(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある直線または曲線に沿って長く延びる中空構造部材であって、他の部材が連接される位置に、他の部材を溶接接合により連接するための溶接代を先端部に備え、かつその溶接代が形状的に滑らかに膨出部形状の一部をなしている膨出部を、ハイドロフォーム加工により形成したことを特徴とする中空構造部材。
【請求項２】
膨出部が、その張り出し先端面に凹部を備えたものである請求項１記載の中空構造部材。
【請求項３】
膨出部が、部材本体の肉厚以上の肉厚を有する請求項１または２記載の中空構造部材。
【請求項４】
膨出部が、その膨出部に連接される部材が荷重を掛けられる方向により張り出ているかまたは肉厚となっている請求項１〜３の何れかに記載の中空構造部材。
【請求項５】
膨出部が、部材本体の長手方向に平行な縞形状を備えたものである請求項１〜４の何れかに記載の中空構造部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用のフレーム等に適した中空構造部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５に示すように、自動車用のラダーフレームは縦方向に延びる一定断面の中空構造部材（サイドフレーム）１の複数位置に、桁部材と呼ばれる他の部材２を連接した構造のものである。他の部材２も中空構造を持ち、その両端部は中空構造部材１の側面にＴ字型に突き合わされ溶接により連接されている。ところがこの溶接部は材質が不連続となるうえ、形状的にも不連続となるために集中応力が発生し易く、様々な荷重を受けるフレームの強度的なウイークポイントとなっている。このため、従来から溶接部の外側に図６に示すような補強材３を溶接することにより補強しているが、この補強材３の分だけ重量が増加するという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の問題点を解決し、重量を増加させることなく他の部材との連接部の強度を高め、軽量化とフレーム剛性の向上とを両立させることができる中空構造部材を提供するためになされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためになされた請求項１の発明は、ある直線または曲線に沿って長く延びる中空構造部材であって、他の部材が連接される位置に、他の部材を溶接接合により連接するための溶接代を先端部に備え、かつその溶接代が形状的に滑らかに膨出部形状の一部をなしている膨出部を、ハイドロフォーム加工により形成したことを特徴とするものである。膨出部の詳細な形状は、その連接部に掛かる外力条件に応じて定められるものである。即ち必ずしも四方に張り出た膨出形状になるとは限らず、場合によっては一方にのみ張り出た膨出形状も有り得る。ここでは膨出部を、張り出た部位のみではなく、張り出た部位を含む断面全体を指すものとする。
【０００５】
請求項２の発明のように、この膨出部が、その張り出し先端面に凹部を備えたものであることが好ましく、また請求項３の発明のように、この膨出部は一般的に部材本体の肉厚以上の肉厚を有するものであることが好ましい。また請求項４の発明のように、一般的に膨出部は、その膨出部に連接される部材が荷重を掛けられる方向により張り出ているかまたは肉厚となっていることが好ましく、更に中空構造部材がその軸方向に強い荷重を強いられる場合には、請求項５の発明のように、膨出部が部材本体の長手方向に平行な縞形状を備えたものであることが好ましい。これらの膨出部は、管状素材をハイドロフォーム加工することにより形成されたものである。
【０００６】
本発明の中空構造部材は、長く延びる中空構造部材の他の部材を連接する位置に、溶接代を先端部に備えた膨出部を設けたものであるから、この膨出部に他の部材を溶接すれば、連接部の対曲げ抵抗を示す断面二次モーメントや、連接部の対捩れ抵抗を示す極二次モーメントを、従来の一定断面形状の中空構造部材よりも大きくすることができる。このため従来のように補強材を取りつける必要もなくなり、軽量化と強度アップを両立させることが可能となる。また、溶接代が形状的に滑らかに膨出部形状の一部をなしている形状としたので、応力集中を防止することができる。なお、請求項２以下の発明の意義については、以下の実施形態とともに説明する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の中空構造部材の一例を示す図である。本発明の中空構造部材は、ある直線または曲線に沿って長く延びるものであって、この実施形態では自動車用のフレームを構成するためのサイドフレームである。１０は部材本体であって、ここでは断面が四角形の鋼材からなるものである。この部材本体１０の中間位置に他の部材１１（桁部材）が溶接により連接され、フレームが構成される。
【０００８】
本発明では、部材本体１０の他の部材１１が連接される位置に、膨出部１２が設けられている。これらの膨出部１２は、管状素材をハイドロフォーム加工することにより、部材本体１０と一体に形成することができる。ハイドロフォーム加工は、管状素材の内部に高い液圧を加えながら管状素材の端部を軸押しすることにより管状素材を膨出させ、成形型の内部形状に沿って塑性変形させる加工法である。なお前記したように、膨出部１２は張り出た部位のみならず張り出た部位を含む断面全体を指すものとする。
【０００９】
このように、部材本体１０の他の部材１１が連接される位置に膨出部１２を設けることにより、連接部の断面二次モーメントや極二次モーメントを大きくすることができ、フレームの剛性を向上させることができる。具体的には、膨出部１２の張り出し高さを部材本体１０の高さの１.５倍にすることにより、曲げ抵抗力を約３０％、捩れ抵抗力を３５％向上させることができる。
【００１０】
この膨出部１２には、図２に示すように他の部材１１が溶接される。このため膨出部１２の張り出し先端部に溶接代１３が設けられる。一般に溶接部は冶金的残留応力を発生させ、強度（靭性）を低下させるうえ、溶接位置が形状的に不連続となって応力集中を招き、更に溶接部の強度（靭性）を低下させる。そこで図２に示すように、溶接代１３が形状的に滑らかに膨出部形状の一部をなしているようにしておくことにより、応力集中を防止することができる。
【００１１】
なお、他の部材１１の外面のみならず内面も形状的に滑らかになっていることが好ましく、このために膨出部１２の張り出し先端面には凹部１４を形成しておくことが好ましい。これらの工夫によって、膨出部１２の張り出し先端部に他の部材１１をＴ字溶接した場合に比較して、図２の構造では溶接部の強度を５０％以上も向上させることができる。
【００１２】
このように膨出部１２を形成することは溶接部の強度向上のために極めて有効であり、理論的にはそのサイズが大きいほど効果が大きい。しかし風船のように大きく膨らませると、膨出部１２の肉厚が薄くなりすぎ、荷重を受けた際に座屈してしまうおそれがある。そこで請求項３に示すように、膨出部１２の肉厚を部材本体１０の肉厚以上とすることが好ましい。
【００１３】
なお、通常は部材本体１０の一部を膨出させるとその部分の肉厚は薄くなるはずであるが、前記したように管状素材をハイドロフォーム加工する方法を採用すれば、軸押しを加えることによって膨出部１２の張り出し部位に素材を流動させ、膨出部１２の肉厚を厚くすることができる。また膨出部１２となる部分の肉厚を予め厚くした管状素材（テーラードパイプ）を用いたり、予曲げ加工した管状素材を用いることによっても、膨出部１２の肉厚を厚くすることができる。これによって膨出部１２の座屈を防止することができる。
【００１４】
膨出部１２は、その膨出部１２に連接される部材が荷重を掛けられる方向により張り出ているかまたは肉厚となっていることが好ましい。換言すれば、外力により動かされようとする方向により多くの部材質量が存在するように、膨出させるか肉厚化させておくことが好ましい。具体的には、膨出部１２が主として図２に示すＸ、Ｙ方向の荷重を受ける場合には、図２のように荷重を掛けられる方向に張り出させておけばよいが、同じ膨出部１２が図３に示すようにＺ方向の荷重をも受ける場合には、膨出部１２をＺ方向にも張り出させておくことが好ましい。
【００１５】
実際の自動車用のフレームでは、部材本体１０と他の部材１１との連接部に上下、左右、前後方向の荷重が加わるほか、部材本体１０自体が軸力を受け、且つ３軸方向のねじり荷重も作用するため、応力解析の結果、膨出部１２の断面を図２、図３に示すような形状とするのが最適であることが分かった。しかし他の部材１１とは反対側（図１〜図３における下側）から荷重を受けることはないため、図１〜図３における下側には張り出させる必要はない。縞形状は概ね連接部の逆方向に位置させることが強度的に有利となることが多く、この例ではたまたま、軸方向の縞を張り出し程度の小さい部位に設けている。このように荷重を受ける方向を考慮して膨出部１２の形状を設定することにより、この実施形態では全方向に張り出させた場合よりも約１８％の軽量化を図ることができた。
【００１６】
なお連接部がｘ軸方向にのみ力を受ける場合には、膨出部１２自体の軸方向強度を向上させるために、図４に示すように膨出部１２に部材本体１０の長手方向に延びる平行な縞１５を形成することができる。これらの縞１５は膨出部１２の側面にも断面を凹凸として補強リブと同様の効果を発揮する。この実施形態の場合、これによって縞１５を形成することによって膨出部の引張り圧縮強度を約１３％向上させることができた。
【００１７】
このように膨出部１２を設けた中空構造部材に他の部材１１を溶接すれば、従来に比べて連接部の強度や剛性を大幅に高めることができ、図６に示したような補強材３を必要としない。このため本発明を自動車用のフレームに適用すれば、軽量化とフレーム剛性アップとを同時に実現することができる。しかし本発明は必ずしも自動車用のフレームに限定されるものではなく、各種の構造部材に適用できるものである。
【００１８】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１の発明によれば、他の部材を溶接すれば、連接部の対曲げ抵抗や対捩れ抵抗を大きくすることができ、補強材を取りつける必要もなくなり、軽量化と強度アップを両立させることが可能となる。請求項２の発明によれば、溶接部の応力集中を防止して溶接部の強度を高めることができる。請求項３の発明によれば、膨出部の座屈を防止することができ、請求項４の発明によれば、荷重を受ける方向を考慮した最適設計が可能となる。また請求項５の発明によれば、膨出部の座屈を防止することができ、構造体全体の信頼性を高めることができる。さらに請求項６の発明によれば、上記した各発明の中空構造部材を確実かつ安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の中空構造部材の実施形態を示す平面図である。
【図２】膨出部の水平断面図である。
【図３】膨出部の垂直断面図である。
【図４】縞を持つ膨出部を示す斜視図である。
【図５】従来の自動車用のフレームを示す水平断面図である。
【図６】従来の連接部の補強材を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１  従来の中空構造部材
２  他の部材
３  補強材
１０  本発明の中空構造部材の部材本体
１１  他の部材
１２  膨出部
１３  溶接代
１４  膨出部の先端面の凹部
１５  縞
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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