JP6791294B2 - 車両用ルーフ構造及びその設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両用ルーフ構造及びその設計方法に関し、ルーフパネルの積雪強度を向上させる技術に関する。

自動車用パネルはルーフパネルと呼ばれる外板部品と、フロアやダッシュロアなどの内板部品のことであり、投影面積が広い部品群である。そのため、板厚の低減による軽量化の割合は、他の骨格系部品と比較しても格段に大きい。その中でもルーフパネルは特にバンやミニバンなどで大きな投影面積を持つことから、薄板化による車体軽量化の効果が大きい。また、優れた操安性や走りの楽しさの志向から、車体の低重心化が要求される傾向にあるため、ルーフの軽量化のニーズは特に強い。
ここでルーフの最大の要求性能は積雪強度性能である。積雪強度とは、屋外を走行あるいは駐停車している際にルーフに積雪し、その重みでルーフパネルが反転し永久変形を起こしてしまう（パネルが元に戻らない）のを防ぐために必要な強度のことである。そのため、積雪強度性能は、ルーフを構成する部品にのみ要求される、特別な性能である。なお、ここでの強度は、パネルの反転（バックリング）にかかわるため、剛性の一種と考えてよい。

ここで、特許文献１には、パネルの裏面全面に粘着性を有する熱硬化型補強シートを貼り付け、パネル表面の塗装焼き付け時に補強シートを発泡硬化させて、吸音とパネル補強を同時に行うことが記載されている。
また、特許文献２には、ルーフ積雪に対する補強方法として、ルーフパネルにルーフレールアウタを予め組み付けてルーフ部品を作製し、そのルーフ部品をキャブサイドのルーフレールインナに取り付けることが記載されている。

特開平９−１０４３６５号公報 特開平４−６３７７３号公報

車体軽量化のためにルーフパネルを薄板化しながら積雪強度を向上させるためには、積雪による分布荷重負荷への剛性を高める観点で、ルーフパネルの断面係数を高めることが有効である。その手法として、例えばビード形状を配することが行われることがある。ただし、ルーフパネルにビードを形成すると、車内のこもり音を引き起こしたり、見栄えが良くなったりなどの理由で避けられる場合がある。また、ルーフの曲率半径を小さくすることも有効であるが、車のデザインバランスからも、ルーフは出っ張らない（曲率半径が大きい）形状が求められる。
更に、レインフォースを増やすことで剛性向上を図ることも出来るが、逆に質量増大に繋がるためレインフォースの数は最小限にしたい。
これらの背反するニーズと性能要件によって、ルーフパネルの薄板化は難しいのが課題である。

ここで、特許文献１では、ルーフ特有の積雪による部分的なたわみについて何ら考慮されておらず、ほぼパネル全面に熱硬化型補強シートを設けるため、コスト高に繋がると共に、パネル面積が大きくなるほど積雪による部分的なたわみに効果が小さくなるという問題がある。
また特許文献２に記載の技術は、剛性を確保しやすい狭い面積のルーフには有効であると思われるが、バンやミニバンなど広い面積のルーフでは車両長手方向の剛性が低下するため、その性能確保には効果が少ない。
また、張り剛性のような１点荷重負荷に対しては、その弱いポイントを補強する方法で対策は可能である。しかし、積雪はパネル面全体への分布荷重であるため、補強ポイントを絞り込むことは困難である。

本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、ルーフ構造において部品質量を増加させることなく、効果的に積雪強度を確保することを目的とする。

課題を解決するために、本発明の一態様は、ルーフパネルと、上記ルーフパネルを下側から支持する複数のレインフォースと、を備える車両用ルーフ構造であって、上記ルーフパネルの下面に、樹脂層を有する補強シートを１枚又は２枚以上、部分的に配置し、各補強シートは、それぞれ上記複数のレインフォースのうちの一つのレインフォースと上記ルーフパネルとの間に介在して、上記複数のレインフォースのうちの一つのレインフォースにのみ支持されていることを要旨とする。

また、本発明の一態様は、ルーフパネルと、上記ルーフパネルを下側から支持する複数のレインフォースと、上記ルーフパネルの下側に配置される補強シートとを、備え、上記補強シートは樹脂層を有し、その補強シートを、上記ルーフパネルの下面に１枚又は２枚以上、部分的に配置し、各補強シートは、上記複数のレインフォースのうちの一つのレインフォースにのみ支持又はレインフォースに支持されないとする条件で、上記複数のレインフォースで支持された上記ルーフパネルに対し、上側から積雪荷重を負荷した際における、上記ルーフパネルのたわみ分布を求め、上記たわみ分布に基づき、上記補強シートを設けることで上記積雪荷重によるたわみが小さく且つたわみの分布が均一化すると推定される位置を、上記補強シートを設ける箇所とすることを要旨とする。

本発明の態様によれば、ルーフパネルとレインフォースの間に対し、部分的に樹脂層を有する補強シートを適切に配置することで、ルーフ構造の質量および部品点数を増加することなく、積雪強度の向上が可能となる。この結果、本発明の態様によれば、ルーフパネルのさらなる薄板化による軽量化を図ることも可能となる。

ルーフパネルを示す図である。 レインフォースの配置を示す平面図である。 レインフォースの断面を示す図である。 レインフォースのマスチック接着剤との関係を示す上面図である。 たわみ分布の例を示す図である。 補強シートの配置例を示す図である。 ルーフパネル、レインフォース及び補強シートの一例を示す、図６のＡ−Ａ′断面図である。 補強シートを説明する断面図である。 実施例のモデルを示す図である。 評価結果を示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
ここで、図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造等が下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
また各図には、実施例における寸法を併記した。その単位は全て［ｍｍ］である。

本実施形態の車両用ルーフ構造は、ルーフパネルと、上記ルーフパネルを下側から支持する複数のレインフォースとを備える。
ルーフパネル１は、図１に示すように、上面（表面）が上側に凸の曲率半径を有する面形状となっている。
複数のレインフォース２は、ルーフパネル１の裏面側に当該裏面の面に沿って並ぶように配置される。具体的には、本実施形態のレインフォース２は、図２に示すように、ルーフパネル１の長手方向に沿って複数配置されている。

レインフォース２は、例えば図３に示すようなハット型の断面形状となっていて、中央部２ａと、中央部２ａの幅方向両側に位置する左右の取付け面部２ｂとから構成されている。
そして、レインフォース２は、図４に示すように、左右の取付け面部２ｂに対し、長手方向に向けて所定間隔で配置されたマスチック接着剤３でルーフパネル１の裏面(下面)に取り付けられた構造となっている。
また、レインフォース２の長手方向端部は、不図示の車体フレームに固定されている。
以上のルーフパネル１及びレインフォース２は、上記構造に限定されず、公知の車両ルーフ用構造を採用しても構わない。

上記のルーフ構造に対し、ルーフパネル１に対し上方から積雪荷重（等分布荷重）を負荷したときのパネルのたわみ分布を求める。たわみ分布は、実験によって求めても良いし、コンピュータを用いたＣＡＥその他の構造解析によって変位コンター図を演算することで求めても良い。
次に、求めたたわみ分布から、一番たわみやすい、つまり一番たわむ箇所である第１の箇所Ｔ１と、２番目にたわみやすい、つまり２番目にたわむ箇所である第２の箇所Ｔ２を特定する。
この第１の箇所Ｔ１及び第２の箇所Ｔ２の特定も、コンピュータによる自動演算で特定するようにしても良い。

本実施形態の場合には、構造上、長手方向中央部側がたわみやすく、ＣＡＥ解析によって図５中、符号Ｔ１，Ｔ２の位置でたわみが最大となったとする。すなわち、Ｔ１，Ｔ２が、一番たわみ易い箇所と二番目にたわみ易い箇所となる。また図５中、Ｔ３は、たわみが小さい箇所である。
本実施形態では、図５中、二つのたわみ最大部Ｔ１，Ｔ２の間に位置するレインフォース２に支持させるようにして、補強シート４を配置する（図５の符号Ｒの位置に配置）。特にレインフォース２の長手方向中央部側でたわみが大きいので、レインフォース２の長手方向中央部位置に補強シート４を配置させている。

すなわち、図６及び、そのＡ−Ａ断面図である図７のように、ルーフパネル１の裏面と、長手方向中央部に位置するレインフォース２との間に、１枚の補強シート４を介在させる。この例では、ルーフパネル１の裏面に補強シート４を貼り付け、補強シート４の下面とレインフォース２との隙間にマスチック接着剤３を介装させることで取り付けている。隙間が形成されない場合には、マスチック接着剤３を介装させなくても良い。
ここで、補強シート４の大きさは限定されないが、平面視で一つのレインフォース２とだけと重なる大きさとする。ただし、補強シート４は軽量ではあるが、補強シート４自体の質量を考慮すると、車体軽量化の観点では当然面積が小さい方が好ましい。補強シート４は、矩形形状で３００ｍｍ×６００ｍｍまでの大きさであれば、レインフォース２を増やすよりも質量増加を小さく抑えられる。

また補強シート４は、矩形形状で１００ｍｍ×２００ｍｍ以上の大きさがあることが好ましい。
また、使用する補強シート４の枚数は１枚が一番効果的である。それは、たわみの大きい２つ部位の間に貼付することで、両側のたわみ成長を抑制し、積雪負荷におけるパネル反転のきっかけを除去できるからである。またこれによって、面全体のたわみ分布も均一化に近づく。
補強シート４の枚数を増やす場合に、例えば、たわみの小さい部位と大きい部位の間にも貼付けた場合、たわみの成長が偏ってしまい、新たな反転ポイントを発生させてしまう恐れがある。

ルーフパネル１の裏面（下面）から補強する上記の補強シート４は、樹脂層を有する。補強シート４は、樹脂層のみから構成されていても良いし、図８に示すように、樹脂層４ａの他に他の層が積層されていても良い。
図８に例示される補強シート４は、樹脂層４ａと、樹脂層４ａの表面(上面)に設けられた粘着層４ｂとを備える。図８に例示される補強シート４は、更に、樹脂層４ａの変形を抑える目的で、拘束層４ｃを有する。拘束層４ｃは、樹脂層４ａと粘着層４ｂとの間に設けても良い。この拘束層４ｃを有することが好ましいが、拘束層４ｃを有していなくても良い。

樹脂層４ａを構成する樹脂は、硬化型樹脂が好ましい。硬化型樹脂としては光硬化型樹脂と熱硬化型樹脂が考えられるが、熱硬化型樹脂が通常使用される。
樹脂層４ａを熱硬化型樹脂で構成する場合、樹脂層４ａは、例えばエポキシ樹脂などの熱硬化型樹脂に発泡剤を含有して構成される。発泡剤を含有しなくても良いが、発泡剤を含有した場合、ルーフパネル１の表面を焼き付け塗装する際の加熱で発泡剤が発泡して層厚が増加することで、レインフォース２との隙間がより有効に無くすことが出来ると共に、焼き付け塗装後の空冷において樹脂を硬化させることが出来る。
拘束層４ｃは、例えばカーボンフィバーやガラス繊維、不織布、金属箔などで構成すればよい。
粘着層４ｂは、シールの粘着層と同様の機能を持ちルーフパネルと粘着させて施工し、塗装加熱後も剥離しない性能を持つものであれば、特に制限はされない。

ここで、補強シート４を貼り付けることで、その部分のパネル剛性が局所的に高くなるので、その条件で構造解析を行って補強シート４の配置箇所を特定するようにしても良い。ただし、上述のようにたわみの大きい２カ所の部位に近い位置に１枚又は２枚の補強シート４を配置することが、簡便で且つ質量増を抑えつつ、積雪強度の向上効果を効果的に発現させることが出来る。
なお、後述の実施例ＰＰ３のように、たわみが最大の２カ所の位置にそれぞれ、レインフォース２に支持させずに補強シート４を貼り付けても積雪強度が向上する。このように補強シート４を部分的に貼り付けても良い。

すなわち、複数の補強シート４を、ルーフパネル１の下面に１枚又は２枚以上、部分的に配置し、各補強シート４は、複数のレインフォース２のうちの一つレインフォース２にのみ支持又はレインフォース２に支持されないとする条件を解析条件とする。好ましくは、解析条件を、複数のレインフォース２のうちの一つレインフォース２にのみ支持させる条件とする。そして、複数のレインフォース２で支持されたルーフパネル１に対し、上側から積雪荷重を負荷した際における、上記ルーフパネル１のたわみ分布を求め、たわみ分布に基づき、補強シート４を設けることで上記積雪荷重によるたわみが小さく且つたわみの分布が均一化すると推定される位置を、補強シート４を設ける箇所とするようにしても良い。補強シート４の数は、１枚又は２枚が好ましい。

但し、補強シート４をレインフォース２に支持させた方が、車体振動に対する取付け強度が高くなるので好ましい。
ここで、積雪強度は、ルーフパネル１のパネル全体に等分布荷重が付加された状態で、荷重上昇した際にパネルのバックリングが起こる荷重値で評価される。バックリング発生荷重が高い方が、性能は優位、つまり積雪が増えてもパネルが反転しにくいと評価される。

なお、似た性能として張り剛性があるが、こちらはある１点に荷重が加わった場合のパネル剛性であるので、その部位のみの対策で良い。ただし、積雪強度はパネル全体にかかる分布荷重に対しての性能であるため、その点が異なる。
そして、本実施形態では、積雪荷重負荷時にパネルのたわみが大きい箇所を見出し、その最大部と２番目に大きい部位の中間の位置でかつレインフォース２と重なる範囲に補強シート４を配することで、質量増を抑えつつ、積雪強度を効果的に向上させることが可能となる。

以上のように、本実施形態にあっては、車のデザインに影響されず、パネル裏面に軽量で高剛性な樹脂層４ａを有する補強シート４を適切に部分配置することで、部品質量を増加させることなく、ルーフ構造に対し効果的に積雪強度を確保させることが可能となる。
すなわち、本実施形態によれば、ルーフパネル１とレインフォース２の間に対し、部分的に樹脂層４ａを有する補強シート４を配置することで、ルーフ構造の質量および部品点数を増加することなく、積雪強度を向上できる。この結果、本実施形態によれば、ルーフパネル１のさらなる薄板化による軽量化を図ることも可能となる。

図２に示したルーフ部品を模擬した、投影で１５００Ｗ×２５００Ｌ ｍｍの大きさのＣＡＥモデルを設定する。ルーフパネル１の形状は、図１に示すように、Ｗ方向はＲ５０００ｍｍ、Ｌ方向はＲ２００００ｍｍの２方向に曲率を持つ単純形状とした。パネルの板厚は０．６０ｍｍとした。
さらにルーフパネル１の裏面には、実部品を模して、ハット形状のレインフォース２を等間隔で５本配置した（図２参照）。図３及び図４に示すように、レインフォース２の断面形状はハット型で全長同じ断面形状である。

ここで、図６のＡ−Ａ’断面である図７に示すように、ルーフパネル１とレインフォース２との間に配されるマスチック接着剤３については、マスチック接着剤３の弾性挙動を反映させるため、マスチック接着剤３を、ヤング率を持つビーム要素として、レインフォース２のフランジと補強シート４との間に設定した。
また、補強シート４は、図７に示すようにモデル化した。補強シート４はルーフパネル１とマスチック接着剤３との間に配置し、マスチック接着剤３側をシェル要素で、ルーフパネル１側をビーム要素で構成した。この例では、補強シート４が樹脂層のみから構成され、その樹脂層が熱硬化型樹脂からなることを補強シートの条件として設定した。
まず図６のモデルで積雪荷重を負荷すると、たわみの最大部位が分かる。すなわち、この例では、図５のように、中央部のレインフォース２の両側がたわみ最大部Ｔ１，Ｔ２となる。

そして、図９に示すような検討実施モデルを作成した。
「ＰＰ無し」は、補強シート４の無いモデルである。
「ＰＰ１」は、二つのたわみ最大部の間に位置する中央のレインフォース２に１枚の補強シート４を支持させて配置したモデルである。
「ＰＰ２」は、更に、「ＰＰ１」に対し、たわみ最大部以外にも２枚の補強シート４を配置したモデルである。
「ＰＰ３」は、レインフォース２の無い部位であって最大たわみ部に配置したモデルである。

以上の４つの検討実施モデルについて評価を実施した。
評価は積雪負荷解析にて行った。負荷は、ルーフパネル１全面を対象に、車両高さ方向に平行に等分布荷重を下向きに負荷した。
そして、ルーフパネル１が反転した後の最大たわみ部における変位と負荷荷重の曲線にて評価した。積雪強度の優劣は、パネル変位が急激に増加する荷重（バックリング荷重）の高低で評価した。
図１０にその結果を示す。

図１０から分かるように、２つのたわみ最大部に１枚だけ補強シート４を配置した場合が、最も反転荷重が高く、積雪強度性能に最も優れることが分かる。
ＰＰ２とＰＰ３は、ほぼ同程度の積雪強度性能となっているが、ＰＰ１の方が優れており、補強シート４の数は少ない方が好ましいことが分かる。なお、ＰＰ２の場合には、たわみが大きくない部分も補強シート４で補強してしまい、剛性の分布がその分、ＰＰ１に比べて若干悪くなっている。
ただし、いずれの場合も補強シート４を貼り付けることで、積雪強度が向上しているので、軽量化を考えると、少ない枚数で積雪強度性能を向上させることが好ましいことが分かる。すなわち、設ける補強シート４は２枚以下、好ましくは１枚で適切な配置位置を求めることが好ましい。

１ ルーフパネル
２ レインフォース
３ マスチック接着剤
４ 補強シート
４ａ 樹脂層
４ｂ 粘着層
４ｃ 拘束層
Ｔ１，Ｔ２ たわみ最大部

Claims (6)

1. ルーフパネルと、上記ルーフパネルを下側から支持する複数のレインフォースと、を備える車両用ルーフ構造であって、
   上記複数のレインフォースはそれぞれ、マスチック接着剤で上記ルーフパネルの下面に取り付けられ、
   上記ルーフパネルの下面に、樹脂層を有する補強シートを１枚又は２枚以上、部分的に配置して、当該補強シートを上記ルーフパネルの下面に接着し、
   各補強シートは、それぞれ上記複数のレインフォースのうちの一つのレインフォースと上記ルーフパネルとの間に介在して、上記複数のレインフォースのうちの一つのレインフォースにのみ支持されていることを特徴とする車両用ルーフ構造。
2. 上記樹脂層を構成する樹脂は、硬化型樹脂であることを特徴とする請求項１に記載した車両用ルーフ構造。
3. 上面視で、積雪荷重で上記ルーフパネルが一番たわみやすい第１の箇所と２番目にたわみやすい第２の箇所の両方に一番近いレインフォースとルーフパネルとの間にだけ上記補強シートを介在させたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した車両用ルーフ構造。
4. ルーフパネルと、上記ルーフパネルを下側から支持する複数のレインフォースと、上記ルーフパネルの下側に配置される補強シートとを、備え、
   上記複数のレインフォースはそれぞれ、マスチック接着剤で上記ルーフパネルの下面に取り付けられ、
   上記補強シートは樹脂層を有し、その補強シートを、上記ルーフパネルの下面に１枚又は２枚以上、部分的に配置して、当該補強シートを上記ルーフパネルの下面に接着し、各補強シートは、上記複数のレインフォースのうちの一つのレインフォースにのみ支持又はレインフォースに支持されないとする条件で、上記複数のレインフォースで支持された上記ルーフパネルに対し、上側から積雪荷重を負荷した際における、上記ルーフパネルのたわみ分布を求め、
   上記たわみ分布に基づき、上記補強シートを設けることで上記積雪荷重によるたわみが小さく且つたわみの分布が均一化すると推定される位置を、上記補強シートを設ける箇所とすることを特徴とする車両用ルーフ構造の設計方法。
5. 上記樹脂層を構成する樹脂は、硬化型樹脂であることを特徴とする請求項４に記載した車両用ルーフ構造の設計方法。
6. 上記補強シートを一枚とし、その補強シートを、上記複数のレインフォースのうちの一つレインフォースにのみ支持させる条件で、補強シートを設ける箇所を決定することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載した車両用ルーフ構造の設計方法。

Images