JP6265089B2

JP6265089B2 - 自動車用足廻り部品の疲労強度向上方法

Info

Publication number: JP6265089B2
Application number: JP2014180997A
Authority: JP
Inventors: 裕一時田; 塩崎　毅; 毅塩崎; 玉井　良清; 良清玉井
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2034-09-05
Also published as: JP2016055659A

Description

本発明は、金属板をプレス加工した断面の少なくとも一辺が開口する２部品を溶接により1体化する、例えばサスペンションアームのような自動車用足廻り部品及び自動車用足廻り部品の疲労強度向上方法に関する。

近年、自動車業界では、地球温暖化防止の観点から車体軽量化が望まれている。足廻り部品においてもハイテン材を適用し、薄肉化することで軽量化に寄与できる。
自動車用の足廻り部品は大別すると以下のようなタイプがある。
１）１枚の金属板をプレス加工により作製するタイプ（特許文献１：特開2002-205520号公報）。
２）プレス加工により作製した車両上方側と下方側のコの字断面を有する２部品を組み合わせ、閉じた断面とするタイプ。２部品は一般的にアーク溶接により接合される。（特許文献２：特開2013-82341号公報）
３）パイプにより作製された閉じた断面形状を有するタイプ（特許文献３：特開平8-25929号公報）。
４）アルミ合金などを素材とし、押出、鍛造によって作製されるタイプ。（特許文献４：特開平5-162522号公報）

上記の４つのタイプのうち、プレス加工により作製した２部品をアーク溶接によって接合するタイプにおいて、アーク溶接は重ね隅肉溶接となる。

特開2002-205520号公報特開2013-82341号公報特開平8-25929号公報特開平5-162522号公報特開2014-4607号公報特開2012-213803号公報特開平10-193164号公報

２部品をアーク溶接の重ね隅肉溶接とした場合、溶接ビードの止端は耐久試験において、亀裂の発端となりやすいため、重ね隅肉溶接の多層化（特許文献５）や、シールドガス成分の工夫（特許文献６）、溶接部周辺の残留応力の除去（特許文献７）など、様々な手法で溶接止端の疲労強度を向上させる検討がなされている。
しかしながら、これらは工数（コスト）がかかり、適切な疲労強度向上の手段がないのが現状である。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、例えばサスペンションアームのような自動車用足廻り部品に関し、特にプレス加工により作製した断面の少なくとも一辺が開口する２部品を組み合わせて、アーク溶接により接合されるものにおいて、疲労強度に優れる自動車用足廻り部品を提供すること、及び自動車用足廻り部品の疲労強度を向上させる方法を提供することを目的としている。

（１）本発明に係る自動車用足廻り部品の疲労強度向上方法は、プレス加工により作製した断面の少なくとも一辺が開口する２部品を、前記開口部を対向させて組み合わせ、閉断面になるように接合してなる自動車用足廻り部品の疲労強度向上方法であって、
前記断面の少なくとも一辺が開口する部品の一方を他方の部品の開口部に挿入した２部品の重ね隅肉溶接を仮定した解析モデルについて、ＦＥＭによる剛性解析を行って所定の荷重を付加したときに溶接部に発生する応力を演算する応力演算工程と、該応力演算工程で最大応力が発生している溶接部のある接合面を特定する最大応力接合面特定工程と、該最大応力接合面特定工程で特定された接合面を含む接合面についてアーク溶接を行う溶接工程とを備え、
該溶接工程は、前記最大応力接合面特定工程で特定された接合面の一部又は全部について、一方の部品における縦壁部の先端部に内側に凹む段部を設け、該段部よりも先端側を他方の部品の開口部に嵌合させ、前記一方の部品の段部と前記他方の部品の縦壁部の先端とをアーク溶接にて接合し、
前記アーク溶接後のアーク溶接止端部を含む前記嵌合部の断面形状が、前記一方の部品における縦壁部外面が内側に凹みを開始する位置と前記他方の部品における開口部縦壁部外面の先端を結ぶ仮想線より内側に凹んだ形状とし、
溶接ビードの高さｈを、
下記の（１）式のビード高さｈに上板の板厚ｔ _２を代入して求めた、フィレットに応力が集中する場合に相当する従来の段部のない重ね隅肉溶接の応力集中係数Ｋｔよりも、ノッチを有する場合に相当し前記内側に凹んだ形状となる場合の（２）式によって求まる応力集中係数Ｋｔが小さくなる溶接ビード高さとすることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記一方の部品における前記段部の段の高さをＤ、前記他方の部品の板厚をｔ₂としたときに、0.5＊t₂≦D≦t₂の関係を満たすことを特徴とするものである。

本発明に係る自動車用足廻り部品においては、プレス加工により作製した断面の少なくとも一辺が開口する２部品を、開口部を対向させて組み合わせ、閉断面になるように接合するに際して、
一方の部品における縦壁部の先端部に内側に凹む段部を設け、該段部よりも先端側を他方の部品の開口部に嵌合させ、前記他方の部品の縦壁部の先端と前記一方の部品の段部とをアーク溶接にて接合するようにしたので、溶接金属の終端部と部品によって形成される形状部の応力集中係数が抑制される形状となるため、溶接部からの破壊を防ぐことができ、疲労強度を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る自動車用足廻り部品の一例の斜視図である。本発明の実施の形態１の自動車用足廻り部品における溶接工程の説明図である（その１）。本発明の実施の形態１の自動車用足廻り部品における溶接工程の説明図である（その２）。本発明の実施の形態１に係る自動車用足廻り部品の溶接断面の一例を説明する説明図である。本発明の実施の形態１の自動車用足廻り部品における溶接工程の説明図である（その３）。本発明の実施の形態２の自動車用足廻り部品の疲労強度向上方法における工程の説明図である。本発明の実施の形態２に係る自動車用足廻り部品の疲労強度向上方法における解析モデルの説明図である。本発明の実施の形態２に係る自動車用足廻り部品の疲労強度向上方法における解析モデルの拘束条件、荷重条件の説明図である。図８の解析モデルについての剛性解析の結果を説明する説明図である。実施の形態２の効果を説明するグラフである。実施例における試験片の作製方法の説明図である。実施例における平面曲げ疲労試験片の形状の説明図である。実施例における疲労試験の方法の説明図である。実施例における疲労試験結果をまとめたグラフである。実施例における引張り強さを比較するグラフである（その１）。実施例における引張り強さを比較するグラフである（その２）。実施例における実部品モデル実験の結果を示すコンター図である（従来例）。実施例における実部品モデル実験の結果を示すコンター図である（発明例）。実施例における実部品モデル実験の結果に関し、エッジからの距離と最大主応力の関係を発明例と従来例で比較するグラフである。実施例における実部品モデル実験の結果に関し、最大主応力の関係を発明例と従来例で比較するグラフである。応力集中係数Ｋ_tの算出式の記号の意味を説明する図である。

［実施の形態１］
本発明の一実施の形態に係る自動車用足廻り部品について、以下、具体的に説明する。
本発明が対象としている自動車用足廻り部品１は、例えば図１に示すサスペンションアームのように、プレス加工により作製した断面の少なくとも一辺が開口する２部品（上側部品１ａ、下側部品１ｂ）を、開口部を対向させて組み合わせて接合してなるものである。
サスペンションアームは、車体から腕のように伸びて、ホイールの動きをコントロールするサスペンション部品であり、例えばブレーキで停止する際に車体の前後方向に作用する荷重が最大荷重となる。
このような荷重が繰り返し作用するため、２部品の溶接部の疲労強度が問題となる。

溶接は、図２に示すように、一方の部品（下側部品１ｂ）における縦壁部の先端部に内側に凹む段部７を設け、該段部よりも先端側を他方の部品（上側部品１ａ）の開口部に嵌合させ、他方の部品の縦壁部の先端と前記一方の部品の段部とをアーク溶接にて線状に接合する。

ここで、図２に示すような段部７を設けてアーク溶接することで疲労強度が向上する理由を説明する。
重ね隅肉溶接の場合は、図３（ａ）に示すように、金属板が重なる部分の断面形状は下側部品１ｂの金属板の表面と上側部品１ａの金属板の板厚エッジにより直角形状となる（図３（ａ）の点線）。溶接する部位は直角部の中心（角部）となり、溶接肉盛は、下側部品１ｂの金属板の表面部との交点１ｄ、上側部品１ａの金属板の表面部との交点1ｃで溶接止端となる。このとき、双方の溶接止端の距離を考えると必然的に少なくとも上側部品１ａの板厚分以上の長さを有する。また、この形状は、板幅方向に厚みが異なり、フィレットにより連結される部材とみなすことができて、当該フィレットに応力が集中する場合の応力集中係数に相当する。

一方、段部７を設けた本発明の場合は、図３（ｂ）に示すように、溶接止端の片側（下側部品の側）は必然的に傾斜した平板に対する溶接金属生成となるため、板幅方向にノッチを有する部材に応力が集中する場合の応力集中係数に相当する。
応力集中係数Ｋｔの算出式は、重ね隅肉溶接の場合は下式（１）となり、段差を設けた溶接の場合は下式（２）となる。なお、各式の記号の意味は式の後のなお書き及び図２１に記載の通りである。

式（１）および式（２）のいずれにおいても、ビード高さｈが小さいと応力集中係数Ｋｔは小さくなり、応力集中は緩和されることがわかる。
一方、溶接金属の濡れ性や肉盛量が同じであれば、溶接部の形状が溶接金属の溶融固化後の形状に影響し、図２１（ａ）の従来のかさね隅肉溶接に比べて、図２１（ｂ）の段差７を設けた本発明は、明らかにビード高さｈが小さい。従って、本発明は従来の重ね隅肉溶接より、応力集中係数が緩和され、疲労強度が向上するわけである。
よって、従来の重ね隅肉溶接継手と比較して、本発明の溶接継手部の応力集中係数は低いため、疲労強度が向上する。

また、従来の重ね隅肉溶接の場合、アーク溶接の溶接方向にムラが生じ易くて、溶接の溶鋼が不足する部分を起点に疲労破壊し易くて問題であり、溶接方向に均一な溶接を可能とする方法が望まれていた。
従来の重ね隅肉溶接では、図３（ａ）に示すように、溶接する部位は上側部品１ａの板厚と下側部品１ｂの表面が交わる直角部の中心（角部）であり、溶接止端は、上側部品１ａの金属板表面との交点１ｃ、下側部品１ｂの金属板表面との交点１ｄとなる。従って、重力が作用して溶接の溶鋼は下側部品１ｂの金属板表面に流れ易い状態であり、溶接条件や金属板表面状態のわずかなバラツキがあると、溶接の溶鋼の流れが変わり易くて溶接ムラを発生させやすかったわけである。

上記に対して、本発明の場合、図４に示すように、下側部品１ｂに段差部７があるため、一方の溶接止端は段差部７の傾斜した金属板表面となり、他方の溶接止端は上側部品１ａの縦壁部外面の先端となって、上側部品１ａと下側部品１ｂとにより溝形状が形成される。アーク溶接はこの溝に沿って行われるため、溶接条件や金属板表面状態に多少バラツキがあっても、溶接の溶鋼は、重力が作用してこの溝に溜まるように流れるため、溶接方向に溶鋼のムラを生じても、溶鋼の界面張力や重力が作用して溶鋼自身でムラを均等化する作用が働く。従って、本発明では、溶接ムラが生じにくくて安定した溶接が可能になり、その結果、疲労強度が向上するわけである。

さらに、溶接部の疲労破壊は、溶接止端から発生しやすくて、亀裂の伝播は熱影響部やボンド部である。従来の重ね隅肉溶接と段差部７を設けた本願発明において、一方の溶接止端は、上側部品１ａの金属板表面との交点１ｃで同じである。
しかし、他方の溶接止端は、従来の重ね隅肉溶接の場合、下側部品表面であって、亀裂の伝播方向が下側部品表面にほぼ平行であり、疲労の繰り返し応力の方向とはほぼ垂直の関係となり、亀裂が伝播しやすい。これに比べて、段差部７を設けた本発明では、下側部品の表面が傾斜しており、傾斜した下側部品表面にほぼ平行に亀裂が伝播するため、疲労の繰り返し応力の方向とは傾斜した関係となり、応力が緩和されて亀裂が伝播しにくくなる。その結果、本発明は、従来の重ね隅肉溶接より疲労強度が向上するわけである。

また、本発明では、図３に示すような段部７を設けてアーク溶接することで、部品の剛性も向上する。
すなわち、上側部品１ａの形状は、従来例と同じにして下側部品１ｂに段部７を設けると、必然的に下側部品１ｂの断面が大きくなる。同一のモーメントが負荷されたときに同じ位置の断面における最大発生応力は断面係数が大きいほうが小さくなる。断面係数は断面の形状によって決まる数値で同じ板厚であれば断面が大きい方が断面係数は大きく、それ故、本発明例では断面係数が大きくなり、最大発生応力が小さくなるため剛性が向上する。

次に、断面の少なくとも一辺が開口する２部品の当該開口部を対向させて組み合わせて接合する好ましい形状について、図４に示す。
一方の部品の段部７と他方の部品の縦壁部の先端とをアーク溶接にて接合した際、
アーク溶接後の溶接止端を含む嵌合部の断面形状について、図４に示すとおり、一方の部品における縦壁部外面が内側に凹みを開始する位置と前記他方の部品における開口部縦壁部外面の先端を結ぶ仮想線より内側に凹んだ形状とするとよい。
これは、前述の板幅方向にノッチを有する部材に応力集中する場合に相当し、従来のフィレットにより連結される部材に応力集中する場合に比べて、ビード高さｈが小さくて応力集中係数が低くなり、疲労強度が向上するためである。

なお、前記２部品の開口部を対向させて組み合わせて接合する際、段部７を埋めて平坦化するようにアーク溶接を行ってもよいが、段部７を埋めるための溶接金属が増えて、ブローホールやアンダーカットが生成しやすくなり、疲労強度を十分に向上するには適さない場合がある。また、溶接後に溶接部分で収縮して部品が曲がりやすく、溶接時間が掛かって生産性が低下し、コストも増加する問題も生じやすい。その点、溶接後の形状について、一方の部品における縦壁部外面が内側に凹みを開始する位置と他方の部品における開口部縦壁部外面の先端を結ぶ仮想線より内側に凹んだ形状とすれば、このような問題は生じない。

次に、段部７の好ましい形状について、図５に基づいて説明する。図５は、図２の接合部を拡大して示したものであり、図２の下側部品（段部7を設けた部品）の板厚をｔ1、段部の高さをＤ、段部７の傾斜角度をθ、下側部品１ｂの上側部品１ａへの挿入長さをＬ2、上側の部材の板厚をｔ2、上側部品１ａの先端と段部７の傾斜下部との距離をＬ1とする。

まず、段部７の高さＤと、上側部品１ａの板厚ｔ2との関係については、0.5＊t2≦Ｄ≦t2とするのが好ましい。
なお、本発明においては、段部７の高さ（深さ）Ｄが相手側部品（上側部品１ａ）の板厚と同等（Ｄ＝t2）である必要はなく、段部７の高さ（深さ）Ｄが相手側部品（上側部品１ａ）の板厚t2の半分でも所定の効果が得られることから、0.5＊t2≦Ｄ＜t2としてもよい。これは、段部７がある一定量以上の高さで設定してあれば、重ね隅肉溶接の溶接金属よりは確実に形状が緩和されるためである。かつ、段部７の高さをt2以上とすると上側部品１ａの成形や上側部品１ａと下側部品１ｂの組み立てが難しくなるので好ましくない。

なお、相手側部品（上側部品１ａ）の板の先端と段部７の傾斜下部との距離L1を相手側部品（上側部品１ａ）の板厚t2以下とするとよい。これは、L1がt2より大きいと、段部７側の溶接止端が段部７の斜面部ではなく、下側部品１ｂの表面にかかってくるため、前述した図３の（ａ）と（ｂ）で比べた形状の効果が小さくなるからである。
この意味で、距離L1は、傾斜部にかからない範囲であればより短い方が好ましい。

なお、L2については、大きいほど１ａと１ｂの２部品の金属板が重なる部分が多くなり、当該部分だけでなく部品そのものの剛性が大きくなり、同じモーメント負荷された状態では発生応力が小さくなるため疲労強度向上に好ましい。

［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係る自動車用足廻り部品の疲労強度向上方法は、自動車用足廻り部品を対象として、図６に示すように、応力演算工程（Ｓ１）と、最大応力接合面特定工程（Ｓ３）と、溶接工程（Ｓ５）とを備えている。
以下、具体的に説明する。

＜応力演算工程＞
応力演算工程は、断面の少なくとも一辺が開口する部品（下側部品）の一方を他方の部品（上側部品）の開口部に挿入して２部品を溶接した解析モデルについてＦＥＭによる剛性解析を行って、所定の荷重を付加したときに溶接部に発生する応力を演算する工程である。
図７は解析モデルの説明図であり、図７（ａ）が全体形状を示し、図７（ｂ）が図７（ａ）の矢視Ａ−Ａ断面を示している。
解析モデル３は、図７に示すように、下側部品モデル３ｂを上側部品モデル３ａの開口部に嵌合させ、接合部５について重ね隅肉溶接を仮定したものであり、この解析モデル３で剛性解析を行う。
図８は解析モデル３の拘束条件、荷重条件を説明する説明図である。前述したように、車体の前後方向に作用する荷重が最大荷重となるので、前後方向の入力荷重に耐えうる性能が認められればよい。前後方向のうち、ブレーキで停止することのほうが多いので、図８に示すように、サスペンションアームの車体取付側を拘束点１，２とし、車輪取付側を荷重の入力点とした。また、実際の車体への取付はゴム製のブッシュを介して取付られるが、今回の解析は拘束点と周辺の部品の要素を剛体結合とし、より厳しい条件とした。
設定した条件による剛性解析を実施して応力を演算する。
解析結果を図９に示す。図９は板表面側の最大主応力分布を示している。

＜最大応力接合面特定工程＞
最大応力接合面特定工程は、応力演算工程で応力が最も高いとされた溶接部のある接合面（最大応力接合面）を特定する工程である。
本発明はアーク溶接と母材との結合部での疲労特性向上を狙っているため上側部品モデル３ａ及び下側部品モデル３ｂのエッジ部で最大主応力が最も大きいメッシュ（要素）を特定し、当該メッシュの存在する面が最大応力接合面となる。本例では、最大応力接合面はＢ面となる。

＜溶接工程＞
溶接工程は、最大応力接合面特定工程で特定された接合面（Ｂ面）を含む全ての接合面についてアーク溶接で線状に溶接する工程である。詳細は図２とともに前述したとおりである。

なお、上記の例では、図９に示したＢ面の全体に段差部を設ける例を示したが、Ｂ面の中で部分的に本発明の段差形状を設けるようにしてもよい。
Ｂ面のみに段部を設けたケース、Ｂ面の一部、具体的には最大メッシュを中心に70mmの範囲に段部を設定して段部の部分と通常部分をなだらかにつないだ形状としたケース、全面に段部を設けたケースでの最大主応力を比較した。結果を図１０に示す。
図１０に示されるように、従来の重ね隅肉溶接と比較するといずれのケースも最大主応力が小さくなっており、これにより疲労強度が向上し、本発明の効果が確認された。また、接合面の全体に段部を設けると最大主応力の低下効果は最も高いが、Ｂ面全体やＢ面の一部に段部を設けたケースでもほぼ同等の効果が得られている。

なお、上記の説明では、下側部品１ｂに段部７を設けて上側部品１ａに挿入して嵌合させた例を示したが、これとは逆に上側部品に段部を設けて下側部品に挿入して嵌合させるようにしてもよい。

本発明の作用効果について確認するための具体的な実験を行ったので、これについて以下に説明する。
車両に用いる部品の耐久性能の評価には、実際の車両に部品を組み込んで車体全体として行う評価、部品単位での評価、さらに小さい単位の材料（テストピース）の基礎疲労試験での評価などがある。
今回、発明者らは、試験片による基礎疲労試験を行い、本発明の性能を評価した。

・供試材
980MPa級熱延鋼板を供試材として従来の重ね隅肉継手と本発明の段部を形成した継手の試験片で静的引張り試験と片振り平面曲げ疲労試験を実施した。
表1に供試材の化学成分を、表２に機械的特性値をそれぞれ示す。

・試験片の作製方法
板厚2.4mmの供試材から250mm×175mmの寸法の鋼板を切り出した。
このとき、本発明の継手における上側部品の先端と段部傾斜下部との距離Ｌ１、下側部品の上側部品への挿入長さＬ２、および段部の深さＤ、段部の傾斜角度θを種々変化させて、従来の重ね隅肉溶接継手とともに疲労強度を比較した。表３に試験片の仕様を示す。

図１１（ａ）に、本発明の継手の作製方法を示す。一方の切り出した鋼板の長さ250mm側の端部から表３に示す範囲をプレス成形で段形状にした。段部の高さ（深さ）Ｄは供試材の板厚より小さい1.2mm、2.3mmとした。段形状をつけた鋼板の段部に、切り出したままの鋼板を重ね合わせ、切り出したままの鋼板側の端面をMAGアーク溶接して本発明の継手を作製した。このとき、重ね代は5mm、12mm、15mmの３条件とした。なお、No６のみ段部の深さＤを供試材の板厚と同じ2.4mmとし、段部を平坦になるまでアーク溶接で埋めた。
これらの継手より幅30mmの短冊を切り出し、それらの短冊からJIS５号引張り試験片と平面曲げ疲労試験片を作製した。
一方、通常の重ね隅肉継手は、図１１（ｂ）に示すように、供試材から切り出した鋼板どうしを重ね代15mmで重ね合わせ、MAGアーク溶接を行って作製した。重ね隅肉継手からもJIS5号試験片と平面曲げ疲労試験片を作製した。図１２に、平面曲げ疲労試験片９（テストピース）の形状を示す。長さ90mm、幅30mmで、中央部の幅は22mmとした。

MAGアーク溶接条件は、溶接電流185A、電圧23V、溶接速度85cm/min、シールドガスをAr-20%CO₂とし、溶接ワイヤは直径1.2mmの780MPa級高張力鋼用（神戸製鋼MGS-80）を使用した。

・疲労試験方法
疲労試験は片振り平面曲げで行った（図１３参照）。試験機は東京衡機製PBF-30を使用し、試験片９を溶接ビードが下側を向くように試験機に設置した。このとき、下板を試験機の計測スイングアーム側に固定し、下板の板厚中央が曲げ中立面となるようにした。疲労試験のデータは、負荷するモーメントと試験片板厚および板幅（上板と下板の平均値）から算出される鋼板表面の応力により整理した。応力比0（片振り）、試験周波数20Hzとし、試験は最長500万回で打ち切った。
また、溶接部が中央部にくるようにJIS５号引張試験片に加工して、静的な引張り強度も測定した。

疲労試験結果を図１４に示す。
図１４に示されるように、重ね隅肉溶接継手である従来例（No１）に比較して、本発明例であるNo２〜No８はいずれも疲労寿命が向上している。
Ｌ1の影響について、Ｌ1以外の条件が同じNo２、５を比較すると、Ｌ1がｔ2よりも小さいNo２では、Ｌ1がｔ2より大きいNo５に比較して疲労寿命が長い。
Ｌ2の影響について、Ｌ2以外の条件が同じNo２〜No４を比較すると、Ｌ2が最も長いNo２の疲労寿命が長い。
Ｄの影響について、Ｄがｔ2に近い値のNo２と、Ｄがｔ2の半分であるNo８を比較すると、No２の方が疲労寿命が長い。
θの影響について、θ以外の条件が同じNo２とNo７を比較すると、θを大きくしたNo２の方が傾斜部の傾斜がなだらかなため疲労寿命が長い。
以上から、Ｄが反対側部品の板厚t2に近い値となり、L1が小さく、L2が大きいほど疲労寿命の向上率が大きいことが分かる。

また、静的引張り試験結果を図１５、図１６に示す。図１５は、引張強さの実測値であり、No２、No５、No１を比較したものである。図１６は従来例の引張り強さを100として、引張り強さ比を比較したものである。
本発明のNo2において、従来の隅肉溶接継手であるNo１と比べて引張強さが６％程度向上している。応力集中係数の緩和が引張強度にも影響していると思われる。

実部品モデルでの本発明の効果の確認の実験を行ったので、以下これについて説明する。
サスペンションアームをモデル化し（図８参照）、剛性解析した結果、最大主応力を有する接合面は図９のB面に特定されたため、発明例として、下側部品の車輪取付側から縦ブッシュまでの縦壁面に2.3mmの段差形状を設けて溶接し、車輪取付側から横ブッシュまで、および、横ブッシュから縦ブッシュまでは重ね隅肉溶接した。また、比較例としてすべての接合面を従来の重ね隅肉溶接とした。

荷重条件として、図８に示すとおり、車体取付側の車両前方側（拘束点１）を完全拘束し、車両後方側（拘束点２）をy方向に拘束しx方向のみ自由として、荷重入力点に-x（マイナスx）方向へ10000Nの荷重を負荷した時のサスペンションアームに発生する応力を解析した。
サスペンションアームの疲労強度評価では本方向の入力が最も厳しいと思われる。また、実際の車体への取付はゴム製のブッシュを介して取付られるが、今回の解析は拘束点と周辺の部品の要素を剛体結合とし、より厳しい条件で解析した。メッシュサイズ1mmのシェル要素を用いた。部品板厚は2.4mmとした。

図１７、図１８に荷重を負荷したときの板表面側の最大主応力のコンター図を示す。図１７が従来例、図１８が発明例である。図示した部位は上側部品と下側部品の接合部付近で周辺応力より高くなっている。
図示した部位の下側部品の接合部から縦壁に向かって板表面側の最大主応力分布を、従来の重ね隅肉溶接と発明例とで比較した。比較した結果を図１９に示す。図１９に示されるように、重ね隅肉溶接の従来例と比較して発明例のほうが最大主応力が小さくなっている。発明例にすることで、接合部の最大主応力が９％低下し（図２０参照）、耐疲労強度は大きく向上することがわかる。
また、部品剛性についても、断面形状が大きくなっていることで、同じ板厚で約5％向上していた。

なお、本発明の場合、段部形状を設けることで、下側部品の断面形状が従来の重ね隅肉溶接の場合の下側部品の断面より大きくなるため重量が増加している。このモデルの場合、重ね隅肉溶接部品が上下合わせて2713g、本発明部品の場合2800gであり、97g増加している。すなわち、本発明部品は従来の重ね隅肉溶接した部品に比べ耐疲労強度が向上するとともに重量も変わっており、同一基準の比較となっていない。そこで、重ね隅肉溶接モデルの板厚を増加させて解析を実施し、最大主応力が本発明部品と同等になるときの板厚を求め、その場合の重量を本発明例と比較することによって、同一の最大主応力（耐疲労強度）において、本発明に軽量化効果があるかどうかの確認を行った。
すると、重ね隅肉溶接部品の板厚を2.55mmとした場合、先のエッジ部での最大主応力が本発明部品と同等になった。このとき、重ね隅肉溶接部品の重量は上下合わせて、2890gである。つまり、本発明部品を用いることで従来の重ね継手部品より、同じ最大主応力を得るには90gの軽量化効果があった。
また、縦壁面全体に段差形状を設定して同様の評価をした場合、さらに最大主応力が低減し、大きな疲労強度向上効果とともに、同じ疲労強度においては大きな軽量化効果が得られることも確認した。

１自動車用足廻り部品
１ａ上側部品
１ｂ下側部品
１ｃ溶接止端（上側部品１ａの金属板の表面部との交点）
１ｄ溶接止端（下側部品１ｂの金属板の表面部との交点）
３解析モデル
３ａ上側部品モデル
３ｂ下側部品モデル
５接合部
７段部
９試験片

Claims

プレス加工により作製した断面の少なくとも一辺が開口する２部品を、前記開口部を対向させて組み合わせ、閉断面になるように接合してなる自動車用足廻り部品の疲労強度向上方法であって、
前記断面の少なくとも一辺が開口する部品の一方を他方の部品の開口部に挿入した２部品の重ね隅肉溶接を仮定した解析モデルについて、ＦＥＭによる剛性解析を行って所定の荷重を付加したときに溶接部に発生する応力を演算する応力演算工程と、該応力演算工程で最大応力が発生している溶接部のある接合面を特定する最大応力接合面特定工程と、該最大応力接合面特定工程で特定された接合面を含む接合面についてアーク溶接を行う溶接工程とを備え、
該溶接工程は、前記最大応力接合面特定工程で特定された接合面の一部又は全部について、一方の部品における縦壁部の先端部に内側に凹む段部を設け、該段部よりも先端側を他方の部品の開口部に嵌合させ、前記一方の部品の段部と前記他方の部品の縦壁部の先端とをアーク溶接にて接合し、
前記アーク溶接後のアーク溶接止端部を含む前記嵌合部の断面形状が、前記一方の部品における縦壁部外面が内側に凹みを開始する位置と前記他方の部品における開口部縦壁部外面の先端を結ぶ仮想線より内側に凹んだ形状とし、
溶接ビードの高さｈを、
下記の（１）式のビード高さｈに上板の板厚ｔ _２を代入して求めた、フィレットに応力が集中する場合に相当する従来の段部のない重ね隅肉溶接の応力集中係数Ｋｔよりも、ノッチを有する場合に相当し前記内側に凹んだ形状となる場合の（２）式によって求まる応力集中係数Ｋｔが小さくなる溶接ビード高さとすることを特徴とする自動車用足廻り部品の疲労強度向上方法。
前記一方の部品における前記段部の段の高さをＤ、前記他方の部品の板厚をt₂としたときに、0.5＊t₂≦D≦t₂の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の自動車用足廻り部品の疲労強度向上方法。