JP4180891B2

JP4180891B2 - ブラケット

Info

Publication number: JP4180891B2
Application number: JP2002338438A
Authority: JP
Inventors: 厚司瀬戸
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2022-11-21
Also published as: JP2004169864A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車、船舶、橋梁、建設機械、建築構造物、海洋構造物、貯槽、ペンストック等で構造部材同士をつなぐ連結部材を構造部材に取り付けるためのブラケットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車、建設機械、建築構造物等の鋼構造物では、図６に示すように構造部材５同士は連結部材７によりつながっていることが多く、構造部材５は構造部材５に取り付けられたブラケット１０とピン８を介して連結部材７に連結され、ブラケット１０はその構成要素であるフランジ１が構造部材５と溶接により接合される。したがって構造部材５に発生した荷重は、構造部材５から溶接部４、ブラケット１０、ピン８、連結部材７の順に伝達されるが、このうちブラケット１０と構造部材５の溶接部４、特に溶接止端は応力集中が大きく、疲労き裂の発生起点となる。このため、構造部材５へのブラケット１０の取り付け溶接部４についていくつかの技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特開平９−１７５１３２号公報（特許文献１）では自動車のボディとアクスルハウジングを連結するリーフスプリングを保持するスプリングブラケットを対象にして、部材に切り欠きを入れるなどして部材の幅よりも相対的に溶接長さを長くして溶接部に作用する応力を低くする構造が開示されている。
【０００４】
また、実開平２−１０７５０３号公報（特許文献２）では同じく自動車のアクセルハウジングとフレームを連結するトルクロッドのブラケットを対象として、フランジの両端部を中間部より突出させて、突出した両端部に挟まれた部分を溶接することにより始終端の応力集中を低減する取り付け構造が開示されている。
【０００５】
またさらに特開２０００−８５３３１号公報（特許文献３）では、同じく自動車のアクセルパイプにブラケットを溶接する際に、応力集中部での溶接を避けてブラケットの裏側に溶接部を配置するリヤサスペンションが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−１７５１３２号公報
【特許文献２】
実開平２−１０７５０３号公報
【特許文献３】
特開２０００−８５３３１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術のうち、まず特開平９―１７５１３２号公報では、部材の幅を溶接長さより短くするように切り欠きを設ける構造が開示されているが、部材の幅と溶接長さの大小関係が規定されているのみであり、切り欠きの半径が鋭いと溶接部よりも先に切り欠きから疲労亀裂が発生する恐れがある。また切り欠きが深いと切り欠き底での応力が高くなり、これも切り欠きからの疲労亀裂発生を招く。逆に切り欠きが浅いと溶接部、特に溶接始終端の応力集中は低減せず、始終端から疲労亀裂が発生する。したがって切り欠きの形状、半径や深さを規定した本発明とは異なる。
【０００８】
次に実開平２−１０７５０３号公報では、ブラケットのフランジの両端を中間部より突出させて溶接始終端の向きを変えることにより始終端の局部形状を改善しているが、依然として始終端に作用する応力そのものは変わらないため、応力集中の低減は軽微なものにとどまっている。したがって、ブラケットにおけるフランジの溶接始終端に作用する応力を低減しようとする本発明とは異なる発明である。
【０００９】
また特開２０００−８５３３１号公報ではブラケットの裏側を溶接して、応力集中部である表側への溶接を回避しているが、本発明で対象としているシンプルな形状のブラケットでは裏側であっても応力集中はさほど低減されず、また裏側が溶接不可能な構造には適用不可能である。
本発明の目的は、構造部材に取り付けた場合に疲労強度の向上が安定して得られるブラケットを提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の要旨とするところは、請求項１のブラケットでは、構造部材５同士をつなぐ連結部材７を構造部材５に取り付けるブラケット１０であって、１つ又は２つの板状フランジ１を有し、前記板状フランジ１の端部は構造部材５に溶接して固定され、前記板状フランジ１の側面の少なくとも片側に円弧状の切り欠き２が形成され、前記板状フランジ１面にピン孔３が形成され、前記切り欠き２は構造部材５を溶接する前記板状フランジ１端部と前記ピン孔３の間に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２の発明では、請求項１記載のブラケットにおいて、上記ブラケット１０の円弧状切り欠き２が、下記（１）式を満足する半径ｒ_０（ｍｍ）の半円状切り欠きの一部または全部であることを特徴とする。
ｔ≦ｒ_０≦３ａＷ／（Ｗ＋４ａ） −−−−−（１）
ここでｔ：板厚（ｍｍ）、Ｗ：ブラケットの幅（ｍｍ）、ａ：ピン孔の半径（ｍｍ）
【００１３】
また、請求項３記載の発明では、請求項１または請求項２記載のブラケットにおいて、前記ブラケット１０の円弧状切り欠き２の形状が、下記（２）式及び（３）式を満足する２つ以上の半径ｒ_０〜ｒ_ｎ（ｍｍ）（ｒ_０＜・・・＜ｒ_ｎ：ｎは自然数）で規定される切り欠きの一部または全部であることを特徴とする。
ｄ≦３ａＷ／（Ｗ＋４ａ） −−−−−（２）
１≦ｒ_ｎ／ｒ_０≦３０ −−−−−（３）
ただしｄ：切り欠き深さ（ｍｍ）、ｒ_ｎ：切り欠き半径の最大値（ｍｍ）、ｒ_０：切り欠き半径のうち最小値（ｍｍ）、
にある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明のブラケットが溶接部の疲労特性に優れているのは以下の理由による。図６に示したように構造部材５と連結部材７は、ブラケット１０の構成要素である板状フランジ１の端部により溶接されており、ブラケット１０と連結部材７の結合はピン８による場合が多く、ブラケットにはピンを通す孔３が設けられていることが多い。このピン８を介してブラケット１０に荷重が伝わり、構造部材５とブラケット１０の溶接部４を通じてさらに構造部材に荷重が伝わる。ブラケット１０と構造部材５の溶接部４は通常始終端を含む溶接であることが多く、構造的に始終端に応力が集中するだけでなく、始終端の溶接止端形状に依存した応力集中が重畳して疲労き裂６が発生する。板状ブラケット１０には図９に示すように連結部材７を挟むように２枚の板材から２つの板状フランジ１が形成されるもの、図１０、図１１のように両側の板材が１枚の板から２つの板状フランジ１として形成されているもの、図１２のように連結部材７の先端が２枚に分かれているために１枚の板状フランジ１のみからブラケット１０を構成するもの等があるが、いずれも板状フランジ１の端部は始終端をもつ溶接で構造部材に溶接され、これらの溶接部４の始終端で疲労破壊することが多い。
【００１５】
これら始終端の応力集中を低減するには、まず始終端局部の応力集中を低減させる方法として、実開平２−１０７５０３号公報に記載しているような始終端の向きを変えるなどの構造が考えられるが、溶接のままでは始終端の止端形状は大きく変わらず、応力集中の低減はわずかである。
【００１６】
したがって本発明では、構造的な応力集中を低減する構造を検討した結果、図１に示すように板状フランジ１の側面に円弧状の切り欠き２を設けることにより、連結部材７からの荷重がピン８を介してブラケット１０および構造部材５に伝わる際に、構造部材５と板状フランジ１との溶接部４の始終端の止端での応力を大きく低減できることを見出した。切り欠き２はその形状が鋭いと切り欠き底から疲労き裂が発生して疲労強度が低下してしまうため、ブラケット全体の疲労強度を向上させるためには円弧状の切り欠きを少なくとも溶接始終端が配置されている側の板状フランジの側面に設ける必要があることに気づいた。切り欠き２の位置は溶接始終端の応力を大きく低減させるためには溶接端部に出来る限り近い方が好ましいが、溶接始終端の応力低減効果を得るためには少なくとも切り欠きの端と溶接端との間隔を、切り欠き深さ以下とすることが好ましい。図１ではブラケット１０は２枚の板状フランジ１から構成され、溶接部４の始終端が１枚の板状フランジ１の両端に配置されているため、切り欠き２も板状フランジ１の両端に設けてあるが、板状フランジ側面の片側のみに設けても本発明の効果を得ることができる。
【００１７】
ブラケットと連結部材とはピンを介して接合されることが多いため、ブラケットにはピン孔が設けられる場合も多い。したがって、ブラケットの板状フランジにピン穴を設ける場合について検討した結果、図２および図３に示すようにピン孔３と板状フランジ１の端部との間に円弧状の切り欠き２を設けることにより、板状フランジ１の下側を構造部材に溶接し、連結部材とはピンで結合した場合、図７に示すように溶接部４の始終端に応力が作用しにくくなることを知見した。このようにピン孔と板状フランジ端部の間に円弧状の切り欠きを設けることにより、図８に示す従来のブラケットに比べて溶接始終端の止端の応力集中を低減させることが可能となった。しかし単に円弧状の切り欠きを設けただけでは切り欠きでの応力集中が大きくなって疲労亀裂発生の源になる可能性が残されていることから、切り欠き深さと切り欠き半径の両方を制御することが好ましいことを知見した。
【００１８】
本発明ではさらに、連結部材７を支持するためのピン８を通すピン孔３が設けられているタイプのブラケットに限定して検討を行った結果、まず図２に示すような半円状切り欠き２を導入したブラケットでは、（１）式を満たす切り欠き半径ｒ₀をもつ半円切り欠きであれば、切り欠きからの疲労亀裂発生を抑えつつ図２の下側を構造部材に溶接する場合、始終端に作用する応力を大きく低減することが可能であることを知見した。この条件式の右辺は、切り欠き先端での応力がピン孔３の縁での応力を超えない条件のもとに導いたものである。また切り欠き半径は小さくなるほど応力集中低減効果が小さくなるが、少なくとも板厚以上の半径であれば応力集中低減効果が期待できることから下限は板厚とした。
ｔ≦ｒ₀≦３ａＷ／（Ｗ+４ａ） -----（１）
ここでｔ：板厚（ｍｍ）、ｒ₀：半円状切り欠きの半径（ｍｍ）、Ｗ：ブラケットの幅（ｍｍ）、ａ：ピン孔の半径（ｍｍ）である。
【００１９】
次に図３のように半円状切り欠きを２つ以上組合せた場合について検討した。半円状切り欠きを２つ以上組合せたものは、応力集中部である切り欠き底の半径を大きくし、その他の部分の半径を小さくすることで、切り欠き全体の大きさを抑えつつ、図２の単一半径の切り欠きよりも応力集中をさらに小さくすることが出来る。この場合、切り欠き２の応力集中が切り欠きの深さｄおよび切り欠きの半径ｒ₀〜ｒ_n（ｒ₀＜・・・・・＜ｒ_n、ｎは自然数）に影響される。まず切り欠き深さｄ（ｍｍ）については、（１）式と同様にブラケット幅およびブラケットのピン孔の半径によって規定される必要があり、（２）式のように規定した。
ｄ≦３ａＷ（Ｗ+４ａ） -----（２）
【００２０】
また切り欠き半径ｒ_０〜ｒ_ｎ（ｒ_０＜・・・・・＜ｒ_ｎ、ｎは自然数）については、板状フランジ側面から始まってまた板状フランジ側面に戻る必要があることから、非常に大きな切り欠き半径を設けるとその隣に非常に小さな半径の切り欠きを配置しなければならず、非常に小さな切り欠き半径のところで大きな応力集中が発生する。本発明では半円状切り欠きの応力集中を改善するため、半円状切り欠きと同じ深さおよび高さを前提として、応力集中部の切り欠き半径を出来る限り大きくし、その前後に半径の小さな切り欠きを配置することを検討した結果、切り欠き半径の最大値ｒ_ｎと最小値ｒ_０の比ｒ_ｎ／ｒ_０は最大で３０であり、これより大きな切り欠き半径を配置すると切り欠きの高さが半円より高くなること、もしくは小さい切り欠き半径のところでの応力集中が大きくなって疲労破壊の起点になることが判明した。またｒ_ｎ／ｒ_０が１に近づくと多数の切り欠きで構成されている切り欠きが半円状切り欠きに近づくことを意味する。このような検討から、切り欠き半径の最大値ｒ_ｎと最小値ｒ_０の比ｒ_ｎ／ｒ_０は、
１≦ｒ_ｎ／ｒ_０≦３０ −−−−−（３）
と規定した。
なおここでいう半円状切り欠きは、半円の一部を含む切り欠きのことであり、その円弧が円周の半分以下の切り欠きを指し、切り欠き深さｄは円の半径以下となる。
【００２１】
以上は１枚の板材から形成される本発明のブラケットの形状について述べたが、ブラケットは図９〜１２に示したようにピン孔３を有するものだけでも種々の形態があり、本発明のブラケットはこれらの形態に応用することができる。
【００２２】
例えば図９および図１２のようなブラケットには、図２または図３に記載した形状の１枚の板状フランジをそのまま用いることが出来、また図１０および図１１のようなブラケットに対して本発明のブラケットを用いる場合には、図４および図５のような形状となる。特に図１１では、ブラケット１０と構造部材は、ブラケットに沿ってコの字形に溶接され、溶接部４の始終端はフランジ１のそれぞれの片側のみに配置されるため、図５では切り欠き２も片側のみに配置している。
【００２３】
また、本発明ではブラケットと構造部材の溶接方法については特に規定していないが、通常用いられる被覆アーク溶接、ガスシールドアーク溶接、サブマージアーク溶接等のアーク溶接はもとより、レーザー溶接、電子ビーム溶接、プロジェクション溶接、ガス溶接などの溶融溶接全般にも適用可能である。さらに、本発明では、ブラケットの端部に溶接始終端が配置される場合が多いことから、溶接始終端の止端での応力集中低減効果について述べたが、ブラケットの端部で溶接が折り返されるなどして溶接始終端がブラケット端部に来ない場合でも、折り返し溶接の止端で応力が集中する。本発明のブラケットはこのような折り返し溶接止端の応力集中を低減する効果も有しており疲労強度を向上することが可能である。
【００２４】
（実施例）
実施例として図４に示すように、及び比較例として図１０に示すように、構造部材として外寸法１００ｍｍ角の鋼製箱型断面の構造部材５にブラケット（幅１００ｍｍ、ピン孔直径３０ｍｍ、軟鋼製）１０を炭酸ガスアーク溶接により取り付け、ブラケット１０のピン孔３からピン８を介して取り付けた連結部材７に引張荷重を載荷することにより、疲労試験を行った。ブラケット１０は、１枚の１．２ｍｍ厚の軟鋼板を折り曲げたものであり、２箇所の溶接により構造部材５に取り付けている。したがって４箇所の溶接始終端があるため、ブラケット１０にも合計４箇所に切り欠きを設けている。連結部材７は、同じく内径３０ｍｍのピン孔を有する外径５０ｍｍの鋼製円筒部および円筒部にねじで接合された直径１０ｍｍのロッドからなり、円筒部のピン孔３の位置とブラケット１０のピン孔３の位置を合わせたのち直径２９．５ｍｍの鋼製ピン８を差し込み、連結部材７とブラケット１０に取り付けた。
【００２５】
疲労試験の模式図を図１３に示す。ブラケット１０の切り欠き半径および深さを１２種類に変えた疲労試験体Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１２を製作した。疲労試験体と試験結果を下記表１に示す。なお、応力比Ｒは、連結部材７に与える引張荷重の最小荷重に対する最大荷重の比であり、応力比Ｒ＝−１は引張応力と圧縮応力が同じ値であることを示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
Ｎｏ．１〜１０は本発明例であり、Ｎｏ．１１および１２は比較例である。Ｎｏ．１〜３は一つの半径で表される半円状切り欠きを、Ｎｏ．４〜６は複数の半径で表される切り欠きであり、いずれも比較例Ｎｏ．１１および１２に比べて３０％以上疲労強度が向上している。
【００２８】
特に複数の切り欠き半径で構成される切り欠きを導入したＮｏ．４〜６の疲労強度向上が大きい。Ｎｏ．７はＮｏ．１〜６と同じく溶接終端の止端から疲労亀裂が発生しているが、切り欠きが浅いため本発明の中では疲労強度は低い。Ｎｏ．８おびＮｏ．９は切り欠きが深く、切り欠き底から疲労破壊しており、またＮｏ．１０は切り欠き深さを抑えつつ切り欠き半径を大きくしたため、切り欠きの高さが大きくなり、切り欠きとピン孔の距離が短くなり、ピン穴での応力集中が大きくなってピン孔から疲労破壊した。
【００２９】
しかし、これらＮｏ．７〜１０はいずれも溶接始終端の応力集中を低減した結果として他の部位から疲労破壊したものであり、切り欠きの無いＮｏ．１１および円弧状でなくノッチ状の切り欠き（先端半径がほぼ０）を持つＮｏ．１２に比べて高い疲労強度を示した。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は半径・深さを規定した切り欠きを導入することにより溶接始終端の止端からの疲労破壊における疲労強度を向上させているため、鋼構造物の種類、溶接方法によらずブラケットの溶接部の疲労強度を安定して向上することが可能であり、その工業的意味は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】構造部材および連結部材とブラケットとの結合状態を示す図である。
【図２】本発明のブラケットのうち、１つの半径で表される半円状切り欠きを有するブラケットの図である。
【図３】本発明のブラケットのうち、２つ以上の半径で表される半円状切り欠きを有するブラケットの図である。
【図４】本発明を応用したブラケットの例である。
【図５】本発明を応用したブラケットの別の例である。
【図６】構造部材とブラケット、連結部材の関係を表す図である。
【図７】本発明のブラケットおよび構造部材との溶接部における応力の流を表す図である。
【図８】従来のブラケットおよび構造部材との溶接部における応力の流を表す図である。
【図９】従来のブラケットおよび構造部材との溶接部の例である。
【図１０】従来のブラケットおよび構造部材との溶接部の例である。
【図１１】従来のブラケットおよび構造部材との溶接部の例である。
【図１２】従来のブラケットおよび構造部材との溶接部の例である。
【図１３】実施例における本発明のブラケットの疲労試験状況を示す図である。
【符号の説明】
１板状フランジ
２切り欠き
３ピン孔
４溶接部
５構造部材
６疲労亀裂
７連結部材
８ピン
９応力の流れ
１０ブラケット

Claims

構造部材（５）同士をつなぐ連結部材（７）を構造部材（５）に取り付けるブラケット（１０）であって、１つ又は２つの板状フランジ（１）を有し、前記板状フランジ（１）の端部は構造部材（５）に溶接して固定され、前記板状フランジ（１）の側面の少なくとも片側に円弧状の切り欠き（２）が形成され、前記板状フランジ（１）面にピン孔（３）が形成され、前記切り欠き（２）は構造部材（５）を溶接する前記板状フランジ（１）端部と前記ピン孔（３）の間に形成されていることを特徴とするブラケット。
前記ブラケット（１０）の円弧状切り欠き（２）が、下記（１）式を満足する半径ｒ_０（ｍｍ）の半円状切り欠きの一部または全部であることを特徴とする請求項１記載のブラケット。
ｔ≦ｒ_０≦３ａＷ／（Ｗ＋４ａ） -----（１）
ここでｔ：板厚(mm)、W：ブラケットの幅(mm)、ａ：ピン孔の半径(mm)。
前記ブラケット（１０）の円弧状切り欠き（２）が、下記（２）式及び（３）式を満足する２つ以上の半径ｒ_０〜ｒ_ｎ（ｍｍ）（ｒ_０＜・・・＜ｒ_ｎ：ｎは自然数）で規定される切り欠きの一部または全部であることを特徴とする請求項１または２記載のブラケット。
ｄ≦３ａＷ／（Ｗ＋４ａ） -----(2)
１≦ｒ_ｎ／ｒ_０≦３０ -----(3)
ただしｄ：切り欠き深さ（ｍｍ）、ｒ_ｎ：切り欠き半径の最大値(mm)、ｒ_０：切り欠き半径のうち最小値（ｍｍ）。