JP2011212708A

JP2011212708A - 成形部品

Info

Publication number: JP2011212708A
Application number: JP2010082139A
Authority: JP
Inventors: Noriyasu Yoshioka; 典恭吉岡
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27

Abstract

【課題】曲げ強度が大きい成形部品を提供する。
【解決手段】成形部品１は、長手方向に延在する底面部１０と、底面部１０の長手方向に沿った両端から延在する２つの縦壁１１、１２と、２つの縦壁１１、１２の先端に設けられた２つのフランジ１１ａ、１２ａとを有している。２つの縦壁１１、１２の上端部の間において開放部Ｃが形成される開断面形状を有しており、２つの縦壁１１、１２は、開放部Ｃに近付くにつれて離れるように傾斜している。フランジ１１ａは、縦壁１１の上端部から外側に向かって延びており、フランジ１２ａは、縦壁１２の上端部から内側に向かって延びている。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車の車体等に用いられる成形部品に関する。

近年、二酸化炭素の排出量を削減するために、自動車の車体の軽量化が進められており、自動車の車体等に用いられる成形部品として、高張力鋼板（ハイテン材）などの高強度の金属板を用いたものが適用されている。

そして、自動車用成形部品１０１としては、図１５（ａ）に示すように、長手方向に延在する底面部１１０と、底面部１１０の長手方向に沿った両端から延在する２つの縦壁１１１、１１２と、２つの縦壁１１１、１１２の上端部に設けられた２つのフランジ１１１ａ、１１２ａとを有するものがある。この成形部品１０１では、２つのフランジ１１１ａ、１１２ａは、図１５（ｂ）の断面形状に示すように、２つの縦壁１１１、１１２の上端部から底面部１１０と略平行になるように外側に向かってそれぞれ延在している。

特開２００３−９４１１５号公報

しかしながら、高強度の金属板を用いた成形部品では、自動車の軽量化はできるが、薄肉化されることによって成形部品の曲げ強度が低下してしまうことがある。例えば、図１５（ａ）に示すように、成形部品１０１の長手方向両端に対して曲げ入力が作用した場合、図１５（ｃ）に示すように、成形部品１０１の中央近傍において、底面部１１０が上方に凸となるように変形する。すると、図１５（ｄ）の長手方向中央近傍における断面図に示すように、底面部１１０の変形にともなって、その底面部１１０の両側に配置された２つの縦壁１１１、１１２は、いずれも外側に倒れるように変形する。このとき、成形部品１０１の中央近傍に配置されたフランジ１１１ａ、１１２ａは、その自由端が下方へ移動するように変形する。

さらに詳しく説明すると、成形部品１０１では、図１６（ａ）に示すように、フランジ１１１ａ、１１２ａが、いずれも縦壁１１１、１１２の外側（縦壁１１１、１１２とフランジ１１１ａ、１１２ａとの稜線Ｒ１１１、Ｒ１１２に対して曲げ外側）に配置されていることから、フランジ１１１ａ、１１２ａの稜線Ｒ１１1，Ｒ１１２近傍には、主に圧縮力が作用し、フランジ１１１ａ、１１２ａの自由端近傍には、主に引張り力が作用する。そのため、フランジ１１１ａ、１１２ａの自由端は、図１６（ｂ）に示すように、その自由端の長手方向両端を最短距離で接続した仮想線に近付く方向にそれぞれ移動する。このように、フランジ１１１ａ、１１２ａの自由端が下方にそれぞれ移動することによって、縦壁１１１、１１２が外側に倒れるのが促進される。

したがって、成形部品１０１の中央近傍において、縦壁１１１、１１２が大きく倒れることによって、縦壁１１１、１１２における面外曲げ成分が面内曲げ成分より早期に大きくなってしまう。よって、成形部品１０１の中央近傍において断面変形抵抗力が低下することから、成形部品１０１としての曲げ強度が大きく低下することになる。

そこで、本発明は、曲げ強度が大きい成形部品を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び発明の効果

第１の発明の成形部品は、２つの縦壁と、前記２つの縦壁のそれぞれの一端部を接続する接続部と、前記２つの縦壁のそれぞれの他端部から延在した２つのフランジとを備え、前記２つの縦壁の他端部の間において開放部が形成される開断面形状を有しており、前記２つの縦壁は、平行であるか又は前記開放部に近付くにつれて離れるように傾斜しているとともに、１つの開断面において、前記２つのフランジの少なくとも一方のフランジは、そのフランジが設けられた一方の縦壁を延長した直線に対して他方の縦壁側に配置されることを特徴とする。

この構成によると、２つのフランジの少なくとも一方のフランジは、縦壁の内側に（そのフランジが設けられた一方の縦壁を延長した直線に対して他方の縦壁側に）配置されることから、そのフランジが縦壁の外側に（そのフランジが設けられた一方の縦壁を延長した直線に対して他方の縦壁と反対側に）配置される場合と比べて、その縦壁が外側に倒れるのが抑制される。したがって、縦壁の倒れ量が小さくなることから、縦壁における面外曲げ成分が面内曲げ成分より早期に大きくなるのが抑制される。よって、２つのフランジがいずれも縦壁の外側に配置されている場合と比べて、成形部品の中央近傍において、断面変形抵抗力が低下するのが抑制され、成形部品としての曲げ強度が大きく低下するのを防止することができる。

第２の発明の成形部品は、第１の発明において、１つの開断面において、前記２つのフランジの少なくとも一方のフランジと、そのフランジが設けられた縦壁を他端部側に延長した直線との間に形成される角度は、４５°以下であることを特徴とする。

この構成によると、成形部品の最大曲げモーメントが、フランジ角度が正角である場合の全ての値より大きくなる（同等以上となる）。

本発明の実施形態に係る成形部品を示す図であって、図１（ａ）は斜視図であり、図１（ｂ）は成形部品の中央近傍の断面図である。図１の成形部品の中央近傍の断面図であって、縦壁とフランジとの配置を説明する図である。図１の成形部品に曲げ入力を作用したときの変形を示す図であって、図３（ａ）は斜視図であり、図３（ｂ）は成形部品の中央近傍の断面図である。図１の成形部品に曲げ入力を作用したときの変形を示す図であって、図４（ａ）は成形部品の中央近傍の斜視図であり、図４（ｂ）は成形部品の中央近傍の断面図である。成形部品の計算モデルの一例を示す図である。成形部品の計算モデルの他の例を示す図である。成形部品の解析におけるフランジ角度の条件を示す図である。図５の成形部品についての解析結果を示す図である。図５の成形部品についての解析結果を示す図である。図６の成形部品についての解析結果を示す図である。図６の成形部品についての解析結果を示す図である。本発明の変形例に係る成形部品の中央近傍の断面図である。本発明の変形例に係る成形部品の中央近傍の断面図である。本発明の変形例に係る成形部品の中央近傍の断面図である。従来技術に係る成形部品を示す図であって、図１５（ａ）は斜視図であり、図１５（ｂ）は成形部品の中央近傍の断面図であり、図１５（ｃ）は曲げ入力が作用したときの斜視図であり、図１５（ｄ）は曲げ入力が作用したときの成形部品の中央近傍の断面図である。図１５の成形部品に曲げ入力を作用したときの変形を示す図であって、図１６（ａ）は成形部品の中央近傍の斜視図であり、図１６（ｂ）は成形部品の中央近傍の断面図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態に係る成形部品について説明する。

成形部品１は、自動車用成形部品の１つであって、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、長手方向に延在する底面部１０と、底面部１０の長手方向に沿った両端から延在する２つの縦壁１１、１２と、２つの縦壁１１、１２の先端に設けられた２つのフランジ１１ａ、１２ａとを有している。したがって、成形部品１では、底面部１０（接続部）が、２つの縦壁１１、１２のそれぞれの下端部（一端部）を接続しており、２つのフランジ１１ａ、１２ａは、２つの縦壁１１、１２のそれぞれの上端部（他端部）から延在していることになる。この成形部品１は、高張力鋼板（ハイテン材）で形成されているが、鋼板やアルミニウム板などの金属板で形成されてもよい。また、成形部品１は、どのような成形方法によって成形されたものでもよいが、例えばロールフォーム成形やハイドロフォーム成形を用いることで容易に成形できる。

この成形部品１は、２つの縦壁１１、１２の上端部の間において開放部Ｃが形成される開断面形状を有しており、その開断面形状は、長手方向にわたって同一となっている。そして、底面部１０と縦壁１１、１２との間の角度は、それぞれ、θｗ１、θｗ２となっている。また、フランジ１１ａは、縦壁１１の上端部から底面部１０と略平行になるように外側に向かって延びており、フランジ１２ａは、縦壁１２の上端部から底面部１０と略平行になるように内側に向かって延びている。そして、図２に示すように、成形部品１の断面では、２つの縦壁１１、１２は、開放部Ｃに近付くにつれて離れるように傾斜している。ここで、底面部１０と縦壁１１、１２との間の角度θｗ（θｗ１、θｗ２）は、０°≦θｗ＜１８０°の範囲の角度であればよいが、いずれも９０°≦θｗ＜１３５°の範囲の角度である方がよい。また、縦壁１１を延長した直線と、縦壁１２を延長した直線とは、底面部１０側（底面部１０に対して開放部Ｃと反対側）において交差する。ここで、縦壁１１を延長した直線と、縦壁１２を延長した直線との間に形成される角度αは、０°≦α＜１８０°の範囲の角度であればよいが、０°≦α＜４５°の範囲の角度である方がよい。

また、縦壁１１の上端部に設けられたフランジ１１ａは、上述したように、縦壁１１に対して外側（図２において左側）に向かって延在しており、縦壁１２の上端部に設けられたフランジ１２ａは、縦壁１２に対して内側（図２において左側）に向かって延在している。したがって、フランジ１１ａは、縦壁１１を延長した直線に対して他方の縦壁１２と反対側に配置されるが、フランジ１２ａは、縦壁１２を延長した直線に対して他方の縦壁１１側に配置されることになる。また、縦壁１１とフランジ１１ａとの接続部分及び縦壁１２とフランジ１２ａの接続部分は、所定の曲率のＲ形状であってもよいし、Ｒ形状でなくてもよい。

そして、縦壁１１を上端部側に延長した直線と、フランジ１１ａとの間の角度は、θＦ１であって、縦壁１２を上端部側に延長した直線と、フランジ１２ａとの間の角度は、θＦ２となっている。ここでは、縦壁１１、１２を上端部側に延長した直線と、フランジ１１ａ、１２ａとの間の角度θＦ１、θＦ２を、フランジと縦壁との相対的な角度を示すフランジ角度とする。フランジ角度θＦ１、θＦ２については、図２に示すように、縦壁を上端部側に延長した直線から外側（底面部１０の上面から離れる方向）に傾斜するときを正の角度とし、縦壁を延長した直線から内側（底面部１０の上面に近付く方向）に傾斜するときを負の角度とする。従って、本実施形態の成形部品１では、フランジ角度θＦ１は正角であり、フランジ角度θＦ２は負角である。

次に、成形部品１の長手方向両端に対して曲げ入力が作用したときの変形について、図３及び図４を用いて説明する。

成形部品１の長手方向両端に対して、図１（ａ）に示すように、底面部１０の両端を軸として下方向に回転させる曲げ入力が作用した場合、図３（ａ）に示すように、成形部品１の中央近傍において、底面部１０が上方に凸となるように変形する。そして、この底面部１０の両側に配置された２つの縦壁１１、１２は、図３（ｂ）に示すように、底面部１０の変形にともなって、いずれも外側に倒れるように変形する。したがって、底面部１０と縦壁１１、１２との間の角度θｗ１、θｗ２は、いずれも曲げ入力が作用する前と比べて大きくなる。また、このとき、成形部品１の中央近傍において、フランジ１１ａ、１２ａは、その自由端が下方へ移動するように変形する。

さらに詳しく説明すると、成形部品１では、フランジ１１ａが縦壁１１の外側（縦壁１１とフランジ１１ａとの稜線Ｒ１に対して曲げ外側）に配置されていることから、図４（ａ）に示すように、フランジ１１ａの稜線Ｒ１近傍には、主に圧縮力（圧縮応力）が作用し、フランジ１１ａの自由端近傍には、主に引張り力（引張り応力）が作用する。そのため、成形部品１の中央近傍において、フランジ１１ａの自由端は、図４（ｂ）に示すように、その自由端の長手方向両端を最短距離で接続した仮想線に近付く方向に移動する。このように、成形部品１の中央近傍において、フランジ１１ａの自由端が下方に移動することによって、縦壁１１が外側に倒れるのが促進される。

一方、フランジ１２ａが縦壁１２の内側（縦壁１２とフランジ１２ａとの稜線Ｒ２に対して曲げ内側）に配置されていることから、図４（ａ）に示すように、フランジ１１ａの稜線Ｒ２近傍には、主に引張り力（引張り応力）が作用し、フランジ１２ａの自由端近傍には、主に圧縮力（圧縮応力）が作用する。そのため、成形部品１の中央近傍において、フランジ１２ａの自由端は、図４（ｂ）において一点鎖線で示す曲げ中立面側へ移動する。このように、成形部品１の中央近傍において、フランジ１２ａの自由端が下方に移動することによって、縦壁１２が外側に倒れるのが抑制される。

このように、縦壁１１については、フランジ１１ａの自由端の移動によって縦壁１１が外側に倒れるのが促進されるのに対し、縦壁１２については、フランジ１２ａの自由端の移動によって縦壁１２が外側に倒れるのが抑制される、したがって、上述したように、底面部１０と縦壁１１、１２との間の角度θｗ１、θｗ２は、いずれも曲げ入力が作用する前と比べて大きくなるが、角度θｗ２の増加量は、角度θｗ１の増加量に比べて小さくなる。

次に、成形部品としての曲げ強度を評価するための解析を行った。解析条件を表１に示す。

また、成形部品の計算モデルとしては、図５に示す形状の成形部品（１）と、図６に示す形状の成形部品（２）の２種類を用いて解析を行った。解析としては、成形部品の一端を完全に拘束した状態で、他端に対して、Ｙ軸と平行な底面の端部を軸として回転３０°の曲げ入力を作用させたときの成形部品の最大曲げモーメント(KN・m)とエネルギー吸収量(J)を計算した。この最大曲げモーメントは、成形部品の他端に対して曲げ入力を作用させたときに、成形部品が受けることが可能な曲げモーメントの最大値を示しており、エネルギー吸収量は、成形部品が吸収可能なエネルギー量を示している。

今回の解析では、２つのフランジのうち、一方のフランジは縦壁から底面部と略平行になるように外側に延在させ、他方のフランジと縦壁との間に形成される角度を変化させた。ここでは、図７（ａ）の成形部品（１）の一部断面または図７（ｂ）の成形部品（２）の一部断面に示すように、縦壁を上端部側に延長した直線に対するフランジ角度を、＋２°、＋２０°、＋３０°、＋４５℃、＋６０°、＋８０°、＋９０°、＋１００°、＋１３５°、−２°、−２０°、−３０°、−４５℃、−６０°、−８０°、−９０°、−１００°、−１３５°に変化させて解析を行った。

まず、成形部品（１）について、上記の解析で得られた解析結果を表２及び図８及び図９に示す。

また、成形部品（２）について、上記の解析で得られた解析結果を表３及び図１０及び図１１に示す。

上記の解析結果から、成形部品（１）を用いた場合及び成形部品（２）を用いた場合のいずれも、図８及び図１０に示すように、フランジ角度が同一である条件において、フランジ角度が正角の場合（フランジが縦壁の外側に配置される場合）と、フランジ角度が負角の場合（フランジが縦壁の内側に配置される場合）とを比べると、成形部品の最大曲げモーメント及びエネルギー吸収量は、いずれもフランジ角度が負角の場合の方が大きくなることが分かる。

また、成形部品（１）を用いたときには、最大曲げモーメントについては、表２及び図８に示すように、フランジ角度が２０°の負角近傍で最大となり、フランジ角度が４５度以下の負角である場合に、フランジ角度が正角である場合の全ての値より大きい（または同等以上となる）ことが分かる。エネルギー吸収量については、フランジ角度が２°の負角近傍で最大となり、フランジ角度が２０°以下の負角である場合に、フランジ角度が正角である場合の全ての値より大きい（または同等以上となる）ことが分かる。

また、フランジ角度が同一である条件において、フランジ角度が正角から負角に変化した場合（例えば＋６０°から−６０°に変化した場合）の成形部品の最大曲げモーメント及びエネルギー吸収量の上昇率は、図９に示すように、フランジ角度が４５°のときに最大となり、フランジ角度が２０°以上１００°以下の範囲である場合に、特に大きいことが分かる。

成形部品（２）を用いたときには、最大曲げモーメントについては、表３及び図１０に示すように、フランジ角度が２０°から３０°の負角近傍で最大となり、フランジ角度が４５°以下の負角である場合に、フランジ角度が正角である場合の全ての値より大きいことが分かる。エネルギー吸収量については、フランジ角度が２０°から３０°の負角近傍で最大となり、フランジ角度が４５°以下の負角である場合に、フランジ角度が正角である場合の全ての値より大きいことが分かる。

また、フランジ角度が同一である条件において、フランジ角度が正角から負角に変化した場合（例えば＋６０°から−６０°に変化した場合）の成形部品の最大曲げモーメントは、フランジ角度が４５°のときに最大となり、エネルギー吸収量は、フランジ角度が６０°のときに最大となり、最大曲げモーメント及びエネルギー吸収量の上昇率は、図１１に示すように、フランジ角度が２０°以上１００°以下の範囲である場合に、特に大きいことが分かる。

このように、成形部品（１）を用いた場合及び成形部品（２）を用いた場合のいずれにおいても同様の解析結果が得られることから分かるように、上記の解析結果は、成形部品の計算モデルの形状の影響によってあまり変化しないと考えられる。

以上説明したように、本実施形態の成形部品１では、２つのフランジ１１ａ、１２ａのうちの一方のフランジ１２ａが縦壁１２の内側に配置されていることから、フランジ１２ａが縦壁の外側に配置されている場合と比べて、縦壁１２が外側に倒れるのが抑制される。したがって、縦壁１２の倒れ量が小さくなることから、縦壁１２における面外曲げ成分が面内曲げ成分より早期に大きくなるのが抑制される。よって、２つのフランジ１１ａ、１２ａがいずれも縦壁１１、１２の外側に配置されている場合と比べて、成形部品１の中央近傍において、断面変形抵抗力が低下するのが抑制され、成形部品１としての曲げ強度が大きく低下するのを防止することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。

上記実施形態では、開断面において、２つの縦壁１１、１２は、開放部Ｃに近付くにつれて離れるように傾斜しており、フランジ１１ａは縦壁の外側に配置され、フランジ１２ａは縦壁１２の内側に配置されている（フランジ角度θＦ１は正角であって、フランジ角度θＦ２は負角である）が、成形部品の断面形状はこれに限定されない。また、上記実施形態では、成形部品の開断面形状は、長手方向にわたって同一であるが、長手方向の異なる位置における開断面形状が互いに異なっていてもよい。

例えば、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、フランジ角度θＦ２は、負角である範囲（０°＜θＦ２＜１８０°）で変更してもよい。また、図１２（ｃ）及び図１２（ｄ）に示すように、フランジ角度θＦ２が負角であって、且つ、フランジ角度θＦ１が負角であってもよい。この場合も、フランジ角度θＦ１は、負角である範囲（０°＜θＦ１＜１８０°）で変更してもよい。本発明では、フランジ角度θＦ１及びフランジ角度θＦ２の少なくとも一方が負角である場合に、上記実施形態と同様の効果が得られる。また、本発明において、フランジ角度θＦ（θＦ１、θＦ２）は、０°＜θＦ＜１８０°の範囲の負角であればよいが、０°＜θＦ＜１３５°の範囲の負角である方がよい。

さらに、図１３（ａ）に示すように、開断面において、２つの縦壁１１、１２は、平行に配置されてもよい。また、図１３（ｂ）に示すように、２つの縦壁１１、１２の下端部を接続する底面部１０は、湾曲した曲面であってもよい。

また、図１４（ａ）〜図１４（ｄ）に示すように、２つの縦壁１１、１２の下端部を接続する底面部１０は、１つの平面または１つの曲面で構成されずに、複数の平面または複数の曲面で構成されてもよい。従って、図１４（ａ）に示すように、底面部１０は、開放部Ｃから離れる方向に凸となるように接続された３つの平面１０ａ、１０ｂ、１０ｃから構成されてもよいし、図１４（ｂ）に示すように、底面部１０は、開放部Ｃに近付く方向に凸となるように接続された２つの平面１０ａ、１０ｂから構成されてもよい。

また、図１４（ｃ）に示すように、２つの縦壁１１、１２が平行に配置されるとともに、２つの縦壁１１、１２の下端部から外側に向かって延在する平面１０ａ、１０ｃと、その平面１０ａ、１０ｃを接続する平面１０ｂとから構成されてもよい。また、図１４（ｄ）に示すように、２つの縦壁１１、１２が、開放部Ｃに近付くにつれて離れるように傾斜するとともに、２つの縦壁１１、１２の下端部から外側に向かって延在する平面１０ａ、１０ｃと、その平面１０ａ、１０ｃを接続する平面１０ｂとから構成されてもよい。

なお、図１４（ａ）〜図１４（ｄ）に示すように、底面部１０が複数の面（平面または曲面）で構成されている場合には、２つのフランジと、２つの縦壁と、底面部とを備えた成形部品が、６つ以上の面（平面または曲面）を含むことになる。この場合は、最も外側に配置された２つの面が２つのフランジとなり、その内側に配置された２つの面が２つの縦壁となり、その他の面（２つの縦壁となる面の間に配置された面）が底面部となる。

１成形部品
１０底面部
１１、１２縦壁
１１ａ、１２ａフランジ

Claims

２つの縦壁と、
前記２つの縦壁のそれぞれの一端部を接続する接続部と、
前記２つの縦壁のそれぞれの他端部から延在した２つのフランジとを備え、
前記２つの縦壁の他端部の間において開放部が形成される開断面形状を有しており、
前記２つの縦壁は、平行であるか又は前記開放部に近付くにつれて離れるように傾斜しているとともに、
１つの開断面において、前記２つのフランジの少なくとも一方のフランジは、そのフランジが設けられた一方の縦壁を延長した直線に対して他方の縦壁側に配置されることを特徴とする成形部品。
１つの開断面において、前記２つのフランジの少なくとも一方のフランジと、そのフランジが設けられた縦壁を他端部側に延長した直線との間に形成される角度は、４５°以下であることを特徴とする請求項１に記載の成形部品。