JP4535084B2 - 構造部材の断面構造 - Google Patents

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Description

本発明は、車両の骨格部材等に適用される構造部材の断面構造に関する。
車両の骨格部材は、衝突等によって荷重が入力された場合、曲げの引張側に比べて圧縮側が弱く、圧縮応力によって局部的な弾性座屈が発生する。そこで、車両の骨格部材には、閉断面構造が形成され、閉断面構造における曲げの圧縮側にのみ補強部材が配設されたものがある(特許文献1参照)。図5には、骨格部材の一例としてBピラー100を示している。このBピラー100は、ピラーアウタ101とピラーインナ102で閉断面が形成され、曲げ圧縮側に補強部材としてアウタリーンフォースメント103とヒンジリーンフォースメント104が配設され、さらに、中間部に補強部材としてリーンフォースメント105が配設されている。
特開2003−231483号公報
従来の車両の骨格部材の場合、曲げの圧縮側と引張側との中立軸が閉断面における中心辺りに位置する(図5の中立軸Aを参照)。そのため、圧縮側面と引張側面との間を連結する縦壁部における大きな領域に圧縮応力場が存在することになり、圧縮側面の他にも縦壁部にも圧縮応力が作用する。その結果、圧縮側において、圧縮応力によって弾性座屈が生じ、局部的に座屈が進行する。図5に示すBピラー100の場合、ピラーアウタ101のアウタ面101aに、座屈が始める瞬間に、局部的にくぼみHができている。
このような圧縮応力による弾性座屈を抑制するためには、圧縮側を剛性を向上させる必要がある。そのために、従来の車両の骨格部材では、圧縮側面や縦壁部に多くの補強部材を配置させている。その結果、質量及びコストの増加を招いている。
そこで、本発明は、高強度かつ軽量を実現できる構造部材の断面構造を提供することを課題とする。
本発明に係る構造部材の断面構造は、構造部材の断面構造であって、曲げの圧縮応力場内に配置される圧縮側面と、曲げの引張応力場内に配置される引張側面と、圧縮側面と引張側面とを連結する壁部と、ピラーアウタより車両内側に配置され、圧縮側面、当該圧縮側面の両側端にそれぞれ繋がる壁部の圧縮側面側部分及び当該各壁部の圧縮側面側部分の側端に繋がるフランジ部を有する圧縮側部材と、引張側面、当該引張側面の両側端にそれぞれ繋がる壁部の引張側面側部分及び当該各壁部の引張側面側部分の側端に繋がるフランジ部を有する引張側部材と、補強部材とを備え、圧縮側部材と引張側部材とは、圧縮側面と引張側面との間に位置する圧縮側部材のフランジ部と引張側部材のフランジ部とで連結され、曲げの中立軸は、連結されるフランジ部よりも圧縮側面側に位置し、補強部材は、部材全体が圧縮側部材のフランジ部よりも圧縮側面側に配置され、圧縮側部材の圧縮側面に対して溶接によって接合され、補強部材は、圧縮側部材に比べて板厚が厚いことを特徴とする。さらに、本発明の上記構造部材の断面構造では、補強部材は、フランジ部を有し、当該フランジ部の長さが板厚の2倍以下であると好適である。
この構造部材の断面構造は、荷重入力によって曲げを受けた場合に圧縮応力を受ける圧縮側面と引張応力を受ける引張側面及びその圧縮側面と引張側面とを連結する壁部を備えている。そして、この断面構造では、曲げを受けた場合の圧縮側(縮み側)と引張側(引っ張り側)との中立軸を圧縮側面の近傍に配置する(中立軸が圧縮側面の位置に配置されることも含む)。中立軸を圧縮側面に近づけるほど、壁部における圧縮応力場が小さくなるとともに引張応力場が大きくなるので、圧縮応力による弾性座屈の発生を抑制あるいは防止することができる。その結果、圧縮側において材料固有の強度限界まで荷重に耐えることができ、材料固有の強度を使い切ることができる。さらに、引張側でも圧縮側の耐力向上に伴って分担する荷重が増加するので、断面全体が材料強度限界まで応力が上昇し、断面全体として材料強度を効率良く使うことができる。また、壁部における圧縮応力場を極力小さくあるいは無くすることができるので、補強部材を削減あるいは無くすることができ、質量及びコストを低減できる。このように、この構造部材の断面構造は、曲げの中立軸を圧縮側面近傍に配置することにより、高強度かつ軽量(低コスト)の断面構造を実現できる。
本発明の上記構造部材の断面構造は、圧縮側面は、引張側面に比べて材料強度が大きいと好適である。この構造部材の断面構造では、圧縮側面の材料強度を引張側面より大きくすることにより、曲げの中立軸を圧縮側面の近傍に配置することができる。というのは、中立軸は圧縮側のモーメント(圧縮応力)と引張側のモーメント(引張応力)とが釣り合う位置なので、材料強度によって圧縮側面の強度(剛性)を大きくするほど、中立軸から圧縮側面までの距離を短くできるからである。また、圧縮側面自体の強度が大きいほど、圧縮側面の座屈強度を大きくでき、弾性座屈の発生を抑制することができる。
本発明の上記構造部材の断面構造は、圧縮側面は、引張側面に比べて板厚が厚いと好適である。この構造部材の断面構造では、圧縮側面の板厚を引張側面より厚くすることにより、曲げの中立軸を圧縮側面の近傍に配置することができる。上記と同様に、板厚によって圧縮側面の強度を大きくするにより、中立軸から圧縮側面までの距離を短くでき、また、圧縮側面の座屈強度を大きくできる。
本発明は、曲げの中立軸を圧縮側面の近傍に配置させることにより、高強度かつ軽量な構造部材の断面構造とすることができる。
以下、図面を参照して、本発明に係る構造部材の断面構造の実施の形態を説明する。
本実施の形態では、本発明に係る構造部材の断面構造を、前部ドアと後部ドアとの間に配置され、ルーフを支えるとともに車体剛性を高めるための車両の骨格部材であるBピラーの断面構造に適用する。本実施の形態に係るBピラーは、ピラーアウタとピラーインナによって閉断面を形成し、その閉断面における曲げの圧縮側面(アウタ側の側面)を高強度かつ高板厚とする。本実施の形態には、2つの形態があり、第1の実施の形態では補強部材によって高強度かつ高板厚とする形態であり、第2の実施の形態がピラーアウタによって高強度かつ高板厚とする形態である。
図1及び図2を参照して、第1の実施の形態に係るBピラー1の断面構造を説明する。図1は、第1の実施の形態に係るBピラーの斜視図である。図2は、図1のBピラーの断面図及び曲げの圧縮側と引張側で発生するモーメント(応力)を示す図である。
Bピラー1は、高強度と軽量の両立を図るために、曲げの中立軸を圧縮側面近傍に配置(圧縮側面の位置に配置することも含む)させるために補強部材を高強度かつ高板厚の材料で構成する。そのために、Bピラー1は、ピラーアウタ10、ピラーインナ11、アウタリーンフォースメント12及びヒンジリーンフォースメント13を備えている。
ピラーアウタ10は、車両の外側に配置される。ピラーアウタ10は、Bピラー1の外側面となるアウタ面10a、アウタ面10aの両側端に繋がる縦面10b、10b及び縦面10b,10bの側端に繋がるフランジ10c,10cからなるフランジ部を有する略凹形状(断面視)である。ピラーアウタ10は、例えば、SPC270で板厚が0.75mmの材料で成形される。
ピラーインナ11は、車両の内側に配置される。ピラーインナ11は、Bピラー1の内側面となるインナ面11a、インナ面11aの両側端に繋がる縦面11b、11b及び縦面11b,11bの側端に繋がるフランジ11c,11cからなるフランジを有する略凹形状(断面視)である。ピラーインナ11は、例えば、SPC590で板厚が1.6mmの材料で成形される。ピラーアウタ10とピラーインナ11とによって、閉断面構造となり、Bピラー1の外形状が形成される。
アウタリーンフォースメント12は、Bピラー1のアウタ側の補強部材の1つである。アウタリーンフォースメント12は、ピラーアウタ10の内側に配置される。アウタリーンフォースメント12は、ピラーアウタ10のアウタ面10aに接合するアウタ面12a、アウタ面12aの両側端に繋がる縦面12b,12b及び縦面12b,12bの側端に繋がるフランジ12c,12cからなるフランジ部を有する略凹形状(断面視)である。アウタリーンフォースメント12は、例えば、SPC980で板厚が1.6mmの材料で成形される。
ヒンジリーンフォースメント13は、Bピラー1のアウタ側の補強部材の1つである。ヒンジリーンフォースメント13は、アウタリーンフォースメント12の内側に配置される。ヒンジリーンフォースメント13は、アウタリーンフォースメント12のアウタ面12aに接合するアウタ面13a及びアウタ面13aの両側端に繋がる縦面13b,13bからなる平面に近い略凹形状(断面視)である。この縦面13bb,13bは、非常に短く、面剛性を保つ最小長さ(板厚の2倍以下)である。ヒンジリーンフォースメント13は、例えば、Hot Stampで板厚3.2mmの材料で成形される。
アウタリーンフォースメント12及びヒンジリーンフォースメント13は、曲げの圧縮側に配置される補強部材であり、ピラーインナ11より高強度かつ高板厚の材料で形成されている。特に、ヒンジリーンフォースメント13は、アウタリーンフォースメント12よりも高強度かつ高板厚であり、例えば、1500Mpa以上の材料強度(降伏強度)で現実的な板厚(3.2mm以下)の上限厚さ程度の板厚を有するハイテン材である。ちなみに、引張応力場となるピラーインナ11やピラーアウタ10の縦面10b,10bについては、例えば、300Mpa以下の材料強度とする。
Bピラー1を組み立てる場合、ピラーアウタ10のアウタ面10aにアウタリーンフォースメント12のアウタ面12aが重ね合わされ、ピラーアウタ10の各フランジ10c,10cにアウタリーンフォースメント12の各フランジ12c,12cが重ね合わされ、さらに、アウタリーンフォースメント12のアウタ面12aにヒンジリーンフォースメント13のアウタ面13aが重ね合わされる。そして、アウタ面10aとアウタ面12aとアウタ面13aとが溶接等で接合される。さらに、ピラーアウタ10の各フランジ10c,10cにピラーインナ11の各フランジ11c,11cが重ね合わされ、各フランジ10c,10cと各フランジ11c,11cとが溶接等で接合される。
なお、第1の実施の形態では、ピラーアウタ10のアウタ面10a、アウタリーンフォースメント12のアウタ面12a及びヒンジリーンフォースメント13のアウタ面13aが特許請求の範囲に記載する圧縮側面に相当し、ピラーインナ11のインナ面11aが特許請求の範囲に記載する引張側面に相当し、ピラーアウタ10の縦面10b及びピラーインナ11の縦面11bが特許請求の範囲に記載する壁部に相当する。
このように構成されたBピラー1の断面構造では、側面衝突等によって荷重を受けた場合に曲げの圧縮側(縮み側)となるピラーアウタ10のアウタ面10a、アウタリーンフォースメント12のアウタ面12a及びヒンジリーンフォースメント13のアウタ面13a(特に、ヒンジリーンフォースメント13のアウタ面13a)の強度と板厚が、曲げの引張側(伸び側)となるピラーインナ11のインナ面11aに比べて非常に大きい。そのため、圧縮側面の剛性が、引張側面より非常に大きくなる。
図2は、横軸が強度、縦軸が中立軸Aからの距離(h)であり、圧縮側のモーメントCM(圧縮応力)と引張側のモーメントPM(引張応力)を示している。中立軸Aは圧縮側のモーメントCM(圧縮応力)と引張側のモーメントPM(引張応力)とが釣り合う(つまり、図2のモーメントCMを示す面積とモーメントPMを示す面積とが等しくなる)位置に存在し、また、圧縮側の強度(剛性)は引張側に比べて非常に大きい。そのため、中立軸Aから圧縮側面までの距離が非常に短くなり、曲げの中立軸Aがヒンジリーンフォースメント13のアウタ面13a辺りに位置するようになる(あるいは、アウタ面13aに重なる位置になる)。この中立軸Aから圧縮側面までの距離は、圧縮側面(特に、ヒンジリーンフォースメント13のアウタ面13a)の材料強度を大きくするほどあるいは板厚を厚くするほど、短くできる。
この中立軸Aの位置(中立軸Aからピラーインナ11のインナ面11aまでの距離)をhとした場合、位置hは式(1)の関係を満たす位置となる。
Figure 0004535084
式(1)において、HはBピラー1の全高(ピラーアウタ10のアウタ面10aからピラーインナ11のインナ面11aまでの距離)であり、hは中立軸Aからの距離(変数)であり、σは材料強度であり、dAは微小面積(=板厚×微小高さ)である。圧縮側面(特に、ヒンジリーンフォースメント13のアウタ面13a)の材料強度が大きくかつ板厚が厚いので、式(1)の関係を満たす中立軸Aの位置hは圧縮側面近傍(ヒンジリーンフォースメント13のアウタ面13aとほぼ同じ位置)になる。
このように中立軸Aが圧縮側面近傍に位置することにより、Bピラー1の圧縮側面(アウタ面10a、アウタ面12a、アウタ面13a)及び縦壁部(縦面10b,10b、縦面11b,11b)の極めて小さい領域が圧縮応力場となり、Bピラー1の引張側面(インナ面11a)及び縦壁部のほぼ全域が引張応力場となる。したがって、Bピラー1が荷重入力によって曲げを受けた場合、Bピラー1の縦壁部には、圧縮部分が殆どなくなる。そのため、縦壁部には、圧縮応力による弾性座屈が発生しないあるいは発生を極力抑制することができる。その結果、材料固有の強度限界まで負荷に耐えることができる。また、縦壁部に殆ど圧縮応力場でなくなるので、この部分については補強部材が不要となる。そのため、ヒンジリーンフォースメント13の縦面13b,13bを非常に短くでき、従来のBピラー100に備えられるリーンフォースメント105も必要ない(図5参照)。したがって、これらの補強部材についての質量を削減でき、その分コストも低減できる。
また、Bピラー1の圧縮側面(特に、ヒンジリーンフォースメント13のアウタ面13a)自体を高強度かつ高板厚とすることにより、圧縮側面の剛性が向上し、弾性座屈限界が上昇して塑性座屈強度を上回る。そのため、Bピラー1が荷重入力によって曲げを受けた場合、圧縮側面は、局部的な弾性座屈でなく、面全体が塑性座屈する。その結果、材料固有の強度を100%使い切りことができ、座屈強度も高くなる。
ちなみに、図5に示す従来のBピラー100の場合、曲げの圧縮側面の強度と板厚が、引張側面に比べてそれほど大きくない。そのため、図6に示すように、曲げの中立軸Aから圧縮側面までの距離が短くならず、中立軸AがBピラー100の断面の中央辺りに位置する。したがって、Bピラー100の縦壁部の半分程度が圧縮応力場となる。その結果、Bピラー100が荷重入力によって曲げを受けた場合、圧縮側面に局部的な弾性座屈が発生する虞がある。さらに、このような構成では引張側での分担荷重が少なくなるので、引張側で材料固有の強度を使い切ることができない。その結果、Bピラー100の断面全域において材料強度上限まで応力が大きくならず、効率が悪い構造となっている。
このBピラー1の断面構造によれば、圧縮側面(特に、ヒンジリーンフォースメント13のアウタ面13a)を高強度かつ高板厚とすることによって曲げの中立軸Aを圧縮側面近傍に配置させることにより、高強度かつ軽量(低コスト)の断面構造を実現できる。特に、Bピラー1の断面構造では、圧縮側面自体を高強度かつ高板厚とすることにより、圧縮側面の座屈強度を大きくでき、弾性座屈の発生を防止することができる。さらに、Bピラー1の断面構造では、断面の全域において材料固有の強度限界まで応力を発生させることができるので、非常に効率が良い構造である。
図3及び図4を参照して、第2の実施の形態に係るBピラー2の断面構造を説明する。図3は、第2の実施の形態に係るBピラーの斜視図である。図4は、図3のBピラーの断面図及び曲げの圧縮側と引張側で発生するモーメント(応力)を示す図である。
Bピラー2は、高強度と軽量の両立を図るために、曲げの中立軸を圧縮側面近傍に配置させるためにピラーアウタのアウタ面を高強度かつ高板厚の材料で構成する。そのために、Bピラー2は、ピラーアウタ20及びピラーインナ21を備えている。なお、ピラーインナ21は、第1の実施の形態に係るピラーインナ11と同様のピラーインナであるので、その説明を省略する。
ピラーアウタ20は、第1の実施の形態に係るピラーアウタ20と同様に、車両の外側に配置され、アウタ面20a、縦面20b,20b及びフランジ20c,20cからなるフランジ部を有する略凹形状(断面視)である。ピラーアウタ20におけるアウタ面20a以外の縦面20b,20b及びフランジ20c,20cについては、第1の実施の形態に係るピラーアウタ10と同様の強度と板厚の材料である。
ピラーアウタ20のアウタ面20aは、曲げを受ける断面の圧縮側における補強部分となるので、ピラーインナ21より高強度かつ高板厚の材料である。アウタ面20aは、例えば、1500Mpa以上の材料強度で現実的な板厚の上限厚さ程度の板厚を有する。ちなみに、引張応力場となるピラーインナ21やピラーアウタ20の縦面20b,20bについては、例えば、300Mpa以下の材料強度とする。このように、ピラーアウタ20は、部分的に材料強度や板厚が異なるので、例えば、テーラードブランク[Tailor Welded Blank](レーザ連続溶接)等によって成形される。
Bピラー2を組み立てる場合、ピラーアウタ20の各フランジ20c,20cにピラーインナ21の各フランジ21c,21cが重ね合わされ、各フランジ20c,20cと各フランジ21c,21cとが溶接等で接合される。
なお、第2の実施の形態では、ピラーアウタ20のアウタ面20aが特許請求の範囲に記載する圧縮側面に相当し、ピラーインナ21のインナ面21aが特許請求の範囲に記載する引張側面に相当し、ピラーアウタ20の縦面20b及びピラーインナ21の縦面21bが特許請求の範囲に記載する壁部に相当する。
このように構成されたBピラー2の断面構造では、側面衝突等によって荷重を受けた場合に曲げの圧縮側となるピラーアウタ20のアウタ面20aの強度と板厚が、曲げの引張側となるピラーインナ21のインナ面21aに比べて非常に大きい。そのため、圧縮側の剛性が、引張側より非常に大きくなる。したがって、第1の実施の形態に係るBピラー1と同様に、曲げの中立軸Aから圧縮側面までの距離が非常に短くなり、中立軸Aがピラーアウタ20のアウタ面20a辺りに位置するようになる(あるいは、アウタ面20aに重なる位置になる)。この中立軸Aから圧縮側面までの距離は、圧縮側面(アウタ面20a)の材料強度を大きくするほどあるいは板厚を厚くするほど、短くできる。
このBピラー2の断面構造でも、中立軸Aが圧縮側面近傍に位置しかつ圧縮側面自体が高強度かつ高板厚なので、第1の実施の形態に係るBピラー1と同様の作用を有する。
このBピラー2の断面構造によれば、第1の実施の形態に係るBピラー1の断面構造と同様の効果を有する上に、以下の効果も有している。Bピラー2の断面構造では、ピラーアウタ20のアウタ面20aを高強度かつ高板厚としているので、アウタリーンフォースメントやヒンジリーンフォースメントといった補強部材が不要である。その結果、更に軽量化できるとともに組立工数も削減でき、コストを更に低減できる。
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
例えば、本実施の形態では車両のBピラーの断面構造に適用したが、サイドメンバ等の車両の他の骨格部材(構造部材)に適用してもよいし、あるいは、車両以外の構造部材に適用してもよい。
また、本実施の形態では引張側面に比べて圧縮側面の材料強度を大きくしかつ板厚を厚くする構成としたが、圧縮側面の強度を十分確保できるなら、材料強度を大きくするか又は板厚を厚くするだけでもよい。
また、第1の実施の形態ではアウタリーンフォースメントも備える構成としたが、圧縮側面の強度を十分確保できるなら、アウタリーンフォースメントを備えない構成としてもよい。
第1の実施の形態に係るBピラーの斜視図である。 図1のBピラーの断面図及び曲げの圧縮側と引張側で発生するモーメント(応力)を示す図である。 第2の実施の形態に係るBピラーの斜視図である。 図3のBピラーの断面図及び曲げの圧縮側と引張側で発生するモーメント(応力)を示す図である。 従来のBピラーの斜視図である。 図5のBピラーの断面図及び曲げの圧縮側と引張側で発生するモーメント(応力)を示す図である。
符号の説明
1,2…Bピラー、10,20…ピラーアウタ、10a,20a…アウタ面、10b,20b…縦面、10c,20c…フランジ、11,21…ピラーインナ、11a,21a…インナ面、11b,21b…縦面、11c,21c…フランジ、12…アウタリーンフォースメント、12a…アウタ面、12b…縦面、12c…フランジ、13…ヒンジリーンフォースメント、13a…アウタ面、13b…縦面

Claims (4)

  1. 構造部材の断面構造であって、
    曲げの圧縮応力場内に配置される圧縮側面と、
    曲げの引張応力場内に配置される引張側面と、
    前記圧縮側面と前記引張側面とを連結する壁部と、
    ピラーアウタより車両内側に配置され、前記圧縮側面、当該圧縮側面の両側端にそれぞれ繋がる前記壁部の圧縮側面側部分及び当該各壁部の圧縮側面側部分の側端に繋がるフランジ部を有する圧縮側部材と、
    前記引張側面、当該引張側面の両側端にそれぞれ繋がる前記壁部の引張側面側部分及び当該各壁部の引張側面側部分の側端に繋がるフランジ部を有する引張側部材と、
    補強部材と
    を備え、
    前記圧縮側部材と前記引張側部材とは、前記圧縮側面と前記引張側面との間に位置する前記圧縮側部材のフランジ部と前記引張側部材のフランジ部とで連結され、
    曲げの中立軸は、前記連結されるフランジ部よりも前記圧縮側面側に位置し、
    前記補強部材は、部材全体が前記圧縮側部材のフランジ部よりも前記圧縮側面側に配置され、前記圧縮側部材の圧縮側面に対して溶接によって接合され
    前記補強部材は、前記圧縮側部材に比べて板厚が厚いことを特徴とする構造部材の断面構造。
  2. 前記圧縮側面は、前記引張側面に比べて材料強度が大きいことを特徴とする請求項1に記載する構造部材の断面構造。
  3. 前記圧縮側面は、前記引張側面に比べて板厚が厚いことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載する構造部材の断面構造。
  4. 前記補強部材は、フランジ部を有し、当該フランジ部の長さが板厚の2倍以下であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載する構造部材の断面構造。
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