KR102388344B1

KR102388344B1 - 구조 부재

Info

Publication number: KR102388344B1
Application number: KR1020207017227A
Authority: KR
Inventors: 야스히로 이토; 요시아키 나카자와; 다케시 가와치
Original assignee: 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2022-04-19
Also published as: JPWO2019103152A1; US20210001675A1; US11413919B2; CN111433056B; KR20200088411A; CN111433056A; WO2019103152A1; MX2020005333A; CA3082978A1; JP7020492B2

Abstract

구조 부재이며, 구조 부재는, 제1 에지부 및 제1 에지부에 대향하는 제2 에지부를 가지는 천장판부와, 제2 에지부로부터 천장판부와 교차하는 방향으로 연장되는 벽부와, 제1 에지부에 마련되는 폐단면부를 가지고, 제1 에지부는, 천장판부에 대한 평면에서 볼 때 천장판부의 내측을 향해 만곡하고, 구조 부재의 제1 에지부로부터 제2 에지부까지의 거리를 구조 부재 폭이라 했을 때, 폐단면부는 구조 부재 폭의 방향을 따른 구조 부재의 수직 절단면에 있어서 폐단면을 형성하고, 구조 부재 폭의 방향을 따른 구조 부재의 수직 절단면은 개단면을 가지고, 폐단면부를 포함하는 구조 부재의 수직 절단면의 형상은, 구조 부재 폭의 길이 중앙에 대하여 비대칭이다.

Description

구조 부재

본 발명은, 구조 부재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차의 구조 부재에 관한 것이다.

자동차의 구조 부재인 서스펜션 부품은, 자동차의 조종 안정성에 영향을 미치는 중요한 부품이다. 예를 들어, 프론트 로어 암(이하, 「로어 암」이라고도 함)은, 타이어의 위치 및 방향의 유지, 차량 선회 시의 횡력 유지, 충격 입력 시의 보디측으로의 충격 전달 차단, 연석 올라타기 시의 강도 유지 등의 역할을 담당하고 있다. 이들 역할에 관하여 높은 성능을 실현하기 위해서, 다양한 검토가 이루어지고 있다.

예를 들어 특허문헌 1에는, 충격 입력 시의 보디측으로의 충격 전달 차단에 관한 기술로서, 어퍼 부재와 로어 부재에 의해 중공형의 대략 직사각형의 폐단면부를 구성하고, 후상 코너부의 단면적을 감소시킴과 함께 후하 코너부의 단면적을 증가시키는 자동차용 로어 암의 충격 흡수 구조가 개시되어 있다. 이러한 구성에 의해, 서스펜션 멤버측에 변형값을 확보하지 않고 차륜으로부터의 충돌 하중의 입력을 흡수한다.

특허문헌 2에는, 3개의 지지부를 메인 프레임에 의해 연결하여 대략 삼각형의 중공의 서스펜션 암 본체를 형성하고, 서스펜션 암 본체의 중공부에 복수의 서브 프레임을 주 응력 방향을 따라서 배치하여 구성된, 서스펜션 암이 개시되어 있다. 이러한 구성에 의해, 서스펜션으로부터 전달되는 응력에 대한 충분한 강도를 확보하면서 경량화를 도모하고 있다.

특허문헌 3에는, 차체에 대한 설치 상태에서 대략 수평 방향으로 연장되는 제1 수평부와, 제1 수평부의 주연을 아래 방향으로 꺾어 구부린 연직부와, 연직부의 하부 에지를 안쪽 방향으로 꺾어 구부린 리버스 플랜지와, 제1 수평부로부터 상방으로 돌출되는 제2 수평부를 구비하는, 금속판을 프레스 가공한 자동차용 서스펜션 암이 개시되어 있다. 제1 수평부로부터 상방으로 돌출되는 제2 수평부를 마련함으로써, 상하 방향의 굽힘 하중에 대한 굽힘 중심의 높이를 높게 하여 해당 굽힘 중심으로부터 리버스 플랜지까지의 거리를 증가시키고, 리버스 플랜지에 작용하는 인장 하중 및 압축 하중을 저감시키고 있다.

특허문헌 4에는, 하중의 입력면과 대략 평행하게 배치되는 판형의 본체부와, 본체부의 적어도 일측 에지를 따라서 연설된 대략 파이프형의 보강부를 구비하여 이루어지는 차량용 서스펜션 암이 개시되어 있다. 이러한 구성에 의해, 서스펜션 암의 굴곡 강성을 높여, 노면의 요철, 차량의 선회, 차륜의 제동 등에 의해 입력되는 큰 하중에 견딜 수 있는 충분한 강성을 확보한다.

특허문헌 5에는, 1매의 판재를 프레스 성형하여 개단면 형상으로 형성된 서스펜션 암이며, 제1 암부의 내측 단말부 및 외측 단말부와, 제2 암부의 내측 단말부 및 외측 단말부가 서로 접근하는 방향으로 굴곡되는 구성이 개시되어 있다. 이러한 구성에 의해, 중량을 증가시키지 않고 충분한 강성을 확보한다.

특허문헌 6에는, 금속판제의 서스펜션 암이며, 금속판의 외주를 이루는 변 의 적어도 일부에 금속판의 단부를 되접어 파이프형으로 형성한 보강부를 구비하고, 금속판의 단부는 보강부의 내측으로 말려들어가 금속판에 겹치는 구성이 개시되어 있다. 보강부가 이중판 구조의 말림부를 가지고 있음으로써, 단순히 금속판의 단부를 되접어 말림부를 가지지 않는 보강부를 형성한 경우에 비하여, 용접을 행하지 않아도 충분히 높은 강성을 실현할 수 있다.

일본 특허 공개 제2016-124320호 공보 일본 특허 공개 평9-315123호 공보 일본 특허 제3725031호 공보 일본 특허 공개 평8-188022호 공보 일본 특허 공개 평8-318722호 공보 일본 특허 공개 평10-264624호 공보

근년, 자동차 차체의 경량화에 대한 요구가 높아져, 자동차의 구조 부재에는, 그 역할을 달성할뿐만 아니라 자동차 차체의 경량화의 양립이 요구된다. 그러나, 일반적으로 이들은 서로 맞지 않는 것이며, 예를 들어 서스펜션 부품의 로어 암 등과 같이 만곡 형상을 지니는 구조 부재에 있어서는, 자동차 차체의 경량화를 위해서 구조 부재의 판 두께를 얇게 하면, 면외 변형이 발생하기 쉬워진다. 이 면외 변형의 발생은, 타이어와 보디의 위치 관계를 유지하기 위한 차체 전후 방향 굽힘 강도(이하, 「전후 굽힘 강도」라고도 함)를 부족하게 만든다. 전후 굽힘 강도가 부족하면, 차체가 연석에 올라탔을 때 휠로부터 발생되는 힘에 저항할 수 없어, 타이어와 보디의 위치 관계가 무너져버린다.

만곡 형상을 지니는 서스펜션 부품에 관해서는, 상기 특허문헌 1 내지 6에 나타낸 바와 같이, 부품에 요구되는 역할을 유지하기 위해 다양한 검토가 이루어져 있지만, 전후 굽힘 강도에 대해서는 거의 검토되어 있지 않다. 이것은, 자동차의 구조 부재의 판 두께를 충분히 크게 하는 것이 가능했던 종래에 있어서는, 면외 변형이 거의 발생하지 않아, 그 영향을 고려할 필요가 없었기 때문이다.

그러나, 근년에는, 자동차 차체의 경량화에 의한 강판의 박육화에 의해, 구조 부재의 면외 변형이 발생하기 쉬워지게 되어 있다. 또한, 예를 들어 상기 특허문헌 3과 같이 만곡 형상의 내측과 외측을 연결하는 선을 따라서 절단했을 때의 단면이 개단면인 구조 부재는, 상기 특허문헌 1과 같은 폐단면인 구조 부재에 비해, 부품을 경량화할 수 있다. 그러나, 단면이 개단면인 구조 부재는, 만곡 형상의 내측, 특히 만곡부에 있어서 국소적으로 압축 응력이 높아졌을 때, 면외 변형이 발생하기 쉽다.

또한, 자동차 차체의 경량화 및 충돌 안전성의 향상의 관점에서, 구조 부재의 소재로서 고강도 강판이 사용되게 되었지만, 고강도의 재료일수록 탄성역이 길어서, 면외 변형이 발생하기 쉽다.

그래서, 본 발명은, 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적으로 하는바는, 만곡 형상을 지니는 구조 부재에 있어서, 구조 부재의 경량화를 도모함과 함께 면외 변형을 억제하는 것이 가능한, 신규이면서 개량된 자동차의 구조 부재를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 어느 관점에 의하면, 구조 부재이며, 구조 부재는, 제1 에지부 및 제1 에지부에 대향하는 제2 에지부를 가지는 천장판부와, 제2 에지부로부터 천장판부와 교차하는 방향으로 연장되는 벽부와, 제1 에지부에 마련되는 폐단면부를 가지고, 제1 에지부는, 천장판부에 대한 평면에서 볼 때 천장판부의 내측을 향해 만곡하고, 구조 부재의 제1 에지부로부터 제2 에지부까지의 거리를 구조 부재 폭이라 했을 때, 폐단면부는 구조 부재 폭의 방향을 따른 구조 부재의 수직 절단면에 있어서 폐단면을 형성하고, 구조 부재 폭의 방향을 따른 구조 부재의 수직 절단면은 개단면을 가지고, 폐단면부를 포함하는 구조 부재의 수직 절단면의 형상은, 구조 부재 폭의 길이 중앙에 대하여 비대칭인, 구조 부재가 제공된다.

구조 부재는, 수직 절단면에 있어서, 구조 부재 폭의 길이 중앙으로부터 제1 에지부측의 제1 영역과, 구조 부재 폭의 중앙으로부터 제2 에지부측의 제2 영역을 가지고, 폐단면부를 포함하는 수직 절단면에서는, 제2 영역의 단면적 S_out에 대한 제1 영역의 단면적 S_in의 단면적비 S_in/S_out는, 이하의 관계식을 충족해도 된다.

구조 부재의 천장판부와, 벽부와, 폐단면부는, 하나의 부재로 형성해도 된다.

또한, 구조 부재의 폐단면부는, 천장판부를 형성하는 부재와는 다른 하나의 부재로 형성해도 된다.

폐단면부는, 천장판부에 인접하여 마련되어도 된다.

또는, 폐단면부는, 복수의 부재로 형성해도 된다.

구조 부재는, 천장판부와, 벽부와, 폐단면부의 일부를 형성하는 제1 부재와, 제1 부재와 함께 폐단면부를 형성하는 제2 부재에 의해 형성되고, 제2 부재의 양단은, 제1 부재에 용접되어 있어도 된다.

수직 절단면에 있어서, 폐단면부에 있어서의 구조 부재 폭의 방향의 최장 길이를 α라 하고, 폐단면부에 있어서의 구조 부재 폭의 방향과 수직인 방향의 최장 길이를 β라 했을 때, α/β가 이하의 관계식을 충족해도 된다.

폐단면부의 단면 형상은 직사각형이어도 된다.

폐단면부는, 중공 부재로 형성해도 된다.

폐단면부의 중공 부분에는 수지 충전제를 충전해도 된다.

폐단면부는, 중실 부재로 형성해도 된다.

구조 부재는, 예를 들어 자동차의 구조 부재여도 된다.

또는, 구조 부재는, 자동차 서스펜션 부품이어도 된다.

구조 부재의 인장 강도는 780MPa 이상이어도 된다.

구조 부재의 판 두께는, 2.9㎜ 이하로 해도 된다.

구조 부재의 암 길이는, 350㎜ 이상이어도 된다.

구조 부재의 구조 부재 폭은, 70㎜ 이상이어도 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 만곡 형상을 지니는 구조 부재에 있어서, 구조 부재의 경량화를 도모함과 함께 면외 변형을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자동차의 구조 부재의 형상의 개요를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A 절단선에 있어서의 절단면의 모식도이며, 자동차의 구조 부재의 일 구성예를 나타낸다.
도 3은 도 1의 A-A 절단선에 있어서의 절단면의 모식도이며, 자동차의 구조 부재의 다른 구성예를 나타낸다.
도 4는 도 1의 A-A 절단선에 있어서의 절단면의 모식도이며, 자동차의 구조 부재의 다른 구성예를 나타낸다.
도 5는 도 1의 A-A 절단선에 있어서의 절단면의 모식도이며, 자동차의 구조 부재의 다른 구성예를 나타낸다.
도 6은 도 1의 A-A 절단선에 있어서의 절단면의 모식도이며, 자동차의 구조 부재의 다른 구성예를 나타낸다.
도 7은 폐단면부의 종횡비의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 8은 폐단면부의 종횡비의 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 9는 아크 용접에 의한 강판의 용접부를 나타내는 설명도이다.
도 10은 동 실시 형태에 따른 만곡 형상을 지니는 구조 부재의 암 길이 W 및 구조 부재 폭 Wp를 나타내는 설명도이다.
도 11은 로어 암의 중량과 비례한계 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 구조 부재 폭 방향의 단면이 대략 U자 형상의 구조 부재를 나타내는 개략 단면도이다.
도 13은 구조 부재 폭 방향의 단면이 폐단면인 경우와 개단면인 경우에 대하여, 면외 변형이 발생하기 쉬운 점을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 14는 동 실시 형태에 따른 자동차의 구조 부재의 형상의 일 변형예를 나타내는 개략 사시도이다.
도 15는 동 실시 형태에 따른 만곡 형상을 지니는 구조 부재의 일례를 나타내는 개략 평면도이다.
도 16은 도 15의 B-B 절단선에 있어서의 단면의 모식도이다.
도 17은 구조 부재의 판 두께와 비례한계 강도의 성능 향상비의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 인장 강도 TS와 단위 부품 중량당 비례한계 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는, 동일한 번호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.

<1. 자동차의 구조 부재>

우선, 도 1 내지 도 6에 기초하여, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자동차의 구조 부재에 대하여 설명한다. 도 1은, 본 실시 형태에 따른 자동차의 구조 부재의 형상의 개요를 나타내는 사시도이다. 도 2 내지 도 6은, 도 1의 A-A 절단선에 있어서의 절단면의 모식도이며, 자동차의 구조 부재의 구성예를 나타낸다.

[1-1. 전체 구성]

본 실시 형태에 따른 자동차의 구조 부재(100)는, 도 1에 도시한 바와 같이 만곡 형상을 지닌다. 이와 같은 구조 부재(100)로서는, 예를 들어 섀시 부품을 들 수 있다. 섀시 부품으로서는, 예를 들어 서스펜션 부품의 암 혹은 링크 부품이며, 구체적으로는 로어 암, 프론트 어퍼암, 리어 어퍼암, 트레일링 암 등이 있다. 본 실시 형태에 따른 구조 부재(100)의 형상은, 서스펜션 부품에 한정되는 것이 아니라, 보디 부품에 대해서도 적용 가능하다. 구체적으로는, 보디 부품의 차량 골격으로서, 루프 사이드 레일, B 필러, A 필러 로어, A 필러 어퍼, 퀵클린 포스 등이 있다. 또한, 보디 부품의 충격 흡수 골격으로서는, 리어 사이드 멤버, 프론트 사이드 멤버 등을 들 수 있다. 특히, 일반적인 보디 부품과 비교해서 판 두께가 두껍고, 또한, 단면 사이즈가 작은 만곡 형상을 지니는 부품에 대하여, 본 실시 형태에 따른 구조 부재(100)의 형상을 적용함으로써, 부품의 경량화 및 면외 변형의 억제 효과를 유효하게 발휘할 수 있다.

이러한 구조 부재(100)는, 천장판부(101)와, 천장판부(101)와 교차하는 방향으로 연장되는 벽부(103)와, 폐단면부(105)를 가진다. 특히, 구조 부재(100)는, 만곡 형상의 천장판부(101)와, 천장판부(101)의 만곡 외측을 따라서 마련된 벽부(103)와, 천장판부(101)의 만곡 내측 중 적어도 일부에 마련된 폐단면부(105)를 가진다. 또한, 구조 부재(100)에 대하여, 만곡 형상의 곡률 반경이 큰 측을 만곡 외측, 만곡 형상의 곡률 반경이 작은 측을 만곡 내측이라 한다.

천장판부(101)는, 제1 에지부(101a)와, 제1 에지부(101a)에 대향하는 제2 에지부(101b)를 가지는 면이다. 제1 에지부(101a)는, 천장판부(101)에 대한 평면에서 볼 때 천장판부(101)의 내측을 향해 만곡하고 있다. 특히, 천장판부(101)는, 천장판부(101)를 구성하는 강판의 판 두께 방향에 대하여 직교하는 면 내에 있어서 일방향으로 만곡하고 있는 면이다. 즉, 천장판부(101)는, 천장판부(101)에 대한 평면에서 볼 때 만곡한 형상을 지니고 있다. 천장판부(101)의 면 형상은, 평탄하지 않아도 되며, 도 1에 도시한 바와 같이 요철이 있어도 된다. 또한, 천장판부(101)의 면 내에 관통 구멍(도시생략) 등이 형성되어 있어도 된다.

벽부(103)는, 천장판부(101)의 제2 에지부(101b)측(만곡 외측)의 에지부로부터 천장판부(101)에 대하여 교차하는 방향으로 연장하여 형성된 면이다. 예를 들어, 벽부(103)는, 천장판부(101)에 대하여 대략 직교하는 방향으로 연장하여 형성되어 있다.

폐단면부(105)는, 천장판부(101)의 제1 에지부(101a)측(만곡 내측)이며, 천장판부(101), 벽부(103)와 함께 개단면을 형성하도록, 천장판부(101)에 대하여 마련되어 있다. 폐단면부(105)는, 하나 또는 복수의 부재에 의해, 폐단면을 형성한다. 또한, 폐단면부(105)가 단독으로 폐단면을 형성해도 되고, 폐단면부(105)는 천장판부(101)와 함께 폐단면을 형성해도 된다.

폐단면부(105)는, 천장판부(101)에 인접하여 마련되어 있어도 된다. 여기서, 폐단면부(105)가 천장판부(101)에 인접되어 있다는 것은, 폐단면부(105)를 형성하는 부분이, 천장판부(101)에 직접적 또는 간접적으로 접속되어 있는 상태를 가리킨다.

구체적으로는, 폐단면부(105)가 천장판부(101)에 직접적으로 인접되어 있다는 것은, 후술하는 도 5, 6의 구성예 D, D'와 같이 폐단면부(105)가, 천장판부(101)의 하면(101d)에 설치된 상태를 가리킨다. 또한, 폐단면부(105)가 천장판부(101)에 직접적으로 인접되어 있다는 것은, 폐단면부(105)가, 천장판부(101)의 만곡 내측의 단부면에 설치된 상태를 포함한다. 또는, 폐단면부(105)가 천장판부(101)에 직접적으로 인접되어 있다는 것은, 후술하는 도 2 내지 4의 구성예 A 내지 C와 같이, 폐단면부(105)의 일부 혹은 전부가, 천장판부(101)를 형성하는 부재를 이용하여 형성되고, 천장판부(101)와 폐단면부(105)가 연속되어 있는 상태를 포함한다.

또한, 폐단면부(105)가 천장판부(101)에 간접적으로 인접되어 있다는 것은, 폐단면부(105)와 천장판부(101)의 사이에 부재가 마련되고, 당해 부재를 통해 폐단면부(105)와 천장판부(101)가 접속되어 있는 상태를 가리킨다.

또한, 폐단면부(105)는, 구조 부재(100)의 만곡 내측에 있어서, 보강 효과를 발휘할 수 있는 양태로 마련되어 있으면 되며, 폐단면부(105)의 일부가, 천장판부(101)의 상면(101c)보다도 상측에 존재해도 된다.

이와 같은 구조 부재(100)는, 천장판부(101)의 중립선에 대하여 직교하는, 만곡 외측과 만곡 내측을 연결하는 직선을 따라서 절단했을 때(즉, 도 1의 A-A 절단선에서 절단했을 때), 그 단면(수직 절단면)은, 천장판부(101)의 하면측이 개구하는 개단면으로 된다. 한편, 당해 단면에 있어서, 구조 부재(100)의 폐단면부(105)는 닫혀 있다. 즉, 구조 부재(100)는, 전체로서는 개단면 형상이지만, 만곡 내측에 폐단면으로 되는 부분이 존재한다. 이와 같이, 본 실시 형태에 따른 구조 부재(100)는, 만곡 내측만에 폐단면부(105)를 마련함으로써, 구조 부재(100)의 중량 증가를 억제하면서 만곡 내측을 보강하고, 전후 굽힘 강도를 높이고 있다. 또한, 폐단면부(105)가, 천장판부(101)에 인접하여 마련되어 있음으로써, 폐단면부(105)에 의한 만곡 내측의 보강 효과가 보다 향상된다. 또한, 구조 부재(100)의보다 상세한 기하 형상에 대한 설명은 후술한다.

여기서, 구조 부재(100)의 수직 절단면이 가지는 개단면이란, 천장판부(101)와 벽부(103)와 폐단면부(105)에 의해 일체로서 형성되는 개단면을 의미한다. 즉, 당해 수직 절단면은, 부분적으로 폐단면부(105)에 의해 형성되는 폐단면을 포함하지만, 구조 부재(100) 전체로서 천장판부(101)의 하면측에 개구하고 있기 때문에, 개단면을 가진다.

[1-2. 구성예]

구조 부재(100)의 구체적인 구성예를 도 2 내지 도 6에 나타낸다.

(구성예 A)

도 2에 도시한 구조 부재(100A)는, 하나의 강판으로부터 천장판부(101), 벽부(103) 및 폐단면부(105)가 형성되어 있다. 천장판부(101)의 만곡 외측의 에지부로 되는 일단측으로부터는, 벽부(103)가 천장판부(101)의 하면(101d)측으로 연장되어 있다. 즉, 벽부(103)는, 천장판부(101)가 구부러져서, 천장판부(101)의 판 두께 방향(천장판부(101)의 상면(101c)측으로부터 하면(101d)측을 향하는 방향)으로 연장되어 있다. 천장판부(101)의 만곡 내측의 에지부로 되는 타단측에는, 폐단면부(105)가 천장판부(101)의 하면(101d)측으로 돌출되도록 형성되어 있다. 폐단면부(105)는, 강판을 구부려 형성된 4개의 면(105a 내지 105d)에 의해 구성된, 예를 들어 직사각 형상의 닫힌 부분이다. 이때, 강판의 단부를 포함하는 면(105d)은 천장판부(101)의 상면(101c)에 용접되어 고정된다. 면(105d)과 천장판부(101)의 상면(101c)을 용접함으로써, 용접부 Pw가 마련되고, 폐단면부(105)의 내부 공간은 완전히 닫힌다.

(구성예 B)

도 3에 도시한 구조 부재(100B)는, 2개의 강판으로 형성된다. 구체적으로는, 제1 부재로서의 제1 강판(110B)에 의해 천장판부(101), 벽부(103) 및 폐단면부(105)의 일부가 형성되고, 제2 부재로서의 제2 강판(120B)에 의해 폐단면부(105)의 일부가 형성된다. 벽부(103)는, 도 2의 구성예 A와 마찬가지로, 제1 강판(110B)을 구부려서, 천장판부(101)의 만곡 외측의 에지부로 되는 일단측으로부터 천장판부(101)의 하면(101d)측으로 연장되도록 형성된다. 한편, 천장판부(101)의 만곡 내측의 에지부로 되는 타단측에는, 제1 강판(110B)을 구부려서, 면(105e)과 면(105f)의 2면이 형성된다. 면(105e)은, 천장판부(101)의 하면(101d)측으로 연장되는 면이다. 면(105f)은, 면(105e)으로부터 벽부(103)와 반대측(즉, 만곡 내측)으로 연장되는 면이다. 또한 면(105f)의 벽부(103)와 반대측(즉, 만곡 내측)을 면(105e)과 면(105f) 사이의 굴곡부의 굽힘 외측(천장판부(101)와 반대측)으로 구부려서, 용접면(105g)이 형성된다.

또한, 제2 강판(120B)은, 구조 부재(100B)의 천장판부(101)의 만곡 내측의 에지부를 따라서 구부러진다. 이에 의해, 폐단면부(105)를 구성하는 2개의 면(105h, 105i)이 형성된다. 이와 같이, 단면이 L자 형상으로 된 제2 강판(120B)은, 면(105h)의 단부가 용접면(105g)에 용접되고, 면(105i)의 단부가 천장판부(101)의 상면(101c)에 용접된다. 즉, 제2 강판(120B)의 양단이, 제1 강판(110B)에 용접되어 있다. 이에 의해, 구조 부재(100B)의 폐단면부(105)가 4개의 면(105e, 105f, 105h, 105i)에 의해 형성된다.

(구성예 C)

도 4에 도시한 구조 부재(100C)는, 2개의 강판으로 형성된다. 구체적으로는, 제1 부재로서의 제1 강판(110C)에 의해 천장판부(101), 벽부(103) 및 폐단면부(105)의 일부가 형성되고, 제2 부재로서의 제2 강판(120C)에 의해 폐단면부(105)의 일부가 형성된다. 벽부(103)는, 도 2의 구성예 A와 마찬가지로, 제1 강판(110C)을 구부려서, 천장판부(101)의 만곡 외측의 에지부로 되는 일단측으로부터, 천장판부(101)의 하면(101d)측으로 연장되도록 형성된다. 한편, 천장판부(101)의 만곡 내측의 에지부로 되는 타단측에는, 제1 강판(110C)을 꺾어 구부려서, 천장판부(101)의 하면(101d)측으로 연장되는 면(105l)이 형성된다.

또한, 제2 강판(120C)은, 구조 부재(100C)의 천장판부(101)의 만곡 내측의 에지부를 따라서 꺾여 구부러진다. 이에 의해, 폐단면부(105)를 구성하는 2개의 면(105j, 105k)이 형성된다. 또한, 단면이 L자 형상으로 된 제2 강판(120C)에 있어서, 면(105j, 105k)의 단부가, 각각 제2 강판(120C)의 굽힘 외측 방향으로 굴곡 됨으로써, 용접면(105n, 105p)이 형성된다. 용접면(105n)은, 천장판부(101)의 하면(101d)에 용접되고, 용접면(105p)은, 면(105l)에 용접된다. 즉, 제2 강판(120C)의 양단이, 제1 강판(110C)에 용접되어 있다. 이에 의해, 구조 부재(100C)의 폐단면부(105)가 4개의 면(105j, 105k, 105l, 105m)에 의해 형성된다.

구성예 B 및 구성예 C에서는, 제2 강판(120B, 120C)의 양단이 제1 강판(110B, 110C)에 용접됨으로써, 폐단면부(105)가 형성된다. 이러한 비교적 간편한 방법에 의해, 다양한 구성의 폐단면부(105)가 형성된다. 따라서, 구조부(100)에 있어서 필요한 강도, 형상에 따라서, 다양한 폐단면부(105)가 제공된다. 또한, 제1 강판(110B, 110C)과 제2 강판(120B, 120C)은, 면 접촉된 상태에서 용접되어 있다. 이에 의해, 접합 강도를 보다 높일 수 있어, 폐단면부(105)에 의한 만곡 내측의 보강 효과가 보다 향상된다.

(구성예 D)

도 5에 도시한 구조 부재(100D)도, 2개의 강판으로 형성된다. 구체적으로는, 제1 강판(110D)에 의해 천장판부(101), 벽부(103)가 형성되고, 제2 강판(120D)에 의해 폐단면부(105)가 형성된다. 즉, 제1 강판(110D)을, 구조 부재(100D)의 천장판부(101)의 만곡 외측의 에지부로 되는 선을 따라서 꺾어 구부려서, 천장판부(101) 및 벽부(103)가 형성된다. 또한, 폐단면부(105)는, 예를 들어 직사각형 단면을 가지는 중공 부재에 의해 형성해도 된다. 폐단면부(105)는, 천장판부(101)의 만곡 내측의 에지부 부근에 있어서, 외표면(105q)을 천장판부(101)의 하면(101d)에 용접함으로써 고정된다. 이와 같이 하여 만곡 내측에 폐단면부(105)를 가지는 구조 부재(100D)를 형성할 수도 있다.

구조 부재(100)의 변형예로서, 예를 들어 구조 부재(100)의 폐단면부(105)는, 반드시 도 2 내지 도 5에 도시한 바와 같이 중공이 아니어도 되며, 중실로 해도 된다. 예를 들어, 도 6에, 도 5에 도시한 구조 부재(100D)의 변형예로서, 폐단면부(105')를 중실로 한 구조 부재(100D')를 나타낸다. 구조 부재(100D')의 폐단면부(105')에는, 도 5의 폐단면부(105)의 중공 부분에 수지 충전제(130)가 충전되어 있다. 또한, 폐단면부(105')는, 중량은 증가하지만, 중실의 각기둥 부재 등에 의해 형성해도 된다. 이와 같이, 폐단면부(105)를 중실로 해도, 전후 굽힘 강도를 높이기 위한 보강 기능을 달성할 수는 있다. 도 2의 구성예 A, 도 3의 구성예 B 및 도 4의 구성예 C에 대해서도, 마찬가지로 폐단면부(105)를 중실로 해도 된다.

또한, 폐단면부(105)의 단면 형상은 직사각형에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 폐단면부(105)의 단면 형상은, 다각형, 원형, 타원형 등이어도 된다. 즉, 폐단면부(105)에 의해 폐쇄된 공간이 형성되면, 그 형상은 특별히 한정되지는 않는다. 이들 폐단면부(105)는, 예를 들어 각통 또는 원통 등에 의해 실현될 수 있다.

또한, 폐단면부(105)의 단면 형상은, 도 7에 도시한 바와 같이, 폐단면부(105)에 있어서의 구조 부재 폭 방향(가로 방향)의 최장 길이를 α라 하고, 폐단면부(105)에 있어서의 구조 부재 폭 방향과 수직인 방향(세로 방향)의 최장 길이를 β라 했을 때, α/β가, 3/7≤α/β≤7/3의 관계식을 충족하도록 해도 된다. 도 7은, 도 3과 마찬가지이며, 구성예 C의 수직 절단면(즉, 도 1의 A-A 절단선에서 절단했을 때의 단면)을 나타낸다. 폐단면부(105)에 있어서의 종횡비 α/β가 이러한 관계를 가짐으로써, 폐단면부(105)의 단면 형상이, 세로 길이 또는 가로 길이가 편평 형상으로 되어 평평한 면과 등가로 되어 버리는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 폐단면부(105)가, 구조 부재(100)에 있어서 만곡 내측의 보강 효과를 충분히 발휘할 수 있다.

또한, 폐단면부(105)의 단면 형상의 종횡비 α/β는, 2/3 이상 3/2 이하로 되도록 설정되어도 된다. 이에 의해, 폐단면부(105)가, 구조 부재(100)에 있어서 만곡 내측의 보강 효과를 더욱 발휘할 수 있다.

폐단면부(105)의 단면 형상이, 다각형 형상인 경우에는, 도 8에 도시한 바와 같이, 당해 다각형에 있어서의 구조 부재(100)의 폭 방향(가로 방향)의 최장 길이를 α라 하고, 폐단면부(105)에 있어서의 폭의 방향과 수직인 방향(세로 방향)의 최장 길이를 β라 하면 된다. 또한, 폐단면부(105)의 단면 형상이, 원형, 타원형 등의 경우에도 마찬가지이다.

또한, 도 2 내지 도 6에 도시한 구조 부재(100A 내지 100D'), 및 후술하는 도 16의 용접부 Pw는, 용접 개소를 모식적으로 나타낸 것이다. 실제의 용접은, 예를 들어 아크 용접 등으로 행해진다. 아크 용접을 행한 경우, 강판 S₁과 강판 S₂의 용접부 Pw는, 예를 들어 도 9에 도시한 바와 같은 형상으로 된다. 또한, 구성예 A 내지 D'의 용접부에 대해서는, 용접 이외의 접합 방법에 의해 접합된 접합부여도 된다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 구조 부재(100)를 구성하는 각 부재의 재질은 특별히 한정되지는 않는다. 본 실시 형태에 따른 구조 부재(100)를 구성하는 천장판부(101), 벽부(103) 및 폐단면부(105)는, 강, 알루미늄 합금 혹은 마그네슘 합금 등의 금속 재료, 또는 유리 섬유 혹은 탄소 섬유 등의 수지 재료에 의해 형성되어도 된다. 또한, 당해 부재는, 금속 재료 및 수지 재료의 복합 재료 등에 의해 형성되어도 된다.

<2. 구조 부재의 형상>

본 실시 형태에 따른 자동차의 구조 부재(100)는, 도 2 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 천장판부(101)의 중립선에 대하여 직교하는, 만곡 외측과 만곡 내측을 연결하는 직선을 따라서 절단했을 때의 단면은, 전체로서는 개단면이지만, 만곡 내측에 폐단면으로 되는 부분이 존재한다. 이러한 형상은, 구조 부재(100)의 형상과 면외 변형의 발생의 관계에 기초하여 결정된 것이다. 이하, 본 실시 형태에 따른 구조 부재(100)의 구성에 대하여, 상세히 설명한다.

[2-1. 면외 변형과의 관계]

우선, 도 10 내지 도 12에 기초하여, 만곡 형상을 지니는 구조 부재(100)의 형상과 면외 변형의 관계에 대하여 설명한다. 도 10은, 본 실시 형태에 따른 만곡 형상을 지니는 구조 부재(100)의 암 길이 W 및 구조 부재 폭 Wp를 나타내는 설명도이다.

구조 부재(100)의 일례로서 도 10에서는 프론트 로어 암을 나타내고 있다. 프론트 로어 암은, 휠을 회전 가능하게 지지하는 너클의 하부를 자동차 차체에 접속하기 위한 서스펜션 부품이다. 구조 부재(100)의 만곡하는 천장판부(101)의 일단측의 점 P₁은, 휠을 현가하는 볼 조인트 설치 위치를 나타내고 있다. 또한, 천장판부(101)의 만곡 부분의 점 P₂ 및 천장판부(101)의 타단측의 점 P₃은 보디 부품과 접속되어 있는 위치이다. 구조 부재(100)는, 점 P₂ 및 점 P₃에 마련된 예를 들어 부시 조인트를 통해 보디 부품에 고정된다.

예를 들어, 구조 부재(100)의 점 P₂의 부위는 차체 설치부(107)이다. 차체 설치부(107)는, 구조 부재(100)의 만곡 외측에 있어서, 천장판부(101) 및 벽부(103)로부터 자동차 차체의 전후 방향에 직교하는 방향으로 돌출되어 있다. 차체 설치부(107)는, 단면이 대략 U자 형상을 지니고 있다. 차체 설치부(107)는, 천장판부(101)로부터 연장 설치된 천장 벽부(107a)와, 벽부(103)로부터 연장 설치된 한 쌍의 종벽부(107b, 107c)를 가진다.

이러한 구조 부재(100)에 대해서, 도 10에 도시한 바와 같이, 암 길이 W 및 구조 부재 폭 Wp를 규정한다. 암 길이 W는, 자동차 차체의 전후 방향에 직교하는 방향에 있어서의 구조 부재(100)의 길이이다. 바꾸어 말하면, 암 길이 W는, 만곡 형상의 구조 부재(100)에 대하여 하중이 가해지는 방향으로 직교하는 방향에 있어서의 구조 부재(100)의 길이이다. 구조 부재 폭 Wp는, 천장판부(101)의 중립선 Lc에 대하여 직교하는 방향에 있어서의, 구조 부재(100)의 만곡 내측으로부터 만곡 외측까지의 거리이다.

이와 같은 구조 부재(100)에 있어서, 본원 발명자는 검토의 결과, 구조 부재(100)의 천장판부(101)의 면적이 커질수록 천장판부(101)의 강성이 저하된다는 지견을 얻었다. 바꾸어 말하면, 구조 부재(100)의 천장판부(101)의 면적이 커질수록 면외 변형이 발생하기 쉬워진다. 도 10에 도시한 바와 같이, 구조 부재(100)의 점 P₁에 있어서 자동차 차체의 전후 방향으로 하중 F가 걸리면, 만곡 형상의 구조 부재(100)에는, 만곡 외측에서는 만곡부에 있어서 점 P₂로부터 점 P₁ 및 점 P₃을 향하는 인장 응력이 발생하는 한편, 만곡 내측에서는 점 P₁ 및 점 P₃측으로부터 만곡부를 향해 압축 응력이 발생한다. 이 만곡 내측의 압축 응력에 의해 면외 변형은 발생한다. 그리고, 천장판부(101)의 면적이 커질수록, 만곡 내부에 발생한 압축 응력의 영향을 받아서 구조 부재(100)가 면외 변형되기 쉬워진다. 일반적으로, 차체 중량이 큰 자동차 쪽이 차체 중량이 작은 자동차에 비하여 구조 부재(100)의 천장판부(101)의 면적이 커서, 면외 변형이 발생하기 쉽다.

구조 부재(100)의 면외 변형의 발생에 의해, 전후 굽힘 강도 부족이 발생한다. 전후 굽힘 강도는, 비례한계 강도에 의해 평가된다. 비례한계 강도는, 영구 변형의 발생 유무를 나타내고, 타이어와 보디의 위치 관계를 유지하는 얼라인먼트 성능에 대한 영향을 표시하는 지표로서 이용된다. 구체적으로는, 비례한계 강도는, 예를 들어 도 11에 도시한 바와 같이 구조 부재(100)의 점 P₁에 하중 F를 가했을 때의, 하중 F와 당해 하중 F에 의한 변위량(스트로크)의 관계가 선형을 유지하는 한계점에서의 강도를 말한다.

여기서, 도 11에, 로어 암의 중량과 비례한계 강도의 일 관계예를 표시하는 그래프를 나타낸다. 도 11에서는, 간단화를 위하여, 도 12에 도시한 바와 같은 구조 부재 폭 방향의 단면이 대략 U자 형상인 구조 부재(10)에 대하여, 구조 부재의 중량과 비례한계 강도의 관계를 나타내고 있다. 도 12에 도시한 대략 U자 형상 단면의 구조 부재(10)는, 외형은 본 실시 형태에 따른 구조 부재(100)와 마찬가지로 도 1에 도시한 바와 같은 만곡 형상을 지니고 있으며, 만곡 형상의 천장판부(10a)와, 만곡 외측의 외벽부(10b)와, 만곡 내측의 내벽부(10c)로 이루어진다. 이러한 구조 부재(10)는, 도 2 내지 도 6에 도시한 구조 부재 폭 방향의 단면과 비교하면, 만곡 내측에 폐단면부(105)를 가지고 있지 않지만, 전체적으로 개단면인 것은 공통된다.

도 11에서는, 일례로서, 로어 암에 대하여, 인장 강도 980MPa의 강판이며, 판 두께를 2.3㎜, 3.6㎜로 한 경우의 비례한계 강도를 각각 조사하였다. 그 결과, 도 11에 도시한 바와 같이, 판 두께가 작아져서, 로어 암의 중량(즉, 부품 중량)이 작을수록, 비례한계 강도는 작아지게 되었다.

[2-2. 단면 비대칭성을 가지는 구조 부재]

본원 발명자는, 천장판부(101)의 면적이 커질수록, 만곡 내부에 발생한 압축 응력의 영향을 받아서 구조 부재(100)가 면외 변형되기 쉽다는 상기 지견에 기초하여, 면외 변형을 저감시킬 수 있는 구조 부재(100)의 구조를 검토하였다. 그 결과, 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같은, 구조 부재 폭 방향의 단면이 개단면이며, 또한, 만곡 내측에 폐단면부(105)를 마련한 만곡 형상의 구조 부재(100)를 상도하였다. 이러한 구조 부재(100)의 구조 부재 폭 방향의 단면은, 비대칭이다. 이하, 본 실시 형태에 따른 구조 부재(100)의 형상적 특징인 구조 부재(100)의 단면 비대칭성에 대하여 설명한다.

(1) 형상 비교

본 실시 형태에 따른 구조 부재(100)는, 구조 부재 폭 방향의 단면이 개단면이며, 또한, 만곡 내측에 폐단면부(105)를 가지는 형상을 지닌다. 이러한 구성은, 면외 변형이 발생하기 어렵고, 또한, 부품 중량도 저감시킬 수 있다는 특징이 있다. 여기서, 도 13에, 구조 부재 폭 방향의 단면이 폐단면인 경우와 개단면인 경우에 대하여, 면외 변형이 발생하기 쉬운 점을 모식적으로 나타낸다. 구조 부재 폭 방향의 단면이 개단면인 경우에 대해서는, 도 12에 도시한 구조 부재 폭 방향의 단면이 대략 U자 형상의 구조 부재(10)와 같은 단면 대칭의 구조 부재와, 본 실시 형태에 따른 구조 부재(100)인 단면 비대칭의 구조 부재에 대하여 나타내고 있다. 면외 변형이 발생하기 쉬운 점에 대해서는, 도 10에 기초하여 설명한 바와 같이, 구조 부재(10, 100)의 만곡하는 천장판부(10a, 101)의 일단측의 점(도 10에서는 점 P₁)에 하중을 가했을 때의 상태를 생각한다.

우선, 구조 부재 폭 방향의 단면이 폐단면인 경우에는, 하중이 가해져도 단면 형상은 무너지기 어렵지만, 부품 중량은 증가한다. 한편, 구조 부재 폭 방향의 단면이 개단면인 경우, 폐단면의 경우보다도 부품 중량을 저하시킬 수 있지만, 단면 대칭이면, 하중이 가해졌을 때 만곡 내측의 내벽부가 개방되어, 단면 형상이 무너지기 쉽다. 이 때문에, 구조 부재 폭 방향의 단면을 폭 방향의 길이 중앙에서 대칭인 개단면으로 하면, 면외 변형이 발생하기 쉬워진다.

그래서, 본 실시 형태에 따른 구조 부재(100)와 같이, 구조 부재 폭 방향의 단면은 개단면으로서 경량화를 도모함과 함께, 만곡 내측에 발생하는 압축 응력에 견딜 수 있도록 만곡 내측에 폐단면부(105)를 마련한다. 구조 부재의 만곡 내측에 폐단면부(105)를 마련함으로써, 구조 부재 폭 방향의 단면은 폭 방향의 길이 중앙에서 비대칭인 개단면으로 되어, 비대칭적으로 발생하는 압축 응력을 효과적으로 억제하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시 형태에서는, 도 1의 구조 부재(100)와 같이, 구조 부재(100)의 만곡 내측의 전체 영역에 폐단면부(105)가 형성된 예를 나타내었지만, 구조 부재(100)의 만곡 내측에 폐단면부(105)를 형성하는 영역은 이러한 예에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 폐단면부(105)는, 구조 부재(100)의 만곡 내측의 일부 영역에 형성되어도 된다. 도 14는, 본 실시 형태에 따른 자동차의 구조 부재(100)의 형상의 일 변형예를 나타내는 개략 사시도이다. 도 14에 도시한 바와 같이, 본 변형예 에 따른 구조 부재(100E)의 폐단면부(105E)는, 구조 부재(100E)의 만곡 내측의 일부 영역에 형성되어도 된다. 구조 부재(100E)는, 만곡 형상의 천장판부(101E)와, 천장판부(101E)의 만곡 외측을 따라서 마련된 벽부(103E)와, 천장판부(101E)의 만곡 내측의 일부에 마련된 폐단면부(105E)를 가진다. 이와 같이 구조 부재(100E)에 있어서 부분적으로 폐단면부(105E)를 형성하는 것에 의해서도, 면외 변형의 발생을 억제하는 것은 가능하다. 특히, 도 14에 도시한 바와 같이, 구조 부재(100E)의 만곡 내측 중, 만곡 방향 중간 부분의 만곡 외측을 향해 오목하게 들어간 부분은, 면외 변형의 영향이 다른 부분보다 상대적으로 커지는 부분이다. 그래서, 이러한 영역에 폐단면부(105E)를 형성함으로써, 면외 변형의 발생 억제를 보다 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 도 3 내지 도 5 등에 도시한 바와 같이 다른 부재를 사용하여 폐단면부(105E)를 형성하는 경우, 폐단면부(105E)를 형성하기 위해서 필요한 다른 부재의 사용량도 적게 할 수 있으므로, 구조 부재(100E)의 중량 증가를 억제할 수도 있다.

(2) 구체적 구성

이하, 도 15 내지 도 18에 기초하여, 본 실시 형태에 따른 구조 부재의 상세에 대하여 설명한다.

(단면적에 의한 단면 비대칭성의 규정)

우선, 도 15 및 도 16에 기초하여, 본 실시 형태에 따른 구조 부재 폭 방향의 단면의 비대칭성에 대하여 설명한다. 구조 부재 폭 방향의 단면의 비대칭성은, 당해 단면의 단면적에 기초하여 규정된다. 도 15는, 본 실시 형태에 따른 만곡 형상을 지니는 구조 부재(200)의 일례를 나타내는 개략 평면도이다. 도 16은, 도 15의 B-B 절단선에 있어서의 단면의 모식도이다.

도 15 및 도 16에 도시한 바와 같이, 구조 부재(200)는, 만곡 형상의 천장판부(201)와, 천장판부(201)의 만곡 외측을 따라서 마련된 벽부(203)와, 천장판부(201)의 만곡 내측에 마련된 폐단면부(205)로 이루어진다. 구조 부재(200)는, 도 5에 도시한 구조 부재(100D)의 구성을 가진다. 즉, 천장판부(201) 및 벽부(203)는, 제1 강판(210)으로 구성되고, 폐단면부(205)는 제2 강판(220)으로 구성되어 있다. 폐단면부(205)는, 직사각형 단면을 가지고 있으며, 그 외표면의 일부가 천장판부(201)의 하면(201d)과 용접에 의해 고정되어 있다. 본 예에서는, 제1 강판(210)과 제2 강판(220)은, 동일한 판 두께 t인 것으로 한다.

이와 같은 구조 부재(200)에 있어서, 구조 부재 폭 방향의 단면의 단면적은, 강판의 판 두께 t와 총 선길이 L의 곱에 의해 표시된다. 총 선길이 L은, 구조 부재(200)를 구성하는 천장판부(201)의 선길이 L₁, 벽부(203)의 선길이 L₂ 및 폐단면부(205)의 선길이 L₃의 합계로 된다. 또한, 구조 부재(200)는, 구조 부재 폭 방향을 따른 수직 절단면(B-B 절단면)에 있어서, 구조 부재 폭 Wp의 중앙으로부터 제1 에지부(201a)측(만곡 내측)의 제1 영역 Z1과, 구조 부재 폭 Wp의 중앙으로부터 제2 에지부(201b)측(만곡 외측)의 제2 영역 Z2를 가진다. 그리고, 구조 부재 폭 방향의 단면이 비대칭이면, 제2 영역 Z2의 단면적 S_out에 대한 제1 영역 Z1의 단면적 S_in의 비 S_in/S_out가, 하기 식 (1)을 충족할 때인 것으로 한다. 이때, 단면적 S_in과 단면적 S_out는, 하기 식 (1-1), 식 (1-2)에 의해 표시된다. 또한, L_1in은, 천장판부(201)의 선길이 L₁ 중, 구조 부재 폭 Wp의 중앙으로부터 만곡 내측의 선길이를 나타내고, L_1out는, 천장판부(201)의 선길이 L₁ 중, 구조 부재 폭 Wp의 중앙으로부터 만곡 외측의 선길이를 나타내고 있다.

도 16에서 나타낸 바와 같이, 구조 부재 폭 방향의 단면이 개단면이며, 또한, 만곡 내측에 폐단면부(205)를 마련한 만곡 형상의 구조 부재(200)에 있어서, 상기 식 (1)을 충족하는 단면 비대칭성을 갖게 함으로써, 중립선 Lc(도 10 참조)로부터 만곡 외측과 비교하여, 중립선 Lc보다 만곡 내측 쪽에 많은 질량이 배치된다. 이에 의해, 구조 부재(200)의 면외 변형의 발생을 억제하고, 전후 굽힘 강도를 높일 수 있다. 또한, 구조 부재(200)에 있어서, 상기 식 (1)을 충족하는 단면 비대칭성을 갖게 함으로써, 만곡 외측과 비교하여, 만곡 내측에 질량이 과도하게 많이 배치되지 않도록 하고, 중립선 Lc가 만곡 내측으로 이동하여 중량 효율이 저하되는 것을 억제할 수 있다.

또한, 바람직하게는 구조 부재 폭 방향의 단면이 비대칭이면, 제2 영역 Z2의 단면적 S_out에 대한 제1 영역 Z1의 단면적 S_in의 비 S_in/S_out가, 하기 식 (1')를 충족할 때이다.

도 16에서 나타낸 바와 같이, 구조 부재 폭 방향의 단면이 개단면이며, 또한, 만곡 내측에 폐단면부(205)를 마련한 만곡 형상의 구조 부재(200)에 있어서, 상기 식 (1')를 충족하는 단면 비대칭성을 갖게 함으로써, 상기 식 (1)을 충족하는 경우와 마찬가지의 효과가 얻어질뿐만 아니라, 구조 부재(200)의 질량이 더 저감된다. 이 결과, 구조 부재(200)가 보다 경량화된다.

또한, 단면적에 대하여, 구조 부재(200)의 폐단면부(205)에 수지가 충전되어 있는 경우나 폐단면부(205)가 중실 부재로 이루어지는 경우에는, 그 부분도 단면적에 포함시켜 상기 식 (1-1)은 산출된다. 또한, 상기 설명에서는, 제1 강판(210)과 제2 강판(220)은 동일한 판 두께 t인 것으로 하였지만, 제1 강판(210)과 제2 강판(220)의 판 두께는 달라도 된다. 예를 들어, 도 16의 구조 부재(200)에 있어서, 제1 강판(210)의 판 두께가 t₁, 제2 강판(220)의 판 두께가 t₂일 때, 하기 식 (2-1), 식 (2-2)로부터 단면적 S_in 및 단면적 S_out를 산출하고, 상기 식 (1) 또는 (1')에 기초하여 단면적비 S_in/S_out를 산출하면 된다.

또한, 도 2의 구성예 A와 같이, 폐단면부(105)가, 천장판부(101)를 형성하는 강판과 동일한 강판에 의해 형성되는 경우에도, 상기와 마찬가지로, 단면적비 S_in/S_out를 구할 수 있다. 구체적으로는, 총 선길이 L은, 구조 부재(100A)를 구성하는 천장판부(101)의 선길이 L₁, 벽부(103)의 선길이 L₂ 및 폐단면부(105)의 선길이 L₃의 합계로 된다. 또한, L_1in은, 천장판부(101)의 선길이 L₁ 중, 구조 부재 폭의 중앙으로부터 만곡 내측의 선길이를 나타내고, L_1out는, 천장판부(101)의 선길이 L₁ 중, 구조 부재 폭의 중앙으로부터 만곡 외측의 선길이를 나타내고 있다. 이때, 상기 식 (1-1), (1-2)를 이용하여, 단면적 S_in과 단면적 S_out가 표시되고, 또한 단면적비 S_in/S_out는, 상기 식 (1) 또는 (1')를 충족하도록 구조 부재(100A)의 구조 부재 폭 방향의 단면이 비대칭으로 된다. 또한, 도 3, 도 4의 구성예 B, C와 같이, 폐단면부(105)가, 복수의 부재로 형성되는 경우에도, 상기와 마찬가지로, 단면적비 S_in/S_out가 상기 식 (1) 또는 (1')를 충족하도록, 구조 부재(100B, C)의 구조 부재 폭 방향의 단면이 비대칭으로 된다.

또한, 상기 구성예 B, C의 설명에서는, 제1 강판(110B, C)과 제2 강판(120B, C)은 동일한 판 두께 t로 하였지만, 제1 강판(110B, C)과 제2 강판(120B, C)의 판 두께는 달라도 된다. 예를 들어, 도 3의 구조 부재(100B)에 있어서, 제1 강판(110B)의 판 두께가 t₁, 제2 강판(120B)의 판 두께가 t₂일 때, 하기 식 (2-3), 식 (2-4)로부터 단면적 S_in 및 단면적 S_out를 산출하고, 상기 식 (1) 또는 (1')에 기초하여 단면적비 S_in/S_out를 산출하면 된다. 또한, 선길이 L_3-1은, 폐단면부(105)의 선길이 L₃ 중, 제1 강판(110B)을 따른 부분의 선길이이며, 선길이 L_3-2는, 폐단면부(105)의 선길이 L₃ 중, 제2 강판(120B)을 따른 부분의 선길이이다.

(면외 변형 억제가 효과적으로 발휘되는 구조 부재)

본 실시 형태에 따른 구조 부재(200)는, 면외 변형이 발생하기 쉬운 형상인 경우에, 특히 면외 변형 억제의 효과를 발휘한다. 구체적으로는, 구조 부재(200)를 구성하는 강판의 판 두께, 부품 치수, 강도가, 이하와 같은 범위에 있을 때, 구조 부재 폭 방향의 단면이 개단면이며, 또한, 만곡 내측에 폐단면부(205)를 마련한 만곡 형상의 구조 부재 형상으로 하면 된다.

구조 부재(200)의 판 두께가 t≤2.9㎜일 때, 본 실시 형태에 따른 구조 부재 형상으로 하는 것이 바람직하다. 이 이유는, 도 11에 도시한 바와 같이, 판 두께가 얇아, 면외 변형이 발생하기 쉬운 경우에는, 비례한계 강도의 값이 작아져버리기 때문이다.

도 17에, 구조 부재(200)의 판 두께와, 비례한계 강도의 성능 향상비의 관계를 나타낸다. 동일 판 두께에 있어서, 구조 부재(200)의 형상을 도 3에 도시한 구조예 B로 한 경우의 비례한계 강도를 P₁이라 하고, 구조 부재(200)의 형상을 도 12에 도시한 대략 U자 형상 단면으로 한 경우의 비례한계 강도를 P₂라 할 때, 비례한계 강도의 성능 향상비는, (P₁-P₂)/P₂로 구해진다. 비례한계 강도의 성능 향상비의 값이 클수록, 본 실시 형태에 따른 구조 부재 형상을 적용한 경우의 비례한계 강도의 상승 효과가 높다.

도 17에 도시한 바와 같이, 판 두께가 두껍게 될수록 비례한계의 성능 향상비는 작고, 구조 부재(200)의 단면 형상을 구조예 B의 단면 형상으로 해도 비례한계는 그만큼 향상되지 않는다는 사실을 알 수 있다. 구체적으로는, 판 두께가 3.6㎜일 때, 비례한계 강도의 성능 향상비는 0.63이었다. 한편, 판 두께가 얇아질수록 비례한계의 성능 향상비는 크고, 구조 부재(200)의 단면 형상을 구조예 B의 단면 형상으로 함으로써 비례한계가 향상된다. 특히, 박육재인 판 두께가 2.9㎜ 이하로 되는 경우에, 비례한계의 성능 향상비가 크게 되어 있다. 구체적으로는, 판 두께가 2.9㎜일 때, 비례한계 강도의 성능 향상비는 0.96이었다. 또한, 판 두께가 2.3㎜일 때, 비례한계 강도의 성능 향상비는 1.58이었다. 따라서, 구조 부재(200)의 판 두께 t가 2.9㎜ 이하일 때, 본 실시 형태에 따른 구조 부재 형상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 구조 부재(200)에 요구되는 비례한계 강도를 확보하기 위해서는 판 두께를 두껍게 할 필요가 있지만, 판 두께를 두껍게 하면 부품 중량도 증가된다. 판 두께 t를 2.9㎜ 이하로 할 수 있으면 20％ 이상의 부품 중량을 저감시킬 수 있기 때문에, 구조 부재(200)의 판 두께 t가 2.9㎜ 이하인 경우에 본 실시 형태에 따른 구조 부재 형상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 여기에서의 구조 부재(200)의 판 두께는, 구조 부재(200)를 구성하는 각 부재의 판 두께 중 최대인 것을 생각하면 된다.

구조 부재(200)는, 천장판부(201)의 면적이 클수록 면외 변형이 커진다. 천장판부(201)의 면적은, 구조 부재(200)의 암 길이 W 및 구조 부재 폭 Wp에 의해 산출 가능하다. 즉, 암 길이 W가 클수록, 또한, 구조 부재 폭 Wp가 클수록, 본 실시 형태에 따른 구조 부재 형상으로 함으로써, 구조 부재(200)에 있어서의 면외 변형의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

여기서, 도 18에, 2개의 다른 부품 치수를 가지는 구조 부재 A, B에 대한, 인장 강도와 단위 부품 중량당 비례한계 강도의 일 관계를 나타낸다. 구조 부재 A는, 암 길이 W 320㎜, 구조 부재 폭 Wp 60㎜의 형상을 지니고, 구조 부재 B는, 암 길이 W 350㎜, 구조 부재 폭 Wp 70㎜의 형상을 지닌다. 판 두께는, 구조 부재 A, B 모두 3.6㎜이다. 즉, 천장판부(201)의 면적은, 구조 부재 A보다 구조 부재 B 쪽이 커서, 면외 변형이 발생하기 쉬워지게 되어 있다.

도 18을 보면, 구조 부재 A에 대해서는, 인장 강도의 증가에 수반하여 단위 부품 중량당 비례한계 강도도 증가하고 있다. 한편, 구조 부재 A에 비하여 천장판부(201)의 면적이 큰 구조 부재 B에 대해서는, 인장 강도가 증가해도 어떤 단위 부품 중량당 비례한계 강도의 값은 초과하지 않고, 일정한 값을 나타내고 있다. 즉, 천장판부(201)의 면적이 크고 면외 변형이 큰 구조 부재에서는, 강판의 강도를 높여도 비례한계 강도는 증가하지 않는다고 할 수 있다. 따라서, 구조 부재 B와 같이 면외 변형이 발생하기 쉬운 구조 부재에 관해서는, 본 실시 형태에 따른 구조 부재 형상으로 함으로써 구조 부재에 있어서의 면외 변형의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 예를 들어, 암 길이 W에 대해서는, W≥350㎜, 특히 W≥370㎜일 때, 본 실시 형태에 따른 구조 부재 형상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 구조 부재 폭 Wp에 대해서는, Wp≥70㎜, 특히 Wp≥75㎜일 때, 본 실시 형태에 따른 구조 부재 형상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 구조 부재(200)는, 당해 구조 부재(200)를 형성하는 강판이 고강도 재료일수록, 탄성역이 길어, 면외 변형되기 쉽다. 도 18로부터, 구조 부재 A, B 모두 인장 강도가 커짐에 따라서 단위 부품 중량당 비례한계 강도가 커진다는 사실을 알 수 있다. 따라서, 구조 부재(200)를 형성하는 강판이 고강도 재료인 경우에는, 본 실시 형태에 따른 구조 부재 형상으로 함으로써, 구조 부재(200)에 있어서의 면외 변형의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 예를 들어, 도 18로부터, 인장 강도 Ts는, 면외 변형이 발생하기 쉬운 구조 부재 B에 대하여, 강판의 강도를 높여도 비례한계 강도가 증가하지 않게 될 때, 즉, Ts≥780MPa일 때, 본 실시 형태에 따른 구조 부재 형상으로 하는 것이 바람직하다.

실시예

본 발명에 따른 구조 부재(100)에 대하여, 비례한계 강도 25kN의 성능을 확보하기 위해서 필요한 구조 부재의 질량(부품 질량)을 조사하였다. 본 발명의 구조 부재(100)에 대해서는, 도 5에 도시한 구성예 D의 구조 부재(100D)를 실시예 1, 2, 5 내지 7, 도 2에 도시한 구성예 A의 구조 부재(100A)를 실시예 3, 도 3에 도시한 구성예 B의 구조 부재(100B)를 실시예 4로 하여, 비례한계 강도 25kN의 성능을 확보하기 위해서 필요한 구조 부재(100)의 질량(부품 질량)을 산출하였다. 또한, 비교예 1로 하여, 도 13에 도시한 만곡 외측 및 만곡 내측에 벽부를 가지는 폐단면 형상의 구성에 대하여, 자동차에 필요한 값의 일례로서 비례한계 강도 25kN의 성능을 확보하기 위해서 필요한 구조 부재의 질량(부품 질량)을 산출하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다. 표 1에는, 상기 식 (1), 식 (1-1) 및 식 (1-2) 또는 상기 식 (1), 식 (2-1) 및 식 (2-2)에 기초하여 산출한 단면적 S_out와 단면적 S_in의 단면적비 S_in/S_out도 나타내고 있다.

표 1로부터, 실시예 1 내지 7의 구조 부재의 형상으로 함으로써, 비례한계 강도 25kN의 성능을 확보하기 위해서 필요한 구조 부재(100)의 질량(부품 질량)이, 비교예 1에 비하여 20 내지 30％ 정도 저감되었다. 또한, 실시예 1 내지 6에 나타낸 바와 같이, 단면적비가 2.65 이하로 되는 경우, 부품 질량이 2.0㎏보다 작아져서, 경량화 효과가 얻어졌다. 또한, 실시예 1 내지 5에 나타낸 바와 같이, 단면적비가 2.35 이하로 되는 경우, 부품 질량이 1.9㎏보다도 작아져서, 보다 높은 경량화 효과가 얻어졌다. 이것에 의해, 본 발명의 구조 부재(100)의 구성으로 함으로써, 구조 부재(100)의 중량 효율을 확보하면서, 요구되는 비례한계 강도를 달성할 수 있다는 사실을 알게 되었다.

또한, 본 실시 형태에 따른 구조 부재(100)에 대하여, 폐단면부(105)의 종횡비 α/β와 면외 변형량의 관계를 조사하였다. 구체적으로는, 구조 부재(100)의 도 10에 있어서의 점 P₁에 대하여 하중을 부여하고, 자동차 차체의 전후 방향으로 10㎜ 변형시킨 경우의 면외 변형량을 조사하였다. 표 2에, 구조 부재(100) 폐단면부(105)에 있어서의 구조 부재 폭 방향(가로 방향)의 최장 길이를 α라 하고, 폐단면부(105)에 있어서의 구조 부재 폭 방향과 수직인 방향(세로 방향)의 최장 길이를 β라 했을 때의 종횡비 α/β의 값과, 면외 변형량의 관계를 정리하였다.

표 2로부터, 실시예 8 내지 12의 폐단면부(105)의 종횡비 α/β로 함으로써, 면외 변형량이, 소정의 기준 범위 내인 7.0㎜ 이하로 되고, 폐단면부(105)에 의한 보강 효과가 충분히 발휘된다는 것이 나타났다. 한편, 비교예 2, 3의 종횡비 α/β에서는, 폐단면부(105)가, 세로 길이 또는 가로 길이의 편평 형상으로 된 결과, 면외 변형량이, 소정의 기준 범위를 초과하여, 폐단면부(105)에 의한 보강 효과를 충분히 얻지 못하는 경우가 나타났다. 이러한 점에서, 본 발명의 구조 부재(100)의 폐단면부(105)를 소정의 종횡비로 설정함으로써, 충분한 보강 효과가 발휘된다는 것이 나타났다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지는 않는다. 본 발명이 속하는 기술의 분야에서의 통상의 지식을 가지는 사람이라면, 청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있음은 명백하며, 이들에 대해서도, 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.

100, 100A 내지 100D', 200: 구조 부재
101, 201: 천장판부
101a, 201a: 제1 에지부
101b, 201b: 제2 에지부
101c: 상면
101d: 하면
103, 203: 벽부
105, 105', 205: 폐단면부
110B, 110C, 110D, 210: 제1 강판
120B, 120C, 120D, 220: 제2 강판
130: 수지 충전제
Z1: 제1 영역
Z2: 제2 영역

Claims

구조 부재이며,
상기 구조 부재는,
제1 에지부 및 상기 제1 에지부에 대향하는 제2 에지부를 가지는 천장판부와,
상기 제2 에지부로부터 상기 천장판부와 교차하는 방향으로 연장되는 벽부와,
상기 제1 에지부에 마련되는 폐단면부를
가지고,
상기 제1 에지부는, 상기 천장판부에 대한 평면에서 볼 때 상기 천장판부의 내측을 향해 만곡하고,
상기 구조 부재의 상기 제1 에지부로부터 상기 제2 에지부까지의 거리를 구조 부재 폭이라 했을 때,
상기 폐단면부는, 상기 천장판부의 만곡 내측에 마련되고 상기 구조 부재 폭의 방향을 따른 상기 구조 부재의 수직 절단면에 있어서 폐단면을 형성하고,
상기 구조 부재 폭의 방향을 따른 상기 구조 부재의 수직 절단면은 개단면을 가지고,
상기 폐단면부를 포함하는 상기 구조 부재의 상기 수직 절단면의 형상은, 상기 구조 부재 폭의 길이 중앙에 대하여 비대칭이고,
상기 구조 부재는, 상기 수직 절단면에 있어서, 상기 구조 부재 폭의 길이 중앙으로부터 상기 제1 에지부측의 제1 영역과, 상기 구조 부재 폭의 중앙으로부터 상기 제2 에지부측의 제2 영역을 가지고,
상기 폐단면부를 포함하는 상기 수직 절단면에서는, 상기 제2 영역의 단면적 S_out에 대한 상기 제1 영역의 단면적 S_in의 단면적비 S_in/S_out는, 이하의 관계식을 충족하는, 구조 부재.
제1항에 있어서,
상기 천장판부와, 상기 벽부와, 상기 폐단면부는, 하나의 부재로 형성되는, 구조 부재.
제1항에 있어서,
상기 폐단면부는, 상기 천장판부를 형성하는 부재와는 다른 하나의 부재로 형성되는, 구조 부재.
제1항에 있어서,
상기 폐단면부는, 상기 천장판부에 인접하여 마련되는, 구조 부재.
제1항에 있어서,
상기 폐단면부는, 복수의 부재로 형성되는, 구조 부재.
제5항에 있어서,
상기 구조 부재는,
상기 천장판부와, 상기 벽부와, 상기 폐단면부의 일부를 형성하는 제1 부재와,
상기 제1 부재와 함께 상기 폐단면부를 형성하는 제2 부재
에 의해 형성되고,
상기 제2 부재의 양단은, 상기 제1 부재에 용접되어 있는, 구조 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 수직 절단면에 있어서, 상기 폐단면부에 있어서의 상기 구조 부재 폭의 방향의 최장 길이를 α라 하고, 상기 폐단면부에 있어서의 상기 구조 부재 폭의 방향과 수직인 방향의 최장 길이를 β라 했을 때, α/β가 이하의 관계식을 충족하는, 구조 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 폐단면부의 단면 형상은 직사각형인, 구조 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 폐단면부는, 중공 부재로 이루어지는, 구조 부재.
제9항에 있어서,
상기 폐단면부의 중공 부분에는 수지 충전제가 충전되어 있는, 구조 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 폐단면부는, 중실 부재로 이루어지는, 구조 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 구조 부재는, 자동차의 구조 부재인, 구조 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 구조 부재는, 자동차 서스펜션 부품인, 구조 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 구조 부재의 인장 강도는, 780MPa 이상인, 구조 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 구조 부재의 판 두께는, 2.9㎜ 이하인, 구조 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 구조 부재의 암 길이는, 350㎜ 이상인, 구조 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 구조 부재의 상기 구조 부재 폭은, 70㎜ 이상인, 구조 부재.
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