダストカバー１７０を装着している。

ソケット１４０のシート状部１４４と射出成形部１４６は、アーム部１１４へ連続的に連なり、アーム部１１４は、例えば図１に示すように、ゴムブッシュ部１６に連続的に連なっている。また、アーム部１１４は、シート状部１４４をコの字状として、サスペンションアームの外郭を構成している。

本実施形態では、図２に示す第１実施形態に対し、シート状部１４４と射出成形部１４６との位置関係が上下逆になっており、また、カシメ用リング１５０の抜け防止部１５６が、第１実施形態とは異なり、複数の溝で構成されている。

また、本実施形態では、カシメ用リング１５０と射出成形部１４６との接触部の露出端１８０が、大気や雨水等の外部雰囲気に曝露されているが、カシメ用リング１５０の表面にジオメット（登録商標）処理やアルマイト処理等の電蝕防止用の被膜を形成したり、少なくとも露出端１８０の部分を薄い樹脂層で被覆して外部雰囲気と隔離したりすることで、カシメ用リング１５０の金属と射出成形部１４６の炭素との電蝕を防止することができる。

本実施形態においては、図２に示す第１実施形態に対し、ダストカバー１７０をソケット１４０に圧入する大径開口部１７６の内径を小さくできるため、ダストカバー１７０の膜部１７２やソケット１４０の径方向の小型化が可能である。

［第３実施形態］
図７は、本発明に係るボールジョイントの第３実施形態として、図１に示すようなサスペンションアームのボールジョイント部及びアーム部を示す説明図であり、図７（Ａ）はボールジョイント部、図７（Ｂ）はアーム部を、各々、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）と同様な断面で示している。

本実施形態では、図２に示す第１実施形態に対し、射出成形部２４６をカシメ用リング５０を使用せずにシート状部４４をインサート成形し、更に、金属製のプラグ６０に代えて炭素繊維強化熱可塑性樹脂製のプラグ２６０を、溶着部２６２で射出成形部２４６に溶着してボールシート３０を固定している点で異なり、これ以外は同じ構成となっている。

本実施形態においては、図２に示す第１実施形態に対し、金属製のカシメ用リング５０やプラグ６０を廃止することができるため、更なる軽量化が可能となる。

［第４実施形態］
図８は、本発明に係るボールジョイントの第４実施形態として、図１に示すようなサスペンションアームのボールジョイント部及びアーム部を示す説明図であり、図８（Ａ）はボールジョイント部、図８（Ｂ）はアーム部を、各々、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）と同様な断面で示している。

本実施形態では、図６に示す第２実施形態に対し、射出成形部３４６をカシメ用リング１５０を使用せずにシート状部１４４をインサート成形し、更に、金属製のプラグ１６０に代えて炭素繊維強化熱可塑性樹脂製のプラグ３６０を、溶着部３６２で射出成形部３４６に溶着してボールシート３３０を固定している点で異なり、これ以外は同じ構成となっている。

本実施形態においても、図６に示す第２実施形態に対し、金属製のカシメ用リング１５０やプラグ１６０を廃止することができるため、更なる軽量化が可能となる。

［その他］
上記の実施形態では、本発明に係るボールジョイントを車両用のサスペンションアームと一体に形成した構成を示しているが、サスペンションアームに限らず、タイロッドエンドやスタビライザーリンク等の他の車両用部品、特にリンク機構用部品と本発明に係るボールジョイントを一体に形成することも可能である。

更に、本発明は、車両用部品として用いられるボールジョイントに限らず、あらゆるボールジョイントに適用可能であり、また上記の実施形態に限定されず、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含む。

１０、１１０、２１０、３１０：サスペンションアーム（ボールジョイント）
１２、１１２、２１２、３１２：ボールジョイント部
１４、１１４、２１４、３１４：アーム部
１６：ゴムブッシュ部
１８：ゴムブッシュ
２０：ボールスタッド
２２：スタッド部
２４：ボール部
３０、１３０、３３０：ボールシート
３２：スリット部
３４：上端部
４０、１４０、２４０、３４０：ソケット
４２、１４２：開口部
４４、１４４：シート状部
４６、１４６、２４６、３４６：射出成形部
４８：エア抜き溝
５０、１５０：カシメ用リング
５２：筒部
５４：カシメ部
５６、１５６：抜け防止部
５８：樹脂充填用溝
６０、１６０、２６０、３６０：プラグ
６２：フランジ部
６４：段部
７０、１７０：ダストカバー
７２、１７２：膜部
７４：小径開口部
７６、１７６：大径開口部
８０、１８０：露出端
２６２、３６２：溶着部

Claims (10)

1. スタッド部の一端にボール部を設けたボールスタッドと、
   前記スタッド部を開口部から突出させて前記ボール部を収容するソケットと、
   前記ボール部を前記ソケット内に摺動自在に内包するボールシートと、
   前記スタッド部と前記開口部との間を密閉するダストカバーと、
   を備えるボールジョイントにおいて、
   前記ソケットは、連続炭素繊維によるシート状部及び不連続炭素繊維による射出成形部を一体に形成した、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材であることを特徴とするボールジョイント。
   
2. 請求項１記載のボールジョイントにおいて、更に、前記ボールシートを保持する金属製の円環状又は円盤状のプラグを備え、
   前記ソケットは、前記プラグを固定するカシメ用リングを、前記射出成形部にインサート成形により一体に形成したことを特徴とするボールジョイント。
   
3. 請求項１記載のボールジョイントにおいて、更に、前記ボールシートを保持する炭素繊維強化熱可塑性樹脂製の円環状又は円盤状のプラグを備え、
   前記ソケットは、前記プラグを前記射出成形部に溶着により固定したことを特徴とするボールジョイント。
   
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のボールジョイントにおいて、前記ソケットは、サスペンションアーム、タイロッドエンド及びスタビライザーリンクを含む車両用部品と一体に形成したことを特徴とするボールジョイント。
   
5. 請求項２記載のボールジョイントにおいて、前記カシメ用リングは、前記射出成形部との接触部に凹凸状の抜け防止部を設けたことを特徴とするボールジョイント。
   
6. 請求項２記載のボールジョイントにおいて、前記プラグを前記ソケットの開口部側に配置した場合に、前記カシメ用リングと前記射出成形部との接触部の露出端を前記ダストカバー内に位置させたことを特徴とするボールジョイント。
   
7. 請求項２記載のボールジョイントにおいて、前記プラグを前記ボール部の先端側に配置した場合に、前記カシメ用リングに電蝕防止用の皮膜を形成したことを特徴とするボールジョイント。
   
8. 請求項１記載のボールジョイントにおいて、前記ソケットは、前記射出成形部の前記ボールシートとの接触面にエア抜き溝を設けたことを特徴とするボールジョイント。
   
9. 請求項４記載のボールジョイントにおいて、前記ソケットは、サスペンションアームと一体に形成した場合に、前記シート状部をコの字状として前記サスペンションアームの外殻を構成したことを特徴とするボールジョイント。
   
10. 請求項１記載のボールジョイントにおいて、前記ソケットは、前記射出成形部を長炭素繊維による射出成形により形成したことを特徴とするボールジョイント。

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