JP2019098790A - ステアリングナックル - Google Patents

Abstract

【課題】ロアアームに連結される下アーム部の屈曲部分における強度を向上できるステアリングナックルを提供する。【解決手段】ステアリングナックル１は、車輪を支持する本体部１０と、本体部１０から下方に延設され、ロアアーム４に連結される下アーム部１１とを備える。下アーム部１１は、その先端部が車幅方向内側に向けて屈曲し、その先端部にロアアーム４が結合されるロアアーム取付部１３を有する。そして、下アーム部１１の屈曲部分１２において、車幅方向外側に位置する外側部位１２ｏのパーライト率が車幅方向内側に位置する内側部位１２ｉのパーライト率よりも高く、車幅方向内側から外側にかけてパーライト率が増加する傾斜組織を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、ロアアームに連結される下アーム部を備えるステアリングナックルに関する。

自動車などの車両には、車輪を支持するステアリングナックルが設けられている。一般に、ステアリングナックルは、車輪を支持する本体部と、本体部から下方に延設され、ロアアームに連結される下アーム部とを備える。特許文献１には、下アーム部の先端部が車幅方向内側に向けて屈曲し、その先端部にロアアームが結合されるロアアーム取付部が設けられたステアリングナックルが開示されている。ロアアーム取付部にロアアームがボールジョイントにより結合され、下アーム部とロアアームとはボールジョイントを介して連結される。

ステアリングナックルは一般に、鋳鉄（例、球状黒鉛鋳鉄）で形成されている。特許文献２には、ステアリングナックルを所定の組成の鋳鋼で形成することで、強度と靭性を向上させる技術が開示されている。

特開２０１３−１７３４９４号公報 特開２０１７−３１４５１号公報

ステアリングナックルの下アーム部のロアアーム取付部には、例えば車両走行中の縁石への衝突（接触）時など、ロアアームから車幅方向の外側に向けて荷重が主に入力される。その際、下アーム部の屈曲部分では、応力集中が生じ易く、強度上の弱点となり易い。したがって、下アーム部の屈曲部分において、ロアアーム取付部に入力される車幅方向外側への荷重に対する強度を改善することが望まれる。

本発明の目的の一つは、ロアアームに連結される下アーム部の屈曲部分における強度を向上できるステアリングナックルを提供することにある。

本発明者は、ロアアームに連結されるステアリングナックルの下アーム部について鋭意検討した結果、次のような知見を得た。図２に示すように、ロアアーム取付部１３に車幅方向外側への荷重（図中矢印Ｆで示す）が入力された際、下アーム部１１の屈曲部分１２において、車幅方向内側に位置する内側部位１２ｉには引張方向の応力が加わり、車幅方向外側に位置する外側部位１２ｏには圧縮方向の応力が加わる。つまり、屈曲部分１２の車幅方向の内側と外側とでは、異なる方向の応力を受けることになる。そして、屈曲部分１２の内側部位１２ｉでは、引張方向の応力を受けるため、破断の起点となるき裂が発生し易いことから、伸びが大きい方が望ましい。一方、屈曲部分１２の外側部位１２ｏでは、圧縮方向の応力を受けるため、き裂が発生し難いが、屈曲部分１２の変形を抑制する観点から、伸びが小さく、降伏点が大きい方が望ましい。

本発明者は、下アーム部の屈曲部分において、車幅方向の内側と外側とで組織を変えることにより、屈曲部分の強度を改善できることを見出した。具体的には、内側部位のパーライト率が低く、外側部位のパーライト率が高くなるように傾斜組織とする（後述する図３を参照）。通常、鋳鉄では、パーライト率が低い組織は、降伏点が小さく、伸びが大きいのに対し、パーライト率が高い組織は、降伏点が大きく、伸びが小さい。上述したように、屈曲部分の内側部位では、引張応力を受けるため、パーライト率を低くして伸びを大きくすることにより、破断の起点となるき裂の発生を抑制できる。一方、屈曲部分の外側部位では、圧縮応力を受けるため、パーライト率を高くして降伏点を大きくすることにより、屈曲部分の変形を抑制できる。これにより、ロアアーム取付部に入力される車幅方向外側への荷重に対して、下アーム部の屈曲部分の破断や変形を抑制でき、屈曲部分の強度が向上する。

ところで、ステアリングナックルは、鋳鉄の溶湯を鋳型に注湯し、鋳型内で冷却して鋳造することで製造されている。従来の鋳造方法では、一般的に鋳型全体を均一的に冷却しており、鋳型の内面に接するステアリングナックルの表面側から冷却され、表面側は冷却速度が速く、中心側ほど冷却速度が遅くなる。そのため、冷却速度の差により、表面部ではパーライト率が低く、中心部ほどパーライト率が高い組織となる。図５は、従来のステアリングナックルに備わる下アーム部の屈曲部分における断面（図２のＡ−Ａ断面）の組織を模式的に示したものである。図５において、左下がりの斜線のハッチングで示す部位、横線のハッチングで示す部位、右下がりの斜線のハッチングで示す部位、縦線のハッチングで示す部位の順にパーライト率が高いことを表している。従来のステアリングナックルの場合、下アーム部の屈曲部分において、図５に示すように、車幅方向の内側と外側とでは実質的に同じ組織となり、内側部位及び外側部位では中心部に比べてパーライト率が低い組織となる。

本発明は以上の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明について説明する。

（１）本発明の一態様に係るステアリングナックルは、
車輪を支持する本体部と、
前記本体部から下方に延設され、ロアアームに連結される下アーム部と、を備えるステアリングナックルであって、
前記下アーム部は、先端部が車幅方向内側に向けて屈曲し、その先端部に前記ロアアームが結合されるロアアーム取付部を有し、
前記下アーム部の屈曲部分において、車幅方向外側に位置する外側部位のパーライト率が車幅方向内側に位置する内側部位のパーライト率よりも高く、車幅方向内側から外側にかけてパーライト率が増加する傾斜組織を有する。

上記ステアリングナックルは、下アーム部の屈曲部分において、外側部位のパーライト率が内側部位のパーライト率よりも高く、車幅方向内側から外側にかけてパーライト率が増加する傾斜組織を有する。上記ステアリングナックルによれば、屈曲部分の内側部位のパーライト率が低く、伸びが大きいため、引張応力によるき裂の発生を抑制できる。また、屈曲部分の外側部位のパーライト率が高く、降伏点が大きいため、圧縮応力による変形を抑制できる。したがって、上記ステアリングナックルは、ロアアーム取付部に入力される車幅方向外側への荷重に対し、下アーム部の屈曲部分の破断や変形を抑制できる。よって、ロアアームに連結される下アーム部の屈曲部分における強度を向上できる。

実施形態１に係るステアリングナックルを車両に取り付けた状態を示す概略正面図である。 実施形態１に係るステアリングナックルを前側から見た概略正面図である。 実施形態１に係るステアリングナックルに備わる下アーム部の屈曲部分の断面組織を模式的に示すイメージ図である。 実施形態１に係るステアリングナックルの製造に使用する鋳型の構成の一例を示す概略断面図である。 従来のステアリングナックルに備わる下アーム部の屈曲部分の断面組織を模式的に示すイメージ図である。

本発明の実施形態に係るステアリングナックルを、図面を参照して説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。なお、以下の説明において、「前」、「後」、「上」、「下」、「左」、「右」とは、車両の正面を「前」とし、これを基準とする方向を意味する。図中、矢印ＦＲは車両前後方向の前側、矢印ＵＰは車両上下方向の上側、矢印ＩＮは車幅方向の内側（中央側）、矢印ＯＵＴは外側を示す。

［実施形態１］
〔ステアリングナックル〕
図１〜図３を参照して、実施形態１に係るステアリングナックル１を説明する。ステアリングナックル１は、図１に示すように、車輪２を支持する本体部１０と、本体部１０から下方に延設され、ロアアーム４に連結される下アーム部１１とを備える。下アーム部１１は、その先端部が車幅方向内側に向けて屈曲し、その先端部にロアアーム４が結合されるロアアーム取付部１３を有する（図２も参照）。その他、ステアリングナックル１には、ナックルアーム２１と上アーム部３１とを備える。ステアリングナックル１は、鋳鉄、具体的には球状黒鉛鋳鉄からなる鋳造品であり、本体部１０、下アーム部１１、ナックルアーム２１及び上アーム部３１が一体に形成されている。ステアリングナックル１の特徴の１つは、図２、図３に示すように、下アーム部１１の屈曲部分１２において、車幅方向外側に位置する外側部位１２ｏのパーライト率が車幅方向内側に位置する内側部位１２ｉのパーライト率よりも高く、車幅方向内側から外側にかけてパーライト率が増加する傾斜組織を有する点にある。図１は、左前輪を支持するステアリングナックル１を車両前方から見た状態を示している。以下、ステアリングナックル１の各部について主に図１を参照して説明し、その後、下アーム部１１の屈曲部分１２の組織について図２、図３を参照して詳しく説明する。

（本体部）
本体部１０は、車幅方向に貫通する支持孔が形成されており、この支持孔にベアリング（図示せず）を介して車軸３が挿入され、車軸３に固定された車輪２を回転自在に支持する。車輪２には、タイヤ２ｔが組み付けられる。

（下アーム部）
下アーム部１１は、本体部１０から下方に延設され、ロアアーム４に連結される。下アーム部１１の先端部（下端部）は、車幅方向内側に向けて屈曲する屈曲部分１２が形成され、その先端部にロアアーム４が結合されるロアアーム取付部１３が設けられている。ロアアーム取付部１３にロアアーム４がボールジョイント１５により結合され、下アーム部１１とロアアーム４とはボールジョイント１５を介して連結されている。下アーム部１１（屈曲部分１２を含む）の断面（下アーム部１１の長手方向に直交する断面）の面積は、例えば４００ｍｍ^２以上７００ｍｍ^２以下である。

下アーム部１１のロアアーム取付部１３には、例えば車両走行中の縁石への衝突（接触）時など、図２に示すように、ロアアーム４から車幅方向の外側に向けて荷重（図中矢印Ｆで示す）が入力される。その際、屈曲部分１２において、車幅方向内側に位置する内側部位１２ｉでは引張応力が生じ、車幅方向外側に位置する外側部位１２ｏでは圧縮応力が生じる。

（ナックルアーム）
ナックルアーム２１は、本体部１０から前方に延設され、タイロッド５に連結される。ナックルアーム２１の先端部（前端部）には、タイロッド５が結合されるタイロッド取付部２３が設けられており、ボールジョイント２５によりタイロッド５が結合されている。

（上アーム部）
上アーム部３１は、本体部１０から上方に延設され、ストラット式サスペンション６のショックアブソーバー６ａに連結される。上アーム部３１の先端部（上端部）には、ショックアブソーバー６ａが結合されるストラット取付部３３が設けられており、ボルト３５によりショックアブソーバー６ａが結合されている。

（下アーム部の屈曲部分の組織）
下アーム部１１の屈曲部分１２の組織について、図３を参照して説明する。図３は、図２に示す屈曲部分１２のＡ−Ａ断面（下アーム部１１の長手方向に直交する断面）の組織を模式的に示している。図３において、左下がりの斜線のハッチングで示す部位、横線のハッチングで示す部位、右下がりの斜線のハッチングで示す部位、縦線のハッチングで示す部位の順にパーライト率が高いことを表している。本実施形態では、下アーム部１１の屈曲部分１２において、図３に示すように、車幅方向の内側と外側とで組織が異なっている。具体的には、パーライト率が車幅方向の内側よりも外側の方が高くなるように変化しており、車幅方向内側から外側にかけてパーライト率が増加する傾斜組織を有する。つまり、図２に示す外側部位１２ｏのパーライト率が内側部位１２ｉのパーライト率がよりも高くなっている。そのため、屈曲部分１２のうち、内側部位１２ｉでは伸びが大きいのに対し、外側部位１２ｏでは降伏点が大きい。外側部位１２ｏパーライト率は、組成や鋳造条件などにもよるが、例えば、内側部位１２ｉのパーライト率の１．５倍以上、更に２倍以上であることが挙げられる。

「パーライト率」とは、断面における単位面積あたりに占めるパーライト組織の面積割合のことをいう。パーライト率は、断面の組織を金属顕微鏡などで観察して、画像解析により、観察視野中のパーライト組織の面積を計測し、黒鉛を除いた組織の面積を１００％として、パーライト組織が占める面積割合を算出することによって測定することができる。本例では、屈曲部分の曲げの径方向に沿った断面をとり、屈曲部分の断面の中心（重心）を通り径方向に沿う直線上の複数箇所（例えば４箇所以上）を観察して、それぞれのパーライト率を測定することにより、車幅方向内側から外側にかけてパーライト率を求める。測定条件としては、例えば、倍率：５０倍以上、視野サイズ：５００μｍ×５００μｍ以上とすることが挙げられる。パーライト以外の組織としては、主にフェライト組織が挙げられる。

ステアリングナックル１の組成は、公知の鋳鉄（例えば球状黒鉛鋳鉄）の組成を採用でき、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓを含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成とすることが挙げられる。その他、例えばＭｇ、Ｃｕ、Ｃｒなどの元素を添加してもよい。

ステアリングナックル１は、鋳鉄の溶湯を鋳型に注湯し、鋳型内で冷却して鋳造することで製造されている。図３に示す下アーム部１１の屈曲部分１２の断面組織は、鋳造時、下アーム部１１の屈曲部分１２において、車幅方向外側に位置する外側部位１２ｏ（図２参照）の冷却速度を車幅方向内側に位置する内側部位１２ｉ（図２参照）の冷却速度よりも遅くすることで得られる。外側部位１２ｏの冷却速度を内側部位１２ｉよりも遅くすることで、外側部位１２ｏのパーライト率を内側部位１２ｉよりも高くすることができる。これは、冷却速度が速いとパーライトが生成され難く、冷却速度が遅いほどパーライトが生成されるからである。

外側部位１２ｏの冷却速度を内側部位１２ｉの冷却速度よりも遅くする方法としては、鋳型を温度制御することが挙げられる。例えば、鋳型における下アーム部１１の屈曲部分１２に対応する箇所において、内側部位１２ｉ側を急冷する冷却機構及び外側部位１２ｏ側を徐冷する加熱機構のうち、少なくとも一方を設けることが挙げられる。鋳型の構成の一例としては、図４（Ａ）に示すように、鋳型４０において、下アーム部１１の屈曲部分１２に対応する箇所のうち、内側部位１２ｉ側に冷却機構として冷却水配管４１を配設することが挙げられる。或いは、外側部位１２ｏ側に加熱機構としてヒータ（図示せず）を埋設することが挙げられる。冷却機構としては、内側部位１２ｉ側の鋳型４０の外周面に放熱フィン（図示せず）を設け、放熱フィンに風を当てて内側部位１２ｉ側の冷却速度を速くしてもよい。外側部位１２ｏ側にも冷却水配管を設けてもよく、この場合、外側部位１２ｏ側の冷却水配管の本数や流路断面積を内側部位１２ｉ側よりも減らしたり、外側部位１２ｏ側の冷却水配管に流れる冷却水の温度を内側部位１２ｉ側よりも高くすることが挙げられる。

また、別の一例としては、図４（Ｂ）に示すように、外側部位１２ｏ側に押し湯４２を設け、押し湯４２により外側部位１２ｏの冷却速度を遅くしてもよい。

＜作用効果＞
上述した実施形態１のステアリングナックル１は、次の作用効果を奏する。
ロアアーム４に連結される下アーム部１１の屈曲部分１２において、外側部位１２ｏのパーライト率が内側部位１２ｉのパーライト率よりも高く、車幅方向内側から外側にかけてパーライト率が増加する傾斜組織を有する。よって、屈曲部分１２の内側部位１２ｉのパーライト率が低く、伸びが大きいのに対し、外側部位１２ｏのパーライト率が高く、降伏点が大きい。そのため、ロアアーム４からロアアーム取付部１３に車幅方向外側への荷重が入力された際、引張応力を受ける内側部位１２ｉでは、伸びが大きいので、引張応力によるき裂の発生を抑制できる。一方、圧縮応力を受ける外側部位１２ｏでは、降伏点が大きいので、圧縮応力による変形を抑制できる。したがって、ロアアーム取付部１３に入力される車幅方向外側への荷重に対して、下アーム部１１の屈曲部分１２の破断や変形を抑制でき、屈曲部分１２の強度を向上できる。

以上説明した本発明の実施形態に関連して、更に以下の付記を開示する。

［付記１］
鋳鉄の溶湯を鋳型に注湯し、鋳型内で冷却して鋳造するステアリングナックルの製造方法であって、
前記ステアリングナックルは、
車輪を支持する本体部と、前記本体部から下方に延設され、ロアアームに連結される下アーム部とを備え、
前記下アーム部の先端部が車幅方向内側に向けて屈曲し、その先端部に前記ロアアームが結合されるロアアーム取付部を有しており、
前記下アーム部の屈曲部分において、車幅方向外側に位置する外側部位の冷却速度を車幅方向内側に位置する内側部位の冷却速度よりも遅くして鋳造する工程を備えるステアリングナックルの製造方法。

付記１のステアリングナックルの製造方法によれば、下アーム部の屈曲部分において、外側部位の冷却速度を内側部位の冷却速度よりも遅くすることで、外側部位のパーライト率を内側部位のパーライト率よりも高くして、車幅方向内側から外側にかけてパーライト率が増加する傾斜組織を形成できる。屈曲部分の内側部位のパーライト率を低くして伸びを大きくすることにより、引張応力によるき裂の発生を抑制できる。また、屈曲部分の外側部位のパーライト率を高くして降伏点を大きくすることにより、圧縮応力による変形を抑制できる。よって、ロアアーム取付部に入力される車幅方向外側への荷重に対して、下アーム部の屈曲部分の破断や変形を抑制できる。したがって、上記ステアリングナックルの製造方法は、ロアアームに連結される下アーム部の屈曲部分における強度を向上できる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のステアリングナックルは、乗用車や貨物車などの自動車に利用可能である。

１ ステアリングナックル
２ 車輪
２ｔ タイヤ
３ 車軸
４ ロアアーム
５ タイロッド
６ サスペンション
６ａ ショックアブソーバー
１０ 本体部
１１ 下アーム部
１２ 屈曲部分
１２ｉ 内側部位
１２ｏ 外側部位
１３ ロアアーム取付部
１５ ボールジョイント
２１ ナックルアーム
２３ タイロッド取付部
２５ ボールジョイント
３１ 上アーム部
３３ ストラット取付部
３５ ボルト
４０ 鋳型
４１ 冷却水配管
４２ 押し湯

Claims (1)

1. 車輪を支持する本体部と、
   前記本体部から下方に延設され、ロアアームに連結される下アーム部と、を備えるステアリングナックルであって、
   前記下アーム部は、先端部が車幅方向内側に向けて屈曲し、その先端部に前記ロアアームが結合されるロアアーム取付部を有し、
   前記下アーム部の屈曲部分において、車幅方向外側に位置する外側部位のパーライト率が車幅方向内側に位置する内側部位のパーライト率よりも高く、車幅方向外側から内側にかけてパーライト率が減少する傾斜組織を有するステアリングナックル。

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