JP2024078171A - ブラケットの支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接によって所定の部材に締結されるブラケットの締結部分周辺に生じる応力の集中を低減するためのブラケットの支持構造を提供する。【解決手段】所定の第１部材に締結される締結面６と、締結面６から屈曲部１２を介して連続する平面部８と、平面部８の屈曲部１２とは反対側の端部１３ａ，１３ｂに沿って設けられた溶接部９と、を有するブラケット１を備え、溶接部９が所定の第２部材２の外周面１０に溶接されることによりブラケット１を所定の第２部材２に締結するブラケットの支持構造であって、ブラケット１は、平面部８における溶接部９に沿って延伸された延伸部１４をさらに有し、延伸部１４は、溶接部９から屈曲部１２までの長さである幅方向の長さが平面部の幅方向の長さより短くなっている。【選択図】図４

Description

本発明は、溶接によって所定の部材に取り付けられるブラケットの支持構造に関し、特に、その溶接されている部位に生じる応力の集中を抑制するためのブラケットの支持構造に関するものである。

特許文献１には、溶接ビードとブラケットとの接点における応力集中を低減することを目的とした、ブラケットを構造部材に隅肉溶接によって取り付けた溶接構造部材が開示されている。特許文献１の溶接構造部材では、ブラケットが断面コの字型になっており、構造部材に対してブラケットの片面側からコの字に沿ってアーク溶接が施されている。ブラケットには、コの字の開放された側を向く側面の少なくとも一方に切欠きが形成されている。切欠きは、円弧形状であり、構造部材との溶接されている部分の近傍に形成されている。具体的には、溶接ビードの上端と切欠きの下端とが接触する、もしくは溶接ビードの上端より切欠きの下端が下になるように切欠きが形成されている。また、溶接ビードは、断面コの字型のブラケットのうちの一面であるフランジ部の長さよりも長く形成されている。特許文献１では、このような構成により、溶接ビードとブラケットとの接触部分に応力が集中することを抑制することができ、疲労特性に優れた溶接構造部材とすることができる、としている。

特許文献２には、エンジンに取り付けられたブラケットが、エンジンの排気浄化装置である後処理装置を収容するケースに溶接固定されているブラケットの支持構造が開示されている。ブラケットは、一方の辺が長尺な矩形の天板部と、天板部の短手方向の両端から延出し、互いに向かい合う一対の側壁部と、一対の側壁部の天板部とは反対側の端部から互いに離れるように天板部と平行な方向に延びる一対のフランジ部と、フランジ部の側壁部とは反対側の端部から側壁部に亘って切り欠かれたスリットを有する切込み部と、を有している。特許文献２の構造では、一対のフランジ部の側壁部とは反対側の各端部のうち、切込み部を除いた部分がケースに溶接固定されている。また、切込み部を形成する位置は、フランジ部とケースとの溶接部の長さ方向両端にそれぞれ生じる応力の差に基づいて定められている。具体的には、切込み部は、ブラケットに入力されるねじり荷重のねじり中心に対応する位置に設けられている。特許文献２では、そのように切込み部を設けることにより、溶接部に生じる応力の偏りが抑制されるので、ブラケットにおけるねじり中心から遠い端部における応力集中を回避することができ、ブラケットがケースから剥離することを防止することができる、としている。

特開２０１６－７３９８５号公報 特開２０１８－９１１４８号公報

特許文献１に記載の構造部材では、円弧状の切欠きを形成し、溶接線に垂直な断面の断面積の変化を大きくすることにより溶接ビードとブラケットとの接触部分の応力集中を緩和している。このように応力を分散させることによって母材の耐久性を向上させることは効果的ではあるものの、ブラケットと溶接ビードとの境界部分においてブラケットの断面積を変化させることには限界があるので、所望の効果を得ることができない可能性がある。

特許文献２に記載の構造では、ブラケットに入力されるねじり荷重のねじり中心に切込み部を形成することにより、切込み部近傍の溶接部において生じる応力を大きくさせて、応力の集中を抑制している。しかしながら、特許文献２の装置では、常にほぼ一定の荷重が入力される場合、つまり同じ方向や大きさの荷重が入力される場合には応力の偏りを抑制できるものの、異なる大きさや方向のねじり荷重が入力される場合には、応力の偏りが生じる可能性がある。また、特許文献２のように、エンジンの排気系、特にエキゾーストマニホールドなどの高温になる部材に溶接によってブラケットが締結される場合には、例えば、エンジンの振動による繰り返し荷重に起因する応力集中や、高温の排ガスによる温度変化によって金属部材に収縮や膨張が生じることで応力の集中が生じる場合がある。しかしながら、特許文献２では、そのような課題について着目されていない。このように、溶接によって所定の部材に締結されているブラケットには、複数の要因によって生じる応力に対する高い耐久性が求められるため、さらなる改善の余地があった。

本発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであって、溶接によって所定の部材に締結されるブラケットの締結部分周辺に生じる応力の集中を低減するためのブラケットの支持構造を提供することを目的としている。

本発明は、上記の目的を達成するために、所定の第１部材に締結される締結面と、前記締結面から屈曲部を介して連続する平面部と、前記平面部の前記屈曲部とは反対側の端部に沿って設けられた溶接部と、を有するブラケットを備え、前記溶接部が所定の第２部材の外周面に溶接されることにより前記ブラケットを前記所定の第２部材に締結するブラケットの支持構造であって、前記ブラケットは、前記平面部における前記溶接部に沿って延伸された延伸部をさらに有し、前記延伸部は、前記溶接部から前記屈曲部までの長さである幅方向の長さが前記平面部の幅方向の長さより短くなっていることを特徴とするものである。

また、前記第２部材は、エンジンの排気側に連結された排気管の一部を構成する部材であってよい。

また、前記溶接部は、長手方向において前記延伸部より長く形成されていてよい。

また、前記延伸部から前記平面部にかけての屈折部が滑らかに湾曲するアール形状であってよい。

本発明のブラケットの支持構造によれば、ブラケットにおける所定の第２部材との溶接部の溶接線に対して垂直な断面が、締結部、屈曲部および平面部によってＬ字型になる部分と、延伸部によって断面が線状になる部分とを有している。そのため、その延伸部と平面部との境界部分、つまり断面形状が変化する部分が、ブラケットの強度上の弱所となっている。そのため、振動などによってブラケットに荷重が入力されることにより、溶接部において曲げ応力や垂直応力が集中することを抑制することができる。特に、溶接部の長手方向に対する曲げ応力やせん断応力が生じた場合に、その応力が延伸部の端部と溶接部との境目、および、延伸部と平面部との境目のいずれにも生じることになる。つまり、平面部において溶接部から離れた位置に設けられた弱所に応力を分散させることができるので、溶接部に応力が集中することによるブラケットの耐久性の低下が生じることを防止もしくは抑制することができる。

また、第２部材がエンジンの排気側に連結された排気管の一部である場合には、エンジンの稼働時に所定の第２部材に高温の排ガスが流れることにより、所定の第２部材やブラケットに、温度変化によっていわゆる熱応力が生じる場合がある。一方で、締結面が固定されている所定の第１部材には熱応力が生じにくいので、ブラケットの熱膨張に対して締結面がそれを妨げるように作用することになり、溶接部において応力が生じる場合がある。そのような場合であっても、延伸部の端部と溶接部との境界部、および、延伸部と平面部との境界部の二箇所において応力を分散させることができる。したがって、第２部材やブラケットに熱応力が生じたとしても、溶接部において耐久性が低下することを防止もしくは抑制することができる。

本発明の実施形態におけるブラケットの支持構造が適用された、エンジンの排気系統の一部を示す図である。 図１のインシュレータを外した状態を示す図である。 ブラケットをエキゾーストパイプの垂直方向から見た上面図である。 ブラケットを平面部側から見た斜視図である。 本発明の実施形態におけるブラケットの他の実施形態を示す上面図である。

以下、本発明を図に示す実施形態に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施形態は本発明を具体化した場合の一例に過ぎないのであって、本発明を限定するものではない。

図１には、本発明の実施形態におけるブラケットの支持構造を示してある。図１に示すブラケットの支持構造は、車両に搭載されるエンジン（図示なし）の排気側に連結された排気管などの排気系統の一部を構成する部材に適用されている。エンジンは、燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を出力する動力装置であり、ガソリンや軽油もしくは水素を燃料とする従来知られているエンジンである。エンジンから排出されるガスは、各気筒からエキゾーストマニホールドで集められて、過給器のタービンや、あるいは、キャタライザーなどに送られる（いずれも図示なし）。また、エンジンの排ガスは、比較的高い圧力と温度とを有しているため、エンジンから排出された後、車外に排出されるまでの間に設けられているサイレンサーによって圧力や温度を低下させて排出される。

このように構成されたエンジンの排気系統において、ブラケット１は、上述したような排気系統を構成する部材を他の固定部材に締結するために設けられている。本発明の実施形態におけるブラケット１は、図１に示すように、エキゾーストマニホールドの一部である部材、例えば、この発明の実施形態における所定の第２部材に相当する、エキゾーストパイプ２にアーク溶接等によって締結されている。ブラケット１は、エキゾーストパイプ２を構成する金属製の素材、例えば鋳鉄やステンレスなどと同様の素材によって構成されている。ブラケット１は、さらに、他のブラケット３に締結されている。他のブラケット３は、この発明の実施形態における所定の第１部材に相当し、固定部材、例えば、図示しないトランスミッションケースにボルト止め等によって締結されている。すなわち、ブラケット１は、エキゾーストパイプ２とトランスミッションケースとを締結するためのものである。エキゾーストパイプ２は、図１に示すように、主にエンジンの排ガスの熱がエキゾーストパイプ２周辺の他の部材に影響を与えないためのヒートインシュレータ４によって覆われており、他のブラケット３は、ヒートインシュレータ４に対してボルト５によって締結されている。図２ないし図４に示すように、ブラケット１は、主に、締結面６、締結孔７、平面部８および溶接部９を備えている。

締結面６は、図２および図４に示すように、ブラケット１の一部であって、エキゾーストパイプ２の外周面１０に対して垂直な方向に延びている部分である。締結面６は、図１および図２に示すように、内部にボルト１１がねじ込まれる締結孔７が形成されている第１締結面６ａと、その締結孔７が形成されていない第１締結面６ａから屈曲して形成されている第２締結面６ｂとを有している。締結孔７は、他のブラケット３の図示しない孔と合わされた状態で、それらの孔を貫通するボルト１１によってブラケット１と他のブラケット３とを締結するためのものである。第２締結面６ｂは、締結孔７が形成されている第１締結面６ａに対して垂直な方向であり、かつ後述する平面部８に対しても垂直な方向に屈曲した形状となっている。つまり、締結面６は、エキゾーストパイプ２の外周面１０に沿う方向に切った場合の断面がＬ字型となっており、すなわち、ブラケット１を上から見た形状がＬ字型になっている。したがって、締結面６は、第１締結面６ａの短手方向の長さが第２締結面６ｂの短手方向の長さより短い形状となっている。また、図１に示すように、締結面６は、エキゾーストパイプ２にヒートインシュレータ４を取り付けた状態で、そのヒートインシュレータ４の外部に突出するように構成されている。つまり、第１締結面６ａと他のブラケット３とは、ヒートインシュレータ４の外部において締結されている。

平面部８は、締結面６から屈曲部１２を介して連続するとともに、締結面６に対して垂直な方向に延びるように形成されている。つまり、平面部８は、上述した第１締結面６ａおよび第２締結面６ｂのそれぞれから連続する、第１平面部８ａと第２平面部８ｂとを有している。したがって、第１締結面６ａと第１平面部８ａとの断面形状および第２締結面６ｂと第２平面部８ｂとの断面形状が、Ｌ字型になっている。また、平面部８は、その第１平面部８ａおよび第２平面部８ｂによって、エキゾーストパイプ２の外周面１０に沿う方向においてＬ字型の面になっている。また、平面部８は、エキゾーストパイプ２の外周面１０に沿って僅かに湾曲している。そして、第１平面部８ａの屈曲部１２とは反対側の端部である第１端部１３ａおよび第２平面部８ｂの屈曲部１２とは反対側の端部である第２端部１３ｂのそれぞれに沿って、延伸部１４が設けられている。

延伸部１４は、平面部８の長手方向の両端に溶接部９に沿って形成されており、それぞれ、第１平面部８ａの第１端部１３ａに沿う方向に突出する第１延伸部１４ａと、第２平面部８ｂの第２端部１３ｂに沿う方向に突出する第２延伸部１４ｂとによって構成されている。延伸部１４は、平面部８の各端部１３ａ，１３ｂから屈曲部１２側までの寸法である幅方向の寸法が、平面部８における幅方向の寸法より短くなっている。つまり、第１平面部８ａの第１端部１３ａから屈曲部１２までの長さが、第１延伸部１４ａの第１端部１３ａから第１延伸部１４ａの屈曲部１２側の端部までの長さより長くなっている。延伸部１４の短手方向や長手方向の寸法は、予め定められており、例えば、ブラケット１に生じる応力などに応じて決められている。また、第１延伸部１４ａから第１平面部８ａに亘って滑らかに湾曲しているアール形状である第１屈折部１５ａ、および、第２延伸部１４ｂから第２平面部８ｂに亘って滑らかに湾曲しているアール形状である第２屈折部１５ｂが形成されている。

溶接部９は、平面部８の第１端部１３ａおよび第２端部１３ｂに沿って設けられている。溶接部９は、第１端部１３ａおよび第２端部１３ｂの長さ方向に沿う方向において、各延伸部１４ａ，１４ｂより僅かに長く形成されている。なお、溶接部９には、ブラケット１やエキゾーストパイプ２と同様の特性を有する材質の金属によって構成された溶加材が用いられている。ブラケット１をエキゾーストパイプ２に締結する際には、溶加材に熱を加えることにより溶融させた後に冷却することによって、ブラケット１とエキゾーストパイプ２とが一体化される。

このように、ブラケット１を溶接によってエキゾーストパイプ２に締結し、締結孔７によってブラケット１が他のブラケット３とボルト止めされることにより、ブラケット１および他のブラケット３を介してエキゾーストパイプ２とトランスミッションケースとが連結されている。このようなブラケット１の支持構造において、エンジンの稼働中には、エキゾーストパイプ２にエンジンの振動が伝達されたり、エンジンの排ガスが内部を流動することによりエキゾーストパイプ２自体が高温になってエキゾーストパイプ２やブラケット１に熱膨張が生じたりする場合がある。そのような振動や熱膨張により、ブラケット１の溶接ビードの表面とブラケット１の面とが交わる部分である、いわゆる溶接止端部に応力の集中が生じる場合がある。

例えば、エキゾーストパイプ２に熱膨張が生じる場合には、エキゾーストパイプ２と同様の材質によって形成されているブラケット１にも熱膨張が生じる。一方で、他のブラケット３は、トランスミッションケースに締結されており、ヒートインシュレータ４の外部においてボルト１１を介してブラケット１に締結されている。そのため、ブラケット１に熱膨張による表面積の変化が発生した場合には、ブラケット１と他のブラケット３との間において、主にエキゾーストパイプ２の軸線方向、つまり締結面６に沿った方向に相対的に移動しようとする。具体的には、ブラケット１が温度変化によって膨張しようとするのに対して、ブラケット１と他のブラケット３との締結部分がその膨張を妨げるように作用する。その結果、第１平面部８ａの第１端部１３ａにおける溶接止端部には、それらの相対的な移動に応じた引張応力などの垂直応力や曲げ応力が生じる。そして、そのような応力は、溶接止端部の端部、つまり、溶接止端部における第１平面部８ａの長手方向の端部において集中することになる。また、ブラケット１およびエキゾーストパイプ２における溶接部９の近傍のいわゆる熱影響部は、溶接の際に受ける熱の影響により、強度が低くなっている場合がある。それらのような要因により、溶接止端部における第１平面部８ａの長手方向の端部において、ブラケット１の耐久性が低下する可能性がある。

そのような耐久性の低下に対して、本発明の実施形態では、ブラケット１の平面部８に上述したような第１延伸部１４ａが設けられている。その第１延伸部１４ａは、平面部８の第１端部１３ａに沿って突出しており、平面部８との間でＬ字を形成するように突出している。言い換えれば、第１延伸部１４ａは、ブラケット１の締結面６から平面部８の一部に亘って切り欠かれることによって、残った平面部８の他の部分である。すなわち、ブラケット１は、溶接線に垂直な断面の形状が、平面部８および締結面６によって形成されるＬ字状の部分と延伸部１４によって形成される平面の部分とに変化するように形成されている。そのため、上述したような相対的に移動しようとする状態が生じる場合には、溶接止端部における第１延伸部１４ａの長手方向の端部である境界部だけでなく、第１延伸部１４ａから平面部８にかけての第２屈曲部１２にも応力が集中する。言い換えれば、強度上の弱所として、境界部とは異なる部位に屈折部１５ａ，１５ｂを設けることにより、新たに応力を集中させる部分が形成されている。したがって、上述したようなエンジンの振動による繰り返し荷重や、熱膨張によって生じる垂直応力などが生じたとしても、屈折部１５ａ，１５ｂによって境界部における応力を分散させることができるので、境界部における耐久性の低下を防止もしくは抑制することができる。

また、反対に、エキゾーストパイプ１やブラケット２が冷却されて収縮する際に生じる応力も同様に分散させることができる。例えば、寒冷地や、あるいは、エンジンが停止することにより排ガスの流動が停止し、熱膨張によって塑性変形が可能な温度まで熱せられていたエキゾーストパイプ２やブラケット１が常温に戻る際には、温度が上昇した時とは反対の方向に応力が生じることになる。そのような、ブラケット１やエキゾーストパイプ２が冷却されることにより収縮しようとした場合に境界部に生じる応力についても、同様に屈折部１５ａ，１５ｂによって分散させることができる。

次に、図５を用いて本発明における他の実施形態について説明する。上述した実施形態では、ブラケット１の平面部８における長手方向の両端側にそれぞれ延伸部１４ａ，１４ｂが設けられているが、このような形状に限らず、ブラケット１に入力される荷重の方向や大きさなどに応じて延伸部を設けてよい。例えば、図５（ａ）に示すブラケット２０のように、平面部２１における長手方向の両端部のうち一方側の端部のみに延伸部２２を設ける構成であっても良い。つまり、図５（ａ）に示すブラケット１には、上述した実施形態における第１延伸部１４ａのみが設けられている。

また、ブラケット１に第２締結面６ｂや第２平面部８ｂが形成されていない場合であっても、ブラケット１の両端部に上述した各延伸部１４ａ，１４ｂを設けることにより応力の集中を抑制することができる。図５（ｂ）に示すブラケット３０のように、平面部３１の長手方向における両端にそれぞれ延伸部３２ａ，３２ｂが形成されていても良い。このような構成でも、溶接止端部の両端部におけるいずれの端部においても応力集中を回避することができる。また、図５（ｃ）に示すブラケット４０ように、図５（ｂ）に示したブラケット３０において、平面部４１の長手方向における一方側の端部のみに延伸部４２が形成された構成であっても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した例に限定されないのであって、本発明の目的を達成する範囲で適宜変更してもよい。例えば、延伸部１４の寸法は、ブラケット１の境界部に生じる応力等に基づいて変更してよい。また、上述した実施形態では、エキゾーストパイプ２とトランスミッションケースとの締結に用いるブラケット１を例に説明したが、これに限らず、二つの剛体を締結するブラケット１に対して適用することができる。さらに、上述した実施形態では、ブラケット１の平面部８から溶接部９に沿って突出した部分を、延長した部分である延伸部１４として説明したが、延伸部１４は、平面部８を切り欠くことによって形成された部分であってもよい。

１，２０，３０，４０ ブラケット
２ エキゾーストパイプ（所定の第２部材）
３ 他のブラケット（所定の第１部材）
６ 締結面
８，２１，３１，４１ 平面部
９ 溶接部
１０ 外周面
１２ 屈曲部
１４，２２，３２ａ，３２ｂ，４２ 延伸部
１５ａ，１５ｂ 屈折部

Claims (4)

1. 所定の第１部材に締結される締結面と、前記締結面から屈曲部を介して連続する平面部と、前記平面部の前記屈曲部とは反対側の端部に沿って設けられた溶接部と、を有するブラケットを備え、前記溶接部が所定の第２部材の外周面に溶接されることにより前記ブラケットを前記第２部材に締結するブラケットの支持構造であって、
   前記ブラケットは、前記平面部における前記溶接部に沿って延伸された延伸部をさらに有し、
   前記延伸部は、前記溶接部から前記屈曲部までの長さである幅方向の長さが前記平面部の幅方向の長さより短くなっている
   ことを特徴とするブラケットの支持構造。
2. 請求項１に記載のブラケットの支持構造であって、
   前記第２部材は、エンジンの排気側に連結された排気管の一部を構成する部材である
   ことを特徴とするブラケットの支持構造。
3. 請求項１または２に記載のブラケットの支持構造であって、
   前記溶接部は、長手方向において前記延伸部より長く形成されている
   ことを特徴とするブラケットの支持構造。
4. 請求項１または２に記載のブラケットの支持構造であって、
   前記延伸部から前記平面部にかけての屈折部が滑らかに湾曲するアール形状である
   ことを特徴とするブラケットの支持構造。

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