JP7044099B2 - サスペンションアーム - Google Patents

Description

本発明は、自動車のサスペンションアームに関し、特に、疲労強度を向上させたサスペンションアームに関する。

自動車の車両を構成する部品のうち、サスペンション部品のサスペンションアームにはゴム製のブッシュが多く使用されている。通常、ゴム製のブッシュは金属製のカラーに圧入され、当該カラーはサスペンションアームのアーム本体部の先端部にアーク溶接等により接合されている。

サスペンションアームにおいては、車両走行中に路面からの荷重入力により応力が集中して疲労破壊に至る懸念がある。そのため、事前に安全率を十分に考慮したサスペンション部品の設計が行われる一方で、疲労強度を向上させる技術が適用されている。

例えば、特許文献１には、プラスチックとスチールの複合材質で製造した車両用懸架アームの剛性と強度を向上させる技術が開示されている。

また、特許文献２には、一方向に開放された開断面形状のアーム本体部を備えたサスペンションアームにおいて、荷重作用面が開断面形状の閉側のアーム本体部に一致若しくは外方に存在するようにすることで、要求強度が小さくて済み、十分なスペースを確保することができる技術が開示されている。

特開２０１９－５０６３２８号公報 特開１９９７－１２３７２２号公報

図８に一例として示すようなサスペンションアーム３においては、アーム本体部４１の先端部はブッシュ３３が圧入された金属製のブッシュ保持円筒部３１（カラー）を抱きかかえて接合するような形状に切り取られ、該切り取られた部位にブッシュ保持円筒部３１が嵌め込まれて接合されている。
このようなサスペンションアーム３のアーム本体部４１においては、車両走行中の路面からの入力によりブッシュ保持円筒部３１と接合する部位の近傍に応力が集中して疲労亀裂が発生し、疲労破壊に至る懸念がある。
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示されている技術は、このような応力集中による疲労強度の低下を考慮したものではなかった。

また、サスペンションアームの設計は、事前に安全率を十分に考慮した設計が行われているが、万が一、実証試験した時に破壊などの不具合が生じた場合には対策が必要となる。
この場合の対策としては、き裂発生位置にパッチを追加する、サスペンションアームに用いる部材の板厚や材質を変更する措置や、暫定的なものとして後処理等などの措置がとられる。

しかしながら、これらの措置は、部品追加や材質変更・板厚変更、あるいは後処理を要するものであるため、コストや時間を要するものであり、必ずしも十分な疲労強度の向上が得られるものではない。そのため、部品追加や材質変更・板厚変更を行わずコストや時間を要せずに、応力集中を低減し疲労強度を向上することができる技術が望まれていた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、アーム本体部とカラーとが接続する部位の近傍における応力集中を低減して疲労強度を向上させることができるサスペンションアームを提供することを目的とする。

（１）本発明に係るサスペンションアームは、互いに離間して対向する一対の面部と該一対の面部の両側端を接続する側壁部とを備えた中空のアーム本体部と、円筒形状をなして内部にブッシュが保持され、外周面が前記アーム本体部の軸線方向における先端部に接合されたブッシュ保持円筒部と、を備えたものであって、前記アーム本体部の前記先端部は、前記ブッシュ保持円筒部の外周面に沿って前記一対の面部が円弧状に窪んで該ブッシュ保持円筒部を保持する一対の腕部を有し、該腕部の先端は、前記軸線方向において前記ブッシュ保持円筒部の中心又は該中心よりも延出する位置にあり、前記アーム本体部の前記先端部における前記面部は、前記軸線方向に直交する断面において側端側が段差状に凹んだ段差部を有し、該段差部は、前記アーム本体部の軸線方向において、前記腕部の先端から少なくとも前記腕部の円弧状の窪みの最内縁の位置までを含み、該最内縁から前記軸線方向における前記ブッシュ保持円筒部の半径分の距離の位置までの範囲内に設定されていることを特徴とするものである。

本発明においては、アーム本体部の先端部における面部に、軸線方向に直交する断面において側端側が段差状に凹んだ段差部を有し、該段差部は、前記アーム本体部の軸線方向において、腕部の先端から少なくとも該腕部の円弧状の窪みの最内縁の位置までを含み、該最内縁から前記軸線方向におけるブッシュ保持円筒部の半径分の距離の位置までの範囲内に設定されていることにより、前記アーム本体部における前記ブッシュ保持円筒部との接合部位の近傍における応力集中を緩和し、疲労強度を向上することができる。

本発明の実施の形態に係るサスペンションアームの構成を示す概略図である（（ａ）平面図、（ｂ）Ａ－Ａ矢視断面図）。 実施例において、サスペンションアームをモデル化して解析対象としたサスペンションアームモデルを説明する図である（（ａ）斜視図、（ｂ）平面図）。 実施例において、解析対象としたサスペンションアームモデルにおける段差部を説明する図である。（（ａ）従来例、（ｂ）発明例）。 実施例において、荷重条件を示す図である。 実施例において、剛性解析により求めた応力分布を示す図である（（ａ）従来例、（ｂ）発明例１、（ｃ）発明例２）。 実施例において、剛性解析により得られたサスペンションアームモデルの変形状態の解析結果である（従来例）。 実施例において、剛性解析により得られたサスペンションアームモデルの変形状態の解析結果である（発明例２）。 従来のサスペンションアームの構成を示す概略図である（（ａ）平面図、（ｂ）Ａ－Ａ矢視断面図）。

本発明の実施の形態に係るサスペンションアーム１は、図１に一例として示すように、互いに離間して対向する一対の面部１３と、一対の面部１３の側端を接続する側壁部１５とを備えた中空のアーム本体部１１と、アーム本体部１１の先端部に接合されたブッシュ保持円筒部３１と、を備えたものである。以下、各構成について具体的に説明する。
なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化している。

＜アーム本体部＞
アーム本体部１１は、図１（ｂ）に示すように、面部１３ａとその両側端から連続する側壁部１５ａを有してなる断面コ字状の部材１１ａと、面部１３ｂとその両側端から連続する側壁部１５ｂを有してなる断面コ字状の部材１１ｂの開口側を向かい合わせて側壁部１５ａと側壁部１５ｂとが溶接ビード１５ｃにより溶接接合され、中空の閉断面に形成されたものである。

アーム本体部１１の軸線方向における先端部は、面部１３ａ及び面部１３ｂのそれぞれがブッシュ保持円筒部３１の外周面に沿うように軸線方向における基端側に向かって円弧状に窪んでブッシュ保持円筒部３１を保持する一対の腕部１７を有する。

そして、腕部１７の先端１７ａは、軸線方向においてブッシュ保持円筒部３１の中心Ｏ又は中心Ｏよりも延出する位置にある（図１（ａ）参照）。

アーム本体部１１の先端部における面部１３は、軸線方向に直交する断面において側端側が内方に段差状に凹んだ段差部１９を有している。
段差部１９は、アーム本体部１１の軸線方向において、腕部１７の先端１７ａから円弧状の窪みの最内縁１７ｂまでの範囲を含み、最内縁１７ｂからブッシュ保持円筒部３１の半径ｒ分の距離の位置までの範囲（図１（ａ）中の最大段差設定範囲）内に設定されている。

＜ブッシュ保持円筒部＞
ブッシュ保持円筒部３１は、円筒形状をなしてその内部にブッシュ３３が保持され、外周面がアーム本体部１１の先端部に設けられた一対の腕部１７に保持されたものである。さらに、ブッシュ保持円筒部３１の内部には、円筒形状の内筒部３５が同軸で配設されており、ブッシュ３３は、ブッシュ保持円筒部３１と内筒部３５との間隙に圧入されている。
なお、ブッシュ保持円筒部３１は、金属製の円筒部材を用いることができ、アーム本体部１１の先端部である腕部１７と溶接接合されることにより保持される。そして、ブッシュ保持円筒部３１と腕部１７との接合部位には溶接ビード３７が形成される。

本実施の形態１に係るサスペンションアーム１において、疲労強度が向上する理由は以下のとおりである。

図８に例示するような従来のサスペンションアーム３においては、前述のとおり、アーム本体部４１の先端部に接合されたブッシュ保持円筒部３１を介して荷重が入力する場合、ブッシュ保持円筒部３１との接合部位である溶接ビード３７の近傍に応力集中が生じ、当該応力集中により疲労強度が低下するという問題があった。

これに対して、本実施の形態１に係るサスペンションアーム１においては、前述した図１に示すように、ブッシュ保持円筒部３１が接合されているアーム本体部１１の先端部には、軸線方向に直交する閉断面にて面部１３の側端側が内方に凹むように形成された段差部１９が設けられている。

このような段差部１９がアーム本体部１１における面部１３に軸線方向に沿って形成されることで、アーム本体部１１の先端部における剛性が向上する。そのため、ブッシュ保持円筒部３１を介してアーム本体部１１に作用する荷重が基端側に分散して伝達されるようになり、アーム本体部１１における腕部１７とブッシュ保持円筒部３１との接合部位である溶接ビード３７を含むその周囲に生じる応力集中を緩和することができる。

さらに、本実施の形態１に係るサスペンションアーム１の段差部１９は、応力が集中しやすい形状になっている。そのため、ブッシュ保持円筒部３１を介して荷重が作用した際、ブッシュ保持円筒部３１との接合部位である溶接ビード３７の近傍だけに応力集中するのではなく段差部１９にも応力が分散されることで応力のピーク値を低減できる。その結果、疲労強度の低下を抑制するという効果が得られる。

以上のように、本実施の形態１に係るサスペンションアーム１によれば、部品の追加や材質の変更、板厚の変更を要せずに、車両の走行中に路面からの入力によりブッシュ保持円筒部３１を介してアーム本体部１１に荷重が作用した際に応力集中を緩和し、疲労強度を向上することができる。

なお、アーム本体部１１の先端部における面部１３に形成された段差部１９による剛性の向上と応力集中の緩和については、後述する実施例において実証されている。

また、本実施の形態１に係るサスペンションアーム１は、対向する２つの面部１３ａ及び面部１３ｂの双方に段差部１９ａ及び段差部１９ｂが形成されたものである。これにより、ブッシュ保持円筒部３１を介して入力する荷重の向きが変わった場合においても、応力集中による疲労強度の低下を抑制することができる。サスペンションアーム１に加わる荷重は、車両の重量からの荷重だけでなく、走行中に路面の段差から加わる逆方向の荷重もある。これら双方向の荷重による溶接ビード３７近傍に加わる応力集中を緩和できるわけである。

また、段差部１９は、例えば、断面コ字状の部材１１ａ及び部材１１ｂをプレス成形する際に形成することができるが、段差部１９を形成する範囲が長くなると、その形成に要するプレス成形荷重が増加して好ましくない場合がある。さらに、段差部１９を長くしすぎても、応力集中を緩和する効果に差異が見られなくなる。そこで、段差部１９は、前述のとおり、少なくとも腕部１７における面部１３の先端１７ａから円弧状の縁部の最内縁１７ｂまでを含み、最内縁１７ｂからブッシュ保持円筒部３１の直径r分の距離にある位置Ｐまでの範囲内に形成されているものとする。

ここで、段差部の段差深さｈ（図１（ｂ）参照）は、面部１３の板厚以上であることが望ましい。
また、本発明は、段差部１９ａにより内方に凹んだ段差面部２１ａと段差部１９ｂにより内方に凹んだ段差面部２１ｂとが当接するものを含むものではなく、段差面部２１ａと段差面部２１ｂとの隙間ｓ（図１（ｂ）参照）が、面部１３（１３ａ、１３ｂ）の板厚の2倍以上であるものが好ましい。

なお、上記の説明では、図１においてアーム本体部１１の腕部１７の先端１７ａは、軸線方向においてブッシュ保持円筒部３１の中心Ｏよりも延出する位置にあるものであったが、本発明は、アーム本体部の腕部の先端が、軸線方向においてブッシュ保持円筒部の中心に位置にするものであってもよい。この場合において、アーム本体部の先端部に形成する段差部は、少なくとも、腕部における面部の先端から円弧状の窪みの最内縁までを含み、該最内縁から軸方向におけるブッシュ保持円筒部の半径分の距離の位置までの範囲に設定することができる。

本発明の作用効果について確認するための数値実験を行ったので、これについて以下に説明する。
本実施例では、サスペンションアーム１（図１参照）を図２に示すようにモデル化したサスペンションアームモデル５１を解析対象としてＦＥＭ（有限要素法）による応力解析を行い、サスペンションアームモデル５１に発生した最大主応力に基づいて疲労強度を評価した。

サスペンションアームモデル５１は、互いに離間して対向する２つの面部５５と、面部５５の両側端が接続する側壁部５７とを備えた中空のアーム本体部５３と、円筒形状をなして外周面がアーム本体部の先端部に接合されたブッシュ保持円筒部５９と、からなる。

アーム本体部５３の先端部は、ブッシュ保持円筒部５９の外周面に沿って面部５５が円弧状に窪んでブッシュ保持円筒部５９を保持する一対の腕部６１を有する。そして、腕部６１の先端６１ａは、軸線方向においてブッシュ保持円筒部５９の中心Ｏの位置にある（図２（ｂ））。

さらに、アーム本体部５３の先端部における面部５５は、軸線方向に直交する断面において側端側が段差状に凹んだ段差部６３を有する。
段差部６３は、アーム本体部５３の軸線方向において、腕部６１の先端６１ａから腕部６１の円弧状の窪みの最内縁６１ｂまで設定されている。

応力解析において、サスペンションアームモデル５１の材料パラメータとして、アーム本体部５３及びブッシュ保持円筒部５９の材料はいずれも板厚2.5mmの熱延鋼板として設定した。

本実施例では、図３（ｂ）に示すように、段差部６３を有するサスペンションアームモデル５１を発明例とした。そして、サスペンションアームモデル５１における段差部６３の段差深さhを2mm、5mmに変更して応力解析を行い、段差深さの影響について調査した。
また、比較対象として、段差部が設けられていないサスペンションアームモデル７１（図３（ａ）参照）を従来例とし、発明例と同様に応力解析を行った。

図４に、従来例に係るサスペンションアームモデル７１を解析対象とした応力解析における荷重拘束条件を示す。なお、発明例に係るサスペンションアームモデル５１についても、図４と同様に荷重拘束条件を与えた。

本実施例における応力解析では、荷重拘束条件として、サスペンションアームモデル５１（又はサスペンションアームモデル７１）の軸線方向における基端部（ブッシュ保持円筒部５９と反対側の端部）を完全拘束とし、ブッシュ保持円筒部５９の荷重・モーメント負荷点Ｑ（図４参照）に荷重又はモーメントを負荷した。

荷重又はモーメントを負荷する方向は、図４に示すように、ブッシュ保持円筒部５９の軸方向（z方向）とした。そして、ブッシュ保持円筒部５９の軸方向に負荷する荷重Fzは100Nとした。

なお、本実施例で解析対象としたサスペンションアームモデル５１及び７１は、ブッシュ保持円筒部５９の内部にブッシュが保持されておらず、ブッシュ保持円筒部５９の内部における中心に、入力条件として荷重又はモーメントを負荷する荷重・モーメント負荷点Ｑが設定され、荷重・モーメント負荷点Ｑとブッシュ保持円筒部の両端面とを剛体要素で結合するようにモデル化されたものである。

このように、本実施例での応力解析ではブッシュを考慮していないために、実際のサスペンションアームにおいてブッシュ保持円筒部に入力した荷重のうちブッシュの変形に要した分が考慮されていない。もっとも、段差深さの違いによるアーム本体部に伝達する荷重の傾向も同様である。そのため、本実施例での応力解析により、段差深さの違いによる応力集中の緩和の大小を評価することができる。

図５に、応力解析においてブッシュ保持円筒部５９の軸方向に荷重Fzを負荷したときの応力分布の解析結果を示す。図５（ａ）は従来例、図５（ｂ）は発明例１（段差深さ2mm）、図５（ｃ）は発明例２（段差深さ5mm）である。

図５より、従来例と発明例１及び発明例２のいずれにおいても、アーム本体部７３又は５３におけるブッシュ保持円筒部５９が接合されている部位の近傍の最大主応力の値が高く、応力集中が生じていることが分かる。そして、従来例（図５（ａ））に比べると、発明例（図５（ｂ）及び（ｃ））の方が、最大主応力の値が低くなっている。さらに、発明例１と発明例２とを比較すると、段差部６３の段差深さを大きくした発明例２の方が最大主応力は低下している。このことから、アーム本体部５３に段差部６３を設けることで応力集中を緩和することができることが分かる。

図６に、従来例に係るサスペンションアームモデル７１において、ブッシュ保持円筒部５９の軸方向に荷重を負荷(Fz＝100N)したときの変形の様子を、図７に、発明例２に係るサスペンションアームモデル５１（段差深さh＝5mm）において、ブッシュ保持円筒部５９の軸方向に荷重を負荷(Fz＝100N)したときの変形の様子を示す。なお、図６及び図７に示す結果は、いずれも変位を5000倍拡大して表示したものである。

図６及び図７に示す変形を比較すると、従来例に係るサスペンションアームモデル７１のアーム本体部７３の変形に比べて、発明例２に係るサスペンションアームモデル５１のアーム本体部５３の変形が抑えられていることが分かる。このことは、アーム本体部５３の先端部に段差部６３を設けることによりアーム本体部５３の剛性が向上したことを示すものである。

このように、図５～図７に示した結果から、アーム本体部５３の先端部に段差部６３を設けることにより剛性が向上し、ブッシュ保持円筒部５９を介して荷重が負荷したときの変形が抑えられ、ブッシュ保持円筒部５９との接合部位における応力集中が低減したと考えられる。

以上、本発明に係るサスペンションアームによれば、該アーム本体部の先端部に荷重が作用した際の最大応力を低下させて応力集中を緩和できることが実証された。そして、このことから、本発明に係るサスペンションアームにおいては、応力集中が緩和し、疲労強度を向上できることが示唆された。

１ サスペンションアーム（発明例）
３ サスペンションアーム（従来例）
１１ アーム本体部
１３、１３ａ、１３ｂ 面部
１５、１５ａ、１５ｂ 側壁部
１７ 腕部
１７ａ 先端
１９、１９ａ、１９ｂ 段差部
２１、２１ａ、２１ｂ 段差面部
３１ ブッシュ保持円筒部
３３ ブッシュ
３５ 内筒部
４１ アーム本体部
４３、４３ａ、４３ｂ 面部
４５、４５ａ、４５ｂ 側壁部
４７ 腕部
４７ａ 先端
５１ サスペンションアームモデル（発明例）
５３ アーム本体部
５５ 面部
５７ 側壁部
５９ ブッシュ保持円筒部
６１ 腕部
６３ 段差部
６５ 段差面部
７１ サスペンションアームモデル（従来例）
７３ アーム本体部
７５ 面部
７７ 側壁部

Claims (1)

1. 互いに離間して対向する一対の面部と該一対の面部の両側端を接続する側壁部とを備えた中空のアーム本体部と、円筒形状をなして内部にブッシュが保持され、外周面が前記アーム本体部の軸線方向における先端部に接合されたブッシュ保持円筒部と、を備えたサスペンションアームであって、
   前記アーム本体部の前記先端部は、前記ブッシュ保持円筒部の外周面に沿って前記一対の面部が円弧状に窪んで該ブッシュ保持円筒部を保持する一対の腕部を有し、
   該腕部の先端は、前記軸線方向において前記ブッシュ保持円筒部の中心又は該中心よりも延出する位置にあり、
   前記アーム本体部の前記先端部における前記面部は、前記軸線方向に直交する断面において側端側が段差状に凹んだ段差部を有し、
   該段差部は、前記アーム本体部の軸線方向において、前記腕部の先端から少なくとも前記腕部の円弧状の窪みの最内縁の位置までを含み、該最内縁から前記軸線方向における前記ブッシュ保持円筒部の半径分の距離の位置までの範囲内に設定されていることを特徴とするサスペンションアーム。

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