JP5673636B2 - パネル部品評価方法、パネル部品評価装置および自動車用パネル部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ドアパネル、フードパネル、ルーフパネル等の自動車用パネル部品を製造する際に適用されるパネル部品評価方法とパネル部品評価装置に関する。また、本発明はドアパネル、フードパネル、ルーフパネル等の自動車用パネル部品を製造する方法に関する。

一般に、ドアパネル等の自動車用パネル部品は、鋼板などの金属板をプレス成形して製造される。このような自動車用パネル部品に求められる特性の一つに張り剛性があり、この張り剛性を高めたり意匠性を高めたりする目的で、キャラクターラインと呼ばれる折り目をパネル部品に配することが従来から行われている。

キャラクターラインを配することによる張り剛性の向上効果は高いほうが良い。しかし、キャラクターラインを配したときの張り剛性については予測する手段がないため、従来では、デザインされたパネル部品に対して試作を行い、試作されたパネル部品の張り剛性を測定し、その測定値を目標値と比較して試作品の良否を判断している。この場合、張り剛性の測定値が目標値より低い場合にはデザインからやり直したり、パネル部品の裏側に補強部材を配したりする必要があるため、自動車用パネル部品のデザインから量産化までに長期間を要するという問題がある。また、自動車用パネル部品の裏側に補強部材を配して張り剛性を確保する方法では、自動車用パネル部品の軽量化を阻害するという問題がある。
ところで、特許文献１および特許文献２には、パネル部品の形状から剛性を予測する技術が記載されている。また、特許文献３には、板部材の所定点に対し負荷を加えた際の当該板部材の負荷方向の耐荷重量としてデント剛性を予測する技術が記載されている。

特許第３７８６１７１号公報 特開平７−３３０４８号公報 特開２０１１−１５８２７０号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載された技術では、キャラクターラインのようにパネル形状が急激に変化している部分の張り剛性については予測が困難であるという問題がある。
また、特許文献３に記載された技術では、デント剛性を予測するためにキャラクターラインの位置を変数としているため、キャラクターラインそのものの剛性については予測できないという問題がある。

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、デザインされた自動車用パネル部品を試作する際にキャラクターライン上あるいはキャラクターライン近傍の張り剛性を容易に評価することのできるパネル部品評価方法およびパネル部品評価装置を提供することを目的としている。また、本発明の他の目的は、自動車用パネル部品をデザインしてから量産化するまでに要する期間の短縮とコストの低減を図ることのできる自動車用パネル部品の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、凸曲面と凹曲面とから構成されるキャラクターラインを有する自動車用パネル部品を評価するパネル部品評価方法であって、前記自動車用パネル部品の板厚と、前記凸曲面および前記凹曲面の曲率半径と、前記キャラクターラインの開き角とに基づいて、前記自動車用パネル部品の張り剛性を予測することを特徴とする。

請求項２の発明は、前記自動車用パネル部品の張り剛性を下式から予測することを特徴とする。
Ｐ’＝Ｐ₀’×（ｔ²／ｇ）×（ｈ×Ｒｔ＋ｉ）
ただし、
Ｐ’：張り剛性（Ｎ／ｍｍ）
Ｐ₀’：Ｐ₀’＝（ａ×α＋ｂ）×（180−θ）²＋（ｃ×β＋ｄ）×（180−θ）＋（ｅ×γ＋ｆ）、
α：α＝ln（Ｒ１）×ln（Ｒ２）、
β：β＝（ln（Ｒ２））²／ln（Ｒ１）、
γ：γ＝（ln（Ｒ１））²／ln（Ｒ２）、
θ：キャラクターラインの開き角（°）、
Ｒ１，Ｒ２：自動車用パネル部品のキャラクターラインを構成する凸曲面と凹曲面の曲率半径（ｍｍ）、
ｔ：自動車用パネル部品の板厚（ｍｍ）、
Ｒｔ：キャラクターライン頂点部の曲率半径（ｍｍ）、
ａ〜ｉ：定数。

請求項３の発明は、凸曲面と凹曲面とから構成されるキャラクターラインを有する自動車用パネル部品を評価するパネル部品評価装置であって、前記凸曲面および前記凹曲面の曲率半径の対数積を演算する対数積演算部と、該対数積演算部で算出された対数積と前記自動車用パネル部品の板厚、前記キャラクターラインの開き角および前記キャラクターラインの頂点部の曲率半径に基づいて前記自動車用パネル部品の張り剛性を演算する張り剛性演算部と、を備えたことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項２に記載の方法により予測された張り剛性の予測値を目標値と比較し、前記張り剛性の予測値が目標値以上に達した後に前記自動車用パネル部品の試作を行うことを特徴とする。

請求項１〜３の発明によれば、デザインされた自動車用パネル部品を試作する際にキャラクターライン上あるいはキャラクターライン近傍の張り剛性を容易に評価することができる。
請求項４の発明によれば、自動車用パネル部品の張り剛性が目標値に達するまで自動車用パネル部品の試作を繰り返して行う必要がない。従って、自動車用パネル部品をデザインしてから量産化するまでに要する期間の短縮とコストの低減を図ることができる。

自動車用パネル部品の一例を示す図である。 図１に示す自動車用パネル部品の有限要素解析モデルを示す図である。 図２のＡ−Ａ'断面を示す図である。 自動車用パネル部品のキャラクターライン上に円筒形圧子を押し当てたときの荷重−変位曲線を示す図である。 本発明の一実施形態に係るパネル部品評価装置の概略構成を示す図である。 本発明に係る自動車用パネル部品の製造方法の一実施形態を示す図である。 従来方法を適用した場合における自動車用パネル部品のデザイン終了から量産化までに必要な期間を説明するための図である。 本発明を適用した場合における自動車用パネル部品のデザイン終了から量産化までに必要な期間を説明するための図である。 自動車用ドアパネルの一例を示す斜視図である。 図９に示す自動車用ドアパネルの平面図である。 図１０に示すドアパネルの張り剛性を測定する方法の一例を示す図である。 ドアパネルの裏面側に配置される補強部材の一例を示す図である。 図１２に示す補強部材の配置位置を示す図である。 図１０に示すドアパネルのキャラクターラインの一例を示す平面図である。 自動車用パネル部品のキャラクターラインが凸曲面と凹曲面から構成される場合の凸曲面と凹曲面の曲率半径を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、自動車用ドアパネルの一例を示す図である。図１に示される自動車用パネル部品１はキャラクターライン２および取っ手用エンボス３を有し、キャラクターライン２は凸曲面４と凹曲面５によって構成されている。
ここで、キャラクターライン２を構成する二つの曲面の組合せとしては、凸曲面と凸曲面、凸曲面と凹曲面、凹曲面と凹曲面の三通りが考えられるが、本発明の一実施形態では、図１に示すように、キャラクターライン２が凸曲面４と凹曲面５によって構成されるものを対象としている。

図２は図１に示す自動車用パネル部品の有限要素解析モデルを示す図、図３は図２のＡ−Ａ'断面を示す図、図４はキャラクターライン上に円筒形圧子を押し当てたときの荷重−変位曲線を示す図であり、本発明者らは、自動車用パネル部品の形状寸法と張り剛性との相関を調査するために、図２に示す有限要素解析モデルを作製した。
具体的には、図３に示す凸曲面４の曲率半径Ｒ１と凹曲面５の曲率半径Ｒ２を５００ｍｍ〜３０００ｍｍ、図３に示すキャラクターライン２の開き角θを１６５°〜１７５°、図３に示すキャラクターライン頂点部の曲率半径Ｒｔを５ｍｍ〜６０ｍｍ、自動車用パネル部品の板厚ｔを０．５５ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲で変化させ、モデル全体の投影面積が１１００ｍｍ×８００ｍｍの有限要素解析モデルを作製した。

なお、ここで言うキャラクターラインの開き角とは、キャラクターライン頂点部の曲率半径部と曲面４，５との境界部における二つの接線６ａ，６ｂがなす角度のことである。また、キャラクターライン頂点部の曲率半径とは、凸曲面４と凹曲面５との間の曲面部の曲率半径のことである。
凸曲面４がキャラクターラインから垂直に１５０ｍｍ以内の範囲で一律に凸形状をなし、かつ凹曲面５がキャラクターラインから垂直に１５０ｍｍ以内の範囲で一律に凹形状をなしている場合は、例えば図１５に示すように、キャラクターラインの頂点（点Ａ，ａ）、キャラクターラインから垂直に１５０ｍｍ離れた地点（点Ｃ，ｃ）、キャラクターラインから垂直に７５ｍｍ離れた地点（点Ｂ，ｂ）の３点を通る円の半径を、凸曲面４と凹曲面５の曲率半径として定義することができる。ここで、点Ｃ，ｃの位置をキャラクターラインから垂直に１５０ｍｍ離れた位置とした理由は、キャラクターラインから１５０ｍｍ以上離れた位置で曲率が変化しても、キャラクターラインの剛性に影響を及ぼさないためである。

図２に示す有限要素解析モデルの作製は、Ａｌｔａｉｒ社のＨｙｐｅｒＭｅｓｈを用いて行った。そして、解析モデルのメッシュサイズはキャラクターライン近傍が０．５ｍｍ、パネル端部が５ｍｍ、その中間はなめらかにメッシュが繋がるようなサイズとした。また、要素はシェル要素を用いて解析モデルの四辺を併進拘束とした。

本発明者らは、次に、直径４５ｍｍの円筒形圧子を模した解析モデルを作製し、このモデルを図２に示すモデルのキャラクターライン上に押し当てることで、図４に示す荷重−変位曲線を作成した。そして、自動車用パネル部品が０．０ｍｍから０．５ｍｍに変位するときの荷重−変位曲線の傾きを張り剛性として解析した結果、自動車用パネル部品の張り剛性Ｐ’（Ｎ／ｍｍ）を次式から予測することができるという知見を得た。なお、解析にはＬＳ−ＤＹＮＡ ｖｅｒ９７１ｄ Ｒ３．２．１を用い、静的陰解法で行った。
Ｐ’＝Ｐ₀’×（ｔ²／ｇ）×（ｈ×Ｒｔ＋ｉ） ‥‥（１）
ただし、
Ｐ₀’：Ｐ₀’＝（ａ×α＋ｂ）×（180−θ）²＋（ｃ×β＋ｄ）×（180−θ）＋（ｅ×γ＋ｆ）、
α：α＝ln（Ｒ１）×ln（Ｒ２）、
β：β＝（ln（Ｒ２））²／ln（Ｒ１）、
γ：γ＝（ln（Ｒ１））²／ln（Ｒ２）、
θ：キャラクターラインの開き角（°）、
Ｒ１，Ｒ２：自動車用パネル部品のキャラクターラインを構成する凸曲面と凹曲面の曲率半径（ｍｍ）、
ｔ：自動車用パネル部品の板厚（ｍｍ）、
Ｒｔ：キャラクターライン頂点部の曲率半径（ｍｍ）、
ａ〜ｉ：定数。

式（１）の定数ａ〜ｉは試験に用いる圧子形状によって変化するが、試験および解析によって得られるものである。
図５は本発明の一実施形態に係るパネル部品評価装置の概略構成を示す図であり、図５に示すパネル部品評価装置５１は、自動車用パネル部品の板厚ｔ、凸曲面４および凹曲面５の曲率半径Ｒ１，Ｒ２、キャラクターラインの開き角θおよびキャラクターライン頂点部曲率半径Ｒｔを入力するための入力部５２と、入力部５２に入力された曲率半径Ｒ１，Ｒ２の対数積（ln（Ｒ１）×ln（Ｒ２））を演算する対数積演算部５３と、対数積演算部５３で算出された対数積に基づいて自動車用パネル部品の張り剛性を式（１）から演算する張り剛性演算部５４とを備えている。

また、パネル部品評価装置５１は張り剛性演算部５４で算出された張り剛性を目標値と比較する比較部５５と、比較部５５の比較結果を出力する出力部５６とを備えている。
図６は、本発明に係る自動車用パネル部品の製造方法の一実施形態を示す図である。ドアパネル等の自動車用パネル部品はデザイン、設計および試作を経て製造されるが、本発明の一実施形態では、図６に示すように、自動車用パネル部品のデザインと設計をデザイン工程Ｓ１及び設計工程Ｓ２で行ったならばステップＳ３に進み、自動車用パネル部品の張り剛性Ｐ’を式（１）から予測する。

この場合、自動車用パネル部品の板厚ｔ、凸曲面４および凹曲面５の曲率半径Ｒ１，Ｒ２、キャラクターライン頂点部の曲率半径Ｒｔ、キャラクターラインの開き角θを図５に示すパネル部品評価装置５１の入力部５２に入力すると、張り剛性Ｐ’がパネル部品評価装置５１の張り剛性演算部５４で算出される。
ステップＳ３で張り剛性Ｐ’を予測したならばステップＳ４に進み、張り剛性Ｐ’の予測値を目標値と比較する。ここで、張り剛性Ｐ’の予測値が目標値より小さい場合はステップＳ２に戻り、張り剛性Ｐ’が目標値以上となるように自動車用パネル部品の設計を再度行う。また、張り剛性Ｐ’の予測値が目標値以上の場合はステップＳ５に進み、自動車用パネル部品の試作を行う。

なお、張り剛性Ｐ’を精度よく予測するためには、凸曲面４と凹曲面５の曲率半径Ｒ１，Ｒ２は５００ｍｍ以上３０００ｍｍ以下であることが望ましく、キャラクターライン２の開き角θは１６５°以上１７５°以下であることが望ましい。また、キャラクターライン頂点部の曲率半径Ｒｔは５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが望ましく、板厚ｔは０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であることが望ましい。

上記のように、自動車用パネル部品を試作する前に、自動車用パネル部品の張り剛性Ｐ’を式（１）から予測することにより、デザインされた自動車用パネル部品を試作する際にキャラクターライン上あるいはキャラクターライン近傍の張り剛性を容易に評価できると共に、自動車用パネル部品の張り剛性が目標値に達するまで自動車用パネル部品の試作を繰り返して行う必要がない。

従って、張り剛性の予測値を目標値と比較し、張り剛性の予測値が目標値以上に達した後に自動車用パネル部品の試作を行うことで、自動車用パネル部品をデザインしてから量産化するまでの多くの期間やコストを要することなく張り剛性の高い自動車用パネル部品を得ることができる。自動車用パネル部品を製造する場合、従来では、図７に示すように、デザイン後に設計、試作と進み、試作を経て張り剛性の判定を行い、そこで特性が足りていなければデザイン、設計に戻り、修正が必要となる。この際、金型修正等も必要となるため、一般に「設計やり直し→金型修正→試作」のループには２ヶ月以上の期間は必要となる。さらに、このループをまわしたとしても張り剛性は再度の試作を行うまでは判明しないため、張り剛性が期待する値となるまで「設計やり直し→金型修正→試作」のループをまわし続ける必要がある。仮に３回ループをまわした場合、デザイン終了から量産化までに必要な期間は２４ヶ月程度となる。

一方、本発明の一実施形態を適用することにより、図８に示すように、張り剛性の推測をパネル形状が決定される段階、つまりデザイン、設計の段階で可能となる。これにより、従来、張り剛性が期待する値を満たしていない場合に必要であった「設計やり直し→金型修正→試作」のループから、特に時間と手間が必要な金型修正、試作の工程を省き、「設計やり直し」のみで済むことになる。

従って、本発明を適用した場合は仮に３回ループをまわした場合、デザイン終了から量産化するまでに必要な期間はデザイン終了から量産化までに必要な期間は１９ヶ月程度となり、従来の工程を経た場合と比較して２１％期間を短縮することが可能となる。また、それに伴い金型修正等の工数も削減することが可能となる。
また、自動車用パネル部品の裏側に補強部材を配して張り剛性を確保する必要もないので、自動車用パネル部品の軽量化を図ることができる。

（実施例１）
また、本発明の一実施形態を用いてパネル部品上に効果的にキャラクターラインを配することにより、パネル部品の軽量化が可能となる。
自動車用パネル部品の例として、板厚が０．７ｍｍのドアパネルを図９及び図１０に示す。ドアパネルの素材としては、引張強度３４０ＭＰａ級の鋼板（弾性率：２１０ＧＰａ、降伏強度：２３５ＭＰａ、引張強度：３４５ＭＰａ、全伸び：４０％）を用いた。図９及び図１０に示されるドアパネル７の張り剛性を図１１に示す方法で測定した。すなわち、ドアパネル７上のＡ点（図１０参照）に直径４５ｍｍの円筒形のゴム圧子８を押圧し、このときのＡ点の変位を変位計９で測定した。そして、Ａ点の変位が０．５ｍｍになったときの張り剛性をロードセル１０で測定した。その結果、ドアパネル７（板厚０．７ｍｍ）の張り剛性の測定値は４０Ｎ／ｍｍであった。

この張り剛性を保ったまま、板厚を０．６０ｍｍとしてパネル部品の軽量化について考える。板厚を減少させるため、パネル部品の張り剛性は低下し、対策を施さない場合はＡ点での張り剛性は３０Ｎ／ｍｍとなり、目標を満たさない。そのため、対策が必須となる。考えられる対策として、Ａ点の裏側に補強部材を配する方法（従来法）と、本発明を用いてキャラクターラインを配する方法（発明法）が挙げられる。

補強部材を配する場合、例えば図１２に示す寸法の補強部材１１（軟質鋼板；弾性率：２１０ＧＰａ、降伏強度：１７０ＭＰａ、引張強度：２９０ＭＰａ、全伸び：４８％）を、図１３に示す位置に配した場合、張り剛性は６０Ｎ／ｍｍとなった。これは目標を達しているが、不必要に張り剛性が大きくなっている。また、補強部材１１を入れることにより重量が増加し、ドアパネルの板厚を減らしたことによる軽量化効果を減少させてしまう。
補強部材１１の寸法を小さくし、適切な張り剛性を狙うことも可能であるが、トライアンドエラーが必要となり、大きな時間が必要となる。また、寸法を小さくできたとしても補強部材１１を入れなければならないという事実に変わりは無く、板厚を減少させることによる軽量化効果を最大限に発揮することはできない。

一方、本発明の一実施形態を適用した場合、ドアパネルの裏側に補強部材を配置する必要がなくなる。図１０に示すドアパネルの、矢印方向の曲率半径は１５００ｍｍであった。キャラクターラインを構成する凸曲面４と凹曲面５の曲率半径Ｒ１，Ｒ２をＲ１＝１５００ｍｍ、Ｒ２＝１０００ｍｍとし、板厚ｔを０．６０ｍｍ、目標とする張り剛性Ｐ’を４０Ｎ／ｍｍ、表１に示す値を定数ａ〜ｉの値として式（１）に代入することにより、キャラクターラインの開き角θとキャラクターライン頂点部の曲率半径Ｒｔの関係式を得ることが可能となる。

キャラクターライン頂点部の曲率半径Ｒｔを１０ｍｍとした場合、キャラクターラインの開き角θを１７５°以下とすることにより、補強部材を追加することなくＡ点での張り剛性を目標以上とすることが可能となった。
キャラクターラインの開き角θを１７５°とし、キャラクターライン２を図１４に示す位置に配した場合の結果を表２に示す。

本発明の一実施形態を用いることにより、張り剛性を損なうことなく、効率的に軽量化が可能となっていることがわかる。

１…自動車用パネル部品
２…キャラクターライン
３…取っ手用エンボス
４…凸曲面
５…凹曲面
６ａ，６ｂ…接線
７…ドアパネル
８…ゴム圧子
９…変位計
１０…ロードセル
５１…パネル部品評価装置
５２…入力部
５３…対数積演算部
５４…張り剛性演算部
５５…比較部
５６…出力部

Claims (4)

1. 凸曲面と凹曲面とから構成されるキャラクターラインを有する自動車用パネル部品を評価するパネル部品評価方法であって、前記自動車用パネル部品の板厚と、前記凸曲面および前記凹曲面の曲率半径と、前記キャラクターラインの開き角とに基づいて、前記自動車用パネル部品の張り剛性を予測することを特徴とするパネル部品評価方法。
2. 前記自動車用パネル部品の張り剛性を下式から予測することを特徴とする請求項１に記載のパネル部品評価方法。
   Ｐ’＝Ｐ₀’×（ｔ²／ｇ）×（ｈ×Ｒｔ＋ｉ）
   ただし、
   Ｐ’：張り剛性（Ｎ／ｍｍ）
   Ｐ₀’：Ｐ₀’＝（ａ×α＋ｂ）×（180−θ）²＋（ｃ×β＋ｄ）×（180−θ）＋（ｅ×γ＋ｆ）、
   α：α＝ln（Ｒ１）×ln（Ｒ２）、
   β：β＝（ln（Ｒ２））²／ln（Ｒ１）、
   γ：γ＝（ln（Ｒ１））²／ln（Ｒ２）、
   θ：キャラクターラインの開き角（°）、
   Ｒ１，Ｒ２：自動車用パネル部品のキャラクターラインを構成する凸曲面と凹曲面の曲率半径（ｍｍ）、
   ｔ：自動車用パネル部品の板厚（ｍｍ）、
   Ｒｔ：キャラクターライン頂点部の曲率半径（ｍｍ）、
   ａ〜ｉ：定数。
3. 凸曲面と凹曲面とから構成されるキャラクターラインを有する自動車用パネル部品を評価するパネル部品評価装置であって、前記凸曲面および前記凹曲面の曲率半径の対数積を演算する対数積演算部と、該対数積演算部で算出された対数積と前記自動車用パネル部品の板厚、前記キャラクターラインの開き角および前記キャラクターラインの頂点部の曲率半径に基づいて前記自動車用パネル部品の張り剛性を演算する張り剛性演算部と、を備えたことを特徴とするパネル部品評価装置。
4. 請求項２に記載の方法により予測された張り剛性の予測値を目標値と比較し、前記張り剛性の予測値が目標値以上に達した後に前記自動車用パネル部品の試作を行うことを特徴とする自動車用パネル部品の製造方法。

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