JP7277201B2 - 複合長尺部材及びその形成方法 - Google Patents

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と、その形成方法とに関する。

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、コ字形断面の金属板の内部に、やはりコ字形断面の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）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。

特開２０１３－２１２７３０号公報

上述した複合長尺部材を形成するには、コ字形断面の金属板の凹内面、又は、コ字形断面の繊維強化樹脂の補強部材の凸外面に接着剤を塗布し、金属板の内部に補強部材を挿入する。両者の接着強度を確保するには広い接着面積が必要であるので、金属外板の凹内面と補強部材の凸外面とが広く密着するように、両者のコ字形断面はほぼ同じにされる。この時、コ字形断面の両側部（一対の対向する側板）の開き角が小さい、即ち、一対の側板がほぼ平行である場合、金属板の内部に補強部材を挿入する際に接着剤が引きずられて偏りが生じる場合がある。例えば、金属板の凹内面に接着剤を塗布してから金属板の内部に補強部材を挿入する場合、接着剤が補強部材の角部で掻き落とされてしまう。このように、接着剤に偏りが生じると、側板において所望の接着強度が得られない。

従って、本発明の目的は、金属と繊維強化性樹脂とを接着剤によりしっかりと接合することのできる複合長尺部材と、その形成方法とを提供することにある。

本発明に係る複合長尺部材は、第一部材と、第二部材と、補強部材とからなる。第一部材は、金属によって形成され、コ字形断面を有する。第二部材も、金属で形成され、第一部材のコ字形の内部に接合されたアーチ形断面を有する。補強部材は、繊維強化樹脂で形成され、アーチ形断面の凸外面が第二部材のアーチ形断面の凹内面に接着される。互いに接着される第二部材と補強部材との間には、接着剤層が形成される。第二部材のアーチ形の両側部の開き角は、第一部材のコ字形の両側部の開き角よりも大きい。

また、本発明に係る複合長尺部材の形成方法における複合長尺部材は、コ字形である金属製の第一部材と、長手方向に垂直な断面形状がアーチ形である金属製の第二部材と、繊維強化樹脂で形成された、長手方向に垂直な断面形状がアーチ形である補強部材と、を備える。上記形成方法では、第二部材のアーチ形の両側部の開き角が第一部材のコ字形の両側部の開き角よりも大きくなるように、第二部材が予め形成される。金属製の第二部材のアーチ形の凸外面が金属製の第一部材のコ字形の内部に溶接され、その後、繊維強化樹脂製の補強部材のアーチ形の凸外面が第二部材のアーチ形の凹内面に接着剤によって接着される。

本発明に係る複合長尺部材及びその形成方法によれば、複合長尺部材を構成する金属と繊維強化性樹脂とを接着剤によりしっかりと接合することができる。

図１は、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部分正面図である。 図３は、上記複合長尺部材の断面図（図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図）である。 図４は、上記複合長尺部材の断面図（図２におけるＩＶ－ＩＶ線断面図）である。

以下、図１～図４を参照しつつ実施形態に係る複合長尺部材（及びその形成方法）について説明する。

本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。

図１に示されるように、本実施形態の複合長尺部材は、第一部材としてのピラーアウターパネル１、第二部材２、及び、補強部材３によって構成されている。また、センターピラーとしては、第三部材としてのピラーインナーパネル４も備えている。ピラーアウターパネル１及びピラーインナーパネル４は、鉄系金属、具体的には、スチールによって形成されている。即ち、本実施形態では、ピラーアウターパネル１及びピラーインナーパネル４は、同じ金属（鉄系金属：スチール）で形成されている。また、ピラーアウターパネル１（及びピラーインナーパネル４）の長手方向に垂直な断面形状は、図３及び図４に示されるように、ハット形である。

なお、ハット形断面は、コ字形断面の両側縁から外側に向けてフランジがそれぞれ延設されたものであり、コ字形断面の一種でもある。コ字形断面は、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の断面形状はコ字形（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４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４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４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、その内部に補強部材３が取り付けられることで、その強度及び剛性が向上されている。そして、第二部材２は、補強部材３とセンターピラー（特に、ピラーアウターパネル１）との接合強度を向上させるために設けられている。

第二部材２も、ピラーアウターパネル１及びピラーインナーパネル４と同様に、鉄系金属、具体的には、スチールによって形成されている。即ち、本実施形態では、第二部材２も、ピラーアウターパネル１（及びピラーインナーパネル４）と同じ金属（鉄系金属：スチール）で形成されている。なお、ここで、板厚や引張強度が異なっても、鉄系金属であれば同じ金属である。例えば、車体として用いられる鋼板は、引張強度によって、高張力鋼板や超高張力鋼板などと呼び分けられるが、これらは同じ金属である。同じ金属としては、アルミ系金属も例示され得る。

また、第二部材２の長手方向に垂直な断面形状は、アーチ形である。本実施形態におけるアーチ形は、一対の側板の端縁からそれらの中央に向けてなだらかに湾曲している。ただし、アーチ形は、断面上で、一対の側板間の距離Ｄが徐々に狭くなり、かつ、各側板が第一部材としてのピラーアウターパネル１に向けて凸となっていればよい。即ち、本実施形態のようになだらかな湾曲ではなくても、正多角形の一部を切り取ったような断面もアーチ形である。

本実施形態の第二部材２は、ピラーアウターパネル１にスポット溶接によって接合される。なお、スポット溶接でなく、レーザ溶接（線溶接）でもよい。図２に、第二部材２の一部を示すが、図２中の＊で示される点がスポット溶接個所である。なお、本実施形態では第二部材２とピラーアウターパネル１とは同じ金属で形成されるため、その接合強度を高くできる。特に、溶接での接合は、十分な強度を得られ、かつ、他の部品を必要としないため好ましい。また、溶接による接合は、接合強度の経時的な変化や温度による接合強度の変化が少ない点でも好ましい。

また、ピラーアウターパネル１と第二部材２との接合に接着剤を用いてもよい。コ字形断面のピラーアウターパネル１の内部にアーチ形断面の第二部材２の凸外面を接着剤で接合するには、十分な接着面積を確保できない。従って、ピラーアウターパネル１と第二部材２とを接着剤で接合するには、両者が同じ金属で形成されている方が好ましい。異種材料の接着は、接着剤が両方の材質に対して十分な接着強度を発現しなければならないため、同じ金属同士を接合する方が高い接着（接合）強度を得やすい。なお、ピラーアウターパネル１と第二部材２との接合にボルトやリベットを用いてもよい。この場合は、十分な接合強度を得られると思われるが、部品点数が増加してしまう。ただし、この場合も、同じ金属同士を接合するのであれば、電食を気にする必要がないので好ましい。

なお、図１に示されるように、センターピラー（複合長尺部材）には、フロントドアのドアロックストライカーの取付孔１１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１２が設けられている。ドアロックストライカーの取付孔１１やチェックリンクの取付孔１２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、第二部材２には、図２に示されるように、ドアロックストライカーの取付孔１１のウェルドナット１５（図４参照）との干渉を防止するための窪み２１や、チェックリンクの取付孔のウェルドナットとの干渉を防止するための窪み２２が形成されている。

また、図１に示されるように、センターピラー（複合長尺部材）には、リアドアヒンジの取付孔１３も設けられている。リアドアヒンジは、車室側からナットで締結されるので、図２に示されるように、第二部材２には、締結されるナットを避けるための貫通孔２３が形成されている。さらに、図１に示されるように、センターピラー（複合長尺部材）には、リアドアへのハーネスを通すための貫通孔１４も形成されている。この貫通孔１４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）。第二部材２にも、リアドアへのハーネスを通すための貫通孔２４が形成されている。

補強部材３は、繊維強化性樹脂で形成されている。より具体的には、補強部材３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。なお、補強部材３のＣＦＲＰは、第二部材２と接着剤で接合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３も、第二部材２と同じアーチ形断面を有している。より詳細には、第二部材２の凹湾曲面と補強部材３の凸湾曲面とが同じ形をしている。このため、第二部材２の凹内面と補強部材３の凸外面とは、（後述する接着剤層５を介して）面接触する。補強部材３にも、上述した第二部材２の窪み２１及び２２並びに貫通孔２３及び２４にそれぞれ対応する、窪み３１及び３２並びに貫通孔３３及び３４が形成されている。

センターピラー（複合長尺部材）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４の下端には開口４０が形成されている。この開口４０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４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４１も形成されている。なお、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。さらに、ピラーインナーパネル４にも、リアドアヒンジにナットを締結するための開口４２も形成されている。

上述したように、本実施形態の第二部材２は、補強部材３とセンターピラー（特に、ピラーアウターパネル１）との接合強度を向上させるために設けられている。このため、本実施形態の第二部材２の材質（スチールとしてのグレード）及び板厚などは、センターピラーの強度及び剛性の向上への寄与度は低い。しかし、第二部材２のセンターピラーの強度及び剛性の向上への寄与度が高くなるように、第二部材２の材質や板厚が設定されてもよい。また、本実施形態の補強部材３は、ＣＦＲＰで形成されているが、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。

上述したように、補強部材３の凸外面は、接着剤によって第二部材２の凹内面に接合されている。このため、補強部材３と第二部材２との間には、図３及び図４に示されるように接着剤層５が形成される。第二部材２は金属であり、補強部材３はＣＦＲＰであるので、両者は異種材料である。上述したように、異種材料の接着に用いられる接着剤には両方の素材に対する接着強度が求められる。ただし、ここでは、第二部材２の凹内面と補強部材３の凸外面とは同じ形であるので全面で接着される。このため、十分な接着面積を確保でき、容易かつ確実に十分な接着強度を得ることができる。

補強部材３の凸外面をピラーアウターパネル１の内部に接合された第二部材２の凹内面に接着する際には、何れか一方（両方でもよい）に接着剤が塗布された後に補強部材３が第二部材２の内部に挿入される。ここで、補強部材３及び第二部材２がアーチ形断面を有しているので、補強部材３の挿入時に補強部材３によって塗布された接着剤が掻き取られるようなことはない。また、補強部材３の挿入時に、塗布された接着剤がずり上がって接着剤に偏りが生じるようなこともない。

従って、接着剤の偏りは生じずに全面に亘って均一な厚さの接着剤層５を形成することができ、十分な接着強度で補強部材３を第二部材２に接合することができる。即ち、第二部材２を介して、十分な接着強度で補強部材３をピラーアウターパネル（第一部材）１に接合することができる。第二部材２を介して、十分な接着強度で補強部材３をピラーアウターパネル（第一部材）１に接合することで、センターピラー（複合長尺部材）の強度や剛性（曲げ剛性及びねじり剛性）を向上させることができる。

特に、本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、ピラーアウターパネル（第一部材）１を外側に向けて用いられている。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場合、車体の外側から車体骨格構造部材に荷重が作用する。本実施形態の複合長尺部材では、第二部材２の内側に接着された補強部材３によって第一部材１が補強されているので、上述した荷重によって補強部材３には引張荷重が作用する。補強部材３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第一部材１及び第二部材２には圧縮荷重が作用するが、金属で形成された第一部材１及び第二部材２は圧縮荷重に対して強い。従って、本実施形態の複合長尺部材は、衝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、本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、サイドシル、フロントバンパ、リアバンパとして、（第一部材１を外側に向けて）好適に用いることができる。

コ字形断面及びアーチ形断面についてより詳しく説明する。コ字形断面は、上述したように、底板（正面板）とその両側縁から角度をもって延設された一対の対向する側板とで形成される。一対の側板が平行である場合、それらの間の距離は一定である。ここで、コ字形断面の両側部（一対の側板）の開き角をα°とする（図２参照）。ただし、一対の側板が平行な場合、開き角は０°であるとする（理論的には、１８０°＞α≧０°）。

一方、アーチ形断面は、一対の側板の端縁から中央に向けてなだらかに湾曲し、かつ、外側に向けて凸となっている。従って、一対の側板間の距離Ｄ（図２参照）は徐々に狭くなる。即ち、コ字形断面のピラーアウターパネル（第一部材）１とアーチ形断面の第二部材２とを例にすれば、断面上において、側板の端縁から離れるほど、ピラーアウターパネル（第一部材）１と第二部材２との間の隙間は大きくなる。ここで、アーチ形断面の両側部（一対の側板）の開き角をβとする（図２参照）。

このとき、アーチ形断面の開き角βはコ字形断面の開き角αよりも大きい（１８０°＞β＞α≧０°）。なお、アーチ形断面の場合、側板と底板（正面板）との境界が分かりにくい場合や、側板が湾曲又は屈曲している場合がある。このような場合は、断面の深さの半分を側板とみなし、屈曲している場合はその平均角度や、湾曲している場合は中央での接線角度に基づいて、開き角βが求められる。従って、コ字形断面とアーチ形断面とは、その側板の端縁近傍のみを見れば、互いにほぼ平行である場合もある。

次に、上述した複合長尺部材（センターピラー）の形成方法について説明する。まず、予め、ピラーアウターパネル（第一部材）１、第二部材２、補強部材３及びピラーインナーパネル（第三部材）４がそれぞれ形成される。ピラーアウターパネル１、第二部材２及びピラーインナーパネル４は、鋼板をプレス成形することで形成される。補強部材３は、型を用いてプリプレグを賦形した後にオートクレーブで加熱して形成する。このとき、上述したように、アーチ形断面の第二部材２の開き角βが、コ字形断面のピラーアウターパネル１の開き角αよりも大きくなるように（β＞α）、ピラーアウターパネル１及び第二部材２が形成される。

次に、第二部材２が、ピラーアウターパネル１の内部に溶接（本実施形態ではスポット溶接）によって接合される。次に、補強部材３の凸外面が接着剤によって第二部材２の凹内面に接着され、接着剤層５が形成される。上述したように、アーチ形断面の補強部材３が、同じくアーチ形断面の第二部材２に接着されるので、接着剤の偏りは生じない。これにより、補強部材３が第二部材２を介してピラーアウターパネル（第一部材）１にしっかりと接合される。最後に、ピラーアウターパネル１とピラーインナーパネル４とが、それらのフランジにおいて互いに溶接（本実施形態ではスポット溶接）によって接合される。このように形成されたセンターピラー（複合長尺部材）は、金属と繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）とからなる複合部材である。

本実施形態の複合長尺部材（及びその形成方法）は、コ字形断面を有する金属製の第一部材（ピラーアウターパネル）１と、アーチ形断面を有する金属製の第二部材２と、アーチ形断面を有する繊維強化樹脂製の補強部材３とを備えている。第二部材２が第一部材１の内部に接合され、かつ、補強部材３の凸外面が接着剤層５を介して第二部材２の凹内面に接合されている。従って、金属同士の第一部材１と第二部材２との接合強度を確保しつつ、かつ、同じアーチ形断面を有する（異種材料の）第二部材２と補強部材３とを広い接着面積を確保して接着剤層５を介して十分な接合（接着）強度で接合できる。この結果、金属製の第一部材１と繊維強化性樹脂製の補強部材３とを第二部材２（及び接着剤層５）を介してしっかりと接合することができ、複合長尺部材の強度及び剛性を向上させることができる。

アーチ形断面を有する補強部材３は、同じくアーチ形断面を有する第二部材２に接着されるので、両者の接着時に接着剤の偏りは生じることはなく、接着剤層５を介した補強部材３と第二部材２との接合（接着）強度を十分に確保することができる。

ここで、本実施形態によれば、アーチ形断面の第二部材２の開き角βが、コ字形断面の第一部材１の開き角αよりも大きい（β＞α）。従って、接着時の接着剤の偏りを確実に回避して、アーチ形断面の第二部材２にアーチ形断面の補強部材３を十分な接合（接着）強度で接着することができる。

また、本実施形態によれば、第二部材２が溶接によって第一部材１に接合されている。従って、コ字形断面の第一部材１の内部にアーチ形断面の第二部材２を接合するのに十分な接触面積を確保できないが、第一部材１も第二部材２も金属製なので両者を溶接によって接合することで十分な接合強度を確保することができる。

また、本実施形態では、第一部材１と第二部材２とが同じ金属で形成されているので、（上述したように溶接であっても接着であっても）両者を容易かつ強固に接合することができる。また、第一部材１と第二部材２との間の電食も防止できる。

本発明複合長尺部材（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（第一部材）
２ 第二部材
３ 補強部材
４ ピラーインナーパネル（第三部材）
５ 接着剤層
α （第一部材の）開き角
β （第二部材の）開き角

Claims (5)

1. 複合長尺部材であって、
   長手方向に垂直な断面形状がコ字形である金属製の第一部材と、
   長手方向に垂直な断面形状がアーチ形である金属製の第二部材であって、当該アーチ形の凸外面が前記第一部材のコ字形の内部に接合された第二部材と、
   繊維強化樹脂で形成された、長手方向に垂直な断面形状がアーチ形である補強部材であって、当該アーチ形の凸外面が前記第二部材のアーチ形の凹内面に接着された補強部材と、
   前記第二部材の前記凹内面と前記補強部材の前記凸外面との間に形成された接着剤層と、を備えており、
   前記第二部材のアーチ形の両側部の開き角が、前記第一部材のコ字形の両側部の開き角よりも大きい、ことを特徴とする複合長尺部材。
2. 前記第一部材のコ字形の内部に、前記第二部材が溶接によって接合されている、ことを特徴とする請求項１に記載の複合長尺部材。
3. 前記第一部材と前記第二部材とが同じ金属で形成されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合長尺部材。
4. 長手方向に垂直な断面形状がコ字形である金属製の第一部材と、長手方向に垂直な断面形状がアーチ形である金属製の第二部材と、繊維強化樹脂で形成された、長手方向に垂直な断面形状がアーチ形である補強部材と、を備えた複合長尺部材の形成方法であって、
   前記第二部材のアーチ形の両側部の開き角が前記第一部材のコ字形の両側部の開き角よりも大きくなるように、前記第二部材が予め形成され、
   前記第二部材のアーチ形の凸外面が前記第一部材のコ字形の内部に溶接され、
   前記補強部材のアーチ形の凸外面が前記第二部材のアーチ形の凹内面に接着剤によって接着される、ことを特徴とする複合長尺部材の形成方法。
5. 前記第一部材と前記第二部材とが同じ金属で形成されている、ことを特徴とする請求項４に記載の複合長尺部材の形成方法。

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