JP2006248336A - 車体構造部材およびそれを用いた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 自動車の車体構造部材において、車体に荷重が入力する際の、エネルギー吸収の向上を図る手段を提供する。
【解決手段】 両端部が他部材と連結される車体構造部材であって、前記車体構造部材は、強度の異なる複数の部位からなり、前記車体構造部材に曲げ荷重が入力する際に、前記部位の強度差によって、前記車体構造部材にねじれモーメントが発生し、前記曲げ荷重が前記他部材へ分散される、車体構造部材である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、センターピラーやシル等に代表される自動車の車体構造部材に関し、特に、エネルギー吸収の向上により、荷重入力時の変形を効果的に抑制する車体構造部材に関する。

自動車には、車体に荷重が入力する際の車体強度の確保を目的として、種々の車体構造部材が用いられており、例えば、センターピラーがある。センターピラーは、車両側面部における、ルーフパネルのサイドルーフレールとフロアパネルのサイドシルとの間に上下方向に架設されるものであり、車両側面への曲げ荷重の入力による変形を抑制する。車両側面への曲げ荷重の入力によるセンターピラーの変形を抑制するには、センターピラーに加わる入力エネルギーを効果的に吸収することが望まれる。

エネルギー吸収の向上を図った従来のセンターピラーとしては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１のセンターピラーは、車室内側部を構成する部材と車室外側部を構成する部材によって形成される内部空間に、補強部材を設けている。補強部材をセンターピラー内部に設けることで、センターピラーは車体側面への入力荷重に対し大きな耐変形性を確保するため、入力エネルギーを効果的に吸収することができるようになる。

しかし、例えば、上記に示す、一般的なセンターピラーにおいてもエネルギー吸収の向上が図れるものの、更なるエネルギー吸収の向上が要望されていた。
特開２００２−１２０７５８号公報

そこで、本発明は、自動車の車体構造部材において、車体に荷重が入力する際のエネルギー吸収の向上を図る手段を提供することを目的とする。

本発明は、両端部が他部材と連結される車体構造部材であって、前記車体構造部材は、強度の異なる複数の部位からなり、前記車体構造部材に曲げ荷重が入力する際に、前記部位の強度差によって、前記車体構造部材にねじれモーメントが発生し、前記曲げ荷重が前記他部材へ分散される、車体構造部材である。

本発明の車体構造部材によれば、エネルギー吸収の向上を図ることができるため、車体に荷重が入力する際の車体強度の確保を図ることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

まず、発明のメカニズムについて図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る車体構造部材１０と他部材２０、３０とで構成される組立部材の斜視図である。本発明に係る車体構造部材１０は強度の異なる複数の部位によって構成され、車体構造部材１０の両端部は他部材２０、３０と連結される。図中の片矢印Ｙは荷重入力方向を、両矢印Ｚは本発明に係る車体構造部材と他部材との連結方向を示す。ここで、車体構造部材１０に対し、図のＹ方向に曲げ荷重が入力された場合を考える。曲げ荷重が入力される面が、車体構造部材の一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向に強度が等しい場合、車体構造部材のＹ方向への変位が大きくなる。ここで、「車体構造部材の一の端部から他の端部へ向かう方向」とは、図１のＺ方向のことであり、「車体構造部材の一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向」とは、図１のＸ方向のことである。なお、本願において、「車体構造部材が車両に搭載されたときの前記車体構造部材の車外側の面」とは、図１のＹ方向からの曲げ荷重が入力される面のことである。一方、曲げ荷重が入力される面が、車体構造部材の一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向に強度が異なる場合、曲げ荷重に対する反発力が部位によって異なるため、車体構造部材にねじれモーメントが生ずる。このねじれモーメントの発生により、Ｙ方向への曲げ荷重は、Ｙ方向以外の方向へ分散される。よって、車体構造部材が受ける曲げ荷重が他部材へと分散されるため、車体構造部材のＹ方向への変位が抑制され、車体に荷重が入力する際のエネルギー吸収が向上する。この車体構造部材は、例えば、図２に示すようにセンターピラーとして用いることができる。車体側面からの入力荷重により、入力方向に大きな曲げ荷重が加わった場合、この曲げ荷重は、ルーフパネルのサイドルーフレールとフロアパネルのサイドシルへ分散される。これにより、センターピラーは荷重入力方向への変形が抑制され、車体強度の確保を図ることができる。なお、例として、本発明に係る車体構造部材をセンターピラーとして用いることができることを説明したが、フロントピラー、リアピラー、シル、バンパーレインフォース、サイドルーフレールであってもよく、特に限定されるものではない。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る車体構造部材を示す斜視図であり、図４は、本発明の第１の実施形態に係る車体構造部材を、図３のＡ方向から見たときの断面図である。図３および図４中の矢印Ｙは荷重入力方向を示す。この実施形態に係る車体構造部材は、板厚は等しいが強度の異なる複数の板に対しレーザー溶接４０を施すことにより、高強度領域５０と低強度領域６０を設けている。この場合、曲げ荷重が入力される面が、車体構造部材の一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向に強度が異なるため、車体構造部材にねじれモーメントが生ずる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る車体構造部材の断面図である。この実施形態に係る車体構造部材は、強度は等しいが板厚の異なる複数の板に対しレーザー溶接４０を施すことにより、高強度領域５０と低強度領域６０を設けている。この場合も、第１の実施形態に係る車体構造部材と同様、曲げ荷重が入力される面が、車体構造部材の一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向に強度が異なるため、車体構造部材にねじれモーメントが生ずる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る車体構造部材の断面図である。この実施形態に係る車体構造部材は、第２の実施形態に係る車体構図部材と同様、強度は等しいが板厚の異なる複数の板に対しレーザー溶接４０を施すことにより、高強度領域５０と低強度領域６０を設けている。

図７は、本発明の第４の実施形態に係る車体構造部材の断面図である。この実施形態に係る車体構造部材は、板厚は等しいが強度の異なる複数の板に対しレーザー溶接４０を施し、プレス成形されたハット形状部７０に対しスポット溶接８０を施すことにより、高強度領域５０と低強度領域６０を設けている。

図８は、本発明の第５の実施形態に係る車体構造部材の断面図である。この実施形態に係る車体構造部材は、車体構造部材自体は、強度および板厚の等しい板からなる。しかし、車体構造部材内部に耐圧性の異なる複数の発泡金属または発泡樹脂を充填することで、車体構造部材内部に高耐圧性領域９０と低耐圧性領域１００が形成される。よって、車体構造部材に曲げ荷重が入力する場合、曲げ荷重が入力される面のうち高耐圧性領域９０と接する部位は、曲げ荷重が入力される面のうち低耐圧性領域１００と接する部位よりも曲げ入力に対する反発力が大きいため、車体構造部材にねじれモーメントが生ずる。

ここで、発泡金属とは、ニッケル、クロム、アルミニウム、鉄などの金属あるいは金属合金中に多数の気孔を有する多孔金属の一種である。また、発泡樹脂としては、例えば、連通気孔を有する三次元網目状構造を持つ、ウレタン系樹脂やポリスチレン系樹脂等が好ましい。

前記第５の実施の形態の製造方法について説明する。充填する複数の発泡体がすべて発泡金属の場合、部材断面形状に合わせて切断した耐圧性の異なる複数の発泡金属を接着材で接合した後、車体構造部材内部に挿入し、車体構造部材内部と接着材で固定する。このとき、接着剤を熱硬化型の接着剤とすると車体製造工程の塗装焼付工程で加わる熱で接着することができる。発泡樹脂の場合も前記発泡金属と同様に予め製造された発泡樹脂を切断、部材内部に挿入することによって製造することが可能であるが、例えば化学発泡剤を添加した複数の樹脂を閉断面部材の内部に充填した後熱処理により部材内部で樹脂を発泡させて製造する事も可能であり、化学発泡剤の添加量等を調整することで内部の耐圧性を制御することもできる。

図９は、本発明の第６の実施形態に係る車体構造部材の断面図である。この実施形態に係る車体構造部材は、車体構造部材自体は、強度および板厚の等しい板からなる。しかし、曲げ荷重が入力する面とその側面との間の角部のうちいずれか一方を外側から覆うように板を重ね合わせることにより、高強度領域５０と低強度領域６０を設けている。

図１０は、本発明の第７の実施形態に係る車体構造部材の断面図である。この実施形態に係る車体構造部材は、車体構造部材自体は、強度および板厚の等しい板からなる。しかし、曲げ荷重が入力する面とその側面との間の角部のうちいずれか一方を内側から覆うように板を重ね合わせることにより、高強度領域５０と低強度領域６０を設けている。

図１１は、本発明の第８の実施形態に係る車体構造部材の断面図である。図１１に示すような、曲げ荷重が入力される面が、車体構造部材の一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向に強度が異なるが、曲げ荷重が入力する面とその側面との間の角部のいずれもが強化されてはいないような車体構造部材も、本発明に係る車体構造部材に含まれる。しかし、本発明の実施形態１〜７で見られるように、車体構造部材の一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向の車体構造部材の断面が、略四角形状を有し、車外側の面と、車外側の面の側面との間の角部のうち、いずれか一方が他方よりも強度が高くなるように構成された車体構造部材の方が、ねじれモーメントを大きく生じさせると考えられるため、好ましい。

ここで、「略四角形状」とは、互いに相似形である、所定形状の２つの四角形の重心を重ね合わせたときに、大きい四角形２００と小さい四角形２１０との間の領域内に、略四角形状の図形のすべての外周部分２２０が存在する形状を意味する（図１２参照）。大きい四角形および小さい四角形の形状は任意に選択される。任意の四角形に対して、図示した関係が成立すれば略四角形状である。互いに相似形である２つの四角形の相似比は１．５倍、好ましくは１．３倍、より好ましくは１．１倍である。相似比が小さいほど、より四角形に近い図形であるといえる。

また、「車外側の面と、車外側の面の側面との間の角部」とは、図１３において、車体構造部材の車外側の面１０２、すなわち、曲げ荷重が入力される面と、車外側の側面１０４とが交差する線１０６のことを意味する。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これら実施例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
本発明に係る車体構造部材の吸収エネルギーを測定するため、衝撃負荷実験を行った。図１４に示すように、一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向の断面が閉断面形状を有する長尺部材１１０を用いて実験を行った。長尺部材１１０は、一の端部から他の端部へ向かう方向の長さが７６０ｍｍであり、上記閉断面形状は一辺６０ｍｍの正方形をなす。なお、図中のＦは、荷重入力方向を示す。本実施例では、長尺部材に対し荷重を入力する面が、長尺部材の一の端部から他の端部へ向かう方向に垂直な方向に強度が異なるように、板厚１．８ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板と板厚１．０ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板を突合せレーザー溶接により接合し、長尺部材１１０を構成した。具体的には、一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向の断面が、図１５に示す構成となるようにした。

次に、長尺部材１１０を他部材と締結し、図１６に示すような組立部材を構成した。まず、長尺部材１１０の両端部を、それぞれ締結用部品１２０と締結した。次に、締結用部品１２０と閉断面部品１３０を、図のＹ方向に締結した。また、締結用部品１２０と閉断面部品１４０、締結用部品１２０と閉断面部品１５０を、図のＸ方向にそれぞれ締結した。締結用部品１２０および閉断面部品１３０、１４０、１５０は、いずれも長尺部材１１０と同様に、閉断面形状が一辺６０ｍｍの正方形の閉断面形状を有する。また、締結用部品１２０は、板厚１．６ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板からなり、閉断面部品１３０、１４０、１５０は板厚１．２ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板からなる。続いて、閉断面部品１３０の一端面１３２を床面（図示せず）と固定した。また、閉断面部品１４０の一端面１４２および閉断面部品１５０の一端面１５２を、図のＸ方向の変位のみを固定するように、壁面（図示せず）と固定した。

続いて、上記組立部材に対し、Ｙ方向から５００Ｋｇのストライカ１６０を、１０ｍ／ｓで落下させ、長尺部材のＹ方向への変位に対する長尺部材の反力をそれぞれ測定した。測定した反力から、長尺部材の単位重量あたりの吸収エネルギー（ｋＮ・ｍｍ／Ｋｇ）を計算した。

（比較例１）
比較例１では、長尺部材に対し荷重を入力する面が、長尺部材の一の端部から他の端部へ向かう方向に垂直な方向に強度が等しくなるように、板厚１．３ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板からなる円筒に対し液圧成形を行い、長尺部材１１０を構成した。具体的には、一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向の断面が、図１７に示す構成となるようにした。この長尺部材１１０を用いて、実施例１と同様の手順により、長尺部材の単位重量あたりの吸収エネルギーを測定した。

（比較例２）
比較例２では、長尺部材に対し荷重を入力する面が、長尺部材の一の端部から他の端部へ向かう方向に垂直な方向に強度が等しくなるように、板厚１．４ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板と板厚１．２ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板を突合せレーザー溶接により接合し、長尺部材１１０を構成した。具体的には、一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向の断面が、図１８に示す構成となるようにした。この長尺部材１１０を用いて、実施例１と同様の手順により、長尺部材の単位重量あたりの吸収エネルギーを測定した。

（比較例３）
比較例３では、長尺部材に対し荷重を入力する面が、長尺部材の一の端部から他の端部へ向かう方向に垂直な方向に強度が等しくなるように、板厚１．８ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板からなる円筒に対し液圧成形を行い、長尺部材１１０を構成した。具体的には、一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向の断面が、図１９に示す構成となるようにした。この長尺部材１１０を用いて、実施例１と同様の手順により、長尺部材の単位重量あたりの吸収エネルギーを測定した。

図２０に、実施例１および各比較例における、長尺部材のＹ方向への変位に対する、長尺部材の単位重量あたりの吸収エネルギー（ｋＮ・ｍｍ／Ｋｇ）の測定結果を示す。図２０において、同じ吸収エネルギーに対してＹ方向への変位が小さいほど、荷重入力時におけるエネルギー吸収の向上が図られ、車体構造部材の荷重入力方向への変形は抑制される。これにより、車体に荷重が入力する際の、車体強度の確保を図ることができる。図２０より、長尺部材のＹ方向への変位が７０ｍｍまであたりまでは、実施例１および各比較例ともに吸収エネルギーにあまり差はないことが分かる。しかし、上記変位が７０ｍｍを超えると、すべての比較例に対し、実施例１において、最も吸収エネルギーが大きくなることが分かる。以上より、本発明に係る車体構造材におけるエネルギー吸収の向上の効果が確認できた。

本発明は、例えば、自動車のセンターピラーに適用できる。

本発明に係る車体構造部材１０と他部材２０、３０とで構成される組立部材の斜視図である。 車両に設けられたセンターピラーの斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る車体構造部材を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る車体構造部材を、図３のＡ方向から見たときの断面模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る車体構造部材の断面模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る車体構造部材の断面模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る車体構造部材の断面模式図である。 本発明の第５の実施形態に係る車体構造部材の断面模式図である。 本発明の第６の実施形態に係る車体構造部材の断面模式図である。 本発明の第７の実施形態に係る車体構造部材の断面模式図である。 本発明の第８の実施形態に係る車体構造部材の断面模式図である。 略四角形状の定義について説明するための図である。 車体構造部材の車外側の面と、車外側の面の側面との間の角部を示す図である。 衝撃負荷実験で用いた長尺部材１１０を示す図である。 実施例１で用いた長尺部材１１０の、一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向の断面模式図である。 衝撃負荷実験で用いた組立部材の構成概略図である。 比較例１で用いた長尺部材１１０の、一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向の断面模式図である。 比較例２で用いた長尺部材１１０の、一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向の断面模式図である。 比較例３で用いた長尺部材１１０の、一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向の断面模式図である。 実施例１および各比較例における、長尺部材のＹ方向への変位に対する、長尺部材の単位重量あたりの吸収エネルギー（ｋＮ・ｍｍ／Ｋｇ）の測定結果を示す図である。

符号の説明

１０ 本発明に係る車体構造部材、２０ 他部材、３０ 他部材、４０ レーザー溶接、５０ 高強度領域、６０ 低強度領域、７０ ハット形状部、８０ スポット溶接、９０ 高耐圧性領域、１００ 低耐圧性領域、１０２ 車体構造部材の車外側の面、１０４ 車体構造部材の車外側の面の側面、１０６ 車外側の面と、車外側の面の側面との間の角部、１１０ 長尺部材、１２０ 締結用部品、１３０ 閉断面部品、１３２ 閉断面部品１３０の一端面、１４０ 閉断面部品、１４２ 閉断面部品１４０の一端面、１５０ 閉断面部品、１５２ 閉断面部品１５０の一端面、１６０ ストライカ、２００ 大きい四角形、２１０ 小さい四角形、２２０ 外周部分。

Claims (11)

1. 両端部が他部材と連結される車体構造部材であって、
   前記車体構造部材は、強度の異なる複数の部位からなり、前記車体構造部材に曲げ荷重が入力する際に、前記部位の強度差によって、前記車体構造部材にねじれモーメントが発生し、前記曲げ荷重が前記他部材へ分散される、車体構造部材。
2. 前記車体構造部材が車両に搭載されたときの前記車体構造部材の車外側の面は、前記車体構造部材の一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向に強度が異なる、請求項１に記載の車体構造部材。
3. 前記強度の異なる複数の部位は、強度の異なる複数の板により形成されてなる、請求項２に記載の車体構造部材。
4. 前記車体構造部材の一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向の前記車体構造部材の断面が、略四角形状を有し、前記強度の異なる複数の板は、前記車外側の面と前記車外側の面の側面との間の角部のうち、いずれか一方が他方よりも強度が高くなるように配置されている、請求項３に記載の車体構造部材。
5. 前記強度の異なる複数の部位は、板厚の異なる複数の板により形成されてなる、請求項２に記載の車体構造部材。
6. 前記車体構造部材の一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向の前記車体構造部材の断面が、略四角形状を有し、前記板厚の異なる複数の板は、前記車外側の面と前記車外側の面の側面との間の角部のうち、いずれか一方が他方よりも強度が高くなるように配置されている、請求項５に記載の車体構造部材。
7. 前記強度の異なる複数の部位は、前記車体構造部材内部に、耐圧性の異なる複数の発泡金属または発泡樹脂を充填することにより形成されてなる、請求項２に記載の車体構造部材。
8. 前記車体構造部材の一の端部から他の端部へ向かう方向と垂直な方向の前記車体構造部材の断面が、略四角形状を有し、前記耐圧性の異なる複数の発泡金属または発泡樹脂は、前記車外側の面と前記車外側の面の側面との間の角部のうち、いずれか一方が他方よりも強度が高くなるように配置されている、請求項７に記載の車体構造部材。
9. 前記車体構造部材は、センターピラー、フロントピラー、リアピラー、シル、バンパーレインフォース、またはサイドルーフレールである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の車体構造部材。
10. 前記車体構造部材は、センターピラーである、請求項９に記載の車体構造部材。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の車体構造部材を用いた車両。