(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管の端部に拡管部を形成し、試験機の回動部に前記拡管部を固定し、前記回動部を回動して前記鋼管に捩じりトルクを生じさせることにより行う鋼管の捩じり試験方法であって、前記捩じりトルクにより前記拡管部に塑性変形が生じない値以上の拡管率η＝（ＯＤ２−ＯＤ１）／ＯＤ１（ただし、ＯＤ１は素管の直径、ＯＤ２は拡管部の直径である）で前記拡管部を形成することを特徴とする、鋼管の捩じり試験方法。
【請求項２】
前記拡管部が溶接により前記回動部に固定され、溶接により軟化する熱影響部の長さ以上の長さで前記拡管部を形成することを特徴とする、請求項１に記載の鋼管の捩じり試験方法。
【請求項３】
前記拡管部と素管との間のテーパ部の角度が、減肉による割れが生じない角度以上、且つ、応力集中による座屈が生じない角度以下に設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の鋼管の捩じり試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、捩じり試験機を用いて、鋼管の捩じり試験を行う方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管を構成要素とする構造体の設計に際しては、使用する鋼管の機械的な疲労特性を事前に把握する必要がある。そのうち鋼管単体の捩じり疲労強度を測定する捩じり試験は、鋼管の端部に例えばフランジ状の回動冶具を接合し、その軸周りに繰り返し捩じり応力を作用させることにより行われる。しかしながら、チャックやボルト等の機械的な締結手段で鋼管を接合すると、その接合部に応力が集中し、本来の鋼管部分（素管）の疲労強度を測定することができない。そのため、通常は、アーク溶接により鋼管と回動冶具とを滑らかに接合し、接合部に不要な応力集中を発生させないようにして捩じり試験が実施されている。例えば、特許文献１には、フランジ冶具に鋼管の外径よりも若干小さい内径孔を形成し、その孔に鋼管の端部を締まり嵌めした後、これらをアーク溶接することにより接合部分の強度低下を抑制する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１１２２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、鋼管を締まり嵌めする上記の方法であっても、溶接時の熱影響による接合部の軟化は避けられず、その軟化した接合部分から疲労破壊が始まると本来の鋼管部分の捩じり強度を測定することができないという課題がある。
【０００５】
また、鋼管を構造体に組み込んだ状態で強度試験を行うこともできるが、その場合、構造体の準備や、また構造体を試験機に設置する際の特殊な冶具が必要となる等、手間や時間がかかり、結果的に試験コストが嵩むという課題もある。また、鋼管単体での疲労特性は評価できない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、鋼管の捩じり試験において、鋼管の接合部分が破壊起点にならないようにして、鋼管単体でも簡便で容易に疲労試験を行えるようにする、捩じり試験方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するためになされた本発明は、鋼管の端部に拡管部を形成し、試験機の回動部に前記拡管部を固定し、前記回動部を回動して前記鋼管に捩じりトルクを生じさせることにより行う鋼管の捩じり試験方法であって、前記捩じりトルクにより前記拡管部に塑性変形が生じない値以上の拡管率η＝（ＯＤ２−ＯＤ１）／ＯＤ１（ただし、ＯＤ１は素管の直径、ＯＤ２は拡管部の直径である）で前記拡管部を形成することを特徴とするものである。
【０００９】
また、前記拡管部が溶接により前記回動部に固定され、溶接により軟化する熱影響部の長さ以上の長さで前記拡管部を形成することが好ましい。
【００１０】
また、前記拡管部と素管との間のテーパ部の角度が、減肉による割れが生じない角度以上、且つ、応力集中による座屈が生じない角度以下に設定されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の捩じり試験方法によれば、鋼管の端部に拡管部を形成し、試験機の回動部に拡管部を固定することにより、鋼管本体の強度に比較して固定部分の強度を大きくすることができる。これにより、素管よりも先に接合部分が破壊起点にならないようにし、簡便で容易な疲労試験を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による、捩じり試験機の概略構成を示す側面図である。
【図２】鋼管の拡管部を示す断面図である。
【図３】鋼管の拡管率と応力との関係を示すグラフである。
【図４】拡管部の端（溶接部）からの距離に対するビッカース硬さを示すグラフである。
【図５】拡管によるテーパ角と管端の減肉率との関係を示すグラフである。
【図６】拡管によるテーパ角と変曲部に発生する座屈量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る捩じり試験方法の好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態による捩じり試験方法を行うための、捩じり試験機１０の概略構成を示す側面図である。捩じり試験機１０は、回動モータ１１と、鋼管Ｐの端部に接合する回動冶具１２、１３とを備える。図１には、一方（左側）の回動冶具１２に回動モータ１１を連結させ、他方（右側）の回動冶具１３を固定した状態で、回動冶具１２に繰り返し負荷トルク（捩じりトルク）を付加する例を記載している。ここで、静止状態から一定角度に捩じり、元の静止状態に戻す場合を片振り試験といい、静止状態から一定角度に捩じり、静止状態を通過して反対方向へ同様な一定角度捩じって静止状態に戻す場合を両振り試験という。本発明はこれらのいずれにも適用可能である。また、加速試験等の目的で、両方の回動冶具１２、１３にそれぞれ回動モータを接続し、鋼管Ｐの両端部に互いに逆方向に負荷トルク（捩じりトルク）を付加する場合にも、本発明を適用することができる。
【００１４】
本実施形態による捩じり試験方法では、予め鋼管の両端部に、素管Ｐよりも直径が大きい拡管部ＥＰを形成する。つまり、捩じり試験を行おうとする鋼管本体（つまり素管Ｐ）の直径をＯＤ１、拡径した拡管部ＥＰの直径をＯＤ２とした場合、ＯＤ１＜ＯＤ２が成り立つようにする。
【００１５】
拡管部ＥＰの管内には、回動冶具１２の軸１２ａが挿入され、これらが突き合わせられた外周部分がアーク溶接で接合される。捩じりトルクにより生じる不必要な応力集中を防ぐためには、Ｖ形又はレ形等の開先溶接によりこれらを接合させることが好ましい。更には、グラインダ等で溶接部分のビードを平坦化する処理を行うことが好ましい。
【００１６】
ここで、図２に示すように、拡管部ＥＰの「拡管率」ηを
η＝（ＯＤ２−ＯＤ１）／ＯＤ１
と定義する。また、拡管部ＥＰの端と変曲部Ｃ１までの距離、つまり拡管部ＥＰの直径ＯＤ２が維持されている部分の管の長さを「拡管部長さ」ＬＥとして定義する。また、拡管部ＥＰの変曲部Ｃ１と素管Ｐの変曲部Ｃ２との間はテーパ部ＴＰであり、変曲部Ｃ２において素管Ｐとテーパ部ＴＰとがなす角度を「テーパ角」θとして定義する。
【００１７】
鋼管の捩じり強度は、管の直径の４乗に比例して大きくなることが分かっている。上述したように、本実施形態では、素管Ｐの直径ＯＤ１よりも大きい直径ＯＤ２の拡管部ＥＰを形成したことにより、回動冶具１２が接合される拡管部ＥＰの捩じり強度を、素管Ｐの捩じり強度よりも大きしている。そのため、鋼管単体の捩じり試験において、素管（直管）Ｐよりも先に、回動冶具１２の接合部から疲労破壊が生じる事態を未然に防ぐことができる。
【００１８】
＜実施例＞
一般的な自動車部材の捩じり疲労試験を想定し、下記条件の鋼管試料を用いて拡管率η、拡管部長さＬＥ及びテーパ角θの適合範囲を調べた。
素管：１４９０ＭＰａ級焼入れ鋼管
（焼入れ部    降伏強さ  １４００ＭＰａ、引張り強さ  １５００ＭＰａ）
（未焼入れ部  降伏強さ    ４００ＭＰａ、引張り強さ    ５００ＭＰａ）
寸法：外径φ３１．８×厚さｔ１．６ｍｍ
負荷トルク：８００Ｎ・ｍ、１Ｈｚ、３０°両振り
【００１９】
上記条件の鋼管を用いてプレ試験した結果を図３〜６に示す。ここで、図３は、鋼管の拡管率ηと管外表面のミーゼス相当応力σｍとの関係を示すグラフである。図４は、拡管部の端（溶接部）からの距離に対するビッカース硬さを示すグラフである。図５は、拡管によるテーパ角θと管端の減肉率との関係を示すグラフである。図６は、拡管によるテーパ角θと変曲部Ｃ２に発生する座屈量との関係を示すグラフである。
【００２０】
拡管部ＥＰの拡管率ηは、拡管部ＥＰに負荷トルクが作用した際に塑性変形が生じない値以上に設定される。図３の測定結果に示されるように、管外表面でのミーゼス相当応力σｍは、拡管率ηが大きい程、小さくなる傾向がある。溶接時の熱影響により軟化した後の拡管部ＥＰの降伏応力は、最少でも４００ＭＰａであると想定される。そのため、拡管率ηが２５％以上であれば、拡管部ＥＰに発生するミーゼス相当応力σｍは４００ＭＰａ以下であるから、塑性変形や破壊は起こらない。
【００２１】
また、拡管部長さＬＥは、溶接により軟化する熱影響部の長さ以上であることが好ましい。図４の測定結果によれば、溶接時の熱影響により管が軟化する長さは約１０ｍｍであることから、素管Ｐが熱影響を受けない条件としては、拡管部長さＬＥ≧１０ｍｍであることが好ましいことが分かる。
【００２２】
また、成型加工又は引張り加工により形成される拡管部ＥＰの減肉率（＝（素管の肉厚−拡管後の肉厚）／素管の肉厚）は、テーパ角θが小さい程、大きくなる。減肉率が大きいと、拡管部ＥＰの肉厚が薄くなり、捩じり疲労試験時に割れやすくなる。そのため、拡管部ＥＰを形成するテーパ角θは、減肉による割れが生じない角度以上であることが好ましい。
【００２３】
自動車用構造部品として鋼管を用いる場合、管の減肉率は２０％まで考慮すれば十分である。例えば図５の測定結果によれば、テーパ角θが１０°以上であれば、減肉率２０％以下が確保されることが分かる。
【００２４】
その一方で、変曲部Ｃ２のテーパ角θが大きいと座屈（所謂、ちょうちん座屈）が生じやすくなり、疲労破壊の起点となる可能性が高まる。例えば図６の測定結果によれば、テーパ角θが３０°以下であれば、座屈が生じないことが分かる。
【００２５】
これらの試験結果により、本実施例に適合するテーパ角θの条件としては、
１０°≦θ≦３０°
であることが好ましいといえる。
【００２６】
本実施形態の捩じり試験方法によれば、鋼管Ｐの端部を予め拡径し、その拡管部ＥＰに捩じりトルクを付加することで、拡管部ＥＰに発生する応力を小さくすることを特徴とするものである。特に、拡管部ＥＰの拡管率ηを、捩じりトルクにより塑性変形が生じない値以上とすることにより、素管Ｐよりも先に拡管部ＥＰの接合部分が疲労破壊の起点とならないようにすることができる。
また、拡管部長さＬＥを、溶接時の熱が素管Ｐに影響しない長さ以上とすることで、熱による素管部分の軟化を防ぎ、本来の捩じり疲労試験を正確に行えるようにすることができる。
また、拡管部ＥＰと素管Ｐとがなすテーパ角θは、減肉による割れが生じない角度以上であって、且つ、応力集中による座屈が生じない角度以下に設定することが好ましい。拡管部ＥＰやテーパ部ＴＰに割れや座屈を生じないようにして、鋼管単体でも簡便で容易な捩じり疲労試験の実施を可能にする。
【００２７】
尚、鋼管Ｐの拡管については、前述のように評価する鋼管Ｐが均一肉厚・均一強度であれば、図１，２のように両端とも拡管することが好ましい。一方、途中で肉厚が増える、あるいは強度が増すような鋼管を試験する場合であれば、肉厚増・強度増側の管端を拡管せずに試験することも可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  捩じり試験機
１１  回動モータ
１２、１３  回動冶具
Ｐ  鋼管（素管）
ＥＰ  拡管部
ＴＰ  テーパ部
ＬＥ  拡管部長さ
η  拡管率
θ  テーパ角
σｍ  ミーゼス相当応力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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