JP2005231574A - 自動車用構造部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の断面形状の金属管と比べて高い曲げ強度と吸収エネルギー特性を有し、従来のものよりも軽量な自動車用構造部材を提供する。
【解決手段】 横断面の外郭がほぼ台形状を示し、台形の短辺部に内向きの湾曲縁辺部ｃ〜ｃ’，ｄ〜ｄ’が相対向して形成されるとともに、該湾曲縁辺部から連続して延びた袋部ｅが台形内にその長辺部ｂに対向して形成された異形管からなる自動車用構造部材。
本件構造部材が前記断面台形の短辺側で荷重を受けるように配置され、荷重を受けて変形するとき、袋部ｅの先端ａが台形の長辺部ｂに当接し、さらに湾曲縁辺部の先端ｃ’，ｄ’が互いに当接して、変形を抑制し、曲げ強度を高くするとともに吸収エネルギーを増加させる。したがって、肉厚の薄い軽量品でも従来品以上の吸収エネルギー特性を有する自動車用構造部材が提供される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、優れた曲げ強度と吸収エネルギー特性を有する自動車用構造部材に関する。

従来から、自動車の側面衝突時のエネルギーを吸収して運転者や同乗者の安全を確保するために、ドア補強部材であるドアインパクトビームやピラー補強材として吸収エネルギー特性に優れた鋼製の構造部材が広く使用されている。バンパーにも同様の構造部材が用いられている。鋼板をプレス成形したものも使用されているが、適宜長さに切断された鋼管が用いられる場合が多い。
特に、ドアインパクトビームには、衝突時の安全性を確保するとともに軽量化を図るために、引張強さが１４００Ｎ／ｍｍ²以上の超高張力鋼管が用いられている。

自動車構造部材の軽量化のためには、肉厚の薄い材料を使用するか、断面積を小さくするか、あるいは軽量な材質に変更するか、等が考えられるが、断面積を小さくしたり、軽量な材質に変更したりすることで軽量化を図ると、吸収エネルギー特性が低下してしまう。このため、現実には設計段階で材料の強度向上と薄肉化を同時に検討している。
ところが、材料強度を向上させて薄肉化しても、薄肉化のために曲げ強度が低下するために局部的な変形や座屈が起きやすく、吸収エネルギー特性は向上しない。

そこで、曲げ強度を高め、局部的な変形や座屈を抑制して吸収エネルギー特性をより高めるために、断面形状が円形でなく、異形形状にした構造部材も提案されている。
例えば、特許文献１では、図１の（ａ）に示すような、ほぼ円形管の一部に対向する内向きの彎曲縁辺部を形成し、この両彎曲縁辺部と連続一体化して管内に凹部を形成した断面形状（以下、「ターンナップ形状」と称す。）としたドア補強材が提案されている。また、特許文献２では、図１の（ｂ）に示すような、断面形状を縦長の楕円形状（以下、「オーバル形状」と称す。）とした自動車用構造部材が提案されている。

特開平１１−２７８０５５号公報 特開２００２−２４８９４１号公報

一方で、自動車の燃費向上のために、自動車構成部材のより軽量化が求められており、補強用の構造部材にもより薄肉のものが要求されている。薄肉化すると、上記のように吸収エネルギーが低下するために、従来の円形管や、上記特許文献で提案された断面形状を有する異形管では、単純に高強度薄肉化対応のみで、吸収エネルギー特性を向上させることには限界があった。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、自動車衝突時、特に側面衝突時において、従来の断面形状の金属管よりも高い曲げ強度と吸収エネルギー特性を有し、しかも従来のものよりも軽量化を達成することができる、例えばドア補強部材であるドアインパクトビーム，ピラー補強部材、あるいはバンパー補強部材等の自動車用構造部材を提供することを目的とする。

本発明の自動車用構造部材は、その目的を達成するため、横断面の外郭がほぼ台形状を示し、台形の短辺部に内向きの湾曲縁辺部が相対向して形成されるとともに、該湾曲縁辺部から連続して延びた袋部が台形内にその長辺部に対向して形成された異形管からなることを特徴とする。

本発明の自動車用構造部材は、横断面の外郭がほぼ台形状を示し、台形の短辺部に内向きに相対向した湾曲縁辺部とそれに連なる袋部が台形内部に入り込んで台形の長辺部と対向するように形成された異形管で構成されている。このため、特に、前記断面台形の短辺側で荷重を受けるように配置されると、自動車用構造部材の衝撃吸収エネルギーを高めることができ、運転者や同乗者の安全性を高めることが可能である。衝撃吸収エネルギーが高くなるので、自動車用構造部材の薄肉化が可能になって、自動車の軽量化にも寄与することになる。

本発明者等は、自動車用構造部材として、曲げ強度と吸収エネルギー特性が最も高くなる断面形状について種々検討した。
その結果、図２（ａ）に示すように、横断面の外郭がほぼ台形状を示し、台形の短辺部に相対向する内向きの湾曲縁辺部ｃ〜ｃ’，ｄ〜ｄ’が形成されるとともに、該湾曲縁辺部ｃ〜ｃ’，ｄ〜ｄ’から連続して延びた袋部ｅが台形内にその先端ａを台形の長辺部ｂに対向するように形成されたような断面形状を有する異形管を、前記台形の短辺部ｃ，ｄで荷重を受けるように配置すると、曲げ強度や吸収エネルギーが最も高くなることを見出した。

上記のような断面形状を有する異形管が、従来のような断面形状を有する異形管に比べて優位である理由は、次のように考えられる。
図２に示される方向に局部的に曲げ荷重を受けたとき、図２（ａ）に示す断面形状の異形管は図２（ｂ）に示すような断面形状に変形する。まず、受けた荷重は、図に示す台形の長辺部ｂとそれに対向する袋部ｅの先端ａが接触することにより支えられるため、変形し難くなる。次に湾曲縁辺部の先端ｃ’，ｄ’が互いに接触することにより、荷重による異形管の変形を抑制するとともに、ねじれを抑制する。また荷重を受けてｅ部が膨れることによるねじれ抑制作用もある。さらに、台形の長辺部ｂと袋部の先端ａおよび湾曲縁辺部の先端ｃ’，ｄ’が互いに接触して支えあう作用により、図に示す斜辺部ｆおよびｇの荷重方向に対する角度θ１，θ２が小さくなるように変形し、曲げ荷重に対する異形管、すなわち自動車用構造部材の強度および吸収エネルギーを高める作用を発揮する。

これに対して、従来から補強部材等の自動車用構造部材として用いられている円形やオーバル形状のような単純な断面形状、あるいはターンナップ形状の断面形状では、曲げ強度，吸収エネルギーはさほど高くならない。すなわち、真円形状やオーバル形状のような単純な形状では、本発明品のように荷重を台形の長辺部ｂと袋部の先端ａおよび湾曲縁辺部の先端ｃ’，ｄ’が互いに接触して支えるような構造でないために強度が弱く、吸収エネルギーも低い。ターンナップ形状では、上記ａとｂおよびｃ’とｄ’が接触して支えることによる強度向上効果は本発明品と同程度に期待できるが、全体がほぼ円形であるために外周部は横長に扁平しやすく、エネルギーを十分に吸収することは期待できない。
以上のように、本発明品の断面形状では受けた荷重を支える構造であるために強度が高くなり、また変形代が少ないので吸収エネルギーが大きくなっている。
底辺部と斜辺部の角度が小さくなるほど、荷重を支える力が弱く、しかも変形しやすいので吸収エネルギーも低くなるため、底辺部と斜辺部の角度は６０度以上にすることが好ましい。

本発明のような構造部材は、荷重を受ける方向により曲げ変形や吸収エネルギー特性が異なる。このため、曲げ特性が最大限発揮されるように方向性を持たせて配置することが必要になる。本発明の自動車用構造部材では、前記断面台形の短辺側で荷重を受けるように配置されることが好ましい。
なお、本発明者は、断面形状の違いや受ける荷重の方向の違いによって吸収エネルギーにどの程度の差異があるかについて、それぞれ異なった断面形状，荷重方向を変えて、本発明品の有意性を確認した。実施例，比較例として後記している。

ところで、本発明の自動車用構造部材を構成する横断面外郭が台形の異形管は、例えば、複数のロール成形工程を連続的に行うことにより製造される。以下、図３に基づいて説明する。
（ａ）高周波溶接法等で造管された円形管を準備し、（ｂ）異形管の湾曲縁辺部および袋部の周方向長さと、台形部の短辺を除いた周方向長さにほぼ適合するように円弧の半径ならびに角度を設定した大小２種類の凸曲面よりなる断面にロール成形する。（ｃ）その後、前記２種類の凸曲面の内の曲率半径の大きい面の中央表面から円盤状ロールを当て前記曲率半径の大きい面を管の内側に窪ませるようにロール成形する。（ｄ）その後さらに、中央が窪み樋状に湾曲した断面の両側にロールを当て樋状開口部を狭めて管外径を小さくロール成形し，（ｅ），（ｆ）その後に、上下ロールで上下を支えつつ、テーパーロールを用いて斜辺部分を側方から内側に押し込むとともに、下ロールにより底辺部分を押し上げることにより、異形管台形部分の底辺および斜辺を形作る。最後の台形状へのロール成形は、図３の（ｅ），（ｆ）に示すように複数段に分けて行うことが好ましい。
なお、ロール成形法に限らず、複数段に分けたプレス成形法や引抜き成形法でも製造できることは言うまでもない。

次に、自動車用構造部材であるドアインパクトビームを作製した例について説明する。
引張強さ１４７０Ｎ／ｍｍ²以上の１４７０Ｎ級の鋼管、または引張強さ９８０Ｎ／ｍｍ²以上の９８０Ｎ級の鋼管を用い、表１に示すような各種断面形状のドアインパクトビーム材をロール成形した。
なお、ドアインパクトビームの断面寸法としては、自動車ドアへの取り付けスペースに制限があるため、実施例１〜３，比較例４〜７については、幅３１．８ｍｍ，高さ３１．８ｍｍとし、比較例８，９については、幅２３．０ｍｍ，高さ３１．８ｍｍとした。また実施例１〜３の異形台形の底辺と斜辺の角度は７５度とした。また各横断面形状の周長が異なるため，従来材である比較例４の単位長さ当りの重量を基準として、基準よりも同等以下の重量となるように、各ドアインパクトビーム材の板厚を決定した。

成形された各ドアインパクトビーム材を所定長さに裁断し、曲げ評価特性試験を行った。曲げ評価特性試験は、図４に示すように、肩Ｒ１０ｍｍでスパン１０００ｍｍの支点間に試験片を載せ、その長手方向中央部に、Ｒ１００ｍｍで幅４０ｍｍのパンチを３０ｍｍ／ｍｉｎの一定の速度で１５０ｍｍ押し込んだときの吸収エネルギー量で評価を行った。なお、本発明例の異形台形管は、断面台形の短辺側を上にして配置し、短辺側からパンチを押し込んだものである。
その結果を表１に併せて示す。

本発明例１の断面形状のドアインパクトビーム材は、従来材である比較例４の円形の横断面形状や、比較例６のターンナップ形状あるいは比較例８のオーバル形状のドアインパクトビーム材と比較して、同じ材料や同等の重量で、吸収エネルギー特性が優れていた。
また本発明例２のドアインパクトビーム材は、本発明例１のドアインパクトビーム材よりも板厚が薄く、比較例４，６，８のドアインパクトビーム材と比較しても同じ材質で同等以上の吸収エネルギーを有しているので、大幅な軽量化が可能になっている。

さらに、本発明例３のドアインパクトビーム材は、熱処理が不要なため、低コストな材料である９８０Ｎ級の鋼管を用いながら、従来材である比較例４のドアインパクトビーム材と同等の吸収エネルギーを有するため、低コスト化が可能となっている。
なお、比較例５，７，９に示すように、他の断面形状のドアインパクトビーム材では、９８０Ｎ級の鋼管を使用した場合に、従来材である比較例４のドアインパクトビーム材の吸収エネルギーを超えることはできない。

従来の自動車用構造部材の断面形状を説明する図 本発明の自動車用構造部材とその曲げ変形時の断面形状を説明する図 円形管を異形台形管に変形していく過程の断面形状を説明する図 自動車用構造部材の曲げ評価特性試験方法を示す図

Claims (1)

1. 横断面の外郭がほぼ台形状を示し、台形の短辺部に内向きの湾曲縁辺部が相対向して形成されるとともに、該湾曲縁辺部から連続して延びた袋部が台形内にその長辺部に対向して形成された異形管からなることを特徴とする自動車用構造部材。

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