JP4388340B2 - 自動車用強度部材 - Google Patents

Description

本発明は、衝突初期の曲げ反力が高く、しかも製造コストの低減と軽量化を図ることができる自動車用強度部材に関するものである。

近年、自動車の側面からの衝突に対する基準がさらに厳しくなりつつあり、車体構造設計の思想も変化してきている。自動車のドアにはドアガードバーが装備されている。従来、ドアガードバーは側突時にそれ自体が変形することにより衝突エネルギ−を吸収し、乗員の受ける衝撃を軽減するための部材として考えられていた。

最近、側突時の衝突エネルギ−はドア全体で吸収させる車体構造設計となりつつある。このような車体構造において、ドアガードバーは、衝突エネルギ−をドアガードバー周辺の他部材へ伝達させ、他部材の変形により衝突エネルギ−を吸収させるというエネルギ−伝達経路部材として使用されつつある。従って、ドアガードバーとして使用する部材は衝撃力が負荷されても弾性変形範囲内に抑え変形しないことが重要であり、特に衝突初期の曲げ反力の高い特性を有する部材が要求される。このようなことから、部材の高強度化が考えられるが、高強度化することで脆性破壊や水素割れと云った問題が発生し、高強度化だけでは、自動車用部材としては好ましくない。そこで、衝突初期の曲げ反力向上のために形状に着目し、検討を行った。

これまでに、ドアガードバー用の部材としては、吸収エネルギ−の観点から静的曲げ試験によりさまざまな検討がなされてきた。例えば、断面が丸の鋼管のままで高強度化することで高い吸収エネルギ−を得るものが知られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、丸断面鋼管の曲げ変形挙動は、負荷直下部に荷重が集中し、局部座屈により断面が扁平しやすく、衝撃曲げにおいても同様に弱いという特性がある。従って、高い衝突初期の曲げ反力が得られない。

また、閉断面構造で、その長手方向の最大寸法、その直角方向の最大寸法、外周長さ、及び肉厚、これらの関係を規定した引張強さ１４００ＭＰａ以上である自動車用構造部材が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この部材では、確かに吸収エネルギ−と曲げ反力は従来に比較して向上しているが、いずれも静的曲げ試験による結果であり、衝撃曲げ試験に対しても高い衝突初期の曲げ反力が得られるかについては不明である。

一方、これらに対し、丸管よりも曲げ特性に優れた角管も開発されている。即ち、角管のコーナー部の外側にはＲを設けないか或いは肉厚未満の大きさのＲを設け、内面には外側より大きいＲを設けることで、曲げ入力方向に平行な両側面の端に直接荷重が負荷され、断面扁平を起こしにくくすることで、曲げ反力を向上させる角管が提案されている（例えば、特許文献３参照）。部材の引張強さは１４７０ＭＰａ級であり、このような引張強さを有する部材では曲げ荷重負荷により脆性破壊や水素割れが発生する可能性が出てくる。また、電縫鋼管等により製造した丸管から更に角管に加工する場合、角部の内面に外面より大きいＲを設けるには製造上難しく、上記のような断面形状に製造する場合、コストが著しく高くなってしまうという問題がある。

特開平４−６３２４２号公報 特開２００２−２４８９４１号公報 特開平６−２７８４５８号公報

これまでに検討されてきたドアガードバー用の部材としては、塑性変形範囲での吸収エネルギ−向上の観点から静的曲げ試験により検討されてきており、衝撃曲げにおいて、衝突初期に高い曲げ反力が得られるかについては不明である。また、部材は高強度のため脆性破壊や水素割れが発生する可能性が出てくる。さらに、電縫鋼管等により製造した丸管から更に角管に加工する場合、内面に外面より大きいＲを設けるのは製造上難しく、上記のような断面形状に製造する場合、コストが著しく高くなってしまう問題がある。

本発明は、衝突初期の曲げ反力が高く、しかも製造コストの低減と軽量化を図ることができる断面形状を有する自動車用強度部材を提供することにある。

前記したようにドアガードバー部材は、側面衝突時に弾性変形範囲内に抑え変形しないことが重要であり、特に衝突初期の高い曲げ反力を示す特性が要求されている。

本発明者らが検討した結果、図１に示すように部材の長手方向と垂直な方向から衝撃曲げ荷重を負荷した時、丸管の衝突初期の曲げ反力に比べて角管には衝突初期に高いピークの曲げ反力が存在し、この衝突初期の曲げ反力を向上させるためには、角管のコーナー部の座屈を極力小さくすることと、曲げ入力方向に平行な両側面の端に直接荷重を負荷させることが重要であることを見出した。

角管のコーナー部の座屈を極力小さくするためには、外側コーナー部のＲを小さくし、かつ板厚を厚くすることが効果的である。また、曲げ入力方向に平行な両側面の端に直接荷重を負荷させるためには、外側コーナー部のＲを辺の板厚より極力小さくすることが効果的である。この場合、コーナー部以外の各辺の板厚は一定である。更に、直接荷重が負荷された両側面の板厚を厚くすることでも両側面が強化され衝突初期の曲げ反力が高くなることを見出した。また、部材の高強度化も効果的である。ただし、部材の引張強さが高すぎると脆性破壊や水素割れが心配される。

一方、製造コストの観点からは、外側コーナー部のＲは内側コーナー部のＲより大きくすることで、製造が容易となり、製造コストが低減できる。

これらの知見から得られた本発明は以下の構成を要旨とするものである。

（ｉ）断面が正方形を成す角鋼管であり、下記の（１）〜（３）式を同時に満たし、且つ引張強さで６９０ＭＰａ以上の強度を有することを特徴とする自動車用強度部材。
Ｒ₁≦１．５ｔ ・ ・ ・（１）
ｔ_R≧１．１ｔ ・ ・ ・（２）
Ｒ₁≧Ｒ₂ ・ ・ ・（３）
ｔ；辺の板厚（ｍｍ）
ｔ_R；コーナーの板厚（ｍｍ）
Ｒ₁；外側コーナーＲ（ｍｍ）
Ｒ₂；内側コーナーＲ（ｍｍ）

（ｉｉ） 前記角鋼管の断面における硬さの最大値および最小値がともに、断面全体の平均値の±３０％以内の範囲であることを特徴とする（ｉ）記載の自動車用強度部材。

本発明により、衝突初期の高い曲げ反力が得られ、しかも製造コストの低減と軽量化を図ることができる断面形状を有する自動車用強度部材を提供することができ、自動車のより安全性の向上、及びコスト削減を図れる。

以下、本発明を詳細に説明する。

まず、第１の発明について説明する。

衝突初期の曲げ反力を向上させるためには、コーナー部の座屈を極力小さくし、曲げ入力方向に平行な両側面の端に直接衝撃荷重を負荷させることにより、断面扁平を起こしにくくする必要がある。

外側コーナー部のＲ（Ｒ₁）が大きすぎると、曲げ入力方向に平行な両側面の端に直接荷重が負荷されず、曲げ入力方向と垂直な入力側の面の中央周辺のみが押されるため曲げ入力方向に平行な両側面が外側に広がり、断面扁平が起こりやすくなる。その結果、衝突初期の曲げ反力は低下する。特に、外側コーナー部のＲ（Ｒ₁）が板厚（ｔ）の１．５倍を超えると著しく衝突初期の曲げ反力が低下する。従って、下記（１）式のように外側コーナーＲ₁は板厚の１．５倍以下とする。
Ｒ₁≦１．５ｔ ・ ・ ・（１）

また、コーナー部の座屈を極力小さくするためにはコーナーの板厚（ｔ_R）を厚くすることも効果的である。

コーナーの板厚（ｔ_Ｒ）を厚くすることで、コーナー部の座屈抵抗が大きくなり、曲げ入力方向に平行な両側面の端により直接荷重を負荷することができる。コーナー板厚（ｔ_Ｒ）が辺の板厚の１．１倍未満では効果がない。そして、コーナー以外の各辺の板厚が同じ板厚ｔである。したがって、コーナー板厚（ｔ_Ｒ）は下記（２）式のように辺の板厚の１．１倍以上とすることが必要である。尚、ここでコーナー板厚（ｔ_Ｒ）はコーナー部で最も厚い部分の板厚をいう。
ｔ_Ｒ≧１．１ｔ ・ ・ ・（２）

一方、外側コーナーＲ（Ｒ₁）は内側コーナーＲ（Ｒ₂）より大きくするほうが製造が容易で、しかも製造コストが低減できる。即ち下記（３）式を満足することが必要である。
Ｒ₁≧Ｒ₂ ・ ・ ・（３）

更に部材の引張強さが６９０ＭＰａ未満では高い衝突初期の曲げ反力が得られないので、部材の引張強さは６９０ＭＰａ以上とする。なお、部材の引張強さが高すぎると部材の脆性破壊や水素割れが心配されるため、部材の引張強さは１４７０ＭＰａ未満が好ましい。

高い衝突初期の曲げ反力と製造コスト低減が達成できる角鋼管は上記（１）、（２）、（３）式の条件を同時に満たし、且つ、引張強さは６９０ＭＰａ以上とすることが必要である。一つの条件でも満たされていないと、高い衝突初期の曲げ反力と製造コスト低減が両立しない。

次に第２の発明について説明する。

第２の発明は、角鋼管の断面硬さの最大値および最小値は、断面全体の平均値の±３０％以内の範囲とすることを規定したものである。その範囲を超えると、断面硬さの最大値の位置では延性が著しく低くなり、その位置において、脆性破壊しやすくなる。

本発明の自動車用強度部材である角管を製造する方法としては、引き抜き、ロ−ル成形、押し出し成形等がある。

また、自動車用強度部材を形成する材料としては、鋼材が一般的である。

本発明の自動車用強度部材は、特に衝突初期の曲げ反力が重要であることから、衝撃曲げ試験により衝突初期の曲げ反力を調査した。試験条件は、試験片の長手方向長さＬ＝９００ｍｍで落錘試験機により落下速度４．４３ｍ／ｓｅｃ、落錘質量５０ｋｇ、曲げスパン長さＬ＝７００ｍｍとし両端の支持部は固定端とした。

図２に角管の断面形状を示す。ここで、Ｄは正方形断面の一辺の長さ寸法（外寸）である。

表１に各種の自動車用強度部材を示す。従来のドアガードバーは１４７０ＭＰａ級丸鋼管（φ３５．０×ｔ２．３ｍｍ）が使用されていることから、この丸鋼管（記号：Ｈ）に対する衝突初期の曲げ反力の上昇率、重量比を比較している。ここで、断面硬さの最大値および最小値と断面硬さの平均値の差を求めるために、断面の硬さを測定している。硬さは、ビッカ−ス硬さ試験方法によりＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４４）を満足するように１ｍｍピッチで測定した。本発明例のＡ、Ｂ材は従来材であるＨ材に比較して、軽量であるにもかかわらず衝突初期の曲げ反力が高い。本発明例のＣ材はＨ材と比べて、衝突初期の曲げ反力はそれほど高くないが、重量の低減代が大きく、自動車用部材としての軽量化効果は高い。これに対して、比較材であるＤ、Ｅ、Ｆ、Ｇ材は従来材Ｈと比べて、衝突初期の曲げ反力および重量低減代が低い。即ち、ＤはＲ₁が１．５ｔ超であり、Ｅはｔ_Rが１．１ｔ未満であり、Ｆは引張強さが小さく、それぞれ本発明範囲から外れている。また、Ｇ材は電縫鋼管等の丸鋼管から角鋼管に連続ロ−ル成形法により製造されており、Ｇ材の断面硬さの最大値および最小値と断面硬さの平均値の差は３３．８％となり、本発明における３０％以内を大きく上回ってしまう。断面硬さの大きな部位では延性が著しく低下し、脆性破壊し易くなる。電縫鋼管等の丸鋼管から角管を連続ロ−ル成形法により製造する場合、溶接部は溶接されたままであることから、本発明における３０％を上回る結果となっている。一方、Ｃ材と引き抜き法により製造した部材は、丸鋼管を製造後、熱処理を施し、溶接部と母材部の材質を均一化しているため、断面硬さの最大値および最小値と断面硬さの平均値の差は１０．５％となり、本発明における３０％以内を満足している。

衝撃曲げにおける角管および丸管の変位と曲げ反力曲線を比較した図である。 角管の断面形状を説明した図である。

符号の説明

ｔ_R コーナーの板厚（ｍｍ）
Ｒ₁ 外側コーナーＲ（ｍｍ）
Ｒ₂ 内側コーナーＲ（ｍｍ）
ｔ 向かいあった一対の辺の板厚（ｍｍ）

Claims (2)

1. 断面が正方形を成し、コーナー以外の各辺の板厚が同じ角鋼管であり、下記の（１）〜（３）式を同時に満たし、且つ、引張強さで６９０ＭＰａ以上の強度を有することを特徴とする自動車用強度部材。
   Ｒ_１≦１．５ｔ ・ ・ ・（１）
   ｔ_Ｒ≧１．１ｔ ・ ・ ・（２）
   Ｒ_１≧Ｒ_２ ・ ・ ・（３）
   ｔ；辺の板厚（ｍｍ）
   ｔ_Ｒ；コーナーの板厚（ｍｍ）
   Ｒ_１；外側コーナーＲ（ｍｍ）
   Ｒ_２；内側コーナーＲ（ｍｍ）
2. 前記角鋼管の断面における硬さの最大値および最小値がともに、断面全体の平均値の±３０％以内の範囲であることを特徴とする請求項１記載の自動車用強度部材。

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