JP7207452B2 - 自動車用構造部材、及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、天板部の両側にそれぞれ側壁部及びフランジ部が連続する断面ハット形状からなる２つのハット断面部材で閉断面形状を構成する自動車用の構造部材（中空部材）に係るものである。本発明は、２つの天板部の対向方向に沿った方向から入力される衝突荷重による曲げ変形に対し、特に耐衝突性能を有する構造部材を提供する技術である。

近年、自動車分野では、乗員保護の観点から衝突安全基準の厳格化が進められており、高強度鋼の適用拡大や衝突安全性能に優れる車両開発が強く求められている。
ここで、衝突の形態としては、軸圧壊する衝突形態と、曲げ変形する衝突形態とがある。軸圧壊する衝突形態では、自動車前面から入力される衝突荷重を受けるクラッシュボックスやフロントサイドメンバのように、部材の長手方向が衝突方向と一致して軸圧壊が発生する。曲げ変形する衝突形態では、側面衝突におけるＢピラーやサイドシルのように、構造部材の側面に衝突荷重が負荷されて部材が曲げ変形する。両方の形態は、いずれも、部材が座屈変形することで衝突エネルギーを吸収し、耐衝突性能を発揮する。

また部材により求められる耐衝突性能は異なる。例えば、キャビン周りの骨格部材には、乗員保護の観点から変形を抑制し安全を確保する役割が求められる。一方、キャビンから離れた先端側や後端側の部位では、エネルギー吸収の観点から、部材が積極的に変形することで衝突時のエネルギーを効率よく吸収し、他の構造部材へと荷重を分散させながら、荷重を伝達する役割が求められる。

耐衝突性能を向上させる技術の１つとして、補強部品を取り付けることで構造部材の強度を向上させる技術が提案されている。例えば、特許文献１には、構造部材の内部に複数個のバルクヘッドを設けると共にバルクヘッドの間に補強材を設けることで、変形を抑制する技術が挙げられている。また、特許文献２には、構造部材の形状に沿った断面がＬ字状あるいはコの字状の補強部品を、構造部材の内側あるいは外側に配置することで、構造部材の稜線を中心に底板部と側壁部を補強する技術が挙げられている。更に特許文献３、４には、構造部材の内側に発泡材を充填する、あるいは発砲充填した補強部品を衝突時に変形しやすい屈曲部に配置することで、変形を抑制する技術が挙げられている。
また他の補強方法として、特許文献５には、板厚を最適化し、稜線部を含む箇所を部分的に厚くすることで部材強度を増加させて、変形を抑制する技術が挙げられている。

一方、特許文献６は、ハット断面部材及びクロージングプレートから閉断面構造と、左右の側壁部を連結する補強部品と、を備えた構造を前提とする。そして、特許文献６には、ハット断面部材における左右の側壁部にそれぞれ部分的な低強度部を設けることで曲げ圧壊時の変形挙動を制御し、部材長手方向の折れ曲がりを抑制し、変形時の部材侵入量を抑える技術が記載されている。
また、特許文献７には、左右の側壁部を連結する補強部品（第１連結部３０)の配置位置を最適化することで、曲げ圧壊時の断面変形を拘束し、衝突性能を向上させる技術が挙げられている。

特開平９－２０２６７号公報 ＷＯ２０１７－０３０１９１号公報 特開２００２－３６４１３号公報 特開２０１７－１５９８９６号公報 特開２００９－１７３１１０号公報 ＷＯ２０１8－２０７６６８号公報 特開２０１２－２３６５２５号公報

しかしながら、これら特許文献は部材の変形を制御し、補強部品を設けることなく衝突時のエネルギーを効率よく吸収する技術については開示されていない。
例えば、特許文献１～５の技術は補強部品や充填材によって変形抵抗を高めることで衝突時の荷重を増加させる技術である。
しかしながら、構造部材に対し単純に補強部品を取り付けた場合、耐衝突性能は向上するものの、部品点数の増加を招いて必要以上に重量が増加したり、金型の増加を招いたりして、コスト面の課題がある。
また、発泡充填材による補強は、生産工程の複雑化が懸念され、リサイクル性の観点からも課題がある。また、部分的に発砲充填部材を取り付ける場合、部材取付けに接着が用いられるが、変形途中でのはく離や経年劣化などの接着性に課題があり、安定した耐衝突性能の確保が困難であると考えられる。

更に、部分的に板厚を厚くする補強方法を採用する場合は、差厚鋼板が必要となる。この場合、例えばテーラードブランクのような技術が必要となり、溶接や成形の課題、あるいは生産面での課題がある。
更にまた、これらの特許文献に記載の方法は、剛性を高め変形抵抗を高めることで、耐衝突性能を向上させる技術であり、部材を変形させ、効率よくエネルギー吸収を高めるための、つまり変形が進む過程においても高い変形抵抗を維持するための技術ではない。前述の通り、部材によって求められる耐衝突性能は異なるが、各特許文献に記載の方法は、あえて潰すことでエネルギーを吸収する場合に適しているとは言い難い。

また、特許文献６、７の技術は、衝突過程での部品変形挙動を制御する衝突性能向上技術であるが、閉断面構造に対し補強部品を設けることを前提とするため、上記知見と同様に重量やコスト面での課題が挙げられる。
また、特許文献６の技術は、折れ曲がりによる部材侵入量を制御する技術であり、効率よく衝撃を吸収するための技術とは異なる。特許文献６の技術では、部材強度制御のため、局所的な熱処理やテーラードブランクなどの技術を活用する必要があり、工程数の増加や材質ばらつきなどの生産面での課題も挙げられる。
特許文献７の技術は、本開示と同様に断面変形制御による衝突性能向上ではある。しかし、特許文献７の技術は、断面変形拘束による衝突時の最大荷重向上を目的とした補強部品の好適な配置であり、断面変形のバランスを制御しつつ、補強部品を活用せず簡便に効率よくエネルギー吸収を高めるために変形が進む過程においても高い変形抵抗を維持するための断面変形制御技術ではない。

本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、補強による重量の増加を抑えつつ、簡便に耐衝突性能を向上させることが可能な自動車用構造部材を提供することを目的とする。

本発明者は、上記のような課題に対して、部材を積極的に変形させ衝突エネルギー吸収を効率良く高めつつ、プレス加工による補強部品の部品点数の増加を抑えて重量増加を抑制し、かつ簡便に耐衝突性能を向上させる構造部材の形状について、鋭意検討した。その検討の結果、部材の閉断面形状の接合位置を工夫することで、必ずしも補強部品を必要としないことで重量の増加を抑えつつ、簡便に耐衝突性能を向上させることができるとの知見を得た。本発明は、そのような知見に基づきなされたものである。

課題解決のために、本発明の一態様は、天板部の両側にそれぞれ側壁部及びフランジ部が連続する断面ハット形状からなる２つのハット断面部材における、対向するフランジ部同士をそれぞれ接合して閉断面形状を構成する中空部材を有し、２つの天板部の対向する方向を高さ方向とした場合、一方のフランジ部同士の接合面である第１合わせ面の高さ方向の位置と、他方のフランジ部同士の接合面である第２合わせ面の高さ方向の位置と、が異なることを要旨とする。

また、本発明の他の態様は、閉断面形状の自動車用構造部材の製造方法であって、天板部の左右両側にそれぞれ側壁部及びフランジ部が連続する断面ハット形状からなる２つのハット断面部材における、対向するフランジ部同士をそれぞれ接合して閉断面形状の中空部材を作製し、２つのハット断面部材として、それぞれ、左右の側壁部の高さが異なる部材を使用することを要旨とする。

本発明の態様によれば、閉断面構造に対し、必ずしも補強部品を設ける必要がないことによる重量の増加を抑えつつ、簡便に耐衝突性能を向上させることができる自動車用構造部材を提供することが可能となる。
すなわち、本発明の態様では、２つのハット断面部材の左右の合わせ面（接合面）である第１合わせ面及び第２合わせ面について、基準とする一方の天板部からの互いの高さを異なる配置とする。これによって、本発明の態様によれば、２つの天板部の対向方向に沿った方向に衝突荷重に対し、曲げ変形時の部材断面変形の際に掛かる負荷を分散させることで、部材を変形させつつ、効率よく衝突エネルギーを吸収させることが可能となる。

また、本発明の態様によれば、必ずしも補強部品や発泡材などを用いる必要がないため、部品点数の増加による重量増加や、金型増加によるコスト増加、あるいはリサイクルや、生産性を阻害することなく簡便に耐衝突性能を向上させることができる。
ここで、上記の補強部品としては、例えば、各特許文献に記載のような補強部品がある。その補強部品としては、例えば、ハット断面部材を構成する左右の側壁部を連結する補強部品、例えば、閉断面内に配置されて左右方向に延在し、端部をそれぞれ左右の側壁部に連結した補強部品や、天板部の幅方向に当該天板部を跨がるように延在すると共に、端部をそれぞれ左右の側壁部外面に連結した補強部品などが例示できる。

本発明に基づく実施形態に係る中空部材を示す斜視図である。 本発明に基づく実施形態に係る中空部材の断面図である。 実施例における３点曲げ解析条件を説明する側面図である。 実施例における３点曲げ解析条件を説明する斜視図である。 上側の天板部から下側の天板部に向かう方向に荷重を負荷した際の挙動を示す図である。 荷重負荷のストローク（押込み量）と荷重との関係の一例を示す図である。 平均荷重と合わせ面間の高さとの関係を示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（構成）
本実施形態では、図１及び図２に示すような天板部１０Ａ、１１Ａの両側にそれぞれ側壁部１０Ｂ、１１Ｂ及びフランジ部１０Ｃ、１１Ｃが連続する断面ハット形状からなる２つのハット断面部材１０、１１について、左右の対向するフランジ部１０Ｃ、１１Ｃ同士を接合して閉断面形状を作成して中空部材とする。その中空部材を、補強すべき自動車用構造部材１（以下、単に構造部材１とも記載する。）とする。フランジ部１０Ｃ、１１Ｃ同士の接合は、例えば、スポット溶接にて行われる。

ここで、右側で対応するフランジ部１０Ｃ、１１Ｃ同士の接合面を、第１合わせ面Ｓ２と、左側で対向するフランジ部１０Ｃ、１１Ｃ同士の接合面を、第２合わせ面Ｓ１と記載する。
本明細書では、図１及び図２に示すように、２つのハット断面部材１０、１１の天板部１０Ａ、１１Ａ同士が上下で対向配置させた状態の姿勢で説明する。本実施形態では、上側のハット断面部材１０側の天板部１０Ａに対し構造部材１側方からの衝撃が入力しやすい場合とする。

また、本明細書では、２つの天板部１０Ａ、１１Ａの対向する方向を、高さ方向と呼ぶ。
そして、本実施形態では、２つの天板部１０Ａ、１１Ａのうちの一方の天板部１０Ａからの、右側の第１合わせ面Ｓ２の高さＬ２の高さ方向の位置と、左側の第２合わせ面Ｓ１の高さＬ１の高さ方向の位置とが異なるように設定する。
一方の天板部は、例えば、衝撃が入力しやすい上側の天板部１０Ａとする。

対向する２つの天板部１０Ａ、１１Ａ間の距離をＨとし、上記第１合わせ面Ｓ２の高さＬ２と上記第２合わせ面Ｓ１の高さＬ１との差をｈ（＝｜Ｌ１－Ｌ２｜）とした場合、下記（１）式を満足することが好ましい。
０ ＜ ｈ/Ｈ ≦ ０．５５ ・・・（１）
より好ましくは、「０．０５ ≦ ｈ/Ｈ ≦ ０．５」である。
ここで、第１合わせ面Ｓ２と第２合わせ面Ｓ１と間の高さの差ｈが、天板部間の高さＨの０．５５倍より大きくなった場合は、衝突荷重が負荷されていくと、衝突過程における変形のバランスが大きく崩れ、断面が左右の一方向に折れ曲がる（平行四辺形を押しつぶすイメージ）ため、変形抵抗が大きく低下すると考えられる。
また、左右の合わせ面の高さ方向の差ｈは、例えば、２ｍｍよりも大きいことが好ましい。また、左右の合わせ面の高さ方向の差ｈは、例えば０．０５Ｈ以上が好ましい。

但し、第１合わせ面Ｓ２と第２合わせ面Ｓ１と間の高さの差ｈが大きいほど、軸方向の荷重などに対し、閉断面形状が捻れる方向の変形が印加されやすくなる。このため、差ｈは小さい方が好ましい。この観点から、差ｈのより好ましい上限値を、０．５５Ｈ以下とした。

本実施形態では、２つのハット断面部材１０、１１として、同一断面形状の部材を採用し、２つのハット断面部材１０、１１のうち一方の天地を逆にして接合することで、閉断面形状の中空部材としている。このため、近位の天板部１０Ａに対する右側の第１合わせ面Ｓ２の高さと、近位の天板部１１Ａに対する左側の第２合わせ面Ｓ１の高さが等しくなっている。
また、中空部材の高さ方向中央位置に対する左右の合わせ面Ｓ１、Ｓ２の高さａ、ｂが等しくなっている。これらの値は左右で異なっていてもよい。ただし、２つのハット断面部材１０、１１として、同一断面形状の部材を採用した方が、加工コストなどの点で有利である。２つのハット断面部材１０、１１の断面形状が若干異なっていても良い。例えば、高さ方向に沿った、第１合わせ面Ｓ２の高さ方向の位置と第２合わせ面Ｓ１の高さ方向の位置との中点位置ＳＰの、２つのハット断面部材のいずれか一方の天板部からの距離（（Ｌ１＋Ｌ２）／２）は、０．４Ｈ以上０．６Ｈ以下とする。中点位置が高さ方向の中央部及び近傍にある方が、閉断面構造に左右差を付与しつつも、左右バランスが大きく崩れることを抑えることができる。

もっとも、この２つのハット断面部材１０、１１は、同じ寸法である必要はない。例えば、上側のハット断面部材１０の高さに比べて、下側のハット断面部材１１の高さの方が低くても構わない。ハット断面部材１０、１１の高さは、天板部に対する左右のフランジ部の高さの平均値位置での高さとする。２つのハット断面部材１０、１１の高さ比は、例えば高さが大きい方のハット断面部材１０、１１と高さが低い方のハット断面部材１０、１１との高さの比を、１：１～１：０．５とする。

また、対向する２つの天板部１０Ａ、１１Ａは互いに平行でなくてもよく、一方の天板部に対し他方の天板部が傾斜していても良い。
なお、各天板部１０Ａ、１１Ａや側壁部１０Ｂ、１１Ｂに、長手方向に向けて延びる１又は２以上のビードが形成されていても良い。長手方向に延びるビードを設けることで、自動車用構造部材１は、中空部材の長手方向に沿った方向への荷重入力に対する強度が向上する。
また、図１その他の図面には、実施例における部材の寸法を併記しているが、この寸法は、本発明を何ら限定するものではない。

（効果）
本実施形態では、次のような効果を奏する。
（１）本実施形態では、天板部の両側にそれぞれ側壁部及びフランジ部が連続する断面ハット形状からなる２つのハット断面部材における、対向するフランジ部同士をそれぞれ接合して閉断面形状を構成する中空部材を有し、２つの天板部の対向する方向を高さ方向とした場合、一方のフランジ部同士の接合面である第１合わせ面Ｓ２の高さ方向の位置と、左側の上記フランジ部同士の接合面である第２合わせ面Ｓ１の高さ方向の位置と、が異なる構成とする。
この構成によれば、中空部材に必ずしも左右の側壁部の開きを抑制するような補強部品を別途設けることなく、曲げ変形する衝突形態において、構造部材１の耐衝突性能を向上させることが可能となる。すなわち、本実施形態によれば、補強による重量の増加を抑えつつ、簡便に耐衝突性能を向上させることが可能な自動車用構造部材を提供することが可能となる。

すなわち、本実施形態によれば、２つのハット断面部材の左右の合わせ面（接合面）である第１合わせ面Ｓ２及び第２合わせ面Ｓ１について、基準とする一方の天板部１０Ａからの互いの高さＬ１、Ｌ２を異なる配置とする。これによって、２つの天板部の対向方向に沿った方向に衝突荷重に対し、本実施形態では、曲げ変形時の部材断面変形において掛かる負荷を分散させることで、部材を変形させつつ、効率よく衝突エネルギーを吸収させることが可能となる。
また、本実施形態によれば、補強部品や発泡材などを用いないため、部品点数の増加による重量増加や、金型増加によるコスト増加、あるいはリサイクルや、生産性を阻害することなく簡便に耐衝突性能を向上させることができる。

（２）上記２つのハット断面部材はともに、ハット断面部材を構成する補強部品を有しない。
（３）対向する２つの天板部間の距離をＨとし、上記高さ方向に沿った、上記第１合わせ面の高さ方向の位置と上記第２合わせ面の高さ方向の位置との中点位置の、上記２つのハット断面部材のいずれか一方の天板部からの距離は、０．４Ｈ以上０．６Ｈ以下である。
（４）上記２つのハット断面部材は、ともに同一断面形状の部材である。

（５）対向する２つの天板部１０Ａ、１１Ａ間の距離をＨとし、上記第１合わせ面Ｓ２の高さと上記第２合わせ面Ｓ１の高さとの差をｈとした場合、下記（１）式を満足する。
０ ＜ ｈ／Ｈ ≦ ０．５５ ・・・（１）
この構成によれば、より確実に上記効果を奏することが可能となる。

（６）本実施形態の自動車用構造部材は、対向する２つの天板部の対向方向に沿った方向から入力される衝突荷重を負担可能な自動車用構造部材である。
曲げ変形する衝突形態の可能性のある自動車の位置に、本実施形態の自動車用構造部材を用いることで、自動車の重量を増加することなく、曲げ変形する衝突形態における耐衝突性能を向上可能となる。

（７）本開示の閉断面形状の自動車用構造部材の製造方法であって、天板部の左右両側にそれぞれ側壁部及びフランジ部が連続する断面ハット形状からなる２つのハット断面部材における、対向するフランジ部同士をそれぞれ接合して閉断面形状の中空部材を作製し、２つのハット断面部材として、それぞれ、左右の側壁部の高さが異なる部材を使用する。

発明者らは、ＦＥＭ解析により、図１及び図２に示すような形状を有する合わせハット断面部材からなる中空部材を用いて、３点曲げ試験での部品変形挙動を詳細に解析した。３点曲げ試験条件を図３、図４に示す。すなわち、３点曲げの解析条件は、構造部材１における長手方向に離れた下面の２点を支持部材３１で支持し、長手方向中央部に上側からパンチ３０によって荷重を負荷するという条件である。
上下のハット断面部材１０、１１として、厚さ１．２ｍｍ、引張強度１１８０ＭＰａの鋼板を使用した。

＜比較例＞
比較部品として、２つのハット断面部材の左右の側壁部の高さが等しく、左右の合わせ面Ｓ１、Ｓ２の高さの差ｈがゼロの中空部材を用いた。なお、中空部材の高さ、長さ、板厚は、発明例と等しい値に設定した。
この比較部品の衝突時の挙動を見てみると、図５の左側に示すように、ストロークの増加にともない、部材長手方向の中央部であるパンチ接触部の変形が開始し、衝突荷重が増加する。比較部品は、左右対称の断面のため、左右の稜線部（天板部と側壁部の接続部）に均等に負荷が掛かりながら、荷重増加にともない断面の変形が進行する。そして、最大荷重を超えると断面の座屈が顕著となり、断面が大きく横に広がっている。

＜発明例＞
発明部品として、左右の両フランジ部の合わせ面Ｓ１、Ｓ２の配置を上下にオフセット（オフセット量ｍ＝４０ｍｍ）させた中空部材を用いた。
発明部品は、図２に示すように、左右非対称の構造である。このため、発明部品では、図５の右側に示すように、まず、左右の稜線部（天板部と側壁部の接続部）のうち、一方の稜線部への負荷が大きくなり、その後、他方の稜線部への負荷が増加することが分かった。つまり、発明部品では、左右の稜線部に掛かる抵抗のタイミングが異なることで、初期変形が起こった後もすぐに荷重が低下せず、比較部品よりも長く、変形抵抗が維持されると考えられる。
そして、発明部品では、比較部品に比べて、断面の座屈が抑えられ、竪壁の開きが小さくなっているが、左右の変形バランスが異なることで、断面が左右に開く際の拘束力が働くと考えられ、変形が進行していくにつれ、座屈により荷重が急激に低下することを抑制する効果もあると考えられる。

上記の比較例と発明例における、荷重とストロークの関係を図６に示す。
この図６から分かるように、発明例では、比較例に比べて、衝突初期の変形抵抗が低減して衝突初期の乗員への急激な衝撃を緩和し、その後の荷重入力に対する変形抵抗を比較例よりも長く維持できることが分かった。
更に、上記の差ｈを変更して評価した結果を、表１に示す。
ここで、ストロークを１００ｍｍまでとした。
表１中、平均荷重は、全ストロークでの荷重の平均値であり、エネルギー吸収能に相当する。また、「合わせ面間の高さ」は、部品の高さＨに対する差ｈの比（ｈ／Ｈ）を表す。

また、「合わせ面間の高さ」と平均荷重との関係を図７に示す。
表１及び図７から分かるように、差ｈを０よりも大きく且つ０．５５Ｈ以下とすることで、比較例に比べて、発明例は、長期に亘って変形抵抗が維持でき、平均荷重（ストローク１００ｍｍまでの全エネルギーに比例する値）も比較例よりも大きいことが分かった。

１ 自動車用構造部材
１０、１１ ハット断面部材
１０Ａ、１１Ａ天板部
１０Ｂ、１１Ｂ側壁部
１０Ｃ、１１Ｃフランジ部
Ｓ１ 第２合わせ面
Ｓ２ 第１合わせ面
ｈ 合わせ面間の差
Ｈ 天板部間の高さ
ＳＰ 中点位置

Claims (6)

1. 天板部の両側にそれぞれ側壁部及びフランジ部が連続する断面ハット形状からなる２つのハット断面部材における、対向するフランジ部同士をそれぞれ接合して閉断面形状を構成する中空部材を有し、２つの天板部の対向する方向を高さ方向とした場合、
   一方のフランジ部同士の接合面である第１合わせ面の高さ方向の位置と、他方のフランジ部同士の接合面である第２合わせ面の高さ方向の位置と、が異なり、
   上記中空部材は、上記２つのハット断面部材で形成される閉断面内に、上記中空部材を補強する補強部品を有せず、
   上記２つのハット断面部材は、ともに同一断面形状の部材である、
   ことを特徴とする自動車用構造部材。
2. 上記２つのハット断面部材はともに、ハット断面部材を構成する補強部品を有しない、
   ことを特徴とする請求項１に記載した自動車用構造部材。
3. 対向する２つの天板部間の距離をＨとし、
   上記高さ方向に沿った、上記第１合わせ面の高さ方向の位置と上記第２合わせ面の高さ方向の位置との中点位置の、上記２つのハット断面部材のいずれか一方の天板部からの距離は、０．４Ｈ以上０．６Ｈ以下である、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した自動車用構造部材。
4. 対向する２つの天板部間の距離をＨとし、上記第１合わせ面の高さと上記第２合わせ面の高さとの差をｈとした場合、下記（１）式を満足することを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか１項に記載した自動車用構造部材。
   ０ ＜ ｈ／Ｈ ≦ ０．５５ ・・・（１）
5. 請求項１～請求項４のいずれか１項に記載した自動車用構造部材であって、対向する２つの天板部の対向方向に沿った方向から入力される衝突荷重を負担可能な自動車用構造部材。
6. 請求項１～請求項５のいずれか１項に記載した自動車用構造部材の製造方法であって、
   天板部の左右両側にそれぞれ側壁部及びフランジ部が連続する断面ハット形状からなる２つのハット断面部材における、対向するフランジ部同士をそれぞれ接合して閉断面形状の中空部材を作製し、
   ２つのハット断面部材として、それぞれ、左右の側壁部の高さが異なる部材を使用することを特徴とする自動車用構造部材の製造方法。

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