スイングアームは通常、ホイールと車体の間に位置し、力を伝達したり、振動の伝達を弱めたり、方向を制御したりする運転者に関わる安全部品です。
スイングアームは通常、ホイールと車体の間に位置し、力の伝達、振動の伝達抑制、方向制御など、運転者に関わる安全部品です。本稿では、市場で一般的なスイングアームの構造設計を紹介し、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。
自動車のシャシーサスペンションは、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けられます。フロントサスペンションとリアサスペンションはどちらも、車輪と車体をつなぐスイングアームを備えています。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、車輪とフレームを連結し、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伝達構造部品が複数存在し、車輪が車体に対して一定の軌道を描くように動きます。これらの構造部品が荷重を伝達し、サスペンションシステム全体が車両の操縦性能を担っています。
自動車スイングアームの共通機能と構造設計
1. 荷重伝達の要件を満たす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。構造形式の違いにより、独立懸架システムは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けられます。クロスアームとトレーリングアームは、マルチリンクにおける1本のアームの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付けられ、接続点の接続線は三角形の構造を形成します。マクファーソン式フロントサスペンションロアアームは、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、多方向の荷重に耐えられる安定した三角形構造です。
双力スイングアームの構造はシンプルで、構造設計は各社の専門知識や加工の都合に合わせて決定されることが多い。例えば、プレス板金構造（図1参照）、設計構造は溶接なしの一枚の鋼板で、構造空洞は主に「I」字型である。板金溶接構造（図2参照）、設計構造は溶接鋼板で、構造空洞はより「口」型である。あるいは、局所的な補強板を使用して危険な箇所を溶接・補強する。鋼鉄鍛造機加工構造、構造空洞は中実で、形状は主にシャーシレイアウトの要件に合わせて調整される。アルミ鍛造機加工構造（図3参照）、構造空洞は中実で、形状要件は鋼鉄鍛造と同様である。鋼管構造は構造がシンプルで、構造空洞は円形である。
3点式スイングアームの構造は複雑で、構造設計はOEMの要件に応じて決定されることが多い。動作シミュレーション解析において、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、最小距離要件が課せられる。例えば、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、センサーハーネスの穴やスタビライザーバーのコネクティングロッド接続ブラケットなどは、スイングアームの設計構造を変化させる。構造空洞は依然として「口」の形状をしており、スイングアーム空洞は密閉構造よりも優れている。鍛造加工構造では、構造空洞は主に「I」字型で、ねじれや曲げに対する伝統的な特性を有する。鋳造加工構造では、鋳造の特性に応じて、形状と構造空洞に補強リブや軽量化のための穴が設けられることが多い。板金溶接と鍛造を組み合わせた構造では、車両シャーシの配置スペース要件により、ボールジョイントを鍛造部品に統合し、鍛造部品を板金部品に接続している。鋳造鍛造アルミ加工構造は、鍛造に比べて材料利用率と生産性に優れ、鋳物の材料強度よりも優れており、新技術の応用です。
2.ボディへの振動の伝達を低減し、スイングアームの接続点の弾性要素の構造設計
自動車が走行する路面は完全に平坦ではないため、路面からの垂直反力は車輪に作用し、特に悪路面を高速走行している場合には、この衝撃力によって運転者に不快感を与えることがあります。そのため、サスペンションシステムには弾性要素が組み込まれており、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、継続的な振動は運転者に不快感を与えます。そのため、サスペンションシステムには振動振幅を迅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の自由度を提供します。自動車の弾性部品にはゴムブッシングがよく使用され、油圧ブッシングやクロスヒンジも使用されます。
図2 板金溶接スイングアーム
ゴムブッシングの構造は、主に鋼管にゴムを外側に巻いた構造、または鋼管-ゴム-鋼管のサンドイッチ構造です。内側の鋼管には耐圧性と直径の要件があり、両端には滑り止めのセレーションが施されるのが一般的です。ゴム層は、異なる剛性要件に応じて材料配合と設計構造を調整します。
最も外側のスチールリングには、圧入に適したリードイン角度の要件が課せられることがよくあります。
油圧ブッシングは構造が複雑で、ブッシングの中でも工程が複雑で付加価値の高い製品です。ゴムには空洞があり、その中にオイルが充填されています。ブッシングの性能要件に応じて空洞構造の設計が行われています。オイルが漏れるとブッシングが損傷します。油圧ブッシングは優れた剛性曲線を提供し、車両全体の操縦性に影響を与えます。
クロスヒンジは複雑な構造を持ち、ゴムヒンジとボールヒンジの複合部品です。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、車両走行時にキャブ内に騒音が発生します。
3.ホイールの動きに合わせて、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）に対して上下に跳ね上がり、同時に旋回、直進などの動作をするため、車輪の軌道は一定の条件を満たす必要があります。スイングアームとユニバーサルジョイントは、主にボールヒンジで接続されています。
スイングアームボールヒンジは、±18°以上のスイング角度と360°の回転角度を実現し、ホイールの振れとステアリングの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で2年間または60,000km、3年間または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、ボルト接続とリベット接続（ボールヒンジにはフランジあり）、圧入干渉接続（ボールヒンジにはフランジなし）、一体型（スイングアームとボールヒンジが一体化）に分類されます。単板金構造と多板金溶接構造の場合、前者の2種類の接続がより広く使用されています。後者の接続は、鋼鍛造、アルミ鍛造、鋳鉄などの接合がより広く使用されています。
ボールヒンジは、ブッシングよりも作動角が大きいため、負荷条件下での耐摩耗性を満たす必要があり、より高い寿命要件が求められます。そのため、ボールヒンジは、スイング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 アルミ鍛造スイングアーム
スイングアームの設計が品質と価格に与える影響
1. 品質要因：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（バネ上質量）によって決まる車体の固有振動数（振動系の自由振動周波数とも呼ばれる）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。人体が利用する上下振動周波数は、歩行時に体が上下に動く周波数で、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値である必要があります。サスペンションシステムの剛性が一定の場合、バネ上質量が小さいほど、サスペンションの上下変形が小さくなり、固有振動数が高くなります。
垂直荷重が一定の場合、サスペンションの剛性が小さいほど、車の固有振動数が低くなり、ホイールが上下にジャンプするために必要なスペースが大きくなります。
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への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、ガイドアーム質量などが含まれます。
一般的に、アルミ製スイングアームは最も軽量で、鋳鉄製スイングアームは最も重量が重いです。その他は中間の重量です。
スイングアーム一式の質量は大抵10kg未満なので、質量が1000kgを超える車両と比較すると、スイングアームの質量は燃費にほとんど影響しません。
2. 価格要因: 設計プランによって異なります
要求事項が多ければ多いほど、コストは高くなります。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ことを前提として、製造公差の要求、製造プロセスの難易度、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、耐腐食性については、電気亜鉛メッキコーティングは表面不動態化処理などの処理により約144時間耐食性を実現できます。表面保護は陰極電気泳動塗装コーティングに分かれており、コーティングの厚さと処理方法を調整することで240時間の耐腐食性を実現できます。亜鉛鉄または亜鉛ニッケルコーティングは、500時間以上の耐腐食試験要件を満たすことができます。腐食試験要件が高まるにつれて、部品のコストも高まります。
スイングアームの設計と構造のスキームを比較することでコストを削減できます。
ご存知の通り、ハードポイントの配置によって走行性能は異なります。特に、同じハードポイント配置でも接続ポイントの設計が異なると、コストも異なる可能性があることに留意する必要があります。
構造部品とボールジョイントの接続には、標準部品（ボルト、ナット、リベット）による接続、締まりばめ接続、一体型の3種類があります。標準接続構造と比較して、締まりばめ接続構造はボルト、ナット、リベットなどの部品の種類を削減します。一体型の一体型構造は、締まりばめ接続構造よりもボールジョイントのジョイントシェルの部品点数を削減します。
構造部材と弾性要素の接続形式には、前部弾性要素と後部弾性要素が軸方向に平行と軸方向に垂直の 2 種類があります。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は同じ方向で、スイング アーム本体に対して垂直です。シングル ステーション ダブル ヘッド プレスを使用すると、フロント ブッシングとリア 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。取り付け方向が一貫していない (垂直) 場合は、シングル ステーション ダブル ヘッド プレスを使用してブッシングを順次圧入および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。ブッシングを内側から圧入するように設計している場合は、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。
