JP4736852B2

JP4736852B2 - 板材接合部の補強構造

Info

Publication number: JP4736852B2
Application number: JP2006052579A
Authority: JP
Inventors: 浩朗山本; 信之志村; 英市小林; 和夫粟生; 哲児姫野
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp; Mitsubishi Automotive Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp; Mitsubishi Automotive Engineering Co Ltd
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP2007232017A

Description

本発明は、板金のウェルドナット取り付け部等に用いて好適の、板材接合部の補強構造に関するものである。

従来より、自動車の艤装品等の部品取り付け部（板材接合部）では、板材にナット（ウェルドナット）を溶着し、このウェルドナットにボルトを締結して部品を取り付けるような手法が広く用いられている。
しかし、このような取り付け手法では、ボルトに軸力や曲げモーメントが作用すると、ウェルドナットの溶着部に応力集中が生じるため耐久性が低下してしまう。そこで、耐久寿命を延ばす目的で、被締結部の板厚を増大させたり、又は応力を低減する目的でナットプレートが使用されたりしているが、このような板厚増大やナットプレートの使用はコストの増大を招くほか重量増を招くことになる。

なお、下記の特許文献１には、六角ボルトと六角ナットとにより固定される金物において、六角ボルトを挿入するボルト穴の中心から対称に２個の凸部を形成した技術が開示されている。
実用新案登録第３０４４７０５号公報

しかしながら、上記特許文献の技術は、板材の接合部においてボルト又はナットを締結する際の共回りを防止するための技術であって、板材接合部の応力集中を低減できるようなものではなかった。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、コスト増や重量増を招くことなく板材接合部の応力集中の低減を図るようにした、板材接合部の補強構造を提供することを目的とする。

本発明の板材接合部の補強構造は、板材を他の部材に接合する接合部の周囲に隆起部が形成され、該隆起部が該接合部を中心とする略環状または略円弧状に形成され、該隆起部の断面形状が略半円形に形成され、該板材の平面部と該隆起部との境目の断面形状は、連続した曲面で形成され、該板材が金属であり、該接合部がウェルドナット又はウェルドボルトの取り付け部であって、該隆起部が該ウェルドナット又は該ウェルドボルトの溶接による接合箇所から離隔して設けられていることを特徴としている。
また、該隆起部が該接合部を中心とする円弧状に形成されていてもよい。この場合には、該円弧状の隆起部が複数形成されるとともに、該複数の隆起部が該接合部を中心として対称な位置に形成されているのが好ましい。

本発明の板材接合部の補強構造によれば、簡素な構造でコスト増や重量増を招くことなく接合部の応力集中を低減することができ、部品取り付け剛性の向上、耐久性の大幅な向上を図ることができるという利点がある。

以下、図面により、本発明の一実施形態に係る板材接合部の補強構造について説明すると、図１はその要部を示す模式的な斜視図、図２はその変形例について示す模式的な平面図、図３は図１におけるＡ−Ａ断面図である。また、図４〜図１０はいずれも本発明をウェルドナットの取り付け部に適用した場合における有限要素解析（ＦＥＡ）について説明するための図である。また、図１１と図１２はいずれも本発明をウェルドナットの取り付け部に適用した場合における応力について説明するための図である。

図１において、符号１は金属性の板材（板金）であって、この板金１を他の部材に接合する箇所（接合部）２には、ウェルドナット３が設けられている。ここで、ウェルドナット３は本実施形態においては４点で板金１に溶着されており、板金１と一体化されている。
また、図３に示すように、板金１のウェルドナット３のネジ穴３ａに対応した位置には穴１ａが形成されている。また、ウェルドナット３の周囲には、ウェルドナット３のネジ穴３ａを中心に（つまり、板金１に形成された穴１ａを中心に）、図１及び図３に示すようなビード（隆起部）４が形成されている。ここで、このビード４は、上面視においては、図１に示すような環状又は円形に形成されるとともに、断面形状は図３に示すように略半円形に形成されており、例えばプレス成形により形成される。なお、ビード４の断面形状はこのような半円形に限定されるものではなく、種々の形状が適用可能である。また、本実施形態においては、板金１の平面部とビード４との境目の断面形状は連続した曲面で形成されている。

また、図２に示すように、ビード４を環状にせずに複数に分割するようにしてもよい。この場合には、図示するようにビード４を円弧状に形成するのが好ましく、さらには、接合部２を中心として対称な位置にビード４を配置するのが好ましい。
そして、このように接合部２の周囲にビード４を形成することにより、図示しないボルトに軸力や曲げモーメントが作用しても、ウェルドナット３の溶着部に生じる応力集中を低減することができる。

これを図４〜図１１を用いて説明すると、図４乃至図６は図１に示すウェルドナット３にボルト５を締結して有限要素解析（ＦＥＡ）を行った際の条件について示す図であって、図示するように、ここでは板金１からの長さＬのボルト５を用い、ボルト５の下端にボルト中心軸と直交する方向から曲げモーメントを加えるとともに、ボルト中心軸と同軸方向に面外軸力（鉛直荷重）を入力した。なお、図示するように、板金１は両端部において単純支持とした。また、図４ではビード４が形成されていないが、環状のビード４を形成した場合とビード４を形成していない場合との両方を解析した。

図５はビード無しの場合の要素分割について示す図であって、図６は環状のビード４を設けた場合の要素分割ついて示す図である。これらの図に示すように、本実施形態においては、主に、ウェルドナット３及びボルト５を中心にした同心円と、ボルト中心から放射状に延びる線とにより要素分割を行った。
図７はビード無しの場合における鉛直荷重入力時の応力分布を示す図、図８はビード有りの場合における鉛直荷重入力時の応力分布を示す図である。また、図９はビード無しの場合における曲げモーメント入力時の応力分布を示す図、図１０はビード有りの場合における曲げモーメント入力時の応力分布を示す図である。また、これらの各図の右側には応力の大きさと各要素の模様との関係を示しており、黒で塗りつぶした要素は二次応力が最大となる箇所である。

図７に示すように、ビード４を設けていない場合には、鉛直荷重入力時にはウェルドナット３の溶着個所（４箇所）の狭い範囲内に最大応力（図中、黒の塗りつぶし参照）が集中している。したがって、このような荷重が繰り返り作用すると、上記ウェルドナット３の溶着個所で金属疲労が進み、破断が生じたりすることにより耐久寿命が低下してしまうことになる。

一方、図８に示すように、ビード４を設けた場合には最大応力を受ける面積自体は広がるものの、ウェルドナット３の溶着部での応力集中を回避でき接合部２の耐久寿命が向上する。特にこの場合は、ビード４を環状に形成したので、ビード４の縁部に沿って応力が作用する。このため、応力を板金全体で受けることとになり、ウェルドナット３の溶着部における応力が分散して、この部分での耐久性が向上することとなる。尚、ビード４を円弧状に形成しても、同様の効果を得ることができる。

また、板金１の平面部とビード４との境目の断面形状は、応力集中しやすい角部で形成されておらず、連続した曲面で形成されているので、より効果的に応力分散が可能である。
また、図９に示すように、曲げモーメント入力時には、ビード４を設けていない場合には、曲げモーメントの入力方向に応じたウェルドナット３の溶着個所２点（図中上下の２点）に応力が集中していることがわかる。したがって、このような曲げモーメントが繰り返し作用すると、やはりこの溶着点において金属疲労が進み、耐久性が低下してしまう。

これに対して、図１０に示すように応力の分布の特性は大きく変わらないものの、ウェルドナット３の溶着部に生じる応力の大きさが大幅に低減される。したがって、耐久性の向上に寄与することがわかる。また、ビード４を環状に形成しているので、あらゆる方向の曲げモーメントに対応できる。尚、ビード４を円弧状に形成しても、同様の効果を得ることができる。

図１１は鉛直荷重を入力した際に作用する応力を測定したプロット点を示す図、図１２は図１１に示す各プロット点における応力を示すものであって、線ａは環状のビード４を設けなかった場合、線ｂは環状のビード４を設けた場合の特性をそれぞれ示している。
図１２に線ａで示すように、ビード４を設けない場合には各プロット点における応力はナット３の溶着点に近くなるほど（横軸の距離が０に近づくほど）大きい。つまり、溶着点に大きな応力が作用していることを示している。これに対して、線ｂに示すよぅに、ビード４を設けた場合には、溶着点に近づくと僅かに応力が増大するような特性が見られるが、線ａに示すビード無しの場合に比べて明らかに全体的に作用している応力が小さく、ビード４の作用により応力が低減していることがわかる。

以上詳述したように、本発明の一実施形態に係る板材接合部の補強構造によれば、板材１の接合部２の周囲にビード４を形成するという簡素な構成で応力集中を回避又は低減することができる。これにより、従来用いられていた板厚増大やナットプレート使用という手法を用いる必要がなくなるのでコスト増や重量増を招くことなく応力集中を低減できるとともに、板材１の耐久性を向上させることができるという利点がある。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形例が可能である。例えば、上記の実施形態では、板材１の接合部２としてウェルドナット３の取り付け部を挙げて説明したが、ウェルドボルトの取り付け部であってもよいし、又は単にボルト又はナットの取り付け部であってもよい。さらには、接合部２が溶接による接合箇所であってもよい。この場合、溶接としてはスポット溶接やプラグ溶接等が挙げられる。また、上記実施形態では、板材として金属を用いたが、これに代えて樹脂の板材に本発明を適用してもよい。

また、ビード４の断面形状は任意であって、特に限定されるものではなく、さらには板金１の平面部とビード４との境目の断面形状は、連続した曲面で形成されているのが好ましい。また、ビードの平面視における形状も環状又は円弧状にのみ限定されず、楕円形状や、任意の曲線形状等、設計上の要求に応じて種々変更可能である。

本発明の一実施形態に係る板材接合部の補強構造の要部を示す模式的な斜視図である。本発明の一実施形態に係る板材接合部の補強構造の変形例について示す模式的な平面図である。本発明の一実施形態に係る板材接合部の補強構造の要部を示す図であって、図１のＡ−Ａ断面図である。本発明の一実施形態に係る板材接合部の補強構造における有限要素解析の入力について説明する図である。本発明の一実施形態に係る板材接合部の補強構造における有限要素解析の入力について説明する図である。本発明の一実施形態に係る板材接合部の補強構造における有限要素解析の入力について説明する図である。本発明の一実施形態に係る板材接合部の補強構造における有限要素解析について説明する図である。本発明の一実施形態に係る板材接合部の補強構造における有限要素解析について説明する図である。本発明の一実施形態に係る板材接合部の補強構造における有限要素解析について説明する図である。本発明の一実施形態に係る板材接合部の補強構造における有限要素解析について説明する図である。本発明の一実施形態に係る板材接合部の補強構造における応力について説明する図である。本発明の一実施形態に係る板材接合部の補強構造における応力について説明する図である。

符号の説明

１板材（板金）
２接合部
３ウェルドナット
４ビード（隆起部）
５ボルト

Claims

板材の接合部における補強構造であって、該板材を他の部材に接合する接合部の周囲に隆起部が形成され、
該隆起部が該接合部を中心とした略環状または略円弧状に形成され、
該隆起部の断面形状が略半円形に形成され、
該板材の平面部と該隆起部との境目の断面形状は、連続した曲面で形成され、
該板材が金属であり、
該接合部がウェルドナット又はウェルドボルトの取り付け部であって、
該隆起部が該ウェルドナット又は該ウェルドボルトの溶接による接合箇所から離隔して設けられている
ことを特徴とする、板材接合部の補強構造。
該隆起部が該接合部を中心とした略円弧状に複数形成されるとともに、該複数の隆起部が、該接合部を中心として対称な位置に形成されている
ことを特徴とする、請求項１記載の板材接合部の補強構造。