JP2003522075A - 自動車用構造補強システム - Google Patents
自動車用構造補強システムInfo
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Abstract
Description
いられる、補強された構造材に関する。さらに詳細には、本発明は、膨張性の材
料でその表面の一部が被覆された部材によって補強された自動車用の車両フレー
ムシステムに関する。それらの組み合わせによって、自動車の構造的剛性および
強度を増強させる。
することは長い間の課題であった。米国特許第5,755,486号、第4,901,500号、第
4,751,249号には、従来の補強装置が説明されている。これら従来の補強装置は
特定の状況においては有利であるが、補強構造材を様々な形状の色々な構造物と
結合させることができる単純かつ低コストな構造材が求められている。自動車業
界においても、自動車のフレーム構造を比較的低コストで補強するためのシステ
ムが求められてきた。
両のルーフおよびピラーの構造体(これらに限定されるものではない)を補強す
るものに関する。このシステムは、通常、補強対象の構造体の剛性を高め、加え
られた負荷を分散させるための骨組みを有する。使用時において、骨組みは、少
なくともその外側面の一部にエネルギー吸収媒体、例えば熱により活性化される
接着材料と接している。特に好適な実施形態においては、この骨組みはモールド
成型された金属または複合材料のフレームであって、少なくともその一部分が発
泡性のエポキシベースの樹脂(レジン)、例えばミシガン州ロメオのL&Lプロ
ダクト社から販売されるL5206、L5207、L5208またはL5209
構造発泡材料によって覆われている。 一実施形態において、適切な分量の接着材料または負荷伝達媒体を持つ骨組み
は、自動車内の空洞、例えば車両のルーフ構造体またはピラー構造体もしくはそ
の両方に設置される。接着材料は、骨組みと空洞を形成している壁部材との間の
空間において樹脂を膨張させるために活性化される。結果として、構造発泡材料
の助けにより壁部材が骨組みに結合した構造が得られる。
び図面によってより明らかになる。 図1は、自動車のルーフ構造体およびピラーの構造体の外観を示す斜視図であ
る。AピラーおよびBピラーが図示されている。 図2は、本発明に従った、膨張性樹脂で被覆された骨組みの斜視図である。 図3は、図2の構造の別の斜視図である。 図4は、膨張性樹脂の活性化前の被覆された骨組みの断面図である。 図5は、膨張性樹脂の活性化後の図4の骨組みの構造を示している。 図6は、本発明に従った、別の実施形態の構造の斜視図である。 図7は、図6の構造の側面図である。 図8は、本発明に従ったさらに別の実施形態を示す図である。 図9は、図8の構造と車両のピラー構造との組み合わせを示す図である。
が図示されている。このような構造においては、複数の中空の車両フレーム部材
がつなぎ合わされてフレームを構成するのが一般的である。そのような構造の例
として、車両のルーフまたはピラー構造が挙げられる(但し、これらに限られる
ものではない)。ルーフおよびピラー構造には、ウィンドウ、サンルーフ、他の
取外し可能なトップ、車両のドア、ドアの部品、ヘッドライナー(オーバーヘッ
ドアクセサリを含んでも、含まなくても)等を含んでもよいことが理解される。
後述するように、その他の車両フレーム部材にも本発明は適用可能である。
ーに対しても本発明は適用可能である。図1には、Aピラー12とBピラー14
をつなぐルーフ構造の一部も示されている。 車両の設計によっては、AピラーとBピラーをつなぐルーフ構造は、Aピラー
およびBピラーから見分けがつかず、Aピラー構造とBピラー構造とがお互いに
隣接している場合もある。そのような場合は、ピラー構造のもっとも上部がルー
フ構造であるとみなされる。
ルーフまたはピラーの中空または空洞部分に配置することによって補強される。
図1は、その一例を示したものであり、第1部材16、第2部材18、第3部材
20が各所に配置された様子を示している。部材16、18、20は、好適には
、接着材料によって、少なくともルーフおよびピラー部分のどちらかにシーリン
グをもたらすように固定される。熱による活性化により骨組みに接着力が生じ、
中空部において動かないように骨組みと中空部を形成する壁とを接着する。
プラスティックであり、さらに好適には発泡性を有するものである。特に好適な
材料としては、エポキシベースの構造発泡材料(Structural Foam)が挙げられる
。例えば、一実施形態においては、構造発泡材料は、αオレフィンを含むエチレ
ン共重合体または三元共重合体を含む、エポキシベースの材料である。共重合体
、三元共重合体とは、2または3の異なった単量体(モノマー:類似の分子と結
合する高い化学的反応性をもつ低分子量の分子)から構成される重合体(ポリマ
ー)である。
al Reinforcing Foam)が知られており、構造発泡材料の生成にも使用できる。
典型的な構造発泡材料は、例えばエポキシ樹脂、エチレンベースポリマーなどの
高分子材料であって、それらは適切な材料(一般的には、発泡剤、硬化剤)と混
合されると、加熱または特定の環境条件において、予測可能かつ信頼性の高い方
法で膨張し、硬化する。熱活性化材料に対する化学的見地からすると、構造発泡
材料は通常、硬化の前に、まず流動性熱可塑性プラスティックとして処理される
。硬化時において架橋がおこり、材料は流動性を失う。
から販売されるエポキシベースの材料、名称L5206,L5207,L520
8,L5209である。好適な構造発泡材料14の従来の材料に対する特長の一
つは、好適な材料はいくつかの方法で処理が可能なことである。好適な材料は、
射出成型、押し出し圧縮成型、ミニアプリケーターによって処理可能である。こ
れによって、部品設計において、ほとんどの従来材料がもつ特性を越える形成お
よび造形を可能にする。好適な実施形態の構造発泡材料(硬化前状態)はおおよ
そ乾燥しており、触っても手や指に付きにくい(べたつかない)。 構造発泡材料を製造するのに好適な材料について説明したが、構造発泡材料は
その他の材料から製造してもよい。その他の材料は、熱によって活性化されるか
、またはある環境条件(例えば、湿気、気圧、時間、その他)によって活性化さ
れ、選択された用途に対する適切な条件下で予測可能かつ信頼性の高い方法で硬
化するものであればよい。そのような材料の一例として、本願の出願人によって
、1999年3月8日に米国特許商標庁に出願された米国特許出願番号09/2
68,810に開示されているエポキシベースの樹脂がある。当該出願中の開示
事項は本願に含まれるものとする。その他の可能性のある材料としては、ポリオ
レフィン系の材料、αオレフィンの単量体を持つ共重合体または三元重合体、フ
ェノール/ホルムアルデヒド系の材料、フェノキシー系の材料、高いガラス転移
温度を有するポリウレタン系の材料が挙げられるが、これらに限定されるもので
はない。また、米国特許5,766,719;5,755,486;5,575
,526および5,932,680も参照されたい(これらの特許公報の開示事
項も本願に含まれる)。一般的に、構造発泡材料の好ましい特性として、比較的
に高い剛性、高い強度、高いガラス転移温度(典型的には、セ氏70度より上)
、良好な耐腐食特性が挙げられる。これにより、これらの材料は通常自動車製造
者が採用する構造材料とは干渉しない。 熱によって活性化を行う場合には、熱膨張性の材料が用いられる。この際、構
造発泡材料を含む材料の選択および製造において、最も考慮しなければならない
点は、材料の反応または膨張、あるいは硬化が始まる温度である。例えば、ほと
んどの応用例においては、材料が室温または生産ラインの環境温度において反応
性を持つのは望ましくない。典型的には、構造発泡材料は、自動車の組みたて工
場において生じ得る、より高い処理温度で活性化する。それは、例えば塗装準備
工程において、高い温度または高いエネルギーレベルの下で自動車の部品ととも
に構造発泡材料が処理されるときである。自動車の組みたて工程において生じ得
る温度はおそらくセ氏148.89度から204.44度(華氏300度から4
00度)までの範囲であるが、ボディまたは塗装の工程においては、通常セ氏9
3.33度(おおよそ華氏200度)またはもう少し高い温度である。必要に応
じて、発泡材料の活性剤を合成材料に導入し、上記の温度範囲以外の温度におい
て発泡させることもできる。
る。構造発泡材料14の膨張レベルは1500%またはそれ以上まで増やすこと
ができる。通常は、膨張率を低くした方が、より高い強度が得られる。
、例えば、自動車のルーフ22とAピラーとの接合点を補強するのに有効である
。第1部材16は、自動車のルーフ構造内の空洞に配置される第1部分24と、
図示されるAピラーのような自動車のピラー内の空洞に配置される第2部分26
とを有する。第1部分24および第2部分26の断面輪郭は、通常、対向する側
のルーフまたはピラー構造における空洞の壁と相補的であることが望ましい。こ
の部材は中実(solid)なものであってもよいが、部材は好適には骨組みを持ち
、それによって所望の剛性を確保しつつ重量を最小化する。したがって、骨組み
は好適には複数の骨(リブ)を持ち、それらの骨は梁類似(例えばI型梁)の機
能を有することが望ましく、それによって部材の強度を制御する。図2、3にお
いて、複数の梁が互いに直交するように配置されている様子が示されている。し
かしながら、このような配置に限定されるものではなく、骨の配置は所望の結果
に応じて様々に変更可能である。
かかる表面と非平行な関係になるように配置される。図2において、複数の第1
骨28が部材の表面(膨張性材料30に被覆されている)に近接して配置されて
いる。図3には、より大きな安定性をもたらすために、骨28(参照符号は一部
の骨について付しているが、すべての骨には付していない)を互いに組み合わせ
る方法が示されている。これらの骨によって比較的高い曲げモーメントが得られ
るため、部材を過度に重くすることなく、用途に合わせて骨を設計し配置するこ
とにより、負荷が加わることが予想される箇所における剛性を高くすることがで
きる。同時に、骨とともに用いられる、エネルギーを分散させる発泡材料および
連続した表面により、負荷をより分散させることができる。さらに、このような
設計により、軽量化が図られる。例えば、部材の断面積は、その両端部間におい
て、端から少なくとも4分の1の位置までにおいてはその場所の断面輪郭面積の
75%未満、半分の位置までにおいてはその場所の断面輪郭面積の50%未満、
さらにおおよそ4分の3以上の位置においてはその場所の断面輪郭面積の20%
未満となる。このようにして、同じ材料の中実(solid)構造に比べて、それぞ
れの位置において、おおよそ50%、70%または90%の重量軽減を達成する
ことができる。
ナー、ストラップ、その他の機械的連結部材を含む別の器具が使用可能である。
本構造材に設けられた貫通孔(スルーホール)32は、自動車の製造工程を容易
にするためのものである。特に好適な実施形態においては、本発明の骨組みは射
出成型されたプラスティック、例えばナイロンでできている。しかしながら、同
様の結果を得るために、その他の材料および他の製造技術を用いることは可能で
ある。例えば、アルミニウム、チタン、マグネシウム等の重量対強度比の高い金
属部材や、またファイバーとポリマーの層状体のように強度を持たせるために圧
縮成型可能なポリマー合成物(コンポジット)も使用可能である。
活性化エポキシベースの発泡材料)に被覆されている場合には特に、特定の領域
を、梁状の骨による剛性強化と、比較的高い表面領域、連続した表面および膨張
性材料の組み合わせによる負荷分散とを組み合わせることにより、補強すること
ができる。
空洞を液体やその他の物が通過するのを阻止する封止材(シーラント)として機
能する。従って、そのような実施形態においては、膨張性材料は、骨組みのうち
、自動車のフレーム構造を封止するように接触していない部分の周囲をおおよそ
すべて連続して覆うように設けられる。図5は、膨張性材料30によって被覆さ
れた骨組み16(図4)が膨張性材料30の活性化(図5は膨張した状態)によ
ってその場に封止されるようすを示している。
車のピラー用の補強部材18を示す。この骨組みは、複数の骨34が1以上の連
続した表面36(膨張材38に被覆されている)に隣接した構造を有している。
示されているわけではないこと、それぞれの骨の仕様の設計は、その想定用途お
よび補強箇所(例えば、自動車のフレーム構造である壁40および42は空洞を
形成している)の形状によって変化することが理解できるだろう。これらの骨に
対して膨張性材料がより多く接触するように構成することもできる。
は、複数の骨44およびおおよそ連続した表面(層46に被覆されている)から
なる骨組み20が、自動車の製造のための構造を含んで形成されている。特に図
示された実施形態は、車体の組み立て工程における溶接のためのアクセス用また
はそれに類似した目的のために、複数の貫通孔48を有する。図9にあるように
、この実施形態では、膨張性材料の層46は、その膨張にともない、構造体の断
面においてその周囲を覆っている。
されるものではないことが理解できるだろう。これらは、自動車のフレームのあ
らゆる箇所に使用可能である。例えば、その他の補強箇所としては、ピラーから
ドア領域にかけて、ルーフからピラーにかけて、中間(mid)ピラー、ルーフレー
ル、ウィンドシールドまたはその他のウィンドウフレーム、デッキ・リッド(De
ck Lid、荷物室のふた)、ハッチ、取外し可能な(リムーバブル)トップからル
ーフへの箇所、その他の車両ベルトライン各部、エンジンレール(motor rail)
、ロワーシル(lower sill)、クロスメンバ、ロワーレールその他が挙げられる
。もっともこれらは例示であって、これらの箇所に限られるわけではない。さら
に、車両のルーフトップは本発明により、より大きな負荷に耐えられるように補
強することができる。ルーフおよびピラー構造を例に説明したのと同様の方法で
、膨張性材料を持つ補強フレーム部材が自動車のフレーム構造中の空洞に配置さ
れる。膨張性材料を膨張させることにより、補強部材をその箇所で固定するよう
に機能する。
内において、様々な変形が可能であることが理解できる。従って、本発明の正当
な範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められるものである。
る。AピラーおよびBピラーが図示されている。
Claims (21)
- 【請求項1】 自動車フレーム用の補強システムであって、 (a)複数の補強用骨を有し、自動車フレーム内の空洞に配置するように構成さ
れた骨組み、および (b)前記骨組みの少なくとも一部を覆う膨張性材料、 を有する補強システム。 - 【請求項2】 前記骨組みは、車両のルーフの補強用である、請求項1記載の
補強システム。 - 【請求項3】 前記骨組みは、車両のピラーの補強用である、請求項1記載の
補強システム。 - 【請求項4】 前記骨組みは、車両のフレームレールの補強用である、請求項
1記載の補強システム。 - 【請求項5】 前記骨組みは、車両のフレームクロスメンバの補強用である、
請求項1記載の補強システム。 - 【請求項6】 前記骨組みは、車両のウィンドウフレームの補強用である、請
求項1記載の補強システム。 - 【請求項7】 前記骨組みは、車両のデッキ・リッドの補強用である、請求項
1記載の補強システム。 - 【請求項8】 前記骨組みは、車両のハッチの補強用である、請求項1記載の
補強システム。 - 【請求項9】 外的負荷に対する自動車フレームの補強用システムに用いられ
る部材であって、 (a)その長さ軸が負荷に対して非平行になる複数の梁部材を有する第1部分、
および (b)膨張性材料を保持する表面を有し、前記膨張性材料の膨張によって前記負
荷の前記表面における負荷を分散させるように働く、前記第1部分から連続する
第2部分、 を有する部材。 - 【請求項10】 前記膨張性材料は高分子材料である、請求項9記載の部材。
- 【請求項11】 前記膨張性材料は高分子発泡材料である、請求項10記載の
部材。 - 【請求項12】 前記膨張性材料はエポキシベースのポリマー発泡材料である
、請求項9記載の部材。 - 【請求項13】 前記膨張性材料は熱により活性化して膨張するポリマー発泡
材料である、請求項9記載の部材。 - 【請求項14】 前記膨張性材料は、ほぼ粘着性のない膨張性のプラスティッ
ク発泡材料である、請求項9記載の部材。 - 【請求項15】 前記膨張性材料は、自動車の塗装処理における温度で活性化
される膨張性プラスティック発泡材料である、請求項9記載の部材。 - 【請求項16】 自動車用の補強されたルーフおよびピラーシステムであって
、 (a)自動車のルーフおよびピラーとして用いられる自動車フレームであって、
前記フレームはその中に空洞を形成する複数の壁部分を有する自動車用フレーム
、および (b)前記空洞に配置される骨組みであって、前記骨組みと前記複数の壁部分と
の間の少なくとも一部を塞ぐ構造発泡材料を持つ骨組み、 を有するルーフおよびピラーシステム。 - 【請求項17】 前記膨張性材料はポリマー発泡材料である、請求項16記載
の部材。 - 【請求項18】 前記膨張性材料はエポキシベースのポリマー発泡材料である
、請求項16記載の部材。 - 【請求項19】 前記膨張性材料は熱により活性化して膨張するポリマー発泡
材料である、請求項16記載の部材。 - 【請求項20】 前記膨張性材料はほぼ粘着性のない膨張性ポリマー発泡材料
である、請求項16記載の部材。 - 【請求項21】 前記膨張性材料は自動車の塗装処理における温度で活性化さ
れる膨張性プラスティック発泡材料である、請求項16記載の部材。
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