专利名称：汽车结构用构件和使用该构件的汽车车体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可以发挥优异的弯曲强度和能量吸收特性、且可实现轻量化的汽车用结构构件，例如作为门加强构件的门冲击防护梁、立柱加强构件和保险杠加强构件等，以及使用该汽车结构构件的车体。
背景技术：
一直以来，为了在汽车受到侧面冲击时确保驾驶者的安全，广泛采用汽车用结构构件，例如作为门加强构件的门冲击防护件。而且，作为这种门冲击防护件，为了在确保冲击安全性的同时能够实现轻量化以降低燃料消耗，采用了超抗拉钢管。作为这种钢管材料，通常抗拉强度在1400Mpa以上，其截面形状一般为圆形。
另一方面，有必要通过汽车零件等的轻量化来进一步降低燃料消耗，且门冲击防护件也需要更轻的材料，因而，优选采用壁厚尽可能薄的构件。但是，门冲击安全防护件是用于确保冲击时的安全性的，必须确保有在规定值以上的弯曲强度和能量吸收特性，但是在现有技术的截面形状为圆形的构件中的轻量化几乎已经达到了极限。
本发明的目的是，解决上述现有技术的问题，提供一种在汽车受到冲击时(例如正面冲击、侧面冲击等)、特别是在侧面冲击时，具有与现有的圆形截面钢管基本相同或更高的弯曲强度和能量吸收特性，并且能够实现比现有技术更轻量化的，例如作为门加强构件的门冲击防护梁、立柱加强构件、保险杠加强构件等的汽车用结构构件，以及采用该构件的车体。
发明内容
本发明是为解决上述问题而提出的，其要点如下。
(1)一种汽车结构用构件，其特征在于，由具有抗拉强度在1400Mpa或以上、延展率在5％或以上的材料特性、截面形状为闭合截面结构的抗拉钢管形成，在设该截面形状的长度方向最大尺寸为a、与其成直角方向的最大尺寸为b、外周长度为L、该钢管的壁厚为t的情况下，截面形状满足下式<1>
(2)如上述(1)所述的汽车结构用构件，其特征在于，前述截面形状为，在其边的至少一处具有直线部。
(3)如上述(1)所述的汽车结构用构件，其特征在于，前述截面形状为，其边全部以曲线形成。
(4)如上述(1)所述的汽车结构用构件，其特征在于，前述截面形状为椭圆形状。
(5)如上述(1)～(4)中任何一项所述的汽车结构用构件，其特征在于，前述构件在安装到车体上的情况下，以其截面形状的长度方向与车体的冲击方向相一致的方式进行配置。
(6)如上述(1)～(5)中任何一项所述的汽车结构用构件，其特征在于，前述构件在安装到门上的情况下，被作为以其截面形状的长度方向与门的侧面冲击的方向相一致的方式进行配置的门冲击防护梁使用。
(7)一种汽车车体，其是将如(1)～(6)任何一项所述的汽车结构用构件以该构件的截面形状的长度方向与车体的冲击方向相一致的方式进行配置而成的。
附图的简单说明
图1是表示对与φ31.8mm×t1.6mm的圆形截面重量相同、a与b的比以各种方式变化的四边形形状的梁，以950mm的跨距进行三点弯曲试验所获得的b/a与最大载荷及能量吸收关系的图示。
图2是表示壁厚t和外周长度L的关系的例子的图示。
图3是表示以950mm的跨距进行三点弯曲试验的情况下的位移和载荷的关系的图示。
图4是表示本发明的实施形式的剖视图。
图5是表示本发明的另一个实施形式的剖视图。
图6是表示本发明的另一个实施形式的剖视图。
图7是表示本发明的另一个实施形式的剖视图。
图8是表示本发明的另一个实施形式的剖视图。
图9是表示实施例和比较例的三点弯曲试验的结果的曲线图。
图10是表示三点弯曲试验中的能量吸收的图示。
发明的实施形式以下，参照附图，以将本发明的汽车结构用构件用作车体的门冲击防护梁的情况为例，说明优选的实施形式。
本发明的门冲击防护梁由与轴长方向垂直的方向上的截面形状为闭合截面结构的抗拉钢管形成，所述抗拉钢管是采用组成成分由例如重量百分比为C0.24％、Si0.25％、Mn2.4％、Cr0.5％、Mo0.7％、Ti0.03％、B20ppm、其余为Fe及必不可少的元素构成，且具有抗拉强度在1400Mpa或以上、延展率在5％或以上的材料特性的钢带形成的。
而且，在设截面形状的长度方向的最大尺寸为a、与其成直角的方向上的最大尺寸为b、外周长度为L、壁厚为t的情况下，截面形状满足下式<1> 优选地，在安装到门上的情况下，以梁的截面形状中的前述长度方向与侧面冲击方向相一致的方式进行配置。
另外，本发明的梁截面形状是以内接于长方形且利用圆弧对各个角部进行倒角而成的形状为基本形状的，通过使各个角部形成圆弧状，在施加冲击载荷的情况下，可以防止由于向各个角部产生过大的应力集中而造成极端的开裂和压曲。
以下，对以上述尺寸限定截面形状的理由进行说明。
(1)首先，对b/a的限定条件进行说明。
图1是在利用从与截面形状的长度方向相同的方向而来的载荷、对以各种方式改变b/a且截面面积相同的钢管进行三点弯曲试验的情况下，以最大载荷和能量吸收量评价弯曲特性的曲线图。
当使b/a从圆形(b/a＝1)逐渐减小时，最大载荷、能量吸收均增加，且在0.65≤b/a≤0.75的范围内急剧增大。进而，在b/a＜0.65时虽然弯曲特性提高，但长边(长度方向的最大尺寸)a相对于短边(与长度方向成直角的方向的最大尺寸)b过大，形状不稳定，在侧面冲击时会发生梁的扭曲、旋转，因而，不能发挥梁的本来的性能，有可能存在安全性问题。并且，在向门内进行配置的情况下，存在由于空间上的限制而不能配置的情况。
因而，优选在0.65≤b/a≤0.75的范围内。
(2)下面，对t/L的限定条件进行说明。
在确定用于冲击时的安全保障的有效截面形状时，除了b/a之外，壁厚t和外周长度L的比t/L是重要的参数。
图2表示b/a在上述范围(0.65 b/a 0.75)内的t和L的关系。
在t/L＜0.014的区域内，由于L相对于t太大，所以容易产生压曲，进而，压曲后产生的裂纹也容易增大。另一方面，在t/L＞0.020的区域内，虽然弯曲特性良好，但是由于t相对于L过大而趋向于重量增加，违背了轻量化的目的。
另外，在将该梁安装到实际的门上的情况下，在0.014≤t/L≤0.020的范围以外，L还受到门内的安装空间的限制，t还受到轻量化等要求的限制。另外，L和t有必要位于具有充分的弯曲性能的区域中，并以L和t的乘积L×t＞K(K是由门的要求性能所确定的常数)所限定的范围为最佳范围(图2的斜线部分，而此时K＝140)。
梁的截面形状，为了提高质量分布远离与长度方向成直角的方向的中间轴的情况下的、垂直于梁(钢管)的轴长方向的方向的弯曲刚性，优选为形成例如如图4所示、在长度方向的两个边中存在直线部分的椭圆形状、或者如图5～图6所示、在长度方向的两边和与其成直角的方向的两边上具有直线部分的大致长方形形状，这是因为上述形状可以大大提高垂直于梁(钢管)的轴长方向的方向的弯曲刚性。
另外，在长度方向上存在直线的情况下，垂直于梁(钢管)的轴长方向的方向上的弯曲刚性提高，但是存在压曲之后裂纹增大的倾向，为了减轻由该压曲造成的裂纹，如图7所示，优选为形成长度方向上具有向外侧凸出的弯曲部的形状。
另外，如图8所示，对于将长度方向和与其成直角的方向平滑弯曲地连接起来的椭圆形形状，虽然在冲击下不能稳定地保持形状，存在容易产生扭转、弯曲的倾向，但是由于难以压曲、并且压曲造成的裂纹非常小，因而可以将其用作梁。
(3)其次，对向门或车体的配置进行说明。
本发明由于不具有像圆形截面那样的全方位性(等方向性)，所以向门内的配置优选为以能够最大限度地发挥弯曲特性的方式利用其方向性。即，在安装到门上的情况下，优选为以梁的截面形状的长度方向与侧面冲击方向相一致的方式进行配置。另外，构件向车体的配置，优选为以构件截面形状的长度方向与冲击方向相一致的方式进行配置。这样，如前面所述，构件的与截面形状的长度方向相同方向上的弯曲刚性非常好。
本发明的汽车用结构构件，除了前述门冲击防护梁以外，还可以作为立柱加强构件和保险杠加强构件、车体的结构构件来使用。
实施例对具有表1所示的实施例1～3的尺寸和各种比例的截面形状的梁，以950mm的跨距(I＝950mm)进行三点弯曲试验(速度2mm/s，压入位移量200mm)。最大载荷和能量吸收任何一项均满足要求。另一方面，作为比较例，对现有类型的具有φ31.8mm×t1.8mm的圆形截面的梁(比较例1)、和实现轻量化的具有φ31.8mm×t1.6mm的圆形截面的梁(比较例2)同样地进行三点试验。另外，实施例1、2、3分别与图4、图5、图6相应。图3表示实施例1、比较例1、比较例2的三点弯曲试验的载荷-位移曲线。
实施例和比较例的三点弯曲试验中的最大载荷和能量吸收的结果表示在图9中。另外，如图10所示，能量吸收位于前述三点弯曲试验的载荷-位移曲线的下侧的斜线部分的区域中。
如从结果可知，本发明的梁与轻量化类型的具有φ31.8mm×t1.6mm的圆形截面的梁重量相同，并且，与具有φ31.8mm×t1.8mm的圆形截面的梁相比、具有相同或更高最大载荷和能量吸收性能，可以认为能够发挥优异的形状特性(图9)。
表1
如从上述说明可知，由于本发明，在汽车受到冲击时、特别是侧面冲击时，与现有的圆形截面的钢管相比，具有较高的弯曲强度和能量吸收特性，所以可以用作汽车用结构构件(例如作为门加强构件的门冲击防护用梁、梁加强构件和保险杠加强构件)，且可以实现车体的轻量化。
权利要求
1.一种汽车结构用构件，其特征在于，由具有抗拉强度在1400Mpa或以上、延展率在5％或以上的材料特性、截面形状为闭合截面结构的抗拉钢管形成，在设该截面形状的长度方向最大尺寸为a、与其成直角方向的最大尺寸为b、外周长度为L、该钢管的壁厚为t的情况下，截面形状满足下式<1>
2.如权利要求1所述的汽车结构用构件，其特征在于，前述截面形状为，在其边的至少一处具有直线部。
3.如权利要求1所述的汽车结构用构件，其特征在于，前述截面形状为，其边全部以曲线形成。
4.如权利要求1所述的汽车结构用构件，其特征在于，前述截面形状为椭圆形状。
5.如权利要求1～4中任何一项所述的汽车结构用构件，其特征在于，前述构件在安装到车体上的情况下，以其截面形状的长度方向与车体的冲击方向相一致的方式进行配置。
6.如权利要求1～4中任何一项所述的汽车结构用构件，其特征在于，前述构件在安装到门上的情况下，被作为以其截面形状的长度方向与门的侧面冲击的方向相一致的方式进行配置的门冲击防护梁使用。
7.一种汽车车体，其是将如权利要求1～6任何一项所述的汽车结构用构件以该构件的截面形状的长度方向与车体的冲击方向相一致的方式进行配置而成的。
全文摘要
本发明提供一种可以发挥优异的弯曲强度和能量吸收特性、并且可实现轻量化的汽车用结构构件，该汽车结构用构件，由具有抗拉强度在1400Mpa或以上、延展率在5％或以上的材料特性、与轴长方向垂直的方向上的截面形状为闭合截面结构的抗拉钢管形成，在设该截面形状的长度方向最大尺寸为a，与其成直角方向的最大尺寸为b、外周长度为L、该钢管的壁厚为t的情况下，截面形状满足上式<1>在安装到车体上的情况下，优选以构件截面形状的长度方向与冲击方向相一致的方式进行配置。
文档编号B60J5/04GK1492813SQ02805468
公开日2004年4月28日 申请日期2002年2月26日 优先权日2001年2月26日
发明者土井宏幸, 本吉卓, 高地務, 川濑正伸, 山田信泰, 伸, 泰 申请人:新日本制铁株式会社