CN102791532A - 机动车用部件 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于使作用有偏心压缩载荷的机动车用部件在不降低性能的情况下轻量化。在本发明中，在具备外板(2)和在中央具有向外侧凸出的凸缘(3a)的内板(3)的机动车用部件(1)中，使构成内板(3)的材料的密度ρ、板厚t、杨氏模量E、屈服应力σy及凸缘(3a)的宽度B满足以下的式(1)、(2)、(3)，ρ×t≤15.0(kg/m²)…(1)、 E×t²×σy≥380(kN²/mm²)…(3)。

Description

机动车用部件

技术领域

本发明涉及保险杠梁、车门梁、框架构件等机动车用部件。

背景技术

机动车的骨架构件中存在进行变形来对车辆碰撞时的冲击力吸收能量的部件、为了防止车身的变形而用于确保强度/刚性的部件。这些部件设计成相对于轴载荷、弯曲载荷、扭转载荷等各种冲击载荷而确保必要的性能。

专利文献1公开一种车辆用车门的车身腰线加强结构。在此，通过将外加强件(outer reinforcement)和内加强件(inner reinforcement)接合，来形成具有单独的闭合截面的车身腰线加强件(belt line reinforcement)。通过利用该车身腰线加强件和车门内板来形成跨车门主体的前后方向全长延伸的第一、第二闭合截面，从而使车门主体相对于车辆碰撞时的冲击力的刚性提高。

在该结构中，需要有相对于作用在长度方向上的冲击载荷(轴向载荷)的强度，从而即使从前方受到冲击力，车门也不较大地发生变形。此外，要求将车门向车身外侧折弯，从而即使因冲击载荷而车门发生变形，变形后的车门也不会进入驾驶室内。该结构为了对折弯方向进行控制，而使载荷的作用点比构件截面的中心向驾驶室侧偏心，由此使轴载荷和偏心了的弯曲载荷一起作用于构件。这样，在车身内侧产生弯曲压缩应力，因此内侧承担比外侧高的压缩应力，从而车门以向车身外侧凸出的方式发生变形。

另外，专利文献2公开一种机动车的车身腰线部结构。在此，在前支柱(front pillar)的支柱外侧的后纵壁的与车身腰线加强件对置的部分形成有比其它通常面向车门主体侧突出的鼓出部。由此，在车辆碰撞时，使车身腰线加强件向支柱构件的扎入可靠。根据该结构，可将来自前方的碰撞载荷可靠地向车身腰线加强件传递。

这样，与单纯的轴抗压部件(前纵梁等)、弯曲抗压部件(保险杠、防撞梁)不同，在强度和变形的方向都被控制的部件上同时作用有压缩力和弯矩。因此，对该部件特有的设计下功夫。

专利文献3公开一种车辆用车门及面板构件载荷吸收结构。这里，在与载荷吸收部抵接的按压部进一步按压载荷吸收部时，以面板侧棱线部向沿着内板主体的厚度方向的另一侧移动的方式使载荷吸收部变形。由此，沿着车辆的车宽方向的载荷被吸收，相对于沿着车辆的前后方向的外力的刚性被确保·提高。

另外，专利文献4公开一种车身侧面结构。在此，内板的板厚比外板的板厚厚，在内侧鼓出部设有位于比闭合截面部的弯曲中立轴靠车宽方向外侧的凸部。由此，对于车宽方向及车辆前后方向的载荷这双方都可抑制变形。

上述的部件通常通过将冲压成形的薄钢板点焊而组装。例如，车门门肩加强件大多由具有1～2mm的板厚的钢板形成，具有接近双帽形材料(double hat shaped material)的形状。尤其在需要承担大的载荷的情况下，使用具有2mm左右的板厚的钢板。

但是，从最近的CO₂削减/机动车轻量化的必要性出发，要求更轻量且高性能的机动车用部件。因此，不仅在钢板的截面形状上下工夫，还采用新的观点下的轻量化对策。

专利文献5公开一种提高能量吸收量的机动车用冲击吸收构件。在此，通过承受冲击的梁材料使用轻量·高强度的CFRP材料，从而实现轻量化且能量吸收量提高。

另外，专利文献6公开一种弯曲强度构件。在此，在作用有弯曲载荷时成为拉伸侧的凸缘面设有FRP材料，并且将作用有弯曲载荷时成为压缩侧的凸缘的宽度b与厚度t之比(b/t)设定为12以下。由此，即使在碰撞等弯曲载荷变大的情况下，也可提高能量吸收量。

另外，专利文献7公开一种车辆的复合结构构件。在此，在闭合截面的薄壁钢管内插入有轻合金制或合成树脂制的加强管。该加强管具有大致沿着钢管的内壁的外侧形状，且在内部形成有肋。由此，可长期地实现充分的强度和轻量化。

另外，专利文献8公开一种机动车用保险杠梁。在此，从外侧将钢板张贴在铝型材的前侧凸缘及后侧凸缘。通过使该钢板的屈服应力σy1、钢板的比重ρ1、铝型材的屈服应力σy2、铝型材的比重ρ2满足σy1/ρ1＞σy2/ρ2的关系，可将重量增加抑制成最小限度，并同时使弯曲强度提高。

另外，专利文献9公开一种保险杠结构。在此，在金属制的保险杠主体上安装有金属制的第一加强板。另外，使保险杠主体的杨氏模量Est、保险杠主体的密度ρst、第一加强板的杨氏模量E2、第一加强板的密度ρ2满足(Est/ρst³)＜(E2/ρ2³)的关系。由此，可将重量增加抑制成最小限度，并同时使弯曲强度提高。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本国特开2002-219938号公报

专利文献2：日本国特开2006-88885号公报

专利文献3：日本国特开2008-94353号公报

专利文献4：日本国特开2007-216788号公报

专利文献5：日本国特开2005-225364号公报

专利文献6：日本国特开2003-129611号公报

专利文献7：日本国特开2003-312404号公报

专利文献8：日本国特开2009-184415号公报

专利文献9：日本国特开2009-255900号公报

发明内容

然而，在具有将两端部彼此相互接合的外板和内板的机动车用部件中，存在作用有从截面的中心向内板侧偏心的偏心压缩载荷的情况。作为决定这样的机动车用部件的强度的主要原因，假定有弯曲压缩侧(内板)的压曲、内板的屈服、弯曲拉伸侧(外板)的屈服。即，在这样的机动车用部件上，除了压缩载荷之外，还作用有由偏心载荷产生的弯矩，因此在内板上作用有压缩应力，在外板上作用有拉伸应力。由于压缩应力的绝对值比拉伸应力的绝对值大，因此在将内板和外板由同一材料/板厚构成的情况下，作用在内板上的压缩应力的影响变大。因此，机动车用部件的强度由内板的压曲或内板的屈服决定。

因此，期望在作用有偏心压缩载荷的机动车用部件中，在不使其性能降低的情况下使其轻量化。

本发明的目的在于，使作用有偏心压缩载荷的机动车用部件在不降低性能的情况下轻量化。

本发明中的机动车用部件具备在两端部彼此相互接合的外板和内板，所述机动车用部件的特征在于，

所述外板由钢铁材料构成，

所述内板在中央具有向外侧凸出的凸缘，

构成所述内板的材料的密度ρ板厚t、杨氏模量E、屈服应力σy及所述内板的所述凸缘的宽度B满足以下的式(1)、(2)、(3)。

ρ×t≤15.0(kg/m²)…(1)

$(B/t)\sqrt{\mathrm{\σy}/E}\≤1.5\·\·\·\left(2\right)$

E×t²×σy≥380(kN²/mm²)…(3)

根据上述结构，在从机动车用部件的截面的中心向内板侧偏心了的偏心压缩载荷作用在机动车用部件上的情况下，在作为弯曲拉伸侧的外板上作用有拉伸应力，在作为弯曲压缩侧的内板上作用有压缩应力。此时，机动车用部件的强度由内板的压曲或内板的屈服决定。在本发明中，由于构成内板的材料同时满足上述的三个式子(1)、(2)、(3)，因此不会使机动车用部件的重量增加，并且，机动车用部件的性能也与外板及内板由同一钢板制作的情况同等或为其以上。即，内板难以压曲，且可抑制内板的屈服决定的最大载荷的降低。因此，在机动车用部件上作用有偏心压缩载荷的情况下，能够使机动车用部件在不降低性能的情况下轻量化。

另外，在本发明的机动车用部件中，构成所述内板的材料可以为5000系、6000系或7000系的铝合金。根据上述结构，能够在不使性能降低的情况下使内板轻量化。

发明效果

根据本发明的机动车用部件，由于构成内板的材料同时满足上述的三个式子(1)、(2)、(3)，因此不会增加机动车用部件的重量，内板不易压曲，且可抑制内板的屈服决定的最大载荷的降低。因此，本发明能够使机动车用部件在不降低性能的情况下轻量化，其中，在机动车用部件上作用有从机动车用部件的截面的中心向内板侧偏心了的偏心压缩载荷。

附图说明

图1是表示本发明的机动车用部件的简要剖视图。

图2是表示实施例的分析中使用的机动车用部件的简要剖视图。

图3是表示压曲与最大载荷的关系的图表。

图4是表示(E×t²×σy)的值的变化与最大载荷的变化率的关系的图表。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。

(机动车用部件的结构)

本实施方式的机动车用部件1为保险杠梁、车门梁、框架构件等，如图1所示，其具有配置在车辆的外侧的外板2和配置在车辆的内侧的内板3。外板2与内板3在两端部彼此相互接合。外板2由钢铁材料构成，在中央具有相对于车辆的外侧凸出的凸缘2a。内板3由5000系、6000系或7000系的铝合金构成，在中央具有相对于车辆的内侧凸出的凸缘3a。

在机动车用部件1上作用有从机动车用部件1的截面的中心向内板3侧以距离C发生了偏心的偏心压缩载荷D时，外板2成为弯曲拉伸侧，内板3成为弯曲压缩侧。在作为弯曲拉伸侧的外板2上作用有拉伸应力，在作为弯曲压缩侧的内板3上作用有压缩应力。

在机动车用部件1的截面形状不变化的情况下，外板2及内板3的重量与板厚t和密度ρ之积成正比。在此，内板3由钢铁材料构成时的该钢铁材料的密度、板厚分别为ρ1、t1。另外，内板3由5000系、6000系或7000系的铝合金构成时的该铝合金的密度、板厚分别为ρ2、t2。此时，上述ρ1、t1、ρ2、t2满足以下的式(4)。

ρ1×t1≥ρ2×t2…(4)

即，内板3由铝合金构成时的内板3的重量为内板3由钢铁材料构成时的内板3的重量以下。这样，通过使内板3由铝合金构成，可抑制机动车用部件1的重量的增加。

在此，构成内板3的5000系、6000系或7000系的铝合金的板厚、杨氏模量及屈服应力分别为t、E、σy。另外，外板2及内板3的凸缘宽度为B。此时，上述t、E、σy、B满足以下的式(5)。

$(B/t)\sqrt{\mathrm{\σy}/E}\≤1.5\·\·\·\left(5\right)$

在此，

的值是在钢结构的领域内通常使用的压曲参数。需要说明的是，在机动车用部件1的截面形状不变化的情况下，B固定。在使上述的偏心压缩载荷D作用于机动车用部件1的情况下，由作为弯曲压缩侧的内板3的屈服来决定最大载荷。当上述压曲参数的值为1.5以下时，最大载荷成为理论分析结果的90％以上，因此内板3难以压曲。

在此，内板3由钢铁材料构成时的该钢铁材料的板厚、杨氏模量、截面积及屈服应力分别为t1、E1、A1、σy1。另外，内板3由5000系、6000系或7000系的铝合金构成时的该铝合金的板厚、杨氏模量、截面积及屈服应力分别为t2、E2、A2、σy2。此时，t1、E1、A1、σy1、t2、E2、A2及σy2满足以下的式(6)。

(E2·A2)×(t2·σy2)≥0.9×(E1·A1)×(t1·σy1)…(6)

在此，在不变更机动车用部件1的截面形状的情况下，截面积A1、A2的代表值为板厚t1、t2，因此上述的式(6)可以如以下的式(7)那样进行替换。

E2×t2²×σy2≥0.9×E1×t1²×σy1…(7)

由内板3的屈服来决定最大载荷的因子为内板3的屈服强度和机动车用部件1的弯曲刚性。在机动车用部件1的截面形状不变化的情况下，内板3的强度的代表值为板厚t2与屈服应力σy2之积。另外，内板3的伴随材料变更及板厚变更的对机动车用部件1的弯曲刚性的贡献由杨氏模量E2与截面积A2之积表示。并且，如上所述，在不变更截面形状的情况下，截面积A的代表值为板厚t，因此内板3的伴随材料变更及板厚变更的对机动车用部件1的弯曲刚性的贡献由杨氏模量E与板厚t之积表示。通过满足式(7)，机动车用部件1的最大载荷成为90％以上，从而可抑制由内板3的屈服决定的最大载荷的降低。需要说明的是，E2×t2²×σy2的实际上的上限值约为E1×t1²×σy1的三倍。

在机动车用部件1上作用有从机动车用部件1的截面的中心向内板3侧偏心了的偏心压缩载荷的情况下，机动车用部件1的强度由内板3的压曲或内板3的屈服决定。此时，构成内板3的材料同时满足式(4)、(5)、(7)这三个关系，因此不会使机动车用部件1的重量增加，并且，机动车用部件的性能也与外板2及内板3由同一钢板制作的情况同等或为其以上。

即，内板3变得难以压曲，可抑制内板3的屈服决定的最大载荷的降低。因此，即使在机动车用部件1上作用有偏心压缩载荷时，也能够在不使性能降低的情况下使机动车用部件1轻量化。

另外，由于构成内板3的材料为5000系、6000系或7000系的铝合金，因此能够在不使性能降低的情况下使内板3轻量化。

需要说明的是，能够适用上述要件的机动车部件的截面尺寸通常为100mm×100mm左右，最大为200mm×200mm。另外，机动车部件的长度通常为1m左右或其以下，最大为2m左右。

(分析)

利用图2所示的机动车用部件11，对其作用从截面的中心向内板13侧偏心了距离C＝8mm的偏心压缩载荷D，并对其实施基于材料力学的理论分析(使由压缩力与偏心产生弯矩重叠的应力计算)和有限元(FEM)分析。在此，机动车用部件11的进深方向的长度为900mm，截面宽度为100mm，截面高度为29mm。另外，图2中，R5意味着曲率半径为5mm。机动车用部件11具有将两端部彼此相互接合的外板12和内板13，外板12及内板13的凸缘宽度B分别为54mm。另外，机动车用部件11的外板12使用板厚t为2.0mm的590MPa级冷轧钢板。需要说明的是，机动车用部件11的截面形状固定，在宽度方向上截面形状不发生变化。其结果是，可知理论分析的结果与FEM分析的结果大致一致，在该条件下，最大载荷由内板13的屈服决定。

在此，为了弄清压曲极限，不改变形状，假定材料为两种钢铁材料，并利用减少板厚后的截面来实施理论分析和FEM分析。然后，对理论分析的结果(由内板13的屈服决定的最大载荷)和FEM分析的结果进行比较，由此确认出压曲决定的强度降低的比例。图3表示其结果。图3表示压曲对最大载荷产生的影响。

在图3中，横轴的压曲参数为在钢结构的领域内通常使用的

的值。在此，利用了B＝54mm、t＝1.2～2.0mm、σy＝480，780MPa、E＝205800MPa(钢的杨氏模量)的结果。由此，随着压曲参数的值变大，通过FEM分析得到的最大载荷比通过理论分析得到的最大载荷小。即，因内板13的压曲，与截面所具备的性能相比，最大载荷降低。当考虑结果的不均(图3中，由虚线表示)时，如上述的式(5)所示，使压曲参数的值为1.5以下，由此能够使最大载荷为理论分析结果的90％以上。

另外，由内板13的屈服来决定自身最大载荷的因子为内板13的屈服强度和机动车用部件11的弯曲刚性。后者对因偏心产生的弯矩而产生的弯曲压缩应力的大小产生很大的影响。若不对机动车用部件11的形状进行变更，则内板13的强度的代表值为板厚t与屈服应力σy之积。另外，机动车用部件11的弯曲刚性由杨氏模量E与截面惯性矩之积表示，因此当将内板13和外板12分离而表达时，成为以下的式(8)那样的函数。

弯曲刚性∝f(Eo×Ao×(ho)²、Ei×Ai×(hi)²)…(8)

在此，Eo表示外板12的杨氏模量，Ei表示内板13的杨氏模量，ho表示外板12的截面高度，hi表示内板13的截面高度，Ao表示外板12的截面积，Ai表示内板13的截面积。需要说明的是，在图2中，外板12的截面高度ho为12.5mm。因此，在不变更截面形状的情况下，内板13的伴随材料变更和板厚变更的对机动车用部件11的弯曲刚性的贡献由杨氏模量E与截面积A之积表示。并且，如上所述，在不变更截面形状的情况下，截面积A的代表值为板厚t，因此内板13的与材料变更和板厚变更相伴的对机动车用部件11的弯曲刚性的贡献由杨氏模量E与板厚t之积表示。

利用上述的两个因子，制作具有通过表1所示的各种材料构成的内板13的比较例1～7及实施例1～4，并算出各自的最大载荷。表1表示这些的结果。需要说明的是，比较例1的590MPa级钢板是比较最大载荷时的基准截面。

图4表示替换内板13的材料时的(E×t²×σy)的值的变化与最大载荷的变化率的关系。横轴的(E×t²×σy)的值为380kN²/mm²以上时的最大载荷为比较例1(基准截面)的90％以上。因此，可知若内板13的材料满足上述的式(7)，则与仅由钢板构成的现有的机动车用部件相比，能够得到90％以上的最大载荷。

在比较例2、3、7中，压曲参数

的值为1.5以上，内板13容易压曲。在比较例4、6中，E×t²×σy的值比380kN²/mm²小，内板13的屈服决定的最大载荷的降低大。在比较例5中，与基准截面相比，重量增加。与此相对，在实施例1～4中，由于同时满足上述的式(4)、(5)、(7)，因此重量比基准截面轻且难以压曲，并且可抑制内板13的屈服决定的最大载荷的降低。

在此，在上述分析中，以板厚t＝2.0mm进行了分析。在内板13由钢材制作的情况下，通常板厚t＝2mm左右。这种情况下，当以上述的式(4)中的钢铁材料的密度ρ1＝7.8kg/m³、板厚t＝2.0mm来计算ρ1×t1时，其值如表1的比较例1中所示那样，为15.6kg/m²。当考虑该值时，通过使内板13侧采用的材料的密度ρ、板厚t满足ρ×t≤15.0(kg/m²)，从而即使将内板13的材料从钢板进行替换，重量也不会增加。

另外，同样，在内板13由钢材制作的情况下，当考虑通常板厚t＝2mm左右时，式(7)的右边的计算结果同样如表1的比较例1中所示那样，为395N²/m²。当考虑该值时，通过使内板13侧采用的材料的杨氏模量E、板厚t、屈服应力σy满足E×t²×σy≥380(kN²/mm²)，即使对内板13的材料进行替换，也能够得到与钢板大致同等(90％以上)的最大载荷。

(本实施方式的变形例)

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但这些只不过是具体例的例示，对本发明没有特别地限定。具体的结构等可以适当设计变更。另外，本发明的实施方式中记载的作用及效果只不过列举了由本发明产生的最佳的作用及效果，本发明产生的作用及效果没有限定为本发明的实施方式中记载的作用及效果。

例如，构成内板3的材料没有限定为5000系、6000系或7000系的铝合金，只要是同时满足上述的式(4)、(5)、(7)的材料即可。

本申请基于2011年3月30日申请的日本专利申请(特愿2010-076665)，并将其内容作为参照而取入于此。

符号说明：

1机动车用部件

2外板

2a凸缘

3内板

3a凸缘

11机动车用部件

12外板

13内板

B凸缘宽度

D偏心压缩载荷

Claims (2)

1.一种机动车用部件，其具备在两端部彼此相互接合的外板和内板，所述机动车用部件的特征在于，

所述外板由钢铁材料构成，

所述内板在中央具有向外侧凸出的凸缘，

构成所述内板的材料的密度ρ、板厚t、杨氏模量E、屈服应力σy及所述内板的所述凸缘的宽度B满足以下的式(1)、(2)、(3)，

ρ×t≤15.0(kg/m²)…(1)、

$(B/t)\sqrt{\mathrm{\σy}/E}\≤1.5\·\·\·\left(2\right),$

E×t²×σy≥380(kN²/mm²)…(3)。

2.根据权利要求1所述的机动车用部件，其特征在于，

构成所述内板的材料为5000系、6000系或7000系的铝合金。

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