特許 6179700 金属管、及び金属管を用いた構造部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6179700

(24)【登録日】2017年7月28日

(45)【発行日】2017年8月16日

(54)【発明の名称】金属管、及び金属管を用いた構造部材

(51)【国際特許分類】

   B62D 21/08 20060101AFI20170807BHJP

【ＦＩ】

   B62D21/08

【請求項の数】9

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-526708(P2017-526708)

(86)(22)【出願日】2017年3月28日

(86)【国際出願番号】JP2017012663

【審査請求日】2017年5月17日

(31)【優先権主張番号】特願2016-73951(P2016-73951)

(32)【優先日】2016年4月1日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】新日鐵住金株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104444

【弁理士】

【氏名又は名称】上羽 秀敏

(74)【代理人】

【識別番号】100132506

【弁理士】

【氏名又は名称】山内 哲文

(72)【発明者】

【氏名】広瀬 智史

【審査官】 森本 哲也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−３２１８４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−５７６２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１０１８４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２２５７１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平４−１４３２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５３１０７３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６２Ｄ ２１／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外径Ｄの円形断面を有し、長さが６Ｄ以上の金属管であって、
前記金属管長手方向の寸法（２／３）Ｄ以上、３Ｄ以下の部分に、前記金属管の全周にわたって配置され、降伏強度が５００ＭＰａ以上の高強度部と、
前記高強度部の前記金属管長手方向両側に前記金属管の全周にわたって配置され、降伏強度が前記高強度部の６０〜８５％の低強度部と、を備え
前記高強度部の前記金属管長手方向の寸法は（２／３）Ｄ以上、（４／３）Ｄ以下である、金属管。

【請求項2】

前記低強度部の前記金属管長手方向の寸法は（３／５）Ｄ以上である請求項１に記載の金属管。

【請求項3】

前記高強度部は前記金属管長手方向中央に配置される請求項１又は２に記載の金属管。

【請求項4】

湾曲した請求項１〜３のいずれかに記載の金属管。

【請求項5】

外径Ｄの円形断面を有する金属管を備えた車体、バンパ又は車両ドアであって、
前記金属管は、
前記金属管長手方向において６Ｄ以上離れた２箇所における他の部材に連結される部分である連結部と、
前記連結部の間における前記長手方向の寸法（２／３）Ｄ以上、３Ｄ以下の部分に前記金属管の全周にわたって配置され、降伏強度が５００ＭＰａ以上の高強度部と、
前記高強度部の前記金属管長手方向両側に前記金属管の全周にわたって配置され、降伏強度が前記高強度部の６０〜８５％の低強度部と、を備え、
前記金属管の前記高強度部の前記金属管長手方向の寸法は（２／３）Ｄ以上、（４／３）Ｄ以下である、車体、バンパ又は車両ドア。

【請求項6】

前記金属管の前記低強度部の前記金属管長手方向の寸法は（３／５）Ｄ以上である請求項５に記載の車体、バンパ又は車両ドア。

【請求項7】

前記金属管の前記高強度部は、前記２つの連結部の間の中央に配置される、請求項５又は６に記載の車体、バンパ、車両ドア。

【請求項8】

前記金属管は、前記車両の外側に凸となるように湾曲している、請求項５〜７のいずれか１項に記載の車体、バンパ、車両ドア。

【請求項9】

前記車体は、スペースフレーム構造である、請求項５〜８のいずれかに１項に記載の車体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、耐衝撃性を有する金属管及び金属管を用いた構造部材に関する。

【背景技術】

【0002】

円形断面を有する金属管すなわち丸管は、経済性及び汎用性が高い。そのため、丸管は、様々な用途に用いられる。例えば、車両、建物、大型容器の構造部材に丸管が用いられる。このような構造部材には、衝撃に対する耐衝撃性が求められる。

【0003】

例えば、国際公開２００５／０５８６２４号（特許文献１）には、耐衝撃用として、自動車の車体に両端支持の構造で装着される金属管が開示されている。この金属管は、全長又は部分的に曲がり部を有する。曲がり部の外周側が車体に加わる衝撃方向に略合致するよう配置される。この金属管は、真直管を用いた補強部材に比べ、車体補強用として優れた耐衝撃性を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開２００５／０５８６２４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

金属管は、降伏強度を超える衝撃を受けると折れ曲がり、折れ曲がり部が突出する。金属管を軽量化のために薄肉化すると、衝撃で折れたときの突出度合いが大きくなりやすい。これに対して、例えば、金属管を構造部材として用いる場合は、衝突による衝撃で変形した金属管が折れ曲がって突出する度合いは、より小さいことが乗員保護の観点から好ましい。

【0006】

そこで、本願は、衝撃による変形時の突出度合いをより小さくできる金属管及びそれを用いた構造部材を開示する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の実施形態における金属管は、外径Ｄの円形断面を有し、長さが６Ｄ以上の金属管である。前記金属管は、高強度部と、低強度部を備える。前記高強度部は、前記金属管長手方向の寸法（２／３）Ｄ以上、３Ｄ以下の部分に、前記金属管の全周にわたって配置される。前記高強度部の降伏強度は、５００ＭＰａ（引張強度なら９８０ＭＰａ）以上である。前記低強度部は、前記高強度部の前記金属管長手方向両側に前記金属管の全周にわたって配置される。前記低強度部の降伏強度は、前記高強度部の６０〜８５％である。

【発明の効果】

【0008】

本願開示によれば、衝撃による変形時の突出度合いをより小さくできる金属管及びそれを用いた構造部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1A】図１Ａは、両端部が支持された丸管の構成例を示す図である。

【図1B】図１Ｂは、図１Ａに示す丸管の変形挙動例を示す図である。

【図1C】図１Ｃは、図１Ａに示す丸管の他の変形挙動例を示す図である。

【図2A】図２Ａは、本実施形態における金属管１の構成を示す斜視図である。

【図2B】図２Ｂは、図２Ａに示す金属管をＹ方向から見た側面図である。

【図2C】図２Ｃは、図２Ａに示す金属管をＸ方向から見た側面図である。

【図3】図３は、一様な強度分布を持つ金属管の変形挙動を説明するための図である。

【図4】図４は、高強度部を挟む低強度部を有する金属管の変形挙動を説明するための図である。

【図5A】湾曲した金属管の例を示す側面図である。

【図5B】湾曲した金属管の例を示す側面図である。

【図5C】湾曲した金属管の例を示す側面図である。

【図5D】湾曲した金属管の例を示す側面図である。

【図6A】図６Ａは、車両に配置される構造部材の一例を示す図である。

【図6B】図６Ｂは、スペースフレーム構造の車体を有する車両の一例を示す図である。

【図7】図７は、低強度部と高強度部の境界を含む部分の降伏強度の分布の一例を示す図である。

【図8A】図８Ａは、シミュレーションにおける解析モデルの構成を示す図である。

【図8B】図８Ｂは、シミュレーションにおける解析モデルの構成を示す図である。

【図9A】図９Ａは、金属管の変形のシミュレーション結果を示す図である。

【図9B】図９Ｂは、金属管の変形のシミュレーション結果を示す図である。

【図10】図１０は、荷重及び吸収エネルギーのシミュレーション結果を示すグラフである。

【図11】図１１は、折れ発生時のインパクタストロークのシミュレーション結果を示すグラフである。

【図12】図１２は、低強度部と高強度部の強度比を変えて衝撃荷重を入力した場合の、曲げ変形による変形量を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

発明者は、丸管を構造部材として用いた場合の衝撃に対する挙動について調べた。丸管を構造部材として用いる場合、丸管は、例えば、図１Ａに示すように、両端部が支持された状態で、構造物（例えば、車両、建物又は容器等）の一部を構成する。発明者は、両端部が支持された丸管の衝撃に対する挙動を調べたところ、丸管の径に対する長さが６倍程度以上の場合、衝撃による変形度合いが大きくなる事態が発生することがわかった。

【0011】

例えば、両端部が支持された丸管の長手方向中央（図１Ａのｙ１）に衝撃が加わった場合、丸管は、衝撃後早期に折れて変形する（図１Ｂ参照）。この早期折れ変形の突出度合いは、丸管の長手方向中央と一方の支持部との間の位置（図１Ａのｙ２）に衝撃が加わった場合（図１Ｃ参照）の変形による突出度合いより大きくなる。解析の結果、両端部が支持された丸管の長手方向中央へ衝撃が加わった場合に、最もモーメントの負荷が高くなることがわかった。

【0012】

発明者は、丸管の強度を上げる又は形状を工夫することで、衝撃による丸管の変形度合いを小さくすることを検討した。しかし、丸管の強度を上げても変形による突出度合は変化しない。また、丸管の形状を変えると、丸管の持つ経済性及び汎用性等のメリットがなくなってしまう。そこで、発明者は、丸管の強度分布を変化させることで、折れ変形を抑えることをさらに検討した。

【0013】

発明者は、丸管の材料強度及び強度分布について、鋭意検討した結果、丸管に、他の部分より強度が低い低強度部を、長手方向に並べて配置する構成に想到した。すなわち、高強度部の両側に高強度部より強度の低い低強度部を丸管の全周に渡って配置する構成に想到した。この構成において、高強度部に加わった衝撃による荷重が低強度部に伝達し、折れ変形が抑えられることを見出した。そして、さらなる試行錯誤の結果、高強度部の強度、低強度部の高強度部に対する強度比、高強度部の長手方向の寸法を適切に設定することにより、高強度部に対する衝撃による変形度合いを効果的に低減できることを見出した。この知見に基づき、下記実施形態の丸管に想到した。

【0014】

［実施形態］
図２Ａは、本実施形態における金属管１の構成を示す斜視図である。図２Ｂは、図２Ａに示す金属管１を長手方向（Ｙ方向）から見た側面図である。図２Ｃは、図２Ａに示す金属管１を長手方向に垂直な方向（Ｘ方向）から見た側面図である。

【0015】

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、金属管１は、外径Ｄの円形断面を有し、長さＬＹが６Ｄ以上の金属管である。金属管１は、高強度部１Ａと、その両側に配置される低強度部１Ｂを備える。高強度部１Ａ及び低強度部１Ｂは、金属管１の全周にわたって配置される。図２Ｃに示すように、高強度部１Ａは、金属管１の長手方向（Ｙ方向）において、外径Ｄの（２／３）Ｄ以上、３Ｄ以下の寸法ＬＡにわたって配置される（（２／３）Ｄ≦ＬＡ≦３Ｄ）。一対の低強度部１Ｂの間の距離は、高強度部１Ａの寸法ＬＡに等しい。高強度部１Ａの降伏強度は、５００ＭＰａ（引張強度の場合は、９８０ＭＰａ）以上である。低強度部１Ｂの降伏強度は、高強度部１Ａの６０〜８５％である。なお、低強度部１Ｂの引張強度も、同様に、高強度部１Ａの引張強度の６０〜８５％とする。

【0016】

高強度部１Ａ及び低強度部１Ｂ以外の部分すなわち、低強度部１Ｂの長手方向外側の部分１Ｃの降伏強度は、低強度部１Ｂ以上とする。例えば、低強度部１Ｂの長手方向外側の部分１Ｃの降伏強度は、高強度部１Ａの降伏強度と同じにすることができる。本例では、低強度部１Ｂは、周りよりも降伏強度が低い部分である。

【0017】

図２Ａ〜図２Ｃに示すように、高強度部１Ａの両側に低強度部１Ｂを全周に渡って配置することで、衝撃荷重による変形を高強度部１Ａに集中させることなく、低強度部１Ｂに分散させることができる。そうするために、次の３点を満たす必要がある。第１に、高強度部１Ａの降伏強度は、５００ＭＰａ（引張強度の場合は９８０ＭＰａ）以上とする。第２に、低強度部１Ｂの高強度部１Ａに対する強度比を６０〜８５％とする。第３に、高強度部１Ａの寸法ＬＡを、外径Ｄの（２／３）Ｄ以上、３Ｄ以下とする。そうすることで、高強度部１Ａへの衝撃による荷重による変形を、早期に、低強度部１Ｂに分散することができる。その結果、高強度部１Ａへの衝撃による折れ変形を抑えることができる。

【0018】

金属管１のように、長さＬＹが６Ｄ以上の細長い金属管では、長手方向に離間した２つの支持部で支持された状態で、２つの支持部の中央付近に衝撃が加わった場合に、金属管の２つの支持部の中央付近に生じる曲げモーメントが最も大きくなることが発明者の調査によりわかった。この知見に基づいて、２つの支持部の中央付近に高強度部１Ａを配置し、高強度部１Ａの両側に低強度部１Ｂを配置することで、衝撃による金属管１の中央部の折れを避けることができる。金属管の支持部に近い箇所に衝撃が加わった場合、中央に衝撃が加わった場合に比べ、曲げモーメントの負荷が大きくならない。そのため、２つの支持部の中央に衝撃が加わった場合よりも、中央より支持部に近い位置に同じ強さの衝撃が加わった場合の方が、金属管は折れ難い。この観点から、金属管の２つの支持部の中央付近の強度分布が重要である。２つの支持部の中央付近に比べ、金属管の支持部に近い箇所の強度分布については、重要度は低い。

【0019】

図３は、一様な強度分布を持つ円形断面を有する金属管２の変形挙動を説明するための図である。図４は、図２Ａ〜図２Ｃに示すような低強度部１Ｂを有する金属管１の変形挙動を説明するための図である。図３及び図４は、金属管の長さ方向の垂直な方向に圧子を衝突させた場合の変形挙動を示す。図３及び図４は、圧子の衝突の方向及び金属管の長さ方向に垂直な方向から見た側面の構成を示す。

【0020】

図３に示すように、一様な強度分布を持つ金属管２では、衝撃により、曲げ変形起点Ｐで発生した変形は、側面視でくさび状になるように進行する。その結果、曲げ方向（衝撃の方向）に鋭く突出するように折れ曲がる。場合によっては、金属管２にひびが入ることもある。

【0021】

図４に示すように、高強度部１Ａの両側に低強度部１Ｂ（図４ではドットで示される領域）を有する金属管１では、高強度部１Ａの曲げ変形起点Ｐから内側へ進行する変形は、高強度部１Ａと低強度部１Ｂの境界に達すると、比較的強度の低い横方向（金属管１の長手方向）に進行しやすくなる。そのため、変形は長手方向に広がり、曲げ方向（衝撃方向）の変形度合いが小さくなる。

【0022】

なお、図３及び図４に示す変形挙動は、圧子を金属管に衝突させた場合に限られない。例えば、金属管を長手方向に圧縮する軸力により曲げ変形する場合や、３点曲げ試験のように、金属管に圧子を押し付けて長手方向に垂直な方向の力を静的に加えたときの曲げ変形も、同様の変形挙動となり得る。

【0023】

図２Ａ〜図２Ｃに示す金属管１において、高強度部１Ａの寸法ＬＡは、外径Ｄに対して、（２／３）Ｄ以上、（４／３）Ｄ以下とすることが好ましい。これにより、さらに、高強度部１Ａへの衝撃による変形度合いをより抑えることができる。

【0024】

また、低強度部１Ｂの長手方向の寸法ＬＢは、（３／５）Ｄ以上とすることが好ましい。これにより、高強度部１Ａへの衝撃による変形度合いをより抑えることができる。低強度部１Ｂの寸法ＬＢは、金属管１の強度確保の観点から、例えば、２Ｄ以下、好ましくは、Ｄ以下とすることが好ましい。

【0025】

なお、外径Ｄに対する高強度部１Ａの寸法ＬＡ及び低強度部１Ｂの寸法ＬＢは、上記の関係、すなわち、（（２／３Ｄ）≦ＬＡ≦３Ｄ）、好ましくは（（２／３）Ｄ≦ＬＡ≦（４／３）Ｄ）又は、（（３／５）Ｄ≦ＬＢ）を厳密に満たす場合に限られない。上記関係を満たすと見なせる程度の誤差を含む場合も含まれる。また、図２に示す例では、低強度部１Ｂと高強度部１Ａの境界は、金属管の長手方向に垂直な線上にある。低強度部と高強度部の境界の形態はこれに限られない。例えば、低強度部と高強度部の境界が金属管の長手方向に垂直ではなく蛇行していてもよい。この場合、蛇行する境界のうち最も低強度部寄りの位置と最も高強度部寄りの位置の中間に、低強度部と高強度部の境界が位置するとみなす。金属管の断面が楕円の場合は、長軸と短軸の比が１．５以下までを許容する。楕円の場合、衝撃入力方向の径を外径Ｄとみなす。例えば、自動車の骨格部材に適用した場合、車体の外側から内側に向かう方向の径を外径Ｄとみなす。金属管が楕円かつねじれている場合、短軸を外径Ｄとみなす。

【0026】

また、高強度部１Ａを金属管１の長手方向中央に配置することが好ましい。すなわち、高強度部１Ａの少なくとも一部が、金属管１の長手方向中央の部分に位置するよう構成することが好ましい。換言すると、金属管１の長さ方向中央部を高強度部１Ａとすることが好ましい。これにより、金属管１の中央への衝撃による折れを抑えることができる。例えば、両端部が支持され金属管１において、衝撃によるモーメントが最も大きくなる中央の折れ変形を効果的に抑えることができる。

【0027】

図２Ａに示す例では、金属管１は、長手方向に直線状に延びて形成される。これに対して、金属管１は、長手方向において湾曲していてもよい。例えば、金属管１は、長手方向に垂直な方向に凸となるよう湾曲した形状にすることができる。

【0028】

図５Ａ〜図５Ｄは、長手方向において湾曲した金属管１の例を示す側面図である。図５Ａ〜図５Ｄに示す例では、金属管１は、長手方向に垂直な方向に凸となるよう湾曲している。図５Ａでは、金属管１は、長手方向全体にわたって一定の曲率で湾曲している。図５Ｂ及び図５Ｃでは、金属管１の長手方向の位置に応じて曲率が変化している。図５Ｄでは、金属管１は、長手方向の一部において湾曲している。図５Ａ及び図５Ｄに示す例では、金属管１は、長手方向に垂直な方向から見て左右対称となるよう湾曲している。図５Ｂ、図５Ｃ、及び図５Ｄの金属管１は、湾曲している部分（湾曲部）と、直線上に延びる部分（直線部）とを有する。図５Ｃに示す例では、直線部の長手方向両側に湾曲部が配置される。すなわち、湾曲部の間に直線部が配置される。図５Ｄに示す例では、湾曲部の長手方向両側に直線部が配置される。

【0029】

このように、金属管１を長手方向に垂直な方向に凸となるよう湾曲させることで、湾曲の凸方向に対向する向きの衝撃に対する耐衝撃性を向上させることができる。例えば、湾曲した金属管１の両端部を支持してなる構造部材は、湾曲の凸方向に対向する向きの衝撃に対して、高い耐衝撃性を有する。

【0030】

図５Ａ及び図５Ｄに示す例では、一対の低強度部１Ｂとその間の高強度部１Ａは、いずれも金属管１の湾曲部に配置される。図５Ｂ及び図５Ｃに示す例では、一対の低強度部１Ｂとその間の高強度部１Ａは、いずれも金属管１の直線部に配置される。低強度部１Ｂと高強度部１Ａを直線部に配置する場合、例えば、直線部の中央に高強度部１Ａを配置することができる。これにより、衝撃を受けたときのモーメントが高くなる部分に高強度部１Ａを配置することができる。

【0031】

［構造部材、車両への適用例］
上記の金属管１は、構造部材として用いることができる。この場合、例えば、金属管１の長手方向に離間した２箇所で支持された金属管１で構造部材を形成する。この場合、金属管１は、他の部材に連結される部分である連結部を２つ有する。金属管１は、連結部において他の部材に支持される。連結部は、支持部とも称する。連結部では、金属管１は、他の部材に対して固定される。すなわち、連結部において、金属管１は、他の部材に対して、相対運動不可能な状態で連結される。金属管１の連結部は、例えば、締結部材又は溶接により他の部材と接合される。なお、連結部は、３つ以上であってもよい。

【0032】

２つの連結部は、金属管１の長手方向において６Ｄ以上離れた位置に配置される。連結部の離間距離が６Ｄ未満の場合、特に何も配慮しなくても金属管が折れにくいため、発明の効果があまりない。

【0033】

例えば、金属管１を車両央構造部材として用いる場合は、金属管１は、金属管１の長手方向に離間した２つの連結部で支持した状態で車両に取り付けられる。金属管１は、例えば、車体、バンパ又は車両ドアの構造部材となる。そのため、金属管１を備える車体、パンパ又は車両ドアも、本発明の実施形態に含まれる。

【0034】

２つ連結部で支持された金属管１で形成される構造部材では、２つの連結部の間に、一対の低強度部１Ｂとその間の高強度部１Ａを配置する。これにより、金属管１において、衝撃が加わった場合のモーメントが大きくなる部分を折れにくくすることができる。その結果、耐衝撃性が高い構造部材が得られる。

【0035】

例えば、２つの連結部から等しい距離の部分（２つの連結部の間の中央）に高強度部１Ａを配置する。例えば、長手方向中央に高強度部１Ａが配置された金属管１の両端部を支持した構造部材を形成する。ここで、両端部とは、金属管１の両端及びその近傍の部分を含む。

【0036】

金属管１を車両に取り付ける場合、金属管１の長手方向が車両の外形に沿うよう金属管１を配置することが好ましい。すなわち、車両が衝突した場合の衝撃が金属管１の長手方向に垂直な方向となるように、金属管１が取り付けられる。金属管１の長手方向中央に高強度部１Ａが配置され、その両側に低強度部１Ｂが配置される。これにより、金属管１の中央に車両の外側から衝撃を受けた場合に、金属管１が車両の内側へ突出する度合が小さくなる。そのため、車両内の装置又人に金属管１が接触する可能性がより低くなる。例えば、金属管１が、衝突時に客室内に向かって折れることが避けられる。これにより、安全性がより向上する。

【0037】

金属管１は、上記のように、湾曲していてもよい。例えば、金属管１は、車両の外側に向かって凸となるよう車両に取り付けることが好ましい。この場合、金属管１は、車両の外側に凸となるように湾曲している。これにより、車両の外側から衝撃を受けた場合に、金属管１をより折れにくくすることができる。

【0038】

金属管１は、車体、バンパ又は車両ドアの一部を構成する構造部材とすることができる。例えば、Ａピラー、Ｂピラー、サイドシル、ルーフレール、フロアメンバー、フロントサイドメンバーといった車体を構成する部材に金属管１を用いてもよい。或いは、ドアインパクトビームやバンパといった車体に取り付けられる部材に金属管１を用いてもよい。

【0039】

図６Ａは、モノコック構造の車両に配置される構造部材の一例を示す図である。図６Ａに示す例では、Ａピラー１５、Ｂピラー１６、サイドシル１７、ルーフレール１８、バンパ１９、フロントサイドメンバー２０、ドアインパクトビーム２１、フロアメンバー２２、及び、リアサイドメンバー２３が車両用構造部材として用いられる。これらの車両用構造部材の少なくとも１つを、上記の金属管１で構成してもよい。

【0040】

バンパ１９を金属管１で形成する場合、金属管１の両端部をフロントサイドメンバー２０で支持する構成とする。この構成では、バンパ１９の中央に衝撃が加わった場合に、荷重のモーメントが最大となる。バンパ１９の左右方向中央に高強度部１Ａが配置され、その両側に低強度部１Ｂが配置される。これにより、バンパ１９の中央への衝撃による折れ変形が抑えられる。

【0041】

ドアインパクトビーム２１を金属管１で形成する場合、金属管１の両端部にブラケットを設け取り付けられる。ブラケットを設けずに溶接してもよい。金属管１は、両端部のブラケットを介してドアフレームに取り付けられる。いずれの場合も、高強度部１Ａを金属管１の中央に配置することで、衝撃を受けた際のモーメントが最も大きくなる部分での折れ変形を抑えることができる。

【0042】

金属管１は、モノコック構造の車両のみならず、フレーム構造の車体に適用してもよい。図６Ｂは、特開２０１１−３７３１３に開示されたスペースフレーム構造の車体を有する車両である。スペースフレーム構造の車体は、複数のパイプ３１と、パイプ３１を連結するジョイント３２を備える。パイプ３１は、車体の表面を覆うボディ３０の内部に配置される。複数のパイプ３１は、上下方向に延びるパイプ、前後方向に延びるパイプ、及び、左右方向に延びるパイプを含む。複数のパイプ３１の少なくとも一部を、上記の金属管１で形成することができる。このように、スペースフレーム構造の車体を構成するパイプ（管材）に上記の金属管１を適用すると、パイプが、乗員やエンジンのある車体内側に深く折れ曲がることが無いため、効果的である。

【0043】

車両の構造部材を構成する金属管１の材料として、引張強度（低強度部１Ｂ以外の部分の引張強度）が７８０ＭＰａ以上（降伏強度４００Ｍｐａ以上）の超高強度鋼を用いると、上記の効果が顕著に現れる。さらには、金属管１の低強度部１Ｂ以外の領域の強度を、引張強度で９８０ＭＰａ以上（降伏強度で５００ＭＰａ以上）とすることで、より効果を奏することができる。

【0044】

なお、金属管１を適用できる車両の構造部材は、図６に示す自動車のような４輪車両に限られず、例えば、二輪車両の構造部材として金属管１を用いてもよい。また、金属管１で構成される構造部材の用途は、車両用に限られない。例えば、耐衝撃性容器、建築物、船舶、又は、航空機等の構造部材として、金属管１を用いてもよい。

【0045】

また、金属管１を構造部材として用いる態様は、金属管１の両端部を他の部材に連結する態様に限られない。金属管１の長手方向に６Ｄ以上離れた任意の２つの位置で、他の部材を連結してもよい。すなわち、２つの連結部は、両端に限らずに、金属管１の任意の位置に配置してもよい。

【0046】

［製造工程］
金属管１は、全体を同一素材で形成することができる。一例として、金属管１は、鋼板から形成することができる。例えば、１枚の鋼板を丸めて、鋼板の一方の端部と、対向する他方の端部とを溶接等により接合することで、円形の断面を有する管状の構造部材（丸管）を形成される。或いは、中実の円柱に軸方向に孔を貫通させて金属管１を形成される。丸管を湾曲させる場合は、例えば、プレス曲げ、引張り曲げ、圧縮曲げ、ロール曲げ、押し通し曲げ、又は偏心プラグ曲げ等の曲げ加工方法を用いられる。

【0047】

金属管１の製造工程には、素材に低強度部を形成する工程が含まれる。低強度部を形成する方法は、特に限定されないが、例えば、レーザー又は高周波加熱等の方法で、材料を局所的に加熱、焼き入れを行うことで、硬化領域を含む金属管１を作り出すことができる。この場合、焼き入れを行わない領域が、相対的に強度が低い低強度部となる。また、調質処理を行って丸管の全体を強化した後に、部分的に焼鈍処理を行って低強度部を形成することもできる。

【0048】

或いは、管状部材を、軸方向に移動させながら、加熱、曲げモーメント付与、及び冷却を順次施すことで、長手方向において湾曲した金属管１を作製することができる。この方法では、管状部材の外周に、誘導加熱コイルを配置して、管状部材を局部的に塑性変形可能温度に加熱する。この加熱部を管状方向に移動させながら、誘導加熱コイルより下流の管状部材に設けられた可動ローラダイス等の可動把持手段を動かすことにより、曲げモーメントを付与する。このようにして湾曲させた部分を、誘導加熱コイルと可動把持手段との間の冷却装置により冷却する。この工程において、例えば、加熱及び冷却の条件を管状部材の外周方向において異ならせることで、管状部材に低強度部を形成することができる。

【0049】

なお、金属管１の製造方法は、上記例に限られない。テーラードブランク、その他公知の方法を用いて、低強度部を有する金属管１を形成することができる。テーラードブランクを採用する場合、本発明は鋼管のみならず、例えば、アルミニウム等の金属管にも適用できる。

【0050】

上記の金属管１においては、高強度部１Ａの降伏強度の分布が一様でない場合がある。定常域では、降伏強度のばらつきは、±１０％以内となることが多い。ここでは、高強度部１Ａの降伏強度の最大値Ｓｍａｘの９０％を、高強度部１Ａの降伏強度ＳＡ（基準強度）と定義する（ＳＡ＝０．９Ｓｍａｘ）。降伏強度が０．８５ＳＡより大きく０．９ＳＡより小さい（ＳＡの８５％〜９０％）領域（遷移域）は、高強度部１Ａの一部とみなす。高強度部１Ａにおける降伏強度は、０．８５ＳＡ（ＳＡの８５％）より大きい。すなわち、降伏強度が０．８５ＳＡより大きい領域が高強度部１Ａである。

【0051】

図７は、低強度部と高強度部の境界を含む部分の降伏強度の分布の一例を示す図である。図７において、縦軸は降伏強度、横軸はｙ方向の位置を示す。図７に示す例では、高強度部の降伏強度の最大値Ｓｍａｘの９０％（０．９Ｓｍａｘ）が、高強度部の降伏強度ＳＡと定義される。高強度部において、降伏強度が０．９ＳＡ以上の領域は、定常域と称する。また、降伏強度が０．８５ＳＡより大きく０．９ＳＡより小さい領域は、低強度部から高強度部の定常域に至るまでの遷移域である。遷移域は高強度部とみなす。つまり、降伏強度が０．８５Ａの位置が、低強度部と高強度部との境界となる。すなわち、降伏強度が０．８５ＳＡより大きい領域は、高強度部となり、降伏強度が０．８５ＳＡ以下の領域は、低強度部である。

【0052】

低強度部の降伏強度は、０．６ＳＡ以上０．８５ＳＡ以下（ＳＡの６０〜８５％）である。なお、金属管１の低強度部で囲まれる部分に０．６ＳＡ以下の部分が含まれていても、その部分が金属管１の変形挙動への影響を無視できる程度に小さい場合は、低強度部の一部と見なす。

【実施例】

【0053】

本実施例では、円形の断面を有する金属管に圧子を衝突させた場合の金属管の変形をシミュレーションで解析した。図８Ａは、シミュレーションにおける解析モデルの構成を示す図である。本シミュレーションでは、金属管１０を２つの台３に架け渡した状態で、金属管１０の長手方向の中央部に、圧子（インパクタ）４を、衝突させた場合の変形挙動を解析した。圧子４の質量は３５０ｋｇとし、圧子４のＹ方向の幅ＷＩは１６０ｍｍ、圧子４の衝突面４ｓの曲率半径Ｒは１５０ｍｍとし、圧子４の初速度は、４ｍ／秒とした。摩擦係数は、０．１とした。金属管１０の断面は円形とした。金属管１０の外形Ｄは５０ｍｍ、金属管１０の板厚は１．４ｍｍ、金属管１０の長さＬＹは１０００ｍｍとした。台３間の距離ＬＳは４００ｍｍとした。

【0054】

図８Ｂは、シミュレーションにおける解析モデルの他の構成を示す図である。図８Ｂに示す例では、金属管１０の両端が２つの台３に接合されている。図８Ｂに示す解析モデルのシミュレーションの結果は、図８Ａに示す解析モデルのシミュレーションの結果と同様であった。

【0055】

低強度部１０Ｂの降伏強度を１００ｋｇｆ／ｍｍ^２、高強度部１０Ａを含むその他の領域の降伏強度を１２０ｋｇｆ／ｍｍ^２（高強度部１０Ａと低強度部１０Ｂの強度比を約０．８３）として、高強度部１０Ａの寸法ＬＡ及び低強度部１０Ｂの寸法ＬＢを変化させて、衝突シミュレーションを行った。

【0056】

図９Ａ及び図９Ｂは、圧子４の侵入量が４０ｍｍの時の金属管１０の変形のシミュレーション結果を示す図である。図９Ａは、低強度部１０Ｂの間の高強度部１０Ａの寸法ＬＡを金属管１０の外径Ｄと同じにした場合（ＬＡ＝Ｄ）の金属管１０の変形を示す。図９Ｂは、低強度部１０Ｂを設けない場合（ＬＡ＝ＬＢ＝０）の金属管１０の変形を示す。

【0057】

図９Ａに示す結果は、金属管１０の壁が圧子４に押されて潰れる、いわゆる「断面潰れ」の変形モードを示している。図９Ａに示す結果では、金属管１０の表面は、インパクタ４の衝撃面４ｓの形状に沿って変形している。図９Ｂに示す結果は、金属管１０の壁が、鋭く突出するように折れ曲がる、いわゆる「折れ」の変形モードを示している。図９Ｂに示す結果では、金属管１０の表面は、折れ曲がることで、インパクタ４の衝撃面４ｓから離れている。このシミュレーション結果により、ＬＡ＝Ｄの条件において、圧子４の侵入量４０ｍｍで折れが発生せず、好ましい変形挙動が得られることがわかった。

【0058】

下記表１は、上記強度比を０．８３（低強度部１０Ｂの降伏強度を、ＹＰ１００ｋｇｆ／ｍｍ^２、高強度部１０Ａを含むその他の部分の降伏強度を、ＹＰ１２０ｋｇｆ／ｍｍ^２）とし、高強度部１Ａの寸法ＬＡ及び金属管１０の板厚ｔを変化させた場合のシミュレーション結果から得られる変形挙動を示す。表１において、変形挙動欄のExcellentは非常に良好、Goodは良好、Poorは、不良を示す。これらの変形挙動の評価は、折れが発生する時の圧子の侵入量に基づいて判断した。圧子の侵入量は、インパクタストローク又は圧子変位と称することもできる。

【0059】

【表1】

【0060】

図１０は、上記表１に示すＣａｓｅ１、Ｃａｓｅ３、及びＣａｓｅ６の条件における金属管１０にかかる荷重及び吸収エネルギーのシミュレーション結果を示す。図１０において、横軸はストロークすなわち圧子４の侵入量(mm)、縦軸は荷重(kN)及び吸収エネルギー(J)を示す。実線Ｋ１は、Ｃａｓｅ１（ＬＡ＝０）の場合の荷重とストロークとの関係を示す。実線Ｋ３は、Ｃａｓｅ３（ＬＡ＝Ｄ）の場合の荷重とストロークとの関係を示す。実線Ｋ６は、Ｃａｓｅ６（ＬＡ＝８Ｄ／３）の場合の荷重とストロークとの関係を示す。破線Ｅ１は、Ｃａｓｅ１の場合の吸収エネルギーを示す。破線Ｅ３は、Ｃａｓｅ３の場合の吸収エネルギーを示す。破線Ｅ６は、Ｃａｓｅ６の場合の吸収エネルギーを示す。

【0061】

Ｃａｓｅ６は、Ｃａｓｅ１に比べ、折れモードが生じ難く、荷重は高位を維持している。結果として、Ｃａｓｅ６の吸収エネルギーは、Ｃａｓｅ１に比べて優位となっている。Ｃａｓｅ３は、Ｃａｓｅ１及びＣａｓｅ６に比べて、さらに折れモードが生じ難いため、極めて高い吸収エネルギーを達成できている。

【0062】

図１１は、表１におけるＣａｓｅ１〜１２における、折れ発生時のインパクタストロークのシミュレーション結果を示すグラフである。図１１に示す結果では、Ｃａｓｅ２〜７、１０〜１２の場合に、Ｃａｓｅ１すなわち低強度部１０Ｂを設けない場合より、折れ発生時のインパクタストロークが大きくなっている。これにより、Ｃａｓｅ２〜７、１０〜１２の場合には、低強度部１０Ｂを設けない場合に比べて、折れが発生しにくいことがわかった。また、Ｃａｓｅ２〜４の場合は、折れ発生時のインパクタストロークが突出して大きくなっている。これにより、Ｃａｓｅ２〜４の場合は、特に、折れが発生しにくくなることがわかった。

【0063】

また、低強度部１０Ｂの強度と、高強度部１０Ａを含むその他の部分の強度との強度比を変化させて、衝突シミュレーションを行った。図１２は、低強度部１０Ｂと、高強度部１０Ａを含む他の部分の強度比を変えて衝撃荷重を入力した場合の、曲げ変形による変形量を示すグラフである。図１２において、縦軸は、衝撃方向（ｚ方向）における金属管１０の侵入量（突出量）を示す。横軸は、低強度部１０Ｂの強度の、高強度部１０Ａの強度に対する比（強度比＝低強度部の強度／高強度部の強度）を示す。図１２のグラフでは、ひし形のプロットは、高強度部の降伏強度をＹＳ１２０ｋｇｆ／ｍｍ^２とした場合の結果を示し、四角のプロットは、高強度部の降伏強度を１４５ｋｇｆ／ｍｍ^２とした場合の結果を示す。

【0064】

強度比が、０．６０〜０．８５の区間では、強度比の増加に伴って侵入量は減少している（矢印Ｙ１）。この区間では、金属管１０の変形モードは、断面潰れとなっている。この区間において、低強度部１０Ｂの強度が低い(強度比が０．６０以下)場合、断面潰れの変形になるものの、侵入量が大きくなり、強度比が０．８５を越える場合の侵入量と略同じとなった。強度比が０．８５を超えると、侵入量は、急激に増加した（矢印Ｙ２）。さらに、強度比０．８５以上で強度比を増やすと、侵入量は、強度比の増加に応じて大きくなった（矢印Ｙ３）。これは、強度比０．８５を境に、変形モードが、断面潰れから、折れに変化したためと考えられる。このように、低強度部１０Ｂの強度が高すぎる(強度比が高い)と折れ曲がって変形し、侵入量が大きくなった。図１２の結果により、衝撃による曲げ変形の侵入量を少なくする観点から、強度比は６０〜８５％が好ましく、強度比は７０〜８５％がより好ましいことが確認された。

【0065】

以上、本発明の一実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。

【0066】

金属管１の断面形状は、厳密に真円である場合に限られない。金属管１の断面形状は、略円形と見なせる程度に、扁平した楕円であってもよい。また、金属管１の断面における外縁の一部が、円弧でなく直線になっていてもよい。本発明の金属管は、広い分野で鋼管に好適に適用されるが、鋼管に限らず、アルミニウム管その他金属管に適用可能である。

【符号の説明】

【0067】

１：金属管
１Ａ：高強度部
１Ｂ：低強度部

【要約】

金属管（１）は、外径Ｄの円形断面を有し、長さが６Ｄ以上である。金属管（１）は、高強度部（１Ａ）と、低強度部（１Ｂ）を備える。高強度部（１Ａ）は、金属管長手方向の寸法（２／３）Ｄ以上、３Ｄ以下の部分に、金属管（１）の全周にわたって配置される。高強度部（１Ａ）の降伏強度は、５００Ｍｐａ（引張強度なら９８０ＭＰａ）以上である。低強度部（１Ｂ）は、高強度部（１Ａ）の金属管長手方向両側に金属管（１）の全周にわたって配置される。低強度部（１Ｂ）の降伏強度は、高強度部（１Ａ）の６０〜８５％である。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】

【図12】