JP2008189066A - 自動車ルーフ構造およびルーフボウ - Google Patents

Abstract

【課題】ルーフボウをアルミニウム合金製とした場合に、ルーフパネルとルーフボウとの熱膨張の変形モードの違いから生じる、ルーフパネル側の変形を抑制した、自動車ルーフ構造およびルーフボウを提供する。
【解決手段】自動車ルーフ構造の内、アルミニウム合金製としたルーフボウ１０のルーフパネル１裏面との接合面に、ルーフボウの長手方向に亙って段差２０を設けて、この段差２０によってルーフボウ接合面１６とルーフパネル１裏面とのクリアランスＣ１を確保しつつ、マスチック接着剤５によってルーフボウ接合面１６とルーフパネル１裏面とを接合し、ルーフパネル１とルーフボウ１０との熱膨張の変形モードの違いから生じるルーフパネル１側の変形を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム合金製ルーフボウによって支持されるルーフパネルの、熱膨張による変形の問題を解決した、自動車ルーフ構造およびルーフボウに関するものである。なお、本発明に係るルーフボウ（ルーフ支持部材）は、ルーフパネルリインフォースメント、ルーフパネルＲ／Ｆ、ルーフリインフォースメントなどとも別称される。

自動車上部車体構造は、ルーフパネルと、ヘッダーパネルやルーフボウなどのルーフ補強材、ルーフサイドレール、サイドパネルアウタ（ルーフサイドアウタパネルあるいはサイドメンバアウタパネルなどとも言う）とサイドパネルインナ（ルーフサイドインナパネルあるいはサイドメンバインナパネルなどとも言う）などで構成される。

周知の通り、現状の自動車のルーフ（屋根）の多くは、鋼製（鋼板）パネルからなっている。これに対して、自動車の走行性や操作性を向上するために、自動車車体上部の軽量化が有効である。また、自動車車体上部の軽量化は、近年の排気ガス等による地球環境問題に対する、自動車の燃費向上の点からも有効である。このため、上記した自動車の上部車体構造においても、例えば、ルーフパネルやルーフボウなどの部材を、従来の鋼製に代わって、より軽量なアルミニウム合金製とする構造が提案乃至適用されつつある。

しかし、自動車上部車体構造全てにアルミニウム合金材を使用した場合に、車体衝突時の車体の剛性確保が難しくなる。また、アルミニウム合金材は鋼材に比べれば成形しにくいため、自動車上部車体構造の構成部材に、全てアルミニウム合金材を使用した場合、部材の成形や車体の組み立てが、鋼材に比べれば、やりにくい問題もある。

このため、アルミニウム合金材の使用は、ルーフパネルやルーフボウなどの部材に限定して、他の構成部材を鋼材とした自動車上部の複合車体構造（ハイブリッド構造）とする方が合理的である。自動車上部車体構造を、このような鋼材との複合構造にした場合でも、全てを鋼材とした場合に比して、アルミニウム合金材使用による上部車体構造の軽量化効果は大きい。

ただ、ルーフパネルやルーフボウなどの部材に、部分的にアルミニウム合金材を使用して、他の構成部材を鋼材とした、自動車上部の複合車体構造（ハイブリッド構造）では、これら各部材に要求される強度や張り剛性などの機械的特性の確保などの他に、特に、熱ひずみ対策が必要となる。

例えば、アルミニウム合金材と鋼材とでは、線膨張係数が大きく違う。アルミニウム合金の線膨張係数は鋼の約２倍である。これによって、組み立てられた車体の塗装後に、塗料の熱硬化のための焼き付け硬化処理で加熱された際に、熱による膨張変形量が異なって、アルミニウム合金製の部材側に大きなひずみ変形が生じる。例えば、上記塗装焼き付け硬化処理工程では、加熱温度が低く、処理時間が短くても、１７０℃×２０分程度の加熱処理が行なわれる。しかし、このような、比較的低温短時間の加熱によっても、アルミニウム合金側の膨張変形が大きくなり、熱ひずみが生じる。

このため、従来から、自動車上部のハイブリッド構造における、熱ひずみ対策が種々提案されている。例えば、アルミニウム合金製ルーフパネルの熱ひずみが生じた場合でも、ルーフパネル側縁部と、ルーフサイドレールやサイドメンバアウタパネルとの取り付け部に変形が生じない対策が提案されている。これは、自動車ルーフの取り付け構造を工夫したり、接合用樹脂を加熱により発泡するタイプの熱発泡型樹脂として柔らかくして接合したりするものである（例えば、特許文献１、２参照) 。また、アルミニウム合金からなるルーフパネルにおける車体側面側に L字状に折り曲げたフランジ部を設け、このフランジ部に凸型のビードを設けて、このフランジ部の凸型のビード以外の平坦部分において、自動車上部車体構造と接合する構造も提案されている（特許文献３）。
特開２００４−１３０９８５号公報 特開２００４−１３０９８６号公報 特開２００５−３４３２９５号公報

ただ、これら従来の対策は、主として、ルーフパネルをアルミニウム合金製とし、自動車上部の他の構成部材を鋼材とした場合の、ルーフパネル自体の熱ひずみ対策でしかない。これに対して、ルーフパネルを下側から支持するルーフボウをアルミニウム合金製とした場合には、ルーフパネルの材質がアルミニウム合金製であるか、鋼製であるかにかかわらず、互いの形状の違いによる熱膨張の変形モードの違いから、ルーフパネル側が変形するという、新たに別の熱ひずみの問題が生じる。

（熱ひずみの問題）
この熱ひずみの問題を、図１２、１３を用いて説明する。図１２、１３は、図８で斜視図で示す車体のＡＡ断面図であり、図１２は変形前、図１３は熱膨張（熱処理）時および冷却後の、ルーフパネル１とルーフボウ１０とを示す。

ルーフボウ１０をアルミニウム合金製とした場合、前記焼き付け硬化処理などによって加熱された際に、鋼製の場合に比して、ルーフボウ１０の変形量（熱膨張量）が大きくなる。また、ルーフボウ１０は、ルーフパネル１とは、断面形状を含めて全体形状が大きく異なるために、アルミニウム合金製ルーフボウとルーフパネルとの熱膨張時の変形モードはより大きく異なる。

このような変形モードの違いは、熱変形（熱処理）前後でのルーフパネル１とアルミニウム合金製ルーフボウ１０とのクリアランスＣを変化させる。図１２のクリアランスＣ１は、熱変形前のルーフパネル１とアルミニウム合金製ルーフボウ１０との、予め設定（設計）して設けたクリアランスである。これに対して、熱処理を受けた際には、図１３の熱膨張時の２つの図（上側の２図）に示すように、熱膨張時のルーフパネル１とアルミニウム合金製ルーフボウ１０とのクリアランスＣ２は、図１２のクリアランスＣ１に比して、殆ど無くなるくらい小さくなる。

これによって、アルミニウム合金製ルーフボウ１０と、ルーフパネル１とのクリアランスＣ２に介装された接合用のマスチック接着剤５（接着用樹脂５）のスペースが小さくなる。このスペースが小さくなった状態で、マスチック接着剤５の前記焼き付け硬化処理による硬化が進行する。この結果、接着剤の特性上、クリアランス（スペース）Ｃ２が大きい場合の通常の硬化に比して、より硬い硬化となる。

今、後述する実施例の通り、マスチック接着剤をバネ要素（等価なバネ定数ｋ）としてモデル化あるいはモデリング化（模擬）した場合、クリアランスＣ２が大きい場合には、硬化したマスチック接着剤は比較的柔らかいために、見掛けのバネ定数（バネ特性）ｋは比較的小さい（柔らかいバネになる）。これに対して、熱変形（熱処理）によってクリアランスＣ２が小さくなった場合には、硬化したマスチック接着剤の見掛けのバネ定数ｋは、後述する実施例の通り、非常に大きくなる（剛なバネになる）。

一方で、熱処理後（冷却後）には、一旦熱変形した、アルミニウム合金製ルーフボウ１０とルーフパネル１の両方とも、冷却されて、元の形状（熱変形前の初期形状、初期位置）に戻ろうとする。この際、熱変形によっても、クリアランスＣ２が大きく、硬化したマスチック接着剤の硬さが柔らかく、マスチック接着剤の見掛けのバネ定数ｋが小さい場合には、アルミニウム合金製ルーフボウ１０とルーフパネル１の両方とも、元の形状に戻ることができる。言い換えると、柔らかいバネ特性を有するマスチック接着剤の緩衝効果により、ルーフパネル１は、ルーフボウ１０に引っ張られずに、元の形状に戻ることができる。

これに対して、熱変形によって、クリアランスＣ２が小さくなって、硬化したマスチック接着剤の硬さが硬くなり、マスチック接着剤の見掛けのバネ定数ｋが大きくなった場合でも、剛性や強度が比較的高いアルミニウム合金製ルーフボウ１０の方は元の形状（熱変形前の初期形状、初期位置）に戻ることができる。しかし、このルーフボウに比して、比較的平坦な形状であり、板厚が薄く、強度や剛性が比較的低いルーフパネル１の方は、マスチック接着剤の見掛けのバネ定数ｋが大きい場合には、元の形状に戻ることができない。

ここで、仮にマスチック接着剤が無ければ、ルーフパネル１も元の形状に戻ることができる。しかし、マスチック接着剤の見掛けのバネ定数ｋが大きい場合には、丁度ルーフパネル１が剛なバネでつながっているような状態であり、冷却時には、元の形状に戻るルーフボウ１０が、ルーフパネル１を下方側に引きずる形で変形する。即ち、熱変形によって、クリアランスＣ２が小さくなって、硬化したマスチック接着剤の硬さがより硬くなった場合には、ルーフパネル１の方は、結果的に、元の形状よりも車体下方側に下がる（変形する）こととなる。即ち、図１３の冷却後の図（一番下側の図）に示すように、ルーフパネル１の特に頂部（中央部）４部分が、そのマスチック接着剤５の配置位置において、点線で示す本来の形状に比して、実線で示す４ａのように、車体下方側に変形して凹む（窪む）。

ルーフパネル１の意匠面（特に頂部４）に、このような局部的な凹みや窪みが生じた場合には、ルーフパネル１の意匠性が損なわれる。また、このような局部的な凹みや窪みの部分は、樹脂によって接着されていることと相まって、修復が非常に困難となる。このため、自動車としての商品価値を損なう、大きな問題となりうる。

したがって、本発明の目的は、前記したような、従来の熱ひずみによるアルミニウム合金製ルーフパネル側の変形ではなく、ルーフボウをアルミニウム合金製とした場合に、ルーフパネルとルーフボウとの互いの形状の違いによる、熱膨張の変形モードの違いから生じる、ルーフパネル側の変形を抑制することである。そして、このよう変形モードの違いから生じる、ルーフパネル側の変形を抑制した、自動車ルーフ構造およびルーフボウを提供しようとするものである。

この目的を達成するために、本発明の自動車ルーフ構造の要旨は、ルーフボウによってルーフパネルを支持する自動車ルーフ構造であって、車体の前後方向に間隔をあけて配置された複数のルーフボウの内、いずれかまたは全部のルーフボウをアルミニウム合金製として、このアルミニウム合金製ルーフボウのルーフパネル裏面との接合面に、ルーフボウの長手方向に亙って段差を設けて、この段差によって前記ルーフボウ接合面とルーフパネル裏面とのクリアランスを確保しつつ、マスチック接着剤によって前記ルーフボウ接合面とルーフパネル裏面とを接合したことである。

ここで、前記段差によって確保される、前記ルーフボウ接合面とルーフパネル裏面との接合後（マスチック接着剤の熱硬化後）のクリアランスを１〜３ｍｍの範囲とすることが好ましい。また、前記アルミニウム合金製ルーフボウの幅方向断面形状が略ＨＡＴ型であって、この略ＨＡＴ型断面形状において側方に張り出した両フランジ部の上面が、前記ルーフパネル裏面との接合面であって、この接合面に、ルーフボウの長手方向に亙って、前記段差を設けることが好ましい。また、前記アルミニウム合金製ルーフボウの幅方向断面形状が中空な略矩形型であって、この中空略矩形型における上部側横壁の上面か、あるいは、この横壁から別途側方に張り出させたフランジ部の上面かが、前記ルーフパネル裏面との接合面であって、この接合面に、ルーフボウの長手方向に亙って、前記段差を設けることが好ましい。

更に、上記いずれかの要旨の自動車ルーフ構造に用いるアルミニウム合金製ルーフボウとしては、このルーフボウのルーフパネル裏面との接合面に、ルーフボウの長手方向に亙って段差を設け、この段差の前記接合面からの高さを、マスチック接着剤の熱硬化後の設計厚さの５０％以上とする。

本発明では、アルミニウム合金製ルーフボウとルーフパネルとの熱による変形モードが大きく異なったとしても、ルーフパネルとルーフボウとの予め設定（設計）して設けたクリアランスを確保して、ルーフパネル側の変形を抑制する。

このために、本発明では、上記クリアランスの確保を、このルーフボウのルーフパネル裏面との接合面に、ルーフボウの長手方向に亙って、前記段差を設けることで達成する。

以下、本発明自動車ルーフ構造の実施の形態について、図を用いて、以下に説明する。

先ず、図８、９に前提となる、自動車車体における代表的なルーフ構造例を示す。図８はルーフパネル１と車体４０との全体の斜視図を示す。図９は図８のＡＡ断面図である。

（ルーフパネル）
ルーフパネル１は、アルミニウム合金製 (アルミニウム合金板製) あるいは鋼製 (鋼板製) からなり、本発明の課題はいずれの場合でも共通するので、そのいずれでも良い。

これらルーフパネル１は、設計される車体形状に応じた形状とされ、多くの場合に、その意匠面（全体形状）は、車体幅方向や車体前後方向に、ゆるやかな曲率を有している。更に、ルーフパネル1 は、通常、箱型形状に設計される。このため、ルーフパネル１における車体側面側 (車体幅方向の両側) の側縁部は、図９に示すように、例えば、端部２、３をＬ字状に折り曲げた、略垂直な縦壁部と、これに続く平坦なフランジ部とからなる。

（ルーフ構造）
図８に示すように、自動車のルーフ構造は、基本的に、ルーフパネルを断面が略ＨＡＴ型形状などの複数のルーフボウ（ルーフ補強材）１０、１１によって、車体側（下方側）から支持する。それとともに、これらのルーフボウを、ルーフパネル１とルーフボウ１０、１１との間に、間隔をあけて介在させた、接合用のマスチック接着剤５によって、ルーフパネル１と接合している。

これら複数のルーフボウは、各々、車体前後方向に、適当な間隔をあけて配置される。これらのルーフボウの内、センターピラー４１と接合されるルーフボウ１０は、車体の側面衝突や、衝突による車体の回転時（ロールオーバー時）の対策として、他のルーフボウ１１よりも高い強度や剛性が必要となる。このため、ルーフボウ１０は、太幅あるいは厚肉となって、鋼製では重量が重くなり、アルミニウム合金製とした場合に、太幅あるいは厚肉となっても、軽量化効果が大きい。この点は他のルーフボウ１１などでも同様である。

したがって、ルーフボウをアルミニウム合金化して、大きな軽量化効果を発揮するためには、前提として、特に、センターピラー４１と接合されるルーフボウ１０をアルミニウム合金製とすることが好ましい。勿論、ルーフボウを全てアルミニウム合金化すれば、大きな軽量化効果が得られるが、自動車車体やルーフ構造設計上の都合もあり、他のルーフボウ１１も含めて、いずれのルーフボウをアルミニウム合金製とするかは、適宜選択される。

これらのルーフボウ１０、１１は、他のウインドシールドヘッダパネル１２や、バックウインドウフレームアッパ１３などとともに、自動車の車体幅方向に延在して両端が車体フレーム部品（ルーフサイドレール）４２に連結されるクロスメンバーとして、車体側に取り付けられる。

これらルーフボウ１０、１１は、図９に示す、車体幅方向（図の左右方向）の両端部に設けた、端部フランジ１７、１７において、ルーフパネル１の両側端部２、３（の平坦なフランジ部）とで接合される。また、同時に、図示はしないが、ルーフサイドレール４２のサイドメンバアウタパネルやサイドメンバインナパネルと接合される。これらの接合は、接合用のマスチック接着剤、ボルトやリベットなどの機械的接合あるいは溶接接合 (スポット溶接等) が適宜選択、組み合わされて用いられる。

（ルーフボウ）
前記した通り、ルーフボウ（ルーフパネル支持部材）１０、１１は、ルーフパネル１下方側から支持し、車体衝突に対するルーフ構造（車体上部）の強度や剛性を確保するために、本発明のように、鋼製からアルミニウム合金製に置き換わっても、鋼製と同様に、比較的高い強度や剛性が必要となる。

このため、図１０、１１に示す態様の通り、本発明のルーフボウ１０、１１の実施態様としては、代表的には、アルミニウム合金製であっても、通常の鋼製ルーフボウと同じ形状としている。即ち、鋼製ルーフボウと同様に、適度な幅あるいは肉厚を有するとともに、断面形状としては、略ＨＡＴ型（シルクハット型）形状を有している。この他のルーフボウ１１も、幅あるいは肉厚を除いて、通常の基本的な断面形状としては、同じ略ＨＡＴ型形状を有している。ここで、図１０は、略ＨＡＴ型断面を有するルーフボウ１０の全体斜視図、図１１は、図１０のＢＢ断面である。

本発明のアルミニウム合金製ルーフボウは、強度や剛性が確保できれば、押出や板からの成形が可能なアルミニウム合金製である特性を活かして、その断面形状は自由に選択できる。言い換えると、アルミニウム合金製ルーフボウの断面形状は、要求される強度や剛性に応じて、成形や製造のしやすい形状が適宜選択される。このように、断面形状が自由に選択できる点は、従来の鋼製ルーフボウと同様である。例えば、その断面形状は、略ＨＡＴ型形状以外に、後述する通り、図６、７のような、アルミニウム合金押出形材からなる断面が中空構造を有していても良い。

図９、図１０に示す通り、ルーフボウ１０は、略ＨＡＴ型断面において、ルーフパネル１への平坦な接合面である、各々両側方に張り出した平坦な両フランジ部１６、１６をルーフパネル１と接合する。このために、両フランジ部１６、１６の上面（ルーフパネル１とルーフボウ１０との間の面）に、ルーフボウ１０の長手方向に間隔をあけて、接合用のマスチック接着剤５を複数個配置している。そして、ルーフパネル１とルーフボウ１０との間の介在させた、これらマスチック接着剤５が、車体塗料の焼き付け硬化処理により加熱された際に熱硬化して、両フランジ部１６、１６の上面（ルーフボウ１０）を、ルーフパネル１と接合している。また、ルーフボウ１０の端部フランジ１７、１７においても、ルーフパネル１の両側端部２、３（の平坦なフランジ部）とで接合されるのは前記した通りである。これらの接合の態様は、ルーフボウ１０だけでなく、他のルーフボウ１１でも同様である。

以上説明したように、本発明では、アルミニウム合金製ルーフボウ以外の、前提となる自動車上部車体構成は、これまでの自動車上部車体構造と同じである。したがって、これらルーフパネルの構造自体を大きく変えることなく、アルミニウム合金製ルーフボウ採用によるルーフパネルの熱ひずみ変形を防止できる点が、本発明の利点でもある。したがって、ルーフパネルの取り付け構造としては、一般的あるいは公知の取り付け構造が採用できる。

（本発明ルーフボウ構造）
以上のようなルーフ構造やルーフボウ形状を前提として、本発明に係るルーフボウの接合面とルーフパネル裏面とのクリアランスを確保する手段（ルーフボウ構造）について、以下に説明する。

図１〜７に、本発明に係るアルミニウム合金製ルーフボウの各態様を各々示す。図１〜４は、ルーフボウの幅方向（ルーフパネルの車体前後方向）の断面形状が、略ＨＡＴ型のルーフボウ１０の各態様を各々示す。図５は、図１の略ＨＡＴ型のルーフボウのみの斜視図である。図６、７は、ルーフボウの幅方向（ルーフパネルの車体前後方向）断面形状が、中空な略矩形型のルーフボウ１０の各態様を各々示す。

（ルーフボウの段差）
図１〜４の略ＨＡＴ型断面のアルミニウム合金製ルーフボウ１０は、共通して、基本的な構造（形状）として、略水平な下部側横壁（底壁、底板）１４の両端から、上方に向かって各々略垂直に立ち上がる両側壁１５、１５と、この両側壁１５、１５の上端から、両側方に略水平方向に各々張り出した両フランジ部１６、１６を有する。そして、この両フランジ部１６、１６の上面側をルーフパネル１裏面との平坦な接合面とし、この面に、ルーフボウ１０の長手方向に間隔をあけて接合用のマスチック接着剤５を複数個配置し、ルーフパネル１裏面と接合する。なお、これら図１〜４で図示しているのは、熱処理前の組み付けた状態のルーフ構造である。図１〜４で図示している、当初のクリアランスＣ１は、マスチック接着剤５の高さであり、図１〜４の各段差２０、２１、２２、２３の先端部分は未だルーフパネル１裏面と接合していない。

これら図１〜４のルーフボウ１０においては、共通して、その平坦な接合面（両フランジ部１６、１６の上面側）に、ルーフボウ１０の長手方向に亙って、段差２０、２１、２２、２３を各々設けている。ここで、ルーフボウ１０の長手方向に亙ってとは、ルーフボウへの段差の設置方向を示している。即ち、段差の機能を果たせるのであれば、ルーフボウ１０の長手方向に亙って、連続的にあるいは一様に、これら段差を設けてもよい。また、後述する図５のように、ルーフボウ１０の長手方向に亙って、断続的にあるいは部分的に、これら段差を設けてもよい。ここで、図１〜４のルーフボウ１０に、更に、下部側横壁１４の両端から、両側方に略水平方向に各々張り出したフランジ部（下方側フランジ）を、上記上方側フランジ部１６、１６と平行に間隔をおいて設けたような（アラビア数字の２のような）断面形状としても良い。

（図１）
図１のルーフボウ１０においては、両フランジ部１６、１６の先端部分に、上方に向かう凸な段差として、逆Ｌ字状の段差２０を設けている。そして、この段差２０の逆Ｌ字を構成する水平な先端部分２０ａをルーフパネル１裏面と接触させる支持面とし、傾斜部分２０ｂの長さと傾斜角度によって、両フランジ部１６、１６にとって、上方に向かう凸な段差部分３０を形成している。

この段差２０は、前記焼き付け硬化処理（熱処理）などによって加熱された際に、アルミニウム合金製ルーフボウ１０とルーフパネル１との熱による変形モードが大きく異なった場合にでも、熱変形後（熱処理後）のクリアランスＣ２を確保する機能を有する。即ち、アルミニウム合金製ルーフボウ１０とルーフパネル１との熱による変形モードが大きく異なった場合にでも、段差２０の水平な先端部分２０ａがルーフパネル１裏面と接触して、ルーフパネル１裏面に対する支持面（突っ張り面）となる。

前記熱処理を受けた際の熱膨張時に、ルーフボウ段差２０の先端部分２０ａはルーフパネル１と接するので、クリアランスはゼロになる。しかし、ルーフボウ１０の両フランジ部１６、１６上面（接合面）とルーフパネル１裏面とは、段差２０の先端部分２０ａの高さ分のクリアランスＣ２が確保される。このため、前記した図１３のように、熱変形後（熱処理後）のクリアランスＣ２が小さくなることがない。そして、熱処理後（冷却後）は、段差２０の先端部２０ａはほぼ元に戻るので、結果として、ルーフボウ１０の両フランジ部１６、１６上面（接合面）とルーフパネル１裏面とのクリアランスは、段差２０の先端部分２０ａの高さ分が確保される。この段差２０の先端部２０ａがほぼ元に戻るのは、前記熱処理を受けた際の熱膨張時に、マスチック５の厚み（クリアランスＣ１）が確保されているため、マスチックが必要以上に硬くならないことによる。

以上のように、前記熱処理を受けマスチック接着剤５の前記焼き付け硬化処理による硬化が進行しても、熱変形後（熱処理後）のクリアランスＣ２が、段差２０の先端部分２０ａの高さ分、大きく保たれている。この結果、硬化するマスチック接着剤５が必要以上に硬くならず、マスチック接着剤の見掛けのバネ定数ｋが小さくなる。

このため、一旦変形した、アルミニウム合金製ルーフボウ１０とルーフパネル１の両方とも、元の形状（熱変形前の初期形状、初期位置）に戻ることができる。言い換えると、柔らかいバネ特性を有するマスチック接着剤の緩衝効果により、ルーフパネル１は、ルーフボウ１０に引っ張られずに、元の形状に戻ることができる。したがって、強度や剛性が比較的低いルーフパネル１の意匠面（特に頂部４）に、局部的な凹みや窪みが生じることがなく、ルーフパネル１の意匠性を損なうことが無い。これらの機構は、図２以下の本発明の実施態様でも同様に発揮される。

（図２）
図２のルーフボウ１０においては、両フランジ部１６、１６の内側（根元）部分に、下方に向かう凹な段差２１を設けている。即ち、上記図１と同様に、両フランジ部１６、１６の先端部分に、上方に向かう凸な段差として、逆Ｌ字状の段差２０を設けているが、これに対応して、両フランジ部１６、１６の内側（根元）部分に、下方に向かう凹な段差２１を設けている。このため、結果として、両フランジ部１６、１６に、下方に向かう凹な段差部分３０を形成している。

そして、この段差２１の逆Ｌ字を構成する水平な内側（根元）部分２１ａを、前記先端側段差２０の水平な先端部分２０ａと同様に、ルーフパネル１裏面と接触させる支持面としている。また、前記先端側段差２０と同様に、段差２１の逆Ｌ字を構成する傾斜（壁）部分２１ｂの長さと傾斜角度によって、下方に向かう凹な段差部分３０を形成し、ルーフパネル１裏面とルーフボウ１０の両フランジ部１６、１６上面（接合面）とのクリアランスを確保している。

これら段差２０と段差２１とは、前記図１の段差２０と同様に、焼き付け硬化処理などによって加熱された際に、アルミニウム合金製ルーフボウ１０とルーフパネル１との熱による変形モードが大きく異なった場合にでも、熱変形後も、ルーフパネル１裏面とルーフボウ１０の両フランジ部１６、１６上面（接合面）とのクリアランスを確保する機能を有する。即ち、アルミニウム合金製ルーフボウ１０とルーフパネル１との熱による変形モードが大きく異なった場合にでも、段差２０の水平な先端部分２０ａと段差２１の水平な先端部分２１ａとが、ルーフパネル１裏面に対する支持面（突っ張り面）となる。これによって、熱変形後も、ルーフパネル１裏面とルーフボウ１０の両フランジ部１６、１６上面（接合面）とのクリアランスＣ２を確保する。この場合、このクリアランスＣ２は、段差２０の先端部分２０ａまたは段差２１の傾斜（壁）部分２１ｂの高さまたは深さ、即ち、段差２０の先端部分２０ａまたは段差２１の傾斜（壁）部分２１ｂの、両フランジ部１６、１６上面（接合面）からの高さまたは深さとなる。

（図３）
図３のルーフボウ１０においては、前記図２と同様に、両フランジ部１６、１６に、下方に向かう凹な段差２２を設け、下方に向かう凹な段差部分３０を形成している。図３では、この段差２２を下方に向かう円弧状としているために、ルーフパネル１裏面と接触させる支持面（突っ張り面）は、結果として、両フランジ部１６、１６の上面（接合面）となる。これによって、熱変形後も、ルーフパネル１裏面とルーフボウ１０の両フランジ部１６、１６上面（接合面）とのクリアランスＣ２を確保する。この場合には、クリアランスＣ２は、凹な段差２２の最大深さ（高さ）、即ち、凹な段差２２のフランジ部１６、１６からの最大深さ（高さ）となる。

（図４）
図４のルーフボウ１０においては、両フランジ部１６、１６の先端部分に、上方に向かう、略垂直な縦壁状段差２３を各々設けて、接合面に段差部分３０を形成させている。両フランジ部１６、１６の先端部分を折り曲げても、このような略垂直な縦壁状段差２３を形成できる。この場合には、縦壁状段差２３が、ルーフパネル１裏面に対する支持面（突っ張り面）となる。これによって、熱変形後も、ルーフパネル１裏面とルーフボウ１０の両フランジ部１６、１６上面（接合面）とのクリアランスＣ２を確保する。この場合には、クリアランスＣ２は、縦壁状段差２３の高さ、即ち、縦壁状段差２３の両フランジ部１６、１６上面からの高さとなる。

（図５）
図５は前記した図１のルーフボウを示しているが、この図５では、両フランジ部１６、１６に設ける段差２０と、接合用のマスチック接着剤５の配置位置を互いにずらして、両者が幅方向の位置で互いに重ならないようにしている。

上記両者が幅方向の位置で互いに重なった場合、丁度、図１に示す、段差２０の逆Ｌ字を構成する水平な先端部分２０ａとマスチック接着剤５とが近接することとなる。このような場合、前記焼き付け硬化処理時に、ルーフパネル１裏面とルーフボウ１０の両フランジ部１６、１６上面（接合面）との変形により、変形したマスチック接着剤５が、先端部分２０ａとルーフパネル１裏面との隙間に侵入する可能性が生じる。

そして、このマスチック接着剤５の隙間侵入が生じた場合、先端部２０ａとルーフパネル１裏面のクリアランスが小さい。そして、マスチック接着剤５の前記焼き付け硬化処理による硬化が進行する結果、この先端部２０ａとルーフパネル１裏面に侵入し硬化したマスチック接着剤５の、ルーフパネル１に対する引張力（引き寄せ力）が強くなり、ルーフパネル１の特に頂部（中央部）４部分の変形が生じる可能性が高くなる。

これに対して、図５のように、両フランジ部１６、１６に設ける段差２０と、接合用のマスチック接着剤５の配置位置を互いにずらして、両者が幅方向の位置で互いに重ならないようにすれば、前記焼き付け硬化処理時に、マスチック接着剤５が、両フランジ部１６、１６の先端部分２０ａとルーフパネル１裏面との隙間に侵入する可能性が無くなる。

（図６、７）
図６、７のアルミニウム合金製ルーフボウの態様は、ルーフボウの幅方向の断面形状が中空な略矩形型である場合を示している。

この内、図６のルーフボウでは、この中空略矩形型における上部側の略水平な横壁１８の上面か、あるいは、この上部側横壁１８面から別途側方に張り出させた略水平なフランジ部１６、１６の上面かが、前記ルーフパネル裏面との平坦な接合面となる。これらのいずれか、あるいは両方に、ルーフボウ１０の長手方向に間隔をあけて接合用のマスチック接着剤５を複数個配置する。

図６のルーフボウでは、一個の略矩形の中空部１９における略水平な下部側横壁（底壁、底板）１４の両端から、上方に向かって各々略垂直に立ち上がる両側壁１５、１５の延長線上を、更に上方に向かって略垂直に延びる縦壁状段差２４、２４によって、上部側横壁１８面とフランジ部１６、１６の上面とに、段差部分を形成している。

ここで、この縦壁状段差２４、２４が、図示しないルーフパネル裏面に対する支持面（突っ張り面）となる。これによって、熱変形後も、ルーフパネル裏面とルーフボウ１０の両フランジ部１６、１６上面（接合面）とのクリアランスＣ２を確保する。この場合には、クリアランスＣ２は、縦壁状段差２４、２４の両フランジ部１６、１６上面からの高さ（長さ）となる。

図７のルーフボウでは、２つに分割され間隔をおいて配置された互いの略矩形の中空部１９を略水平な下部側横壁（底壁、底板）１４が繋ぐ、幅方向の断面形状を有している。このルーフボウでは、互いの略矩形の中空部１９における上部側の略水平な横壁１８の上面が、ルーフボウ１０の長手方向に間隔をあけて接合用のマスチック接着剤５を複数個配置する、ルーフパネル裏面との平坦な接合面となる。

そして、各中空部１９における略水平な下部側横壁（底壁、底板）１４の各端部から、上方に向かって各々略垂直に立ち上がる両側壁１５、１５の延長線上を、更に上方に向かって略垂直に延びる縦壁状段差２５、２５によって、各中空部１９における略水平な上部側横壁１８面に、段差部分を形成している。

ここで、この縦壁状段差２５、２５が、図示しないルーフパネル裏面に対する支持面（突っ張り面）となる。これによって、熱変形後も、ルーフパネル裏面とルーフボウ１０の両フランジ部１６、１６上面（接合面）とのクリアランスＣ２を確保する。この場合には、クリアランスＣ２は、縦壁状段差２５、２５の両フランジ部１６、１６上面からの高さとなる。

（クリアランス）
以上説明した、各ルーフボウにおける各段差が確保する、ルーフボウとルーフパネルとの熱変形後（車体塗装焼き付け硬化加熱処理後）のルーフボウ接合面とルーフパネル裏面とのクリアランスＣ２は、１〜３ｍｍの範囲であることが好ましく、１．５〜２．５ｍｍの範囲であることがより好ましい。この点、前記した通り、本発明においてルーフボウに設ける、前記した各段差の高さ乃至深さ分だけ、ルーフパネル１裏面とルーフボウ１０の両フランジ部１６、１６上面（接合面）とのクリアランスＣ２が確保される。したがって、このクリアランスＣ２を上記範囲で確保するために、本発明においてルーフボウに設ける段差の高さ乃至深さは１〜３ｍｍの範囲、より好ましくは１．５〜２．５ｍｍの範囲とする。

クリアランスＣ２（段差の高さ乃至深さ）が小さすぎると、勿論、接合条件にもよるが、段差の無い従来技術と大差なくなり、前記した通り、マスチック接着剤５の硬化が大きくなり、ルーフパネル１の頂部（中央部）４部分に変形が生じやすくなる。一方、クリアランスＣ２（段差の高さ乃至深さ）を過剰に大きくする必要は無い。そればかりか、クリアランスＣ２（段差の高さ乃至深さ）が大きすぎる場合には、ルーフボウとルーフパネルとの接合強度が弱まるか、マスチック接着剤５の量を多くする必要が生じ不経済である。

ここで、ルーフボウに設ける段差の高さ乃至深さは、マスチック接着剤の熱処理前の当初の設計厚さ（塗布厚さ）の最適範囲（当初のクリアランスＣ１）が、一般的な自動車ルーフ構造の場合に２〜６ｍｍの範囲、好ましくは３〜５ｍｍの範囲であることに対応し、この設計厚さの５０％を基準とする。即ち、各ルーフボウに設ける各段差の高さ（深さ）は、クリアランスＣ２を上記最適範囲にするために、熱硬化前のマスチック接着剤の設計厚さの５０％以上とすることが好ましい。このマスチック接着剤５の前記設計厚さは、前記した図１〜４のマスチック接着剤５の高さ、即ち、熱変形前のルーフ構造の組付け時のクリアランスＣ１となる。

(アルミニウム合金)
本発明でルーフボウに用いるアルミニウム合金や、ルーフパネルに選択的に用いるアルミニウム合金は、通常、製造がしやすく、ルーフボウやルーフパネルへの成形が容易で、強度にも優れたＡＡ乃至ＪＩＳ３０００系、５０００系、６０００系等のアルミニウム合金が適宜選択して用いられる。特に、６０００系アルミニウム合金は、自動車車体の塗装焼き付け処理条件での人工時効硬化性を有する。このため、ルーフパネルとして必要な強度 (耐力) を得るのに合金元素量が少なくて済み、そのスクラップを元の６０００系アルミニウム合金の溶解原料としてリサイクルできる利点がある。

(アルミニウム合金材)
前記図１〜４のルーフボウは、素材板（圧延板）からプレス成形して製造してもよく、また、長手方向の断面形状が同じな熱間押出材として製造しても良い。一方、前記図６、７のような断面が中空のルーフボウは、素材板（圧延板）をプレス成形するよりも、熱間押出材として製造した方が作りやすい。

なお、本発明では、ルーフパネルや、複数配列されるルーフボウの内から選択されるルーフボウに用いる材料は、アルミニウム合金でなくとも、従来から使用されている、ハイテンや軟鋼などの鋼板、鋼材でも良い。

ルーフパネルと、この裏面に接合された、前記図８に示したセンターピラー４１と接合されるルーフボウであって、段差を設けた図１の略ＨＡＴ型断面のアルミニウム合金製ルーフボウ１０とを、図１４〜１６に示すようにモデル化し、車体塗装焼き付け硬化処理による熱変形後（熱処理後）を模擬した、ルーフパネル中央断面の変形量をＦＥＭ解析により求めた。なお、ルーフボウ１０は、段差２０を図５のようにマスチック接着剤５の設置位置からずらして設けている。この結果を図１７に示す。

比較のために、段差を設けない以外は、発明例と解析条件を同じとした、図１０と同じ形状の比較例の解析結果を図１７に示す。図１７は横軸がルーフパネルの車体幅方向の各位置（右半分）を示し、左端の５００ｍｍの位置がルーフパネルの車体幅方向の中心である。また、縦軸がルーフパネルの車体上下方向の変形量であり、変形量０．０ｍｍの位置が熱処理後も変形が無いことを示し、変形量０．０ｍｍより下が下方への変形、変形量０．０ｍｍより上が上方への変形を示している。

モデル化した図１４〜１６の内、図１４は斜視図、図１５は上面視図、図１６は中央断面図であり、各々ルーフパネルとルーフボウともに、図の左右あるいは上下対称に、表示は半分のみであり、表示寸法も半分である。図１４の斜視図では図の左右対称に、図１５の上面視図では図の上下対称に、図１６の中央断面図では図の左右対称に示し、図１４、１５の各図において、一点鎖線にて、これらの対称面を示す。

（ルーフパネル条件）
ルーフパネルは図９に示した形状とし、各部とも均一な１．０ｍｍの板厚とした、０．２％耐力が１２０ＭＰａの、６０００系アルミニウム合金板を成形したものとした。ルーフパネルの大きさは、図１４のように、車体幅方向の長さを１０００ｍｍ（表示は半分の５００ｍｍ）、車体長さ方向の長さを２０００ｍｍとした。

（ルーフボウ条件）
ルーフボウ１０の形状は、図１の略ＨＡＴ型断面の、０．２％耐力が１２０ＭＰａの、６０００系アルミニウム合金板製（成形板）とした。板厚は各部とも均一な１．２ｍｍとした。ルーフボウ１０の長さ（車体幅方向）は１０００ｍｍ（図１４の表示は半分の５００ｍｍ）とした。また、水平な下部側横壁１４の外側の幅（車体長さ方向）は３０ｍｍ、両側壁１５、１５の高さ（車体上下方向）は２０ｍｍ、両フランジ部１６、１６の両端部同士の間隔（車体長さ方向）は５０ｍｍ、フランジ自体の幅（車体長さ方向）は各１０ｍｍとした。

そして、段差を設けた発明例は両フランジ部１６、１６における、段差２０の平坦な接合面１６からの高さを１．５ｍｍとして、下記マスチック接着剤の熱硬化前に設ける設計高さ（厚さ）３ｍｍの５０％とした。この熱硬化前のマスチック接着剤の設計厚さ（高さ）が、接合面１６とルーフパネル１裏面との当初のクリアランスＣ１となる。

（マスチック）
引張特性（５０％モジュラス）σ50が０．１０ＭＰａの熱硬化型接着樹脂を、接合用のマスチック接着剤５として、図１４のＸで示す位置に、各々配置した。これは、前記図５のように、略ＨＡＴ型断面における、ルーフパネル１への平坦な接合面である、各々両側方に張り出した平坦な両フランジ部１６、１６面上である。そして、この両フランジ部１６、１６面をルーフパネル１の裏面と接合することとした。

（温度変化条件）
温度変化は、室温２０℃と熱処理温度１８０℃との間の変化を想定して、１６０℃とした。即ち、ルーフパネルの熱歪み条件としては、２０℃から１８０℃にルーフパネルが加熱され、再び２０℃に冷却されることを模擬している。

（解析条件）
これらのＦＥＭ解析には、汎用解析ソフト：有限要素ソルバーＡＢＡＱＵＳ６．３を用いた。この際、マスチックのモデル化は、マスチックをバネ要素（等価なバネ定数ｋ）でモデルした。即ち、熱処理時の熱膨張時に、そのときのルーフパネル裏面とルーフボウ接合面とのクリアランスδ（ｍｍ）に応じた、バネ定数ｋを以下の式で定義した。バネ定数ｋ（Ｎ／ｍｍ）＝Ｆ／ｘ＝（σ50：マスチック引張特性×Ａ：マスチック断面積ｍｍ² ）／０．５δ＝（π／２）×（σ50／δ）×ｄ² （ｄ：マスチック直径ｍｍ）。なお、ここで、マスチック直径ｄは２０ｍｍとした。

これによると、バネ定数ｋとクリアランスＴの関係は以下の通りとなる。即ち、クリアランス０．５ｍｍでバネ定数ｋは１２６Ｎ／ｍｍ、クリアランス１ｍｍでバネ定数ｋは６３Ｎ／ｍｍ、クリアランス２ｍｍでバネ定数ｋは３１Ｎ／ｍｍ、クリアランス５ｍｍでバネ定数ｋは１３Ｎ／ｍｍ、クリアランス１０ｍｍでバネ定数ｋは６Ｎ／ｍｍとなる。これから分かる通り、前記した通りに、クリアランスが小さくなるにつれて、硬化したマスチックのバネ定数ｋは劇的に大きくなり、クリアランスが大きくなるにつれてバネ定数ｋは劇的に小さくなる。したがって、この結果からも、本発明で課題とするルーフ側の変形が、熱変形によるルーフボウとのクリアランスの減少によるものであることが裏付けられる。

また、これらの解析結果を示す図１５から分かる通り、段差を設けてクリアランスを確保した発明例は、ルーフパネルの変形量が小さく、変形抑制効果が大きい。これに対して、このような段差を設けない以外は、発明例と解析条件を同じとした比較例は、ルーフパネルの変形量が著しく大きい。この発明例では、熱変形後の接合面１６とルーフパネル１裏面とのクリアランスＣ２は、段差２０の平坦な接合面１６からの高さ１．５ｍｍ分だけ確保されている。これに対して、比較例では、段差が無いために、前記クリアランスＣ２は、熱硬化後のマスチック接着剤のわずかな高さ（厚さ）のみである。

本発明によれば、ルーフボウをアルミニウム合金製とした場合に、ルーフパネルとルーフボウとの互いの形状の違いによる、熱膨張の変形モードの違いから生じる、ルーフパネル側の変形を抑制した、自動車ルーフ構造およびルーフボウを提供することができる。このため、ルーフボウのアルミニウム合金化による、自動車上部車体構造の軽量化を促進でき、自動車の種類に依らず、共通して、走行安定性や操縦性を増すことができ、また、アルミニウム合金材の用途も一層拡大する。

図１〜４は、ルーフボウの幅方向（ルーフパネルの車体前後方向）の断面形状が、略ＨＡＴ型のルーフボウ１０の各態様を各々示す。図５は、図１の略ＨＡＴ型のルーフボウのみの斜視図である。図６、７は、ルーフボウの幅方向（ルーフパネルの車体前後方向）断面形状が、中空な略矩形型のルーフボウ１０の各態様を各々示す。
本発明自動車ルーフ構造の一態様を示す断面図である。 本発明自動車ルーフ構造の他の態様を示す断面図である。 本発明自動車ルーフ構造の他の態様を示す断面図である。 本発明自動車ルーフ構造の他の態様を示す断面図である。 図１の斜視図である。 本発明自動車ルーフ構造の他の態様を示す断面図である。 本発明自動車ルーフ構造の他の態様を示す断面図である。 自動車の車体構造例を示す斜視図である。 図８のＡＡ断面図である。 従来の略ＨＡＴ型断面を有するルーフボウ１０の全体斜視図である。 図１０のＢＢ断面図である。 従来のルーフパネルとルーフボウとを示す、図８の熱変形前の車体のＡＡ断面図である。 従来のルーフパネルとルーフボウとを示す、図８の熱変形後の車体のＡＡ断面図である。 本発明自動車ルーフ構造の解析モデル化例を示す斜視図である。 本発明自動車ルーフ構造の解析モデル化例を示す平面図である。 本発明自動車ルーフ構造の解析モデル化例を示す断面図である。 図１４〜１６の解析モデルの変形量解析結果を示す説明図である。

符号の説明

１：ルーフパネル、２、３：ルーフパネルフランジ部、４：ルーフパネル中央部、５：マスチック接着剤、１０、１１：ルーフボウ、１４：ルーフボウ下部側横壁、１５：ルーフボウ側壁、１６：ルーフボウフランジ部、１７：ルーフボウ取り付け部分、１８：ルーフボウ横壁、２０、２１、２２、２３、２４、２５：ルーフボウ段差、３０：ルーフボウ段差部分、

Claims (5)

1. ルーフボウによってルーフパネルを支持する自動車ルーフ構造であって、車体の前後方向に間隔をあけて配置された複数のルーフボウの内、いずれかまたは全部のルーフボウをアルミニウム合金製として、このアルミニウム合金製ルーフボウのルーフパネル裏面との接合面に、ルーフボウの長手方向に亙って段差を設けて、この段差によって前記ルーフボウ接合面とルーフパネル裏面とのクリアランスを確保しつつ、マスチック接着剤によって前記ルーフボウ接合面とルーフパネル裏面とを接合したことを特徴とする自動車ルーフ構造。
2. 前記段差によって確保される、前記ルーフボウ接合面とルーフパネル裏面との接合後のクリアランスを１〜３ｍｍの範囲とした請求項１に記載の自動車ルーフ構造。
3. 前記アルミニウム合金製ルーフボウの幅方向断面形状が略ＨＡＴ型であって、この略ＨＡＴ型断面形状において側方に張り出した両フランジ部の上面が、前記ルーフパネル裏面との接合面であって、この接合面に、ルーフボウの長手方向に亙って、前記段差を設けた請求項１または２に記載の自動車ルーフ構造。
4. 前記アルミニウム合金製ルーフボウの幅方向断面形状が中空な略矩形型であって、この中空略矩形型における上部側横壁の上面か、あるいは、この横壁から別途側方に張り出させたフランジ部の上面かが、前記ルーフパネル裏面との接合面であって、この接合面に、ルーフボウの長手方向に亙って、前記段差を設けた請求項１または２に記載の自動車ルーフ構造。
5. 請求項１乃至４のいずれかの自動車ルーフ構造に用いるアルミニウム合金製ルーフボウであって、このルーフボウのルーフパネル裏面との接合面に、ルーフボウの長手方向に亙って段差を設け、この段差の前記接合面からの高さを、熱硬化前のマスチック接着剤の設計厚さの５０％以上としたことを特徴とするルーフボウ。

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