JP3591955B2

JP3591955B2 - 車両用複合アクスルビームの製造方法

Info

Publication number: JP3591955B2
Application number: JP00107196A
Authority: JP
Inventors: 正悟阪本; 進小池; 与男高田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1996-01-08
Filing date: 1996-01-08
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2016-01-08
Also published as: JPH09188115A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、トラックなどの車両用の懸架装置部品であるアクスルビームに関し、特に、３分割構造の車両用複合アクスルビームの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トラックのアクスルビーム、特に、フロントアクスルビームとしては、従来、炭素鋼又は合金鋼を鍛造して製造した一体構造の鋼製アクスルビームと、アルミニウム合金を鍛造して製造した一体構造のアルミニウム合金製アクスルビームとがある。
【０００３】
図７は従来のフロントアクスルビームの構造を示す平面図、図８は同じくその正面図である。なお、図７及び図８において、右端のスピンドルは図示を省略してある。
【０００４】
アクスルビーム１はその両端から１／４の部分に板バネを取り付けるための２個のバネ取付座３が形成されている。そして、アクスルビーム１の両端部と、両バネ取付座３との間に、夫々キングピンボス部２が設けられており、各キングピンボス部２とアクスルビーム１の端部との間には、タイヤ（図示せず）を取り付けるためのスピンドル７が設けられている。なお、前述のように、左端のスピンドル７のみ図示している。
【０００５】
キングピンボス部２はスピンドル７側の端部に設けられたコ字形のナックル４に、バネ取付座３側の端部の連結部６を嵌め込み、このようにして両者を係合させた状態で、ナックル４と連結部６にキングピン５を挿通して両者を連結した構造を有する。従って、スピンドル７はバネ取付座３側のアクスルビーム本体に対して、キングピン５を中心として回転することができ、ハンドル操作により、スピンドル７及びタイヤが車両に対する角度を変更し、タイヤが進行方向に向くようになっている。図１０はこのハンドル操作、即ち転蛇時のアクスルビーム本体側の連結部６と、スピンドル７側のナックル４との関係を示す図である。なお、このキングピン５は垂直方向に対して上端が若干内方を向くように傾斜し、キングピン傾角を構成している。
【０００６】
また、アクスルビーム１のバネ取付座３側の本体は、基本的には垂直方向に扁平化したビーム形状を有するが、その断面は、中心部においては、図８のＥ−Ｅ線における断面を図９（ｄ）に示すように、上下両端にフランジを有するＩ字形をなし、バネ取付座３においては、図８のＤ−Ｄ線における断面を図９（ｃ）に示すように、上端のフランジが大きく下端のフランジが小さいＴ字形をなし、バネ取付座３とキングピンボス部２との間においては、図８のＣ−Ｃ線に示すように、凸レンズ形状をなし、キングピンボス部２の連結部６においては、図８のＢ−Ｂ線における断面を図９（ａ）に示すように、ほぼ正方形をなしている。このように、アクスルビーム本体の断面形状はその中心部から側方に向かうにつれて、上下に扁平の形状から正方形の形状まで変化している。
【０００７】
このような構造を有するアクスルビームは、所要の部分に強度及び剛性を確保できる形状に成形されており、この成形加工を鍛造により行うことにより、材質全体としての強度及び剛性も確保している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来のアクスルビームは以下に示す欠点を有する。近時、車両の軽量化は必然的な要求となっている。この要求のもとで、トラック等のフロントアクスルビームも、従前の鋼製のものに替わってアルミニウム合金製のものの使用が課題となっている。しかし、この軽量化を目的として、アルミニウム合金でフロントアクスルビームを製造しようとすると、強度及び剛性を鋼製のものと同等になるようにするために、その肉厚を鋼製のものより厚くする必要がある。
【０００９】
特に、キングピンボス部２には強大な荷重が印加されるため、アクスルビーム本体側の連結部６におけるキングピン５の挿通用孔の周辺部において、挿通用孔と連結部外周縁との間隔を、鋼製のものより大きくする必要がある。即ち、図１０に示すように、車輌前後方向及び車輌左右方向におけるキングピン挿通孔周辺部の肉厚を厚くする必要がある。
【００１０】
しかし、この部分の肉厚を厚くすると、キングピン５を介して連結されているナックル４が、連結部６の近傍に存在するため、ナックル４の形状が鋼製の場合と同様であると、車輌運転上又は車輌設計上、種々の支障がある。特に、図１０に示す車輌前後方向において、連結部６の挿通孔周辺部の肉厚が厚くなると、ナックル４が連結部６に干渉されて、その転蛇角の許容値が小さくなり、最小回転半径が小さくなってしまう。そうすると、車輌運転上、支障がある。
【００１１】
一方、車輌左右方向において、連結部６の挿通孔周辺部の肉厚が厚くなると、ナックル４及びスピンドル７を外側に移動させる必要が生じ、このため、左右のタイヤ間隔が増大する。これは車輌設計上の制約となるという欠点がある。
【００１２】
これらの欠点を解消するためには、連結部６の孔周辺部を厚くするために、ナックルを従来の鋼製のものと異なる形状に変更せざるを得ず、他の鋼製アクスルビームを使用している車種とナックルの共有化をすることができず、製造コストの増大となる。特に、近時、製造コスト低減のために、部品の共有化が必然となっているおり、軽量化のために部品の共有化を放棄せざるを得ないことは実用的な目的達成手段とはいえない。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、部品の共有化を確保することができると共に、転蛇角を犠牲にして車輌の運転性能を低下させることなく、軽量化することができる車両用複合アクスルビームの製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る車両用複合アクスルビームの製造方法は、バネ取付座を有するアルミニウム又はアルミニウム合金製の車両支持部の両端に、キングピンボス部を有する鋼製のタイヤ取付部を結合した３分割構造を有する車両用複合アクスルビームの製造方法であって、前記車両支持部及び前記タイヤ取付部のいずれか一方の結合部を、他方の結合部に設けた凹部に嵌合し、両結合部を熱間鍛造により接合して、前記車両支持部とタイヤ取付部とを結合することを特徴とする。
【００１５】
また、前記車両支持部の結合部に凹部を設け、タイヤ取付部の結合部を前記凹部に嵌合することが好ましい。
【００１６】
更に、前記タイヤ取付部の結合部の表面に、アクスルビームの長手方向に延びる平行溝、円周方向の環状溝、螺旋溝又は凹み等の凹凸を設けることが好ましい。
【００１７】
【作用】
本発明においては、機械的運動があり、強度及び剛性が要求されるキングピンボス部を有するタイヤ取付部を鋼により製造し、ビームとしての機能のみで足りる車輌支持部をアルミニウム又はアルミニウム合金製とする。そして、タイヤ取付部と車輌支持部とを連結することによりアクスルビームを構成する。このような３分割構造のアクスルビームであるため、強度及び剛性が要求される部分には必要な強度及び剛性が確保され、一方、アクスルビームの長手方向の大部分を占めるビームとして機能する部分を軽量化することにより、アクスルビーム全体の重量を著しく低減することができる。
【００１８】
このような利点を有するアクスルビームを製造するため、本発明方法においては、先ず、車両支持部を熱間鍛造した後、車両支持部及びタイヤ取付部のいずれか一方の結合部に、他方の結合部が嵌合する形状の凹部を設ける。次いで、この凹部に他方の接続部を嵌合し、車両支持部を仕上げ鍛造すると共に、両結合部を一体で熱間鍛造して接合する。そうすると、両結合部の接合面が塑性変形を受け、接合面の活性な新生面が界面となって、アルミニウム製の車両支持部と鋼製のタイヤ取付部とが熱間固相接合する。従って、本発明方法により車両用複合アクスルビームを製造すると、全体の重量が軽量化され、結合部の強度が向上したアクスルビームを得ることができる。
【００１９】
ところで、本発明において、凹部を有する結合部が鋼製であると、鋼の鍛造温度がアルミニウムにとっては高すぎるため、鍛造が困難になる。また、アルミニウム材は鋼材よりも硬度が低く、変形しやすい。従って、凹部を有する結合部が他方の結合部に向かって鍛造されて、接合される本発明方法においては、凹部を有する結合部はアルミニウム材であること、即ち車両支持部の結合部に凹部を設け、タイヤ取付部の結合部を嵌合することが好ましい。
【００２０】
この場合に、タイヤ取付部の結合部の表面に凹凸が設けられていると、鍛造時においてこの凹凸の凹みの部分に、車両支持部の材質であるアルミニウムが流入する。従って、タイヤ取付部の結合部の表面が平坦であって、固相接合のみにより車両支持部と接合されている場合と比較して、結合部に溝等が形成されていると、機械的接合の効果によって強度が上昇する。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００２２】
図１は本発明の実施例に係るアクスルビームの模式的断面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ’面の断面図である。なお、中間部（車両支持部）３１はその略半分を図示し、タイヤ取付部３２はその一方のみ示し、しかもキングピンボス部及びスピンドル部は図示を省略している。
【００２３】
タイヤ取付部３２には凸状の結合部３６が形成されており、この結合部３６には、例えば、周方向に環状の溝３８が設けられている。一方、バネ取付座３７を有する中間部（車両支持部）３１の結合部３３には、凸状の結合部３６が嵌合する形状の凹部３４が形成されている。
【００２４】
キングピンボス部（図示せず）を有するタイヤ取付部３２は、例えば、炭素鋼Ｓ４５Ｃを鍛造した後、調質熱処理し、機械加工することにより製造されている。また、中間部（車両支持部）３１は、例えば、ＪＩＳ６０６１アルミニウム合金を鍛造して成形されており、機械加工により凹部３４が形成されている。そして、タイヤ取付部３２の結合部３６が結合部３３の凹部３４に嵌合され、熱間鍛造加工することにより両者が接合されている。
【００２５】
このように構成された本実施例においては、３分割構造のアクスルビームであるため、強度及び剛性が要求されるタイヤ取付部３２には必要な強度及び剛性が確保され、一方、アクスルビームの長手方向の大部分を占める中間部（車両支持部）３１を軽量化することにより、アクスルビーム全体の重量を著しく低減することができる。従って、形状の変更をすることなく、即ち、部品の共有化を確保し、転蛇角を鋼製一体型の場合と同等としたまま、軽量化することができる。また、分割位置をバネ取付座３７と、キングピンボス部との間とすることにより、従来の鋼製一体型アクスルビームの重量の大部分を占めていた部分、即ち、左右のバネ取付座間の部分をアルミニウム又はアルミニウム合金により軽量化したので、アクスルビーム全体としての軽量化効果が大きい。
【００２６】
例えば、本実施例においては、同等の強度及び剛性を有する従来の炭素鋼Ｓ４５Ｃ鍛造一体型のアクスルビームの重量と比較して、２５％の軽量化を得ることができる。
【００２７】
本実施例方法においては、タイヤ取付部３２の結合部３６を中間部（車両支持部）３１の結合部３３の凹部３４に嵌合した後、中間部（車両支持部）３１を熱間仕上鍛造加工すると共に、この結合部３６が嵌合された結合部３３を一体で鍛造接合する。このため、本実施例方法によれば、製造コストが低いと共に、高強度のアクスルビームを製造することができる。
【００２８】
例えば、結合部３３、３６の接合方法としては、他に、図９に示すように、中間部（車両支持部）とタイヤ取り付け部とをボルトにより結合する方法が考えられる。
【００２９】
このアクスルビームにおいては、板ばね（図示せず）を固定して支持するバネ取付座１７を有するアクスルビーム中間部（車両支持部）１１はその両端部にフランジ１５が形成されている。また、キングピンボス部（図示せず）を有するタイヤ取付部１２もその中間部１１側の端部にフランジ１６が形成されている。そして、各フランジ１５、１６をボルト１３及びナット１４により締結することにより、中間部１１とタイヤ取付部１２とが連結され、相互に固定されて一体的に組み立てられている。
【００３０】
また、図１０に示すように、中間部（車両支持部）とタイヤ取り付け部とを鋳ぐるみにより結合する方法も考えられる。
【００３１】
これは、バネ取付座２７を有する中間部（車両支持部）２１と、キングピンボス部（図示せず）及びスピンドル（図示せず）を有するタイヤ取付部２２とを、鋳ぐるみにより結合したものである。即ち、タイヤ取付部２２は鍛造して製造したものであり、このタイヤ取付部２２の連結部２５に突起２６が形成されている。そして、この突起２６を鋳ぐるむようにして、アルミニウム合金溶湯をビーム形状に鋳造することにより、バネ取付座２７を有する中間部（車両支持部）２１が製造されている。中間部２１の連結部２３はその凹部２４にて突起２６を嵌合している。
【００３２】
本実施例においては、これらの結合方法に比して以下に示す利点がある。即ち、本実施例方法においては、図９に示すように、結合部にフランジを設けていないので、結合部周辺に配置されているタイロッドアーム及びナックルアーム等と干渉することがなく、フランジの重量分も低減することができる。また、本実施例は中間部３１をアルミニウム合金を鍛造することにより製造することができるので、鍛造により強度が高められるため、鋳造により製造したものと比較して、中間部３１の肉厚を薄くすることができる。従って、より一層アクスルビームの重量を軽減することができる。
【００３３】
ところで、本実施例に係るアクスルビームのタイヤ取付部３２と車両支持部３１との結合部の強度は、一般的に、タイヤ取付部３２の結合部３６の表面積に比例する。これを検証するために、種々の表面積の凸状の結合部を有する炭素鋼Ｓ４５Ｃ製部材と、その結合部に嵌合する大きさの凹部を設けたＪＩＳ６０６１アルミニウム合金製部材とを本実施例方法に従って鍛造接合し、各試験片について引張試験を実施した。但し、鍛造時における加工度は２５％とし、凸状の結合部は凹凸等を形成しない平坦な表面で、その表面積のみを変化させた。
【００３４】
図５は縦軸に最大引張荷重Ｆ_Ｂ（Ｎ）をとり、横軸に結合部の表面積Ａ（ｍｍ^２）をとって、各試験片に対する引張試験の評価結果を示すグラフ図である。図５に示すように、結合部の表面積が小さいときには、最大引張荷重Ｆ_Ｂも小さく、凸状結合部の表面積が増加するに従って、最大引抜き荷重が大きくなり、結合部の強度が増大する。このように、引張荷重は結合部の表面積に比例するので、鍛造接合による接合強度は、結合部の単位面積当たりの引張荷重（Ｆ_Ｂ／Ａ）、即ち、せん断剥離強度で表すことができる。従って、鍛造加工度が２５％の場合のせん断剥離強度は１２ＭＰａである。
【００３５】
また、結合部の強度は両部材の結合部の断面積にも依存するので、タイヤ取付部の結合部の表面積及び断面積並びに車両支持部の結合部の断面積を適切に設定することによって、所望の強度を得ることができる。具体的には、凸状結合部の表面積をＡ_１、車両支持部の結合部の断面積をＡ_２、タイヤ取付部の結合部の断面積をＡ_３とし、せん断剥離強度をＳ_１、車両支持部を構成する材質の耐力をＳ_２、タイヤ取付部を構成する材質の耐力をＳ_３とするとき、所望の最大引張荷重Ｆを得るために必要なＡ_１、Ａ_２及びＡ_３を設定することができる。即ち、Ａ_１＞Ｆ／Ｓ_１、Ａ_２＞Ｆ／Ｓ_２及びＡ_３＞Ｆ／Ｓ_３を満足するように、Ａ_１、Ａ_２及びＡ_３の値を設定するとよい。
【００３６】
本実施例においては、凸状の結合部３６に環状の溝３８が形成されたタイヤ取付部３２を使用したが、他にも、図６に示すような種々の形状の結合部を有するタイヤ取付部を使用することができる。例えば、図６（ａ）に示すように、タイヤ取付部３２の結合部３６に溝等が形成されていないもの、図６（ｂ）に示すように、螺旋状の溝３８ａが形成されているもの、図６（ｃ）に示すように、アクスルビームの長手方向に平行溝３８ｂが形成されているもの、図６（ｄ）に示すように、結合部３６に凹み３９が設けられているもの等がある。
【００３７】
このように、凸状の結合部に溝又は凹み等が形成されていると、溝又は凹み等が形成されていない平坦な結合部で接合したものと比較して、接合強度が向上する。これは、溝又は凹みを形成したことにより接合面積が増加したことに加えて、この溝又は凹みにアルミニウムが流入することにより両者が機械的に接合したからである。
【００３８】
これを検証するために図１に示すような環状の溝が形成された凸状の結合部を有する炭素鋼Ｓ４５Ｃ製部材と、その結合部に嵌合する大きさの凹部を設けたＪＩＳ６０６１アルミニウム合金製部材とを使用して、本実施例方法に従って鍛造接合して試験片を作製し、この試験片について引張試験を実施した。但し、凸状結合部の表面形状以外の条件等については、図５に示す引張試験において作製した試験片と同一条件とした。その結果、凸状結合部の表面積を８３０ｍｍ^２としたとき、最大引張荷重は２９３００Ｎとなり、図６（ａ）に示す溝なし形状の凸状結合部を使用して接合した場合と比較して、同一表面積で約３倍の最大引抜き荷重を得ることができた。従って、凸状結合部の表面に溝等を形成すると、所望の最大引張荷重を得るために必要な凸状結合部の表面積を減少させることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明方法によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金製の車両支持部及び鋼製のタイヤ取付部のいずれか一方の結合部を、他方の結合部に設けた凹部に嵌合し、両結合部を熱間鍛造により接合するので、部品の共有化を確保することができると共に、転蛇角を犠牲にして車輌の運転性能を低下させることなく、軽量で高強度な車両用複合アクスルビームを低製造コストで製造することができる。また、車両支持部の結合部に凹部を設け、タイヤ取付部の結合部の表面に凹凸を設けると、接合強度をより一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るアクスルビームの模式図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’面の断面図である。
【図３】中間部（車両支持部）とタイヤ取り付け部とをボルトにより結合したアクスルビームを示す模式図である。
【図４】中間部（車両支持部）とタイヤ取り付け部とを鋳ぐるみにより結合したアクスルビームを示す模式図である。
【図５】縦軸に最大引張荷重Ｆ_Ｂ（Ｎ）をとり、横軸に結合部の表面積Ａ（ｍｍ^２）をとって、各試験片に対する引張試験の評価結果を示すグラフ図である。
【図６】タイヤ取付部の結合部の形状の例を示す側面図である。
【図７】従来のフロントアクスルビームの構造を示す平面図である。
【図８】従来のフロントアクスルビームの構造を示す正面図である。
【図９】図６のＥ−Ｅ線における断面図である。
【図１０】転蛇時のアクスルビーム本体側の連結部６と、スピンドル７側のナックル４との関係を示す図である。
【符号の説明】
１：アクスルビーム
２：キングピンボス部
３：バネ取付座
４：ナックル
５：キングピン
６：連結部
７：スピンドル
１１、２１、３１：中間部
１２、２２、３２：タイヤ支持部
１３：ボルト
１４：ナット
１５、１６：フランジ
２３、２５：連結部
２４、３４：凹部
２６：突起
３３、３６；結合部
３８；溝

Claims

バネ取付座を有するアルミニウム又はアルミニウム合金製の車両支持部の両端に、キングピンボス部を有する鋼製のタイヤ取付部を結合した３分割構造を有する車両用複合アクスルビームの製造方法であって、前記車両支持部及び前記タイヤ取付部のいずれか一方の結合部を、他方の結合部に設けた凹部に嵌合し、両結合部を熱間鍛造により接合して、前記車両支持部とタイヤ取付部とを結合することを特徴とするアクスルビームの製造方法。
前記車両支持部の結合部に凹部を設け、タイヤ取付部の結合部を前記凹部に嵌合することを特徴とする請求項１に記載の車両用複合アクスルビームの製造方法。
前記タイヤ取付部の結合部の表面に凹凸を設けることを特徴とする請求項２に記載の車両用複合アクスルビームの製造方法。
前記凹凸はアクスルビームの長手方向に延びる平行溝、円周方向の環状溝、螺旋溝又は凹みであることを特徴とする請求項３に記載の車両用複合アクスルビームの製造方法。