JP2010507532A - 面内一体成形リブを有するb字形ビーム - Google Patents
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Abstract
B字形強化ビームが、縦方向に離間した上部管状形材及び下部管状形材を有するように材料シートから成形され、溝形状リブが各管状形材にわたって前壁の非支持部分の中央に形成されている。リブは前壁を剛性にすると共に安定させるように作用し、B字形ビームの実際の曲げ強度を予想理論値に非常に近くさせる。一形態では、リブは、管状形材の高さの約33%〜50%の縦寸法、及びリブの高さの約50%〜100%の奥行きを有する。リブは材料が2.2mm未満、80KSI以上であり、且つ/又は3:1等の著しい高さ対奥行きの比を有することが特に効果的である。
Description
本発明は、実際の曲げ強度の改善、前壁の安定性及びビーム全体の安定性の改善、コンシステンシー及び衝撃エネルギー吸収体の効率の改善ために、1つ又は複数のリブが管形材(sections)にわたって前壁に一体成形されているB字形ビームに関する。
[関連出願の相互参照]
本願は、米国特許法第119条(e)項に基づき、「B-SHAPED BEAM WITH INTEGRALLY FORMED RIB」と題する第60/862,688号(2006年10月24日に出願)の仮出願の利益を主張する。
本願は、米国特許法第119条(e)項に基づき、「B-SHAPED BEAM WITH INTEGRALLY FORMED RIB」と題する第60/862,688号(2006年10月24日に出願)の仮出願の利益を主張する。
B字形バンパー強化ビーム(以下は「B字形ビーム」と呼ぶ)は、長年にわたって車両パンパーにおいて用いられてきた。例えば、Sturrusの米国特許第5,395,036号を参照すると、B字形ビームの断面は、2つの管を形成する比較的平坦な(flat)壁を有し、この2つの管は、車両取付位置にあるとき、一方が他方の上方に離間している。このB字形ビームが成功している理由の一部として、B字形ビームが車両フレームレール先端に取り付けられるとき、横方向に(horizontally)向いた4つの壁を有しており、この4つの壁が、衝撃の長手方向/横方向において優れた曲げ強度及び耐衝撃性を与えるからである。しかしながら、現代の車両は、バンパー用の「パッケージスペース」が少ない設計となっており、そのように小さな「パッケージスペース」のために、車両のフロント(又はリア)バンパービームのサイズ及び/又は奥行きが制限される場合に、十分なビーム強度及び耐衝撃性を次第に得難くなっている。さらに、本発明者らの試験は、Sturrusの‘036号特許に示されるようなB字形ビームの実際の曲げ強度が、予想される理論上の衝撃強度を、驚くほどはるかに下回っていることを示した。理論上の衝撃強度と実際の衝撃強度との間のこのようなギャップは、比較的薄い(特に、2.2mm〜1.4mm又はそれよりも薄い)壁厚を有するB字形ビームの場合、及び、より高い強度(80KSI、120KSI、又は190KSIさえある引張強度等)の鋼を用いる場合により悪化することになる。なお、B字形ビーム及びバンパーシステムの重量を減らそうとする試みにおいて、より薄い壁及びより高い強度の材料を用いる場合が多い。
この課題への本発明者らの研究によれば、米国で現在生産されており、且つ乗用車に関するB字形状バンパー強化ビームの大半が縦方向に直線的な(vertically-linear)前壁を有しており、その多くが、Sturrusの‘036号特許に示されているのと非常に類似している。「縦方向に直線的な」とは、本発明者らは、B字形ビームの縦方向横断面が、前壁を縦方向且つ直線であるものとして示すことを意味する。なお、本明細書において用いられる「縦方向に直線的な」という語は、細長く真っ直ぐ伸びたビーム又は長手方向にスイープされたビーム(すなわち車両の空気力学的に湾曲したフロントと一致するように湾曲しているビーム)の前壁を含む、B字形ビームの前壁を説明することを意図している。
「従来のB字形ビーム」の前壁が縦方向に直線的なである横断面を有する理由を理解しようとする際、いかなる溝路すなわちリブもB字形ビームの面壁に成形しないのにはいくつかの理由があると当業者は考えていると、本発明者らには思われる。本発明者らは、これを「従来の考え」と呼ぶ。例えば、従来の考えでは、B字形ビームの前壁には安定化は必要とされない。その理由は、主に衝撃強度及びエネルギー吸収を与えるのは、横方向壁であるからである。前壁が何らかの安定化を必要とする点では、従来の考えによれば、縦方向に直線的な前壁の中央領域と係合する中間の2つの横方向壁によって既に安定化していると思われる。さらに、前壁の非支持スパン(すなわち、上部管形材及び下部管形材のフロントを形成する部分)は非常に短いため、(従来の考えに基づき)安定化を必要としない。さらに、従来の考えでは、横方向壁の上縁と下縁との間に直線的に延びる前壁は、前壁が非線形となるように変形されている場合よりも、横方向壁に対してより安定性をもたらすようである。理由は、前壁は主として、横方向壁の前縁を安定させるように作用するためである。(換言すれば、前壁が非線形となるように変形されている場合、前壁は、衝撃の際に線形状態へと「伸張」する可能性があり、そのため、横方向壁の縁が少量移動し、そのため、横方向壁の安定性が少なくなる可能性がある)。さらに、B字形ビームに追加の成形をすると、プロセス数及びコストがかさんでしまう。(従来の考えによれば)本質的には、リブを前壁に成形するこということは、最終製品にいかなる実質的な利益を付加することなく、コスト及びプロセスの複雑性をかさませるであろう。
B字形ビームの前壁を内方に変形しないことについて、より些細な別の理由がある。理論上の曲げモーメント「M」を算出するための工学的/数学的式が、縦方向に直線的な前壁(前壁の材料全てが可能な限り遠くに前進した位置にあり、車両の「パッケージスペース」の制約を与える)が、前壁の一部が可能な限り遠くに前進した位置にない場合よりも大きな曲げモーメント(ひいてはより剛性のあるビーム形材)を与えることを示唆している。換言すれば、前壁が内方溝形状(channel-shaped)リブを有するように変形される場合、B字形ビームの曲げモーメントは減り、B字形ビームの理論上の剛性が減るが、この理由は、前壁の材料の一部がその重心近くに移動するからである。したがって、いくつかの理由から、B字形ビームの前壁の一部の内方に変形させることは、直観的には認識できないことである。
本発明者らは、溝形状「パワー」リブをB字形ビームの前壁の非支持部分に加えることによって、B字形ビームの実際の衝撃強度を劇的に改善し、理論上の衝撃強度値に著しく近づけた。本発明者らは、この改善は劇的であり、全く予期せぬことであり、また、曲げ強度及び衝撃強度が国と保険産業が定めるバンパー試験基準に基づき非常に重要であるバンパー産業にとって非常に価値のあるものであると考える。具体的には、本発明者らの試験によれば、パワーリブ(power rib)を有するB字形ビームは実際の曲げ強度が(パワーリブを有さないB字形ビームに対して)高まっている、すなわち、多くの場合に10%〜20%(この範囲では改善であるとは見なされない)よりも大きくなる。環境によっては、パワーリブを有する本発明のB字形ビームの実際の曲げ強度は、実際の理論値に近似し、このこともまた、本発明者らにとって驚くべきことであるが、その理由は、縦方向に直線的な前壁(Sturrusの‘036号特許を参照)を有するB字形ビームを試験したところ、その理論上の曲げ値の約50%〜60%しか実際の曲げ値を有しなかったからである。驚くべきことに、この改善は多くの場合、重量を増やさずに達成されることができ、さらに、B字形バンパーシステムにおいての代替的な強度材料を用いることができることを明らかにした。この改善は、長年にわたってB字形ビームがバンパー強化ビームとして用いられているため、特に重要且つ驚くべきことであると考えられるが、本発明者らの知る限りではそれらの前壁に溝形状のリブがないままであった。
この劇的な改善により、スタイリング及び機能性における設計柔軟性が高まる。具体的には、等しい強度(又は上回る強度)のB字形ビームを断面サイズがより小さくなるように作製することを可能にする。例えば、これにより、車両設計者は、「より少ないオフセット(lower offset)」(すなわち、バンパーシステムのフロントから車両ヘッドライトまでの距離)を減らすことを可能にし、ゆえに、よりヨーロッパ式の車両(バンパーの「オーバーハング」がさらに短い)を可能にする。このことはまた、所望のビーム強度を維持しつつ、設計者が種々の異なる材料(例えばコストのより低い/強度のより低い材料)を選択することが可能にする。代替的に、より強度のあるB字形ビームを所定の「同じ」バンパーパッケージスペース内に作製することができる。したがって、車両スタイリングを変更せずに且つ車両重量を増加させる可能性なく、既存のバンパーをより強くすることができる。
これは、以下の発見、すなわち、B字形バンパー強化ビームが縦方向に直線的な前壁を有して設計されている場合、当該ビームの前壁が当業者には十分に支持されているように見えたとしても曲げ衝撃の際に局部的に不安定となる、ということに基づいている。したがって、本発明の面リブ(face rib)(複数可)を有するB字形ビームの実際の衝撃強度は、本発明のB字形ビームの各管にわたる縦方向前壁の非支持部分の縦方向スパンが65mm〜40mm又はそれ以下しかない場合であっても従来のフラットな前壁を有するB字形ビームよりも理論衝撃強度にさらに近い。
以下に説明するように、溝形状リブをB字形バンパー強化ビームの管の前壁に組み入れるという本発明の概念により、B字形ビームの実際の測定された衝撃強度が劇的に、驚くべきほどに、且つ予想外に改善され、実際の衝撃強度が理論値にさらに近づく。本発明者らの研究では、このことは約2.2mm未満の厚さのシート材料から作製されるB字形ビームに特に当てはまり、さらには1.4mm〜1.2mm以下の薄さの厚さの場合に当てはまる。80KSI、特に120KSIよりも高い、特に190KSIよりも高い引張強度を有する鋼等の高強度材料の場合にも当てはまる。なお、高強度を維持しつつ軽量化するようにして、シートの厚さを減らすと共にその引張強度を増大させる場合が多い。したがって、より薄いシート材料及びより高い強度材料の双方に役立つ本発明は、「二重に」重要且つ有意義なものであると考えられる。この厚さの減りは、実際の曲げ強度は、前から後にかけての奥行きの寸法が比較的短く断面がより高さがあるB字形ビームに見られ、各管にわたる縦方向の非支持スパンは、約45mm〜60mm以上であり、前から後にかけての奥行きは40mmしかない。本発明の範囲は、2つの管のサイズ及び/又は形状が等しいかどうかにかかわらず、且つ、リブ33が一方の管に含まれているのか又は双方の管に含まれているのかにかかわらず、車両バンパーシステム用の全てのB字形バンパー強化ビームを含むことが意図される。本発明の範囲はまた、ドアビーム、車両フレーム部材、及び実際の曲げ/衝撃強度が重要であると共に曲げ/機能性要件のタイプが車両用フロント/リヤバンパーシステムのタイプが類似する他の状況等、他の環境に有用であろうことが意図される。
本発明の一態様では、車両前端又は後端に取り付けるようになっていると共に材料シートから作製されるバンパー強化ビームは、車両取付位置に配置されると、縦方向に延びる前壁と、2つの縦方向に延びる後壁と、一対の縦方向に離間する中間横方向壁と、上部横方向壁及び下部横方向壁と、後壁に固定されると共に車両に取り付けるようになっている取付用ブラケットとを備える。上部横方向壁及び底部横方向壁を中間横方向壁、前壁、及び後壁と組み合わせて、上部管形材と当該上部管形材から離間した下部管形材とを画定するようになっている。前壁の大部分は縦方向横断面では縦方向に直線的であるが、上部管形材及び下部管形材の少なくとも一つにわたって前壁の非支持部に一体成形される長手方向に延びる溝形状リブを有し、当該リブは、前壁を強化且つ安定させるように作用し、ひいては、曲げ衝撃の際にB字形強化ビームを概ね剛性あるものにすると共にその強度を高めるように作用する。
より狭い形態では、上部管状形材及び下部管状形材はどちらも、内部に長手方向の溝路を有する。さらに別の狭義の形態では、リブは各管の非支持前壁にわたって中央に位置する。さらに別の狭義の形態では、リブ(複数可)は、少なくとも約8mmの奥行き、又はより好ましくは少なくとも約10mm〜15mmの奥行き、及び少なくとも約10mm〜15mmの高さである単一のリブである。
一タイプのB字形ビームでは、管状形材は、その縦寸法の約1.5倍〜2.0倍の奥行き寸法を有し、ビームは、個々の管状形材の高さの約2.2倍〜2.8倍の総縦方向高さを有する。また、リブは、リブの奥行きにほぼ等しいか又は若干大きいリブの高さを有し、このリブの高さは管状形材の高さの約33%〜50%である。
高さ対奥行きの比が高い別のタイプのビームでは、管状形材は、管状形材の奥行きの少なくとも1.5倍の縦寸法を有し、ビームは、管状形材の奥行きの少なくとも3倍の縦方向の全体の高さを有し、溝形状リブは、管状形材の高さの少なくとも約1/2〜1/3である縦寸法を有する。
より狭い形態では、材料シートは約2.2mm以下の厚さ、及び約40KSI以上の引張強度を有する(又はより好ましくは、約1.4mm以下の厚さ、及び80KSI以上の引張強度を有し、又は最も好ましくは、約1.2mm以下の厚さ、及び190KSI以上の引張強度を有する)。
本発明の別の態様では、車両の前端又は後端に取り付けるようになっているバンパー強化ビームは、材料シートから形成されると共に各端に車両取付マウントを有するB字形強化ビームを有し、このB字形強化ビームは、車両取付位置に配置されると、互いに離間していると共に中央ウェブでつながっている上部管形材及び下部管形材をさらに有する。強化ビームは、いくつかの部分が上部管形材及び下部管形材の前部を形成している前壁を有し、前壁部分のそれぞれの大部分は縦方向横断面において縦方向に延びているが、上部管形材及び下部管形材にわたって中央にいくつかの部分に一体成形される長手方向に延びる溝形状リブを有する。
本発明の別の態様では、車両の前端又は後端に取り付けるようになっているB字形バンパー強化ビームを製造する方法は、鋼材料シートを提供するステップと、シートをB字形強化ビームにロール成形するステップであって、当該B字形強化ビームは、車両取付位置に配置されると、中央ウェブによってつながっている上部管形材及び下部管形材を有する、ロール成形するステップとを含む。ビームは、非支持部が上部管形材及び下部管形材の部分を形成する前壁を有するように成形され、当該前壁部分のそれぞれの大部分は縦方向の横断面において縦方向に延びているが、上部管状形材及び下部管状形材にわたって中央に縦方向部分に一体成形される溝形状リブを有する。
本発明のさらに別の態様では、バンパービームは、各端に車両取付マウントを有する細長い強化ビームを含み、当該強化ビームは非直線形状にスイープされている。ビームは、車両取付位置に配置されると、上部管形材及び下部管形材、並びに非支持部分が当該上部管形材及び当該下部管形材の前部を形成する前壁を有し、非支持部分のそれぞれに溝形状リブをさらに有する。
図3並びに図5及び図6の本発明のB字形ビームの特定の外観は、当業者には新規であり、装飾的であり、自明ではないものとも考えられる。
本発明のこれらの及び他の態様、目的、及び特徴は、明細書の以下の記載、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面を検討すれば当業者には理解且つ判断されるであろう。
[従来技術]
Sturrusの米国特許第5,395,036号からの一部である図1は、縦方向に直線的な前壁を有する横断面を有するB字形バンパー強化ビームの例である。図1に示すB字形ビーム200は、中央ウェブ215に溶接された同一平面縁部分(「ウイング」)202、203によって形成される「縦方向に直線的な」前壁201を有する。多くのB字形ビームは前壁全体を形成するひと続きのシート部分を有することに留意されたい。このようなB字形ビームでは、溶接部(複数可)がB字形ビームの別の場所に位置する。Sturrusの‘036号特許におけるB字形ビームは、2つの管205及び206を有する断面を有し、車両取付位置にあると、一方が他方よりもウェブ215の分だけ上に離間し、そのため、4つの壁(213、214、216、217)が前壁から横方向に延び、同一平面壁212A及び212Bが上記2つの管の後部を閉鎖している。SturrusのB字形ビームはスイープされている(すなわち、長手方向に湾曲している)が、多くのB字形ビームは真っ直ぐである(すなわち、長手方向の直線)であることに留意されたい。
Sturrusの米国特許第5,395,036号からの一部である図1は、縦方向に直線的な前壁を有する横断面を有するB字形バンパー強化ビームの例である。図1に示すB字形ビーム200は、中央ウェブ215に溶接された同一平面縁部分(「ウイング」)202、203によって形成される「縦方向に直線的な」前壁201を有する。多くのB字形ビームは前壁全体を形成するひと続きのシート部分を有することに留意されたい。このようなB字形ビームでは、溶接部(複数可)がB字形ビームの別の場所に位置する。Sturrusの‘036号特許におけるB字形ビームは、2つの管205及び206を有する断面を有し、車両取付位置にあると、一方が他方よりもウェブ215の分だけ上に離間し、そのため、4つの壁(213、214、216、217)が前壁から横方向に延び、同一平面壁212A及び212Bが上記2つの管の後部を閉鎖している。SturrusのB字形ビームはスイープされている(すなわち、長手方向に湾曲している)が、多くのB字形ビームは真っ直ぐである(すなわち、長手方向の直線)であることに留意されたい。
当業者には理解されるように、純曲げ状態では、理論上のビームの最大曲げ応力は以下の式:σ=M/Zによって予測され、式中、Mは曲げモーメントであり、Zは塑性断面係数である。σmax≦σyieldである場合、ビームは理論上、曲げモーメントMを下回っている場合は座屈しない。したがって、ビームの座屈直前では、Mmax=σyield×Zである。Mmaxは多くの場合、断面曲げ剛性と呼ばれる。この理論値Mは、実際値が変わるため、実際の試験結果(実際のMmax)に相関せねばならない。例えば、以下に図示且つ説明するように、実際のMmaxの値対理論上のMmax値の比は、Sturrusの米国特許第5,395,036号に示される従来技術のB字形ビーム(本明細書中の図1及び上記説明を参照)のように、縦方向に直線的な前壁を有する断面を有するB字形ビームの50%〜60%ほどの低さとすることができる。
本発明者らは、実際のMmax値対理論上のMmax値の比は、他の場合ではB字形ビームのほぼ縦方向に直線的な前壁の非支持部分に一体形の溝形状パワーリブ33(本明細書では「パワーリブ」とも呼ぶ)を組み入れているB字形ビーム20の約70%〜80%又はそれ以上に高くすることができることを見い出した。本発明者らの試験では、このリブは好ましくは、深さが少なくとも約8mmであり、高さが個々の管状形材にわたって延びる前壁の非支持部分の少なくとも約1/3であることが示された。これは、B字形ビームの(縦方向に直線的な)前壁は、典型的なB字形ビームの横方向中間壁によって、その中央付近に支持されている場合、非常に驚くべき且つ予期されない結果であると考えられる。このことは、バンパー強化ビームの縦方向に直線的な前壁の非支持スパン(すなわち管状形材にわたって延びる前壁の部分)が典型的に約40mm〜65mmしかなくとも、実際の曲げ強度の劇的な改善が依然として達成される場合に特に驚くべきことである。本発明の概念によるものとして、新規のいくつかの設計選択が存在する。例えば、既存のB字形バンパー強化ビームの壁厚を減らすこと(すなわち、同じ衝撃強度を依然として提供しつつ軽量化する)ができる。代替的に、重量又はコストをかさませずに(すなわち、シート厚又は部品設計を変えずにパワーリブをフラットな前壁に単に加えることによって)、既存のB字形バンパー強化ビーム設計の衝撃強度を上げることができる。代替的に、新規のB字形バンパー強化ビームは、前から後にかけての寸法をより薄く、だが他の「より奥行きの深い」設計に対して強度を等しく設計することができる(したがって、車両のフロントのパッケージスペースをより節約すると共に衝撃の際の変位距離も減る)
図示のB字形バンパー強化ビーム20(図2及び図3)は、シートからロール成形されて縦方向に離間した一対の管21及び22(車両取付位置にあるとき)を画定する。B字形ビーム20は、ビームの上部から下部に延びると共に各管の前部を画定する前壁23を有する。各管にわたる各非支持前壁部分は、実質的に縦方向に直線的であると共に互いに整合しているが、前壁23は、管21及び22のそれぞれにわたって前壁の中央に位置する溝形状リブ33を有する。リブ33は以下に説明するように、衝撃強度を高めるようにして各管にわたる非支持前壁部分を安定させる。図示のリブ33は、ビーム20の前壁の正面に出っ張らないように内方に形成されている。この構成により、リブ33は最初は物体(支柱又は木等)による衝撃を被らない。したがって、リブ33は最初の衝撃の際には曲がらず、最初の衝撃の際、長期間にわたって、ビームの前壁を安定させる。しかしながら、広義において、本発明の範囲は必ずしも内方形成リブ33に限定されないと考えられる。また、図示のリブ33は各管21及び22にわたって中央に形成され、リブ33と同様、図示の管21及び22はサイズ及び形状が同様である。しかしながら、広義では、本発明の範囲はまた、2つの管のサイズ及び/又は形状が等しくなく、追加の管が存在する可能性があり、また、リブが必ずしも各管にわたって中央に位置せず、リブのサイズも形状も等しくないB字形ビームを有することが考えられる。
図2及び図3の図示のB字形ビーム20は好ましくは、1.0mm〜2.2mm(バンパーシステムの機能的要件に応じて、より好ましくは1.1mm〜1.6mm厚、最も好ましくは1.2mm〜1.4mm厚である)の鋼等の材料シートから形成される。シートは、40KSI、好ましくは80KSI、より好ましくは120KSI(環境によっては190KSI)の引張強度を有する。上部管状形材21及び下部管状形材22は離間しており、並置した一対の縦方向中間壁23及び24によってつながっている。上部管状形材21は縦方向前壁27及び縦方向後壁28によって相互につながっている横方向壁25及び26を有する。下部管状形材22は縦方向前壁31及び縦方向後壁32によって相互につながっている横方向壁29及び30を有する。図示の縦方向壁23は、中央位置でウェブ24に溶接されて「縦方向に直線的な」前壁を形成する、ロール成形シートの同一平面縁部分によって形成されている。しかしながら、縦方向壁23をシート材料のひと続き部分から成形することができることが意図される(この場合、ロール成形シートの縁はB字形ビームの外周に沿って異なる領域で接合されるであろう)。一対の取付用ブラケット22’は後壁28、32の各端付近に取り付けられる。図示の取付用ブラケットはそれぞれ、スイープされたビーム20に溶接されるフランジを有し、各ブラケットはさらに、車両フレームレールにボルト締め取付けされるようになっている穴を有する同一平面の整合部分を有する。
図3の図示の構成では、管状形材21及び22は、管状形材の奥行き寸法D2の約1.5倍の縦寸法D1を有する。図示のビーム20自体は、管状形材の奥行き寸法D2の約3〜4倍の縦方向の全体の高さD3を有し、パワーリブは、各管状形材の高さの約33%〜50%である縦寸法D4を有し、深さ寸法D5は、奥行き寸法D2の少なくとも約10%〜35%(より好ましくは約25%)である。図3の図示のB字形ビームは以下の実際の寸法:各管の個々の管の高さ寸法D1は約65mmであり、ビームの全体の奥行き寸法D2は約40mmであり、ビームの全体の高さ寸法D3は約150mmであり、リブの高さ寸法D4は約20mm〜30mmであり、リブの深さ寸法D5は少なくとも約8mm(より好ましくは10〜15mm)である。
B字形ビームの前壁の非支持部分における本発明のリブ33は、B字形ビームがより薄い材料から作製され、且つ/又は高強度材料から作製され、且つ/又はB字形ビームの断面の高さ対奥行きの比が高い場合に、特に重要であることに留意されたい。この理由は、B字形バンパー強化ビームが多くの場合、超高強度鋼を用いることによって「より強度に」作製されるが、この理由は、材料の高い降伏点により、より高い断面曲げ剛性が可能になるからである。これにより、用いる材料の厚さをより薄くすることができるため、軽量化となる。高さ対奥行きの比が高いB字形ビームは、良好な曲げ強度を依然として与えつつより広い衝撃面を与える。しかしながら、縦方向に直線的な前壁を有するB字形ビームでは、特により低い材料厚(2.2mm以下、特に1.4mm〜1.2mm以下の厚さ等)で、且つ/又はより高い材料引張強度(80KSI〜190KSI以上等)、且つ/又は高さ対奥行きの比が高い断面(ビームの高さが150mmであり、奥行きが40mmであり、各管の高さが約65mmであり、且つ管が約20mm離間している等)で、ますます低くなる実際の曲げ強度を有することが観察された。かかるB字形ビームでは、本発明者らの試験は、B字形ビームの実際の曲げ強度は実質的に理論上の曲げ強度を下回り、多くの場合、理論上の曲げ強度の50%〜60%しかないことを示す。これは明らかに、B字形ビームの各管にわたる前壁のうち非支持領域の前壁の局部的な不安定性に大部分が起因する。この局部的な不安定性は実際のMmaxを予想理論値よりも著しく下げ、そのため、これらのB字形ビームの実際の強度は予想理論値の約50%〜60%しかない。
以下に説明する試験において、パワーリブを有するB字形ビームでは、B字形ビームの実際のMmax値は、理論上の曲げ強度の約50%〜60%から約70%〜80%にまで著しく上がった。少なくとも1つの試験では、実際の曲げ強度はほぼ理論上の曲げ強度にまで上がった。本発明者らは、このことは、B字形ビーム20とSturrsの‘036号特許の従来技術のビームとに示される種々の異なるタイプの損傷モードによって一部を説明することができると考える。縦方向に直線的な前壁を有する(「パワーリブ」は有さない)断面を有するB字形ビームでは、前壁は、前壁の非支持部に生じる圧縮性長手方向力により衝撃の際に早い時期に捩れる且つ潰れると思われ、これにより、隣接壁の局部的な不安定性が生じ、その後、ビームの早い時期の全体的な損傷が起こる。対比的に、パワーリブ(すなわち、管にわたって延びる非支持前壁部において形成される溝路リブ)を有する前壁を有する断面を有するB字形ビームでは、前壁は、早い時期の捩れ及び潰れに対し良好に抗すると思われる。これにより、より強力なビーム(すなわち、その理論上の曲げ強度に近い実際の曲げ強度を有するB字形ビーム)がもたらされる。なお、本発明者らは、圧縮性長手方向力による捩れによるこの早い時期の潰れは、理論上の曲げ損傷よりも幾分異なる損傷モードによるものであると考える。具体的には、ビームの曲げ強度モーメントM値が上がると理論上の曲げ強度が増す。しかしながら、前壁からの材料を用いて溝形状リブをビームの面に形成する場合、実際には、材料がビームの最前面(ビーム曲げ強度及び曲げモーメント「M」に大部分関与する)から移動し、重心(ビーム曲げ強度への関与は少ない)に向かって移動するため、ビームの理論上の曲げモーメントは下がる。
本理論を試験するために、図4に示すように3点曲げテストフィクスチャ300を用いた。テストフィクスチャ300は880mm離間していると共にビームを係合する湾曲上面302を有する下部支持体301を有した。テストフィクスチャ300はさらに、試験下でビームの中央に押し当たる半径を画定する下面304を有する上部ヘッド303を有した。ビーム(ビーム305で示す)は、上部ヘッド303とその中間地点で係合するように支持体301上に位置付けした。
先の実験は2つの同様のビーム(すなわち一方はパワーリブを有し(図2及び図3に示すようにパワーリブ33を有するB字形ビーム20を参照)、もう一方はパワーリブを有さない)を用いて行われた。ビームはパワーリブ33を除くあらゆる面において同一であった。具体的には、ビームは全く同じ材料コイル(すなわち同じ材料特性及び厚さ)から作製され、同じ長手方向曲率、同じ縦方向の全体の高さ及び奥行きを有した。パワーリブ33を有するビーム20は損傷付近の曲げ変位において約20%だけ曲げ強度が劇的に高まった。このことは本発明者らにとって非常に驚くべきことであった。
本発明の概念をさらに試験するために、第2のビーム20Aはその管にわたって前壁201Aにパワーリブ33Aを有して構成され(図5及び図6)、第2のビーム320はパワーリブを有さない縦方向に直線的な前壁321を有して構成された(図7)。ビーム20A及び320はそれぞれ、115mmの全体の高さ、70mmの全体の奥行き、及びそれらの後面に溶接されるマウント22A’を有した。これらのビームは共に、190KSIの引張強度及び1.16mmの厚さを有するシート材料から作製された。ビーム20A及び320はそれぞれ、45.5mmの高さ及び70mmの奥行きを有する上部管及び下部管を有し、これら2つの管は約24mm離間している。上部管205A及び下部管206Aは、4つの横方向壁(213A、214A、216A、217A)(車両取付位置にあるとき)を画定し、各横方向壁は、その中間地点でわずかに曲がっており、横方向壁の前方半分は比較的平行且つ水平であり、横方向壁の後方半分は各管の後に向かってテーパ状になっている。ビーム20Aでは、前壁には、パワーリブ33Aが前壁の非支持領域の各管にわたって中央に形成されており、パワーリブはそれぞれ、(その中間の深さレベルにおいて)深さが約15.49mmであり、幅が等しく約15.49mmである。前壁は約7mmの半径R7を有し、この半径はいくつかの位置、例えば前壁の上壁から上部管の上部コーナー、前壁が上部パワーリブ33に遷移する際の上部コーナー、パワーリブ33の底部、及び中央ウェブ付近の前壁上のパワーリブ33からのコーナーに見られる。下部管にわたる前壁部分は、上部管と同様の位置において半径R7を有する。上記から分かるように、ビーム320(図7)は、縦方向に直線的な前壁を有する(すなわちパワーリブを有さない)断面を有した。その他ではビーム320はビーム20Aと同様である。
3点曲げ試験(図4のフィクスチャを参照)は、リブ33Aを有するスィープされたB字形形材ビーム20A(図5及び図6)及びフラット面(リブを有さない)スィープされた標準B字形ビーム320(図7)に対して行われた。3点曲げ試験(図8)によれば、パワーリブ33Aを有するB字形ビーム20Aは実際の最大負荷が60.2kNに改善された。これとは対照的に、標準形状B字形形材320(パワーリブを有さない)では実際の最大負荷は43.99kNしか示さなかった。また、B字形ビーム20A(パワーリブ33を有する)には大きな変形領域(図9における写真の上部B字形ビームを参照)が見られ、標準B字形ビーム320には捩れの跡が示され、より局部的に曲屈した領域が見られた(図9における下部B字形ビームを参照)。このことは、FEA分析によって十分に示されており(図10〜図11を参照)、FEA分析は3点曲げ損傷モードを表す応力の視覚イメージを示す。具体的には、パワーリブ33を有するB字形20A(図10)において、応力はより大きな領域A1にわたって分布し、この結果、耐荷重(load carrying capacity)がより高くなる。これとは対照的に、縦方向に直線的な前壁を有するB字形ビーム320において、応力はより局部化した領域A2内に集中し、この結果、早い時期の座屈が生じ、座曲点がより急激であり、耐荷重がより低くなる(図11)。
本試験結果をよりよく理解するために最大曲げモーメントをビーム20A及び320に関して求められた。上述したように、理論上の最大曲げモーメントは塑性断面係数を降伏強度と乗算したもの(すなわちMmax=Z×YS)に等しい。B字形ビーム20Aの場合、理論上のMmax=13938mm3×1224MPa=17060Nmである。ビーム20Aの場合、実際のMmax=PL/4であり、式中、P=負荷であり、L=テストフィクスチャのスパンである。したがって、実際のMmaxは(60.2kN×880mm/4)であった。したがって、実際/理論上のMmax=(13244/17060)×100%=77.6%である。B字形ビーム320の場合、理論上のMmax=13494mm3×1224MPa=16517Nmである。ビーム320の場合、実際のMmax=PL/4であり、式中、P=負荷であり、L=テストフィクスチャのスパンである。したがって、実際のMmaxは(43.9kN×880mm/4)=9658Nmであった。したがって、実際/理論上のMmaxの比=(9658/16517)×100%=58.5%である。本発明者らは、前壁の早い時期の薄壁の座屈量を減らすことによって、パワーリブ33Aを有するB字形ビーム20AがB字形ビーム320の縦方向に直線的な前壁(すなわちパワーリブを有さない)よりも理論上のMmax値にいっそう近くなることができると判断した。本発明者らは、かかるビームを曲げる際に損傷及び応力のタイプにより、より厚いビームに関して(すなわち、横形材の奥行きがより深いビーム)、85%、95%又はそれ以上等、この比はさらに高くなるであろうと考える。
本発明の概念をさらに示すために、本発明者らは、重量が等しい2つのB字形ビーム(すなわち一方のB字形ビームは、その面内にパワーリブ33Aを有するB字形ビーム20Aと同様であり、もう一方のB字形ビームは、縦方向に直線的な前壁を有する(パワーリブは有さない)断面を有するB字形ビーム320と同様である)を比較したかった。なお、B字形ビーム20Aは、溝形状パワーリブ33Aを形成するために、さらに多くの材料を有するので、若干広いシートから作製されねばならない。したがって、「等しい重量の」B字形ビーム20Aは、パワーリブのないB字形ビーム320に等しい重量を与えるために、より薄い壁厚が必要である。本発明者らは、パワーリブを有する仮説上のB字形(「WESWPR B字形ビーム」と呼ばれるパワーリブを有するB字形ビーム形材として特定される)が、壁厚が減らされているため、パワーリブを有さないB字形ビーム(WENOPR B字形ビームと呼ばれる)と同じ重量を有するようになっている。1.15mの壁厚を有するWESWPR B字形ビーム(パワーリブを有する)が得られ、このB字形ビームは1.23mmの壁厚を有するWENOPR B字形ビーム(パワーリブを有さない)と同じ重量であった。本発明者らは、WESWPR B字形ビーム及びWENOPR B字形ビームを「重量が等しいB字形形材」と呼ぶ。
図12のデータは、パワーリブ(すなわち壁厚が1.15mmであり、シート材料の引張強度が190KSI)を有する仮説上のWESWPR B字形ビームの強度を縦方向に直線的な前壁(パワーリブを有さず、壁厚が1.23mm、シート材料の引張強度が190KSI)を有するWENOPR B字形ビームと比較している。具体的には、WESWPR B字形ビームは、重量/長さが0.0045kg、実際の最大負荷が56.1kN、及び実際のMmaxが12342Nmであった。WENOPR B字形ビームは、重量/長さが0.0045kg、実際の最大負荷が43.9kN、及び実際のMmaxが9658Nmであった。このことは、25mmにわたる著しい変位量で等しい重量のWENOPR B字形ビーム(パワーリブを有さない)にわたってWESWPR B字形ビーム(パワーリブを有する)について実際のMmaxが驚くべきことに25%以上の増加を示す。
本発明者らは、本発明のB字形ビームの動的試験を行った。一般的に用いられる動的試験の1つは、「5mphフラットバリア物理衝撃試験」として知られている。かかる試験は、一般的に知られているため、自動車バンパー設計の当業者には詳細に説明する必要はない。基本的に、車両シミュレートホイールスレッドは、その面に取り付けられたB字形ビームを含むバンパーシステムと、B字形ビームのフロントに取り付けられた高分子エネルギー吸収体345とを支持する。このスレッドは、5mphで移動中にフラットバリアに対して衝撃を被る。(代替的に、スレッドは静止しており、ペンデュラムが5mphでスレッド/バンパー構成に衝撃を与える)。本試験では、スレッド重量(「車両質量」)は1800kg(60%がフロント、40%がリア)であった。別の一般的に用いられる動的試験は「10km/h IIHSバンパーバリア物理衝撃(ビーム対バリアのオーバラップが100%)」と呼ばれる。この試験では、バンパーB字形ビームは、別のバンパーをシミュレートする衝撃構造を有する障害物に対し衝撃を被る。さらに、この試験はバンパー設計の当業者により理解されるため、当該試験を理解するのに詳細な説明を必要としない。本発明者らの試験では、同じ1800kgスレッド重量を用いた。
図13は、上述のように、5mphのフラットバリア物理衝撃試験後のパワーリブ33Aを有するB字形ビーム20A、及びパワーリブを有さないB字形ビーム320の写真である。ビーム20A及び320はどちらも、前壁に取り付けられ当接すると共に当接する同一の高分子エネルギー吸収体345を有した。分かるように、パワーリブを有するB字形ビーム20Aは、いかなる十分に画定された座屈(中央領域を参照)を有さずに、広く分布した衝撃ゾーンZ1を示している。これとは対照的に、縦方向に直線的な前壁(すなわち強化ビームを有さない)B字形ビーム320は、その中心付近の位置Z2に十分に画定された座屈を有する。これは、B字形ビームの面に高分子エネルギー吸収体があるにもかかわらず生じた。なお、高分子エネルギー吸収体は、衝撃を緩和すると共に応力を分散するのに役立つ傾向にある。しかしながら、早い時期に座屈するという問題はリブを有さないB字形ビームに依然として見られていたが、リブ33を有するB字形ビームにおいては見られなかった。
図14は、図13に示すビーム20A及び320での5mphのフラットバリア物理衝撃試験からのデータを示す。データは、B字形ビーム20AがB字形ビーム320(110.5kNの全体の負荷を示した)よりも著しく高い衝撃強度(すなわち、約129kNの全体の負荷)を示す。また、パワーリブを有するB字形ビーム20Aは、53.8mmの前面変位(intrusion)及び31.5mmの後面変位を有し、パワーリブを有さないB字形ビーム320は、62.2mmの前面変位及び54.2mmの後面変位を有した。双方のビーム20A及び320には同じエネルギーで衝撃を与えたことに留意されたい。したがって、データに示すように、B字形ビーム20Aは、53.8mmの最大後面変位から約23mmの恒久設定値の回復最終位置に回復し、B字形ビーム320は62.2mmのその最大後面変位から約37mmの恒久設定値にまで回復した。
図15は、図14からのデータを使用しているが、5mphのフラットバリア試験下で重量の等しいB字形ビームを比較するデータを生成するためにFEA分析を用いて変更されている。図15では、(補正FEAモデルからのデータを用いて)パワーリブを有するB字形ビーム20Aは、1.15mm厚の材料を有し、131.6kNの最大負荷、51.4mmの前面変位、及び26.5mmの後面変位を生じた。これとは対照的に、リブを有さない重量の等しいB字形ビーム320は、1.23mmの厚い材料を有したが、110.5kNの最大負荷、62.2mmの前面変位、及び54.2mmの後面変位を生じた。なお、B字形ビーム20Aは、B字形ビーム320に等しい質量ビームを用いて後面変位に49%の低減が見られた。
また、図16は、ビーム対バリアのオーバラップが100%の10km/h 米国高速安全保険協会(IIHS)(Insurance Institute of Highway Safety)バンパーバリア物理衝撃試験下での等しい壁厚を有するビーム20A及び320で行われた試験の結果を示す。パワーリブ33Aを有するB字形ビーム20Aは、111.7mmの最大前面変位、40.4mmの最大後面変位、及び131.8kNの最大負荷を示した。これとは対照的に、等しい厚さの材料を有するフラット面を有する標準B字形ビーム320は、121.6mmの最大前面変位、83.2mmの最大後面変位、及び97.6kNの最大負荷しか示さなかった。したがって、パワーリブを有するB字形ビーム20Aは、パワーリブを有さない(すなわち、縦方向に直線的な前壁を有する)B字形ビームを再度著しく凌いだ。
要するに、本発明者らは、2つの管のそれぞれにわたって前壁の中央にパワーリブを有するB字形バンパー強化ビームは、縦方向に直線的な前壁を示す断面を有する同様のB字形バンパー強化ビームに比して劇的に且つ著しく実際の衝撃強度が高まることを見い出した。パワーリブを有するB字形ビームの改良点は、以下の著しい改善:実際の曲げ強度の改善、実際の動的衝撃強度の改善、写真により損傷点での変形がより分布したことが示されていると共にパワーリブを有するビームの応力がより広がったことが示されていること、実際の後面変位の低減、及び実際の前面変位の低減、によって示される。本発明者らは、B字形ビームの管にわたって前壁の非支持部分のパワーリブの追加が重要であると判断している。結果として、B字形ビームの実際の衝撃強度は、パワーリブが追加されると理論値に非常に近くなる。驚くべきことに、このことは、前壁の非支持部分は40mmの範囲しかなく、材料厚が2.2以下である(特に1.4mm以下)場合に管を有するB字形ビームに当てはまり、材料強度が40KSI引張強度(特に80KSI〜190KSI以上の引張強度)を上回る場合、また、リブが少なくとも約8mm又は好ましくは約10mm〜15mmである場合に当てはまる。
本発明の概念から逸脱しない限り、上記構造に変形及び変更を行ってもよいことが理解され、さらに、かかる概念は、添付の特許請求の範囲がその文言により別段に明記されない限り、その特許請求の範囲によって含まれることを意図する。
Claims (21)
- 車両前端又は後端に取り付けるようになっているバンパー強化ビームであって、
材料シートから作製される強化ビームを備え、
前記強化ビームは、車両取付位置に配置される場合、
縦方向に延びる前壁と、
2つの縦方向に延びる後壁と、
一対の縦方向に離間する中間横方向壁と、
上部横方向壁及び下部横方向壁と、
後壁に固定され、かつ車両に取り付けるようになっている取付用ブラケットとを備え、
上部横方向壁及び底部横方向壁は、中間横方向壁、前壁、及び後壁と組み合わせて、上部管形材と
当該上部管形材から離間した下部管形材と
を画定し、
前記前壁の大部分は、縦方向横断面では縦方向に直線的であるが、
前記上部管形材及び前記下部管形材の少なくとも一方にわたって前壁の非支持部に一体成形される長手方向に延びる溝形状リブを有し、
前記溝形状リブは、前記前壁を強化且つ安定させるように作用し、ひいては、前記B字形強化ビームを概ね剛性のあるものにすると共に強度を高めるように作用する
バンパー強化ビーム。 - 前記上部管状形材及び前記下部管状形材は、ともに、内部に形成された前記溝形状のリブの一つを有する請求項1に記載のバンパービーム。
- 前記リブの一つが、前記上部管状形材及び前記下部管状形材のそれぞれに形成される請求項2に記載のバンパービーム。
- 前記上部管及び前記底部管と、関連するリブとは、同じ寸法及び形状を有する請求項3に記載のバンパービーム。
- 前記リブのうち上部のリブは、前記上部管状形材にわたって中央に位置する請求項3に記載のバンパービーム。
- 前記管状形材は、車両取付位置に配置される場合、それぞれ、前記管状形材の縦方向寸法の少なくとも1.5倍の横方向寸法を有する請求項2に記載のバンパービーム。
- 前記溝形状リブは、前記関連する管状形材の高さの約33%〜50%の縦方向寸法を有する請求項2に記載のバンパービーム。
- 前記溝形状リブは、前記溝形状リブの高さにほぼ等しい奥行き寸法を有する請求項2に記載のバンパービーム。
- 前記ビームは、スイープされている請求項1に記載のバンパービーム。
- 車両前端又は後端に取り付けるようになっているバンパー強化ビームであって、
材料シートから作製されるB字形強化ビームを備え、
前記B字形強化ビームは、各端に車両取付マウントを有し、
さらに、車両取付位置に配置される場合、互いに離間していると共に中央ウェブで接続されている上部管形材及び下部管形材を有し、
前記強化ビームは、上部管形材及び下部管形材の前部を形成している部分を有する前壁を備え、前記前壁部分のそれぞれの大部分は縦方向横断面において縦方向に延びているが、前記上部管形材及び前記下部管形材にわたって中央にいくつかの部分に一体成形される長手方向に延びる溝形状リブを有するバンパー強化ビーム。 - 前記中央ウェブは、前記前壁部分に整列している請求項10に記載のバンパービーム。
- 前記溝形状リブは前記管状形材の高さの少なくとも約33%の縦方向寸法を有する請求項10に記載のバンパービーム。
- 前記材料の材料引張強度は、80KSIより大きい請求項1または10に記載のバンパービーム。
- 前記材料引張強度は、120KSIより大きい請求項13に記載のバンパービーム。
- 前記材料引張強度は、120KSIより大きく、
厚さは、約2.2mmより小さい請求項13に記載のバンパービーム。 - 前記シートの材料の厚さは、約1.4mmより小さい請求項1または10に記載のバンパービーム。
- 前記前壁部分は、約40mmより大きい縦方向スパンを有し、
前記リブは、約15mmより大きい縦方向距離及び約8mmより大きい奥行きを画定する請求項1または10に記載のバンパービーム。 - 各端に車両取付マウントを有し、非直線形状にスイープされている細長い強化ビームを含み、
当該ビームは、
車両取付位置に配置されると、上部管形材及び下部管形材、並びに非支持部分が当該上部管形材及び当該下部管形材の前部を形成する前壁を有し、かつ
前記非支持部分のそれぞれに溝形状リブをさらに有する
バンパービーム - 車両の前端又は後端に取り付けるようになっているB字形バンパー強化ビームを製造する方法であって、
鋼材料シートを提供するステップと、
前記シートをB字形強化ビームにロール成形するステップであって、当該B字形強化ビームは、車両取付位置に配置されると、中央ウェブによってつながっている上部管形材及び下部管形材を有する、ロール成形するステップと
を含み、
前記ビームは、上部管形材及び下部管形材の部分を形成する前壁を有し、
当該前壁部分のそれぞれの大部分は縦方向の横断面において縦方向に延びているが、上部管状形材及び下部管状形材にわたって中央に縦方向部分に一体成形される溝形状リブを有するB字形バンパー強化ビームを製造する方法。 - 前記シートをロール成形するステップは、
少なくとも約40mmの縦方向スパンを有するように前記前壁部分を形成し、
約8mmより大きい奥行きを画定するように、前記リブを形成することを含む
請求項19に記載の方法。 - 前記前壁部分を形成するステップは、
それぞれ約15mmより大きい縦方向距離を形成するように、前記リブを形成することを含む
請求項20に記載の方法。
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