JP4821268B2 - 自動車用フード - Google Patents

Description

本発明は、自動車用フードに関する。

近年環境への排出ガス削減対策として自動車材料の軽量化検討が、検討されており、自動車用フードにおいても、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）化が種々検討されつつある。例えば、特許文献１では、ＦＲＰ製アウターパネルとＦＲＰ製インナーパネルを接着剤にて接着固定した構造が開示されている。また、材料選択の自由度増や生産工程の合理化等による低コスト化を考慮すると、材料面での制約なく、各構成部材に対して最適な材料を使用できれば、設計の自由度が拡がることが期待できる。すなわち、自動車用フードを例に挙げれば、アウターパネルとインナーパネルを、それぞれに適した異種材料で構成するといった設計が可能となるが、異種材料の接着については、以下に示すような問題があり、構造部材に異種材料を組み合わせて使用することは実用化されていない。

異種材料の接着についての一般的知見として、材料が異なると線膨張係数が異なることが多く、その線膨張差により接着面７に発生するせん断応力による接着剥がれが生じる可能性がある。図６のように接着長さＬを大きくする（Ｌ＜Ｌａ）ことで、接着外縁部で接着剤が塑性変形を始めても、中央部のせん断応力の小さい部分は弾性変形となり、弾性変形部が大きい場合は、塑性変形を戻す力が作用し破断を防止するとの知見がある（非特許文献１参照）。しかしながら図７のように自動車フードを想定した態様の場合、インナーパネル２のハット型断面が車両内側に移動し、フード車両下側に存在するエンジンやシャシ部品の上方に移動することとなり、このことは、自動車設計上の大きな制約となる。すなわち、現在問題となっている歩行者頭部保護においては、歩行者の頭部がフードに衝突後エンジンやシャシ部品に衝突しないよう、インナーパネル２のハット型断面の底面部とこれらエンジン部品等の隙を大きくとる対応をとることが多いが、このような態様をとることが難しくなる可能性がある。さらに接着剤使用量の増加による、フード重量やコストの上昇も懸念される。

また非特許文献１等では、線膨張係数の異なる部材の接着において、接着剤破断が発生しないために必要な接着厚み・接着剤特性等は求められるとされているが、線膨張差による変形に限らず、開閉時や空力による変形が長年に渡り繰り返される自動車用フード等においては、上記文献より求められる接着厚み・接着剤特性のみに基づいた設計は採用し得ない。
特開２００３−１４５６２８号公報 Hart-Smith, L. J., Adhesively-Bonded Double-Lap Joints(Jan.,1973), NASA Technical Report 112235

線膨張係数の異なる材料のアウターパネルとインナーパネルを接着接合するには次のような問題点があった。

すなわち、線膨張係数の異なる材料で形成されるアウターパネルとインナーパネルの線膨張差により、接着面７には図５のようなせん断応力が発生する。またそのせん断応力はアウターパネル１もしくはインナーパネル２の外縁部に行くほど大きくなることが知られている。せん断応力により接着剤は変形し、せん断応力がある値を超えると接着剤は塑性変形をはじめ、更に変形が進み破断伸度を越えると接着剤が破断する。接着剤破断がフード全周に渡ると最悪の場合車両走行時アウターパネル１がインナーパネル２より脱落し、他車両や歩行者に衝突する可能性がある。

本発明の目的はアウターパネル１とインナーパネル２の線膨張差により接着面７に発生するせん断応力による破断を防止するとともに、万が一、アウターパネル１とインナーパネル２を接合する接着剤がすべて破断した場合でもアウターパネル１がインナーパネル２から脱落することを防止できる自動車用フード構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。すなわち
（１）アウターパネルと、前記アウターパネルに接着固定されたインナーパネルと、前記アウターパネルの外縁部から前記インナーパネルの前記アウターパネルの外縁部側の少なくとも一部を覆うように前記インナーパネルと前記アウターパネルの双方に接着固定されたブラケットから構成されたことを特徴とする自動車用フード。

（２）前記アウターパネルと前記ブラケットが、線膨張係数が、実質的に同一の材料であることを特徴とする前記（１）に記載の自動車用フード。

（３）前記インナーパネルは前記アウターパネルおよび前記ブラケットと異なる線膨張係数の材料であることを特徴とする前記（１）または（２）のいずれかに記載の自動車用フード。

（４）前記ブラケットが、前記アウターパネルの外縁部の全周に渡って設けられていることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の自動車用フード。

（５）前記ブラケットが、コーナー部で切断分割した形状であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の自動車用フード。

（６）前記ブラケットと前記アウターパネルの接着強度が、前記ブラケットおよび前記アウターパネルの材料強度以上であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載の自動車用フード。

（７）前記アウターパネルと前記インナーパネルを接着固定した部分の接着厚みが、下式（Ｉ）より求まる厚みであることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載の自動車用フード。

（α１−α２）／（４τｐη（γｅ／２＋γｐ）／Ｅ０ｔ０）＾０．５・・・（Ｉ）
式中 α１：前記アウターパネルの線膨張係数
α２：前記インナーパネルの線膨張係数
τｐ：接着剤の降伏応力
η：接着剤の厚さ
γｅ：接着剤の塑性歪
γｐ：接着剤の破断歪
Ｅ０：前記インナーパネルの弾性率
ｔ０：前記インナーパネルの厚さ
（８）前記インナーパネルの外縁部と前記ブラケット内縁部との間隔を、前記アウターパネルと前記インナーパネルとの線膨張差より大きく取ることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれかに記載の自動車用フード。

本発明の自動車用フード構造によればフード外縁部にブラケットを設定することで、アウターパネルとインナーパネルの線膨張差から、接着面に作用するせん断応力による接着剤破断を防止し、かつアウターパネルのインナーパネルからの脱落を防止することができる。

本発明の自動車用フードについて、図１〜３に従って説明する。

本発明の自動車用フードは、図２に示されるように、車体外側の面を構成するアウターパネル１と、アウターパネル１の内側に配置されたインナーパネル２と、アウターパネル１の外縁部とインナーパネル２の外縁部を固定することのできるブラケット３とで構成されている。

通常アウターパネル１には、金属製、樹脂製またはＦＲＰ製のものが挙がられる。ここで自動車用フードに低コスト化を重要視する場合、金属製とくに鋼板製フードが適用される。一方、燃費向上のための軽量化を重視する場合、アルミ製、樹脂製またはＦＲＰ製が適用される。

ここでＦＲＰ製とは、強化繊維により強化された樹脂を指し、強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維等の無機繊維や、ケブラー繊維、ポリエチレン繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維からなる強化繊維があげられる。ＦＲＰのマトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエチレン樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられ、さらには、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂等に熱可塑性樹脂も使用可能である。またＦＲＰの機械特性は、上記のような強化繊維、マトリックス樹脂の選択や組合せ、強化繊維の配向や体積含有率、積層構成により適宜設定できる。

さらにＦＲＰ製アウターパネル１としては、ＦＲＰの単板構造やＦＲＰ単板間にコア材を介在したサンドイッチ構造がある。ここでコア材としては、弾性体や発泡体、ハニカム材の使用が可能である。発泡体の材質としては特に限定されず、例えば、ポリウレタンやアクリル、ポリスチレン、ポリイミド、塩化ビニル、フェノールなどの高分子材料のフォーム材などが使用できる。ハニカム材としては特に限定されず、例えば、アルミ合金、紙、アラミドペーパー等が使用できる。

自動車用フードのアウターパネル１としては、上記のように多種選択肢があるが、軽量化ができ、また様々なフードデザイン面に対して面剛性確保のための設計手段が多岐にわたるために最適構造がとりやすいことからＦＲＰ製のものが好ましい。

インナーパネル２には、金属製、樹脂製またはＦＲＰ製のものが挙がられる。インナーパネル２はフード剛性（曲げ、ねじり等）を確保するためにハット形の断面を有しているが、このハット型断面の大きさや厚みなどの調整により、フードに必要な剛性を確保することが可能なので、インナーパネル２の材質は上記のものを使用しても設計は可能である。これらのなかでもコスト、軽量化や生産性を考慮するとアルミ製のものが好ましい。

これら、アウターパネル１とインナーパネル２との組合せとしては、アウターパネル１として好ましいＦＲＰ製のものとインナーパネル２として好ましいアルミ製のものを組み合わせることが好ましい。

また逆に、アウターパネル１としてアルミ製のものを、インナーパネル２としてＦＲＰ製のものを組み合わせた設計とすることも可能である。この場合は、例えば塗装後のフードの意匠性が重要視される場合にあたり、アウターパネル１の塗装光沢などは金属製のものが優位であることから、かかる特性を重視する場合には好ましく採用することができる。その場合のインナーパネル２には、軽量化・高剛性化にむけて、設計手段が多岐にわたるＦＲＰ製とすることで、最適構造をとることが可能である。

図１に示されるように、アウターパネル１とブラケット３は、アウターパネル１の外縁部にて接着剤４にて接着固定される。またインナーパネル２の外縁部はアウターパネル１とブラケット３に接着剤５にて接着固定される。

このとき図１の接着剤４と接着剤５は同じものに限定されない。また、通常接着剤４あるいは接着剤５には、ある程度の弾性を有するものが、好ましく、ウレタン系、エポキシ系、フェノール系等が適用できるが、なかでもウレタン系接着剤が好ましい。

アウターパネル１とブラケット３は、線膨張係数が実質的に同一の材料にて形成されることが好ましい。アウターパネル１とブラケット３が、線膨張係数が実質的に同一の材料にて形成されることで、アウターパネル１とブラケット３間の接着が熱膨張により破断することが防げるため、ブラケット３とインナーパネル２の接着部および／またはアウターパネル１とインナーパネル２の接着部が破断したとしても、アウターパネル１がインナーパネル２から脱落することが防止することができるとなるからである。

インナーパネル２は、アウターパネル１とブラケット３と線膨張係数が異なる材料で形成されていることが好ましい。アウターパネル１とブラケット３と線膨張係数が異なる材料で構成することで、前述したような、アウターパネル１にＦＲＰ製のものインナーパネル２にアルミ製のものといった構成が可能となり、軽量化や生産性向上による低コスト化が可能となることから好ましい。

ここで線膨張係数が実質的に同一とは、通常線膨張係数の差が２％以内であることを示す。これは通常接着剤４として使われるウレタン系接着剤の塑性変形が発生する伸びが２％であることから由来している。

ブラケット３は図２で示すように、アウターパネル１の外縁部の全周に渡って設けられている形状や、全周に渡らずに一部にだけ設けられる形状、例えば図３の３ａで示すようなコーナー部で切断分割した形状が挙げられる。

ブラケットをアウターパネル１の外縁部の全周に渡って設けられている形状とすると、フード外縁部の剛性を大きく出来ることから好ましい。

切断分割したブラケット３ａとすることで、ブラケット３を製造するのに必要な型が小型化でき、コストダウンが可能である。またブラケットの重量や使用する接着剤の重量も軽くすることが出来る。

アウターパネル１とブラケット３を接着固定した接着剤５の接着強度は、アウターパネル１およびブラケット３の材料強度以上になるような接着剤を使用する。

本発明におけるアウターパネル１とインナーパネル２の接着厚み（図１におけるｔ１）は、特に限定されるものではないが、Hart-Smithのサーマルミスマッチ（α１−α２）／（４τｐη（γｅ／２＋γｐ）／Ｅ０ｔ０）＾０．５（Ｉ）より導き出される厚みとなっていることが好ましい。（Ｉ）式を満たすことで、フード外縁部の接着部に発生するせん断応力集中に対して、接着面に作用するせん断応力からの破断を抑制することが可能となるからである。

またインナーパネル２とブラケット３の接着厚みｔ２についても、上記（I）より導き出される厚みとすると、同様の理由で好ましい。

例えば、アウターパネル１およびブラケット３に炭素繊維強化プラスチック、インナーパネル２にアルミ、接着剤４および５にウレタン系接着剤を使用した場合、接着厚みｔ１、ｔ２としては３ｍｍ必要となる。

図１において、インナーパネル２の外縁部とブラケット３の内縁部との間隔ｔ３は、アウターパネル１とインナーパネル２との線膨張差より大きくとることにより、線膨張差による干渉を防止出来るため好ましい。

例えば大きさ１ｍのフードに対して、アウターパネル１およびブラケット３に炭素繊維強化プラスチック（線膨張係数０×１０^−６／℃）、インナーパネル２にアルミ（線膨張係数３×１０^−６／℃）を使用した場合、使用環境温度差が１００度であるとき、インナーパネル２の変形量はアウターパネル１の変形量より３ｍｍ大きくなる。そこでインナーパネル２とブラケット３の隙ｔ３として、１．５ｍｍより大きくとることで、インナーパネル２とブラケット３の線膨張差による干渉を防止出来る。

参考例として、図４に示すように、インナーパネル２の外縁部とブラケット３との間に接着剤の代わりに弾性体６を用いることも可能である。

弾性体６を使用することで、インナーパネル２とブラケット３からはみ出る接着剤の見栄えがよくなるとともに、通常見栄えを良くするためにはみ出た接着剤をへら等ですくい取る作業をなくすことが可能となる。本目的に好ましく使用できる弾性体６としては例えばＥＰＤＭ（エチレンープロピレンージエン三元共重合体）製スポンジがあげられる。

本発明の構造を取ることによって、ブラケット３とインナーパネル２の接着部もしくは弾性体固定部の存在により、アウターパネル１とインナーパネル２かつインナーパネル２とブラケット３の接着部がすべて破断したとしても、アウターパネル１がインナーパネル２から脱落することが防止することができる。

またインナーパネル２の外縁部の線膨張による変形方向とブラケット３との隙ｔ３は、アウターパネル１とインナーパネル２との線膨張差より大きくとることにより、インナーパネル２がブラケット３に干渉・破壊する不具合を防止することができる。

本構造を取ることにより、アウターパネル１とインナーパネル２の接着長さを必要最小限にすることが可能となり、フード重量・コスト上昇が抑えられる。

インナーパネル２のハット型断面を出来る限り車両外側に配置することが出来、エンジン等部品とインナーパネル２のハット型断面底面部との隙も確保されやすい。

本発明の自動車用フード構造の接着部断面図（Ａ−Ａ）である。 本発明の自動車用フードの斜視図である。 本発明におけるブラケット部品の別形状の斜視図である。 本発明の自動車用フード構造の別の接着部断面図（Ａ−Ａ）である。 従来技術での接着面に働くせん断応力図である。 従来技術での接着面長さを大きくした場合の接着面に働くせん断応力図である。 接着面長さを大きくした場合のフードインナー断面図（Ａ−Ａ）である。

符号の説明

１ アウターパネル
２、２ａ インナーパネル
３、３ａ ブラケット
・ 接着剤
６ 弾性体
７ 接着面
８ エンジン部品またはシャシ部品

Claims (8)

1. アウターパネルと、前記アウターパネルに接着固定されたインナーパネルと、前記アウターパネルの外縁部から前記インナーパネルの前記アウターパネルの外縁部側の少なくとも一部を覆うように前記インナーパネルと前記アウターパネルの双方に接着固定されたブラケットから構成されたことを特徴とする自動車用フード。
2. 前記アウターパネルと前記ブラケットが、線膨張係数が、実質的に同一の材料であることを特徴とする請求項１に記載の自動車用フード。
3. 前記インナーパネルは前記アウターパネルおよび前記ブラケットと異なる線膨張係数の材料であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の自動車用フード。
4. 前記ブラケットが、前記アウターパネルの外縁部の全周に渡って設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自動車用フード。
5. 前記ブラケットが、コーナー部で切断分割した形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自動車用フード。
6. 前記ブラケットと前記アウターパネルの接着強度が、前記ブラケットおよび前記アウターパネルの材料強度以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の自動車用フード。
7. 前記アウターパネルと前記インナーパネルを接着固定した部分の接着厚みが、下式（Ｉ）より求まる厚みであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の自動車用フード。
   （α１−α２）／（４τｐη（γｅ／２＋γｐ）／Ｅ０ｔ０）＾０．５・・・（Ｉ）
   式中 α１：前記アウターパネルの線膨張係数
   α２：前記インナーパネルの線膨張係数
   τｐ：接着剤の降伏応力
   η：接着剤の厚さ
   γｅ：接着剤の塑性歪
   γｐ：接着剤の破断歪
   Ｅ０：前記インナーパネルの弾性率
   ｔ０：前記インナーパネルの厚さ
8. 前記インナーパネルの外縁部と前記ブラケット内縁部との間隔を、前記アウターパネルと前記インナーパネルとの線膨張差より大きく取ることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の自動車用フード。

Images