JP5485549B2 - ボールジョイントスタッド、タイロッド、スウェイバーリンクなどのための円錐アダプタ - Google Patents

Description

関連出願との相互参照
本願は、２００５年９月２０日に出願された「ボールジョイントスタッド、タイロッド、スウェイバーリンクなどのための円錐アダプタ」（Cone Adaptor For Ball Joint Studs, Tie Rods, Sway Bar Links And The Like）と題された米国仮出願連続番号第６０／７１８，７０８号の優先権を主張する。

発明の背景
発明の分野
この発明は、車両のステアリングおよび／またはサスペンション用途において使用されるタイプのボールおよびソケットタイプのジョイントに関し、より特定的には、たとえばステアリングナックルまたはタイロッドといった固着部材のうちの１つがアルミニウムのような比較的軟らかい材料から作られている用途において使用されるようなボールジョイントアセンブリに関する。

関連技術
ボールジョイントは、車両が向きを変えている際、およびサスペンションが起伏の多い地形上での動きに対処している際にホイール、特に操舵可能なホイールの三次元的な動きが必要とされる車両用途において、典型的に使用される。通常の動作過程では、ボールジョイントは非常に高い応力を受ける。これらの応力は、ボールジョイントアセンブリのスタッドを介してサスペンション部材へと伝わり、それはステアリングナックル、制御アーム、ステアリングリンク、フレーム部材、または他の構成であり得る。

最近、車両重量の低減が重視され、材料選択をより軽い選択肢へと向かわせている。時折、シャーシおよびサスペンション構成部品の領域においてさえも、伝統的な鋳鉄材料の代わりにアルミニウムで代用しようとする動機が存在する。残念ながら、より軽い材料は、それらが取って代わるより重い材料よりも軟らかいことが多く、したがって、通常の車両動作中に生じ得る局所的で集中した応力に耐えるにはそれほど好適ではない。

図９および図１０は、アルミニウムのような比較的軟らかい材料に固着されるよう意図されたボールジョイントアセンブリ、特にスタッドのために同様の機能性を達成しようとする２つの異なる先行技術の試みを示している。図９は特に、その開示全体がここに引用により援用される米国特許第６，５２７，４６８号に記載された設計に対応するよう意図されている。これらの設計は大量生産が難しく、または、ＮＶＨ問題といった受入れられない属性をもたらして界面領域における表面間接触を減少させる。一方、図１〜図８のさまざまな実施例に示すようなこの発明は、これらの問題のうちのいくつかまたはすべてを克服し、先行技術の構造に比べて著しい改良を表わしている。

したがって、より軟らかい材料から作られている固着点に対処するよう、車両のステアリングおよびサスペンション構成にボールジョイントアセンブリを相互接続する改良された方法に対する要望が存在する。

発明の概要
この発明は、固着および制御部材が比較的軟らかい材料から作られている、車両のステアリングおよびサスペンション用途において使用されるタイプのボールおよびソケットジョイントアセンブリを含む。このアセンブリはスタッドを含み、スタッドは、その一端上のボール部とそこから延在するシャンクとを有する。シャンクは、比較的軟らかい材料から作られている固着制御部材にスタッドを取付けるためのねじ山形状を含む。シャンクは、ボール部とねじ山形状との間にアダプタ界面領域を含む。環状のルーズピースアダプタが、シャンク上に摺動可能に配置され、表面同士が当接接触した状態でアダプタ界面領域と嵌り合って係合する。アダプタは、ねじ山形状に向かって内向きにテーパが付いた円錐台形状の外面と、内面とを有する。アダプタの内面は略回転楕円状の雌表面構造を含み、シャンクのアダプタ界面領域は相補形状の略回転楕円状の雄表面構造を有する。これらの嵌り合う略回転楕円状の雌表面および雄表面は、動作時のアダプタ−シャンク間の滑りを減少させ、改良された応力分布および負荷担持能力を提供する。

この発明の別の局面によれば、固着制御部材が比較的軟らかい材料から作られている、車両のステアリング用途において使用されるタイプのボールおよびソケットジョイントアセンブリが提供される。スタッドは、その一端上のボール部とそこから延在するシャンクとを有する。シャンクは、比較的軟らかい材料から作られている固着制御部材にスタッドを取付けるためのねじ山形状を含む。シャンクは、ボール部とねじ山形状との間にアダプタ界面領域を含む。環状のルーズピースアダプタが、シャンク上に摺動可能に配置され、表面同士が当接接触した状態でアダプタ界面領域と嵌り合って係合する。アダプタは、ねじ山形状に向かって内向きにテーパが付いた円錐台形状の外面と、内面とを有する。アダプタの内面は、その大きな内径を確立する略円筒形の大側壁と、その小さな内径を確立する、大側壁と同心の略円筒形の小側壁とを含む。アダプタの内面はまた、大側壁と小側壁との間の少なくとも１つの環状の肩部も含む。シャンクのアダプタ界面領域は、アダプタの大側壁に嵌り合って受けられる略円筒形の大シャフトと、アダプタの小側壁内に嵌り合って受けられる小シャフトと、大シャフトと小シャフトとの間の少なくとも１つの環状の肩部とを含む。アダプタの肩部はシャンクの肩部と対面接触して押付けられる。

ここに述べるようなこの発明の双方の局面は、より軟らかい材料から作られている固着点に対処するよう、車両のステアリングおよび／またはサスペンション構成にボールジョイントアセンブリを相互接続するための改良された構造を提供することにより、先行技術の設計において提示された短所および欠点を克服している。

この発明のこれらのおよび他の特徴ならびに利点は、以下の詳細な説明および添付図面に関連して検討されると、より容易に理解されるようになるであろう。

好ましい実施例の詳細な説明
いくつかの図全体を通し、同じ番号が同じまたは対応する部分を示している図面を参照すると、自動車の前方の操縦可能なホイールにおいて使用されるような車両のステアリングおよびサスペンションアセンブリが、図１において概して１２で示されている。この前方サスペンションシステム１２はここでは、ステアリングナックル１８を相互接続する上部制御アーム１４と下部制御アーム１６とを含んで示されているが、この考えられた発明が他のステアリングおよび／またはサスペンション構成部品において用途を見出してもよいことは、当業者には理解されるであろう。たとえば、多数の実施例において説明されるようなこの発明は、ステアリングナックルおよび制御アーム界面においてだけでなく、ステアリング連結、フレーム部材接続、および他の連接構成においても実施されてもよい。

図１に示された例示的な用途に戻ると、サスペンションシステム１２は、下部制御アー
ム１６を車両シャーシまたはフレームの介在部（図示せず）に相互接続する組合されたばねおよび減衰装置２０を含んで示されている。ステアリングナックル１８は、当業者には周知であるような適切なブレーキおよび軸受構成部品とともに車両ホイールアセンブリ２４が搭載されるスピンドル２２を含んでいる。ステアリングアーム２６は、ステアリングナックル１８から横に延在し、適切なステアリングリンク（図示せず）と接続できる状態にある。この例におけるステアリングサスペンションシステム１２は、その例示的な価値のためにのみ図１に示されているが、伝統的な鋼鉄および鋳鉄構造に比べ、アルミニウムまたは他の軽量材料もしくは合金といった比較的軟らかい材料から作られた構成部品を含んでいる。たとえば、この例における下部制御アーム１６は、伝統的な鉄および鋼鉄構造よりも軟らかく、より延性がある材料特性および特質を有するアルミニウムまたはアルミニウム合金から作られている。サスペンションシステム１２は、この例では、上部制御アーム１４および下部制御アーム１６をステアリングナックル１８にそれぞれ相互接続する、概して２８で示された１対のボールジョイントアセンブリを含んでいる。

図２は、下部制御アーム１６を通るように取ったボールジョイントアセンブリ２８の断面図を表わす。ここでは、ボールジョイントアセンブリ２８は、一端にボール部３２を有する、概して３０で示されたスタッドを含んで示されている。シャンク３４がボール部３２から延在しており、比較的軟らかい材料から作られた固着制御部材、この場合では下部制御アーム１６にスタッド３０を取付けるためのねじ山形状３６を含んでいる。ワッシャ３８およびナット４０は、ねじ山形状３６上へと進められて、使用中の下部制御アーム１６への確実な接続を維持するために必須の引張応力をスタッド３０を介して確立する。

ハウジングキャップ４２は、スタッド３０のボール部３２を包囲して、それとの連接界面を提供する。ハウジングキャップ４２は、図２では単なる１つの全く例示的な構造で示されているが、ステアリングナックル１８の対応する受けポケット内に圧入動作を介して載置される。状況によっては、ポリマーライナ４４が、ハウジングキャップ４２とボール部３２との間に軸受表面として介在されてもよい。連接界面への汚染物質の侵入を防止するために、弾性ダストブート４６が、ハウジングキャップ４２とシャンク３４との間に延在して示されている。もちろん、この発明の新規な特徴に関連して、ハウジングキャップ４２、およびダストブート４６などの他の構成部品の多くの他の構造および設計が実現されてもよい。ハウジングキャップ４２がボール部３２を相補し、それにより、ホイールの方向転換、サスペンション移動、および他の機械的連結運動に対処するのに必要とされる三次元の動きを容易にする完全連接ジョイントを提供しさえすればよい。

ここで図３および図４を参照すると、ボールジョイントアセンブリ２８のスタッド３０部は、ボール部３２とねじ山形状３６との間にアダプタ界面領域４８を含んで示されている。想像上の中心軸Ａが、回転体として形成されたさまざまな表面構成のための中心線として示されている。アダプタ界面領域４８は、とりわけ図２に示すようなダストブート４６のクランプされた下端を受けるように機能し得る略円筒形の鍔５０を含む多数の表面構成および輪郭を含んでいる。加えて、アダプタ界面領域４８は、凹方向に形成された略回転楕円状の雄表面構造５２を含んでいる。このため、回転楕円状の雄表面構造５２は、鍔５０をねじ山形状３６へと移行させる引き延ばされたフィレットの外観を呈している。

シャンク３４のアダプタ界面領域４８は、概して５４で示される環状のルーズピースアダプタを受けるよう設計されている。アダプタ５４は、シャンク３４上に摺動可能に配置され、表面同士が当接接触した状態でアダプタ界面領域４８と嵌り合って係合する。アダプタ５４は、ねじ山形状３６に向かって内向きにテーパが付いた円錐台形状の外面５６を有する。このため、図２に示すように、アダプタ５４の円錐台形状の外面５６は、下部制御アーム１６の相補形状のフレア５８内に収まる。アダプタ５４の円錐台形状の外面５６によって提示されている比較的浅いテーパは、下部制御アーム１６のより広い区域への負
荷応力の分布に対処している。それにより、これは、締付けられたナット４０を介して固着下部制御アーム１６に印加される圧力を減少させる。このように接触圧力を減少させることにより、アルミニウムおよびその合金といったより軟らかい材料を、下部制御アーム１６、または他のサスペンション部材もしくは連結機構に使用することが可能となる。

アダプタ５４はまた、この実施例では略回転楕円状の雌表面構造６０によって特徴付けられている、円錐台形状の外面５６とは反対側の内面も含んでいる。回転楕円状の雌構造６０は、シャンク３４の回転楕円状の雄構造５２を相補して、表面同士の当接接触を確立する。回転楕円状の雌構造６０は凸方向に示されており、嵌り合う雄表面と協働して、ボールジョイントアセンブリ２８のための改良された応力分布および負荷担持能力を提供する。球状または回転楕円状の表面湾曲部はまた、動作時のアダプタ−シャンク間の滑りの減少を容易にする。これらの表面構造は製造可能性に貢献し、また、改良されたＮＶＨ特性といった他の利益も提供する。アダプタ５４の内面はさらに、その略回転楕円状の雌表面構造６０に隣接する、略円筒形の側壁６２を含んでいる。側壁６２は、シャンク３４の鍔５０の下部を嵌り合うように受けて、２つの構成部品間の改良された収まりおよび径方向応力分布を提供する。

ここで図５を参照すると、この発明の第１の代替的な実施例が示されており、ここでは、同じまたは対応する部分は、同じ参照番号に接頭語「１」を付けて示されている。この実施例では、アダプタ１５４はあらゆる点において、好ましい実施例に関連して前述したものと同一であるが、側壁６２が省略されている。この場合、回転楕円状の雌構造６０は、アダプタ１５４とスタッド３０との間の軸方向および径方向負荷ベクトルの１００％を受ける。用途によっては、この設計が好ましい場合がある。

ここで図６を参照すると、この発明の第２の代替的な実施例が示されており、ここでは、上述のものと同じまたは対応する部分は、同じ参照番号に接頭語「２」を付けて示されている。図６の実施例では、アダプタ２５４の内面は、略凹形状を有する略回転楕円状の雌表面構造２６０によって特徴付けられており、一方、アダプタ界面領域２４８上の嵌り合う略回転楕円状の雄表面構造２５２は、略凸形状を有している。このため、図６は、アダプタ２５４とアダプタ界面領域２４８との間で表面接触領域における凹状構成と凸状構成とが単に反転していることを表わしている、ということがわかる。したがって、同様の性能特性が期待できる。

図７に、この発明の第３の代替的な実施例を示す。この例では、前に提示したものと同じまたは対応する部分は、同じ参照番号に接頭語「３」を付けて示されている。この例では、アダプタ３５４とアダプタ界面領域３４８との間の略回転楕円状の界面表面が、１つ以上の段構造に置換えられている。単一段構造が図７に示されており、ここでは、アダプタ３５４の内面は、大きい内径を確立する略円筒形の大側壁３６２を含んでいる。大側壁３６２と同心の略円筒形の小側壁３６４は、アダプタ３５４の小さい内径を確立している。大側壁３６２と小側壁３６４との間には、少なくとも１つの環状の肩部３６６が延在しており、それにより、中心軸Ａに概して直角な棚状部を提供している。肩部３６６はしたがって、軸方向にベクトル付けされたすべての応力をアダプタ３５４とスタッド３０との間で伝える接触表面を確立している。シャンク３３４のアダプタ界面領域３４８は、鍔３５０に対応する略円筒形の大シャフトを含んでいる。この大シャフトは、アダプタ３５４の大側壁３６２内に嵌り合って受けられる。アダプタ界面領域３４８はまた、アダプタ３５４の小側壁３６４内に嵌り合って受けられる小シャフト３６８も含んでいる。大シャフト３５０と小シャフト３６８との間に環状の肩部３７０が延在し、中心軸Ａに対して概して横方向の棚状部を確立している。肩部３７０は、アダプタ３５４の肩部３６６と対面接触して収まるようになっている。

図８は、この発明の第４の代替的な実施例を示しており、ここでは、上述のものと同じまたは対応する部品は便宜上、接頭語「４」を付けて繰返されている。この例では、漸進的な大きさの１対の段が、アダプタ界面領域４４８上に機械加工されるかまたは他の方法で形成され、相補的な受け形状が、アダプタ４５４の内面上に形成されている。より特定的には、アダプタ４５４の内面はここでは、大側壁４６２に対して同心状に配置され、それにより中間サイズの直径を確立している、略円筒形の中側壁４７２を含んで示されている。中側壁４７２は、肩部４６６を２等分して複数の区分に分けている。シャンク４３４のアダプタ界面領域４４８も同様に、肩部４７０を２等分して複数の区分に分ける、略円筒形状の中シャフトを含んでいる。中シャフト４７４は、アダプタ４５４の中側壁４７２と嵌り合って係合する。このため、図８を検討するとわかるように、嵌り合う表面同士の多段構造は、アダプタ４５４とスタッド４３０との嵌合の完全性を高める。もちろん、段と図２〜図６に示された回転楕円状の湾曲部との組合せが可能であるように、追加の段が設計に取り入れられてもよい。

上述の教示に鑑みて、この発明の多くの修正および変更が明らかに可能である。たとえば、界面部分により多くの段を形成することが可能であり、また、段構造を回転楕円状の湾曲部と組合せることが可能である。したがって、この発明が、具体的に説明されたものとは別の方法で実践され得ることが理解されるはずである。

アルミニウムなどの比較的軟らかい材料から作られた上部制御アームと下部制御アームとの間にステアリングナックルが支持されている、主題のボールおよびソケットジョイントアセンブリのための例示的な一用途の斜視図である。 概して図１の線２−２に沿って取った断面図である。 この発明に従ったスタッドの正面立面図であって、その上に作動的に配置され、断面図で示された環状のルーズピースアダプタを示す図である。 ４分の１断面図で示された環状のルーズピースアダプタの斜視図である。 図３と同様だが、スタッドおよびアダプタの嵌り合う雌表面および雄表面間の幾何学的表面形状の第１の代替的な実施例を示す図である。 図３と同様だが、スタッドとアダプタとの間の嵌り合う界面についての第２の代替的な実施例を示す図である。 図３と同様だが、アダプタ界面領域の第３の代替的な実施例を示す図である。 図３と同様だが、アダプタとスタッドとの間の表面同士の当接接触領域の第４の代替的な実施例を示す図である。 先行技術の形式のスタッドおよびアダプタ構造の図である。 先行技術のスタッドおよびアダプタ構造の別の図である。

Claims (6)

1. 固着制御部材が比較的軟らかい材料から作られている、車両のステアリングおよびサスペンション用途において使用されるタイプのボールおよびソケットジョイントアセンブリであって、前記アセンブリは、
   スタッドを含み、前記スタッドは、その一端上のボール部とそこから延在するシャンクとを有し、前記シャンクは、比較的軟らかい材料から作られている固着制御部材に前記スタッドを取付けるためのねじ山形状を含み、前記シャンクは、前記ボール部と前記ねじ山形状との間にアダプタ界面領域を含み、前記アセンブリはさらに、
   前記シャンク上に摺動可能に配置され、表面同士が当接接触した状態で前記アダプタ界面領域と嵌り合って係合する環状のルーズピースアダプタを含み、前記アダプタは、内面と、前記ねじ山形状に向かって内向きにテーパが付いた円錐台形状の外面とを有し、
   前記アダプタの前記内面は略回転楕円状の雌表面構造を含み、前記シャンクの前記アダプタ界面領域は相補形状の略回転楕円状の雄表面構造を有し、それにより、嵌り合う略回転楕円状の雌表面および雄表面は、動作時のアダプタ−シャンク間の滑りを減少させ、改良された応力分布および負荷担持能力を提供する、アセンブリ。
2. 前記アダプタ上の前記略回転楕円状の雌表面構造は略凸形状を有し、前記アダプタ界面領域上の嵌り合う前記略回転楕円状の雄表面構造は略凹形状を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記アダプタの前記内面は、前記略回転楕円状の雌表面構造に隣接する略円筒形の側壁を含み、前記シャンクの前記アダプタ界面領域は、前記アダプタの前記側壁内に嵌り合って受けられる略円筒形の鍔を含む、請求項２に記載のアセンブリ。
4. 前記アダプタ上の前記略回転楕円状の雌表面構造は略凹形状を有し、前記アダプタ界面領域上の嵌り合う前記略回転楕円状の雄表面構造は略凸形状を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
5. 前記スタッドの前記ボール部を包囲し、それを中心として連接可能であるハウジングキャップをさらに含む、請求項１に記載のアセンブリ。
6. 連接界面への汚染物質の侵入を防止するために前記ハウジングキャップと前記シャンクとの間に延在する弾性ダストブートをさらに含む、請求項５に記載のアセンブリ。

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