JP3732617B2

JP3732617B2 - トーションビーム式サスペンション装置

Info

Publication number: JP3732617B2
Application number: JP14666997A
Authority: JP
Inventors: 勇結城
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1997-06-04
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2017-06-04
Also published as: JPH10329519A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トーションビーム式サスペンション装置に係り、特に、トーションビームの耐久性を向上するのに好適なトーションビーム式サスペンション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両の後輪用のサスペンション装置として、従来よりトーションビーム式サスペンション装置が用いられている。トーションビーム式サスペンション装置は、左右後輪に対応して設けられたトレーリングアームと、トレーリングアームを連結するトーションビームとを備えている。トレーリングアームはその前端において車体に上下に揺動可能に連結され、その後端において車輪を支持している。トーションビームには、その断面が例えばＵ型の開放形状に形成されることで、所定の捩れ剛性が付与されている。従って、左右輪に逆ストロークの上下振動が生じた場合、トーションビームに捩れ変形が生ずることにより、かかる振動が適切に吸収される。
【０００３】
上述の如く、トーションビームは、一般に、例えばＵ型等の開放断面形状を有している。このため、トーションビームに捩れが生ずると、断面のエッジ部に大きな引張応力が作用する。また、トーションビームは、圧延材を切断及びプレス加工することにより成形されるため、断面のエッジ部には大きな引張残留応力が生じている。このため、トーションビームは、その断面のエッジ部において最も低い疲労強度を有することになる。従って、トーションビームの優れた耐久性を実現するために、その断面のエッジ部における疲労強度を向上させる必要がある。
【０００４】
トーションビームのエッジ部における疲労強度を向上させるには、引張残留応力を緩和することが有効である。引張残留応力を緩和若しくは解消させる手段として、従来より、例えば特開昭６２−６７３１５号に開示される如く、ショットピーニングを施すことが公知である。上記公報には、引張残留応力が生じたＵ字ボルトにショットピーニングを施すことで、残留応力を圧縮側に変化させ得ることが開示されている。従って、かかるショットピーニングをトーションビームに適用することで、エッジ部における疲労強度を向上させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記公報においては、Ｕ字ボルトの全面にショットピーニングを施すことで、Ｕ字ボルト全体の引張残留応力を解消することとしている。しかしながら、トーションビームの如き大型の部材の全面にショットピーニングを施したのでは、ショッピーニングを行なうための装置が大型化すると共に、ショットピーニングに長時間を要することになる。このため、ショットピーニング処理に大きなコストが必要となり、トーションビームの製造コストが増大してしまう。
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、トーションビームの耐久性を低コストで向上させることが可能なトーションビーム式サスペンション装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るトーションビーム式サスペンション装置は、開放断面形状を有するトーションビームを備えたトーションビーム式サスペンション装置であって、前記トーションビームの前記開放断面におけるエッジ部のみにショットピーニングが施された構成を採る。
この構成は、開放断面形状を有するトーションビームにおいて、その開放断面のエッジ部の疲労強度が相対的に弱いことに着目し、低コスト化を図る観点から、上記エッジ部に限定してショットピーニングを施すものである。
この構成によれば、トーションビーム全体にショットピーニング処理を施した場合と同等の耐久性を該トーションビーム全体へのピーニング処理を行うことなく得ることができるため、ショットピーニング処理に要する装置規模及び処理時間を低減することができる。
【０００８】
本発明の請求項２に係るトーションビーム式サスペンション装置は、請求項１に係る装置において、前記エッジ部のうち、疲労強度が相対的に弱い部分のみにショットピーニングを施した構成を採る。
この構成によれば、ショットピーニング処理の対象を、上記エッジ部の中で相対的に疲労強度が弱い部分のみに更に限定することによって、ショットピーニング処理に必要な装置規模及び時間をより一層低減することができる。
【０００９】
本発明において、トーションビームは開放断面形状を有する。トーションビームに捩れ変形が生ずると、開放断面形状におけるエッジ部に最大の引張応力が作用する。このため、開放断面形状におけるエッジ部の疲労強度は低くなる。本発明によれば、かかるエッジ部の少なくとも一部にショットピーニングが施されることで、エッジ部の疲労強度が向上し、その結果トーションビームの耐久性が向上する。また、トーションビームの全面ではなく断面形状のエッジ部に限定してショットピーニングが施されることで、ショットピーニングを行なうための装置の規模が低減されると共に、ショットピーニングに要する時間が短縮される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例であるトーションビーム式サスペンション装置１０（以下、サスペンション装置１０と略称する）を模式的に示す平面図である。サスペンション装置１０は、図１における上方が車両の前方となり、また、図１における左右方向が車幅方向となるように、車両に取り付けられる。
【００１１】
図１に示す如く、サスペンション装置は、トレーリングアーム１４、１６を備えている。トレーリングアーム１４、１６はそれらの前端部において、ジョイント部１８、２０を介して車体に対して上下に揺動可能に連結されている。また、トレーリングアーム１４、１６は、それらの後端部において、それぞれ、リヤ側の車輪２２、２４を回転可能に支持している。更に、トレーリングアーム１４、１６はそれらの中間部において、トーションビーム２６により互いに連結されている。トレーリングアーム１４、１６、及びトーションビーム２６は何れも鋼板より構成された部材である。
【００１２】
図２は、トーションビーム２６を図１に示す直線II-II に沿って切断した際の断面図である。図２に示す如く、トーションビーム２６はＵ型の断面形状を有している。トーションビーム２６は、そのＵ型断面の両脚部がトレーリングアーム１４、１６を上下から挟んだ状態で、トレーリングアーム１４、１６に例えば溶接により連結されている。図１に示す如く、トーションビーム２６はその両端部、すなわち、トレーリングアーム１４、１６との連結部において、他部位に比して大きな前後方向の幅を有する場合もある。この場合、トーションビーム２６とトレーリングアーム１４、１６との連結強度が強化される。
【００１３】
図２に示す如く、トーションビーム２６のＵ字断面の両端にはエッジ面２８が形成されている。なお、トーションビーム２６の表面のエッジ面２８以外の部位を、一般面３０と称する。トーションビーム２６には、その断面がＵ型に形成されることで、所定の捩れ剛性が付与されている。なお、本実施例において、トーションビーム２６は、その断面の開放部が車両後方を向くように配置されているが、これに限らず、開放部は何れの方向に向いていてもよい。また、トーションビーム２６の断面形状はＵ型に限らず、例えばＶ型等の任意の開放断面形状であってもよい。
【００１４】
車輪２２、２４に互いに逆相のストロークが生じた場合、トレーリングアーム１２、１４が互いに逆向きに揺動することにより車輪２２、２４のストロークが吸収される。この場合、トーションビーム２６の両端は互いに逆向きに回転され、トーションビーム２６には、その長手軸回りの捩れ変形が生ずる。上述の如く、トーションビーム２６には所定の捩れ剛性が付与されている。このため、トーションビーム２６に捩れ変形が生ずることで、車輪２２、２４の逆相のストロークに伴う車体の振動が適切に吸収される。
【００１５】
トーションビーム２６に捩れ変形が生ずる場合、その断面は剪断中心を中心として回転方向に変位する。トーションビーム２６の如くＵ型の断面形状を有する部材の剪断中心は、図２に符号Ｏを付して示す如く、Ｕ字断面の閉じ側より外側の部位に位置する。従って、トーションビーム２６に捩れ変形が生じた場合、その断面内において剪断中心Ｏから最も離れた部位、すなわち、エッジ面２８に最も大きな変位が生ずる。このため、トーションビーム２６には、そのエッジ面２８において最大の引張応力が作用することになる。
【００１６】
また、トーションビーム２６の製造は、圧延鋼板を切断した後、プレス加工することにより行なわれる。かかる加工工程において、トーションビーム２６には引張残留応力が発生する。この引張残留応力は、特に、トーションビーム２６のエッジ部分、すなわち、エッジ面２８において大きくなり易い。
このように、トーションビーム２６のエッジ面２８には、トーションビーム２６の捩れ変形に伴って大きな引張応力が作用すると共に、製造時において大きな引張残留応力が生じ易い。このため、エッジ面２８における疲労強度は低くなり、トーションビーム２６の耐久性はエッジ面２８の疲労強度により制限されることになる。従って、トーションビーム２６の耐久性を向上させるためには、エッジ面２８における疲労強度を向上させることが必要である。
【００１７】
従来より、エッジ部における疲労強度を向上させ得る材料として、圧延短冊材と呼ばれる材料が知られている。圧延短冊材は、圧延工程において、高温の比較的柔らかい状態にある圧延材を切断すると共に、その切断エッジ部を丸めることにより形成された帯状の鋼板である。従って、トーションビーム２６を圧延短冊材により構成することができれば、エッジ面２８に丸みが付与されることで、エッジ面２８に作用する応力が緩和され、これにより、エッジ面２８における疲労強度が向上される。
【００１８】
しかしながら、圧延短冊材は一般に高価であるため、トーションビーム２６を圧延短冊材より構成することとすると、トーションビーム２６のコスト増を招いてしまう。更に、圧延短冊材によれば、一定幅の帯状の材料しか得られないため、本実施例のトーションビーム２６の如く、両端部が広がった形状を有する部材に適用することは困難である。
【００１９】
また、エッジ部２８における疲労強度を向上させるうえで、エッジ部２８での引張残留応力を緩和することも有効である。従来より、ショットピーニングを施すことにより、引張残留応力を緩和できることが知られている。ショットピーニングによれば、ショット粒の投射によって表面が押しつぶされることで、引張残留応力が緩和され、更には、圧縮残留応力が生成される。従って、トーションビーム２６のエッジ部２８にショットピーニングを施すことで、その疲労強度を向上させることができる。
【００２０】
この場合、トーションビーム２６の全面にわたってショットピーニングを施すこととすると、ショットピーニングを行なうための装置（以下、ショットピーニング装置と称す）が大型化すると共に、ショットピーニングに要する時間が増大し、トーションビーム２６の製造コストの上昇を招いてしまう。また、ショットピーニングに伴ってトーションビーム２６の板厚は僅かに減少する。このため、トレーリングアーム１４、１６との連結部にショットピーニングが施されると、その板厚が変化してトレーリングアーム１４、１６との組み付け性が低下することがある。一方、かかる組み付け性の低下を回避するために、トーションビーム２６とトレーリングアーム１４、１６との連結後にショットピーニングを施すこととすると、ショット粒が、連結部の隙間に侵入する可能性がある。この場合、連結部に侵入したショット粒によりトーションビーム２６の捩れ変形が妨げられることで、サスペンション装置１０の特性が劣化してしまう。
【００２１】
本実施例のサスペンション装置１０は、トーションビーム２６のうち、疲労強度の低いエッジ面２８にのみショットピーニングを施すことで、上記した問題を招くことなく、トーションビーム２６の耐久性を向上させ得る点に特徴を有している。以下、図３及び図４を参照して本実施例のかかる特徴部について説明する。
【００２２】
図３は、トーションビーム２６のエッジ面２８及び一般面３０における長手方向の残留応力の測定結果を、比較のため、トーションビーム２６にショットピーニングを施さない場合（符号Ａ，Ｄで示す）、トーションビーム２６の全面にショットピーニングを施した場合（符号Ｂ，Ｅで示す）、及び、エッジ面２８にのみショットピーニングを施した場合、すなわち、本実施例のトーションビーム２６の場合（符号Ｃ，Ｆで示す）について示している。なお、図３においては、引張残留応力を正、圧縮残留応力を負として示している。
【００２３】
図３に符号Ａで示す如く、トーションビーム２６にショットピーニングを施さない場合は、エッジ面２８には４０ｋｇ／ｍｍ²程度の大きな引張残留応力が生じている。トーションビームを構成するのに一般的に用いられる鋼材の引張強度は４０〜５０ｋｇ／ｍｍ²程度である。従って、トーションビーム２６にショットピーニングを施さない場合は、エッジ面２８には引張強度と同程度の引張残留応力が生じていることになる。このため、ショットピーニングが施されない状態では、エッジ面２８における疲労強度は非常に低い。
【００２４】
これに対して、図３に符号Ｃ及びＢで示す如く、エッジ面２８にのみショットピーニングを施した場合、及び、トーションビーム２６の全面にショットピーニングを施した場合は、エッジ面２８における残留応力は何れも約−５０ｋｇ／ｍｍ²にまで減少し、圧縮残留応力が生じている。エッジ面２８に圧縮残留応力が生じた状態では、トーションビーム２６が捩れ変形した場合にトーションビーム２６に作用する引張応力は、圧縮残留応力分だけ相殺される。すなわち、エッジ面２８における引張強度は、鋼材の固有の引張強度から圧縮残留応力分だけ増強されたものとなり、その結果、エッジ面２８における疲労強度が向上される。
【００２５】
一方、図３に符号Ｄ及びＦを付して示す如く、一般面３０においては、ショットピーニングを施さない場合、及び、エッジ面２８にのみショットピーニングを施した場合でも、残留応力はほとんどゼロである。また、図３に符号Ｅを付して示す如く、トーションビーム２６の全面にショットピーニングが施された場合には、エッジ面２８と共に一般面３０のショットピーニングが施されることで、一般面３０における残留応力は約−３０ｋｇ／ｍｍ²となっている。従って、トーションビーム２６の全面にショットピーニングを施すことにより、一般面３０における疲労強度を向上することができる。
【００２６】
しかしながら、上述の如く、トーションビーム２６において疲労強度が最も低いのはエッジ面２８であり、エッジ面２８における疲労強度によってトーションビーム２６の耐久性が制限される。従って、トーションビーム２６の優れた耐久性を実現するうえでは、一般面３０における疲労強度を向上させることは重要ではなく、エッジ面２８における疲労強度を向上させることができれば十分であると考えられる。
【００２７】
図４は、トーションビーム２６の捩れ疲労試験を行なった結果を、トーションビーム２６のエッジ面２８にのみショットピーニングを施した場合（すなわち、本実施例のトーションビーム２６の場合）、トーションビーム２６の全面にショットピーニングを施した場合、及び、トーションビーム２６にショットピーニングを施さない場合について、それぞれ、実線、破線、及び一点鎖線で示している。なお、本疲労試験は、サスペンション装置１０を組み立てた状態で、トレーリングアーム１４、１６を逆位相で揺動させて、トーションビーム２６に捩れ変形を繰り返し生じさせることにより行なった。図４において、縦軸は、トーションビーム２６のエッジ部２８におけるひずみの振幅を、また、横軸は、トーションビーム２６に亀裂が発生するまでの捩れ変形の繰り返し回数、すなわち、疲労寿命を、それぞれ示している。
【００２８】
図４に一点鎖線及び実線で示す如く、エッジ面２８にのみショットピーニングを施した場合は、ショットピーニングを全く施さない場合と比較して疲労寿命が向上している。例えば、１０^-3の歪みに対して、ショットピーニングを施さない場合には疲労寿命は１０⁵であるのに対して、エッジ面２８にショットピーニングを施した場合は疲労寿命は１０⁶以上へ上昇している。一方、図４に実線及び破線で示す如く、エッジ面２８にのみショットピーニングを施した場合と、トーションビーム２６の全面にショットピーニングを施した場合とでは、疲労寿命はほとんど変化しない。
【００２９】
すなわち、本実施例においては、トーションビーム２６のうち疲労強度が低いエッジ面２８にのみショットピーニングを施すことで、トーションビーム２６の全面にショットピーニングを施す場合と同様の耐久性を得ることができる。ショットピーニングがエッジ面２８に限定して施されることで、ショットピーニング装置の小型化を図ることができると共に、ショットピーニングに要する時間を短縮することができる。従って、本実施例によれば、耐久性に優れたトーションビーム２６を低コストで実現することができる。
【００３０】
また、本実施例によれば、エッジ面２８における残留引張応力が減少することで、トーションビーム２６を、引張強度が比較的小さい低グレードの鋼材により構成することができる。低グレードの鋼材は、低コストであり、また、カーボンの含有量が少ないことから良好なプレス成形性を有している。従って、本実施例によれば、トーションビーム２６を低グレードの鋼材から構成することで、材料コストを低減することができると共に、そのプレス加工性を向上させることができる。
【００３１】
更に、本実施例においては、一般面３０にショットピーニングが施されないため、トーションビーム２６のトレーリングアーム１４、１６との連結部位における板厚の減少を招くことはない。このため、トーションビーム２６のトレーリングアーム１４、１６との組み付け性が低下することが防止されている。また、かかる組み付け性の低下が防止されることで、ショットピーニング処理を、トーションビーム２６とトレーリングアーム１４、１６とを連結する前に行なうことができる。このため、トーションビーム２６とトレーリングアーム１４、１６と連結部にショット粒が侵入することは起こり得ない。従って、本実施例によれば、ショット粒の侵入に起因してサスペンション装置１０の特性が劣化することが防止される。
【００３２】
なお、ショットピーニングに伴うコスト増を抑制する観点からは、エッジ面２８のうち特に疲労強度が低くなる部位に限定してショットピーニングを施すことが有効である。例えば、非対称なＵ字断面形状を有するトーションビームの場合には、何れか一方のエッジ面において、トーションビームの捩れに伴って生ずる引張応力が最大となり、従って、その疲労強度は最も低くなる。このため、疲労強度が低い側のエッジ面にのみショットピーニングを施すことで、トーションビームの耐久性を効果的に向上させることができる。また、トーションビームの長手方向においても、断面形状が変化する部位や、トレーリングアームとの連結部近傍等で応力集中が生じ、局所的に疲労強度が低下する場合がある。従って、かかる部位に限定してショットピーニングを施すことによってもトーションビームの耐久性を効果的に向上させることができる。
【００３３】
このように、エッジ面のうち特に疲労強度が低い部位に限定してショットピーニングを施すことにより、ショットピーニング装置の更なる小型化、及び、ショットピーニングに要する時間の更なる短縮化を図りつつ、エッジ面全体にショットピーニングを施した場合と同様の効果を得ることができる。
また、上記実施例においては、ショットピーニングが施される前の状態でエッジ面２８に引張残留応力が生じ、この引張残留応力がショットピーニングにより圧縮残留応力に変化することで、エッジ面２８における疲労強度が向上するものとして説明した。しかしながら、ショットピーニングが施される前にエッジ面２８に引張残留応力が生じていない場合であっても、エッジ面２８に大きな引張応力が作用することに起因して、その疲労強度は低くなっている。従って、かかる場合においても、エッジ面２８に圧縮残留応力が生成されることで、その疲労強度が向上し、トーションビームの耐久性が向上する。
【００３４】
すなわち、引張残留応力の有無にかかわらず、大きな引張応力が作用することに起因して疲労強度が低くなる部位にショッピーニングを施すことで、その部位の疲労強度を向上させ、これによりトーションビームの耐久性を向上させることができるのである。
なお、上記実施例においては、サスペンション装置１０は、トーションビーム２８がトレーリングアーム１４、１６の中間部を連結する中間ビーム式サスペンション装置であるものとしたが、これに限らず、トーションビーム２８がトレーリングアーム１４、１６の後端部を連結する後端ビーム式サスペンション装置であってもよい。
【００３５】
【発明の効果】
上述の如く、請求項１及び２記載の発明によれば、トーションビームの耐久性を低コストで向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるトーションビーム式サスペンション装置を模式的に示す平面図である。
【図２】本実施例のトーションビームを図１に示す直線II-II に沿って切断した際の断面図である。
【図３】トーションビームのエッジ面及び一般面における残留応力の測定結果を、ショットピーニングを施さない場合、ショットピーニングを全面に施した場合、及び、ショットピーニングをエッジ面にのみ施した場合について示す図である。
【図４】トーションビームの捩れ疲労試験結果を、ショットピーニングを施さない場合、ショットピーニングを全面に施した場合、及び、ショットピーニングをエッジ面にのみ施した場合について示す図である。
【符号の説明】
１０トーションビーム式サスペンション装置
２６トーションビーム
２８エッジ面

Claims

開放断面形状を有するトーションビームを備えたトーションビーム式サスペンション装置であって、
前記トーションビームの前記開放断面におけるエッジ部のみにショットピーニングが施されたことを特徴とするトーションビーム式サスペンション装置。
請求項１記載のトーションビーム式サスペンション装置であって、
前記エッジ部のうち、疲労強度が相対的に弱い部分のみにショットピーニングを施したことを特徴とするトーションビーム式サスペンション装置。