JP7451368B2

JP7451368B2 - 車両用ピラーの閉断面補強構造及び２成分型のポリウレタンフォーム

Info

Publication number: JP7451368B2
Application number: JP2020159635A
Authority: JP
Inventors: 毅仲辻; 裕之永田; 和也高橋; 功介河合
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2024-03-18
Anticipated expiration: 2040-09-24
Also published as: JP2022053049A

Description

本発明は、車両用ピラーの閉断面補強構造及び2成分型のポリウレタンフォームに関する。

自動車用のピラーは、車体の強度を維持するためその強度を確保する必要がある。
従来、特許自動車用ピラーを補強するため、内部に発泡材を充填させる技術が知られている（特許文献１、２、３）。

他方で、自動車用のピラーの強度を高め過ぎると、衝突時に乗員に対する衝撃が強くなり過ぎて衝突安全性が損なわれる。さらに、ピラーの強度の増大は、ピラーの重量の増大をもたらすことになる。

例えば、図４（Ａ）に示される車両４０に設けられたＢピラー４２は、そのＣ－Ｃ線断面図である図４（Ｂ）に示されるようにその内部の大部分に亘って発泡材が充填されている。かかる場合には、ピラーの強度が高くなりすぎて衝突時の衝撃が大きくなり、さらにピラーの重量が増大するという問題がある。

特許文献１には、アウタパネルとインナパネルとの間に、レインフォースメントを備え、アウタパネルとレインフォースメントとの間にのみ熱可塑性発泡材を充填したフレーム構造が開示されている。この場合、図４（Ａ）に示されるピラーよりも発泡材が充填される体積が小さくなり重量を軽減できる。

しかし、特許文献１には、ピラーの強度をある一定以上に維持しつつも衝突時の衝撃を過度に大きくさせないようにするための発泡材の具体的なパラメータの開示がなされていない。また、発泡材は、温度が上昇すると強度が低下するが、特許文献１には、温度が上昇しても発泡材の強度の低下を抑える手段について開示も示唆もなされていない。

特許文献２には、中空部材の内部に複数の閉断面を形成する仕切り部材を配置し、該閉断面内に発泡材を充填する補強構造が開示されている。しかし、特許文献２は、中空部材の強度を増大させることを課題としており、強度の過度の増大に伴う衝突性能の低下や乗員の安全性には取り組んでいない。また、特許文献２においても温度上昇に伴う発泡材の強度低下を解決する手段は開示も示唆もされていない。

特許文献３には、ピラー等の、アウターパネルとインナーパネルとから構成される閉鎖空間を有する構造の内部に発泡充填材を充填した自動車用構造部材が開示されている。特許文献３に記載の発明は、車体の剛性及び衝突安全性を向上させるため、発泡充填材が、（Ａ）エポキシ系発泡充填材と（Ｂ）ウレタン系発泡充填材とが積層して充填され、エポキシ系発泡充填材とウレタン系発泡充填材との体積比が、エポキシ系発泡充填材１００に対して、ウレタン系発泡充填材１００～１，９００であることを特徴とするものである。しかし、特許文献３には、強度の過度の増大に伴う衝突性能の低下や乗員の安全性、並びに、温度上昇に伴う発泡材の強度低下を解決する手段は開示も示唆もされていない。

特許第３５２５８９０号公報特許第４３９４９２１号公報特開２００６－２４０１３４号公報

本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、温度に依らず必要な強度を確保すると共に、自動車の衝突安全性と軽量化とを実現した、自動車用のピラーを提供することをその目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の車両用ピラーの閉断面補強構造は、前記車両用ピラーが、断面ハット形状のアウターパネルと、前記アウターパネルのツバに相当する部分で該アウターパネルと接合されるインナーパネルと、前記アウターパネルと前記インナーパネルとの間に形成された閉断面内に設けられたリンフォース部材であって、該リンフォース部材の一部は前記アウターパネル及び前記インナーパネルの少なくともいずれかと接合されている、前記リンフォース部材と、前記アウターパネルと前記リンフォース部材との間の少なくとも一部の隙間に充填された有機発泡材と、を備え、前記有機発泡材は、２５０～７５０ｋg/m³の密度を有するウレタンフォームであり、芳香環及びイソシアヌレート環構造の含有率が２５％以上であることを特徴とするものである。

好ましい前記有機発泡材の密度は３５０～７００ｋg/m³である。さらに好ましくは、前記有機発泡材の密度は、前記車両用ピラーの長手方向に該ピラーの中央部から上下端部に向けて２段階以上もしくは連続的に変化している。

好ましい前記ウレタンフォームは、２成分型のポリウレタンフォームであり、該２成分型のポリウレタンフォームは、主剤がポリプロピレングリコール主成分とし、硬化剤がメチレンジフェニルジイソシアネートを主成分とする。

好ましくは、前記アウターパネルの断面ハット形状の頂部において該断面ハット形状の２つの側部に各々隣接して凸部が形成され、前記リンフォース部材は、前記アウターパネルの前記凸部と対応する領域に凸部を各々有する。前記アウターパネルの前記凸部の頂部の断面長さは、前記アウターパネル全体の頂部の断面長さの１／３以下である。例えば、前記アウターパネルと前記リンフォース部材との間の隙間が５～１０ｍｍである。

好ましくは、前記リンフォース部材の頂部と前記アウターパネルの頂部との間の第１の隙間、及び、前記リンフォース部材の側部と前記アウターパネルの側部との間の第２の隙間の両方に、前記有機発泡材が充填されている。また好ましくは、前記アウターパネルの前記凸部の内部に前記有機発泡材が充填されている。

前記アウターパネルは、板厚が０．６～０．８ｍｍかつ引張強度が５９０ＭＰａ以下の軟鋼であり、前記リンフォース部材は、板厚が２～３ｍｍかつ引張強度が１１８０～１８００ＭＰａ級のホットプレス超強靭鋼であることを特徴とする。

例えば前記ピラーは、Ｂピラーである。好ましくは、前記アウターパネル、前記インナーパネル及び前記リンフォース部材は、電着塗装もしくは化成処理が施されている。
例えば、前記インナーパネルと前記リンフォース部材とにウレタンフォーム注入用の充填穴が連接されており、前記インナーパネルの前記充填穴と前記リンフォース部材の前記充填穴との間に筒状の充填導入管が設けられている。

本発明の別の態様に係る車両用ピラーの閉断面補強構造に充填される有機発泡材としての２成分型のポリウレタンフォームは、２５０～７５０ｋg/m³の密度を有し、主剤がポリプロピレングリコール主成分とし、硬化剤がメチレンジフェニルジイソシアネートを主成分とし、芳香環およびイソシアヌレート環構造の含有率が２５％以上である。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両用Ｂピラーの断面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る車両用Ｂピラーの側面図である。図３は、本発明の一実施形態に係る車両用Ｂピラーの有機発泡材を充填する手段を示す概略図である。図４は、本発明の従来技術に係る車両用ピラーの図であって、（Ａ）は従来技術の車両用ピラーの側面図、（Ｂ）は従来技術の車両用ピラーの断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係る車両用のＢピラー１の断面図が示されている。
図１に示されるように、Ｂピラー１は、断面ハット形状のアウターパネル２と、アウターパネル２のツバ４に相当する部分で該アウターパネル２と接合されるインナーパネル３と、アウターパネル２とインナーパネル３との間に形成された閉断面５内においてアウターパネル２の近傍に設けられた第１のリンフォース部材６と、閉断面５内においてインナーパネル３の近傍に設けられた第２のリンフォース部材７と、を備えている。

第１のリンフォース部材６の一部はアウターパネル２及びインナーパネル３の少なくともいずれかと接合されている（図１の例では、アウターパネル２のツバ４の部分で接続）。なお、本発明は、第１のリンフォース部材６のみ設け、第２のリンフォース部材７を設けない態様も含まれる。或いは逆に、第２のリンフォース部材７の他にも、１つ以上のリンフォース部材を設けてもよい。

また、アウターパネル２の断面ハット形状の頂部９において、２つの側部１０ａ及び１０ｂに各々隣接して凸部（８、８）が形成されている。好ましくは、第1のリンフォース部材６は、アウターパネル２の凸部（８，８）と対応する領域に凸部（１８，１８）を各々有する。また好ましくは、アウターパネル２の凸部（８，８）の頂部の断面長さ（ｌ_２、ｌ_３）は、アウターパネル全体の頂部の断面長さｌ_１の１／３以下である。

好ましくは、アウターパネル２は、板厚が０．６～０．８ｍｍかつ引張強度が５９０ＭＰａ以下の軟鋼であり、第１及び第２のリンフォース部材６、７は、板厚が２～３ｍｍかつ引張強度が１１８０～１８００ＭＰａ級のホットプレス超強靭鋼である。また好ましくは、アウターパネル２、インナーパネル３、及び、リンフォース部材６，７は、電着塗装もしくは化成処理が施されている。なお、本発明は、これらの例に限定されるものではない。

さらに、第１のリンフォース部材６の頂部と、とアウターパネル２の頂部９との間には、第１の隙間１１（隙間の間隔ｄ１）が画成され、第１のリンフォース部材６の側部とアウターパネル２の側部１０ａ及び１０ｂとの間には、第２の隙間１２ａ及び１２ｂ（隙間の間隔ｄ２）がそれぞれ画成されている。本発明の一実施形態では、第１の隙間１１及び第２の隙間１２ａ及び１２ｂに、有機発泡材が充填される。なお、本発明は、この例に限定されず、発泡材を第１の隙間１１にのみ充填し、第２の隙間１２ａ及び１２ｂには充填しない態様、並びに、発泡材を第１の隙間１１と、第２の隙間１２ａ及び１２ｂのいずれかとに充填する態様も考えられる。第１の隙間１１に発泡材を充填する態様では、凸部８の内壁と第１のリンフォース部材６との間にも発泡材を行き渡らせるのが好ましい。

上記したように第1のリンフォース部材６はアウターパネル２の凸部（８，８）と対応する領域に凸部（１８，１８）を各々有するので、第1の隙間ｄ１をほぼ均等間隔に維持することができ、有機発泡材の充填量の増加を抑制して重量及び強度の過度の増大を防止することができる。また、アウターパネル２の凸部（８，８）の頂部の断面長さ（ｌ_２、ｌ_３）は、アウターパネル全体の頂部の断面長さｌ_１の１／３以下であるため、凸部（８，８）の体積を抑え、よって、そこに充填される有機発泡材の量を抑えて重量及び強度の過度の増大を防止することができる。

第１の隙間１１及び第２の隙間１２ａ、１２ｂの好ましい間隔ｄ１及びｄ２は、２～１５ｍｍであり、より好ましくは５～１０ｍｍである。当該隙間が当該好ましい間隔より狭い場合、下塗り塗装である電着のつきが悪くなり、錆発生の懸念がある一方で、当該隙間が当該好ましい間隔より広い場合は、充填材の量が多くなり、重量アップとコストアップをもたらすことになるからである。

上記隙間に充填する発泡材に関して、発泡材の発泡倍率が小さく密度が高いほど有機物の含有量が多くなり気泡の量が少なくなるため、発泡材それ自体の強度を高くすることができるが、発泡倍率が小さくなると骨格構造内での体積変化がしにくくなり、衝突時に、パネルやパネル間の接合部への応力集中により骨格構造が破断し、発泡材の強度が高くても衝突性能が低下する可能性がある。逆に発泡倍率が高く密度が低い場合は、強度が低くなり補強効果が薄れる傾向にある。

上記点に鑑み、本発明の実施形態では、好ましくは、充填される有機発泡材はウレタンフォームであり、２５０～７５０ｋg/m³の密度が好ましく、或いは３５０～７００ｋg/m³の密度であるのが、より好ましい。発泡していない状態のウレタンフォームの密度は１１４０kg/m³であるので、２５０～７５０ｋg/m³の密度は１．５倍から４．５倍の発泡倍率に対応し、３５０～７００ｋg/m³の密度は、１．６倍から３．３倍の発泡倍率に対応している。

さらに好ましくは、本発明の実施形態に係る有機発泡材は、芳香環及びイソシアヌレート環構造を含むものであり、それらの含有率は２５％以上である。このようにウレタンフォーム（ウレタンポリマー）の骨格にリジッドな構造（芳香環やイソシアヌレート環）を導入することにより、ポリマーの耐熱性を上げることが可能となる。すなわち、ポリマーにはガラス転移温度が存在し、高温になれば徐々に軟化し、ガラス転移温度にて著しく強度が下がるが、ポリマー骨格にリジッドな構造を導入することにより、耐熱性が向上する。例えば、芳香環及びイソシアヌレートの含有量２８％品を密度３５０kg/m³のウレタンフォームにした場合、ガラス転移温度は１４８℃（密度３５０kg/m³品）となり、芳香環及びイソシアヌレートの含有量３４％品を密度３５０kg/m³のウレタンフォームにした場合、ガラス転移温度は１６３℃（密度３５０kg/m³品）となる。このように芳香環やイソシアヌレート環を含むことによってガラス転移温度が上昇し、耐熱性が向上することを理解することができる。

上記ウレタンフォームは、好ましくは２成分型のポリウレタンフォームであり、該２成分型のポリウレタンフォームは、主剤がポリプロピレングリコール主成分とし、硬化剤がメチレンジフェニルジイソシアネートを主成分とする。

図２には、車両用Ｂピラー１の側面図が示されている。図２の例では、Ｂピラー１は、車両のルーフ付け根から車両下部フレームまで延設されている。車両ピラー１は、ルーフ付け根付近の切り継ぎ部３０、車両下部フレームの切り継ぎ部３２、３４で接続されている。好ましくは、Ｂピラー１に充填される有機発泡材の密度は、図２に示される車両用Ｂピラー１の長手方向に該Ｂピラー１の中央部から上下端部に向けて２段階以上もしくは連続的に変化している。

本発明によれば、上記した密度（２５０～７５０ｋg/m³或いは３５０～７００ｋg/m³）で所定の発泡倍率（１．５倍から４．５倍、或いは、１．６倍から３．３倍）を有するウレタンフォームを上記構成のピラーに充填する有機発泡材として採用したため、パネル接合部等への過度の応力集中を回避して衝突性能並びに衝突安全性を向上させることができると共に、一定の補強効果を維持することができる。

加えて、本発明では、凸部（８，８）を有するアウターパネル２と第1のリンフォース部材６との間に形成された限られた空間内に有機発泡材を充填するようにした。これによって、上記した作用効果をさらに増進させることができる。すなわち、必要な強度を維持しつつも過度な強度の上昇や重量の増加を抑えることができ、衝突時においても乗員への衝撃を緩和しながら、ピラーの変形を最大限抑えることが可能となる。

さらに本発明の有機発泡材は、芳香環及びイソシアヌレート環構造の含有率が２５％以上であるウレタンフォームであるため、車体の温度が上昇しても、発泡材の強度の低下を防止することが可能となる。すなわち、本発明は、車体の温度変化の影響を受けることなく、ピラー強度を維持しつつ衝突性能並びに衝突安全性を向上させることを可能にした。

次に、図３を用いてＢピラー１に発泡材を充填する方法について説明する。図３は、図１に示される第２のリンフォース部材７が設けられていない例を示している。
図３に示されるように、インナーパネル３には、充填穴１３（図３の左図）が形成されており、第１のリンフォース部材６には、インナーパネル３の充填穴１３と連接される充填穴１４（図３の右図）が形成されている。インナーパネル３の充填穴１３とリンフォース部材６の充填穴１４との間に筒状の充填導入管としてのグロメット１５が装着されている。このグロメット１５に充填ガン１６のノズル１７（図３の左図）を適合し、有機発泡材を注入することによって、リンフォース６とアウターパネル２との間の隙間に、有機発泡材が充填される。

このように本発明では、車室内側のインナーパネル３の充填口１３から有機発泡材をＢピラー１内に充填することが可能となる。このため、充填口を車の外側につけた場合と比べて意匠性の問題を回避することが可能となる。また、充填ガン１６のノズル１７を長くすることなく、発泡材の充填が可能となる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記例にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内において任意好適に変更可能である。例えば、上述した本発明のＢピラーの閉断面補強構造を、他のピラーに適用することも可能である。

１車両用のＢピラー
２アウターパネル
３インナーパネル
４アウターパネル２のツバ
５閉断面
６第１のリンフォース部材
７第２のリンフォース部材
８凸部（アウターパネル）
９アウターパネル２の断面ハット形状の頂部
１０ａ、１０ｂアウターパネル２の断面ハット形状の側部
１１第１の隙間（間隔ｄ１）
１２ａ、１２ｂ第２の隙間（間隔ｄ２）
１３インナーパネル３の充填穴
１４第１のリンフォース部材６の充填穴
１５筒状の充填導入管としてのグロメット
１６充填ガン
１７充填ガンのノズル
１８凸部（第１のリンフォース部材）

Claims

車両用ピラーの閉断面補強構造であって、
前記車両用ピラーは、
断面ハット形状のアウターパネルと、
前記アウターパネルのツバに相当する部分で該アウターパネルと接合されるインナーパネルと、
前記アウターパネルと前記インナーパネルとの間に形成された閉断面内に設けられたリンフォース部材であって、該リンフォース部材の一部は前記アウターパネル及び前記インナーパネルの少なくともいずれかと接合されている、前記リンフォース部材と、
前記アウターパネルと前記リンフォース部材との間の少なくとも一部の隙間に充填された有機発泡材と、
を備え、
前記有機発泡材は、２５０～７５０ｋg/m³の密度を有するウレタンフォームであり、芳香環及びイソシアヌレート環構造の含有率が２５％以上である
ことを特徴とする、車両用ピラーの閉断面補強構造。
前記有機発泡材の密度は３５０～７００ｋg/m³である、請求項１に記載の車両用ピラーの閉断面補強構造。
前記有機発泡材の密度は、前記車両用ピラーの長手方向に該ピラーの中央部から上下端部に向けて２段階以上もしくは連続的に変化している、請求項１又は２に記載の車両用ピラーの閉断面補強構造。
前記ウレタンフォームは、２成分型のポリウレタンフォームであり、該２成分型のポリウレタンフォームは、主剤がポリプロピレングリコール主成分とし、硬化剤がメチレンジフェニルジイソシアネートを主成分とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用ピラーの閉断面補強構造。
前記アウターパネルの断面ハット形状の頂部において該断面ハット形状の２つの側部に各々隣接して凸部が形成され、
前記リンフォース部材は、前記アウターパネルの前記凸部と対応する領域に凸部を各々有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の車両用ピラーの閉断面補強構造。
前記アウターパネルの前記凸部の頂部の断面長さは、前記アウターパネル全体の頂部の断面長さの１／３以下である、請求項５に記載の車両用ピラーの閉断面補強構造。
前記アウターパネルと前記リンフォース部材との間の隙間が５～１０ｍｍである、請求項１から６のいずれか１項に記載の車両用ピラーの閉断面補強構造。
前記リンフォース部材の頂部と前記アウターパネルの頂部との間の第１の隙間、及び、前記リンフォース部材の側部と前記アウターパネルの側部との間の第２の隙間の両方に、前記有機発泡材が充填されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の車両用ピラーの閉断面補強構造。
前記アウターパネルの前記凸部の内部に前記有機発泡材が充填されている、請求項５又は６に記載の車両用ピラーの閉断面補強構造。
前記アウターパネルは、板厚が０．６～０．８ｍｍかつ引張強度が５９０ＭＰａ以下の軟鋼であり、前記リンフォース部材は、板厚が２～３ｍｍかつ引張強度が１１８０～１８００ＭＰａ級のホットプレス超強靭鋼であることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の車両用ピラーの閉断面補強構造。
前記ピラーは、Ｂピラーである、請求項１から１０のいずれか１項に記載の車両用ピラーの閉断面補強構造。
前記アウターパネル、前記インナーパネル及び前記リンフォース部材は、電着塗装もしくは化成処理が施されている、請求項１から１１のいずれか１項に記載の車両用ピラーの閉断面補強構造。
前記インナーパネルと前記リンフォース部材とにウレタンフォーム注入用の充填穴が連接されており、前記インナーパネルの前記充填穴と前記リンフォース部材の前記充填穴との間に筒状の充填導入管が設けられている、請求項１から１２のいずれか１項に記載の車両用ピラーの閉断面補強構造。
車両用ピラーの閉断面補強構造に充填される有機発泡材としての２成分型のポリウレタンフォームであって、
前記２成分型のポリウレタンフォームは、２５０～７５０ｋg/m³の密度を有し、主剤がポリプロピレングリコール主成分とし、硬化剤がメチレンジフェニルジイソシアネートを主成分とし、芳香環およびイソシアヌレート環構造の含有率が２５％以上である、２成分型のポリウレタンフォーム。