JP7095799B2 - 閉断面構造部材を製造する方法 - Google Patents

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Description

本発明は、閉断面構造部材を製造する方法、特に、繊維強化プラスチック材（以下、「ＦＲＰ材」と称する）が接着された閉断面構造部材を製造する方法に関する。
特開２０１５－１６０５２４号は、鋼板製のＢピラーの車幅方向内壁部にＣＦＲＰ製の補強材を接着する方法を開示している。当該方法では、まず、Ｂピラーの車幅方向内壁部に、プリプレグが未硬化の状態の補強材を発泡性接着剤の粘着性を利用して仮止めする。次に、車体を乾燥炉で加熱することで、プリプレグを硬化させて補強材を所定形状に成形すると同時に、接着剤を硬化させて補強材を車幅方向内壁部に接着させる。
しかしながら、上記方法では、ＣＦＲＰの線膨張係数が鋼板の線膨張係数よりも小さいことに起因して、次の問題が生じ得る。すなわち、加熱・硬化工程では、Ｂピラー全体が補強材より大きく熱膨張した状態で補強材及び接着剤が硬化して、補強材がＢピラーに接着される。そして、その後の降温過程で、Ｂピラーのうち補強材が接着された部分は、補強材に拘束されながら熱収縮する一方、Ｂピラーのうち補強材が接着されていない部分は、補強材による拘束を受けずに熱収縮する。このため、上記方法では、Ｂピラーの車幅方向内側よりも車幅方向外側で熱収縮量が大きくなり、Ｂピラーに好ましくない変形（歪み、撓み等）を生じさせる可能性があった。
本発明の目的は、ＦＲＰ材が接着された閉断面構造部材を製造する際に、当該閉断面構造部材の好ましくない変形を抑制することにある。
本発明の一態様は、閉断面を形成するように接合された第１パネル及び第２パネルと、第１パネルに接着されたＦＲＰ材と、を含む閉断面構造部材を製造する方法である。この方法は、ＦＲＰ材を第１パネルに接着剤で取り付け、ＦＲＰ材及び接着剤を第１パネルとともに加熱して硬化させ、ＦＲＰ材及び接着剤が硬化した第１パネルに第２パネルを接合することを含む。
この方法によれば、閉断面構造部材の好ましくない変形を抑制することができる。
図１は、第１実施形態の方法にかかるセンターピラーの側面図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。 図３は、第１実施形態の方法を示すフローチャートである。 図４は、比較例の方法において変形が発生する機構を説明する図である。 図５は、第２実施形態の方法にかかるセンターピラーの側面図である。 図６は、図５のＶＩ－ＶＩ線断面図である。
以下、いくつかの実施形態にかかる方法について、図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
第１実施形態にかかる方法で製造される閉断面構造部材は、例えば、図１に示すように、第１パネルであるアウタパネル１と、第２パネルであるインナパネル２と、ＦＲＰ材３と、を含むセンターピラーである。
アウタパネル１及びインナパネル２は、例えば、鋼板製である。アウタパネル１及びインナパネル２の材料は、ＦＲＰ材３の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する材料であれば、特に限定されず、例えば、アルミ合金など他の金属材料であってもよい。また、アウタパネル１及びインナパネル２の材料は、互いに異なっていてもよい。
アウタパネル１及びインナパネル２は、例えば、図２に示すように、センターピラーの長手方向に直交する断面において、それぞれハット型断面を有し得る。
アウタパネル１は、車幅方向外側の第１壁である外側壁１１と、外側壁１１の車両前後方向両端部から車幅方向内側に向けて延び、かつ、互いに対向する一対の第２壁である前側壁１２及び後側壁１３と、を有してもよい。前側壁１２の車幅方向内側端部からは、前フランジ１４が車両前後方向前側に向けて延びてもよく、後側壁１３の車幅方向内側端部からは、後フランジ１５が車両前後方向後側に向けて延びてもよい。
インナパネル２は、車幅方向内側の内側壁２１と、内側壁２１の車両前後方向両端部から車幅方向外側に向けて延び、かつ、互いに対向する前側壁２２及び後側壁２３と、を有してもよい。前側壁２２の車幅方向外側端部からは、前フランジ２４が車両前後方向前側に向けて延びてもよく、後側壁２３の車幅方向外側端部からは、後フランジ２５が車両前後方向後側に向けて延びてもよい。
アウタパネル１及びインナパネル２は、互いに接合されて閉断面を形成する。アウタパネル１及びインナパネル２の前フランジ１４，２４同士及び後フランジ１５，２５同士が、それぞれスポット溶接等で接合されてもよい。
アウタパネル１には、補強用のＦＲＰ材３が接着剤４で接着される。ＦＲＰ材３は、図１に示すように、アウタパネル１及びインナパネル２が形成する閉断面空間の延在方向に沿って延在してもよい。ＦＲＰ材３は、例えば、炭素繊維強化プラスチック製であり、アウタパネル１の線膨張係数及びインナパネル２の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する。
強化繊維である炭素繊維は、例えば、連続繊維からなり、一方向に引き揃えた強化繊維を角度を変えて積層した積層構造、或いは織物の形態を有し得る。炭素繊維は、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ系）、ピッチ系、セルロース系、炭化水素による気相成長系炭素繊維、黒鉛繊維などを用いることができる。これらの繊維を２種類以上組み合わせて用いてもよい。炭素繊維は、短繊維を含んでもよい。マトリックス樹脂としては、公知の熱硬化性樹脂を用いることができる。具体的には、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。
ＦＲＰ材３は、図２に示すように、センターピラーの長手方向に直交する断面において、Ｃ字状断面を有し得る。ＦＲＰ材３は、アウタパネル１の外側壁１１に沿って延びる第３壁である外側壁３１と、外側壁３１の車両前後方向両端部からそれぞれ前側壁１２及び後側壁１３に沿って延びる一対の第４壁である前側壁３２及び後側壁３３と、を有してもよい。
センターピラーを製造する方法は、図３に示すような工程を含む。すなわち、当該方法では、ＦＲＰ材３をアウタパネル１に接着剤４で取り付け、これを加熱炉等に入れて、ＦＲＰ材３及び接着剤４をアウタパネル１とともに加熱して硬化させ、ＦＲＰ材３及び接着剤４が硬化したアウタパネル１にインナパネル２を接合する。
ＦＲＰ材３は、これをアウタパネル１に取り付ける段階では、未硬化の状態であることが好ましい。アウタパネル１に取り付ける際に、ＦＲＰ材３の柔軟性によって、その接着面を曲面からなるアウタパネル１の表面に倣うように変形させて、ＦＲＰ材３をアウタパネル１に密着させることができる。これにより、硬化後のＦＲＰ材３とアウタパネル１の一体性を高めて、センターピラーの設計強度をより確実に確保することができる。
接着剤４は、熱により硬化が促進される加熱硬化型の接着剤であり、例えば、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系など公知の接着剤が使用できる。接着剤４は、ＦＲＰ材３のマトリックス樹脂の硬化温度と同等の硬化温度を有するものを選択することで、ＦＲＰ材３の硬化と接着剤４の硬化とを一回の加熱で同時に行うことができる。この場合の加熱条件は、特に限定されないが、例えば、加熱温度は約１８０℃、加熱時間は約２０分程度とすることができる。なお、接着剤４は、ＦＲＰ材３のマトリックス樹脂であってもよい。すなわち、例えば、未硬化ＦＲＰ材３の接着面となる最外層においてマトリックス樹脂の含有率を高くするなどして、マトリックス樹脂自体を接着剤４として機能させてもよい。この場合は、接着剤４を塗布する工程を省略することができ、生産性が向上する。
以下、本実施形態の作用効果について説明する。
上述の通り、ＦＲＰ材３の線膨張係数は、アウタパネル１及びインナパネル２の線膨張係数よりも小さい。従って、仮に、アウタパネル１にＦＲＰ材３を接着剤４で取り付け、アウタパネル１とインナパネル２とを接合した後、これを加熱してＦＲＰ材３及び接着剤４を硬化させた場合（以下、この場合を「比較例」とする）、次の問題が生じ得る。すなわち、加熱・硬化工程では、図４の上段から中段にかけて示すように、互いに接合されたアウタパネル１及びインナパネル２からなる接合体５がＦＲＰ材３より大きく熱膨張する。そして、図４の中段に示すように、その状態でＦＲＰ材３及び接着剤４が硬化して、ＦＲＰ材３がアウタパネル１に接着される。このとき、比較例にかかるセンターピラーでは、図４の中段に示すように、アウタパネル１側の熱膨張量ΔＥ１とインナパネル２側の熱膨張量ΔＥ２とが略等しくなっている。
その後の降温過程では、図４の中段から下段にかけて示すように、接合体５のうちＦＲＰ材３が接着された部分は、ＦＲＰ材３に拘束されながら熱収縮する。一方、接合体５のうちＦＲＰ材３が接着されていない部分は、ＦＲＰ材３による拘束を受けずに熱収縮する。このため、熱収縮の大きさ（熱収縮量）は、図４の下段に示すように、アウタパネル１側の熱収縮量ΔＣ１よりも、インナパネル２側の熱収縮量ΔＣ２が大きくなる。この熱収縮の不均衡によって、閉断面構造部材であるセンターピラーに好ましくない変形（歪み、撓み等）が生じることとなる。比較例にかかるセンターピラーでは、アウタパネル１側からインナパネル２側に向かう方向に凹になるように、或いは、インナパネル２側からアウタパネル１側に向かう方向に凸になるように湾曲することとなる。
これに対し、本実施形態にかかる方法では、図３に示すように、ＦＲＰ材３及び接着剤４を硬化させた後にインナパネル２をアウタパネル１に接合する。このため、降温過程においてインナパネル２側の熱収縮がセンターピラーの形状または寸法に与える影響を、軽減または除去することができる。これにより、閉断面構造部材であるセンターピラーの好ましくない変形を抑制することが可能になる。
また、本実施形態にかかる方法では、センターピラーの長手方向に直交する断面において、加熱・硬化工程後に熱収縮する部材（ＦＲＰ材３及びそれ以外の部材）の図心間距離が、比較例よりも小さくなる。すなわち、ＦＲＰ材３の図心Ｄ３とＦＲＰ材３以外の部材であるアウタパネル１の図心Ｄ１との間の距離Ｌａ（図２参照）が、比較例におけるＦＲＰ材３の図心Ｄ３とＦＲＰ材３以外の部材である接合体５の図心Ｄ５との間の距離Ｌｂ（図２参照）よりも小さくなる。従って、本実施形態によれば、熱収縮する際に、ＦＲＰ材３以外の部材に生じる引張応力の合力の作用線と、ＦＲＰ材３に生じる圧縮応力の合力の作用線との間のずれに起因する曲げモーメントが、比較例よりも低減される。
さらに、本実施形態にがかる方法では、アウタパネル１に前側壁１２と後側壁１３とを設け、ＦＲＰ材３に、前側壁１２に沿って延びる前側壁３２と、後側壁１３に沿って延びる後側壁３３とを設けた。そのため、ＦＲＰ材３に外側壁３１のみを設けた場合と比較して、センターピラーの長手方向に直交する断面において、アウタパネル１の図心Ｄ１とＦＲＰ材３の図心Ｄ３との間の距離Ｌａ（図２参照）を小さくすることができる。すなわち、熱収縮する際に、アウタパネル１に生じる引張応力の合力の作用線と、ＦＲＰ材３に生じる圧縮応力の合力の作用線との間のずれに起因する曲げモーメントを低減することができる。これにより、インナパネル２を接合する時点でのアウタパネル１自体の変形を、ＦＲＰ材３に外側壁３１のみを設けた場合よりも抑制することができる。
なお、加熱・硬化工程後の降温過程では、加熱炉から取り出したアウタパネル１及びＦＲＰ材３を強制的に冷却してもよく、自然冷却により冷却してもよい。加熱炉内に１日程度放置することで、徐冷してもよい。アウタパネル１及びＦＲＰ材３は、必ずしも常温（例えば５～３５℃）まで降温させる必要はない。ＦＲＰ材３が接着されたアウタパネル１へのインナパネル２の接合は、アウタパネル１及びＦＲＰ材３が常温に至る前に或いは降温過程の途中で行ってもよい。また、アウタパネル１及びＦＲＰ材３の降温過程における熱収縮を、例えば、降温過程の途中でアウタパネル１に常温のインナパネル２を接合することで低減させてもよい。すなわち、アウタパネル１側の熱収縮によりインナパネル２側に圧縮応力を生じさせ、インナパネル２側が凹になるようなアウタパネル１及びＦＲＰ材３の湾曲変形を打ち消すようにしてもよい。
＜第２実施形態＞
第２実施形態にかかる方法では、第１実施形態にかかる方法においてＦＲＰ材３をアウタパネル１に取り付ける際に、図５に示すように、ＦＲＰ材３の長手方向両端部を、例えばセルフピアスリベットなどの締結具６を用いてアウタパネル１に締結する。そして、締結具６でＦＲＰ材３をアウタパネル１に保持した状態で、ＦＲＰ材３及び接着剤４をアウタパネル１とともに加熱して硬化させる。なお、締結具６による締結部は、図示の例に限らず、例えば、ＦＲＰ材３の長手方向中央域に設けてもよく、ＦＲＰ材３の長手方向の複数箇所に設けてもよい。
本実施形態によれば、ＦＲＰ材３をアウタパネル１に締結具６で保持した状態で、ＦＲＰ材３及び接着剤４をアウタパネル１とともに加熱して硬化させる。このため、ＦＲＰ材３をアウタパネル１に接着剤４で取り付ける工程及び加熱・硬化工程を通じて、ＦＲＰ材３をアウタパネル１に対して精度良く位置決めすることができる。
また、本実施形態によれば、締結具６によってアウタパネル１とＦＲＰ材３とがより強固に結合される。このため、加熱・硬化工程及びその後の降温過程を通じて、アウタパネル１とＦＲＰ材３とが熱膨張・熱収縮する際に、両者間の熱膨張量または熱収縮量の差を、締結具６による結合を含まない場合よりも低減させることができる。これにより、ＦＲＰ材３及び接着剤４が硬化した後のアウタパネル１、ＦＲＰ材３及び接着剤４の残留応力を低減することができる。
さらに、本実施形態によれば、加熱・硬化工程及び降温過程を通じて、締結具６による結合によってＦＲＰ材３の拘束力がより効率的にアウタパネル１に作用するから、締結具６による結合を含まない場合よりもアウタパネル１の熱膨張及び熱収縮が抑制される。このため、インナパネル２と接合する時点におけるアウタパネル１の伸びを低減することができ、接合後のセンターピラーの好ましくない変形をさらに抑制することができる。
また、締結部においては、図６に示すように、ＦＲＰ材３の外側壁３１をアウタパネル１の外側壁１１に締結具６で保持し、ＦＲＰ材３の前側壁３２及び後側壁３３をアウタパネル１の前側壁１２及び後側壁１３にそれぞれ締結具６で保持してもよい。この場合、加熱・硬化工程及びその後の降温過程を通じて、アウタパネル１の長手方向のねじれ変形に対し、ＦＲＰ材３の拘束力がより効率的にアウタパネル１に作用する。これにより、インナパネル２に接合される前の状態におけるアウタパネル１のねじれ変形を抑制することができる。なお、各締結部における締結具６の配置は、図示の例に限らない。
以上、いくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎない。発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。
例えば、上記実施形態では、ＦＲＰ材３はアウタパネル１に接着されていたが、ＦＲＰ材３はインナパネル２に接着されてもよい。また、ＦＲＰ材３は、アウタパネル１の内側面に接着されていたが、外側面に接着されてもよい。
また、上記実施形態では、ＦＲＰ材３はＣ字状断面を有していたが、アウタパネル１に接着可能な形状であれば、特に限定されず、ＦＲＰ材３の断面形状は、例えば、Ｖ字状、Ｅ字状、矩形状などであってもよい。
上記実施形態では、閉断面構造部材としてセンターピラーを例にとって説明した。しかしながら、上記実施形態にかかる方法が、フロントピラー、リアピラー、サイドシル、ルーフレール、サスペンションメンバなど自動車等車両の他の閉断面構造部材を製造する方法として適用できることは勿論である。
上記方法は、自動車等車両における閉断面構造部材を製造する方法として利用することができる。
１ アウタパネル（第１パネル）
２ インナパネル（第２パネル）
３ ＦＲＰ材
４ 接着剤
６ 締結具
１１ 外側壁（第１壁）
１２ 前側壁（第２壁）
１３ 後側壁（第２壁）
３１ 外側壁（第３壁）
３２ 前側壁（第４壁）
３３ 後側壁（第４壁）

Claims (3)

  1. 閉断面を形成するように接合された第１パネル及び第２パネルと、
    前記第１パネルに接着された、前記第１パネルの線膨張係数及び前記第２パネルの線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有するＦＲＰ材と、
    を含む閉断面構造部材を製造する方法であって、
    前記ＦＲＰ材を前記第１パネルに接着剤で取り付け、
    前記ＦＲＰ材及び前記接着剤を前記第１パネルとともに加熱して硬化させ、
    前記ＦＲＰ材及び前記接着剤が硬化した前記第１パネルに前記第２パネルを接合する、ことを含む方法。
  2. 前記ＦＲＰ材を前記第１パネルに締結具で保持した状態で、前記ＦＲＰ材及び前記接着剤を前記第１パネルとともに加熱して硬化させることを含む請求項１に記載の方法。
  3. 前記閉断面構造部材の長手方向に直交する断面において、前記第１パネルに、第１壁と、前記第１壁の両端部からそれぞれ前記第１壁と交差する方向に延び、かつ、互いに対向する一対の第２壁と、を設け、
    前記ＦＲＰ材に、前記第１壁に沿って延びる第３壁と、前記第３壁の両端部からそれぞれ前記第２壁に沿って延びる一対の第４壁と、を設け、
    前記ＦＲＰ材を前記第１パネルに前記締結具で保持する際、前記第３壁を前記第１壁に前記締結具で保持し、前記一対の第４壁を前記一対の第２壁にそれぞれ前記締結具で保持することを含む請求項２に記載の方法。
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