JP2020098011A - ボールジョイントの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボールスタッドのボール部をインサート成形により樹脂製のハウジングで包含してボールジョイントを製造する際に、トルクチューニングを不要とし、製造時のタクトタイムを短縮すること。【解決手段】スタッド部１０ｓの一端に金属製のボール部１０ｂが一体に接合されて成るボールスタッド１０と、ボール部１０ｂを包含する内球面１１ａを有し、一方が開口した空間を有する樹脂製のハウジング１１とを備えるボールジョイントＪを次のように製造する。ボール部１０ｂを挿入する空洞２０ａを有し、空洞２０ａに溶融樹脂１１Ｚを流し込みハウジングを形成するハウジング型２０を用いる。ボール部１０ｂを空洞２０ａに挿入してボールスタッド１０をハウジング型２０にセットし、ボール部１０ｂをヒータ４０で加熱する。この加熱後、空洞２０ａに溶融樹脂１１Ｚを流し込んだ後に、溶融樹脂１１Ｚ及びボール部１０ｂを冷却する。【選択図】図３

Description

本発明は、車両における路面からの衝撃軽減等の役割を果たすボールジョイントの製造方法に関する。

車両のサスペンションは、路面から車体に伝わる衝撃を軽減し、スタビライザは、車体のロール剛性（捩れに対する剛性）を高める。このサスペンションとスタビライザは、スタビリンクを介して連結されている。スタビリンクは、棒状のサポートバーの両端にボールジョイントを備えて構成されている。

ボールジョイントとして、樹脂によるカップ状のハウジング内に、ボールスタッドのボール部を回転可能に収容した構成がある。この構成のハウジング内は、ボール部の球状に沿った球形湾曲面の形状となっている。この球形湾曲面をハウジング内球面（又は内球面）とも称す。この構成のボールジョイントとして、例えば特許文献１に記載のジョイント装置がある。このジョイント装置は、ボールスタッドのジョイントボール（ボール部）がハウジング切欠き内（ハウジング内球面）に嵌め込まれて構成されている。

このようにハウジング内球面にボールスタッドのボール部が収容されたボールジョイントを製造する場合、金属製のボール部を樹脂製のハウジング（アウターハウジング）で覆うインサート成形により製造する。インサート成形を行う場合、室温や外気温等の常温（例えば２０℃）のボール部をハウジングの型に入れ、この型に溶融温度（例えば２７０℃）で溶融した樹脂を入れる。この後、溶融樹脂がボール部を包含した状態で固化するまで自然に冷却する。

特表２００９−５３６１２２号公報

しかし、上述のようにインサート成形で製造されたボールジョイントのボール部は、ハウジング内球面により強く締め付けられる結合構造となっている。一般的にボールジョイントでは、ボール部の回転時の摩擦力に応じて、揺動トルク及び回転トルク、並びに弾性リフト量が変化する。ボールジョイントでは、車両のサスペンションがストロークするに伴い、ボール部と内球面とが揺摺動するが、この揺摺動する際の特性が、揺動トルク及び回転トルクと定義づけられる。ボール部の回転時の摩擦力が増加して揺動トルク及び回転トルクが高まると、乗り心地が悪化する。

また、弾性リフト量とは、内球面に対するボール部の移動量である。上記の摩擦力が低下すると弾性リフト量が大きくなって、ボール部が内球面で大きく移動する。このため、ボールジョイントにガタが発生し、車両走行中の異音の発生に繋がる。つまり、摩擦力が低下すると、揺動トルク及び回転トルクは低下するが、弾性リフト量は大きくなるといった相反関係がある。

このことから、インサート成形により製造されるボールジョイントでは、ボール部に対するハウジング内球面の強い締め代をトルクチューニング（後述）により調整して、揺動トルク及び回転トルクを、車両の乗り心地が向上するように低下させ、弾性リフト量を、ボールジョイントにガタが発生しないように小さくする必要がある。

トルクチューニングとは、例えばボールジョイントを回転及び揺動させて、ボール部と内球面との摩擦力を、揺動トルク及び回転トルク並びに弾性リフト量が適正となるように調整する工程である。このトルクチューニングによって、ボールジョイントの揺動トルク及び回転トルク（値）、並びに弾性リフト量を適正範囲に設定する（言い換えれば、所定のスペックに適合させる）必要がある。しかし、トルクチューニングには所定時間要するため、製造時のタクトタイムが長くなるという問題があった。

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、ボールスタッドのボール部をインサート成形により樹脂製のハウジングで包含してボールジョイントを製造する際に、トルクチューニングを不要とし、製造時のタクトタイムを短縮することができるボールジョイントの製造方法を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、構造体に一端部が連結されるスタッド部の他端部に、金属製の球体部が一体に接合されて成るボールスタッドと、当該ボールスタッドの球体部を包含する内球面を有し、一方が開口した空間を有する樹脂製のハウジングとを備えるボールジョイントの製造方法であって、前記球体部を挿入する空洞を有し、当該空洞に樹脂を溶融させた溶融樹脂を流し込み前記ハウジングを形成するハウジング型を用い、前記球体部を前記空洞に挿入して前記ボールスタッドを前記ハウジング型にセットするステップと、前記セット後に前記球体部を加熱装置で加熱するステップと、前記球体部を加熱後に、前記空洞に前記溶融樹脂を流し込むステップと、前記空洞に前記溶融樹脂を流し込んだ後に、当該溶融樹脂及び球体部を冷却するステップとを実行することを特徴とするトルクチューニング方法である。

請求項２に係る発明は、構造体に一端部が連結されるスタッド部の他端部に、金属製の球体部が一体に接合されて成るボールスタッドと、当該ボールスタッドの球体部を包含する内球面を有し、一方が開口した空間を有する樹脂製のハウジングとを備えるボールジョイントの製造方法であって、前記球体部を挿入する空洞を有し、当該空洞に樹脂を溶融させた溶融樹脂を流し込み前記ハウジングを形成するハウジング型を用い、加熱された前記球体部を前記空洞に挿入して前記ボールスタッドを前記ハウジング型にセットするステップと、前記セット後に、前記空洞に前記溶融樹脂を流し込むステップと、前記空洞に前記溶融樹脂を流し込んだ後に、当該溶融樹脂及び球体部を冷却するステップとを実行することを特徴とするトルクチューニング方法である。

請求項１，２の方法によれば、ハウジング型の空洞内の球体部が加熱されているので、球体部の加熱温度に応じて熱膨張係数分だけボール径が拡大する。この拡大した球体部の周囲に溶融樹脂が流し込まれた後、冷却されると、溶融樹脂が固化してハウジングと成り、この際、球体部の径が冷却温度に応じて熱膨張係数分だけ収縮する。この球体部の収縮により、ハウジング内球面の球体部の締め代が、従来の製造方法である常温の球体部の周囲に溶融樹脂を流し込み冷却した場合よりも、緩くなる。この締め代の緩みによって、ハウジング内球面と球体部との双方の摩擦力が低減し、所定のスペックに適合した揺動トルク及び回転トルク並びに弾性リフト量を得ることが可能となる。従って、ボールジョイントの製造時にトルクチューニングが不要となるので、製造時のタクトタイムを短縮することができる。

請求項３に係る発明は、前記球体部の加熱温度は、前記樹脂の溶融温度よりも低くすることを特徴とする請求項１又は２に記載のトルクチューニング方法である。

この方法によれば、球体部の加熱温度が溶融樹脂の温度よりも低いので、溶融樹脂の球体部への当接部分が早く内球面状に固まるので、常温に冷却後にハウジング内球面による球体部の包含を外れ難くすることができる。

本発明によれば、ボールスタッドのボール部をインサート成形により樹脂製のハウジングで包含してボールジョイントを製造する際に、トルクチューニングを不要とし、製造時のタクトタイムを短縮することができるボールジョイントの製造方法を提供することができる。

本発明に係る実施形態のスタビリンクのボールジョイントの縦断面図である。 本実施形態のボールジョイントの製造時のハウジング型等の構成を示す断面図である。 ハウジング型の空洞内のボール部を加熱し、溶融樹脂を流し込んだ状態の断面図である。 ハウジング型の空洞内を常温以下に冷却した状態の断面図である。 予め加熱したボール部をハウジング型の空洞に入れて、溶融樹脂を流し込んだ状態の断面図である。 ハウジング型の空洞内を常温以下に冷却した状態の断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
＜実施形態＞
図１は、本発明に係る実施形態のスタビリンクのボールジョイントの縦断面図である。
図１に示すボールジョイントＪは、樹脂製のアウターハウジング（ハウジング）１１により、ボールスタッド１０の先端部のボール部（球体部）１０ｂを覆うようにインサート成形され、且つ、ボール部１０ｂと、ボールジョイント連結用のサポートバー１ａの先端部１ａ１とが一体に結合するようにインサート成形されている。金属製で球状のボール部１０ｂを包含するハウジング１１の内球面（ハウジング内球面）１１ａは、ボール部１０ｂの球状に沿った球形湾曲状となっている。

このようなボール部１０ｂとハウジング内球面１１ａとの摩擦力は、低トルクスタビリンクを実現する適正範囲であることが望ましい。言い換えれば、その摩擦力は、ボールスタッド１０の揺動トルク及び回転トルクを、車両の乗り心地が向上するように低下させ、弾性リフト量を、ボールジョイントにガタが発生しないように小さくできることが望ましい。

ここで、車両のサスペンションは、路面から車体に伝わる衝撃を軽減し、スタビライザは、車体のロール剛性を高めるものであり、サスペンションとスタビライザは、スタビリンク１を介して連結されている。スタビリンク１は、棒状のサポートバー１ａの両端に、上述したボールジョイントＪを備えて構成されている。

ボールジョイントＪのスタッド部１０ｓは、符号２で示すサスペンションの一端部又はスタビライザの一端部が貫通孔を介して鍔部１０ａ１の位置まで挿通され、ナットＮ１で締め付けられて固定されている。なお、サスペンション２又はスタビライザ２は、請求項記載の構造体を構成する。

ボールスタッド１０は、棒状のスタッド部１０ｓの一端に球状のボール部１０ｂが一体に連結された構造を有している。スタッド部１０ｓには、雄ねじ１０ｎが螺刻されている。この雄ねじ１０ｎよりも先端側（ボール部１０ｂ側）には、周回状に拡がる鍔部１０ａ１と小鍔部１０ａ２とが離間して形成されている。ハウジング１１の上端部と鍔部１０ａ１との間には、ダストカバー１３が配設されている。

ボールジョイントＪは、ボールスタッド１０の一端部のボール部１０ｂが球形湾曲状のハウジング内球面１１ａで覆われ、この覆われた金属製のボール部１０ｂと、金属製のサポートバー１ａとが、樹脂製のアウターハウジング１１により一体に包含されて固定されている。サポートバー１ａは、金属材料として例えば、鋼管が使用されており、先端部１ａ１はボールスタッド１０が延在する方向にプレスされて平板状に変形されている。なお、サポートバー１ａは、金属製以外に、樹脂製やこの他の材料であってもよい。更に、サポートバー１ａが樹脂製である場合、ハウジング１１と一体に構成してもよい。

スタッド部１０ｓの周回状に形成される小鍔部１０ａ２の下方側（ボール部１０ｂ側）には、円柱形状のストレート部１０ｓ１が形成されている。若しくは、小鍔部１０ａ２下方のＲ部１０ａ３の下方を所定以上の長さ（例えば１ｍｍ）だけ、ストレートの円柱形状のストレート部１０ｓ２とし、ストレート部１０ｓ２の下からボール部１０ｂの近接位置までを、ボール部１０ｂに近付くに従い細くなるテーパ形状（円錐形状）としてもよい。

アウターハウジング１１は、ＰＡ６６−ＧＦ３０（ＰＡ６６に重量比３０％のガラス繊維を入れた材料）が用いられる。なお、ハウジング１１の材料は強度要件が満たされるものであればよい。例えば、ＰＥＥＫ（polyetheretherketone）、ＰＡ６６（Polyamide 66）、ＰＰＳ（Poly PhenyleneSulfide Resin）、ＰＯＭ（polyoxymethylene）等のエンジニアリングプラスティック、スーパーエンジニアリングプラスティック、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスティック）、ＧＲＰ（glassreinforced plastic：ガラス繊維強化プラスティック）、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics：炭素繊維強化プラスティック）等が使用される。

上述したように、ハウジング内球面１１ａは、ボールスタッド１０のボール部１０ｂが揺摺動するため、所定の摩耗耐久性が求められる。また、ハウジング１１はインサート成形で形成されるため、熱可塑性樹脂がよい。

ボール部１０ｂの中心を水平線Ｈに対して垂直に通る軸線Ｖは、ボールスタッド１０の軸芯である。その水平線Ｈは、水平に配置されたサポートバー１ａの軸芯に一致する。

ハウジング１１には、内球面１１ａの上端１１ｕから外方に広がるテーパ形状（円錐形状）のテーパ部１１ｆ１を有する凸形状の凸形フランジ１１ｆが円環状に形成されている。テーパ部１１ｆ１の開始点は、上端１１ｕの外側コーナー１１ｕ１となっている。

凸形フランジ１１ｆの内周面であるテーパ部１１ｆ１の傾斜角は、双方向矢印α１で示すように、ボールスタッド１０が揺動した際に、ボールスタッド１０の揺動角を満たすように設計されている。凸形フランジ１１ｆの外周面には、上述したように、ダストカバー１３の鉄リンク１３ａの埋設箇所が圧入固定されている。

＜ボールジョイントの製造方法＞
次に、上述したボールジョイントＪの製造方法について説明する。
図２は、ボールジョイントＪの製造時のハウジング型２０等の構成を示す断面図である。この図２の構成は、ハウジング型２０におけるサポートバー１ａが水平にセットされた空洞２０ａに、ボール部１０ｂを入れてボールスタッド１０をセットし、スタッド部１０ｓに、交流（又は直流）の電源４１に接続されたヒータ４０（加熱装置）と、断熱材４３とを組み付けた様態を示している。

ハウジング型２０は、横長の直方体形状で横方向に沿って２分割できる構造を成し、内部にハウジング１１（図１）の外形と同形状の空洞２０ａを有する。ハウジング型２０は、空洞２０ａにサポートバー１ａを水平線Ｈに沿った水平状態にセット可能であると共に、空洞２０ａにボール部１０ｂを入れたボールスタッド１０の軸芯を、水平線Ｈに対して垂直線Ｖで示す垂直状態にセット可能となっている。このようにハウジング型２０にサポートバー１ａ及びボールスタッド１０がセットされた状態の断面を図２に表わしている。

ヒータ４０は、環状を成し、中央の開口がスタッド部１０ｓに嵌合されるようになっており、両端のヒータ線が電源４１に接続されている。

断熱材４３は、断熱用のグラスウール等を板状等に成形したものであり、中央に、スタッド部１０ｓに嵌合するための貫通孔が形成されている。この断熱材４３は、ヒータ４０の熱をハウジング型２０へ放射しないように遮断可能な位置に配置されている。

ハウジング型２０にサポートバー１ａ及びボールスタッド１０をセットした後、図３に示すように、電源４１を投入してヒータ４０でスタッド部１０ｓを加熱する。この加熱は、ボール部１０ｂがハウジング１１を形成する樹脂の融点温度（例えば２７０℃位）より低い温度（例えば２００℃位）となるようにする。このように、ボール部１０ｂの加熱温度は、樹脂の溶融温度よりも低くする。

ヒータ４０の下方側には、断熱材４３が配置されているので、ヒータ４０から空間へ放射される熱は、断熱材４３で遮断され、空間を伝わる熱は下方側のハウジング型２０へは伝導しない。

ボール部１０ｂは、２００℃に加熱される迄、加熱温度に応じて熱膨張係数分だけボール径が拡大する。この状態で、図３に示すように空洞２０ａに、樹脂を２７０℃位で溶融させた溶融樹脂１１Ｚを、空洞２０ａが溶融樹脂１１Ｚで満たされるまで流し込む。空洞２０ａが溶融樹脂１１Ｚで満たされた時点で、電源４１の遮断によりヒータ４０をオフとし、ハウジング型２０及びボールスタッド１０を冷却する。例えば常温以下に冷却する。これにより、ボール部１０ｂ及び溶融樹脂１１Ｚが冷却される。冷却は、図示せぬ冷却装置により強制的に冷却するのが好ましい。自然冷却でもよい。

この冷却により溶融樹脂１１Ｚが固化して、図４に示すように、ハウジング１１となると共に、ボール部１０ｂの径が冷却温度に応じて熱膨張係数分だけ収縮する。この収縮したボール部１０ｂを包含するハウジング内球面１１ａの締め代は、従来の製造方法による締め代よりも緩くなる。従来の製造方法は、前述した通り、２０℃等の常温のボール部がセットされたハウジング型に樹脂を流し込み冷却させる方法である。この従来方法では、常温のボール部が溶融樹脂の高温に応じてやや上昇するが即時冷却されるため、ボール径が極僅かに拡大及び収縮するのみである。

従って、本実施形態の製造方法によるボールジョイントＪでは、ハウジング内球面１１ａによるボール部１０ｂの締め代が緩くなるので、内球面１１ａとボール部１０ｂとの双方の摩擦力が低減する。このため、所定のスペックに適合した揺動トルク及び回転トルク並びに弾性リフト量を得ることが可能となる。

＜実施形態の効果＞
このような本実施形態によるボールジョイントの製造方法の効果について説明する。この製造方法は、構造体としてのサスペンション２又はスタビライザ２に一端部が連結されるスタッド部の他端部に、金属製のボール部１０ｂが一体に接合されて成るボールスタッド１０と、ボールスタッド１０のボール部１０ｂを包含する内球面１１ａを有し、一方が開口した空間を有する樹脂製のハウジング１１とを備えるボールジョイントＪを製造するものである。

（１）ボールジョイントＪの製造方法の特徴は、ボール部１０ｂを挿入する空洞２０ａを有し、当該空洞２０ａに樹脂を溶融させた溶融樹脂１１Ｚを流し込みハウジングを形成するハウジング型２０を用いる。そして、ボール部１０ｂを空洞２０ａに挿入してボールスタッド１０をハウジング型２０にセットし、このセット後にボール部１０ｂを加熱装置としてのヒータ４０で加熱する。この加熱後に、空洞２０ａに溶融樹脂１１Ｚを流し込んだ後に、溶融樹脂１１Ｚ及びボール部１０ｂを冷却するようにした。

この方法によれば、ハウジング型２０の空洞２０ａ内のボール部１０ｂが加熱されているので、ボール部１０ｂは加熱温度に応じて熱膨張係数分だけボール径が拡大する。この拡大したボール部１０ｂの周囲に溶融樹脂１１Ｚが流し込まれた後、冷却されると、溶融樹脂１１Ｚが固化してハウジング１１と成り、この際、ボール部１０ｂの径が冷却温度に応じて熱膨張係数分だけ収縮する。このボール部１０ｂの収縮により、ハウジング内球面１１ａのボール部１０ｂの締め代が、従来の製造方法である常温のボール部の周囲に溶融樹脂１１Ｚを流し込み冷却した場合よりも、緩くなる。この締め代の緩みによって、ハウジング内球面１１ａとボール部１０ｂとの双方の摩擦力が低減し、所定のスペックに適合した揺動トルク及び回転トルク並びに弾性リフト量を得ることが可能となる。従って、ボールジョイントの製造時にトルクチューニングが不要となるので、製造時のタクトタイムを短縮することができる。

（２）ボールジョイントＪの製造方法においては、ボール部１０ｂの加熱温度を、樹脂の溶融温度よりも低くするようにした。

この方法によれば、ボール部１０ｂの加熱温度が溶融樹脂１１Ｚの温度よりも低いので、ボール部１０ｂの形状が球形状のままで溶融樹脂１１Ｚにより斑無く包含される。このため、冷却後に、ハウジング内球面１１ａによるボール部１０ｂの包含を外れ難くすることができる。

＜実施形態の変形例＞
本実施形態の変形例のボールジョイントの製造方法について、図５及び図６を参照して説明する。
図５に示すように、ハウジング型２０におけるサポートバー１ａが水平線Ｈで示す水平にセットされた空洞２０ａに、予め樹脂の溶融温度（例えば２７０℃）より低い温度（例えば２００℃）に加熱されたボール部１０ｂを入れて、ボールスタッド１０を垂直線Ｖで示す垂直状態にセットする。このボール部１０ｂは、２００℃の加熱温度に応じて熱膨張係数分だけボール径が拡大している。

上記ボール部１０ｂのセット後、空洞２０ａに２７０℃位の溶融樹脂１１Ｚを、空洞２０ａが溶融樹脂１１Ｚで満たされるまで流し込む。空洞２０ａが溶融樹脂１１Ｚで満たされた時点で、冷却装置によりハウジング型２０及びボールスタッド１０を例えば常温以下に冷却する。これにより、ボール部１０ｂ及び溶融樹脂１１Ｚが冷却される。

この冷却により溶融樹脂１１Ｚが固化して、図６に示すように、ハウジング１１となると共に、ボール部１０ｂの径が冷却温度に応じて熱膨張係数分だけ収縮する。この収縮したボール部１０ｂを包含するハウジング内球面１１ａの締め代は、上述した従来の製造方法による締め代よりも緩くなる。このため、内球面１１ａとボール部１０ｂとの双方の摩擦力が低減するので、所定のスペックに適合した揺動トルク及び回転トルク並びに弾性リフト量を得ることが可能となる。

このような変形例の製造方法によるボールジョイントＪによっても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
本発明の製造方法で製造されるボールジョイントＪは、産業用ロボットや人型ロボット等のロボットアームの関節部分や、ショベルカーやクレーン車等のアームが関節部分で回転する装置に適用可能である。

１ スタビリンク
１ａ サポートバー
１０ ボールスタッド
１０ｂ ボール部（球体部）
１０ｓ スタッド部
１１ アウターハウジング（ハウジング）
１１Ｚ 溶融樹脂
２０ ハウジング型
２０ａ 空洞
４０ ヒータ
４１ 電源
４３ 断熱材
Ｊ ボールジョイント

Claims (3)

1. 構造体に一端部が連結されるスタッド部の他端部に、金属製の球体部が一体に接合されて成るボールスタッドと、当該ボールスタッドの球体部を包含する内球面を有し、一方が開口した空間を有する樹脂製のハウジングとを備えるボールジョイントの製造方法であって、
   前記球体部を挿入する空洞を有し、当該空洞に樹脂を溶融させた溶融樹脂を流し込み前記ハウジングを形成するハウジング型を用い、
   前記球体部を前記空洞に挿入して前記ボールスタッドを前記ハウジング型にセットするステップと、
   前記セット後に前記球体部を加熱装置で加熱するステップと、
   前記球体部を加熱後に、前記空洞に前記溶融樹脂を流し込むステップと、
   前記空洞に前記溶融樹脂を流し込んだ後に、当該溶融樹脂及び球体部を冷却するステップと
   を実行することを特徴とするトルクチューニング方法。
2. 構造体に一端部が連結されるスタッド部の他端部に、金属製の球体部が一体に接合されて成るボールスタッドと、当該ボールスタッドの球体部を包含する内球面を有し、一方が開口した空間を有する樹脂製のハウジングとを備えるボールジョイントの製造方法であって、
   前記球体部を挿入する空洞を有し、当該空洞に樹脂を溶融させた溶融樹脂を流し込み前記ハウジングを形成するハウジング型を用い、
   加熱された前記球体部を前記空洞に挿入して前記ボールスタッドを前記ハウジング型にセットするステップと、
   前記セット後に、前記空洞に前記溶融樹脂を流し込むステップと、
   前記空洞に前記溶融樹脂を流し込んだ後に、当該溶融樹脂及び球体部を冷却するステップと
   を実行することを特徴とするトルクチューニング方法。
3. 前記球体部の加熱温度は、前記樹脂の溶融温度よりも低くする
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のトルクチューニング方法。

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