スイングアームは通常、車輪と車体の間に位置し、運転者に関わる安全部品であり、力を伝達し、振動の伝達を弱め、方向を制御する役割を担っている。
スイングアームは通常、車輪と車体の間に位置し、運転者の安全に関わる部品であり、力を伝達し、振動伝達を低減し、方向を制御する役割を担っています。本稿では、市販されているスイングアームの一般的な構造設計を紹介し、異なる構造が製造工程、品質、価格に与える影響を比較分析します。
自動車のシャーシサスペンションは、大きく分けてフロントサスペンションとリアサスペンションに分類されます。フロントサスペンションとリアサスペンションの両方に、車輪と車体をつなぐスイングアームが備わっています。スイングアームは通常、車輪と車体の間に配置されています。
ガイドスイングアームの役割は、ホイールとフレームを接続し、力を伝達し、振動伝達を低減し、方向を制御することです。これはドライバーに関わる安全部品です。サスペンションシステムには力を伝達する構造部品があり、それによってホイールは一定の軌道に従って車体に対して相対的に動きます。構造部品は荷重を伝達し、サスペンションシステム全体が車の操縦性能を支えます。
自動車用スイングアームの一般的な機能と構造設計
1. 荷重伝達の要件を満たすため、スイングアーム構造の設計と技術
現代の自動車のほとんどは独立懸架システムを採用しています。独立懸架システムは、構造形式の違いにより、ウィッシュボーン型、トレーリングアーム型、マルチリンク型、キャンドル型、マクファーソン型に分類できます。クロスアームとトレーリングアームは、マルチリンクのシングルアームの2力構造で、2つの接続点があります。2本の2力ロッドは、ユニバーサルジョイントに一定の角度で組み立てられ、接続点の接続線は三角形構造を形成します。マクファーソンフロントサスペンションのロアアームは、3つの接続点を持つ典型的な3点スイングアームです。3つの接続点を結ぶ線は、複数の方向からの荷重に耐えることができる安定した三角形構造です。
2力スイングアームの構造はシンプルで、構造設計は各企業の専門知識や加工の容易さに応じて決定されることが多い。例えば、プレス加工板金構造（図1参照）では、設計構造は溶接のない一枚の鋼板で、構造空洞は主に「I」字型である。板金溶接構造（図2参照）では、設計構造は溶接鋼板で、構造空洞は「口」型であることが多い。あるいは、危険な箇所を局所的に補強板で溶接して強化する。鋼鍛造加工構造では、構造空洞は一体型で、形状は主にシャーシのレイアウト要件に応じて調整される。アルミニウム鍛造加工構造（図3参照）では、構造空洞は一体型で、形状要件は鋼鍛造と同様である。鋼管構造は構造がシンプルで、構造空洞は円形である。
3点スイングアームの構造は複雑で、構造設計は多くの場合、OEMの要求に応じて決定されます。モーションシミュレーション解析では、スイングアームは他の部品と干渉してはならず、ほとんどの場合、最小距離の要件があります。たとえば、プレス加工された板金構造は、板金溶接構造と同時に使用されることが多く、センサーハーネス穴やスタビライザーバーコネクティングロッド接続ブラケットなどによって、スイングアームの設計構造が変わります。構造空洞は依然として「口」の形状であり、スイングアーム空洞は閉じた構造の方が閉じていない構造よりも優れています。鍛造加工構造では、構造空洞は主に「I」字型で、ねじり抵抗と曲げ抵抗の伝統的な特性があります。鋳造加工構造では、形状と構造空洞は、鋳造の特性に応じて、補強リブと軽量化穴が装備されることがよくあります。板金溶接鍛造との複合構造では、車両シャーシのレイアウトスペースの要件により、ボールジョイントが鍛造に統合され、鍛造が板金に接続されます。鋳造鍛造アルミニウム加工構造は、鍛造よりも優れた材料利用率と生産性を提供し、鋳造品の材料強度よりも優れているため、新技術の応用と言えます。
2. 振動の伝達を低減し、スイングアームの接続点における弾性要素の構造設計を行う。
車両が走行する路面は完全に平坦ではないため、車輪に作用する路面の垂直反力はしばしば衝撃的であり、特に路面の悪い場所を高速で走行している場合は、この衝撃力によってドライバーが不快感を覚えます。そのため、サスペンションシステムには弾性要素が取り付けられ、剛性接続が弾性接続に変換されます。弾性要素が衝撃を受けると振動が発生し、その振動が継続するとドライバーが不快感を覚えるため、サスペンションシステムには振動振幅を急速に低減するための減衰要素が必要です。
スイングアームの構造設計における接続点は、弾性要素接続とボールジョイント接続です。弾性要素は振動減衰と、少数の回転および振動自由度を提供します。自動車では弾性部品としてゴムブッシュがよく使用されますが、油圧ブッシュやクロスヒンジも使用されます。
図2 板金溶接用スイングアーム
ゴムブッシュの構造は、主に鋼管の外側にゴムを貼ったもの、または鋼管・ゴム・鋼管のサンドイッチ構造である。内側の鋼管には耐圧性と直径に関する要件があり、両端には滑り止め加工が施されているのが一般的である。ゴム層は、剛性要件に応じて材料配合と設計構造が調整される。
最も外側の鋼製リングには、多くの場合、圧入に適した導入角度が要求されます。
油圧ブッシュは複雑な構造を持ち、ブッシュの中でも複雑な製造工程を経て高い付加価値を持つ製品です。ゴム内部に空洞があり、その中にオイルが充填されています。空洞構造の設計は、ブッシュの性能要件に基づいて行われます。オイルが漏れると、ブッシュが損傷します。油圧ブッシュは優れた剛性曲線を提供し、車両全体の走行性能に影響を与えます。
クロスヒンジは複雑な構造を持ち、ゴムとボールヒンジを組み合わせた複合部品です。ブッシングよりも優れた耐久性、スイング角度と回転角度、特殊な剛性曲線を備え、車両全体の性能要件を満たします。クロスヒンジが損傷すると、車両の走行中にキャビン内に異音が発生します。
3. 車輪の動きに伴い、スイングアームの接続点におけるスイング要素の構造設計
路面の凹凸により、車輪は車体（フレーム）に対して上下に揺れ動き、同時に旋回や直進などの動作を行うため、車輪の軌道は一定の要件を満たす必要がある。スイングアームとユニバーサルジョイントは、大部分がボールヒンジで接続されている。
スイングアームボールヒンジは、±18°を超えるスイング角度と360°の回転角度を実現できます。ホイールの振れやステアリングに関する要件を完全に満たしています。また、ボールヒンジは、車両全体に対して2年または60,000km、3年または80,000kmの保証要件を満たしています。
スイングアームとボールヒンジ（ボールジョイント）の接続方法の違いにより、ボルトまたはリベット接続（ボールヒンジにフランジあり）、圧入干渉接続（ボールヒンジにフランジなし）、一体型（スイングアームとボールヒンジが一体）に分類できます。単板金属構造と複数板金属溶接構造では、前者の2種類の接続方法がより広く使用されています。鋼鍛造、アルミニウム鍛造、鋳鉄などの構造では、後者の接続方法がより広く使用されています。
ボールヒンジは、荷重条件下での耐摩耗性を満たす必要があり、ブッシングよりも作動角度が大きいため、より高い寿命が求められます。したがって、ボールヒンジは、スイング部の良好な潤滑と防塵・防水潤滑システムを含む複合構造として設計する必要があります。
図3 アルミニウム鍛造スイングアーム
スイングアーム設計が品質と価格に与える影響
1. 品質要素：軽いほど良い
サスペンションの剛性と、サスペンションスプリングが支える質量（ばね上質量）によって決まる、人体の固有振動数（振動系の自由振動数とも呼ばれる）は、車の乗り心地に影響を与えるサスペンションシステムの重要な性能指標の一つです。人体が利用する垂直振動数は、歩行時に体が上下に動く周波数であり、約1～1.6Hzです。人体の固有振動数は、この周波数範囲にできるだけ近い方が望ましいです。サスペンションシステムの剛性が一定の場合、ばね上質量が小さいほど、サスペンションの垂直方向の変形が小さくなり、固有振動数は高くなります。
垂直荷重が一定の場合、サスペンションの剛性が低いほど、車の固有振動数は低くなり、車輪が上下に跳ねるために必要な空間は大きくなる。
路面状況と車速が同じ場合、バネ下質量が小さいほど、サスペンションシステムにかかる衝撃荷重は小さくなります。バネ下質量には、ホイール質量、ユニバーサルジョイントおよびガイドアームの質量などが含まれます。
一般的に、アルミ製のスイングアームは最も軽量で、鋳鉄製のスイングアームは最も重量が大きい。その他の素材は、その中間の質量を持つ。
スイングアーム一式の質量は、1000kgを超える車両質量と比較すると、ほとんどの場合10kg未満であるため、スイングアームの質量は燃費にほとんど影響を与えません。
2. 価格要因：設計プランによって異なります
要求事項が増えるほど、コストも高くなります。スイングアームの構造強度と剛性が要求事項を満たしているという前提で、製造公差の要求事項、製造工程の難易度、材料の種類と入手可能性、表面腐食の要求事項はすべて価格に直接影響します。例えば、防食要因としては、電気亜鉛めっきは表面パッシベーションなどの処理により約144時間を実現できます。表面保護は、陰極電着塗装に分けられ、塗膜厚と処理方法を調整することで240時間の耐食性を実現できます。亜鉛鉄または亜鉛ニッケルめっきは、500時間以上の防食試験の要求事項を満たすことができます。腐食試験の要求事項が増えるにつれて、部品のコストも高くなります。
スイングアームの設計と構造案を比較することで、コストを削減できる。
周知のとおり、異なるハードポイント配置は異なる走行性能をもたらします。特に、同じハードポイント配置であっても、接続点の設計が異なるとコストが異なる場合があることを指摘しておく必要があります。
構造部品とボールジョイントの接続方法には、標準部品（ボルト、ナット、リベットなど）による接続、圧入接続、一体型接続の3種類があります。標準接続構造と比較すると、圧入接続構造はボルト、ナット、リベットなどの部品の種類を削減できます。一体型接続は圧入接続構造よりもボールジョイントの部品数を削減できます。
構造部材と弾性要素との接続には、前後の弾性要素が軸方向に平行な場合と軸方向に垂直な場合の 2 つの形式があります。異なる方法によって、異なる組み立てプロセスが決まります。たとえば、ブッシングの圧入方向が同じ方向で、スイングアーム本体に垂直な場合、シングルステーションのダブルヘッドプレスを使用して前後のブッシングを同時に圧入できるため、人員、設備、時間を節約できます。取り付け方向が一致しない場合 (垂直方向) は、シングルステーションのダブルヘッドプレスを使用してブッシングを順次圧入して取り付けることができるため、人員と設備を節約できます。ブッシングが内側から圧入するように設計されている場合は、2 つのステーションと 2 つのプレスが必要で、ブッシングを順次圧入します。
