JP2019137206A - アーム部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ねじり剛性の低減と耐久性の維持を両立できること。【解決手段】アーム部材の中心軸と、アーム部材の荷重線と、が一致するように、アーム部材には少なくとも１つ以上の欠肉部が形成されている。アーム部材の中心軸は、アーム部材をアーム部材の軸に垂直な面によって切断した際の各断面形状の図心をアーム部材の軸方向に繋げた線である。アーム部材の荷重線は、アーム部材において荷重がかかる線である。【選択図】図１

Description

本発明は、棒状のアーム部材及びその製造方法に関する。

棒状のアーム部と、アーム部端部に形成された筒状のカラー部と、を備えるサスペンションアームが知られている（特許文献１参照）。アーム部にはスリットが形成され、ねじり剛性を低減している。

特開２０１３−０３２１５８号公報

上記サスペンションアームにおいては、アーム部に形成されたスリットに応力が集中する。このため、サスペンションアームの耐久性が低下する虞がある。したがって、ねじり剛性の低減と耐久性の維持を両立できるアーム部材が要望されている。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ねじり剛性の低減と耐久性の維持を両立できるアーム部材及びその製造方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
棒状のアーム部材であって、
前記アーム部材を前記アーム部材の軸に垂直な面によって切断した際の各断面形状の図心を前記アーム部材の軸方向に繋げた線である中心軸と、前記アーム部材において荷重がかかる線を示す荷重線と、が一致するように、前記アーム部材には少なくとも１つ以上の欠肉部が形成されている、
ことを特徴とするアーム部材
である。
この一態様において、前記アーム部材のねじり剛性が所定値となり、かつ、前記アーム部材の中心軸と前記荷重線とが一致するように、前記アーム部材に前記欠肉部が形成されていてもよい。
この一態様において、前記アーム部材の端部には筒状のカラー部が一体成形されており、前記アーム部材の端部には、内部が空洞の中空部が前記アーム部材の軸方向に沿って形成されており、前記カラー部の前記アーム部材端部と接続する接続部分には、該カラー部内部と前記中空部とが連通する連通孔が形成されており、前記連通孔は、前記アーム部材の中心軸を中心にして形成されていてもよい。
この一態様において、前記アーム部材の断面形状がＸ形状となるような前記欠肉部が形成されていてもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
棒状のアーム部材の製造方法であって、
前記アーム部材を前記アーム部材の軸に垂直な面によって切断した際の各断面形状の図心を前記アーム部材の軸方向に繋げた線である中心軸と、前記アーム部材において荷重がかかる線を示す荷重線と、が一致するように、前記アーム部材には少なくとも１つ以上の欠肉部が形成される、
ことを特徴とするアーム部材の製造方法
であってもよい。
この一態様において、前記アーム部材は、３Ｄプリンタにより一体成形されてもよい。

本発明によれば、ねじり剛性の低減と耐久性の維持を両立できるアーム部材及びその製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態１に係るアーム部材の概略的構成を示す斜視図である。 図１に示すアーム部材を面Ａで切断した際の断面図である。 アーム部材の断面形状が略Ｘ形状となりその断面の一部が断絶するように形成された欠肉部の一例を示す図である。 図３に示すアーム部材を面Ａで切断した際の断面図である。 アーム部材の断面形状が軸方向全体に渡って略Ｘ形状となるように形成された欠肉部の一例を示す図である。 図５に示すアーム部材を面Ａで切断した際の断面図である。 アーム部材の断面形状が略円環形状となるように形成された欠肉部の一例を示す図である。 図７に示すアーム部材を面Ａで切断した際の断面図である。 アーム部材の断面形状が略四角形状となるように形成された欠肉部の一例を示す図である。 図９に示すアーム部材を面Ａで切断した際の断面図である。 本発明の実施形態３に係るアーム部材の斜視図である。 図１１に示すアーム部材を面Ａで切断した際の断面図である。

実施形態１
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態１に係るアーム部材の概略的構成を示す斜視図である。図２は、図１に示すアーム部材を面Ａで切断した際の断面図である。

本実施形態１に係るアーム部材１は、例えば、棒状のサスペンションアーム（Ｉアーム）である。アーム部材１は、略円柱状に形成されているが、これに限定されず、例えば、多角柱状に形成されていてもよい。アーム部材１は、中実構造であるが、これに限定されず、例えば、中空構造であってもよい。アーム部材１は、例えば、３Ｄプリンタなどにより一体成型されている。

サスペンションアームは、例えば、自動車などのサスペンションに用いられる部材であり、操縦安定性や乗り心地に関して極めて重要な部品である。したがって、所定の引張強度や圧縮強度を確保しつつ、ねじり荷重が負荷されても柔軟かつ良好にねじれ変形を生じるように、適切なねじり剛性の低減が要求される。

従来のサスペンションアームには、例えば、スリットが形成されており、このスリットに応力が集中する。このため、サスペンションアームの耐久性が低下する虞がある。したがって、ねじり剛性の低減と耐久性の維持を両立できるアーム部材が要望されている。

これに対し本実施形態１において、アーム部材１の中心軸Ｏと、アーム部材１の荷重線Ｙと、が一致するように、アーム部材１には少なくとも１つ以上の欠肉部１１が形成されている。アーム部材１の中心軸Ｏとは、アーム部材１をアーム部材１の軸に垂直な面によって切断した際の各断面形状の図心（重心）を、アーム部材１の軸方向に繋げた線である。

アーム部材１の荷重線Ｙとは、アーム部材１において荷重がかかる線であり、アーム部材１に荷重が付加されたときに力が通る線である。例えば、アーム部材１の長手方向において、アーム部材１が固定された点である固定点と、アーム部材１に対して荷重が付加された点である荷重点と、を直線で結んだ線が、アーム部材１の荷重線Ｙとなる。

アーム部材１に欠肉部１１を形成することで、アーム部材１の軽量化を図りつつ、ねじり剛性を最適に低減させることができる。さらに、アーム部材１の中心軸Ｏとアーム部材１の荷重線Ｙとを一致させることで、アーム部材１が座屈し難くなる（変な方向に曲がらない）。このため、アーム部材１に生じる応力集中を抑制できる。すなわち、アーム部材１のねじり剛性の低減と耐久性の維持を両立できる。

次に、本実施形態１において、ねじり剛性を最適に低減させるための欠肉部１１の設定方法について詳細に説明する。上述の如く、アーム部材１の中心軸Ｏとアーム部材１の荷重線Ｙとが一致するようにアーム部材１に欠肉部１１を形成することを前提に、さらに以下のことを考慮して欠肉部１１の形状を設定する。

例えば、欠肉部１１の断面形状の面積を大きくし、アーム部材１の断面形状の面積を小さくした場合、アーム部材１のねじり剛性は小さくなる。逆に、欠肉部１１の断面形状の面積を小さくし、アーム部材１の断面形状の面積を大きくした場合、アーム部材１のねじり剛性は大きくなる。

アーム部材１の軸方向における欠肉部１１の長さを、長くした場合、アーム部材１のねじり剛性が小さくなる。逆に、アーム部材１の軸方向における欠肉部１１の長さを、短くした場合、アーム部材１のねじり剛性が大きくなる。なお、欠肉部１１の長さは、最大でも、欠肉部１１が後述のカラー部に到達しない長さとなっている。これは、例えば、欠肉部１１がカラー部まで延在すると、そのカラー部と欠肉部１１とが交わる位置で応力集中が生じ易いからである。

以上のことを考慮して、アーム部材１のねじり剛性がアーム部材１に柔軟かつ良好にねじれ変形を生じるような所定値となり、かつ、アーム部材１の中心軸Ｏとアーム部材１の荷重線Ｙと一致するように、アーム部材１に欠肉部１１を設定する。

例えば、図２に示す如く、円柱状のアーム部材１の中央部付近には、断面形状が略Ｘ形状となるような欠肉部１１が形成されていてもよい。各欠肉部１１の断面形状は、略対称形状となるように形成されていてもよい。図２に示すような欠肉部１１を形成することでアーム部材１のねじり剛性を、例えば、中空構造のアーム部材１のねじり剛性を１００％として、略２％（１／５０）に低減できる。

図２に示す如く、アーム部材１の断面形状が略Ｘ形状となるように欠肉部１１が形成され、アーム部材１に必要な断面積を確保されている。さらに、アーム部材１の中心軸Ｏとアーム部材１の荷重線Ｙとは一致していることから、アーム部材１は座屈し難い構造となっている。これにより、アーム部材１の引張強度や圧縮強度を確保しつつ、ねじり応力に応じて柔軟かつ良好にねじれ変形を生じるように、最適なねじり剛性の低減が実現できる。

続いて、本実施形態１に係るアーム部材の製造方法について説明する。
例えば、アーム部材１は、３Ｄプリンタによって一体成形される。３Ｄプリンタは、コンピュータ上で作ったアーム部材１の３次元データなどを設計図として、積層造形法などを用いて、その断面形状を付加加工で積層していくことで、３次元のアーム部材１を成形するものである。アーム部材１の３次元データには、上述の如く、アーム部材１のねじり剛性が所定値となり、かつ、アーム部材１の中心軸Ｏとアーム部材１の荷重線Ｙとが一致するように、アーム部材１に欠肉部１１が設定されている。

３Ｄプリンタは、アーム部材１の３次元データに基づいて、ノズルを駆動させて、ノズルから、アーム部材１の断面形状に対応する部分に対し、金属、セラミック、ナイロンなどの粉末を吐出すと共に、欠肉部１１などのアーム部材１の断面形状以外の部分にサポート材を吐出する。そして、３Ｄプリンタは、レーザー装置を駆動させて、高電力のレーザーを、アーム部材１の断面形状に対応する部分の粉末に照射することで、各層の断面形状を成形する。３Ｄプリンタは、上記工程を繰り返すことで、各断面形状を積層し３次元のアーム部材１を成形する。最後に、アーム部材１周辺のサポート材を除去すると共に、アーム部材１内のサポート材を除去する。

以上、本実施形態１に係るアーム部材１において、アーム部材１の中心軸Ｏと、アーム部材１の荷重線Ｙと、が一致するように、アーム部材１には少なくとも１つ以上の欠肉部１１が形成されている。アーム部材１に欠肉部１１を形成することで、アーム部材１の軽量化を図りつつ、ねじり剛性を最適に低減させることができる。さらに、アーム部材１の中心軸Ｏとアーム部材１の荷重線Ｙとを一致させることで、アーム部材１は座屈し難くなる。したがって、アーム部材１に生じる応力集中を抑制できる。すなわち、アーム部材１のねじり剛性の低減と耐久性の維持を両立できる。

実施形態２
上記実施形態１において円柱状のアーム部材１の中央部付近には、断面形状が略Ｘ形状となるような欠肉部１１が形成されている。本実施形態２においては、所望のアーム部材のねじり剛性が得られ、かつ、アーム部材の中心軸とアーム部材の荷重線とが一致するような他の欠肉部の形態について説明する。

図３は、アーム部材の断面形状が略Ｘ形状となりその断面の一部が断絶するように形成された欠肉部の一例を示す図である。図４は、図３に示すアーム部材を面Ａで切断した際の断面図である。図３に示す如く、円柱状のアーム部材２の中央部付近には、断面形状が略Ｘ形状となり、その断面の一部が断絶するような欠肉部２１が形成されていてもよい。

図４に示すアーム部材２の断面積は、上記断面の断絶によって、図２に示すアーム部材１の断面積よりも小さい。このため、図４に示すアーム部材２のねじり剛性は、図２に示すアーム部材１のねじり剛性よりも、より低減されている。図３に示すような欠肉部２１を形成することでアーム部材２のねじり剛性を、例えば、中空構造のアーム部材のねじり剛性を１００％として、略１％（１／１００）に低減できる。

図５は、アーム部材の断面形状が軸方向全体に渡って略Ｘ形状となるように形成された欠肉部の一例を示す図である。図６は、図５に示すアーム部材を面Ａで切断した際の断面図である。図５に示す如く、アーム部材３の断面形状が、軸方向全体に渡って、略Ｘ形状となるような欠肉部３１が形成されていてもよい。

アーム部材３の軸方向中央部におけるＸ形状の断面積が、軸方向両端部におけるＸ形状の断面積よりも大きくなるように欠肉部３１が形成されていてもよい。図５に示すような欠肉部３１を形成することでアーム部材３のねじり剛性を、例えば、中空構造のアーム部材のねじり剛性を１００％として、略１０％（１／１０）に低減できる。

図７は、アーム部材の断面形状が略円環形状となるように形成された欠肉部の一例を示す図である。図８は、図７に示すアーム部材を面Ａで切断した際の断面図である。アーム部材４の断面形状が略円環状となるように、アーム部材４の欠肉部４１が形成されていてもよい。さらに、円環形状の断面形状の内円は外円に対し偏心していてもよい。図７に示すような欠肉部４１を形成することでアーム部材４のねじり剛性を、例えば、中空構造のアーム部材のねじり剛性を１００％として、略５％（１／２０）に低減できる。

図９は、アーム部材の断面形状が略四角形状となるように形成された欠肉部の一例を示す図である。図１０は、図９に示すアーム部材を面Ａで切断した際の断面図である。アーム部材５の断面形状が略四角状となるようにアーム部材５の欠肉部５１が形成されていてもよい。さらに、四角状の断面形状の上下端辺の一部が凹状となるようにアーム部材５の欠肉部５１が形成されていてもよい。図９に示すような欠肉部５１を形成することでアーム部材５のねじり剛性を、例えば、中空構造のアーム部材のねじり剛性を１００％として、略２．５％（１／４０）に低減できる。

実施形態３
図１１は、本発明の実施形態３に係るアーム部材の斜視図である。図１２は、図１１に示すアーム部材を面Ａで切断した際の断面図である。アーム部材１の両端には、例えば、図１１に示す如く、筒状のカラー部１０がそれぞれ形成されている。アーム部材１と各カラー部１０とは、例えば、３Ｄプリンタにより一体成型されている。

アーム部材１の端部には、内部が空洞の中空部１２がアーム部材１の軸方向に沿って形成されている。中空部１２は、アーム部材１の軸方向に沿って、アーム部材１端部から所定距離だけ空洞となるように形成されている。このようにアーム部材１の端部を空洞とすることで、アーム部材１の軽量化を図ると共に、アーム部材１のねじり剛性を低減できる。

カラー部１０のアーム部材１端部と接続する接続部分には、カラー部１０内部と中空部１２とが連通する連通孔１３が形成されている。この連通孔１３を用いて中空部１２内のサポート材を抜くことができる。

さらに、連通孔１３は、図心を繋げた中心軸Ｏを中心にして形成されている。したがって、連通孔１３で応力集中が生じ難くなり、その耐久性を向上させることができる。すなわち、アーム部材１の耐久性を高めると共に軽量化を実現できる。なお、アーム部材１端部とカラー部１０とが接続する部分は、図心から外れていることから、その強度及びロバスト性を確保することができる。

本実施形態３において、上記実施形態１と同一部分には同一符号を付して、詳細な説明は省略する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

上記実施形態において、アーム部材１は、サスペンションアームに適用されているが、これに限定されない。アーム部材１は、例えば、エンジンのトルクロッドなどに適用されてもよく、トルクがかかる任意の棒状のアームに適用されてもよい。

１ アーム部材、１０ カラー部、１１ 欠肉部、１２ 中空部、１３ 連通孔

Claims (6)

1. 棒状のアーム部材であって、
   前記アーム部材を前記アーム部材の軸に垂直な面によって切断した際の各断面形状の図心を前記アーム部材の軸方向に繋げた線である中心軸と、前記アーム部材において荷重がかかる線を示す荷重線と、が一致するように、前記アーム部材には少なくとも１つ以上の欠肉部が形成されている、
   ことを特徴とするアーム部材。
2. 請求項１記載のアーム部材であって、
   前記アーム部材のねじり剛性が所定値となり、かつ、前記アーム部材の中心軸と前記荷重線とが一致するように、前記アーム部材に前記欠肉部が形成されている、
   ことを特徴とするアーム部材。
3. 請求項１又は２記載のアーム部材であって、
   前記アーム部材の端部には筒状のカラー部が一体成形されており、
   前記アーム部材の端部には、内部が空洞の中空部が前記アーム部材の軸方向に沿って形成されており、
   前記カラー部の前記アーム部材端部と接続する接続部分には、該カラー部内部と前記中空部とが連通する連通孔が形成されており、
   前記連通孔は、前記アーム部材の中心軸を中心にして形成されている、
   ことを特徴とするアーム部材。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか１項記載のアーム部材であって、
   前記アーム部材の断面形状がＸ形状となるような前記欠肉部が形成されている、
   ことを特徴とするアーム部材。
5. 棒状のアーム部材の製造方法であって、
   前記アーム部材を前記アーム部材の軸に垂直な面によって切断した際の各断面形状の図心を前記アーム部材の軸方向に繋げた線である中心軸と、前記アーム部材において荷重がかかる線を示す荷重線と、が一致するように、前記アーム部材には少なくとも１つ以上の欠肉部が形成される、
   ことを特徴とするアーム部材の製造方法。
6. 請求項４記載のアーム部材の製造方法であって、
   前記アーム部材は、３Ｄプリンタにより一体成形される、
   ことを特徴とするアーム部材の製造方法。

Images