JP3591956B2

JP3591956B2 - 車両用複合アクスルビームの製造方法

Info

Publication number: JP3591956B2
Application number: JP00107296A
Authority: JP
Inventors: 正悟阪本; 進小池
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: JPH09188116A

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、軽量であり、その接合強度を高めることができる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６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７は同じくその正面図である。なお、図６及び図７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９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７のＥ−Ｅ線における断面を図８（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７のＤ−Ｄ線における断面を図８（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７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７のＢ−Ｂ線における断面を図８（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９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９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、高強度で製造コストが低い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に設けた凹部に他方の結合部を嵌合して両者を熱間鍛造により接合し、前記車両支持部とタイヤ取付部とを結合する工程を有し、前記他方の結合部は１又は複数個のフランジを設けた棒状をなし、前記一方の結合部の凹部は前記他方の結合部に整合する形状を有することを特徴とする。
【００１５】
また、前記凹部は前記車両支持部の結合部に設け、前記フランジは前記タイヤ取付部の結合部に設けることが好ましい。
【００１６】
更に、前記車両支持部の結合部の凹部は、前記フランジに整合する側部が外方に切り欠かれていることが好ましい。
【００１７】
更にまた、前記タイヤ取付部の結合部には、その表面にアクスルビームの長手方向に延びる平行溝、環状溝、螺旋状溝又は凹み等の凹凸が設けられていることが好ましい。
【００１８】
【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。
【００１９】
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、車両支持部及びキングピンボス部のいずれか一方の結合部に１又は複数個のフランジを形成すると共に、他方にはこのフランジを有する結合部が嵌合する形状の凹部を設ける。次いで、凹部にフランジを有する結合部を挿入し、車両支持部を仕上げ鍛造すると共に、両結合部を一体で鍛造する。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。
【００２０】
この場合に、一方の結合部がフランジを有しないと、型打鍛造時に、周囲の材料と棒状結合部との間に隙間が生じやすい。しかし、この型打鍛造による結合時において、前記一方の結合部にフランジを設け、更に好ましくは前記他方の結合部の凹部の側部を外方に切り欠き、前記一方の結合部に形成されたフランジを、前記切り欠き部において、他方の結合部の外周面に露出させるようにしておくと、型打によって、圧下方向に垂直の方向に凹部側結合部の材料が流動しても、フランジを有する結合部と凹部側結合部との間に隙間が発生せず、密着性が損なわれることがないので、接合面の剥離は発生しない。
【００２１】
また、このように結合部にフランジが形成されていると、双方の結合部同士の接触面積が大きくなる。一般的に鍛造接合においては、その接合強度は接触面積に比例するので、本発明方法に従って車両支持部及びキングピンボス部が鍛造接合されたアクスルビームにおいては、結合部の接合強度が向上する。
【００２２】
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フランジを有する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にフランジを設けることが好ましい。
【００２３】
この場合に、タイヤ取付部のフランジを有する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。
【００２４】
【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。
【００２５】
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）４１はその略半分を図示し、タイヤ取付部４２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。
【００２６】
タイヤ取付部４２には凸状の結合部４６が形成されており、この結合部４６には、アクスルビームの長手方向に、２枚のフランジ４５が設けられている。一方、バネ取付座４７を有する中間部（車両支持部）４１の結合部４３には、フランジ４５を有する結合部４６が嵌合する形状の凹部４４が形成されている。この凹部４４は、２枚のフランジ４５に整合する側部に切り欠き４８が形成されている。
【００２７】
キングピンボス部（図示せず）を有するタイヤ取付部４２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）４１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４４が形成されている。そして、タイヤ取付部４２の結合部４６が結合部４３の凹部４４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。
【００２８】
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４２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）４１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４７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。
【００２９】
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。
【００３０】
本実施例方法においては、タイヤ取付部４２の結合部４６を中間部（車両支持部）４１の結合部４３の凹部４４に嵌合した後、中間部（車両支持部）４１を熱間仕上鍛造加工すると共に、この結合部４６が嵌合された結合部４３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。
【００３１】
例えば、結合部３３、３６の接合方法としては、他に、図３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。
【００３２】
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。
【００３３】
また、図４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。
【００３４】
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。
【００３５】
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３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。
【００３６】
また、本実施例方法においては、結合部４６に１対のフランジ４５が形成されているため、鍛造によって、圧下方向以外の方向に凹状の結合部４３が流動しても、この結合部４３はフランジ４５の表面上を流動するので、結合部同士の接触面積が増大し、接合強度が高くなる。更に、結合部同士の密着性が損なわれることなく、接合面の剥離及び線状欠陥の発生を防止することができる。従って、本実施例方法においては、フランジにより、更に一層接合強度を高めることができる。
【００３７】
本発明方法に従って、ＪＩＳ６０６１アルミニウム合金材と炭素鋼Ｓ４５Ｃとを種々の鍛造加工度で鍛造接合することにより複合構造試験片を作製し、各試験片について引張試験を実施した。
【００３８】
図５（ａ）は引張試験用の複合構造試験片の形状及びサイズを示す正面図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）は図５（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。炭素鋼部材５１は長手方向の全長を１０５ｍｍ、フランジ５４を有する結合部５３の長さを６０ｍｍ、フランジ５４の肉厚を２ｍｍ、結合部５３の棒状部分５５の半径を４．５ｍｍとした。また、アルミニウム合金部材５２は直径が１８ｍｍ、長手方向の長さが９５ｍｍの円柱形状であり、アルミニウム合金部材５２の結合部５６には３０ｍｍの深さで炭素鋼部材５１の結合部５３が嵌合する形状の凹部を形成すると共に、フランジ５４が嵌合する部分には、切り欠き５７を形成した。また、結合部５３の棒状部分５５とフランジ５４との境界部分は曲率半径が５ｍｍとなるように凹部を形成した。そして、炭素鋼部材５１の結合部５３をアルミニウム合金部材５２の結合部５６に挿入し、切り欠き５７を有する面に垂直の方向に自由鍛造した。
【００３９】
また、比較例として、フランジが形成されていない凸状結合部、即ち、断面形状が円状である凸状結合部とこれに嵌合する凹部を設けた結合部とを接合させることによる方法で複合構造試験片を作製し、同様に、引張試験を実施した。これらの試験結果を下記表１に示す。但し、結合部の表面積を８３０ｍｍ^２とし、フランジの有無及び加工度以外の条件については全て同一とした。
【００４０】
【表１】

【００４１】
上記表１に示すように、本実施例は加工度を上昇させるに従って、引抜き荷重が大きくなり、せん断剥離強度も向上している。また、実施例Ｎｏ．２と比較例Ｎｏ．４は２５％の加工度で鍛造しているが、比較例Ｎｏ．４は凸状結合部の断面形状が円であり、鍛造時において凸状結合部と凹部を設けた結合面との接触面に剥離が発生するので接合強度が低下し、実施例Ｎｏ．２と比較して、引抜き荷重及びせん断剥離強度が低下した。
【００４２】
本実施例においては、フランジ４５を有する結合部４６は平坦な表面としたが、本発明においては、結合部４６の表面に溝又は凹み等の凹凸が形成されていてもよい。結合部の表面に凹凸が形成されていると、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。
【００４３】
【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フランジを設けた棒状とし、こ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、両者を強固に結合することができ、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的断面図である。
【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】（ａ）は引張試験用の複合構造試験片の形状及びサイズを示す正面図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図６】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７】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８】図６のＥ−Ｅ線における断面図である。
【図９】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、４１：中間部
１２、２２、４２：タイヤ支持部
１３：ボルト
１４：ナット
１５、１６、４５、５４：フランジ
２３、２５：連結部
２４、４４：凹部
２６：突起
４３、４６、５３、５６；結合部
４８、５７；切り欠き

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に設けた凹部に他方の結合部を嵌合して両者を熱間鍛造により接合し、前記車両支持部とタイヤ取付部とを結合する工程を有し、前記他方の結合部は１又は複数個のフランジを設けた棒状をなし、前記一方の結合部の凹部は前記他方の結合部に整合する形状を有することを特徴とする車両用複合アクスルビームの製造方法。
前記凹部は前記車両支持部の結合部に設け、前記フランジは前記タイヤ取付部の結合部に設け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。
前記車両支持部の結合部の凹部は、前記フランジに整合する側部が外方に切り欠かれてい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。
前記タイヤ取付部の結合部には、その表面に凹凸が設けられていることを特徴とする請求項２又は３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、環状溝、螺旋状溝又は凹みであることを特徴とする請求項４に記載の車両用複合アクスルビームの製造方法。