JP2016179765A - 中空スタビライザ - Google Patents
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Abstract
Description
熱処理としては、焼入れ処理と焼戻し処理とが行われており、焼入れの方法は、油焼入れが主流である。そして、熱処理された素管は、通常、ショットピーニングによる表面加工処理や、塗装処理等の仕上処理を経て製品化されている。
例えば、特許文献1には、板厚tと外径Dの%比がt/D≧20%である中空スタビライザー用電縫溶接鋼管が、電縫溶接後に縮径圧延されてなる電縫溶接鋼管を採用することによって実現することが記載されている。
そこで、強度が高いながら軽量である中空スタビライザが求められるというニーズがある。
また、中空スタビライザの曲げ部は、焼入れに際して、通電加熱の場合に凹状のため電流密度が高く局所的な高温化を生じる場合がある。また、冷却に際しても曲げ部は凹状のために冷却速度が低く成り易い。そのため、曲げ部は、焼入れが不充分となり、硬度が低下するおそれがある。
一方、前記したように、中実構造の中実スタビライザは断面係数が高く、強度が高いものの、重量が嵩むという欠点がある。
中空スタビライザ1は、車幅方向に延びるトーション部1aと、車両の前後方向に延びる左右一対のアーム部1b,1bとを備えている。
なお、曲げ部1cは2か所以上有する構成としてもよい。
アーム部1b,1bの先端の各連結部1d、1dは、スタビライザリンク2,2を介して、不図示の車体に固定される左右一対の懸架装置3,3にそれぞれ連結されている。各懸架装置3の車軸部3aには、不図示の車輪が取り付けられる。懸架装置3は、圧縮ばね、オイルダンパを有し、車輪からの衝撃、振動等を内部摩擦、粘性抵抗により減衰して車体に和らげて伝える働きをする。
この構成により、左右の車輪の上下移動により左右の懸架装置3,3にストローク差が生じると、各懸架装置3,3から各アーム部1b,1bに変位による荷重が伝達され、トーション部1aがねじり変形する。そして、トーション部1aには、該ねじり変形を復元しようとする弾性力が生じる。中空スタビライザ1は、このねじり変形に抗する弾性力によって、車体の左右の傾きを抑えてロール剛性を高め、車両の走行を安定化させる。
中空スタビライザ1に用いられる中空パイプは、電縫管、SR(Stretch Reduce)管(熱間圧延電縫鋼管)、電縫引抜鋼管等が使用される。図2(a)は、電縫管を示す横断面図であり、図2(b)は、SR管を示す横断面図である。
また、外径約12mm〜約44mm、板厚tが約2mm〜約10mmの中空スタビライザ1には、SR管が使用される。t/D=0.12〜0.31程度の中空スタビライザ1である。
中空スタビライザ1は、後記する冷却剤への浸漬や冷却剤の噴射、噴入を含む冷却を伴う焼入れを行うことにより、主相がマルテンサイトである金属組織で形成されている。
このように、残留応力は金属材料の寿命と密接な関係があり、特に繰返し負荷によってき裂が徐々に進展する金属疲労においては、影響が顕著となる。
中空スタビライザ1の素管の中空パイプの焼入れ時には、熱応力による圧縮残留応力と変態応力による引張残留応力とが発生する。これらの兼ね合いから、表面残留応力が所定の分布を示すことになる。中空パイプの表面近傍は、水焼入れによって発生する熱応力は圧縮残留応力が優位である。
そこで、本中空スタビライザ1では、通常の水焼入れに加えて、後記するジェット水流による局所的な焼入れを補完的に行っている。
中空スタビライザ1は、主相がマルテンサイトである金属組織を有している。より具体的には、中空スタビライザ1の金属組織の少なくとも90%以上にマルテンサイト組織を有する。
次に、中実スタビライザと本実施形態の中空スタビライザ1とをt(板厚)/D(外径)で重量比較するとともに、中空スタビライザ1の外面1fと内面1eとに発生する応力を定性的に相対比較した結果を説明する。
図3においては、中実スタビライザの場合を100%として、中空スタビライザでどのように重量、外面応力、内面応力が変化するかを表わしている。そのため、中実スタビライザの重量、外面応力が100%であり、中実スタビライザは、内面がなく内面応力が発生しないので、内面応力は0%である。
中実スタビライザからt/Dが低下する中空スタビライザとなると断面積が減少することから、外面応力、内面応力は増加する傾向となる。
なお、t/D=約0.275の中空スタビライザ1とすると重量が約20%低下できる。
t/D=約0.18以下では、内面からの疲労破壊が発生する。t/D=約0.18以下では、内面応力および外面応力ともに急激に上昇する。
そこで、t/D=約0.18以下では、内面の硬度の向上がより重要である。
また、中空スタビライザ1は、t/D=約0.18〜0.275など板厚tが厚くなるので、前記したように、曲げ部1cの内側の焼入れが不充分となるおそれがある。
次に、本実施形態に係る中空スタビライザの製造方法の一例について説明する。
素材の中空パイプ材の長さ及び径は、所望の製品形状に応じて適宜の寸法とすることが可能である。
上述の熱間圧延鋼材を用いて、前記の電縫管、SR管等が製管される。そして、所定長さの中空スタビライザ1を製造する電縫管、SR管等の中空パイプ素管1Sが用意される。
加熱方法としては、加熱炉による加熱、通電加熱、高周波誘導加熱等の適宜の方法を用いることができる。通電加熱は、急速加熱によって脱炭や脱ホウ素を抑制しつつ中空パイプ素管1Sを加熱処理することができる。そのため、通電加熱を用いることが好ましい。
なお、約720℃以下での曲げ成形としてもよい。
約720℃以下での曲げ加工を施した場合には、約900℃以上約1200℃以下での成形と異なり、金属が柔らかくなっていない状態での曲げ加工となるため、大きな力をかける必要がある。
これに対して、加熱温度が金属の再結晶温度以上での曲げ加工の場合、金属が柔らかく、曲げと曲げとの間隔はベンダによる曲げの半分程度で済み、約900℃以上約1200℃以下での型成形は加工性がよい。
型成形によって、中空パイプ素管1Sに曲げ加工を施すことによって、中空パイプ素管1Sにトーション部1a及びアーム部1b、曲げ部1cを形成し、中空パイプ素管1Sの形状を所望の中空スタビライザ1の形状近くに賦形される。
本実施形態では、冷却剤として水を用いており、不図示の焼入れ槽内の水の温度上昇を抑えるため、循環させている。
図5(a)に示すように、中空パイプ素管1Sは水焼入れする際に、曲げ加工が施された中空パイプ素管1Sが熱変形するおそれがある。
クランプc1、c2、c3、c4によりクランプ(把持)される箇所は、冷却が不充分となるのを防ぐため小さい面積になるように配慮する。
これにより、水焼入れ中、中空パイプ素管1Sは焼入れ冶具Jに一体的固定される。
中空パイプ素管1Sをクランプして拘束焼入れすることにより、曲げ加工が施された中空パイプ素管1Sは冷却による熱変形することが抑えられる。
そこで、焼入れ中、中空パイプ素管1Sを揺動速度220mm/secで揺動させたところ、図6(b)に示すように、規格下限より低い硬さのt/Dがなくなり、硬さの下限が上昇した。
なお、冷却剤の種類を変えたり、冷却剤の循環速度を速めたり、冷却剤の温度を低下させるなどして、中空パイプ素管1Sの揺動を行わない構成も可能である。
図7は、曲げ成形された中空パイプ素管1Sの曲げ部1cの内側を外面から局所的に焼入れを行っている状態を示す上面図である。
ところで、前記したように、中空パイプ素管1Sが厚肉の場合、曲げ部1c,1c(図1参照)の内側1c1、1c2は、焼入れが完全に入らないおそれがある。
例えば、t(板厚)/D(外径)=0.18〜0.275の場合、中空パイプ素管1Sの板厚が厚くなるので、焼き入れが不充分になるおそれがある。この場合、外面ジェットによる焼入れが行われる。
ジェット流量8.5リットル/min未満、流速2000mm/sec未満の場合、中空パイプ素管1Sの曲げ部1cの冷却速度が低下する結果となった。
これにより、曲げ成形された中空パイプ素管1Sの曲げ部1c、1cの各内側1c1、1c2の焼入れをより完全なものにすることができる。
図8は、外面ジェットによる効果を硬度で示す図である。横軸に中空パイプ素管1Sの曲げ部1cの内側1c1、1c2の表面からの深さ(距離)をとり、縦軸にビッカース硬さをとっている。なお、ビッカース硬さ試験の圧子の荷重は300gfである。図8では、参考にロックウェル硬さHRC40、43を示す。
以上より、中空パイプ素管1Sの曲げ部1cの内側1c1、1c2に冷却剤による外面ジェットを行うことで、焼入れ性が向上することが確認できた。
上述の冷却剤による外面ジェットは、中空パイプ素管1Sを冷却剤に浸漬することなく行ってもよい。
図9により、成形工程S10において、中空パイプ素管1Sを約900℃以上約1200℃以下で成形した供試管C、Dは、350℃、400℃の焼戻し温度で従来と同様な寿命が得られることが明らかになった。
これらの検討より、成形を約720℃以下で行う中空スタビライザ1の場合、焼戻しの加熱温度は約200℃〜約290℃が望ましく、約230℃〜約270℃が最も望ましいことが判明した。
管端加工工程S40では、曲げ成形された中空パイプ素管1Sの末端をプレスによる圧縮加工で塑性変形させて扁平状に形成した後、穴開け型で孔開けする。これにより、曲げ成形された中空パイプ素管1Sの末端に取り付け孔1d1、1d1をそれぞれ有する連結部1d、1dが形成される。なお、連結部1d、1dの形態や形成方法は、特に制限されない。
中空パイプ素管1Sに塗装処理を行うため、まず表面洗浄や表面処理を行う。中空パイプ素管1Sの表面に、油脂分や異物等を除去する除去処理や下地処理等の各種の前処理を施す。下地処理としては、例えば、リン酸亜鉛、リン酸鉄等の被膜を形成することができる。
塗装処理として、電着塗装、溶剤塗装等を実施してもよい。
<内面ジェットによる焼入れ>
中空パイプ素管1Sの曲げ部1cの内側1c1、1c2の焼入れ性を上げたい場合、中空パイプ素管1Sを内面1fから局所的に焼入れを行う冷却剤の内面ジェットによる焼入れが行われる。
図11は、内面ジェットによる焼入れ方法で、曲げ成形された中空パイプ素管1Sを内面から局所的に焼入れを行っている状態を示す上面図である。
内面ジェットによる焼入れは、次のようにして行われる。
中空パイプ素管1Sの両端部の開口の管端1s1、1s2に間隔をおいて、それぞれ中空パイプ素管1Sの内径に対応したノズルn3、n4が配置される。ノズルn3、n4の径は中空パイプ素管1Sの内径に対応して、適宜に定められる。
なお、中空パイプ素管1S内への内面ジェットの流量は、検討結果、ジェット流量8.5リットル/min以上、流速2000mm/sec以上が望ましい。
ジェット流量8.5リットル/min未満、流速2000mm/sec未満の場合、中空パイプ素管1Sの曲げ部1cの冷却速度が低下する結果となった。
図12は、水焼入れおよび内面ジェットによる焼入れの効果を、水焼入れのみの場合との比較を疲労試験で示すS−N線図である。横軸に耐久回数(繰返し数)を示し、縦軸に応力振幅(MPa)(疲労強度)を示す。図12では、従来の水焼入れのみの中空パイプ素管のワイブル分布の50%折損確率(平均)を一点鎖線で示し、10%折損確率(平均)を破線で示す。
図12より、内面ジェット有り(△)の場合が内面ジェット無し(▲)の場合より耐久回数が上昇し、内面ジェットを行うことで耐久性が向上することが確認された。
なお、ノズルn3、n4からの冷却剤の噴入は互い違いに行ってもよい。
もちろん、商品名「コルダー」等の気体ジェット流であっても、中空スタビライザ1の急冷による熱処理効果が得られる。また、中空スタビライザ1の製造ラインが簡便になるとともに製造ラインがクリーンになるという効果が得られる。
図13は、他例の内面ジェットによる焼入れ方法で、曲げ成形された中空パイプ素管1Sを内面から焼入れを行っている状態を示す上面図である。
第2の内面ジェットによる焼入れ方法は、次のようにして行われる。
中空パイプ素管1Sの一方の開口の管端1s1に対向して適切な距離離膈して、ノズルn5が配置される。ノズルn5の径は中空パイプ素管1Sの内径に対応して、適宜に定められる。
ノズルn5にはそれぞれ小型水中ポンプp5を介して、可撓性のホースh5が接続される。ホースh5は、ゴム製、樹脂製、金属製等任意である。
一方の管端1s1から中空パイプ素管1S内に入ったジェット水流は、管内を流れ(図13の白抜き矢印β50)、曲げ部1cの内面1f1と曲げ部1cの内面1f2とを順に急速に冷却し、他方の管端1s2から排出される(図13の矢印β6)。
なお、中空パイプ素管1Sの両端部の開口の管端1s1、1s2から、同時にジェット水流を流す場合の方が焼入れによる変形がより抑えられ、より好ましい。
図3により、t/D=約0.18未満では、外面応力および内面応力が急激に増加することから、ショットピーニングや、表面から炭素を拡散させて表面に高炭素の合金の層を作り、より内面の硬さを高くする浸炭が行われる。
そこで、t/D=約0.18〜0.275などの領域では、前記した冷却剤を中空スタビライザ1の曲げ部1cの内側1c1、1c2に対して噴射する冷却を伴う焼入れで中空スタビライザ1の曲げ部1cの内側1c1、1c2の硬度を高め、焼入れ不足を改善する。
t/D=約0.275以上では、外面応力が中実スタビライザと同等であり、内面応力が比較的低いので内面硬さは低くてもよい。つまり、前記の冷却剤の水などに浸漬した揺動を行う焼入れを行えばよい。
なお、ジェット流なしの場合、アーム部1bの外面1eの硬度に比べて、曲げ部1cの内側1c1、1c2の外面1eの硬度が約34〜約40%であったが、ジェット流を用いることで、約70%以上とすることができた。結果として、硬さ比が約70%以上であれば実用レベルにあると言える。
また、ジェット水流による焼入れを工夫することでアーム部1bの外面1eの硬度に比べて、曲げ部1cの内側1c1、1c2の外面1eの硬度が約80%以上や約90%以上とすることができる。硬度は、ロックウェル硬度またはビッカース硬度によるものとする。
1.中空スタビライザ1の曲げ部1cに冷却剤に浸漬する焼入れに加えて、曲げ部1cの内側1c1、1c2の外面1eに向かって冷却剤を連続的に噴射するので、冷却剤に浸漬する焼入れでは不充分となり易い箇所に充分な焼入れを施すことができる。また、中空スタビライザ1全体の冷却速度向上を図ることができる。
そのため、中空スタビライザ1の生産コストを、低減できる。また、中空スタビライザ1の効率的な生産が可能になる。
1.前記実施形態で説明した中空スタビライザ1の曲げ部1cへの冷却剤の外面ジェットまたは内面ジェットによる冷却は単独で独立して行ってもよい。
例えば、中空スタビライザ1の曲げ部1cへの外面ジェットまたは内面ジェットは、それぞれ内面ジェットまたは外面ジェットを行うことなく行ってもよい。また、冷却剤に浸漬する焼入れを行うことなく、外面ジェットまたは内面ジェットを行ってもよい。
1a トーション部
1b アーム部
1c 曲げ部
1e 外面
1f1、1f2 内面
1s1、1s2 開口
1S 中空パイプ素管(素管)
Claims (13)
- 車両に備えられ、車幅方向に延びるトーション部と、車両の前後方向に延びるアーム部と、前記トーション部と前記アーム部とを接続する曲げ部とを備える管状の中空スタビライザであって、
前記アーム部外面の硬度に対して、前記曲げ部の曲げ内側の外面の硬度が70%以上である
ことを特徴とする中空スタビライザ。 - 車両に備えられ、車幅方向に延びるトーション部と、車両の前後方向に延びるアーム部と、前記トーション部と前記アーム部とを接続する曲げ部とを備える管状の中空スタビライザであって、
前記曲げ部は、局所的にまたは内面側から硬度が高められる処理が行われている
ことを特徴とする中空スタビライザ。 - 板厚をtとし、外径をDとした場合、t/D=0.18以上0.5未満であり、
前記曲げ部の曲げ内側の外面に対して冷却剤が噴射される冷却を伴う焼入れが施されている
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の中空スタビライザ。 - 板厚をtとし、外径をDとした場合、t/D=0.25〜0.275未満であり、
前記中空スタビライザの内部に冷却剤が噴入される冷却を伴う焼入れが施されている
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の中空スタビライザ。 - 板厚をtとし、外径をDとした場合、t/D=0.1〜0.18であり、
前記曲げ部の曲げ内側の外面または内面に、少なくともショットピーニングまたは浸炭の何れかが施されている
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の中空スタビライザ。 - 車両に備えられ、車幅方向に延びるトーション部と、車両の前後方向に延びるアーム部と、前記トーション部と前記アーム部とを接続する曲げ部とを備える管状の中空スタビライザであって、
前記曲げ部の曲げ内側の外面に対して冷却剤が噴射される焼入れが施されている
ことを特徴とする中空スタビライザ。 - 左右の前記曲げ部の曲げ内側の両外面に対して一緒に前記冷却剤が噴射されている
ことを特徴とする請求項6に記載の中空スタビライザ。 - 車両に備えられ、車幅方向に延びるトーション部と、車両の前後方向に延びるアーム部と、前記トーション部と前記アーム部とを接続する曲げ部とを備える管状の中空スタビライザであって、
前記中空スタビライザの内部に冷却剤が噴入される焼入れが施されている
ことを特徴とする中空スタビライザ。 - 前記中空スタビライザの両端部から冷却剤が噴入される焼入れが施されている
ことを特徴とする請求項4または請求項8に記載の中空スタビライザ。 - 前記冷却剤は、流量8.5リットル/min以上、流速2000mm/sec以上で噴射または噴入される
ことを特徴とする請求項3または請求項4または請求項6から請求項9のうちの何れか一項に記載の中空スタビライザ。 - 冷却剤に浸漬して冷却する焼入れが施され、
揺動速度350mm/sec以上650mm/secで揺動される
ことを特徴とする請求項1から請求項10の何れか一項に記載の中空スタビライザ。 - 900℃から1200℃で曲げ成形が行われている
ことを特徴とする請求項1から請求項11のうちの何れか一項に記載の中空スタビライザ。 - 720℃以下で曲げ成形が行われ、
230℃〜270℃に加熱して焼戻しが行われている
ことを特徴とする請求項1から請求項11のうちの何れか一項に記載の中空スタビライザ。
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