JP6395043B2 - トーションビーム式サスペンション - Google Patents
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Description
また、自動車の燃費向上のために更なる軽量化を実現すべく、自動車部品の材料を鉄製から軽金属合金製に置換することが行われており、足回り部品であるトーションビーム式サスペンションにも軽金属合金化が進められている。
また、特許文献2には、内側に配置するトーションビームが外側に配置するトレリングアームに挿入され、トーションビームの外周部とトレリングアームの内周部とが重ね溶接されている溶接部と、トーションビームの外周部とトレリングアームの端部とが該トーションビームの中心軸に対して所定の角度で傾斜された状態で重ね接合されている傾斜溶接部とを有するトーションビーム式サスペンションが開示されている。
そのため、トーションビームとトレリングアームとの接合体であるトーションビーム式サスペンションには、車輪などと連結されているトレリングアームから、横荷重、前後荷重及び上下荷重並びにねじり荷重(以下、単に荷重という)が繰返し入力されることとなる。
また、本願発明者らの研究により、部材同士の場合、特に鉄と軽金属合金などの異種材料同士の接合においては顕著に、さらに、フラックスコワードワイヤー(FCW)などのロウ付けにおいても顕著に、剥離強さがせん断強さに対して大幅に低くなることが分かった。このような剥離強さを向上させるためには、接合強度自体を向上させる必要があり、接合強度向上の具体的な方法としては、部材同士の接合長を長くすることなどが挙げられる。
i)トーションビームとトレリングアームとの接合部に荷重が入力されると、特にねじり荷重の場合には顕著に、接合部に応力が集中する。そのため、特許文献1または2の構成でも、トーションビームとトレリングアームとが接合部において剥離する可能性を有しているので、接合部の接合強度を高める必要がある。
特許文献1または2の構成では、トーションビームとトレリングアームとを接合する接合長を長くするには限界がある。そのため、当該接合部に生じる応力の低減にも限界がある。したがって、剥離荷重により接合部が破損するおそれがある。
しかも、特許文献1の方法により、トーションビームとトレリングアームとの接合強度を高めるためには、トーションビーム及びトレリングアームの重ね長さを大幅に増大させることが考えられる。しかし、トーションビームの形状は、周辺部品との配置関係などの理由で変えることができず、トレリングアームを長くすることになるので、トレリングアームの重量が増加してしまう。その結果、トーションビーム式サスペンションの重量増加を招いてしまうという問題があった。
また、特許文献2の構成では、トーションビームに上下荷重が加わり接合部に曲げ荷重が作用すると、接合部を剥がす方向に剥離荷重が加わることになる。特許文献2の構成は、剥離荷重に対して弱い構造であると考えられるため、接合強度を向上させる必要がある。特許文献2の方法により、トーションビームとトレリングアームとの接合強度を高めるためには、傾斜溶接部の所定の角度を小さくして、当該傾斜溶接部の接合長を長くすることが考えられる。しかし、傾斜溶接部の接合長を長くすると、トレリングアームの車両上側の部位を車両内側へ延ばす必要がある。上述したように、トーションビームの形状は、周辺部品との配置関係などの理由で変えることができず、トレリングアームの長さを大きくことになるので、トレリングアームの重量が増加してしまう。
その結果、特許文献1または2の構成は共に、トーションビームとトレリングアームとの接合強度を高めると、トーションビーム式サスペンションの大幅な重量増加を招いてしまうという問題があった。
iii)さらに、特許文献2の方法は、トーションビームがトレリングアームに挿入されて接合される構造であることから、トーションビームの端部はトレリングアームの内側に入っている。そのため、トレリングアームの内側に挿入されたトーションビームの端部には溶接トーチが届かず、トレリングアームの内側に位置するトーションビームとトレリングアームとが重なる部位を溶接できない。その結果、トレリングアームに荷重が入力された場合、トーションビームとトレリングアームとの接合部が剥離するおそれがあった。また、トーションビームが回転方向及び車両幅方向へ移動するのを阻止する固定を行うことができないので、トーションビームとトレリングアームとの組付け作業時において、トーションビームとトレリングアームとの位置決めが困難であり、作業性に問題を有していた。しかも、特許文献2の方法では、トレリングアームの板厚分の段差がトーションビームとトレリングアームとの接合部に生じる構造となっているので、接合部である段差部分に応力集中が発生するおそれがある。
また、特許文献2の方法では、材質が異なるトーションビームとトレリングアームとが接触しているので、トーションビームの内周部などか水などの腐食物質が侵入すると、異種金属接触腐食が発生することになり、トーションビーム式サスペンションが破損するおそれがある。
さらに、特許文献2の構成では、特にリベットなどの重量物による接合方法を適用した場合、重なる部分における接合の点数が増えることなり、重量が増加するという問題があった。
傾斜する角部もしくは端部の接合は、ろう付け溶接や摩擦撹拌接合(FSW)、ミグ溶接(MIG溶接)やレーザ溶接等によって行うことができる。特に、ろう付け溶接や摩擦撹拌接合によって傾斜する角部もしくは端部を接合すると、コストや作業性の面で有利である他に、例えば、トーションビームが鉄製であり、トレリングアームが軽金属合金製などであるような、異種材料同士を接合する場合でも接合できるため、好ましい。また、このような接合方法を用いることにより、トーションビームとトレリングアームとの接合に接着剤を使用する場合のように、経時変化に起因する接合部の接合強度の低下を生じることが無い。しかも、接着剤の硬化などの時間が掛かる工程が無く、作業時間の短縮により接合コストが安価で、コストダウンを図ることができる。
また、本願発明者らの研究により、トーションビームとトレリングアームとの接合部においては、荷重が入力されると(特にねじり荷重の場合には顕著に)、車両上下方向の中央近傍の所定の高さにおいて応力が低くなる部位と、車両上下方向の上側及び下側の応力が高くなる部位が存在することが分かった。なお、所定の高さは、部品形状や材質などによって異なる。
そのため、車両上下方向の所定の高さにおいて応力が低くなる部位に略平行な角部もしくは端部(以下、平行部という場合がある)を配置することにより、応力の低い部位で接合長を長く稼ぐことが可能となる。これにより、荷重が入力されても(特にねじり荷重の場合には顕著に)、トーションビームとトレリングアームとの接合部が荷重の影響を受けることは殆ど無くなり、接合強度を向上させることができる。その結果、トーションビームの形状を変えることができなくても、トレリングアームにおけるトーションビームの車両下側の部位を平行部の分だけ車両内側へ延ばすのみで対応できる。したがって、本発明の構成によれば、接合強度、特に剥離強さを向上させつつ、トーションビーム式サスペンションの重量を確実に低減させることができる。特に、トーションビームが鉄製で、トレリングアームが軽金属合金製などであるような異種材料同士を接合する場合において、顕著に上記効果を得ることができる。
しかも、組付け作業の際に、平行部によってトーションビームが回転方向へ移動するのを阻止し、固定することが可能となるため、トーションビームとトレリングアームとの組付け作業時に、トーションビームとトレリングアームとを容易に位置決めすることができ、作業性の向上を図ることができる。
図1〜図11は本発明の実施形態に係るトーションビーム式サスペンションを示すものである。なお、図2において、矢印Iは車両内側方向、矢印Rは車両後方、矢印Uは車両上方をそれぞれ示している。また、図3において、矢印F1はタイヤ接地点Gの上下荷重、矢印F2はタイヤ接地点Gの前後荷重、矢印F3はタイヤ接地点Gの横荷重の方向をそれぞれ示している。さらに、図7における鎖線Cはクランク形状の部分を示し、図10における鎖線Sは水平部分を示している。
本実施形態のトーションビーム式サスペンション2は、図2〜図4に示すように、車両幅方向に延在して配置される長尺のトーションビーム5と、該トーションビーム5の左右両端部にそれぞれ連結される左右一対のトレリングアーム6を備えている。トレリングアーム6には、スプリング7及びショックアブソーバ8が取付けられ、車体4に懸架されている。
本実施形態のトレリングアーム6は、図2〜図5に示すように、軽金属合金など非鉄合金を用いたアルミニウム合金製のものであり、中空構造の閉断面形状に形成されている。このトレリングアーム6は、車両幅方向へ延びるビーム接合部6aを一端に有し、該ビーム接合部6aの他端側には車両前後方向へ延びる前側アーム部6bと後側アーム部6cが設けられている。
このアーム接合部5aは、図2〜図4及び図6〜図9に示すように、車両前後方向の前側及び後側の少なくとも一方(本実施形態では両方)で車両上下方向の所定の高さに、車両幅方向に略平行な角部(もしくは端部)50を少なくとも一部に有しており、トーションビーム5とトレリングアーム6とは、略平行な角部50において少なくとも一部が突き合わされて配置され、互いに接合されるようになっている。そして、少なくとも、略平行な角部50よりもトーションビーム5の車両下側(本実施形態では車両下側及び車両上側)の領域には、トーションビーム5とトレリングアーム6とが重なる部分51を有し、該重なる部分51においては、上述したトレリングアーム6と同様、トーションビーム5の車両下側が開口している。これにより、内周側におけるトーションビーム5とトレリングアーム6との重なる部分51,61に溶接トーチなどの接合用機器が届くようになり、内周側におけるトーションビーム5とトレリングアーム6とが接合され、トレリングアーム6に荷重が入力されたとしても、トーションビーム5とトレリングアーム6とのアーム接合部5a及びビーム接合部6aにおいて剥離が生じないようにしている。
ここで、トレリングアーム6及びトーションビーム5の略平行な角部60,50において「略平行」とは、車両上下方向に若干の凹凸形状を有していても良いという意味であり、車両上下方向への凹凸形状を有している場合には、突き合わせた角部60,50の噛み合わせ効果が得られ、トレリングアーム6とトーションビーム5との位置ズレが発生しにくくなる。また、「トーションビーム5の車両下側もしくは車両上側へ向かって」には、第1の角部53a及び第2の角部53bが最終的にトーションビーム5の車両下側もしくは車両上側へ向かえば良く、途中で一部分が反対側へ向かっていることも含んでいる。
また、トーションビーム5とトレリングアーム6とは、ろう付けまたは摩擦撹拌接合(FSW)によって線接合されており、重なる部分51,61の外周囲には、線接合のビード接合部W1が形成されている。しかも、トーションビーム5とトレリングアーム6とは、重なる部分51,61の内側でセルフピアシングリベットまたは摩擦撹拌点接合(FSSW)によって点接合されており、重なる部分51,61には、複数個の点接合部W2(W2a,W2b)が設けられている。なお、点接合は、リベット、摩擦撹拌点接合(FSSW)によって行うのがコストや作業性の観点から好ましい。ただし、ボルト締め、かしめ(TOX)接合、スポット溶接、摩擦撹拌接合(FSW)、MIG接合、レーザ溶接等の既知の接合方法を使用して接合しても良い。
そのため、本実施形態のトーションビーム式サスペンション2では、ろう付けとセルフピアシングリベットという2種類の接合方法が組み合わせられることになり、トーションビーム5とトレリングアーム6との接合に時間が掛かる接着剤を使用する場合と比べて、作業時間が短縮されるようになっている。また、トレリングアーム6に荷重の入力があった場合、重なる部分51,61の点接合部W2により入力された荷重が分散され、線接合が行われたビード接合部W1への剥離荷重が抑制されることとなり、高い剥離強さが得られるようになっている。さらに、応力の高い車両上下方向の下側に設ける点接合部W2の点数を多く、応力の低い車両上下方向の上側に設ける点接合部W2の点数を減らすことで、必要な接合強度を確保しながら重なる部分51,61の面積が減らせ、重量の増加が抑えられるようになっている。
その理由として、トーションビーム5及びトレリングアーム6の重なる部分51,61に点接合を行うと、トーションビーム5及びトレリングアーム6の端部に反りが生じ、重なる部分51,61に大きな隙間が形成される可能性がある。このような大きな隙間をトーションビーム5及びトレリングアーム6の端部への溶接によって埋めようとすると、溶接時の入熱を大きくして溶接後に形成されるビードの幅を広くする必要がある。しかしながら、溶接時の入熱を大きくすると、溶接ビードとトーションビーム5又はトレリングアーム6との間に金属間生成物が厚く生成されることになり、接合強度を低下させるおそれがあるからである。
面A1と面A2は、ビーム軸Bに対して車両外側に傾けて配置されており、互いに平行であること、及び傾斜角θ1,θ2が同じであることは必要でない。ビーム軸Bと面A1との傾斜角θ1は、45°<θ1≦90°とし、アーム接合部5a及びビーム接合部6aへの応力集中を効果的に抑制するようになっている。傾斜角θ1を45°以下に設定すると、アーム接合部5aの断面の両端部が鋭利な形状となり、アーム接合部5aに応力集中が生じる可能性がある。また、ビーム軸Bと面A2との傾斜角θ2は、0°<θ2≦90°とし、アーム接合部5a及びビーム接合部6aへの応力集中を効果的に抑制するようになっている。
しかも、図11に示すように、ビーム軸Bの面で切断するトーションビーム5の略平行な角部50の水平部分の高さH2は、トーションビーム5の断面の高さH1の1/3の高さH3からトーションビーム5の断面R部の終端(ビーム外側)D2の範囲内に設定されている。D1はトーションビーム5の断面R部の終端(ビーム内側)を示している。この範囲内は、トーションビーム5に生じる応力が低いことから、略平行な角部50の水平部分の位置を当該高さH2に配置することにより、応力の低い部分で溶接長さを長くすることが可能となり、トーションビーム5の全体に生じる応力の低下と、トーションビーム式サスペンション2の耐久性能向上が図れることになる。
本実施形態のトーションビーム式サスペンション2は、車両幅方向に延在して配置されるトーションビーム5の左右両端部に、トレリングアーム6がそれぞれ接合されるものであり、トーションビーム5及びトレリングアーム6は、トーションビーム5及びトレリングアーム6の車両前後方向の前側及び後側に、トーションビーム5の車両下側が車両上側よりも車両内側に位置するように傾斜している角部53a,53b,63a、63bを有し、トーションビーム5及びトレリングアーム6は、それぞれの傾斜する角部53a,53b,63a、63bにおいて、少なくとも一部が接合されているので、トーションビーム5のビーム軸Bよりも車両上側のトーションビーム5とトレリングアーム6とのアーム接合部5a及びビーム接合部6aに加わる車両上下荷重等を剥離荷重ではなく、図7の矢印Fで示すような圧縮荷重にすることができ、トーションビーム5とトレリングアーム6との接合強度を向上させることができる。したがって、本実施形態のトーションビーム式サスペンション2では、トーションビーム5及びトレリングアーム6の接合範囲や接合箇所を低減させることが可能になるので、トーションビーム5とトレリングアーム6とが重なる部分51,61の面積を小さくし、重量増大を抑えることができる。しかも、本実施形態のトーションビーム式サスペンション2における第1の角部53a,63a及び第2の角部53b,63bは、トーションビーム5の車両下側が車両上側よりも車両内側に位置するように、所定の傾斜角θ1,θ2で傾斜しているので、ビード接合部W1に生じる応力集中を効果的に抑制することができ、トーションビーム5のアーム接合部5a及びトレリングアーム6のビーム接合部6aの耐久性性能を高めることができる。
さらに、本実施形態のトーションビーム式サスペンション2は、トーションビーム5の略平行な角部50とトレリングアーム6の略平行な角部60が突き合わされているので、ねじり荷重や曲げ荷重などが入力された場合でも、当該突き合わせ部においてトーションビーム5とトレリングアーム6とが車両上下方向で互いに押し合う作用を奏することになり、トーションビーム5及びトレリングアーム6のアーム接合部5a及びビーム接合部6aに破損の原因となる応力集中を無くし、図3の矢印F1,F2,F3等の方向へトレリングアーム6から荷重が入力されても、アーム接合部5a及びビーム接合部6aにおける破損を効果的に抑制することができる。
しかも、本実施形態のトーションビーム式サスペンション2におけるトーションビーム5及びトレリングアーム6の車両前後方向の前側及び後側は、略平行な角部50,60の端から車両上下方向に延在する、傾斜する第1の角部53a,63aと第2の角部53b,63bを有しているので、トーションビーム5とトレリングアーム6との組付け作業時に、トーションビーム5の略平行な角部50,60あるいは傾斜する第1の角部53a,63a及び第2の角部53b,63bの係合作用により固定することが可能となり、トーションビーム5とトレリングアーム6とを容易に位置決めすることができ、接合強度及び組付け作業性の向上を図ることができる。
さらに、本実施形態のトーションビーム式サスペンション2では、トーションビーム5とトレリングアーム6とが重なる部分51,61の内側で接合されているので、重なる部分51,61の内側において点接合(例えば、リベット接合)を行うことにより、トーションビーム5とトレリングアーム6との突き合わせ部における線接合(例えば、ろう付け、摩擦撹拌接合)とが併用された接合構造を得ることができる。そのため、トレリングアーム6に荷重の入力があった場合、点接合部W2a,W2bにより入力された荷重を分散させることが可能となり、線接合が行われたビード接合部W1への剥離荷重を抑制でき、高い接合強度、特に高い剥離強さを得ることができるとともに、重なる部分51,61の低減によりトーションビーム式サスペンション2の軽量化を実現することができる。
また、本実施形態のトーションビーム式サスペンション2におけるトーションビーム5及びトレリングアーム6は、重なる部分51,61において第2点接合部W2bよりも車両下側が線接合部W3がビーム軸Bの方向に沿って設けられているので、トーションビーム5及びトレリングアーム6の端部を密着させ、溶接時の入熱を小さくして金属間化合物の生成を抑制でき、接合強度をさらに向上させることができるとともに、当該端部が擦れ合うことによる異音の発生を低減できる。
また、既述の実施の形態において、トレリングアーム6のトーションビーム5への接合側端部であるビーム接合部6aの段差部62には、クランク形状の略平行な角部60及び傾斜する角部63a,63bが車両前後方向の前側及び後側の両方に設けられているが、前側もしくは後側の片側だけにクランク形状の略平行な角部60及び傾斜する角部63a,63bが設けられていても同様の効果を奏することが可能である。
さらに、既述の実施の形態では、図9に示すように、トーションビーム5のアーム接合部5aがトレリングアーム6のビーム接合部6aの上に重ねて略平坦に接合されているが、トレリングアーム6のビーム接合部6aがトーションビーム5のアーム接合部5aの上に重ねて略平坦に接合されても良い。あるいは、トーションビーム5のアーム接合部5aとトレリングアーム6のビーム接合部6aとが段差のある構造で重ねて接合されても良い。
さらに、トレリングアーム6の材質は、アルミニウム合金だけでなく、トーションビーム5の材質と異なる材料、例えば、マグネシウム合金等であっても同様の接合構造を適用することが可能である。また、トーションビーム5の材質は、鋼ではなく非鉄合金であっても良い。
2 トーションビーム式サスペンション
3 車輪
4 車体
5 トーションビーム
5a アーム接合部
6 トレリングアーム
6a ビーム接合部
50 略平行な角部(もしくは端部)
51 重なる部分
53a 第1の角部
53b 第2の角部
60 略平行な角部(もしくは端部)
61 重なる部分
62 段差部
63a 第1の角部
63b 第2の角部
A1,A2 面
B トーションビームのビーム軸
H1 トレリングアームの断面の高さ
H2 トレリングアームの略平行な角部の水平部分の高さ
W1 ビード接合部
W2 点接合部
W2a 第1点接合部(第1接合点)
W2b 第2点接合部(第2接合点)
W3 線接合部
θ1,θ2 傾斜角
Claims (9)
- 車両幅方向に延在して配置されるトーションビームの左右両端部に、トレリングアームがそれぞれ接合されているトーションビーム式サスペンションにおいて、
前記トーションビーム及び前記トレリングアームは、前記トーションビーム及び前記トレリングアームの車両前後方向の前側及び後側の少なくとも一方に、前記トーションビームの車両下側が車両上側よりも車両内側に位置するように傾斜している角部もしくは端部を少なくとも一部に有し、
前記トーションビーム及び前記トレリングアームは、それぞれの前記傾斜する角部もしくは端部において、少なくとも一部が接合され、
前記トーションビーム及び前記トレリングアームは、前記トーションビーム及び前記トレリングアームの車両前後方向の前側及び後側の少なくとも一方で車両上下方向の所定の高さに、車両幅方向に略平行な角部もしくは端部を少なくとも一部に有し、
前記トーションビームと前記トレリングアームとは、それぞれの前記略平行な角部もしくは端部において、少なくとも一部が接合され、
少なくとも、前記略平行な角部もしくは端部よりも前記トーションビームの車両下側の領域には、前記トーションビームと前記トレリングアームとが重なる部分を有していることを特徴とする、トーションビーム式サスペンション。 - 前記トーションビームと前記トレリングアームとは、前記略平行な角部もしくは端部において少なくとも一部が突き合わされていることを特徴とする、請求項1に記載のトーションビーム式サスペンション。
- 前記トーションビーム及び前記トレリングアームの車両前後方向の前側及び後側の少なくとも一方は、前記略平行な角部もしくは端部の端から車両上下方向に延在する前記傾斜する角部もしくは端部を有していることを特徴とする、請求項1または2に記載のトーションビーム式サスペンション。
- 前記トーションビームと前記トレリングアームとは、前記重なる部分の外周囲の一部もしくは全周囲が接合されることによって一体に構成されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のトーションビーム式サスペンション。
- 前記トーションビームと前記トレリングアームとは、前記重なる部分の内側で接合されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載のトーションビーム式サスペンション。
- 前記トーションビームと前記トレリングアームは、前記重なる部分以外の領域から前記重なる部分の領域にかけて段差部が設けられ、該段差部の端部において、前記トーションビームもしくは前記トレリングアームが突き合わされることにより、前記トーションビーム及び前記トレリングアームの外周部が略平坦になっていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載のトーションビーム式サスペンション。
- 前記トーションビーム及び前記トレリングアームは、前記重なる部分において開口していることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載のトーションビーム式サスペンション。
- 前記重なる部分は点接合され、前記点接合は、前記トーションビームのビーム軸よりも車両上側の第1接合点と、前記第1接合点よりも車両幅方向の中心側で、前記トーションビームのビーム軸よりも車両下側の第2接合点とを含んでいることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載のトーションビーム式サスペンション。
- 前記トーションビーム及び前記トレリングアームは、前記重なる部分において前記第2接合点よりも車両下側が線接合されていることを特徴とする、請求項8に記載のトーションビーム式サスペンション。
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