JP6077136B2 - 自動車のルーフモジュールの固定構造 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のルーフモジュールの固定構造に係り、さらに詳しくは、鉄鋼構造物である車体の構造と鉄鋼以外の素材部品との間に貼り合わせのためのポリマー板材を差し込んで固定するために改善された自動車のルーフモジュールの固定構造に関する。

最近、自動車産業においては、燃費を向上させるために車体の構造にアルミニウム合金、マグネシウム合金、炭素繊維強化プラスチックなどの軽量素材を適用する設計に強い関心が寄せられており、多数の関連する技術特許が出願されている。特に、自動車産業におけるＣＯ_２排出量の規制が現実化されることに伴い、一般の商業用自動車の車体の構造にも軽量素材を適用した設計が求められている。

また、ヨーロッパ地域においては、法規を規制などして２０１６年までに二酸化炭素の排出量１２０ｇ／ｋｍを満たさなければならず、さらに、２０２０年には９５ｇ／ｋｍのレベルを求めている。個別の自動車会社にとっては、このような二酸化炭素の排出規制を満たさない場合に環境負担金などの罰金（税金）を課せられることを余儀なくされ市場競争において非常に不利な状況に陥るため、燃費の規制を満たすための車体の軽量化技術が至急開発されなければならない。

これまで軽量素材を用いて自動車用の車体を製造する設計は、主としてポルシェ、フェラーリ、アウディＲ８、ジャガーＸＦなどの非常に高価な少量生産モデルまたはＦ１競走用マシンなどの特殊用途の車体に限られて適用されてきており、ほとんどの場合に、手作業に依存して自動車の構造にカスタマイズされた特別な作業工程を用いて製作する。

軽量素材の設計を実現するに当たって、上述した例のように、技術的には専門化された工法が存在するとはいえ、技術コストが非常に高く、量産工程には適用し得ない工法であるため一般の商業用の自動車においては活用することができないのが現状である。
車体に鉄鋼材を主として適用する理由は、他の軽量素材に比べて素材コストが低く、しかも、組立て工程が自動化可能であることから高い生産性を達成することができるためである。

これに対し、ほとんどをアルミニウム素材を用いて製造するアウディＲ８などのモデルは、同じ素材を用いて車体を組み合わせることから貼り合わせおよび部品の固定に当たって溶接など様々な方法を適用することはできるが、素材のコストが非常に高価であるため車体の製造コストが沸騰するという欠点がある。

この理由から、量産を目指して開発が進められている商業用自動車の場合、車体の製造コストを下げるために剛性構造のほとんどは鉄鋼材を使用し、且つ、一部を軽量素材に取り替えるハイブリッド素材の適用設計を好むことになる。

しかしながら、鉄鋼材と鉄鋼材以外の素材との貼り合わせは、ほとんどの場合、素材の物理的な性質差によって、溶融を用いる溶接技術を使用することができないという技術的限界を有する。特に、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの金属軽量素材の場合、鉄鋼素材と直接的に接触される場合に激しいガルバニック腐食を招くため、たとえ溶接が行えるとしても、耐腐食性が弱いため実際に使用することができない。

これを克服するために、多種多様な機械的な貼り合わせ工法が開発されているが、ほとんどの場合に手作業によって行われるため自動化に非常に不利であり、しかも、量産には向いていない工程となる。
基本的に、量産型車体の場合、このような貼り合わせ工法には、量産のための自動化が可能であることおよび貼り合わせに高いコストがかからないことが求められる。

一方、自動車用ルーフモジュール（Ｒｏｏｆ ｍｏｄｕｌｅ）は、図１に示すように、自動車の上部構造物であり、Ａ／Ｂ／Ｃピラー（Ｐｉｌｌａｒ）１、２、３と、ルーフレール（Ｒｏｏｆ ｒａｉｌ）６およびフロント／センター／リアのルーフクロスメンバー（Ｆｒｏｎｔ／Ｃｅｎｔｅｒ／Ｒｅａｒ Ｒｏｏｆ Ｃｒｏｓｓｍｅｍｂｅｒ）４、５、７を備える長方形構造に取り付けられる。

また、鉄鋼材の場合、通常、車体の上部構造物に点溶接を用いて貼り合わせを行い、ルーフモジュールと車体との間には水密性のためにシーラー（Ｓｅａｌｅｒ）を塗布し、ゴム材質のモールドを用いて仕上げる方法が用いられる。

場合によっては、ルーフモジュールおよび鉄鋼材車体の端部のレーザービーム溶接（ＬＢＷ：Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ Ｗｅｌｄｉｎｇ）やガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ：Ｇａｓ Ｍｅｔａｌ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ）またはろう付けを行い、溶接の行われたビード部分はサンディング加工を用いて仕上げる方法も採用する。鉄鋼材ルーフモジュールである場合には、上述したように、溶接が基本的な貼り合わせ方法として採用されている。

これに対し、アルミニウム合金製のルーフモジュールの場合、もし車体が同じアルミニウム合金によって製作されている場合、レーザービーム溶接（ＬＢＷ）が好まれており、鉄鋼材の車体に組み付ける場合には、鉄鋼材の車体とアルミニウムルーフモジュールとの間に構造用接着剤を塗布して貼り合わせを行う。

このとき、構造用接着剤が焼成される間にルーフモジュールを鉄鋼材の車体に固定するために、リベットやクリンチングなどの機械的な貼り合わせ部を約１００〜２００ｍｍの間隔を隔てて追加して行うことが一般的である。
また、マグネシウム合金製のルーフモジュールの場合、前記アルミニウム合金ルーフモジュールと同じ方法を用いて貼り合わせを行うことはできるが、機械的な貼り合わせを行ったリベットが電気的にマグネシウムと鉄鋼材とを繋ぎ合わせるブリッジの役割を果たすため、ガルバニック腐食条件を作って耐腐食性が弱くなるという欠点がある。

前記クリンチングの場合、マグネシウム合金は常温における低い成形性によって実現し得ない工法である。
ＴＫＳ／ＭｇＦ社は、マグネシウムルーフモジュールの貼り合わせのために、図２に示す技術を提案している。

この技術は、基本的な貼り合わせ強度を、構造用接着剤１６を用いて実現しており、ルーフモジュールの外側フランジ（ｆｌａｎｇｅ）と車体のルーフレール（ｒｏｏｆ ｒａｉｌ）６が接続される面を傾斜させて楔合状にルーフモジュールが嵌合されるようにし、これらの間の面に接着剤を塗布して貼り合わせ強度および水密性を確保する方案を採択している。

このとき、ルーフモジュールを車体に固定する方法としてボルト締付け構造を提案したが、ルーフパネル９の外側のフランジが中心に向かって折れ曲がるようにしてアンダーカット（Ｕｎｄｅｒ ｃｕｔ）１２を形成し、その内部に鋳造または機械加工されたバルク（Ｂｕｌｋ）状のインサート１４を嵌め込んだ後に車体の下部からボルト１５を用いて固定する方法を提示している。

上述した方案の場合、ルーフパネル９のアンダーカット１２の形状を実現するための複数の段階的な成形などの複雑な加工工程が必要であり、ルーフモジュールを固定するためのボルト１５の結合は、車体の内側に作業者が入って上方に締め付ける構造であるため作業し難く、これは、自動化の妨げになるという欠点を有している。

また、たとえボルト１５によって結合される領域が雨水などの外部の流体が遮断可能なアンダーカット１２の領域に位置しているとはいえ、鉄鋼材の車体と電気的に絶縁されていないため根本的にはガルバニック腐食から自由な構造であるとはいえない。

本発明は、このような問題点を解決するために案出されたものであり、プレス加工工程を用いてフランジの延長部分にポリマー板材を取り付けた後、レーザービーム溶接（ＬＢＷ）方式を用いて車体との貼り合わせを行い、部分的に絶縁された構造のリベットを締結可能なようにして、既存の生産設備の変更なしにルーフモジュールの車体の組立ての自動化工程が実現されるようにした自動車のルーフモジュールの固定構造を提供するところにその目的がある。

このような目的を達成するための本発明の自動車のルーフモジュールの固定構造は、自動車のルーフレールと、前記ルーフレールと異種素材であり、前記ルーフレールに固定されるルーフパネルと、前記ルーフレールと前記ルーフパネルとの間に結合されるポリマー素材と、前記ルーフレールと、前記ルーフパネルおよび前記ポリマー素材を締結する締結部材と、を備えることを特徴とする。

本発明において、前記ポリマー素材は、ポリマープレートを備え、前記ポリマープレートが前記ルーフパネルと前記ルーフレールとの間に介在されてレーザビームの溶接によって貼り合わせられる。

また、前記締結部材は、リベットを備えてなり、前記ルーフモジュールのフランジの前記リベットの孔の直径Ｄ＝（リベット直径＋０．６）のサイズに加工されてなる。
また、前記ポリマー素材は、プレスの加工によって押出されて突出部が形成され、前記突出部は、前記リベットの打ち込みを行う間に変形されて、前記リベットと前記ルーフモジュールとの間に配設され、前記リベットおよびルーフモジュールを電気的に絶縁させる。

さらに、前記ルーフレールのうち貼り付けられる表面は、１５０〜２００℃に加熱され、前記ポリマー素材は、ポリカーボネートをはじめとする熱可塑性ポリマーからなり、前記ルーフパネルは、鉄（Ｆｅ）よりも軽量の素材からなる。

本発明の実施形態によれば、ルーフパネルの形状をアンダーカット無し形状にすることができるので、ルーフ板材の加工が手軽に行えて成形段階を省くことができる。

また、ポリマー素材が嵌め込まれるのでルーフモジュールと車体が電気的に絶縁され、リベットなどの機械的な結合部もルーフパネルと電気的に絶縁されているのでガルバニック腐食を根本的に遮断することができる。

さらに、別途の手作業が不必要になるので既存の自動化生産設備にそのまま用いることができて新たな設備への投資が不要になって新規の設備投資による生産コストの高騰を防ぐことができ、量産のための工程に直ちに適用することができる。

ルーフモジュールの構成および車体との結合位置を示す斜視図である。 従来のＴＫＳ／ＭｇＦのルーフモジュールの貼り合わせ工法を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるルーフモジュールの貼り合わせ工法を示す断面図である。 本発明の一実施形態による数値解釈を用いて予測したプレス加工によってルーフパネルのリベット孔に押出されて突き出るポリマー板材の変形形態を示す断面図である。 Ａは、レーザービーム溶接（ＬＢＷ）を用いたマグネシウム−ポリマーの融着概念図であり、Ｂは、貼り合わせ強度を示す図表であり、Ｃは、破断面の写真である。 本発明が適用された自動車の組立て工程の手順図である。

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
図１は、ルーフモジュールの構成および車体との結合位置を示す斜視図であり、図３は、本発明による自動車のルーフモジュールの固定構造が適用された断面図である。

また、図４は、本発明の一実施形態による数値解釈を用いて予測したプレス加工によってルーフパネルのリベット孔に押出されて突き出るポリマー板材の変形形態を示す断面図である。

まず、図１および図３を参照すると、本発明による自動車のルーフモジュールの固定構造は、自動車のルーフレール６と、このルーフレール６と異種素材であり、ルーフレール６に固定されるルーフパネル９と、前記ルーフレール６とルーフパネル９との間に結合されるポリマー素材と、前記ルーフレール６と、ルーフパネル９およびポリマー素材を締結する締結部材と、を備える。

また、前記ポリマー素材は、ポリマープレート１４を備え、このポリマープレート１４がルーフパネル９とルーフレール６との間に介在されてレーザビーム溶接（ＬＢＷ）によって貼り合わせられる。

さらに、前記締結部材は、リベット１５ａを備えてなり、このとき、前記ルーフモジュールのフランジのリベット１５ａの孔の直径Ｄ＝（リベット１５ａの直径＋０．６）のサイズに加工されてなる。

さらに、前記ポリマー素材は、プレスの加工によって押出されて突出部が形成され、この突出部は、リベット１５ａの打ち込みを行う間に変形されて、リベット１５ａとルーフモジュールとの間に配設され、リベット１５ａとルーフモジュールを電気的に絶縁させる。

さらに、前記ルーフレール６のうち貼り付けられる表面は、１５０〜２００℃に加熱される。
さらに、前記ポリマー素材は、ポリカーボネートをはじめとする熱可塑性ポリマーからなり、前記ルーフパネル９は、鉄（Ｆｅ）よりも軽量の素材（例えば、マグネシウムと炭素繊維との複合素材）からなる。

さらに、図４に示すように、前記ポリマー素材であるポリマープレート１４は、溶融および冷却によってルーフパネル９が融着されて貼り合わせられ、このポリマープレート１４は、プレスの押出・融着によって貼り合わせが行われる。
上述した本発明による自動車のルーフモジュールの固定構造についてより具体的に説明する。

まず、図１および図３を参照すると、本発明に適用されるルーフモジュールは、鉄鋼素材によって製作されている自動車の車体に融着されるために、ポリマー素材からなる連結部材であるポリマープレート１４が使用されるので、異種素材の単位部品であるルーフパネル９と溶接される溶接対象物であるルーフレール６が異なる素材であっても自動化工程に適用される。

このために、前記ルーフパネル９の融着部分に対応する位置にポリマープレート１４が適用され、前記ルーフレール６と異種素材からなるルーフパネル９を固定するためのリベット接合構造が適用される。
また、図４に示すように、ルーフモジュールのフランジのリベット接合構造に形成されるリベット１５ａの孔９ｃは、直径Ｄ＝（リベット直径＋０．６）のサイズに加工されてなる。

このようにリベット１５ａの直径よりも孔９ｃが大きく形成されれば、プレス２１の加工によって押出されて充填されたポリマープレート１４の突出部２２がリベット打ち込みを行う間に変形されてリベット１５ａとルーフモジュールとの間に配設されるように空間を提供し、リベット１５ａとルーフモジュールを電気的に絶縁させる。

さらに、図４に示すように、前記リベット孔９ｃは、１５０〜２００℃に加熱されているプレス板材であるホットルーフパネル９ａの延長部に位置する。すなわち、ルーフパネル９の融着部分に対応する位置にポリマープレート１４が配設され、プレス加工によってポリマープレート１４の表面と接触し、このとき、接触部の一部が溶融されてプレスの直下方向に押し付けられて孔の内側に突き出て孔の内部空間をポリマー素材で充填することが可能になる。

一方、図３における図面符号１２ａは、オーバーカット（ｏｖｅｒｃｕｔ）を示すものであり、図４における図面符号９ｂは、クール（ｃｏｏｌ）のルーフパネルを示すものである。

また、前記ルーフパネル９の融着部分に対応する位置においてポリマープレート１４はルーフレール６に据え置かれ、ポリマープレート１４が溶接ルーフレール６の表面と面接触をする。
このとき、図３に示すように、レーザビーム溶接（ＬＢＷ）を適用して、ポリマープレート１４を透過させてルーフレール６の表面を加熱し、直上のポリマープレート１４が溶融されて加熱されたルーフレール６の表面に融着される。

さらに、十分な貼り合わせ強度を得るために、好ましくは、貼り付けられる位置のルーフレール６の表面は、１５０〜２００℃に加熱されなければならない。
さらに、前記ルーフパネル９の融着部分に対応する位置にあるルーフパネル９の最外郭の先端部からポリマープレート１４に沿って平行に延びた溶接ルーフレール６の最寄りの垂直表面までの間隔は、［（ルーフパネル９の幅×ルーフパネル９素材の熱膨張係数×ペイントの焼成温度）／２］よりも大きくなければならず、好ましくは、少なくとも３ｍｍ以上を適用する。

加えて、余裕分はルーフパネル９にレーザービームが透過できるようにしてルーフパネル９の最外郭の先端部から前記ポリマープレート１４に沿って平行に延びた開放表面を提供し、特に、ペイントの焼成工程において車体に結合されて加熱される間にルーフパネル９が円滑に膨張して変形できるように空間を提供して溶接ルーフレール６との素材種類の違いに起因する線形熱膨張によって熱の残留応力を極力抑えることができる。

図５Ａ乃至図５Ｃは、ルーフモジュールの単位部品であるルーフパネルと車体との間に配設されるポリマープレートをレーザ溶接を用いて融着させる概念および貼り合わせ強度を示すものである。
また、図６は、本発明が適用された自動車の車体の組立て工程を順番に示すフローチャートである。

図６を参照すると、自動車の車体の組立て工程は、ルーフパネル９およびポリマープレート１４をルーフパネル９の成形加工工程に含めて連続成形工程の一段階を用いてプレス加圧融着成形を行うことができる。
もし、前記ルーフパネル９の素材がマグネシウムである場合、部品を加工するための条件である温間成形工程のうちの中間段階で加熱されたルーフパネル９の余熱を用いることができて別途の追加加熱工程なしにプレス加圧融着成形を行うことができる。

また、前記ルーフパネル９とポリマープレート１４との間は融着成形されて気密性を有し、ポリマー材質は非常に低い化学反応性および電気伝導度を有するので、塗装の密着性を高めるための金属の表面改質コーティングを直ちに適用することができる。

このとき、表面改質コーティングとしては、化学的な反応に基づく化成処理と、電極による陽極酸化に基づくプラズマ電解酸化（ＰＥＯ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）などの電気化学的な表面処理を両方とも活用することができる。
さらに、前記ルーフパネル９およびポリマープレート１４によって構成された後に表面改質処理された部品は、通常の電着コーティングを用いてペインティング基底部の表面コーティング層を形成することができ、電着コーティングされたルーフモジュールは、通常の車体の組立て工程に直ちに投入することができる。

さらに、前記ルーフパネル９およびポリマープレート１４は、化学的および電気化学的な表面改質を施しても表面に全く汚染物が残らずに元の形状を維持しているため、別途の防錆処理なしに組立て工程に投入される。
さらに、半組立て済みの車体が運送されるコンベヤーにおいて通常のトレイにルーフパネル９およびポリマープレート１４が積置きされ、電着コーティング処理された部品モジュールを、治具を用いて固定し、ロボットによって半組立て済みの車体の上部に取り付けられる。

これと同時に、治具に架設された空圧プレスからルーフパネル９およびポリマー素材によって形成されるポリマープレート１４は、上部のリベット接合構造を形成する孔にリベットが射出されて部品モジュールを半組立て済みの車体に強制的に固定することになる。

次いで、強制的に拘束された部品モジュールにおけるルーフパネル９の融着部分に対応する位置にあるルーフパネル９の最外郭の先端部からポリマープレート１４に沿って平行に延びたルーフレール６の最寄りの垂直表面までに配設される開放ポリマープレート１４の直上にレーザービームが照射されて融着が行われる。

後続する工程は、自動車の組立てラインの一般工程に準拠し、特に、１５０〜２００℃に加熱されるペイントの焼成工程を経ると、レーザービームとして照射されて未融着のルーフレール６およびポリマープレート１４が接触されている表面が雰囲気温度による溶融冷却によって自ら融着されてさらなる貼り合わせ強度が確保される。

このような作業工法は、現在自動車の一般的な組立て工程において用いられている技術であり、この思想を理解する同種の一般技術者であれば、上述した実施形態を実現するに当たって特別な設備の投資が不要になり、しかも、別途の特殊な器具の設計も求められないということが分かる。

このように既存の工程を特別な改造なしに一般的な条件下で適用することができるので新たな設備の投資が不要になり、新規設備の投資による生産コストの高騰を防ぐことができ、量産のための工程に直ちに適用することができる。

以上述べたように、本発明は、図示の一実施形態を参照して説明したが、これは単なる例示的なものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、これから様々な変形および均等な実施形態が可能であるということが理解できる。よって、本発明の真の保護範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定められるべきである。

６：ルーフレール
９：ルーフパネル
９ｃ：リベット孔
１４：ポリマープレート
１５ａ：リベット
２２：突出部

Claims (8)

1. 自動車のルーフレールと、
   前記ルーフレールと異種素材であり、前記ルーフレールに固定されるルーフパネルと、
   前記ルーフレールと前記ルーフパネルとの間に結合されるポリマー素材と、
   前記ルーフレールと、前記ルーフパネルおよび前記ポリマー素材を締結する締結部材と、
   を備え、
   前記ポリマー素材は突出部を備え、
   前記突出部は、リベットと、ルーフモジュールのリベット孔との間にあり、前記リベットと前記ルーフモジュールを電気的に絶縁させることを特徴とする自動車のルーフモジュールの固定構造。
2. 前記ポリマー素材は、ポリマープレートを備え、
   前記ポリマープレートが前記ルーフパネルと前記ルーフレールとの間に介在されてレーザビームの溶接によって貼り合わせられることを特徴とする請求項１に記載の自動車のルーフモジュールの固定構造。
3. 前記締結部材は、リベットを備えてなることを特徴とする請求項１に記載の自動車のルーフモジュールの固定構造。
4. 前記ルーフモジュールのフランジの前記リベットの孔の直径Ｄ＝（リベット直径＋０．６）のサイズに加工されてなることを特徴とする請求項３に記載の自動車のルーフモジュールの固定構造。
5. 前記ルーフレールのうち貼り付けられる表面は、１５０〜２００℃に加熱されることを特徴とする請求項１に記載の自動車のルーフモジュールの固定構造。
6. 前記ポリマー素材は、ポリカーボネートをはじめとする熱可塑性ポリマーからなることを特徴とする請求項１に記載の自動車のルーフモジュールの固定構造。
7. 前記ルーフパネルは、鉄（Ｆｅ）よりも軽量の素材からなることを特徴とする請求項１に記載の自動車のルーフモジュールの固定構造。
8. 自動車のルーフレールと、
   前記ルーフレールと異種素材であり、前記ルーフレールに固定されるルーフパネルと、
   前記ルーフレールと前記ルーフパネルとの間に結合されるポリマー素材と、
   前記ルーフレールと、前記ルーフパネルおよび前記ポリマー素材を締結する締結部材と、
   を備え、
   前記ポリマー素材は、プレスの加工によって押出されて突出部が形成され、
   前記突出部は、リベットの打ち込みを行う間に変形されて、前記リベットとルーフモジュールのリベット孔との間に配設され、前記リベットと前記ルーフモジュールを電気的に絶縁させることを特徴とする自動車のルーフモジュールの固定構造の構成方法。

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