(57)【要約】【課題】  軽量、かつ低コストでベアリングの支持を可能にする自動車用ナックルおよびその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】  車輪を回転支持するボールベアリング８を支持するベアリング支持部２と、このベアリング支持部２とサスペンションとを連結するナックルアーム４とを有する自動車用ナックル１であって、ベアリング支持部２に、母材と異なる材質からなるベアリングブッシュ２５をインサート成形して設ける。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪を回転支持するベアリングを支持するベアリング支持部に、母材と異なる材質からなるベアリングブッシュをインサート成形して設けたことを特徴とする自動車用ナックル。
【請求項２】
前記母材は、アルミニウムまたはその合金からなることを特徴とする請求項１に記載の自動車用ナックル。
【請求項３】
車輪を回転支持するベアリングを支持するベアリング支持部と、このベアリング支持部とサスペンションとを連結するナックルアームとを有する自動車用ナックルの製造方法であって、
前記自動車用ナックルの形状を象った型のキャビティ内の、前記ベアリング支持部に相当する部位に、母材と異なる材質からなるベアリングブッシュをインサートし、
前記キャビティに母材となる材料を注湯して成形することを特徴とする自動車用ナックルの製造方法。
【請求項４】
前記キャビティの前記ベアリング支持部に相当する部位の上部にライザー部を設けたことを特徴とする請求項３に記載の自動車用ナックルの製造方法。
【請求項５】
前記ライザー部の冷却速度を、前記ナックルアームの部分の冷却速度より小さくしたことを特徴とする請求項４に記載の自動車用ナックルの製造方法。
【請求項６】
前記キャビティに母材となる材料を注湯した後、前記ベアリング支持部に相当する部分を加圧することを特徴とする請求項３に記載の自動車用ナックルの製造方法。
【請求項７】
前記キャビティに母材となる材料を注湯した後、前記ベアリング支持部が半凝固または凝固した時点で、当該部分に鍛造工程を施すことを特徴とする請求項３に記載の自動車用ナックルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用ナックルおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用ナックルは、車輪を支持するベアリングとサスペンションとを連結する部品であり、適度な剛性と強度を兼ね備える必要がある。また、自動車用ナックルには、前記ベアリングを圧入などにより保持させるため（特許文献１参照）、長期間の使用によるへたりにも耐えうる必要がある。
そして、近年の車両の高効率化の要請からは、自動車用ナックルも軽量化を求められ、一部の車種ではアルミニウム（またはその合金）を用いたものも知られている。
【０００３】
アルミニウムを自動車用ナックルに用いた場合には、従来のＦＣＤ（ダクタイル鋳鉄）に比較して強度、耐へたり性、耐フレッティング性において劣り、また、ベアリングの材料とアルミニウムとの材質上の違いから電食、熱膨張への対応も必要となる。
特に、ベアリングを圧入する場合には、熱膨張差、およびフレッティング摩耗の考慮から圧入代を大きく取ることになるが、圧入代の上限は、アルミニウムの耐力、へたりから制限される。一方、圧入代が少なすぎると、ベアリングハウジングの叩かれ摩耗、およびフレッティング摩耗が起きやすくなる。そのため、アルミニウム製の自動車用ナックルでは、ベアリングのアウターレースにフランジを一体に形成して、このフランジにおいて自動車用ナックルへ締結固定するタイプのベアリングが多く採用され始めている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平２−１９０２２６号公報（第１頁右欄、第３頁右下欄）
【特許文献２】特開２００１−１９９２０２号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、軽量化のためにアルミニウムを用いるのにもかかわらず、フランジが一体となったタイプのベアリングは重量が重い。また、コストも高く、高燃費、低コストを要求される小型自動車においては採用することができない。
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、軽量、かつ低コストでベアリングの支持を可能にする自動車用ナックルおよびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するため、本発明の自動車用ナックルは、車輪を回転支持するベアリングを支持するベアリング支持部に、母材と異なる材質からなるベアリングブッシュをインサート成形して設けたことを特徴とする。
【０００６】
このように、ベアリング支持部において、ベアリングブッシュをインサートすることにより、母材に軽合金を用いた場合でも、ベアリング支持部に、強度、耐へたり性、耐フレッティング性を備えてベアリングの圧入を可能にし、軽量、かつ低コストの自動車用ナックルを実現することができる。
このときの母材としては、例えば、アルミニウムもしくはその合金、またはマグネシウム合金などを用いることができる。また、ベアリング強化部材としては、鋳鉄、鋼材、ステンレス、チタン合金、繊維強化金属などを用いることができる。
【０００７】
また、本発明は、車輪を回転支持するベアリングを支持するベアリング支持部と、このベアリング支持部とサスペンションとを連結するナックルアームとを有する自動車用ナックルの製造方法であって、前記自動車用ナックルの形状を象った型のキャビティ内の、前記ベアリング支持部に相当する部位に、母材と異なる材質からなるベアリングブッシュをインサートし、前記キャビティに母材となる材料を注湯して成形することを特徴とする。
【０００８】
この製造方法においては、前記キャビティの前記ベアリング支持部に相当する部位の上部にライザー部を設けるのが望ましい。
そして、前記ライザー部の冷却速度は、前記ナックルアームの部分の冷却速度より小さくするのが望ましい。
【０００９】
このように、自動車用ナックルにおいて一般的に肉厚となるベアリング支持部にライザー部を設けることで、ライザー部の冷却速度と、その他の部分、つまりナックルアームの部分の冷却速度とに落差を取りやすくなる。その結果、凝固のコントロールがし易く、急速冷却による組織の微細化、高伸び特性、高生産性をも実現しやすくなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の自動車用ナックルおよびその製造方法によれば、軽量な自動車用ナックルを低コストで製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、実施形態に係る自動車用ナックルの外観斜視図である。
図１に示すように、実施形態に係る自動車用ナックル１は、車輪を車軸やハブなどと協働して回転支持するボールベアリング８を、圧入または締結などにより支持するベアリング支持部２と、自動車のサスペンションのリンクにそれぞれ締結される複数の取付ボス３と、ベアリング支持部２と取付ボス３とを連結する複数のナックルアーム４とを有して構成されている。自動車用ナックル１は、好ましくはアルミニウムまたはその合金などの軽金属からなる。ベアリング支持部２には、例えば、ＦＣＤにより形成されたベアリングブッシュ２５が、自動車用ナックル１の成形時にインサートされることにより配置されており、ベアリングブッシュ２５の内径を仕上げ加工することで、ボールベアリング８（ベアリング）が圧入される嵌合穴２ａが形成されている。
【００１２】
図２は、実施形態に係る自動車用ナックルの断面図である。
図２に示すように、ベアリングブッシュ２５は、内周の嵌合穴２ａに、小径となる段差２ｂが形成されており、段差２ｂは、ボールベアリング８が圧入されたときの位置決めとして機能する。また、ベアリングブッシュ２５の外周２ｃは、自動車用ナックル１にインサートされた後にベアリング支持部２から離脱しにくいように、適宜粗面とされ、または突起部、凹部、リブ、もしくは溝などが形成されるのが望ましい。
ベアリングブッシュ２５は、自動車用ナックル１の母材よりも強度の高い材質で形成される。例えば、自動車用ナックル１の母材がアルミニウムまたはその合金であるときは、例えば、ベアリングブッシュ２５は、鋳鉄、鋼材、ステンレス、チタン合金、または繊維強化金属などを使用することができる。特にボールベアリング８の外輪は一般的に鋼材からなるので、熱膨張率がアルミニウムまたはその合金と、鋼材との間にあるような材料を用いると、温度変化による圧入締め代の変化が少なく、また温度変化により母材とベアリングブッシュ２５の間に生じる応力も小さくて済むので望ましい。
【００１３】
次に、自動車用ナックル１の製造方法について説明する。
図３は、本発明の自動車用ナックルを製造するための鋳型の模式断面図である。図３に示すように、鋳型１０は、アルミニウム溶湯を用いて重力鋳造法により自動車用ナックル１を鋳造するための型である。鋳型１０は、自動車用ナックル１の形状を象ったキャビティ１１と、キャビティ１１に通じるとともに鋳型１０の上面１０ａに開口する湯口１３とが形成されている。キャビティ１１においては、溶湯が注湯されることにより鋳物製品１２が形成される。鋳物製品１２は、ベアリング支持部２に相当する部分（以下、単に「ベアリング支持部２」という。）、取付ボス３に相当する部分、ナックルアーム４に相当する部分（以下、単に「ナックルアーム４」という。）を有し、ベアリング支持部２を上側にした向きでキャビティ１１が形成されている。キャビティ１１の表面は、その全体、または部位毎に、所望の冷却速度にするため、適宜に選択された塗型が設けられている。
【００１４】
また、ベアリング支持部２の上には、当該位置に連続してライザー部１５が上方に向けて設けられている。そして、前記した湯口１３はライザー部１５の上方に連続して設けられている。ライザー部１５は、冷却速度（凝固速度）を遅くするため、適宜断熱塗型、断熱コーティング処理などがなされる。または、ライザー部１５の型の部分を、断熱性の高いセラミックにより形成してもよい。
【００１５】
鋳物製品１２のベアリング支持部２の部分には、鋳物製品１２の鋳造前にベアリングブッシュ２５がインサートされる。
【００１６】
鋳型１０には、所望の箇所に複数、本実施形態においては２箇所に冷却流路１６，１７が設けられている。冷却流路１６，１７には、冷却水供給系１８で所定温度に冷却された冷却水などの冷却媒体が自動流量調節バルブ１６ａ，１７ａを介して供給される。
【００１７】
冷却流路１６，１７は、鋳型１０のキャビティ１１のうち、冷却が必要とされる箇所を十分に冷却できるように配設されている。例えば、図３においては、ナックルアーム４の付近に冷却流路１６が配設され、ライザー部１５の付近に冷却流路１７が配設されている。また、各冷却流路１６，１７に対応してキャビティ１１の表面近くには、温度検出手段としての熱電対１９，２０がそれぞれ配置されている。
【００１８】
熱電対１９，２０の出力は、ＣＰＵとメモリを有する制御手段２１により、例えば０．１秒ごとに検出される。制御手段２１は、予め設定されてメモリに記憶させたプログラムに基づいて自動流量調節バルブ１６ａ，１７ａを制御して、鋳型１０に流通する冷却水の流量を調節することができる。
【００１９】
次に、図４を参照しながら鋳型１０の温度制御方法について説明する。図４は、実施形態にかかる自動車用ナックルの鋳造における時間と温度の関係を示すグラフである。図４においては、熱電対１９、２０によって検出されたライザー部１５およびナックルアーム４を規定するキャビティ面の温度であり、この検出温度に基づいて制御手段２１によって自動流量調節バルブ１６ａ，１７ａを制御することで、冷却流路１６，１７を流通する冷却水の流量を調節して得られたものである。図４のグラフのうち、実線は、熱電対１９について設定したナックルアーム４の冷却曲線であり、破線は、熱電対２０について設定したライザー部１５の冷却曲線である。
【００２０】
ここでは、注湯開始時点Ａから、次のサイクルの注湯開始時点Ａまでの間を鋳造加工の１サイクルとしている。
制御手段２１に記憶されたプログラムには、１サイクルの経過時間によって変化する制御目標値である設定温度が、鋳型１０にテスト鋳造したときの実際の温度変化に基づいて設定されている。本実施形態における設定温度は、ライザー部１５については、注湯開始時点Ａから最高温度到達時点Ｂまでを一定値である設定温度３２（温度Ｔ２）と、最高温度到達時点Ｂから湯口凝固時点Ｃ２（湯口及び押湯口が凝固する時点、温度Ｔ３が凝固点である）までの温度−時間目標特性３１と、湯口凝固時点Ｃ２から次のサイクルの注湯開始時点Ａまでの温度−時間目標特性３０とを連続させた制御グラフからなり、制御手段２１のメモリに記憶されている。
【００２１】
また、ナックルアーム４については、設定温度は、注湯開始時点Ａから最高温度到達時点Ｂまでを一定値である設定温度３２（温度Ｔ２）と、最高温度到達時点Ｂから凝固点（温度Ｔ３）以下の温度Ｔ４まで急速に下降し、ナックルアーム凝固時点Ｃ１までの温度−時間目標特性３３と、ナックルアーム凝固時点Ｃ１から温度−時間目標特性３０へ緩やかに下降するようにつながる温度−時間目標特性３４と、温度−時間目標特性３０とを連続させた制御グラフからなり、制御手段２１のメモリに記憶されている。
【００２２】
すなわち、ナックルアーム４を含む自動車用ナックル１となる部分は、注湯後急速に冷却されるのに対し、ライザー部１５は、凝固点（温度Ｔ３）まで緩やかに冷却されるように設定されている。
【００２３】
また、制御手段２１に記憶されたプログラムは、メモリに記憶された設定温度に対して、熱電対１９，２０の検出温度（鋳型１０の温度）が高ければ、自動流量調節バルブ１６ａ，１７ａを開放して鋳型１０に冷却水を流通させ、鋳型１０の熱電対１９，２０の検出温度が低ければ、自動流量調節バルブ１６ａ，１７ａを閉鎖して鋳型１０への冷却水の流通を止めるようにプログラムされている。
【００２４】
制御手段２１のプログラムに基づいて制御された鋳型１０は、図４に示すように、注湯開始時点Ａの温度Ｔ１から急激に上昇して最高温度到達時点Ｂ付近において設定温度３２（温度Ｔ２）に基づいて制御される。そして、ライザー部１５の温度は、その後、湯口凝固時点Ｃ２の温度Ｔ３に向けて緩やかに下降し、さらに設定温度３２から連続する温度−時間目標特性３１に基づいて制御される。そして、温度−時間目標特性３１に連続して湯口凝固時点Ｃ２から次のサイクルの注湯開始時点Ａの温度Ｔ１に向けて急速冷却する温度−時間目標特性３０に基づいて制御される。
一方、ナックルアーム４の温度は、最高温度到達時点Ｂ付近から温度−時間目標特性３３にしたがいナックルアーム凝固時点Ｃ１の温度Ｔ４に向けて急速に下降し、さらに温度Ｔ４から温度−時間目標特性３４にしたがい、温度−時間目標特性３０へ向けて緩やかに下降する。
【００２５】
なお、重力鋳造法において重要である注湯開始時点Ａの温度Ｔ１は、各サイクルとも常に一定の最適注湯温度となるように制御されている。
【００２６】
本実施形態においては、最高温度到達時点Ｂからナックルアーム凝固時点Ｃ１までの温度−時間目標特性３３を比較的緩やかな冷却特性としたい場合には、塗型の選択次第で冷却水を流通させないテスト鋳造の実測値とほとんど同じにできるため、Ｂ−Ｃ１間においては、冷却水を通水させずに所望の冷却速度を得ることができる。また、Ｂ−Ｃ１間の冷却速度を比較的急峻な冷却特性としたい場合には、塗型を設けないとともに、必要に応じ自動流量調節バルブ１６ａを開放して冷却水を冷却流路１６に流通させることにより所望の冷却速度を得ることができる。
これに対し、ライザー部１５の冷却速度は遅く、温度−時間目標特性３１の冷却速度は、１８０℃／分以下に設定されている。ライザー部１５の冷却速度は、より望ましくは１００℃／分以下である。
【００２７】
さらに、制御手段２１に記憶されたプログラムは、熱電対１９，２０によって検出された鋳型１０の温度が設定温度に対して高すぎたり、低すぎたりしていないかを監視する温度監視領域が設定されている。
【００２８】
本実施形態の温度監視領域は、Ａ−Ｂ間、Ｂ−Ｃ１間、Ｂ−Ｃ２間、Ｃ１−Ｄ間、Ｃ２−Ａ間のそれぞれに対応して第１監視領域５１、第２監視領域５２、第３監視領域５３、第４監視領域５４、第５監視領域５５に分割されている。
【００２９】
第１監視領域５１においては、鋳型１０の温度が急激に上昇することと、この領域においては、ほとんど冷却水を流通させる制御を行わないため、設定温度３２（最高温度到達時点Ｂの温度Ｔ２）よりも少し高い温度を一定の上限温度５１ａとし、最適注湯開始温度である温度Ｔ１よりも少し低い温度を一定の下限温度５１ｂとしている。
【００３０】
第２監視領域５２においては、設定温度である温度−時間目標特性３３にしたがって変化する上限温度−時間特性５２ａと下限温度−時間特性５２ｂが設定されている。上限温度−時間特性５２ａと下限温度−時間特性５２ｂは、温度−時間目標特性３３に対して平行に設定されている。この第２監視領域５２においては、温度−時間目標特性３３が温度Ｔ４まで急速に冷却するように設定されているため、鋳型１０の実際の温度にも比較的バラツキが大きくなる（つまり、温度−時間目標特性３３に対する実際値との偏差が大きい）ので、上限温度−時間特性５２ａと下限温度−時間特性５２ｂは、設定温度の温度−時間目標特性３３を中心に対称で比較的広い幅の温度監視領域に設定されている。
【００３１】
第３監視領域５３においては、設定温度である温度−時間目標特性３１にしたがって変化する上限温度−時間特性５３ａと下限温度−時間特性５３ｂが設定されている。上限温度−時間特性５３ａと下限温度−時間特性５３ｂは、温度−時間目標特性３１に対して平行に設定されている。この第３監視領域５３においては、温度のバラツキが小さいため、上限温度−時間特性５３ａと下限温度−時間特性５３ｂは、設定温度の温度−時間目標特性３１を中心に対称で比較的狭い幅の温度監視領域に設定されている。
【００３２】
第４監視領域５４においては、設定温度である温度−時間目標特性３４にしたがって変化する上限温度−時間特性５４ａと下限温度−時間特性５４ｂが設定されている。上限温度−時間特性５４ａと下限温度−時間特性５４ｂは、温度−時間目標特性３４に対して平行に設定されている。この第４監視領域５４においては、温度のバラツキが小さいため、上限温度−時間特性５４ａと下限温度−時間特性５４ｂは、設定温度の温度−時間目標特性３４を中心に対称で比較的狭い幅の温度監視領域に設定されている。
【００３３】
第５監視領域５５は、設定温度である温度−時間目標特性３０にしたがって変化する上限温度−時間特性５５ａと下限温度−時間特性５５ｂが設定されている。この第５監視領域５５においては、温度−時間目標特性３０がＣ２−Ａ間で最適注湯開始温度である温度Ｔ１まで急速に冷却するように設定されているため、鋳型１０の実際の温度にも比較的バラツキが大きくなる（つまり、温度−時間目標特性３０に対する実際値との偏差が大きい）ので、上限温度−時間特性５５ａと下限温度−時間特性５５ｂは、設定温度の温度−時間目標特性３０を中心に対称で比較的広い幅の温度監視領域に設定されている。
【００３４】
このような監視領域５１〜５５の間で各部の温度が制御されることにより、鋳物製品１２は、全体に安定した材質特性を有する品質となる。特に、ナックルアーム４を含む自動車用ナックル１となる部分とライザー部１５とで、冷却速度（凝固速度）に差がありライザー部１５の方が遅れて凝固するため、押湯を有効に作用させることができる。特に、鋳型１０は、ベアリング支持部２を上側に向けたキャビティ１１を形成し、そのベアリング支持部２の上に連続してライザー部１５を設けたので、材料の収縮に伴いベアリング支持部２、ナックルアーム４を介し、比較的均等に自動車用ナックル１の全体へ押湯を送ることができ、品質が安定する。
【００３５】
図５は、図３の鋳型に入れた溶湯がライザー部で凝固しはじめた半凝固の状態を示す断面図である。溶湯が凝固すると、インサートしたベアリングブッシュ２５は、鋳物製品１２のアルミニウムと一体となる。
そして、ライザー部１５の上部は、図５に示すように凝固時のひけによって中央が凹んだ形状となる。
ここで、本発明において必須ではないが、ピストン６０により、ライザー部１５を押圧すれば、ライザー部１５に残留した溶湯が鋳物製品１２に押し込まれて、凝固によるひけが解消されるとともに、ほとんど最終の鋳物製品１２の形状に整えられる。
【００３６】
以上のようにして鋳造された鋳物製品１２は、図６（ａ）に示すように、製品部１２Ａとライザー部１５とに切断され、図６（ｂ）に示すように、嵌合穴２ａ、およびその他の部分を機械加工して自動車用ナックル１となる。
【００３７】
このようにして製造された自動車用ナックル１は、ベアリングブッシュ２５をベアリング支持部２に鋳込んであることから、ベアリングブッシュ２５とベアリング支持部２とが強固に固着している。また、ボールベアリング８をベアリングブッシュ２５へ圧入しても、ボールベアリング８は、主としてベアリングブッシュ２５の弾性変形により保持されるのでボールベアリング８にフランジを設けてボルト締結をする必要がなく、軽量な自動車用ナックル１を製造することができる。
【００３８】
また、ベアリング支持部２に相当する部分の上部にライザー部１５を設けたことにより、ベアリングブッシュ２５の周りの強度を高めることができる。そして、ライザー部１５の部分の冷却速度をナックルアーム４の部分の冷却速度より小さくして鋳造を行うことで、押湯効果を有効に効かせることができる。さらに、ベアリング支持部２に相当する部分を凝固中に押圧（鍛造）することで、押湯効果をさらに効かせ、また、組織を緻密にして、ベアリング支持部２の周りの強度を高めることができる。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、前記実施の形態では、冷却媒体を冷却水としたが、鋳型の温度によっては、温調した油を用いてもよいし、効率よく鋳型を温調できるものであれば一般的に用いられる各種温調流体を用いることができる。また、前記実施の形態では、自動流量調節バルブを開放、閉鎖していわばＯＮ−ＯＦＦ制御によって冷却水を制御したが、自動流量調節バルブによって流量を複数段階で調節することにより、メモリに記憶されたプログラムに従いスムーズに温度制御することも可能である。
【００４０】
さらに、前記実施の形態では、説明の容易のため、２つの冷却流路と熱電対を用いた冷却回路であったが、冷却流路の数は特に限定されるものではない。
【００４１】
また、実施形態の製造方法においては、アルミニウム合金により自動車用ナックルを構成したが、必ずしもこれに限られない。また、ベアリングもボールベアリングには限られない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施形態に係る自動車用ナックルの外観斜視図である。
【図２】実施形態に係る自動車用ナックルの断面図である。
【図３】本発明の自動車用ナックルを製造するための鋳型の模式断面図である。
【図４】実施形態にかかる自動車用ナックルの鋳造における時間と温度の関係を示すグラフである。
【図５】図３の鋳型に入れた溶湯がライザー部で凝固しはじめた状態を示す断面図である。
【図６】鋳物製品の後加工工程を示す図であり、（ａ）はライザー部の分割工程、（ｂ）は機械加工工程を示す。
【符号の説明】
【００４３】
１      自動車用ナックル
２      ベアリング支持部
３      取付ボス
４      ナックルアーム
８      ボールベアリング
１０    鋳型
１５    ライザー部
２５    ベアリングブッシュ
【図１】
2006051507.tif 000003
【図２】
2006051507.tif 000004
【図３】
2006051507.tif 000005
【図４】
2006051507.tif 000006
【図５】
2006051507.tif 000007
【図６】
2006051507.tif 000008