高い軸方向荷重で定格されたハイムジョイントでも、ロッククローラーのサスペンションでの使用では、その数値をはるかに下回る荷重で、破損することがあり、その理由は、欠陥のある部品ではなく、定格と実際の荷重が、2つの異なるものを測っているからです。定格は、純粋で、中心にかかる、軸方向の荷重を想定しています。実際の取り付けでは、ほとんど常に、何らかの曲げが生じ、これらの部品を実際に折るのは、曲げです。
2つの異なる荷重条件
ハイムのシャンク、つまり、ロッドエンドのボールとレースのアセンブリを、取り付け先に接続する、ねじ切りされた軸は、二力部材と呼ばれるものとして設計されています。すなわち、荷重を、引張または圧縮で、中心線に沿ってのみ受けるためのものです。その理想的なケースでは、応力が、シャンクの断面全体に均等に分散され(応力=力÷面積)、メーカーが公表する静的荷重定格は、まさにその条件を反映しています。中心にかかる荷重、ゆっくりとした負荷、曲げなし、繰り返しのサイクルなしです。
実際の取り付けは、その条件に、ほとんど一致しません。角度のミスアライメント、完全には位置が合っていない取り付けブラケット、サスペンションの幾何形状からの横荷重、振動、衝撃荷重、緩んだハードウェア、あるいは、意図されたアーティキュレーションの範囲外で、ジョイントを使用することなど、これらのいずれもが、荷重を、シャンクの中心線から、ずらします。そのオフセット(偏心を意味する「e」と呼びましょう)が、軸方向の力の一部を、曲げモーメントに変えます。モーメント=力×偏心です。小さなオフセットでも、相当な荷重を乗じると、実際のモーメントを生み出します。
なぜ曲げのほうが、より危険なのか
軸方向の応力は、断面全体に均等に広がります。曲げ応力は、そうではなく、シャンクの外表面、特に、すでに部品の最も弱い箇所である、最初にかみ合うねじ山、ねじの谷底、ねじ部とシャンク本体との間の移行部に、集中します。これらは、まさに、疲労き裂が最も始まりやすい場所です。理想的なケースでは、軸方向の定格全体を、余裕を持って処理できる部品でも、曲げ成分が加わると、これらの特定の箇所で、劇的に高い応力を受ける可能性があり、軸方向と曲げの応力は、曲げがピークになる箇所で、加算され、平均されないためです。
これが、ロッドエンドが、公表された定格の何分の一かで破損しうる、機械的な理由です。その定格は、部品が実際に取り付けられ、実際に作動したときに現れる、曲げと軸方向荷重の組み合わせを、一度も測定していません。これは、サスペンション工学の分野では「使用効果」と呼ばれ、特にモータースポーツの設計コミュニティでは「Rod Ends in Bending」(REIB)と呼ばれるものです。これは、よく知られた故障パターンであり、マイナーな懸念ではなく、経験豊富な車両運動のエンジニアが、ロッドエンドを、曲げ荷重を受ける場所に取り付けることを、許容できる妥協ではなく、避けるべき根本的な設計ミスと見なすほどです。
認識しておくべき3つの故障パターン
- 最初のねじ山での亀裂 — 最も一般的なパターンです。曲げモーメント、ねじの谷底にすでに存在する応力集中、そして、時間の経過に伴う、繰り返し(周期的)の荷重の組み合わせによって引き起こされます。
- シャンクの永久的な曲がり — 通常、1回の過大な横荷重、設計されていない角度で取り付けられたロッドエンド、または、実際の荷重に対して、小さすぎるシャンク径が原因です。
- 突然の疲労破壊 — 亀裂が、応力集中部で発生し、多くの荷重サイクルを通じて、(しばしば目に見えずに)徐々に成長し、最終的な破断で終わります。それは、突然のように見えても、実際はそうではありません。
荷重を軸方向に保つ方法(そして、完全にはできない場合の対処)
まず、曲げを最小限にする:
- ロッドエンドの中心線を、取り付けが許す限り、実際の荷重経路に、できるだけ近く合わせます。
- ジョイントに横荷重をかけないようにします。これは、ハードウェアの選択と同じくらい、取り付けの幾何形状に関する判断です。
- ジョイントにオフセットを吸収させるのではなく、スペーサーやシムで、アライメントを修正します。
残った曲げに対する、シャンクの抵抗力を高める:
- シャンク径を大きくし、支持されていない長さを短くすると、同じ荷重に対する曲げ応力は、どちらも減少します。
- より高グレードのシャンク材は、部品が降伏する前に、吸収できる応力のレベルを引き上げます。
- 転造ねじ(切削ねじとは異なり)は、転造が、結晶粒の組織を切断する代わりに、その応力集中点で材料を加工硬化させるため、ねじの谷底の疲労強度を高めます。
部品の使用寿命にわたる、疲労の蓄積を減らす:
- 用途が許す場合は、繰り返しの衝撃荷重を避けます。
- 故障を待つのではなく、定期的にねじ山を点検して、初期の亀裂の兆候を探します。
- 腐食を管理します。腐食したねじの谷底は、亀裂の発生に、先手を与えることになります。
- 取り付けハードウェアが要求する場合は、正しい予圧を使用します。予圧が不足しているジョイントは、適切に予圧されたものより、大きな周期的応力の範囲を受けます。
結論
ハイムのシャンクの公表された荷重定格は、理想的で、純粋に軸方向の条件の下で、何に耐えられるかを示すもので、ある程度のミスアライメント、振動、横荷重を伴う、実際の取り付けで、部品が実際の仕事をしたときに、何が起こるかは示していません。対策すべき故障モードは、「荷重が高すぎた」ことではなく、「荷重が、定格が考慮していなかった曲げをもたらした」ことです。荷重経路を、用途が許す限り、軸方向に近く保つことは、そのギャップを埋めるために、できる最も効果の高い、唯一のことです。
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