JP2008169455A - 部材の強度向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の疲労強度の向上方法とは異なる方法、即ち、曲げ加工によって疲労強度の向上を図る新規な加工方法を提案する。
【解決手段】圧縮応力を作用させることで部材の特定部位の疲労強度の向上を図る、部材の強度向上方法であって、前記特定部位とは異なる位置にあって、荷重を付加して除荷すると、その弾性回復力によって、前記特定部位に圧縮応力を作用させる荷重被作用部位を対象とし、前記荷重被作用部位に荷重を付加させる第一工程と、前記第一工程にて前記荷重被作用部位に作用させた荷重を除荷することにより、前記荷重被作用部位に前記第一工程にて作用させた荷重とは反対方向に作用する力を、前記荷重被作用部位の有する弾性回復力により生じさせる第二工程と、を含む部材の強度向上方法とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、部材に圧縮方向の応力状態を作用させることで、部材の強度を向上させることとする技術に関するものである。

従来、部材の屈曲部内側等の疲労強度が低い部位にショットピーニングを施して、屈曲部内側での座屈や割れの発生の防止を図る技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、疲労強度を向上させる方法としては、ショットピーニングの他に、焼鈍（引張残留応力を低減）、アーク溶接（溶接部が冷却時に収縮することで近傍の応力状態を圧縮方向に推移させる）、等の方法が知られている。

ここで、以上に述べた三種類の方法を実施するに際しては、専用の工程が必要となり、そのための設備投資が必要となる。また、溶接材の材料費による製品コストの増加や、溶接材の重量による製品重量の増加といった問題もある。また、部材によって溶接可能な箇所が限られることがあり、疲労強度を向上させたい箇所が溶接不可である場合では、溶接による方法は適用できないこととなる。また、設備の大型化、作業時間が長くなるという問題もある。
特開平１０−３２９５１９号公報

そこで、本発明は、従来の疲労強度の向上方法とは異なる方法、即ち、曲げ加工によって疲労強度の向上を図る新規な方法を提案するものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１に記載のごとく、
圧縮応力を作用させることで部材の特定部位の疲労強度の向上を図る、部材の強度向上方法であって、
前記特定部位とは異なる位置にあって、荷重を付加して除荷すると、その弾性回復力によって、前記特定部位に圧縮応力を作用させる荷重被作用部位を対象とし、
前記荷重被作用部位に荷重を付加させる第一工程と、
前記第一工程にて前記荷重被作用部位に作用させた荷重を除荷することにより、前記荷重被作用部位に前記第一工程にて作用させた荷重とは反対方向に作用する力を、前記荷重被作用部位の有する弾性回復力により生じさせる第二工程と、
を含む部材の強度向上方法とするものである。

また、請求項２に記載のごとく、
前記部材は、管状部材を断面視略Ｕ字に屈曲形成して構成された部材であって、前記特定部位を前記Ｕ字の両端の屈曲部である耳部の内側とし、前記荷重被作用部位を前記耳部の近傍の内辺・外辺とするものであり、
前記第一工程においては、管内に内圧をかけて拡管させて、前記荷重被作用部位に、前記耳部の屈曲の度合いに影響する荷重を作用させ、
前記第二工程においては、前記内圧を除荷することにより、前記第一工程にて内辺・外辺に生じていた前記荷重とは反対方向に作用する力を前記荷重被作用部位に付与する、こととするものである。

また、請求項３に記載のごとく、
前記第一工程の前工程におけるＵ字成形の際に、Ｕ字の底部位における曲率を第一工程終了後におけるＵ字の底部位における曲率よりも大きく形成する、こととするものである。

また、請求項４に記載のごとく、
前記部材は、溶接にて二つの構造体を接合してなる部材であって、
前記特定部位を一方の構造体の溶接部の近傍とするとともに、前記荷重被作用部位を他方の構造体に設けることとし、
前記溶接部の溶接前に行われる前記第一工程において、前記他方の構造体の前記荷重被作用部位に荷重を作用させ、
前記溶接部の溶接後に行われる前記第二工程において、
前記第一工程において作用させた荷重を除荷することにより、前記第一工程において作用させた荷重とは反対方向に作用する力を、前記一方の構造体の前記特定部位に付与することとするものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１、２、４においては、疲労強度の向上について、専用の工程を不要にでき、疲労強度向上のための別部材が不要であり、また、強度向上のみを目的とする溶接が不要であることから、その効果として、設備投資増加、製品コスト増加、製品質量増加、といった問題が生じることがない。また、溶接不可能な場所においても適用可能であり、その適用範囲は広いものとなる。

また、請求項３においては、特定部位における圧縮方向の応力状態を確実に確保することが可能となる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
発明の実施の形態は、
圧縮応力を作用させることで部材の特定部位の疲労強度の向上を図る、部材の強度向上方法であって、
前記特定部位とは異なる位置にあって、荷重を付加して除荷すると、その弾性回復力によって、前記特定部位に圧縮応力を作用させる荷重被作用部位を対象とし、
前記荷重被作用部位に荷重を付加させる第一工程と、
前記第一工程にて前記荷重被作用部位に作用させた荷重を除荷することにより、前記荷重被作用部位に前記第一工程にて作用させた荷重とは反対方向に作用する力を、前記荷重被作用部位の有する弾性回復力により生じさせる第二工程と、
を含む部材の強度向上方法とするものである。

図１、及び、図２に示される実施例１は、金属製等の管状部材を断面視略Ｕ字に屈曲形成して構成され、車両のサスペンションの構造に用いられるトーションビーム１について示すものであり、通称「耳部」といわれるＵ字の両端の屈曲部（以降、「耳部２」とする）を特定部位として、この耳部２の疲労強度の向上を図ることとするものである。

この耳部２の疲労強度を向上させる目的は、より具体的には、耳部２の内側２ａの座屈や割れの発生の防止を図るものであり、このために、耳部２の内側２ａの所望の範囲３（図２参照）に圧縮方向の応力状態を形成するものである。

そして、前記範囲３に圧縮方向の応力状態Ｍ（図２参照）を形成するために、本実施例では、図１に示すごとく、前記第一工程においては、チューブハイドロフォーミングを実施することとし、前記耳部２の屈曲の度合いに影響することとなる、耳部２の近傍の内辺４・外辺５を前記第一工程における荷重被作用部位とし、この内辺４・外辺５が互いが離れる方向に荷重Ｆ１を作用させることとしている。そして、前記第二工程においては、内辺４・外辺５に、前記荷重Ｆ１の方向とは反対方向、即ち、前記内辺４・外辺５が互いに近づく方向に力Ｆ２を作用させるようにしている。

尚、前記内辺４・外辺５の対象となる範囲については、トーションビーム１の断面形状や、素材によって異なるものであるが、互いに離れ合い、その後、近づき合う際に、耳部２の屈曲の度合いに影響を与える部位として定義することができる。

そして、第二工程において、前記力Ｆ２が作用すると、前記耳部２の屈曲の度合いが大きくなるため、前記耳部２の内側２ａの所望の範囲３には、圧縮方向の応力状態が形成され、これにより、前記範囲３の疲労強度の向上を図ることが可能となる。

ここで、前記力Ｆ２は、トーションビーム１の材料の弾性回復力（スプリングバック）に起因するものであり、前記耳部２から遠い部位、即ち、Ｕ字の底を形成する部位（底部位６）において、前記第一工程において広い範囲７で塑性変形を生じさせることで、前記荷重Ｆ１が大きくなるようにすることで、これに伴って、弾性回復力によって生じる力Ｆ２を大きく確保することが可能となる。
これにより、前記耳部２の内側２ａに生じる圧縮方向の応力状態を確保することができる。

また、前述の広い範囲７は、例えば、前記耳部２、前記内辺４・外辺５の対象となる部位を除いた範囲とすることができる。

また、前述の広い範囲７において、前記第一工程で塑性変形をさせることに関し、本実施例では、第一工程でチューブハイドロフォーミングにより拡管をさせることから、第一工程を実施する前工程で、Ｕ字の底を形成する部位（底部位６）における曲率を大きく設計し、第一工程における塑性変形の範囲を広く確保する、換言すれば、Ｕ字の底を形成する部位（底部位６）の変形量を大きく確保することが望ましい。

つまり、図３に示すごとく、前記第一工程の前工程におけるＵ字成形の際に、Ｕ字の底部位６における曲率を第一工程終了後におけるＵ字の底部位６における曲率よりも大きく形成する。これにより、前記第一工程にて前記底部位６に生じさせる塑性変形の範囲（広い範囲７）が広く確保され、前記底部位６における変形量が大きく確保される。これにより、前記荷重Ｆ１を大きく確保することができ、これに伴って、前記第二工程において弾性回復力によって生じる力Ｆ２を大きく生じさせることができる。そして、前記Ｕ字の両端の屈曲部である耳部２の内側２ａに生じる圧縮方向の応力状態Ｍ（図２参照）を確実に確保することが可能となる。尚、管内に内圧をかけて拡管を実施する方法は、チューブハイドロフォーミングの他、液封によるものが考えられる。

以上のように、図１乃至図３に示すごとく、本実施例１では、前記部材は、管状部材を断面視略Ｕ字に屈曲形成して構成された部材であって、前記特定部位を前記Ｕ字の両端の屈曲部である耳部２の内側２ａとし、前記荷重被作用部位を前記耳部２の近傍の内辺４・外辺５とするものであり、前記第一工程においては、管内に内圧をかけて拡管させて、前記荷重被作用部位に、前記耳部の屈曲の度合いに影響する荷重Ｆ１を作用させ、前記第二工程においては、前記内圧を除荷することにより、前記第一工程にて内辺・外辺に生じていた前記荷重Ｆ１とは反対方向に作用する力Ｆ２を前記荷重被作用部位に付与することとするものである。これにより、前記耳部２の内側２ａに生じる圧縮方向の応力状態を確保し、疲労強度の向上を図るものである。

以上のようにすることで、チューブハイドロフォーミングによる拡管によって、前記内辺４・外辺５に大きな力Ｆ２を生じさせることができ、この内辺４・外辺５に別工程で直接的に外力を付与させる等の必要もなく、トーションビーム１の材料の弾性回復力（スプリングバック）のみで、前記耳部２の内側２ａの疲労強度を向上させることが可能となる。つまり、別工程・別装置を必要とすることなく、チューブハイドロフォーミング後において、疲労強度の向上を図ることができるのである。

また、このように、疲労強度の向上について、専用の工程を不要にでき、疲労強度向上のための別部材が不要であり、また、強度向上のみを目的とする溶接が不要であることから、その効果として、設備投資増加、製品コスト増加、製品質量増加、といった問題が生じることがない。また、溶接不可能な場所においても適用可能であり、その適用範囲は広いものとなる。

また、本実施例のように、特に、トーションビーム１の適用においては、最弱部位でない部分である内辺４・外辺５の弾性回復力（スプリングバック）を用いて最弱部位となる耳部２の応力状態を圧縮方向に推移させ、疲労強度を向上させることが可能となることから、サスペンション構造への適用において、トランピング等の過大な路面入力に対する耐性の観点からも、有効な曲げ加工方法となる。

図４に示すごとく、本実施例は、
アーク溶接等の溶接にて二つの構造体（コ字状部材１１・板状部材１４）を接合した場合に、前記特定部位となる一方の構造体（板状部材１４）の溶接部１５・１５の近傍１３・１３を前記特定部位とする場合における実施例であり、
前記特定部位を一方の（板状部材１４）の溶接部１５・１５の近傍とするとともに、前記荷重被作用部位を他方の構造体（コ字状部材１１）に設けることとし、
前記溶接部１５・１５の溶接前に行われる前記第一工程において、前記他方の構造体（コ字状部材１１）の前記荷重被作用部位に荷重Ｆ３を作用させ、
前記溶接部１５・１５の溶接後に行われる前記第二工程において、
前記第一工程において作用させた荷重を除荷することにより、前記第一工程において作用させた荷重Ｆ３とは反対方向に作用する力Ｆ４を、前記一方の構造体の前記特定部位に付与することとするものである。

この実施例２においても、前記一方の構造体となる板状部材１４において、特に疲労強度が弱いこととなる溶接部１５・１５の近傍１３・１３において、圧縮方向の応力状態を形成することができ、疲労強度の向上を図ることができる。

また、この例においては、前記コ字状部材１１の立設部１２・１２（荷重被作用部位）について、前記第一工程の前工程において、互いに離れあうように曲げ加工を行い（力Ｆ６の付加）、第一工程においては、前記立設部１２・１２を両側から溶接治具でクランプすることにより、前記力Ｆ３を生じさせ、溶接後の第二工程において、前記クランプを解除することで前記力Ｆ４を発生させることが可能となる。

このように、簡易な工法によって、所望の特定部位の疲労強度を向上させることができる。尚、本実施例２の場合では、前記コ字状部材１１の天板部１１ａに上下方向の繰り返し負荷Ｆ５が作用する場合に、前記板状部材１４側における前記溶接部１５・１５の近傍１３・１３に特に亀裂１６・１６の発生が予想されるものであることから、溶接後において、立設部１２・１２において互いに離れ合う力Ｆ４が生じた状態とすることが好適なものとなる。

実施例１による曲げ加工方法について示す図。 特定部位の圧縮方向の応力状態の形成について示す図。 前工程におけるＵ字成形について示す図。 実施例２による曲げ加工方法について示す図。

符号の説明

１ トーションビーム
２ 耳部
２ａ 内側
３ 範囲
４ 内辺
５ 外辺
６ 底部位
７ 範囲
Ｆ１ 力
Ｆ２ 力

Claims (4)

1. 圧縮応力を作用させることで部材の特定部位の疲労強度の向上を図る、部材の強度向上方法であって、
   前記特定部位とは異なる位置にあって、荷重を付加して除荷すると、その弾性回復力によって、前記特定部位に圧縮応力を作用させる荷重被作用部位を対象とし、
   前記荷重被作用部位に荷重を付加させる第一工程と、
   前記第一工程にて前記荷重被作用部位に作用させた荷重を除荷することにより、前記荷重被作用部位に前記第一工程にて作用させた荷重とは反対方向に作用する力を、前記荷重被作用部位の有する弾性回復力により生じさせる第二工程と、
   を含む部材の強度向上方法。
2. 前記部材は、管状部材を断面視略Ｕ字に屈曲形成して構成された部材であって、前記特定部位を前記Ｕ字の両端の屈曲部である耳部の内側とし、前記荷重被作用部位を前記耳部の近傍の内辺・外辺とするものであり、
   前記第一工程においては、管内に内圧をかけて拡管させて、前記荷重被作用部位に、前記耳部の屈曲の度合いに影響する荷重を作用させ、
   前記第二工程においては、前記内圧を除荷することにより、前記第一工程にて内辺・外辺に生じていた前記荷重とは反対方向に作用する力を前記荷重被作用部位に付与する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の部材の強度向上方法。
3. 前記第一工程の前工程におけるＵ字成形の際に、Ｕ字の底部位における曲率を第一工程終了後におけるＵ字の底部位における曲率よりも大きく形成する、
   ことを特徴とする、請求項２に記載の部材の強度向上方法。
4. 前記部材は、溶接にて二つの構造体を接合してなる部材であって、
   前記特定部位を一方の構造体の溶接部の近傍とするとともに、前記荷重被作用部位を他方の構造体に設けることとし、
   前記溶接部の溶接前に行われる前記第一工程において、前記他方の構造体の前記荷重被作用部位に荷重を作用させ、
   前記溶接部の溶接後に行われる前記第二工程において、
   前記第一工程において作用させた荷重を除荷することにより、前記第一工程において作用させた荷重とは反対方向に作用する力を、前記一方の構造体の前記特定部位に付与することとする、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の部材の強度向上方法。
   
   
   
   

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