JP2017105296A - サスペンションのコントロールアーム - Google Patents

Abstract

【課題】軽量であって高い座屈強度を確保しながら曲げ変形を生じずに良好なねじり変形を生じることができるＩ型のコントロールアームを提供する。
【解決手段】長尺かつ直線状の本体１１と、本体１１の両端部それぞれにその円周状の外周面１２ａを介して突き合わされて接合される円筒型の取付け部１２とを備え、自動車の車体２および車軸３を連結して配置されることにより車軸３の車体前後または左右方向の位置決めを行いながら車軸３の上下方向の変位を確保するためのコントロールアーム１０である。本体１１は、２本の線分１３，１４が交差して形成される、第１の方向および第１の方向に直交する第２の方向の双方に対称な略Ｘ字状の横断面形状を有する。さらに、本体１１の長手方向の中央位置１５における２本の線分１３，１４の交差角（α）は１５０°以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のサスペンションのコントロールアームに関する。

図１０は、自動車のサスペンションにおけるＩ型のコントロールアーム１の装着状況を例示する説明図である。図１０は、コントロールアーム１を車体上部から見下ろした状態で示す。

図１０に例示するように、コントロ-ルアーム１は、車体（ボディ）２と車軸（アクスル）３とを連結してアクスル３の前後または左右方向の位置決めを行いながらアクスル３の上下方向の移動を確保するための長尺の部品である。

コントロールアーム１は、連結ブラケット４や連結チューブ（図示しない）を介してボディ２やアクスル３に回動自在に取り付けられる。コントロールアーム１は、アクスル３が上下方向へ変位すると、ボディ２，アクスル３に対して回動するとともに本体がねじり変形することによってタイヤ５の動きを適正かつしなやかにコントロールし、これにより、タイヤ５の接地性の変化を緩やかにして旋回時の操縦安定性を高めたり、あるいは歩道等の段差を乗り越える時の衝撃を緩和したりする重要な部品である。

コントロールアームには、図１０に例示するＩ字型の外形を有するＩ型アーム（以下「Ｉアーム」という）１や、Ａ字型の外形を有するＡ型アームがある。このうち、Ｉアーム１は、構造が単純であるために製造コストの上昇を抑えられることから、多くの車種、とりわけリンク式サスペンションを有する車種に採用される。Ｉアーム１の本体には、これまで、丸棒鋼や鋼管が用いられてきたが、丸棒鋼では重量が大きく、鋼管ではコストが嵩む。

上述のように、Ｉアーム１は、操縦安定性や乗り心地に関して極めて重要な部品であり、所定の引張強度や圧縮強度を確保してアクスル３の前後方向の位置決めを確実に行った上で、アクスル３の上下方向への変位に伴ってねじり応力が負荷されると、曲げ変形を生じることなく柔軟かつ良好にねじれ変形を生じ、アクスル３を上下方向へしなやかに変位させることが要求される。このため、これまでにも、Ｉアーム１の断面形状を工夫した発明が多数提案されている。

特許文献１には、鋼板によって管状に形成された本体を有し、本体の長手方向中央部は大径であるとともに両端部は小径であるＩアームが開示される。このＩアームは、引張荷重，圧縮荷重，ねじり荷重に対して充分な強度を有するとともに、必要十分な座屈強度と上下の曲げ強度を有しており、軽量化およびねじり剛性の低減をともに図ることができる。

特許文献１により開示されたＩアームは、鋼板を用いて管状に形成されるために軽量化およびコスト低減を図ることができ、また例えば鍛造品からなる中実の本体を有するＩ型アームよりもねじり剛性が低いという優れた特性を有するものの、さらなる操縦安定性や乗り心地の向上が近年強く求められることから、ねじり剛性をさらに低下することが求められる。

特許文献２には、一対の断面Ｗ字型の構成部材が互いに離間して逆向きに向き合って配置された横断面形状を有し、かつ長手方向の両端部において一対の構成部材が互いに連結された本体を有するＩアームが開示され、さらに、特許文献３には、一対の断面溝型の構成部材が互いに離間して逆向きに向き合って配置された横断面形状を有し、かつ各構成部材のせん断中心と構成部材の回転軸を接近させたＩアームが開示される。

特開２０１０−７６４７３号公報 特表２００４−５３３３５５号公報 特許第４６９２５７８号明細書

特許文献２，３により開示されたＩアームは、いずれも、互いに離間して対向配置される一対の構成部材を有する点で共通しており、これにより、本体のねじり剛性を低下することができる。しかし、これらの本体は、単一の構成部材からなる本体に比べると、座屈強度が低いことは否めない。

このため、特許文献２には、横方向からの力により相互に接触させ、座屈強度を向上させることが開示されるが、軸心ずれ等により本体の対称性が崩れると、本体の座屈強度が低下するおそれがある。また、特許文献２により開示されたＩアームは特許文献３において先行技術として説明されている。この中で、特許文献２により開示されたＩアームは、一対の断面Ｗ字型の構成部材が互いに向き合うように離間して対向配置され、かつ各構成部材のせん断中心が他方の構成部材とは反対の側に位置し、構成部材の中心線との間隔が大きくなるため、構成部材に曲げ変形が生じ易く良好なねじれ変形が得られ難いとされている。Ｉアームに曲げ変形が生じると、サスペンンションのジオメトリーが変化したり、各構成部材間に過剰の摩擦力が作用したりし、サスペンションアームの円滑な枢動が阻害され、旋回時の操縦安定性や衝撃緩和性が損なわれる可能性が高い。

これに対し、特許文献３により開示されたＩアームでは、互いに離間して対向配置された一対の構成部材それぞれのせん断中心が本体の中心線に接近するため、ねじり応力が負荷されてもＩアームに曲げ変形が生じ難いと解される。しかし、特許文献３に開示されるように各構成部材を高硬度のゴムブッシュ等により接続する必要があり、Ｉアームの重量の増加は避けられない。

本発明の目的は、Ｉアーム、すなわちＩ型のコントロールアームにおいて、軽量であって高い座屈強度を確保しながら曲げ変形を生じずに良好なねじり変形を生じることができるＩ型のコントロールアームを提供することである。

本発明は、以下に列記の通りである。

（１）長尺かつ直線状の本体と、該本体の両端部それぞれにその曲面状の外周面を介して突き合わされて接合される取付け部とを備え、自動車の車体および車軸を連結して配置されることにより該車軸の車体前後または左右方向の位置決めを行いながら前記車軸の上下方向の変位を確保するためのコントロールアームにおいて、
前記本体は、２本の線分が交差して形成される、第１の方向および該第１の方向に直交する第２の方向の双方に対称な略Ｘ字状の横断面形状を有するとともに、
該本体の長手方向の中央位置における前記２本の線分の交差角（α）は１５０°以下である、コントロールアーム。

（２）前記本体の長手方向の中央位置、および最端部位置の断面周長をそれぞれ、ａ（ｘ＝Ｌ／２）（ｍｍ）、ａ（ｘ＝０，Ｌ）（ｍｍ）とした時に下記（１）式の関係を満足するとともに、
前記本体の長手方向の中央位置における略Ｘ字状の横断面の縦投影長さもしくは横投影長さのうち長い投影長さをＢ（ｘ＝Ｌ／２）（ｍｍ）とするとともに、前記本体の長手方向の最端部位置における略Ｘ字状の横断面の縦投影長さもしくは横投影長さのうち長い投影長さをＢ（ｘ＝０，Ｌ）（ｍｍ）とした時に下記（２）式の関係を満足する、（１）項に記載されたコントロールアーム。
ａ（ｘ＝０，Ｌ）≧ａ（ｘ＝Ｌ／２） ・・・・・（１）
Ｂ（ｘ＝０，Ｌ）＞Ｂ（ｘ＝Ｌ／２） ・・・・・（２）

（３）前記本体の長手方向の中央位置における前記交差角α（°）と、前記本体の長手方向の最端部位置における前記交差角β（°）とは下記（３）式の関係を満足する、（２）項に記載されたコントロールアーム。
ｃｏｓ（β／２）≦｛ｃｏｓ（α／２）｝／１．２ ・・・・・（３）
ただし、（３）式において、前記交差角αが９０°以上の場合にはそのままの値を用い、前記交差角αが９０°未満の場合には（１８０°−α）に換算した値を用いるとともに、交差角βの上限を１５０°とする。

（４）前記本体と前記取付け部との接合部は、前記略Ｘ字状の横断面形状における４箇所の端面から、該端面からの距離が５ｍｍ以上離れた位置までの非接合領域を除いた、前記略Ｘ字状の横断面形状の中心を含む残余の接合領域に、形成される、（２）項に記載されたコントロールアーム。

（５）前記本体の両端部それぞれに接合される前記取付け部は、円筒型の外形を有し、前記車軸に装着されるリング状の連結チューブもしくは前記車体に装着される連結ブラケットを取付けられる、（１）項から（４）項までのいずれか１項に記載されたコントロールアーム。

（６）前記本体は、前記略Ｘ字状の横断面の一部をなす略Ｖ字状の横断面を有する第１の構成部材と、前記略Ｘ字状の横断面の残りをなす略Ｖ字状の横断面を有する第２の構成部材とを、前記第１の構成部材および前記第２の構成部材それぞれの頂点が向き合う方向に突き合わせることによって構成され、
前記第１の構成部材および前記第２の構成部材は、前記向き合う方向と直交する方向の一方または両方の側方に形成されるフレア溶接部、もしくは、前記向き合う方向に形成される重ね溶接部によって、接合される、（１）項から（５）項までのいずれか１項に記載されたコントロールアーム。

（７）前記本体の長手方向への総接合長は、前記本体の略Ｘ字状の横断面形状の中心における該本体の長手方向の全長をＬ（ｍｍ）としたときに、少なくとも（１／２０）Ｌである、（６）項に記載されたコントロールアーム。

（８）前記本体は、引張強度が３９０ＭＰａ級以上の鋼板により構成される、（１）項から（７）項までのいずれか１項に記載されたコントロールアーム。

本発明において、交差角αは、板厚中心の曲げ半径１ｍｍ以上好ましくは６ｍｍ以下（上限値はＶ字状が形成される範囲であればよく特に定める必要はない）で成形された断面略Ｖ字状の２枚のプレス成形品それぞれの頂点を突き合わせて接合して得られる略Ｘ字状の断面形状を有するコントロールアームを製造した場合に、プレス成形品のＶ字の角度であり、交差角０°は本発明の範囲であるとともに、交差角１８０°は本発明の範囲外である。なお、交差角０°の場合は、半径４ｍｍがあるために、２枚のプレス成形品それぞれの断面形状はＵ字状となり、２枚のプレス成形品を接合することにより略Ｘ字状の断面形状となるため、優れた性能を有する。

本発明によれば、単一の構成部材からなるために軽量でかつ高い座屈強度を有し、せん断中心と本体の中心線とが一致していることから高い座屈強度をも有し、曲げ変形を生じずに良好なねじり変形を生じることができるＩ型のコントロールアームが提供される。このため、本発明に係るコントロールアームを用いることにより、良好な操縦安定性や乗り心地を得られる。

図１（ａ）は、本発明に係るコントロールアームを示す説明図であり、図１（ｂ）は、取付け部を示す説明図であり、図１（ｃ）は、本体の長手方向の中央位置の横断面図であり、図１（ｄ）は、長手方向の断面形状が一定の本体を有する本発明に係るコントロールアームを示す説明図である。 図２は、交差角とねじり剛性との関係を示すグラフである。 図３は、交差角と座屈限界との関係を示すグラフである。 図４は、両端部において平板を完全に重ね合わせた形状の本体を示す説明図である。 図５（ａ）は、第１の構成部材と第２の構成部材とをそれぞれの頂点で突き合わせ、Ｘ字中心点を通る、第１の構成部材および第２の構成部材の突き合わせ方向と直交する方向の片側もしくは両側よりフレア溶接を行う状況を示す説明図であり、図５（ｂ）は、第１の構成部材と第２の構成部材とをそれぞれの頂点で突き合わせ、Ｘ字中心点を通る、第１の構成部材および第２の構成部材の突き合わせ方向から重ね溶接を行う状況を示す説明図である。 図６（ａ）〜図６（ｃ）は、それぞれ、比較例１の供試材の閉断面、比較例２の供試材の開断面、本発明例１の供試材の略Ｘ字状断面を示す説明図である。 図７は、実施例１のねじり剛性の評価結果を示すグラフである。 図８は、実施例１の座屈強度の評価結果を示すグラフである。 図９（ａ）はコントロールアームの試験要領を示す説明図であり、図９（ｂ）は比較例１のコントロールアームの形状を示す説明図であり、図９（ｃ）は比較例２のコントロールアームの形状を示す説明図であり、図９（ｄ）は本発明例１のコントロールアームの形状を示す説明図であり、さらに、図９（ｅ）は本発明例２のコントロールアームの形状を示す説明図である。 図１０は、自動車のサスペンションにおけるＩ型のコントロールアームの装着状況を例示する説明図である。

添付図面を参照しながら、本発明を説明する。

図１（ａ）は、本発明に係るコントロールアーム１０を示す説明図であり、図１（ｂ）は、取付け部１２を示す説明図であり、図１（ｃ）は、本体１１の長手方向の中央位置１５の横断面図であり、図１（ｄ）は、長手方向の断面形状が一定の本体１１−１を有する本発明に係るコントロールアーム１０−１を示す説明図である。以降の説明では、コントロールアーム１０を例にとって説明する。

コントロールアーム１０は、公知のコントロールアームと同様に、自動車の車体および車軸を連結して車軸の車体前後方向の位置決めを行いながら車軸の上下方向の変位を確保するための部品である。

コントロールアーム１０は、長尺の本体１１と、本体１１の両端部それぞれに接合される取付け部１２，１２とを備える。

取付け部１２は、中空の円筒型の形状を有しており、その外周面１２ａを介して本体１１の長手方向の端面に接合される
図１（ｂ）における取付け部１２の外周面１２ａに示すように、本体１１は、２本の線分１３，１４が交差して形成される、第１の方向（例えば上下方向）および第１の方向に直交する第２の方向（例えば水平方向）の双方に対称な略Ｘ字状の横断面形状を有する。

本発明者らが、負荷される荷重により本体１１が良好なねじれ変形を生じ、かつ高い座屈強度を得られる本体１１の断面形状を鋭意検討した結果、第１の方向（例えば上下方向）および第１の方向に直交する第２の方向（例えば水平方向）という２方向に対象な形状を有するＸ字状の断面形状が最適であることを知見した。上記２方向に対象な断面形状であることにより、せん断中心と本体１１の中心線とが一致するため、良好なねじれ変形を得ることができる。

コントロールアーム１０では、本体１１の長手方向の中央位置１５における２本の線分１３，１４の交差角αは１５０°以下である。この理由を説明する。

本体１１の断面積を統一した条件のもとで、本体１１の引張強度は同等とし、ねじり剛性や座屈強度に対する交差角αの適正範囲を、コンピュータシュミレーションによる解析によって検討した。

解析条件は、板厚２．６ｍｍまたは２．８ｍｍ，板幅３０ｍｍの４４０ＭＰａ級の熱間圧延鋼板を板厚中心の曲げ半径４ｍｍで断面略Ｖ字状の２枚のプレス成形品とし、これら２枚のプレス成形品それぞれの頂点を突き合わせて接合して得られる略Ｘ字状の断面形状を有する本体を備えるコントロールアームを検討モデルとした。表１に上記熱間圧延鋼板の機械特性をまとめて示す。

本体１１の長手方向の中央１５における交差角αを０〜１６５°の範囲で変更して、本体１１の一方の端部を拘束するとともに他方の端部に回転変位を与えて、ねじり剛性を評価するとともに座屈強度を評価した。なお、本体１１の全長は２３０ｍｍとした。

交差角とねじり剛性との関係を図２にグラフで示し、交差角と座屈限界との関係を図３にグラフで示す。

図３にグラフで示すように、座屈限界は交差角が９０°以上では５５．５ｋＮ程度が得られるのに対し、交差角が９０°未満では５４ｋＮ程度と若干低下するものの、その差はわずかであり、いずれの角度も良好である。

これに対し、図２にグラフで示すように、交差角が１５０°を超えて大きくなると、ねじり剛性が大きく上昇する傾向にある。このため、交差角αは１５０°以下とする。

コントロールアーム１０では、本体１１の長手方向の中央位置１５および最端部位置１６，１７の断面周長をそれぞれ、ａ（ｘ＝Ｌ／２）（ｍｍ）、ａ（ｘ＝０，Ｌ）（ｍｍ）とした時にａ（ｘ＝０，Ｌ）≧ａ（ｘ＝Ｌ／２）の関係を満足するとともに、本体１１の長手方向の中央位置１５における略Ｘ字状の横断面の縦投影長さもしくは横投影長さのうち長い投影長さをＢ（ｘ＝Ｌ／２）（ｍｍ）とするとともに、本体１１の長手方向の最端部位置１６，１７における略Ｘ字状の横断面の縦投影長さもしくは横投影長さのうち長い投影長さをＢ（ｘ＝０，Ｌ）（ｍｍ）とした時にＢ（ｘ＝０，Ｌ）＞Ｂ（ｘ＝Ｌ／２）の関係を満足することが好ましい。この理由を説明する。

本体１１の最端部１６，１７には、連結チューブもしくは連結ブラケットと連結するための部品である取付け部１２が取り付けられるが、本体１１と取付け部１２との接合にはアーク溶接が用いられることが多い。

断面Ｘ形に沿ってアーク溶接等を行うにあたり、Ｘ形状の４隅や中心部分で溶接軌跡が急峻となるため、溶接の安定性を確保することが難しくなる。そこで、溶接強度を確保するために、直線溶接部を長くする対策を取り入れ、Ｘ形状の拡大もしくは鈍角化を図ることが有効である。

本体１１と取付け部１２との接合箇所におけるＸ形状の拡大もしくは鈍角化では、ａ（ｘ＝０，Ｌ）≧ａ（ｘ＝Ｌ／２）の関係を満たし、かつ、Ｂ（ｘ＝０，Ｌ）＞Ｂ（ｘ＝Ｌ／２）の関係を満足すれば、座屈強度の低下を防ぎながら溶接施工性を改善できる。

さらに、断面周長ａ（ｘ＝０，Ｌ）が断面周長ａ（ｘ＝Ｌ／２）よりも小さい場合について、座屈強度の変化を調査した。

図４は、両端部において平板を完全に重ね合わせた形状（ａ（ｘ＝０，Ｌ）＜ａ（ｘ＝Ｌ／２），Ｂ（ｘ＝０，Ｌ）＞Ｂ（ｘ＝Ｌ／２））の本体１１を示す説明図である。

図４に示すように、本体１１の両端部において平板を完全に重ね合わせる形状、すなわちａ（ｘ＝０，Ｌ）＜ａ（ｘ＝Ｌ／２），Ｂ（ｘ＝０，Ｌ）＞Ｂ（ｘ＝Ｌ／２）とすると、座屈強度が２８ｋＮまで低下することが判明した。このため、ａ（ｘ＝０，Ｌ）≧ａ（ｘ＝Ｌ／２）の関係を規定する。

なお、本体１１のＸ字型の断面形状を鈍角化した部分では、Ｘ形状の中心部分の溶接施工性は向上するが、他方、鋭角化した部分では溶接施工性が低下する。そのために、基本的には鋭角化部分では溶接を行わず、継手強度に影響する接合面積が減少する分は、鈍角化部分を延伸することにより補うことが好ましい。

コントロールアーム１０では、本体１１の略Ｘ字状の横断面形状の中心における本体１１の長手方向の全長をＬ（ｍｍ）としたときに、任意の位置での投影長さをＢ（ｘ）とすると、本体１１の長手方向の最端部位置から（１／３）Ｌ（ｍｍ）以下離れた位置までにおいて、投影長さＢ（ｘ）＞投影長さＢ（ｘ＝Ｌ／２）の関係を満足することが好ましい。この理由を説明する。

本体１１の一方の端部１６または１７、もしくは両方の端部１６，１７でのＸ字断面形状の周長を、本体１１の長手方向の中央位置１５でのＸ字断面形状の周長よりも長くすると、断面積が増し、良好なねじれ変形が得られ難くなるとともに、重量の増加につながる。このため、本体１１の一方の端部１６または１７、もしくは両方の端部１６，１７において、任意の位置での投影長さＢ（ｘ）が投影長さＢ（ｘ＝Ｌ／２）よりも長くなる部分の長さを（１／３）Ｌ以下とすることが好ましい。また、本体１１と取付け部１２との溶接を可能にするために、投影長さＢ（ｘ）が投影長さＢ（ｘ＝Ｌ／２）よりも長くなる部分の長さは、例えば１０ｍｍ以上であることが好ましい。

コントロールアーム１０では、本体１１の長手方向の中央位置１５における交差角α（°）と、本体１１の長手方向の最端部位置１６，１７における２本の線分の交差角β（°）とは、ｃｏｓ（β／２）≦｛ｃｏｓ（α／２）｝／１．２の関係を満足することが好ましい。ただし、（３）式において、交差角αが９０°以上の場合にはそのままの値を用い、交差角αが９０°未満の場合には（１８０°−α）に換算した値を用いるとともに、交差角（β）の上限を１５０°とする。この理由を説明する。

本体１１と取付け部１２との接合強度を確保するために、直線溶接部を長くすることが有効であるが、高さ方向および横方向の両方に形状を広げると取付け部１２も大きくなってコントロールアーム１０全体の重量が増加する。そこで、横方向のみが広がる形状を想定し、中空かつ円筒状の取付け部１２の外周面１２ａに接続されたとすれば、本体１１が取付け部１２の周囲を巻き込むように溶接することが可能となり、取付け部１２の拡大を抑制できる。そこで、本体１１において、さらに、本体１１の長手方向の中央位置１５での交差角をαとするとともに本体１１の最端部１６，１７における交差角をβとしたときに、ｃｏｓ（β／２）≦｛ｃｏｓ（α／２）｝／１．２を満足する形状を有することが好ましい。交差角αが９０°以上であれば換算せず、９０°未満であれば１８０°−αと換算するものとする。

仮に、長手方向の中央位置１５におけるＸ字状の断面高さと、本体１１の最端部１６，１７におけるＸ字状の断面高さとが同じであるとすれば、本体１１の最端部１６，１７におけるＸ字状の断面周長は、長手方向の中央位置１５におけるＸ字状の断面周長の１．２倍以上となり、長い溶接長を確保できるからである。

ただし、交差角βが大き過ぎると、座屈強度の低下を招く可能性があることに加え、直線溶接部を長くせずとも、Ｘ形状の中心部分の溶接軌跡が緩やかであり、安定した溶接が確保されるため、交差角βの上限は１５０°とする。

なお、本体１１における鈍角化されたＸ字形状の部分を、取付け部１２に接することにより、最大主応力が低減し、ねじり疲労強度も向上する。

コントロールアーム１０では、本体１１と取付け部１２との接合部は、略Ｘ字状の横断面形状における４箇所の端面１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂから、端面１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂそれぞれからの距離が５ｍｍ以上離れた位置までの非接合領域を除いた領域であって、略Ｘ字状の横断面形状の中心を含む残余の接合領域に、形成されることが好ましい。この理由を説明する。

略Ｘ字状の横断面形状における４箇所の端面１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂを含む４隅部分にアーク溶接等を行うと、この部分に熱がこもり、入熱過多により溶け落ちが発生して凹み欠陥が生じる可能性があり、ねじり疲労強度の低下を招くおそれがある。そこで、端面１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂから、端面１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂそれぞれからの距離が５ｍｍ以上離れた位置までの領域は、溶接しない非接合領域とし、この非接合領域を除いた、略Ｘ字状の横断面形状の中心を含む残余の接合領域で、本体１１と取付け部１２とを接合することが好ましい。

コントロールアーム１０では、本体１１の両端部に装着される取付け部１２，１２は、車軸に装着されるリング状の連結チューブもしくは車体に装着される連結ブラケットを取付けられることが好ましい。

第１の構成部材と第２の構成部材とをそれぞれの頂点で突き合わせ、この突き合わせ部で第１の構成部材と第２の構成部材とを溶接する場合、このような溶接部は形状の変化点となって応力集中点となり易く、自動車足回り部品で重要視される疲労強度に大きく影響するため、所定の疲労強度を得られる溶接部形状とすることが有効である。

後述する実施例２に示すように、略Ｘ字状の本体１１が円筒状の取付け部品１２に接続され（図９（ｄ）に示す形状）、本体１１の軸心周りにねじり応力が付加された場合、１４０ＭＰａの最大主応力が負荷される。図９（ｄ）に示す形状についてねじり疲労試験を行った結果、所定の疲労強度は確保できることが確認された。しかし、ねじり疲労強度のいっそうの向上を目指し、検討を重ねた。

その結果、本体１１の端面を、取付け部品１２の外周を巻き込むように、突き合わせて接続することによって、本体１１と取付け部品１２がともにねじられ易くなり、溶接部での局所的な応力集中が緩和され、最大主応力が９５ＭＰａに低減され、かつねじり疲労強度も向上することが判明した。

コントロールアーム１０では、第１の構成部材および第２の構成部材は、略Ｘ字状の横断面の中心の左右いずれか一方の側または両方の側に形成されるフレア溶接部、もしくは、この中心の上下の側に形成される重ね溶接部によって、接合されることが好ましい。この理由を説明する。

図５（ａ）は、略Ｘ字状の横断面の一部をなす略Ｖ字状の横断面を有する第１の構成部材１１ａと、略Ｘ字状の横断面の残りをなす略逆Ｖ字状の横断面を有する第２の構成部材１１ｂとを、それぞれの頂点１８，１９で突き合わせ、Ｘ字中心点２０を通る、第１の構成部材１１ａおよび第２の構成部材１１ｂの突き合わせ方向（紙面の上下方向）と直交する方向（紙面の左右方向）の片側もしくは両側よりフレア溶接を行う状況を示す説明図であり、図５（ｂ）は、略Ｘ字状の横断面の一部をなす略Ｖ字状の横断面を有する第１の構成部材１１ａと、略Ｘ字状の横断面の残りをなす略逆Ｖ字状の横断面を有する第２の構成部材１１ｂとを、それぞれの頂点１８，１９で突き合わせ、Ｘ字中心点２０を通る、第１の構成部材１１ａおよび第２の構成部材１１ｂの突き合わせ方向（紙面の上下方向）から重ね溶接を行う状況を示す説明図である。

図５（ａ）に示すように、略Ｖ字状の横断面を有する第１の構成部材（プレス部品）１１ａと略Ｖ字状の横断面を有する第２の構成部材（プレス部品）１１ｂとを、それぞれの頂点１８，１９を介して上下に密着させた後、Ｘ字中心点２０を通る、第１の構成部材１１ａおよび第２の構成部材１１ｂの突き合わせ方向（紙面の上下方向）と直交する方向（紙面の左右方向）の片側もしくは両側よりフレア溶接を行ってフレア溶接部２１を形成するか、あるいは、図５（ｂ）に示すように、Ｘ字中心点２０を通る、第１の構成部材１１ａおよび第２の構成部材１１ｂの突き合わせ方向（紙面の上下方向）から重ね溶接を行って重ね溶接部２２を形成することにより、第１の構成部材１１ａおよび第２の構成部材１１ｂを接合すれば、製造が容易であり、コントロールアーム１０の製造コストの上昇を抑制できる。

なお、フィラワイヤの供給の有無には拘らないが、フィラワイヤを供給する場合、溶接前の略Ｘ字状の断面積に対し、溶接後における断面積が増加することとなるが、断面積の増加はねじり剛性の増加要因となるため、溶接前後の断面積の増加率は１０％以下、好ましくは５％以下に抑制することが好ましい。

フレア溶接もしくは重ね溶接に替えて、レーザ溶接，シーム溶接，接着接合等により、第１の構成部材および第２の構成部材を接合してもよい。

コントロールアーム１０では、本体１１の長手方向への、第１の構成部材１１ａと第２の構成部材１１ｂとの総接合長は、本体１１の略Ｘ字状の横断面形状の中心２０における本体１１の長手方向の全長をＬ（ｍｍ）としたときに、少なくとも（１／２０）Ｌであることが好ましい。この理由を説明する。

数値解析の結果によると、座屈強度は本体１１の全長に溶接すると５５．５ｋＮであるが、溶接しないと４４ｋＮまで低下する。溶接長が長いほうが座屈強度にとっては有効である。しかし、第１の構成部材１１ａと第２の構成部材１１ｂとの総接合長は、本体１１の略Ｘ字状の横断面形状の中心２０における長さで少なくとも（１／２０）Ｌであれば、４７ｋＮの座屈強度を確保できる。

なお、第１の構成部材１１ａと第２の構成部材１１ｂとの溶接を本体１１の中心２０の近傍で行うと、例えば本体１１の両端部において溶接クランプで材料を押さえるにあたり、第１の構成部材１１ａおよび第２の構成部材１１ｂに均等に荷重を付加することができ、安定した溶接が可能であるために、好ましい。

なお、第１の構成部材１１ａと第２の構成部材１１ｂとの溶接は、本体１１の長手方向について連続していてもよいし、断続的であってもよい。また、本体１１の長手方向についての溶接位置は、本体１１の長手方向の中央もしくは最端部のいずれであっても、所定のねじり剛性や座屈強度が確保できる。しかし、最端部位置を溶接すると、本体１１と取付け部１２との溶接部分に干渉し、干渉部分の溶接安定性が欠く可能性がある。このため、最端部から５ｍｍ以上離れた位置までの非接合領域を設けることが好ましい。

さらに、本体１１は、引張強度が３９０ＭＰａ級以上の薄鋼板により構成されることが好ましい。この理由を説明する。

母材の引張強度を３９０ＭＰａ級以上の鋼板を用いる理由として、例えば後述する実施例で示すように、４４０ＭＰａ級で板厚２．６ｍｍの鋼板を用いた場合を基準にすると、母材の引張強度が低い鋼板を用いると、部品に必要な引張強度を確保するために、板厚の厚い鋼板を用いる必要がある。しかしながら、板厚が増加すると重量が重くなるとともに、ねじり剛性が上昇するために、実際の部品においては、母材である鋼板の板厚は３ｍｍを上限とし、それに伴い、母材である鋼板の引張強度の下限を３９０ＭＰａ級とすることが好ましい。

本体１１に、上述した表１に示す機械特性を有する板厚２．６ｍｍの４４０ＭＰａ級熱間圧延鋼板を用い、取付け部１２に外径５４ｍｍ，内径４２ｍｍ，長さ３１ｍｍの機械構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫＭ１３Ａを用いて、本発明例のコントロールアーム１０のねじり剛性および座屈限界を解析した。

図６（ａ）〜図６（ｃ）は、それぞれ、比較例１の供試材２３の閉断面、比較例２の供試材２４の開断面、本発明例１の供試材２５の略Ｘ字状断面を示す説明図である。

必要部材強度６８ｋＮとなるように、母材の引張強度４４０ＭＰａ級を考慮して、板厚と総板幅長を、比較例１では総板幅長５３ｍｍ，板厚２．８ｍｍとし、比較例２では総板幅長６０ｍｍ，板厚２．６ｍｍとし、本発明例１では総板幅長６０ｍｍ，板厚２．６ｍｍとした。なお、比較例１では板厚方向中心位置での直径を１７ｍｍとした。

供試材２５では、全長２３０ｍｍ、板幅３０ｍｍの鋼板を供給し、幅中央で垂直に板厚中心の曲げ半径４ｍｍで断面略Ｖ字状にプレス成型して第１の構成部材２５ａおよび第２の構成部材２５ｂを製造し、第１の構成部材２５ａおよび第２の構成部材２５ｂをそれぞれの頂点で突き合わせて、断面略Ｘ形状のＸ字中心点を通る、第１の構成部材２５ａおよび第２の構成部材２５ｂの突き合わせ方向（紙面の上下方向）と直交する方向（紙面の左右方向）の両側よりフレア溶接を行った。フィラワイヤを供給したアーク溶接を全長にわたって、すなわち総接合長が２３０ｍｍになるように行って、本体２５を組み立てた（長手方向の総接合長は、（２３／２３）Ｌである）。本体２５は、長手方向に一様なＸ断面形状を有する。

その後、本体２５に上述の取付け部品（図示しない）を突き合わせ、Ｘ形状全周に渡りアーク溶接を行って、コントロールアームを製造した。このコントロールアームに対して、ねじり剛性を評価した。評価結果を図７にグラフで示す。

図７にグラフで示すように、ねじり剛性は、断面形状が閉断面丸形の比較例１の６４Ｎ・ｍ／ｄｅｇや、開断面Ｃ型の比較例２の１５Ｎ・ｍ／ｄｅｇに対して、本発明例１の断面略Ｘ形状では５Ｎ・ｍ／ｄｅｇと大きく低下しており、良好なねじり変形が得られた。

また、座屈強度の評価結果を図８にグラフで示す。

図８にグラフで示すように、断面略Ｘ形状の本発明例の座屈強度は、閉断面丸形の比較例１の座屈強度や、開断面Ｃ型の比較例２の座屈強度よりも、高い。

本発明例の座屈強度が高い理由としては、フィラワイヤを供給したことにより断面積が５％程度増加した影響が含まれるが、断面積の増加がなくても、比較例１，２と同等程度の座屈強度が得られることを、別途確認した。

図９（ａ）はコントロールアーム３０の試験要領を示す説明図であり、図９（ｂ）は本体２３を有する比較例１のコントロールアーム３１の形状を示す説明図であり、図９（ｃ）は本体２４を有する比較例２のコントロールアーム３２の形状を示す説明図であり、図９（ｄ）は本体２５を有する本発明例１のコントロールアーム３３の形状を示す説明図であり、さらに、図９（ｅ）は本体２６を有する本発明例２のコントロールアーム３４の形状を示す説明図である。各コントロールアーム３１〜３４の全長は２３０ｍｍとした。

本発明例２のコントロールアーム３４の断面形状は、本体２６の長手方向の中央部の１７０ｍｍ長は板幅３０ｍｍとし、長手方向の両端部の片端部あたり３０ｍｍ長の領域は板幅６０ｍｍの鋼板を供給した。本体２６の長手方向の中央位置は幅中央で交差角αを９０°とし、本体２６の長手方向の両端部は幅中央で交差角βを１５０°に板厚中心の曲げ半径４ｍｍでプレス成型し、断面略Ｘ字形状となるように各パーツを突き合わせて、フレア溶接を行った。図９（ｅ）に示すように、長手方向の中央部２０ｍｍのみにＸ形状の左右部分にアーク溶接を行って、組み立てた（長手方向の総接合長は、（２／２３）Ｌである）。さらに、この本体２６の両端部に取付け部を突き合わせ、１５０°に開いた上下部分にのみアーク溶接を行って、コントロールアームとした。

実施例１で製造したコントロールアームと同じコントロールアーム２３〜２５と、本発明例２として、本体２６の端部における略Ｘ字状の交差角を鈍角化したコントロールアーム２６の合計４種のコントロールアームを用い、図９（ａ）に示すように、取付け部３５の内部に、一般的なゴムの弾性率を有するブッシュを挿入し、取付け部３５に１２．５°のねじり（回転変位）を与えて、各種形状における本体２３〜２６に生じたねじり角度を調査した。

発生したねじり角度の結果を表２にまとめて示す。

表２に示すように、比較例１のコントロールアーム３１では、最大主応力３６ＭＰａと良好であるものの、本体２３のねじり剛性が高く、本体２３は０．４°程度にしかねじられず、取付け部３５の内部に挿入されたブッシュにより変位が吸収され、ブッシュの消耗が早くなった。

比較例２のコントロールアーム３２では、本体２４は３．４°ねじられ、比較的に良好であるが、最大主応力が４６７ＭＰａと非常に高く、ねじり疲労強度の低下を招く可能性がある。

これに対し、本体２５の長手方向に一様な略Ｘ字状断面形状を有する本発明例１のコントロールアーム３３では４．２°ねじられて良好であり、また最大主応力も１４０ＭＰａと、母材や溶接部の疲労限界に比べ、低くて良好である。

さらに、本体２６の長手方向の両端部の略Ｘ字状断面の鈍角化を図った本発明例２のコントロールアーム３４は、本発明例１のコントロールアーム３３よりも、ねじり剛性がやや上昇するものの、良好なねじり変形が得られ、かつ、本体２６と取付け部３５との接合部において、最大主応力が９５ＭＰａに低減され、ねじり疲労強度の向上が確認された。

３ 車軸
１０ コントロールアーム
１１ 本体
１２ 取付け部
１２ａ 外周面
１３，１４ 線分
１５ 本体の長手方向の中央位置

Claims (8)

1. 長尺かつ直線状の本体と、該本体の両端部それぞれにその曲面状の外周面を介して突き合わされて接合される取付け部とを備え、自動車の車体および車軸を連結して配置されることにより該車軸の車体前後または左右方向の位置決めを行いながら前記車軸の上下方向の変位を確保するためのコントロールアームにおいて、
   前記本体は、２本の線分が交差して形成される、第１の方向および該第１の方向に直交する第２の方向の双方に対称な略Ｘ字状の横断面形状を有するとともに、
   該本体の長手方向の中央位置における前記２本の線分の交差角（α）は１５０°以下である、コントロールアーム。
2. 前記本体の長手方向の中央位置、および最端部位置の断面周長をそれぞれ、ａ（ｘ＝Ｌ／２）（ｍｍ）、ａ（ｘ＝０，Ｌ）（ｍｍ）とした時に下記（１）式の関係を満足するとともに、
   前記本体の長手方向の中央位置における略Ｘ字状の横断面の縦投影長さもしくは横投影長さのうち長い投影長さをＢ（ｘ＝Ｌ／２）（ｍｍ）とするとともに、前記本体の長手方向の最端部位置における略Ｘ字状の横断面の縦投影長さもしくは横投影長さのうち長い投影長さをＢ（ｘ＝０，Ｌ）（ｍｍ）とした時に下記（２）式の関係を満足する、請求項１に記載されたコントロールアーム。
   ａ（ｘ＝０，Ｌ）≧ａ（ｘ＝Ｌ／２） ・・・・・（１）
   Ｂ（ｘ＝０，Ｌ）＞Ｂ（ｘ＝Ｌ／２） ・・・・・（２）
3. 前記本体の長手方向の中央位置における前記交差角α（°）と、前記本体の長手方向の最端部位置における前記交差角β（°）とは下記（３）式の関係を満足する、請求項２に記載されたコントロールアーム。
   ｃｏｓ（β／２）≦｛ｃｏｓ（α／２）｝／１．２ ・・・・・（３）
   ただし、（３）式において、前記交差角αが９０°以上の場合にはそのままの値を用い、前記交差角αが９０°未満の場合には（１８０°−α）に換算した値を用いるとともに、交差角βの上限を１５０°とする
4. 前記本体と前記取付け部との接合部は、前記略Ｘ字状の横断面形状における４箇所の端面から、該端面からの距離が５ｍｍ以上離れた位置までの非接合領域を除いた、前記略Ｘ字状の横断面形状の中心を含む残余の接合領域に、形成される、請求項２に記載されたコントロールアーム。
5. 前記本体の両端部それぞれに接合される前記取付け部は、円筒型の外形を有し、前記車軸に装着されるリング状の連結チューブもしくは前記車体に装着される連結ブラケットを取付けられる、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載されたコントロールアーム。
6. 前記本体は、前記略Ｘ字状の横断面の一部をなす略Ｖ字状の横断面を有する第１の構成部材と、前記略Ｘ字状の横断面の残りをなす略Ｖ字状の横断面を有する第２の構成部材とを、前記第１の構成部材および前記第２の構成部材それぞれの頂点が向き合う方向に突き合わせることによって構成され、
   前記第１の構成部材および前記第２の構成部材は、前記向き合う方向と直交する方向の一方または両方の側方に形成されるフレア溶接部、もしくは、前記向き合う方向に形成される重ね溶接部によって、接合される、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載されたコントロールアーム。
7. 前記本体の長手方向への総接合長は、前記本体の略Ｘ字状の横断面形状の中心における該本体の長手方向の全長をＬ（ｍｍ）としたときに、少なくとも（１／２０）Ｌである、請求項６に記載されたコントロールアーム。
8. 前記本体は、引張強度が３９０ＭＰａ級以上の鋼板により構成される、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載されたコントロールアーム。