JP6856057B2 - トーションビームの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のトーションビームの製造方法に関し、特に、捩じりモーメントを繰り返し受ける場合の疲労寿命を向上させることができるトーションビームの製造方法に関する。

捩じりモーメントを繰り返し受ける部品は、様々な産業分野で使用されているが、そのような部品の代表例のひとつとして、自動車のトーションビームを挙げることができる。トーションビームは、自動車の足回り部品の一つであり、タイヤが段差等に乗り上げたときなどに、捩じりモーメントを受ける。

トーションビームの一例を図１２〜図１５に示す。
トーションビーム２１は、図１２に示すように、両端部がトレーリングアーム３１に接続され、図１３に示すように、その中央部の管軸直交断面（図１２中の矢視Ａ−Ａ断面）が略Ｖ字形状の閉断面である略Ｖ字形状部２３と、図１４に示すように、略Ｖ字形状部２３から各両端部に向かう部位の管軸直交断面（図１２中の矢視Ｂ−Ｂ断面）が略Ｖ字形状からトーションビーム２１の両端部の断面形状に遷移する途中の閉断面である形状遷移部２５と、図１５に示すように、両端部であってトレーリングアーム３１と接続する接続部２７（図１２中の矢視Ｃ−Ｃ断面）を有する。

このようなトーションビーム２１の製造方法の概略を、図１６〜図１９に基づいて説明する。

まず、材料となる管状部材４１の両端部にプラグ４３を挿入した状態で下型４５にセットし（図１６）、上型４７を下型４５側に成形下死点まで移動させる（図１７）。なお、図１６および図１７に示す管状部材４１およびプラグ４３は、管状部材４１の管軸方向断面における形状を図示したものである。

プラグ４３の形状の一例を、図１８の上面図と図１９の側面図に示す。プラグ４３を管状部材４１の両端部に挿入した状態で成形することで、管状部材４１の中央部が上型４７の押圧部４７ａに押圧されて略Ｖ字形状部２３（図１３）が成形されるとともに、両端部が押圧部４７ａとプラグ４３により形状遷移部２５（図１４）と接続部２７（図１５）とに成形される。

このようにして製造されたトーションビーム２１に捩じりモーメントを与えて疲労試験を行うと、形状遷移部２５に疲労クラックが発生することが多い。この原因の一つには、当該部位における成形後の残留応力が高いことがある。

そこで、特許文献１には、トーションビームの内側に水圧をかけて、トーションビームを外側に膨らませるように加工（ハイドロフォーミング）し、断面形状が略Ｖ字形状から変化する形状変化部における残留応力を減らす技術が開示されている。

特開２０１３−９１４３３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている技術は、下型と上型とを備えるプレス機内に水を導入するものであるため、メンテナンス性に難点がある。さらに、トーションビームの内側に水を導入してハイドロフォーミングした後、水を抜き出してトーションビームを乾燥させる工程を加える必要があるため、製造に時間が掛かり、コストが上昇するという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡便かつ低コストで、トーションビームの疲労寿命を向上させることができるトーションビームの製造方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係るトーションビームの製造方法は、管状部材の両端部に該管状部材を内側から支持するプラグを挿入した状態で、該管状部材を上型と下型とによりプレス成形し、前記管状部材の中央部に相当する部位であり、管軸直交断面が略Ｖ字形状である略Ｖ字形状部と、前記プラグが挿入された前記両端部に相当する部位であって、管軸直交断面の形状が遷移する形状遷移部とを有するトーションビームを製造するものであって、前記両端部に前記プラグを挿入した前記管状部材に対して前記上型を前記下型側に成形下死点まで相対移動させて該管状部材を押圧し、前記略Ｖ字形状部と前記形状遷移部とを成形する第１成形工程と、該成形した形状遷移部を前記上型で押圧しない状態とし、前記両端部に挿入した前記プラグの全部又は一部を前記管状部材の管軸方向中央に向かって移動させて、又は、前記プラグの一部を前記管状部材の径方向外側に向かって移動させて、前記形状遷移部の一部を押し広げて塑性域まで変形させ、その後、前記プラグによる拘束を解放して前記形状遷移部を弾性回復させる第２成形工程と、を備えたことを特徴とするものである。

（２）上記（１）に記載のものにおいて、前記プラグは、管軸方向にスライド可能なスライド部を有し、前記第２成形工程は、前記スライド部を軸方向中央に移動させることにより、前記形状遷移部を押し広げることを特徴とするものである。

（３）上記（１）に記載のものにおいて、前記プラグは、径方向に移動して突出可能な突出部を有し、前記第２成形工程は、前記突出部を径方向外側に移動させることにより、前記形状遷移部を変形させることを特徴とするものである。

本発明においては、第１成形工程と、第２成形工程と、を備えたことにより、形状遷移部における残留応力を低減することができ、簡便かつ低コストで、繰り返し捩じりモーメントを受けるトーションビームの疲労寿命を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係るトーションビームの製造方法を説明する図である。 本発明の実施の形態に係るトーションビームの製造方法に用いるプラグを示す図である（上面図）。 図２に示したプラグの側面図である。 図３に示したプラグにおいて、スライド部をスライドさせた状態を示す図である（側面図）。 本発明の実施の形態に係るトーションビームの製造方法に用いる下型に管状部材を設置した状態を示す図である。 本発明で対象とするトーションビームに疲労クラックが発生する疲労クラック危険部を示す図である（断面図）。 本発明で対象とするトーションビームに疲労クラックが発生する疲労クラック危険部を示す図である（上面図） 本発明の実施の形態に係るトーションビームの製造方法に用いるプラグの他の態様を示す図である。 本発明の実施の形態に係るトーションビームの製造方法に用いるプラグの他の態様として突出部を有するプラグを示す図である（上面図）。 図９に示したプラグの側面図である。 図１０に示したプラグにおいて、突出部を突出させた状態を示す図である（側面図）。 本発明で製造対象とするトーションビームを説明する図である。 図１２中の矢視Ａ−Ａ断面図である。 図１２中の矢視Ｂ−Ｂ断面図である。 図１２中の矢視Ｃ−Ｃ断面図である。 従来のトーションビームの製造方法を説明する図である（製造開始前）。 従来のトーションビームの製造方法を説明する図である（成形下死点）。 従来のトーションビームの製造方法に用いるプラグを示す図である（上面図）。 従来のトーションビームの製造方法に用いるプラグを示す図である（側面図）。

本発明に係るトーションビームの製造方法は、図１に示すように、管状部材１の両端部に管状部材１を内側から支持するプラグ３を挿入した状態で、管状部材１を下型５と上型７とによりプレス成形し、図１２に例示するような、管状部材１の中央部に相当する部位であり、管軸直交断面が略Ｖ字形状である略Ｖ字形状部２３と、プラグ３が挿入された両端部に相当する部位であり、管軸直交断面が前記略Ｖ字形状から遷移する形状遷移部２５とを有するトーションビーム２１を製造するものであって、第１成形工程と、第２成形工程と、を備えたものである。ここで、図１に示す管状部材１、プラグ３及びトーションビーム２１は、管状部材１の管軸方向断面におけるそれぞれの形状を図示したものである。
以下、まずは本実施の形態に係るトーションビームの製造方法に用いるプラグ３、下型５及び上型７について説明する。

なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
さらに、以下の説明は、下型５の上方に上型７を配置した場合のものであり、例えば、下型５を基準とした場合の「上方」とは、下型５から見て上型７側の相対的な方向を意味する。そのため、例えば下型５と上型７の配置を上下入れ替えた場合などにおいては、上下の方向も相対的に適宜変更されるものとする。

プラグ３は、管状部材１の両端部に挿入して管状部材１を内側から支持するものである。
そして、プラグ３は、図２〜図４に示すようにスライド部３ａとベース部３ｂとを備えてなる分割構造であり、スライド部３ａは、アクチュエータ９により管軸方向にスライド可能にベース部３ｂに設置されている。

また、プラグ３は、上型７と協働して管状部材１の両端部に形状遷移部２５を形成する凹面部３ｃを有する。なお、図３及び図４に示す凹面部３ｃは、管状部材１の中心断面における形状を示している。

下型５は、図５に示すように、凹部５ａを有し、成形過程において、凹部５ａに管状部材１が設置され、上型７が下型５側に相対的に下降して管状部材１を押圧する際に管状部材１の下面側を支持する。

上型７は、管状部材１の一部を管径方向に押圧し、管軸方向の中央部に相当する部位に略Ｖ字形状部２３と、両端部に相当する部位に形状遷移部２５とを成形するものであり、管状部材１に当接して押圧する押圧部７ａと、管状部材１の両端部を把持する把持部７ｂとを有する。
次に、本実施の形態に係る上記の各工程について説明する。

＜第１成形工程＞
第１成形工程は、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、両端部にプラグ３を挿入した管状部材１に対して上型７を下型５側に成形下死点まで相対移動させて管状部材１を押圧して、略Ｖ字形状部２３と形状遷移部２５とを成形する工程である。

第１成形工程において、プラグ３のスライド部３ａはスライドさせていない状態（図２及び図３参照）とし、管状部材１が上型７により押圧される際に、端部が略Ｖ字形状部２３の断面形状に押し潰されないように管状部材１を内側から支持する。これにより、管状部材１の両端部には、上型７とプラグ３の凹面部３ｃとにより形状遷移部２５が成形される。

＜第２成形工程＞
第２成形工程は、図１（ｃ）に示すように、上型７を下型５側から離れる方向（図中の上方向）に移動させて第１成形工程で成形した形状遷移部２５を上型７で押圧しない状態とし、図１（ｄ）に示すように、両端部に挿入したプラグ３の一部であるスライド部３ａを管軸方向中央に向かって移動させて、形状遷移部２５の一部を押し広げて塑性域まで変形させ、その後、プラグ３のスライド部３ａによる拘束を解放して形状遷移部２５を弾性回復させる工程である。

なお、形状遷移部２５を上型７で押圧しない状態とするには、上記のように上型７を下型５から離れる方向に移動させるとよい。

次に、本実施の形態に係るトーションビームの製造方法の作用効果について説明する。
第１成形工程で成形されたトーションビーム２１の応力分布を見ると、形状遷移部２５の上部に残留する周方向引張応力が他の部位に比べて高い値となる（図６）。そして、このように成形されたトーションビーム２１が捻りモーメントを受けると、周方向引張応力の高い部位に疲労クラックが発生しやすい。以下、形状遷移部２５の上部であって、周方向残留引張応力が高くて疲労クラックが発生しやすい部位を疲労クラック危険部２５ａという（図６、図７）。

なお、疲労クラック危険部２５ａの位置は、例えば、トーションビーム２１の成形解析を行い、該成形解析により求められた周方向残留引張応力の値に基づいて決定することができる。

そこで、本実施の形態に係るトーションビームの製造方法の第２成形工程では、まず、上型７の把持部７ｂと下型５とでトーションビーム２１の両端部を把持した状態のまま、上型７の押圧部７ａのみを上方に移動させる（図１（ｃ））。これにより、プラグ３のスライド部３ａを管軸方向中央に向かって移動させたときに（図１（ｄ））、管状部材１が動くのを防止して、形状遷移部２５を押し広げることができる。

スライド部３ａを移動させると、スライド部３ａにおける凹面部３ｃが形状遷移部２５の上部に当接して疲労クラック危険部２５ａ（図６、図７参照）が押し広げられる。その後、スライド部３ａを元の位置に戻すと、押し広げられた疲労クラック危険部２５ａが弾性回復（スプリングバック）する。これにより、疲労クラック危険部２５ａにおいては、周方向の引張応力が圧縮側にシフトする。

その結果、第１成形工程で成形された形状遷移部２５のうち疲労クラック危険部２５ａに残留していた周方向の引張応力を第２成形工程で減少させることができ、繰り返し捩じりモーメントが作用したときの疲労寿命を向上させることができる。

なお、上記の説明において、プラグ３のスライド部３ａは、ベース部３ｂに取付けられたアクチュエータ９により移動させるものであるが、図８（ａ）に示すように、スライド部１１ａとベース部１１ｂとに上下２分割されたプラグ１１を用い、スライド部１１ａを移動させるアクチュエータ９を下型５に接続してもよい。

また、上記の説明は、プラグ３の一部であるスライド部３ａを管軸方向の中央に向けてスライドさせるものであったが、本発明はこれに限らず、図８（ｂ）に示すように、プラグ１３が分割構造ではなくその全部を管軸方向の中央に向かって移動させるものであってもよい。この場合も、プラグ１３が形状遷移部２５の内側に当接して外側に押し広げるように塑性域まで変形させることができる。

さらに、本発明は、図９〜図１１に例示するように、管径方向に移動して突出可能な突出部１５ａを有するプラグ１５を用いるものであってもよい。このようなプラグ１５を用いる場合においても、第２成形工程は、プラグ１５を管状部材１の両端部に挿入した状態で、各プラグ１５の突出部１５ａをアクチュエータ９により管径方向外側に移動させることで（図１１参照）、形状遷移部２５における疲労クラック危険部２５ａを押し広げるように塑性域まで変形させることができる。

突出部１５ａを有するプラグ１５を用いる場合にあっては、例えば、成形解析により求めた周方向引張応力に基づいて決定された疲労クラック危険部２５ａの位置に対応させて、プラグ１５に設ける突出部１５ａの位置と範囲を決定してもよい。

なお、管状部材１の材質として、後述する実施例では鋼管を用いているが、本発明はこれに限るものではなく、トーションビームの製造に用いられる材質であればよい。

本発明に係るトーションビームの製造方法の作用効果を検証するための実験を行ったので、その結果について以下に説明する。

本実施例では、図１２に示すトーションビーム２１を、図１に示すように、管状部材１を第１成形工程及び第２成形工程によりプレス成形する過程のＣＡＥ解析を行った。

成形対象とするトーションビーム２１は、管軸方向の全長を1050mm、両端部に形成された各形状遷移部２５の管軸方向長さをそれぞれ120mmとした。

管状部材１は、厚さ2.8mm、引張強度1180MPa級の高張力鋼管とし、管状部材１の初期外径は115mmとした。そして、ＣＡＥ解析において、管状部材１は2.5mm×2.5mmのシェル要素により要素分割し、等方硬化を仮定してモデル化した。また、プラグ３、下型５及び上型７は、それぞれ剛体のシェル要素によりモデル化した。

本実施例では、まずは本発明の比較対象とする従来例として、第１成形工程のみによりトーションビーム２１を成形する過程と、該成形したトーションビーム２１を下型５と上型７から離型してプラグ３を引き抜いた後のスプリングバックのＣＡＥ解析を行い、スプリングバック後におけるトーションビーム２１の応力分布を求めた。

従来例においては、スプリングバック後の形状遷移部２５の周方向応力の分布図を見ると、疲労クラック危険部に応力の高い部分が見られ、応力の最大値は1058MPaであった。

次に、本発明に係るトーションビームの製造方法の第１成形工程と第２成形工程とによりトーションビーム２１を製造する場合のＣＡＥ解析を行った。

まずは、図２〜図４に示すスライド部３ａを有するプラグ３を用いた場合を発明例１とし、ＣＡＥ解析の流れについて説明する。

第１成形工程に係るＣＡＥ解析については、両端部にプラグ３を挿入した状態で管状部材１を下型５に設置し（図５）、上型７の押圧部７ａを下型５側に成形下死点まで相対移動させて管状部材１を押圧し（図１（ａ）、図１（ｂ））、略Ｖ字形状部２３と形状遷移部２５とを成形する過程の成形解析を行った。

次に、第２成形工程に係るＣＡＥ解析については、まず、上型７の押圧部７ａを上方に移動して形状遷移部２５の上方に空間を形成するとともに（図１（ｃ））、上型７の把持部７ｂと下型５とでトーションビーム２１の両端部を把持した状態とし、アクチュエータ９を作動させてプラグ３のスライド部３ａを管軸方向中央に向かって移動させ、形状遷移部２５を押し広げる過程の成形解析を行った（図１（ｄ））。ここで、当該成形解析におけるスライド部３ａの移動量は5mmとし、形状遷移部２５を押し広げて塑性域まで変形させるものとした。

続いて、形状遷移部２５を押し広げた状態からスライド部３ａを元の位置に戻して弾性回復させるスプリングバック解析を行い、第２成形工程後におけるトーションビーム２１の応力分布を求めた。

プラグ３を用いた発明例１においては、第２成形工程後における疲労クラック危険部２５ａ（図６及び図７参照）の周方向引張応力は依然として周囲に比べて高くなっていたものの、疲労クラック危険部２５ａにおける周方向引張応力の最大値は593MPaであり、前述した従来例での疲労クラック危険部２５ａにおける周方向引張応力の最大値（＝1058MPa）よりも低下する結果が得られた。

さらに、本実施例では、図９〜図１１に示す突出部１５ａを有するプラグ１５を用いた場合を発明例２とし、第１成形工程及び第２成形工程のそれぞれについてＣＡＥ解析を行い、第２成形工程後におけるトーションビーム２１の応力分布を求めた。

発明例２においては、第２成形工程のＣＡＥ解析のうち、形状遷移部２５を押し広げる成形解析においては、突出部１５ａは上方に2mm移動させるものとし、疲労クラック危険部２５ａを外側に押し広げて塑性域まで変形させるものとした。

発明例２においても、第２成形工程後における疲労クラック危険部２５ａの周方向引張応力は依然として周囲に比べて高くなっていたものの、疲労クラック危険部２５ａにおける周方向引張応力の最大値は769MPaであり、前述した従来例での疲労クラック危険部２５ａにおける周方向引張応力の最大値（＝1058MPa）よりも低下する結果が得られた。

以上より、本発明に係るトーションビームの製造方法によれば、形状遷移部における疲労クラック危険部の残留応力を低下できることが実証され、これにより、簡便かつ低コストでトーションビームの疲労強度の向上が可能となることが明らかとなった。

１ 管状部材
３ プラグ
３ａ スライド部
３ｂ ベース部
３ｃ 凹面部
５ 下型
７ 上型
７ａ 押圧部
７ｂ 把持部
９ アクチュエータ
１１ プラグ
１１ａ スライド部
１１ｂ ベース部
１３ プラグ
１３ａ 凹面部
１５ プラグ
１５ａ 突出部
２１ トーションビーム
２３ 略Ｖ字形状部
２５ 形状遷移部
２５ａ 疲労クラック危険部
２７ 接続部
３１ トレーリングアーム
４１ 管状部材
４３ プラグ
４５ 下型
４７ 上型

Claims (3)

1. 管状部材の両端部に該管状部材を内側から支持するプラグを挿入した状態で、該管状部材を上型と下型とによりプレス成形し、前記管状部材の中央部に相当する部位であり、管軸直交断面が略Ｖ字形状である略Ｖ字形状部と、前記プラグが挿入された前記両端部に相当する部位であって、管軸直交断面の形状が遷移する形状遷移部とを有するトーションビームを製造するトーションビームの製造方法であって、
   前記両端部に前記プラグを挿入した前記管状部材に対して前記上型を前記下型側に成形下死点まで相対移動させて該管状部材を押圧し、前記略Ｖ字形状部と前記形状遷移部とを成形する第１成形工程と、
   該成形した形状遷移部を前記上型で押圧しない状態とし、前記両端部に挿入した前記プラグの全部又は一部を前記管状部材の管軸方向中央に向かって移動させて、又は、前記プラグの一部を前記管状部材の径方向外側に向かって移動させて、前記形状遷移部の一部を押し広げて塑性域まで変形させ、その後、前記プラグによる拘束を解放して前記形状遷移部を弾性回復させる第２成形工程と、を備えたことを特徴とするトーションビームの製造方法。
2. 前記プラグは、管軸方向にスライド可能なスライド部を有し、
   前記第２成形工程は、前記スライド部を軸方向中央に移動させることにより、前記形状遷移部を押し広げることを特徴とする請求項１記載のトーションビームの製造方法。
3. 前記プラグは、径方向に移動して突出可能な突出部を有し、
   前記第２成形工程は、前記突出部を径方向外側に移動させることにより、前記形状遷移部を変形させることを特徴とする請求項１記載のトーションビームの製造方法。

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