JP4843664B2 - 部材接合方法 - Google Patents
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Description
本発明は、部材接合方法に関し、詳しくは、同一直線上にない二つの部材、例えば、鉄道車両における側構体の柱部材と屋根構体の梁部材とを連結する筋交いのような補強部材の端部を前記柱部材や梁部材にボルトやリベットのような締結具を使用して所定の角度で接合する際の締結具の配置方法に関する。
従来から、柱に梁や筋交いを接合するなど、建築や機械の分野で二つの部材をボルトやリベットなどの締結具で接合することが広く行われている。接合部に使用する締結具、例えばボルトの本数は、接合部に要求される強度及びボルトの強度から必要本数を求め、接合部における接合面の形状に応じて等間隔で均等にボルトを配置するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−２９２７７１号公報
しかし、複数のボルトを接合面に対して均等に配置した場合において、各ボルトが負担している荷重を求めた結果、すべてのボルトが均等に荷重を負担することはなく、各ボルトの負担荷重に大きな差が生じており、複数のボルトのうち、いくつかのボルトは荷重をほとんど負担していないことが明らかになった。逆に、一つのボルトに大きな負荷が作用して構造上の弱点となる場合もある。
そこで本発明は、部材を接合するボルトやリベットのような締結具を効率的に配置することで強度を確保したまま締結具の所要数を減らすことができ、部品点数や工数の低減を図ることができる部材接合方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明の部材接合方法は、第１の部材と、該第１の部材に対してあらかじめ設定された角度で斜めに交差する方向に配置される第２の部材とを接合面にて面接触させ、前記接合面を貫通する複数の締結具を使用して前記第１の部材と前記第２の部材とを接合する部材接合方法において、第１の部材と第２の部材との接合部に加わる軸力及び曲げモーメントにより生じる荷重の向きから該接合部に加わる力の流れを求め、前記締結具の位置及び数を、求めた力の流れを接合部の接合面内に円弧で表示したときの該円弧の両端部分の２箇所と、該円弧上の部分の少なくとも１箇所とに設定することを特徴としている。
さらに、本発明の部材接合方法は、前記締結具の位置及び数を、求めた力の流れを接合部の接合面内に円弧で表示したときの該円弧の両端部分の２箇所と、該円弧上の部分の１箇所とに設定することを特徴としている。
本発明の部材接合方法によれば、例えば、従来は４本のボルトで接合していた部材接合部を３本のボルトで接合することができるので、部品数の削減、工数の削減を図ることができ、部材接合に要するコストを低減することができる。
図１は本発明の部材接合方法の一形態例を説明するための部材接合状態を示す説明図であり、図２は従来の部材接合状態を示す説明図である。
本形態例は、柱などの第１の部材であるメインフレーム１１の上端部に、斜め上方に向けて約４５度の角度で交差するように配置される補強部材などの第２の部材であるサブフレーム１２を複数のボルト（各図にはボルト孔で表示）１３にて接合する際のボルト１３の配置例を示している。
メインフレーム１１とサブフレーム１２とには、接合後の状態において、各図に矢印Ｆで示す軸力と矢印Ｍで示す曲げモーメントとが作用する。このときの力の流れを、メインフレーム１１とサブフレーム１２との接合面１４に対応した大きさに調整して表すと、各図に矢印Ｒで示すような円弧を描いた状態となる。
このような軸力Ｆと曲げモーメントＭとが作用するメインフレーム１１とサブフレーム１２とを４本のボルト１３で接合する場合、従来の接合方法におけるボルト１３の配置は、図２に示すように、接合面１４において、小さい部材であるサブフレーム１２の先端縁１２ａ及び両側縁１２ｂ，１２ｃとの距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を、接合面１４の形状に応じて設定し、接合面１４の全面に対して略均等にボルトが位置するように設定していた。
図２に示すように、略均等にボルト１３を配置したときの各ボルトが負担する荷重を求めると、図２において、位置Ａのボルトは２．５１ｋＮ、位置Ｂのボルトは１．２７ｋＮ、位置Ｃのボルトは０．５６ｋＮ、位置Ｄのボルトは１．５０ｋＮとなった。この結果から、位置Ｃのボルトは、他の位置の３本のボルトに比べて負担が小さく、最大と最小とで４倍以上の開きがあることがわかる。そして、荷重を負担している３本のボルトの位置と前記力の流れを表した円弧Ｒとを比較すると、この円弧上あるいは円弧に近い位置に配置された３本のボルトであることがわかる。
したがって、図１及び図２に示すように、あらかじめ設定された角度で交差する方向に配置したメインフレーム１１とサブフレーム１２とを接合面で面接触させて、該接合面１４を貫通する複数のボルト１３で接合するに際しては、メインフレーム１１とサブフレーム１２との接合部に加わる軸力Ｆ及び曲げモーメントＭにより生じる荷重の向きから該接合部に加わる力の流れを求め、求めた力の流れを接合部の接合面内に円弧Ｒで表示し、この円弧Ｒの両端部分を前記距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を満足する部分に配置したときに、該円弧Ｒの両端部分の２箇所及び円弧Ｒ上の中間部分の１箇所をボルト締結位置に設定し、円弧Ｒの中心側に位置するボルトを省略することにより、従来より少ない３本のボルト１３でメインフレーム１１とサブフレーム１２とを所要の強度で接合することができる。
また、従来の接合方法において荷重をほとんど負担していないボルト、本例では位置Ｃのボルトを省略したときの強度計算を行い、位置Ｃのボルトを省略しても他の３本のボルトで十分な強度が得られる場合は、従来法におけるボルトの配置に基づいてボルトの使用本数を減らすようにしてもよい。
すなわち、図１に示すように、３本のボルト１３を配置したときの各ボルトが負担する荷重を求めると、円弧Ｒの両端部分に相当する位置Ｘのボルトは２．４７ｋＮ、位置Ｙのボルトは１．６３ｋＮであり、円弧Ｒ上の中間部分に相当する位置Ｚのボルトは１．３８ｋＮであるから、最大と最小との差は２倍以下に収められている。さらに、このときの最大の負荷は２．４７ｋＮであるから、従来の最大の負荷である２．５１ｋＮに比べて小さく、ボルト１３を４本から３本に減らしても同じサイズのボルトを使用することが可能である。
したがって、交差する二つの部材を接合する際に、ボルト１３のような締結具の使用数を減らすことができ、ボルト自体の使用本数を低減できるだけでなく、各部材におけるボルト孔の加工数も減少するとともに、部材接合時のボルト・ナットの締付工数も減少するので、全体としての大幅なコストダウンが可能となり、これらの部材を使用した物品の製造時間を短縮することもでき、物品の軽量化を図ることもできる。さらに、３本のボルト１３を適切に配置することにより、各ボルトの負担を平均化することができ、弱点を無くして全体としての強度の向上を図ることもできる。
なお、本形態例では、従来は４本のボルトを用いて両部材を接合する例を挙げたが、リベットにて接合することもできる。また、ボルトやリベットのような締結具の数は特に限定されるものではない。さらに、両部材の形状や交差角度は任意であり、軸力及び曲げモーメントも任意である。
１１…メインフレーム、１２…サブフレーム、１３…ボルト、１４…接合面
Claims (2)
- 第１の部材と、該第１の部材に対してあらかじめ設定された角度で斜めに交差する方向に配置される第２の部材とを接合面にて面接触させ、前記接合面を貫通する複数の締結具を使用して前記第１の部材と前記第２の部材とを接合する部材接合方法において、
第１の部材と第２の部材との接合部に加わる軸力及び曲げモーメントにより生じる荷重の向きから該接合部に加わる力の流れを求め、
前記締結具の位置及び数を、求めた力の流れを接合部の接合面内に円弧で表示したときの該円弧の両端部分の２箇所と、該円弧上の部分の少なくとも１箇所とに設定することを特徴とする部材接合方法。 - 前記締結具の位置及び数を、求めた力の流れを接合部の接合面内に円弧で表示したときの該円弧の両端部分の２箇所と、該円弧上の部分の１箇所とに設定することを特徴とする請求項１記載の部材接合方法。
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