JP2014233999A - 自動車の車体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 自動車のピラーのような鋼板製の車体部材を、重量の増加を最小限に抑えながら効果的に補強する。
【解決手段】 鋼板製のピラー２５に荷重を加えたときに曲げ応力が集中する応力集中部４９を特定し、ピラー２５を製造し、応力集中部４９の引張面にＣＦＲＰ製のパッチ４５を貼着するので、ピラー２５の応力集中部４９だけを軽量なＣＦＲＰ製のパッチ４５で補強し、重量の増加を最小限に抑えながら最大の補強効果を得ることができる。またＣＦＲＰ製のパッチ４５は圧縮荷重よりも引張荷重に対して強いため、それを応力集中部４９の引張面に貼着あるいはボルト止めすることで、補強効果を更に高めることができるだけでなく、ＣＦＲＰ製のパッチ４５の炭素繊維の積層数や繊維配向方向を変更するだけで、補強効果の大小を容易に調整することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、鋼板製の車体部材をＣＦＲＰ製のパッチで補強する自動車の車体製造方法に関する。

ハット状断面を有する鋼板製のアウター部材と、平板状の鋼板に平板状のＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）板を積層したインナー部材とを結合して閉断面に構成した自動車のセンターピラーの内部に、帯状のＣＦＲＰを波形に成形したリンフォースメントを配置したものが、下記特許文献１により公知である。

また鋼板に未硬化のＣＦＲＰ板を貼り合わせて所定形状に切断した後に、オートクレーブ内で加熱してＣＦＲＰ板を硬化させることで、ＣＦＲＰ板で補強された鋼板を得るものが、下記特許文献２により公知である。

特開２０１０−１９５３５２号公報 特開２００９−１７８９９７号公報

ところで、上記特許文献１に記載されたものは、センターピラーの下端から上端までの全域にＣＦＲＰ板および波形のＣＦＲＰ製リンフォースメントの二つの補強部材が配置されており、特に波形のＣＦＲＰ製リンフォースメントは引き延ばしたときの実質的な全長が大きいため、車体重量増加の要因となる可能性がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、自動車のピラーのような鋼板製の車体部材を、重量の増加を最小限に抑えながら効果的に補強することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、鋼板製の車体部材に荷重を加えたときに曲げ応力が集中する応力集中部を特定する第１工程と、前記車体部材を製造する第２工程と、前記応力集中部の引張面にＣＦＲＰ製のパッチを貼着あるいはボルト止めする第３工程とを含むことを特徴とする自動車の車体製造方法が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記パッチの寸法は前記応力集中部の寸法よりも大きいことを特徴とする自動車の車体製造方法が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記パッチは前記応力集中部の引張面の稜線を跨ぐことを特徴とする自動車の車体製造方法が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記パッチの連続繊維は前記応力集中部の応力緩和に有利な方向に沿って整列することを特徴とする自動車の車体製造方法が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、前記パッチは連続繊維および熱硬化性マトリクス樹脂からなり、前記熱硬化性マトリクス樹脂の量は熱硬化時の収縮により前記応力集中部を変形させない量であることを特徴とする自動車の車体製造方法が提案される。

尚、実施の形態のＢピラー２５、サイドシル１３、ドアビーム５１およびフロアトンネル補強パネル２２は本発明の車体部材に対応する。

請求項１の構成によれば、鋼板製の車体部材に荷重を加えたときに曲げ応力が集中する応力集中部を特定し、車体部材を製造し、応力集中部の引張面にＣＦＲＰ製のパッチを貼着あるいはボルト止めするので、車体部材の応力集中部だけを軽量なＣＦＲＰ製のパッチで補強し、重量の増加を最小限に抑えながら最大の補強効果を得ることができる。またＣＦＲＰ製のパッチは圧縮荷重よりも引張荷重に対して強いため、それを応力集中部の引張面に貼着あるいはボルト止めすることで、補強効果を更に高めることができ、しかもＣＦＲＰ製のパッチの炭素繊維の積層数や繊維配向方向を変更するだけで、補強効果の大小を容易に調整することができる。

また請求項２の構成によれば、パッチの寸法は応力集中部の寸法よりも大きいので、応力集中部の変形を確実に防止することができる。

また請求項３の構成によれば、パッチは応力集中部の引張面の稜線を跨ぐので、応力が集中し易い稜線が折れ変形するのを効果的に防止することができる。

また請求項４の構成によれば、パッチの連続繊維は応力集中部の応力緩和に有利な方向に沿って整列するので、パッチによる応力集中部の補強効果を有効に発揮させることができる。

また請求項５の構成によれば、パッチは連続繊維および熱硬化性マトリクス樹脂からなり、熱硬化性マトリクス樹脂の量は熱硬化時の収縮により応力集中部を変形させない量であるので、熱硬化性マトリクス樹脂が熱硬化するときの収縮量が応力集中部が熱収縮するときの収縮量よりも大きくても、車体部材に変形が発生するのを防止することができる。

自動車の車体フレームの斜視図。 図１の２−２線拡大断面図。 図２の３−３線矢視図。 図２の４−４線断面図。 車体が横転したときの荷重の作用状態を示す図。

以下、図１〜図５に基づいて本発明の実施の形態を説明する。尚、本明細書において、前後方向、左右方向（車幅方向）、上下方向とは、運転席に着座した乗員を基準として定義される。

図１に示すように、自動車の車体フレームは、車体前部に前後方向に配置された左右一対のフロントサイドフレーム１１，１１と、左右のフロントサイドフレーム１１，１１の後端に接続されて後方に延びる左右一対のフロアフレーム１２，１２と、左右のフロアフレーム１２，１２の車幅方向外側において前後方向に配置された左右一対のサイドシル１３，１３と、左右のサイドシル１３，１３の後端に接続されて後方に延びる左右一対のリヤサイドフレーム１４，１４とを備える。

左右のフロントサイドフレーム１１，１１の前端間は枠状に形成されたフロントバルクヘッド１５により接続され、左右のフロントサイドフレーム１１，１１の前後方向中間部間は車幅方向に延びる第１クロスメンバ１６により接続され、左右のフロントサイドフレーム１１，１１の後部間は車幅方向に延びる第２クロスメンバ１７により接続され、左右のサイドシル１３，１３の前後方向中間部間および左右のフロアフレーム１２，１２の後端間は車幅方向に延びる第３クロスメンバ１８，１８により接続され、左右のサイドシル１３，１３の後端間は車幅方向に延びる第４クロスメンバ１９により接続され、左右のリヤサイドフレーム１４，１４の前端間は車幅方向に延びる第５クロスメンバ２０により接続され、左右のリヤサイドフレーム１４，１４の後端間は車幅方向に延びる第６クロスメンバ２１により接続される。前記第２クロスメンバ１７は、第３クロスメンバ１８の車幅方向中間部から前方に延びる板材よりなるフロアトンネル補強パネル２２の前部２２ａと、それを左右のサイドシル１３，１３の前部に接続する左右一対の板材よりなるブラケット２３，２３とにより構成される。

左右のサイドシル１３，１３の前端から左右一対のＡピラー（フロントピラー）ロア２４，２４が起立し、左右のサイドシル１３，１３の前後方向中間部から左右一対のＢピラー（センターピラー）２５，２５が起立し、左右のサイドシル１３，１３の後端から左右一対のＣピラー（リヤピラー）２６，２６が起立し、左右のリヤサイドフレーム１４，１４の後端から左右一対のＤピラー２７，２７が起立する。

フロントサイドフレーム１１の前部から連結部材２８が車幅方向外側に張り出しており、この連結部材２８に前端を接続されて後上方に延びるロアメンバ２９が、Ａピラーロア２４の上端に接続される。ロアメンバ２９の前後方向中間部からＡピラーアッパ３０が後上方に延びており、このＡピラーアッパ３０と、ロアメンバ２９の後部と、Ａピラーロア２４の上端とがフロントクォータパネル３１で接続される。

Ａピラーアッパ３０の後端からルーフサイドレール３３が後方に延びており、左右のＡピラーアッパ３０，３０間が車幅方向に延びるダッシュボードアッパ３４で接続され、左右のルーフサイドレール３３，３３の前部間が車幅方向に延びる第１ルーフアーチ３５で接続され、左右のルーフサイドレール３３，３３の前後方向中間部間と、左右のＢピラー２５，２５の上端間とが車幅方向に延びる第２ルーフアーチ３６で接続され、左右のルーフサイドレール３３，３３の後端間と、左右のＤピラー２７，２７の上端間とが車幅方向に延びる第３ルーフアーチ３７で接続される。

リヤサイドフレーム１４からリヤホイールハウス３８が起立しており、リヤホイールハウス３８の車幅方向外側がリヤフェンダーパネル３９で覆われる。

図２〜図４に示すように、Ｂピラー２５は、車幅方向外向きに凸に湾曲するハット状断面に鋼板をプレス成形したアウタパネル４１と、車幅方向内向きに凸に湾曲するハット状断面に鋼板をプレス成形したインナパネル４２と、車幅方向外向きに凸に湾曲するハット状断面に鋼板をプレス成形したスチフナ４３とを、それらの接合フランジ４１ａ，４１ａ，４２ａ，４２ａ，４３ａ，４３ａにおいて３枚重ねで溶接４４…した閉断面の中空部材である。スチフナ４３は上下方向に延びる２本の稜線４３ｂ，４３ｂによって折れ曲がっており、その車幅方向内面（インナパネル４２に対向する面にＣＦＲＰ製のパッチ４５が貼着されて補強される。

パッチ４５は矩形状のＣＦＲＰシートからなるもので、炭素繊維の連続繊維４６（連続炭素繊維を一方向に引き揃えてシート状にしたもの）を、熱硬化性マトリクス樹脂４７内に埋設して構成される。このパッチ４５は、連続繊維４６の連続炭素繊維の配向方向がＢピラー２５の長手方向（上下方向）に沿うように、接着剤４８でスチフナ４３の車幅方向内面に接着される。

図５に示すように、車体が横転してルーフサイドレール３３に矢印Ｆ１で示すような荷重が加わった場合を想定し、Ｂピラー２５に作用する荷重をコンピュータで解析すると、車幅方向外側に位置するアウタパネル４１およびスチフナ４３に引張荷重Ｆ２が作用し、車幅方向内側に位置するインナパネル４２に圧縮荷重Ｆ３が作用することが分かる。

図３において鎖線で示す楕円は、スチフナ４３に作用する引張荷重Ｆ２が所定値を超える領域である応力集中部４９を示しており、パッチ４５の上下方向幅Ｗ２は、応力集中部４９の上下方向幅Ｗ１を超えており、従ってパッチ４５は応力集中部４９の上端よりも上方位置から下端よりも下方位置までを覆っている。またパッチ４５の前後方向長さは、スチフナ４３の稜線４３ｂ，４３ｂを跨ぐように設定される。

溶接工程の前段階において、パッチ４５は熱硬化性マトリクス樹脂４７が未硬化の状態でスチフナ４３に貼着され、続く溶接工程でアウタパネル４１、インナパネル４２およびスチフナ４３が一体に溶接される。そして次の塗装工程で車体が乾燥炉内を通過する際の熱で熱硬化性マトリクス樹脂４７が加熱されて硬化し、パッチ４５がスチフナ４３に強固に貼着される。尚、パッチ４５は、熱硬化性マトリクス樹脂４７が硬化した状態で、スチフナ４３に接着あるいはボルト止めしても良い。

熱硬化性マトリクス樹脂４７が硬化するときの熱収縮量は、鋼板が加熱後に冷却されたときの熱収縮量よりも大きいため、熱硬化性マトリクス樹脂４７の量（例えば、パッチ４５の厚さや面積）が過大であると、熱硬化性マトリクス樹脂４７の熱収縮によってスチフナ４３が変形する虞がある。従って、パッチ４５の熱硬化性マトリクス樹脂４７の量は、スチフナ４３の変形を発生させない量に制限される。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

車体が横転したような場合、ルーフサイドレール３３に入力した荷重Ｆ１により、引張面となるＢピラー２５のアウタパネル４１およびスチフナ４３に引張荷重Ｆ２が作用し、圧縮面となるインナパネル４２に圧縮荷重Ｆ３が作用する。スチフナ４３に作用する引張荷重Ｆ２が所定値を超える領域である応力集中部４９が予め特定されており、この応力集中部４９にＣＦＲＰ製のパッチ４５を貼着して補強することで、Ｂピラー２５の強度が高められて横転時に車室空間を確保することができる。即ち、引張荷重が入力したときの伸び率は、鋼板製のスチフナ４３よりもＣＦＲＰ製のパッチ４５の方が小さいため、パッチ４５によりスチフナ４３の延び変形が抑制されてＢピラー２５の強度が高められる。

このように、曲げ応力が集中する応力集中部４９を特定し、応力集中部４９の引張面にＣＦＲＰ製のパッチ４５を貼着するので、スチフナ４３の全体でなく応力集中部４９だけを軽量なＣＦＲＰ製のパッチ４５で補強することで、重量の増加を最小限に抑えながら最大の補強効果を得ることができる。またＣＦＲＰ製のパッチ４５は圧縮荷重よりも引張荷重に対して強いため、それを応力集中部４９の引張面に貼着することで、補強効果を更に高めることができる。しかもＣＦＲＰ製のパッチ４５の連続繊維４６の積層数や繊維配向方向を変更するだけで、補強効果の大小を容易に調整することができる。

またパッチ４５の上下方向幅Ｗ２は、応力集中部４９の上下方向幅Ｗ１を超えており、かつパッチ４５の前後方向長さは、スチフナ４３の稜線４３ｂ，４３ｂを跨ぐように設定されるので、パッチ４５で応力集中部４９を確実に覆って補強効果を高めるとともに、応力が集中し易いスチフナ４３の稜線４３ｂ，４３ｂを補強して変形を防止することができる。

またパッチ４５の骨材は炭素繊維の連続繊維４６を積層したものからなり、その連続繊維４６は応力集中部４９の応力を緩和するのに有利な方向（例えば、引張荷重の方向）に沿って整列するので、パッチ４５による応力集中部４９の補強効果を有効に発揮させることができる。

このような構造のパッチ４５は、上述したＢピラー２５以外に、車体フレームの各部に取り付けることができる。以下、その例を図１に基づいて説明する。

サイドシル１３は、車幅方向外側に位置するサイドシルアウタ１３ａと、車幅方向内側に位置するサイドシルインナ１３ｂとを結合して閉断面に構成される。サイドシル１３に側面衝突の衝突荷重が入力すると、サイドシルインナ１３の車幅方向内面、特にＢピラーの近傍の車幅方向内面に強い引張荷重が作用するため、そこにＣＦＲＰ製のパッチ４５を貼着することで側面衝突に対するサイドシル１３の強度を高めることができる。

またドア５０の内部に配置されるドアビーム５１は車幅方向内側に向かって開放するハット状断面の部材であり、側面衝突の衝突荷重が入力したときに引張荷重の応力集中部となるドアビーム５１の開口部が、ＣＦＲＰ製のパッチ４５で閉塞されて閉断面に構成される。この場合、パッチ４５はドアビーム５１の開口部を構成するフランジにボルト止めすることが望ましい。これにより、側面衝突時にドアビーム５１に加わる引張荷重をパッチ４５で支持し、ドアビーム５１の変形を抑制することができる。

またフロアトンネル補強パネル２２は下方に向かって開放するハット状断面の部材であり、走行時に車体に加わる荷重により引張応力が集中するフロアトンネル補強パネル２２の開口部が、ＣＦＲＰ製のパッチ４５で閉塞されて閉断面に構成される。この場合もパッチ４５はフロアトンネル補強パネル２２の開口部を構成するフランジにボルト止めされる。これにより、走行時にフロアトンネル補強パネル２２の開口部に加わる引張荷重をパッチ４５で支持し、車体剛性を高めることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、本発明の第１工程および第２工程の順序は逆であっても良く、車体部材を製造した後に応力集中部を特定することができる。即ち、車体部材を製造する度に当該車体部材について第１工程を行っても良い。しかしながら、実施の形態の如く同一仕様の車体部材を複数個製造する場合には、１個の車体部材について得た特定結果を他の車体部材に適用することができる。

また応力集中部２９の特定は、コンピュータによるシミュレーションに限定されず、実験により行うことも可能である。

また実施の形態ではパッチ４５を接着剤４８で貼着しているが、熱硬化性マトリクス樹脂４７自体の接着力により貼着しても良い。

またパッチ４５の骨材は実施の形態の連続繊維４６に限定されず、連続繊維を編んだ織布であっても良い。その場合、縦横一方向の連続繊維の配向方向を応力集中部４９の引張方向に整列させることが望ましい。このとき、引張方向を縦方向とすれば、横方向の応力に対してパッチ４５の破断が抑制される。

また実施の形態ではＢピラー２５のスチフナ４３にパッチ４５を貼着しているが、アウタパネル４１にパッチ４５を貼着しても良い。

また本発明の車体部材は実施の形態のＢピラー２５、サイドシル１３、ドアビーム５１あるいはフロアトンネル補強パネル２２に限定されるものではない。

１３ サイドシル（車体部材）
２２ フロアトンネル補強パネル（車体部材）
２５ Ｂピラー（車体部材）
４３ａ 稜線
４５ パッチ
４６ 連続繊維
４７ 熱硬化性マトリクス樹脂
４９ 応力集中部
５１ ドアビーム（車体部材）

Claims (5)

1. 鋼板製の車体部材（１３，２２，２５，５１）に荷重を加えたときに曲げ応力が集中する応力集中部（４９）を特定する第１工程と、
   前記車体部材（１３，２２，２５，５１）を製造する第２工程と、
   前記応力集中部（４９）の引張面にＣＦＲＰ製のパッチ（４５）を貼着あるいはボルト止めする第３工程とを含むことを特徴とする自動車の車体製造方法。
2. 前記パッチ（４５）の寸法は前記応力集中部（４９）の寸法よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の自動車の車体製造方法。
3. 前記パッチ（４５）は前記応力集中部（４９）の引張面の稜線（４３ｂ）を跨ぐことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の自動車の車体製造方法。
4. 前記パッチ（４５）の連続繊維は前記応力集中部（４９）の応力緩和に有利な方向に沿って整列することを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の自動車の車体製造方法。
5. 前記パッチ（４５）は連続繊維（４６）および熱硬化性マトリクス樹脂（４７）からなり、前記熱硬化性マトリクス樹脂（４７）の量は熱硬化時の収縮により前記応力集中部（４９）を変形させない量であることを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の自動車の車体製造方法。

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