JP3854812B2 - 自動車用強度部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のフロントサイドメンバ、リヤサイドメンバ、クロスメンバ、サイドシル等に用いられる自動車用強度部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のフロント部エンジンルーム内には車軸方向左右に車体前後方向に延設された強度部材としてのフロントサイドメンバが設けられている。車両の前面衝突時にフロントサイドメンバに圧縮加重が加わると、フロントサイドメンバが長手軸方向に圧潰して衝突エネルギーを吸収する。また、自動車のフロント部に横から衝突を受けた場合には、フロントサイドメンバの曲げ変形によって衝突エネルギーを吸収する。同じように自動車のリヤ部にはリヤサイドメンバが、ボディーにはサイドシルが強度部材として設けられている。
【０００３】
以上のような自動車用強度部材には、単位長さあたりの質量を極小化しつつ、エネルギー吸収量の増大を図り、なおかつ強度部材に偏加重が加わった場合にも折れ曲がりにくい特性を確保する必要がある。このような特性を有する自動車用強度部材として、特開平８−３３７１８３号公報においては、薄板で閉断面に形成された長手軸方向に圧縮加重を受ける長尺の強度部材構造において、前記閉断面を、十字形状として１２個の角部と頂壁及びその両側の側壁からなる９０°振り分けの４個の断面コ字形部を備えたものが記載されている。このような形状とすることにより、部材の重量増を招くことなくエネルギー吸収量を増大し、かつ折れ曲がりに強い強度部材とすることを可能とした。また、上記公報に記載のものは、薄板の左右の断面コの字部をそれぞれ含んだ断面コの字部の断面方向中央で分割された左右の薄板をプレス成形によって成形している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
衝突安全性を確保しつつ、自動車車体を軽量化するためには、サイドメンバ等の強度部材については、更なる軽量化（単位長さあたりの質量の低減）と、エネルギー吸収量の増大即ち軸圧潰性能の向上、及び曲げ強度性能の向上が望まれている。
【０００５】
また、従来のプレス成形による強度部材の成形においては、高強度鋼板を使用した場合、コーナー切り欠き部に割れが発生しやすく、成形しにくいという問題があった。
【０００６】
本発明は、自動車用強度部材において、軽量でかつ軸圧潰性能に優れ、かつ高い曲げ強度性能を備えた強度部材を提供することを目的とする。また、高強度鋼板を用いた場合においても成形時に割れを生じさせない強度部材を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、基本矩形断面２の４つのコーナーに切り欠き部３を有し、全体として十字形状の閉断面を有する長尺の強度部材１において、コーナーの切り欠き部３の板厚を切り欠き部以外の部分の板厚よりも厚くすることにより、又は該切り欠き部３の硬さを切り欠き部以外の部分の硬さよりも硬くすることにより、単位長さあたりの部材質量が同一であってもエネルギー吸収量を増加させ、かつ曲げ強度性能を向上させることを見いだした。切り欠き部３の板厚と切り欠き部３の硬さとを同時に改善するとより好ましい。また、強度部材１を引抜き加工又はハイドロフォーム加工によって成形することにより、上記好ましい板厚及び硬さ分布を容易に得られることを見いだした。
【０００８】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）基本矩形断面２の４つのコーナーに切り欠き部３を有し、全体として十字形状の閉断面を有する長尺の強度部材１において、前記切り欠き部３の板厚が、切り欠き部以外即ち側壁４及び頂壁５の板厚に対して５〜３０％厚く、前記切り欠き部３の硬さが、切り欠き部以外即ち側壁４及び頂壁５の硬さに対して５％以上高く、引抜き加工によって成形されてなることを特徴とする鋼製自動車用強度部材。
（２）前記基本矩形２の短い方の辺の長さ（Ｌ）と前記切り欠き部３の切り欠き長さ（Ｃ）の比（Ｃ／Ｌ）が０．０５から０．４５の範囲であることを特徴とする上記（１）に記載の鋼製自動車用強度部材。
（３）前記基本矩形２の短い方の辺の長さ（Ｌ）と前記切り欠き部３の切り欠き長さ（Ｃ）の比（Ｃ／Ｌ）が０．２から０．３５の範囲であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の鋼製自動車用強度部材。
【０００９】
基本矩形断面２の４つのコーナーに切り欠き部３を有し、全体として十字形状の閉断面を有する長尺の強度部材１において、前記特開平８−３３７１８３号公報に記載のもののように該強度部材を薄板のプレス成形によって成形する場合には、閉断面形状コーナーの切り欠き部において板厚減少が生することが多い。また、切り欠き部を選択的に加工硬化させることも困難である。一方、切り欠き部の板厚を切り欠き部以外の部分の板厚よりも厚くした本発明、又は該切り欠き部の硬さを切り欠き部以外の部分の硬さよりも硬くした本発明は、該特開平８−３３７１８３号公報に記載された強度部材と比較し、軸圧潰性能と曲げ強度性能とを大幅に向上させることができた。
【００１０】
また、高強度鋼板を用いて自動車用強度部材を形成するに際しても、プレス加工ではなく本発明のように引抜き加工やハイドロフォーム加工を用いることにより、プレス加工時にみられたような割れの発生はみられず、高強度鋼板を用いた自動車用強度部材を提供することが可能になった。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の自動車用強度部材は、図１（ａ）に示すように、基本矩形断面２の４つのコーナーに切り欠き部３を有し、全体として十字形状の閉断面を有する長尺の形状を有する。図１（ｂ）には、切り欠き部３、側壁４、頂壁５毎にハッチングを変化させることにより、それらの部位を示している。また、図１（ｃ）には基本矩形断面２の意味するところを示している。このような形状とすることにより、軸圧潰時に最も衝突エネルギーを吸収する働きを持つ角部が１２個となり、軸圧潰時のエネルギー吸収量を増大させることができる。また、全体として十字形状のバランスの良い断面形状を備え、折れ曲がりに強い構造となっている。更に、十字形状のコーナー切り欠き部３は９０°振り分けで４個備えられており、安定した圧潰モードを得ることができる。
【００１２】
本発明の強度部材１の断面形状において、切り欠き部３を除く部分は、２対の対向する壁面によって構成される。そのうちの１対の壁面を側壁４と呼び、他の１対の壁面を頂壁５と呼ぶ。基本矩形２が長方形である場合、通常は長い方の辺を側壁４と呼ぶ。
【００１３】
前記基本矩形２の短い方の辺の長さ（Ｌ）と前記切り欠き部３の切り欠き長さ（Ｃ）の比（Ｃ／Ｌ）は、本発明の上記（２）のように０．０５から０．４５の範囲とすると好ましい。Ｃ／Ｌが０．０５未満では切り欠き部３が小さすぎて切り欠き部３を設けた効果を十分に発揮することができず、０．４５を超えると基本矩形断面２が有する構造強度を発揮することができなくなるからである。比（Ｃ／Ｌ）は、本発明の上記（３）のように０．２から０．３５の範囲とするとより好ましい。この範囲であれば、基本矩形断面２が有する構造強度が十分に発揮され、かつ切り欠き部３を設けたことによるエネルギー吸収量の増大効果を最大限に享受することができるからである。
【００１４】
本発明において、切り欠き部３の板厚を切り欠き部以外即ち側壁４及び頂壁５の板厚よりも厚くすることにより、単位長さあたりの部材質量が同一であっても軸圧潰特性等の特性を向上させることができる。切り欠き部３の板厚は、本発明の上記（１）のように、切り欠き部以外即ち側壁４及び頂壁５の板厚に対して５〜３０％厚い板厚とすると好ましい。５％未満では板厚を厚くした効果を十分に発揮することができず、３０％を超えると板厚を厚くした効果は増大せずにかえって重量増加という悪影響がみられるからである。
【００１５】
本発明において、切り欠き部３の硬さを切り欠き部以外即ち側壁４及び頂壁５の硬さよりも硬くすることにより、単位長さあたりの部材質量が同一であっても軸圧潰特性等の特性を向上させることができる。切り欠き部３の硬さは、本発明の上記（１）のように、切り欠き部以外即ち側壁４及び頂壁５の硬さに対して５％以上高くすること好ましい。５％未満では硬さを高くした効果を十分に発揮することができないからである。一方、切り欠き部３の硬さを加工硬化によって増大する場合においては、切り欠き部３が硬すぎることによる問題が生じることはないので、上限は特に設けない。
【００１６】
本発明において、切り欠き部３の板厚を切り欠き部以外即ち側壁４及び頂壁５の板厚よりも厚くすると同時に、切り欠き部３の硬さを切り欠き部以外即ち側壁４及び頂壁５の硬さよりも硬くすることにより、軸圧潰特性等の特性をより一層向上させることができる。
【００１７】
切り欠き部３の板厚を切り欠き部以外の板厚よりも厚くし、更に切り欠き部３の硬さを切り欠き部以外の硬さよりも硬くする手段として、本発明の上記（１）のように、引抜き加工によって成形する手段を用いると好ましい。本発明の断面形状を有する長尺の強度部材を引抜き加工によって成形するに際しては、通常は所定の材質及び板厚を有する鋼管を素材とし、この鋼管をダイスとプラグとの間を通して引き抜くことによって成形される。ダイスとプラグとの形状を適切に選択することにより、基本矩形断面２の４つのコーナーに切り欠き部３を有し、全体として十字形状の閉断面を有する形状とした上で、切り欠き部３の板厚を切り欠き部以外の板厚よりも厚い板厚に成形することができる。また、特に最終形状において切り欠き部３となる部分において引抜き加工中に加工硬化を起こさせることにより、切り欠き部３の硬さを切り欠き部以外の硬さよりも硬くすることができる。
【００１８】
ハイドロフォーム加工によっても、同様に切り欠き部の板厚を切り欠き部以外の板厚よりも厚くし、更に切り欠き部の硬さを切り欠き部以外の硬さよりも硬くすることができる。ハイドロフォーム加工においては、成形のための型を準備し、型の内部形状は強度部材の外形形状に等しく、この型の中に素材管を配置し、素材管の内部に液体を充満させ、素材管の両端に圧縮力を付加しつつ素材管内部の液体を加圧することにより、素材管を塑性変形させて最終的な強度部材の形状とする。
【００１９】
本発明においては、強度部材を引抜き加工によって成形することにより、切り欠き部３の板厚を切り欠き部以外の板厚よりも厚くし、更に切り欠き部３の硬さを切り欠き部以外の硬さよりも硬くすることができるので、実圧潰特性等についての本発明の良好な特性を得ることができる。また、たとえ切り欠き部の板厚や硬さを切り欠き部以外の部位に対して高めていない場合であっても、引抜き加工によって成形した場合は、従来のプレス加工のように曲げ加工によって成形した場合に比較し、強度部材全体の加工硬化により強度が高まるため、エネルギー吸収量や曲げ強度を向上させることができる。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
本発明の第１の実施例においては、１００ｍｍ×７５ｍｍの基本矩形断面を有し、全体として十字形状の閉断面を有する強度部材であり、図２（ａ）にその断面形状を示す。基本矩形断面の４つの角に１５ｍｍ×１５ｍｍの切り欠き部３を有する。５９０ＭＰａ級鋼管を素管として引抜き加工によって当該形状に成形した。成形に際しては切り欠き部３のみを板厚増加させ、かつ断面の周長全長にわたって最低板厚が２ｍｍを下回らないように狙って成形を行った。断面周方向における板厚の分布は図２（ｂ）のようになった。つまり、部材の板厚は頂壁部５が２．０ｍｍ、切り欠き部３が２．２ｍｍ、側壁部４が２．０ｍｍとなり、２．０ｍｍを下回らない部材が得られた。また、断面周方向における硬さの分布を図２（ｃ）に示す。板厚を増加させた切り欠き部３において、側壁４及び頂壁５に対して約９％の硬度上昇がみられた。
【００２２】
このようにして製造した強度部材を切り出し、衝撃軸圧潰試験を行った。エネルギー吸収量は衝撃時の時間毎での部材の反力と変形移動距離から吸収エネルギーを算出している。
【００２３】
次に、基本矩形断面２の短い方の辺の長さ（Ｌ）と前記切り欠き部３の切り欠き長さ（Ｃ）の比（Ｃ／Ｌ）を０から５０％まで変化させるように切り欠き長さ（Ｌ）を変化させる試験を行った。結果を図３に示す。図３において、Ａは本発明例であり、比（Ｃ／Ｌ）以外の項目については上記実施例と同等の条件で製造した。図３のＤは、加工方法等はＡと同じであるが、切り欠き部３の板厚を側壁部４、頂壁部５と同様に２．０ｍｍとしたものである。図３のＨは、Ａ、Ｄと同一の基本矩形断面、同一の切り欠き部形状を有するものを、同一の強度を有する鋼板を曲げ加工によって成形した比較例であり、側壁部４及び頂壁部５の板厚は、Ａ、Ｄと同様に２．０ｍｍである。
【００２４】
これらＡ、Ｄ、Ｈについて衝撃軸圧潰試験を行った。図３において、横軸はＣ／Ｌを％表示したもの、縦軸はエネルギー吸収量である。エネルギー吸収量は上記と同様にして測定した。Ｃ／Ｌ＝０．０５以上の領域で切り欠きなしに比較してエネルギー吸収量の増大効果がみられ、Ｃ／Ｌ＝０．２〜０．３５の領域で特に良好な結果が得られることがわかる。Ｃ／Ｌ＝０．４５を超えると効果はみられない。
【００２５】
曲げ加工によって成形した比較例Ｈに対して、引抜き加工によって成形したＤは１．３倍のエネルギー吸収量が得られた。同じ引抜き加工によって成形したもの同士の比較において、切り欠き部の板厚を増加させたＡは、増加させていないＤに比較してエネルギー吸収量の増加が得られた。
【００２６】
図３において、Ｃ／Ｌ＝０の「切り欠き部なし」においても、曲げ加工によって成形した比較例Ｈに対して、引抜き加工によって成形したＡ、Ｄのエネルギー吸収量は高い値を示している。その理由は、側壁４及び頂壁５においても、引抜き加工によって成形した場合は曲げ加工によって成形した場合に比較して加工硬化により強度が向上しているためである。
【００２７】
（実施例２）
図４に第２の実施例を示す。基本矩形断面２は第１の実施例と同じ１００ｍｍ×７５ｍｍであり、その断面形状は図４（ａ）に示すとおりであり、基本矩形断面２の４つの角に１５ｍｍ×１５ｍｍの切り欠き部３を有する。５９０ＭＰａ級鋼管を素管として引抜き加工によって当該形状に成形した。成形に際しては切り欠き部３及び側壁部４を板厚増加させ、板厚増加部以外の周長全長にわたって最低板厚が２ｍｍを下回らないように狙って成形を行った。断面周方向における板厚の分布は図４（ｂ）のようになった。つまり、部材の板厚は頂壁部５が２．０ｍｍ、切り欠き部３が２．２ｍｍ、側壁部４が２．２ｍｍとなり、最低板厚が２．０ｍｍを下回らず、かつ、側壁部４と切り欠き部３の板厚を増加させた部材が得られた。また、断面周方向における硬さの分布を図４（ｃ）に示す。板厚を増加させた切り欠き部３と側壁部４において頂壁部５に対して約９％の硬度上昇がみられた。
【００２８】
（実施例３）
ハイドロフォーム加工により成形した本発明の第３の実施例を図５に示す。図５（ａ）には、直径１０２ｍｍの５９０ＭＰａ級板厚２ｍｍの素材管２１の断面を示す。この素材管２１をロール成形によって円の曲率に対して逆向きの凹の曲率を与え、図５（ｂ）に示す形状の管材２２に成形する。
【００２９】
しかる後に、図５（ｃ）〜（ｅ）に示す液圧成形（ハイドロフォーム成形）によって成形する。すなわち、管材２２の内部に液体３７を充満させ、素材管２１が５９０ＭＰａ級板厚２ｍｍの管材ならば管材２２内部に５ＭＰａ程度の液圧を作用させた状態で管材を型で成形する。このとき、加圧面に座屈の心配がなければ管材内部に液体３７を充満させなくても良い。
【００３０】
まず、図５（ｃ）に示すように管材２２を液圧成形型の中に配置し、上型３１と下型３５との間隔を狭めるように圧下することによって、図５（ｄ）に示す形状とする。その後、素材管の両端に圧縮力を付加しつつ液圧を増加することにより、図５（ｅ）に示すように素材管を拡管し、同時に可動上型３２及び可動下型３４を動作させて型締めを行い、最終的に図５（ｆ）に示す部材の形状とする。このとき、５９０ＭＰａ材板厚２ｍｍの管材ならば１０ＭＰａ〜１５ＭＰａの初期液圧を作用させ、型締めによる容積減少に伴う管材内部の液圧上昇はリークバルブによって調節することができる。側壁部に作用する圧縮力が増加するに伴って管材内部の液圧を上昇させるように制御し、約４０ＭＰａまで上昇させる。これによって、切り欠き部３の板厚を初期板厚に対して約１０％増加させると同時に、側壁４の板厚を初期板厚に対して約１０％増加させることができ、板厚増加した壁６を形成することができた。
【００３１】
実施例１及び２で作成した強度部材の衝撃曲げ強度の評価を行った。比較材として、実施例と同じ強度の鋼材を用い、同じ基本矩形断面と切り欠き部を有するプレス品ダブルハット構造体を用いた。実施例・比較例とも、強度部材単位長さあたりの質量を変化させるため、肉厚を変化させた数種類の材料を用いた。
【００３２】
強度部材１を３００ｍｍの長さに切り出して試験部材４３とし、両端に剛体４２としての鋼材を溶接した長さ９００ｍｍの構造体を作成し、２つのサポート４４で支持し、支持間距離７００ｍｍで衝撃３点曲げ試験を行った。衝撃曲げ試験では、幅５０ｍｍのストライカ４１を用い、衝突速度８ｍ／ｓで試験部材４３の頂壁に衝突させる条件とした（図６）。
【００３３】
図７に試験結果を示す。図中Ａが実施例１、Ｂが実施例２、Ｈが比較例を示す。図７（ａ）（ｂ）とも、横軸は強度部材の単位長さあたりの質量（ｋｇ／ｍ）である。図７（ａ）は縦軸に平均反力Ｆ_ave（ｋＮ）をとったものであり、比較例Ｈに対し、実施例１（Ａ）は、単位長さあたりの質量が同等である条件においては平均反力で３５％以上の増加が得られることがわかった。実施例２（Ｂ）は、実施例１（Ａ）よりも良好な結果となっている。図７（ｂ）は縦軸にエネルギー吸収量Ｅ_abをとったものであり、実施例１（Ａ）は、比較例Ｈに対し、単位長さあたりの質量が同等である条件においてはエネルギー吸収量で１８％以上の増加が得られることがわかった。実施例２（Ｂ）は、実施例１（Ａ）よりも良好な結果となっている。
【００３４】
以上のように、本発明の強度部材を用いることにより、衝撃軸圧潰によるエネルギー吸収の増加が得られるのみでなく、曲げ変形にも強度の上昇とエネルギー吸収の増加が得られることがわかった。
【００３５】
【発明の効果】
基本矩形断面の４つのコーナーに切り欠き部を有し、全体として十字形状の閉断面を有する長尺の自動車用強度部材において、コーナーの切り欠き部の板厚を切り欠き部以外の部分の板厚よりも厚くすることにより、又は該切り欠き部の硬さを切り欠き部以外の部分の硬さよりも硬くすることにより、単位長さあたりの部材質量が同一の条件においてエネルギー吸収量を増加させ、かつ曲げ強度性能を向上させることができる。十字形状の対向する２つの辺の板厚をもう一方の対向する２つの辺の板厚よりも厚くすることにより、曲げ強度性能をより一層向上させることができる。
【００３６】
強度部材を引抜き加工又はハイドロフォーム加工によって成形することにより、上記好ましい板厚及び硬さ分布を容易に得ることができるとともに、たとえ切り欠き部の板厚や硬さがそれ以外の部分と同等であっても、より優れた強度特性を実現することができる。
【００３７】
高強度鋼板を用いて自動車用強度部材を形成するに際し、引抜き加工やハイドロフォーム加工を用いることにより、割れ発生のない強度部材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の強度部材の断面形状を説明する概念図である。
【図２】本発明の強度部材であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は周方向の板厚分布、（ｃ）は周方向の硬さ分布を示す図である。
【図３】本発明の強度部材において、コーナー切り欠き部の形状とエネルギー吸収量との関係を示す図である。
【図４】本発明の強度部材であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は周方向の板厚分布、（ｃ）は周方向の硬さ分布を示す図である。
【図５】ハイドロフォーム加工による強度部材の成形方法を説明する図であり、（ａ）は素材管の断面図、（ｂ）はロール成形後の断面図、（ｃ）は液圧成形型に投入後の断面図、（ｄ）は管材を液圧成形中の断面図、（ｅ）は液圧成形中の断面図であって壁に圧縮力を作用させる状況を示す図、（ｆ）は成形された強度部材の断面図である。
【図６】本発明の動的曲げ試験方法を示す概念図である。
【図７】本発明の動的３点曲げ変形における効果を示す図であり、（ａ）は平均反力の結果を示す図、（ｂ）はエネルギー吸収量の結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 強度部材
２ 基本矩形断面
３ 切り欠き部
４ 側壁
５ 頂壁
６ 板厚増加した壁
２１ 素材管
２２ 成形中の管材
３１ 上型
３２ 可動上型
３３ 可動型
３４ 可動下型
３５ 下型
３７ 液体
４１ ストライカ
４２ 剛体
４３ 試験部材
４４ サポート
Ｃ 切り欠き長さ
Ｌ 基本矩形の短い方の辺の長さ
Ａ 実施例１
Ｂ 実施例２
Ｈ 比較例

Claims (3)

1. 基本矩形断面の４つのコーナーに切り欠き部を有し、全体として十字形状の閉断面を有する長尺の強度部材において、
   前記切り欠き部の板厚が、切り欠き部以外即ち側壁及び頂壁の板厚に対して５〜３０％厚く、且つ、
   前記切り欠き部の硬さが、切り欠き部以外即ち側壁及び頂壁の硬さに対して５％以上高く、
   引抜き加工によって成形されてなることを特徴とする鋼製自動車用強度部材。
2. 前記基本矩形の短い方の辺の長さ（Ｌ）と前記切り欠き部の切り欠き長さ（Ｃ）の比（Ｃ／Ｌ）が０．０５から０．４５の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の鋼製自動車用強度部材。
3. 前記基本矩形の短い方の辺の長さ（Ｌ）と前記切り欠き部の切り欠き長さ（Ｃ）の比（Ｃ／Ｌ）が０．２から０．３５の範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼製自動車用強度部材。

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