JP6429696B2

JP6429696B2 - ビーム構造部材

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Publication number: JP6429696B2
Application number: JP2015065143A
Authority: JP
Inventors: 崇志後藤; 恭兵前田; 明彦巽
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: JP2016182921A

Description

本発明は、ビーム構造部材に関する。

自動車のドアビーム等の構造部材は、本体部と、本体部を他部材に取り付けるブラケット部材と、を備えたものが多い。例えば、筒状の部材を他の筒状の部材に挿入して、溶接やボルト・ナット等の機械的締結手段を用いて接合された構造部材が特許文献１に開示されている。上記のような自動車のドアビーム等の構造部材においては、エネルギー消費低減の観点から軽量化が進められており、従来からの鋼製部材に加えて、高張力鋼、アルミニウム又はアルミニウム合金、マグネシウム合金等の軽量の金属も採用されている。このような状況から、ブラケット部材とビーム部材との電位が異なるケースが増えている。

ブラケット部材とドアビームとが夫々電位差の異なる金属である場合、電食が発生しやすくなるため、双方の金属が直接接触しないように絶縁層等を設けることが検討されている。例えば、両者を締結する部材（鋼製ボルト等）を、表面にジオメット（登録商標）等の耐食処理を施したインサートナットを用いて保持する技術が検討されている（特許文献２）。しかし、このような耐食処理皮膜は、密着性が弱く、部材取り付け時に剥がれることがある。そのため、電食を十分に防止できないという問題がある。

また、ビーム材としてCFRP（炭素繊維強化プラスチック）等の繊維強化樹脂を採用することも検討されている。ところが、ブラケット部材とビーム部材との接合部分は溶接できず、接着剤を使用して両部材を接合せざるを得ないことがある。その場合、ブラケット部材とビーム間の接着剤の厚みを一定範囲で均一にコントロールするのは難しく、接合強度にばらつきが生じやすい。その結果、十分な接合強度を確保できない場合もあった。

特開２０００−１０８６６２号公報特開２００８−２０１３７７号公報

本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は、電食等の発生を防止し、接合強度に優れ、更に製造工程を煩雑にすることのないビーム構造部材を提供するものである。

本発明のビーム構造部材は、
筒状の第１部材と、
前記第１部材の外周面に射出成形により積層された第１樹脂層と、
前記第１樹脂層に重ねて配置され、軽合金材料からなる筒状部を有する第２部材と、を備え、
前記第２部材は、電磁成形により、前記第１樹脂層を介して前記第１部材とかしめ固定され、前記第２部材の周方向に沿った少なくとも一部に、他の部分よりも剛性の高い高剛性部を有し、
前記第１部材と前記第２部材は、それぞれが角筒形状を有し、前記高剛性部が前記角筒形状の隅部であり、
前記第１樹脂層は、前記第２部材の前記高剛性部に対応する周位置に、前記高剛性部に向かって突出する突起部が形成されることを特徴とする。
また、本発明のビーム構造部材は、
筒状の第１部材と、
前記第１部材の外周面に射出成形により積層された第１樹脂層と、
前記第１樹脂層に重ねて配置され、軽合金材料からなる筒状部を有する第２部材と、を備え、
前記第２部材は、電磁成形により、前記第１樹脂層を介して前記第１部材とかしめ固定され、前記第２部材の周方向に沿った少なくとも一部に、他の部分よりも剛性の高い高剛性部を有し、且つ、前記高剛性部から外側に延出されるリブ部を有し、
前記第１樹脂層は、前記第２部材の前記高剛性部に対応する周位置に、前記高剛性部に向かって突出する突起部が形成されることを特徴とする。
その場合、前記第１部材と前記第２部材は、それぞれが角筒形状を有し、前記高剛性部が前記角筒形状の隅部であってもよい。
また、前記第１部材は、外周面と内周面とを貫通する少なくとも１つの貫通孔が形成され、前記貫通孔に樹脂材料が充填されていてもよい。
前記第１部材は、内周面に第２樹脂層が積層されていてもよい。

本発明によれば、外表面に樹脂層が形成された筒状の第１部材に、筒状の第２部材を重ねて配置し、第１部材と第２部材とを第１樹脂層を介して電磁成形によりかしめ固定した構成としている。これにより、第１部材の表面に、安定した厚みを有する強固な第１樹脂層が形成され、電食等の発生を確実に防止できる。また、製造工程を煩雑にすることなく、接合強度に優れた構成にできる。

本発明の実施形態を説明するための図で、第１構成例のビーム構造部材の斜視図である。本体部の端部外表面に形成した樹脂層を示す斜視図である。図２のＶ１方向から見た本体部と樹脂層の側面図である。本体部の外周面と内周面に樹脂層を形成した本体部と樹脂層の側面図である。（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、ブラケット部材の各種形状を示す断面図である。ビーム構造部材の製造に用いる電磁成形装置の構成図で、（Ａ）は電磁成形装置の側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＶ２方向から見た電磁成形装置の正面図である。角本体部からなる筒状部の高剛性部の位置を示す模式的な断面図である。筒状部と樹脂層との間に隙間が生じる様子を示す参考図である。（Ａ）樹脂層の高剛性部に対応する周位置で凸部が形成された様子を示すビーム構造部材の側面図、（Ｂ）は（Ａ）を電磁成形した後のビーム構造部材の側面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、ビーム構造部材を自動車のドアビーム等に適用する場合を一例に説明するが、本発明はこれに限らない。
＜第１構成例＞
図１は本発明の実施形態を説明するための図で、ビーム構造部材の全体構成を示す斜視図である。
本構成のビーム構造部材１００は、筒状の本体部（第１部材）１１と、本体部１１の両端部にそれぞれ取り付けられた一対のブラケット部材１３，１３と、を有する。本体部１１は、長手方向の両端部に、端部外周面を覆う樹脂層（第１樹脂層）１５がそれぞれ形成される。

ブラケット部材１３は、筒状部（第２部材）１７と、筒状部１７から外側に延出されたリブ部１９と、をそれぞれ有する。筒状部１７は、樹脂層１５が形成された本体部１１の端部に挿入され、後述する電磁成形により、ブラケット部材１３が樹脂層１５を介して本体部１１にかしめ固定される。

上記構成のビーム構造部材１００は、上記構造に限らず、少なくとも１つのブラケット部材１３が本体部１１に接合されていればよい。また、本体部１１は、単一直線状の筒体に限らず、１つ以上の分岐点を有して複数の筒体が接合された構成であってもよい。更に、分岐された筒体の先端にブラケット部材１３が配置された構成であってもよい。また、必要に応じて、本体部１１の内部にリブ付アルミ押出材等の衝撃吸収部品を配置してもよい。

以下、上記構成のビーム構造部材１００の各部を順次説明する。
（第１部材）
第１部材である本体部１１は、断面円形状の直管構造を有するが、断面円形状に限らず、断面が楕円形状や、断面が矩形状又は多角形状であってもよい。本体部１１の材質は、例えば、アルミニウム合金材（ＪＩＳ規格の６０００系、５０００系、７０００系、２０００系、３０００系等）、マグネシウム合金、鋼材（軟鋼、高張力鋼）、チタン合金等の金属材料が用いられる。

本体部１１を筒状にするには、本体部１１がアルミニウムやマグネシウムであれば、押出成形法を利用できる。また、本体部１１が鋼材やチタンであれば、板材の端部を抵抗シーム溶接により接合する方法が利用できる。

本体部１１は、上記金属材料の他、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の非金属材料であってもよい。非金属材料としては、他に、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ)、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ）、ボロン繊維強化プラスチック（ＢＦＲＰ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ，ＫＦＲＰ）、ポリエチレン繊維強化プラスチック（ＤＦＲＰ）、ザイロン強化プラスチック（ＺＦＲＰ）等が挙げられる。このような繊維強化プラスチックは、樹脂とファイバーとのプリプレグを積層して管状にし、この環状のプリプレグをオーブン内で加熱・硬化させることにより得られる。

樹脂層１５が射出成形により積層される本体部１１の表面は、プライマー処理が施されることが好ましい。このプライマー処理に用いられる接着剤としては、変性ポリオレフィン系塗料、変性エポキシ系プライマー等、不揮発分の少ない低粘度の液体が挙げられる。本体部１１の表面にプライマー処理の層が形成されると、本体部１１と樹脂層１５との接着性が向上する。

プライマー処理の層には、シランカップリング剤、もしくは、その加水分解物を別途添加してもよい。これにより、プライマー処理層を介しての本体部１１と樹脂層５１との密着性がより強固になる。プライマー処理の具体例としては、本体部１１がアルミニウム合金材である場合には、例えば、三井化学製ユニストールＲ−３００（登録商標）等が好適に用いられる。本体部１１が鋼材である場合には、例えば、ダイセルエボニック製ベスタメルト（登録商標）が好適に用いられる。なお、アルミニウム合金や鋼材の場合、プライマー処理前の下地処理として、リン酸クロメート、Ｔｉ−Ｚｒ等のノンクロメート化成処理を行ってもよい。

（樹脂層）
樹脂層１５は、本体部１１のプライマー処理層上に、溶融した樹脂を射出成形することにより形成される。ここで、樹脂層１５を構成する樹脂材料は、通常の射出成形に用いられる樹脂組成物であれば、特に限定されない。樹脂層１５に用いられる樹脂材料としては、例えば、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエチレン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、塩化ビニル樹脂、フッ素樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。

樹脂材料には、タルクや金属繊維、ガラス繊維等の充填材や各種添加材が配合されていてもよい。その場合、樹脂材料への充填材の充填率は、射出成形時の樹脂材料の流動性を確保しつつ樹脂材料の強度を向上させるため、タルクの場合：５〜４０％程度、金属繊維の場合：５〜２０％程度、ガラス繊維の場合：５〜６５％とすることが好ましい。

図２は、本体部１１の端部外表面に積層した樹脂層（第１樹脂層）１５を示す斜視図、図３は図２のＶ１方向から見た本体部１１と樹脂層１５の側面図である。樹脂材料は、本体部１１の外周面１１ａに積層することが必須であるが、更に図４に示すように、本体部１１の内周面１１ｂにも樹脂層（第２樹脂層）１６を積層してもよい。外周面１１ａと内周面１１ｂとの両方に樹脂層１５，１６を積層することにより、本体部１１の防食性が一層高くなると共に、部品としての剛性向上が図れる。

なお、本体部１１の両端部は、外周面１１ａと内周面１１ｂとを貫通する貫通孔２１が形成されていてもよい。この貫通孔２１に樹脂材料が充填されることで、樹脂材料と本体部１１との接合強度をより高めることができる。充填される樹脂材料は、樹脂層１５，１６と同じ樹脂材料であることが好ましく、その場合には、射出成形によって樹脂層１５，１６を同時に成形できる。

樹脂層１５の積層厚みは、最も薄い箇所で１．５〜３ｍｍ程度とすることが射出成形性の点で好ましい。また、樹脂層１５には、必要に応じて外周方向に突出する突起部やフィン、補強リブ等を設けることもできる。このような突起部等を設けることで、後述するブラケット部材１３の周り止め効果が向上する。

（第２部材）
第２部材であるブラケット部材１３の筒状部１７は、本体部１１の断面形状と相似する断面形状を有する。すなわち、本体部１１が断面円形である場合は、筒状部１７を丸管形状とし、本体部１１が角筒形状の場合は、筒状部１７を角筒形状とする。

図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、ブラケット部材１３の各種形状を示す断面図である。ブラケット部材１３の筒状部１７は、図１のＡ−Ａ線断面である図５（Ａ）に示すように、他部品等への取り付けを行うためのボルトやナットを締結するリブ部１９，１９を有する。リブ部１９，１９は、図示例のように平坦状に形成される他、取り付け対象となる他の構造部材の形状に応じて、適宜形状を変更できる。

例えば、図５（Ｂ）に示すように、互いに平行な一対のリブ部１９Ａ，１９Ａの形状を採用することもできる。また、図５（Ｃ）に示すように、断面円形の筒状部１７に代えて、断面矩形状の筒状部１７Ａとした場合にも、平坦なリブ部１９Ｂ，１９Ｂの形状や、他の形状にすることができる。

筒状部１７，１７Ａは、電磁成形時の誘導電流によるローレンツ力により、かしめ方向に移動する。そのため、筒状部１７は、アルミニウム又はアルミニウム合金、マグネシウム合金等の高導電性の軽合金材料で構成する必要がある。

＜ビーム構造部材の製造方法＞
次に、本構成のビーム構造部材１００を製造する手順を説明する。
概略的には、本体部１１の両端部に、樹脂層１５を周知の射出成形方法により成形する。そして、電磁成形装置により、本体部１１の樹脂層１５が成形された部分に、ブラケット部材１３の筒状部１７をそれぞれかしめ固定する。これにより、ビーム構造部材１００が完成する。

上記の電磁成形装置により、かしめ固定を実施する工程について、以下に詳細に説明する。
図６は本構成のビーム構造部材１００の製造に用いる電磁成形装置３１の構成図で、（Ａ）は電磁成形装置の側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＶ２方向から見た電磁成形装置の正面図である。

電磁成形装置３１は、螺旋状に配置された導体コイル３１Ａと、図中上下一対の磁束集中器３１Ｂ，３１Ｃとを有する。磁束集中器３１Ｂ，３１Ｃは、導体コイル３１Ａの内径部にそれぞれ配置される。磁束集中器３１Ｂ，１３Ｃの長手方向断面における長手方向一端部には、内径部中心へ向かって突出する小径部３３が形成される。この小径部３３は、導体コイル３１Ａにより発生した磁束を、小径部３３の内周面に向けて集中させる機能を有する。

磁束集中器３１Ｂ，３１Ｃの長手方向一端部は、筒状部１７の形状に沿ったキャビティ３５を画成する。筒状部１７がリブ部１９を有する場合、キャビティ３５は、筒状部１７とリブ部１９，１９の全体を取り囲む形状にされる。電磁成形装置３１は、このキャビティ３５内にビーム構造部材１００の端部を収容して、加工を行う。

次に、加工手順を説明する。まず、樹脂の射出成形が完了した本体部１１を、ブラケット部材１３の筒状部１７に挿入する。

そして、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本体部１１が筒状部１７に挿入されたブラケット部材１３を、電磁成形装置３１のキャビティ３５内に挿入する。これにより、ブラケット部材１３の周囲が磁束集中器３１Ｂ，３１Ｃにより取り囲まれる。

この状態では、磁束集中器３１Ｂ，３１Ｃの各小径部３３の内周面が、筒状部１７の外周面の近傍に対面配置され、筒状部１７の外周面を囲んでいる。

導体コイル３１Ａの駆動回路は、電源３７、コンデンサ３９、充電スイッチ４１、放電スイッチ４３を備える。コンデンサ３９は、放電スイッチ４３を開状態にして充電スイッチ４１が閉じられると、電源３７からの電力供給を受けて充電される。上記充電後に充電スイッチ４１を開状態にして放電スイッチ４３が閉じられると、コンデンサ３９が放電し、導体コイル３１Ａへ瞬間的に大電流が流れる。これにより、導体コイル３１Ａから磁束が発生する。

導体コイル３１Ａから発生した磁束は、磁束集中器３１Ｂ，３１Ｃの小径部３３を介して、筒状部１７の外周面に集中する。その結果、軽合金材料からなる筒状部１７に誘導電流が発生する。この誘導電流と電磁場との相互作用により、本体部１１と筒状部１７との重なり合う部分に、縮管させる力（電磁力）が作用する。この縮管作用によって、本体部１１と筒状部１７とが強固にかしめ固定される。

上記電磁成形により、本体部１１の樹脂層１５と、筒状部１７とのかしめ固定を、短時間で完了させることができる。また、電磁成形は、溶接による接合のような熱が発生しないため、部材接合後の熱歪の矯正等、余分な工程が発生しない。更に、溶接熱が周囲部材に伝播されることがないため、樹脂層１５が熱ダメージを受けることがなく、しかも、絶縁効果が低下することがない。

上記のように製造されるビーム構造部材１００によれば、ブラケット部材１３が本体部１１にかしめ固定されると、相互の部材が十分な積層厚みを有する樹脂層１５によって挟まれる。また、樹脂層１５は、射出成形によって本体部１１外周面に積層されるため、積層厚みを高精度で均一にできる。このため、確実な絶縁性が保たれ、電食等の発生を確実に防止できる。また、ブラケット部材１３と本体部１１とが樹脂層１５を介して接合されるため、周方向の接合強度分布が均一となり、ビーム構造部材１００の耐久性を向上できる。更に、接着剤の塗布厚みを制御する工程や、溶接による熱歪み等の影響を回避する工程を設ける等、製造工程を煩雑にすることがないため、製造コストを低減できる。また、軽合金材料からなるブラケット部材１３を用いることで、ビーム構造部材１００を軽量化できる。

＜第２構成例＞
次に、ビーム構造部材の第２構成例を説明する。以下の説明においては、上述した部材と同一の部材については、同一の符号を付与することで、その説明を簡単化、又は省略する。

前述のビーム構造部材１００においては、筒状部１７のリブ部１９の根元部における剛性が高い。そのため、根元部における電磁成形時の縮径量が、他の部位よりも小さくなることがある。

例えば、図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す、リブ部１９，１９Ａ，１９Ｂの根元部分は、他の部分よりも厚みが大きくなり、剛性の高い高剛性部ＨＲとなる。また、図７に示す角筒形状の筒状部１７Ｂは、角筒形状の４つの隅部が高剛性部ＨＲとなる。上記のように、周方向に沿った少なくとも一部に高剛性部ＨＲを有する場合、筒状部１７，１７Ａ，１７Ｂが、円周方向に不均一に縮管された状態でかしめ固定される可能性がある。

このような高剛性部ＨＲの部分は、他の部分よりも縮径による移動量が少ない状態でかしめられる。そのため、図８に参考図を示すように、筒状部１７が縮径して、筒状部１７と樹脂層１５との間に隙間４４，４４が生じやすくなる。隙間４４，４４は、本体部１１と筒状部１７との接合強度を低下させ、ブラケット部材１３に回転方向の荷重が負荷された場合に、ブラケット部材１３が本体部１１の円周方向に回転してしまうことを助長する。

そこで、図９（Ａ）に示すように、樹脂層１５に、前述した筒状部１７Ａの高剛性部ＨＲに対応する周位置で、樹脂が高剛性部ＨＲに向かって突出する凸部４５，４５を設ける。樹脂層１５が凸部４５，４５を有することにより、高剛性部ＨＲの周位置における樹脂層１５の厚みが他の領域よりも大きくなる。

そのため、図９（Ｂ）に示すように、電磁成形後は、筒状部１７Ａが縮径して筒状部１７Ａの高剛性部ＨＲに窪みが発生する。この窪みに、樹脂層１５の予め形成された凸部４５，４５によって樹脂が供給される。よって、図８に示すような隙間４４，４４が生じることはない。

また、凸部４５，４５は、樹脂層１５の軸方向両端を他の部位よりも厚くしてもよい。樹脂層１５を部分的に厚くすることにより、ブラケット部材１３の軸方向の抜けを防止することが可能となる。

なお、図８及び図９（Ａ），（Ｂ）は、本構成と作用効果を理解しやすいように、隙間４４や凸部４５の大きさ誇張して表しており、実際の隙間４４や凸部４５の大きさとは異なるものである。

本構成のビーム構造部材２００によれば、前述同様の作用効果が得られ、電磁成形時の縮径によって、筒状部１７と樹脂層１５との間に隙間４４が生じず、ブラケット部材１３と本体部１１との周り止め効果を高めることができる。

以上、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

１１本体部（第１部材）
１３ブラケット部材
１５第１樹脂層
１６第２樹脂層
１７筒状部（第２部材）
２１貫通孔
４５凸部
１００，２００ビーム構造部材
ＨＲ高剛性部

Claims

筒状の第１部材と、
前記第１部材の外周面に射出成形により積層された第１樹脂層と、
前記第１樹脂層に重ねて配置され、軽合金材料からなる筒状部を有する第２部材と、を備え、
前記第２部材は、電磁成形により、前記第１樹脂層を介して前記第１部材とかしめ固定され、前記第２部材の周方向に沿った少なくとも一部に、他の部分よりも剛性の高い高剛性部を有し、
前記第１部材と前記第２部材は、それぞれが角筒形状を有し、前記高剛性部が前記角筒形状の隅部であり、
前記第１樹脂層は、前記第２部材の前記高剛性部に対応する周位置に、前記高剛性部に向かって突出する突起部が形成されることを特徴とするビーム構造部材。
筒状の第１部材と、
前記第１部材の外周面に射出成形により積層された第１樹脂層と、
前記第１樹脂層に重ねて配置され、軽合金材料からなる筒状部を有する第２部材と、を備え、
前記第２部材は、電磁成形により、前記第１樹脂層を介して前記第１部材とかしめ固定され、前記第２部材の周方向に沿った少なくとも一部に、他の部分よりも剛性の高い高剛性部を有し、且つ、前記高剛性部から外側に延出されるリブ部を有し、
前記第１樹脂層は、前記第２部材の前記高剛性部に対応する周位置に、前記高剛性部に向かって突出する突起部が形成されることを特徴とするビーム構造部材。
前記第１部材と前記第２部材は、それぞれが角筒形状を有し、前記高剛性部が前記角筒形状の隅部であることを特徴とする請求項２に記載のビーム構造部材。
前記第１部材は、外周面と内周面とを貫通する少なくとも１つの貫通孔が形成され、前記貫通孔に樹脂材料が充填されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のビーム構造部材。
前記第１部材は、内周面に第２樹脂層が積層されることを特徴とする請求項４に記載のビーム構造部材。