JP6973517B2 - 車両用構造部材 - Google Patents
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Description
ここで、衝突の形態としては、軸圧壊する衝突形態と、曲げ変形する衝突形態とがある。軸圧壊する衝突形態では、自動車前面から入力される衝突荷重を受けるクラッシュボックスやフロントサイドメンバのように、部材の長手方向が衝突方向と一致して軸圧壊が発生する。曲げ変形する衝突形態(曲げ圧壊の衝突形態)では、側面衝突におけるBピラーやサイドシルのように、構造部材の側面に衝突荷重が負荷されて部材が曲げ変形する。両方の形態は、いずれも、部材が座屈変形することで衝突エネルギーを吸収することで、耐衝突性能を発揮する。
また、特許文献4には、複数の穴を有する補強部材を備えることで、軸圧壊する衝突形態に対する吸収エネルギーを確保しつつ、軽量化できる衝撃吸収部材が提案されている。
ここで、構造部材の面に対し単純に補強部材を貼り付ける場合、耐衝突性能は向上するものの、部品点数の増加を招いて必要以上に構造部材の質量が増加したり、金型の増加を招いたりして、従来にあってはコスト面での課題がある。特に、従来にあっては、広い領域を補強部材で補強しようとするほど、質量増加が顕著となる。
また、本発明の他の態様は、天板部、上記天板部の幅方向両側にそれぞれ連続する一対の側壁部、及び上記天板部に対向配置した底板部で閉断面形状を構成する中空部材と、上記中空部材内に設けられ、上記天板部の幅方向に沿って延在する金属板からなるテンション部材と、を備え、上記天板部は、天板部の幅方向に沿って底板部側に凹んだ1又は2以上の凹部を有し、上記テンション部材は、上記天板部内面との間に空間を有する状態で、上記側壁部内面と、該側壁部内面と対向する上記天板部の凹部の立上り部とを連結することを要旨とする。
<構成>
本実施形態の車両用構造部材は、図1及び図2に示すように、中空部材1と、中空部材1を補強するテンション部材12とを有する。
中空部材1は、天板部10A、天板部10Aの幅方向両側にそれぞれ連続する一対の側壁部10B、及び天板部10Aに対向配置した底板部11で閉断面形状を構成する。本実施形態の中空部材1は、例えば、図1及び図2に示すように、天板部10Aと、天板部10Aの幅方向両側にそれぞれ連続する一対の側壁部10Bとを有するハット断面部材10と、そのハット断面部材10の開口を閉塞する底板部11とで構成される。この例では、底板部11は、天板部10Aに対向配置した状態で、底板部11の幅方向両側がそれぞれ、一対の側壁部10Bの各端部に設けられるフランジ10Cに溶接にて結合されている。
中空部材1の板厚及び引張強度は、使用される部位に要求される諸元に応じて設定される。本実施形態では、中空部材1の板厚は、例えば1.0mm以上2.0mm以下とする。また、中空部材1の引張強度は、例えば440MPa以上1470MPa以下とする。
テンション部材12は、天板部10Aの幅方向に向けて延在し、中空部材1の板厚よりも板厚が薄い金属板からなる。なお、中空部材1とテンション部材12の材料は同じであって良いし異なっていても良い。
また、テンション部材12の板厚及び引張強度は、使用される部位に要求される諸元に応じて設定される。
また、テンション部材12の引張強度は、例えば440MPa以上1470MPa以下とする。
図3に、テンション部材12が、天板部10Aの面と平行な仮想平面に対し天板部10Aの幅方向に向けて傾いた状態で設けられた車両用構造部材の例を示す。図3に示す車両用構造部材は、一対の側壁部10Bの高さが異なる場合を例示している。
テンション部材12の幅方向両側はそれぞれ、対向する側壁部10B内面に対し溶接にて接合(連結)されている。図2及び図3では、テンション部材12の幅方向両端部が曲げられてフランジ部12aが形成され、そのフランジ部12aの面を側壁部10B内面に突き当てて溶接することでテンション部材12を取り付けた例である。フランジ部12aの面を側壁部10B内面に溶接することで、テンション部材12はより強固に側壁部10B内面に設けられる。
曲げ圧壊方向の衝突荷重が負荷される可能性が高いと推定される天板部10A又は底板部11における面位置は、例えば、その構造部材を配置する車両位置に基づき、過去の事故情報などから、車両の側面衝突によって、対象とする構造部材のどの部分に衝突荷重が入力され易いかなどによって推定する。
また、変形領域の特定は、例えば、FEMシミュレーション解析によって、曲げ圧壊方向の衝突荷重に対する部材の変形位置を解析して求める。予め設定した衝突荷重は、構造部材を使用する位置で曲げ圧壊方向の衝突形態に対する耐衝突性能として要求される許容の衝突荷重を採用する。
ここで、図2に示すように、中空部材1の内面で形成される閉断面形状の幅をw、高さをhとする。また、天板部10Aからテンション部材12までの高さ方向の距離を補強位置pとする。
テンション部材は、対向する側壁部10B間が広がろうとする際に、引張力を負担するために設けられる。このため、補強位置pは、対向する側壁部10B間が広がろうとする際に、テンション部材12が引張力を負荷する位置である。すなわち、テンション部材12が平板の場合、補強位置pは、例えば、テンション部材12の厚さ方向中央位置での値とする。また、テンション部材12の面が傾いた状態で配置される場合には、補強位置pは、例えば、平面視におけるテンション部材12の中央位置やテンション部材12の重心位置での値とする。
ここで、図3に示すように、天板部10Aと底板部11とが互いに平行でない場合には、高さhは、次のようにして決定する。すなわち、高さhは、図3に示すように、天板部10Aの幅方向両端における、各稜線の天板部10A側のR止まり部の水平面h1及びh2の中立面hmと底板部11との間の垂直距離とする。
また、テンション部材12と底板部11とが平行でない場合の補強位置pは、図3に示すように、テンション部材12の幅方向両端における、各稜線のテンション部材12側のR止まり部の水平面p1及びp2の中立面pmと上記中立面hmとの間の垂直距離とする。
このとき、下記(1)式を満足するように、テンション部材12の高さ位置を設定することが好ましい(実施例参照)。
(1)式を満足することで、より効率良く耐衝突性能の向上が出来るようになる。
y≦0.2x+0.6 ・・・(1)
また、更なる耐衝突性能の向上のためは、(2)式を満たす範囲にテンション部材12を設けることがより好ましい。
y≦0.2x+0.4 ・・・(2)
更に好ましくは、下記(3)式及び(4)式を満足することが好ましい。
y≦0.2x+0.25 ・・・(3)
y≧0.2x ・・・・(4)
この場合、例えば図4に示すように、テンション部材12における、凹部10Abの底部分と上下で対向する部分を凹部10Abの底部分の下面に沿った形状に変形させておくことで、補強位置p<凹部の深さの位置にテンション部材12を配置する。この場合、テンション部材12は、各側壁部10Bの内面に溶接によって取り付ける。テンション部材12と底部との当接部についても溶接や接着によって固定させても良い。
なお、図4及び図5では、凹部10Abが一つの場合を例示しているが、凹部は2以上形成されていても良い。
発明者は、FEM解析により、図1及び図2に示すような寸法のハット断面部材10と底板部11とから閉断面を構成する構造部材(中空部材1で、テンション部材12は無い)に対し、三点曲げ圧壊試験での部材変形の挙動を詳細に解析した。三点曲げの解析条件は、図6に示すように、構造部材における長手方向に離れた下面の2点を支持部材20で支持し、天板部10Aの長手方向中央部に対し、パンチによって上側から下方に向けて荷重を負荷するという条件である。
すなわち、本実施形態では、上記のようにテンション部材12を設けることで、特に、曲げ変形する衝突形態について、構造部材の耐衝突性能を向上させることができる。本実施形態のテンション部材12は、幅方向で対向する一対の側壁部10Bが離れる方向に変位することを、テンション(引張力)によって拘束する。この結果、天板部10A又は底板部11への衝突荷重の入力に対し、対向する一対の側壁部10Bの面外方向への膨らみ(座屈)を抑制する。すなわち、本実施形態に基づくテンション部材12を設けることで、衝突時の部材断面変形を効果的に抑制し、特に曲げ変形における最大荷重を向上させることが可能となる。
より好ましくは、上記の(1)式を満たす位置である。この場合、テンション部材12が構造部材のアスペクト比に応じた好適な位置に設けられることにより、部材質量当たりの耐衝突性能を効果的に向上させた車両用構造部材を提供することが可能となる(実施例を参照)。すなわち、構造部材のアスペクト比ごとに異なる効果的な補強位置にテンション部材12を設けることができ、本実施形態では、補強位置を特定することで、より効果的に耐衝突性能を向上させることが出来る。
下記の条件にて、三点曲げ圧壊試験での部材変形のFEM解析を行って、テンション部材12を設けることによる耐衝突性能の向上について検討した。
実施例の車両用構造部材は、図1及び図2に示す構成とした。
中空部材1を構成するハット断面部材10と底板部11、及びテンション部材12の強度や板厚を表1のように設定した。なお、強度の単位は[Mpa]である。なお、テンション部材12のフランジ部12aの曲げ部の曲げRは0.3mmとした。
なお、実施例5は、質量当たりの最大荷重では、比較例1と同等の最大荷重となっているが、実施例5は、最大荷重の絶対値では、比較例1の場合よりも大きい。
更に、中空部材1のアスペクト比を変えて解析を実施した。その結果を表3に示す。
図10中、「×」は、同じアスペクト比xにおける比較例に比べて、質量当たりの最大荷重が大きくなる場合の実施例であって、実施例10,15,20が対応する。もっとも、実施例10,15,20であっても、最大荷重の絶対値では、同じアスペクト比xの比較例に比べて大きくなっている。
また、上記の(1)式を満足するように、テンション部材12の高さを決定すると、質量当たりの最大荷重も、テンション部材12を設けない場合に比べて大きくなることが分かった。
また、曲げ圧壊方向の荷重に対する、テンション部材12のフランジ部12aの曲げ部の曲げ半径(曲げR)、板厚、および引用強度の関係について評価を実行した、具体的には、テンション部材12の引張強度、板厚及びテンション部材12とその端部に形成されるフランジ部12aとの間の曲げ部の曲率半径(曲げR)を変えたときの質量当たりの最大荷重を求めた。
その評価結果を表4に示す。
表4から分かるように、実施例2と実施例Bに示すように、テンション部材12の引張強度及び板厚が等しい場合、曲げ部の曲率半径は小さい方が好ましいことが分かった。
また、テンション部材12の板厚及び曲げ部の曲率半径が等しい場合、表4の実施例2と実施例Aに示すように、テンション部材12の引張強度は高い方が高い対衝突性能が得られることが分かった。ただし、上記の通り上記曲率半径は小さい方が好ましく、実施例Aと実施例Bに示すように、テンション部材12の引張強度を例えば590MPa級以下と低く設定することで、1470MPa級材から590MPa級材に強度を落としてでも、上記曲率半径を0.3mmと小さくする方が好ましいことが分かった。
10 ハット断面部材
10A 天板部
10Ab 凹部
10B 側壁部
10C フランジ
11 底板部
12 テンション部材
p 補強位置
w 幅
x 部材アスペクト比
y 補強高さ比
Claims (2)
- 天板部、上記天板部の幅方向両側にそれぞれ連続する一対の側壁部、及び上記天板部に対向配置した底板部で閉断面形状を構成する中空部材と、上記中空部材内の閉断面空間に設けられ、上記天板部の幅方向に沿って延在する金属板からなるテンション部材と、を備え、
上記天板部は、天板部の幅方向に沿って底板部側に凹んだ1又は2以上の凹部を有し、
各凹部は、上記幅方向で対向する一対の立上り部と、一対の立上り部間を連結する底部とからなり、
上記テンション部材は、上記天板部内面との間に空間を有する状態で、上記側壁部内面と、該側壁部内面と対向する上記天板部の凹部の立上り部とを連結することを特徴とする車両用構造部材。 - 上記テンション部材は、上記立上り部への接合部分が、上記凹部の内面に沿って上記底部まで延在している、ことを特徴とする請求項1に記載した車両用構造部材。
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