JP3668794B2

JP3668794B2 - アルミニウム合金製ドアビーム材

Info

Publication number: JP3668794B2
Application number: JP16155999A
Authority: JP
Inventors: 浩之山下; 久司竹内; 正和平野
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2019-06-08
Also published as: JP2000343948A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、トラック等の車両のドア補強用部材として、ドアの前後方向に配置され、側面からの衝突時の衝撃を吸収し乗員の安全性を確保するために使用されるアルミニウム合金製ドアビーム材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、世界的規模で地球環境の問題が重要視されてきている。例えば、その一環として、地球温暖化抑制のために、自動車の排出する排気ガス、炭酸ガス等を削減することを目的とした法規制も各国で強化されつつあり、その結果、自動車の軽量化が急激に進展しつつある。
自動車のドアビームはインパクトビーム、インパクトバー、ガードバー、ドアサイドビームと呼ばれることもあるが、ドアの内部に前後方向に取り付けられ、衝突時の衝撃を吸収するものであり、これまでは鋼材（例えば１５０ｋｇｆ／ｍｍ^２クラスのハイテン鋼）が使用されてきたが、近年は軽量化の観点からアルミニウム製の押出形材の適用が検討されるようになってきた。
【０００３】
アルミニウム合金製ドアビーム材の両端部を支持した状態で、中央部に荷重を付加していくと、ドアビーム材の中央部は押し込まれて曲げ変形を起こす。荷重を負荷する側のフランジを圧縮側フランジ、それに対向する側を引張側フランジというが、このとき引張側フランジに引張歪みが発生する。さらに変位量が増大し、この引張歪みが材料の破断限界値を超えると引張側フランジに破断が生じる。
この破断変位を増大させるため、特開平５−２４６２４２号公報では、曲げの中立軸の位置を引張側フランジ側に必要量だけ偏らせることが開示されており、また特開平６−１７１３６２号公報では、中立軸を偏らせるのに加え、最大曲げ強度を達成した後に圧縮側に局部座屈を誘発し、引張側フランジにかかる応力を急激に下げることが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
乗員の安全を確保するために、ドアビームの適用車種は小型車へも広がる傾向にあり、その場合、ビーム長が短くなってくる。例えばドアビームを小型４ドア車のリアドアへ適用する場合は、ビーム長が８００ｍｍ以下となることもあり（上記特開平６−１７１３６２号公報の実施例ではスパン９５０ｍｍを用いている）、従来のビーム長の長いドアビームに比べ小さい変位量で破断が生じてしまう。一方、破断変位を大きくするには、ドアビームを構成するアルミニウム合金の強度を下げることが考えられるが、そうすると、一定の重量のもとで必要な最大荷重及びエネルギー吸収量を得ることができなくなるという問題がでてくる。
【０００５】
一方、特開平５−３３０４５０号公報には、一対のフランジと一対のウエブからなるドアビーム材において、ウエブの強度を衝撃荷重に対してビーム断面形状が変化するように設定し、引張側フランジの破断を防止することが記載されている。具体的には、例えば一方のウエブの厚さを他方より薄くする、圧縮側フランジと両ウエブの接続部の片側に隅肉部又は切欠き部を設ける等の手段により、ビーム断面形状が菱形状に変形する（両ウエブが横倒れする）ようにしたものである。また、特開平５−３１９０９２号公報にも同様に、ウエブに高さ方向の座屈を生じさせて断面全体を潰れ変形させ、破断を防止することが記載されている。これらの公報によれば引張側フランジの破断を防止できるとされているが、やはりドアビーム長が短くなった場合、断面形状の変形が安定せず、破断が起こり得るという問題があった。
このドアビームの破断は乗員を傷つける可能性があり、絶対に避けなければならないことである。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、短いビーム長でも破断が発生せず安定して断面形状を変形させることができ、同時に重量を増やすことなく必要な最大荷重及びエネルギー吸収量を稼ぐことのできるドアビームを得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアルミニウム合金製ドアビーム材は、長さ方向に垂直な断面において、圧縮側フランジと引張側フランジを一対のウエブにより連結した断面形状を有するアルミニウム合金押出形材からなり、両フランジは互いに平行でかつ両ウエブと直交し、前記断面での主軸が引張側フランジの外表面に垂直な方向に対して５゜〜２５゜の傾きを持っていることを特徴とする。ここで、主軸とは断面の重心を通る互いに直交する２つの軸のことであり、直交する２つの主軸のうち一方の軸に関する断面２次モーメントが極大となり、もう一方の軸に関する断面２次モーメントが極小となる。本発明でいう主軸は、この２つの主軸のうち引張側フランジの外表面に垂直な方向とのなす角度が小さい方の主軸を意味する。なお、本発明に係るドアビーム材において、一般に引張側フランジの外表面（最も引張側の表面を意味する）が想定される荷重の負荷方向に対し略垂直に向くように設置される。
上記のドアビーム材は、典型的には、各フランジとウエブがそれぞれ本質的に均等な厚さを持つ。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に示すドアビーム材は、本発明に係るドアビーム材の１つの典型的な形態であり、互いに平行な圧縮側フランジ１と引張側フランジ２をそれらに直交する一対のウエブ３、４により連結した断面形状を有し、両フランジ及び両ウエブが本質的に均等な厚さ（連結部のコーナーＲを除いて均等な厚さという意味）を有する。さらに詳しくは、このドアビーム材は圧縮側フランジ１の中心線ａ（圧縮側フランジ１の幅の中心を通り該フランジに垂直に引いた直線（＝荷重Ｐの負荷方向に引いた直線））と引張側フランジ２の中心線ｂがずれている。あるいは、このドアビーム材は圧縮側フランジ１の両張り出し部（左右のウエブから張り出した部分）の長さｃ_１、ｃ_２、引張側フランジ２の両張り出し部長さｄ_１、ｄ_２がそれぞれ異なり、かつそれぞれの長い方の張り出し部ｃ_１、ｄ_２が一方の対角上にある（当然、短い方の張り出し部ｃ_２、ｄ_１が他方の対角上にある）。
【０００９】
上記のドアビーム材は、その断面形状から、図２に示すように、断面２次モーメントが極小となる主軸ｅが引張側フランジの外表面に垂直な方向（＝荷重Ｐの負荷方向）と角度θをなし、断面２次モーメントが極大となる主軸ｆが角度（９０゜−θ）をなす。このうち引張側フランジの外表面に垂直な方向となす角度が小さい主軸ｅが本発明でいう主軸に相当する。なお、図２において、ｇはその断面における重心である。
【００１０】
先に挙げた特開平５−２４６２４２号公報や特開平６−１７１３６２号公報等に記載された従来のアルミニウム合金製ドアビームは、図４に示すように、長さ方向に垂直な断面において互いに平行な圧縮側フランジ１１と引張側フランジ１２をそれらに直交する一対のウエブ１３、１４により連結した断面形状を有し、両フランジ及び両ウエブが本質的に均等な厚さを有し、かつ左右対称となっている。さらに詳しくは、圧縮側フランジ１１の中心線ａと引張側フランジ１２の中心線ｂが一致し、あるいは、圧縮側フランジ１１の両張り出し部の長さｃ_１、ｃ_２、引張側フランジ１２の両張り出し部長さｄ_１、ｄ_２はそれぞれ等しくなっている（ｃ_１＝ｃ_２、ｄ_１＝ｄ_２）。
そして、断面２次モーメントが極小となる主軸ｅが引張側フランジ１２の外表面に垂直な方向（＝荷重Ｐの負荷方向）に対してなす角度は０゜である。
【００１１】
従来のドアビーム材はこのような断面形状をもつため、図５に示すように両端を支持しその中央部を負荷治具で押圧する３点曲げ試験（一般に実験室レベルでは、ドアビームの性能はこの試験による曲げ性能で評価される）を行うと、主軸ｅが荷重Ｐの負荷方向と平行であるため、あるいは圧縮側フランジの中心線ａ（主軸ｅと一致する）が引張側フランジの中心線ｂと一致するため、破断直前まで断面形状が元の形状を保っており、引張側フランジ１２に歪みが蓄積され、急激に破断が発生し歪みが開放される。また、この現象は荷重（Ｐ）−変位（δ）曲線にも現れ、急激な荷重低下を示す。
【００１２】
これに対し、本発明に係るアルミニウム合金製ドアビーム材は、図２に示すように主軸ｅが荷重Ｐの負荷方向に対しある傾きをもっているため、あるいは図１に示すように圧縮側フランジの中心線ａが引張側フランジの中心線ｂとずれているため、曲げ荷重Ｐを受けたとき、図３に例示するように、ビーム断面がひしゃげるように座屈変形（略菱型状に変形）を起こしやすく、破断が生じるほど引張側に歪みが蓄積される前に、引張側フランジ２側の負荷が緩和される。これにより引張側フランジに破断が発生し難くなり、圧縮側フランジにも破断が発生しにくくなる。
また、主軸ｅの傾きを制御することにより、ドアビームとしてのエネルギー吸収量や座屈変位、さらには座屈方向まで制御できる。特に座屈方向の制御は、ドア内にある他の部品（ウインドーレギュレータ関連部品（ブラケット類やモータ類含む））との干渉具合を考慮したうえで、衝撃が加わった際の最適なドアビームの座屈形態を得ることができるという利点につながる。
【００１３】
さて、本発明に係るアルミニウム合金ドアビーム材において（図２参照）、主軸ｅは引張側フランジの外表面に垂直な方向（＝荷重Ｐの負荷方向）に対し５〜２５゜の傾きθを持っている。この角度θが５゜より小さいと、比較的変形量が大きくなっても、座屈変形は顕著に現れず（元の形状を保ちやすく）、従来のドアビーム材と同様に引張側フランジの引張歪みが増大し、破断が発生する（図６参照）。また、破断が比較的早い段階で発生すると吸収エネルギーも小さくなる。この角度θが２５゜より大きいと、比較的変形量の小さい段階で座屈変形が顕著に現れ、荷重が大きく低下して破断は回避できるものの、十分な吸収エネルギーが得られない（図７参照）。一方、この角度θが５〜２５゜の範囲内であれば、破断が発生する前の比較的変形量の大きな段階で安定して座屈変形を発生させることができる（図８参照）。
【００１４】
なお、本発明においては、図１に示す断面形状以外に、ウエブのいずれか一方又は双方の厚みが均等でないもの（図９（ａ））、圧縮側フランジと引張側フランジのいずれか一方又は双方の厚みが均等でないもの（同（ｂ））、引張側フランジに厚肉部（ここに例えばネジ穴が形成される）を設けたもの（同（ｃ））、引張側フランジの外表面が平らでなく曲率をもっているものなど、種々の断面形状のものが考えられるが、主軸が荷重Ｐの負荷方向に対し５〜２５゜の角度をなすのであれば、上記座屈変形を安定して発生させることができる。
【００１５】
また、本発明に係るドアビーム材は、図２の例において、引張側フランジの両張り出し部の長さと圧縮側フランジの両張り出し部の長さが両方とも異なるものに限られず、引張側フランジか圧縮側フランジのいずれか一方の両張り出し部長さが異なり、他方の両張り出し部長さが同一であるものも含まれる。さらに、いずれか１又は２以上の張り出し部長さがゼロの場合も含まれる。
【００１６】
さらに、本発明のドアビーム材においては、引張側フランジの断面積を圧縮側フランジの断面積よりも大きく形成し、曲げの中立軸を引張側フランジ側に変位させることが望ましい。引張側フランジの断面積を圧縮側フランジの断面積より大きく形成する（引張側フランジの幅を圧縮側フランジより長くする及び／又は厚さを厚くする）と、曲げの中立軸が引張側に偏位し、同じ変位であれば引張側フランジにかかる引張歪みが軽減され、割れが発生しにくくなる。
なお、ドアビームは自動車の比較的狭いドア内部に設置されるものであるからコンパクトであること、製造面からは押出性等を考慮して、図１のタイプのドアビーム材であれば、フランジ及びウエブは厚さ１．５〜５ｍｍ、全高さ（図１の上下方向）１０〜４５ｍｍ、全幅（図１の左右方向）１０〜７０ｍｍの範囲内で断面形状を設計すればよい。
【００１７】
本発明に係るドアビーム材には、例えば７Ｎ０１、６０６１、６０６３、６Ｎ０１等の各種アルミニウム合金がいずれも適用できるが、特に下記組成のＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金及びＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金が望ましい。その組成について、以下説明する。なお、以下、％はｗｔ％を示す。
【００１８】
（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系）
望ましいＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、Ｚｎ：４〜７％、Ｍｇ：０．８〜１．５％を含有する。そのほか、適宜他の成分を含み得るが、好ましい組成として、Ｚｎ：４〜７％、Ｍｇ：０．８〜１．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．３％と、Ｃｕ：０．０５〜０．６％、Ｍｎ：０．２〜０．７％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％から選択された１種又は２種以上を含有し、残部がＡｌ及び不純物を挙げることができる。各成分の添加理由は次の通りである。
【００１９】
Ｚｎ、Ｍｇ
Ｚｎ、Ｍｇはアルミニウム合金の強度を維持するために必要な元素である。Ｚｎが４重量％未満、Ｍｇが０．８％未満では所望の強度が得られない。また、Ｚｎが７％、Ｍｇが１．５％を超えるとアルミニウム合金の押出性が低下するとともに伸びも低下し、所要の特性値が得られなくなる。従って、Ｚｎ：４〜７％、Ｍｇ：０．８〜１．５％とする。
Ｔｉ
Ｔｉは、鋳塊組織の微細化のために必須の元素である。Ｔｉが０．００５％より少ないと、微細化の効果が十分でなく、０．３％より多いと飽和して巨大化合物が発生してしまう。従って、Ｔｉの含有量は０．００５〜０．３％とする。
【００２０】
Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ
これらの元素はアルミニウム合金の強度を高める。また、Ｃｕはアルミニウム合金の耐応力腐食割れ性を改善し、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒは押出材に繊維状組織を形成して合金を強化する作用があり、これらの中から１種又は２種以上が適宜添加される。好適な範囲は、Ｃｕ：０．０５〜０．６％、Ｍｎ：０．２〜０．７％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％である。それぞれ下限未満では上記の作用が不十分であり、また、上限を超えると、押出性が悪くなり、Ｃｕの場合は一般耐食性が悪くなる。
【００２１】
不純物
不純物のうちＦｅはアルミニウム地金に最も多く含まれる不純物であり、０．３５％を超えて合金中に存在すると鋳造時に粗大な金属間化合物を晶出し、合金の機械的性質を損なう。従って、Ｆｅの含有量は０．３５％以下に規制する。
また、アルミニウム合金を鋳造する際には地金、添加元素の中間合金等様々な経路より不純物が混入する。混入する元素は様々であるが、Ｆｅ以外の不純物は単体で０．０５％以下、総量で０．１５％以下であれば合金の特性にほとんど影響を及ぼさない。従って、これらの不純物は単体で０．０５％以下、総量で０．１５％以下とする。
【００２２】
（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系）
望ましいＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｇ：０．５〜１．３％を含有する。そのほか、適宜他の成分を含み得るが、好ましい組成として、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｇ：０．５〜１．３％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％と、Ｃｕ：０．１〜０．７％、Ｍｎ：０．０５〜０．６％、Ｃｒ：０．０５〜０．２％、Ｚｒ：０．０５〜０．２％から選択された１種又は２種以上を含有し、残部がＡｌ及び不純物を挙げることができる。各成分の添加理由は次の通りである。
【００２３】
Ｓｉ、Ｍｇ
Ｓｉ、Ｍｇはアルミニウム合金の強度を維持するために必要な元素である。Ｓｉが０．５％未満、Ｍｇが０．５重量％未満では所望の強度が得られない。一方、Ｓｉが１．５％、Ｍｇが１．３％を超えるとアルミニウム合金の押出性が低下するとともに伸びも低下し、所要の特性値が得られなくなる。従って、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｇ：０．５〜１．３％とする。
一方、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、及び不純物については、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系と同様の理由で、前記の範囲内に限定される。
【００２４】
本発明のドアビーム材はアルミニウム合金の押出形材からなり、大きい最大荷重及びエネルギー吸収量を得るためには、結晶組織は繊維状組織をなすことが望ましい。繊維状組織とは、押出材にみられる熱間加工組織で、押し出し方向に長く伸ばされた結晶粒組織のことである。
また、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金及びＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金からなるドアビーム材が曲げを受けたときの変形形態と、当該合金の加工硬化指数（ｎ値）及びシャルピー衝撃値には相関があり、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金製ドアビーム材の場合、加工硬化指数が０．０５〜０．１７、かつシャルピー衝撃値が２０〜４５Ｊ／ｃｍ^２の範囲内、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金製ドアビーム材の場合、加工硬化指数が０．０７〜０．２０、かつシャルピー衝撃値が２５〜５０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内にあることが望ましい。より望ましい範囲は、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系が加工硬化指数０．０５〜０．１１、シャルピー衝撃値２３〜３４Ｊ／ｃｍ^２、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系が加工硬化指数０．０７〜０．１５、シャルピー衝撃値３１〜４９Ｊ／ｃｍ^２である。なお、これらはいずれも引張側フランジ部の特性である。
【００２５】
【実施例】
図１０に示す断面形状（基本的な断面形状は図１と同じ＝本発明）及び図１１に示す断面形状（基本的な断面形状は図４と同じ＝比較例）をもち、Ｍｇ：１．４％、Ｚｎ：６．５％、Ｃｕ：０．２％、Ｚｒ：０．１５％を含むＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系アルミニウム合金押出形材を、スパン７５０ｍｍの３点曲げ試験にて負荷治具を変位量（δ）３００ｍｍまで押し込んだ。図１０に示すドアビーム材では主軸の傾きθは８．５゜であり、図１１に示すドアビーム材では０゜である。
そのときの荷重（Ｐ）−変位（δ）曲線を図１２に示し、数値の比較を表１に示す。なお、表１において、破断変位とは、引張フランジが破断し荷重が急激に低下し、ほぼ０になるときの変位量、座屈変位とは、座屈変形（略菱形状に変形）が顕著に発生し、荷重が急激に低下するときの変位量を意味する。
【００２６】
【表１】

【００２７】
図１２及び表１に示すように、比較例のドアビーム材は破断変位が１２９ｍｍであったが、本発明のドアビーム材は図１２におけるＡ点で座屈変形が始まり、破断は発生しなかった。最大荷重、吸収エネルギー（Ｐ−δ曲線で囲まれる面積）も大きくなっている。
【００２８】
また、基本的な断面形状が図１と同じで、主軸と荷重の負荷方向のなす角度θがそれぞれ異なり、Ｍｇ：１．４％、Ｚｎ：６．５％、Ｃｕ：０．２％、Ｚｒ：０．１５％を含むＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系アルミニウム合金押出形材を、スパン７５０ｍｍの３点曲げ試験にて負荷治具を変位量（δ）３００ｍｍまで押し込んだ。なお、これらのドアビーム材の断面形状は、フランジ張り出し部長さ（ｃ_１、ｃ_２、ｄ_１、ｄ_２）を変えているが、ドアビーム高さ、ウエブ厚み、両フランジの面積は全ての試験材で同じとした。従って、断面変形（座屈）がないと仮定すれば、理論的には最大荷重は全て同一となる。
フランジ張り出し部長さ（ｃ_１、ｃ_２、ｄ_１、ｄ_２）、角度θ、並びに破断が発生する変位量又は座屈が発生する変位量を表２に示す。
【００２９】
【表２】

【００３０】
表２に示すように、角度θが本発明の規定を満たさないＮｏ．１、Ｎｏ．２のドアビーム材は破断が発生し、Ｎｏ．８のドアビームは破断が発生しないが、座屈が早い段階で発生してしまう。一方、Ｎｏ．２〜７のドアビーム材は破断が発生せず、しかも座屈が比較的遅い段階で発生し、吸収エネルギーは大きくなる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、短いビーム長でも破断が発生せず、安定して断面形状を変形（座屈変形）させることができる。同時に重量を増やすことなく必要な最大荷重及びエネルギー吸収量を稼ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るドアビーム材の断面形状を説明する図である。
【図２】その断面形状をさらに説明する図である。
【図３】その座屈変形の様子を説明する図である。
【図４】従来のドアビーム材の断面形状である。
【図５】ドアビーム材の３点曲げ試験方法を説明する図である。
【図６】破断が発生する場合の荷重（Ｐ）−変位量（δ）の模式図である。
【図７】座屈が比較的はやい段階で発生する場合の荷重（Ｐ）−変位量（δ）の模式図である。
【図８】座屈が比較的遅い段階で発生する場合の荷重（Ｐ）−変位量（δ）の模式図である。
【図９】本発明に係るドアビーム材の他の断面形状の例を説明する図である。
【図１０】実施例（本発明）に用いたドアビーム材の断面形状である。
【図１１】実施例（比較例）に用いたドアビーム材の断面形状である。
【図１２】実施例で得られた荷重（Ｐ）−変位曲線（δ）である。
【符号の説明】
１、１１圧縮側フランジ
２、１２引張側フランジ
３、４、１３、１４ウエブ
ａ圧縮側フランジの中心線
ｂ引張側フランジの中心線
ｃ_１、ｃ_２、ｄ_１、ｄ_２フランジの張り出し部長さ
ｅ主軸
ｆ主軸
ｇ重心

Claims

長さ方向に垂直な断面において、圧縮側フランジと引張側フランジを一対のウエブにより連結した断面形状を有するアルミニウム合金押出形材からなり、両フランジは互いに平行でかつ両ウエブと直交し、前記断面での主軸が引張側フランジの外表面に垂直な方向に対して５゜〜２５゜の傾きを持っていることを特徴とするアルミニウム合金製ドアビーム材。
各フランジとウエブがそれぞれ本質的に均等な厚さを持つことを特徴とする請求項１に記載されたアルミニウム合金製ドアビーム材。
長手方向の長さが８００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載されたアルミニウム合金製ドアビーム材。