JP5106279B2

JP5106279B2 - ピアスナット付きアルミニウム合金部材

Info

Publication number: JP5106279B2
Application number: JP2008178209A
Authority: JP
Inventors: 光弘江間; 徹橋村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2008-07-08
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2028-07-08
Also published as: JP2010018061A

Description

本発明は、複数の板状壁からなる中空断面部を有するアルミニウム合金部材の前記板状壁に、中空内部からピアスナットを打ち込み、該ピアスナットを利用して他部材を（又は他部材に）ボルト接合できるようにしたピアスナット付きアルミニウム合金部材に関する。

ピアスナットは、かしめダイスで裏面を支持した金属板に、打ち込みパンチでナットを打ち込み、ナット自体で金属板を打ち抜くと同時に打ち抜いた穴の周縁をかしめ、金属板に固着するナットである（下記特許文献１〜５参照）。必要に応じて金属板のプレス成形と同時に打ち込み、あるいは多数のナットを同時に打ち込むことができるため、コスト低減及び省力化が可能である。また、取り付けに際して熱を伴わないため、溶接ナットでは取り付けが困難なめっき又は塗装済みの金属板、あるいはハイテン製又はアルミ合金製の金属板に対しても適用が可能であり、例えば自動車のボディー部材等への適用が着目されている。

特開２００６−２９７４１６号公報特開２００５−２０１４０９号公報特開２００４−３３０２７８号公報特開２００２−８６２２６号公報特公昭５３−１６３９４号公報意匠登録第１１８４０８７号公報

一方、自動車の車体の軽量化のため、サイドフレームやクロスメンバー等のメインフレーム構造の一部又は全部、又はバンパーリインフォースやトラックのアンダーランプロテクタ等を、従来の鋼材からアルミニウム合金、特に矩形の輪郭を有する中空断面のアルミニウム合金押出形材に置き換えることが検討されている。
サイドフレームにはクロスメンバーやブラケット等、多数の部材がボルト接合されるが、長尺の中空押出形材の狭い中空内部には工具が入らないため、ボルト接合を可能にするためには、押出形材に予めナットを取り付けておく必要がある。また、バンパーリインフォースやアンダーランプロテクタはステイの前端にボルト接合されることが多いが、ボルト接合を可能にするためには、押出形材にボルト接合用の作業穴を形成しておくか、押出形材に予めナットを取り付けておく必要がある。さらに、アンダーランプロテクタの接合については、押出形材の背面に溝を形成し、ステイの取付面に形成したレール金具に前記溝をスライド嵌合させることが提案されている（特許文献６参照）。

アンダーランプロテクタを例にとれば、レール嵌合方式による接合は、レール金具を設けることで重量増及びコスト増となる。また、ボルト接合方式に比べて押出形材の断面性能が低下するので、これを補うために重量増となる。
ボルト接合方式において作業穴を形成してボルト接合する場合は、押出形材の作業穴付近の強度低下が問題となる。図７は、日型断面を有するアルミニウム合金押出形材からなるアンダーランプロテクタ１を、ステイ３（図７では片側半分だけ図示）の先端のフランジ部３ａにボルト接合する場合に、アンダーランプロテクタ１の取り付け面となる背面の板状壁１ａにボルト穴７を形成し、衝突面側の板状壁１ｂにボルト接合用の作業穴８を形成した状態を示す。アンダーランプロテクタの強度は、法規に基づきステイ取付部付近に圧縮荷重（矢印）を加えて評価されるが、衝突面側の板状壁１ｂに形成された作業穴８は、ステイ取付部付近の強度低下を招く。

ボルト接合方式において押出形材の中空内部に予めナットを取り付ける場合、その手段として、前記ピアスナットの適用が考えられる。ピアスナットを押出形材に固定すれば、該押出形材に他部材をボルト接合し、又は前記押出形材を他部材にボルト接合することができ、しかも余分な重量増加がなく、組立作業時にナットの位置決めなどの余分な作業は不要となり、押出形材にボルト接合用の作業穴を形成する必要もない。特に特許文献１，５に記載されているように、ピアスナットを中空内部から打ち込む場合、ナット本体部が中空内部に位置し、押出形材の外壁面側をほぼ平坦なままに保てるので、他部材との接合の際にピアスナットが支障とならず、押出形材と他部材の接合構造について設計の自由度が制約されることがない利点が生じる。

図８はピアスナットを内部に取り付けたアンダーランプロテクタ１を示す（側面視）。このアンダーランプロテクタ１は日型断面を有するアルミニウム合金押出形材からなり、日型断面の輪郭を構成する各板状壁は均一な板厚を有し、そのうち取り付け面となる背面の板状壁１ａに中空内部からピアスナット２が打ち込まれている。図９（ａ），（ｂ）に示すように、アンダーランプロテクタ１は、ステイ３（図９（ａ）では片側半分だけ図示）の先端のフランジ部３ａにピアスナット２を利用してボルト接合される。
ところが、このピアスナット付きアンダーランプロテクタにおいて、ピアスナットが板状壁から脱落し、ボルト締め作業が行えない場合がある。これはピアスナットのかしめ力が小さいためである。なお、このような問題は、アンダーランプロテクタだけでなく、他のピアスナット付きアルミニウム合金部材（サイドフレーム、クロスメンバー、バンパーリインフォース等）でも生じ得る。

本発明は、中空内部からピアスナットが打ち込まれたピアスナット付きアルミニウム合金中空部材における上記問題点に鑑みてなされたもので、ピアスナットのかしめ力を向上させてピアスナットが脱落しないようにし、ボルト締め作業が支障なく行えるようにすることを目的とする。

図１０（ａ）〜（ｃ）は、アンダーランプロテクタ１の板状壁１ａに対するピアスナット２の打ち込みプロセスの一例を示す。図１０（ａ）に示すように、アンダーランプロテクタ１の板状壁１ａの内面側（中空内部）にピアスナット２を配置し、図１０（ｂ）に示すように、外面側にピアスダイ４を当接させてピアスナット２を板状壁１ａに向けて打ち込む。板状壁１ａはピアスナット２のパイロット部２ａとピアスダイ４によりに打ち抜かれ、円盤状のスクラップ５が排出される。続いて図１０（ｃ）に示すように、ピアスダイ４に組み込まれたパンチ６を前進させ、打抜き穴の周縁部の材料をピアスナット２の係止溝２ｂ内に押し込み、同時に薄く押し潰して係止溝２ｂ内で横に張り出させ、これにより板状壁１ａとピアスナット２をかしめる（接合する）。

ところが、アンダーランプロテクタ１を構成する板状壁は、想定される衝突荷重に応じてその断面形状や板厚が設定されるが、軽量化のため比較的薄肉に形成されている。そのため、ピアスナット２の係止溝２ｂ内に押し込んだ材料を、パンチ６の先端で押し潰して係止溝２ｂ内で横に張り出させても、材料不足で余り大きく張り出させることができない場合がある。この場合、図１１（ｂ）に示すように、係止溝２ｂのアンダーカットの傾斜を大きく（係止溝２ｂ内に押し込まれた材料の傾斜角度θ１，θ２を小さく）設定したり、押し込み深さ（係止溝２ｂの深さ）を大きくすることができない。このため、ピアスナットのかしめ力が小さくなる。

本発明は、以上の考察に基づいてなされたもので、複数の板状壁からなる中空断面部を有し、前記中空断面部の輪郭を構成する複数の板状壁のうち少なくとも１つの板状壁に中空内部からピアスナットが打ち込まれ、前記ピアスナットのナット本体部が中空内部に配置されたピアスナット付きアルミニウム合金部材（中空断面部のみからなるものを含む）において、前記アルミニウム合金部材がアルミニウム合金押出形材からなり、ピアスナットが打ち込まれる板状壁の一部に当該板状壁の他の部分より板厚の大きい厚肉部が形成され、前記板状壁は前記厚肉部による凸部が中空断面の内側に形成され、その外側は平面で他部材との接合面とされ、前記厚肉部にピアスナットが打ち込まれていることを特徴とする。

アルミニウム合金押出形材の場合、ピアスナットが打ち込まれる板状壁に形成される厚肉部は、当該板状壁の長さ方向（押出方向）の全長にわたって形成される。

上記アルミニウム合金部材のアルミニウム合金として、ＪＩＳ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）又は７０００系（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系又はＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系）アルミニウム合金が好適に用いられる。中でも強度の高いＪＩＳ７０００系アルミニウム合金が望ましい。
本発明は、トラックのアンダーランプロテクタのほか、自動車のバンパーリインフォース、サイドフレームやクロスメンバー等のメインフレーム構造など、中空断面部を有するアルミニウム合金部材一般に適用される。

本発明によれば、ピアスナットが打ち込まれる板状壁の少なくともピアスナットが打ち込まれる箇所が厚肉化されるため、ピアスナットの凹溝内に押し込んだ材料を押し潰して横に大きく張り出させることができ（凹溝内に押し込まれる材料の容積が多い）、係止溝のアンダーカットの傾斜を大きくしたり、係止溝の深さを深くして、ピアスナットのかしめ力を大きくすることができる。
ピアスナットが打ち込まれる板状壁に厚肉部を形成する際、中空断面の内側のみに厚みを付加するので、中空断面の外側は従来の部材と変わらない輪郭となり、他部材との接合が従来のピアスナット付きアルミニウム合金部材と同様に行える利点がある。

以下、主として図１〜図６を参照して、本発明（参考例を含む）に係るピアスナット付きアルミニウム合金部材について、トラックのアンダーランプロテクタを例に具体的に説明する。
図１及び図２に示すアンダーランプロテクタ１１は、中空断面（日型断面）を有するアルミニウム合金押出形材からなり、中空断面の輪郭を構成する平板状の板状壁のうちステイ３への取り付け面となる板状壁１１ａは２箇所に厚肉部１７を有し、この厚肉部１７にピアスナット１２が打ち込まれている。この厚肉部１７を除いて、中空断面の輪郭を構成する板状壁（板状壁１１ａの厚肉部１７以外の部分を含む）の肉厚及び中空断面内部の板状壁（リブ）１８の肉厚は均一で、いずれも厚肉部１７より薄肉に形成されている。アンダーランプロテクタ１１は、図８に示すアンダーランプロテクタ１とは、厚肉部１７の有無だけで異なる。

アンダーランプロテクタ１１は、図２に示すように、ステイ３（片側半分だけ図示）の先端のフランジ部３ａにピアスナット１２を利用してボルト接合される。
アンダーランプロテクタ１１の板状壁１１ａは、厚肉部１７において中空断面の内側に厚みが付加されているため、中空断面の内部に段差（凸部）が形成されているが、中空断面の外側には段差（凸部）がなく平面が保たれているため、従来のアンダーランプロテクタ１と同様に、ステイ３のフランジ部３ａとのボルト接合が全面的な面接触で行われる。

図３（ａ）〜（ｃ）は、図１に示すアンダーランプロテクタ１１の板状壁１１ａに対するピアスナット１２の打ち込みプロセスの一例を示す。図３（ａ）に示すように、アンダーランプロテクタ１１の板状壁１１ａの厚肉部１７の内面側（中空内部）にピアスナット１２を配置し、図３（ｂ）に示すように、外面側にピアスダイ１４を当接させてピアスナット１２を板状壁１１ａの厚肉部１７に向けて打ち込む。板状壁１１ａの厚肉部１７はピアスナット１２のパイロット部１２ａとピアスダイ１４によりに打ち抜かれ、円盤状のスクラップ１５が排出される。続いて図３（ｃ）に示すように、ピアスダイ１４に組み込まれたパンチ１６を前進させ、打抜き穴の周縁部の材料をピアスナット１２の係止溝１２ｂ内に押し込み、同時に薄く押し潰して係止溝１２ｂ内で横に張り出させ、これにより板状壁１１ａの厚肉部１７とピアスナット１２をかしめる（接合する）。

この場合、ピアスナット１２が厚肉部１７に打ち込まれるため、ピアスナット１２の係止溝１２ｂ内に押し込まれる材料の厚み（容積）が大きく、この材料をパンチ１６の先端で押し潰して係止溝１２ｂ内で横に張り出させた（塑性変形させた）とき、十分大きく張り出させることができる。従って、図１１（ａ）に示すように、係止溝１２ｂのアンダーカットの傾斜を大きく（係止溝１２ｂ内に押し込まれた材料の傾斜角度θ１，θ２を小さく）設定したり、押し込み深さ（係止溝１２ｂの深さ）を大きくすることができる。このため、ピアスナットのかしめ力が、従来例（図１１（ｂ））に比べて向上する。しかも、アンダーランプロテクタ１１の中空断面のごく一部のみに厚肉部１７を形成するので、ピアスナット１２のかしめ力向上に伴う重量増はわずかで済む。

そのほか、板状壁１１ａに厚肉部１７を形成し、ここにピアスナット１２を打ち込むことにより次のような利点も生じる。
まず、図９に示すように、アンダーランプロテクタ１に対し、車幅方向中央部に衝突荷重（図９（ａ）の矢印参照）が作用したとき、ステイ３との連結部にはボルトを引き抜く力（図９（ｂ）の矢印参照）が生じ、アンダーランプロテクタ１の板状壁１ａが薄い場合は、ピアスナット２の近傍で引きちぎれる場合があるが、アンダーランプロテクタ１１では、ピアスナット１２を打ち込む箇所を厚肉にしたことで、これが防止され、ステイ３とアンダーランプロテクタ１１の締結強度が向上する。
また、アンダーランプロテクタ１１の上に人が足を掛けて乗ったような場合（図２の矢印参照）、板状壁１１ａからボルトに対し上下せん断方向の荷重が掛かるが、ピアスナット１２を打ち込む箇所を厚肉にしたことで荷重が分散され、ボルトのせん断変形が生じにくくなる。また、ボルト締結部近傍のアンダーランプロテクタ１１の破断も生じにくくなる。

図４（ａ）〜（ｄ）に、アルミニウム合金押出形材からなるアンダーランプロテクタの断面形状の他の例を示す。
図４（ａ）に示すアンダーランプロテクタ１１Ａは、ピアスナット１２が打ち込まれる板状壁１１Ａａに形成された厚肉部１７Ａが、中空断面の外側に厚みが付加され、中空断面の外側に段差（凸部）が形成されている点で、図１に示すアンダーランプロテクタ１１と異なる。
図４（ｂ）に示すアンダーランプロテクタ１１Ｂは、ピアスナット１２が打ち込まれる板状壁１１Ｂａに形成された厚肉部１７Ｂが、中空断面の外側と内側の両方に厚みが付加され、中空断面の外側と内側の両方に段差（凸部）が形成されている点で、図１に示すアンダーランプロテクタ１１と異なる。

図４（ｃ）に示すアンダーランプロテクタ１１Ｃは、ピアスナット１２が打ち込まれる板状壁１１Ｃａ全体が厚肉化されている点で、図１に示すアンダーランプロテクタ１１と異なる。このアンダーランプロテクタ１１Ｃは、アンダーランプロテクタ１１と比べてやや重量増となる。
図４（ｄ）に示すアンダーランプロテクタ１１Ｄは、衝突面側の板状壁１１Ｄｂに凹み１１Ｄｃが形成されている点で、図１に示すアンダーランプロテクタ１１と異なる。アンダーランプロテクタ１１Ｄはリア用であり、凹み１１Ｄｃには反射板が取り付けられる。なお、アンダーランプロテクタ１１Ｄの板状壁１１Ｄａは、図１に示すアンダーランプロテクタ１１と同じく、厚みが中空断面の内側に付加されている。

図５に、アンダーランプロテクタの断面形状のさらに他の例を示す。
図５に示すアンダーランプロテクタ１１Ｅは、それ自体は図８に示す従来のアンダーランプロテクタ１と同じであるが、中空断面の外側において、ピアスナット１２が打ち込まれる板状壁１１Ｅａにアルミニウム合金製からなる板状スペーサ１９が重合し（重ね合わされ）、板状スペーサ１９の内側からピアスナット１２が打ち込まれている。

このアンダーランプロテクタ１１Ｅにおいて、ピアスナット１２の打ち込みは、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、図１に示すアンダーランプロテクタ１１と同様に行われる。図３（ａ）に示すように、アンダーランプロテクタ１１Ｅの板状壁１１Ｅａの板状スペーサ１９が重合した箇所（以下、スペーサ重合部という）の内面側にピアスナット１２を配置し、図６（ｂ）に示すように、外面側にピアスダイ１４を当接させてピアスナット１２を前記スペーサ重合部に向けて打ち込む。板状壁１１Ｅａと板状スペーサ１９はピアスナット１２のパイロット部１２ａとピアスダイ１４によりに打ち抜かれ、円盤状のスクラップ１５Ｅが排出される。続いて図６（ｃ）に示すように、ピアスダイ１４に組み込まれたパンチ１６を前進させ、打抜き穴の周縁部の材料をピアスナット１２の係止溝１２ｂ内に押し込み、同時に薄く押し潰して係止溝１２ｂ内で横に張り出させ、これにより板状壁１１Ｅａ及び板状スペーサ１９とピアスナット１２をかしめる（接合する）。

板状スペーサ１９は板状壁１１Ｅａの外面に密着状態で重ね合わされていればよく、板状壁１１Ｅａに固定されている必要はない。しかし、作業性等の面から、溶接、接着剤、接着テープ等により固定しておくことが望ましい。また、前記スペーサ重合部は、アンダーランプロテクタ１１Ｅの全長にわたって連続的に設ける必要はなく、ピアスナット１２が打ち込まれる箇所にのみ適宜設けることもできる。
アンダーランプロテクタ１１Ｅでは、板状スペーサ１９を中空断面の外側に配置したが、中空断面の内側、あるいは外側と内側の両方に配置することもできる。ただし、外側に配置した方が、アンダーランプロテクタ１１Ｅの板状壁１１Ｅａ自体の横への張り出しが大きくなり、また、ピアスナット１２と板状スペーサ１９で板状壁１１Ｅａをサンドイッチする形になるので、板状壁１１Ｅａとピアスナット１２のかしめ力が強くなる。この場合、板状スペーサとして鋼などアルミニウム合金より強く成形性の良い材料を用いることで、さらにかしめ力が向上する。

本発明に係るピアスナット付きアルミニウム合金押出形材（アンダーランプロテクタ）のナット打ち込み部の断面図である。図１のピアスナット付きアルミニウム合金押出形材（アンダーランプロテクタ）をステイに取り付けたときの斜視図である。図１のピアスナット付きアルミニウム合金押出形材（アンダーランプロテクタ）のナット打ち込みプロセスを示す断面図である。ピアスナット付きアルミニウム合金押出形材（アンダーランプロテクタ）について、他の例を説明する側面図であり、（ａ）〜（ｃ）は参考例、（ｄ）は本発明例である。ピアスナット付きアルミニウム合金押出形材（アンダーランプロテクタ）について、板状スペーサを適用した参考例を説明する図である。図５のピアスナット付きアルミニウム合金押出形材（アンダーランプロテクタ）のナット打ち込みプロセスを示す断面図である。ステイに取り付けた従来のアンダーランプロテクタの斜視図である。比較例として示すピアスナット付きアルミニウム合金押出形材（アンダーランプロテクタ）の側面図である。図７のピアスナット付きアルミニウム合金押出形材（アンダーランプロテクタ）をステイに取り付けたときの斜視図（ａ）及び側面図（ｂ）である。図７のピアスナット付きアルミニウム合金押出形材（アンダーランプロテクタ）のナット打ち込みプロセスを示す断面図である。その側面断面図である。ピアスナット打ち込み時の材料の横への張り出しを説明する断面図（本発明例（ａ）、比較例（ｂ））である。

符号の説明

１１アンダーランプロテクタ
１１ａピアスナットが打ち込まれる板状壁
１２ピアスナット
１７厚肉部
１９板状スペーサ

Claims

複数の板状壁からなる中空断面部を有し、前記中空断面部の輪郭を構成する複数の板状壁のうち少なくとも１つの板状壁に中空内部からピアスナットが打ち込まれ、前記ピアスナットのナット本体部が中空内部に配置されたピアスナット付きアルミニウム合金部材において、前記アルミニウム合金部材がアルミニウム合金押出形材からなり、ピアスナットが打ち込まれる板状壁の一部に当該板状壁の他の部分より板厚の大きい厚肉部が形成され、前記板状壁は前記厚肉部による凸部が中空断面の内側に形成され、その外側は平面で他部材との接合面とされ、前記厚肉部にピアスナットが打ち込まれていることを特徴とするピアスナット付きアルミニウム合金部材。