JP2004338711A - 中空複合部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 閉断面形状の押出形材を製造するときに問題となる押出速度の低下、材料選択上の制限、冷却の不均一等の問題がなく、曲げ変形を受けたときに吸収し得るエネルギー量が多く安全部材として好適な中空部材、例えば車両用のドアビームや建築構造用の梁部材を得る。
【解決手段】 開断面（溝形）のアルミニウム押出形材１１、１２をスライド嵌合させ、両形材の間に中空閉断面が構成された中空複合部材を得る。中空複合部材の長さ方向の中間に曲げ荷重が加わった場合に曲げの内側になる側（例えば形材１１）を高強度材とし、曲げの外側になる側（形材１２）を高延性材とする。曲げの外側になる側の割れを遅らせることができ、エネルギー吸収量を稼ぐことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は複数の金属製形材が互いに嵌合して形成され、例えば車両のドアビーム等に好適に使用される中空複合部材に関する。

車両には、安全対策の一貫として、衝突時の衝撃から乗員を保護する各種の緩衝部材が装着されているが、近年自動車用の緩衝部材として、例えば側面からの衝突の衝撃から乗員を保護するため、ドア内部に補強用の横梁（ドアビーム）が装着されるようになってきた。ドアビームは主にドアの内側への障害物の侵入を極力防止しようというもので、高剛性で衝突時のエネルギを吸収する能力の高いことが要求され、軽量化の要請もあり、一般的にはアルミニウム合金の中空押出形材が適用されている。

このような中空押出形材は、例えば、図７に示すように、部材長に切断した後、この押出形材４の両端に鉄製のブラケット５を固定し、ブラケット５を介してボルト６によりドアへ装着する。あるいは、図８に示すように、部材長に切断した後（図８（ａ））、両端部を斜めに切断し（図８（ｂ））、次いで一方のフランジ部にボルト穴を形成し、ドアへ装着する。

しかし、従来の閉断面の中空部を有するアルミニウム押出形材をドアビームとして適用する際には、一般に次のような問題点がある。
（ア）閉断面形状は押出抵抗が大きいため、押出速度が遅く、生産性に劣る。また、押出抵抗が大きいため、７０７５（超々ジュラルミン）などの高強度合金による製造が難しく、合金選択の幅が限定される。断面形状がより複雑になれば、さらにこの傾向は強まる。
（イ）押出材として熱処理型のアルミニウム合金を用いる場合、焼入れを必要とするが、閉断面形状であることから焼入れ時の冷却速度に違いが生じやすく、そのため、断面を構成する部位により材料強度のバラツキがでる。強度のバラツキが大きくなると元々設定した材料特性と異なることになり、当然所定の性能を得ることができないため、歩留りは悪くなる。特に軽量化のため高強度材を使用して薄肉としたものや水冷により焼きを入れるもの、あるいは断面形状がより複雑なものでは、その傾向が強まる。

（ウ）ドアビームのドアへの装着を、図７に示すようなブラケット方式で行う場合、部品点数が多くなり、ブラケット５の加工も必要であるので製造工程が多くなり、それがドアビームのトータルコストを押し上げる。一方、図７に示すような切断方式で行う場合、斜め切断の工程が必要であり、また、ブラケット方式に比べドア側との接地面積が少なく、十分な取付強度が得られない場合がある。

なお、２つの形材を嵌合し、両者の間に閉断面部を構成した中空複合部材が下記特許文献１〜４に記載されている。

実開昭６２−１１８６２８号公報 実開昭５４−１０９２２２号公報 実開昭５７−１３４９１９号公報 特開平７−２３２５５３号公報

以上、従来の閉断面押出形材の問題点をドアビームを例に挙げて説明したが、これらの問題点は、閉断面の押出形材を製造する場合、及びその押出形材を何らかの構造部材として適用する場合に共通する問題点でもある。
すなわち、本発明は、例えばドアビーム等に適用される閉断面の押出形材に共通する上記問題点を解決するためになされたもので、より具体的には、閉断面形状の押出形材を製造するときに問題となる押出速度の低下、材料選択上の制限、冷却の不均一等の問題がない閉断面形状部材を得ることを目的とする。また、例えば構造部材として使用する際、他の部材への取り付けのための工程が従来より少なくてすみ、必要に応じて十分な取り付け強度を確保できる閉断面形状部材を得ることを目的とする。

本発明は、複数の金属製形材が断面の少なくとも２箇所で長手方向に沿って嵌合し、かつ嵌合した金属製形材同士の間に長手方向に沿って中空閉断面が構成されていることを特徴とする中空複合部材に関する。ここで、金属製形材とは、アルミニウム又はアルミニウム合金やその他の金属の押出形材のほか、圧延又は折り曲げにより製造した形材も含む。また、本発明でいう嵌合とは、後述するばね嵌合又はスライド嵌合を意味する。

本発明に係る中空複合部材では、閉断面形状の押出形材を製造するときに問題となる押出速度の低下、材料選択上の制限、冷却の不均一等の問題が解決される。また、これを構造部材として使用する際、例えばいずれかの形材を長尺としておけば、これを他の部材への取付部として利用でき、特に開断面の長尺の形材の長尺部分を押し広げてこれを取付部とすれば、十分な取付強度を確保できる。
さらに、本発明に係る中空複合部材は、中空閉断面の内側に樹脂を設けることも容易であるし、嵌合する複数の形材の材質を変えることで、異なる特性を合わせ持った疑似クラッド材とすることができる。

上記中空複合部材を構成する複数の形材は、嵌合したとき形材同士の間に長手方向に沿って中空閉断面が構成される限りにおいて、閉断面部を有する形材でも、開断面の形材（閉断面部を有さない形材）でもあり得る。それぞれの形材は、例えば、互いに対向する複数のリブを有し、その先端部で互いに嵌合し、その間に中空閉断面を構成する。これらのリブは、好ましくは想定される荷重の方向に平行とされ、スライド嵌合の場合、それぞれの形材の互いに嵌合するリブは断面でみて同一直線上に設けられるのが望ましい（断面でみて左右にずれていると、荷重を受けたときモーメントがかかり弱い）。

図１は、このような中空複合部材の典型例を模式的に示したもので、それぞれフランジ部とそれに垂直な一対のリブからなり溝形の開断面を有する２つの金属製押出形材（１、２）、（１１、１２）が、互いに凹部側を相手側に向け、凹部の両側のリブの先端部で長手方向に沿って嵌合しており、両形材の間には長手方向に沿って、図に示すとおりの中空閉断面が構成されている。

図１（ａ）は両形材１、２がばね嵌合している例である。ばね嵌合は、剛性の弱いばね側を弾性変形させることによって嵌合したもので、はまった状態では両形材のリブの先端部が弾性的な付勢力により係合し、形材の長手方向にもそれに垂直方向にも簡単には動かない。
図１（ｂ）は両形材１１、１２がスライド嵌合している例であり、形材の長手方向からスライドさせて嵌合させることができる。スライド嵌合は長手方向に垂直な方向には係止され、また、ばね嵌合に比べて剛性が強いが、嵌合した後も長手方向には拘束されていないので、両形材が長手方向にずれないようにするためには何らかの拘束手段（例えば、溶接）が必要である。この例では、想定される荷重方向は図において上下方向であり、両形材のリブ１１ａ、１２ａは、荷重方向に平行で、かつ断面でみて同一直線状にある。

図２は、一方の金属製押出形材２１が一部に中空閉断面部２１ａを含む例であり、押出形材２１の溝形の開断面部２１ｂの凹部側と他方の押出形材２２の凹部側が互いに相手側に向き、凹部の両側のリブの先端部で形材の長手方向に沿ってスライド嵌合しており、両形材の間には長手方向に沿って、図に示すとおりの中空閉断面が構成されている。

図１の例では、中空複合部材を構成する２つの押出形材はいずれも溝型の開断面であり、両者が嵌合することで、疑似口型をなす閉断面の中空複合部材が形成される。開断面の形材は押出が容易であり、このような口型閉断面の中空押出形材を従来どおり一体ものとして製造する場合に比べ、高い押出速度が実現され、材料選択上の制限も少なく、冷却の均一性も確保される。
また、図２の例では、中空複合部材を構成する２つの押出形材のうち一方は閉断面部を有し、両者が嵌合することで、２つの閉断面部を有する中空複合部材が形成される。この場合も、２つの閉断面部を有する中空押出形材を従来どおり一体ものとして製造する場合に比べ、押出が容易である。

本発明に係る中空複合部材では、嵌合した金属製形材同士の間に長手方向に沿って構成された中空閉断面の内側に、必要に応じて樹脂を設けることができる。例えば嵌合前のいずれか一方又は双方の形材の凹部（凹部は図１又は図２参照）に樹脂を貼り付け、そのまま両形材を嵌合させる。従来の中空押出形材では、狭い中空部内側に樹脂を貼り付ける等は困難であるが、本発明に係る中空複合部材では容易になし得る。樹脂としてＦＲＰなどの補強用樹脂を貼り付ければ、その分形材を薄肉化することで軽量化が図れ、そのほか、制振、断熱、防音等、目的に応じた樹脂を適宜貼り付けることができる。

本発明に係る中空複合部材では、複数の金属製形材のいずれかが他の金属製形材より長尺であると、この長尺部分を他の部材に対する取付部として利用できる。特に開断面の形材の場合、長尺の形材の一方又は両方の長尺部分を押し広げると、平らで広い接合面積を確保でき、取り付け強度を向上させることができ、さらに、特にスライド嵌合の場合は、押し広げられた部分が他の形材の長手方向のスライドを防止し、溶接等の固定手段が不要となる。

図３は、本発明に係る中空複合部材をドアビームに適用し、両側の長尺部分を押し広げた例である。このドアビームは、図１（ｂ）で説明したものと本質的に同じ断面形状の２つのアルミニウム押出形材３１、３２からなり、一方の形材３２が他方の形材３１より長尺で、一方の形材３２の他方の形材３１より長く延びた部分（長尺部分）が両側に押し広げられ、両端部では平らにされている。図４は、このドアビームをドアフレームに取り付けた様子を示す。なお、本発明のドアビームは、前面からの耐衝突性をもたせる必要があるトラック用ドアビームとしても利用できる。

このように長尺部分を押し広げることで、溶接の場合は広い溶接接合面積が確保でき、ボルトやリベット等で接合する場合は、ボルトやリベットの数を増やしたり、ボルト穴同士の間隔を広くしてボルト穴周りの応力集中を緩和することができる。同時に、押し広げられた長尺部分によって他方の形材３１の長手方向へのスライドが止められ、両形材３１、３２は互いに固定される。

なお、特開平５−２７０２６３号公報に、外向き凸条を有する長尺のビーム本体の外周に内向き凹条を有する短尺の補強材を嵌合し、ドアビームを形成することが記載されている。しかし、この公報の発明には、中空閉断面のドアビームを２つの開断面の形材を嵌合することで得るという技術思想は含まれていない。従って、この公報の発明は押出形材に関する前記従来技術の問題点を何ら解決するものではない。また、この公報の発明では、長尺形材の外面と短尺形材の内面がほぼぴったり嵌合しているので、断面係数を増加させて曲げ荷重に対する抵抗力を向上させるためには大きな重量増を伴うが、本発明では、はるかに効率的に断面係数を増加させることができる。さらに、上記公報のドアビームでは、長尺の形材は閉断面であり、長尺部分を押し広げてこれを取り付け部に利用するようなことは不可能である。

また、図３の例では、長尺側の形材３２の下側コーナー部を角部としたが、図５に示す例では、長尺側の溝形形材３２’の下側コーナー部に適当なＲ（丸み）を付けることにより、長尺部を押し広げて平らに成形するときの成形性が向上し、フラット（平ら）性のよい取付部を得ることができる。

これまでの説明では、本発明に係る中空複合部材を構成する複数の形材は、それぞれ１つの形材からなるもの（つまり、複数の形材の１つ１つ、例えば形材３１と形材３２はそれぞれが一本の形材である）であったが、これを必要に応じて複数の任意の断面形状の形材（ただし、嵌合部は同一形状）を組み合わせて構成することができる。いいかえれば、中空複合部材を構成する１つの形材に、その嵌合部を共用する複数の形材を嵌合させるということである。

これにより、何らかの付加機能をもたせることができる。
例えば図６は、図３と同じようなドアビームの例であるが、長尺側の形材４２が図３の形材３２と同じ形状の一本の形材からなるのに対し、短尺側が３つの形材４１ａ、４１ｂ、４１ａ（４１ａは図３の形材３１と同じ断面形状）からなり、いずれも長尺側の形材４２にスライド嵌合している。短尺側の形材４１ｂは、両側の短尺側形材４１ａが形材４２の押し広げられた長尺部分により固定されているので、固定のための溶接等は不要である。この形材４１ｂの左右に延長したプレート部分は、例えば、ワイヤーハーネス、ウインドウレギュレータ、オートロック装置等のドア内部品を取り付けるためのブラケットとして利用できる。むろん、形材４１ａや４１ｂの形状は、車種やドア厚み、目的等に応じて任意に変更できる。

本発明に係る中空複合部材では、複数の金属製形材のうちいずれかの形材の材質を他の形材の材質と異ならせることも自在にできる。例えば、材質の異なるアルミニウム合金の組み合せでもよいし、アルミニウム合金と他の金属との組み合せでもよい。この材質には、ヤング率や材料組織のほか、調質や成分によって変えることのできる種々の特性が含まれることはいうまでもない。こうすることで、異なる特性を合わせ持った中空複合部材（疑似クラッド材的な意味合いを持つ）を得ることができる。
また、その変形例として、中空複合部材を構成する１つの形材に、その嵌合部を共用する複数の形材を嵌合させる場合（段落００１９参照）において、該複数の形材の材質を互いに異ならせるという適用の仕方も考えられる。

形材の材質を変える１つの例として、例えば図１（ｂ）に示す断面形状の中空複合部材を建築構造材としての梁部材に適用した場合、梁部材の両端部が支持され中央に上から曲げ荷重がかかるとすれば、圧縮力がかかる上側（曲げの内側）に高強度材、引張力がかかる下側（曲げの外側）に高延性材を使用すると、曲げを受けたときの外側の割れを遅らせることができ、その結果、安全部材として必要なエネルギー吸収量を稼ぐことができる。

また、他の例として、溶接性に優れた形材と耐食性に優れた形材を組み合せ、溶接性に優れた形材を内側に向けて他の部材に対し溶接により固定し、耐食性に優れた形材を外的環境にさらされる外側に向けるということも考えられる。
さらに、例えば同じアルミニウム合金であっても、ヤング率の異なる材料からなる形材を組み合わせることで、断面の中立軸を材料面からコントロールすることも可能となり、具体的には、例えば中立軸を断面中央より引張側に近い方に偏らせれば、同じ曲率の曲げがかかったとしたとき、中立軸が断面中央にある場合に比べ、引張側の応力及び歪の負荷を軽減して割れを抑えることができる。

本発明に係る中空複合部材は、通常の押出形材と同様に、これを曲げ加工用部材として各種用途に利用することもできる。この場合、嵌合部は曲げの中立軸上にもってくることが望ましい。これは、曲げの中立軸上では、理論上、圧縮、引っ張りの応力や歪がゼロであり、嵌合部によけいな負荷がかからず、嵌合部が外れにくいためである。
また、圧縮力がかかる曲げの内側に高強度材、引張力がかかる曲げの外側に高延性材を使用すると、曲げを受けたときの外側の割れを遅らせることができ、その結果、曲げ加工性が向上し、より小さいＲで曲げることができるようになる。

本発明に係る中空複合部材の断面の模式図であり、それぞれ、ばね嵌合（ａ）、スライド嵌合（ｂ）を示す。 同じく、本発明に係る中空複合部材の断面の模式図である。 本発明を車両のドアビームに適用した例である。 その取付状態を示す図である。 本発明に係るドアビームの他の例を示す図である。 本発明に係るドアビームの他の例を示す図である。 従来のドアビームの装着工程を説明する図である。 同じく、従来のドアビームの装着工程を説明する図である。

符号の説明

１、２、１１、１２、２２ 開断面の押出形材
１１ａ、１１ｂ 押出形材のリブ
２１ 閉断面部を有する押出形材
２１ａ 中空閉断面部
２２ｂ 溝形の開断面部
３１、４１ａ、４１ｂ ドアビームの短尺側の押出形材
３２、４２ ドアビームの長尺側の押出形材

Claims (7)

1. 複数の金属製形材が断面の少なくとも２箇所で長手方向に沿って嵌合し、かつ嵌合した金属製形材同士の間に長手方向に沿って中空閉断面が構成された中空複合部材において、中央に曲げ荷重が加わった場合に曲げの内側になる側の金属製形材をより高強度材とし、曲げの外側になる側の金属製形材をより高延性材としたことを特徴とする中空複合部材。
2. それぞれの金属製形材が互いに対向する複数のリブを有し、それらのリブの先端部で互いに嵌合することを特徴とする請求項１に記載された中空複合部材。
3. 上記中空閉断面の内部に樹脂が設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載された中空複合部材。
4. 車両用構造部材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された中空複合部材。
5. ドアビームであることを特徴とする請求項４に記載された中空複合部材。
6. 曲げ加工用部材であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載された中空複合部材。
7. １個の長尺の金属製形材に複数個の短尺の金属製形材が断面の少なくとも２箇所で長手方向に沿って嵌合し、かつ嵌合した金属製形材同士の間に長手方向に沿って中空閉断面が構成され、前記複数個の短尺の金属製形材のいずれかが他とは異なる断面形状を有し、その金属製形材がドア内部品を取り付けるためのブラケット部分を備えることを特徴とするドアビーム。

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