JP3207376B2 - 衝撃吸収機能を有する金属製構造材 - Google Patents
衝撃吸収機能を有する金属製構造材Info
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- Vibration Dampers (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、自動車、鉄道等
の車両用構造材や建築用構造材等として用いられる衝撃
吸収機能を有する金属製構造材に関する。
の車両用構造材や建築用構造材等として用いられる衝撃
吸収機能を有する金属製構造材に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、衝撃吸収機能を有する構造材とし
ては、構造材の一部に衝撃吸収機能を有する部材が介在
状態に設けられたものなどが使用されていた。
ては、構造材の一部に衝撃吸収機能を有する部材が介在
状態に設けられたものなどが使用されていた。
【０００３】例えば、具体的には、図６に示す自動車の
ステアリング用のシャフトを衝撃吸収機能を有する構造
材として例示できる。前記ステアリング用のシャフト
は、軸方向に相対移動可能で周方向には一体に回転する
一組のシャフト本体（１０１）（１０２）の間に、網目
円筒状の衝撃吸収部材（１０３）が、シャフト本体（１
０１）（１０２）の軸線上に介在状態で設けられたシャ
フト（１００）である。このシャフト（１００）は、通
常運転時には全体的に剛性部材として機能するが、自動
車が衝突するなどして大きな衝撃力が発生した場合、衝
撃吸収部材（１０３）が変形することによって当該衝撃
エネルギーを吸収し、運転手を保護することができるも
のである。
ステアリング用のシャフトを衝撃吸収機能を有する構造
材として例示できる。前記ステアリング用のシャフト
は、軸方向に相対移動可能で周方向には一体に回転する
一組のシャフト本体（１０１）（１０２）の間に、網目
円筒状の衝撃吸収部材（１０３）が、シャフト本体（１
０１）（１０２）の軸線上に介在状態で設けられたシャ
フト（１００）である。このシャフト（１００）は、通
常運転時には全体的に剛性部材として機能するが、自動
車が衝突するなどして大きな衝撃力が発生した場合、衝
撃吸収部材（１０３）が変形することによって当該衝撃
エネルギーを吸収し、運転手を保護することができるも
のである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、ステアリン
グ用のシャフト本来の機能は、一本の棒状部材で発揮し
得るものであるが、前述のステアリング用のシャフトの
ように、衝撃吸収機能を付加するためには、シャフトを
二つに分けてそれぞれに対し特殊な加工を施す必要があ
るとともに、別部材である衝撃吸収部材を必要とし、そ
れらを組み立てる工程等も必要であった。
グ用のシャフト本来の機能は、一本の棒状部材で発揮し
得るものであるが、前述のステアリング用のシャフトの
ように、衝撃吸収機能を付加するためには、シャフトを
二つに分けてそれぞれに対し特殊な加工を施す必要があ
るとともに、別部材である衝撃吸収部材を必要とし、そ
れらを組み立てる工程等も必要であった。
【０００５】このように、衝撃吸収機能を有する構造材
は、衝撃吸収用の部材やそれを組み込むための部材を多
く必要とし、それぞれの部材に対する特殊な加工や組み
立て工程が必要であるため、構造材全体として重量が増
加するとともに、コストの増加が不可避であった。
は、衝撃吸収用の部材やそれを組み込むための部材を多
く必要とし、それぞれの部材に対する特殊な加工や組み
立て工程が必要であるため、構造材全体として重量が増
加するとともに、コストの増加が不可避であった。
【０００６】この発明は、上記問題に鑑みてなされたも
のであり、衝撃吸収用の部材やそれを組み込むための部
材を必要とせず、それぞれの部材の加工や組み立て工程
を省略し得て、軽量かつ低コストを実現し得る衝撃吸収
機能を有する金属製構造材の提供を目的とする。
のであり、衝撃吸収用の部材やそれを組み込むための部
材を必要とせず、それぞれの部材の加工や組み立て工程
を省略し得て、軽量かつ低コストを実現し得る衝撃吸収
機能を有する金属製構造材の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明者らは、鋭意研究と努力の結果、金属製構
造材に摩擦撹拌処理を施すことにより、衝撃エネルギー
の吸収値が高くなることを見出だすに至り、この発明を
完成させた。
に、この発明者らは、鋭意研究と努力の結果、金属製構
造材に摩擦撹拌処理を施すことにより、衝撃エネルギー
の吸収値が高くなることを見出だすに至り、この発明を
完成させた。
【０００８】即ち、この発明にかかる衝撃吸収機能を有
する金属製構造材は、回転子の端部軸線上に設けられた
プローブを回転させて基材に挿入し、回転子のプローブ
側の端面で基材の表面を押圧しながらプローブ挿入部分
を摩擦攪拌する摩擦撹拌処理が局部的に施されることに
より、衝撃エネルギー吸収部分が設けられてなるもので
ある。
する金属製構造材は、回転子の端部軸線上に設けられた
プローブを回転させて基材に挿入し、回転子のプローブ
側の端面で基材の表面を押圧しながらプローブ挿入部分
を摩擦攪拌する摩擦撹拌処理が局部的に施されることに
より、衝撃エネルギー吸収部分が設けられてなるもので
ある。
【０００９】前記摩擦撹拌処理とは、金属製の構造材に
回転するプローブを挿入し、回転するプローブと構造材
との摺擦によって摩擦熱を発生せしめ、当該摩擦熱によ
ってプローブとの接触部分近傍の構造材を局部的に可塑
化軟化するとともに、プローブの回転によって軟化部分
を撹拌した後、当該軟化撹拌部分からプローブを遠ざけ
ることによって摩擦熱を急速に失わせて軟化部分を冷却
固化させる処理である。この処理を行うと、金属組織が
微細となり、エネルギー吸収値が高くなると考えられ
る。
回転するプローブを挿入し、回転するプローブと構造材
との摺擦によって摩擦熱を発生せしめ、当該摩擦熱によ
ってプローブとの接触部分近傍の構造材を局部的に可塑
化軟化するとともに、プローブの回転によって軟化部分
を撹拌した後、当該軟化撹拌部分からプローブを遠ざけ
ることによって摩擦熱を急速に失わせて軟化部分を冷却
固化させる処理である。この処理を行うと、金属組織が
微細となり、エネルギー吸収値が高くなると考えられ
る。
【００１０】上記摩擦撹拌処理が局部的に施され、衝撃
エネルギー吸収部分が設けられた金属製構造材は、衝撃
エネルギーが入力されると、衝撃エネルギー吸収部分に
よって当該衝撃エネルギーが吸収される構造材である。
エネルギー吸収部分が設けられた金属製構造材は、衝撃
エネルギーが入力されると、衝撃エネルギー吸収部分に
よって当該衝撃エネルギーが吸収される構造材である。
【００１１】即ち、この衝撃吸収機能を有する金属製構
造材は、構造材本来の機能を発揮し得る状態のまま衝撃
吸収機能が付加されたものであり、衝撃吸収用の部材や
それを組み込むための部材を必要とすることがなく、そ
れぞれの部材を特殊な形状に加工したりそれらを組み立
てる工程が不要となる。したがって、構造材全体として
軽量化することができるとともに、比較的低コストで製
造され得る。
造材は、構造材本来の機能を発揮し得る状態のまま衝撃
吸収機能が付加されたものであり、衝撃吸収用の部材や
それを組み込むための部材を必要とすることがなく、そ
れぞれの部材を特殊な形状に加工したりそれらを組み立
てる工程が不要となる。したがって、構造材全体として
軽量化することができるとともに、比較的低コストで製
造され得る。
【００１２】また、衝撃エネルギー吸収部分の形状や配
置状態を設定することで、衝撃エネルギーの吸収値や衝
撃により変形した後の構造材の形状を任意に制御するこ
とが可能である。
置状態を設定することで、衝撃エネルギーの吸収値や衝
撃により変形した後の構造材の形状を任意に制御するこ
とが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】次に、この発明を図示実施形態に
基づき説明する。
基づき説明する。
【００１４】図１に示す金属製構造材（１）は、横断面
正方形の中空押出材からなる基材（１０）に、全周にわ
たって設けられた帯状の衝撃エネルギー吸収部分（２）
が基材の長さ方向に平行状に複数本並設されたものであ
る。この衝撃エネルギー吸収部分（２）は、金属製構造
材（１）に長さ方向に入力された衝撃エネルギーに対
し、有効にその衝撃エネルギーを吸収し得る配置状態と
なされている。
正方形の中空押出材からなる基材（１０）に、全周にわ
たって設けられた帯状の衝撃エネルギー吸収部分（２）
が基材の長さ方向に平行状に複数本並設されたものであ
る。この衝撃エネルギー吸収部分（２）は、金属製構造
材（１）に長さ方向に入力された衝撃エネルギーに対
し、有効にその衝撃エネルギーを吸収し得る配置状態と
なされている。
【００１５】次に、金属製構造材（１）を製造方法とと
もに詳細に説明する。
もに詳細に説明する。
【００１６】まず、基材（１０）を準備する。基材（１
０）の形状や製造方法は特に限定されるものではなく、
また、その材質もアルミニウムや鉄や銅、またはこれら
の合金等任意に選択し得る。この実施形態の場合、基材
（１０）は、外部形状及び内部形状ともに横断面正方形
となされたパイプ状の押出材とし、その材質はアルミニ
ウム合金とした。
０）の形状や製造方法は特に限定されるものではなく、
また、その材質もアルミニウムや鉄や銅、またはこれら
の合金等任意に選択し得る。この実施形態の場合、基材
（１０）は、外部形状及び内部形状ともに横断面正方形
となされたパイプ状の押出材とし、その材質はアルミニ
ウム合金とした。
【００１７】次に、図２に示すように、前記基材（１
０）に摩擦撹拌処理を施し、衝撃エネルギー吸収部分を
設ける。
０）に摩擦撹拌処理を施し、衝撃エネルギー吸収部分を
設ける。
【００１８】図２に示す（３）は摩擦撹拌処理を施す処
理装置である。この処理装置（３）は、径大の円柱状回
転子（３０）の端部軸線上に、径小のピン状プローブ
（３１）が突出して一体に設けられたものである。前記
回転子（３０）、プローブ（３１）ともに、基材（１
０）を構成するアルミニウムよりも硬質の材料によって
製作されている。なお、図示は省略したが、プローブ
（３１）の周面には撹拌用の凹凸が形成されている。
理装置である。この処理装置（３）は、径大の円柱状回
転子（３０）の端部軸線上に、径小のピン状プローブ
（３１）が突出して一体に設けられたものである。前記
回転子（３０）、プローブ（３１）ともに、基材（１
０）を構成するアルミニウムよりも硬質の材料によって
製作されている。なお、図示は省略したが、プローブ
（３１）の周面には撹拌用の凹凸が形成されている。
【００１９】そして、基材（１０）の周壁の外表面か
ら、前記処理装置（３）のプローブ（３１）を回転させ
つつ基材（１０）に厚さ方向に挿入する。挿入は、プロ
ーブ（３１）が基材（１０）の周壁を貫通するまで行
う。また、この状態において、回転子（３０）における
プローブ（３１）側の端面（３２）は基材（１０）の表
面を押圧している。この様に、前記端面（３２）が基材
（１０）の表面を押圧することで、摩擦撹拌処理を施す
際にプローブ（３１）近傍から基材（１０）を構成する
素材の飛散を防止することができるとともに、処理後の
基材（１０）表面を平滑にすることができる。
ら、前記処理装置（３）のプローブ（３１）を回転させ
つつ基材（１０）に厚さ方向に挿入する。挿入は、プロ
ーブ（３１）が基材（１０）の周壁を貫通するまで行
う。また、この状態において、回転子（３０）における
プローブ（３１）側の端面（３２）は基材（１０）の表
面を押圧している。この様に、前記端面（３２）が基材
（１０）の表面を押圧することで、摩擦撹拌処理を施す
際にプローブ（３１）近傍から基材（１０）を構成する
素材の飛散を防止することができるとともに、処理後の
基材（１０）表面を平滑にすることができる。
【００２０】前記プローブ（３１）の挿入状態を維持し
つつ、回転子（３０）及びプローブ（３１）を、移動方
向の後方にわずかに傾けて基材（１０）の全周にわたっ
て相対的に移動させる。
つつ、回転子（３０）及びプローブ（３１）を、移動方
向の後方にわずかに傾けて基材（１０）の全周にわたっ
て相対的に移動させる。
【００２１】前記回転するプローブ（３０）と基材（１
０）との摺擦により発生する摩擦熱により、プローブ
（３１）との接触部分近傍において基材（１０）が可塑
化軟化し、かつ、プローブ（３１）により撹拌されると
ともに、プローブ（３１）の移動に伴って軟化撹拌部分
がプローブ（３１）の進行圧力を受けてプローブ（３
１）の通過溝を埋めるようにプローブ（３１）の進行方
向後方へと回り込む態様で塑性流動したのち、摩擦熱を
急速に失って冷却固化される。この現象がプローブ（３
１）の移動に伴って順次繰り返されていき、プローブ
（３１）の軌道に沿っ基材（１０）が摩擦撹拌処理さ
れ、基材（１０）に帯状の衝撃エネルギー吸収部分
（２）が設けられる。この衝撃エネルギー吸収部分
（２）は、他の部分に比べて金属組織が微細となるた
め、衝撃エネルギーを有効に吸収し得るものと推測され
る。
０）との摺擦により発生する摩擦熱により、プローブ
（３１）との接触部分近傍において基材（１０）が可塑
化軟化し、かつ、プローブ（３１）により撹拌されると
ともに、プローブ（３１）の移動に伴って軟化撹拌部分
がプローブ（３１）の進行圧力を受けてプローブ（３
１）の通過溝を埋めるようにプローブ（３１）の進行方
向後方へと回り込む態様で塑性流動したのち、摩擦熱を
急速に失って冷却固化される。この現象がプローブ（３
１）の移動に伴って順次繰り返されていき、プローブ
（３１）の軌道に沿っ基材（１０）が摩擦撹拌処理さ
れ、基材（１０）に帯状の衝撃エネルギー吸収部分
（２）が設けられる。この衝撃エネルギー吸収部分
（２）は、他の部分に比べて金属組織が微細となるた
め、衝撃エネルギーを有効に吸収し得るものと推測され
る。
【００２２】以上の摩擦撹拌処理を長さ方向に一定間隔
をおいて複数箇所施すことで、衝撃吸収機能を有する金
属製構造材（１）を得る。
をおいて複数箇所施すことで、衝撃吸収機能を有する金
属製構造材（１）を得る。
【００２３】上記金属製構造材（１）への、摩擦撹拌処
理を行う際に、プローブ（３１）の径や軌道を設定し、
また、衝撃エネルギー吸収部分（２）を設ける間隔や数
や位置を設定することにより、金属製構造材（１）全体
としての衝撃エネルギー吸収値を任意に設定することが
できる。もとより、この金属製構造材（１）は、衝撃吸
収用の別部材が組み込まれる訳ではなく、基材（１０）
を特殊な形状や構造に加工する訳ではないため、比較的
軽量となされるとともに、低コストで製造することがで
きる。
理を行う際に、プローブ（３１）の径や軌道を設定し、
また、衝撃エネルギー吸収部分（２）を設ける間隔や数
や位置を設定することにより、金属製構造材（１）全体
としての衝撃エネルギー吸収値を任意に設定することが
できる。もとより、この金属製構造材（１）は、衝撃吸
収用の別部材が組み込まれる訳ではなく、基材（１０）
を特殊な形状や構造に加工する訳ではないため、比較的
軽量となされるとともに、低コストで製造することがで
きる。
【００２４】なお、金属製構造材（１）の製造方法は上
記に限定される訳ではなく、任意の方法を採用し得る。
例えば、図３に示すように、横断面形状は前述の基材
（１０）と同形状で短尺パイプ状の基材片（１１）を複
数個準備し、これらを突き合わせ状態として突き合わせ
部を摩擦撹拌接合して前述の実施形態と同様の金属製構
造材（１）を製造するものとしても良い。この場合、前
記接合部分は摩擦撹拌処理が施された部分となり、接合
部分が衝撃エネルギー吸収部分（２）となる。
記に限定される訳ではなく、任意の方法を採用し得る。
例えば、図３に示すように、横断面形状は前述の基材
（１０）と同形状で短尺パイプ状の基材片（１１）を複
数個準備し、これらを突き合わせ状態として突き合わせ
部を摩擦撹拌接合して前述の実施形態と同様の金属製構
造材（１）を製造するものとしても良い。この場合、前
記接合部分は摩擦撹拌処理が施された部分となり、接合
部分が衝撃エネルギー吸収部分（２）となる。
【００２５】また、基材（１０）や衝撃エネルギー吸収
部分（２）の形状は上記に限定される訳ではない。例え
ば、図４に示すように、中空円筒状の基材（１０）の周
壁に螺旋状に衝撃エネルギー吸収部分（２）を設けても
良い。この場合、処理装置（３）のプローブ（３１）を
基材（１０）から抜くことなく衝撃エネルギー吸収部分
（２）を基材（１０）の全体にわたって設けることがで
き、金属製構造材（１）の製造が容易となる。さらにま
た、図５に示すように、異形状の基材（１０）の一部に
衝撃エネルギー吸収部分（２）を設けた金属製構造材
（１）としても良い。このような構造材（１）とするこ
とで、衝撃の入力方向に対し、衝撃エネルギーの吸収値
が部分的に異なるものとなり、衝撃を受けた後の構造材
の変形状態を任意に制御することが可能となる。
部分（２）の形状は上記に限定される訳ではない。例え
ば、図４に示すように、中空円筒状の基材（１０）の周
壁に螺旋状に衝撃エネルギー吸収部分（２）を設けても
良い。この場合、処理装置（３）のプローブ（３１）を
基材（１０）から抜くことなく衝撃エネルギー吸収部分
（２）を基材（１０）の全体にわたって設けることがで
き、金属製構造材（１）の製造が容易となる。さらにま
た、図５に示すように、異形状の基材（１０）の一部に
衝撃エネルギー吸収部分（２）を設けた金属製構造材
（１）としても良い。このような構造材（１）とするこ
とで、衝撃の入力方向に対し、衝撃エネルギーの吸収値
が部分的に異なるものとなり、衝撃を受けた後の構造材
の変形状態を任意に制御することが可能となる。
【００２６】
【実施例】次に、この発明の実施例を説明する。
【００２７】まず、試験片として、材質がＪＩＳ６Ｎ０
１アルミニウム合金（Ｔ５調質）で、形状が幅１０ｍｍ
長さ５０ｍｍ厚さ５ｍｍのシャルピー試験用試験片を複
数個準備した。
１アルミニウム合金（Ｔ５調質）で、形状が幅１０ｍｍ
長さ５０ｍｍ厚さ５ｍｍのシャルピー試験用試験片を複
数個準備した。
【００２８】前記試験片の一方の群には、長さ方向中央
部に幅方向及び厚さ方向全体にわたって下記要領で摩擦
撹拌処理を施し、衝撃エネルギー吸収部分を設けた。ま
た、他方の群には何も処理を行わなかった。
部に幅方向及び厚さ方向全体にわたって下記要領で摩擦
撹拌処理を施し、衝撃エネルギー吸収部分を設けた。ま
た、他方の群には何も処理を行わなかった。
【００２９】摩擦撹拌処理条件 回転子 ：径１４ｍｍ プローブ：径６ｍｍ、長さ６ｍｍ 回転数 ：１５００ｒｐｍ 送り速度：６００ｍｍ／ｍｉｎ 上記試験片についてシャルピー衝撃試験を行い、シャル
ピー吸収エネルギーを求めた。この結果、何等処理を施
していない試験片群の平均吸収エネルギーが３．４ｋｇ
・ｍ／ｃｍ2 であるのに対し、摩擦撹拌処理を行って衝
撃エネルギー吸収部分を設けた試験片群の平均吸収エネ
ルギーは６．２ｋｇ・ｍ／ｃｍ2 であった。
ピー吸収エネルギーを求めた。この結果、何等処理を施
していない試験片群の平均吸収エネルギーが３．４ｋｇ
・ｍ／ｃｍ2 であるのに対し、摩擦撹拌処理を行って衝
撃エネルギー吸収部分を設けた試験片群の平均吸収エネ
ルギーは６．２ｋｇ・ｍ／ｃｍ2 であった。
【００３０】以上から、衝撃エネルギー吸収部分を設け
ることにより、シャルピー吸収エネルギーが向上するこ
とが分かる。
ることにより、シャルピー吸収エネルギーが向上するこ
とが分かる。
【００３１】
【発明の効果】この発明は、上述の次第であり、回転す
るプローブを用いて摩擦撹拌処理を施すことにより、衝
撃エネルギー吸収部分が設けられた金属製構造材である
から、構造材本来の機能を発揮し得る状態のまま衝撃吸
収機能を有しており、衝撃吸収用の別部材を組み込んだ
り、衝撃吸収用の特殊な形状や構造とする必要がない。
したがって、衝撃吸収機能を有する金属製構造材であり
ながら、軽量かつ低コストで簡易に製造することができ
る。
るプローブを用いて摩擦撹拌処理を施すことにより、衝
撃エネルギー吸収部分が設けられた金属製構造材である
から、構造材本来の機能を発揮し得る状態のまま衝撃吸
収機能を有しており、衝撃吸収用の別部材を組み込んだ
り、衝撃吸収用の特殊な形状や構造とする必要がない。
したがって、衝撃吸収機能を有する金属製構造材であり
ながら、軽量かつ低コストで簡易に製造することができ
る。
【００３２】また、衝撃エネルギー吸収部分の形状や配
置状態を設定することで、衝撃エネルギーの吸収値や衝
撃により変形した後の構造材の形状を任意に制御するこ
とが可能となる。
置状態を設定することで、衝撃エネルギーの吸収値や衝
撃により変形した後の構造材の形状を任意に制御するこ
とが可能となる。
【図１】この発明の実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示す実施形態の製造過程を示す斜視図で
ある。
ある。
【図３】図１に示す実施形態の他の製造過程を示す斜視
図である。
図である。
【図４】他の実施形態を示す平面図である。
【図５】他の実施形態を示す斜視図である。
【図６】従来例を示す斜視図である。
１…金属製構造材 ２…衝撃エネルギー吸収部分 ３…処理装置 10…基材 31…プローブ
フロントページの続き (72)発明者 西川 直毅 堺市海山町６丁224番地 昭和アルミニ ウム株式会社内 (72)発明者 橋本 武典 堺市海山町６丁224番地 昭和アルミニ ウム株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−145843（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−307479（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−219216（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F16F 7/12
Claims (1)
- 【請求項１】 回転子の端部軸線上に設けられたプロー
ブを回転させて基材に挿入し、回転子のプローブ側の端
面で基材の表面を押圧しながらプローブ挿入部分を摩擦
攪拌する摩擦撹拌処理が局部的に施されることにより、
衝撃エネルギー吸収部分が設けられてなる衝撃吸収機能
を有する金属製構造材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20445697A JP3207376B2 (ja) | 1997-07-30 | 1997-07-30 | 衝撃吸収機能を有する金属製構造材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20445697A JP3207376B2 (ja) | 1997-07-30 | 1997-07-30 | 衝撃吸収機能を有する金属製構造材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1151103A JPH1151103A (ja) | 1999-02-23 |
| JP3207376B2 true JP3207376B2 (ja) | 2001-09-10 |
Family
ID=16490843
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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