JP2020146747A - 車体フレームの製造方法、及び車体フレーム - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、本発明は、材料のグレードアップ、補強材及び板厚アップ等による対策に依存せずに、車体フレームに要求される耐荷重を確保し易くすることを目的とする。
図1は、本発明の実施形態に係る車体フレームを示す図である。
車体フレーム10は、自動車等の車両用のフレーム部品であり、複数の一般面からなる多角形の断面形状で所定方向に延在する形状を有している。本実施形態の車体フレーム10は、金属板材(鋼板)をプレス成形することによって形成されたプレス成形品であり、所定方向Y(以下、長手方向Yと言う)に延在する板部11と、板部11の左右両端から下方に延びる左右一対の側面部12、13とからなる3つの一般面に加え、各側面部12、13の下端から外側に張り出す一対のフランジ部14、15を有する、いわゆる断面ハット形状に形成されている。
この車体フレーム10は、各フランジ部14、15がフロアパネル等に接合されることによって、閉断面構造となり、車両の骨格部品又は補強部品等として機能する。なお、車体フレーム10に使用される金属板材は、例えば高張力鋼板である。
図1及び図2に示すように、車体フレーム10の長手方向Yにおける中央部10Cには、山部M1と谷部V1が繰り返す波形状21がプレス成形されている。図2には、板部11及び側面部12、13からなる3つの一般面に波形状21がプレス成形されている場合を示している。山部M1と谷部V1が延びる方向は特に限定されるものではないが、図2では、山部M1と谷部V1とがそれぞれ長手方向Yに沿って直線状に延び、かつ、互いに平行である。
なお、図1では、車体フレーム10の全ての一般面11〜13の中央部10Cに波形状21をプレス成形しているが、目標の耐荷重が得られる範囲であれば、一般面11〜13のいずれかの中央部10Cだけに波形状21をプレス成形してもよい。また、中央部10C以外に波形状21をプレス成形してもよい。さらに、車体フレーム10の形状も適宜に変更してもよく、要は曲げ変形等が相対的に生じやすい部位に予ひずみを付与し、所望の耐荷重を満足させるようにすればよい。
図3に示すように、波形状21には、円弧に沿った山部M1と谷部V1からなる波が繰り返す波形状が採用され、換言すると、正弦波を近似した波形状が採用されている。この波形状21が付与する予ひずみは、波の高さH、及び波の曲げ半径r(山部M1と谷部V1を近似する円弧の半径rに相当)等によって決定することができる。具体的には、予ひずみは次の計算式(1)、(2)で求めることができる。
板外部P2のひずみ量=((r+D/2)×θ/rsinθ)−1・・・(2)
また、値θは、波の高さがmax値(高さHに相当)から値0になるまでの上記円弧の角度(山部M1と谷部V1を近似する円の角度範囲に相当)に相当する。式(1)中の値rθは、図3に示す周長Lに相当する。また、値Dは、車体フレーム10の板厚である。
図4では、説明の便宜上、予ひずみに相当する塑性ひずみを三段階に分けて模式的に示しており、相対的にひずみ量が多い領域を「領域SA」で示し、次にひずみ量が多い領域を「領域SB」で示し、相対的にひずみ量が小さい領域を「領域SC」で示している。なお、発明者等は、シミュレーションによって求めたひずみ量と、上記の簡易な計算式(1)、(2)で求めたひずみ量とが概ね一致していることを確認済である。
図6中、符号f1は、波形状21をプレス成形しない場合の特性曲線であり、符号f2は、図5中の上面に相当する板部11だけに波形状21をプレス成形した場合の特性曲線図である。符号f3は、図5中の側面部12、13だけに波形状21をプレス成形した場合の特性曲線図であり、符号f4は、車体フレーム10の三面(板部11、側面部12、13)に波形状21をプレス成形した場合の特性曲線図である。この図6から特性曲線f4>f3>f2>f1の関係で降伏応力が高くなることが判る。
本実施形態では、車体フレーム10の基本形状をプレス成形する工程(以下、「基本成形工程K1A」)の後工程において、波形状21をプレス成形する予ひずみ工程K1Dが行われる。基本成形工程K1Aは、図1の車体フレーム10の場合、断面ハット形状に形成するまでの工程に相当する。なお、図1には示していないが、実際の車体フレーム10には、断面ハット形状に形成した後に、各部に凹部又は凸部等の段差を設ける、といった追加工が適宜に施される。
本実施形態では、基本成形工程K1Aの後に予ひずみ工程K1Dを行うので、基本形状を形成するためのプレス成形によって、波形状21の領域がプレスされることがない。具体的には、図7に示すように、基本成形工程K1A後に行われるプレス成形K1B、及びトリミング成形K1Cの後に予ひずみ工程K1Dを行っており、つまり、プレス工程K1の最後に予ひずみ工程K1Dを行っている。これにより、基本形状を成形するためのプレス成形が波形状21に影響する事態を避けることができる。
この場合、プレス工程K1中のプレス成形等が波形状21に影響しない範囲で、予ひずみ工程K1Dのタイミングを変更してもよい。例えば、基本成形工程K1Aの後、かつ、プレス成形K1B又はトリミング成形K1Cの前のタイミングで、予ひずみ工程K1Dを行うようにしてもよい。また、基本成形工程K1A中の最後のプレス成形時、又はプレス工程K1中の最後のプレス成形K1B時に、予ひずみ工程K1Dに相当するプレス成形を同時に行うようにしてもよい。
但し、上記焼鈍の熱処理によっては、予ひずみ工程K1Dで付与される予ひずみが減少することがある。このため、予ひずみに影響しないように熱処理の条件を設定すること、又は、焼鈍による減少分を加味して予ひずみを付与することが好ましい。
図8には、プレス成形による残留ひずみが相対的に多い領域を「領域SB1」で示し、領域SB1のうち特に残留ひずみが特に多い領域を「領域SA1」で示している。また、図8中の領域SBを示す輪郭内には、残留ひずみが相対的に少ない領域(図8中、領域SC1で示す)が存在する。
領域SB1、SA1で示す領域は、図8に示すように、プレス成形による曲げが存在する領域、及び、曲げの箇所が互いに近接する領域等である。一方、図8中の領域SC1で示す領域、及び、複数の領域SB1に挟まれる領域は、残留ひずみが相対的に少ない領域である。
例えば、図8に示す車体フレーム10に波形状21を追加する場合、領域SC1に設けることが好ましい。
図9は、波形状のバリエーションの説明に供するフレーム断面図であり、符号Aは、波形状21をプレス成形しない比較例1のフレーム断面図であり、符号Bは、上記波形状21を板部11にプレス成形した参考例1のフレーム断面図であり、符号Cは、台形形状の山部M1と谷部V1とからなる波形状21(ビード形状とも称する)を板部11に成形した参考例2のフレーム断面図である。これら比較例1、参考例1及び2について、3点曲げでの検証を行い、その検証結果を図10に示している。
図10中、符号fAは、比較例1の特性曲線であり、符号fBは、参考例1の特性曲線図であり、符号fCは、参考例2の特性曲線図である。
この図10から特性曲線fC>fB>fAの関係で降伏応力が高くなることが明らかである。また、波形状21の各波を、いわゆる三角波にしてもよい。つまり、波形状21は、特性曲線fAよりも降伏応力が高くなる範囲で適宜に変更してもよい。
ところで、車体フレーム10は、使用する材料に応じて降伏応力の異方性を有する場合がある。例えば、高強度材の場合、圧延方向が一般的に高い強度を有することが知られている。この異方性を考慮して、波形状21の方向を設定してもよい。例えば、圧延方向に対して0°方向に山部M1及び谷部V1が延在する波形状21にすれば降伏応力を上げやすくなる。また、圧延方向に対して90°方向に山部M1及び谷部V1が延在する波形状21にすれば、異方性の影響を低減できる。また、圧延方向に対して45°方向に山部M1及び谷部V1が延在する波形状21にしてもよい。
しかも、車体フレーム10の基本形状をプレス成形する基本成形工程K1Aの後、又は、基本成形工程K1Aの最後のプレス成形と同時に予ひずみ工程K1Dを行うので、基本形状を成形するためのプレス成形が波形状21に影響する事態を避けることができる。
また、波形状21は、一又は複数回のプレス成形による残留ひずみが相対的に少ない領域に設けられることによっても、予ひずみを所望の値に容易に調整し易くなる。
また、波形状21が有する波を、車体フレーム10の長手方向Yに延ばしたので、車体フレーム10の長手方向Yに沿って予ひずみが揃うので、車体フレーム10の曲げ強度向上に有利となる場合がある。但し、波形状21が有する波が延びる方向は長手方向Yに限定されず、例えば、図11に示すように、波形状21が有する波を、車体フレーム10の長手方向Yに直交する方向に延ばしてもよい。例えば、車体フレーム10における降伏応力の異方性に合わせて、波形状21が有する波が延びる方向を調整してもよい。
また、本実施形態の車体フレーム10には、図1及び図11に示したように、車体フレーム10となるプレス成形品の降伏応力を上昇させる塑性ひずみの範囲内で、予ひずみを付与する波形状21が設けられており、波形状21が有する波は、車体フレーム10における長手方向Y、又は長手方向Yに直交する方向の少なくともいずれかに延びている。車体フレーム10に作用する荷重等に合わせて波形状21を設定すれば、より適切な耐荷重を確保し易くなる。
例えば、車体フレーム10は、図12の符号A、Bに示すようなフレーム形状でもよい。同図12に示すように、フレーム形状等に合わせて波形状21の位置も適宜に変更することが好ましい。
また、上記実施形態では、自動車が有する車体フレーム10の製造方法等に本発明を適用する場合を説明したが、自動車に限定されず、公知の様々な車両の車体フレーム10の製造方法等に本発明を適用してもよい。また、金属製の車体フレーム10に限定されず、公知の任意の製品に採用され、強度が要求されるフレーム部材等の製造方法に本発明を適用してもよい。また、車体フレーム10等のフレーム部材の材料は、予ひずみに応じて強度が変化し、かつプレス成形が可能な様々な材料を広く適用可能である。
10C 中央部
11 板部
12、13 側面部
14、15 フランジ部
21 波形状
Y 車体フレームの長手方向
H 波の高さ
r 波の曲げ半径
θ 波の円弧の角度
D 板厚
L 周長
LC 中心軸線
PT 波のピッチ
P1 板中心
P2 板外部
M1 山部
V1 谷部
K1 プレス工程
K2 溶接工程
K3 塗装工程
K1A 基本成形工程
K1D 予ひずみ工程
Claims (8)
- 一又は複数回のプレス成形によって成形される車体フレームの製造方法において、
いずれかの前記プレス成形の後に、予ひずみを付与する波形状をプレス成形する予ひずみ工程を行うことを特徴とする車体フレームの製造方法。 - 前記プレス成形は、前記車体フレームの基本形状を成形する基本成形工程を含み、
前記基本成形工程の後、又は、前記基本成形工程の最後のプレス成形と同時に、前記予ひずみ工程を行うことを特徴とする請求項1に記載の車体フレームの製造方法。 - 前記波形状は、波の高さ、波の曲げ半径及び波のピッチの少なくともいずれかによって前記予ひずみが調整されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の車体フレームの製造方法。
- 前記波形状は、前記一又は複数回のプレス成形による残留ひずみが相対的に少ない領域に設けられることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の車体フレームの製造方法。
- 前記波形状は、前記車体フレームが有する稜線を避けた領域、プレス成形時にプレスされたプレス面、及び、前記プレス面から屈曲する側面部の少なくともいずれかの領域に設けられることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の車体フレームの製造方法。
- 前記波形状が有する波は、前記車体フレームの長手方向、又は長手方向に直交する方向の少なくともいずれかに延びていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の車体フレームの製造方法。
- 前記予ひずみは、当該車体フレームとなるプレス成形品の降伏応力を上昇させる塑性ひずみの範囲内であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の車体フレームの製造方法。
- プレス成形によって成形される車体フレームにおいて、
前記車体フレームには、当該車体フレームとなるプレス成形品の降伏応力を上昇させる塑性ひずみの範囲内で、予ひずみを付与する波形状が設けられており、
前記波形状が有する波は、前記車体フレームにおける長手方向、又は長手方向に直交する方向の少なくともいずれかに延びていることを特徴とする車体フレーム。
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