JP5851305B2 - 中空スタビライザ - Google Patents

Description

この発明は、自動車等の車両の懸架機構部に設けられる中空スタビライザに関する。

車両の懸架機構部に設けるスタビライザは、車両の幅方向に延びるトーション部（ねじり部）と、このトーション部の両端に連なるアーム部（腕部）と、これらトーション部とアーム部との間に形成された曲がり部とを有している。懸架機構部の一例では、前記トーション部がゴムブッシュ等を介して車体に支持され、アーム部がスタビライザリンクを介して懸架機構部のサスペンションアーム等に連結される。懸架機構部に組付けられたスタビライザは、車両の進路変更時等に生じる車体のローリング挙動に対して前記アーム部や曲がり部およびトーション部がばねとして機能することにより、車体のロール剛性を高めることができる。

車両の軽量化を図るために、鋼管からなる中空スタビライザが実用化されている。中空スタビライザの材料である鋼管は、一般に径方向の断面の肉厚が周方向に一定である。このような鋼管を曲げ加工機によって成形すると、前記曲がり部において、曲げ内側（曲げ中心側）では材料が圧縮されるため厚さが増加し、曲げの外側では材料が引っ張られるため厚さが減少することが知られている。

図８は従来の中空スタビライザの曲がり部１００の径方向の断面の一例を示している。

図９はこの曲がり部１００の周方向の位置と厚さとの関係を表している。従来の中空スタビライザは、一般的な鋼管（肉厚が周方向に一定）を曲げ加工しているため、曲げ内側に厚さｔ１の厚肉部１０１が形成され、曲げ外側に厚さｔ２の薄肉部１０２が形成される。厚肉部１０１と薄肉部１０２との間では、厚肉部１０１から薄肉部１０２に向かって厚さが減少し、かつ、曲げ外側の１８０°を中心として９０°から２７０°の範囲は扁平な断面形状となっている。図８に示す２点鎖線Ｑ１は、曲げ加工前の鋼管の外面（実質的に真円）を示している。このような曲がり部１００（図８）を有する従来の中空スタビライザに荷重が入力したとき、曲がり部１００の一部にアーム部やトーション部よりも大きな応力（引張りの応力）が生じることがある。

中空スタビライザの曲がり部の応力を下げるための１つの手段として、例えば特許文献１に開示されているように、曲がり部の内面を楕円形の断面とし、かつ、曲がり部の断面積をアーム部やトーション部の断面積よりも大きくすることが提案されている。

特開昭６２−２２４４２２号公報

本発明者達が鋭意研究してきた結果、図８と図９に示された肉厚分布の曲がり部を有する中空スタビライザでは、曲がり部の内面の一部に応力の高い箇所がいくつか存在し、中空スタビライザの耐久性に影響を与えていることがわかった。中空スタビライザの耐久性を向上させるには、例えば内面ショットピーニングを実施するなどして内面応力のピーク値を下げることが有効である。しかし曲げ加工された中空スタビライザに内面ショットピーニングを行なうことは技術的に簡単ではないため、内面ショットピーニングを行なわずとも曲げ部の内面応力のピーク値を下げることが望まれている。前述の特許文献１のように楕円形の内面を有する曲がり部は、断面の周方向の一部に応力のピーク値を下げる上で必ずしも有効でない箇所（肉厚が必要以上に大きい箇所）が存在するため、軽量化を図る上で十分ではなかった。

従って本発明の目的は、曲がり部の周方向の応力分布のピーク値を下げることができる中空スタビライザを提供することにある。

本発明の中空スタビライザは、車両の幅方向に延びるトーション部と、前記トーション部の両端に連なる曲がり部と、前記それぞれの曲がり部に連なるアーム部とを具備している。そして前記曲がり部の径方向の断面に関し、曲げ内側の中心を０°、曲げ外側の中心を１８０°としたとき、０°から９０°の範囲は、０°から３０°の範囲に形成された第１の薄肉部と、略３０°から６０°の範囲に形成され前記第１の薄肉部よりも厚さが大きい第１の厚肉部と、略６０°から９０°の範囲に形成され前記第１の厚肉部よりも厚さが小さい第２の薄肉部とが０°から９０°に向かって周方向に連続し、９０°から１８０°の範囲は、９０°から１５０°の範囲に形成され前記第２の薄肉部よりも厚さが大きい第２の厚肉部と、略１５０°から１８０°の範囲に形成され前記第２の厚肉部よりも厚さが小さい第３の薄肉部とが９０°から１８０°に向かって周方向に連続する断面分布である。また、１８０°から３６０°の範囲の肉厚分布は、０°と１８０°を結ぶ基準線を対称軸として前記０°から１８０°の肉厚分布と対称形であり、かつ、前記基準線と直角な９０°と２７０°とを結ぶ垂線を境に、０°を中心とする曲げ内側の肉厚分布と、１８０°を中心とする曲げ外側の肉厚分布とが互いに非対称形である。

本発明の１つの実施形態では、前記第２の薄肉部の厚さが前記第１の薄肉部の厚さより小さい。また、前記第２の厚肉部の厚さが前記第１の厚肉部の厚さより小さくてもよい。さらに前記第３の薄肉部の厚さが前記第１の薄肉部および第２の薄肉部の厚さよりも小さくてもよい。

本発明によれば、中空スタビライザの曲がり部の周方向の応力分布のピーク値を下げることができ、特に内面応力のピーク値が下がることにより、中空スタビライザの耐久性を向上させることができる。

車両の一部とスタビライザを示す斜視図。 中空スタビライザの一例を模式的に示す平面図。 図２中のＦ３−Ｆ３線に沿う中空スタビライザの曲がり部の断面図。 図３に示された曲がり部の周方向の肉厚分布を示す図。 図３に示された曲がり部の曲げ加工前の断面図。 図３に示された曲がり部の内面側の応力分布を示す図。 図３に示された曲がり部の外面側の応力分布を示す図。 従来の中空スタビライザの曲がり部の断面図。 図８に示された曲がり部の周方向の肉厚分布を示す図。

以下に本発明の１つの実施形態に係る中空スタビライザについて、図１から図７を参照して説明する。
図１は、中空スタビライザ１０を備えた車両１１の一部を示している。中空スタビライザ１０は、車両１１の懸架機構部に配置されている。この中空スタビライザ１０は、車体１２の幅方向（図１に矢印Ｗで示す方向）に延びるトーション部２０と、トーション部２０の両端に連なる一対の曲がり部２１と、それぞれの曲がり部２１に連なる一対のアーム部２２とを含み、曲げ加工機によって成形されている。中空スタビライザ１０の材料は、焼入れ等の熱処理によって強度を向上できる鋼種のばね鋼、例えば材質ＡＳＢ２５Ｎ等の鋼管１０Ａからなる。曲げ加工前の鋼管１０Ａの外径の一例は２５ｍｍである。

前記トーション部２０は、ゴムブッシュ等を備えた一対の支持部３０を介して、例えば車体１２の一部に支持されている。一対のアーム部２２は、それぞれスタビライザリンク等の接続部材３１を介して、例えば懸架機構部のサスペンションアーム（図示せず）に接続されている。この車両１１がカーブを走行する際などにアーム部２２に上向きあるいは下向きの荷重が入力すると、アーム部２２に曲げの力がかかるとともに、曲がり部２１に曲げとねじりの力がかかり、かつ、トーション部２０がねじられることにより、車体１２のローリング挙動を抑制する反発荷重が発生する。

図２は、中空スタビライザ１０を模式的に示す平面図である。中空スタビライザ１０の一例は、外径が２５ｍｍの鋼管を中心曲率半径ｒ（５０ｍｍ）で曲げたものである。トーション部２０の長さＬ１の一例は４４８ｍｍ、アーム部２２の長さＬ２の一例は２００ｍｍ、一対の支持部３０（ゴムブッシュ）間のスパンＬ３の一例が２９３ｍｍである。耐久試験（両振り試験）の際には、一方のアーム部２２が固定点Ａにて固定された状態のもとで、他方のアーム部２２の荷重点Ｂに、例えば＋２４２０Ｎと−２４２０Ｎの荷重が負荷される。

なお、図２に示す中空スタビライザ１０の曲げ形状に加えて、３次元的な曲げ形状も含めて、アーム部２２に１箇所以上の曲げ、あるいはトーション部２０に１箇所以上の曲げ（合計３箇所以上の曲げ部）を設けてもよい。また、曲がり部２１が３次元的な曲げ形状を有していてもよいなど、種々な曲げ形状を有する中空スタビライザに適用することができる。

以下に、本実施形態の曲がり部２１の周方向の肉厚分布について、図３と図４を参照して説明する。
図３は、中空スタビライザ１０の曲がり部２１において、トーション部２０と曲がり部２１との境界から角度θ１（図２に示す）の位置の径方向の断面を示している。この明細書では、図３に示された断面において、曲げ内側（曲げ中心方向）の中心を０°、曲げ外側の中心を１８０°と規定する。また、０°と１８０°を結ぶ線分Ｘ１を基準線と呼び、この基準線Ｘ１と直角をなす線分（９０°と２７０°を結ぶ線分）Ｙ１を垂線と呼ぶ。図３中の２点鎖線Ｑ２は、従来の曲がり部１００（図８に示す）の内面の輪郭を表している。図４中の実線Ｍ１は、本実施形態の曲がり部２１の周方向の肉厚分布を示している。図４中の２点鎖線Ｍ２は、曲げ加工前の断面の肉厚分布を示している。

図３と図４に示されるように、本実施形態の曲がり部２１の内面２１ａは、曲げ内側の中心０°から曲げ外側の中心１８０°に向かって、０°から略３０°の範囲に形成された第１の薄肉部４１と、略３０°から略６０°の範囲に形成された第１の厚肉部５１と、略６０°から略９０°の範囲に形成された第２の薄肉部４２と、略９０°から略１５０°の範囲に形成された第２の厚肉部５２と、略１５０°から１８０°の範囲に形成された第３の薄肉部４３とが、この順に周方向に連続する断面形状となっている。第１の厚肉部５１は、第１の薄肉部４１よりも厚さが大きい。第２の薄肉部４２は、第１の薄肉部４１と第１の厚肉部５１よりも厚さが小さい。第２の厚肉部５２は、第２の薄肉部４２よりも厚さが大きい。第３の薄肉部４３は、第２の薄肉部４２と第２の厚肉部５２よりも厚さが小さい。

一方、１８０°から３６０°までの肉厚分布は、０°と１８０°とを結ぶ基準線Ｘ１を対称軸として、０°から１８０°までの前記肉厚分布と対称形となっている。すなわち、１８０°から略２１０°の範囲に形成された第３の薄肉部４３と、略２１０°から略２７０°の範囲に形成された第２の厚肉部５２と、略２７０°から略３００°の範囲に形成された第２の薄肉部４２と、略３００°から略３３０°の範囲に形成された第１の厚肉部５１と、略３３０°から３６０°の範囲に形成された第１の薄肉部４１とが、この順に周方向に連続する断面形状となっている。

具体的な数値の一例を挙げると、曲がり部２１を中心曲率半径ｒ（５０ｍｍ）で曲げた場合に、０°の肉厚が３．９ｍｍ、６０°の肉厚が４．２ｍｍ、８５°の肉厚が３．８ｍｍ、１２０°の肉厚が４．０ｍｍ、１８０°の肉厚が３．２ｍｍである。１８０°から３６０°までの範囲の肉厚分布は、基準線Ｘ１を対称軸として、０°から１８０°までの肉厚分布と対称形である。しかもこの曲がり部２１の肉厚分布は、基準線Ｘ１と直角な垂線Ｙ１を境に、０°を中心とする９０°から２７０°の間の曲げ内側の領域と、１８０°を中心とする９０°から２７０°の間の曲げ外側の領域とが、互いに非対称形である。

第１の薄肉部４１と第１の厚肉部５１とは、急な肉厚変化を生じないように滑らかな曲面でつながっている。第１の厚肉部５１と第２の薄肉部４２も、急な肉厚変化を生じないように滑らかな曲面でつながっている。第２の薄肉部４２と第２の厚肉部５２も、急な肉厚変化を生じないように滑らかな曲面でつながっている。第２の厚肉部５２と第３の薄肉部４３も、急な肉厚変化を生じないように滑らかな曲面でつながっている。

曲がり部２１の外面２１ｂは、図８に示す従来の曲がり部１００の外面と共通の形状となっている。すなわち曲がり部２１の外面２１ｂのうち、０°を中心とする曲げ内側の９０°から２７０°の間は、実質的に真円の２分の１の円弧となっている。また、１８０°を中心とする曲げ外側の９０°から２７０°の間は、少し潰れた扁平な形状、すなわち０°と１８０°の方向が短軸、９０°と２７０°の方向が長軸となる楕円の半分に似た扁平な形状となっている。

このような肉厚分布を有する曲がり部２１は、図５に示す肉厚分布の鋼管１０Ａを曲げることによって得られる。曲げ加工前の鋼管１０Ａ（図５）の肉厚分布は、曲げ加工後の曲がり部２１の肉厚分布に対応する位置に、０°から１８０°に向かって第１の薄肉部４１ａと、第１の厚肉部５１ａと、第２の薄肉部４２ａと、第２の厚肉部５２ａと、第３の薄肉部４３ａとが、この順に周方向に連続している。１８０°から３６０°の肉厚分布は、前記基準線Ｘ１を対称軸として、０°から１８０°の前記肉厚分布と対称形となっている。

曲げ加工前の鋼管１０Ａ（図５）の数値の一例を挙げると、外径が２５．０ｍｍで周方向に一定、０°から１８０°の範囲は、０°の肉厚が３．５ｍｍ、６０°の肉厚が４．２ｍｍ、８５°の肉厚が３．９ｍｍ、１２０°の肉厚が４．３ｍｍ、１８０°の肉厚が３．６ｍｍである。１８０°から３６０°の範囲は、基準線Ｘ１を対称軸として、前記０°から１８０°までの肉厚と対称である。このような肉厚分布を有する鋼管１０Ａは、例えば鋼管１０Ａの内側に前記肉厚分布に対応した断面のプラグを挿入し、鋼管１０Ａの外側に配置されたダイスによる引き抜き加工によって得ることができる。

以上述べたように曲げ加工前の断面（図５）の肉厚分布は、曲げ加工後の断面（図３）の肉厚分布と概ね対応しているが、曲げ加工前の鋼管１０Ａの第１の薄肉部４１ａの厚さは、曲げ加工後の曲がり部２１の第１の薄肉部４１の厚さよりも小さい。また、曲げ加工前の第３の薄肉部４３ａの厚さは、曲げ加工後の第３の薄肉部４３の厚さよりも大きい。これは、曲げ加工によって曲げ外側の肉厚が減少し、かつ、曲げ内側の肉厚が増加するからである。

図８は、従来の曲がり部１００の径方向の断面を示している。図９は、従来の曲がり部１００の周方向の肉厚分布を示している。従来の曲がり部１００は、周方向に肉厚が一定の鋼管を曲げ加工しているため、曲げ内側に厚肉部１０１が形成され、曲げ外側に薄肉部１０２が形成されている。例えば外径が２５．０ｍｍで、肉厚３．９ｍｍの鋼管を中心曲率半径５０ｍｍで曲げた場合、曲がり部１００の肉厚の一例は、０°の厚肉部１０１の厚さｔ１が４．３ｍｍ、１８０°の薄肉部１０２の厚さｔ２が３．５ｍｍ、９０°と２７０°の厚さがそれぞれ３．８ｍｍである。

本実施形態の曲がり部２１（図３）の前記薄肉部４１，４２，４３は、従来の曲がり部１００（図８）の肉厚分布（２点鎖線Ｑで示す）と比較して薄くなっている。その一方で厚肉部５１，５２は、従来の肉厚分布（２点鎖線Ｑで示す）よりも厚くなっている。外面については、従来の曲がり部１００の外面と同じである。

図６は、従来の曲がり部１００を有する中空スタビライザと、本実施形態の曲がり部２１を有する中空スタビライザとの内面側の応力分布を示している。いずれも荷重点Ｂ（図２に示す）に２４２０Ｎの荷重を負荷した場合である。図６中の実線Ｍ３は本実施形態の内面応力分布、２点鎖線Ｍ４は従来品の内面応力分布である。内面の最大応力を生じる位置（図２に示す角度θ１）が５６．８°であるため、本実施形態と従来品の断面の位置θ１はいずれも５６．８°である。

図７は、外面側の応力分布を示している。図７中の実線Ｍ５は本実施形態の外面応力分布、２点鎖線Ｍ６は従来品の外面応力分布である。それぞれ最大応力値を生じる断面の応力分布を示しており、本実施形態の断面の位置θ１は４７．４°、従来品の断面の位置は４５．０°である。

従来の曲がり部１００の内面側には、図６に２点鎖線Ｍ４で示すように、周方向の途中の９０°から１５０°の間と、３００°から３３０°との間に、それぞれ応力のピークＰ１，Ｐ２が生じている。荷重点Ｂに反対方向の荷重（−２４２０Ｎ）を加えると、前記応力分布に対し、０°と１８０°とを結ぶ線（基準線Ｘ１）を対称軸として線対称の位置、すなわち２１０°から２７０°の間と、３０°から６０°の間にそれぞれ応力のピークＰ１，Ｐ２が生じる。内面側に生じる応力のピークＰ１，Ｐ２は、内面に傷等の欠陥が存在する場合に、折損の起点になることがあるために好ましくない。よって内面側のピークＰ１，Ｐ２を極力小さくすることが望まれる。

これに対し本実施形態の曲がり部２１の内面には、図６に実線Ｍ３で示されるように、９０°から１５０°の間と、２７０°から３３０°の間の応力が高いが、従来の曲がり部の応力分布（図６に２点鎖線Ｍ４で示す）と比較すると、応力のピーク値が約５０ＭＰａほど下がっている。

外面側に生じる応力については、従来の曲がり部１００の場合、図７に２点鎖線Ｍ６で示すように、周方向の途中の６０°から９０°の間と、２１０°から２４０°の間に、それぞれ応力のピークＰ３，Ｐ４が生じる。荷重点Ｂに反対方向の荷重（−２４２０Ｎ）を加えると、前記応力分布に対し、０°と１８０°とを結ぶ線（基準線Ｘ１）を対称軸として線対称の位置、すなわち２７０°から３００°の間と、１２０°から１５０°の間に、それぞれ応力のピークＰ３，Ｐ４が生じる。

これに対し本実施形態の曲がり部２１の外面には、図７に実線Ｍ５で示されるように、６０°から９０°の間と、２１０°から２４０°の間の応力が高いが、従来の曲がり部の応力分布（図７に２点鎖線Ｍ６で示す）と比較すると、応力のピーク値が約２０ＭＰａほど下がっている。

下記の表１は、本実施形態の曲がり部２１（図３）を有する中空スタビライザ１０と、従来の曲がり部１００（図８）を有する中空スタビライザとを比較したものである。

表１に示されるように、従来の曲がり部１００を有する中空スタビライザの内面最大応力値が３１３ＭＰａであったのに対し、本実施形態の曲がり部２１を有する中空スタビライザ１０の内面最大応力値は２６３ＭＰａと低下している。このことにより、本実施形態の中空スタビライザ１０の内面耐久回数は従来の１．４倍に向上した。つまり、ばね定数と質量が従来品と同じで、内面の最大応力値が低減することにより耐久回数が向上している。中空スタビライザの内面にショットピーニングを行なうことは実際には難しいが、本実施形態の中空スタビライザ１０は内面ショットピーニングを行なわずとも耐久回数が向上し、実用に十分な内面耐久回数を得ることができた。また内面に多少の傷が存在していても、破損を生じにくくすることができた。

しかも内面の最大応力値が低減されて耐久回数が向上することにより、ばね定数が同じで内径の平均値を大きくすることができるため、従来品と比較して質量を小さくしても、従来品と同等の耐久回数を得ることができる。このためばね定数等の要求仕様を満足しかつ中空スタビライザの軽量化を実現できるものである。

外面に生じる応力については、内面ほどの大きな効果はないが、従来の中空スタビライザの外面最大応力値が４５２ＭＰａであったのに対し、本実施形態の中空スタビライザ１０の外面最大応力値が４３２ＭＰａであり、２０ＭＰａほど低下したことにより、外面耐久回数が従来の１．１５倍に向上した。すなわち本実施形態の中空スタビライザ１０は、従来品と同じばね定数と同じ質量であれば、最大応力値が低下することにより耐久回数が向上するものである。

以上説明した本実施形態の曲がり部２１を有する中空スタビライザの効果は、鋼管の外径および内径の平均値等が変わっても同様の傾向が認められた。また、鋼管の種類が変わって同様の傾向が認められた。また本発明を実施するに当たり、中空スタビライザの材料である鋼管をはじめとして、トーション部とアーム部および曲がり部の具体的な形状や寸法等を種々に変更して実施できることは言うまでもない。

１０…中空スタビライザ、１０Ａ…鋼管、２０…トーション部、２１…曲がり部、２２…アーム部、４１…第１の薄肉部、４２…第２の薄肉部、４３…第３の薄肉部、５１…第１の厚肉部、５２…第２の厚肉部。

Claims (4)

1. 鋼管からなる中空スタビライザであって、
   車両の幅方向に延びるトーション部と、
   前記トーション部の両端に連なる曲がり部と、
   前記それぞれの曲がり部に連なるアーム部とを具備し、
   前記曲がり部の径方向の断面に関し、
   曲げ内側の中心を０°、曲げ外側の中心を１８０°としたとき、
   ０°から９０°の範囲は、
   ０°から３０°の範囲に形成された第１の薄肉部と、略３０°から６０°の範囲に形成され前記第１の薄肉部よりも厚さが大きい第１の厚肉部と、略６０°から９０°の範囲に形成され前記第１の厚肉部よりも厚さが小さい第２の薄肉部とが０°から９０°に向かって周方向に連続し、
   ９０°から１８０°の範囲は、
   ９０°から１５０°の範囲に形成され前記第２の薄肉部よりも厚さが大きい第２の厚肉部と、略１５０°から１８０°の範囲に形成され前記第２の厚肉部よりも厚さが小さい第３の薄肉部とが９０°から１８０°に向かって周方向に連続する断面分布であり、
   １８０°から３６０°の範囲の肉厚分布は、０°と１８０°を結ぶ基準線を対称軸として前記０°から１８０°の肉厚分布と対称形であり、かつ、
   前記基準線と直角な９０°と２７０°とを結ぶ垂線を境に、０°を中心とする曲げ内側の肉厚分布と、１８０°を中心とする曲げ外側の肉厚分布とが互いに非対称形であることを特徴とする中空スタビライザ。
2. 前記第２の薄肉部の厚さが、前記第１の薄肉部の厚さより小さいことを特徴とする請求項１に記載の中空スタビライザ。
3. 前記第２の厚肉部の厚さが、前記第１の厚肉部の厚さより小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の中空スタビライザ。
4. 前記第３の薄肉部の厚さが、前記第１の薄肉部および第２の薄肉部の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の中空スタビライザ。

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