JP4465346B2 - 構造用ｉビーム自動車用サスペンションアーム - Google Patents

Description

発明の背景

本発明は、自動車用サスペンション構成部品の製造工程に適用され、特に重量に対して高い剛性比と高い強度比とを要する構成部品に適用される。特に、本発明は、自動車用サスペンションアームに適用される。

従来技術の説明

現代のほとんどの道路交通車両は、路面の凹凸部からホイールが受ける振動・衝撃が乗員室に伝わらないようにするために、何らかの形式の懸架システムを使用している。これらの懸架システムは一般に、スプリング、ダンパなどのスプリングの動きを制御する装置、およびホイールの動きの運動を制御するリンク構造など、何らかの種類のエネルギー蓄積手段を含んでいる。この構成部品の組合せは、車両のホイールが道路の凹凸部を問題なく走行できるように構成されている。リンク構造の最も一般的な形態は、スピンドルアッセンブリ、車体、及び一般にコントロールアームと呼ばれる２つの旋回式構造要素から構成される４バーリンク構造である。

図１は、一般的な従来技術の４バーリンク構造を示している。コントロールアーム（１）、（２）は、車体（４）に対してスピンドルアッセンブリ（３）の動きを捉え制御する。スピンドルアッセンブリは、車両のバネ下質量（５）と総称される、ホイール、タイヤ、ベアリングアッセンブリ、及びブレーキアッセンブリを支える。このバネ下質量には、コントロールアームの重量分も含まれる。路面から振動・衝撃を受けながらバネ下質量を動かすには相当なエネルギーが必要になるので、できるかぎりこのサブアッセンブリの総重量を軽くすることが好ましい。また、車両の操作特性はバネ下構成部品の制御動作に直接依存するので、コントロールアームがコントロールアーム上に加わる相当な荷重に耐える十分な剛性と強度とを有することが必要である。

したがって、サスペンションコントロールアームは、載荷時に十分機能するために強度と剛性に優れ、かつバネ下質量を低減するために軽量であることが重要である。一般に重量を低減すると、強度と剛性との両方が低下する。重量を低減しかつ重量低減前と変わらぬ構造性能特性を備えた部品を設計するには、大いに工夫を凝らす必要がある。サスペンションコントロールアームに加わる作用荷重は個々に分散され、かつ周知なので、用途により必要な方向や場所に選択的に剛性と強度を得るための不均一な構造に開発することが可能である。車両用サスペンションコントロールアームは通常、ボディマウントと車軸との関係構造に応じて、平面図において「Ａ」又は「Ｌ」字型のいずれかで構成されている。いずれの場合も、主要な誘導荷重は「Ａ」又は「Ｌ」構造体の面内にかかるので、高い面内剛性が要求される。これらの誘導荷重に耐える最も効果的な形状においては、領域値の面内慣性モーメントを最大化するために「Ａ」又は「Ｌ」構造体の縁周辺に材料を高い密度で集中することが必要である。図２は、一般的な従来技術の「Ｌ」字型サスペンションコントロールアーム（８）を示している。このサスペンションコントロールアーム（８）は、構造体周辺部に材料が高い密度で集中しており、これは鋳造製造工程により容易に実現される。この構造は、Ｉビームが曲げ荷重を支える最も有効な方法であるという考えに基づく一般的な構造断面の方法と合致している。Ｉビーム構造では、重心又は中立軸から離れた断面の末端に材料が集中している。図２Ａは、典型的な従来技術のＩビーム、すなわち、図２の鋳造「Ｌ」字型サスペンションコントロールアームの断面図である。Ｉビームの対向する末端は、フランジ（６）と呼ばれ、一方、単一の中央構成部品はウェブ（７）と呼ばれる。Ｉビームの構造上の利点を十分に実現するには、フランジの厚さがウェブの厚さと少なくとも同等であることが有益である。

形状が均一でない最適なコントロールアーム構造を実現するには、複数の複雑な製造工程で行う必要がある。車両用コントロールアームの製造に使用される最も一般的な製造方法は、鋳造、鍛造、及びプレス加工金属材を溶接してサブアッセンブリに仕上げる方法である。形状が複雑であるので、単純なプレス加工金属材の加工で最適な車両用コントロールアームを製造することはほとんど不可能である。

製造の際にプレス加工金属材を使用するサスペンションコントロールアームのほとんどは、密閉箱形部品として構成される。図３は、２つのＵ字型プレス加工金属材から構成される典型的なサスペンションコントロールアームの断面図である。この種の構造断面は、Ｉビームに比べて曲げ荷重に耐える効果がはるかに低く、必要な隅肉溶接接合を容易に行うために材料の有効な重なりが必要とされる。この材料の重なりは、究極的には構造的冗長となり、他の鋳造構造や鍛造構造よりも重量がかさむ解決方法となる。

Kusamaらによる米国特許第５，６６２，３４８号では、プレス加工部品で製造されるサスペンションアームが開示されている。Kusamaは、誘導荷重と両立し得るように車両用サスペンションコントロールアームを剛化することをいずれも目的として、幅広い範囲にわたり様々な断面構造を請求している。しかしながら、Kusamaは、プレス成形法を用いた真のＩビーム断面を形成する方法を開示していない。

Ｉビーム断面の使用は、サスペンションアーム技術において知られており、通常、図２、図２Ａに示したとおり鋳造法又は鍛造法を使用して製造される。しかしながら、背面を合わせて共にプロジェクション溶接を施した２つのカップ状プレス加工材を使用して、必要となる平面図形状を有するＩビーム断面を形成することも、一般的な方法である。これまで、Ｉビーム断面はこのようにして２つの比較的単純なプレス成形材を結合させることによって形成されてきたが、フランジがウェブ厚さの半分の厚さであったために、構造性能は劣っていた。図４は、２つのカップ状プレス加工材で構成された、典型的な従来技術のＩビームサスペンションコントロールアームの断面図を示している。ここで注目すべき重要なことは、従来技術の製造工程においては、フランジが単一材料の厚さであるのに対してウェブは二重の材料厚さであることである。これは、最適な構造構成ではない。

発明の概要

したがって、板金プレス加工などの低コストの製造法を使用して比較的質量を軽く維持しながら、高い固有の剛性と強度とが実現されるサスペンションコントロールアームを形成することは有益であると考えられる。自動車産業が必要とするような大量生産向けには、板金プレス加工が最もコストパフォーマンスの良い構造構成部品の製造法であることが立証されている。現在生産されているほとんどの車両では、アルミニウム又は鋼プレス加工材のいずれかでほとんど全体が構成され、プレス加工法を用いて製造された、ボディ構造と局部的に選択されたサブフレームとが使用されている。したがって、本発明は、車両用サスペンションコントロールアームの製造において金属プレス加工を使用することを目的としている。

本発明の一実施形態において、車両用サスペンションコントロールアームは、２つの複合プレス加工材を溶接して高性能のＩビーム断面を形成するよう構成される。各プレス加工材は、適正な平面図形状、すなわち「Ａ」、「Ｌ」、又は本用途に合ったその他の適切な形状を有し、カップ状断面をなすよう形成されている。このカップ状断面は、完全に折り返されて厚さが有効に２倍になる直立フランジを備えている。このとき、２つのプレス加工材は、背面合わせにされ、自由端周辺縁に沿って溶接される。この構造の主要な態様は、折り返した直立フランジの切り口に適切な間隙が残されて、高品質な４材料面溶接がなされることである。換言すれば、溶接によって２つのウェブ部と、２つのフランジ部との両方が、該部品の各周辺縁に沿って接合される。フランジとウェブとは基本的に同一の厚さを有するので、最終的に実現されるアッセンブリは好ましい構造Ｉビーム断面を有する。

したがって、車両用サスペンションアームは、第１の外面と第１の内面とを有する上側板金プレス加工構成部品であって、第１の中央ウェブ部と第１のウェブ部の対向する側部に位置する第１の直立フランジ部とを備えた上側板金プレス加工構成部品と、第２の外面と第２の内面とを有する下側板金プレス加工構成部品であって、第２の中央ウェブ部と第２のウェブ部の対向する側部に位置する第２の直立フランジ部とを備えた下側板金プレス加工構成部品とを備え、第１、第２の内面が第１、第２のウェブ部の大部分に沿って互いに密着するように合わされて、上側及び下側のプレス加工構成部品が互いに強固に接合され構造Ｉビーム断面を形成するように合わされ、各直立フランジ部の厚さは第１、第２のウェブ部の合計厚さと少なくとも同等である。

更に、本発明の各態様は以下のとおりである。
ａ）上側及び下側のプレス加工構成部品が一様な厚さの板金でプレス加工され、各直立フランジ部が前記板金を完全に折り返された部分を備えることにより、各直立フランジ部の厚さが各ウェブ部の厚さの少なくとも２倍になり、
ｂ）上側プレス加工構成部品及び下側プレス加工構成部品がアルミニウム板、鋼板、又は類似の板金材でプレス加工され、
ｃ）上側プレス加工構成部品及び下側プレス加工構成部品が、溶接、ボルト締め、リベット打ち、接着、又は類似の固定手段を用いて背面合わせ構造にて互いに強固に接合され、
ｄ）上側プレス加工構成部品及び下側プレス加工構成部品が第１、第２の内面に沿って密着する際に、上側及び下側構成部品の４つの材料面を接合するために突合せ構造と隅肉構造との両方を組み合わせた高品質な溶接接合を容易に実現するのに適した周辺接合縁に沿った間隙を形成するよう構成され、上側構成部品及び下側構成部品が溶接接合によって互いに強固に接合され、
ｅ）上側プレス加工構成部品及び下側プレス加工構成部品が、各第１、第２のウェブ部に渡ってプロジェクション溶接を使用して背面合わせ構造にて第１、第２の内面に沿って互いに強固に接合され、
ｆ）上側プレス加工構成部品には第１のウェブ部の所定の箇所に第１の押出し穴が設けられ、かつ同様に下側プレス加工構成部品には第２のウェブ部に第２の押出し穴が設けられ、上側プレス加工構成部品及び下側プレス加工構成部品が互いに強固に接合される際に第１、第２の押出し穴の位置合わせがなされて、スピンドルアッセンブリのボールジョイントを受けるのに適した構造が形成され、
ｇ）少なくとも１つの切れ目が完全に折り返されたフランジに設けられて、車体部品の取り付け細部を受けるのに適した構造が形成される。

発明の詳細説明

図５、６、７、７Ａ、８によると、車両用サスペンションアーム（１０）は、上側プレス加工構成部品（１１）と下側プレス加工構成部品（１２）とから主に構成されている。上側プレス加工構成部品と下側プレス加工構成部品との両方は、鋼、アルミニウム、又はその他の適切な金属又は合金からなる平板をプレス加工することによって製造され、車両用サスペンションの構造要件とされる平面図形状が形成される。また、上側プレス加工構成部品と下側プレス加工構成部品との両方には、プレス加工工程中に、材料が完全に折り返されてこの領域内の断面厚さが有効に二倍になる直立フランジ（１３）を含むカップ状断面が得られる。これら二倍の材料厚さを有する完全に折り返されたフランジ（１３）は、車体取り付け部品（１４）、（１５）とスピンドル取り付け部（２０）とを設けるための特別な構造を要する局部を除いて、プレス加工構成部品の周辺全体に渡って設けられている。

最終的に得られるサスペンションコントロールアーム構造体（１０）は、上側プレス加工構成部品（１１）と下側プレス加工構成部品（１２）とを、ボルト締め、溶接、接着、リベット打ち、又は類似の固定手段を用いて背面合わせ構造にて強固に接合することにより完成する。２つのプレス加工構成部品を背面接合することにより実現される典型的な断面は、図７の断面図に示されている。このように、非常に効果的なＩビーム断面は、完全に折り返されたフランジ（１３）の厚さ（Ｔ１）とウェブ（１７）の厚さ（Ｔ２）とが同等であるように形成されるので、図４に示した従来技術の断面よりも構造的に優れている。

本発明の一実施形態において、上側プレス加工構成部品（１１）及び下側プレス加工構成部品（１２）の完全に折り返されたフランジ（１３）には、ウェブ（１７）の合わせ面（１９）から所定の距離（Ｄ１）だけ離れた位置に定められた切り口（１８）が設けられている。このとき、この距離（Ｄ１）は、上側プレス加工構成部品（１１）及び下側プレス加工構成部品（１２）との両切り口間に、ＧＭＡＷ又は類似の溶接手段により形成される高品質な４材料面溶接接合を設けるのに適した間隙（Ｄ２）を形成する。このようにして、組み立てられたコントロールアームの各縁において、対向フランジと対向ウェブが接合される。図８は、構造体周辺に渡って４材料面溶接接合を使用することによって極めて強固な連続的Ｉビーム断面が形成される方法を表す、本実施形態のサスペンションコントロールアームの断面を示している。こうして形成された溶接接合は、以下の点で独特である。すなわち、この溶接接合は、接合すべき４つの異なる材料面により垂直隅肉接合と突合せ接合との組合せとして構成されている。この溶接は、連続溶接でも非連続溶接でもよい。

図５、６によると、サスペンションコントロールアーム（１０）には、スピンドルアッセンブリ（３）のボールジョイントを受けるのに適したフランジ穴（２０）が設けられている。このフランジ穴（２０）は、上側プレス加工構成部品（１１）と下側プレス加工構成部品（１２）との両方に押出し穴を打ち抜いて形成する。この押出し方向は通常、直立フランジ（１３）の方向と同じとし、穴はプレス加工構成部品が強固に接合する際に穴が正確に位置合わせされるような位置関係でプレス加工構成部品（１１）（１２）両方に設けられる。またサスペンションコントロールアーム（１０）には、車体取り付け部品（１４）（１５）を設けることができるよう、直立フランジ内に少なくとも１つの切れ目が設けられている。この切れ目は、直角に方向づけされた円形ブッシュサポート（１４）を受けるのに適した複雑な形状であってもよいし、或いは直線状のピン（１５）を受けるのに適した単純で平坦な切断面であってもよい。

以上本発明の一実施形態について説明を行ったが、本発明の趣旨又は範囲を逸脱することなく、説明した構造の変形または変更を施すことが可能なことは、当業者には明らかであろう。

一般的な４バーリンク車両用懸架システムの斜視図である。 典型的な鋳造による従来技術のサスペンションコントロールアームの斜視図である。 図２の典型的な従来技術のサスペンションコントロールアームの断面図である。 典型的なプレス加工による従来技術のサスペンションコントロールアームの断面図である。 典型的なプレス加工によるＩビーム断面を有する従来技術のサスペンションコントロールアームの断面図である。 本発明のサスペンションコントロールアームの斜視図である。 本発明のサスペンションコントロールアームの分解斜視図である。 本発明のサスペンションコントロールアームの典型的な断面図である。 本発明のサスペンションコントロールアームの典型的な分解断面図である。 溶接接合の詳細を含む、本発明のサスペンションコントロールアームの一実施形態の典型的な断面図である。

Claims (8)

1. 第１の外面と第１の内面とを有する上側板金プレス加工構成部品であって、２つの対向側面を有する第１の中央ウェブ部と前記第１のウェブ部の前記対向側面に位置する第１の直立フランジ部とを備えた上側板金プレス加工構成部品と、
   第２の外面と第２の内面とを有する下側板金プレス加工構成部品であって、２つの対向側面を有する第２の中央ウェブ部と前記第２のウェブ部の前記対向側面に位置する第２の直立フランジ部とを備えた下側板金プレス加工構成部品と、
   を備えた車両用サスペンションアームであって、
   前記第１、第２の内面が前記第１、第２のウェブ部の大部分に沿って互いに密着するように合わされていて、
   前記上側及び下側のプレス加工構成部品が互いに強固に接合して構造Ｉビーム断面を形成するように合わされ、各直立フランジ部の厚さが第１、第２のウェブ部の合計厚さと少なくとも同等である、
   車両用サスペンションアーム。
2. 該上側及び下側のプレス加工構成部品が均一の厚さの板金でプレス加工され、各直立フランジ部が前記板金の完全に折り返された部分を備えることにより、各直立フランジ部の厚さが各ウェブ部の厚さの少なくとも２倍になる、請求項１記載の車両用サスペンションアーム。
3. 該上側プレス加工構成部品及び該下側プレス加工構成部品がアルミニウム板、鋼板、又は類似の板金材でプレス加工される、請求項１又は２記載の車両用サスペンションコントロールアーム。
4. 該上側プレス加工構成部品及び該下側プレス加工構成部品が、ボルト締め、溶接、接着、リベット打ち、又は類似の固定手段を用いて背面合わせ構造にて前記第１、第２の内面に沿って互いに強固に接合される、請求項１、２又は３記載の車両用サスペンションコントロールアーム。
5. 該上側プレス加工構成部品及び該下側プレス加工構成部品が前記第１、第２の内面に沿って密着する際に、上側及び下側構成部品の４つの材料面を接合するために突合せ構造と隅肉構造との両方を組み合わせた高品質な溶接接合を設けるのに適した周辺接合縁に沿った間隙を形成するよう構成され、前記上側及び下側構成部品が前記溶接接合によって互いに強固に接合される、請求項１、２又は３記載の車両用サスペンションコントロールアーム。
6. 該上側プレス加工構成部品及び該下側プレス加工構成部品が、各第１、第２のウェブ部に亘ってプロジェクション溶接を使用して背面合わせ構造にて前記第１、第２の内面に沿って互いに強固に接合される、請求項１、２又は３記載の車両用サスペンションコントロールアーム。
7. 該上側プレス加工構成部品には該第１のウェブ部の所定箇所に第１の押出し穴が設けられ、かつ同様に該下側プレス加工構成部品には該第２のウェブ部に第２の押出し穴が設けられ、上側プレス加工構成部品及び下側プレス加工構成部品が互いに強固に接合される際に第１、第２の押出し穴の位置合わせがなされて、スピンドルアッセンブリのボールジョイントを受けるのに適した構造が形成される、請求項１、２、３、４、５又は６記載の車両用サスペンションコントロールアーム。
8. 少なくとも１つの切れ目が完全に折り返されたフランジに設けられて、車体取り付け部品の細部を受けるのに適した構造が形成される、請求項２、３、４、５、６又は７記載の車両用サスペンションコントロールアーム。

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