JP4773853B2 - 自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のドアへの衝突時において、衝撃を吸収するためのドアビームとして使用される自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材に関する。

近年、自動車のドアへの衝突時のエネルギーを吸収してのエネルギー吸収部材（ドアビーム）として、軽量化の要求に対応するために、アルミニウム合金押出形材の適用が試みられており、例えば、特定の合金組成と組織の組み合わせが提案されている（特許文献１参照）。

上記提案のものは、特定組成のＡｌ-Ｍｇ-Ｓｉ系合金、Ａｌ-Ｚｎ-Ｍｇ系合金を使用し、押出形材の形状としてII（ローマ数字の大文字の２）型形状のものが示されているが、このものにおいては、ドアビームが装着される自動車ドアの上下方向の有効スペースが広く、ドアビームの幅を大きくする場合や、サイドドア外側の空間が丸みを帯びていて衝撃荷重が加わるサイドドア面（以下、サイドドア外側の衝撃荷重が加わるサイドドア面を圧縮側フランジ、衝撃荷重が加わるサイドドア面と反対側のサイドドア内面を引張側フランジという）が平坦とならない場合には適切なドアビームを得ることができず、従って、ドアビームとしての衝撃エネルギー吸収が必ずしも十分ではない。
特開平５−２４７５７５号公報

発明者らは、さらに改良された自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材を得るために、自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材における衝撃エネルギー吸収と、アルミニウム合金の組成、押出形材の形状、寸法などとの関係について種々の試験、検討を行った。本発明はその結果としてなされたものであり、その目的は、エネルギーの吸収能が高く、自動車のドアへの衝突時において、衝撃により生じるエネルギーを効果的に吸収して搭乗者の保護を図ることができる自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材を提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１による自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材は、自動車のドアへの衝突時における衝撃吸収用ドアビームとして使用されるアルミニウム合金押出形材であって、該押出形材の断面において、長辺部と短辺部からなる非対称の山形に形成された第１の辺と直線状に形成された第２の辺とを対向して設け、第１の辺と第２の辺の両端部を第３の辺と第４の辺により連結してなる中空形材の内部に、前記第１の辺のうちの長辺部と前記第２の辺とを結ぶ内柱を設けて、中空形材の内部を２つに区画し、該内柱は、前記第２の辺に対して第１の辺の短辺部から遠ざかるよう長辺部側に傾いてθの角度で形成され、前記第３の辺と第４の辺は、前記第２の辺から垂直に延びる垂直部からなり、前記押出形材が、Ｚｎ：４．０〜９．０％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：１．０〜１．５％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｖ：０．０１〜０．１５％およびＴｉ：０．００５〜０．３０％を含有し、さらにＭｎ：０．０５〜０．２％、Ｃｒ：０．０１〜０．５％およびＺｒ：０．０５〜０．３％のうちの１種または２種以上を含有し、残部Ａｌおよび不純物からなるアルミニウム合金で構成されていることを特徴とする。

請求項２による自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材は、請求項1において、前記第３の辺と第４の辺は、前記第２の辺から垂直に延びる垂直部と、該垂直部に連続して、内側に延びて前記第１の辺の長辺部と短辺部に連結する傾斜部からなることを特徴とする。

請求項３による自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材は、請求項１または２において、前記内柱の第２の辺に対する角度θが７０°以上であることを特徴とする。

請求項４による自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材は、請求項１〜３のいずれかにおいて、引張強さ（σ_Ｂ）が４００〜６００ＭＰａ、耐力（σ_０．２）が３５０〜５７０ＭＰａ、伸び（δ）が５〜２０％であることを特徴とする。

本発明によれば、エネルギーの吸収能が高く、自動車のドアへの衝突時において、衝撃により生じるエネルギーを効果的に吸収して搭乗者の保護を図ることができる自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材が提供される。

本発明による自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材は、特定組成を有する調質された熱処理型Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金の中空押出形材からなり、押出し後の調質としてＴ５処理あるいはＴ６処理を施すのが好ましい。

本発明の押出形材を構成するアルミニウム合金の成分の意義および限定理由について説明すると、ＺｎとＭｇは、押出形材をドアビームに適用した場合に十分な強度を保持するために必要な成分である。好ましい含有量は、Ｚｎ：４．０〜９．０％、Ｍｇ：１．０〜１．５％の範囲であり、それぞれ下限値未満では十分な強度が得難く、上限値を超えて含有されると押出性、伸びが低下する。伸びが低下すると、曲げ変形時に割れが発生しエネルギー吸収特性を劣化させる。

Ｃｕは強度を高めるよう機能する。好ましい含有量は０．０１〜０．５％の範囲であり、０．０１％未満では十分な強度が得難く、０．５％を超えると、押出性および耐食性が低下する。Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒは押出組織を繊維状として強度を高めるよう機能する。好ましい含有量は、それぞれＭｎ：０．０５〜０．２％、Ｃｒ：０．０１〜０．５％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％の範囲であり、それぞれ上限値を超えると鋳造時に巨大な化合物が生成し靭性を低下させる。

Ｖは、靭性を向上させるために重要な含有成分である。好ましい含有量は０．０１〜０．１５％の範囲であり、０．０１％未満ではその効果が十分でなく、０．１５％を超えると、鋳造時に巨大が化合物が生成して靭性を低下させる。Ｔｉは鋳造組織を微細化して強度を向上させる元素である。好ましい含有量は０．００５〜０．３０％の範囲であり、０．００５％未満ではその効果が小さく、０．３０％を超えると鋳造時に巨大が化合物が生成して靭性を低下させる。

本発明の自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材は、図１に示すように、断面において、長辺部２Ａと短辺部２Ｂからなる非対称の山形に形成された第１の辺２と、直線状に形成された第２の辺３とを対向して設け、第１の辺２と第２の辺３の両端部を第３の辺４（外柱）と第４の辺５（外柱）により連結してなる中空断面形状の内部に、第１の辺２のうちの長辺部２Ａと第２の辺３とを結ぶ内柱６を設けて、中空断面形状の内部を２つの中空部Ｈ１、Ｈ２に区画してなる。ドアビームとして適用する場合には、山形に形成された第１の辺２を外側、すなわち衝撃力が加わる圧縮側フランジとし、内側に位置する第２の辺３を引張側フランジとする。

本発明のアルミニウム合金押出形材は、ドアビームの幅が大きい場合、例えば、第２の辺３の長さＷｔが５０〜７５ｍｍの場合にも好適である。先に提案されている前記II型形状のようにウエブが２本の場合（角パイプ状の中空断面形状で、本発明のような内柱が無いもの）は、曲げ変形時にフランジ（山形に形成された第１の辺２や第２の辺３）の断面変形量が大きくなるためにエネルギー吸収量が低下する。

これに対して、本発明のように異型の角パイプ状の中空断面形状で内柱６が設けられているもの、すなわち、圧縮側フランジ（第１の辺２）と引張側フランジ（第２の辺３）を３本のウエブ（柱）（外柱（第３の辺４、第４の辺５）および内柱６）で連結してなるものは、早期の断面変形が防止されて優れたエネルギー吸収特性を得ることができる。第１の辺２の山形を対称の山形に形成した場合には、内柱６が曲げ変形の初期段階で座屈し荷重が低下し易くなる。第１の辺の山形を非対称に形成し、内柱６を第２の辺に対して第１の辺の短辺部から遠ざかるよう長辺部側に傾いて形成することにより、曲げ変形が大きくなるにつれて内柱が徐々に倒れるように断面変形し、急激な荷重低下を防止することができる。

上記のように形成された本発明のアルミニウム合金押出形材１においては、図１に示すように、内柱６が、第２の辺３に対して第１の辺２の短辺部２Ｂから遠ざかるように長辺部２Ａ側に傾いてθの角度で形成されていることが望ましい。このような内柱６の形態と内柱６により２つに区画された中空部の存在によって、第１の辺２側（圧縮側）から力が加わった場合、内柱６が割れることなく変形してエネルギーを効果的に吸収することができる。

この場合、θの角度は７０°以上とすることが好ましい。７０°未満では曲げ変形初期に内柱が倒れ易くなりエネルギー吸収量が低下する。θが９０°を越え、第１の辺の短辺部２Ｂ側へ傾いて形成されると、内柱の位置が前記山形の頂点に近づくため、曲げ変形初期に内柱に大きな負荷がかかって座屈し易くなりエネルギー吸収量が低下する。

また、本発明の自動車ドアビーム用アルミニウム押出形材においては、第３の辺４と第４の辺５に、第２の辺３から垂直に延びる垂直部４Ａ、５Ａが形成されていることが望ましい。図２に示すように、第３の辺４と第４の辺５に、第２の辺３から垂直に延びる垂直部４Ａ、５Ａと、垂直部４Ａ、５Ａに連続して、内側に延びて、第１の辺２の長辺部２Ａと短辺部２Ｂに連結する傾斜部４Ｂ、５Ｂが形成され、Ｗｃ＜Ｗｔ（図３参照）となることがさらに望ましく、これらの形態により、衝撃時のエネルギー吸収能をさらに高めることができる。第３の辺４と第４の辺５に、第２の辺３から垂直に延びる垂直部４Ａ、５Ａが形成されておらず、第３の辺４と第４の辺５が傾斜して第１の辺２と第２の辺３とを連結している場合には、曲げ変形初期に断面変形量が大きくなって、第３の辺４と第４の辺５が座屈しエネルギー吸収量が低下する。

本発明のアルミニウム押出形材は、ドアビームとして適用した場合に必要な強度特性として、引張強さ（σ_Ｂ）：４００〜６００ＭＰａ、耐力（σ_０．２）：３５０〜５７０ＭＰａ、伸び（δ）：５〜２０％の引張性質をそなえていることが好ましい。

図３を参照して、本発明の自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材の各部位における好ましい寸法関係について述べれば以下のとおりである。
Ｗｔ＝５０〜７５ｍｍ、Ｗｃ／Ｗｔ＝０．８５〜０．９５
Ｈ＝３０〜４０ｍｍ、Ｈ／Ｈ２＝１．０５〜１．２０、Ｈ／Ｈ３＝１．１０〜１．４０、Ｈ１＝１０〜１８ｍｍ
Ｗｃ／Ｗｃ１＝１．２０〜１．７０、Ｗｔ１／Ｗｔ２＝１．１０〜１．４０
５．５≧Ｔｃ１≧３．０、５．５≧Ｔｃ２≧３．０
４．０≧Ｔｗ１≧１．８、４．０≧Ｔｗ２≧１．８、４．０≧Ｔｗ３≧１．８
７．０≧Ｔｔ１≧３．５、７．０≧Ｔｔ２≧３．５

以下、本発明の実施例について説明する。なお、この実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれに限定されるものではない。

Ｚｎ：７．０％、Ｍｇ：１．２％、Ｃｕ：０．１％、Ｖ：０．０１５％、Ｔｉ：０．０４％、Ｍｎ：０．０７％、Ｃｒ：０．０２％、Ｚｒ：０．１５％を含有し、残部Ａｌおよび不純物からなるアルミニウム合金を造塊し、得られたビレットを、４７０℃で２４時間均質化処理した後、押出温度４７０℃で図４〜９に示す断面形状、表１に示す寸法の中空形材に押出加工した。押出加工後、直ちに室温まで急冷し、２日間の自然時効処理を行い、さらに１２０℃で２４時間加熱する時効処理を施した後、長さ１２００ｍｍに切断して試験材とした。各試験材の強度は同一である。

得られた試験材について、図１０に示すように、ＦＭＶＳＳ（Ｆｅｄｅｒａｌ Ｍｏｔｏｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｔａｎｄａｒｄ）Ｎｏ．２１４：Ｓｉｄｅ Ｄｏｏｒ Ｓｔｒｅｎｇｔｈに準拠した3点曲げ試験により曲げ変形の評価を行った。支持スパンは８００ｍｍとした。曲げ変形の評価においては、３点曲げ試験により荷重と変位との関係曲線を求め、図１１（曲げ試験における荷重値と変位量との関係を示す模式図）に示すように、面積Ｓをエネルギー吸収量とする。本実施例においては、変位量３００ｍｍまでの曲線と横軸（変位軸）からなる面積をエネルギー吸収量とし、単位質量当たりの最大荷重、すなわち（最大荷重）／（試験材の質量）、および単位質量当たりのエネルギー吸収量、すなわち（エネルギー吸収量）／（試験材の質量）で評価し、試験材１の値を１．００として相対比較した。結果を図１２および表２に示す。なお、図１２において、試験材２は試験材１とほぼ同一曲線であるため図示を省略した。

表２にみられるように、本発明に従う試験材１，２は、単位質量当たりの最大荷重の比がそれぞれ１．００、０．９９、エネルギー吸収量の比がそれぞれ１．００、０．９８であり、いずれも徐々に断面変形しながら変位３００ｍｍまで効率良くエネルギーを吸収した。

これに対して、本発明の要件を外れた試験材３は、内柱が無いため、曲げ変形の初期において断面全体が顕著に変形して荷重が低下したため、最大荷重、エネルギー吸収量が極端に低くなった。試験材４は、徐々に断面変形しながら変位３００ｍｍまでエネルギーを吸収したが、圧縮側フランジが平坦であるため、単位質量当たりの塑性断面係数が小さく、最大荷重、エネルギー吸収量が低くなった。

試験材５は、徐々に断面変形しながら変位３００ｍｍまでエネルギーを吸収したが、断面変形の程度が顕著であり、エネルギー吸収量が低くなった。試験材６は、曲げ変形の初期に内柱が座屈して荷重が低下したたため、エネルギー吸収量が低くなった。

本発明によるアルミニウム合金押出形材の実施例を示す断面図である。 本発明によるアルミニウム合金押出形材の他の実施例を示す断面図である。 本発明によるアルミニウム合金押出形材の各部位の寸法関係を説明するための断面図である。 実施例において使用されたアルミニウム合金押出形材の断面図である。 実施例において使用されたアルミニウム合金押出形材の断面図である。 実施例において使用されたアルミニウム合金押出形材の断面図である。 実施例において使用されたアルミニウム合金押出形材の断面図である。 実施例において使用されたアルミニウム合金押出形材の断面図である。 実施例において使用されたアルミニウム合金押出形材の断面図である。 実施例における曲げ試験方法を示す略図である。 曲げ試験における荷重値と変位量との関係を示す模式図である。 実施例における曲げ試験において、各試験材の変位量と単位質量当たりの最大荷重を、試験材１を１．００として相対的に示した値との関係図である。

符号の説明

１ 本発明のアルミニウム合金押出形材
２ 第１の辺（圧縮側フランジ）
２Ａ 長辺部
２Ｂ 短辺部
３ 第２の辺（引張側フランジ）
４ 第３の辺（外柱）
４Ａ 垂直部
４Ｂ 傾斜部
５ 第４の辺（外柱）
５Ａ 垂直部
５Ｂ 傾斜部
６ 内柱
Ｈ１ 中空部
Ｈ２ 中空部

Claims (4)

1. 自動車のドアへの衝突時における衝撃吸収用ドアビームとして使用されるアルミニウム合金押出形材であって、該押出形材の断面において、長辺部と短辺部からなる非対称の山形に形成された第１の辺と直線状に形成された第２の辺とを対向して設け、第１の辺と第２の辺の両端部を第３の辺と第４の辺により連結してなる中空形材の内部に、前記第１の辺のうちの長辺部と前記第２の辺とを結ぶ内柱を設けて、中空形材の内部を２つに区画し、該内柱は、前記第２の辺に対して第１の辺の短辺部から遠ざかるよう長辺部側に傾いてθの角度で形成され、前記第３の辺と第４の辺は、前記第２の辺から垂直に延びる垂直部からなり、前記押出形材がＺｎ：４．０〜９．０％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：１．０〜１．５％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｖ：０．０１〜０．１５％およびＴｉ：０．００５〜０．３０％を含有し、さらにＭｎ：０．０５〜０．２％、Ｃｒ：０．０１〜０．５％およびＺｒ：０．０５〜０．３％のうちの１種または２種以上を含有し、残部Ａｌおよび不純物からなるアルミニウム合金で構成されていることを特徴とする自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材。
2. 前記第３の辺と第４の辺は、前記第２の辺から垂直に延びる垂直部と、該垂直部に連続して、内側に延びて前記第１の辺の長辺部と短辺部に連結する傾斜部からなることを特徴とする請求項1記載の自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材。
3. 前記内柱の第２の辺に対する角度θが７０°以上であることを特徴とする請求項１または２記載の自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材。
4. 引張強さ（σ_Ｂ）が４００〜６００ＭＰａ、耐力（σ_０．２）が３５０〜５７０ＭＰａ、伸び（δ）が５〜２０％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自動車ドアビーム用アルミニウム合金押出形材。

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