JP4394921B2

JP4394921B2 - 中空部材の補強構造

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Publication number: JP4394921B2
Application number: JP2003359145A
Authority: JP
Inventors: 均内藤; 清田代; 浩二羽田野; 彰友田; 繁明北村
Original assignee: FTECH CO., LTD.; Honda Motor Co Ltd; Iida Industry Co Ltd; Parker Corp
Current assignee: FTECH CO., LTD.; Honda Motor Co Ltd; Iida Industry Co Ltd; Parker Corp
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2023-10-20
Also published as: JP2005119588A

Description

本発明は、中空部材の補強構造に関し、詳しくは、内部に発泡材を充填された中空部材の補強構造に関するものである。

車体骨格を構成する中空部材（例えば、フレーム、ピラー等）の剛性を高める補強構造としては、中空部材を構成するパネルの板厚を大きくしたり、中空部材の長手方向に沿って金属製のリーンフォースメント（強化材）を内設したり、又は、中空部材の内部全域に発泡材を充填したりする構造が一般的である。しかし、この場合、パネルの板厚、リーンフォースメント、又は、中空部材の内部全域に充填される発泡材により重量が増加するため、燃費性能が悪化するなどの問題があった。そこで、従来、剛性の向上及び軽量化を目的として、発泡材を内部に充填しつつ一部を空洞化した補強構造が知られている。

中空部材の一部に発泡材を充填させる手法としては、中空部材を構成するパネルとリーンフォースメントの間に充填させるものや、樹脂製ブラケットと発泡材が一体となったものを中空部材の内部に配置して、充填領域をブラケットで限定した状態で発泡させるもの等がある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された中空部材の補強構造では、図１１に示すように、断面視略ハット状のアウターパネル１０１とインナーパネル１０２とを互いに対向するように配置して、それぞれに設けられるフランジ部１０１ａ，１０２ａをスポット溶接することで、中空部材１００を形成している。そして、アウターパネル１０１とインナーパネル１０２との間に形成される中空空間には、梁部１０３ａと柱部１０３ｂ，１０３ｂから構成される断面視略コの字状の補強体（発泡材）１０３が長手方向に沿って充填される。この補強材１０３の形状は、樹脂等からなるブラケット１０４で、充填領域を限定されて発泡材を発泡させることで形成されたものである。このような構造によれば、梁部１０３ａ側に作用する外力Ｆに対しては、柱部１０３ｂ，１０３ｂが中空部材１００を補強し、中空部材１００が外力Ｆの作用方向に潰れることを防止できる。また、中空空間全体に発泡材たる補強材を充填する場合に比較して、より一層中空部材１００を軽くすることができる。

ところで、このような中空部材の剛性は、荷重入力点近傍の断面変形の発生により低下することが知られている。断面変形の発生は、図１２（ａ）に示す中空部材１１０の上面部に圧縮荷重Ｆ’を付加した場合、各角部１１１に曲げモーメントが発生し、図１２（ｂ）に示すように、中空部材１１０の側面部１１２が外方に向けて広がると共に、下面部１１３は内部に入り込むように作用することで起きるものである。そのため、断面変形を抑制するためには、側面部１１２の変形を抑制することが効果的であると考えられる。
特開２００２−２７４４２７号公報（段落０００８〜００１１、図１）

しかしながら、図１１に示すように、特許文献１に開示された中空部材の補強構造では、ブラケット１０４がアウターパネル１０１及びインナーパネル１０２との間で、外力Ｆに対抗できる閉断面を形成しておらず、側面部１０１ｂ，１０２ｂの変形を効果的に抑制することができなかった。
また、ブラケット１０４がコの字状であることから、外力Ｆが付加されたとき、側面部１０１ｂ，１０２ｂと補強体１０３とを剥離する方向に応力が発生しやすい。そのため、この点においても、側面部１０１ｂ，１０２ｂの変形を効果的に抑制することができなかった。

そこで、本発明では、前記点を解決し、剛性を向上させることができると共に、軽量化を図ることができる中空部材の補強構造を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、中空部材と、前記中空部材の内部に複数の閉断面を形成する仕切り部材と、少なくとも一の前記閉断面内に充填される発泡材と、を備える中空部材の補強構造であって、前記仕切り部材は、外力が作用する方向と一致するように、前記中空部材の一の面からこの一の面に対向する面まで至るように設けられる仕切り部と、当該仕切り部の両端から当該仕切り部に対して垂直に延出する一対の固定部と、により断面視略コ字状に形成され、前記一対の固定部の少なくとも一方が、前記中空部材に固定されており、前記一対の固定部は、前記発泡材から離間する方向に延出しており、前記仕切り部材が前記中空部材の内部に平行に２つ設けられることで、前記閉断面が３つ形成され、両側に位置する前記閉断面内に前記発泡材が充填されていることを特徴とする。

本発明によれば、中空部材の一の面からこの一の面に対向する面が位置する方向に加えられる外力に対して、仕切り部材が設けられていることで、外力の作用方向に潰れること、換言すると、側面側が潰れることを抑制し、中空部材の剛性を向上させることができる。また、発泡材が閉断面に充填されていることから、特に、発泡材が充填されている閉断面上に作用する外力に対して、強い剛性を保持することができ、その閉断面の変形を抑制することができる。さらに、発泡材の充填領域を限定するので、中空部材全体の軽量化を図ることができる。
さらに、仕切り部材を中空部材の内部に平行に２つ設けることで、閉断面を３つ形成し、３つの閉断面のうち、両側に位置する閉断面内に発泡材を充填するので、両側に位置する閉断面の強度が増し、両側部における変形を抑制できるため、中空部材の剛性を一層向上させることができる。
なお、参考形態として、閉断面を３つ形成し、中央部に位置する閉断面に発泡材を充填することができる。この場合は、中央部に位置する閉断面上に作用する外力に対して剛性を高めることができる。

また、本発明は、車両用フレームの補強構造として適用することが好ましい。車両用フレームに適用することで、車体骨格の剛性を向上させ、振動・騒音低減等により乗り心地を改善することができる。
なお、車両用フレームとは、車体の骨格を形成する部材であり、例えば、フロントピラー、センターピラー、フロントルーフレール、サイドルーフレール、フロントサイドメンバ、リアサイドメンバ、サブフレーム等が挙げられる。

このような中空部材の補強構造によれば、剛性を向上させることができると共に、軽量化を図ることができる。特に、車両用フレームとして適用した場合は、車体骨格の剛性を向上させることができ、乗り心地を良くすることができる。また、軽量化されるため、燃費性能を向上させることができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、車体骨格を示す斜視図であり、図２は、本実施形態に係る中空部材の内部構造を示す断面斜視図である。

本実施形態に係る中空部材１は、車体骨格を形成する車両用フレーム、例えば、図１に示すフロントピラーＦＰ、センターピラーＣＰ、フロントルーフレールＦＲ、サイドルーフレールＳＲ等として用いられる部材である。

図２に示すように、中空部材１は、鋼板、アルミ板等から形成される断面視略ハット状のアウターパネル２とインナーパネル３とを対向するように配置して構成され、内部に四角柱状の中空空間Ｓを有している。この中空部材１の中空空間Ｓは、仕切り部材４，４によって３つの空間（閉断面）Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に仕切られており、両側に位置する空間Ｓ１，Ｓ３には、発泡材５が充填されている。この中空部材１は、車両用フレームとして用いられる場合、アウターパネル２が車外側に、インナーパネル３が車室内側に向くように配置されることで、車外側から受ける外力に対して剛性を向上することができる。なお、本実施の形態では、中空空間Ｓの形状を四角柱状としたが、例えば、五角柱や六角柱等の多角柱状に形成してもよい。

図２に示すように、アウターパネル２は、上面部２１と、上面部２１の両端縁から上面部２１に対して垂直方向に延出した側面部２２，２２と、側面部２２，２２の端縁から上面部２１と反対方向に延出したフランジ部２３，２３とから構成され、断面視略ハット状に形成されている。また、インナーパネル３は、下面部３１と、下面部３１の両端縁から下面部３１に対して垂直方向に延出した側面部３２，３２と、側面部３２，３２の端縁から下面部３１と反対方向に延出したフランジ部３３，３３とから構成され、断面視略ハット状に形成されている。アウターパネル２とインナーパネル３は、互いに対向するように配置され、フランジ部２３，２３とフランジ部３３，３３とを重ねてスポット溶接することで、内部に中空空間Ｓを形成している。

図２に示すように、仕切り部材４は、例えば、鋼板、アルミ板、合成樹脂等の材質から、仕切り部４１と、仕切り部４１の両端から仕切り部４１に対して垂直に延出した固定部４２，４３とから断面視略コの字状に形成される。仕切り部材４は、前記中空空間Ｓ内に、仕切り部４１が側面部２２，３２に平行するように２つ配置され、固定部４２をアウターパネル２の上面部２１に溶接し、固定部４３をインナーパネル３の下面部３１に溶接して固定される。このとき、平行するように配置される仕切り部材４，４の固定部４２，４２（４３，４３）が互いに内側（空間Ｓ２側）を向くように配置され固定される。このように固定することで、上面部２１から受ける外力に対して、側面部２２，３２と仕切り部４１，４１がそれぞれ同一方向に変形するような応力を受ける。

なお、固定部４２，４３をいずれも溶接すると、アウターパネル２とインナーパネル３と仕切り部材４とを強固に結合できるが、固定部４２，４３のいずれか一方のみを溶接した場合であっても、本発明の効果が得られる。また、溶接されない他方の固定部４２（又は、４３）では、上面部２１（又は、下面部３１）との間に隙間を設けても本発明の効果が得られる。なお、仕切り部材４、アウターパネル２及びインナーパネル３の板厚を大きくすると、剛性が向上するが、重量が大きくなるので、所望の剛性値及び重量を得られるように板厚を適宜調整すると良い。

仕切り部材４の仕切り部４１，４１は、中空空間Ｓを３つの空間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に仕切るものである。仕切り部材４１，４１が、上面部２１側から下面部３１側まで至るように配置されていることで、上面部２１側から受ける外力Ｆに対して、側面部２２，３２の変形を抑制できる。なお、この仕切り部４１から側面部２２，３２までの長さが発泡材の幅Ｗ（図９参照）となり、後記するように、この幅Ｗの値を大きく設定すると剛性が向上する。

発泡材５は、中空空間Ｓのうち、両側に位置する空間Ｓ１，Ｓ３に充填されることで、側面部２２，３２の変形を抑制でき、かつ、空間Ｓ１，Ｓ３の変形を抑制できるので、アウターパネル２及びインナーパネル３の剛性を向上させることができる。発泡材５としては、例えば、エポキシ樹脂、合成ゴム、ウレタン樹脂等からなる発泡材を用いることができる。エポキシ樹脂、合成ゴムからなる発泡材を用いる場合は、未発泡・未硬化状態の発泡材を仕切り部４１に貼着した状態で、中空部材１を組み立て、電着塗装焼付け時の乾燥熱等を利用して発泡させ、空間Ｓ１，Ｓ２内に充填させる（図３参照）。また、ウレタン樹脂からなる発泡材を用いる場合は、中空部材１を組み立てた後、空間Ｓ１，Ｓ２にウレタン樹脂からなる発泡材を注入し、自己反応熱を利用して発泡させ、充填する。発泡材の体積発泡率は１．５〜３倍、ヤング率は２５０〜１２００ＭＰａ位が好ましく、これ以外の範囲では所望の剛性を得られない場合がある。なお、この範囲内では、体積発泡率が低いほど剛性を向上できる。このように、発泡材５を空間Ｓ１，Ｓ３に充填させることで、中空部材１の剛性を向上させることができると共に、軽量化も図られる。

次に、本実施形態に係る中空部材１の補強構造の製造工程について説明する。
まず、インナーパネル３の下面部３１に仕切り部材４の固定部４３をスポット溶接で溶接する。このとき、仕切り部４１には、予めエポキシ樹脂、合成ゴムからなるシート状の発泡材５を貼着しておく。次に、インナーパネル３に対向するようにアウターパネル２を配置して、フランジ部２３，２３とフランジ部３３，３３とを重ねて溶接した後、固定部４３をアウターパネル２の上面部２１に溶接する（図３上図参照）。なお、固定部４３を上面部２１に溶接する工程は省略することもできる。そして、この状態で、発泡材５を加熱発泡させて（図３下図参照）、中空部材１の剛性を向上させることができる。なお、発泡材５は、中空部材１の組み立て後、ウレタン樹脂からなる発泡材を空間Ｓ１，Ｓ３に充填させるようにすることもできる。

このように構成された中空部材１では、以下の作用効果を得ることができる。
まず、上面部２１側から受ける外力Ｆに対して、空間Ｓ１，Ｓ３内に発泡材５が充填されていることから、側面部２２，３２が変形しにくく、空間Ｓ１，Ｓ３も歪みにくくなっている。そのため、中空部材１の剛性を向上させることができる。また、外力Ｆを受けた場合、側面部２２，３２から発泡材５が剥離する方向、つまり、発泡材５に対して空間Ｓ２に向かう方向に応力が発生すると側面部２２，３２が変形しやすく剛性が低下するが、本実施形態に係る中空部材１では、外力Ｆを受けても、仕切り部４１と側面部２２，３２とが同一方向に変形するため、発泡材５と側面部２２，３２が剥離せず、剛性を向上させることができる。

また、軽量で高剛性の発泡材５を充填することで、重量増加を抑制しながら、つまり、軽量化を図りながら、空間Ｓ１，Ｓ３を潰れにくくすることができ、中空部材１の剛性を向上することができる。
さらに、中空部材１の剛性を向上することで、車体振動を抑制し、乗り心地を向上させることができる。そして、軽量化されていることから、車体重量の増加を抑制し、燃費性能を向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前記した実施の形態には限定されない。また、本発明においては、発泡材５を空間Ｓ１，Ｓ３に充填させることとしたが、参考形態としては、図４に示すように、空間Ｓ２に充填させるものであってもよい。このように充填させると、上面部２１の中央近傍にかかる外力Ｆに対して剛性を向上させることができる。

次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。前記実施の形態の中空部材を用いて、従来の中空部材と比較して重量比率及び剛性比率がどのように変化したかを曲げ強度試験の測定値から算出し、図７のグラフに示した。

図５は、本実施例に用いた中空部材の断面図である。
図５（ａ）は、実施例１として示す前記実施の形態において説明した中空部材１であり、アウターパネル２及びインナーパネル３の板厚を０．８ｍｍ、仕切り部材４の板厚を０．５ｍｍ、発泡材５の幅を５ｍｍに設定した。また、アウターパネル２の高さを３０ｍｍ、インナーパネル３の高さを１０ｍｍ、上面部２１及び下面部３１の幅を６０ｍｍに設定した。
図５（ｂ）は、比較例１として示す内部に何も充填しない中空部材１Ａであり、アウターパネル２Ａ及びインナーパネル３Ａの板厚を１．４ｍｍに設定した。また、アウターパネル２Ａの高さ、インナーパネル３Ａの高さ、上面部２１及び下面部３１の幅は実施例１と同様に設定した。
図５（ｃ）は、比較例２として示す従来の中空部材１Ｂであり、アウターパネル２Ｂとインナーパネル３Ｂの間に断面視略ハット状の仕切り部材４Ｂを挟持し、アウターパネル２Ｂと仕切り部材４Ｂの間に断面視略コの字状の発泡材５Ｂを充填して構成した。アウターパネル２Ｂ及びインナーパネル３Ｂの板厚を０．８ｍｍ、仕切り部材４Ｂの板厚を０．５ｍｍ、発泡材５Ｂの幅を７ｍｍに設定しており、アウターパネル２Ｂの高さ、インナーパネル３Ｂの高さ、上面部２１及び下面部３１の幅は実施例１と同様に設定した。

（曲げ強度試験）
本実施例においては、図６に示すように、前記した各中空部材を下面部３２の長手方向両端部３２ａ，３２ａで保持し、上面部２１の長手方向中央部近傍に荷重子Ｌで垂直下向きに荷重を与え、ある一定の形状に曲がるまでの最大荷重値を剛性値として測定した。

図７に示すグラフにおいては、比較例１の重量及び剛性を１００として、これに対する他の中空部材の重量比率及び剛性比率を算出している。
図７に示すように、比較例１の中空部材に対し、実施例１の中空部材は、比較例１の剛性より数パーセント向上させつつ、重量を２０パーセント低減することができる。一方、比較例２の中空部材においては、比較例１の中空部材に対して剛性、重量共に低下した。以上より、実施例１の中空部材では、比較例１の中空部材より各パネルの板厚を小さくしても、剛性を向上させることができるとともに、軽量化することができることがわかった。

なお、図８に示すように、実施例１に係る中空部材の補強構造（内部構造）を市販のエンジンマウント取付部（フロントサブフレーム）ＥＭに適用し、前記した曲げ強度試験で外力Ｆを入力し剛性値を測定すると共に重量を測定した結果を表１に示す。ちなみに、本実施例では、仕切り部材は断面視略コの字状のものではなく、幅０．８ｍｍの単なる板状のものを使用し、上面部又は下面部との間に隙間を設けて配置した。また、表の値は、荷重２９０／−１０９０ｋｇｆ入力時の平均値を示す。

表１に示すように、本実施例に係るエンジンマウント取付部ＥＭは市販品より重量を８パーセント減少させつつ、剛性を８６パーセント向上できることがわかった。

次に、発泡材の充填領域を変更して、本発明の効果を確認した実施例について説明する。本実施例においては、前記した曲げ強度試験で測定した剛性値（ｋＮ／ｍｍ）と中空部材である試験片の重量（ｇ）との関係を図１０のグラフに示した。

図９は、本実施例に用いた中空部材の断面図である。
図９（ａ）は内部に断面視略コの字状のリーンフォースメント４Ｃ，４Ｃを中央に２つ接触して対向するように設けた中空部材であり、図９（ｂ）は内部の全域に発泡材５を充填した中空部材である。また、図９（ｃ）は内部に断面視略コの字状の２つのリーンフォースメント４Ｄ，４Ｄを、互いに対向するように、かつ、間に隙間を設けて配置して、リーンフォースメント４Ｄ，４Ｄに挟まれた閉断面（中央に位置する空間）に発泡材５を充填した中空部材である。図９（ｄ）は前記した実施の形態に係る中空部材と同一のものであり、断面視略コの字状の２つのリーンフォースメント４Ｅ，４Ｅを互いに向き合うように配置して、３つ形成される閉断面のうち、両側に位置する閉断面（空間）に発泡材５を充填した中空部材である。なお、図９（ｄ）に示す中空部材が本発明に係る中空部材に含まれるものである。本実施例では、図９（ｃ），（ｄ）に示す中空部材の発泡材５の幅Ｗを変更して、（ｃ）においては５ｍｍと２０ｍｍ、（ｄ）においては２．５ｍｍと１０ｍｍの場合において得られる剛性値及び重量について測定した。

図１０に示すとおり、（ａ）リーンフォースメントのみ、（ｂ）全域充填、（ｃ）中央充填、（ｄ）両側充填、の順に剛性が向上し、参考例に係る（ｃ）及び本発明に係る（ｄ）の中空部材の重量効率が良いことがわかった。また、発泡材の幅Ｗは厚い方が剛性を向上させるのがわかった。

車体骨格を示す斜視図である。本実施形態に係る中空部材の内部構造を示す断面斜視図である。本実施形態に係る中空部材の製造方法を示す断面斜視図である。参考形態に係る中空部材の内部構造を示す断面斜視図である。実施例１に用いた中空部材の断面図であり、（ａ）が本発明の実施例、（ｂ），（ｃ）が比較例を示す。曲げ強度試験に用いた装置を示す斜視図である。実施例１で算出した重量比率及び剛性比率を示すグラフである。エンジンマウント取付部を示す斜視図である。実施例２に用いた中空部材の断面図であり、（ａ），（ｂ）が比較例、（ｃ）が参考例、（ｄ）が本発明の実施例を示す。前記した曲げ強度試験で測定した剛性値（ｋＮ／ｍｍ）と中空部材である試験片の重量（ｇ）との関係を示すグラフである。従来の中空部材の内部構造を示す断面斜視図である。外力に対する中空部材の変形の仕方を示す図である。

符号の説明

１中空部材
２アウターパネル
３インナーパネル
４仕切り部材
５発泡材
２１上面部
２２側面部
２３フランジ部
３１下面部
３２側面部
３３フランジ部
Ｓ中空空間
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３空間

Claims

中空部材と、
前記中空部材の内部に複数の閉断面を形成する仕切り部材と、
少なくとも一の前記閉断面内に充填される発泡材と、
を備える中空部材の補強構造であって、
前記仕切り部材は、外力が作用する方向と一致するように、前記中空部材の一の面からこの一の面に対向する面まで至るように設けられる仕切り部と、当該仕切り部の両端から当該仕切り部に対して垂直に延出する一対の固定部と、により断面視略コ字状に形成され、
前記一対の固定部の少なくとも一方が、前記中空部材に固定されており、
前記一対の固定部は、前記発泡材から離間する方向に延出しており、
前記仕切り部材が前記中空部材の内部に平行に２つ設けられることで、前記閉断面が３つ形成され、両側に位置する前記閉断面内に前記発泡材が充填されている
ことを特徴とする中空部材の補強構造。
前記中空部材は車両用フレームである
ことを特徴とする請求項１に記載の中空部材の補強構造。