JP4185475B2 - 自動車用ナックルおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用ナックルおよびその製造方法に関する。

自動車用ナックルは、車輪を支持するベアリングとサスペンションとを連結する部品であり、適度な剛性と強度を兼ね備える必要がある。また、自動車用ナックルには、ベアリングを圧入などにより保持させるため、長期間の使用によるへたりにも耐えうる必要がある。
その一方で、近年の車両の高効率化の要請からは、自動車用ナックルも軽量化を求められ、一部の車種ではアルミニウム（またはその合金）を材料として用いたものも知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−０９００３４号公報（段落００１７）

しかしながら、これまで、自動車用ナックルにとっての必要な強度などの材料的要件は十分に検討されておらず、不必要にコストをかけたり、性能にばらつきを生じていたりしていた。
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、十分な性能を備えた自動車用ナックルおよびその製造方法を提供することを課題とする。

本発明の自動車用ナックルは、鋳造により製造された、アルミニウムまたはその合金からなる自動車用ナックルであって、各構成部分において、ＤＡＳ（Dendrite Arm Spacing）II値の平均が、１０〜３４μｍであることが望ましい。

このような微細組織の材料により自動車用ナックルを構成することで、強度と靱性を兼ね備え、より高い信頼性を備えることができる。

前記した自動車用ナックルは、前記各構成部分において、平均引張強さが２６０ＭＰａ以上であり、平均耐力が１７０ＭＰａ以上であり、かつ平均伸びが８％以上であることが望ましい。これまでの自動車用ナックルは、その一部において引張強さが２６０ＭＰａ、耐力が１７０ＭＰａ、または伸びが８％の特性を有するものは存在したが、構成部分のすべてにおいて平均してこれらの特性をすべて満たすものはなかった。本発明では、構成部分のすべての平均でこの特性を満足することにより、今までにない強度・信頼性を備えた自動車用ナックルとすることができる。
そして、前記した鋳造の方法としては、重力鋳造方法または低圧鋳造方法を用いるのが好ましい。特に、湯周りを良くするため、還元鋳造方法を用いるのが望ましい。

本発明の自動車用ナックルを鋳造により製造する方法は、自動車用ナックルを形成するキャビティに溶湯を注入し、前記キャビティに注入された溶湯を１８０〜２２００℃／分で冷却することを特徴とする。

このように、急速冷却を行うことで、組織を微細化でき、自動車用ナックルに十分な性能を得ることができる。

前記課題を解決する本発明は、自動車用ナックルを鋳造により製造する自動車用ナックルの製造方法であって、前記自動車用ナックルを形成するナックル本体と、このナックル本体のうち車輪の支持部品を収容するベアリング支持部に連続するライザー部とをキャビティとして形成し、前記キャビティに溶湯を注入し、前記ナックル本体に相当する部分の平均凝固速度を、前記ライザー部の平均凝固速度より高くして、前記溶湯を冷却することを有することを特徴とする。

このように、ナックル本体の平均凝固速度をライザー部のそれより高くすることで、押湯を有効に作用させ、緻密な組織を得ることができる。

また、前記ナックル本体に相当する部分の平均凝固速度を１８０〜２２００℃／分とし、前記ライザー部の平均凝固速度を１８０℃／分未満とするのが望ましい。

さらに、前記した溶湯として、アルミニウムまたはその合金を使用するのが望ましい。これにより、自動車用ナックルの軽量化を図ることができる。
特に、これらの鋳造方法は重力鋳造方法または低圧鋳造方法であるのが望ましく、その際、還元鋳造方法を用いるとなお望ましい。

本発明の自動車用ナックルによれば、必要十分な強度を確保でき、信頼性を向上することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、自動車用ナックルの外観斜視図である。
図１に示すように、実施形態に係る自動車用ナックル１は、車輪の支持部品であるボールベアリング８を圧入または締結などにより支持するベアリング支持部２と、自動車のサスペンションにそれぞれ締結される複数の取付ボス３と、ベアリング支持部２と取付ボス３とを連結する複数のナックルアーム４とを有して構成されている。ベアリング支持部２には、ボールベアリング８が嵌合される嵌合穴２ａが形成されている。自動車用ナックル１は、好ましくはアルミニウムまたはその合金からなり、各構成部分において、平均引張強さが２６０ＭＰａ以上であり、平均耐力が１７０ＭＰａ以上であり、かつ平均伸びが８％以上である。ここでの平均とは、一つの自動車用ナックル１について、複数のナックルアーム４の部分や、ベアリング支持部２の部分から、複数の引張試験片を切り出して、この複数の引張試験片についてそれぞれ引張強さ、耐力、伸びを求め、算術平均をとったものである。

自動車用ナックル１をアルミニウムまたはその合金から製造したときには、望ましくはＤＡＳII値の平均が、１０〜３４μｍである。この平均も、自動車用ナックル１の複数箇所の組織についてＤＡＳII値を測定し、それを算術平均して求めたものである。

このような材料特質を有する自動車用ナックル１は、今までにない耐久性、耐へたり性などを有する。特に、平均引張強さが２６０ＭＰａ以上であり、平均耐力が１７０ＭＰａ以上であることにより、良好な耐久性、耐へたり性を実現することができる。
また、平均伸びが８％以上であることにより、破壊時に十分にエネルギーを吸収して、衝撃吸収力を確保することができる。
また、ＤＡＳII値が３４μｍ以下であることにより、強度と靱性を兼ね備えた自動車用ナックル１とすることができる。

このような自動車用ナックル１は重力鋳造方法または低圧鋳造方法により製造するのが望ましい。特に、重力鋳造方法または低圧鋳造方法において、冷却速度を速く、かつ制御された冷却を行うことで、前記したような優れた特性の自動車用ナックル１を製造することができる。このような速い冷却速度を実現するため、湯周りを良好にすることができる還元鋳造方法を用いるのがさらに望ましい。

次に、自動車用ナックル１の製造方法について説明する。
図２は、本発明の自動車用ナックルを製造するための鋳型の模式断面図である。図２に示すように、鋳型１０は、アルミニウム溶湯を用いて重力鋳造法により自動車用ナックル１を鋳造するための型である。鋳型１０は、自動車用ナックル１の形状を象ったキャビティ１１と、キャビティ１１に通じるとともに鋳型１０の上面１０ａに開口する湯口１３とが形成されている。キャビティ１１においては、溶湯が注湯されることにより鋳物製品１２が形成される。鋳物製品１２は、ベアリング支持部２に相当する部分（以下、単に「ベアリング支持部２」という。）、取付ボス３に相当する部分、ナックルアーム４に相当する部分（以下、単に「ナックルアーム４」という。）を有し、ベアリング支持部２を上側にした向きでキャビティ１１が形成されている。キャビティ１１の表面は、その全体、または部位毎に、所望の冷却速度にするため、適宜に選択された塗型が設けられている。

また、ベアリング支持部２の上には、当該位置に連続してライザー部１５が上方に向けて設けられ、ライザー部１５の上方には鋳型１０の上面１０ａに押湯口１５ａが開口している。ライザー部１５は、冷却速度（凝固速度）を遅くするため、適宜断熱塗型、断熱コーティング処理などがなされる。または、ライザー部１５の型の部分を、断熱性の高いセラミックにより形成してもよい。鋳物製品１２のベアリング支持部２の中には、前記した嵌合穴２ａの下穴１２ａが形成される。

鋳型１０には、所望の箇所に複数、本実施形態においては２箇所に冷却流路１６，１７が設けられている。冷却流路１６，１７には、冷却水供給系１８で所定温度に冷却された冷却水などの冷却媒体が自動流量調節バルブ１６ａ，１７ａを介して供給される。

冷却流路１６，１７は、鋳型１０のキャビティ１１のうち、冷却が必要とされる箇所を十分に冷却できるように配設されている。例えば、図２においては、ナックルアーム４の付近に冷却流路１６が配設され、ライザー部１５の付近に冷却流路１７が配設されている。また、各冷却流路１６，１７に対応してキャビティ１１の表面近くには、温度検出手段としての熱電対１９，２０がそれぞれ配置されている。

熱電対１９，２０の出力は、ＣＰＵとメモリを有する制御手段２１により、例えば０．１秒ごとに検出される。制御手段２１は、予め設定されてメモリに記憶させたプログラムに基づいて自動流量調節バルブ１６ａ，１７ａを制御して、鋳型１０に流通する冷却水の流量を調節することができる。

次に、図３を参照しながら鋳型１０の温度制御方法について説明する。図３は、実施形態にかかる自動車用ナックルの鋳造における時間と温度の関係を示すグラフである。図３においては、熱電対１９、２０によって検出されたライザー部１５およびナックルアーム４を規定するキャビティ面の温度であり、この検出温度に基づいて制御手段２１によって自動流量調節バルブ１６ａ，１７ａを制御することで、冷却流路１６，１７を流通する冷却水の流量を調節して得られたものである。図３のグラフのうち、実線は、熱電対１９にについて設定したナックルアーム４の冷却曲線であり、破線は、熱電対２０について設定したライザー部１５の冷却曲線である。

ここでは、注湯開始時点Ａから、次のサイクルの注湯開始時点Ａまでの間を鋳造加工の１サイクルとしている。
制御手段２１に記憶されたプログラムには、１サイクルの経過時間によって変化する制御目標値である設定温度が、鋳型１０にテスト鋳造したときの実際の温度変化に基づいて設定されている。本実施形態における設定温度は、ライザー部１５については、注湯開始時点Ａから最高温度到達時点Ｂまでを一定値である設定温度３２（温度Ｔ２）と、最高温度到達時点Ｂから湯口凝固時点Ｃ２（湯口及び押湯口が凝固する時点、温度Ｔ３が凝固点である）までの温度−時間目標特性３１と、湯口凝固時点Ｃ２から次のサイクルの注湯開始時点Ａまでの温度−時間目標特性３０とを連続させた制御グラフからなり、制御手段２１のメモリに記憶されている。

また、ナックルアーム４については、設定温度は、注湯開始時点Ａから最高温度到達時点Ｂまでを一定値である設定温度３２（温度Ｔ２）と、最高温度到達時点Ｂから凝固点（温度Ｔ３）以下の温度Ｔ４まで急速に下降し、ナックルアーム凝固時点Ｃ１までの温度−時間目標特性３３と、ナックルアーム凝固時点Ｃ１から温度−時間目標特性３０へ緩やかに下降するようにつながる温度−時間目標特性３４と、温度−時間目標特性３０とを連続させた制御グラフからなり、制御手段２１のメモリに記憶されている。

すなわち、ナックルアーム４を含む自動車用ナックル１となる部分は、注湯後急速に冷却されるのに対し、ライザー部１５は、凝固点（温度Ｔ３）まで緩やかに冷却されるように設定されている。

また、制御手段２１に記憶されたプログラムは、メモリに記憶された設定温度に対して、熱電対１９，２０の検出温度（鋳型１０の温度）が高ければ、自動流量調節バルブ１６ａ，１７ａを開放して鋳型１０に冷却水を流通させ、鋳型１０の熱電対２０の検出温度が低ければ、自動流量調節バルブ１６ａ，１７ａを閉鎖して鋳型１０への冷却水の流通を止めるようにプログラムされている。

制御手段２１のプログラムに基づいて制御された鋳型１０は、図３に示すように、注湯開始時点Ａの温度Ｔ１から急激に上昇して最高温度到達時点Ｂ付近において設定温度３２（温度Ｔ２）に基づいて制御される。そして、ライザー部１５の温度は、その後、湯口凝固時点Ｃ２の温度Ｔ３に向けて緩やかに下降し、さらに設定温度３２から連続する温度−時間目標特性３１に基づいて制御される。そして、温度−時間目標特性３１に連続して湯口凝固時点Ｃ２から次のサイクルの注湯開始時点Ａの温度Ｔ１に向けて急速冷却する温度−時間目標特性３０に基づいて制御される。
一方、ナックルアーム４の温度は、最高温度到達時点Ｂ付近から温度−時間目標特性３３にしたがいナックルアーム凝固時点Ｃ１の温度Ｔ４に向けて急速に下降し、さらに温度Ｔ４から温度−時間目標特性３４にしたがい、温度−時間目標特性３０へ向けて緩やかに下降する。

なお、重力鋳造法において重要である注湯開始時点Ａの温度Ｔ１は、各サイクルとも常に一定の最適注湯温度となるように制御されている。

本実施形態においては、最高温度到達時点Ｂからナックルアーム凝固時点Ｃ１までの温度−時間目標特性３３を比較的緩やかな冷却特性としたい場合には、塗型の選択次第で冷却水を流通させないテスト鋳造の実測値とほとんど同じにできるため、Ｂ−Ｃ１間においては、冷却水を通水させずに所望の冷却速度を得ることができる。また、Ｂ−Ｃ１間の冷却速度を比較的急峻な冷却特性としたい場合には、塗型を設けないとともに、必要に応じ自動流量調節バルブ１６ａを開放して冷却水を冷却流路１６に流通させることにより所望の冷却速度を得ることができる。
これに対し、ライザー部１５の冷却速度は遅く、温度−時間目標特性３１の冷却速度は、１８０℃／分以下に設定されている。ライザー部１５の冷却速度は、より望ましくは１００℃／分以下である。

さらに、制御手段２１に記憶されたプログラムは、熱電対１９，２０によって検出された鋳型１０の温度が設定温度に対して高すぎたり、低すぎたりしていないかを監視する温度監視領域が設定されている。

本実施形態の温度監視領域は、Ａ−Ｂ間、Ｂ−Ｃ１間、Ｂ−Ｃ２間、Ｃ１−Ｄ間、Ｃ２−Ａ間のそれぞれに対応して第１監視領域５１、第２監視領域５２、第３監視領域５３、第４監視領域５４、第５監視領域５５に分割されている。

第１監視領域５１においては、鋳型１０の温度が急激に上昇することと、この領域においては、ほとんど冷却水を流通させる制御を行わないため、設定温度３２（最高温度到達時点Ｂの温度Ｔ２）よりも少し高い温度を一定の上限温度５１ａとし、最適注湯開始温度である温度Ｔ１よりも少し低い温度を一定の下限温度５１ｂとしている。

第２監視領域５２においては、設定温度である温度−時間目標特性３３にしたがって変化する上限温度−時間特性５２ａと下限温度−時間特性５２ｂが設定されている。上限温度−時間特性５２ａと下限温度−時間特性５２ｂは、温度−時間目標特性３３に対して平行に設定されている。この第２監視領域５２においては、温度−時間目標特性３３が温度Ｔ４まで急速に冷却するように設定されているため、鋳型１０の実際の温度にも比較的バラツキが大きくなる（つまり、温度−時間目標特性３３に対する実際値との偏差が大きい）ので、上限温度−時間特性５２ａと下限温度−時間特性５２ｂは、設定温度の温度−時間目標特性３３を中心に対称で比較的広い幅の温度監視領域に設定されている。

第３監視領域５３においては、設定温度である温度−時間目標特性３１にしたがって変化する上限温度−時間特性５３ａと下限温度−時間特性５３ｂが設定されている。上限温度−時間特性５３ａと下限温度−時間特性５３ｂは、温度−時間目標特性３１に対して平行に設定されている。この第３監視領域５３においては、温度のバラツキが小さいため、上限温度−時間特性５３ａと下限温度−時間特性５３ｂは、設定温度の温度−時間目標特性３１を中心に対称で比較的狭い幅の温度監視領域に設定されている。

第４監視領域５４においては、設定温度である温度−時間目標特性３４にしたがって変化する上限温度−時間特性５４ａと下限温度−時間特性５４ｂが設定されている。上限温度−時間特性５４ａと下限温度−時間特性５４ｂは、温度−時間目標特性３４に対して平行に設定されている。この第４監視領域５４においては、温度のバラツキが小さいため、上限温度−時間特性５４ａと下限温度−時間特性５４ｂは、設定温度の温度−時間目標特性３４を中心に対称で比較的狭い幅の温度監視領域に設定されている。

第５監視領域５５は、設定温度である温度−時間目標特性３０にしたがって変化する上限温度−時間特性５５ａと下限温度−時間特性５５ｂが設定されている。この第５監視領域５５においては、温度−時間目標特性３０がＣ２−Ａ間で最適注湯開始温度である温度Ｔ１まで急速に冷却するように設定されているため、鋳型１０の実際の温度にも比較的バラツキが大きくなる（つまり、温度−時間目標特性３０に対する実際値との偏差が大きい）ので、上限温度−時間特性５５ａと下限温度−時間特性５５ｂは、設定温度の温度−時間目標特性３０を中心に対称で比較的広い幅の温度監視領域に設定されている。

このような監視領域５１〜５５の間で各部の温度が制御されることにより、鋳物製品１２は、全体に安定した材質特性を有する品質となる。特に、ナックルアーム４を含む自動車用ナックル１となる部分とライザー部１５とで、冷却速度（凝固速度）に差がありライザー部１５の方が遅れて凝固するため、押湯を有効に作用させることができる。特に、鋳型１０は、ベアリング支持部２を上側に向けたキャビティ１１を形成し、そのベアリング支持部２の上に連続してライザー部１５を設けたので、材料の収縮に伴いベアリング支持部２、ナックルアーム４を介し、比較的均等に自動車用ナックル１の全体へ押湯を送ることができ、品質が安定する。

以上のようにして鋳造された鋳物製品１２は、図４（ａ）に示すように、製品部１２Ａとライザー部１５とに切断され、図４（ｂ）に示すように、嵌合穴２ａ、およびその他の部分を機械加工して自動車用ナックル１となる。

このようにして製造された自動車用ナックル１は、材料としてＡ３５６合金のアルミニウム合金を使用すると、凝固速度に応じ図５のような材料特性を有する。図５は、横軸に凝固速度をとり、これに対応させて、伸び、ＤＡＳII値を横軸に示し、さらに縦軸に強度をとって引張強さと耐力をグラフで表示したものである。
図５に示すように、引張強さは、凝固速度が１８０℃／分以上の場合に十分な破壊時の強度を有し、耐力も凝固速度１８０℃／分以上の場合に、圧入部や締付け部において十分な強度を有する。
また、凝固速度が１８０℃／分以上の場合に、ＤＡＳII値が３２μｍより小さくなり、微細組織により高い強度と靱性を得ることができる。
したがって、前記した製造方法により製造された本発明の自動車用ナックル１は、必要十分な強度を確保でき、車輪を支持するボールベアリング８（図１参照）を圧入しても十分な耐久性を得ることができる。また、伸びが８％以上あることから、破壊時には十分にエネルギーを吸収することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、前記実施の形態では、冷却媒体を冷却水としたが、効率よく鋳型を温調できるものであれば一般的に用いられる各種温調流体を用いることができる。また、前記実施の形態では、自動流量調節バルブを開放、閉鎖していわばＯＮ−ＯＦＦ制御によって冷却水を制御したが、自動流量調節バルブによって流量を複数段階で調節することにより、メモリに記憶されたプログラムに従いスムーズに温度制御することも可能である。

さらに、前記実施の形態では、説明の容易のため、２つの冷却流路と熱電対を用いた冷却回路であったが、冷却流路の数は特に限定されるものではない。

また、実施形態の製造方法においては、アルミニウム合金により自動車用ナックルを構成したが、必ずしもこれに限られず、アルミニウムや、鋼材を採用した場合にも、微細組織を有し、強度および靱性を備えた自動車用ナックルとすることもできる。
また、急速凝固による製造方法は、断熱塗型での水冷凝固コントロール、断熱塗型なしでの鋳造、金属コーティングなどによるシボ加工、還元鋳造法などを利用することができる。還元鋳造法は、キャビティ内に還元性ガス、例えば、アルミニウムより還元性が高いマグネシウムのガスを導入することにより、アルミニウムの表面の酸化を防止し、湯周りを向上させた鋳造方法である。還元鋳造方法の詳細については、例えば特許第３４２２９６９号公報に記載されている。

実施形態で説明した自動車用ナックルの製造方法にしたがって凝固コントロールしながら自動車用ナックルを鋳造し、各部の材料特性を測定した。
鋳造時には、ライザー部の凝固速度を９０℃／分とし、その他のナックル本体の部分の凝固速度を３００℃／分とした。鋳造に使用した材料は、アルミニウム合金であり、その組成は、Ａ３５Ｃであった。
この鋳造により、図６（ａ）に示すような形状の自動車用ナックルを得て、ナックルアームまたはベアリング支持部から試験片を切り出した（図６（ａ）に示した符号Ｓ１〜Ｓ７参照）。
１個の自動車用ナックルから、１０個の試験片を得て、引張強さ、耐力、伸びを測定した。これらの測定結果をプロットしたのが図６（ｂ）および図６（ｃ）である。
図６（ｂ）に示すように、すべての試験片において、引張強さが２８０ＭＰａ以上となり、伸びが８％以上となった。
また、図６（ｃ）に示すように、すべての試験片において、耐力が１７０ＭＰａ以上となった。

自動車用ナックルの外観斜視図である。 本発明の自動車用ナックルを製造するための鋳型の模式断面図である。 実施形態にかかる自動車用ナックルの鋳造における時間と温度の関係を示すグラフである。 鋳物製品の後加工工程を示す図であり、（ａ）はライザー部の分割工程、（ｂ）は機械加工工程を示す。 凝固速度と材料特性の関係を示すグラフである。 実施例を説明する図であり、（ａ）は試験片を切り出した位置を示す図、（ｂ）は引張強度と伸びの関係を示す図、（ｃ）は耐力と伸びの関係を示す図である。

符号の説明

１ 自動車用ナックル
２ ベアリング支持部
３ 取付ボス
４ ナックルアーム
８ ボールベアリング
１０ 鋳型
１１ キャビティ
１２ 鋳物製品
１５ ライザー部
１６ 冷却流路
１７ 冷却流路

Claims (6)

1. 自動車用ナックルを鋳造により製造する自動車用ナックルの製造方法であって、
   前記自動車用ナックルを形成するナックル本体と、このナックル本体のうち車輪の支持部品を収容するベアリング支持部に連続するライザー部とをキャビティとして形成し、
   前記キャビティに溶湯を注入し、
   前記ナックル本体に相当する部分の平均凝固速度を、前記ライザー部の平均凝固速度より高くして、前記溶湯を冷却することを特徴とする自動車用ナックルの製造方法。
2. 前記ナックル本体に相当する部分の平均凝固速度を１８０〜２２００℃／分とし、前記ライザー部の平均凝固速度を１８０℃／分未満とすることを特徴とする請求項１に記載の自動車用ナックルの製造方法。
3. 前記溶湯として、アルミニウムまたはその合金を使用することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自動車用ナックルの製造方法。
4. 前記鋳造の方法は、重力鋳造方法または低圧鋳造方法であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の自動車用ナックルの製造方法。
5. 前記鋳造の方法は、還元鋳造方法であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の自動車用ナックルの製造方法。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の自動車用ナックルの製造方法により製造された自動車用ナックルであって、
   前記ライザー部を切除してなることを特徴とする自動車用ナックル。

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