JP2009274571A - 自動車フレーム部材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の板要素a1〜a8(b1〜b4、c1〜c6、d1〜d4)で構成される自動車フレーム部材(1,7,11,16)において、少なくとも1つの板要素a1〜a8(b1〜b4、c1〜c6、d1〜d4)が、面内弾性異方性を有する板材で構成されることにより、材長方向の弾性局部座屈強度が強化されたことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
AISI, Automotive Steel Design Manual、p.3.1-13、1998 自動車技術会論文集、vol.7、p.60、1974
本発明は、これらの現状に鑑み開発されたもので、従来の自動車フレーム部材の形状に特別の工夫を施すことなく、板厚・重量が同一の場合では弾性座屈強度向上させ、板厚、重量が減少しても、弾性座屈強度が低下しない自動車フレーム部材を提供するものである。
また第2発明では、第1発明の自動車フレーム部材において、面内弾性異方性を有する板材は、面内でヤング率が最大となる軸(弾性主軸という)を有し、この弾性主軸に沿う方向のヤング率が215GPa(=kN/mm2)超290GPa以下である高ヤング率鋼板で構成され、前記弾性主軸が前記板要素の材長方向に対して角度をもって配置されることを特徴とする。
また、第3発明では、第2発明の自動車フレーム部材において、弾性主軸は、鋼材圧延方向と30°以上60°以下に配置されることを特徴とする。
図1(a)は、自動車フレーム部材のうち自動車の前後方向に配置される部材の代表例として、サイドシル1の断面形状を示している。ここに例示するサイドシル1は、略断面ハット形部材2,3の2つの部品をもって、板状部材4の1つの部品を挟み込むように組み合わせ、略断面ハット形部材2,3の各接合用フランジ5,6および板状部材4の両端部において、溶接等の固着手段により一体化されることで、8枚の板要素a1〜a8からなる閉鎖的な断面形状を有している。
E0 = 223.7 GPa
E45= 205.2 GPa
E90= 242.5 GPa
ν0= 0.27
この材料AにおけるL方向を基点とした回転角度(配向角という)とヤング率との詳細な関係は図3(a)に示すとおりであり、同図から、この材料Aにおいて鋼板面内でヤング率が最大となる軸、すなわち弾性主軸はC方向に存在することを確認できる。
なお、長方形板要素a6´の長辺方向Xを、弾性主軸から30°以下60°以上の範囲に配置した場合においては、長方形板要素a6´の弾性局部座屈強度σPAは、一般的な異方性が殆ど無い鋼材における弾性座屈強度σPO(74.1MPa)と対比して10%以上大きくなることが困難であり、自動車フレーム部材を設計する上で効果的に活用することができなくなるので、好ましくない。
τi=8.46×10−9・exp{43800/R/Ti} ・・(7)
E0 = 173.0 GPa
E45= 285.0 GPa
E90= 240.0 GPa
ν0= 0.27
この材料BにおけるL方向を基点とした回転角度(配向角)と弾性係数(ヤング率)との詳細な関係は図4(a)に示すとおりである。また、この材料Bの弾性主軸21はL方向に対して約55°の角度のなす方向に存在する。図5(b)は、この弾性主軸21と、L方向、D方向、C方向との関係を模式的に示すものであるが、材料Bの場合では、2本の弾性主軸21が対称に存在することになる。
本発明を、サイドシルを対象に実施した例を説明する。
図中のa1〜a4の記号で示す板要素の板厚は1.4mmであり、a5〜a8の記号を付けて示す板要素の板厚は1.2mmである。
これら板要素a1〜a8全てを、圧延方向(以下L方向とよぶ)ヤング率が223.7GPa、圧延直交方向(以下C方向とよぶ)ヤング率が242.5GPa、圧延方向から45°の方向(以下D方向とよぶ)ヤング率が205.2GPa、またL方向に対するC方向のポアソン比が0.27となる面内弾性異方性を有する鋼板により構成した例である。
この鋼板の弾性主軸はC方向に重なるように存在しているが、この弾性主軸に対して45°の方向、すなわちD方向と、図6(a)に図示するフレーム部材(サイドシル1)の材長方向とがほぼ合致するように構成した場合において、同フレーム部材の弾性座屈強度は最大となり、面内弾性異方性が殆ど無くヤング率が205GPa、ポアソン比が0.3の鋼板を用いた場合(以下、従来技術とよぶ)に対し、その強度は12%大きくなる。
特に、幅厚比(板要素の幅に対する板厚の比)が最大となる板要素a7の弾性座屈強度は、49MPaから55MPaへと向上する。
本発明を、クロスメンバーを対象に実施した例を説明する。
図6(b)は、自動車フレーム部材のうち自動車幅方向に配置される部材の代表例となるクロスメンバー7の断面模式図を示したものである。
図中のb1〜b3の記号で示すフレーム部材(クロスメンバー7)の板要素の板厚は1.6mmである。これらの板要素全てを、L方向ヤング率が205GPa、C方向ヤング率が218GPa、D方向ヤング率216GPa、またL方向に対するC方向のポアソン比が0.30となる面内弾性異方性を有する鋼板により構成した例である。
この鋼板の弾性主軸は、L方向を基点に50°回転した方向に存在している。この鋼板のL方向と、図6(b)に図示するフレーム部材の材長方向とがほぼ合致するように構成した場合において、同フレーム部材の弾性座屈強度は最大となり、従来技術に対し、その強度は5%大きくなる。特に幅厚比が大きな板要素b1および板要素b3の弾性座屈強度は、297MPaから311MPa(N/mm2)へと向上する。
この場合、向上分は大きいとは言えないが、鋼板のL方向とフレーム部材の材長方向を合わせることが出来るので、実施例1に示した鋼板よりも長尺のフレーム部材を構成することができる点に大きなメリットがある。
本発明を、センターピラーを対象に実施した例を説明する。
図6(c)は、自動車フレーム部材のうち自動車の上下方向に配置される部材の代表例となるセンターピラー11の断面模式図を示したものである。
図中のc1〜c3の記号で示す板要素の板厚は1.0mmであり、c4〜c6の記号で示す板要素の板厚は1.2mmである。
これらの板要素全てを、L方向ヤング率が218GPa、C方向ヤング率が221GPa、D方向ヤング率235GPa、またL方向に対するC方向のポアソン比が0.29となる面内弾性異方性を有する鋼板により構成した例である。
この鋼板の弾性主軸はD方向と重なるように存在している。この鋼板のL方向と、図6(c)に図示するフレーム部材の材長方向とが合致するように構成した場合において、同フレーム部材の弾性座屈強度は最大となり、従来技術に対し、その強度は11%大きくなる。特に幅厚比が大きな板要素c5の弾性座屈強度は、93MPaから103MPaへと向上する。
本発明を、フロントサイドメンバーを対象に実施した例を説明する。
図6(d)は、自動車フレーム部材のうち、衝突時のエネルギ吸収の役割を担う部材の代表例となるフロントサイドメンバー16の断面模式図を示したものである。
図中のd1〜d2の記号で示す板要素の板厚は1.2mmである。これらの板要素全てを、L方向ヤング率が173GPa、C方向ヤング率が240GPa、D方向ヤング率285GPa、またL方向に対するC方向のポアソン比が0.26となる面内弾性異方性を有する鋼板により構成した例である。
この鋼材の弾性主軸はL方向を基点に55°回転した方向に存在している。この鋼板のL方向と、図6(d)に図示するフレーム部材(フロントサイドメンバー16)の材長方向とがほぼ合致するように構成した場合において、同フレーム部材の弾性座屈強度は最大となり、従来技術に対し、その強度は28%大きくなる。特に幅厚比が大きな板要素d2および板要素d4の弾性座屈強度は、107MPaから137MPaへと向上する。
この弾性座屈向上効果を、フレーム部材の板厚削減効果へと振り向ければ、図6(d)に示すフレーム部材においては、従来技術に対して約12%削減することができる。
このように特徴づけられる弾性主軸に沿う方向のヤング率の値が大きいほど、板要素の弾性座屈強度、ひいては自動車フレーム部材(1,7,11,16)の材長方向の弾性局部座屈強度をより大きくできる可能性がある。鋼板の場合では、ヤング率の理論上の最大値は約290GPaとなることが知られている(桑村仁、鋼構造の性能と設計、共立出版株式会社、2002)が、この値に及ばなくても設計上のメリットは十分に享受できる。たとえば、上述の実施例2に示すように、弾性主軸に沿う方向のヤング率が216GPaの場合の弾性局部座屈強度は、異方性が殆どない鋼板に対し5%程度高くすることができ、設計上のメリットとして評価できる範囲に及ぶ。
この基準値は、異方性のある鉄の結晶粒の方位が偏ることなく配列したときの安定的な状態に基づき定められたものであるが、実際にはこの値に対して±5%程度の偏りが存在することになる。
そのため、通常の鋼板のヤング率は195GPa以上215GPa以下の範囲の値にあると一般に考えられている。すなわち、通常の鋼材のヤング率は、基準値の205GPaを超えることはあっても、215GPaを超えることはないといえる。
これら鋼板のヤング率の測定はJISZ2280に準拠した常温での横共振法、あるいは静的引張試験法に基づき実施してよい。
ED=0.946×(l/h)3×m/w×f2
ここで、ED:動的ヤング率(N/m2)、l:試験片の長さ(m)、h:試験片の厚さ(m)、m:質量(kg)、w:試験片の幅(m)、f:横共振法の一次共振振動数 (s−1)、である。
また、静的引張ヤング率試験法では、JISZ2201に準拠した引張試験片を用いて、素材降伏強度の1/2に相当する引張応力レベルまで5回繰り返し引張力を加え、測定した応力−ひずみ線図の傾きに基づき算出する。
測定のバラツキを排除するため、5回の計測結果のうちの最大値および最小値を除いた3つの計測値の平均値として算出した値を鋼板のヤング率とするのが一般的である。
これらの測定法により測定したヤング率が215GPa超290GPa以下であることが確認された鋼板を用いれば、鋼板の材料組成のいかんによらず同等の効果が得られる。
a6´ 長方形板要素
b1〜b4 板要素
c1〜c6 板要素
d1〜d4 板要素
1 サイドシル
2 略断面ハット形部材
3 略断面ハット形部材
4 板状部材
5 接合用フランジ
6 接合用フランジ
7 クロスメンバー
8 略断面ハット形部材
9 接合用フランジ
10 床板
11 センターピラー
12 略断面ハット形部材
13 略断面ハット形部材
14 接合用フランジ
15 接合用フランジ
16 フロントサイドメンバー
17 略断面ハット形部材
18 板状部材
19 接合用フランジ
20 接合用フランジ
21 弾性主軸
Claims (3)
- 複数の板要素で構成される自動車フレーム部材において、少なくとも1つの板要素が、面内弾性異方性を有する板材で構成されることにより、材長方向の弾性局部座屈強度が強化されたことを特徴とする自動車フレーム部材。
- 面内弾性異方性を有する板材は、面内でヤング率が最大となる軸(弾性主軸という。)を有し、この弾性主軸に沿う方向のヤング率が215GPa超290GPa以下である高ヤング率鋼板で構成され、前記弾性主軸は前記板要素の材長方向に対して角度をもって配置されることを特徴とする請求項1記載の自動車フレーム部材。
- 弾性主軸は、鋼材圧延方向と30°以上60°以下の角度をもって配置されることを特徴とする請求項2記載の自動車フレーム部材。
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