JP2019093905A - ドアビーム - Google Patents

Abstract

【課題】長手方向に沿って溶着部を有する閉断面構造のアルミニウム合金押出形材からなる自動車のドアビームにおいて、衝突時に破断が生じにくく、高いエネルギー吸収性能が得られるようにする。【解決手段】車体幅方向内側及び外側に位置する一対のフランジ２，３と、それらを接続する一対のウエブ４，５を備えるドアビーム１であって、溶着部６，７が、一対の長手方向（アルミニウム合金押出形材の押出方向）に沿って形成されているフランジ２，３に設けられ、一対のウエブ４，５に設けられていない。【選択図】図１

Description

本発明は、閉断面構造のアルミニウム合金押出形材からなる自動車のドアビームに関する。

アルミニウム合金押出形材からなるドアビームは、一般に、一対のフランジ（車体幅方向外側に位置するアウターフランジと、車体幅方向内側に位置するインナーフランジ）と、それらを連結する一対のウエブからなる（特許文献１参照）。ドアビームは、これらの一対のフランジ及びウエブにより、閉断面構造を有する。

このような閉断面構造のアルミニウム合金押出形材は、ポートホールダイス、ブリッジダイス、スパイダーダイスなどのホローダイを用いて製造される。例えば、ポートホールダイスを用いた押出方法では、複数のポート孔を備えたマンドレルボディとダイスを組み合わせたポートホールダイスが使用される。ポートホールダイスに押し込まれたアルミニウムビレットは、前記ポート孔で分断された後、前記マンドレルを取り囲んで再び溶着して一体化し、内面を前記マンドレルで、外面を前記ダイスで成形されて閉断面構造の押出形材となる。このように、ホローダイを用いて製造された閉断面構造のアルミニウム合金押出形材には、必然的に溶着部が存在する。

溶着部があるアルミニウム合金押出形材は、溶着部と溶着部以外（通常部）とで組織が異なり、前記溶着部の機械的性質、例えば破断限界が通常部に比べて低いことが問題となる。アルミニウム合金押出形材からなるドアビームにおいて、溶着部の破断限界が低いことは、ドアビームのエネルギー吸収部材としての強度及びエネルギー吸収量の低下を招く可能性がある。
一方、溶着部がある閉断面構造のアルミニウム合金押出形材について、例えば特許文献２〜５に記載されているように、材料組成や製造条件を改良することにより、溶着部の機械的性質を向上させることが検討されている。

特開２００６−２３３３３６号公報 特開平１０−３０６３３８号公報 特開２００３−１５４４０７号公報 特開２００７−２３１４０８号公報 特開２００９−４５６７２号公報

しかし、このような材料組成や製造条件の改良によっても、アルミニウム合金押出形材の溶着部と通常部の機械的性質を同等にすることは難しい。
本発明は、このような溶着部を有する閉断面構造のアルミニウム合金押出形材からなるドアビームにおいて、衝突時の破断を生じにくくすることを目的とする。

本発明に係るドアビームの一形態は、長手方向（押出方向）に沿って溶着部を有する閉断面構造のアルミニウム合金押出形材からなり、車体幅方向内側及び外側に位置する一対のフランジと、前記一対のフランジを接続する一対のウエブを備え、前記溶着部が前記一対のフランジに設けられ、前記ウエブに設けられていない。

本発明に係るドアビームの一形態において、溶着部を一対のフランジに設け、一対のウエブに設けないことにより、衝突時のウエブの座屈変形において前記溶着部が変形の起点になることを回避でき、それにより衝突時にウエブの破断が生じにくくなる。

本発明に係るドアビームの一形態を示すもので、初期断面構造（図１Ａ）、及び衝突により曲げ変形した断面構造（図１Ｂ）である。 ドアビームの別の形態を示すもので、初期断面構造（図２Ａ）、及び衝突により曲げ変形した断面構造（図２Ｂ）である。 衝突前半の段階でのドアビームの形状（図３Ａ）、及び衝突後半の段階でのドアビームの形状（図３Ｂ）である。 大Ｒ曲げされたドアビームの断面における残留応力分布を模式的に示す図である。

始めに、図１を参照して、本発明に係るドアビームの一形態について説明する。
図１Ａに示すドアビーム１は、長手方向（押出方向）に沿って溶着部を有する閉断面構造のアルミニウム合金押出形材からなる。ドアビーム１は長手方向に真直で、車体幅方向内側及び外側に位置する一対のフランジ（内側フランジ２，外側フランジ３）と、それらを接続する一対のウエブ４，５からなる。内側フランジ２及び外側フランジ３はいずれも、一対のウエブ４，５との接合部から外側に突出した部分（突出フランジ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ）を有する。一対のフランジ２，３と一対のウエブ４，５はいずれも平板状で、互いに略垂直に形成されている。
なお、一対のウエブ４，５の間に１つ以上の中リブを設けても良い。また、図１Ａに示すドアビーム１では、一対のフランジ２，３にはそれぞれ両端に突出フランジ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂが設けられているが、その点は必須ではなく、一方又は両方のフランジに突出フランジが設けられていない断面形状であっても良い。

このドアビーム１では、溶着部６，７が一対のフランジ２，３に形成されている。溶着部６，７は、ドアビーム１の長手方向（アルミニウム合金押出形材の押出方向）に沿って形成されている。
なお、一対のフランジ２，３の幅方向における溶着部６，７の位置は、特に限定されない。しかし、衝突時において溶着部６，７が割れ発生の起点となるのを防止するとの観点より、溶着部６，７の位置は、フランジ２，３とウエブ４，５の接合部を避けて、ウエブ４とウエブ５の間とすることが好ましく、図１Ａに示すように、ウエブ４とウエブ５の間の中央部（ウエブ４からの距離とウエブ５からの距離がほぼ同じ位置）がより好ましい。前記中リブを設けた場合も同様に、溶着部の位置は前記中リブとフランジ２，３との接合部を避けて、ウエブ４とウエブ５の間（ウエブ４と中リブの間又は／及びウエブ５と中リブの間）とすることが好ましい。

ドアビーム１の素材である閉断面構造のアルミニウム合金押出形材は、ポートホールダイス、ブリッジダイス、スパイダーダイスなどのホローダイを用いて製造される。上記溶着部６，７は、メタルフローがホローダイの中で一度分断され、その後一体化されることにより形成されたもので、アルミニウム合金押出形材の長手方向（押出方向）に沿って存在し、溶着部以外の部分（通常部）とはミクロ組織が異なる。

図２Ａに、本開示に係るドアビーム１（図１Ａ）とは異なる形態のドアビーム１１（従来材）の断面図を示す。図２Ａのドアビーム１１において、図１Ａのドアビーム１と実質的に同じ部位には同じ番号を付与している。
ドアビーム１１は、長手方向（押出方向）に沿って溶着部を有する閉断面構造のアルミニウム合金押出形材からなり、ドアビーム１と基本的に同じ閉断面構造を有する。
ただし、このドアビーム１１では、ドアビーム１とは異なり、溶着部１６，１７が一対のウエブ４，５に形成されている。溶着部１６，１７は、ドアビーム１の溶着部６，７と同様に、ドアビーム１の長手方向（アルミニウム合金押出形材の押出方向）に沿って形成されている。

ドアビーム１，１１に衝突荷重Ｐが負荷されると、ドアビーム１，１１には車体上下方向を回転軸とした曲げ変形が生じ、衝突前半の段階では（図３Ａ参照）、内側フランジ２に引張歪みが発生し、外側フランジ３に圧縮歪みが発生する。続いて衝突後半の段階では（図３Ｂ参照）、ウエブ４，５が座屈し、車幅方向中間領域を中心として曲げ変形する。
ドアビームは、衝突荷重を受け止めるため、エネルギー吸収量を高くすることが要求されている。高いエネルギー吸収量を確保するためには、特に衝突後半段階において、車幅方向内側（衝突背面側）のフランジが破断しないようにウエブを座屈させ、車幅方向内側のフランジに発生する引張歪みを緩和することが必要である。ウエブが座屈する際、ウエブは、その車幅方向中間領域を中心に曲げ変形し、この領域に局部的な歪み集中が生じる。そして、ウエブに破断限界が低い溶着部が設けられていると、衝突後半段階において、溶着部が起点となってウエブが早期に座屈変形し、あるいは溶着部が容易に破断しやすく、それ以降のエネルギー吸収性能が低下するという問題が生じ得る。

ドアビーム１１の場合、歪み集中が生じやすい一対のウエブ４，５に溶着部１６，１７が形成されている。このため、衝突後半の段階において（図２Ｂ参照）、溶着部１６，１７が起点となって一対のウエブ４，５が早期に座屈変形し、あるいは溶着部１６，１７においてウエブ４，５が容易に破断しやすく、それ以降のエネルギー吸収性能が低下する。

一方、ドアビーム１の場合、一対のウエブ４，５に溶着部６，７が形成されていない。このため、衝突後半の段階において（図１Ｂ参照）、溶着部６，７が一対のウエブ４，５の座屈変形の起点となることが回避され、一対のウエブ４，５の破断も生じにくくなることで、エネルギー吸収性能の低下が防止できる。
なお、ドアビーム１では、溶着部６，７がフランジ部に形成されたことにより、衝突前半の車体上下方向を回転軸とした一対のフランジ２，３の曲げ変形において、溶着部６，７にも高い歪みが発生する。しかし、この曲げ変形は、一対のウエブ４，５の座屈による曲げ変形と異なり、一対のフランジ２，３全体で長手方向に引張又は圧縮荷重を受けるような変形形態であり、また、一対のフランジ２，３全体に占める溶着部６，７の割合が比較的小さい。このため、溶着部６，７に起因するフランジ２，３の強度低下は無視できるほどに小さく、また、溶着部６，７の変形が溶着部６，７周辺の材料（通常部）により抑制され、溶着部６，７の破断が生じにくい。

本発明に係るドアビームの他の形態として、長手方向に曲げ加工（いわゆる大Ｒ曲げ）が施され、それにより車体幅方向外側に凸湾曲した形状（例えば特開２０１５−１４７４９０号公報の図５（ｂ）参照）を有していてもよい。図１に示す断面構造は、このような曲げ加工が施されたドアビームに適用するのに好適である。

曲げ加工が単純曲げ（長手方向に引張力を付加しない曲げ加工）で、ドアビームが車体幅方向外側に凸湾曲した形状である場合、ドアビーム内の残留応力分布は、概略、図４に実線で示すようなものとなる。ここで、Ｘｃは曲げの中立軸であり、軸Ｙの右側が引張応力、左側が圧縮応力である。残留引張応力は、中立軸Ｘｃよりやや外側フランジ３に寄った位置で最大となる。また、曲げ加工が引張曲げの場合、ドアビーム内の残留応力分布は、概略、図４に破線で示すようなものとなる。引張力により曲げの中立軸Ｘｃが内側フランジ２側に移動することにより、残留引張応力は、単純曲げの場合に比べて、内側フランジ２側に寄った位置で最大となる。いずれにしても、曲げ加工したドアビーム内には、ウエブ４，５の車幅方向略中央領域において、大きい引張応力が残留する。

閉断面構造のアルミニウム合金押出形材において、溶着部はそれ以外の部位（通常部）に比べて応力腐食割れが発生しやすく、このような溶着部が、大きい引張応力が残留するウエブ４，５の前記車幅方向略中央領域に存在すると、当該領域に応力腐食割れが発生しやすい。一方、本発明に係るドアビームの前記形態において、応力腐食割れが発生しやすい溶着部６，７（図１Ａ参照）が、曲げ加工によって高い引張応力が残留するウエブ４，５に形成されていない。従って、溶着部１６，１７（図２Ａ参照）がウエブ４，５に形成されているドアビームに比べ、ウエブ４，５に応力腐食割れが生じにくく、このためより厳しい曲げ加工を施すことも可能である。

本発明に係るドアビームのさらに他の形態として、長手方向の少なくとも一部にプレス加工（潰し加工）が施され、それにより長手方向の一部に一対のフランジの間隔が狭くなった潰し加工部を有していてもよい。図１Ａに示す断面構造は、このような曲げ加工が施されたドアビームに適用するのに好適である。

潰し加工を受けた箇所（潰し加工部）では、一対のウエブ４，５が曲げ変形し、一対のフランジ２，３の間隔が狭くなる。潰し加工を行うと、一対のウエブ４，５の潰し加工部と非潰し加工部の境界領域に高い引張応力が残留する（特開２０１４−１４５１１９号公報参照）。しかし、本発明に係るドアビームの前記形態において、一対のウエブ４，５に溶着部６，７（図１Ａ参照）が形成されていないので、一対のウエブ４，５に溶着部１６，１７が形成されたドアビーム（図２Ａ参照）に比べ、ウエブ４，５に応力腐食割れが生じにくく、このため、より厳しい潰し加工を施すことも可能である。一対のウエブ４，５に溶着部６，７が形成されていないことで、潰し加工時の破断限界が向上するという利点もある。

本発明に係るドアビームの上記各形態（図１Ａ参照）において、衝突前半の段階の車体上下方向を回転軸とした曲げ変形で高い強度を確保するには、中立軸に近い一対のウエブ４，５より、中立軸から遠い位置にある一対のフランジ２，３の肉厚を大きくした方が効果的である。一方、ホローダイを用いた押出の場合、互いに接続された２辺（フランジとウエブ）の肉厚差が３倍を超えると、欠肉などの製造不良が生じやすい。このため、本発明に係るドアビームの上記各形態において、フランジ２，３の肉厚は、ウエブ４，５の肉厚の２〜３倍に設定されていることが好ましい。

ドアビームの素材であるアルミニウム合金押出形材として、特に限定しないが、６０００系アルミニウム合金押出形材に比べて破断限界が低く、応力腐食割れの問題が生じやすい高強度の７０００系アルミニウム合金押出形材を好適に採用できる。７０００系アルミニウム合金の組成としては、ＪＩＳ又はＡＡ規格で規定される組成が適用できる。好ましい組成として、Ｚｎ：３〜８質量％、Ｍｇ：０．４〜２．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜２．０質量％、Ｔｉ：０．００５〜０．２質量％を含有し、さらにＭｎ：０．０１〜０．３質量％、Ｃｒ：０．０１〜０．３質量％、Ｚｒ：０．０１〜０．３質量％の１種以上を含有し、残部Ａｌ及び不純物からなる組成を挙げることができる。

１，１１ ドアビーム
２ 内側フランジ
３ 外側フランジ
４，５ ウエブ
６，７，１６，１７ 溶着部

Claims (7)

1. 長手方向に沿って溶着部を有する閉断面構造のアルミニウム合金押出形材からなるドアビームであって、車体幅方向内側及び外側に位置する一対のフランジと、前記一対のフランジを接続する一対のウエブを備え、前記溶着部が前記一対のフランジに設けられ、前記一対のウエブに設けられていないことを特徴とするドアビーム。
2. 前記溶着部が前記一対のウエブの間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載されたドアビーム。
3. 前記一対のウエブの間に前記一対のフランジを接続する中リブが設けられ、前記溶着部が前記中リブに設けられていないことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載されたドアビーム。
4. 前記溶着部が前記一対のウエブの間の中央部に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載されたドアビーム。
5. 長手方向に沿って曲げ加工され車体幅方向外側に凸湾曲していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載されたドアビーム。
6. 長手方向の一部に一対のフランジの間隔が狭くなった潰し加工部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載されたドアビーム。
7. ７０００系アルミニウム合金押出材からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載されたドアビーム。

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