JP4983373B2 - 衝撃吸収部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、衝撃吸収部材及びその製造方法に関し、具体的には、高周波焼き入れを行うことなく安価に、優れた曲げ圧壊特性を有し、かつ軽量化を図ることが可能な衝撃吸収部材及びその製造方法に関する。

周知のように、サイドシルやセンターピラーといった自動車車体の補強部材には、自動車が側方から衝突された際の衝撃エネルギーを吸収してキャビンへの衝撃力を緩和することによって乗員を保護するために、優れた曲げ圧壊特性が要求される。ここで、「曲げ圧壊特性」とは、例えば、軸方向に交叉する方向へ圧壊荷重を負荷し、所定量（例えば６０mm）変位するまでの吸収エネルギ（圧壊荷重×変位）を、その部材の質量で除した単位質量当たりの吸収エネルギー量の値の大小によって評価される特性である。

曲げ圧壊特性を向上するために、補強部材の板厚を増加すると車体重量の増加を招き、補強部材に高強度材を用いると製造コストの上昇を招く。
そこで、特許文献１には、プレス成形品の高強度が要求される部位に高周波焼入れを行うことにより、例えば、一端部と他端部との間の中央領域が高強度であるとともに中央領域から一端部及び他端部へ向かうにつれて硬度が次第に低下する強度分布を有するセンターピラーを製造する発明が開示されている。

また、特許文献２には、例えば、センターピラーリインフォースをプレス成形するためのブランク材における、プレス成形時に折り曲げられる特定部位に、予め高周波焼入れを行ってからセンターピラーリインフォースにプレス成形を行うことにより、センターピラーリインフォースの曲げ強度を高める発明が開示されている。
特開平１０−１７９３３号公報 特開２０００−６８０１２号公報

特許文献１、２により開示されたいずれの発明も、衝撃吸収部材の曲げ圧壊特性を向上するためにはプレス成形品又はその素材に高周波焼入れを行う必要がある。このため、これらの発明によっては衝撃吸収部材の製造コストの上昇は避けられないので、耐曲げ性のみならず低コストも強く要請される自動車車体用の衝撃吸収部材への適用は、コスト的に必ずしも充分ではない。

本発明は、このような従来の技術が有する課題に鑑みてなされたものであり、高周波焼入れを行う必要がないことから製造コストの上昇をできるだけ抑制でき、しかも優れた曲げ圧壊特性を有し、かつ軽量化を図ることもできる衝撃吸収部材及びその製造方法を提供することである。

本発明は、金属板を成形することにより得られるとともに二つの側壁部と、底部と、これら側壁部及び底部をつなぐコーナー部とを有する第１の部材を少なくとも備え、この第１の部材の軸方向と交叉する方向へ向けて負荷される衝撃エネルギーを吸収するための衝撃吸収部材であって、少なくとも側壁部の一部の領域が、金属板が折り重ねられた形状に形成される折り重なり部であること、該折り重なり部をなす重ね合わされた金属板同士の隙間は、該金属板の板厚以下であること、および、前記折り重なり部をなす前記金属板の少なくとも一部は重ね合わせ接合されていることを特徴とする衝撃吸収部材である。

別の観点からは、金属板を成形することにより得られるとともに、二つの側壁部と、底部と、これら側壁部及び底部をつなぐコーナー部とを有する第１の部材を少なくとも備え、この第１の部材の軸方向と交叉する方向へ向けて負荷される衝撃エネルギーを吸収するための上記の本発明に係る衝撃吸収部材の製造方法であって、少なくとも側壁部の一部の領域を、金属板が折り重なる形状に形成される折り重なり部とする工程を備えることを特徴とする衝撃吸収部材の製造方法である。

これらの本発明では、折り重なり部をなす金属板の少なくとも一部が重ね合わせ接合されていることが望ましい。
これらの本発明では、折り重なり部が金属板が３重に折り重ねられてなることが望ましい。

これらの本発明では、さらに、第１の部材の二つの側壁部に設けられるフランジに接合され、１の部材とともに閉断面を形成する第２の部材を備えることが望ましい。
これらの本発明は、衝撃吸収部材が、サイドシルやセンターピラー、さらにはルーフレールサイドといった、自動車の衝突変形時に曲げ圧壊変形を受ける部材であれば、等しく適用することができる。

本発明により、高周波焼き入れを行う必要がないことから製造コストの上昇をできるだけ抑制でき、しかも優れた曲げ圧壊特性を有し、かつ軽量化を図ることが可能な衝撃吸収部材を提供することが可能となる。

以下、本発明に係る衝撃吸収部材を実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態の衝撃吸収部材は、第１の部材と第２の部材とを有するので、これらについて説明する。
［第１の部材］
本実施の形態の衝撃吸収部材は、第１の部材の軸方向と交叉する方向へ向けて負荷される衝撃エネルギーを吸収するためのものである。この第１の部材は、金属板（例えば高張力鋼板）をプレス成形することにより、得られる。第１の部材は、このプレス成形によって、二つの側壁部と、底部と、側壁部及び底部をつなぐコーナー部とを有する溝状体として、成形される。

第１の部材は、少なくとも側壁部の一部の領域が、金属板が折り重ねられた形状に形成される折り重なり部である。
折り重なり部の長さは少なくとも板厚の５倍以上とするのが望ましい。長さが過小では、曲げ圧壊特性、すなわち、単位質量当たりの吸収エネルギーの増大効果が不十分となる場合がある。

折り重なり部は、必ずしも金属板同士が接触する必要はないが、重ね合わされた金属板同士の隙間が、その金属板の板厚程度以下であることが、良好な曲げ圧壊特性を有するためには望ましい。

折り重なり部をなす金属板の少なくとも一部は重ね合わせ接合されていることが望ましい。
折り重なり部は、金属板が３重に折り重ねられてなることが望ましい。

本実施の形態では、第１の部材は、さらに、側壁部の端部に外向きフランジを備える、略ハット状の横断面形状を有する。本発明では、この外向きフランジは、必ずしも必要ではないが、後述する第２の部材との接合代を十分に確保するためには有効である。

この第１の部材は、上述したように、金属板をプレス成形することにより得られるが、本実施の形態では、第１の部材のプレス成形工程の一部に、第１の部材の少なくとも側壁部の一部の領域を、金属板が折り重なる形状に形成される折り重なり部とする工程が設けられる。

図１（ａ）〜図１（ｄ）は、第１の部材の側壁部の一部とコーナ部とを折り重なり部とする工程の一例を模式的に示す説明図である。
図１（ａ）に示すように、折り重なり部の余線長を確保するため、平板のブランク（金属板）１を用い、ブランクホルダ２，２、パンチ３及びダイ４により構成される第１の金型５により第１の部材の底部に相当する部位に絞り加工を行って凹形状部１ａを形成する。このとき、パネルの反転を不要とするために、図１（ａ）に示すように上型にブランクホルダ２，２及びパンチ３を配置することが望ましい。

次に、図１（ｂ）に示すように、ダイ６，６、パッド７、ホルダ８，８及びパンチ９により構成される第２の金型１０により凹形状部１ａをパッド７で押圧した状態で、絞り成形又は曲げ成形を行って被成形材１をハット形状に成形する。

次に、図１（ｃ）に示すように、ダイ１１、ホルダ１２，１２及びパンチ１３により構成される第３の金型１４により凹型の余線長部１ｂをパンチ１３の肩部と壁部周辺とに移動させるための予備成形を行う。折り返しを容易とするためにパンチ１３の先端部は略凸形状とすることが有効である。

そして、図１（ｄ）に示すように、最終工程として、ダイ１５、ホルダ１６，１６及びパンチ１７により構成される第４の金型１８により所定の折り重なり部１ｃ，１ｃに成形する。

これにより、本実施の形態の衝撃吸収部材を構成する第１の部材の少なくとも側壁部の一部が、金属板が折り重ねられた折り重なり部となる。
本実施の形態では、第１の部材を、図１（ａ）〜図１（ｄ）を参照しながら説明したプレス成形により成形する場合を例にとったが、第１の部材の成形方法は、プレス成形に限定されるものではなく、例えばロールフォーミングにより成形するようにしてもよい。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、第１の部材の側壁の一部を折り重なり部とする工程の別の一例を模式的に示す説明図である。
先ず、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、平板のブランク１を用い、プレス成形またはロールフォーミング成形により側壁部に相当する部位に折り重なり部１ｅ、１ｅを成形する。次いで、図２（ｃ）に示すように、プレスによる曲げ加工や絞り加工により、側壁部の一部を折り重なり部１ｅ、１ｅとした第１に部材１を成形する。

なお、折り重なり部１ｅ、１ｅをなす金属板の少なくとも一部を重ね合わせ接合する場合には、図２（ｂ）に示す、折り重なり部１ｅ、１ｅを形成した段階で折り重なり部１ｅ、１ｅの一部を溶接することが望ましい。

本実施の形態では、側壁部の一部が折り重なり部１ｅ、１ｅに形成されているが、側壁部１ｅ、１ｅの全部であってもよい。
第１の部材は、この折り重なり部の一部あるいは全部の領域を、例えばレーザ溶接、抵抗スポット溶接またはプラズマ溶接等の溶接、ろう付け、あるいはリベットやクリンチング等の機械接合や構造接着等によって、重ね合わせ接合されることにより、形成されるのが望ましい。

次に、第１の部材の少なくとも側壁部の一部の領域が、金属板が折り重ねられた形状に形成される折り重なり部であることにより、第１の部材の軸方向と交叉する方向、例えば軸方向に略直交する方向へ衝撃荷重が作用した時の衝撃吸収能が向上するメカニズムを説明する。

第１の部材の軸方向に交叉する方向へ衝撃荷重が負荷されると、側壁部は高い曲げ応力を受ける。したがって、高い曲げ応力を受ける側壁部を強化すれば、曲げ荷重に対する衝撃吸収能を向上することができる。側壁部を強化するには、金属板の板厚や強度を増大させればよいが、上述したように、第１の部材の板厚を増加すると車体重量の増加を招き、一方第１の部材に高強度材を用いると製造コストの上昇を招く。また、側壁部に高周波焼入れを行うと、やはり製造コストの上昇は避けられない。

これに対し、本実施の形態では、第１の部材の少なくとも側壁部の一部の領域を、金属板が折り重なる形状に形成される折り重なり部とすることにより、第１の部材の素材である金属板の板厚を増大させることなく、側壁部の実効板厚を増大させることが可能となり、これにより、側壁部の曲げ変形強度が高まり、曲げ荷重に対する第１の部材の衝撃吸収能を向上することができる。

なお、この折り重なり部の少なくとも一部の領域を、重ね合わせ接合することにより、
折り重なり部を構成する金属板同士が互いに離反する方向へ変形して、折り重なり部が口開き変形することが抑制されるため、側壁部の曲げ変形強度が一層高まり、衝撃吸収部材の衝撃吸収能をさらに向上することができる。

第１の部材は、以上のように構成される。
［第２の部材］
本実施の形態の衝撃吸収部材は、第２の部材を有する。本実施の形態では、第２の部材は、第１の部材の二つの側壁部の端部に設けられる外向きフランジを介して第１の部材に接合され、第１の部材とともに閉断面を形成する。

この第２の部材は、略ハット状の横断面を有する第１の部材のフランジを接合部として接合され、第１の部材とともに閉断面を形成することができる部材であればよく、その断面形状は特定の形状には限定されない。第２の部材は、例えば、平板や略ハット状等の横断面を有する部材であることが例示される。

第１の部材のフランジとの第２の部材の接合手段も特定の手段には限定されない。例えばレーザ溶接、抵抗溶接さらにはプラズマ溶接等の公知の溶接手段を例示することができる。

第２の部材は、以上のように構成される。
本実施の形態の衝撃吸収部材は、以上のように構成される。
本実施の形態の衝撃吸収部材は、金属板をプレス成形することにより得られるとともに二つの側壁部と、底部と、これら側壁部及び底部をつなぐコーナー部とを有する第１の部材を備え、少なくとも側壁部の一部の領域を、金属板が折り重なる形状に形成される折り重なり部とするので、素材である金属板の板厚を増大したり、素材である金属板に高強度材を用いたりしなくとも、少なくとも側壁部の一部の板厚を実質的に増加することができ、これにより、衝撃荷重を負荷された際に高い応力を受ける側壁部を強化することができる。したがって、高周波焼き入れを行う必要がないことから製造コストの上昇をできるだけ抑制でき、しかも優れた曲げ圧壊特性を有し、かつ軽量化を図ることが可能な衝撃吸収部材を提供することが可能となる。

本発明に係る衝撃吸収部材を自動車車体のサイドシルに適用した場合の効果を、数値解析により検討した。数値解析は、図３（ａ）〜図３（ｄ）に示すように、１枚のハット型の横断面形状の第１の部材２１ａ〜２１ｄのフランジ２２ａ〜２２ｄに第２の部材として平板２３を接合した閉断面形状を有する衝撃吸収部材であるサイドシルの折り重なり部の形状および接合条件を変更して、行った。

この数値解析では、第１の部材２１ａ〜２１ｄの軸方向長さは８００ｍｍとし、折れ重なり部の形状は、Ｍ１０（図３（ｂ）に示すように側壁部２４ｂの一部に３重に折り重ねた折り重なり部２５ｂを形成し、折れ重なり部の開口を底部側に配置した形状）、Ｍ１１（図３（ｃ）に示すように側壁部２４ｃの一部とコーナー部とにかけて３重に折り重ねた折り重なり部２５ｃを形成し、折れ重なり部の開口を底部側に配置した形状）、又はＭ７（図３（ｄ）に示すように側壁部２４ｄの全部に３重に折り重ねた折り重なり部２５ｄを形成した形状）の３種類とした。

折り重なり部２５ｂ、２５ｃ、２５ｄにおける重ね合わせ接合は、接合有り（１個所、２箇所）、接合無しの３種類とした。また、フランジ２２ａ〜２２ｄと平板２３とは、フランジ幅方向の端部２６ａ〜２６ｄから距離１０ｍｍの位置において、軸方向両端から１０ｍｍの位置の間の領域を３０ｍｍの間隔で点接合することにより、接合した。

図４（ａ）〜（ｆ）は、重ね合わせ接合の詳細を示す概要図であり、黒丸印は接合個所を表す。すなわち、同図（ａ）、（ｂ）は、図３（ｂ）に示す折り重なり部の中央一箇所、端部２箇所をそれぞれ接合したものを示し、同図（ｃ）、（ｄ）は、図３（ｃ）に示す折り重なり部の中央一箇所、２箇所を接合したものを示し、また、同図（ｅ）、（ｆ）は、図３（ｄ）に示す折り重なり部の中央一箇所、２箇所を接合したものを示す。

次に、接合の取扱いを含めて数値解析の要領を説明する。
数値解析には、汎用の動的陽解法有限要素解析コードを使用した。第１の部材２１ａ〜２１ｄ及び第２の部材２３の素材は、板厚が１．０ｍｍである５９０ＭＰａ級高張力鋼板とした。第１の部材２１ａ〜２１ｄの変形特性には、Ｃｏｗｐｅｒ−Ｓｙｍｏｎｄｓ型のひずみ速度依存性を考慮した。

曲げ圧壊の解析は、図５に示すように全長８００ｍｍの、第１の部材と第２の部材からなる衝撃吸収部材２７を対象に、半径１３０ｍｍの剛体インパクタ２８に速度６４ｋｍ／ｈで強制変位を与え、衝撃吸収部材２７に軸方向と直交する方向へ６０ｍｍの変位を与えた。このとき、支持は中心から各々３００ｍｍ離れた位置に半径５０ｍｍの剛体からなる支持台２９，２９を設けた。また、衝撃吸収部材２７の両端部は断面変形を拘束した。

フランジと平板とのスポット溶接部は、スポット溶接を模擬したナゲット径を５．５ｍｍとしたビーム要素により、スポット接合部３０に相当する両接点の位置を結合した。このとき、ビーム要素の変形特性は、降伏応力が１２００ＭＰａの弾完全塑性体とした。また、折り返し構造部の接合に関しては、接合する部分の両接点を剛体のビーム要素にて締結し、この締結は第１の部材２６の長手方向の全域とした。また、解析に際し、摩擦係数は０とした。

曲げ圧壊特性は、６０ｍｍまでの吸収エネルギー（圧壊荷重×変位）を算出し、それを衝撃吸収部材の質量で除した単位質量当たりの吸収エネルギー量を求め、この吸収エネルギー量を、図３（ａ）に示すベース形状Ｍ０の単位質量当たりの吸収エネルギー量で除した値（表１におけるベース比）により、評価した。

解析結果を表１にまとめて示す。なお、表１における符号ＥＡ＠６０／ｍａｓｓは、圧壊量６０ｍｍまでの単位質量当たりの吸収エネルギー量（ｋＪ／ｇ）を示す。

表１に示すように、Ｍ１０タイプ、Ｍ１１タイプ、Ｍ７タイプのいずれも少なくとも側壁部の一部を折り重なり形状部となすことにより、折り重なり部が存在しないベース形状Ｍ０に比較して、単位質量当たりのエネルギー吸収量（ＥＡ／質量）が増加することがわかる。

特に、折り重なり部を重ね合わせ接合することにより、ベース形状Ｍ０に比較して、単位質量当たりのエネルギー吸収量（ＥＡ／質量）がさらに増加することがわかる。

図１（ａ）〜図１（ｄ）は、第１の部材のコーナー部と側壁部の一部を折り重なり部とする工程の一例を模式的に示す説明図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）は、第１の部材の側壁の一部を折り重なり部とする工程の別の一例を模式的に示す説明図である。 図３（ａ）〜図３（ｄ）は、実施例において数値解析した衝撃吸収部材の横断面形状を部分的に示す説明図である。 図４（ａ）〜図４（ｆ）は、実施例で数値解析に供した衝撃吸収部材の折り重ね形状部Ｍ１０、Ｍ１１、Ｍ７における重ね合わせ溶接の有無及び溶接位置を示す説明図である。 図５は、実施例での数値解析の要領を示す説明図である。

符号の説明

１ ブランク
１ａ 凹形状部
１ｃ 折り重なり部
２ ブランクホルダ
３ パンチ
４ ダイ
５ 第１の金型
６ ダイ
７ パッド
８ ホルダ
９ パンチ
１０ 第２の金型
１１ ダイ
１１ａ 返し
１２ ホルダ
１３ パンチ
１４ 第３の金型
１５ ダイ
１６ ホルダ
１７ パンチ
１８ 第４の金型
２１ａ〜２１ｄ 第１の部材
２２ａ〜２２ｄ フランジ
２３ 第２の部材（平板）
２４ｂ、２４ｃ 側壁部
２４ｃ コーナ−部
２５ｂ〜２５ｄ 折り重なり部
２６ 第１の部材
２６ａ〜２６ｄ フランジ幅方向の端部
２７ 衝撃吸収部材
２８ 剛体インパクタ
２９ 支持台
３０ スポット接合部

Claims (3)

1. 金属板を成形することにより得られるとともに二つの側壁部と、底部と、該側壁部及び前記底部をつなぐコーナー部とを有する第１の部材を少なくとも備え、該第１の部材の軸方向と交叉する方向へ向けて負荷される衝撃エネルギーを吸収するための衝撃吸収部材であって、少なくとも前記側壁部の一部の領域は、前記金属板が折り重ねられた形状に形成される折り重なり部であること、該折り重なり部をなす重ね合わされた金属板同士の隙間は、該金属板の板厚以下であること、および、前記折り重なり部をなす前記金属板の少なくとも一部は重ね合わせ接合されていることを特徴とする衝撃吸収部材。
2. 前記折り重なり部は前記金属板が３重に折り重ねられてなる請求項１に記載された衝撃吸収部材。
3. さらに、前記第１の部材の前記二つの側壁部に設けられるフランジに接合され、該第１の部材とともに閉断面を形成する第２の部材を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された衝撃吸収部材。

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