(57)【要約】本発明は、車体用、特に支持ピラー用の鋳鉄から成形されるキャリア要素に関する。本発明のキャリア要素は、例えば骨組み構造として具体化され、また追加の強化のための金属製の中空ボールまたは金属スカムで充填される。本発明はまた、前記キャリア要素を製造するための方法に関し、この方法に従って強化コアが中空ボールから鋳造される。
2005525259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体用、特にコラムを支持するための鋳鉄から製造される支持要素において、
前記支持要素が少なくとも１つの鋳造シェル要素を具備し、
前記少なくとも１つの鋳造シェル要素が前記支持要素の外側輪郭を形成して、キャビティを封鎖し、
前記キャビティが金属製の中空ボールまたは鉄ベースの金属発泡体のコアで少なくとも部分的に充填されることを特徴とする支持要素。
【請求項２】
前記支持要素の外側輪郭が格子構造体の形状で構成されることを特徴とする、請求項１に記載の支持要素。
【請求項３】
前記支持要素が、横断方向ストラットによって互いに接続される少なくとも３つの長手方向ストラットを具備することを特徴とする、請求項２に記載の支持要素。
【請求項４】
前記シェル要素が、ストラットによって前記キャビティ内で強化されることを特徴とする、請求項１に記載の支持要素。
【請求項５】
前記支持要素が３ｍｍ未満の壁厚を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の支持要素。
【請求項６】
前記金属製の中空ボールが互いに接続されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の支持要素。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の支持要素を製造する方法において、
雌型内に前記支持要素を形成するコアスタックが複数の部分コアから製造され、
少なくとも１つの内側の部分コアが中空ボールから構成され、
前記支持要素が鉄合金、特に鋳鋼、球状黒鉛鋳鉄または可鍛鋳鉄で鋳造され、
中空ボールの前記内側の部分コアが前記鉄合金によって少なくとも部分的に封止され、
脱型後に前記支持要素内に留まることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載の車体用の支持要素、および請求項７に記載の支持要素を製造する方法に関する。
【０００２】
車体の支持要素は、原則として、一定の壁厚の板金から構成される。これらの板金はハーフシェル内に形成されることが多く、複数のハーフシェルが溶接され、支持要素または構造要素を形成する。自動車、特にコンバーチブルのＡコラムの場合、転倒時の支持要素の強度は、乗員用の十分な生存空間を保証するに足るほど高くないことがある。
【背景技術】
【０００３】
衝撃安全性を保証するために、ルーフコラム、特にコンバーチブルのＡコラムは、コラムの中心を走る鋼製チューブで強化される。一般型を確立するこのようなＡコラムは、特許文献１に記載されている。
【０００４】
自動車製造において軽量構造を達成するための広範囲にわたる努力の過程において、負荷軸受部分の重量を節減する試みもますます行われている。非特許文献１の定期刊行物論文には、２次元ジグザグプロファイルを介して接続される２つのストラットを具備するＡコラムを有する自動車の研究が示されている。この形式の構造は重量節減の大きな可能性を提供するが、この簡単なジグザグ構造体は、特に側面衝突に対し適切な強化を有しないので、当該構造体によって衝撃安全性は保証されない。
【０００５】
【特許文献１】独国特許発明第  ４０  １６  ７３０  Ｃ２号明細書
【非特許文献１】ｍｏｔ  ９／２００１，ｐ．６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、同一または向上された強度で従来技術と比較してより小さな重量を有する支持要素を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的の解決方法は請求項１および請求項７の特徴に開示されている。
【０００８】
請求項１に記載の本発明による支持要素は鋳鉄から製造される。車体構造に使用される従来の鋼板と比較した利点は、鋳鉄の構造体において、発生する力に材料厚さを適合できるという事実にある。したがって、負荷シミュレーションによって最高の機械的負荷を有する領域を決定すること、およびこれらの領域の材料を強化することが可能である。他方、低い負荷を受ける領域では材料を節減することができる。これらの方法を最適化することによって、同一の機能を有する支持要素で、鋼板構造と比較して５０％を超える重量節減を達成することができる。
【０００９】
鋳造アルミニウムの構造と比較すると、本発明の利点は、鋳造アルミニウム材料と比較して鉄材料の強度が高くなり、また伸びが大きくなることにある。記載した材料の置き換えおよび材料節減によって、同一の機能で、鋳造アルミニウム部品の質量と同様の質量を有するが、代わりに実質的により大きく機械的に負荷できる支持要素を製造することができる。
【００１０】
キャビティ内の支持要素は、中空ボールまたは鉄ベースの金属発泡体（鉄発泡体）のコアで充填される。コア材料のような中空ボールまたは鉄発泡体は機械的強度の向上をもたらし、支持要素の重量は限界的に増すだけである。さらに、中空ボールは、車体振動の減衰の改善に役立つ。
【００１１】
請求項２による支持要素は、ストラットから本質的に形成される少なくとも１つの鋳造シェル要素を具備する。支持要素が複数のシェル要素から構成される場合、複数のシェル要素は共に接合されて支持要素を形成し、かつキャビティを密閉する格子構造体を形成する。１つのシェル要素が使用される場合、シェル要素は支持要素と同一であり得る。キャビティは、原則として、格子構造体によって密閉され、閉鎖表面を有しない。支持要素のストラットは、１つのストラットの引張負荷時に少なくとも１つの対応するストラットが等しく圧縮負荷を受けるように取り付けられる。
【００１２】
支持要素は、キャビティを形成する少なくとも３つの長手方向ストラットを収容することが好ましい。長手方向ストラットは、その都度、引張負荷および圧縮負荷が相殺されるように複数の横断方向ストラットによって接続される。原則として、横断方向ストラットはその都度、隣接する長手方向ストラットの間を走るが、機械的応力が必要とする場合、キャビティを通して反対側の長手方向ストラットにも通過し得る。
【００１３】
請求項３に記載のさらなる実施形態では、同様に、支持要素は少なくとも１つのシェル要素から構成される。このシェル要素は、広いセクションにわたって閉じられる表面を有する。シェル要素の表面には、シェル要素の凹状アーチの方向にストラットが設けられる。ストラットはリブの形状で設計されることが好ましい。本実施形態では、材料節減のため、表面は、低い機械的負荷を受ける領域に非常に薄い壁厚または孔を有することが可能である。本発明のこの構造の機能は格子構造体と同様であるので、キャビティ内のストラットにより、同様の圧縮負荷によって引張負荷を相殺することができる。
【００１４】
表面あるいはストラットまたはリブに、支持要素は３ｍｍ未満の壁厚を有することが好ましい。このような壁厚の故に、支持要素の重量は、十分な強度を保証しつつ低減される。
【００１５】
中空ボールは互いに接続され、この結果、中空ボールの強度向上効果がさらに高められる。
【００１６】
本発明の他の本質的な部分は、請求項１に記載の本発明による支持要素を製造するための請求項７に記載の方法である。
【００１７】
したがって、本発明による支持要素を製造するためのシェル要素は砂型内で鋳造される。砂型は複数の部分コアを含む。部分コアの少なくとも１つは金属製の中空ボールまたは鉄発泡体から構成される。砂型は鉄合金で充填され、少なくとも１つの内側の部分コアは鉄合金によって封止され、支持要素内に強化要素として留まる。
【００１８】
本発明による方法を実施するために、様々な鋳造法および熱処理法が好都合である。好ましい方法は鋳鋼の鋳造、球状黒鉛鋳鉄の鋳造または可鍛鋳鉄の鋳造である。ベイナイト硬化鉄または「オーステナイトダクタイル鉄」（ＡＤＩ）を形成するための時効硬化または熱処理が同様に好都合である。
【００１９】
図１〜図３を参照して、特に好ましい実施形態についてより詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１に示した支持要素２は自動車のＡコラムの形状で設計される。支持要素をより明確に示すために、本発明に従って包埋された中空ボールは図１と図２の支持要素には示されていない。
【００２１】
図１の支持要素は４つの長手方向ストラット４〜７を有し、長手方向ストラット７は底部領域（７ａと７ｂ）で分岐する。支持要素２はシェル要素から構成され、この場合、シェル要素は支持要素２と同一である。長手方向ストラット４〜７と７ａ、７ｂは横断方向ストラット９によって接続される。長手方向ストラット４〜７、７ａ、７ｂおよび横断方向ストラット９は格子構造体を共に形成し、この構造体は支持要素の表面を形成するが、広い領域で開口している。
【００２２】
基部領域では、支持要素２は、他方の横断方向ストラット９よりも著しく広く設計される包囲する横断方向ストラット１１を有する。横断方向ストラット１１は模範的なものと見なされ、同様に、対応する負荷の場合、他方の長手方向または横断方向ストラット４〜７、７ａ、７ｂ、９、１３はより広くまたはより厚く形成される。これにより、恐らくは、格子構造体の開口部１３が相応して小さくなる。格子構造体はキャビティ１４を含む場合がある。
【００２３】
自動車に使用する場合、支持要素２には原則としてスキンが設けられる。スキンは金属製薄板、平坦なプラスチック部材、ガラスまたはプレキシガラス窓から構成し得る。透明材料を用いる利点は、コラムが部分的に透明であり、視野の向上を補助することである。
【００２４】
図２に示したハーフシェル１５はＡコラムの部分として設計される。本実施形態では、ハーフシェルは、凹状アーチ内のキャビティ１９を封鎖する閉鎖表面１７を有する。図２においてリブ２１として設計されるストラットはキャビティ１９を通過する（本図では、図示していない中空ボールで充填される）。リブ２１はそれらの全長にわたって表面と接触する。第２のハーフシェル（本図では図示せず）は、完成エンクロージャのために使用できる。しかし、ハーフシェル１５はまた、支持要素としてそれ自体で自立する。
【００２５】
質量の最適化に関する図１と図２による支持要素のさらなる利点は、従来技術と比較して、中央の鋼製チューブなしで済ますことができるという事実にある。図１によるＡコラムを一例としてあげると、質量低減は、従来設計のＡコラムと比較して約５５％である。
【００２６】
質量の最適化に鑑み、図１または図２の支持要素の表面およびリブの厚さは、３ｍｍ未満であることが好ましい。しかし、機械的な理由のため、選択された位置においてより大きな壁厚を保証することが必要である。しかし、このことを解消するため、特に図２によるハーフシェルの場合、より小さな負荷を受ける位置の材料を省略することが可能である。このことは、表面１７またはリブ２１のより薄い壁厚または孔を意味する。
【００２７】
表面１７のこのような修正は図３ａ〜図３ｃに一例として示されている。表面１７は、前記図３ａ〜図３ｃによって表面詳細図として示されているような開口部２１、２３、２５を有する。開口部２１、２３、２５は、特に、質量を低減するように働く。開口部２１、２３、２５のサイズは図３ａ〜図３ｃに大きくなる。少なくとも局所的な格子構造体の特別な例が図３ｃに示されている。すべての例において、ハーフシェル１５の筋交いは、図１と同様のストラットの形状（本図には示さず）で行ってもよい。しかし、鋳造の観点から、リブ２１と同様のリブ形態が有利である。
【００２８】
図１と図２の支持要素２と１５の詳細が図４と図５に示されている。これらの図面では、支持要素２、１５は金属製の中空ボール２３で充填される。追加の強度向上が金属製の中空ボール２３によって得られる。
【００２９】
中空ボールは０．５ｍｍ〜１０ｍｍの直径を有し、また立方体構成で非常にしっかりとパッキングされることが好ましい。
【００３０】
パッキング密度を大きくするために、中空ボールの直径を分布させることが可能である。この場合、直径は双峰分布することが好ましい。
【００３１】
キャビティ１９を鉄ベースの金属発泡体で充填することが同様に好都合である。
【００３２】
本発明による支持要素を形成するために、砂型が製造される。従来の砂型と異なり、キャビティ１９を形成するコア部は中空ボール２３または鉄発泡体から製造される。支持要素は鉄合金で鋳造され、外側砂型が取り除かれる。中空ボールはキャビティ内に留まり、支持要素の剛性を向上するように働く。
【００３３】
シェル要素を鋳造する好ましい方法は、特に、非常に薄い壁厚の低圧ダイキャストによる鋳鋼の鋳造である。材料の炭素割合は低く（２％未満）、適切に取り扱われるならば鋳鋼と同様に焼き戻すことができる。４５０Ｎ／ｍｍ２超の引張強度値は鋳鋼によって達成され、焼戻し鋼は最高１０００Ｎ／ｍｍ２を達成することができる。
【００３４】
さらなる好ましい鋳造法は、鋳鉄と呼ばれる球状黒鉛鋳鉄の鋳造であり、この鋳鉄は、鋳鋼と同様に比較的高い延性に優れ、焼戻し状態において１０００Ｎ／ｍｍ２の引張強度を同様に達成する。さらなる好ましい鋳造法は低圧ダイキャストである。
【００３５】
「可鍛鋳鉄」の鋳造は、本発明による支持要素を製造するために同様に好都合である。約９００℃の熱処理およびガスによるさらなる化学反応によって、炭素は鋳鉄から抽出され、したがって材料は延性にされる。例えば、球状黒鉛鋳鉄は、「オーステナイトダクタイル鋳鉄」、すなわちＡＤＩプロセスによって延性にすることができ、球状黒鉛鋳鉄は、同様に約９００℃の焼鈍プロセスを必要とし、次に、約３８０℃に分化冷却(ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅｄ  ｃｏｏｌｉｎｇ)され、この冷却によって所望の構造体形成、炭素安定化されたオーステナイトおよびフェライトの中間段階構造体が制御される。
【００３６】
すべての鋳造法は、ロストコアにより砂型鋳造によって実施されることが好ましく、この結果、ストラットまたは表面内のキャビティを形成することができる。
【００３７】
支持要素は、特別な衝撃保護を有する自動車にさらなる利点をもたらす。壁厚は、コアまたは型枠の比較的小さな変更によって変更できる。
【００３８】
このようにして、衝撃保護に対する要求から始まり、局所的に壁厚を特に増大することができる。このことは、連続生産で直接実施することができる。装甲自動車には、組立直後に強化支持要素が装備され、その後の解体は不要である。さらに、高価な溶接操作を回避できる。本発明による支持要素のこの可能性は、著しいコスト低減に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】格子構造体を有する支持要素の図面である。
【図２】キャビティ内にストラットを有する支持要素の図面である。
【図３ａ】〜
【図３ｃ】孔構造体を有する支持要素の表面の詳細図である。
【図４】中空ボールで充填された図１の支持要素の拡大詳細図である。
【図５】中空ボールで充填された図２の支持要素の詳細図である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年6月4日(2004.6.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体用、特にコラムを支持するための鋳鉄から製造される支持要素であって、
前記支持要素が少なくとも１つの鋳造シェル要素を具備し、
前記少なくとも１つの鋳造シェル要素が前記支持要素の外側輪郭を形成して、キャビティを封鎖し、
前記キャビティが金属製の中空ボールまたは鉄ベースの金属発泡体のコアで少なくとも部分的に充填される支持要素において、
雌型内に前記支持要素を形成するコアスタックが複数の部分コアを具備し、
少なくとも１つの内側の部分コアが中空ボールまたは鉄ベースの金属発泡体から構成され、
前記支持要素が鉄合金、特に鋳鋼、球状黒鉛鋳鉄または可鍛鋳鉄で鋳造され、
中空ボールまたは鉄ベースの金属発泡体の前記内側の部分コアが、前記鉄合金によって少なくとも部分的に封止され、また脱型後に前記支持要素内に留まることを特徴とする支持要素。
【請求項２】
前記支持要素の外側輪郭が格子構造体の形状で構成されることを特徴とする、請求項１に記載の支持要素。
【請求項３】
前記支持要素が、横断方向ストラットによって互いに接続される少なくとも３つの長手方向ストラットを具備することを特徴とする、請求項２に記載の支持要素。
【請求項４】
前記シェル要素が、ストラットによって前記キャビティ内で強化されることを特徴とする、請求項１に記載の支持要素。
【請求項５】
前記支持要素が３ｍｍ未満の壁厚を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の支持要素。
【請求項６】
前記金属製の中空ボールが互いに接続されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の支持要素。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載の車体用の支持要素に関する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記目的の解決方法は請求項１の特徴に開示されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明の他の本質的な部分は、請求項１に記載の本発明による支持要素を製造するための方法である。
【国際調査報告】
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