JP5085359B2

JP5085359B2 - 自動車のルーフリインフォース

Info

Publication number: JP5085359B2
Application number: JP2008023259A
Authority: JP
Inventors: 幸司福本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-02-01
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-02-01
Also published as: US20090195033A1; JP2009184389A; US7699386B2

Description

本発明は、自動車のルーフパネルの下で車体幅方向に延在するルーフリインフォースに関し、特に軸方向（ルーフリインフォースの長手方向）圧縮荷重に対する変形強度に優れるアルミニウム合金押出形材製のルーフリインフォースに関する。

ルーフリインフォースは、車幅方向への剛性及び強度を確保し、かつルーフパネル材のデント性、張り剛性を確保するため、ルーフパネル材に近接して車体幅方向に延在し、両端が直接あるいは車体幅方向の端部に設けられたブラケットを介して車両側面を構成するボディサイドパネルやセンターピラーなどのフレーム部品と接合される。

近年、車両側面衝突基準の強化にともない、ルーフリインフォースにおいても、車両側面からの車幅方向への圧縮荷重に対して高い変形強度が求められるようになり、軸方向圧縮に対する強度を向上させる対策として、閉断面化することが一般的に行われている。アルミニウム合金押出形材は閉断面化に適し、かつ軽量化が可能であるため、ルーフリインフォース用として閉断面を含む断面形状が種々提案されている（特許文献１〜３）。

特許文献３に記載されているように、ルーフリインフォースにおいて、軸方向圧縮における強度は、車体上下方向への曲げ変形が発生する強度により規定される。つまり、ルーフリインフォースの軸方向圧縮に対する変形強度を高めるためには、車体上下方向への曲げ強度を高くすることが最も有効である。

特許文献３には、図８に示すように、押出方向に垂直な断面でみたとき、互いに略平行で車体上側及び下側に配置される一対のフランジ１，２と、フランジ１，２に対し略垂直で車体上下方向を向く一対のウエブ３，４からなり、これらにより略矩形の閉断面部５と、閉断面部５の上下から車体前後方向に突き出す突出フランジ部１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂが形成されたアルミニウム合金押出形材が開示されている。この断面形状は、フランジ１，２の両端が閉断面部５から突き出していることから、閉断面部のみからなるアルミニウム合金押出形材に比べ、同一断面積であれば、車体上下方向への曲げ強度が高くなる（特許文献３の段落００２５）。

特開２００３−１１２６５６号公報特開２００６−２４０４２０号公報特開２００６−２４０５４３号公報

本発明は、アルミニウム押出形材製のルーフリインフォースにおいて、図８に示す断面形状（一対のフランジ１，２と、フランジ１，２に対し略垂直で車体上下方向を向く一対のウエブ３，４からなり、閉断面部５と突出フランジ部を有する）を基本としつつ、さらに高い曲げ強度が得られ又は軽量化が可能な断面形状を提供することを目的とする。

図９に示すように、上方に凸に湾曲して車体幅方向に延在するルーフリインフォース１１に対し軸方向に圧縮荷重が掛かり、ルーフリインフォース１１が軸方向に押し込まれて（押込量Ｂ）、曲げ変形が生じる際（破線→実線）、ルーフリインフォース１１の横断面には軸力Ｐと曲げ力Ｆの合力が作用し、これによりルーフリインフォース１１の車体幅方向中央部において上下高さ方向の下縁側に最大圧縮荷重が発生する。従って、ルーフリインフォース１１の断面形状として、その上下高さ方向の下縁側に発生する応力を低くできる形状が有効である。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。

本発明は、自動車のルーフパネルの下で上方に凸に湾曲して車体幅方向に延在し、両端が車体フレーム部品に連結されたアルミニウム合金押出形材製のルーフリインフォースにおいて、前記アルミニウム合金押出形材は、押出方向に垂直な断面でみたとき、互いに略平行で車体上側及び下側に配置される一対のフランジと、前記両フランジに対し略垂直で車体上下方向を向く一対のウエブからなり、前記一対のフランジ及び一対のウエブにより略矩形の閉断面部が構成され、かつ各フランジは前記閉断面部から車体前後方向に突き出し、さらに前記断面において上下方向の曲げの中立軸が断面の高さ中央よりも下方に位置することを特徴とする。必要に応じて、前記閉断面部の中に、両端が前記両フランジに連結し、かつ両フランジに対し略垂直で車体上下方向を向く１以上の中ウエブを形成することもできる。

ルーフリインフォースの断面の上下方向の曲げの中立軸が、断面の高さ中央より下方に位置していることにより、圧縮荷重によりルーフリインフォースが上方に曲げ変形する際に、中立軸が断面の高さ中央に位置している場合（図８参照）に比べ、その断面の下縁側に掛かる曲げ力が軽減される。これにより、軸力と曲げ力の合力によって断面の下縁側に発生する応力が軽減し、ルーフリインフォースの曲げ強度が向上し、その分、軽量化も可能となる。
前記中立軸を断面の高さ中央より下方に位置させる具体的手段として、下側フランジの厚みを上側フランジよりも大きくすること、又は／及び下側フランジの車体前後方向幅を上側フランジよりも大きくすることが挙げられる。

本発明によれば、自動車のルーフパネルの下で上方に凸に湾曲して車体幅方向に延在する特定断面形状（一対のフランジ１，２と、フランジ１，２に対し略垂直で車体上下方向を向く一対のウエブ３，４からなり、閉断面部５と突出フランジ部を有する）のアルミニウム合金押出形材製のルーフリインフォースにおいて、従来例に比べて高い曲げ強度が得られ又は軽量化が可能な断面形状を提供することができる。

図１，２に、本発明に係るアルミニウム合金押出形材製ルーフリインフォースの断面形状（いずれも押出方向に垂直な断面）を例示する。
図１（ａ），（ｂ）に示す断面は、いずれも、互いに平行で車体上側及び下側に配置される一対のフランジ１，２と、両フランジ１，２に対し垂直で車体上下方向を向く一対のウエブ３，４からなる。両フランジ１，２及び両ウエブ３，４はそれぞれ均一な板厚を有する板である。両フランジ１，２及び両ウエブ３，４により略矩形の閉断面部５が構成され、かつ各フランジ１，２は閉断面部５から車体前後方向に突き出し、突出フランジ部１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂが形成されている。

そして、図１（ａ）の断面は、両フランジ１，２の板幅（車体前後方向幅）Ｌ１，Ｌ２が同一で、下側フランジ２の板厚Ｔ２が上側フランジ１の板厚Ｔ１より大きく（Ｔ２＞Ｔ１）、図１（ｂ）の断面は、両フランジ１，２の板厚Ｔ１，Ｔ２が同一で、下側フランジ２の板幅Ｌ２が上側フランジ１の板幅Ｌ１より大きく（Ｌ２＞Ｌ１）、そのため、それぞれの断面において、上下方向の曲げの中立軸Ｘｃが断面の高さ中央のラインＨよりも下方に位置している。
なお、図８に示す従来断面は、曲げの中立軸Ｘｃと断面の高さ中央のラインＨが一致している。

図２（ａ）〜（ｃ）に示す断面は、それぞれ図１（ａ），（ｂ）に示す断面の変形例であり、いずれも上下方向の曲げの中立軸Ｘｃが断面の高さ中央のラインＨよりも下方に位置している。
図２（ａ），（ｂ）の断面は、いずれも、閉断面部５の内部にウエブ３，４に平行な中ウエブ６が形成されている点で図１（ａ），（ｂ）の断面と異なる。この中ウエブ６も均一な肉厚を有する板である。中ウエブ６は、閉断面部５の車体前後方向幅が比較的広い場合に、フランジ１，２の座屈を防止するため必要に応じて形成される。

また、図２（ｃ）の断面は、下側フランジ２の突出フランジ部２ａ，２ｂのみ、その板厚ｔ２を小さくし（Ｔ２＞ｔ２）、その分、下側フランジ２の板幅Ｌ２を上側フランジの板幅Ｌ１より大きくした（Ｌ２＞Ｌ１）点で、図１（ａ）の断面と異なる。特許文献３の段落００１０に記載されているように、突出フランジ部２ａ，２ｂの板厚を小さくし、板幅を大きくする方が、高い曲げ強度及び軽量化のために効率的である。

（解析１）
本発明の効果を検討するために、ＦＥＭ解析を用いて軸方向圧壊時の軸圧縮荷重−変位曲線の解析を行った。解析条件は、図３に示すように、上方に凸に湾曲させた（曲率半径１２０００ｍｍ）長さ１０００ｍｍの供試材（ルーフリインフォース１１）の両端部に、側突荷重を模擬した軸圧縮荷重Ｐを与えて曲げ変形させるものとし、軸圧縮荷重Ｐ−圧縮変形量δの関係を求めた。供試材として耐力３１０ＭＰａ、強度３６５ＭＰａ、延び１４％を有する７０００系アルミニウム合金押出形材を想定し、供試材の断面形状を図４のように仮定し、フランジ及びウエブの板厚（ｔｆ１，ｔｆ２，ｔｗ）をパラメータとした。ＦＥＭ解析には汎用の有限要素解析コードＡＢＡＱＵＳを用いた。

各供試材ＣＡＳＥ１〜３について、板厚ｔｆ１，ｔｆ２，ｔｗの値及び重量を表１に示す。ＣＡＳＥ１は従来例に相当し、上側フランジと下側フランジの板厚が同一で、曲げの中立軸が断面の高さ中央に位置し、ＣＡＳＥ２，３は本発明例に相当し、下側フランジの板厚が上側フランジに比べて厚く形成され、曲げの中立軸が断面の高さ中央よりも下方に位置する。

表１のＣａｓｅ１〜３の各供試材について、解析で得られた圧縮荷重Ｐ−圧縮変形量δの関係を図５に示す。図５に示す軸圧縮荷重Ｐ−圧縮変形量δの関係から求めた変形強度（最大圧縮荷重）を表１に合わせて示す。
表１に示すように、本発明例であるＣａｓｅ２，３は、従来例であるＣａｓｅ１に比べて軽量であるにも関わらず、同等以上の変形強度を有する。

（解析２）
次に供試材の断面形状を図６のように仮定し、下側フランジの前後突出フランジ部の板幅（Ｌｕ）と板厚（ｔ）をパラメータとし、他は解析１と同じ条件で軸方向圧壊時の軸圧縮荷重−変位曲線の解析を行った。
各供試材ＣＡＳＥ４〜７について、板幅Ｌｕと板厚ｔの値及び重量を表２に示す。ＣＡＳＥ４は従来例に相当し、上側フランジと下側フランジの板幅が同一で、曲げの中立軸が断面の高さ中央に位置し、ＣＡＳＥ５〜７は本発明例に相当し、下側フランジの板幅が上側フランジに比べて大きく形成され、曲げの中立軸が断面の高さ中央よりも下方に位置する。なお、供試材の上下フランジ及び前後ウエブの板厚は同一とした。

表２のＣａｓｅ４〜７の各供試材について、解析で得られた圧縮荷重Ｐ−圧縮変形量δの関係を図７に示す。図７に示す軸圧縮荷重Ｐ−圧縮変形量δの関係から求めた変形強度（最大圧縮荷重）を表２に合わせて示す。
表２に示すように、本発明例であるＣａｓｅ５〜７は、従来例であるＣａｓｅ４に比べて軽量であるにも関わらず、同等以上の変形強度を有する。

本発明に係るアルミニウム合金押出形材製ルーフリインフォースの断面を示す図である。本発明に係るアルミニウム合金押出形材製ルーフリインフォースの他の断面を示す図である。ＦＥＭ解析条件を説明するための模式図（左半部のみ図示）である。ＦＥＭ解析に用いた断面形状を示す図である。ＦＥＭ解析の結果得られた荷重Ｐ−変形量δのグラフである。ＦＥＭ解析に用いた他の断面形状を示す図である。ＦＥＭ解析の結果得られた荷重Ｐ−変形量δのグラフである。アルミニウム合金押出形材製ルーフリインフォースの従来断面を示す図である。ルーフリインフォースの曲げ変形時に上下断面に掛かる荷重を説明する図である。

符号の説明

１上側フランジ
１ａ，１ｂ上側フランジの突出フランジ部
２下側フランジ
２ａ，２ｂ下側フランジの突出フランジ部
３，４ウエブ
５閉断面部
６中ウエブ

Claims

自動車のルーフパネルの下で上方に凸に湾曲して車体幅方向に延在し、両端が車体フレーム部品に連結されたアルミニウム合金押出形材製のルーフリインフォースであり、前記アルミニウム合金押出形材は、押出方向に垂直な断面でみたとき、互いに略平行で車体上側及び下側に配置される一対のフランジと、前記両フランジに対し略垂直で車体上下方向を向く一対のウエブからなり、前記一対のフランジ及び一対のウエブにより略矩形の閉断面部が構成され、かつ各フランジは前記閉断面部から車体前後方向に突き出し、さらに前記断面において上下方向の曲げの中立軸が断面の高さ中央よりも下方に位置することを特徴とするルーフリインフォース。
少なくとも前記閉断面部において前記下側のフランジは上側のフランジよりも厚みが大きいことを特徴とする請求項１に記載のルーフリインフォース。
車体前後方向の全幅にわたり前記下側のフランジは上側のフランジよりも厚みが大きいことを特徴とする請求項２に記載のルーフリインフォース。
前記下側のフランジは上側のフランジよりも車体前後方向の幅が大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のルーフリインフォース。
前記閉断面部に、両端が前記両フランジに連結し、かつ両フランジに対し略垂直で車体上下方向を向く１以上の中ウエブが形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のルーフリインフォース。