专利名称：保险杠结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有内含中空空间的箱形状的保险杠结构。
背景技术：
目前，安装在汽车车体等上的保险杠，是承受由外力产生的弯曲负载作用的弯曲构件的一例，由薄壁材料构成。这种保险杠采用例如980MPa级的钢板进行成型从而形成。保险杠的主要作用是碰撞时发生变形、以吸收能量，同时将冲击负载向左右侧梁传递、使侧梁变形，从而吸收碰撞时的能量。即，通过使侧梁变形、吸收碰撞时的能量，从而， 能够按照设计要求抑制汽车车室的变形，保护乘员免受冲击。专利文献1中揭示了一种用于汽车的加强保险杠，以构成中空矩形截面的腹板的弯曲中立轴为界，压缩面板侧部分的壁厚比拉伸面板侧部分的壁厚形成得厚。专利文献2 中揭示了一种用于汽车的保险杠装置，其是使加强保险杠的3根加强筋中、中间加强筋的板厚比其他加强筋厚，从而，防止3根加强筋纵向弯曲时能量吸收能力下降。专利文献3中揭示了一种保险杠，其是将1块母板折叠，从而形成一体的截面“日”字型的保险杠。另外，专利文献4中揭示了一种弯曲强度构件，其是在与作用弯曲负载的面板侧相反侧的面板面设置FRP(Fiber Reinforced Plastics)材料，同时使压缩侧面板的宽度与厚度的比为12以下，从而，提高能量吸收量。专利文献5中揭示了一种车辆的复合结构构件，其是具有沿着钢管内壁的外侧形状，同时在内部插入形成有加强筋的加强管，从而，能够确保强度。另外，专利文献6中揭示了一种填充结构体，其是为了确保耐蚀性，而将富于能量吸收性能的填充材料插入中空构件内部，同时固定在中空构件上。专利文献7中揭示了一种车体结构构件，其是为了使弯曲负载分散给其他构件从而提高能量吸收效率，而由强度不同的多个构件构成车体结构构件以使发生扭转力矩。专利文献8中揭示了一种保险杠结构，其是为了提高由于纵向弯曲变形产生的冲击能量的吸收能力，而在保险杠加强板的中空部内配置压溃防止体。专利文献1 日本国特开平11-59296号公报专利文献2 日本国特开2004-148915号公报专利文献3 日本国特开平11-170934号公报专利文献4 日本国特开2003-U9611号公报专利文献5 日本国特开2003-312404号公报专利文献6 日本国特开2005-88651号公报专利文献7 日本国特开2006-248336号公报专利文献8 日本国特开2000_5观97号公报在保险杠结构中，存在的问题是若发生腹板(前后延伸的壁部)的压缩纵向弯曲， 则不能充分发挥截面性能，弯曲强度降低。腹板相对于纵向弯曲的强度与构成腹板的材料的杨氏模量和腹板的板厚的3次方成比例。从而，也存在为了抑制纵向弯曲，与使用强度高
3的材料相比，增加板厚更加有效的情况。可是，像专利文献1和专利文献2等那样只是单纯地增加板厚，重量有可能过大。 特别是，钢制的保险杠大多经过轧制成形而形成，这种情况下，保险杠整体具有相同的板厚。从而，若为了抑制腹板的纵向弯曲而增大板厚，则由于整体重量与其增大量成比例地增加，因而，相对于纵向弯曲的与重量对应的耐久性能不会提高那么多。另外，如专利文献5 8，在保险杠内部安装比较复杂的结构附加物，制造上的难度很大。另外，当安装大的附加物时，重量的增加成为问题。在专利文献4那样的FRP中， 完全不能期待防止由于压缩造成的纵向弯曲。还有，当采用这些附加物时，还存在成本提高过大的问题。另一方面，如专利文献3，也提出了一种采用了有效利用轧制成形形成的闭合截面结构的技术。若采用这种闭合截面，则理论上能够提高弯曲强度(全塑性力矩)。可是，相对于腹板的纵向弯曲来说还需要其他有效的强度提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够抑制整体重量、同时能够确保弯曲强度的保险杠结构。本发明涉及一种具有内含中空空间的箱形状的保险杠结构。而且，本发明中，形成所述保险杠的前表面及背表面的金属制的前面板及后面板与形成所述保险杠的上表面及下表面的金属制的上腹板及下腹板，相互连结而形成所述箱形状，在所述上腹板与下腹板之间，金属制的中间腹板与所述前面板及后面板连结而将所述中空空间上下分割，在所述前面板、后面板、上腹板、下腹板及中间腹板中，所述上腹板、下腹板及中间腹板的至少1个由第二材料构成，其余部分由第一材料构成，以所述第一材料的杨氏模量为&、密度为P 所述第二材料的杨氏模量为E2、密度为P 2时，满ME1/P / < E2/Ρ 23。根据本发明的保险杠结构，3个腹板的至少1个由满足E1/ Pl3< E2/ P 23的第二材料构成。这种材料与第一材料相比，是容易确保相对于纵向弯曲的与重量对应的强度的材料。从而，实现了能够抑制保险杠整体重量、同时能够确保腹板纵向弯曲强度的保险杠结构。另外，本发明中，优选是所述中间腹板由所述第二材料构成。从而，位于上下方向中间的腹板由第二材料构成，从而，能够确保整体强度的均衡。另外，本发明中，优选是所述上腹板、下腹板及中间腹板全部由所述第二材料构成。这样一来，能够确保相对于纵向弯曲的与重量对应的强度，能够使整体重量轻量化。另外，本发明中，优选是所述中间腹板由所述第二材料构成，在由所述前面板及所述上腹板形成的角部的表面和由所述前面板及所述下腹板形成的角部的表面，分别固定有沿着所述角部弯曲成钩形的金属制的加强板。这样一来，能够确保相对于弯曲的强度。另外，本发明中，优选是在所述前面板、后面板、上腹板、下腹板及中间腹板中，由所述第二材料构成的腹板的厚度为t2，并且由所述第一材料构成的部分的厚度为、时，满足(P1ZP2) · t10这样一来，与整体由第一材料构成的情况相比，能够保持腹板的纵向弯曲强度且实现轻量化。另外，本发明中，优选是在所述前面板、后面板、上腹板、下腹板及中间腹板中，由所述第二材料构成的腹板的厚度为t2，由所述第一材料构成的部分的厚度为、，所述第一材料的屈服应力为Oy1，所述第二材料的屈服应力为Oy2时，满足(t2· Oy2)/ U1- Oy1)彡0.5。这样一来，能够进一步确保相对于弯曲的强度。
图1是表示本发明一实施方式的保险杠的模式性立体图。图2是第一实施例的图1的A-A线截面图。图3是第二实施例的图1的A-A线截面图。图4是第三实施例的图1的A-A线截面图。
图5是第四实施例的图1的A-A线截面图。图6 (a)是第一比较例的保险杠的纵截面图，(b)是第二比较例的保险杠的纵截面图。图7是在保险杠强度解析中采用的三点弯曲试验的说明图。图8是图示第一及第二实施例、第一及第二比较例解析结果的曲线图。图9是图示第三及第四实施例、第一及第二比较例解析结果的曲线图。图10是关于各实施例图示相对于A值的极限力矩的图。
具体实施例方式以下，关于用以实施本发明的方式参照附图进行说明。图1是表示本发明一实施方式的保险杠1的模式性立体图。本实施方式，作为保险杠1的具体例包含第一 第四实施例，图1表示它们共有的构成。图2 图5以图1所示保险杠1的A-A截面模式图形式分别表示第一 第四实施例。该A-A截面相当于由与保险杠1的长度方向垂直的面形成的截面。以下，以图1中箭头X所示的方向作为车辆的宽度方向、箭头Y所示的方向作为车辆的前后方向(Yl 前方、Y2 后方)、箭头Z所示的方向作为车辆的上下方向(Zl 上方、Z2:下方)进行说明。(保险杠1的概要)首先，关于本实施方式中第一 第四实施例均共有的构成进行说明。如图1所示， 本实施方式中的保险杠1是沿着车辆的宽度方向延伸的箱形状的构件，安装在沿车辆前后方向延展的侧梁10的前方端部。如图1 图5所示，保险杠1包括位于车辆前方的前面板2、比前面板2位置靠车辆后方的后面板3、连结前面板2和后面板3的3个腹板(上腹板4、下腹板5、中间腹板6)。 这些面板及腹板分别形成板状。前面板2是形成保险杠1前表面的板状部。后面板3是形成保险杠1后表面的板状部，与前面板2大致平行地对置配置。后面板3固定在侧梁10的前端。如图1所示，本实施方式中，前面板2及后面板3采用稍稍弯曲的板形成，不过，并不限定于这种情况，也可以是平板等。上腹板4是形成保险杠1上表面的板状部，连结前面板2的上端与后面板3的上端。下腹板5是形成保险杠1下表面的板状部，连结前面板2的下端和后面板3的下端。利用这些前面板2、后面板3、上腹板4及下腹板5形成保险杠1的箱形状的外形。中间腹板6是设置在保险杠1所内含的空间内的板状部，连结前面板2的上下方向中央部与后面板3 的上下方向中央部。中间腹板6将保险杠1内含的空间上下分开，从而形成中空的2个空间7及8。腹板4 6均是与前面板2及后面板3大致正交地配置，Y方向上的长度相等。(各实施例的构成)接下来，关于第一 第四实施例进行更详细的说明。以下，叙述时将第一 第四实施例中的保险杠1分别称为“保险杠la” “保险杠ld”，以示区别。第一实施例的保险杠Ia如图2所示具有外形构件11及中间构件12。外形构件 11是形成第一实施例中保险杠Ia外形的构件，具有前面板2、后面板3、上腹板4及下腹板 5。外形构件11通过将钢板(第一材料)制的母板成形从而制作。还有，本实施方式中，使用杨氏模量为21000MPa、密度为7874kg/m3的钢材。中间构件12是具有中间腹板6和连结在中间腹板6两端的接合板12a及14，具有 “H”型截面形状的构件。中间构件12配置在保险杠Ia上下方向的中间。中间腹板6贯通前面板2上形成的贯通孔2a、从外形构件11内部向前方伸出，在前面板2的前方与接合板 1 连结。接合板1 沿着前面板2延伸，同时接合在前面板2的前表面。接合板12b沿着后面板3延伸，同时接合在后面板3的前表面。中间构件12由铝合金等与外形构件11不同的金属材料(第二材料)构成。在此， 以构成外形构件11的材料的杨氏模量为E1、密度为P 1；以构成中间构件12的材料的杨氏模量为E2、密度为P2。构成中间构件12的材料从满足以下关系(式1)的材料中选择。(式1)E1/ P ！3 < E2/ P 23第二实施例的保险杠Ib如图3所示，具有前面板2、后面板3、上构件21、下构件 22及中间构件12。其中，第二实施例2的中间构件12具有与第一实施例的中间构件12同样的构成，与前面板2及后面板3同样接合。第二实施例的上构件21具有上腹板4与连结在上腹板4两端的接合板21a及21b， 具有向下方开口的“ 二 ”字型的截面形状。接合板21a沿着前面板2延伸、同时接合在前面板2的前表面。接合板21b沿着后面板3延伸，同时接合在后面板3的前表面。下构件22具有下腹板5和连结在下腹板5两端的接合板2 及22b，具有向上方开口的“ 二 ”字型的截面形状。接合板2 沿着前面板2延伸、同时接合在前面板2的前表面。接合板22b沿着后面板3延伸，同时接合在后面板3的前表面。相对于前面板2及后面板3为钢制，上构件21及下构件22与中间构件12同样， 由铝合金等金属材料构成。在此，以构成前面板2等的材料的杨氏模量SE1、密度为P1，以构成上构件21等的材料的杨氏模量为E2、密度为P 2时，与第一实施例同样满足上述关系 (式 1)。如图4所示，在第三实施例的保险杠Ic上除了第一实施例的保险杠Ia以外还设有加强板31及32。在前面板2和上腹板4的连结部分形成角部51，加强板31设置在角部 51，具有沿着角部51弯曲成钩形的形状。加强板31的沿着前面板2的部分，接合在前面板 2的前表面，加强板31的沿着上腹板4的部分，接合在上腹板4的上表面。在前面板2和下腹板5的连结部分形成角部52，加强板32设置在角部52，具有沿着角部52弯曲成钩形的形状。加强板32的沿着前面板2的部分，接合在前面板2的前表面，加强板32的沿着下腹板5的部分，接合在下腹板5的下表面。加强板31及32与中间构件12同样，由铝合金等金属材料构成。在此，以构成前面板2等的钢材的杨氏模量为E1、密度为P 1；以构成加强板31等的材料的杨氏模量为E2、 密度为P 2时，与第一实施例同样满足上述关系(式1)。如图5所示，第四实施例的保险杠Id具有将第三实施例的中间构件12与加强板 31及32—体化而成的加强板41。加强板41具有接合在前面板2前表面的接合板41a。接合板41a从前面板2的上端延伸到下端。在接合板41a的上端部分，形成从沿着前面板2 的部分向沿着上腹板4的方向弯曲成钩形的弯曲部41b。弯曲部41b接合在上腹板4的上表面。在接合板41a的下端部分，形成从沿着前面板2的部分向沿着下腹板5的方向弯曲成钩形的弯曲部41c。弯曲部41c接合在下腹板5的下表面。利用这些弯曲部41b及41c 加强外形构件11的角部51及52。中间腹板6从在前面板2上形成的贯通孔加向前方伸出，同时与接合板41a连结，构成加强板41的一部分。在中间腹板6的后端连结接合板41d。接合板41d接合在后面板3的前表面。加强板41由铝合金等金属材料构成。在此，以构成前面板2等的钢材的杨氏模量 SE1、密度为P1,以构成加强板41等的材料的杨氏模量为E2、密度为P2时，与第一实施例同样满足上述关系(式1)。(材料的选择)如上所述，第一 第四实施例中的保险杠，设有由钢材构成的部分和由铝合金等钢材以外的材料构成的部分。由钢材以外的材料构成的部分，通过抑制重量，同时确保与钢材同等程度的强度，从而能够有效地确保强度。当选择满足上述式(1)的材料时，如下所述，容易有效地确保腹板相对于纵向弯曲的强度。对第一 第四实施例的保险杠la，发生沿着图2 图5中白色箭头的弯曲负载。 此时，有可能在上腹板4、下腹板5、中间腹板6上发生由于Y方向压缩而产生的纵向弯曲。 在此，若以腹板的板厚为t、构成腹板的材料的杨氏模量为E，则腹板的纵向弯曲负载Pcr满足下述的关系(式幻。还有，与纵向弯曲长度相当的Y方向上的长度在腹板彼此中相等。(式2)Per E · t3由式2可知，纵向弯曲负载与杨氏模量和板厚的3次方呈比例。因此，当满足以下式3的关系时，能够提高由钢材以外的材料组成的腹板的强度。还有，以钢材的杨氏模量为 E1、由钢材组成的部分的板厚为、、构成由钢材以外的材料组成的部分的材料的杨氏模量为 E2、这部分的板厚为t2。(式3)E1 · ti3 < E2 · t23另一方面，若以腹板的密度为P，则当除了板厚以外的大小不发生变化时，腹板的重量W由下述式4表示。(式4)W O^ ρ . t从而，为了在由钢材以外的材料构成腹板时也获得与由钢材构成的情况相同的重量，导出式5。(式5)P ！ · ti = P 2 · t2由上述式5及式3，导出上述式1的关系。从而可知，当选择满足式1这样的材料时，如果使腹板形成具有相同程度重量的厚度，则能够可靠地提高强度，因此，能够有效地提高与重量对应的纵向弯曲负载(Pcr/W)。例如，如上所述，钢材的杨氏模量为21000MPa，密度为7874kg/m3。此时，式1的左边成为21000/78743 = 4.302X 10_8。另一方面，例如作为钢材以外的材料，使用的是杨氏模量为6900MPa、密度为2700kg/m3的铝合金。此时，式1的右边成为690(^27003 = 3. 506X ΙΟ"70从而，由于满足了上述式1，能够期待高效的强度提高。利用7000系的铝合金也能够满足式1，因而相对于纵向弯曲能够期待高效的强度提高。另外，为了使采用钢材以外的材料时，与采用钢材的情况相比较实现轻量化，而由式5导出以下的式6。从而，为了实现轻量化，优选是按照满足式6来设定材料及板厚。(式6)t2 彡(P i/ρ 2) ^t1另外，当对保险杠施加沿着图2 图5中白色箭头的弯曲负载时，若相对于腹板承受的压缩力而使腹板屈服，则无法抵抗负载。为了防止发生这样的情况，按照在将材料从钢材进行变更时也不会使腹板的强度降低到必要以上的方式，作为用以确保能够充分耐受屈服的强度的基准，如下式7定义A值。还有，^y1为钢材的屈服应力，^y2为钢材以外材料的屈服应力。为了使采用钢材以外材料的部分具有足够的强度，必须使这样的A值为规定值以上。关于A值的具体条件后述。(式7)A = (t2 · σ y2) / (、· σ Yl)(弯曲力矩的模拟结果)接下来，关于上述的第一 第四实施例，对解析弯曲强度的结果进行说明。本解析中，图6(a)及图6(b)所示的保险杠100及200是第一及第二比较例。第一比较例中的保险杠100与第一 第四实施例不同，整体由钢材构成。另外，如图6(a)所示，第一比较例中的保险杠100，截面的基本形状与第一 第四实施例不同。保险杠100具有整体高度150mm、宽度65mm的箱型的大致形状。保险杠100具有与前面板102上端连结的部分向后方弯折而形成的凸部111、与前面板102下端连结的部分向后方弯折而形成的凸部112。凸部111及112任意一个均具有长方形的截面形状。从前面板102向后方弯折的部分在位于凸部111和凸部112之间的中间部分113，与前面板102的背表面接合。凸部111及112的高度如图6(a)所示分别为 52mm。关于第二比较例的保险杠200，与第一比较例同样，整体由钢材构成。保险杠200 的截面形状与第一实施例的保险杠Ia几乎相同，不过，在具有“H”型的截面形状的中间构件206贯通前面板202的同时还贯通后面板203这点上与第一实施例不同。保险杠200 的高度为150mm，宽度为65mm。本解析中，如下述表3所示，计算各比较例中钢材的板厚为 1. 4mm时与2. Omm时的各值。
本解析中使用的第一 第四实施例的各部分尺寸Hl H3、WU W2如下述表1及表2。另外，如表4所示，本解析中，关于第一 第四实施例，钢材部分的板厚为1.4mm。第一实施例中，对铝合金制腹板的板厚为2. 0mm,3. 0mm,3. 6mm的各种情况计算各值，第二 第四实施例中，对铝合金制腹板的板厚为3. 6mm的情况计算各值。第一实施例中，关于铝合金制腹板的板厚为3. 6mm的情况，分别对铝合金为7000系的情况和6000系的情况计算各值。第三实施例中，加强板31及32的板厚为3. 0mm。第四实施例中，分别对接合板41a、弯折部41b、41c的板厚为3. Omm和2. Omm的情况计算各值。根据以上条件，如图7所示进行3点弯曲实验，从而计算第一 第四实施例的保险杠Ia Id的弯曲强度和第一及第二比较例的弯曲强度。图7中，保险杠1在两端利用支撑部α从后面板部3侧简单支撑，在2个支撑部α的中央从前面板2侧抵接压头β的圆弧面，沿着与保险杠臂的长度方向正交的方向(图7中的箭头方向)挤压压头。并且，随着增大由压头β产生的负载，而使负载达到某一大小时，由于弯曲或是使保险杠1的截面整体屈服、或是在截面的某处产生纵向弯曲。即将发生这种屈服或纵向弯曲之前的负载是由压头β产生的最大负载。以下，将施加这种最大负载时弯曲力矩达到最大的压头β抵接位置上的弯曲力矩称为“极限力矩”。极限力矩根据测量的最大负载计算。表3表示对第一及第二比较例进行本解析的解析结果、表4表示对第一 第四实施例进行本解析的解析结果。表4中，A值表示(t2· oy2)/(tl. Oy1)的值。在此，Oy1表示钢材的屈服应力，σ y2表示铝合金的屈服应力。表3及表4所示的“重量比”是在钢材部分的板厚为1. 4mm时设定第一比较例的重量为1.00的情况下各比较例、实施例的重量比。另外，表3及表4所示的“极限力矩比”， 根据上述3点弯曲实验的计算结果，是在钢材部分的板厚为1. 4mm时设定第一极限力矩为 1.00的情况下各比较例、实施例的极限力矩比。另外，表4中，“第四(3.0)”表示接合板41a、弯折部41b、41c的厚度为3. Omm时的第四实施例。另外，“第四(2.0)”表示接合板41a、弯折部41b、41c的厚度为2. Omm时的第四实施例。[表 1]
WlW265mm20mm[表 2]
HlH2H3150mm30mm20mm [表 3]
权利要求
1.一种保险杠结构，是具有内含中空空间的箱形状的保险杠结构，其特征在于， 形成所述保险杠的前表面及背表面的金属制的前面板及后面板与形成所述保险杠的上表面及下表面的金属制的上腹板及下腹板，相互连结而形成所述箱形状，在所述上腹板与下腹板之间，金属制的中间腹板与所述前面板及后面板连结而将所述中空空间上下分割，在所述前面板、后面板、上腹板、下腹板及中间腹板中，所述上腹板、下腹板及中间腹板的至少1个由第二材料构成，其余部分由第一材料构成，以所述第一材料的杨氏模量为仏、密度为P i、所述第二材料的杨氏模量为氏、密度为 P2 时，满足 E1/ρ ！3 < VP23O
2.根据权利要求1所述的保险杠结构，其特征在于， 所述中间腹板由所述第二材料构成。
3.根据权利要求1所述的保险杠结构，其特征在于， 所述上腹板、下腹板及中间腹板全部由所述第二材料构成。
4 根据权利要求1所述的保险杠结构，其特征在于， 所述中间腹板由所述第二材料构成，在由所述前面板及所述上腹板形成的角部的表面和由所述前面板及所述下腹板形成的角部的表面，分别固定有沿着所述角部弯曲成钩形的金属制的加强板。
5.根据权利要求1 4中任意一项所述的保险杠结构，其特征在于，在所述前面板、后面板、上腹板、下腹板及中间腹板中，由所述第二材料构成的腹板的厚度为t2，并且由所述第一材料构成的部分的厚度为、时，满足(P1ZP2) ·、。
6.根据权利要求1 4中任意一项所述的保险杠结构，其特征在于，在所述前面板、后面板、上腹板、下腹板及中间腹板中，由所述第二材料构成的腹板的厚度为t2，由所述第一材料构成的部分的厚度为t”所述第一材料的屈服应力为σ yi，所述第二材料的屈服应力为σ y2时，满足(t2 · σ y2)/(tl · σ Yl) ^ 0. 5。
全文摘要
本发明涉及一种能够抑制整体重量、同时能够确保纵向弯曲强度的保险杠结构。本发明的保险杠结构，具有由钢材构成的前面板(2)、后面板(3)、上腹板(4)及下腹板(5)所组成的箱状外形形状。在上腹板(4)及下腹板(5)之间，配置由钢材以外的材料构成的中间腹板(6)。在此，以钢材的杨氏模量为E1、密度为ρ1，以构成中间腹板(6)的材料的杨氏模量为E2、密度为ρ2时，满足E1/ρ13＜E2/ρ23。
文档编号B60R19/04GK102414049SQ201080018250
公开日2012年4月11日 申请日期2010年5月13日 优先权日2009年5月14日
发明者中川知和, 山口拓则, 杵渊雅男, 橘美枝, 渡边宪一 申请人:株式会社神户制钢所