JP4993898B2 - バルクヘッド部材を持つハイドロフォーム部材 - Google Patents

Description

本発明は、フレーム部材、特に、ハイドロフォーム・フレーム部材とその製造方法に関する。

従来、車両のフロントエンド組立体（front end assembly）は、個々のフレーム部材をプレス成形し、互いに溶接することによって作られることが多い。これらの組立体は、多数の様々なフレーム部品の組み合わせであることが多いので、剛性を維持することが、製造上の主要課題の１つである。各フレーム部品が組み立てられてサブアセンブリーを形成し、それから、車両の車体部分に取り付けられるので、フロントエンドに必要な又は望ましい強度を得ることが、より難しくなっている。この問題は、時に「マッチ箱現象（matchboxing）」と呼ばれる。マッチ箱現象とは、車両の板金部分がフレームに取り付けられており、それがヒンジ点を中心に揺動し、所望の長方形状から平行四辺形状へと変形する傾向があるときに生じる現象である。このようにして板金を曲げ変形する結果として、フロントエンド構造体が好ましくない固有振動数特性を持つことがあり得る。

車体製造プロセスは、二つの金属部品を接合する際に溶接工によって溶融金属の筋が溶着されるMIG (metal inert gas)溶接を利用するところから進化してきた。現在の車両製造工程においては、二つの電極の間に電流を流し、それら二つの電極の間にある二つの金属部品を溶融して接合するスポット溶接が、より大規模に利用されている。スポット溶接は、それを用いて製造されるのに適したフレーム構造を必要とする。例えば、二つの管状部材がスポット溶接されるときに、スポット溶接用の電極は、それら二つの部材の隣り合う壁へアクセスする必要がある。

スポット溶接製造技術の利点を生かすため、車体構造体の組み立てにおいて、ハイドロフォーム成形（hydroform）された管状部材が使用されることがある。ハイドロフォーム成形（hydroforming）は、高圧流体を使用して、管状ブランク材（blank）が金型キャビティの表面に沿うように、管状ブランク材を金型内に向かって外側に広げ、最終形状を持つハイドロフォーム部品を成形する金属成形方法である。スポット溶接電極を挿入するための、最終形状のハイドロフォーム部品におけるアクセス用開口は、管壁の外周が拡張する際に切取部（cutout）によって開けられるよう、金型キャビティ内に切取部を挿入することにより、製造プロセスの間に形成され得る。 残存スラグ（slug）は、ハイドロフォーム部品から完全に取り除かれるのが通常である。

製造される車両フロントエンドの形成に際し、車両フロントエンドのハイドロフォーム構造は、管材と管材及び、管材とカウル（cowl）の溶接結合を必要とする。そのような溶接結合は、しばしばハイドロフォーム構造部材の側面の材料のほとんどを取り除くほど大きな溶接アクセス用開口を必要とする。フロントエンドが車両に組み立てられると、ハイドロフォーム管材は、曲げモードと捻りモードを経験する。この捻りサイクルの間に、ハイドロフォーム管材がマッチ箱現象を生じがちであり、それは、管材と管材そして管材とカウルとの間に大きな荷重を生み、そして材料疲労そして破断を起こすことがあり得る。ハイドロフォーム部材に大きな溶接アクセス用開口が形成されているとき、このマッチ箱現象は、より起こりやすくなる。材料のゲージ（若しくは厚さ）の増加、部品（部材の外形）の大型化、副次的な補強材の追加（溶接などによる）、又は、予め成形された発泡体の使用による、従来の手段を通じてハイドロフォーム部品の強度を増加することができるが、これらは全て、車両のフロントエンド組立体の製造コストをかなりの程度高める。

従来の車両フロントエンド組立工程は、未だ、管状のハイドロフォーム部品の利点を十分に生かしていない。多くの先行技術は、ハイブリッド・フロントエンド組立体における管状部材の使用について記述しているが、上記マッチ箱現象には対処していない。例えば特許文献１は、ハイドロフォーム管材を使用して組み立てられた車両のフロントエンドを開示している。この特許文献１においては、複数の管状部材から形成された第一車体構造と、板金から形成された第二車体構造とが、サンドイッチの関係に互いに溶接されている。しかしながら、板金構造が管状部材に固定された状態で捻られる可能性があるので、この方法は依然としてマッチ箱現象を受ける。
米国特許６４１６１１９号明細書

従って、強度及び剛性が向上したハイドロフォーム・フレーム部材を使用できるようなフロントエンド構造に対する必要性が存在する。更に、組立体が捻れる又はマッチ箱現象を起こす傾向を最小化する、フレーム部材の製造方法が求められている。

上記従来技術の問題点を解消するために、本発明は、ハイドロフォーム管状フレーム部材の内部にバルクヘッド部材を設ける。

本発明はまた、管状フレーム部材のハイドロフォーム成形中に、その内部にバルクヘッド部材を形成する方法を提供する。

本発明によれば、内部バルクヘッド部材を形成することにより、管状フレーム部材内部の剛性が向上する。

本発明は、ハイドロフォーム管状フレーム部材に内部バルクヘッド部材を設けることで、フレーム部材が捻り荷重の下で生じるマッチボックス現象の発生を抑えることができる。

本発明によればまた、管状ストックからフレーム部材を形成するハイドロフォーム成形中に、内部バルクヘッド部材が形成される。

本発明は、ハイドロフォーム成形の完了後に、内部バルクヘッド部材を適所にスポット溶接することができる。

更に本発明によれば、管状ストック材から管状フレーム部材を形成するハイドロフォーム成形中に、打ち抜き型（piercing die）により、内部バルクヘッド部材が形成される。

本発明は、内部バルクヘッド部材の形成のための、別個の製造工程を不要とすることができる。

本発明はまた、ハイドロフォーム成形中に形成される溶接アクセス用開口を持つハイドロフォーム・フレーム部材の形成に伴う廃材の量を低減することができる。

本発明は、構造的な耐久性があり、製造コストが低く、保守が不要で、組立が容易で、使用状態で単純かつ効果的である、ハイドロフォーム・フレーム部材のための内部バルクヘッド部材を提供する。

本発明は更にまた、ハイドロフォーム・フレーム部材の剛性を向上させる内部バルクヘッド部材の製造のためのハイドロフォーム成形方法を提供する。

上記のものなどの解決手段は、本発明により、フレーム部材が管状ストック材から製造されるハイドロフォーム成形中に形成される内部バルクヘッド部材を含むハイドロフォーム管状フレームを設けることにより、得られる。内部バルクヘッド部材は、ハイドロフォーム成形中にその中で管状フレーム部材が成形される金型を用いて、溶接アクセス用開口の三辺を打ち抜くことにより、一面から切断される。そして、バルクヘッド部材は、溶接アクセス用開口の第４辺に沿って曲げられ、そしてフレーム部材の対向する面の間に跨る垂直部分と、その対向面への溶接を容易にするための水平部分とを含む折り畳み構成へと形付けられる。内部バルクヘッド部材を設けることは、管状部材の剛性を高め、そして、ハイドロフォーム成形フレーム部材のマッチ箱現象を抑える。内部バルクヘッド部材を持つフレーム部材は、自動車のフレームを製造する上で特に有利である。

図３乃至図７を参照すると、本発明を用いる成形方法により自動車のフレームの一部を形成するハイドロフォーム構造部材（ハイドロフォーム・フレーム部材）を、最も良く理解することができる。自動車用フレームは、できるだけ多くのハイドロフォーム管状部材から形成されるのが好ましい。そのような管状部材は、車両の他のフレーム構成部品と共に車両のフロントエンドの一体形フレーム組立体を形成するのに、スポット溶接することができる。

ハイドロフォーム成形は、形成されるべき特定の部材に対応した形状の型の中に、標準管状ストック部材を置く工程により開始される成形方法である。次の工程で、液体が管状ストック材の内部に導入され、管状ストックが拡張して型により規定される形状になるまで、加圧される。拡張して新形状を持った管状ストック材は、その時点で、かなり異なる形状を持つ。隣接部材間の溶接接合を生成するように、スポット溶接電極が対向して隣り合う面へのアクセスを得るのを可能とする溶接アクセス用開口を、打ち抜き型を用いて、新形状の管状部材内に形成することができる。このようにして、かなりの部分にハイドロフォーム管状部材を用いて、例えば自動車用であるフレームを、製作することができる。

従来のハイドロフォーム構造部材１０が図１に示されており、そこにおいては、管状ブランク材が金型内で拡張され、溶接アクセス用開口１２が構造部材の側面の１つに形成され、アクセス用開口１２を切り取ることにより形成される「スラグ」若しくは残存ブランクが、ハイドロフォーム構造部材１０から完全に切り離される。図２において、「マッチ箱現象」として知られる現象の概略図が示される。応力（特に、捩り応力）の下で、車両のフロントエンドフレーム構成に与えられたハイドロフォーム構造部材１０は、強固な長方形断面形状（実線で示される）の代わりに平行四辺形断面形状（想像線で示される）に変化し得る。

図３乃至７に示される本発明によるハイドロフォーム構造部材２０（ハイドロフォーム・フレーム部材）を参照すると、溶接アクセス用開口２２は、その三辺のみで打ち抜きされており、それで、開口２２の第４辺２３に固着したスラグ若しくは残存ブランク材２５が残る。残存ブランク材２５は、ツール（不図示）により成形され、ハイドロフォーム構造部材２０の内部高さと実質的に同じ高さを持つ鉛直部分２６と、鉛直部分に略直角に曲げられた水平部分２８とを形成する。水平部分２８は、垂直部分２６が形成された後の残りの残存ブランク材２５から形成される。

水平部分２８はそして、ハイドロフォーム構造部材２０の底面２９にスポット溶接され、残存ブランク材２５をL字状に固定する。残存ブランク材２５は、ブランク材２５が取り付いたままであるハイドロフォーム構造部材２０の上面２１から鉛直部分２６を用いて曲げられ、そして再び曲げられて水平部分２８を形成する。水平部分２８は、ハイドロフォーム構造部材２０の底面２９に溶接される。それで、残存ブランク材２５が、ハイドロフォーム構造部材２０の一体形内部バルクヘッド部材２５へと成形される。

バルクヘッド部材２５は、ハイドロフォーム構造部材２０の剛性を向上させ、そして捻り荷重のマッチ箱現象に対する抵抗を大幅に高める。試験した結果、マッチ箱現象がほとんど完全に消滅したことが判った。追加部品は必要とされず、従来廃棄されていた材料がバルクヘッド部材２５を形成するので、ハイドロフォーム構造部材２０の強度を増強するためのコストは、最小となる。材料ゲージの増加、及び、部材の大型化を含む、強度を高めるための副次的な対策の必要性は、もはや存在しない。

本発明の本質を説明するために記載され図示されている詳細記述、材料、工程、及び部品配置についての変更が、本発明の思想及び範囲から逸脱することなしに、起こり得て、そして、本明細書を読めば当業者によりなされ得ることが、理解されるであろう。上述の明細書には、本発明の好ましい実施形態が例示されているが、本発明の考え方は、本記載に基づき、本発明の範囲から逸脱することなしに、実施形態中でも採用され得る。

自動車のフロントエンド組立体の製造で用いられる大きな溶接アクセス用開口を持つ従来技術に係るハイドロフォーム構造部材の一部を示す斜視図である。 図１に示された従来技術に係るハイドロフォーム構造部材の断面図であり、「マッチ箱現象」と呼ばれる捩れを、断面の両側に想像線で示す図である。 本発明に係る実施形態の一例を示す、一体的な内部バルクヘッド部材が組み込まれたハイドロフォーム構造部材の一部を示す図１と同様の斜視図である。 図３に示すハイドロフォーム構造部材の断面を示す概略図である。 ハイドロフォーム構造部材の、溶接アクセス用開口を通る図３のＶ−Ｖ線断面図である。 本発明に係る実施形態の他の例を示すハイドロフォーム構造部材の一部を示す斜視図である。 図６に示すハイドロフォーム構造部材の、長手方向の中心線に沿った断面図である。

符号の説明

２０ ハイドロフォーム構造部材（ハイドロフォーム・フレーム部材）
２１ 上面（第１面）
２２ 溶接アクセス用開口
２３ 第４辺
２５ 内部バルクヘッド部材
２６ 鉛直部分
２８ 水平部分

Claims (18)

1. 管状ストック・ブランク材からハイドロフォーム成形され、第１面及び該第１面から深さ寸法だけ離間し上記第１面に対向する第２面を有する管状断面構成を持ち、上記第１面に溶接アクセス用開口が形成された、自動車のフロントエンド構造に用いるハイドロフォーム・フレーム部材であって、
   上記フレーム部材の上記第１面へ上記溶接アクセス用開口において連結され、上記深さ寸法を跨るように上記フレーム部材の上記第２面に溶接される内部バルクヘッド部材を有することを特徴とするハイドロフォーム・フレーム部材。
2. 上記内部バルクヘッド部材が上記フレーム部材の上記第１面と一体であり、該第１面から上記フレーム部材の上記第２面に向けて曲げられていることを特徴とする請求項１のハイドロフォーム・フレーム部材。
3. 上記内部バルクヘッド部材が、鉛直部分と水平部分とを含む構成に曲げられ、該鉛直部分が上記第１面と上記第２面との間の上記深さ寸法に跨り、上記水平部分が上記フレーム部材の上記第２面への溶接を容易にするようにそれと平行であることを特徴とする請求項２のハイドロフォーム・フレーム部材。
4. 上記内部バルクヘッド部材が、ハイドロフォーム形成中に、上記溶接アクセス用開口の三辺を打ち抜き加工することにより、上記フレーム部材の上記第１面から形成されることを特徴とする請求項３のハイドロフォーム・フレーム部材。
5. 上記内部バルクヘッド部材が、上記第１面と一体のままで、上記溶接アクセス用開口の第４辺に沿って曲げられて、上記鉛直部分を形成することを特徴とする請求項４のハイドロフォーム・フレーム部材。
6. 上記内部バルクヘッド部材が上記深さ寸法に垂直な方向の横断寸法を持ち、該横断寸法が上記フレーム部材の対応する横断寸法よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つのハイドロフォーム・フレーム部材。
7. 上記フレーム部材が、上記深さ寸法に垂直な方向の幅寸法を持つ断面長方形に構成され、上記幅寸法が上記深さ寸法よりも大きく、上記フレーム部材の上記第１面と上記第２面とで上記幅寸法を規定することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つのハイドロフォーム・フレーム部材。
8. フロントエンド構造に用いるハイドロフォーム成形された自動車用フレーム部材であって、
   フレーム構造部材の幅寸法を規定する第１面と、
   上記第１面に対向し、上記フレーム構造部材の深さ寸法に対応する距離だけ上記第１面から離間した第２面と、
   上記第１面に形成された溶接アクセス用開口と、
   上記溶接アクセス用開口において上記フレーム構造部材の上記第１面に連結され、上記深さ寸法を跨り上記フレーム構造部材の上記第２面に溶接される内部バルクヘッド部材とを有することを特徴とする自動車用フレーム部材。
9. ハイドロフォーム成形中に上記溶接アクセス用開口の三辺を打ち抜き、上記第２面に向けて内部バルクヘッド部材を曲げ加工することにより、上記内部バルクヘッド部材が成形されることを特徴とする請求項８の自動車用フレーム部材。
10. 上記内部バルクヘッド部材が、上記溶接用開口の第４辺に沿って曲げ加工されて、上記内部バルクヘッド部材が上記第１面と一体であることを特徴とする請求項９の自動車用フレーム部材。
11. 上記第１面に一体に結合された鉛直部分と上記第２面と略平行に曲げ加工された水平部分とを含む構成となるように、上記内部バルクヘッド部材が曲げ加工され、上記鉛直部分が上記フレーム構造部材の上記第１面と上記第２面との間で上記深さ寸法に跨り、そして、上記水平部分が上記第２面に溶接されることを特徴とする請求項９又は１０の自動車用フレーム部材。
12. 幅寸法が上記深さ寸法より大きい長方形断面を持つことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１つの自動車用フレーム部材。
13. 上記内部バルクヘッド部材が、上記幅寸法よりも小さい横断寸法を持つことを特徴とする請求項１２の自動車用フレーム部材。
14. 自動車のフロントエンド構造に用いるフレーム部材の製造方法において、
    型内に第１形状を持つ管状ブランク材を置く工程と、
    ハイドロフォーム成形によって、上記管状ブランク材の第１形状を、第１面と深さ寸法だけ離間して対向する第２面とを持ち、上記第１面が上記深さ寸法に略垂直な方向の幅寸法を持つ第２形状へと変更する工程と、
    上記変更工程中に三辺を打ち抜き加工することにより溶接アクセス用開口を形成し、上記第１面に取り付けられるバルクヘッド部材を上記溶接アクセス用開口の第４辺に残す工程と、
    上記第１面に略垂直な向きの鉛直部分を形成するように上記第２面に向けて上記バルクヘッド部材を曲げ加工する工程と、
    上記バルクヘッド部材を上記第２面に溶接する工程とを有することを特徴とするフレーム部材を形成する方法。
15. 上記曲げ加工工程において、上記溶接アクセス用開口の上記第４辺に沿って上記バルクヘッド部材を曲げ加工することを特徴とする請求項１４の方法。
16. 上記曲げ加工工程が更に、上記鉛直部分と略垂直な向きの水平部分を上記バルクヘッド部材に成形する工程を含むことを特徴とする請求項１４又は１５の方法。
17. 上記溶接工程が、上記第２面に上記水平部分を溶接する工程を含むことを特徴とする請求項１６の方法。
18. 上記第２形状が長方形であることを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１つの方法。
    

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