JP5506546B2 - 耐衝撃特性に優れた超高強度鋼板によるドアインパクトビームおよびそのプレス成形法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の側面衝突対策として用いられているドアインパクトビーム及びそのプレス成形法に関するものであり、さらに詳細には、1180MPa級以上の板状超高強度鋼板を適切な部品構造にプレス成形することで製造された耐衝突特性に優れたドアインパクトビームと、そのプレス成形の際の割れやしわに加えて、形状不良などの成形不具合を防止したプレス成形法に関するものである。

自動車のドアには、側面からの衝突に対する乗員の保護を目的として、高周波焼入れを施した鋼管製（特許文献１）、もしくはホットプレス（特許文献２）を用いたドアインパクトビームが一般的に採用されている。また、コストを下げる目的で、ビーム部分をロール成形で加工し、後付けするブラケットでドアに取り付ける構造も提案されている（特許文献３）。

さらに、後付けするブラケットまで一体でプレス成形するドアインパクトビームも提案されており（特許文献４）、成形性を考慮してブラケット部とビーム部を徐変させて成形する形状もすでに提案されている（特許文献５）。

昨今の衝突対策では、SUV(スポーツ・ユーティリティ・ビークル)などのように車高の高い車が側面から衝突してきたときの対応も求められている。従来の高周波焼入れをしたドアインパクトビームでは、車高の高い車がインパクトビームに乗り上げて、乗員に深いダメージを与えることが懸念されている。特許文献２では、こうした車両の衝突に対応するために、パイプを２本並べて連装することで対処する方法が提案されているが、もともと高コストの鋼管を２本使うことで、コストを削減する技術が求められている。

また、ホットプレスを用いたドアインパクトビームの場合、素材の加熱装置、及び金型内で急冷するための金型構造など設備費がかかる上に、素板の加熱や金型内での冷却に時間がかかるため、生産性が課題となっている。さらに、高周波焼入れを施した鋼管製を用いた場合はビーム部と、ドアに取り付けるブラケットの部分が別になることが多く、部品後付けの工程が増えるためコストアップの要因のひとつとなっている。

その点、超高強度鋼板のプレス成形によるドアインパクトビームは、コスト的に前者らに勝っているが、素板が高強度になるほど成形性が劣るため、特許文献４ではブラケット部の形状を折り曲げて成形する手法が考案され、特許文献５ではブラケット部からビーム部の成形深さを徐変させることにより一体成形する手法を考案している。しかし、引張り強さが590MPa級を超える超高強度鋼板の場合、このような形状にプレス成形する場合、捩れや長手方向の反り(キャンバー)など、プレス成形における形状精度不良が問題となり、部品取り付け精度の悪化による組み付け不良が課題となっている。

ドアインパクトビームの断面形状についても角鋼管や波状鋼板、M字型断面形状、縦壁と横壁から構成されるドアインパクトビームに背板をつけた平断面形状、などが提案されている。いずれも成形性と衝突時のエネルギー吸収性を考慮した形状となっているが、鋼管では複雑な断面形状は形成できず、ホットプレス製ドアインパクトビームでは、高温での成形のため、同じく複雑な断面形状を成形することができない。

また、超高強度鋼板を用いたドアインパクトビームでは、衝突時の折れなどを考慮した特許文献６のような断面が提案されているが、衝突エネルギー吸収特性と成形性を兼ね備えた断面形状については、明確な指針は示されていない。

特開2006-35868号公報 特開2006-321405号公報 特開2008-279903号公報 特公平6-17087号公報 特開2008-179174号公報 特開2008-284934号公報

従って、本発明の目的は、コスト的に優れ、成形性と衝突エネルギー吸収性を両立するドアインパクトビームを、超高強度の鋼板を用いて冷間プレス成形により得ることである。さらに、高強度鋼板のプレス成形に伴う形状精度不良を回避して、寸法精度の良好な超高強度鋼板製ドアインパクトビームを成形できる技術を提供することである。

上記の課題を解決するため、本発明のドアインパクトビームの部品形状は、請求項１に記載のとおり、引張り強さが1180MPa級以上の超高強度の板状鋼板から冷間プレス成形により製造されたドアインパクトビームであって、成形性と衝突エネルギー吸収性を兼ね備えたM字型断面構造を有し、該M字型断面は長手方向に高さを徐変させたものとし、更に該M字型断面の左右のフランジ部に、フランジ端を始点とし製品縦壁部に達しない形状ビードを有することを特徴とするものである。

なお請求項２に記載のとおり、M字型断面の高さを20〜40mmとすることにより衝突エネルギー吸収性能を高め、車高の高い車からの側面衝突に対応させることができる。また請求項３に記載のとおり、M字型断面の高さを長手方向に徐変させ、端部にドア本体への取り付け部位であるブラケット部を冷間プレスで一体成形することが好ましい。また請求項４に記載のとおり、超高強度の板状鋼板が、引張り強さ1180MPa級以上の鋼板であることが好ましい。

また請求項５の発明は、請求項１に記載のドアインパクトビームのプレス成形法であって、プレス成形時の形状凍結不良を引き起こす部位を特定し、該当する部位のフランジ部に形状ビードを１個または複数個配することにより、形状不良を引き起こす圧縮応力を緩和することを特徴とするものである。

なお請求項６に記載のとおり、幅10〜30mm、高さ1〜5mmの形状ビードを、フランジ端を始点として製品縦壁部から3mmの位置まで配することが好ましい。

本発明の耐衝撃特性に優れた超高強度鋼板によるドアインパクトビームによれば、安価で軽量、かつ、成形性と衝突エネルギー吸収性能を兼ね備え、車高の高い車種の側面衝突にも対抗しうる部品とすることができる。また、本発明の超高強度鋼板製ドアインパクトビームのプレス製造法によれば、低コストの冷間プレスにて製造できるうえ、形状精度不良を事前に予測して対処できるため、金型製作期間の短縮、コスト削減が可能となり、形状精度の良好な製品を得ることができる。

本発明のドアインパクトビームの外観形状を示す図である。 本発明のドアインパクトビームの中央部断面形状を示す図である。 本発明の断面形状を決める上での、ホットプレス製ドアインパクトビームと同等の吸収エネルギーを得るための断面高さとエネルギー吸収量の関係を示す図である。 超高強度鋼板を用いて冷間プレス成形した場合に予想される形状精度不良例を示す図である。 ドアインパクトビームを冷間プレスしたときに想定される形状精度不良の原因とみなされる残留応力を示す図である。 超高強度鋼板(1180MPa)でドアインパクトビームを冷間プレスしたときに、良好な寸法精度をえるための対策としての形状ビード、及び配置を示す図である。 ３点曲げにおけるホットプレス製ドアインパクトビーム、及び本発明の断面形状と比較例の断面形状に関する、ストローク−荷重曲線を示す図である。 図６に示した形状精度不良対策を織り込んだ製品形状でのFEM解析による寸法精度改善効果を示す図である。

以下に本発明を更に詳細に説明する。
本発明のドアインパクトビームは超高強度鋼板を冷間プレス成形することにより製造されるもので、図１に示すように、本体部分であるビーム部１の両端に、ドア本体への取り付け部位であるブラケット部２、３を一体成形したものである。その幅方向の断面は図２に示すように２つの山を持つM字型断面となっている。またその幅方向の両端部は、フランジ部４となっている。

製品の断面形状を、図２に示すようなM字型断面形状とするのは、単純な波板状では衝突エネルギー吸収効率が低いため、M字型断面形状としたもので、このような形状とすることによって、高周波焼入れを施した鋼管製ドアインパクトビームやホットプレス製ドアインパクトビームに対して、安価で生産性がよく、衝突特性に優れた超高強度鋼板製ドアインパクトビームとなる。

このM字型断面は長手方向に高さを徐変させてあり、ビーム部１の長手方向の中央部が最も高く、両端に向かって次第に低くなっている。これによりビーム部１とドアに取り付けるブラケットを別の部品にすることなく、一体成形することにより部品コストを低減することができる。

このビーム部１の幅は、図２に示すように80mm以上とすることが好ましい。これは、SUV(スポーツ・ユーティリティ・ビークル)などのように車高の高い車が側面から衝突してきたときにも、ドアインパクトビームの幅を広くすることで、ドアインパクトビームで十分に乗員を保護することができるようにするためである。

さらに図２に示すように、M字型断面高さを24mm以上、中央凹部深さを22mm以上とすることが好ましい。これは、幅広のM字型断面形状でも、現行のホットプレス製ドアインパクトビームと同等の衝突エネルギー吸収性能を確保するためで、上記の形状を規定する数値は、図３の検討結果をもとに決めたものである。すなわち、図２の断面形状は、同じ板厚を想定した3点曲げの解析により既存のホットプレス製ドアインパクトビーム断面形状の吸収エネルギーと同等以上の吸収エネルギーを得るための最適解として得られたものである。

なお、ドアインパクトビームの断面深さは深いほど吸収エネルギーは高くなるが、ドア内部のレギュレ−ターやガラスなどの装備との干渉があるため、M字型断面高さにはドアごとに限界が存在する。また、製品深さを深くすると部品重量も増すため、成形性と吸収エネルギーの最適化を図る必要がある。

ここで、既存のホットプレス製ドアインパクトビームに対抗しうる衝突エネルギー吸収性能を同じ板厚のままで得るためには、引張り強度が1180MPa級以上の鋼板である必要がある。引張り強度が1180MPa級未満の鋼板では、ドアインパクトビームの断面形状を如何に工夫しても、同板厚のホットプレス製ドアインパクトビームと同等の衝突エネルギー吸収性能を得られないからである。

このような超高強度鋼板で図１に示すようなドアインパクトビームの形状を冷間プレス成形すると、割れ・しわといった成形不良が起こりやすくなるとともに、ねじれや長手方向反り(キャンバー)などの形状精度不良を起しやすくなることが知られている。一般的には、プレス部品の製造前に製品形状をもとに有限要素法による成形解析がなされ、われ・しわのない部品形状に修正することが行なわれる。さらに、試作金型によるプレストライによって、成形不良や形状精度不良のチェックを行い、必要に応じて部品形状や金型の修正が行なわれる。しかしこうした生産準備手法では、十分な形状精度不良対策を打つまでに何度も試作金型を修正したり、形状変更したりするため、生産準備期間の長期化・コスト増となりやすいのが実情である。

本発明では、こうしたトライアンドエラーに基づく生産準備より、効率的に形状精度不良対策を講じ、生産準備期間の短縮・コスト削減することを目的とする。そのために、有限要素法による成形解析を実施した後、製品の残留応力もしくはモーメントの強度および分布形態を調べ、それら残留応力もしくはモーメントごとの形状精度不良に及ぼす影響度合いを有限要素法解析を駆使して精査し、形状精度不良を引き起こす主要因を特定する。

本特許のドアインパクトビームでは、成形解析結果を分析した結果、図５に示すフランジ部の圧縮応力が起点となって、図４に示すようなねじれや長手方向の反りを引き起こしていることが判明した。このようにして求めた、形状精度不良の主要因となる残留応力もしくはモーメントを、軽減する対策を部品形状に施すか、プレス工法で対処することが必要である。

圧縮応力を除去する手法としては、製品深さの徐変部分の勾配が影響しているため、徐変部分の形状を緩和するか、圧縮応力の発生している部分の周長差を緩和するように形状ビードを施すことが対策として考えられる。しかし、徐変部分の形状を緩和しても、本質的には圧縮応力の除去にはつながらないため、形状ビードによる周長さの緩和を検討した。

フランジ部に形状ビード５を１個または複数個設け、圧縮応力を低減するに当り、フランジ部に設けるビードは、例えば幅20ｍｍ、深さ２ｍｍの形状ビード５を、フランジ端を始点として製品縦壁部から3mmの位置まで配することが望ましい。ビードの形状については成形時に材料移動が発生する場合には長方形が望ましく、材料移動が発生しない場合には台形形状でも可能である。

この実施形態では、超高張力鋼板の成形性も考慮して、図６に示すように、幅20mm、高さ2mmの形状ビード５を、フランジ端部から製品縦壁3mm手前まで設けた。形状ビード高さは5mm以上高くすると形状ビード部で超高張力鋼板の成形限界に近くなる事と、1mm以下の低い形状ビードでは周長差を解消しきれない為、その範囲内で周長差を解消できる最適値としてビード高さを2mmとした。

形状ビード５の幅を20mmとしたのは、20mm以下の細い形状ビード５ではフランジ部の剛性面での寄与が得られないためで、超高張力鋼板の成形にも考慮した形状である。逆に、これ以上幅の広い形状ビード５では、圧縮応力の発生部位に形状ビードを複数個配して、周長差を稼ぐことが難しくなるから適用することができない。また、形状ビード５の位置をフランジ端部から製品縦壁3mm手前としたのは、圧縮応力の発生領域を十分カバーするためで、製品縦壁から3mm離すのは、製品肩Ｒの成形に影響するためである。しかしこれらのビードに関する数値はドアインパクトビームの種類形状によって当然に変動するものであり、これに限定されるものではない。

以下に本発明の実施例を比較例とともに示す。
本発明の比較例として、板厚1.6mmのホットプレス製ドアインパクトビーム（製品幅W＝70mm、高さH=30mm、凹部深さD=4mm）と、板厚1.6mmで引張り強度1180MPa級鋼板の素板を、本発明に該当する断面形状のCase1（W=80mm、H=30mm、D=24mm）と、本発明の範囲外となるCase２（W=75mm、H=22mm、D=18mm）で、3点曲げにより「ストローク−荷重」の関係を調べた。結果を図７に示す。

比較材としてのホットプレス製ドアインパクトビームと比べて、本発明に該当するCase1はほぼ同等の性能を得られるのに対して、本発明の範囲外のCase2では、十分な性能が得られないことが判明した。

プレス成形における形状精度不良に関しては、本発明による図１の外観形状で、図2の断面形状を有する部品につき、有限要素法にて成形解析を試みた。その結果、この形状では図４に示すようにねじれと反りが発生することが判明した。有限要素法解析の結果を精査したところ、この形状精度不良は、徐変部分の成形が影響しており、図５に示すフランジ部の圧縮応力が主要因であることが判明した。

次に、形状精度不良の発生要因であるフランジ部の圧縮応力を緩和するために、本発明に記載の図６に示す形状ビードをフランジ部に12個配する形状とした。その結果、有限要素法解析により図8に示すように形状精度不良をほぼ解消できることが確認された。

１ ビーム部
２ ブラケット部
３ ブラケット部
４ フランジ部
５ 形状ビード

Claims (5)

1. 引張り強さが1180MPa級以上の超高強度の板状鋼板から冷間プレス成形により製造されたドアインパクトビームであって、成形性と衝突エネルギー吸収性を兼ね備えたM字型断面構造を有し、該M字型断面は長手方向に高さを徐変させたものとし、更に該M字型断面の左右のフランジ部に、フランジ端を始点とし製品縦壁部に達しない形状ビードを有することを特徴とするドアインパクトビーム。
2. M字型断面の高さを20〜40mmとすることにより衝突エネルギー吸収性能を高め、車高の高い車からの側面衝突に対応させたことを特徴とする請求項1記載のドアインパクトビーム。
3. M字型断面の高さを長手方向に徐変させ、端部にドア本体への取り付け部位であるブラケット部を冷間プレスで一体成形したことを特徴とする請求項1または２記載のドアインパクトビーム。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載のドアインパクトビームのプレス成形法であって、プレス成形時の形状凍結不良を引き起こす部位を特定し、該当する部位のフランジ部に形状ビードを１個または複数個配することにより、形状不良を引き起こす圧縮応力を緩和することを特徴とするドアインパクトビームのプレス成形法。
5. 幅10〜30mm、高さ1〜5mmの形状ビードを、フランジ端を始点として製品縦壁部から3mmの位置まで配することを特徴とする請求項４記載のドアインパクトビームのプレス成形法。