JP5114676B2

JP5114676B2 - 鋼製中空柱状部材

Info

Publication number: JP5114676B2
Application number: JP2008138516A
Authority: JP
Inventors: 智史広瀬
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2028-05-27
Also published as: JP2009285668A

Description

本発明は、筐体を構成するフレーム部材として使用する、鋼製の薄肉中空柱状部材に関する。

近年、燃料高・原料高に伴い製造の現場ではコスト削減が早急に要求されている。しかし、コスト削減により製品の性能が悪くなることは、メーカーの信用失墜につながる可能性がある。特に筐体を構成するフレーム部材の性能悪化は安全性の面で避けなければならない。自動車分野では衝突安全性の維持と燃費向上のため、車体に搭載されるフレーム部材に超ハイテンを適用する例が多くなっている。すなわち、材料の質の変更によりコストの削減が図られている。
製品の質を維持または向上させ、かつコスト削減を可能とする技術として、上記の材料そのものの変更によるコスト削減方法があるが、新材料の開発は長い時間と莫大な開発コストを要する。また他のコスト削減方法として、部材形状を最適化することが考えられる。この手法は開発期間と開発コストの面で優れた手法であり、過去に様々な検討が行われている。
本発明に関連する先行特許として特許文献１に中空矩形断面を有するアルミニウム合金押出部材からなる自動車用エネルギー吸収部材において、長手方向にねじりを有する部材が記載されている。

特開平９−１０９９２０号公報

しかし、自動車の内部構成部材は非常に複雑であり、また自動車の衝突形態も様々であることから、予測した衝撃吸収能を示さない場合がある。例えば理想的な正面衝突では優れた衝撃吸収能を示すが、少し斜めからの衝突では衝撃吸収能が格段に減少する傾向を示す。したがって、ある程度斜角からの衝突でも高い衝撃吸収能を有する部材、いわば高い衝突角度鈍感性を有する部材の開発が衝突安全性の観点から望まれる。
衝撃吸収部材端部につぶれを誘発するくびれ部を付与した部材も開発されているが、くびれ部は他部に比べ斜めからの衝突時に顕著となる曲げモードの変形に弱く、くびれ部から折れ曲がり極端に衝撃吸収能が減少するおそれがある。
以上の点から、衝突角度鈍感性の向上のため、曲げモードに対する弱部を作らないこと、つぶれを誘発する変形形態を有すること、高い衝撃吸収能のため、個々のつぶれのエネルギー吸収量が大きいことが望ましい。

特許文献１に記載された部材はねじりを長手方向に一部又は全部に付与しており、衝突角度鈍感性に優れた部材と考えられる。しかし、矩形断面の部材にフランジ部を有さないため、高い衝撃吸収能を得られないおそれがある。ねじりモーメントは部材の長手方向に垂直な断面積にほぼ比例するため、フランジによりねじりモーメントの向上、すなわち、衝突角度鈍感性を有しつつ衝撃吸収能を高めることができるからである。
本発明の目的は、様々な薄肉断面形状において高い衝突角度鈍感性と衝撃吸収能の両立する部材を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）断面が四角形の鋼製中空柱状部材であって、長手方向の一部又は全部にねじりが形成され、長手方向の全長に渡って、フランジをコーナー部の外側又はコーナー部の間の外側に有し、長手方向に直角な断面で、縦と横の長さの平均を平均稜線間距離Ｗ［Ｍ］としたとき、衝撃力の入力側から長手方向のＷ［Ｍ］の範囲に前記ねじりを有することを特徴とする鋼製中空柱状部材。
（２）前記ねじりが、長手方向に複数、部分的に存在することを特徴とする（１）記載の鋼製中空柱状部材。

本発明により、様々な薄肉断面形状において高い衝突角度鈍感性と衝撃吸収能の両立する部材を提供することができる。

本発明による鋼製中空柱状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詳述する。
まず、（１）に係る本発明について説明する。
衝突角度鈍感性の向上のため、鋼製中空状部材の長手方向の一部または全部にねじり部を付与することを発明した。ねじりの付加により、通常の矩形断面と比べ、稜線上の蛇腹状の座屈を引き起こしやすくすることで衝突角度鈍感性を向上させることができる。
鋼製中空柱状部材（以下、中空柱状部材あるいは単に部材とも記す）に長手方向の端部から衝撃力が入力される際、部材内の弱部から変形が生じるため、例えば、部材内で衝撃力入力側端部（以下、入力側端部と略称）よりも長手方向の中央部に弱部が存在してしまうと、中央部で変形が集中し、部材が中央部で折れ曲がるような変形モードとなる。すなわち、入力側端部から蛇腹状に座屈させるためには、部材の入力側端部を変形し易くしなければならない。

通常、図２（ｂ）に示すように、矩形断面を有する鋼製中空柱状部材では、部材の稜線部に主に変形が集中する。衝撃力入力開始時、入力側端部では変形波の影響から変形が集中し始めるが、稜線部が衝撃力による引張および圧縮変形により加工硬化し、加工硬化部が変形方向（入力方向）と同一であることから蛇腹状の座屈を妨げる。結果として、加工硬化していない中央部が変形しはじめ折れ曲がり易くなる。

これに対し、図２（ａ）に示すように、ねじりを付与された部材は、稜線部が同様に加工硬化するが、稜線部に沿って引張及び圧縮変形を受けた加工硬化部が変形方向（入力方向）と異なるため、蛇腹状の座屈を妨げない。さらに、この場合は主にせん断変形による加工硬化であることから、部材の板厚の減少を抑えることができるため、極端な弱部の発生を抑えることができる。

部材に付与する長手方向長さ１００ｍｍ当たりのねじれ角は、１度未満だと衝突角度鈍感性の向上が明確でない。一方、６０度超だと、稜線の方向と衝撃力の入力方向が大きくずれすぎてしまい、稜線部の加工硬化が衝撃吸収能に寄与しなくなる。結果、衝突角度鈍感性の向上に比べ衝撃吸収能が大きく減少する。従って、１００ｍｍ当たりのねじれ角の下限を１度とし、好ましくは５度以上、さらに好ましくは１０度以上とするのが好適である。また、１００ｍｍ当たりのねじれ角の上限を６０度とし、好ましくは４５度以下、さらに好ましくは３０度以下とするのが好適である。

また、ねじり箇所はねじりのないところに比べ、蛇腹状の座屈をしやすくなることから、用途に応じてねじり部を設ける箇所を変更することが望ましい。例えば、衝撃力入力方向が定まっておらず衝突角度鈍感性のみを高めたい場合、部材すべてをねじり箇所とし、ある程度衝撃力入力方向が決まっている場合、入力側の近傍、例えば、入力側から、全長の半分をねじり箇所とする等が考えられる。なお、ねじり箇所が少なすぎると、あるいは、ねじり部の合計の長さが小さいと、ねじりのない単純な矩形断面を有する部材と衝撃吸収能、衝突角度鈍感性ともに違いが明確とならないため、ねじり部は、部材の全体長さの１／１０以上を目安とする。

また、鋼製中空状部材のコーナー部の外側又はコーナー部とコーナー部の間の外側にフランジ部を有することで、衝撃力入力後ねじれながら座屈するのに必要なねじりモーメントを増加させることにより、変形に対する対抗力を高め、その結果、衝撃吸収能を向上させることができる。すなわち、ねじりのない矩形断面を有する部材では、部材が蛇腹状に座屈する際、フランジ部と同様に変形し、その変形形態は単純な曲げのみであるのに対し、図１のようにねじりを付加すると、フランジ部に曲げだけでなくせん断変形も生じるため、フランジ部のエネルギー吸収量を顕著に向上させることができる。通常、あまり衝撃吸収能に寄与しないフランジ部をねじり付加により有効に活用できることを知見した。フランジを設けた中空柱状部材の長手方向に垂直な断面図の例を図１１（ａ）〜（ｅ）に示す。

また、鋼製薄肉中空柱状部材でねじりが付与された箇所とそれ以外で比べると、衝撃力に対しねじり箇所は入力方向と稜線部方向が異なることから弱部となるため、ねじり部を設ける箇所は非常に重要である。例えば、部材の長手方向中央部のみにねじり部を形成した場合、折れ曲がり易くなる。衝撃吸収能を高めるため、入力側端部より蛇腹状に座屈を繰り返すことが望ましいことから、ある程度入力側端部にねじり箇所を有することが必要である。最も加工硬化が生じる箇所は、入力側端部から半波長以内に存在するため、入力側端部から座屈の半波長以内にねじり箇所を有することが望ましい。
すなわち、例えば図３に示すように、一辺８０ｍｍからなる正方形状の矩形断面を有する部材が蛇腹状に座屈してつぶれるとき、その座屈の半波長である稜線間距離（８０ｍｍ）以内にねじり箇所を有することが望ましい。
このように矩形断面の形状が四角形の場合、稜線間距離は、縦、横の長さ（各辺の長さ）の平均により求めた平均稜線間距離を目安とすればよい。

一方、図４に示すように、四隅にそれぞれ曲率を有するコーナー部２を有し、コーナー部２を含んで閉断面を形成する略四角形からなる金属製中空柱状部材１であって、４辺のうちの少なくとも一辺以上に１つないし複数の凹み部３を有する場合、各辺長は、略四角形のコーナー部２および凹み部３の形成により生じた凸部４において曲率を取り除いたときの形状を元に算出すると、以下のようになる。

図４の２つのコーナー部２の間を示した図５を参照しながら説明すると、即ち、端部にある凸部４については凸部の肩部端点５から端部６までを結んだ直線の長さ（ＬｉおよびＬｋ）を辺長とし、凹み部３については隣接した凸部４の肩部端点５を直線で結んだ長さ（Ｌｊ）および凹みの深さ、すなわち端点５と端点７の高さＬｄを辺長とする。また、中間にある凸部の場合（図示しない）は凸部の肩部端点間の直線距離とする。なお、端点５および端点７に曲率を付与するときは、その曲率半径を０ｍｍとしたときの形状を元に、各辺の辺長を算出する。また、総辺数は各頂点（端点）を直線で結んだときの直線の総数とする。図中の＜＞で囲んだ数字はある一辺中の辺数を左端から数えたときの例であり、図５の場合、略四角形の１辺について、辺数は５となるので、図４のように、残る３辺も同じ形状であれば、総辺数は２０となる。
従って、平均稜線間距離＝（４×８０＋８×１０）／２０＝２０ｍｍとなる（一辺の長さが８０ｍｍの正方形断面で、１０ｍｍの深さの凹み部を４辺に有する場合）。

矩形断面上のひとつの稜線間を有する平面内ではその稜線間隔を半波長とする座屈が生じるが、他面との干渉によりその波長はくずされ、平均的な波長で座屈を引き起こすと考えられる。
したがって、長手方向に直角な断面で、縦と横の長さの平均を平均稜線間距離Ｗ［Ｍ］としたとき、衝撃力の入力側から長手方向のＷ［Ｍ］の範囲にねじり箇所を有することが望ましい（図３）。

次に、（２）に係る本発明について説明する。
先述のとおり、ねじり箇所はねじりのないところに比べ、座屈しやすくなることから、用途に応じてねじりを設ける長手方向位置を変更することが望ましい。例えば、部材の長手方向の中央に他部材との接触箇所がある場合、衝撃吸収部材の端部以外の場所、例えば他部材との接触箇所から衝撃力が入力される場合も考えられるため、入力側端部を含め、長手方向に２箇所以上のねじり部を設けることが有効である。（図６参照）
ねじりを設けた部材の例として、図１２（ａ）に衝撃力の入力側から長手方向のＷ［Ｍ］の範囲にねじりを有する例（（２）に係る発明）、同図（ｂ）に入力側端部を含め２箇所以上にねじりを有する例、同図（ｃ）に長手方向の全部（全長）にねじりを有する例を示す。

実施例を参照しながら、本発明を具体的に説明する。
本発明例及び比較例として、材料がＪＳＣ５９０Ｙで板厚が１．４ｍｍの板材２つをハット型にプレス成形後（壁部高さ４０ｍｍ、天井部の幅８０ｍｍ、フランジ部長さは１５ｍｍ、長手方向の長さ４００ｍｍ）、フランジ部を対向させて突合せ、突合せ部をスポット溶接で接合することによりフランジ部を除くと一辺の長さが８０ｍｍの正方形断面をもつ長さ４００ｍｍの角パイプを得た。さらにこの角パイプの中空柱状部材にねじり加工により部材全体に長手方向長さ１００ｍｍ当たり０°（ねじり加工なし：比較例）、３０°（以降、本発明例）、６０°、９０°のねじりを付加した。

また、図７に示すように、上記と同じ角パイプを用いて一方の端部（入力側端部）から長手方向にねじりを付加しない部分（Ｌａ）を３０ｍｍ、６０ｍｍ、９０ｍｍだけ持ち、残る部分（Ｌｂ）は長手方向長さ１００ｍｍ当たり６０°のねじれ部を持つ部材を作成した。角パイプに単純にねじり加工を加えただけなので、平均稜線間距離はいずれの場合も変わらず８０ｍｍである。

また、別の比較例として、上記と同じ材質、板厚の鋼板２枚をそれぞれコの字型にプレス成形後（壁部高さ４０ｍｍ、天井部の幅８０ｍｍ、長手方向の長さ４００ｍｍ）、スポット溶接により端部同士を接合したフランジ部のない角パイプを作成し、この部材にねじり加工により部材全体を長手方向長さ１００ｍｍ当たり０°（ねじり加工なし）、３０°、６０°のねじりを付加した。

上記のすべての作成部材に対し、落重試験により部材の長手方向の１／２に当たる２００ｍｍだけつぶれたときのエネルギー吸収量を比較した。衝突方向を変えるため、図８に示すように部材の長軸方向から０°、２°、４°、６°、８°、１０°だけ傾きを与えて落重による衝撃を加えた。なお、比較例であるフランジなしの角パイプに対する衝突方向は部材の長軸方向と平行の条件のみであり、また、図７に示したねじりなし部を有する角パイプに対する衝突方向は部材の長軸方向から４°だけ傾いた条件のみである。その結果を図９、図１０および表１に示す。

図９に示すように、比較例であるねじりなしの部材は、衝突方向が部材の長軸方向と平行であるとき（衝撃角度０°）、極めて高い衝撃吸収能を発揮するが、衝突方向が部材の長軸方向からずれてくると、急激に衝撃吸収能が低減した。
一方、本発明例である長手方向長さ１００ｍｍ当たり３０°、６０°のねじりを有する部材は衝突方向の部材の長軸方向からずれに対し、大きく衝撃吸収能が低減することはなく、ずれが大きくなるとねじりのない部材よりも大きな衝撃吸収能を発揮した。しかし、長手方向長さ１００ｍｍ当たり９０°と大きなねじりを有する部材は衝突方向の部材の長軸方向からずれに対し、大きく衝撃吸収能が低減することはないが、全体的に低い衝撃吸収能を示した。

また、図１０に示すように、比較例であるねじりを有さない部材の場合、フランジ部は衝撃吸収能向上にほぼ寄与しない。しかし、本発明例であるねじりを付加した部材は、フランジなしの比較例に比べ衝撃吸収能が大きく向上した。

また、本発明例として、一方の端部（入力側端部）から長手方向にねじりなし部を３０ｍｍ、６０ｍｍ、９０ｍｍだけ有する部材の落重試験では、９０ｍｍだけねじりなし部を有する部材だけ、ねじり部からくの字型に折れ曲がりが発生し衝撃吸収能を大きく低減させた。表１に示すように他の部材はねじり部において蛇腹状に座屈し、高いエネルギー吸収量を得た。

本発明の一例である中空柱状部材を模式的に示す説明図である。入力方向と稜線方向の関係を模式的に示す説明図であり、（ａ）は、ねじりを有する場合、（ｂ）は、ねじれを有しない場合をそれぞれ示す。平均稜線間距離と座屈半波長の関係を示すグラフである。本発明の一例である中空柱状部材の軸方向に垂直な断面の形状を模式的に示す説明図である。図４の断面の一部における各辺長および辺数を示す説明図である。中空柱状部材の中央に継ぎ手を有する場合に有効なねじり部の一例を示す図である。入力端部側にねじりのない場合の中空柱状部材を模式的に示す説明図である。衝突角度と部材の長手方向の関係を模式的に示す説明図である。１００ｍｍ当たりのねじり角に関する衝突角度とエネルギー吸収量の関係を示すグラフである。フランジの有無に関する１００ｍｍ当たりのねじり角とエネルギー吸収量の関係を示すグラフである。本発明の一例である中空柱状部材の断面形状を模式的に示す説明図であり、（ａ）、（ｄ）はコーナー部とコーナー部の間の外側に、（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）は、コーナー部の外側にフランジを有する場合をそれぞれ示す。本発明の一例であるねじりが形成された中空柱状部材を模式的に示す説明図であり、（ａ）は、衝撃力の入力側から長手方向のＷ［Ｍ］の範囲にねじりを有する例、（ｂ）は、２箇所以上ねじりを有する例、（ｃ）は、長手方向の全部にねじりを有する例である。

符号の説明

１金属製中空柱状部材
２コーナー部
３凹み部
４凸部
５肩部端点
６端部
７端点

Claims

断面が四角形の鋼製中空柱状部材であって、長手方向の一部又は全部にねじりが形成され、長手方向の全長に渡って、フランジをコーナー部の外側又はコーナー部の間の外側に有し、長手方向に直角な断面で、縦と横の長さの平均を平均稜線間距離Ｗ［Ｍ］としたとき、衝撃力の入力側から長手方向のＷ［Ｍ］の範囲に前記ねじりを有することを特徴とする鋼製中空柱状部材。
前記ねじりが、長手方向に複数、部分的に存在することを特徴とする請求項１記載の鋼製中空柱状部材。