JPWO2013133157A1

JPWO2013133157A1 - 継手構造

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Publication number: JPWO2013133157A1
Application number: JP2013528159A
Authority: JP
Inventors: 塩崎　毅; 毅塩崎
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: EP2823928A1; EP2823928A4; WO2013133157A1; CN104144763A; KR101529019B1; CN104144763B; JP5382271B1; KR20140107626A; US20150003898A1; EP2823928B1

Abstract

本発明は、強度に加えて剛性を向上させることが可能な継手構造を提供することを解決すべき課題としている。本発明の継手構造は、金属板のプレス成形部品であるハット断面部材（２７）の長手方向の端部と他部材（サイドシル（１４））との継手構造であって、前記ハット断面部材（２７）の長手方向の端部が底壁端部（２７ａ）と側壁端部２ヶ所（２７ｂ、２７ｃ）との３つに不連続に分かれている。前記底壁端部（２７ａ）の幅（ｗ１）は前記ハット断面部材（２７）中央部の底壁の幅（Ｗ）より広くされて前記他部材（１４）と溶接されている。前記側壁端部２ヶ所（２７ｂ、２７ｃ）は曲げ成形されて前記他部材（１４）に溶接されている。

Description

本発明は、金属板のプレス曲げ加工部品の継手構造にかかり、特に、長手方向端部が骨格部品の３つの壁面に沿って不連続に分割され、骨格部品の接合に用いるのに好適な、金属板の曲げ加工部品からなる継手構造に関する。

自動車等の車両のフロア構造は、図１３に示すように、パネル部品１０と、パネル部品１０を補強するために配置された、ハット型の断面形状を有する骨格部品と、を備えている（非特許文献１参照）。骨格部品には、部品長手方向が車両前後方向に沿うように配置されるものと、部品長手方向が車両左右方向に沿うように配置されるものと、がある。部品長手方向が車両前後方向に沿うように配置される骨格部品としては、車両の左右側部位置に配置されるサイドシル１４とフロントサイドメンバから延長されるエクステンションメンバとがある。部品長手方向が車両左右方向に沿うように配置される骨格部品としては、サイドシル１４とセンタートンネル２０とを繋ぐクロスメンバ２２がある。これらの骨格部品は車両の強度および剛性に対して重要な役割を果たしている。図１３において、符号１１はフロアパネルを示している。

これら骨格部品のうち、クロスメンバ２２の長手方向の両端部にはそれぞれサイドシル１４およびセンタートンネル２０が接合される。クロスメンバ２２は、側面衝突時の荷重伝達経路となるため、高強度鋼板によって形成されている。また、クロスメンバ２２の長手方向両端部は、成形し難い高強度鋼板であっても加工できるように、曲げ加工のみで成形できる形状とされている。

従来のクロスメンバ２２の長手方向両端部は、特許文献１および非特許文献１に記載されているとおり、３つの壁面の長手方向端部に沿って不連続に３分割され、各分割部分が他の部品に接合される継手構造を有している。

また、特許文献２に記載されているとおり、部品長手方向端部が、プレス成形によって連続的な継手部分を構成し、他の部品に接合される継手構造がある。

この他に、骨格部品の端部が溶接金属によって直接他の部品に接合される継手構造や、骨格部品端部に形成されたボックス構造が他の部品にネジ止めされる継手構造もある。

これらの継手構造において、溶接金属で直接接合される継手構造やネジ止めされる継手構造は、接合時間や継手構造の製作に時間が掛かり、生産能率が低下する。

また、特許文献２に記載されているプレス成形による連続的な継手構造は、プレス成形時に継手部分を広げるため、板厚が減少してプレス成形中に割れが発生したり、継手の剛性が骨格部品本体より低下したりする。

そこで、本発明は、特許文献１および非特許文献１に記載されている、高強度鋼板の適用が可能な曲げ加工のみで成形できる骨格部品の長手方向端部が３つに分割される継手構造であれば、継手部分の板厚を減少させずに割れの発生を抑制し、剛性を高く保持できる可能性があることに着目した。

しかし、図１４に示すように、従来のクロスメンバ２２のハット型の断面形状を有する部材（以下、ハット断面部材と称する）２３の３つの壁面の端部（底壁端部２３ａ、側壁端部２３ｂ、２３ｃ）はそれぞれ不連続に形成されている。また、底壁端部２３ａの幅ｗ１は、ハット断面部材２３の中央部の底壁の幅Ｗの範囲内となっている。そして、それらの不連続な端部２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、サイドシル１４のハット断面部材１５の側壁又はセンタートンネル２０（図１３参照）と重ね合わされて接合されている。

図１４において、符号１６はサイドシル１４の平坦部材を示し、符号２４はクロスメンバ２２の平坦部材を示している。

ところで、高剛性な自動車ボデーを設計するために、ボデーの一部に荷重が加わった場合などにおける構造内部の荷重の伝達経路であるロードパスを分析する手法が検討されている。ハット断面部材の継手部に対しては、非特許文献２に記載されているように、ハット断面部材の稜線が重要なロードパスとなることが知られている。非特許文献２の記載によれば、ロードパスは片方のハット断面部材の稜線から溶接部を通過して他方のハット断面部材の稜線へ達するようになっている。このことから、稜線と溶接部との相対位置がロードパスに影響することが伺える。

特開２０１０−２４７７９５号公報特開２００６−２４０６０２号公報

自研センター構造調査シリーズトヨタカローラアクシオ，１４３頁小林ら、「指標Ｕ＊による薄板構造の評価」、自動車技術会学術講演会前刷集、Ｎｏ．３４−１１、ｐ．５−１０（２０１１）

しかしながら、特許文献１および非特許文献１に代表されるように、従来の継手構造では、図１４に例示したように、サイドシル１４又はセンタートンネル２０（図１３参照）と接合される部分の幅ｗ１が小さく、継手構造に高強度に加えて更に高剛性を要求することは難しい。

また、非特許文献２の記載から、ロードパスにハット断面部材の稜線と溶接部との相対位置が関与することが伺える。しかしながら、非特許文献２は、効率的なロードパスを実現するためには、稜線と溶接部とをどのように配置すべきかについては何ら開示、示唆していない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、強度に加えて剛性を向上させることが可能な継手構造を提供することにある。

本発明に係る継手構造は、金属板のプレス成形部品であるハット断面部材の長手方向の端部と他部材との継手構造であって、前記ハット断面部材の長手方向の端部が、底壁端部と側壁端部２ヶ所との３つに不連続に分かれ、前記底壁端部の幅は前記ハット断面部材中央部の底壁の幅より広くされ、前記底壁端部は前記他部材と溶接されており、前記側壁端部２ヶ所は曲げ成形されて前記他部材に溶接されていることを特徴とする。

本発明に係る継手構造は、上記発明において、前記底壁端部は少なくとも前記ハット断面部材中央部における底壁の稜線の延長線上で前記他部材とスポット溶接されていることを特徴とする。

本発明に係る継手構造は、上記発明において、前記側壁端部２ヶ所は前記他部材にスポット溶接されていることを特徴とする。

本発明に係る継手構造は、上記発明において、前記底壁端部は前記ハット断面部材の長手方向の端に向かって広がる形状となっていることを特徴とする。

本発明に係る継手構造によれば、強度に加えて剛性を向上させることができる。

図１Ａは、本発明の第１の実施形態のフロア構造の場合における継手構造の一実施例の斜視図である。図１Ｂは、本発明の第１の実施形態のフロア構造の場合における継手構造の他の実施例の斜視図である。図１Ｃは、本発明の第１の実施形態のフロア構造の場合における継手構造の他の実施例の斜視図である。図２Ａは、一枚の板から図１Ａに示すハット断面部材を作製するためのブランク形状を示す平面図である。図２Ｂは、一枚の板から図１Ｂに示すハット断面部材を作製するためのブランク形状を示す平面図である。図２Ｃは、一枚の板から図１Ｃに示すハット断面部材を作製するためのブランク形状を示す平面図である。図３は、剛性試験方法を示す斜視図である。図４は、図３に示す剛性試験で得られる負荷荷重入力板の変位と負荷荷重との関係を示す図である。図５は、剛性試験による従来例の継手試験体の剛性を基準とした発明例の継手試験体の剛性向上率を示す図である。図６は、本発明の第２の実施形態のフロア構造の場合における継手構造の一実施例の斜視図である。図７Ａは、図６のクロスメンバとサイドシルとの溶接部を詳細に示す平面図である。図７Ｂは、図６のクロスメンバとサイドシルとの溶接部を詳細に示す拡大斜視図である。図８は、一枚の金属板から図６に示すハット断面部材を作製するためのブランク形状を示す平面図である。図９Ａは、発明例１１の継手試験体を示す平面図及び正面図である。図９Ｂは、発明例１２の継手試験体を示す平面図及び正面図である。図９Ｃは、発明例１３の継手試験体を示す平面図及び正面図である。図１０Ａは、一枚の金属板から図９Ａに示すハット断面部材を作製するためのブランク形状を示す平面図である。図１０Ｂは、一枚の金属板から図９Ｂに示すハット断面部材を作製するためのブランク形状を示す平面図である。図１０Ｃは、一枚の金属板から図９Ｃに示すハット断面部材を作製するためのブランク形状を示す平面図である。図１１Ａは、比較例１４の継手試験体を示す平面図である。図１１Ｂは、発明例１５の継手試験体を示す平面図である。図１１Ｃは、発明例１６の継手試験体を示す平面図である。図１２は、剛性試験による比較例１４の継手試験体の剛性を基準とした発明例１１乃至１３及び発明例１５，１６の継手試験体の剛性向上率を示す図である。図１３は、自動車のフロア構造の一例を示す斜視図である。図１４は、従来の継手構造の一例を示す斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の第１および第２の実施形態である継手構造について詳細に説明する。

〔第１の実施形態〕
図１Ａ乃至１Ｃはそれぞれ、本発明の第１の実施形態のフロア構造における継手構造の実施例１乃至３の斜視図である。図１Ａ乃至１Ｃに示すように、実施例１乃至３の継手構造は、サイドシル１４と、クロスメンバ２６と、を備えている。サイドシル１４は、ハット断面部材１５と、平坦部材１６と、を備えている。クロスメンバ２６は、ハット断面部材２７と、平坦部材２８とを備えている。ハット断面部材２７の長手方向の端部は、３つの部分（底壁端部２７ａ、側壁端部２７ｂ、２７ｃ）に分かれ、ハット断面部材１５の壁面に接合されている。図１Ａ乃至１Ｃはそれぞれ、３つの部分に分かれるハット断面部材２７の長手方向端部の形状が異なる場合を示している。図中の×印はスポット溶接打点位置を示している。

底壁端部２７ａ、側壁端部２７ｂ、２７ｃのうち、底壁端部２７ａはサイドシル１４の上面と接合されており、その幅ｗ１はハット断面部材２７の中央部の底壁の幅Ｗより広い。これにより、溶接部の範囲をハット断面部材２７の中央部の底壁の幅Ｗより広くすることができる。

図２Ａ乃至２Ｃはそれぞれ、一枚の板から図１Ａ乃至１Ｃに示すハット断面部材２７を作製する方法を示す図である。図２Ａ乃至２Ｃはブランク（素板）形状、図１Ａ乃至１Ｃは図２Ａ乃至２Ｃのブランクを曲げ成形して得られたハット断面部材の形状である。図２Ａ乃至２Ｃに示すように、ハット断面部材２７を作製する際は、ハット断面部材２７の長手方向の端部のフランジ部が曲げ加工によって３つの部分に分かれるように切欠き２７ｄを入れておく。図２Ａ乃至２Ｃでは、切欠き２７ｄの形状が異なっている。切欠き２７ｄの形状は長手方向端部に近づくにつれて広がるようにするとよい。これにより、ブランク端部を打ち抜きまたは切断して継手構造を作製する際に、ブランクの切れ端しを除去する必要がなく、ブランク全体を用いて有効に継手を作製できる。このブランクを曲げ成形して図１Ａ乃至１Ｃに示すハット断面部材２７を作製する。

図１４に示した従来の継手構造では、ハット断面部材２３の長手方向の３つの端部のうちの中央の底壁端部２３ａは、ハット断面部材２３の中央部底壁の幅Ｗより狭い範囲でしかサイドシル１４に接合できなかった。これに対して、図１Ａ乃至１Ｃに示す本発明の第１の実施形態においては、底壁端部２７ａの幅ｗ１がハット断面部材２７の中央部底壁の幅Ｗより広くなっている。この結果、溶接部の範囲がハット断面部材２７の中央部底壁の幅Ｗより広くなり、継手の剛性を高めることができる。

ハット断面部材２７の長手方向の３つの端部２７ａ、２７ｂ、２７ｃのうち、底壁端部２７ａはハット断面部材２７の中央部と同一平面である必要はなく、曲げ加工して他部品に接合してもよい。

〔実施例１〕
本実施例では、板厚１．２ｍｍの引張強度９８０ＭＰａ級の冷延鋼板を用いて図１Ａ乃至１Ｃに示す継手構造と同じ構成を有する発明例１乃至３の継手試験体を作製した。また、比較対象となる従来例の継手試験体として、図１４に示すような、底壁端部２３ａの幅ｗ１がクロスメンバ２２の中央部の底壁の幅Ｗよりも狭い継手構造を作製した。そして、発明例および従来例の継手試験体に対して剛性試験を行った。

図３に剛性試験方法を示す。この剛性試験では、部品３５と部品３６とからなるサイドシル相当の部材３４の長手方向両端部に固定板３７，３８を溶接で取り付けて、固定板３７，３８を固定し、部品４７と部品４８とからなるクロスメンバ相当の部材４６の端部に負荷荷重入力板５０を溶接で取り付け、該負荷荷重入力板５０にｘ方向の負荷Ｆｘとｙ方向の負荷Ｆｙとをそれぞれ与えた。

図４は図３に示す剛性試験で得られる負荷荷重入力板５０の変位と荷重との関係を示しており、継手試験体の剛性は荷重を負荷荷重入力板５０の変位で割った値とした。同一変位当たりの荷重が大きいほど、剛性が高くなる。

図５に剛性試験による従来例の継手試験体と発明例１乃至３の継手試験体との比較結果を示す。各試験体の剛性は図１４に示した従来例の継手試験体の剛性を基準にした発明例１乃至３の継手試験体の剛性向上率（％）で示している。発明例１乃至３の継手試験体は、いずれの負荷方向に対しても剛性向上率がプラスの値であり、従来例の継手試験体より優れた剛性を備えていた。

以上から、発明例１乃至３の継手試験体は従来例の継手試験体に比べて高い剛性を得るのに適した継手構造であることがわかる。

〔第２の実施形態〕
図６は、本発明の第２の実施形態のフロア構造の場合における継手構造の実施例１の斜視図であり、クロスメンバ６２とサイドシル６４とが接合された構造を示している。

図６に示すように、本実施形態においては、ハット断面部材であるクロスメンバ６２の長手方向の端部は、３つの部分（底壁端部６２ａ、側壁端部６２ｂ、６２ｃ）に分かれ、それぞれがサイドシル６４と接合されている。

これら３つの端部のうち底壁端部６２ａはサイドシル６４の上面と接合されており、その幅ｗ１はクロスメンバ６２の中央部の底壁の幅Ｗより広く、又、そこに存在するスポット溶接打点６６の位置×は、クロスメンバ６２の中央部の底壁の幅Ｗより広い範囲に至っている。

図７Ａ，７Ｂはそれぞれ、図６のクロスメンバ６２とサイドシル６４との溶接部を示す平面図および図７Ａの一部拡大斜視図である。図７Ａに示すように、クロスメンバ６２の稜線６２ｄの延長線Ｌに最も近いスポット溶接打点６８が稜線６２ｄの延長線Ｌの上に配置されている。このとき、稜線６２ｄの延長線Ｌの上にスポット溶接打点６８が配置されるとは、図７Ｂに示すクロスメンバ６２の曲げＲ部範囲Ｘ_２に、少なくともスポット溶接打点６８のナゲットの端がかかっていることを指す。

図１４に例示した従来の継手構造では、クロスメンバ２３の長手方向の３つの端部２３ａ、２３ｂ、２３ｃのうちの底壁端部２３ａがクロスメンバ２３の中央部底壁の幅Ｗより狭い範囲ｗ１でしか接合できなかった。これに対して、本実施形態では、底壁端部６２ａの幅ｗ１がクロスメンバ６２の中央部底壁の幅Ｗより広い。この結果、溶接部範囲をクロスメンバ６２の中央部底壁の幅Ｗより広くできるため、継手の剛性を高めることができる。

また、１枚の板から作製するクロスメンバ６２等のハット断面部材のブランク形状としては、図８に示すように、ハット断面部材の長手方向の端部が３つの部分に分かれるように切欠き６２ｅを入れておくとよい。すなわち、切欠き形状が、ハット断面部材の長手方向の端に向かうにしたがい広がる形状とする。これにより、３つの端部のうちの底壁端部の面積が大きくなるので剛性を高めることができる。

〔実施例２〕
図９Ａ乃至９Ｃはそれぞれ、発明例１１乃至１３の継手試験体であり、上記図７Ａ及び図７Ｂに示すクロスメンバの稜線の延長線上にスポット溶接打点が配置される。各継手試験体は本発明の第２の実施形態に基づく継手構造となっている。継手試験体は、ハット断面試験部品であるクロスメンバに対応する部品７１、平坦試験部品である部品７２、図６のサイドシル６４のハット断面試験部品に対応する部品７３、及び、平坦試験部品に対応する部品７４の４部品からなり、クロスメンバに対応する部品７１の長手方向の端部は、３つの部分７１ａ、７１ｂ、７１ｃに分かれて部品７３の壁面に接合されている。図９Ａ乃至９Ｃは、部品７１の３つの部分７１ａ、７１ｂ、７１ｃに分かれる長手方向の端部の分割形状が異なる場合を示している。図中の×印はスポット溶接打点６６の位置を示す。使用した材料は、部品７１乃至部品７４ともに板厚１．２ｍｍの引張強度９８０ＭＰａ級の冷延鋼板とした。

図１０Ａ乃至１０Ｃは、図９Ａ乃至９Ｃに示した３種類の形状の部品７１を作製するときのブランク形状をそれぞれ示しており、ブランク長手方向の端部の３つに分割する切欠き７１ｅの形状が異なっている。

図１１Ａは比較例１４、図１１Ｂ及び図１１Ｃは本発明のスポット溶接位置を比較する発明例１５及び発明例１６の継手試験体を示している。図１１Ａに示す比較例１４の継手試験体では、部品７１の長手方向の３つの端部のうち底壁端部７１ａの幅ｗ１が部品７１の中央部の底壁の幅Ｗ以内となっている。図１１Ｂに示す発明例１５の継手試験体及び図１１Ｃに示す発明例１６の継手試験体では、底壁端部７１ａの幅ｗ１が、それぞれ部品７１の中央部の底壁の幅Ｗより広くなっている。図１１Ｂに示す発明例１５の継手試験体では、部品７１のスポット溶接打点６６（直径約５ｍｍ）のうち、部品７１の稜線７１ｄに最も近いスポット溶接打点６８が、部品７１の稜線７１ｄの延長上位置（図７Ｂに示す曲げＲ部範囲Ｘ_２の外側端）から左右の外側に１０ｍｍずれている。また、図１１Ｃに示す発明例１６の継手試験体では、部品７１のスポット溶接打点６６（直径約５ｍｍ）のうち、部品７１の稜線７１ｄに最も近いスポット溶接打点６８が、部品７１の稜線７１ｄの延長線上の位置（図７Ｂに示す曲げＲ部範囲Ｘ_２の内側端）から左右の内側に１０ｍｍずれている。

図１２に、発明例１１乃至１３及び発明例１５，１６の継手試験体と比較例１４の継手試験体に対する剛性試験結果を示す。剛性試験は、図３に示した方法と同様の方法で行った。各継手試験体の剛性は、図１１Ａに示した比較例１４の継手試験体の剛性を基準にした剛性向上率（％）で示している。発明例１１乃至１３及び発明例１５，１６の継手試験体はいずれも比較例１４の継手試験体より優れた剛性を備えており、クロスメンバ稜線の延長線上にスポット溶接打点を配置した発明例１１乃至１３の継手試験体は著しく優れた剛性を備えていた。

以上から、発明例１１乃至１３及び発明例１５，１６の継手試験体は比較例１４の継手試験体に比べて高い剛性を得るのに適した継手構造であり、特に発明例１１乃至１３の継手試験体はより適した継手構造であることがわかる。

前記実施例においては、本発明が自動車のフロア構造におけるサイドシルとクロスメンバとの接合に適用されていたが、本発明の適用対象は、これに限定されず、車両用の他の部材や車両用以外の部材の接合にも適用することができる。

本発明によれば、強度に加えて剛性を向上させた継手構造を提供することができる。

１４サイドシル
１５ハット断面部材
１６平坦部材
２６クロスメンバ
２７ハット断面部材
２７ａ底壁端部
２７ｂ，２７ｃ側壁端部
２７ｄ切欠き
２８平坦部材
３４試験部材
３５ハット断面試験部品
３６平坦試験部品
３７，３８固定板
４６試験部材
４７断面試験部品
４８平坦試験部品
５０負荷荷重入力板
６２クロスメンバ
６２ａ底壁端部
６２ｂ、６２ｃ側壁端部
６２ｄ稜線
６２ｅ、７１ｅ切欠き
６４サイドシル
６６スポット溶接打点

Claims

金属板のプレス成形部品であるハット断面部材の長手方向の端部と他部材との継手構造であって、
前記ハット断面部材の長手方向の端部が、底壁端部と側壁端部２ヶ所との３つに不連続に分かれ、前記底壁端部の幅は前記ハット断面部材の中央部の底壁の幅より広くされ、前記底壁端部は前記他部材と溶接されており、前記側壁端部２ヶ所は曲げ成形されて前記他部材に溶接されていることを特徴とする継手構造。
前記底壁端部は少なくとも前記ハット断面部材の中央部における底壁の稜線の延長線上で前記他部材とスポット溶接されていることを特徴とする請求項１に記載の継手構造。
前記側壁端部２ヶ所は前記他部材にスポット溶接されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の継手構造。
前記底壁端部は前記ハット断面部材の長手方向の端部に向かって広がる形状となっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の継手構造。