CN1898099A - 车体增强用金属管及使用其的车体增强用构件 - Google Patents

车体增强用金属管及使用其的车体增强用构件 Download PDF

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Abstract

根据本发明的车体增强用金属管和车体增强用构件，全长或部分的具有翘曲部，另外使此翘曲部的外周侧与施加于车体的冲击方向大致一致，通过如此配置，在车体碰撞时，因为可使载荷上升梯度、最高载荷和吸收能增加，特别是使载荷上升梯度增加作为变形开始时的负荷特性，所以作为车体增强用具有优异的耐冲击性。此外，因为车体轻量化，并且也实现了成本降低，还能够对应日益提高的车体耐冲击性的要求水平，所以能够作为乘客的保护技术在广泛的领域中应用。

Description

车体增强用金属管及使用其的车体增强用构件
技术领域
本发明涉及一种车体增强用金属管和使用其的车体增强用构件，其能够在车体碰撞时发挥优异的耐冲击性，并且能够实现车体的轻量化。
背景技术
近年来，在机动车业界，对于车体的安全性的要求提高，在碰撞时用于保护乘客的技术开发被推进。随之而来，为了提高乘客保护的性能，而进行包括车门在内的车体各部的结构再调整，探讨了用于有效保护乘客的增强用构件的采用。
图1是表示例如在机动车用门上将增强用构件作为车车门冲击杆(door impact bar)而采用的车体结构的图。此门1，在门内部2的上部一体形成有窗框3，在门内部2的车外侧接合门外部(未图示)，构成机动车用门。此外，门1的前方(附图的左侧)，通过上下的铰链5a、5b被安装于车体4侧。另外，门的后方(附图的右侧)，在门内部2的中段设有门锁6。通过这些构成门可以自由开关，在关闭时由门锁6保持。
上述车门冲击杆(增强用构件)7，在其两端具有用于与门接合的托架8。在图1所示的增强用构件的结构中，托架8与所述铰链5和门锁6接合。为此，而成为在安装了上铰链5a的部分和安装了门锁6的部分之间装配车门冲击杆7，并且在安装了下铰链5b的部分和安装了门锁6的部分之间装配门冲击杜7的结构。
在上述图1所示的增强用构件中，是在其管端部设置用于与车体的接合的托架，使托架与车体接合的构造，不过作为其他的结构，也有采用在增强用构件的两端不设置托架，而是直接结合增强用构件和车体的所谓无托架的构造。
最近，从机动车的燃料消耗限制和降低成本的要求出发，对机动车车体的轻量化的要求提高。为此，对用于提高安全性的增强用构件，也要求加强轻量化的促进。对于这样的要求，提出了在现有的增强用构件中，通过使用高强度的钢管和钢板，以推进其轻量化的方法。
例如，在专利第2811226号公中，提出以具有抗拉强度120kgf/mm2(1180MPa)以上，延伸率10％以上的强度的车体增强用钢管，作为用于确保机动车的侧面碰撞时的驾驶员的安全性的车门增强用钢管的车门冲击杆，或保险杠(bumper)用芯材等。通过根据这些钢管特性，针对使用条件选定钢管形状，从而能够实现作为车体增强用钢管的轻量化，并且能够有效地吸收碰撞能量。
另外，还提出作为增强用构件，采用低强度的钢管和由低强度的钢板造管的管子，通过淬火处理提高抗拉强度之后，作为车门增强用管的方法。例如，在特开平4-280924号公报中，公开有通过直接通电加热，而加热直线状的钢铁制管，并且不使此钢铁制管弯曲地增加拉力，喷射冷却水淬火的方法。
如此，采用了现有的钢管的车体增强用构件，虽然实现了某种程度的高强度化和轻量化，但是要以采用正直管为前提。但是，采用了正直管的现有的增强用构件，可见在轻量化和碰撞特性的提高上有局限。
图2用于说明碰撞特性，是表示钢管的3点弯曲(两端支撑)中的压头位移与载荷的关系的图。作为评价碰撞特性的项目，可列举出表示变形开始时的负荷载荷的特性的载荷上升梯度，作为载荷的最高值的最高载荷，和由相对于位移的载荷的积分值所表示的吸收能。
即，在车体增强用构件所要求耐冲击性中，增强用构件因来自外部的碰撞而变形时，需要载荷上升梯度，最高载荷和吸收能要大，特别是作为变形开始时的载荷特性，载荷上升梯度要大。为此，图2(a)表示耐冲击性优异的钢管的变形行为，图2(b)表示与(a)比较耐冲击性差的钢管的变形行为。
在现有的使用正直管的增强用构件中，通过采用高强度材，能够确保一定程度的最高载荷以及吸收能，但不能确保载荷上升梯度，不能够实现变形开始时的载荷荷重的增大，所要求得耐冲击性有局限。
一直以来，作为增强用构件采用正直管的例外，在特开平4-280924号公报中，就有关于翘曲管的制造的记载。具体来说，也就是公开通过直接通电加热，加热直线状的钢铁制管，并且一边将此钢铁制管压入成为期望的弯曲形状的模具，一边喷射冷却水淬火的方法。
然而，特开平4-280924号公报中所记载的车门护梁(door guardbeam)，多为着眼于根据机动车的设计的关系，将圆度付与车门，不过是沿着该车门的圆度而弯曲管子设置。因此，上述的记载是针对机动车的设计性，特开平4-280924号公报中记载的车门护梁只属于采用了正直管的增强用构件的范畴。
此外，特开平4-280924号公报所记载的车门护梁，如有关本发明后述，并非以如下为目的，即，采用弯曲的管子使变形开始时的负荷载荷增大，进而提高最大载荷，使吸收能增大。
另外还有，在特开平4-280924号公报记载的车门护梁中，弯曲加工法限定于直接通电加热直线状的管子之后，一边压入模具一边喷射冷却水的方法。在这样的方法中，难以贯穿管子的全长全周，进行均一的冷却淬火，有可能发生淬火不匀。
为此，伴随特开平4-280924号公报记载的弯曲加工的车门护梁，由于淬火不匀的发生而品质变得不稳定，不均一的变形成为主要原因，从而无法取得尺寸精度和形状精度，不能作为制品使用。
发明内容
本发明目的在于，提供一种耐冲击性优异的车体增强用金属管和使用其的车体增强用构件，其与采用了现有的正直管的增强用构件相比，既能够实现构件的轻量化，又能够在车体碰撞时使变形开始时的负荷载荷增大，并且改善吸收能量特性。
本发明者们，为了达成前述的课题，锐意研究车体增强用构件的变形行为。通常，受到弯曲载荷的增强用构件的一般性的评价，以基于自由支撑或两端支撑的3点弯曲状态为前提而进行。
然而，从前述的调查结果看，增强用构件的变形行为不能够通过基于单纯的自由支撑的3点弯曲状态来评价，而是应该考虑增强用构件的轴向的拘束。
于是，发现了作为车体增强用构件所采用的金属管不是正直管，而采用具有翘曲部的金属管，从而活用轴向的拘束，能够发挥优异的耐冲击性。在以下的说明中，将具有翘曲部的金属管称为“翘曲管”。
相对于此，机动车增强用构件之中车门冲击杆，如所述图1所示，根据需要在两端设置托架，通过铰链和门锁，接合于门框。
门框，因为是在其前后方向扩张的变形由车体所拘束的构造，所以在车体侧面碰撞时，在车体前后方向扩张的变形困难。相对于此，门框在前后方向收缩的变形，不受车体的拘束。
同样，因为车门冲击杆受到由门框的拘束，所以在前后方向扩张的变形，会强烈地受到来自门框的拘束。为此，车体增强用构件的变形，不能简单地以基于利用自由支撑的3点弯曲状态的解析来评价。因此，需要能够切合实体评价车体增强用构件的变形的方法。
图3是模式化地表示，解析车体增强用构件所用的金属管的变形的装置结构的图，同(a)表示基于自由支撑的3点弯曲的装置结构，同(b)表示基于两端支撑的3点弯曲的装置结构。
在图3(a)所示的试验装置中，从固定于基础的支柱11，通过连杆12，设有承受台13。弯曲试验材(金属管)7，以在供试的车体增强用构件的管端设有余长部14的状态载置于承受台13，将具有未图示的载荷计和位移计的压头10压在试验材7上，测定变形中的载荷、位移。
在图3(b)所示的试验装置中，构成为还具有拘束车体增强用构件的管端的限位块15(stopper)。根据如此地构成，而成为基于两端支撑的3点弯曲的试验装置，通过采用该试验装置，能够切合实体评价金属管的变形行为。
图4是表示利用所述图3(a)的试验装置，作为试验材采用正直管和翘曲管的3点弯曲试验的结果的图。同(a)表示相对于压头的位移(mm)压头所承受的载荷的变化，同(b)表示，由相对于压头的位移(mm)压头所承受的载荷的积分值所表示的吸收能的变迁。
试验材为外径31.8mm，壁厚1.8mm和长度1000mm的尺寸，抗拉强度作为1500MPa，翘曲管的翘曲度η作为0.167％(曲率半径5000mm)。其中，翘曲度η的规定内容在后面阐述。
根据图4的结果，随着压头的位移增加，施加于压头的载荷增大，达到了最高载荷之后逐渐减小。从压头的位移途中载荷会转变为减少，是因为由于供试管偏平或压曲，从而不能负担载荷。供试的正直管、翘曲管在载荷上升梯度、最高载荷和吸收能上均没有确认到有显明误差。
图5是表示利用所述图3(b)所示的试验装置，作为试验材采用正直管和翘曲管的3点弯曲试验的结果的图。同(a)表示相对于压头的位移(mm)压头所承受的载荷的变化，同(b)表示，由相对于压头的位移(mm)压头所承受的载荷的积分值所表示的吸收能的变迁。
试验材为外径31.8mm，壁厚1.8mm和长度1000mm的尺寸，抗拉强度作为1500MPa。翘曲管的翘曲度η为4.720％、0.167％和0.042％(曲率半径为1000mm、5000mm和10000mm)的3种。
根据图5所示的结果，正直管表现的变形行为，与所述图4的情况相同，未见由于试验装置的差异。相对于此，在翘曲管中由于试验装置，变形行为明显地不同。即，由于采用所述图3(b)所示的试验装置，在变形开始时产生于压头的载荷急剧地上升，显著的载荷上升梯度增大，显示了最大值之后减少，此后显示出与正直管相同的变形行为。
图6是说明翘曲管的变形行为的图。以下分别表示，同(a)为设置翘曲管7的状态，同(b)为在变形的途中翘曲管7接近正直的状态，同(c)为进一步变形进行的状态，和同(d)为在逆方向弯曲发生的状态。
在图6(a)中的翘曲管7的管轴上的弧长为S1，在同(b)中的翘曲管7的管轴上的弧长为S2，但是，因为翘曲管7的两管端由限位块15拘束，所以成为S1＞S2的关系。因此，从图6(a)至(b)的变形之间，因为在翘曲管7中轴向的压缩应力起作用，所以压头10要使翘曲管7变形就需要过大的载荷。
翘曲管7的翘曲度η越大，初期变形时的载荷的上升梯度就变得越大，从而能够实现变形开始时的负荷载荷的增大。其结果，可以使吸收能增加。
若换言之，如果作为车体增强用构件采用翘曲管，则能够使变形开始时的载荷增加，随之而来是吸收能也能增加，能够显著地使耐冲击性提高。
此外，在采用上述翘曲管构成车体增强用构件时，优选使翘曲管的两管端的结合部达到适当强度，或在翘曲管的两管端配置适当强度的托架。即，在两管端的轴向的拘束不充分的情况下，不能实现变形开始时的负荷载荷的增大，也有不能使吸收能增加的情况。
本发明者们，除了上述的结论外，还明确指出，为了确保适当的耐压曲强度，使车体增强用金属管的截面形状形成圆或椭圆，或类似于此的形状是有效的。此外还明确指出，为了贯穿金属管的全长或部分地形成翘曲部，采用高频加热的逐次加热，逐次的弯曲加工和逐次的均一冷却的组合是有效的。
本发明是基于上述的结论而完成的，以下述(1)和(2)的车体增强用金属管，还有(3)至(5)的车体增强用构件为要旨。
(1)一种车体增强用金属管，是一种作为耐冲击用，以两端支撑的结构被装配于机动车的车体的金属管，贯穿全长具有翘曲部，或者部分地具有翘曲部，
将所述金属管的弧长作为S(mm)，从所述翘曲部的弯曲外周侧向内周侧投影所述金属管时的投影长度作为L(mm)，当由(S-L)/L×100(％)规定翘曲度η时，翘曲度η为0.002％以上，
在所述翘曲部的加工时，使作为被加工材的金属管的毛管在管轴方向逐次移动，同时使用配置于所述毛管的外周的高频加热线圈，将所述金属管局部地在可塑性变形的温度域加热，且加热至可淬火的温度域，对所述加热部施加弯曲力矩形成翘曲部后急冷。
(2)在上述(1)的车体增强用金属管中，此外，在进行两端支撑的3点弯曲试验时，其与正直管的载荷上升梯度的比可以规定在1.25以上。另外，优选使截面形状成为圆或椭圆，或类似于此的形状。
(3)一种车体增强用构件，通过上述(1)、(2)的任一项记载的车体增强用金属管的管端部和车体的结合，使所述金属管的翘曲部的外周侧与施加于车体的冲击方向大致一致，如此而配置。
本发明的车体增强用构件，由在碰撞时用于保护乘客而配置于车体各部的构造体的车体增强用金属管构成，能够作为例如车门冲击杆、前缓冲梁(front bumper beam)、后缓冲梁、横梁、前立柱增强件(front pillarreinforc)、中心立柱增强件和侧梁(side sill)等应用。
(4)在上述(3)的车体增强用构件中，优选在车体增强用金属管的管端部，设置被用于与车体结合的托架。这时，在作为车门冲击杆使用时，所述托架能够作为平型托架、台阶型托架、或铰链一体型的任意一种。
(5)在上述(3)、(4)的车体增强用构件中，优选车体增强用金属管的管端部，或所述托架的耐压缩强度Fb(kN)满足下述(1)式的关系。其中，翘曲度η要根据上述(1)的规定。
Fb＞5η0.4               …(1)
本发明的车体增强用金属管，不简单地限定于钢管，还能够列举出不锈钢管、钛合金管、铝合金管、镁合金管等的各种的管。
通过采用上述(1)至(5)的结构，本发明的车体增强用金属管和车体增强用构件，在车体碰撞时，与采用了现有的正直管的增强用构件相比，由于能够使载荷上升梯度、最高载荷和吸收能增加，特别是使载荷上升梯度增加作为变形开始时的负荷特性，从而作为车体增强用能够具有优异的耐冲击性。
据此，本发明的车体增强用金属管和车体增强用构件，既可维持耐冲击性，又使车体增强用金属管的尺寸(外径、壁厚)减少，通过进行形状的调整，从而能够实现车体的轻量化，并且能够降低成本，也能够对应日益提高的车体耐冲击性的要求水平。
附图说明
图1是表示将增强用构件作为车门冲击杆用于机动车用门的车体结构的图。
图2用于说明碰撞特性，是表示钢管的3点弯曲(两端支撑)中的压头位移与载荷的关系的图。
图3是模式化地表示解析车体增强用构件所用的金属管的变形的装置结构的图，同(a)表示基于自由支撑的3点弯曲的装置结构，同(b)表示基于两端支撑的3点弯曲的装置结构。
图4是表示利用所述图3(a)的试验装置，作为试验材采用正直管和翘曲管的3点弯曲试验的结果的图。
图5是表示利用所述图3(b)所示的试验装置，作为试验材采用正直管和翘曲管的3点弯曲试验的结果的图。
图6是说明翘曲管的变形行为的图，同(a)表示设置翘曲管7的状态，同(b)表示在变形的途中翘曲管7接近正直的状态，同(c)表示进一步变形进行的状态，同(d)为朝逆方向弯曲发生的状态。
图7是说明规定本发明的车体增强用金属管具有的翘曲部的形状的翘曲度η的图。
图8是表示翘曲管的翘曲度和载荷上升梯度的关系的图。
图9是表示在使翘曲度的翘曲度η变化时的翘曲管和正直管的最高载荷比的变迁的图。
图10是表示在使翘曲度的翘曲度η变化时的翘曲管和正直管的吸收能比的变迁的图。
图11是表示能够适用于本发明的车体增强用金属管的截面形状的图，表示圆或椭圆的截面形状例。
图12是表示能够适用于本发明的车体增强用金属管的截面形状的图，表示类似于圆或椭圆的截面形状例。
图13是表示在形成本发明的车体增强用金属管的翘曲部时所使用的高频弯曲加工装置的概略结构的图。
图14是表示本发明的车体增强用构件，在碰撞时用于保护乘客而被应用的缓冲梁和横梁的结构的图。
图15是表示发明的车体增强用构件，在碰撞时用于保护乘客而被应用的前立柱增强件和中心立柱增强件的结构的图。
图16是说明将本发明的车体增强用构件作为设置有托架的车门冲击杆而使用时，所能够适用的托架的结构的图。
图17是说明将本发明的车体增强用构件作为无托架的车门冲击杆而使用时的结构的图。
图18是表示利用所述图3(b)所示的3点弯曲试验装置，翘曲管的翘曲度η与发生于管端的最大载荷的关系的图。
图19是表示由实施例制作的供试钢管的目标加工形状的图。
图20是说明在实施例中采用的冷弯曲加工方法的图。
图21是说明基于在实施例中采用的全长加热的全长弯曲加工方法的图。
图22是表示测定基于维氏硬度试验(JIS Z 2244)的硬度分布的位置的图。
图23是说明在实施例2中采用的残留应力的测定要领的图。
图24是说明在实施例中采用的延迟破坏试验装置的结构的图。
具体实施方式
以下，将本发明规定的内容，区分为车体增强用金属管和车体增强用构件加以说明。
1.车体增强用金属管
本发明的车体增强用金属管，其特征在于，是作为耐冲击用而以两端支撑的结构装配于机动车的车体的金属管，贯穿其全长或者部分地具有翘曲部。
图7是说明规定本发明的车体增强用金属管具有的翘曲部的形状的翘曲度η的图。图7(a)表示贯穿金属管7的全长而具有一定曲率的翘曲部的情况，同(b)(c)表示具有曲率根据金属管7的长度位置而变化的翘曲部的情况，此外同(d)表示金属管7部分地具有翘曲部的情况。
当把翘曲部的管轴上的弧长作为S(mm)，从所述翘曲部的弯曲外周侧向弯曲内周侧投影翘曲部时的投影长度作为L(mm)时，翘曲度η由下述(2)式表达。
翘曲度η＝(S-L)/L×100(％)    …(2)
图8是表示翘曲管的翘曲度和载荷上升梯度的关系的图。这里，所谓载荷上升梯度，如基于所述图2所说明的那样，表示变形开始时的负荷载荷的特性。
由图8所示的关系可知，载荷上升梯度很大地依赖于翘曲度η，翘曲管的翘曲度η变得越大，其越显著增加。基于此特性，说明通过翘曲管的采用来提高最高载荷，实现吸收能的增大。
图9是表示在使翘曲度的翘曲度η变化时的翘曲管和正直管的最高载荷比的变迁的图。这里所示的最高载荷比，是利用所述图3(b)所示的3点弯曲试验装置，由翘曲管的最高载荷(kN)与正直管的最高载荷(kN)的比表示。
图10是表示在使翘曲度的翘曲度η变化时的翘曲管和正直管的吸收能比的变迁的图。这里所示的吸收能比，是采用所述图3(b)所示的3点弯曲试验装置而计算出的、由翘曲管的吸收能(J)与正直管的吸收能(J)的比表示。
如图8和图10所示，翘曲管的翘曲度η变得越大，来自管端部的拘束的效果越显著，变形开始时的负荷载荷增大。随之而来的是能够实现吸收能的增大。具体来说，在本发明的车体增强用金属管中，为了使载荷上升梯度的比，还有吸收能比增加，优选使金属管的翘曲度η在0.002％以上。
在车体增强用金属管中，为了有效地提高最高载荷、吸收能，优选在后述的截面形状的最优化的同时，适当地选定材料特性。即，若提高材料强度，则最高载荷增加，也会增加弯曲吸收能。
因此，即考虑到金属管的轻量化，作为在工业技术上能够稳定确保的强度，优选选定抗拉强度1300MPa以上，此外更优选选定1470MPa级以上。另外，在使用于像车门用车体增强用构件这样的大的塑性变形区域时，优选金属管的总延伸量为7％以上。
(车体增强用金属管的截面形状)
如前述，实现机动车零件等的轻量化被进一步要求，为此，优选尽可能的壁厚薄，但是为了确保耐冲击性，重要的是相对弯曲位移难以偏平变形，从而能够确保规定的弯曲强度和吸收能，并且在碰撞时能够得到压曲强度。
从这样的观点出发，本发明的车体增强用金属管的截面形状，优选圆或椭圆，或者近似于这些形状。
图11和图12，是表示能够适用于本发明的车体增强用金属管的截面形状的图。图11(a)～(e)是表示圆或椭圆的截面形状例的图，是对于周向的压曲稳定的形状，相对变形不会产生急剧的强度降低，直到很大变形也能够使用。
图11(c)表示在4角具有R的矩形形状，同(d)表示长圆形形状，均在长径侧的两边具有直线部，从而能够使弯曲刚性很大地提高。
图11(e)是表示基于圆的截面形状的其他例子的图，由具有贯穿全长的切口16的开口管构成车体增强用金属管7。这种情况下，在其两端扩宽切口16，一体形成由平坦面组成的托架部也变得容易。如果采用同(e)所示的截面形状的车体增强用金属管，则无需管制造所需要的焊接工序等，从而实现降低成本，并且能够确保规定的耐冲击性。
图12(a)～(e)是表示类似于圆或椭圆的截面形状例的图，同(a)所示的吊钟型形状是圆形的异形化，作为对压下方向具有比圆管小的R的形状，能够使耐压曲特性提高，通过使其反对侧的截面形状为四边形状，能够使截面系数增加，使最高载荷提高。
图12(b)是在长径侧的2边具有直线部的同时，在与承受载荷的面对置的边上具有直线的蒲鉾型形状，能够使耐压曲特性提高，弯曲刚性大大提高。
图12(c)、(d)是焊接了压制成形品7a、7b的封闭截面形状，既能确保规定的耐冲击性，又能够应用作为在长度方向形状不同的金属管，或复杂的截面形状的金属管。
图12(e)表示复杂的封闭截面形状的其他的例子，适合于诸如缓冲梁和中心立柱增强件这样，由于安装空间的制约，从而截面形状被限定的情况。
(车体增强用金属管的逐次加热，逐次弯曲加工，逐次冷却)
在本发明的车体增强用金属管中，在翘曲管的形成方法中，能够采用各种的弯曲加工方法，例如，能够应用冲压弯曲、拉伸弯曲、压缩弯曲、辊弯、压通弯曲和偏心插头弯曲等。
有采用抗拉强度超过1000MPa这样的高强度的金属管的情况，但是在此情况下，考虑上述的弯曲加工法很重要。一般来说，是将抗拉强度500～700MPa左右的金属毛管作为原材料进行弯曲加工后，通过热处理提高强度，得到高强度的金属管。
可是，对于最近的车体的耐冲击性的高度的要求，对于翘曲管来说也要求与正直管同等的品质水平。为此，当弯曲加工原材料之后，通过热处理得到高强度的金属管时，如所述特开平4-280924号公报所提出的，在采用几乎贯穿全长全周，直接通电加热淬火直线状的管子的方法时，防止不均一的应变的发生所致的形状的偏差很困难。
如前述，如果还考虑到金属管的轻量化，则优选选定抗拉强度1300MPa以上，此外更优选选定1470MPa级以上。然而，因为在这样的高强度的金属管中，若有某种水平以上的残留应力，则由于延迟破坏而破损，所以为了作为车体增强用构件而应用，必须加工后残留应力小。若进行如前述的冷弯曲加工，则加工所致的残留应力发生，在由所述特开平4-280924号公报提出的方法中，由于不均一的冷却而残留应力发生。因此要在形成本发明的车体增强用金属管的翘曲部时，用高频加热线圈局部地加金属管，同时逐次弯曲加工加热部后，再进行急冷淬火，既确保规定的高强度，又使残留应力降低。
由此，因为以热状态进行弯曲加工，所以由残留应力引起的回弹难以产生，在因热加工而容易塑性变形的弯曲加工中不需要很大的载荷，此外，由于在成形后马上急冷而形状冻结，所以形状精度优异，通过逐次均等地冷却逐次加热了的截面，因为淬火不匀难以产生，所以能够确保几乎没有起因于淬火不匀的残留应力所致的变形，和强度偏差基本不发生的稳定的品质。
例如，在弯曲加工钢管时，通过高频加热线圈，进行将作为被加工材的毛管，逐次连续地加热到A3相变点以上，且组织未粗粒化的温度为止，用工卡模具使被加热的区域塑性变形，紧接其后，通过从毛管的外面或内外面均等地喷水或其他的冷却液，或者气体，以确保100℃/sec以上的冷却速度。
由于如此弯曲加工的钢管被进行均一的冷却，所以能够得到形状冻结性好、均一的硬度的钢管，并且大的残留应力也难以发生，尽管是高强度，但仍能够发挥耐延迟破坏性优异的特性。在这时的材质设计中，通过使例如Ti(钛)、B(硼)这样的易于淬火的化学成分含有，能够以更高强度得到硬度分布的均一性和耐延迟破坏性优异的钢管。
在本发明的弯曲加工中，不只是将低强度的金属毛管作为原材料进行热加工之后，通过淬火提高强度，得到高强度的金属管，而是将淬火了的高强度的金属毛管进行再度热弯曲加工后，通过2次淬火实现组织的细粒化，能够得到耐冲击性更优异的金属管。
因此，在本发明中通过采用该逐次加热、逐次弯曲加工和逐次冷却，即使在车体增强用金属管形成翘曲部时，也能够满足对于车体的耐冲击性的高度的要求。
图13是表示在形成本发明的车体增强用金属管的翘曲部时所使用的高频弯曲加工装置的概略结构的图。以同图表示基于先端夹紧方式的装置的结构例。
具体来说，就是在应该形成翘曲部的金属管7的外周，配置环状的感应加热线圈21，将金属管7局部地加热到可塑性变形温度。接着，通过前端夹具(clamp)23，一边相对地使该加热部在管轴方向移动，一边施加弯曲力矩，逐次形成具有规定的翘曲度η的翘曲部后，从冷却装置22喷射冷却水进行淬火。感应加热前的金属管7由导辊24、25保持。
根据这样的方法，因为形成有翘曲部的金属管，能够确保优异的形状冻结性和稳定的品质，所以也能够适应对车体的耐冲击性所要求的水平。另外，将低强度的金属毛管作为原材料进行弯曲加工时，通过均一淬火提高强度，也能够得到抗拉强度1300MPa以上的金属管，还有相当于1470MPa级以上的金属管。
2.车体增强用构件
本发明的车体增强用构件，其特征在于，通过车体增强用金属管的管端部和车体的结合，使所述金属管的翘曲部的外周侧与施加于车体的冲击方向大致一致，如此而配置。
另外，在本发明的车体增强用构件中，也可以在车体增强用金属管的管端部，设置用于与车体的结合的托架，利用此托架的结合，使所述金属管的翘曲部的外周侧与施加于车体的冲击方向大致一致，如此而配置。即，在把车体增强用金属管跟车体结合时，可以是设置托架的构造，另外也可以是无托架的构造。
如前述，本发明的车体增强用构件，在碰撞时用于保护乘客，例如，除所述图1所示的车门冲击杆以外，还能够作为缓冲梁(图14(a))，横梁增强用构件(14(b))，前立柱增强件(图15(a))，中心立柱增强件(15(b))和侧梁等应用。
本发明的车体增强用构件，因为不像正直管有全方位性，所以在向门等的车体装配时，有必要保持方向性，以使翘曲部的特性能够最大限度地发挥。例如，作为车门冲击杆使用时，优选使金属管的翘曲部的外周侧，即翘曲方向，与门侧面方向大致一致，如此而配置。
另外，机动车车门的曲率由在车体前后方向小，在车体上下方向大的曲率构成。因此，当金属管的翘区度η比较大时，若沿门前后方向配置增强用构件，则会在空间上产生浪费。这样的情况下，使增强用构件倾斜配置，尽可能使增强用构件沿着门的曲面，从而有效地利用门内部的空问。
图16是说明将本发明的车体增强用构件作为设置了托架的车门冲击杆而使用时，所能够适用的托架的结构的图。同(a)表示平型托架的结构，是在门外部17和门内部18之间有托架8进入的构造，增强用构件7通过点焊等由托架8支撑。
同(b)表示台阶型托架的结构，是在门内部18焊接有带脚的托架8的构造。
同(c)表示铰链一体型的结构，是在门内部18焊接有与铰链安装螺母5a形成为一体的托架8的结构。
图17是说明将本发明的车体增强用构件作为无托架的车门冲击杆而使用时的结构的图。同(a)表示增强用构件7通过点焊等被支撑于门内部18的结构。同(b)表示增强用构件7通过螺栓母19的紧固被支撑于门内部18的结构。另外，同(c)表示增强用构件7的管端通过点焊被支撑于门内部18的结构。
同(d)表示一体地形成金属管的管端部的车体增强构件的结构。例如，通过与所述图11(e)所示的具有贯穿全长的切口16的金属管7组合，一体形成其管端部，能够既确保耐冲击性，又实现了焊接作业的省略和制造成本的降低。可以将一体形成的管端部，如上述图(a)或(b)所示，通过点焊等或螺栓母19的紧固，支撑于门内部18。
本发明的车体增强用构件，因为在车体增强用金属管的两端部，设置有用于与车体连结的管端部或托架，所以如所述图6所示，在翘曲管变成正直时所发生的压缩载荷，由两端的管端部或托架支撑。因此，车体增强用金属管的管端部或托架保持压缩载荷，对使来自翘曲管的弯曲载荷特性提高上很重要。
图18是表示利用所述图3(b)所示的3点弯曲试验装置，翘曲管的翘曲度η与发生于管端的最大载荷的关系的图。如同图所示，翘曲管的翘曲度η变得越大，发生于管端的最大载荷Fs也随之增加，得到下述(1’)式的关系。
Fs＝5η0.4    …(1’)
如前述，车体增强用金属管的管端部或托架，需要保持此最大载荷Fs。因此，为了使此管端部或托架不会因压缩应力产生压曲和塑性变形、扭曲，优选满足下述(1)式所示的耐压缩强度Fb(kN)。
Fb＞5η0.4    …(1)
还有，由上述(1)式所示的耐压缩强度Fb(kN)，意思是管端部或托架对于压缩应力不会产生压曲和塑性变形的强度，或者不使焊接部等的破损产生的强度。
实施例
(实施例1)
为了确认本发明的车体增强用金属管的效果，制作如下的供试钢管：作为原材料，使用代表成分组成由0.22％C-1.20％Mn-0.20％Cr-0.02％Ti-0.0015％B构成的低强度(YP：450MPa，TS：555MPa，EL：23％)的毛管，具有表1所示的外径、壁厚、长度和翘曲度，弯曲加工后的强度为1470MPa级。供试钢管的主要的组织，是马氏体和贝氏体。
钢管的弯曲加工之时，高频加热到950℃，在热逐次弯曲加工以后，通过水冷以冷却速度300℃/sec实施逐次急冷。使制作的翘曲管的翘曲度η在0.0017％～4.720％的范围变动，抗拉强度均超过1500MPa。还准备超过与翘曲管同等的抗拉强度1500MPa的正直管。
采用准备好的翘曲管和正直管的供试管，以所述图3(b)所示的3点支撑弯曲试验机，将跨距设为1000mm进行弯曲试验，测定载荷上升梯度、最高载荷和吸收能。表1出示关于载荷上升梯度、最高载荷和吸收能的正直管和翘曲管的比。
表1中的形态A是图7(a)～(b)所示的在整体具有翘曲部的翘曲管，形态B是图7(d)所示的部分地具有翘曲的翘曲管，形态C是作为比较例的正直管。
由表1可知，在翘曲度η为0.002％以上的条件下，与正直管的载荷上升梯度的比为1.25以上，任一情况下与正直管相比载荷上升梯度均显著提高，在耐冲击性上获得理想的特性。
表1
  试验No.   区分   形态             供试钢管的条件                和正直管的比
  外径mm   厚度mm   长度mm   翘曲度％   载荷上升梯度(N/mm)/(N/mm)   最高载荷(KN)/(KN)   吸收能(J)/(J)
  1   本发明例   A   31.8   1.8   1000  *0.0017   1.03   1.00   1.00
  2   本发明例   A   31.8   1.8   1000   0.0026   1.25   1.00   1.00
  3   本发明例   B   31.8   1.8   1000   0.0046   1.30   1.00   1.00
  4   本发明例   A   31.8   1.8   1000   0.010   1.40   1.00   1.01
  5   本发明例   B   31.8   1.8   1000   0.019   1.50   1.00   1.02
  6   本发明例   A   31.8   1.8   1000   0.042   1.78   1.01   1.03
  7   本发明例   A   31.8   1.8   1000   0.167   2.37   1.01   1.09
  8   本发明例   A   31.8   1.8   1000   4.720   9.06   2.93   1.33
  9   比较例   C   31.8   1.8   1000  *0.000   1.00   1.00   1.00
注：表中带*标的表示本发明规定范围之外。
注：表中的形态A表示贯穿全长具有翘曲的翘曲管，B表示部分地具有翘曲的翘曲管，C表示正直管。
(实施例2)
弯曲加工本发明的车体增强用金属管时的诸特性，即，抗拉强度、组织、硬度分布、形状冻结性、边平度、残留应力和耐延迟破坏性实施详细的调查。作为原材料，准备外径31.8mm，壁厚2.3mm，成分组成为0.22％C-1.20％Mn-0.20％Cr-0.02％Ti-0.0015％B，使强度水平变动的毛管。对准备的毛管实施弯曲加工，制作供试钢管，进行诸特性的调查。表2出示毛管的强度水平、弯曲加工条件以及供试钢管的强度水平和组织。
表2
  试验No   区分        毛管的强度条件   弯曲加工条件(加热-弯曲-冷却)      供试钢管(弯曲加工后)的强度条件
  YPMPa   TSMPa   EL％   YPMPa   TSMPa   EL％ 组织
  10   本发明例   450   555   23   逐次加热·弯曲-急冷   1215   1639   13   M+B
  11   本发明例   1205   1625   12   逐次加热·弯曲-急冷   1203   1633   12   M+B
  12   比较例   450   555   23   逐次加热·弯曲-急冷   358   462   42   F+P
  13   比较例   450   555   23   冷弯曲   485   593   20   F+P
  14   比较例   1205   1625   12   冷弯曲   1205   1644   11   M+B
  15   比较例   450   555   23   全长加热·弯曲-急冷   1240   1686   12   M+B
  16   比较例   450   555   23   全长加热·弯曲-急冷   345   455   43   F+P
  17   比较例   1205   1625   12   全长加热·弯曲-急冷   1235   1677   13   M+B
注：表中的组织表示为M(马氏体)、B(贝氏体)、F(铁素体)以及P(珠光体)。
(1)弯曲加工条件和供试钢管的强度水平等
如表2所示，弯曲加工条件作为基于逐次加热的逐次弯曲、冷弯、和基于全长加热的全长弯曲的3个种类，制作供特性调查的供试钢管。供试钢管7的目标加工形状如图19所示，将全长作为1000mm，目标间隙(翘曲量)H作为20mm(翘曲度η：0.107％)。表3出示详细的弯曲加工条件。
表3
  试验No.   区分   被加工材输送速度mm/sec   加热线圈频率kHz   加热温度℃                      冷却条件
  区分   冷却方法   T冷却水温度℃
  10   本发明例   15   10   980   水冷   100L/min   20
  11   本发明例   15   10   980   水冷   100L/min   20
  12   比较例   15   10   980   徐冷   自然冷却
  13   比较例   -   -   冷却状态   -   -
  14   比较例   -   -   冷却状态   -   -
  15   比较例   -   -   980   水冷   100L/min   20
  16   比较例   -   -   980   徐冷   自然冷却
  17   比较例   -   -   980   水冷   100L/min   20
首先，在基于试验No.10～12的逐次加热的逐次弯曲中，将毛管的输送速度为15mm/sec，将高频加热至980℃的部位逐次弯曲加工以后冷却，冷却方法采用利用水冷的冷却温度20℃的急冷，和利用自然冷却的徐冷。
图20是说明在实施例2中采用的冷弯加工方法的图。如同图所示，在试验No.13、14中，毛管在常温的状态下，一边由卡盘(chuck)27保持两管端，一边按压于弯曲夹具26，在管轴方向上进行拉伸弯曲。
图21是说明基于在实施例2中采用的全长加热的全长弯曲加工方法的图。如同图所示，在试验No.15～17中在毛管的两端使直接通电的连接端子28接触，贯穿毛管全长加热，其后利用弯曲夹具29实施冲压弯曲之后，急冷时是从设于与弯曲夹具26相反侧的冷却喷嘴29，使冷却水喷射在钢管7外面，缓冷时为自然冷却。
所述表2出示弯曲加工后的供试钢管的拉伸实验结果，和利用显微镜的组织观察结果，但拉伸试验采用JIS Z 2201的11号试验片，以JIS Z 2241规定的方法实施，利用显微镜的组织观察是以500倍观察硝酸乙醇腐蚀液腐蚀过的管周方向截面。
根据所述表2所示的结果，在试验No.10、11的本发明例中，能够得到以马氏体和贝氏体为主体的组织，确保1470MPa级的强度，但在试验No.12的比较例中，因为是基于逐次加热的逐次弯曲之后通过自然冷却的徐冷，所以由铁素体和珠光体组成的组织成为主体，不能超越毛管的强度水平。
(2)供试钢管的硬度分布、形状冻结性、边平度和残留应力的测定
表4出示基于维氏硬度试验(JIS Z 2244)的硬度分布的测定结果。测定时的试验载荷为1kg，如图22所示，在管周方向的45度间距(pitch)的8个方向，1个方向测定5处测定位置，每供试钢管40处。当这时的Hv硬度差低于30时，硬度均一性评价为良好。
表4
试验No. 区分             硬度分布测试 硬度均一性评价
  最高硬度Hv(max)   最低硬度Hv(min)   硬度差(max-min)
  10   本发明例   517   491   26   ○
  11   本发明例   511   490   21   ○
  12   比较例   155   145   10   ○
  13   比较例   480   188   292   ×
  14   比较例   525   320   205   ×
  15   比较例   505   438   67   ×
  16   比较例   149   138   11   ○
  17   比较例   518   420   98   ×
表5出示形状冻结性的测定结果。将所述图19所示的目标加工形状的供试钢管配置于平台上，用游标卡尺测定中央部的间隙H，测定最大间隙与最小间隙间的变动量。在间隙差为1.5mm以下时，形状冻结性评价为良好。
表5
  试验No.   区分            形状冻结性测定结果   形状冻结性评价
  最大间隙(mm)   最小间隙Hmin(mm)   间隙差(mm)
  10   本发明例   21.0   19.7   1.3   ○
  11   本发明例   20.8   19.5   1.3   ○
  12   比较例   22.4   18.1   4.3   ×
  13   比较例   22.8   18.5   4.3   ×
  14   比较例   19.8   15.3   4.5   ×
  15   比较例   22.2   17.8   4.4   ×
  16   比较例   23.0   18.4   4.6   ×
  17   比较例   22.8   18.1   4.7   ×
表6出示边平度的测定结果。在圆周4个方向测定供试钢管的外径，比较最大值与最小值的比。在最大外径与最小外径的比为99.0％以上时，边平度评价为良好。
表6
试验No. 区分   边平度测定结果 边平度评价
  最大外径/最小外径(Dmax/Dmin)
  10   本发明例   99.3-99.6   ○
  11   本发明例   99.2-99.7   ○
  12   比较例   93.2-95.3   ×
  13   比较例   90.0-94.0   ×
  14   比较例   85.0-90.0   ×
  15   比较例   91.0-94.0   ×
  16   比较例   92.0-95.0   ×
  17   比较例   91.5-95.5   ×
图23是说明在实施例2中采用的残留应力的测定要领的图。在供试钢管7的周方向的90°间距的外面4处贴合应变计30以后，以10mm×10mm边切出应变计30贴合区域，计测应变差测定残留应力。表7出示最大残留应力值。
表7
  试验No.   区分   残留应力测定结果
  最大残留应力(应力计)(MPa)
  10   本发明例   -90
  11   本发明例   -78
  12   比较例   -27
  13   比较例   +251
  14   比较例   +790
  15   比较例   +342
  16   比较例   +110
  17   比较例   +419
(3)耐延迟破坏性的评价
图24是说明在实施例2中采用的延迟破坏试验装置的结构的图。供试钢管7被浸渍于0.5％醋酸+人造海水液中，两端以跨度距离800mm被固定夹具31保持，由设于中央部的拉伸夹具32，以弯曲负荷应力400MPa的状态被保持1000Hr后，通过目视确认在供试钢管7上有无龟裂产生。
表8出示耐延迟破坏怀的评价结果，不过上述的延迟破坏试验后，通过目视未能确认有龟裂的情况评价为良好。
表8
  试验No.   区分                    延迟破坏试验条件   耐延迟破坏性评价
  弯曲负载间距   弯曲负载应力   浸渍液   浸渍时间
  10   本发明例 800mm   400MPa(载重量：300kg)   0.5％醋酸+人工海水 1000hrs   ○
  11   本发明例   ○
  12   比较例   ○
13 比较例   ○
  14   比较例   ×
  15   比较例   ×
  16   比较例   ○
  17   比较例   ×
(4)综合评价
在试验No.10、11的本发明例中，通过基于逐次加热的逐次弯曲后的急冷，即使原材料作为低强度毛管时，强度水平也能够充分满足1470MPa级的抗拉强度。此外，在本发明例中，由于形状冻结性优异，并且全长全截面位置中的硬度均一性和边平度也良好，残留应力也能够减轻，从而能够得到耐延迟破坏性显著良好的结果。
相对于此，在试验No.12的比较例中，由于采用了基于逐次加热的逐次弯曲，所以硬度均一性、形状冻结性、和延迟破坏特性有良好的评价，但是，因为冷却是徐冷，所以不能取得充分的强度水平。
试验No.13的比较例，因为冷弯加工低强度的毛管，所以只能够确认基于若干的加工硬化的强度上升，由于冷加工有回弹发生，形状冻结性和边平度为不良。
试验No.14的比较例，由于冷弯加工高强度的毛管，尽管有一些加工硬化但能够确保高强度，但是形状冻结性不良，还有大的残留应力发生，耐延迟破坏性也不良。
试验No.15～17的比较例，因为是基于全长加热的全长弯曲加工，所以弯曲形状偏差很大，形状冻结性不良。试验15、17的比较例虽然均能得到高强度，但因为是一次冷却毛管整体的方法，所以淬火不均一，硬度均一性不良。另外，由于硬度的偏差，残留应力也变大，耐延迟破坏性不良。试验No.16的比较例，因为冷却为徐冷，所以无法取得充分的强度。
(实施例3)
为了确认采用了本发明的车体增强用金属管时的薄壁化的效果，作为原材料，使用代表成分组成由0.22％C-1.20％Mn-0.20％Cr-0.02％Ti-0.0015％B构成的低强度(YP：450MPa，TS：555MPa，EL：23％)的毛管，以与实施例1相同的条件，高频加热，热逐次弯曲加工以后，实施逐次急冷，制作具有表9所示的外径、壁厚、长度和翘曲度的1470MPa级的供试钢管。制作好的供试钢管的翘曲度η为0.262％，抗拉强度超过1500MPa，主要的组织是马氏体和贝氏体。
作为比较例，以表9所示的外径、壁厚、长度尺寸，准备抗拉强度超过1500MPa的正直管，与本发明例一起，以所述图3(b)所示的3点支撑弯曲试验机，将跨距设为1000mm，进行弯曲试验，测定载荷上升梯度、最高载荷和吸收能。表9出示关于载荷上升梯度、最高载荷和吸收能的正直管和翘曲管的比。
由表9的结果可知，通过采用本发明例的翘曲管，与正直管相比，尽管薄壁化，也能够实现载荷上升弱度的增加，确保优异的耐冲击性。
表9
试验No. 区分             供试钢管的条件                   正直管的比
  外径mm   厚度mm   长度mm   翘曲度％   载荷上升梯度(N/mm)/(N/mm)   最高载荷(kN)/(kN)   吸收能(J)/(J)
  18   本发明例   31.8   1.6   1000   0.262   3.00   1.08   1.01
  19   比较例   31.8   1.8   1000  *0.000   1.00   1.00   1.00
注：表中带*的表示本发明规定范围之外。
工业上的利用的可能性
本发明的车体增强用金属管和车体增强用构件，全长或部分地具有翘曲部，另外使此翘曲部的外周侧与施加于车体的冲击方向大致一致，通过如此配置，在车体碰撞时，与采用了现有的正直管的增强用构件相比，由于使载荷上升梯度、最高载荷和吸收能增加，特别是使载荷上升梯度增加作为变形开始时的负荷特性，所以作为车体增强用具有优异的耐冲击性。此外，因为车体轻量化并且也实现了成本降低，还能够适应对于日益提高的车体耐冲击性的要求水平，所以能够作为乘客的保护技术在广泛的领域中应用。

Claims (10)

1、一种车体增强用金属管，作为耐冲击用，以两端支撑的结构被装配于机动车的车体，其中，贯穿全长具有翘曲部，
将所述金属管的弧长作为S，将从所述翘曲部的弯曲外周侧向内周侧投影所述金属管时的投影长度作为L，当由(S-L)/L×100％规定翘曲度η时，翘曲度η为0.002％以上，其中S、L的单位为mm，
在所述翘曲部的加工时，使作为被加工材的金属管的毛管在管轴方向上逐次移动，同时使用配置于所述毛管的外周的高频加热线圈，将所述金属管局部地在可塑性变形的温度域加热，且加热至可淬火的温度域，对所述加热部施加弯曲力矩形成翘曲部后进行急冷。
2、一种车体增强用金属管，作为耐冲击用，以两端支撑的结构被装配于机动车的车体，其中，部分地具有翘曲部，
将所述金属管的弧长作为S，将从所述翘曲部的弯曲外周侧向内周侧投影所述金属管时的投影长度作为L，当由(S-L)/L×100％规定翘曲度η时，翘曲度η为0.002％以上，其中S、L的单位为mm，
在所述翘曲部的加工时，使作为被加工材的金属管的毛管在管轴方向上逐次移动，同时使用配置于所述毛管的外周的高频加热线圈，将所述金属管局部地在可塑性变形的温度域加热，且加热至可淬火的温度域，对所述加热部施加弯曲力矩形成翘曲部后进行急冷。
3、根据权利要求1或2记载的车体增强用金属管，其中，此外，在进行两端支撑的3点弯曲试验时，与正直管的载荷上升梯度的比为1.25以上。
4、根据权利要求1～3中的任一项记载的车体增强用金属管，其中，所述金属管的截面形状为圆或椭圆，或者类似于它们的形状。
5、一种车体增强用构件，其中，通过权利要求1～4中的任一项记载的车体增强用金属管的管端部和车体结合，使所述金属管的翘曲部的外周侧与施加于车体的冲击方向大致一致，如此而配置。
6、根据权利要求5记载的车体增强用构件，其中，所述增强用构件被应用于车门冲击杆、前缓冲梁、后缓冲梁、横梁、前立柱增强件、中心立柱增强件和侧梁。
7、根据权利要求5或6记载的车体增强用构件，其中，所述车体增强用金属管的管端部的耐压缩强度Fb满足下述(1)式，
Fb＞5η0.4    …(1)
其中，η＝(S-L)/L×100％
S：翘曲部的管轴上的弧长，单位：mm
L：从弯曲外周侧向弯曲内周侧投影翘曲部时的投影长度，单位：mm
Fb的单位为kN。
8、根据权利要求5记载的车体增强用构件，其中，在所述车体增强用金属管的管端部，设有用于与车体结合的托架。
9、根据权利要求8记载的车体增强用构件，其中，在作为车门冲击杆使用时，所述托架为平型托架、台阶型托架、或铰链一体型的任意一种。
10、根据权利要求8或9记载的车体增强用构件，其中，所述托架的耐压缩强度Fb满足下述(1)式，
Fb＞5η0.4         …(1)
其中，η＝(S-L)/L×100％
S：翘曲部的管轴上的弧长，单位：mm
L：从弯曲外周侧向弯曲内周侧投影翘曲部时的投影长度，单位：mm
Fb的单位为kN。
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