JP5942635B2 - 溝形部材の継手部構造 - Google Patents

Description

本発明は、金属板材をプレス成形して製造されるプレス成形品の継手部構造に関し、特に自動車等の車両フロア構造に適用する溝形の骨格部品を接続するのに好適な溝形部材の継手部構造に関する。
ここで、金属板材とは、熱延鋼板、冷延鋼板、あるいは鋼板に表面処理（電気亜鉛めっき、溶融亜鉛めっき、有機被膜処理等）を施した表面処理鋼板をはじめ、ステンレス、アルミニウム、マグネシウム等の各種金属類から構成される単板でもよい。

自動車等の車両フロア構造に用いられる骨格部品として、車両の前後方向に延出するサイドシル（インナー、アウター）と、該サイドシルに直交して該サイドシルに接合されるクロスメンバがある。
クロスメンバは、コ字断面あるいはハット断面を有する溝形部材からなり、その端部に継手部を有し、該継手部によって矩形断面を有するサイドシルに接合される。
このような、溝形部材の端部に設けられる継手部構造としては、例えば特許文献１に記載されているように、溝形部材における継手部のコーナ部（鉛直面と水平面の交差部）に切り込みを入れて、これを外方に開いてフランジ状にしたものがある。

また、特許文献２，３に記載されているように、溝形部材のコーナ部に切り込みを入れることなくサイドシルの矩形外面に沿うように成形した継手部構造もある。特許文献２および特許文献３には材料の記載は特にないが、コーナ部に切り込みを入れることなく接合相手となる断面矩形の外面に沿う形状にするには、延性に富む低強度鋼板を用いていると考えられる。
また、高強度鋼板を用いたプレス成形品の製造方法として、継手部構造ではないがＴ字部材を製造する方法が特許文献４に開示されている。特許文献４に記載のＴ字部材の製造方法は、高強度鋼板における折り曲げる部分に予め溝を設けてから曲げ加工するというものである。

特開２００７−１５２９９８号公報 特開平０７−０６２９４２号公報 特開２００６−２４０６０２号公報 特開２００９−２６２２３１号公報

昨今においては、車体軽量化の要請から車体を構成する金属部材の高強度薄肉化が進んでおり、低強度鋼板に代えて高強度鋼板（例えば引張強度ＴＳが９８０ＭＰａ、１１８０ＭＰａ、１４７０ＭＰａの鋼板）が用いられるようになっている。
しかし、高強度鋼板は低強度鋼板と比較してプレス成形時の絞り性、張り出し性、伸びフランジ性が低い。そのため、特許文献２および特許文献３の継手部構造を、高強度鋼板を用いてプレス成形しようとすると、継手部のコーナ部に割れやしわなどの成形不具合が生じ、求める継手部構造が得られない。そこで、従来、特許文献３に示す形状の継手部分のみを別部品として、軟鋼板でプレス成形し、溶接等で溝形部に接合することが行われていたが、工程が増えて部品点数も増えるという問題がある。

他方、特許文献１に開示されたもののように、コーナ部に切り込みを入れて、これを外方に開いてフランジ状にすることでコーナ部に割れやしわが発生するのを防止することができるが、この場合、継手部の剛性が低下するという問題がある。
また、特許文献４においては高強度鋼板を用いた成形方法が開示されているが、この方法は、屈曲する線に沿って予め溝を設けるというものであり、手間がかかると共にこの方法を継手部に採用すると剛性が低下するという問題もある。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、高強度鋼板における複雑な曲げ加工ができないという問題を克服しつつ、剛性を確保した溝形部材の継手部構造を得ることを目的とする。

（１）本発明に係る溝形部材の継手部構造は、高強度鋼板を成形してなる溝形部材の端部に形成され、該溝形部材を角形部材に対して交差方向に接合するためのものであって、
前記溝形部材における縦壁部を外方に屈曲してなる縦片部と、該縦片部の上端から連続し、かつ前方に屈曲してなる側延出片部と、前記溝形部材における底部から前方に延出する中央延出部と、前記縦壁部と、前記縦片部と、前記底部と、前記中央延出部の交差するコーナ部に形成された開口部とを有し、前記中央延出部は、前記底部に連続する基部と、該基部から外方に張り出す張出し部とを有し、該張出し部と前記側延出片部とが接合されていることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記中央延出部の張出し部は、後方に折り返された折り返し部を有し、該折り返し部と前記側延出片部とが接合されていることを特徴とするものである。

本発明においては、溝形部材における縦壁部を外方に屈曲してなる縦片部と、該縦片部の上端から連続しており前方に屈曲してなる側延出片部と、前記溝形部材における底部から前方に延出する中央延出部と、前記縦壁部と、前記縦片部と、前記底部と、前記中央延出部の交差するコーナ部に形成された開口部とを有し、前記中央延出部は、前記底部に連続する基部と、該基部から外方に張り出す張出し部とを有し、該張出し部と前記側延出片部とを接合してなるので、高強度鋼板の複雑な曲げ加工ができないという問題を克服できて、かつ継手部の高い剛性を確保できる。

本発明の実施の形態１に係る溝形部材を斜め上方から見た斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る溝形部材を斜め下方から見上げた斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る溝形部材を他の部材に接合させた状態を図示したものである。 本発明の実施の形態１に係る溝形部材の成型前の鋼板の形状を説明する説明図である。 本発明の実施の形態１に係る溝形部材の成形手順を説明する説明図である（その１）。 本発明の実施の形態１に係る溝形部材の成形手順を説明する説明図である（その２）。 本発明の実施の形態１に係る溝形部材の成形手順を説明する説明図である（その３）。 本発明の実施の形態１に係る溝形部材の成形手順を説明する説明図である（その４）。 本発明の実施の形態１に係る溝形部材の成形手順を説明する説明図である（その５）。 本発明の実施の形態２に係る溝形部材の斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る溝形部材の材料となる高強度鋼板の形状を説明する説明図である。 本発明の実施の形態３に係る溝形部材の斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る溝形部材の材料となる高強度鋼板の形状を説明する説明図である。 本発明の実施の形態４に係る溝形部材の斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る溝形部材の材料となる高強度鋼板の形状を説明する説明図である。 本発明の実施例を説明する図であって、実験条件を説明する説明図である（その１）。 本発明の実施例を説明する図であって、実験条件を説明する説明図である（その２） 本発明の実施例を説明する図であって、実験結果を説明する説明図である（その１） 本発明の実施例を説明する図であって、実験結果を説明する説明図である（その２） 本発明の実施例を説明する図であって、実験結果を説明する説明図である（その３） 本発明の実施例を説明する図であって、実験結果を説明する説明図である（その４）

〔実施の形態１〕
図１〜図９に基づいて本実施の形態に係る溝形部材を説明する。なお、溝形部材とは、ハット断面形状や、コ字断面形状を有する部材のように溝部が形成されている部材をいう。
また、本明細書において方向を示す種々の用語を用いているが、その意味は以下の通りである。
「外方」とは、溝形部材の縦壁に交差する方向であって、縦壁よりも外側に向かう方向である。
「前方」とは、溝形部材における本体部から継手部側に向かう方向をいう。

本発明の実施の形態１にかかる溝形部材１は、図１および図２に示すように、溝形部材１の本体部３と、本体部３の一端に設けられ、図３に示すように、他の部材１３の側方にＴ字を形成するように接続するための継手部５からなる。
本体部３はハット断面形状からなり、縦壁部７と、底部９と、フランジ部１１とを有している。
継手部５の構造について、図１および図２に基づいて、以下に詳細に説明する。

継手部５は、本体部３の縦壁部７を外方に屈曲してなる縦片部２１と、縦片部２１の上端から連続しており前方に屈曲してなる側延出片部２３と、本体部３の底部９から前方に延出する中央延出部２５と、本体部３と継手部５とを繋ぐコーナ部に形成された開口部２７とを有している。
中央延出部２５は、底部９と連続するように形成された基部２５ａと、基部２５ａの先端側で基部２５ａよりも外方に張り出すように形成された張出し部２５ｂとを有している。
張出し部２５ｂの先端側は、図１および図２に示すように１８０度折り返されており、折り返された部分が側延出片部２３の上面および中央延出部２５の基端側の上面と接合される。そのため、本体部３と継手部５は一体のものとなっており、剛性が高くなっている。
また、張出し部２５ｂにおける折り返し部はパイプ状になっており（図１、図２参照）、そのため継手部５の剛性が著しく高くなっている。

中央延出部２５の下面と側延出片部２３の下面は、図２に示すように、面一となっており、図３に示すように、他の部材１３の表面に上記下面が密着できるようになっている。

上記のような構成の溝形部材１は、図４に示す１枚の高強度鋼板３１を屈曲成形することで製造される。高強度鋼板３１は、図４中、溝形部材１における本体部３となる部分Ｓ１と、継手部５となる部分Ｓ２から構成されている。
以下、高強度鋼板３１の形状について、詳細に説明する。なお、図４中に示す太い破線は谷折り線を表し、一点鎖線は山折り線を示す。

＜本体部となる部分＞
本体部３となる部分Ｓ１は、図４に示すように、２本の谷折り線および２本の山折り線の合計４本の線で、図中縦方向に分かれる５つの部分からなる。これらの５つの部分のうち、両端の部分はフランジ部１１となる部分Ｓ３である。各部分Ｓ３のすぐ内側の部分は、縦壁部７となる部分Ｓ４である。部分Ｓ３と部分Ｓ４の境界は第１谷折り線３３である。残りの部分である中央の部分は、底部９となる部分Ｓ５である。部分Ｓ５とその両側の部分Ｓ４は、第１山折り線３５を境界としている。

＜継手部となる部分＞
継手部５となる部分Ｓ２は、縦片部２１となる部分Ｓ６と、側延出片部２３となる部分Ｓ７と、中央延出部２５となる部分Ｓ８からなる。
以下、部分Ｓ２の各部を詳細に説明する。

≪縦片部となる部分≫
縦片部２１となる部分Ｓ６は、縦壁部７となる部分Ｓ４の図中上方に位置しており、略矩形状からなる。部分Ｓ４と部分Ｓ６の境界は第２谷折り線３７となっている。部分Ｓ６の幅は部分Ｓ４の幅とほぼ同一に設定されている。

≪側延出片部となる部分≫
側延出片部２３となる部分Ｓ７は、部分Ｓ６の内側に位置しており、矩形状からなる。部分Ｓ６と部分Ｓ７の境界は第２山折り線３９となっている。

≪中央延出部となる部分≫
中央延出部２５となる部分Ｓ８は、底部９となる部分Ｓ５に連続しており、部分Ｓ５の図中上方に配置されている。
部分Ｓ８は、部分Ｓ５の上端に部分Ｓ５の幅よりも幅狭に形成された矩形状部Ｓ８ａと、矩形状部Ｓ８ａの上端に連続して形成され、部分Ｓ７に挟まれた矩形状のくびれ部Ｓ８ｂと、くびれ部Ｓ８ｂの上端に連続して形成され、部分Ｓ５の幅よりも幅広に形成された矩形状部Ｓ８ｃと、矩形状部Ｓ８ｃの上端に連続して形成され、矩形状部Ｓ８ｃと同幅に形成された矩形状部Ｓ８ｄと、矩形状部Ｓ８ｄの上端に連続して形成され、矩形状部Ｓ８ａよりも若干だけ幅広に形成された矩形状部Ｓ８ｅとを有している。矩形状部Ｓ８ｃと矩形状部Ｓ８ｄの境界は第３谷折り線４１となっている。
なお、矩形状部Ｓ８ａとくびれ部Ｓ８ｂが、図２の溝形部材１における基部２５ａとなり、矩形状部Ｓ８ｃ、矩形状部Ｓ８ｄ及び矩形状部Ｓ８ｅが図２の溝形部材１における張出し部２５ｂとなる。

本体部３となる部分Ｓ１の部分Ｓ４と部分Ｓ５、および継手部５となる部分Ｓ２の部分Ｓ６と矩形状部Ｓ８ａの交差する部分は、本体部３と継手部５を繋ぐコーナ部となる部分であり、高強度鋼板３１が屈曲されて溝形部材１となるときに他方向の引張力や圧縮力といった複雑な応力が作用する部分であるため、この部分は予め略矩形状に切除されて開口部４３（図１〜図３の開口部２７に対応）となっている。

上記のような形状の高強度鋼板３１を屈曲して、溝形部材１を成形する方法の一例を、図５〜図９に基づいて説明する。
図５は、図４に図示した高強度鋼板３１の斜視図である。ここで、高強度鋼板３１の厚み方向下方向を単に下方とする。
溝形部材１を成形するには図５の状態から、まず、図６に示すように、第２谷折り線３７に沿って谷折りにして、縦片部２１となる部分Ｓ６および側延出片部２３となる部分Ｓ７を上方に屈曲させる。また、図６に示す第１谷折り線３３に沿って谷折りにして部分Ｓ３を上方に屈曲させる。
次に、図７に示すように、第２山折り線３９に沿って山折りにして側延出片部２３となる部分Ｓ７を前方に屈曲させる。

次に、図８に示すように、第１山折り線３５に沿って山折りにして縦壁部７となる部分Ｓ４を下方に屈曲させる。
こうすることで、底部９と縦壁部７とフランジ部１１が形成され、本体部３となる。
また、部分Ｓ６が縦向きになり、縦片部２１が形成される。
また、部分Ｓ７の上面が、底部９や矩形状部Ｓ８ｃの上面と面一となり、側延出片部２３となる。このとき、側延出片部２３の先端が矩形状部Ｓ８ｃと当接若しくは近接する。このような配置関係を実現するため、部分Ｓ７の長さやが所定の値に設定されている。
またこの時、本体部３と継手部５とを繋ぐコーナ部に開口部２７が形成される。

以上のように、図１に示す継手部５を形成するには、図５に示す第１山折り線３５、第２谷折り線３７、第２山折り線３９を単純に折り曲げればよく、このときこれらの折り曲げ線の交差する箇所に開口部４３（図５の開口部２７）が設けられているので、曲げ加工が容易であり、かつ該交差部に無理な負荷が作用することがなく、割れの発生の危険もない。

次に、図９に示すように、図８の第３谷折り線４１に沿って部分Ｓ８の先端側（矩形状部Ｓ８ｄおよび矩形状部Ｓ８ｅ）を１８０度折り返し、折り返された矩形状部Ｓ８ｄをくびれ部Ｓ８ｂおよび側延出片部２３に、矩形状部Ｓ８ｅを矩形状部Ｓ８ａに重ねる。この折り返しの際には、図９に示すように、折り返し部をパイプ状にすることで、継手部５の剛性を著しく向上させることができる。

最後に、折り重ねた図９の部分２５に相当する図８の矩形状部Ｓ８ｄとくびれ部Ｓ８ｂ、矩形状部Ｓ８ｄと側延出片部２３、矩形状部Ｓ８ｅと矩形状部Ｓ８ａをスポット溶接等で接合する。こうすることによって、本体部３と継手部５が一体化し、継手部５の剛性が向上する。
なお、本実施の形態では、継手部５の剛性が高いので、開口部２７をより大きくしてさらに軽量化を図ってもよい。
また、図８に示す状態において、側延出片部２３の先端部と中央延出部２５の張出し部２５ｂ（矩形状部Ｓ８ｃ）とを溶接してもよい。こうすることによって、本体部３と継手部５がより一体のものとなり、剛性をより向上させることができる。

以上のように、本実施の形態（図９）においては、縦壁部７を外方に屈曲してなる縦片部２１と、縦片部２１に連続しており前方に屈曲してなる側延出片部２３と、底部９から前方に延出する中央延出部２５と、コーナ部に形成された開口部２７とを有し、単純な曲げ加工の後、中央延出部２５と側延出片部２３等、本体部３と継手部５が一体化するように各部を接合するようにしたため、高強度鋼板を用いた場合であっても、曲げ加工のみによるため、張り出し成形や絞り成形や伸びフランジ成型がなくなって割れ等を生ずることなく、剛性の高い継手部５を形成することができる。

なお、上記では、中央延出部２５となる部分Ｓ８の先端側（矩形状部Ｓ８ｄおよび矩形状部Ｓ８ｅ）を折り返して、Ｓ８の基端側（矩形状部Ｓ８ａおよび矩形状部Ｓ８ｂ）に折り重ねるものを示したが、先端側を部分Ｓ５（底部９）にまで折り重ねるようなものであってもよい。こうすることで、剛性をより向上させることができる。

〔実施の形態２〕
実施の形態２にかかる溝形部材５１の継手部構造について、図１０および図１１に基づいて説明する。図１０および図１１において実施の形態１と同一部分を示す場合は同じ符号を付してある。
上記の実施の形態１の溝形部材１は、中央延出部２５となる部分Ｓ８の一部（矩形状部Ｓ８ｄおよび矩形状部Ｓ８ｅ、図４参照）を折り返し部として折り重ねて接合することで剛性の向上を図っているが、折り返し部分を省略して軽量化を図ったものが図１０に示される本実施の形態の溝形部材５１の継手部構造である。
図１１は、図１０の溝形部材５１の成型前の高強度鋼板５３の形状を図示したものであり、図１１に示すように、高強度鋼板５３には、実施の形態１（図４）の矩形状部Ｓ８ｄおよび矩形状部Ｓ８ｅに該当する部分がない。

本実施の形態の溝形部材５１の継手部５は、折り返し部分を有していないので、側延出片部２３の先端部と中央延出部２５の張出し部２５ｂ（矩形状部Ｓ８ｃ）をレーザー溶接等で接合されており、これによって、本体部３と継手部５が一体化して高い剛性を確保している。

〔実施の形態３〕
実施の形態３にかかる溝形部材６１の継手部構造について、図１２および図１３に基づいて説明する。図１２および図１３において実施の形態１または実施の形態２と同一部分を示す場合には同じ符号を付してある。
溝形部材６１は、図１２に示すように、実施の形態２の溝形部材５１（図１１参照）の側延出片部２３をより広幅にしたものである。
こうすることによって、中央延出部２５の張出し部２５ｂと側延出片部２３の接合部分をより大きくすることができ、本体部３と継手部５の一体化をより一層高めることができ、実施の形態２の溝形部材５１（図１０）と同重量でありながらより剛性を高くすることができる。

側延出片部２３を広幅とするために、溝形部材６１の成型前の高強度鋼板６３は、図１３に示すように、矩形状部Ｓ８ａの幅をくびれ部Ｓ８ｂと同一になるように狭めた形状としており、狭めた分だけ側延出片部２３を形成する部分Ｓ７の面積が広くなっている。
図１２中には、実施の形態２の溝形部材５１（図１０）との比較のために、溝形部材５１には存在した矩形状部Ｓ８ａの形状を二点鎖線で示している。

〔実施の形態４〕
実施の形態４にかかる溝形部材７１の継手部構造について、図１４および図１５に基づいて説明する。図１４および図１５において実施の形態１〜実施の形態３と同一部分を示す場合には同じ符号を付してある。
溝形部材７１の継手部構造は、実施の形態１における溝形部材１の成型前の高強度鋼板３１（図４参照）の矩形状部Ｓ８ｅを有していない形状であり（図１５参照）、これによって、溝形部材１よりも軽量化を図ることができるという効果がある。

本発明の溝形部材１の継手部構造の効果を確認するための具体的な実験を行ったので、これについて図１６〜図２１に基づいて説明する。

実験は、ロッカー部材８１の側面にクロスメンバとしての溝形部材１を接合したものに荷重を与えて、変位を確認するというものである。実験は荷重条件を変えて条件１および条件２の２種類を行った。
条件１は、図１６（ａ）に示すように、ロッカー部材８１の両端を固定して、溝形部材１の底部９の端部に、溝形部材１をねじる回転方向の荷重（ねじり荷重）を与えるものである（発明例１）。このような荷重条件とすることによって面外変形を確認することができる。
また、比較例１として、図１６（ｂ）に示すように、従来の分割した継手部構造を持ち、継手部以外の構造が溝形部材１と同一の溝形部材８３をロッカー部材８１に接合したものに、荷重条件が条件１と同様の実験を行った。

実験２は、図１７（ａ）に示すように、ロッカー部材８１の両端を固定して、溝形部材１の底部９の端部に、水平方向の荷重を与えるものである（発明例２）。このような荷重条件とすることによって面内変形を確認することができる。
また、比較例２として、図１７（ｂ）に示すように、溝形部材８３をロッカー部材８１に接合したものに、荷重条件が条件２と同様の実験を行った。

まず、条件１における実験結果について図１８、図１９に基づいて説明する。
図１８は、発明例１と比較例１の変位量を示すグラフであり、縦軸は変位量（mm）を表している。図１９は、図１８の変位量を比較するグラフであり、縦軸は比較例を基準とした剛性の増分（％）を表している。
変位量は、図１８に示す通り、発明例１では約0.47mmであり、比較例１では約0.57mmである。剛性は、図１９に示す通り、発明例１では比較例１と比較して約21.7％と大幅に増加している。

次に、条件２における実験結果について図２０、図２１に基づいて説明する。
図２０は、図１８と同様に、発明例２と比較例２の変位量を示すグラフであり、縦軸は変位量（mm）を表している。図２１は、図１９と同様に、変位量を比較するグラフであり、縦軸は比較例を基準とした剛性の増分（％）を表している。
変位量は、図２０に示す通り、発明例２では約0.0116mmであり、比較例２では約0.0118mmである。剛性は、図２１に示す通り、発明例２では比較例２と比較して約1.7％増加している。

このように、溝形部材１の継手部構造は、面外応力に対する剛性において従来よりも著しく向上し、また面内応力に対する剛性においても向上している。
以上のように、本発明にかかる溝形部材１の継手部構造によれば、高強度鋼板３１に対して、継手部５の複雑な曲げ加工ができないという問題を克服しつつ、剛性を確保することができた。

Ｓ１〜Ｓ８ 部分
Ｓ８ａ 矩形状部
Ｓ８ｂ くびれ部
Ｓ８ｃ 矩形状部
Ｓ８ｄ 矩形状部
１ 溝形部材
３ 本体部
５ 継手部
７ 縦壁部
９ 底部
１１ フランジ部
１３ 他の部材
２１ 縦片部
２３ 側延出片部
２５ 中央延出部
２５ａ 基部
２５ｂ 張出し部
２７ 開口部
３１ 高強度鋼板
３３ 第１谷折り線
３５ 第１山折り線
３７ 第２谷折り線
３９ 第２山折り線
４１ 第３谷折り線
４３ 開口部
５１ 溝形部材
５３ 高強度鋼板
６１ 溝形部材
６３ 高強度鋼板
７１ 溝形部材
７３ 高強度鋼板
８１ ロッカー部材
８３ 溝形部材

Claims (2)

1. 高強度鋼板を成形してなる溝形部材の端部に形成され、該溝形部材を角形部材に対して交差方向に接合するための前記溝形部材の継手部構造であって、
   前記溝形部材における縦壁部を外方に屈曲してなる縦片部と、該縦片部の上端から連続し、かつ前方に屈曲してなる側延出片部と、前記溝形部材における底部から前方に延出する中央延出部と、前記縦壁部と、前記縦片部と、前記底部と、前記中央延出部の交差するコーナ部に形成された開口部とを有し、前記中央延出部は、前記底部に連続する基部と、該基部から外方に張り出す張出し部とを有し、該張出し部と前記側延出片部とが接合されていることを特徴とする溝形部材の継手部構造。
2. 前記中央延出部の張出し部は、後方に折り返された折り返し部を有し、該折り返し部と前記側延出片部とが接合されていることを特徴とする請求項１記載の溝形部材の継手部構造。