ボールジョイント

自動車において、ボールジョイントはコントロールアームをステアリングナックルに接続する球面ベアリングであり、事実上すべての自動車に使用されています。^[1] それらは、ほとんどの四肢動物に見られるボールジョイントと生体工学的に似ています。^[2]

ボール ジョイントは、ベアリング スタッドとソケットがケースに収められた構造で、これらの部品はすべて鋼鉄製です。ベアリング スタッドはテーパーとネジ山が付いており、ステアリング ナックルのテーパー穴にフィットします。保護ケースにより、ジョイント アセンブリに汚れが入り込むのを防ぎます。通常、これはゴムのようなブーツで、潤滑剤の動きと膨張を可能にします。モーション コントロール ボール ジョイントは、内部スプリングで保持されることが多く、これによりリンケージの 振動の問題を防止できます。

「オフセット」ボールジョイントは、熱膨張と収縮、衝撃、地震動、ねじり運動、力が存在するシステムでの移動手段を提供します。^[3]

ボールジョイントは、2つの平面で同時に自由に回転できるようにしながら、それらの平面での回転を含むあらゆる方向への並進を防ぐために使用されます^[1]。このようなジョイント2つをコントロールアームと組み合わせると、3つの平面すべてでの動きが可能になり、自動車の前部を操縦し、スプリングとショック（ダンパー）サスペンションで乗り心地を快適にすることができます。

シンプルなキングピンサスペンションでは、上部および下部のコントロール アーム (ウィッシュボーン) のピボット軸が平行で、キングピンと厳密な幾何学的関係にあることが必要です。そうでないと、キングピンをコントロール アームに接続する上部および下部のトラニオンに過度のストレスがかかり、ベアリングがひどく摩耗します。実際には、多くの車両でトラニオンの水平ピボットにエラストマー ベアリングが使用されており、多少の柔軟性はありますが、キャスターの調整を十分に行うには不十分であり、サスペンション設計者が最適なハンドリングを追求する中で望まないコンプライアンスも生じます。キャンバー角は通常、上部または下部のコントロール アームの両方の内側ピボットを正確に同じ量だけ内側または外側に動かすことで調整できます。しかし、コントロール アームの内側ピボットのコンプライアンス (通常はエラストマー ベアリングの使用による) によって、再びトラニオンにストレスがかかります。サスペンション設計者の自由度は限られており、必要のない箇所ではある程度の柔軟性を持たせる必要があり、バンプによる前後方向の衝撃荷重を吸収するのにもっと柔軟性があれば便利な箇所では柔軟性をほとんど持たない必要がありました。

上部と下部にボールジョイントを導入することで 3 軸関節が可能になり、コントロールアームの軸が正確に平行であるという制約がすべて取り除かれ、キャスターは、通常はコントロールアームの内側のピボットの位置を非対称に調整することで自由に調整でき、キャンバーは、これらの同じピボットを対称に調整することで調整できます。

サスペンションにボール ジョイントを導入してもトー角の調整方法は変わりませんが、ステアリング リンク自体には 4 つ以上のピボット (通常はボール ジョイント) を使用する必要があります。これまでに製造されたほぼすべての車両では、ねじ端とロックナットを使用してこれらの一部を調整し、トー角を正確に設定できるようにしています。

ボールジョイント式サスペンションは微調整が可能なので、メーカーは、従来のキングピン式サスペンションに比べて、自動車の安定性と操縦性を高めることができます。また、キングピンとトラニオンの代わりにボールジョイントを採用したステアリング軸ピボットの完全性を損なうことなく、コントロールアームの内側ピボットでサスペンションの横方向および前後方向のコンプライアンスを制御できるため、静粛性と快適性も向上します。ボールジョイント式サスペンションではサスペンション形状をより適切に制御できるため、タイヤと路面の接触性が向上するため、乗り心地がスムーズになり、タイヤのトレッド寿命も長くなります。

現代の自動車では、ジョイントは自動車の車輪とサスペンションの間の枢軸です。今日では、ジョイントはキングピン/リンクピンまたはキングピン/トラニオンの配置に取って代わり、フロントサスペンションでほぼ普遍的に使用されていますが、一部の高性能自動車のリアサスペンションにも見られます。^[4] ボールジョイントは、自動車のステアリングとサスペンションの安全な操作に重要な役割を果たします。

現在世界中で製造されている自動車の多くは、マクファーソン ストラットサスペンションを採用しています。このサスペンションでは、ストラットの下端とコントロール アームの間に片側につき 1 つのボール ジョイントが使用され、ストラットの上部に必要なわずかな関節は通常、エラストマー ベアリングによって提供されます。このエラストマー ベアリングには、ステアリング軸を中心に自由に回転できるボール ベアリングが内蔵されています。そのため、サスペンションには通常 2 つのボール ジョイントしかありませんが、ステアリング リンケージには少なくとも 4 つ (トラック ロッド エンドとラック エンド) あります。

マクファーソン ストラット以外の自動車サスペンションでは、2 つのボール ジョイントは「上部ボール ジョイント」と「下部ボール ジョイント」と呼ばれます。下部ボール ジョイントは、主にブレーキによる前後方向の負荷が下部ボール ジョイントで高くなるため、大型で摩耗が早い場合があります (トルク反応と抗力が下部ジョイントで追加され、上部ジョイントで部分的に打ち消されます)。また、横方向のコーナリング負荷は下部ジョイントで高くなります。サスペンションの設計に応じて、サスペンション スプリングからの垂直負荷は、上部ボール ジョイントで完全に処理される場合もあれば、下部ボール ジョイントで完全に処理される場合もあります。ダンパー負荷 (通常の状態では低く、静止時はゼロですが、ピーク バンプまたはリバウンド レートではスプリング負荷とほぼ同じ大きさになる場合があります) は、通常はスプリング負荷と同じボール ジョイントで受けられますが、常にそうであるとは限りません。アンチロール バー負荷は、多くの場合、下部ボール ジョイントで受けられますが、常にそうであるとは限りません。上部ボール ジョイントで受けられる場合もあれば、ボール ジョイント ドロップ リンクによってステアリング ナックルから直接受けられる場合もあります。

ボールジョイントの 1 つがスプリング荷重を受けない場合、ボールが優先的に 1 つのシートに接触するように、内部にガタつき防止スプリングを取り付けることができます。これは、1959 年の BMC Miniとその派生モデルに当てはまり、下部コントロールアームは垂直荷重を受けないため、ジョイントにはガタつき防止スプリングが必要でしたが、同じ部品で構成される上部ジョイントは、スプリング (ゴムコーン) とダンパーの荷重により常に圧縮されるため、スプリングは取り付けられていませんでした。

1960 年代の他の車両 (一部の Vauxhall を含む) には、スプリングとダンパーの負荷が下部コントロール アームを介して適用され、常にゼロではないため、ジョイントが常に張力状態にあり、かなりのエンド フロートを備えた下部ボール ジョイントが装備されていました。

もう 1 つの例はマクファーソン ストラットを使用するフォード フォーカスです。アンチロール バーはストラットに直接接続されているため、下部のボール ジョイントは前後方向のトラクション/ブレーキと横方向のコーナリング負荷のみを支えます。

旋回するためにホイールの中央にアセンブリを必要とするキングピンとは異なり、ジョイントはスピンドル（ステアリングナックル）の上部と下部の端、およびコントロールアームに接続されます。これにより、中央セクションが空いているため、前輪駆動を使用できます。古いキングピン設計は、後輪駆動構成でのみ使用できます。

シール式ボールジョイントは「一生潤滑される」ため、潤滑油を必要としません。以前は、ほとんどのボールジョイントにグリースフィッティング（グリース ザークと呼ばれることもあります）があり、定期的に潤滑剤を補充するように設計されていましたが、現代の自動車のほとんどは、メンテナンスの必要性を最小限に抑えるためにシール式ボールジョイントを使用しています。潤滑剤は通常、非常に粘度の高い潤滑剤でした。標準的なボールジョイントは、最終的にはシールが破れ、ジョイントが乾燥して錆びるため、シール式よりも長持ちすると一般に考えられています。 ^[4] さらに、新しい潤滑剤を追加すると、古くて乾燥した潤滑剤が押し出され、ジョイントの寿命が延びます。多くの車両では、これは1000～2000マイル間隔で行うはずでしたが、これは現代の自動車のサービス間隔（多くの場合12000マイル以上）とは相容れず、いずれにしても所有者が対応することはほとんどなく、その結果、激しい摩耗やボールジョイントの故障が発生し、重大な事故につながる可能性があります。このため、現代のヨーロッパや極東の自動車のボールジョイントは、ほぼすべて、永久密封型です。内部ベアリング設計に特に適用された新しい技術により、ボールジョイントは、より長いサービス間隔に対応できるようになりました。この特別な設計には、OEM 密封ポリマー/プラスチック バージョンに代わる焼結金属ベアリングと、グリースの保持に優れた改良ダスト ブーツ シールが組み込まれています。

球面転がりジョイントは、ボールベアリングで区切られた球状の外輪と内輪で構成される高精度のボールジョイントです。ボールベアリングは球状のリテーナーに収納されており、内外面の両方に沿って転がります。この設計により、ジョイントの摩擦が非常に低く、広い可動範囲と 1  μmという低いバックラッシュを維持できます。SRJ は、高い剛性と低いバックラッシュが不可欠なスチュワートプラットフォームなどの並列ロボットアプリケーションでよく使用されます。^{[5] [6]}

ほとんどの SRJ はオフセット ハウジングで設計されており、より小さなスペースでより高い圧縮荷重に対応できます。また、ジョイントを逆向きに組み立てると、より高い引張荷重に対応できますが、可動範囲は狭くなります。

SRJ の代替として、2 つの回転ジョイントで構成されるユニバーサル ジョイントがあります。^[7]ユニバーサル ジョイントの代わりに球面転がりジョイントを使用すると、設計者はジョイントの数を減らして同じ結果を得ることができます。ユニバーサルジョイントではなく球面ジョイントを使用すると、問題となる運動学的特異点の可能性も排除されます。^[8]プレーン スフェリカル ベアリングは、摩擦が増加するという代償を払って SRJ の代わりに使用できますが、ジョイントにさらに予圧をかける機会を提供します。

密閉式ボールジョイントの正確な寿命は不明ですが、最近の車では80,000マイル（130,000 km）ほどで故障する可能性があり、古い車ではもっと早く故障する可能性があります。^[要出典]ボールジョイントの故障の兆候は、ボールジョイントの分解の結果として突然破裂音が発生することから始まる場合があります。その後、ハンドルを回すとカチカチ、ポップ、またはスナップ音が続き、最終的には停止の終わり、アクセルペダルを使用したとき、および/または凹凸にぶつかったときにキーキーという音に変わります。別の症状としては、凹凸を乗り越えるときにフロントサスペンションから「ドスン」という音が発生することがあります。乾燥したボールジョイントでは摩擦が大幅に増加し、ステアリングが固くなったり、操作が難しくなったりする可能性があります。

ボールジョイントが故障すると、車輪の角度が制限されなくなり、制御不能になるため、危険な結果を招く可能性があります。タイヤが意図しない角度になるため、車両は突然停止し、タイヤが損傷します。また、故障中に破片が車両の他の部分を損傷する可能性もあります。^[4]

自動車の用語では、「ボール ジョイント」という用語は通常、コントロール アームの端にある主要なボール ジョイント接続を指しますが、このタイプのジョイントは、タイ ロッド エンドを含む他の部品にも使用されます。これらの他の用途では、通常、タイ ロッド エンドと呼ばれます。ラック アンド ピニオン ステアリング システムの内部タイ ロッド エンドの場合は、内部ソケット アセンブリと呼ばれます。これらのジョイントは、人形のジョイントからさまざまなデバイスの他の機械的リンクまで、または動きに一定の回転が必要な場所など、自動車以外の用途でも多数使用されています。

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