CN1603676A - 机动车用强度部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机动车用强度部件。它具有一在冲击开始时产生一高弯曲斥力的断面形状，并能降低生产成本和减轻重量及实现安全性的改善和机动车成本的降低，即，一种机动车用强度部件，它由一具有一正方形断面的矩形钢管构成，同时满足下列关系式(1)－(3)，且在抗拉强度方面具有至少690MPa的强度：R1≤1.5t (1)；tR≥1.1t (2)；R1≥R2 (3)其中，t：侧边厚度(mm)；tR：拐角厚度(mm)；R1：外侧拐角R(mm)；R2：内侧拐角R(mm)。此处在矩形钢管断面处硬度的最大值和最小值二者是在整个断面平均值的±30％范围内。

Description

机动车用强度部件
技术领域
本发明涉及一种机动车用强度/加强部件，所述机动车用强度部件在冲击开始时的弯曲斥力高，并能降低生产成本和减轻重量。
背景技术
近年来，用于机动车侧面冲击的标准已变得更严格。车体的结构设计思想同样也发生变化。机动车门设置有门护杆。在过去，将门护杆考虑成在侧面冲击时变形的部件，以便吸收冲击能和减少乘客所承受的冲击。
近年来，已经将车体结构设计成能通过整个门吸收侧面冲击时的冲击能。在这种车体结构中，已经采用门护杆作为一种能量传递部件，用于将冲击能传递到门护杆周围的其它部件上，以便使其它部件通过它们自己的变形吸收冲击能。因此，重要的是，用作门护杆的部件将承受的任何冲击力保持在其弹性变形范围内，并且不变形。尤其是，需要一种在冲击开始时具有高弯曲斥力性能的部件。为此，可以考虑增加部件的强度，但较高的强度产生脆性断裂和氢感应裂纹的问题。对一种机动车用部件来说，仅仅增加部件的强度不是优选的。因此，集中在形状上并对形状进行研究以提高冲击开始时的弯曲斥力。
到现在为止，已经从吸收能量的观点用静力弯曲试验研究了用于门护杆的部件。例如，已知通过增加一钢管的强度同时该钢管的断面/横截面是圆形可以获得一高吸收能量(例如，见日本未经审查的专利公报(公开)No.H4-63242)。然而，在一圆形断面钢管的弯曲变形性能中，负荷完全集中在负荷的直下方，并且断面形状由于局部翘曲容易变扁平。部件在冲击弯曲时同样变弱。因此，不能得到冲击开始时的高弯曲斥力。
另外，提出了一种机动车用结构部件，所述机动车用结构部件具有一封闭断面结构，一沿纵向的最大尺寸，一沿垂直于该纵向的方向的最大尺寸，一外周长，及一厚度，该厚度由至少1400MPa的抗拉强度按一定关系限定(例如，见日本未经审查的专利公报(公开)No.2002-248941)。对于这种部件，实际上吸收能和弯曲斥力与过去相比得到改善，但结果都是基于一静力弯曲试验。是否能够得到冲击开始时的高弯曲斥力，对一冲击弯曲试验还未知。
另一方面，与此相反，已开发出弯曲性能比圆管优越的矩形管/角管。也就是说，提出了一种矩形管，其中拐角部的外侧或者不具有量值小于该厚度的R，或者具有量值小于该厚度的R，并且内表面具有一大于外表面的R以便使一负荷直接作用在平行于弯曲输入方向的两个侧表面上并改善弯曲斥力(例如，见日本未经审查的专利公报(公开)No.H6-278458)。该部件的抗拉强度是1470MPa级。对于具有这种抗拉强度的一部件，由于施加的弯曲负荷，产生脆性断裂或氢感应裂纹可能性增加。另外，当进一步将一电阻焊钢管或其它圆管加工成一矩形管时，在生产中难以在拐角部内表面处设置此外表面处大的R，而当生产所述断面形状时，有一个问题是成本最后显著地变高。
发明内容
如上所述，到现在为止，已经从在塑性变形范围内改善吸收能的观点，通过静力弯曲试验研究了用于门护杆的部件。然而，在冲击弯曲时，不清楚是否在冲击开始时得到一高弯曲斥力。另外，因为部件强度高，所以有可能产生脆性断裂和氢感应裂纹。另外，当将一电阻焊接的钢管或其它圆管加工成一矩形管时，在生产中难以在内表面处设置比外表面更大的R，而当生产上述断面形状时，有一个问题是成本最后显著地变得更高。
因此本发明的一个目的是提供一种机动车用强度部件，所述强度部件具有一在冲击开始时产生一高弯曲斥力的断面形状，并且在生产中能降低成本和减轻重量。
如上所述，一种门护杆部件必须将冲击力保持在它的弹性变形范围内，并且在侧面冲击时不变形。尤其是，要求在冲击开始时显示一高的弯曲斥力。
发明人经过研究发现一个结果，当从垂直于图1所示部件的纵向的方向施加一冲击弯曲负荷时，与一圆管开始冲击时的弯曲斥力相比，一矩形管开始冲击时存在一弯曲斥力高峰(值)，这改善了冲击开始时的弯曲斥力，重要的是使一矩形管拐角部的翘曲保持极小，并使该负荷施加到平行于弯曲输入方向的两个侧表面端部上。
为了使一矩形管拐角部的翘曲保持极小，有效的是减小外侧拐角部的R并使厚度更大。另外，为了使负荷直接施加到平行于弯曲输入方向的两个侧表面端部上，有效的是从侧边厚度中大大减小外侧拐角部的R。在这种情况下，侧边的除了拐角部之外的厚度是恒定的。另外，即使将直接施加负荷的两个侧表面的厚度制得更大，发明人发现，两个侧表面也得到加强并且冲击开始时的弯曲斥力变得更大。另外，有效的是增大部件的强度。如果部件的抗拉强度太高，则脆性断裂或氢感应裂纹变成一种有害因素。
另一方面，从生产成本的观点看，通过将外侧拐角部的R制成比内侧拐角部的R更大，则生产变得更容易和生产成本可以降低。
为了达到上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种机动车用强度部件，所述机动车用强度部件由一具有一正方形断面的矩形钢管构成，同时满足下列关系式(1)-(3)，并在抗拉强度方面具有一至少690MPa的强度：
R1≤1.5t         (1)
tR≥1.1t         (2)
R1≥R2          (3)
其中，t：侧边厚度(mm)
      tR：拐角厚度(mm)
      R1：外侧拐角R(mm)
      R2：内侧拐角R(mm)
按照本发明的第二方面，提供了一种机动车用结构部件，其中在矩形钢管一断面处的硬度的一最大值和一最小值都在整个断面平均值的±30％之内的范围内。
按照本发明的第三方面，提供了一种机动车用强度部件，所述机动车用强度部件由一具有一正方形断面的矩形管构成，同时满足关系式(4)和(5)：
0.50≤t1/t2≤0.95...... (4)
R1≤1.5t2......         (5)
其中，t1：一对面对侧边的厚度(mm)
      t2：另一对面对侧边的厚度(mm)
      R1：外侧拐角R(mm)
按照本发明的第四方面，提供了一种机动车用结构部件，所述机动车用结构部件由一具有一正方形断面的矩形管构成，所述机动车用结构部件用于如本发明第三方面所述的一种机动车用强度部件并且被设置成厚度为t2的侧边与弯曲输入方向一致。
附图说明
本发明的这些和其它目的和特征，从下面参照附图所作的一些优选实施例的说明，将变得更清楚，其中：
图1是对冲击弯曲时的矩形管和圆管的位移-弯曲斥力曲线进行比较的视图；以及
图2是说明一矩形管的断面形状的视图。
具体实施方式
下面，将更详细说明本发明。首先，说明本发明的第一方面。
为了通过使拐角部的翘曲极小和使冲击直接作用在平行于弯曲输入方向的两个侧表面端部上改善冲击开始时的弯曲斥力，必须使断面更难以变扁平。
如果外侧拐角的R(R1)太大，则没有负荷直接作用在平行于弯曲输入方向的两个侧表面端部上，平行于弯曲输入方向的两个侧表面由于只是在垂直于弯曲输入方向的输入侧处的中心侧被挤压而向外凸出，并且断面的变扁平容易发生。结果，冲击开始时的弯曲斥力减弱。尤其是，如果外侧拐角的R(R1)超过厚度(t)的1.5倍，则冲击开始时的弯曲斥力显著减弱。因此，将外侧拐角R1制成不大于该厚度的1.5倍，如关系式(1)中所表示的：
R1≤1.5t......  (1)
另外，为了大大减少拐角部的翘曲，将拐角的厚度(tR)做得更大也有效。
通过将拐角的厚度(tR)做得更大，拐角的抗翘曲性变得更大，并且可以直接从平行于弯曲输入方向的两个侧表面端部施加一负荷。如果拐角厚度(tR)小于侧边厚度的1.1倍，则它无效。因此，拐角厚度(tR)必须制成是侧边厚度至少1.1倍，如关系式(2)所示。另外，在此，拐角厚度(tR)是指拐角最厚部的厚度。
(tR)≥1.1t......(2)
另一方面，将外侧拐角R(R1)制成比内侧拐角R(R2)大有助于生产和降低生产成本。也就是说，必须满足下面关系式(3)：
R1≥R2......    (3)
当部件的抗拉强度小于690MPa时，得不到冲击开始时的一高弯曲强度，因此将部件的抗拉强度制成至少690MPa。应该注意，如果部件的抗拉强度太高，则部件的脆性断裂和氢感应裂纹变成一种有害因素，因此部件的抗拉强度优选的是小于1470MPa。
具有冲击开始时的一高弯曲斥力和具有降低的生产成本的矩形钢管同时满足上述关系式(1)，(2)和(3)的条件，并且抗拉强度必须是至少690MPa。如果这些条件中的任何一个不能满足，则冲击开始时的高弯曲斥力和降低的生产成本二者都达不到。
接下来，将说明本发明的第二方面。
本发明的第二方面将矩形钢管断面硬度(hardness)的最大值和最小值定义为是在整个断面平均值的±30％范围内。如果超过这个范围，则在断面硬度的最大值位置处延性显著变得更低。在该位置处脆性断裂变得更容易。
接下来，将说明本发明的第三方面。
为了改善冲击开始时的弯曲斥力，将各侧边的厚度制成不同也有效。也就是说，在此，将一对面对侧边的厚度制成为(t1)，将另一对平行于弯曲输入方向的面对侧边的厚度制成为(t2)，并且将t1制成小于t2。当将平行于弯曲输入方向的侧边厚度制成一更厚的厚度t2时，平行于弯曲输入方向的两个侧表面得到加强，并且冲击开始时的斥力变得更高。然而，如果将t1制得太小，则t1的侧边本身可能翘曲，因此t1/t2的比值必须至少0.50。另一方面，如果t1/t2的比值超过0.95，则冲击开始时的弯曲斥力的增长量变得较小。从改善冲击开始时的弯曲斥力的观点来看这不是优选的。因此，t1/t2必须满足下面关系式(4)的条件：
0.50≤t1/t2≤0.95......(4)
另外，在这种情况下，如关系式(1)中所阐明的，外侧拐角R(R1)应不大于较厚侧边的厚度(t2)的1.5倍。因此，必须满足关系式(5)：
R1≤1.5t2......(5)
生产用作本发明一机动车用强度部件的一种圆管的方法包括拉制、轧制、挤出等。
另外，用于形成机动车用强度部件的材料一般是一种钢材，但在本发明的第三方面中，如果条件得到满足，则也可以采用铝，钛，镁等轻金属材料或它们的合金或其它轻量材料。接下来，将说明本发明的第四方面。
当在机动车中安装按照本发明第三方面所述的机动车用强度部件时，必须将其定向成能最大程度地显示弯曲性能。也就是说，当将它安装成厚度为比一对面对侧边更厚的t2的侧边变成平行于弯曲输入方向时，可以得到最有效的机动车用强度部件。
例1
在本发明的机动车用强度部件中，冲击开始时的弯曲斥力尤其重要，因此通过一冲击弯曲试验研究冲击开始时的弯曲斥力。试验条件是试件纵向长度L为900mm，利用一落锤试验机的落下速度为4.43m/sec，落锤质量为50kg，及弯曲跨度长度L为700mm。将两端处的支承件固定。
图2示出一矩形管的断面形状。这里，D是正方形断面的一边的长度尺寸(外侧直径、外侧尺寸)。
表1示出各种类型的机动车用强度部件。一种常规门护杆采用1470MPa级的圆钢管(Φ35.0×t2.3mm)，因此将冲击开始时的弯曲斥力的上升率和重量比相对于一圆钢管(符号H)进行比较。在此，测量断面硬度，以便求出断面硬度的最大值和最小值与断面硬度的平均值之间的差值。利用维氏(Vicker’s)硬度试验法以满足日本工业标准(JIS Z 2244)的1mm的间距测量硬度。本发明各示例中的材料A和B在冲击开始时具有较高的弯曲斥力而不管重量是否轻。本发明的示例中材料C与材料H相比在冲击开始时不具有高弯曲斥力，但重量减少量大。能够有效减小机动车用部件的重量。与此相反，比较材料D，E，F，和G与现有材料H相比在冲击开始时具有一较低的弯曲斥力，并且重量减轻。也就是说，D具有一高于1.5t的R1，E具有一小于1.1t的tR，F具有一小抗拉强度—全都在本发明的范围之外。材料G的断面硬度的最大值和最小值与断面硬度平均值之间的差值为33.8％。这远高于本发明的小于30％。在大断面硬度部分处，延性显著减弱，而脆性断裂变得更容易。当用连续轧制法利用一电阻焊接的钢管或其它圆钢管生产一矩形管时，因为焊接时留下焊缝，因此超过本发明的30％。另一方面，通过拉制法利用材料C制成的一部件是通过生产一圆形钢管获得的，然后对它进行热处理以使焊缝和基底金属的材质均一化，这样断面硬度的最大值和最小值与断面硬度平均值之间的差值变成10.5％或者在本发明的30％之内。
表2示出具有不同侧边厚度的机动车用强度部件。表2中所示的在冲击弯曲试验中机动车用强度部件的弯曲输入方向平行于厚度为t2的侧边。在此，比较用于具有均匀侧边厚度的矩形管(no.7)的冲击开始时弯曲斥力上升率与重量比。本发明各示例中的材料1，2和3与比较材料7相比，在冲击开始时具有较高的弯曲斥力，并具有与材料7基本相同的重量。与此相反，比较材料4和5重量略有增加，但冲击开始时的弯曲斥力与材料7相比没有那么高。比较材料6在冲击开始时显示出一极高的弯曲斥力，但具有一大的厚度t2并且重量变得太重，因此不是优选的。
表1
符号                         部件断面形状 拉抗强度(MPa) 断面硬度的最大值和最小值与断面硬度平均值的差值(％) 生产方法 冲击开始时的弯曲斥力的上升率(％) 重量比(％) 类别
外侧拐角R1(mm) 内侧拐角R2(mm) 拐角厚度tR(mm) 侧边厚度t(mm) 尺寸D(mm)
A     3.0     0.5     3.4   3.0     23     850     11.0 拉制     31.9   -1.6 本发明
B     2.5     0.3     2.2   2.0     30     850     10.0 拉制     15.4   -7.4 本发明
C     3.0     0.5     3.4   3.0     17     850     10.5 轧制     5.6   -32.1 本发明
D     3.5     1.0     2.5   2.0     30     850     10.0 拉制     1.6   -9.2 比较例
E     2.5     0.5     2.0   2.0     30     850     10.5 拉制     4.4   -7.3 比较例
F     3.0     0.5     3.4   3.0     23     590     9.5 拉制     4.4   -1.6 比较例
G     3.0     1.0     2.0   2.0     30     850     33.8 轧制     1.1   +8.1 比较例
H 圆管(Φ35.0×t2.3mm) 1470 10.0 轧制+淬火 0 0 现有技术
表2
编号                       部件断面形状 生产方法 冲击开始时的弯曲斥力的上升率(％)   重量比(％)   类别
  侧边厚度t1(mm)   侧边厚度t2(mm) t1/t2   外侧拐角R1(mm)   尺寸D(mm)
1     1.80     2.20   0.82     3.0     30 拉制     8.5     0 本发明
2     2.00     2.40   0.83     3.0     30 拉制     13.0     9.6 本发明
3     2.00     2.20   0.91     3.0     30 拉制     10.0     4.8 本发明
4     2.00     2.05   0.98     3.0     30 拉制     1.5     1.2 比较例
5     2.00     3.00   0.67     5.0     30 拉制     4.5     20.2 比较例
6     2.00     4.50   0.44     3.0     30 拉制     35.0     60.1 比较例
7     2.00     2.00   1.00     3.0     30 轧制     0     0 比较例
按照本发明，能够提供一种机动车用强度部件，所述机动车用强度部件具有一种在冲击开始时产生一高弯曲斥力的断面形状，并且本发明能够降低生产成本和减轻重量，且能够实现安全性的改善和机动车成本的降低。
尽管已经参照为举例说明起见而选定的具体实施例说明了本发明，但是很显然，在不脱离本发明的基本思想和范围的情况下，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改。

Claims (4)

1.一种机动车用强度部件，它由一具有一正方形断面的矩形钢管构成，同时满足下列关系式(1)-(3)，并在抗拉强度方面具有至少690MPa的强度：
R1≤1.5t    (1)
tR≥1.1t    (2)
R1≥R2      (3)
其中，t：侧边厚度(mm)
      tR：拐角厚度(mm)
      R1：外侧拐角R(mm)
      R2：内侧拐角R(mm)
2.如权利要求1所述的机动车用强度部件，其特征在于，在所述矩形钢管断面处的硬度的一最大值和一最小值都在整个断面平均值的±30％之内的范围内。
3.一种机动车用强度部件，它由一具有一正方形断面的矩形管构成，同时满足关系式(4)和(5)：
0.50≤t1/t2≤0.95      (4)
R1≤1.5t2......        (5)
其中，t1：一对面对侧边的厚度(mm)
      t2：另一对面对侧边的厚度(mm)
      R1：外侧拐角R(mm)
4.一种机动车用结构部件，它由一具有一正方形断面的矩形管构成，所述机动车用结构部件用于如权利要求3所述的一种机动车用强度部件并且被设置成厚度为t2的侧边与弯曲输入方向一致。
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