JP6308437B2 - 締結部構造 - Google Patents

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Description

本発明は、締結部構造に関し、とくに、締結部からの剪断等による望ましくない破断を防止し、締結部の周囲部で締結部に加わる外部荷重のエネルギーを円滑に吸収可能な締結部構造に関する。
一般的に、例えば図４に示すように、締結部３２を有する部材３１においては、締結部３２にボルト等の締結部材を用いて部材３１を他部材に締結するが、部材３１に大きな外部荷重が負荷されると、剪断等により締結部３２から剪断等により部材３１が破断することがある。このような破断を防止し、締結部３２やその周囲部を補強するために、締結部３２の周囲部に放射状や同心円状にリブを形成しておくことがある(例えば、特許文献１、２)。
特許文献１では、締結部自体には上記のような構造以外特別な工夫は加えられておらず、締結部以外の部位でスリットにより部材の強度を弱める構造が開示されている。特許文献２では、締結具からの軸方向荷重を荷重軽減体によって軽減するようにした構造が開示されている。しかし、これらいずれの構造も、締結部からの剪断等による望ましくない破断を防止する点、締結部の周囲部で締結部に加わる外部荷重のエネルギーを円滑に吸収する点では、効果が無いか、効果に乏しい。
ところで、逐次破壊可能な材料、例えば、逐次破壊可能な樹脂や繊維強化樹脂からなる部材においては、締結部に剪断等による破断が発生しないかぎり、締結部の周囲部での逐次破壊により締結部に加わる外部荷重のエネルギーを円滑に吸収することが可能である。しかし、締結部に強度や剛性を高めるための補強を求められる場合が多く、単にリブ等で補強するだけでは、リブ等が破断した場合その部位の強度や剛性が一気に低下するので、円滑にエネルギー吸収のための逐次破壊を進行させることが難しい。換言すれば、円滑に逐次破壊を進行させるための構造と、締結部の強度や剛性を高めるための構造とを両立させることが難しい。
特開２００８−２７８５８１号公報 特開２０１２−２００９７９号公報
そこで本発明の課題は、上記のような観点から、とくに締結部周囲の構造に特別な工夫を加えることにより、締結部からの剪断等による望ましくない破断を防止し、締結部の周囲部にて締結部に加わる外部荷重のエネルギーを円滑に吸収可能な締結部構造を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係る締結部構造は、締結部を有する部材の該締結部周囲に同心円状の複数のリブ壁を有し、締結部材に最も近い最内層リブ壁におけるベアリング強度よりも、少なくとも２層目のリブ壁におけるベアリング強度を低くした締結部構造であって、前記部材が締結部周囲に３層以上の同心円状のリブ壁を有し、最内層リブ壁と２層目のリブ壁との間の部位における径方向強度が、２層目のリブ壁と３層目のリブ壁との間の部位における径方向強度よりも大きく、締結部を有する部材に縦横に延びる補強リブが配置され、締結部を有する部材が、ガラス転移温度が３０℃〜１５０℃であるポリアミドを含む材料から構成されていることを特徴とするものからなる。ここで、ベアリング強度とは、リブ壁の内周面に作用する荷重が増大しないでも該内周面部位の変位が増大し始めるときの応力として表される。
このような本発明に係る締結部構造においては、少なくとも２層目のリブ壁におけるベアリング強度が最内層リブ壁におけるベアリング強度よりも低いので、外部荷重が締結部に加わる際、最内層リブ壁よりも２層目以降のリブ壁の方が先に破壊を生じようとし、締結部から遠い方の部位から破壊を開始しようとする。すなわち、締結部の周囲において逐次破壊のプロセスが成立し、かつ、締結部から遠い方の部位から逐次破壊が開始されることになる。したがって、最内層リブ壁を含む締結部の補強構造により締結部の強度、剛性が安定して高く維持されつつ、締結部から遠い方の部位からの逐次破壊の開始により、締結部に加わる外部荷重のエネルギーが逐次破壊を介して円滑に吸収されていくことになる。つまり、締結部の強度や剛性を高めるための補強と、逐次破壊による円滑な外部荷重のエネルギー吸収とを両立させることが可能になる。また、本発明に係る締結部構造においては、上記部材が締結部周囲に３層以上の同心円状のリブ壁を有し、最内層リブ壁と２層目のリブ壁との間の部位における径方向強度が、２層目のリブ壁と３層目のリブ壁との間の部位における径方向強度よりも大きい構造とされている。すなわち、２層目のリブ壁と３層目のリブ壁との間の部位の強度を意図的に弱めた構造である。このような構造においては、逐次破壊の過程において、最内層リブ壁と２層目のリブ壁との間の部位よりも、２層目のリブ壁と３層目のリブ壁との間の部位の方を先に破壊させるようにすることができるので、同心円状に配置された部位のうち、外側の面積の大きい側の部位においてリブ壁同士を接触させることが可能になる。リブ壁同士が接触した状態になると、大きな荷重を受け持つことが可能になり、それよりも外側への破断の伝播を効果的に防止でき、部材全体が破断に至ることが効果的に防止される。
上記本発明に係る締結部構造においては、上記部材に上述したような逐次破壊を生じさせることができさえすれば、部材の材質は特に限定されないが、好ましくは、上記部材自体が逐次破壊可能な材料からなることが望ましい。
このような逐次破壊可能な部材構成材料として、とくに樹脂を含む材料、中でも、熱可塑性樹脂を含む材料を挙げることができる。このような逐次破壊可能な材料としての樹脂として、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、液晶ポリエステル等のポリエステルや、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン等のポリオレフィンや、スチレン系樹脂の他や、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチレンメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、変性ＰＰＥ、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、変性ＰＳＵ、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリケトン（ＰＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、更にポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、ポリイソプレン系、フッ素系等の熱可塑エラストマー等が挙げられ、これらの共重合体、変性体、および２種類以上ブレンドした樹脂などであってもよい。とりわけ、高伸度の観点からはＰＣ樹脂やＡＢＳ樹脂およびそれらのブレンド材が、高強度の観点からはポリアミド樹脂およびそれらのブレンド材がより好ましく用いられる。
本発明で用いられる好ましいポリアミド樹脂としては、アミノ酸、ラクタムあるいはジアミンとジカルボン酸を主たる原料とする重合体または共重合体である。その原料の代表例としては、６−アミノカプロン酸、１１−アミノウンデカン酸、１２−アミノドデカン酸、パラアミノメチル安息香酸などのアミノ酸、ε−カプロラクタム、ω−ラウロラクタムなどのラクタム、テトラメチレンジアミン、ペンタメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、２−メチルペンタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、デカメチレンジアミン、ウンデカメチレンジアミン、ドデカメチレンジアミン、２，２，４−／２，４，４−トリメチルヘキサメチレンジアミン、５−メチルノナメチレンジアミンなどの脂肪族ジアミン、メタキシリレンジアミン、パラキシリレンジアミンなどの芳香族ジアミン、１，３−ビス（アミノメチル）シクロヘキサン、１，４−ビス（アミノメチル）シクロヘキサン、１−アミノ−３−アミノメチル−３，５，５−トリメチルシクロヘキサン、ビス（４−アミノシクロヘキシル）メタン、ビス（３−メチル−４−アミノシクロヘキシル）メタン、２，２−ビス（４−アミノシクロヘキシル）プロパン、ビス（アミノプロピル）ピペラジン、アミノエチルピペラジンなどの脂環族ジアミン、アジピン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカン二酸などの脂肪族ジカルボン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、２−クロロテレフタル酸、２−メチルテレフタル酸、５−メチルイソフタル酸、５−ナトリウムスルホイソフタル酸、２，６−ナフタレンジカルボン酸、ヘキサヒドロテレフタル酸、ヘキサヒドロイソフタル酸などの芳香族ジカルボン酸、１，４−シクロヘキサンジカルボン酸、１，３−シクロヘキサンジカルボン酸、１，２−シクロヘキサンジカルボン酸、１，３−シクロペンタンジカルボン酸などの脂環族ジカルボン酸などが挙げられる。本発明においては、これらの原料から誘導されるポリアミドホモポリマーまたはコポリマーを２種以上配合してもよい。
ポリアミドの具体的な例としては、ポリカプロアミド（ナイロン６）、ポリヘキサメチレンアジパミド（ナイロン６６）、ポリテトラメチレンアジパミド（ナイロン４６）、ポリテトラメチレンセバカミド（ナイロン４１０）、ポリペンタメチレンアジパミド（ナイロン５６）、ポリペンタメチレンセバカミド（ナイロン５１０）、ポリヘキサメチレンセバカミド（ナイロン６１０）、ポリヘキサメチレンドデカミド（ナイロン６１２）、ポリデカメチレンアジパミド（ナイロン１０６）、ポリデカメチレンセバカミド（ナイロン１０１０）、ポリデカメチレンドデカミド（ナイロン１０１２）、ポリウンデカンアミド（ナイロン１１）、ポリドデカンアミド（ナイロン１２）、ポリカプロアミド／ポリヘキサメチレンアジパミドコポリマー（ナイロン６／６６）、ポリカプロアミド／ポリヘキサメチレンテレフタルアミドコポリマー（ナイロン６／６Ｔ）、ポリヘキサメチレンアジパミド／ポリヘキサメチレンテレフタルアミドコポリマー（ナイロン６６／６Ｔ）、ポリヘキサメチレンアジパミド／ポリヘキサメチレンイソフタルアミドコポリマー（ナイロン６６／６Ｉ）、ポリヘキサメチレンテレフタルアミド／ポリヘキサメチレンイソフタルアミドコポリマー（ナイロン６Ｔ／６Ｉ）、ポリヘキサメチレンテレフタルアミド／ポリドデカンアミドコポリマー（ナイロン６Ｔ／１２）、ポリヘキサメチレンアジパミド／ポリヘキサメチレンテレフタルアミド／ポリヘキサメチレンイソフタルアミドコポリマー（ナイロン６６／６Ｔ／６Ｉ）、ポリキシリレンアジパミド（ナイロンＸＤ６）、ポリキシリレンセバカミド（ナイロンＸＤ１０）、ポリヘキサメチレンテレフタルアミド／ポリペンタメチレンテレフタルアミドコポリマー（ナイロン６Ｔ／５Ｔ）、ポリヘキサメチレンテレフタルアミド／ポリ−２−メチルペンタメチレンテレフタルアミドコポリマー（ナイロン６Ｔ／Ｍ５Ｔ）、ポリペンタメチレンテレフタルアミド／ポリデカメチレンテレフタルアミドコポリマー（ナイロン５Ｔ／１０Ｔ）、ポリノナメチレンテレフタルアミド（ナイロン９Ｔ）、ポリノナメチレンテレフタルアミド／ポリ−２−メチルオクタメチレンテレフタルアミドコポリマー（ナイロン９Ｔ／Ｍ８Ｔ）、ポリデカメチレンテレフタルアミド（ナイロン１０Ｔ）、ポリデカメチレンテレフタルアミド／ポリヘキサメチレンアジパミド（ナイロン１０Ｔ／６６）、ポリデカメチレンテレフタルアミド／ポリヘキサメチレンドデカンアミド（ナイロン１０Ｔ／６１２）、ポリドデカメチレンテレフタルアミド（ナイロン１２Ｔ）およびこれらの共重合体などが挙げられる。ここで、「／」は共重合体を示し、以下同じである。
とりわけ、２２０℃〜３３０℃の融点を有するポリアミドが好ましい。２２０℃以上の融点を有するポリアミドを用いることにより、耐熱性（荷重たわみ温度）をより向上させることができる。一方、３３０℃以下の融点を有するポリアミドを用いることにより、樹脂組成物製造時にポリアミドの分解を抑制することができ、樹脂組成物から得られる成形品の耐熱性、高温剛性、機械強度、および耐衝撃性をより向上させることができる。ここで、本発明におけるポリアミドの融点は、示差走査熱量計を用いて、不活性ガス雰囲気下、ポリアミドを、溶融状態から２０℃／分の降温速度で３０℃まで降温した後、２０℃／分の昇温速度で融点＋４０℃まで昇温した場合に現れる吸熱ピークの温度と定義する。ただし、吸熱ピークが２つ以上検出される場合には、ピーク強度の最も大きい吸熱ピークの温度を融点とする。
本発明において、ポリアミドのガラス転移温度は、３０℃〜１５０℃であることが好ましい。ガラス転移温度が３０℃以上であれば、成形品の高温剛性、機械強度および耐衝撃性をより向上させることができる。より好ましくは４５℃以上である。一方、ガラス転移温度が１５０℃以下であれば、成形時の結晶化速度を適度に抑え、成形加工に適した樹脂組成物を得ることができる。ここで、本発明におけるポリアミドのガラス転移温度は、示差走査熱量計を用いて、不活性ガス雰囲気下、ポリアミドを、液体窒素にて急冷した後、２０℃／分の昇温速度で昇温した場合に現れる階段状吸熱ピークの中点の温度と定義する。
２２０℃〜３３０℃の融点を有し、３０℃〜１５０℃のガラス転移温度を有するポリアミドとしては、例えば、ナイロン６、ナイロン６１０、ナイロン６６、ナイロン４６、ナイロン４１０、ナイロン５６、ナイロン６Ｔ／６６コポリマー、ナイロン６Ｔ／６Ｉコポリマー、ナイロン６Ｔ／１２、ナイロン６Ｔ／５Ｔ、ナイロン６Ｔ／Ｍ５Ｔ、ナイロン６Ｔ／６コポリマーなどのヘキサメチレテレフタルアミド単位を有する共重合体や、ナイロン９Ｔ、ナイロン９Ｔ／Ｍ８Ｔ、ナイロン１０Ｔ、ナイロン１０Ｔ／６１２、ナイロン１０Ｔ／６６、ナイロン１２Ｔなどを挙げることができる。これらのポリアミドを必要に応じて２種以上配合することも実用上好適である。
ポリアミドの重合度には特に制限はないが、樹脂濃度０．０１ｇ／ｍｌの９８％濃硫酸溶液中、２５℃で測定した相対粘度が１．５〜５．０の範囲であることが好ましい。相対粘度が１．５以上であれば、得られる成形品の機械強度、耐衝撃性、耐熱性および高温剛性より向上させることができる。相対粘度２．０以上がより好ましい。一方、相対粘度が５．０以下であれば、流動性に優れることから成形加工性に優れる。
本発明で用いられるポリアミドの製造方法としては、例えば、ジアミンとジカルボン酸を主たる原料とするポリアミドの場合、原料となるジアミンとジカルボン酸またはその塩を加熱して低次縮合物を得て、さらに固相重合および／または溶融重合により高重合度化する方法などが挙げられる。低次縮合物を一旦取り出して、固相重合および／または溶融重合する２段重合、低次縮合物の製造工程に続いて、同一反応容器内で固相重合および／または溶融重合する１段重合のどちらを用いてもよい。なお、固相重合とは、１００℃以上融点以下の温度範囲で、減圧下あるいは不活性ガス中で加熱する工程を指し、溶融重合とは、常圧または減圧下で融点以上に加熱する工程を指す。
また、とくに本発明に係る締結部構造においては、上記同心円状のリブ壁間に、径方向に延びる放射状のリブが設けられていることが好ましい。径方向に延びる放射状のリブは、効率よく径方向の荷重を受け持つことができるので、径方向に延びる放射状のリブの設置により、締結部の強度、剛性が大幅に高められる。すなわち、締結部の強度、剛性を高めつつ、締結部の周囲部における逐次破壊を介して外部荷重のエネルギーの円滑な吸収が可能になる。
また、本発明に係る締結部構造においては、上記締結部において、上記締結部材の周囲にカラーが嵌合されている構造を採用することができる。カラーを介して締結することにより、締結部材のネジ部等が部品の孔内面に直接接触することが回避され、また、外部荷重が伝達される際に荷重を均等に分散させることが可能になるので、微小部位に過大な局部荷重が負荷されることが防止され、その状態を通してより円滑なエネルギー吸収が可能となる。
また、上記締結部材の種類としてはとくに限定されないが、代表的にはボルトを使用することができる。
このように、本発明に係る締結部構造によれば、同心円状に設けられたリブ壁のベアリング強度に特定の関係を持たせ、締結部の強度、剛性を高めるとともに、締結部から遠い方の部位からの逐次破壊の開始を可能としたので、締結部の補強と、逐次破壊による円滑な外部荷重のエネルギー吸収とを両立させることが可能になる。
本発明の基本形態に係る締結部構造の概略平面図（Ａ）と概略断面図（Ｂ）である。 本発明の一実施態様に係る締結部構造の概略斜視図である。 図２の締結部構造の拡大概略平面図である。 従来の一般的な締結部構造の概略平面図（Ａ）と概略断面図（Ｂ）である。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の基本形態に係る締結部構造を示している。図１において、１は締結部２を有する逐次破壊可能な材料からなる部材を示しており、部材１の締結部２の周囲に同心円状の複数のリブ壁３、４が設けられている。本実施態様では、２つのリブ壁３、４が設けられているが、３つ以上の同心円状のリブ壁が設けられていてもよい。また、本実施態様では、リブ壁３、４間に、リブ壁３、４間にわたって放射状に延びる複数のリブ５が設けられている。この締結部構造において、締結部２の孔に締結のために挿入される締結部材(図示略)に最も近い最内層リブ壁３におけるベアリング強度よりも、少なくとも２層目のリブ壁４におけるベアリング強度の方が低く設定されている。
このような実施態様に係る締結部構造においては、少なくとも２層目のリブ壁４におけるベアリング強度が最内層リブ壁３におけるベアリング強度よりも低く設定されているので、外部荷重が締結部２に加わる際、締結部２から遠い方のリブ壁４側部位から破壊を開始しようとし、外層部側からの逐次破壊のプロセスが成立することになる。その結果、最内層リブ壁３を含む補強構造により締結部２の強度、剛性が高められつつ、締結部２から遠い方の部位からの逐次破壊の開始により、締結部２に加わる外部荷重のエネルギーが逐次破壊を介して円滑に吸収されていくことになり、締結部２の補強と、逐次破壊による円滑な外部荷重のエネルギー吸収との両立が実現される。
図２、図３は、本発明の一実施態様に係る締結部構造を示している。図において、１１は締結部を有する逐次破壊可能な材料からなる部材を示しており、本実施態様では、部材１１には縦横に延びる補強リブ１２、１３が配置されている。この部材１１に締結部１４が設けられており、締結部１４には締結部材としてボルト１５が用いられている。部材１１の締結部１４の周囲に、同心円状に複数の(本実施態様では、３層の)リブ壁１６、１７、１８が設けられている。この締結部構造において、同心円状のリブ壁１６、１７、１８が設けられていてもよい。また、本実施態様では、締結部１４の孔に締結のために挿入されるボルト１５に最も近い最内層リブ壁１６におけるベアリング強度よりも、少なくとも２層目のリブ壁１７におけるベアリング強度の方が低く設定されている。さらに、２層目のリブ壁１７におけるベアリング強度よりも、３層目のリブ壁１８におけるベアリング強度の方が低く設定されていることが好ましい。そして本実施態様では、リブ壁１６、１７間とリブ壁１７、１８間とに、放射状に延びる複数のリブ１９、２０がそれぞれ設けられているが、リブ１９、２０間に厚み差を与えることにより、最内層リブ壁１６と２層目のリブ壁１７との間の部位における径方向強度が、２層目のリブ壁１７と３層目のリブ壁１８との間の部位における径方向強度よりも大きい構造(逆に言えば、２層目のリブ壁１７と３層目のリブ壁１８との間の部位における径方向強度が、最内層リブ壁１６と２層目のリブ壁１７との間の部位における径方向強度よりも弱められている構造)とされている。
このような実施態様に係る締結部構造においては、前述したような逐次破壊の過程において、最内層リブ壁１６と２層目のリブ壁１７との間の部位よりも、２層目のリブ壁１７と３層目のリブ壁１８との間の部位の方を先に破壊させるようにすることができるので、同心円状に配置された部位のうち、外側の面積の大きい側の部位においてリブ壁１７、１８同士を先に接触させることが可能になる。リブ壁１７、１８同士が接触した状態になると、この部分で大きな荷重を受け持つことが可能になるので、それよりも外側への破断の伝播を効果的に防止でき、部材全体が破断に至ることが効果的に防止される。前述した実施態様と同様、締結部１４の補強と、逐次破壊による円滑な外部荷重のエネルギー吸収との両立は、前述した実施態様と同様に実現される。
上記のように、最内層リブ壁１６と２層目のリブ壁１７との間の部位における径方向強度が、２層目のリブ壁１７と３層目のリブ壁１８との間の部位における径方向強度よりも大きい構造を実現するために、次のような形態を採用することも可能である。
（１）同心円状のリブ壁の間隔を変える、具体的には、最内層と２層目のリブ壁の間の間隔を、２層目と３層目の間の間隔に比べて小さくすると、２層目と３層目の間の方が座屈しやすくなり、同様の効果が得られる。
（２）また、上記（１）と同様、放射状リブに関して、最内層と２層目の同心円状のリブ壁間の放射状リブの本数を、２層目と３層目の間の放射状リブの本数に比べて多くする。このようにしても、２層目と３層目の間の放射状リブの方が座屈しやすくなり、同様の効果が得られる。
（３）さらに、同心円状リブ壁や放射状リブに関して、最内層に近いほど、リブの高さを高くする。このようにしても、外層側における部位ほど径方向強度を弱めることができ、同様の効果が得られる。
なお、上記（１）〜（３）の形態および図２、図３に示した形態は、それぞれ単独で、あるいは任意の組み合わせをもって採用可能である。
本発明に係る締結部構造は、締結部の補強と、逐次破壊による円滑な外部荷重のエネルギー吸収との両立が求められるあらゆる分野の締結部に適用可能である。
１、１１ 部材
２、１４ 締結部
３、４、１６、１７、１８ 同心円状のリブ壁
５、１９、２０ 放射状に延びるリブ
１５ 締結部材としてのボルト

Claims (5)

  1. 締結部を有する部材の該締結部周囲に同心円状の複数のリブ壁を有し、締結部材に最も近い最内層リブ壁におけるベアリング強度よりも、少なくとも２層目のリブ壁におけるベアリング強度を低くした締結部構造であって、前記部材が締結部周囲に３層以上の同心円状のリブ壁を有し、最内層リブ壁と２層目のリブ壁との間の部位における径方向強度が、２層目のリブ壁と３層目のリブ壁との間の部位における径方向強度よりも大きく、締結部を有する部材に縦横に延びる補強リブが配置され、締結部を有する部材が、ガラス転移温度が３０℃〜１５０℃であるポリアミドを含む材料から構成されていることを特徴とする締結部構造。
  2. 前記部材が、逐次破壊可能な材料からなる、請求項１に記載の締結部構造。
  3. 前記同心円状のリブ壁間に、径方向に延びる放射状のリブが設けられている、請求項１または２に記載の締結部構造。
  4. 前記締結部において、締結部材の周囲にカラーが嵌合されている、請求項１〜３のいずれかに記載の締結部構造。
  5. 前記締結部材がボルトからなる、請求項１〜４のいずれかに記載の締結部構造。
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