JPH07119892A - 強度部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧潰荷重の増加と圧潰モードの安定との両立
を図る。 【構成】 ｎ個の角部（Ｋ）を有して略一定板厚ｔの略
ｎ角形筒状断面に形成された強度部材（１０）におい
て、前記角部（Ｋ）相互間に非熱処理部（Ｓ）を残すよ
うに角部（Ｋ）の頂部から少なくともａ＝４ｎｔ^0.46の
範囲で熱処理部を設定したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、長さ方向の圧縮荷重を
受けることにより圧潰して衝突エネルギ等を吸収するフ
ロントサイドメンバ等の強度部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、乗用車においては、図１２に示
すように、車両１００の前部のエンジンルーム１０２内
に、前後方向に延びる強度部材としてフロントサイドメ
ンバ１０３、１０３が設けられている（実開昭５８−５
６６５４号公報参照）。

【０００３】このフロントサイドメンバ１０３は、例え
ば図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、ｎ＝４個の角部
Ｋと４個の辺Ｈからなる略四角形の筒状断面に構成され
ている。そして、図１２のように車両衝突時に前方から
衝突荷重Ｆが作用した際、フロントサイドメンバ１０３
は図１４に示すように長さ方向に所定ピッチ（これを以
下「圧潰ピッチ」という）で蛇腹状に圧潰し、衝突エネ
ルギを吸収する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この場合の圧潰荷重Ｐ
と圧潰ストロークＳとの関係を図１５に示す。通常、圧
潰荷重Ｐは、衝突当初に最大値（Ｐmax ）となり、圧潰
ストロークＳの増加と共に振動波形を描きながら減衰し
ていく。このとき衝突エネルギの吸収量は、Ｐの積分値
として求めることができ、その値は圧潰荷重の平均値
（平均圧潰荷重）Ｐave に比例する。従って、衝突エネ
ルギの吸収のためには平均圧潰荷重値Paveを大きくする
ことが肝要である。

【０００５】ここで、平均圧潰荷重Ｐave は、部材の板
厚を増大すればそれだけ大きくなるが、単に板厚を増す
と重量増を招くことになり得策ではない。

【０００６】一方、フロントサイドメンバ１０３の圧潰
時のある断面を見ると、図１６に示すように、角部Ｋが
伸びるように塑性変形している。そして、この塑性変形
により、衝突エネルギを吸収が、特に角部Ｋの塑性変形
で、大部分のエネルギを吸収することが解明されてい
る。従って、特開昭６０−４５４８４号公報に記載のよ
うに、部材の角部に補強材を設ける手段もある。しか
し、これも補強材を設ける分、重量増を招く上、補強材
を固定するための工程が新たに必要となり、やはり得策
ではない。

【０００７】他方、部材を熱処理して材料の強度アップ
を図る手段が検討されている。しかし、部材を全面的に
熱処理をすると、全体の剛性は増加するが、その反面で
圧潰ピッチが長くなり折れ変形を生じ易くなるなど衝突
エネルギの吸収設定が難かしくなる恐れがある。

【０００８】そこでこの本発明は、圧潰荷重の増加と、
圧潰モードの安定との両立を図ることのできる強度部材
の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、ｎ個
の角部を有して略一定板厚ｔの略ｎ角形筒状断面に形成
された強度部材において、前記角部相互間に非熱処理部
を残すように角部の頂部から少なくともａ＝４．ｎｔ
^0.46の範囲で熱処理部材を設定したことを特徴とする。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１記載の強度部
材であって、前記熱処理部は部材長手方向に沿って所定
間隔で断続的に設けられていることを特徴とする。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１記載の強度部
材であって、前記熱処理部の範囲ａは部材長手方向一端
側から他端側へ漸次大きくなるよう設定されていること
を特徴とする。

【００１２】請求項４の発明は、請求項１又は請求項２
又は請求項３記載の強度部材であって、前記熱処理部は
レーザービームの幅をａとして照射することにより形成
することを特徴とする。

【００１３】

【作用】請求項１の発明は、角部の頂部から少なくとも
ａ＝４ｎｔ^0.46の範囲の熱処理部により強度アップする
ので、平均圧潰荷重Ｐave を増大させることができる。

【００１４】また、角部Ｋの頂部から少なくとも前記ａ
の範囲を強度アップし、全体的に強度アップすることは
ないので、圧潰ピッチの増加は制御され、圧潰モードが
安定する。

【００１５】請求項２の発明では、請求項１の発明の作
用の他、熱処理部が強度の高い部分、熱処理を施さない
部分が熱処理部と比較して強度の低い部分となり、それ
らが所定間隔で交互に並ぶことになる。したがって、相
対的に強度の低い部分を腹（波形の変形の腹）として変
形が進行する。即ち、非熱処理部は潰れ促進用のビード
等と同様の働きをする。

【００１６】請求項３の発明では、請求項１の作用の
他、熱処理部の幅ａを一端から他端へ漸次大きくしたの
で、一端側は断面当たりの強度は小さいものの、他端側
に行くほど断面当たりの強度が大きくなり、座屈しにく
くなる。したがって、圧潰を一端側から他端側へ向かっ
て確実に進行させることができる。

【００１７】請求項４の発明では、熱処理をレーザビー
ムの照射により行ったので、範囲を限定した局部的な熱
処理を効率良く行うことができる。

【００１８】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。

【００１９】図１はこの発明の第１実施例としての強度
部材１０の斜視図である。この強度部材１０は、板厚ｔ
のハット断面の主材１１と、同じ板厚ｔのプレート材１
２とを合わせて溶接することにより筒状断面形状に形成
されている。主材１１は、その幅方向両端に外向きのフ
ランジ１３、１３を有し、この主材１１の開口を閉じる
ようにプレート材１２が配置され、その両縁部１４がフ
ランジ１３に溶接されている。従って、ｎ＝４個の角部
Ｋと４つの辺Ｈからなる四角形筒状断面の強度部材１０
となる。

【００２０】そして、実施例の強度部材１０では、前記
角部Ｋの頂部から両側の辺Ｈの中央に向かって有効幅ａ
の範囲に、局部的に熱処理が施され、斜線で示す熱処理
部Ｎが他の部分よりも例えば１．５倍程度強度アップさ
れている。また、熱処理部Ｎは部材長さ方向に連続して
形成され、熱処理部Ｎ間に非熱処理部Ｓが残されてい
る。前記熱処理部Ｎは、例えばレーザビームを有効幅ａ
に設定し、これを角部Ｋに照射することにより形成して
いる。従って、範囲を限定した局部的な熱処理を効率良
く行うことができる。ここで特に重要なことは、前記有
効幅ａが、この実施例において少なくとも幅ａ＝１６ｔ
^0.46以上に設定されていることである。

【００２１】ここで前記有効幅ａの根拠を以下に述べ
る。

【００２２】先に述べたように、多角形筒状断面の部材
が長手方向の圧縮荷重により圧潰する場合、部材の角部
がエネルギ吸収に重要な役割を果たす。

【００２３】今、図２に示すような四角形断面のモデル
について考えてみる。この強度部材１は、ｎ＝４個の角
部Ｋと４つの辺Ｈを持つ長方形断面のものである。ここ
では、縦の辺の長さをｄ、横の辺の長さ（幅）をｂ、板
厚をｔとし、部材長さが断面寸法ｂ、ｄに比較して十分
大きいものとする。

【００２４】このモデルについて、幅ｂの横の辺の応力
分布を、シミュレーションによって求めたところ、図３
に示すような結果が得られた。この結果によれば、角部
Ｋから有効幅ａの範囲で、応力が略降伏応力σｙ以上に
なり、それ以外の部分（辺Ｈの中央部）で応力が降伏応
力σｙ以下になっている。

【００２５】この結果から、「強度部材１が軸方向の衝
突荷重を受けて圧潰するとき、衝突エネルギは、主に角
部Ｋの頂部から有効幅ａの範囲が塑性変形することによ
って吸収される」と言うことができる。この有効幅ａの
範囲とは、図４に示すハッチング部分であり、この部分
がエネルギ吸収に有効に寄与する部分である。

【００２６】次に、圧潰荷重の変化について検討してみ
る。

【００２７】ここでは、部材の断面寸法ｂ（以下、これ
を「断面幅」という）を変化させた場合、あるいは板厚
ｔを変化させた場合のそれぞれについて、圧潰荷重の変
化を調べてみた。併せて、最大応力σmax 、及び実際の
応力が降伏応力以上になる前述の有効幅ａについても調
べてみた。

【００２８】その結果を図５、図６にそれぞれ示し、図
５が断面幅を変えた場合、図６が板厚を変えた場合の結
果である。。この結果から、平均圧潰荷重Ｐave は板厚
ｔには依存するが、断面幅ｂに依存しないことが分か
る。よって、このことからも、有効幅ａの存在が確認さ
れる。

【００２９】そこで今、有効幅ａについて考えて見る
と、次の式を立てることができる。

【００３０】Ｐave ＝８ａｔσmax … この式の「８ａｔ」は、図４の斜線で示す断面積に略相
当する。この式は、断面積×最大応力（σmax ）＝平均
圧潰荷重を根拠にしている。

【００３１】一方、図６の結果より、平均圧潰荷重Ｐav
e と板厚ｔとの間にはある関数が成立することが分か
る。この関数を求めてみると、 Ｐave ＝１２８ｔ^1.46σmax … であった。

【００３２】よって、前記、の２つの式から、 ａ＝１６ｔ^0.46 … が求められる。前述したように式の「８」は四角形の
場合の値であるから、四角形以外の多角形を対象にし
て、式を一般化すると、 ａ＝４ｎｔ^0.46 … が得られる。

【００３３】したがって、衝突エネルギの大部分は、こ
の有効幅ａ内の材料の塑性変形によって吸収されると言
うことができる。

【００３４】次に、部材に熱処理をしない場合と、熱処
理をした場合とで、図１における寸法ｂの辺Ｈの圧潰時
の応力を調べたところ、図７に示すような結果を得た。
熱処理をしない場合は、図７（ａ）に示すように材料そ
のものの降伏応力σｙは均一であり、有効幅ａの領域が
降伏応力以上になることで、圧潰が進行している。

【００３５】これに対し、有効幅ａの範囲を熱処理した
場合は、図７（ｂ）に示すように、その領域の降伏応力
σｙ’が局部的に増大している。そして、角部Ｋを中心
とした領域の降伏応力が増大することにより、圧潰時の
応力が全体的に増大している。即ち、平均圧潰荷重Ｐav
e を増大することができた。

【００３６】次に、上記理論を裏付けるため、四角形断
面の強度部材のモデルを用い、熱処理の有効幅ａを変化
させた場合の平均圧潰荷重Ｐave の変化を調べた。

【００３７】図８（ａ）はモデルとして用いた強度部材
を示している。ここでは、板厚ｔ＝２．０ｍｍ、各辺Ｈ
の長さは共に１００ｍｍとしており、熱処理の有効幅ａ
を０ｍｍ〜５０ｍｍの間で変化させた場合の平均圧潰荷
重の変化について調べ、同図(b) の結果を得た。０ｍｍ
は熱処理なし、５０ｍｍは全面熱処理を示す。

【００３８】図８（ｂ）に示す結果から、熱処理の有効
幅ａを０ｍｍから増やすに従い、平均圧潰荷重Ｐave が
増大し、ある幅を越えたところでＰave が一定となって
いる。この「ある幅」が、前述した有効幅ａに相当す
る。よって、この有効幅ａの範囲を熱処理すれば、平均
圧潰荷重を効果的に増大させることができる。

【００３９】因みに、厚さｔ＝２．０ｍｍの場合、上記
理論によればａ＝１６ｔ^0.46＝２２ｍｍとなり、図８
(b) の結果とよく一致することが確認できた。

【００４０】次に圧潰ピッチについて検討してみる。部
材の圧潰ピッチは、角部Ｋの強度と辺Ｈの中央の強度と
の比により、図９に示す変化をする。従って、角部Ｋの
強度が辺Ｈの中央の強度よりも大きい方が、圧潰ピッチ
は小さくなる。

【００４１】従って、上記熱処理部Ｎの強度により強度
部材１０の圧潰ピッチを小さくすることができる。

【００４２】以上より、図１の強度部材１０を、例えば
フロントサイドメンバとして用いた場合、その圧潰によ
り、効果的なエネルギ吸収を行なうことができる。ま
た、有効幅ａを熱処理するだけであるから、重量増も規
制できる。さらに、強度部材１０を全体的に熱処理する
のではないため、圧潰ピッチが短かく安定した圧潰モー
ドとなり、吸収エネルギの設定も容易となる。

【００４３】次に、本発明の第２実施例を説明する。

【００４４】図１０は第２実施例としての強度部材２０
を示す斜視図である。この実施例の強度部材２０は、角
部Ｋの熱処理を部材長さ方向に一定のピッチで断続的に
施している。従って、熱処理部Ｎと熱処理部Ｎとの間
に、熱処理しない部分（非熱処理部Ｍ）を設けたもので
ある。この場合、非熱処理部Ｍは車両に設置される際に
前端側となる長さ方向一端２０ｃから、最初は１／２
λ、次からはλのピッチで配置されている。λは圧潰ピ
ッチであり、実験や数値解析等により求められる値であ
る。その他の構成は第１実施例と同様である。

【００４５】この第２実施例の強度部材２０では、第１
実施例の作用効果に加え、以下の作用効果を有する。

【００４６】すなわち、熱処理部Ｎが強度の高い部分と
なり、非熱処理部Ｍがそれより強度の低い部分となり、
それらが理想的な圧潰ピッチ通りに交互に並ぶことにな
る。したがって、非熱処理部Ｍが潰れ促進用のビード
（切欠）と同様の働きをし、強度の低い非熱処理部Ｍを
圧潰波形の腹として変形が安定して進行し、衝突エネル
ギを確実に吸収することができるようになる。

【００４７】なお、非熱処理部Ｍは、ビードを設けたわ
けではなく、材料本来の強度を保持しているため、圧潰
荷重がその分低下するようなことは全くない。

【００４８】次に、本発明の第３実施例を説明する。

【００４９】図１１は第３実施例としての強度部材３０
を示す斜視図である。この実施例の強度部材３０は、熱
処理の有効幅ａを、車両に設置される際に前端側となる
長さ方向一端３０ｃ側から他端３０ｄ側へ漸次大きくな
るよう変化させたものである。また、この実施例では、
一端３０ｃの有効幅ａが寸法ａ＝１６ｔ^0.46以下に設定
され、他端３０ｄ側については辺Ｈの全面に熱処理が施
されている。その他の構成は第１実施例と同様である。

【００５０】この第３実施例の強度部材３０によれば、
第１実施例の作用効果に加え、以下の作用効果を有す
る。

【００５１】すなわち、一端３０ｃ側は断面当たりの強
度が小さいものの、他端３０ｄ側に行くほど断面当たり
の強度が大きくなり、座屈しにくくなっている。したが
って、圧潰が一端側から他端側へ向かって確実に進行す
ることになる。

【００５２】特に、一端３０ｃの熱処理幅を前述の有効
幅ａ以下にしてあるから、一端側を意図的に先に潰すこ
とができる。このため、圧潰が一端側からより確実に始
まり、衝撃エネルギの吸収効率が高まってその設定も容
易となる。

【００５３】なお、この第３実施例においては、他端３
０ｄ側を全面熱処理としたが、他端３０ｄ側の熱処理を
有効幅ａ＝４ｎｔ^0.46以上に設定すれば、所期の効果は
達成できる。

【００５４】また、以上の各実施例においては、四角形
断面の強度部材を例にとって説明したが、ｎ個の角部と
ｎ個の辺からなるｎ角形断面の強度部材にも本発明は適
用できる。その場合の有効幅ａは、上記のように ａ＝４ｎｔ^0.46 から求めることができる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、全面熱処理した場合のように圧潰モードを不安
定にすることなく、平均圧潰荷重Ｐave を増大させるこ
とができる。よって、大きなエネルギを確実に吸収する
ことができ、その設定も容易となる。

【００５６】請求項２の発明によれば、所期のピッチで
圧潰を進行させることができ、圧潰モードの安定を図る
ことができて吸収エネルギの設定がより容易となる。

【００５７】請求項３の発明によれば、圧潰を一端側に
確実に進行させることができ、確実かつ十分にエネルギ
を吸収することができる。

【００５８】請求項４の発明によれば、範囲を限定した
局部的な熱処理が容易にでき、圧潰荷重の設定や圧潰ピ
ッチの管理も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の斜視図である。

【図２】本発明の作用説明に用いる部材のモデルを示す
斜視図である。

【図３】同モデルのある辺における応力分布を示す図で
ある。

【図４】同モデルにおける有効幅の概念を説明するため
示す部材の断面図である。

【図５】同モデルの断面幅を変えた場合の圧潰荷重の変
化を調べた結果を示すもので、（ａ）は表、（ｂ）はグ
ラフである。

【図６】同モデルの板厚を変えた場合の圧潰荷重の変化
を調べた結果を示すもので、（ａ）は表、（ｂ）はグラ
フである。

【図７】本発明の第１実施例の応力分布を従来の部材と
比較して示す図であり、（ａ）は従来の部材の応力分布
を示す図、（ｂ）は本発明の実施例の応力分布を示す図
である。

【図８】本発明の一実施例において、熱処理幅を変えた
場合の平均圧潰荷重の変化を調べた解析内容を示すもの
で、（ａ）は解析対象のモデルを示す斜視図、（ｂ）は
熱処理幅と平均圧潰荷重の関係を示す図である。

【図９】同モデルにおける圧潰ピッチと強度の関係を示
す図である。

【図１０】本発明の第２実施例の斜視図である。

【図１１】本発明の第３実施例の斜視図である。

【図１２】自動車のサイドメンバの配置場所を示す斜視
図である。

【図１３】サイドメンバの断面形状の種類を示す図であ
る。

【図１４】サイドメンバ等の強度部材の圧潰の仕方を示
す図である。

【図１５】サイドメンバ等の強度部材の圧潰時の圧潰荷
重と圧潰ストロークの関係を示す図である。

【図１６】図１４に示すように圧潰した場合のある断面
の変化を示す図である。

【符号の説明】

１０，２０，３０ 強度部材 Ｋ 角部 Ｎ 熱処理部 Ｓ 非熱処理部 Ｍ 非熱処理部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｎ個の角部を有して略一定板厚ｔの略ｎ
   角形筒状断面に形成された強度部材において、 前記角部相互間に非熱処理部を残すように角部の頂部か
   ら少なくともａ＝４．ｎｔ^0.46の範囲で熱処理部を設定
   したことを特徴とする強度部材。
2. 【請求項２】 請求項１記載の強度部材であって、前記
   熱処理部は部材長手方向に沿って所定間隔で断続的に設
   けられていることを特徴とする強度部材。
3. 【請求項３】 請求項１記載の強度部材であって、前記
   熱処理部の範囲ａは部材長手方向一端側から他端側へ漸
   次大きくなるよう設定されていることを特徴とする強度
   部材。
4. 【請求項４】 請求項１又は請求項２又は請求項３記載
   の強度部材であって、前記熱処理部はレーザービームの
   幅をａとして照射することにより形成することを特徴と
   する強度部材。