JP7173288B2

JP7173288B2 - 複合長尺部材

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Publication number: JP7173288B2
Application number: JP2021508087A
Authority: JP
Inventors: 洋志大久保
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2022-11-16
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: CN113613985A; JPWO2020194014A1; EP3950467A4; WO2020194014A1; US20220169319A1; CN113613985B; EP3950467A1; EP3950467B1

Description

本発明は、金属及び繊維強化樹脂により形成された複合長尺部材［ｌｏｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍｅｍｂｅｒ］に関する。

下記特許文献１には、車体骨格構造、より具体的には、車両のセンターピラーの構造が開示されている。このセンターピラーは、金属製のアウターパネルに繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の補強部材が接着剤によって接合されて構成されている。即ち、このセンターピラーは、金属及び繊維強化性樹脂により形成された複合長尺部材であり、金属板を繊維強化樹脂で補強することで、車体骨格構造部材としての強度及び剛性を両立させると共に、衝撃に対する強度を向上させている。

上記複合長尺部材（センターピラー）は、その長手方向に沿って、車体外側に凸となるように湾曲している［ｃｕｒｖｅｄｃｏｎｖｅｘｌｙｔｏｗａｒｄｔｈｅｏｕｔｓｉｄｅｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｂｏｄｙ］。即ち、アウターパネルも補強部材も同じように湾曲している。アウターパネルの長手方向に垂直な断面の形状は、湾曲外側に凸で、かつ、湾曲内側に凹の形状［ａｓｈａｐｅｐｒｏｔｒｕｄｉｎｇｏｎｔｈｅｏｕｔｅｒｓｉｄｅｏｆｔｈｅｃｕｒｖａｔｕｒｅａｎｄｄｅｐｒｅｓｓｉｎｇｏｎｔｈｅｉｎｎｅｒｓｉｄｅｏｆｔｈｅｃｕｒｖａｔｕｒｅ］（角ばったＵ字形状［ａｎｇｌｅｄＵ－ｓｈａｐｅ］）である。補強部材はアウターパネルの上述した断面形状の内側（湾曲内面）に接着されている。補強部材の長手方向に垂直な断面の形状も、湾曲外側に凸で、かつ、湾曲内側に凹の形状（角ばったＵ字形状）である。

日本国特開２０１３－２１２７３０号公報

上述した複合長尺部材（センターピラー）は、他の車両が側方から車体に衝突したり、当該衝突によって車体が横転したりした場合、車体外側、即ち、湾曲外側から荷重を受ける。荷重が大きい場合は、湾曲が潰れるように、車体内側へと変形する。補強部材を形成する繊維強化樹脂は、引張荷重に対しては強いが圧縮荷重には比較的弱いという性質を持っている。従って、複合長尺部材の変形が始まると補強部材も変形することになり、繊維強化樹脂には引張荷重だけでなく圧縮荷重も作用し始める。その結果、複合長尺部材が変形し始めると十分な補強を得ることができない。

従って、本発明の目的は、湾曲外側からの荷重によって変形し始めてからも当該荷重に充分に対抗できる複合長尺部材を提供することにある。

本発明に係る複合長尺部材は、長手方向に湾曲し、湾曲外側に凸の断面形状を有する主部材と、繊維強化樹脂で形成された、主部材の湾曲内側に配された補強部材と、を備えている。補強部材は、その一端が主部材の一端側に接着され、その他端が主部材の他端側に接着されている。補強部材の中間部が、主部材の湾曲内部で直線的に延設されている。

図１は、第一実施形態に係る複合長尺部材の分解斜視図である。図２は、上記複合長尺部材の第二部材の内部背面図である。図３は、上記複合長尺部材の側面図である。図４は、第二実施形態に係る複合長尺部材の斜視図である。

以下、図面を参照しつつ実施形態に係る複合長尺部材について説明する。

図１～図３に示されるように、第一実施形態の複合長尺部材は、車体骨格構造部材、具体的にはセンターピラー（Ｂピラー）として用いられている。なお、車両のセンターピラーは、前後ドア開口周囲骨格構造（サイドシル、Ａピラー、Ｃピラー、ルーフサイドレールなど）やリアフェンダーなどと一体的にボディサイドパネルの一部として形成されることもある。この場合も、センターピラーの部分を見れば複合長尺部材である。

本実施形態の複合長尺部材は、主部材としてのピラーアウターパネル１、及び、一対の補強部材２によって構成されている。また、センターピラーとしては、副部材としてのピラーインナーパネル３も備えている。センターピラーは、その長手方向に沿って、車体外側に凸となるように湾曲している。従って、ピラーアウターパネル１も、長手方向に沿って、車体外側に凸となるように湾曲している。ピラーインナーパネル３も、僅かではあるが車体外側に凸となるように湾曲している。

ピラーアウターパネル１の長手方向に垂直な断面の形状は、湾曲外側に凸の形状である。以下、この断面形状を所定断面形状［ｐｒｅｓｃｒｉｂｅｄｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌｓｈａｐｅ］と言う。本実施形態での所定断面形状は、さらに、湾曲内側に凹でもあり、具体的には角ばったＵ字形状である。ピラーインナーパネル３の長手方向に垂直な断面の形状は、（凹みの深さは浅いが）湾曲外側に凹で、かつ、湾曲内側に凸の形状であり、ピラーアウターパネル１の角ばったＵ字形状に対して対称的な角ばったＵ字形状である。

ピラーアウターパネル１及びピラーインナーパネル３は、スチールパネルをプレス成形することで形成されている。なお、上述したピラーアウターパネル１及びピラーインナーパネル３のそれぞれでは、両側縁から外側に向けてフランジがそれぞれ延設されており、ハット形断面を有している。ハット形断面は、角ばったＵ字形断面からフランジが延設されたものであり、所定断面形状の一種であり、かつ、角ばったＵ字形の一種でもある。角ばったＵ字形断面は、底板（正面板と捉えることもできる）の両側縁からそれぞれ側板が立ち上げられて形成されている。一対の側板は、互いに対向しており、互いにほぼ平行である。本実施形態では、ピラーアウターパネル１の底板（正面板）の一部に強度及び剛性を向上させるためのビード１０が形成されているが、ピラーアウターパネル１の断面形状は角ばったＵ字形（ハット形）である。

ピラーアウターパネル１及びピラーインナーパネル３は、上述したフランジで互いにスポット溶接により接合されている。なお、ピラーインナーパネル３の外側にボディサイドパネルのセンターピラー部分が配置される（即ち、ピラーアウターパネル１がピラースティフナとして用いられる）場合もある。この場合は、ボディサイドパネルも一体的にスポット溶接により接合される。ピラーアウターパネル１及びピラーインナーパネル３により、複合長尺部材であるセンターピラーが構成されるが、このセンターピラー（複合長尺部材）は、その内部に一対の補強部材２を取り付けることで、湾曲外側からの荷重に対して有効に対抗できる。

本実施形態では、一対の補強部材２は、第一補強部材２ｘ及び第二補強部材２ｙ（即ち、複数の補強部材２ｘ及び２ｙ）を備えている。第一補強部材２ｘと第二補強部材２ｙとは対称的に形成されており、一対で用いられている。各補強部材２は、繊維強化性樹脂、より具体的には、熱硬化性樹脂をマトリクス樹脂とするＣＦＲＰ（炭素繊維強化性樹脂）で形成されている。補強部材２のＣＦＲＰは、ピラーアウターパネル１に接着される前にそのマトリクス樹脂が硬化されている。補強部材２は、テープ状の形状を有しており、本実施形態では、その両端（一端及び他端）には、接着部としてのタブ２ａが形成されている。タブ２ａは、補強部材２の長手方向に対して直角に側方に延出されている。各補強部材２は、その両端（タブ２ａを含む）でピラーアウターパネル１の内側に接着剤によって接着されている。

より具体的には、各補強部材２の一端（上端）が、ピラーアウターパネル１の一端側（上端側／上部）に接着され、その他端（下端）が、ピラーアウターパネル１の他端側（下端側／下部）に接着されている。その接着強度は、接着面積、即ち、タブ２ａの面積によって調整される。本実施形態では、第一補強部材２ｘのタブ２ａがピラーアウターパネル１に直接接着され、第二補強部材２ｙのタブ２ａは、第一補強部材２ｘのタブ２ａを介して、ピラーアウターパネル１に接着されている。補強部材２の両端の間は、三次元的に直線的に延びる中間部２ｂとして形成されている。中間部２ｂにおけるＣＦＲＰの繊維の配向は、中間部２ｂの延設方向に一致している。

なお、補強部材２は、一本だけが設けられてもよいが、その場合、厚さが同じであれば、上述した第一補強部材２ｘ及び第二補強部材２ｙの合計幅が必要になる。また、一本の補強部材２を設ける場合、その両端はピラーアウターパネル１の上述した底板（正面板）の内面に接着される（タブ２ａは不要）。しかし、本実施形態では、複合長尺部材が車体のセンターピラーとして用いられており、ピラーアウターパネル１には、リアドアヒンジの取付孔１１が設けられている。リアドアヒンジは、車室側からナットで締結されるので、一本の補強部材２をピラーアウターパネル１の底板（正面板）の内面に接着すると、ナットを締結できない。スペース的に問題なければ、上述した一本の補強部材２を一方の側板のみに接着してもよいが、図３に示されるように、本実施形態ではスペース的に難しい。

また、ピラーアウターパネル１には、リアドアへのハーネスを通すための貫通孔１２も形成されている。この貫通孔１２には、ハーネスを保護すると共にセンターピラー内部への雨水の侵入を防止するグロメットの一端が取り付けられる（グロメットの他端はリアドアに取り付けられる）。従って、一本の補強部材２をピラーアウターパネル１の底板（正面板）の内面に接着すると、ハーネスを貫通孔１２に通すこともできなくなってしまう。そこで、本実施形態では、第一補強部材２ｘ及び第二補強部材２ｙに分けて設けることで、配置自由度を向上させている。具体的には、中間部２ｂの面がピラーアウターパネル１の側板の面にほぼ平行となるように、補強部材２を配向させることで、センターピラーの内部空間を有効に利用することができる。

なお、上述したリアドアヒンジにナットを締結するための開口３０が、ピラーインナーパネル３にも形成されている。また、ピラーアウターパネル１の側板には、フロントドアのドアロックストライカーの取付孔１３や、リアドアの最大開度を規制するチェックリンクの取付孔（図示せず）も設けられている。ドアロックストライカーの取付孔１３やチェックリンクの取付孔では、ピラーアウターパネル１の内側にウェルドナットが溶接される。このため、補強部材２は、これらのウェルドナットとの干渉も回避するように配置される。従って、高い配置自由度は有効である。

なお、センターピラーの根元の内部には、前席のシートベルトユニットが収納される。このため、ピラーインナーパネル３の下端には開口３１が形成されている。この開口３１からは、シートベルトのウェビングの腰側が導出される。また、ピラーインナーパネル３には、シートベルトのウェビングの肩側が導出される開口３２も形成されている。図示されていないが、センターピラー（複合長尺部材）の上部には、シートベルトアンカーを保持するための機構も設けられる。これらのユニットや機構を考慮しても、高い配置自由度は有効である。

上述したように、本実施形態では、湾曲したピラーアウターパネル１の上述した所定断面形状の内側に、補強部材２の両端が接着されている。そして、補強部材２の中間部２ｂは、湾曲したピラーアウターパネル１の内側に直線的に延設されている。即ち、中間部２ｂは弓の弦のように配設されている。従って、他の車両が側方から車体に衝突したり、当該衝突によって車体が横転したりした場合に、センターピラー（複合長尺部材）に湾曲外側から荷重が作用する。湾曲外側からの荷重は湾曲を伸ばすように、ピラーアウターパネル１に作用する。この結果、補強部材２の中間部２ｂには引張荷重が作用するが、ＣＦＲＰである中間部２ｂはこの引張荷重に有効に対抗でき、センターピラー（複合長尺部材）の変形を抑制する。ここで、中間部２ｂのＣＦＲＰの繊維の方向が中間部２ｂの延設方向に一致しているため、より効果的に引張荷重に対抗できる。本実施形態では、複合長尺部材が車体のセンターピラーであるため、車室空間を維持することができる。

補強部材２を形成する繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）は、引張荷重に対しては強いが圧縮荷重には比較的弱い。本実施形態では中間部２ｂには引張荷重のみが作用して圧縮荷重は作用しないため、安定的に引張荷重に対抗できる。上述した湾曲外側からの荷重が大きい場合、センターピラーが湾曲内側へと変形し始める場合もある。その場合も、上述したように、湾曲するピラーアウターパネル１に補強部材２は弓の弦のように取り付けられており、ピラーアウターパネル１と補強部材２との間には隙間がある。このため、ピラーアウターパネル１が大きく変形して補強部材２に接触するまでは、補強部材２には引張荷重しか作用しない。従って、ピラーアウターパネル１が大きく変形するまで、センターピラー（複合長尺部材）の変形をより効果的に抑制できる。

次に、図４を参照しつつ第二実施形態について説明する。なお、上述した第一実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の符号を付してそれらの詳しい説明は省略する。本実施形態のセンターピラーでは、第一実施形態の一対の補強部材２が側面視で交差するように二対設けられている。第一実施形態では、一対の補強部材２を第一補強部材２ｘ及び第二補強部材２ｙとして把握した。本実施形態でもそのように把握することは可能であるが、二対の補強部材２の一方を第一補強部材２Ｘ、他方を第二補強部材２Ｙとして説明する。

第一補強部材２Ｘは、ピラーアウターパネル（主部材）１の上部に配設され、第二補強部材２Ｙは、ピラーアウターパネル１の下部に配設されている。第一補強部材２Ｘは、ほぼ平行な一対の第一補強部材２Ｘｘ及び２Ｘｙからなる。第一補強部材２Ｘｘ及び２Ｘｙのそれぞれは、テープ状の形状を有しており、その両端（一端及び他端）から接着部としてのタブ２ａが直角に延出されている。第一補強部材２Ｘｘ及び２Ｘｙのそれぞれは、その両端（タブ２ａを含む）でピラーアウターパネル１の内側に接着剤によって接着されている。本実施形態では、第一補強部材２Ｘｘのタブ２ａがピラーアウターパネル１に直接接着され、第一補強部材２Ｘｙのタブ２ａが第一補強部材２Ｘｘのタブ２ａを介してピラーアウターパネル１に接着されている。第一補強部材２Ｘｘ及び２Ｘｙのそれぞれにおいて、その両端の間は三次元的に直線的に延びる中間部２ｂとして形成されている。中間部２ｂにおけるＣＦＲＰの繊維の配向は、中間部２ｂの延設方向に一致している。

同様に、第二補強部材２Ｙは、ほぼ平行な一対の第二補強部材２Ｙｘ及び２Ｙｙからなる。第二補強部材２Ｙｘ及び２Ｙｙのそれぞれも、テープ状の形状を有しており、その両端からタブ２ａがそれぞれ延出されている。第二補強部材２Ｙｘ及び２Ｙｙのそれぞれは、その両端（タブ２ａを含む）でピラーアウターパネル１の内側に接着されている。第二補強部材２Ｙｘのタブ２ａがピラーアウターパネル１に直接接着され、第二補強部材２Ｙｙのタブ２ａが第二補強部材２Ｙｘのタブ２ａを介してピラーアウターパネル１に接着されている。第二補強部材２Ｙｘ及び２Ｙｙのそれぞれにおいて、その両端の間は三次元的に直線的に延びる中間部２ｂとして形成されている。中間部２ｂにおけるＣＦＲＰの繊維の配向は、中間部２ｂの延設方向に一致している。第一補強部材２Ｘの中間部２ｂと第二補強部材２Ｙの中間部２ｂとは、それぞれ交差している。

本実施形態の第一補強部材２Ｘ及び第二補強部材２Ｙは、第一実施形態の補強部材２を分割したものとみなすこともできる。分割することで、本実施形態では補強部材２が設けられる範囲が下方に拡張されている（図４及び図２参照）。分割して第一補強部材２Ｘ及び第二補強部材２Ｙを設けることで、補強部材２をピラーアウターパネル１の湾曲形状に沿って配置することが可能となり、ピラーアウターパネル１と対向するピラーインナーパネル３との干渉を防止することができる。即ち、補強部材２の配置自由度を向上させることができる。補強部材２の配置自由度が向上できるので、上述したウェルドナットなどとの干渉を回避できる。

特に、本実施形態では、第一補強部材２Ｘの中間部２ｂの延設方向と第二補強部材２Ｙの中間部２ｂの延設方向とが交差している。即ち、第一補強部材２Ｘと第二補強部材２Ｙとが、ピラーアウターパネル１の湾曲方向に沿って重複して配置されている。このように配置することで、センターピラー（複合長尺部材）に湾曲外側から荷重が作用したときにピラーアウターパネル１の変形を抑制する張力を複数方向に生じさせることができ、かつ、その位置も調整することができる。この結果、湾曲外側からの荷重に対してより一層効果的に対抗できる。

また、例えば、第一実施形態において衝突や横転によってピラーアウターパネル１の上端が内側に屈曲することがある。この場合、補強部材２の中間部２ｂが撓んで湾曲外側からの荷重に対抗できない（中間部２ｂに引張荷重が作用しない）。本実施形態の場合、ピラーアウターパネル１が同じように変形すると、確かに、上方の第一補強部材２Ｘは第一実施形態と同様に中間部２ｂが撓んで湾曲外側からの荷重に対抗できない。しかし、下方の第二補強部材２Ｙの中間部２ｂは撓まないので湾曲外側からの荷重に対して対抗することができる。

上述した第一実施形態及び第二実施形態の複合長尺部材は、車体骨格構造（センターピラー）として用いられており、車体外側に凸となるように湾曲して用いられている。上述した側突時や横転時には車体の外側から車体骨格構造部材に荷重が作用し、補強部材２に引張荷重が作用する。補強部材２は強化繊維樹脂（本実施形態ではＣＦＲＰ）によって形成されており、圧縮荷重よりは引張荷重に強い。また、上述した荷重によって主部材１（及び副部材３）には圧縮荷重も作用するが、金属で形成された主部材１（及び副部材３）は圧縮荷重に対して強い。従って、上記実施形態の複合長尺部材は、側突時や横転時に作用する荷重に効果的に対抗できるので、車体骨格構造として用いるのに好ましい。例えば、上記実施形態の複合長尺部材は、センターピラー（Ｂピラー）の他、Ａピラー、Ｃピラー、ルーフサイドレール、フロントバンパ、リアバンパとして、（主部材１を車体外側に凸となるように湾曲させて）好適に用いることができる。特に、複合長尺部材を車室の外郭構造材（Ａ～Ｃピラー、ルーフサイドレール）として用いることで、車体外側から荷重が作用しても車室空間（生存空間）を維持することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、補強部材２はＣＦＲＰによって形成されたが、ＣＦＲＴＰやＧＦＲＰ等の他の繊維強化樹脂によって形成されてもよい。

本発明の複合長尺部材（及びその形成方法）は、車体骨格構造部材として用いられ得る。

１ピラーアウターパネル（主部材）
２補強部材
２ｘ，２Ｘ第一補強部材
２ｙ，２Ｙ第二補強部材
２ａタブ（補強部材の一端又は他端）
２ｂ（補強部材の）中間部
３ピラーインナーパネル（副部材）

Claims

複合長尺部材であって、
長手方向に湾曲し、当該長手方向に垂直な断面の形状が湾曲外側に凸の形状である主部材と、
繊維強化樹脂で形成された、前記主部材の湾曲内側で、かつ、前記断面の内部に配された補強部材と、を備えており、
前記補強部材の一端が前記主部材の前記長手方向の一端側に接着され、前記補強部材の他端が前記主部材の前記長手方向の他端側に接着されており、
前記補強部材の前記一端と前記他端との間の中間部が、前記主部材の前記断面の内部で直線的に延設されており、
前記主部材と前記補強部材の前記中間部との間に隙間が形成されている、ことを特徴とする複合長尺部材。
前記補強部材が、少なくとも、第一補強部材及び第二補強部材を備えている、請求項１に記載の複合長尺部材。
前記第一補強部材の前記中間部の延設方向と前記第二補強部材の前記中間部の延設方向とが交差している、請求項２に記載の複合長尺部材。
前記中間部における前記繊維強化樹脂の繊維の配向が、前記中間部の延設方向に一致している、請求項１～３の何れか一項に記載の複合長尺部材。