JP5684495B2 - 自動車のドア外板の補強構造 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のドアのアウターパネル（ドア外板と言う場合あり）などの自動車用車体外板の裏面側に設置される自動車用車体外板の補強部材及び該補強部材を備えた自動車用車体の外板補強構造に関する。

自動車のドアのアウターパネルなどの車体外板は鋼板などで形成されているが、軽量化のために車体外板の板厚を極力薄くすることが求められる。
しかしながら、板厚を薄くすると、例えば車にワックスを塗るような場合に車体外板を手で押し付けた場合にベカつき感を与えてしまい好ましくない。そのため、車体外板の面剛性（張り剛性ともいう）は手などで触った場合のべカつき品質を示す指標として重要視されている。

車体外板の面剛性を向上させる目的で、従来から車体外板を補強することが行われている。従来の補強方法は主に２つに分類される。一つは、車体外板の裏側に熱硬化シートを貼付ける方法であり、もう一つはマスチックシーラーと呼ばれる軟質の接着剤により板金部品あるいは鋼管部品を車体外板の裏側に接合し、これによって車体外板を裏面側から支える方法である。

本願は後者の方法に関するものであるが、その従来例としては、例えば特許文献１に開示された自動車用車体外板補強構造がある。
特許文献１の自動車用車体外板補強構造に適用された補強部材（リンフォース）は、軸直交断面の形状がいわゆるハット形状の部材であって、それを車体外板の裏面側にマスチックシーラーで接着するというものである。

特開平９−２１６５７７号公報

車体の軽量化のために車体外板を薄肉化しようとした場合、薄肉化によって低下する面剛性を向上させる補強部材の役割はより重要となる。
しかし、特許文献１に記載されたような従来一般的に用いられている断面がいわゆるハット形状のものでは車体外板の十分な剛性を得ることができず、剛性を増すためには当該部品の板厚を厚くするなどといった軽量化という目的と相反するような対策をとらざるを得ない場合があった。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、部品自体の軽量化が可能でかつ、自動車のドア外板の面剛性向上効果の高い自動車のドア外板の補強構造を提供することを目的としている。

補強部材にとって重要なことは補強部材自体の剛性ではなく、補強部材が取り付けられることによって車体外板の面剛性が広い範囲に亘って向上し、ベカつき感がなくなるという車体外板への作用である。
そこで、発明者は、補強部材が前記作用を発揮するための補強部材の有するべき最も好ましい形状を見つけるべくモデル解析を行った。以下にモデル解析について説明する。

モデル解析の説明の前提として、車体外板の裏面側に補強部材をマスチックシーラーで接着し、車体外板の表面に押圧力が作用したときに、補強部材にどのような力が作用するかを説明する。図６はこれを説明する説明図であり、ドア外板３の裏面に軸方向断面がＬ形の補強部材１を接着した状態を示している。

図６（ａ）に示すように、Ｐ点に押圧力が作用すると、補強部材１には図中の実線矢印Ａと点線矢印Ｂで示す方向の曲げ応力が作用する。したがって、補強部材１がこの曲げ応力に抵抗することで、Ａ点が撓む（凹む）のを防止できる。つまり、補強部材１の実線矢印Ａと点線矢印Ｂ方向の曲げ剛性が高いほどドア外板３の面剛性を高くできることになる。
なお、図６（ｂ）のＱ点に押圧力が作用した場合には、図中の実線矢印Ｃと点線矢印Ｂで示す方向の曲げ応力が作用する。補強部材１がＬ形の場合には、実線矢印Ａ方向が実線矢印Ｃ方向よりも曲り易いので、以下の説明では図６（ａ）の方向に曲るような力を作用させるモデル解析を行った。

図７は解析モデルの説明図であり、マスチックシーラー固定点から補強部材１の軸直交方向に（補強部材１から離れる方向）に４つの評価点１、２、３、４を設定した。４つの評価点はマスチックシーラー固定点からの距離が40mm、50mm、60mm、70mmである。そして、各評価点でドア外板３に面直交方向の押圧力を作用させたときに、当該部位に2mmの変形が生ずるときの荷重（N）を求めるようにした。

解析モデルは、現在一般に用いられているハット形の元形状（図１１（ａ）参照）ものに加えて軸直交断面がＬ形のものとＵ形のものを用いて行った。
図８、図９は解析モデルの説明図である。図８は軸直交断面がＬ形の補強部材１を並行してドア外板３の裏面にマスチックシーラーで接着したものを示しており、図８（ａ）は斜視図、図８（ｂ）は軸直交断面を示している。図８（ｂ）において、マスチックシーラーによる接着部は固定点４として表示している（図９（ｂ）において同じ）。補強部材１における接着面部の幅は10mm、ウェブ面部の高さは40mm、板厚は0.6mmである。
また、図９は軸直交断面がＵ形の補強部材１を示しており、図９（ａ）は斜視図、図９（ｂ）は軸直交断面である。補強部材１における接着面部の幅は10mm、ウェブ面部（Ｕ字の両片部）の高さは20mm、板厚は0.6mmである。

図１０は、面剛性基準を満足する範囲をマスチックシーラー固定点からの距離（シーラー効果半径）で示したグラフである。
図１０のグラフから断面Ｌ形のものが元形状よりも剛性が高く、逆にＵ形のものは従来形状よりも剛性が低いことが分かる。面剛性基準を満足する範囲をマスチックシーラー固定点からの距離を比べて見ると、元形状では52.0mm、Ｌ形では55.0mm、Ｕ形では49.6mmである。この解析実験から、補強部材１の形状として図８に示したＬ形のものは有効であるとの知見を得た。

そこで、さらに検討をするため、図１１に示すような、元形状（図１１（ａ）参照）に加えて４つの形状（Ｌ40、Ｌ30、コ30、Ｚ30）（図１１（ｂ）〜（ｅ）参照）について同様のモデル解析を行った。補強部材の形状表記方法は、アルファベットが軸直交断面の略形状を示し、数字はウェブ面部の高さを示している。なお、各部材の単位長さあたりの質量は元形状を基準とし、Ｌ40、コ30、Ｚ30が2本で元形状と同等であり、Ｌ30が2本で元形状に対して−0.05g/mmであった。
解析結果を図１２の棒グラフに示す。このグラフからＬ30が元形状よりも剛性が低く、その他のものが元形状よりも剛性が高い。特にＺ30が突出して剛性が高いことが分かる。

さらに、Ｌ40、コ30、Ｚ30について、軸直交方向の変位についてモデル解析を行った。図１３はこのモデル解析の説明図であり、図中のＺ方向が調査の変位方向である。この結果、Ｚ方向の変位は、Ｌ40：1.05mm、コ30：0.64mm、Ｚ30：0.37mmであり、Ｚ30が最も小さく、次がコ30であり、最も大きいのがＬ40であった。コ30及びＺ30のＺ方向変位がＬ40よりも小さかったのは、ウェブ先端面部に設けた先端屈曲面部が長手方向の撓み変形を有効に拘束するためであると推察される。そして、Ｚ30が最も小さいことから屈曲方向が接着面部の逆方向にするのが最も効果的であることが分かる。

以上のモデル解析から、補強部材１の形状に関し、以下のような知見を得た。
まず、Ｌ形の場合にはウェブ面部の高さを高くすれば有効であるが、ウェブ面部を高くすると、例えばドア内部部品への干渉の問題が生ずるし、また部材重量が大きくなるという問題がある。
これに対して、補強部材１の形状として、ドア外板３に接着される所定の幅を有する接着面部と、該接着面部の一辺側から屈曲して立ち上がるウェブ面部と、ウェブ面部の先端部に屈曲する先端屈曲面部を有するもの（上記の例ではコ形、Ｚ形）はウェブ面部の高さを小さくしても面剛性を向上できるので有効である。
本発明は上記の知見に基づくものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

（１）本発明に係る自動車のドア外板の補強構造は、自動車のドア外板の裏面側に設置されて前記自動車のドア外板の面剛性を向上させる前記自動車のドア外板の補強構造であって、
該補強構造は、２本の補強部材を所定間隔離して並行して、前記自動車のドア外板の裏面側に接着剤によって接着されて設置してなり、
前記各補強部材は、前記自動車のドア外板に沿う方向に延びるビーム状（棒状）の部材であって、
該ビーム状（棒状）の部材は、軸方向直交断面がＺ形状をしており、前記自動車のドア外板に接着される所定の幅を有する接着面部と、該接着面部の一辺側から屈曲して立ち上がるウェブ面部と、該ウェブ面部の先端部に該ウェブ面部に対して前記接着面部と反対方向に屈曲して設けられた先端屈曲面部からなり、
前記ビーム状（棒状）の部材の板厚が前記ウェブ面部の高さの１／６０以上、１／２０以下であることを特徴とするものである。

本発明に係る自動車のドア外板の補強構造は、自動車のドア外板の裏面側に設置されて前記自動車のドア外板の面剛性を向上させる前記自動車のドア外板の補強構造であって、
該補強構造は、２本の補強部材を所定間隔離して並行して、前記自動車のドア外板の裏面側に接着剤によって接着されて設置してなり、前記各補強部材は、前記自動車のドア外板に沿う方向に延びるビーム状（棒状）の部材であって、該ビーム状（棒状）の部材は、軸方向直交断面がＺ形状をしており、前記自動車のドア外板に接着される所定の幅を有する接着面部と、該接着面部の一辺側から屈曲して立ち上がるウェブ面部と、該ウェブ面部の先端部に該ウェブ面部に対して前記接着面部と反対方向に屈曲して設けられた先端屈曲面部からなり、前記ビーム状（棒状）の部材の板厚が前記ウェブ面部の高さの１／６０以上、１／２０以下であることを特徴とする自動車のドア外板の補強構造であることから、前記自動車用車体外板に適切な面剛性を与えることができ、自動車のドア外板の表面に押圧力が作用したときにベカつき感を与えないようにできる。

本発明の一実施の形態に係る補強部材の説明図であり、軸直交断面を示している。 本発明の一実施の形態に係る補強部材の説明図であり、ドア外板に取付けた状態を示している。 本発明の一実施の形態に係る補強部材の先端屈曲部の形状を変更した他の態様の説明図である。 本発明の一実施の形態に係る補強部材の先端屈曲部の形状を変更した他の態様の効果の説明図である。 本発明の一実施の形態に係る補強部材の厚みを変更した他の態様の効果の説明図である。 課題を解決する手段の説明図である。 課題を解決する手段の説明図であって、解析モデルの説明図である。 課題を解決する手段の説明図であって、解析モデルの説明図である。 課題を解決する手段の説明図であって、解析モデルの説明図である。 課題を解決する手段の説明図であって、モデル解析の結果の説明図である。 課題を解決する手段の説明図であって、解析モデルの説明図である。 課題を解決する手段の説明図であって、モデル解析の結果の説明図である。 課題を解決する手段の説明図であって、解析モデルの説明図である。

本発明の一実施の形態を図１、図２に基づいて説明する。本発明の一実施の形態に係る自動車用車体外板の補強部材１は、自動車用車体外板、例えばドア外板３の裏面側にマスチックシーラー５によって接着されてドア外板３の面剛性を向上させる補強部材であって、該補強部材１は、ドア外板３に沿って延びるビーム状の部材であって、ドア外板３に接着される接着面部７と、該接着面部７一辺側から略90°屈曲してドアインナ側（図示なし）に立ち上がるウェブ面部９と、ウェブ面部９の先端側でウェブ面部９に対して接着面部７と反対方向に屈曲する先端屈曲面部１１を有している。
なお、補強部材１は、図２に示すように、２本の補強部材１を所定の間隔を離して並行して設置するのが好ましい。
補強部材１の各部をより詳細に説明する。

＜接着面部＞
本実施の形態における補強部材の接着面部７は、幅が10mmに設定されている。接着面部７はマスチックシーラー５によってドア外板３の裏面に接着されている（図２参照）。もっとも、幅は10mmに限定されるものではない。

＜ウェブ面部＞
ウェブ面部９の高さは30mmに設定されている。ウェブ面部９の高さを30mmに設定したのは、補強部材１をドア外板３の裏面側に設置する場合には、ドアの部品との干渉を避けるためにウェブ面部９の高さを極力低くする必要があるところ、本例では30mmであれば前記ドア部品との干渉の問題が生じないからである。もっとも、ウェブ面部９の高さは30mmに限定されるものではない。

＜先端屈曲面部＞
先端屈曲面部１１は、接着面部７と反対方向に屈曲しており、その幅は4mmに設定されている。先端屈曲面部１１は3mmのＲ（アール）を介してウェブ面部９に連続して屈曲形成されている。

本実施の形態に係る補強部材１をドア外板３の裏面側に設置することで、ドア外板３の表面側に押圧力が作用した場合に、補強部材１が作用する曲げ応力に対して抵抗することでドア外板３の面剛性を高めることができ、ベカつき感を防止することができる。
また、本実施の形態の補強部材１においては、ドア外板３の表面側に押圧力が作用した場合に補強部材１に作用する曲げ応力（図６参照）に対して効果的に抵抗できる形状にしたことにより、補強部材１の軽量化が実現できる。

なお、上記の実施の形態では先端屈曲面部１１を4mmにした例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。また、上記の実施の形態では先端屈曲面部１１をウェブ部に対して略直角に屈曲させた例を示したが、本発明はこれに限定されるものでもない。

なお、先端屈曲面部１１の長さを変えた場合と形状を変えた場合のドア外板３の面剛性に与える影響について解析実験をしたので、図３、図４に基づいて説明する。

先端屈曲面部１１の長さについて、4mm、6.5mm、10mm、15mmの４種類についてモデル解析を実施した（図３（ａ）参照）。また、先端屈曲面部１１の形状については、ウェブ直交方向に屈曲したあと、さらにウェブに平行になるように屈曲したものについてモデル解析を実施した（図３（ｂ）参照）。なお、補強部材１の板厚は全て0.55mmとした。
図４の棒グラフはこの結果を示すものであり、同図中の横軸のＷ=4、6.5、10、15は、それぞれ、先端屈曲面部１１の長さが4mm、6.5mm、10mm、15mmの４種類のモデル解析結果を、Ｗ=4+4はウェブ直交方向に屈曲したあと、さらにウェブに平行になるように屈曲したもののモデル解析結果を示している。図４に示されるように、先端屈曲面部１１の長さや形状は車体外板の面剛性（シーラー効果半径）にほとんど影響を与えないことが確認された。このことから、先端屈曲面部１１の長さは短く設定することで全体の重量を軽減できるので好ましい。

なお、上記の実施の形態においては、補強部材１の板厚を0.55mmとしたが、補強部材１の板厚が車体外板の面剛性にどのような影響を与えるかについて、板厚tが、t=0.5mm、t=0.55mm、t=0.6mmの３種類についてモデル解析を行った。先端屈曲面部１１の長さは4mmであり、図４のＷ=4と同一形状とした。その結果を図５に示す。図５から分かるように、板厚増加により極僅かに外板の面剛性が向上するが、その効果は極微小であり、上記の３種類の板厚の範囲内では板厚の変化は車体外板の剛性にはほとんど影響がない。
したがって、板厚は薄めに設定することが好ましく、上記の３種類の板厚の中では、t=0.5mmに設定するのが最も好ましい。
しかしながら、板厚をさらに増加させれば車体外板の面剛性向上効果は大きくなる。一方で、板厚を増加すれば、それに伴って部材質量も増大する。
ある決まったウェブ面高さに対して板厚を増加させた場合、外板の面剛性は向上するが、その向上度合いは板厚を増加させるにつれて減少する。このため、板厚をある一定以上増やしても外板の面剛性を向上させる効果は少なくなり、その一方で板厚の増加分だけいたずらに質量が増大する。発明者は車両重量の増加を抑え、かつ外板の面剛性を有効に向上させるためには、板厚をウェブ面高さの１／２０以下とすることが有効であることを知見した。そこで、補強部材の板厚はウェブ面部の高さの１／２０以下に設定する。

上記実施の形態においては、補強部材１をドア外板に設置する例を示したが、補強部材１が設置される自動車用車体外板はドア外板に限られず、例えばエンジンフードやトランクリッドなどの他の部位にも用いることができる。

１ 補強部材
３ ドア外板
４ 固定点
５ マスチックシーラー
７ 接着面部
９ ウェブ面部
１１ 先端屈曲面部

Claims (1)

1. 自動車のドア外板の裏面側に設置されて前記自動車のドア外板の面剛性を向上させる前記自動車のドア外板の補強構造であって、
   該補強構造は、２本の補強部材を所定間隔離して並行して、前記自動車のドア外板の裏面側に接着剤によって接着されて設置してなり、
   前記各補強部材は、前記自動車のドア外板に沿う方向に延びるビーム状（棒状）の部材であって、
   該ビーム状（棒状）の部材は、軸方向直交断面がＺ形状をしており、前記自動車のドア外板に接着される所定の幅を有する接着面部と、該接着面部の一辺側から屈曲して立ち上がるウェブ面部と、該ウェブ面部の先端部に該ウェブ面部に対して前記接着面部と反対方向に屈曲して設けられた先端屈曲面部からなり、
   前記ビーム状（棒状）の部材の板厚が前記ウェブ面部の高さの１／６０以上、１／２０以下であることを特徴とする自動車のドア外板の補強構造。