JP2013530838A - ２つの金属からなる構成部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

２つの金属からなる構成部品が、第１金属からなる第１部材と、該第１金属とは異る第２金属からなる第２部材とから構成される。第１部材は、少なくとも１つの穴を有する。第２部材は、該第１部材の一部分の周りに、かつ、該穴を通して直接所定位置に鋳込まれて、該第１部材及び第２部材を剛的に接合する。これらの構成部品が自動車用車両に使われる場合に、第２部材である第２金属がアルミニウムであることが好ましく、また第１部材である第１金属が、他の鋼材構造にスポット溶接のできる高張力鋼であることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、２つの金属からなる構成部品に関する。さらに詳述すると本発明は、２つの金属からなる自動車用の構成部品に関する。

［関連出願の相互引用］
本出願は、２０１０年６月１０日に出願された米国予備出願番号第６１／３５３，３０４号の利益を主張し、その出願の全ての開示事項はこの出願の開示の一部と考えて、その全ての内容が引用によりここに組み込まれる。

自動車の重量に対しては、走行性能と燃費の両面を向上するために、軽量化という継続した必要性がある。車両を軽量化する１つの方法は、鋼材に変えてアルミニウム材のような軽量金属から車体を製作することである。しかし、車体の様々な部分は非常に大きな力に曝されるため、車体全体にアルミニウムを使用することは、これらの力に対抗するのに大量のアルミニウム材が必要となり、製作コストが非常に高くなる。したがって、大きな力に対抗するために鋼材から製造される部分と、大きな強度が不要であるために、アルミニウムから製造される部分とを含むように、戦略的に車体製造が行われることが望ましい。換言すると、損傷に対する車体の抵抗力を犠牲にすることなく、製造コスト及び車体重量を最適化することが望まれている。

鋼材及びアルミニウムの両方により車体を製造する問題点は、これらの２つの材料を一体的に溶接することが極度に困難なことである。スポット溶接法は、迅速で効率的であり、かつ非常に強力な接合力を提供できることから、車体部品の接合方法としては好ましい方法である。先行技術においては、鋼材部品及びアルミニウム部品を一体的に締結するのに、ボルト、リベット又はロウ付けと言った他の締結手段が使われている。しかし、これらの締結手段は、車体製造に使用するには、製造コストが高過ぎ、時間がかかり、非効率的であり、及び／又は、損傷し易い。このため、多くの車体は、様々な車体部品が互いにスポット溶接できるように、全体が鋼材により製作されている。さらに、車体に取り付ける部品の多くも、これらの部品を車体にスポット溶接を行うことができるように、鋼材から製作されている。

アルミニウム及び鋼材のような異種金属間の接合法を改善することにより、最適化された製造コスト並びに重量を有する車体を生産するために、重要でかつ継続した必要性が存在する。

本発明は、第１金属からなる第１部材、及び、該第１金属とは異る第２金属からなる第２部材とを有する２つの金属からなる構成部品を提供する。第１部材は、少なくとも１つの穴を定める。第２部材は、第１部材のシート状部分の回りと、穴を貫通して、直接的に所定位置に鋳込まれて、これらの第１部材及び第２部材を剛的に接合する。

この所定位置に鋳込む工程は、第１部材の一部分を鋳型のキャビティ内に挿入し、さらに該鋳型のキャビティ内に溶融した第２金属を注入する工程を有する。溶融した第２金属は、このキャビティ及び第１部材の穴に満たされる。溶融した第２金属は冷却され、凝固した第２部材を形成し、該第２部材は、穴を貫通することと、第１部材と第２部材の境界面における摩擦とにより、第１部材に剛的に接合される。

第１部材は、シート状金属からなる平坦な帯材とするか、又は、例えば、打ち抜き、又は圧延法によって形成することもできる。次いで、第１部材は、所定位置への鋳込み工程によって、追加の製造コストを殆ど発生させることなく、迅速かつ効率的に第２部材と接合することができる。さらに、これら第１部材及び第２部材の間に結果としてできる接合強度は、非常に強力であり、これら第１部材及び第２部材が個々に耐え得る力のいずれとも同等の大きさの力に耐えることができる。第１部材が鋼材であり、第２部材がアルミニウム材又はマグネシウム材である場合は、第１部材は、次いで、車体のその他の部分に対してスポット溶接することができる。換言すると、本発明の２つの金属からなる構成部品は、戦略的に配置場所が定められたアルミニウム／マグネシウム部品及び鋼材部品を含む車体製造に使用することができる。このことは、損傷に対する車体の抵抗力を犠牲にすることなく、重量及び製造コストを最適化した車体の製造が可能になる点で、有益である。

本発明のその他の利点は、以下の詳細な説明を参照し、添付図面と関連して考察することにより、本発明がよく理解できるようになるにつれて、容易に理解されるであろう。図面は以下の通りである。

２つの金属からなる構成部品の第１の例示的な実施形態の平面図を示す。 ２つの金属からなる構成部品の第１の例示的な実施形態を、図１を２−２線に沿って見た断面図を示す。 ２つの金属からなる構成部品中の第１部材の第２の例示的な実施形態の平面図を示す。 ２つの金属からなる構成部品中の第１部材の第３の例示的な実施形態の平面図を示す。 ２つの金属からなる構成部品の第４の例示的な実施形態の平面図を示す。 ２つの金属からなる構成部品の第４の例示的な実施形態を、図５を６−６線に沿って見た断面図を示す。 ２つの金属からなる構成部品の第５の例示的な実施形態の平面図を示す。 ２つの金属からなる構成部品の第６の例示的な実施形態の平面図を示す。 ２つの金属からなる例示的な懸架装置用制御アームを、上方から見た斜視図を示す。 ２つの金属からなる例示的な懸架装置用制御アームを、下方から見た斜視図を示す。 ２つの金属からなる別の例示的な懸架装置用制御アームを、上方から見た斜視図を示す。 ２つの金属からなる別の例示的な懸架装置用制御アームを、下方から見た斜視図を示す。 車体の２つの金属からなる例示的なピラー連接部の斜視図を示す。 車体の例示的なショックタワーの斜視図を示す。 ２つの金属からなる構成部品を形成するための例示的方法のフローチャートを示す。

図面を参照すると、同じ参照番号は、幾つかの図を通して同じ部品を表しており、２つの金属からなる構成部品２０は、全体的に図１〜図１４に示される。この２つの金属からなる構成部品２０は、締結具、溶接又は圧力嵌めが、材料を結合するために典型的に使用される、あらゆる分野において使用することができる。例示的な実施形態では、この２つの金属からなる構成部品２０は、車両の懸架部分、構造部分、車体又は動力伝達構造における部品といった種々の自動車部品に使用される。例えば、２つの金属からなる構成部品２０は、計器パネルの支持梁、トーションビーム軸、エンジンマウント、サブフレーム、トランスミッションポンプ、駆動軸、管状座席部品、エンジン懸架用クロス材、ラジエータ取り付け部、車体前端部材モジュール、バンパー組立体、ステアリングコラム又はステアリング取り付け用ブラケットとすることができる。しかしながら、この２つの金属の構成部品２０は、自動車用以外に幅広い分野において採用できることも理解されるであろう。

例示的な各実施形態において、２つの金属からなる構成部品２０は、第１金属からなる第１部材２２及び、該第１金属とは異なる第２金属からなる第２部材２４とを有する。第１金属は、高張力鋼であることが好ましく、第２金属は、アルミニウム、アルミニウム合金又はマグネシウムであることが好ましい。しかし、第１金属及び第２金属は、他のいかなる異種金属であってもよいことが理解されるであろう。以下にさらに詳述されるが、第２金属の融点温度は、第１金属の融点温度よりも低いものであることが必要であり、この結果、第２部材２４が、第１部材２２のシート状部分に対して、第１部材に損傷を与えずに所定位置に鋳込みをすることができる。第１部材２２のシート状部分は、平坦面、湾曲面、又はその他の形状を有することができる。

２つの金属からなる構成部品２０ａの第１の例示的な実施形態が、全体的に図１及び図２に示される。図から分かるように、第１部材２２ａ及び第２部材２４ａは、溶接したり、追加部品すなわち締結具を使用したりしないで、互いに接合される。むしろ、第２部材２４ａは、第１部材２２ａのシート状部分周り、及び、該第１部材２２ａの一対の穴２６ａを貫通して、直接的に所定位置に鋳込まれる。この所定位置に鋳込む工程は、以下にさらに詳述されるが、第１部材２２ａ及び第２部材２４ａ間に非常に強固な結合をもたらす。

この第１部材２２は、任意数の穴２６を有することができ、これらの穴２６は、広範囲にわたる形状のいずれとすることもできる。第１の例示的な実施形態は、図２に最も良く示されており、穴２６ａが第１部材２２ａを完全に貫通する。この構成によれば、第２部材２４ａの部分が複数の穴２６ａを貫通することを可能にし、これにより、第２部材２４ａを第１部材に対して、より一層剛的に結合できるようにする。しかし、代替的に、複数穴２６の１つ又はそれ以上において、第１部材２２を部分的に通るようすることもできることが分かるであろう。さらに、穴２６は、第１部材２２の側部に配置することもできる。

２つの金属からなる構成部品２０が、トルク荷重に曝される傾向がある場合には、複数の穴２６を互いに間隔をおいて設けるか、又は、穴２６の１つ（又は複数）を非円形形状にすることが好ましい。これらの形態のいずれも、第１部材２２ａと第２部材２４ａとの間に作用する捩り力に対する付加的な補強力をもたらすことができる。例えば、図１及び図２に示す例示的な第１実施形態の第１部材２２ａは、第１部材２２ａを貫通して延びる、一対の互いに間隔をもった円形穴２６ａを有する。図３に示すような、２つの金属からなる構成部品２０ｂの例示的な第２実施形態では、第１部材２２ｂは、一つのＴ字型（非円形である）穴２６ｂを有し、第２部材２４ｂが、この穴２６ｂを貫通して所定位置に鋳込まれる。２つの金属からなる構成部品２０ｃの例示的な第３実施形態である図４では、第１部材２２ｃは一つのＸ字型（非円形である）の穴２６ｃを有し、第２部材２４ｃは該穴２６ｃを貫通して所定位置に鋳込まれる。穴２６の形状は、星形、六角形、又は四角形を含み、しかしこれらに限定されないで広範囲の形状が採用できることが理解されるであろう。

穴２６は、広範囲にわたる方法のいずれかによって、第１部材２２に形成することができる。例えば、第１部材２２が鋳造される場合には、鋳型（図示せず）は、該鋳型のキャビティ内を横切って延びる所定数の突起を備えるものとし、溶融した第１金属がその突起の周囲で凝固して、第１部材２２内に穴２６を形成するようにする。代替的には、第１部材２２がシート状金属から形成された帯材か、形が未加工の帯材の場合には、該穴２６は、第１部材２２を打ち抜くか又は、機械加工によって形成される。第１部材２２及び穴２６は、望まれるいかなる方法によっても形成できることが理解されるであろう。

穴２６は又、第１部材２２にスリットを切削するか又は打ち抜き、スリットの片側又は両側において第１金属を曲げることによって形成することもできる。例えば、図５及び図６に示される、２つの金属からなる構成部品２０ｄの例示的な第４の実施形態では、この製造方法によって第１部材２２ｄに形成された一つの長方形の穴２６ｄを有する。図６に最もよく示されるように、この曲げ工程は、第１部材２２ｄの上面からほぼ直角方向に離れて延びるフランジ２８ｄを生成する。このフランジ２８ｄは、第１部材２２ｄと第２部材２４ｄとの間の境界部の表面面積を増加し、第１部材２２ｄと第２部材２４ｄが分離するのを防ぐ付加的な補強力をもたらす点で有利である。さらに、材料を曲げることによって穴２６ｄを形成することは、材料の浪費を減少させ、すなわち、第１部材２２ｄの多くの材料が有効利用され、第１部材２２ｄ及び第２部材２４ｄを互いに剛的に結合することができることになり、有利である。

第１部材２２はさらに、スリット及び曲げ工程により形成される１つ以上の穴２６を備えることができる。例えば、２つの金属からなる構成部品２０ｅの例示的な第５の実施形態が図７に概略的に示されており、第１部材２２ｅにおいて、互いに直角に配列される一対の穴２６ｅ及びフランジ２８ｅを有する。第２部材２４ｅは、これらの穴２６ｅを貫通して所定位置に鋳込まれる。さらにまた、図８に示す２つの金属からなる構成部品２０ｆの例示的な第６の実施形態では、第１部材２２ｆの第１金属は、スリットから遠ざかる幾つかの方向に曲げることができる。例示的な第６実施形態では、第１部材２２ｆは、穴２６ｆを囲むフランジ２８ｆを有する。他の実施形態と同様に、第２部材２４ｆが該穴２６ｆを貫通して所定位置に鋳込まれる。

最初の６つの例示的な実施形態では、第１部材２２は、シート状金属が、長方形で平坦な帯材である。この形態は、アルミニウムの第２部材２４を、鋼材構造である車体に取り付けなければならない場合の使用形態として、特に好都合である。このような使用形態では、第１部材２２は鋼材とし、この鋼材が、迅速で低費用のスポット溶接を鋼材構造に対して行えるからである。このようにして、アルミニウムの第２部材２６を有する２つの金属からなる構成部品が、如何なる締結具もロウ付け材料も使わないで、鋼材構造に対し剛的に結合することができる。

２つの金属からなる構成部品２０は、他に多くの形態を採り得ることも理解されるであろう。例えば図９及び図１０では、２つの金属からなる構成部品２０ｇは、車両懸架用の支持アーム２０ｇである。この２つの金属からなる支持アーム２０ｇの第１部材２２ｇは、懸架装置制御アーム用のシート状鋼材ブラケット２２ｇであり、該ブラケット２２ｇは、該ブラケット２２ｇに付加的な強度を与える複数の溝及び他の特徴を有する。

２つの金属からなる構成部品２０は、１つの第１部材２２に１つ以上の第２部材２４が取り付けられたものとすることもできる。例えば、図９及び図１０の２つの金属からなる支持アーム２０ｇは、一対の第２部材２４ｇを備えており、第２部材２４ｇのそれぞれは、車両懸架装置用部品（図示せず）に取り付けるためのアルミニウムの取り付け部２４ｇである。この取り付け部２４ｇは、ブラケット２２ｇの至る所に一体的に相互連結される。

さらに、２つの金属からなる構成部品２０は、１つの第２部材２４に取り付ける１つ以上の第１部材２２とすることもできる。例えば、図１１及び図１２は、車両懸架装置用の２つの金属からなる別の支持アーム２０ｈを示す。この２つの金属からなる支持アーム２０ｈにおいては、第２部材２４ｈはアルミニウムマウント２４ｈであり、第１部材２２ｈは、このアルミニウムマウント２４ｈから外方に延びる複数のシート状鋼ブラケット２２ｈである。この実施形態では、アルミニウム製のマウント２４ｈが各鋼ブラケット２２ｈの所定位置に鋳込まれる。

図１３では、２つの金属からなる構成部品２０ｉは、車体のピラー連接部２０ｉである。この実施形態では、第２部材２４ｉがアルミニウム製であり、鋼材から成る４つの第１部材２２ｉが、第２部材２４ｉを上述した所定位置に鋳込むことにより、第２部材２４ｉに結合される。図１３の例示的な実施形態では、第１部材２２ｉが、鋼材である車体３０にスポット溶接される。この構造では、車体の支柱連接部２０ｉが全体的に鋼製ではなく、部分的にアルミニウム製であることにより、車体３０の全重量を軽減できる点で有利となる。アルミニウムが戦略的に車体３０内に配置されるので、損傷に対する車体の抵抗力を犠牲にすることなく、重量及び製造コストを最適化することができる。

図１４では、２つの金属からなる構成部品２０ｊは、２つの金属からなる、車両用のショックタワー２０ｊである。この実施形態では、第２部材２４ｊはアルミニウム製であり、鋼製の３つの第１部材２２ｊが、第２部材２４ｊの上述した所定位置への鋳込みにより第２部材２４ｊに結合される。第１部材２２ｊは、車体（図示せず）にスポット溶接することができる。この構造によれば、車両ショックタワー２０ｊが全体的に鋼製とされるのではなく、部分的にアルミニウム製であり、車体の全重量が軽減されることになって有利である。

２つの金属からなる構成部品２０を形成する例示的な方法が、図１５のフローチャートに示される。この方法は、第１金属から成る第１部材２２を形成するステップ１００から開始される。上述したように、例示的な実施形態では、第１金属は高張力鋼である。第１部材２２は、例えば鋳造、圧延、型押し、機械加工法などを含む所望のどのような方法によっても形成することができる。代替的には、第１部材２２はシート状鋼から成る帯材とすることもできる。

この方法は、第１部材２２に、少なくとも１つの穴２６を形成するステップ１０２に続く。各々の穴２６は、第１部材２２内を貫通して延びることが好ましい。しかし、これらの穴２６は、第１部材２２内を部分的に通るようにしてもよいことが理解されるであろう。該穴２６は、第１部材２２の形成中か、または形成後に形成することができる。上述したように、第１部材２２はいくつ穴２６を備えてもよく、また穴２６の形状も所望の種々の形状のものにすることができる。

この方法は、キャビティを有する鋳型を準備するステップ１０４に続く。第２部材２４を形成するためには、所望の鋳込み法のいずれを採用することもでき、したがって鋳型は、金属金型、セラミック金型、砂型などである。さらにこの鋳込み工程において、圧力絞り鋳造又は真空鋳造を採用することもできる。

この製造方法はさらに、第１部材２２の一部分を鋳型のキャビティ内に挿入するステップ１０６に続く。鋳型内に挿入される第１部材２２の部分には、少なくとも１つの穴２６が含まれるべきである。次いでこの方法は、第１部材２２の一部分が挿入された該キャビティ内に、第１部材２２の第１金属とは異る溶融した第２金属を注入するステップ１０８に続く。溶融した第２金属は、鋳型のキャビティ内を満たして、第１部材２２の穴２６を含む第１部材２２の所定部分を被覆する。第２金属の融点温度は、第１金属の融点温度より低いことが必要であり、また、この溶融第２金属は、第２金属の融点温度より高くかつ第１金属の融点温度より低い温度で、鋳型のキャビティ内に注入される必要がある。これにより、鋳込み工程中に、第１部材２２が損傷しないことが保証される。上述したように、第１金属は高張力鋼であることが好ましく、第２金属はアルミニウムであることが好ましい。溶融アルミニウムは、約６２０〜７６０℃の間の温度で鋳型のキャビティ内に注入されることが好ましい。

ひとたび第２金属が冷却されて凝固すると、鋳型が開かれて、第１部材と第２部材の境界面における摩擦と、第１部材２２の穴を貫通して延びた第２部材の貫通部分との両方によって、第１部材と剛的に結合された第２部材が完成する。第１部材２２及び第２部材２４の間にできる結合力は非常に強固であり、これとは別の締結具又は他の締結部品を使う必要がなくなる。もし望まれるなら、この２つの金属からなる構成部品２０は、さらに、熱処理工程によって第１金属及び／又は第２金属の物性を変化させることもできる。

上述の教示にしたがって、本発明に対し数多くの修正並びに変形を行い、さらに詳細に説明された以外の方法により実施できることも明白であり、これらの実施をする方法も添付した特許請求の範囲内に包含される。この先に述べた事項は、発明の新規性が発揮されるようなどのような組合せも包含するものと解釈すべきである。積極的な引用である先行するものについて述べる装置についての特許請求の範囲中の用語「前記」の使用は、請求の範囲が包含する範囲に含まれることを意味しており、一方、ある言葉に先行する用語「前記」は、請求の範囲が包含する範囲に含まれることを意味するものではない。

２０ ２つの金属からなる構成部品
２２ 第１金属からなる第１部材
２４ 第２金属からなる第２部材
２６ 第１部材に設けた穴
２８ フランジ
３０ 車体

Claims (20)

1. 第１金属からなる第１部材を備え；
   前記第１部材はシート状であり、かつ、少なくとも１つの穴が該部材を貫通して延びるように定められており、
   前記第１金属とは異る第２金属からなる第２部材が、前記第１部材の一部分の周りに、かつ、前記穴を貫通して直接に所定位置に鋳込まれ、前記第１部材及び第２部材を剛的に接合している、
   ことを特徴とする２つの金属からなる構成部品。
2. 前記第２金属の融点温度が、前記第１金属の融点温度より低いものであることを特徴とする請求項１に記載された２つの金属からなる構成部品。
3. 前記第１金属が、鋼であることを特徴とする請求項１に記載された２つの金属からなる構成部品。
4. 前記第１部材が、シート状鋼材から形成されることを特徴とする請求項３に記載された２つの金属からなる構成部品。
5. 前記第２金属が、アルミニウムであることを特徴とする請求項３に記載された２つの金属からなる構成部品。
6. 前記少なくとも１つの穴が、さらに、複数の穴として定められることを特徴とする請求項１に記載された２つの金属からなる構成部品。
7. 前記少なくとも１つの穴が、非円形であることを特徴とする請求項１に記載された２つの金属からなる構成部品。
8. 前記少なくとも１つの穴が、円形であることを特徴とする請求項１に記載された２つの金属からなる構成部品。
9. 前記第１部材及び第２部材が、自動車用部品であることを特徴とする請求項１に記載された２つの金属からなる構成部品。
10. 前記第１部材がブラケットであり、前記第２部材が懸架装置用取り付け部であることを特徴とする請求項１に記載された２つの金属からなる構成部品。
11. 前記第１部材が、前記穴に隣接したフランジを有することを特徴とする請求項１に記載された２つの金属からなる構成部品。
12. 第１金属からなる第１部材を形成する工程と；
    前記第１部材のシート状部分に少なくとも１つの穴を、前記第１部材を貫通するように形成する工程と；
    前記第１金属とは異る第２金属からなる第２部材を、前記第１部材の一部分の上に、かつ前記穴を貫通して鋳込み、前記第１部材及び第２部材を剛的に接合する工程と、
    を含むことを特徴とする２つの金属からなる構成部品の製造方法。
13. 前記第１金属が、鋼材であることを特徴とする請求項１２に記載された方法。
14. 前記第２金属が、アルミニウムであることを特徴とする請求項１３に記載された方法。
15. 前記第１金属の融点温度が、前記第２金属の融点温度より高いものであることを特徴とする請求項１２に記載された方法。
16. 前記第２部材を第１部材の一部の上に鋳込みする工程が、さらに
    キャビティを有する鋳型を準備する工程と；
    該鋳型のキャビティ内に第１部材の一部分を挿入する工程と；および、
    該鋳型のキャビティ内に溶融した第２金属を注入する工程と、
    を有することを特徴とする請求項１５に記載された方法。
17. 前記注入する工程における溶融した第２金属の温度が、第２金属の融点温度より高く、かつ前記第１金属の融点温度より低いものであることを特徴とする請求項１６に記載された方法。
18. 溶融した第２金属が、約６２０から７６０℃までの間の温度であることを特徴とする請求項１７にされた方法。
19. 前記穴を形成する工程がさらに、第１金属をスライスしてかつ曲げる工程として定められる請求項１２に記載された方法。
20. 前記第１部材を鋼材構造に溶接する工程を有する請求項１２に記載された方法。

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