JP2018114969A - 車両用構造部材 - Google Patents

Abstract

【課題】衝突時の際の部材変形に起因する接合部の破断や割れを抑制した衝撃吸収能の高い車両用構造部材を提供する。【解決手段】車両用構造部材は、第１の鋼板からなり且つハット形断面形状の第１の部材１と、第２の鋼板からなり第１の部材１の開口部を塞ぐように第１の部材１に沿って配置される第２の部材２とを備える。第１の部材１のフランジ部１Ｃと第２の部材２の幅方向端部２Ａとを接合する接合部を有することで閉断面形状となっている車両用構造部材であって、第１の鋼板の引張強度は、第２の鋼板の引張強度よりも高く、接合部の接合構造を、第２の部材２の幅方向端部２Ａを折り曲げ、その折り曲げ部２Ｃで、第１の部材１のフランジ部１Ｃを挟み込むヘミング加工部とし、且つ、折り曲げ部２Ｃ内においてフランジ部１Ｃと折り曲げ部２Ｃ内面とを接着剤３で接着させた構造とした。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車その他の車両の荷重を負担する、閉断面構造の車両用構造部材に係り、特に、２枚の板材から構成された構造部材であって、衝突時の衝突エネルギーを吸収可能な車両用構造部材に関する。

近年、自動車分野では、環境問題に配慮した燃費向上のための車体軽量化と衝突安全性能の両立を目的として、高強度材の適用が進められている。自動車の衝突安全構造として、車両端部が適度に潰れて変形することで衝撃を吸収し、キャビン周りでは、乗員保護の観点からエネルギー吸収能の高い高強度材が求められる。
このような要望に対し、例えば残留オーステナイトを活用した耐衝突性に優れる鋼板が提案されている（特許文献１）。また部材断面のコーナー部を焼入れ強化した、耐衝突性に優れる鋼板が提案されている（特許文献２）。

このような高強度鋼板を使用した車両用構造部材は、一般に、特許文献１の図５、図６や特許文献２の図３、図６のように、薄板の高強度鋼板をハット形断面にプレス加工したハット形断面鋼板部材を主要部品とする。そして、特許文献１，２のように、そのハット形断面鋼板部材の開口部を塞ぐように第２の鋼板を設け、そのハット形断面鋼板部材の幅方向両側に存在する各フランジ部と第２の鋼板の幅方向端部とをそれぞれスポット溶接にて接合する。このような閉断面形状の構造部材とすることで、衝撃吸収能を具備させている。
このような車両用構造部材は、２つの部材の幅方向端部を、長手方向（軸方向）に沿ってスポット溶接にて接合することで閉断面構造とすることで衝撃吸収能を具備させている。このため、スポット溶接性が要求される。

しかし、このような車両用構造部材において、ハット形断面鋼板部材の鋼板強度を高める場合には、添加元素の増加を招く。このため、溶接部の硬化によって延性や靱性が低下、あるいは熱影響部の軟化による局所的な応力集中が発生し、接合部において継手強度の低下を招くおそれがある。すなわち、車体軽量化と衝突安全性能（衝撃吸収能）を共に向上させるために、上記のハット形断面鋼板部材を構成する鋼板の高強度化が進むほど、衝突の際の塑性変形に起因する、スポット溶接部を起点とした破断や割れが発生しやすくなって、衝突性能の低下が発生するおそれがある。
これに対し、特許文献３や４には、非溶接の接合として、従来のスポット溶接による接合に替えて接着剤を用いた接合技術が開示されている。

特開平１０−２７３７５２号公報 特許第３３４７９９４号公報 特開２００５−１９９７４１号公報 特開２００５−１９９７４３号公報 特開２０１３−１８４１９８号公報

車両における衝突安全基準の厳格化に伴い、求められる衝突性能は増加の一途を辿っていることから、構造部材に使用される材料がハイテン化する傾向にある。しかしながら、従来のスポット溶接による接合ではハイテン化による接合部の継手強度低下が、また接着剤による非溶接接合では、接着面の剥離による接合部の破断によって、衝突性能の低下や安定性が課題となる。

ここで、特許文献５に、パネル部品間をヘミング加工で接合することが記載されている。しかしながら、特許文献５は、パネル部品間の接合に関する技術であって、車両の荷重を負担する閉断面構造の車両用構造部材への適用について何ら考慮されていない。すなわち、外板であるアウタパネルは外観品質が求められることから、特許文献５に記載は、接合に、スポット溶接ではなく、外観品質が良好なヘミング加工を適用したものであり、衝撃による接合強度が要求される構造部材への適用について考慮されているとは言い難い。特に、特許文献５には、衝突時の衝突エネルギーを吸収可能な車両用構造部材への適用について何ら示唆がされていない。

本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、第１の部材に第２の部材を接合してなる閉断面構造の車両用構造部材であって、衝突時の際の塑性変形に起因する接合部の破断や割れを抑制した衝撃吸収能の高い構造部材を提供することを目的する。

課題を解決するために、本発明の一態様の車両用構造部材は、第１の鋼板からなる第１の部材と、第２の鋼板からなる第２の部材とを備え、第１の部材の幅方向両側にある各フランジ部と第２の部材の幅方向端部とを接合する接合部を有することで閉断面形状を形成する車両用構造部材であって、上記第１の鋼板の引張強度は、上記第２の鋼板の引張強度よりも高く、上記接合部の接合構造を、上記第２の部材の幅方向端部を折り曲げ、その折り曲げ部で上記第１の部材のフランジ部を挟み込むヘミング加工部とし、且つ、上記折り曲げ部内において上記フランジ部と上記折り曲げ部内面とを接着剤で接着させた構造としたことを特徴とする。
ここで、第１の部材を構成する第１の鋼板の厚さは、０．８ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲が好ましい。

本発明の一態様によれば、構造部材を構成する鋼板が高強度化することも考慮して、相対的に引張強度が低い第２の部材側の端部を折り曲げることで、閉断面構造を形成する第１の部材と第２の部材との接合部の構造をヘミング加工部で構成し、且つ、上記折り曲げ部内において上記フランジ部と上記折り曲げ部内面とを接着剤で接着させた構造を採用することで、衝突時の塑性変形によって発生する接合部での破断や割れを抑制出来る。
またこのとき、接合部をヘミング加工部とすることで、車両用構造部材に形成される外向きフランジの厚さが増加する。これによって、衝突時の変形箇所の曲げＲが大きくなるため、衝突時に発生するワレ抑制の効果が増大するという効果もある。

さらに、フランジ部と折り曲げ部内面とを接着する接着剤が、接合部補強の役割を果たし、接合部の接合にヘミング加工部を採用しても、衝突の際の衝撃力による部材変形で、接合部が外れることを抑制できる。ここで、発明者らは、ヘミング加工部で接合しただけの接合部の場合、すなわち接着剤を設けない場合は、衝突時の衝撃により、折り曲げ部が開いて接合部で外れることで、衝突性能が低下することがあるという知見を得ている。
以上のように、本発明の一態様によれば、衝突時に発生する接合部の破断や割れを抑制可能な接合部を有した衝撃吸収能の高い車両用構造部材を提供することが可能となる。

本発明に基づく実施形態に係る第１の部材と第２の部材との接合前の状態を説明する図である。 本発明に基づく実施形態に係る車両用構造部材を説明する斜視図である。 本発明に基づく実施形態に係る接合部の構成を説明する断面図である。 接合部の構成の別例を説明する断面図である。 接合部の構成の別例を説明する断面図である。 実施例における第１の部材の寸法を説明する図である。 荷重負荷方向を説明する図である。 最大荷重を説明する図である。 実施例における衝撃に対する荷重変化を示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（構成）
本実施形態の車両用構造部材は、図１に示すように、第１の鋼板からなり且つハット形断面形状の第１の部材１と、第２の鋼板からなり上記第１の部材１の開口部を塞ぐように第１の部材１に沿って配置される第２の部材２とを備える。そして、第１の部材１のフランジ部１Ｃと第２の部材２の幅方向端部２Ａとが接合されることで閉断面構造の部材となっている。第１の部材１の断面形状は、ハット形断面形状以外であっても構わない。第１の部材１と第２の部材２とで閉断面形状が構成可能であれば、本発明を適用することが出来る。

そして、本実施形態では、図２に示すように、第１の部材１の幅方向両側に存在する各フランジ部１Ｃと第２の部材２の幅方向端部２Ａとを接合する接合部の接合構造を、相対的に引張強度が低い第２の部材２側の幅方向端部２Ａを折り曲げ、その折り曲げ部２Ｃで、第１の部材１のフランジ部１Ｃを挟み込んだヘミング加工部とし、且つ、図３に示すように、上記折り曲げ部２Ｃ内において、上記フランジ部１Ｃと上記折り曲げ部２Ｃの内面とが接着剤３で接着した構造とした。接着剤３は、熱硬化型樹脂を有する接着剤３であることが好ましい、
第１の鋼板は、例えば引張強度が９８０ＭＰａ以上の高強度材からなり、第１の鋼板の引張強度は、第２の鋼板の引張強度よりも高い。

＜第１の部材１＞
第１の部材１は、図１や図２に示すように、高強度鋼板からなるブランク材をハット形断面にプレス加工することで作製されたハット形断面鋼板部材であり、且つ長手方向に延在する構造部材である。第１の部材１は、必ずしも長手方向（軸方向）に直線状に延びている必要はなく、例えば、左右方向に湾曲した形状であっても良いし、長手方向に沿って高さや幅が変化するようなハット形断面形状の部材であっても良い。但し、第１の部材１は、長手方向が想定される衝撃吸収方向に沿って延在した形状の部材であることが好ましい。

この第１の部材１は、強度的に車両用構造部材の主要部品をなす。第１の部材１は、天板部１Ａの幅方向両側が、側壁部１Ｂを介してフランジ部１Ｃに連続している。
この第１の部材１となる第１の鋼板は、軽量化と衝突安全性能（衝撃吸収能）の両方を確保するために、引張強度が９８０ＭＰａ以上の高強度材が好ましい。より好ましくは、１１８０Ｍｐａ以上の高強度材である。また、第１の部材１は、例えば厚さが０．８ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲の薄鋼板からなる。
このような、高強度材からなり、且つ厚さが上記のような厚さ範囲であれば、想定される衝突時の衝突エネルギーを吸収可能な車両用構造部材を提供可能となる。

＜第２の部材２＞
第２の部材２は、図１に示すように、ハット形断面を有する第１の部材１の開口部側に配置され、当該第１の部材１の長手方向に沿って延在している。第２の鋼板の幅方向寸法は、第１の部材１の幅方向寸法よりも広い板形状からなる。
第２の部材２は、例えば普通鋼からなり、その厚さが、例えば０．８ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の薄鋼板である。

＜接合部＞
図１のように、第１の部材１のフランジ部１Ｃの下面（開口部側の面）には、第２の鋼板（第２の部材２）の幅方向端部２Ａが対向して配置される。第２の鋼板の幅方向端部２Ａにおける、第１の部材１のフランジ部１Ｃよりも幅方向に張り出した部分がフランジ部１Ｃ側に折り曲げられることで、図２のような折り曲げ部２Ｃが形成されると共に、その折り曲げ部２Ｃ内にフランジ部１Ｃが挟み込まれて、ヘミング加工部による接合部が形成される（図２参照）。なお、フランジ部１Ｃの全幅が折り曲げ部２Ｃ内に挟み込まれる必要はない。

折り曲げ部２Ｃ（フランジ部１Ｃを挟み込む部分）の幅方向の長さは、例えば１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。好ましくは１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。折り曲げ部２Ｃの長さは、長くするほど外れ難くなるが、その分、車両用構造部材に形成される外向きフランジが大きくなることで、車両用構造部材の質量が重くなり軽量化の点で好ましくない。

また本実施形態では、折り曲げ部２Ｃの内面とフランジ部１Ｃとの間が接着剤３で接着されている（図３参照）。接着剤３は、折り曲げ部２Ｃを形成する前に塗布し、ヘミング加工部とした後に硬化させる。
使用する接着剤３としては、エポキシ系やアクリル樹脂系などの樹脂製の硬化型接着剤が好ましい。硬化成分として光硬化成分と熱硬化成分とあるが、接着剤３を折り曲げ部２Ｃ内に塗布し、折り曲げてから硬化させるため、熱硬化成分の方が好ましい。

また接着剤３としては、剥離強度が高く且つ耐衝撃用の接着剤を採用することが好ましい。
剥離強度としては、例えば１５００Ｎ／ｍ以上、好ましくは２０００Ｎ／ｍ以上、更に好ましくは５０００Ｎ／ｍ以上である。せん断強度としては、例えば２０ＭＰａ以上、好ましくは３０ＭＰａ以上である。
なお、接着剤３の剥離強度向上のために、接着剤３を塗布して接着する面部分を予め粗面にしておいても良い。

（動作その他）
本実施形態における、車両荷重を負担する閉断面形状の車両用構造部材は、荷重を受ける主要部品である第１の部材１用の鋼板（第１の鋼板）としてハイテン材を使用することで、軽量化を図りつつ耐衝撃性を向上させることができる。
この車両用構造部材が、その軸を、車両前後方向に沿った方向で車体に組み込まれ、且つ前面衝突など車両前側に車両前後方向に向かう所定以上の大きさの衝突力が入力された場合を想定する。この場合、車両用構造部材が軸方向に座屈変形することで衝突エネルギーを吸収する。この変形による軸圧壊では、車両用構造部材の断面全周が内側、外側と交互に折り畳まれる、いわゆる蛇腹状に変形が進行することで衝撃を吸収する。

このとき、第１の部材１と第２の部材２とをスポット溶接によって接合した場合には、第１の部材１を構成する第１の鋼板にハイテン材を使用するなど鋼板強度を高めようとすると、第１の鋼板に対する添加元素の増加を招くことから、溶接部の硬化によって延性や靱性が低下、あるいは熱影響部の軟化による局所的な応力集中が発生し、接合部において継手強度の低下を招くおそれがある。すなわち、ハット形断面鋼板部材を構成する第１の部材１を構成する鋼板の高強度化が進むほど、衝突の際の座屈変形による、スポット溶接部を起点とした破断、割れが発生しやすくなって、衝突性能の低下が発生するおそれがある。

これに対し、本実施形態では、第１の部材１と第２の部材２の接合部に溶接を採用しないことから、第１の部材１の鋼板強度を高めて、軽量化と耐衝撃性の両方を向上させても、衝突時の際の座屈による塑性変形に伴う、溶接に起因する上記のような接合部の破断や割れを抑制可能となる。
また接着剤だけでの接合では、要求される衝突荷重に対する接着強度が十分とは言えず、接着面の剥離による衝突性能の低下を招くおそれがある。

すなわち、本実施形態では、ハット形断面鋼板部材である第１の部材１と第２の部材２との接合部の構造にヘミング加工部（ヘム構造）とし、且つ、ヘミング加工による折り曲げ部内においてフランジ部と折り曲げ部内面とを接着剤で接着させた構造を採用することで、衝突時の部材変形によって発生する接合部での破断、割れを抑制出来る。
またヘミング加工部を形成する際に、荷重を受ける主要部品である第１の部材１側ではない、第２の部材２側の端部を折り曲げることで、確実にヘミング加工部のための折り曲げを確実に確保しながら、車両用構造部材としての強度が担保される。

またこのとき、接合部をヘミング加工部とすることで、車両用構造部材の幅方向に有する外向きフランジの厚さが増加する。これによって、衝突時の変形箇所の曲げＲが大きくなるため、衝突時に発生するワレ抑制の効果が増大するという効果もある。
さらに、フランジ部１Ｃと折り曲げ部２Ｃ内面とを接着する接着剤３は、接合部補強の役割を果たし、接合部の接合にヘミング加工部を採用しても、衝突の際の衝撃力による座屈変形で、接合部が外れることを抑制する。ここで、発明者らは、ヘミング加工部で接合しただけの接合部の場合、すなわち接着剤３を設けない場合は、衝突時の衝撃による座屈変形により、折り曲げ部２Ｃが開いて接合部が外れ、その分、衝突性能が低下するという知見を得ている。

以上のように、本実施形態によれば、衝突時に発生する接合部の破断、割れを抑制可能な接合部を有した衝撃吸収能の高い車両用構造部材を提供することが可能となる。
なお、上記の車両用構造部材は、例えば、上記の接合部や第１の部材の天板部などが、他の部材と結合して組み付けられる。

（変形例）
ここで、図３では、折り曲げ部２Ｃ内に差し込まれたフランジ部１Ｃの両面に接着剤３が介在する場合を例示しているが、図４に示すように、折り曲げ部２Ｃ内に差し込まれたフランジ部１Ｃの片面側だけに接着剤３を介在させても良い。但し、図３のように両面に接着剤３を設けた方が、接合部補強効果が高い。

また、接着剤３の塗布前、又は接着剤３の硬化前に、接合部に対して図５のようなビード１ａ，２ａを形成するプレス加工を施しても良い。ビード形成のプレス加工は、ヘミング加工を行う前でもヘミング加工後であっても良い。この場合、衝突時の部材変形に対し、接合部がより外れにくくなる。

次に、本発明に基づき実施例について説明する。
（実施例）
実施形態で説明したもの（図１〜図３参照）と同様な形状に、第１の部材１および第２の部材２で閉断面を形成し、且つ接合部を、ヘミング加工部と接着剤での接着構造とで構成して実施例（表２のＮＯ．１）の車両用構造部材を作製した。

図６に第１の部材１の断面寸法を示す。なお、第１の部材１の軸長は２００ｍｍとした。また折り曲げ部２Ｃの幅（フランジ部を挟み込む幅）を１５ｍｍとした。また表１に、第１の部材１および第２の部材２に使用した各鋼板の引張強度（ＴＳ）その他の諸元を示す。

接着剤３としては、株式会社スリーボンドホールディングス製の高剥離・耐衝撃用接着剤であるThreeBond2249G（液状加熱硬化型エポキシ配合樹脂）を使用した。
接着剤３の塗布位置は、図３と同じ位置である。そして、接着剤３を塗布後し、ヘム構造に加工後、熱処理を施して接着剤３を硬化させた。熱処理条件は、１７０℃×２０分である。

（比較例１）
また、第１の部材１のフランジ部１Ｃと第２の部材２の幅方向端部２Ａとを従来と同様にスポット溶接にて接合して接合部を形成した。スポット溶接は４５ｍｍ間隔で実施した。その他は実施例と同様にして比較例１（表２のＮＯ．２）の車両用構造部材を作製した。

（比較例２）
接合部に接着剤３を使用しない以外は実施例と同様にして比較例２（表２のＮＯ．３）の車両用構造部材を作製した。
（衝突性能評価）
実施例および各比較例の車両用構造部材に対し、図７のような、所定の衝突速度（１０ｍｍ／ｍｉｎ）で軸方向荷重を負荷したときの最大荷重を測定した。

具体的には、図８に示すような荷重―ストローク曲線で評価し、荷重を負荷したときの最初のピーク荷重を最大荷重とした。これは衝撃吸収能を評価するためである。
その評価結果を表２に示す。

また、衝撃直後からの車両用構造部材での荷重変化の履歴の例を図９に示す。
表２および図９から分かるように、接合部をヘム構造（ヘミング加工部）だけで構成したＮｏ．３の比較例２では、接合部をスポット溶接で構成したＮｏ．１の比較例１と比較して、同等の最大荷重になっていると共に、平均荷重が高くなっていることから衝撃吸収性が良いことが分かる。

更に、実施例（Ｎｏ．１）と比較例２（Ｎｏ．３）の評価から分かるように、本発明に基づく発明例では最大荷重および平均荷重ともに大きく向上していることが分かる。すなわち、ヘム構造に対し接着剤３を塗布するだけで、衝突性能が向上していることが分かる。
ここで、上記の実施例及び比較例では、車両用構造部材を構成する第１の部材の引張強度を１２５０ＭＰａで実施した場合であるが、第１の部材の引張強度を９８０ＭＰａに変更して同様の評価をしても、実施例の方が良好であったことを別に確認している。

１ 第１の部材
１Ａ 天板部
１Ｂ 側壁部
１Ｃ フランジ部
２ 第２の部材
２Ａ 幅方向端部
２Ｃ 折り曲げ部
３ 接着剤

Claims (3)

1. 第１の鋼板からなる第１の部材と、第２の鋼板からなる第２の部材とを備え、第１の部材の幅方向両側にある各フランジ部と第２の部材の幅方向端部とを接合する接合部を有することで閉断面形状を形成する車両用構造部材であって、
   上記第１の鋼板の引張強度は、上記第２の鋼板の引張強度よりも高く、
   上記接合部の接合構造を、上記第２の部材の幅方向端部を折り曲げ、その折り曲げ部で上記第１の部材のフランジ部を挟み込むヘミング加工部とし、且つ、上記折り曲げ部内において上記フランジ部と上記折り曲げ部内面とを接着剤で接着させた構造としたことを特徴とする車両用構造部材。
2. 上記接着剤は、熱硬化型樹脂を有することを特徴とする請求項１に記載した車両用構造部材。
3. 上記第１の鋼板は、引張強度が９８０ＭＰａ以上の高強度材からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した車両用構造部材。

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