JP7091252B2

JP7091252B2 - 構造部材

Info

Publication number: JP7091252B2
Application number: JP2018554148A
Authority: JP
Inventors: 宏昭松井; 仁新村; 和信布野
Original assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Current assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2022-06-27
Anticipated expiration: 2037-11-28
Also published as: US20190275576A1; EP3549688A1; WO2018101235A1; CN109996616A; JPWO2018101235A1; US11192160B2; EP3549688A4; CN114669616A

Description

本発明は、車両等の構造部材に関し、特にアルミニウム合金等の押出材を用いた構造部材に係る。

車両の分野においては、用途に応じた強度及び剛性を確保するとともに、軽量化が要求される。
軽量化の手段として、鉄系材料からアルミニウム及びその合金、マグネシウム及びその合金等の軽合金への置換が検討されている。
しかし、単なる材料置換だけでは軽量化に限界があることから、近年テーラードブランク材とも称される部分的に肉厚を変えた材料の検討がされている。
しかし、従来の差厚テーラードブランク材は、部位に応じて板材を重ね合せたり、肉厚の異なる板材を突き合せ接合したものであり、接合工程による歪発生や熱影響による強度低下等、品質上の問題が発生しやすい（特許文献１～３）。
これに対して特許文献４～５には、押出材の断面自由度の高さを利用しつつ後加工等により、断面形状を可変させたものが提案されている。
しかし、これらの公報に開示する材料は、押出方向である長手方向には肉厚差がなく、部位によっては余剰の駄肉があり、軽量化が不充分であった。

日本国特開２００１－１２２１５４号公報日本国特開２００３－３９１２０号公報日本国特許第３９９６００４号公報日本国特許第４２１６６１７号公報日本国特許第４６１１１５８号公報日本国特許第５９９７０９９号公報

本発明は、強度，剛性を確保しながら軽量化を図るのに有効な押出材からなる構造部材の提供を目的とする。

本発明に係る押出材からなる構造部材は、押出方向に沿って肉厚を変化させてあることを特徴とする。
ここで押出材は、アルミニウム及びその合金、マグネシウム及びその合金等、押出可能な軽合金を用いる。
アルミニウム合金としては、ＪＩＳ６０００系，７０００系が例として挙げられる。
押出方向に沿って肉厚を変化させる方法としては、押出ダイスの開口寸法を肉厚方向に機械的に可変する方法、押出後にロール圧を加えたり、切削等による後加工を加える場合等、手段に制限はない。

本発明において、押出方向に沿って押出断面形状を変化させてあってもよい。

本発明は、押出方向に沿って肉厚を変化させたり、断面形状（押出方向に直交する断面）を変化させることで、押出方向の位置をＸ座標で表した場合に、それぞれ部位ｘにおいて、製品の許容応力σａとし、断面係数：Ｚ（ｘ），断面積：Ａ（ｘ），発生曲げモーメント：Ｍ（ｘ）とすると、式：Ｚ（ｘ）＝Ｍ（ｘ）／σａで求められる断面係数を部位ｘの変位に合せて可変し、断面積Ａ（ｘ）が最小になるようにしてあることに特徴がある。
ここで、発生曲げモーメントは、その部位にて許容される最大曲げモーメントＭｍａｘ（ｘ）以下であることが前提である。

従来のテーラードブランク材は、板材を重ね合せたり、異なる板厚材を接合することで断面肉厚を変化させたものであり、製品の長手方向の主材となるものは、一定の断面厚であることから、断面係数に余剰の部位が生じていた。
これに対して本発明は、押出形材における断面形状の自由度が高いことを活用しつつ、押出方向（長手方向）に対して肉厚や形状を可変させることで、その部位の曲げモーメントに対する最適な断面係数に合せて断面積を最小にすることで、さらなる軽量化を図ることができる。

本発明に係る構造部材を適用した車両の構造部材例を示す。（ａ）は斜視図、（ｂ）は部位Ａ，Ｂ，Ｃにおける断面図を示す。図１に示した製品の各部位（ｘ）における発生曲げモーメントＭ（ｘ）と許容される最大曲げモーメントＭｍａｘ（ｘ）との関係を示す。構造部材Ｗ_２の例を示す。（ａ）は側面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）はＤ－Ｄ線断面図、（ｄ）はＥ－Ｅ線断面図を示す。構造部材Ｗ_３の例を示す。（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）はＦ－Ｆ線断面端面図、（ｄ）はＧ－Ｇ線断面端面図、（ｅ）はＨ－Ｈ線断面端面図を示し、（ｆ），（ｇ）は金型の構造例を模式的に示す。構造部材Ｗ_４の例を示す。（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）はＩ－Ｉ線断面端面図、（ｄ）はＪ－Ｊ線断面端面図、（ｅ），（ｆ）は金型の構造例を示す。

本発明に係る構造部材は、自動車の各種構造部材に適用できる。
例えば車体を形成するピラー類，メンバ類等のリインホース，ルーフサイドリインホース，ロッカーパネルリインホース，ドアビーム，バンパリインホースメント等が例として挙げられる。
断面形状もソリッド，セミホロー，ホロー断面等、各種形状が対象になる。

図１にソリッド断面からなる構造部材Ｗ_１の例を示す。
図１（ａ）に示したＡ，Ｂ，Ｃの部分の各断面形状を図１（ｂ）に示す。
Ａ，Ｂ，Ｃは、押出材の押出方向をＸ座標で表現した場合に、それぞれＸ（Ａ），Ｘ（Ｂ），Ｘ（Ｃ）の部位に相当する。
それぞれの部位にて肉厚を変化させてあり、底部の中央部に一体的に形成したリブの高さｈも変化させてある。
本実施例では、長手方向の中央部に最も大きい曲げ応力が負荷される。
そこで、Ｘ（Ａ）の部位の肉厚ｔ_１よりもＸ（Ｂ）の部位の肉厚ｔ_２の方を厚くした。
また、中央部にのみリブｒ_１を設け、このリブｒ_１の高さｈを部位Ｘ（Ｃ）から部位Ｘ（Ｂ）に向けて徐々に低くし、それよりも長手方向端部側にはリブを設けていない。
このように、部位に応力が負荷される値に合せて断面係数を可変し、断面積が最小になるように設計した。
図１に示した構造部材は、プレス等にてさらに形状を変化させてもよい。

図２は、図１に示した構造部材Ｗ_１の部位ｘと発生曲げモーメントＭ（ｘ）、その部位にて許容される最大曲げモーメントＭｍａｘ（ｘ）との関係を模式的に示す。
グラフａは、部位（ｘ）における発生曲げモーメントＭ（ｘ）の変化を示し、グラフｂは許容される最大曲げモーメントＭｍａｘ（ｘ）の推移を示す。
直線ｃは、断面積が一定の場合の許容曲げモーメントに相当することから、斜線でＳの部分の面積が軽量化に寄与した部分になる。

図３は、構造部材Ｗ_２の例を示す。
アッパー（Ｕ）側の肉厚ｔ_４を一般部の肉厚ｔよりも徐々に厚くした中空断面形状からなる構造部材の例である。

図４は、中空断面からなる構造部材Ｗ_３の側壁の肉厚（厚肉部）ｔ_５を一般肉厚ｔよりも部分的に厚くした例を示す。
この構造部材Ｗ_３を押出成形するためのダイの構造例を図４（ｆ），（ｇ）に示す。
構造部材Ｗ_３の外形を形成するための外形金型１１と、内形を形成するための内形金型１２とからなり、これらはブリッジ等にて連結してある。
この外形金型１１の一部に可動金型１３を設け、（ｆ）から（ｇ）の状態に可変することで、押出材の厚肉部ｔ_５が連続的に形成される。

図５は、外形も肉厚も可変させえた構造部材Ｗ_４の例を示す。
図５（ｅ），（ｆ）に示すように、外形金型１１ａに可動金型１３ａを設けるとともに、内形金型１２ａにも可動金型１２ｂを設けることで、図５（ｄ）に示すように長くなった側壁肉厚部ｔ_６，厚肉部ｔ_７を形成することができる。
このように、押出方向に沿って肉厚や外形を連続的に徐変することで、軽量で最適な断面からなる各種構造部材が得られる。

本発明に係る構造部材は、車両部品，車両の構造材，機械のフレーム部材等、強度及び軽量化が要求される各種構造部材に適用できる。

Claims

押出方向に沿って押出断面肉厚を変化させてあるソリッド断面形状の押出材からなる構造部材であって、
押出方向の位置をＸ座標で表した場合に、
一方の端部の部位ｘ_１から他方の端部の部位ｘ_２までのそれぞれ部位ｘにおいて、製品の許容応力σａとし、断面係数：Ｚ（ｘ），断面積：Ａ（ｘ），発生曲げモーメント：Ｍ（ｘ）とすると、
式：Ｚ（ｘ）＝Ｍ（ｘ）／σａで求められる断面係数を部位ｘの変位に合せて可変し、前記部位ｘ_１から部位ｘ_２までの断面積Ａ（ｘ）の積分値が最小になるようにしてあり、
前記部位ｘ_１と部位ｘ_２との間の中央部の肉厚の方が前記両端部の肉厚よりも厚いことを特徴とする押出材からなる構造部材。