JP7350489B2 - 車両構造部材 - Google Patents

Description

本発明は車両構造部材に関するものであり、より詳しくは、天板部と二つの縦壁部とを有しコの字状断面あるいはハット形断面を有する長尺形状でその天板部と各縦壁部との間に曲がりを有する車両構造部材に関するものである。

車両には熱間プレスや冷間プレスにより様々な形状に成形された構造部材が用いられる。このような構造部材は、軽量化のため、全体の板厚を増すのではなく必要な部分だけ局所的に補強することがある。例えば、自動車のピラー（特にセンターピラー）は側突に対する強度が要求される部材であり、自動車の外形に沿って湾曲する上部が補強されることが多い。詳しく言うと、ピラーは通常アウター部材とインナー部材が閉断面を成すように溶接されて構成されており、このアウター部材が局所的に補強される。

このような局所的に補強された構造部材を製造するには、例えば、本体部材（例えばアウター部材）と補強部材を別個にプレス成形してから互いに溶接する方法や、本体となるブランク材と補強用のブランク材とを重ね合わせて溶接したもの（重ね合わせブランク材、あるいはパッチワークブランク材という）に対してプレス成形をするパッチワークと呼ばれる方法がある。一般に、後者のパッチワーク法によれば、一回のプレス工程で本体部材と補強部材を成形するので金型に掛かる費用を抑えることができるとともに、重ね合わせ面に溶接のための面出しをする必要がないという利点がある。このような方法で製造される構造部材は、例えば下記の特許文献１～３に記載されている。

特開２０１６－１２４０２９号公報 特開平０３－２６８８７８号公報 特開２０１３－１２８９５５号公報

パッチワーク法では、プレス成形の時点で既に本体部材と補強部材が複数の溶接個所で拘束されているため、曲げの際、線長差に起因して曲げの内側にある部材には面内方向に圧縮、外側にある部材は面内方向に引っ張りが生じる傾向にある。このため、溶接打点のナゲットに剪断応力が生じる。プレス成形が完了するまでに溶接部がこの応力で破断しないようにするには、スポット溶接のナゲット径を大きくすることが考えられる。しかし、この方法では溶接に要する電力や加圧時間が増加し、費用がかさむ。したがって、曲げにより溶接打点に生じる剪断応力を安価な方法で軽減することが望まれる。

本発明のひとつの態様は、天板部と二つの縦壁部とを有しコの字状断面あるいはハット形断面を有する長尺形状でその天板部と各縦壁部との間に曲がりを有する車両構造部材であって、第一と第二の鋼板部材が重ね合わされた状態で溶接打点で接合されて構成されており、前記第一の鋼板部材において前記曲がりの稜線と前記溶接打点との間に穴が少なくとも一つある車両構造部材である。

実施形態によっては、前記第一の鋼板部材が前記第二の鋼板部材よりも薄い。

実施形態によっては、前記穴は稜線と直交する方向の寸法に比べて稜線と同じ方向の寸法が長い。

実施形態によっては、前記溶接打点と前記穴が前記第一の鋼板部材の前記縦壁部に位置する。

実施形態によっては、少なくとも一つの穴のいずれかが前記稜線と前記溶接打点の中央に位置する。

実施形態によっては、前記穴と前記溶接打点とが前記稜線と直交する方向に並んでいる。

各実施形態によれば、プレスによる曲げの際に二つの鋼板部材の拘束部間の線長差に起因する歪みを穴の変形で吸収し、溶接打点に生じる剪断応力を軽減することができる。

一つの実施形態としての自動車のセンターピラーの側面図であり、インナー部材は取り除いている。 図１のセンターピラーのＩＩ－ＩＩ線での断面図である。 パッチ部材によって補強されたアウター部材を製造するための重ね合わせブランク材の平面図である。 図３の重ね合わせブランク材を用いたプレス成形工程において天板部が押さえつけられたアウター部材とパッチ部材の側面図である。 プレス成形工程において縦壁部が押し曲げられて成形が完了したアウター部材とパッチ部材の側面図である。 曲げによる溶接部の剪断応力の発生とパッチ部材に設けられた穴の効果を説明する図である。 種々の穴の形状と、穴の位置を説明する図である。 図２とは別の実施形態としてのセンターピラーの断面図である。 さらに別の実施形態としてのセンターピラーの断面図である。

以下、本発明の各種実施例について図面を参照しながら説明する。なお以下の実施例のうち実質的な差異がない部分については同一または類似の符号を付して説明の繰り返しを避ける。

図１は、一つの実施形態としての自動車のセンターピラー１０（Ｂピラー）のアウター部材１２を車内側から見た図である。他の実施形態として、センターピラー以外にもバンパーリインフォースなど、コの字状断面やハット形断面を有する長尺形状の様々な車両構造部材が考えられるが、以下では基本的にセンターピラー１０を例に挙げて説明する。

図２に示すように、センターピラー１０は基本的には鋼板部材であるアウター部材１２とインナー部材１４が閉断面を成すように組み合わされて構成される。そして、このセンターピラー１０の外側にはサイドメンバ―と呼ばれる自動車の外装部材（図示なし）が取り付けられる。アウター部材１２は通常、車外側に向けられる天板部１８と、その端から同じ側（車内側）に延びる二つの縦壁部２０と、この縦壁部２０の端から互いに離れる方向に延びるフランジ部２２とを有し、全体的にハット形断面を有する。図１、図２に示すように、アウター部材１２の内側には必要に応じて部分的に補強のためのパッチ部材１６が張り付けられる。パッチ部材１６は天板部１８から両側の縦壁部２０の一部に掛かるように配置される。

このようなセンターピラー１０を製造するために本願ではパッチワーク法を用い、鋼板からなるアウター部材１２用のブランク材とパッチ部材１６用の面積の狭いブランク材（補強ブランク材）とをあらかじめ重ね合わせた状態で溶接しておき、これを所望の形状にプレス成形する。鋼板は、部品に要求される防錆性能に応じてＡｌ－Ｓｉめっき鋼板などのめっき鋼板や、めっき無しの裸材を用いることができる。具体的には、図３に示すように、まずアウター部材１２とパッチ部材１６のブランク材が重ね合わされた状態でスポット溶接により天板部１８と縦壁部２０において複数の溶接打点で接合し、重ね合わせブランク材（パッチワークブランク材）２４を形成する。各図では各溶接打点の位置を×印で表している。次に、この重ね合わせブランク材２４をプレス成形する。プレス成形は熱間（プレスクエンチ）で行っても、冷間で行ってもよい。具体的には、図４に示すように重ね合わせブランク材２４を下型５０の上にセットし、その天板部１８を先行して接触する中央の上型５２で押さえ付け、続いて図５に示すように縦壁部２０を両側の上型５４で下に押し曲げる。なお、中央の上型５２と両側の上型５４を分割する代わりに、一体化した上型を用いて天板部１８の押さえ付けと縦壁部２０の押し曲げを順次行ってもよい。その後、図２に示すようにインナー部材１４をアウター部材１２のフランジ部２２に溶接して閉断面を有するセンターピラー１０を形成する。なお、別個にプレス成形したアウター部材と補強部材を重ね合わせる場合、成形精度のばらつきがあるため、それらを密着させることは特に高強度材料を用いた場合には困難である。したがって、補強部材に溶接座面を打点ごとに複数設定するなど、余分な構造が必要となる。しかし、上記のようにパッチワーク法を用いた場合、プレスによりアウター部材１２とパッチ部材１６とをよく密着させることができる。

図３、図６に示すように、パッチ部材１６用のブランク材には、稜線と溶接打点Ｗとの間に穴３０を少なくとも一つ設けておく。穴３０はプレスやレーザーで開けることができる。図６は図３～図５のアウター部材１２とパッチ部材１６を大幅に簡略化して描いている。プレス成形工程で図６（Ａ）に示すような重ね合わせブランク材２４を曲げる際、図６（Ｂ）に示すようにアウター部材１２とパッチ部材１６が天板部１８では中央の上型５２によって互いに拘束されるとともに、縦壁部２０では溶接部３２によって互いに拘束されている。したがって、曲げが進行するにしたがって、アウター部材１２とパッチ部材１６にはこれらの拘束部の間で線長差が発生する。これにより、曲げの内側にあるパッチ部材１６は圧縮を受け、外側にあるアウター部材１２は引っ張りを受ける。最初は拘束される天板部１８の終端（稜線）と溶接打点Ｗの中央に応力が集中するが、その後、図６（Ｃ）に示すように溶接部３２に矢印で示すような剪断応力が生じる。このとき、稜線と溶接打点Ｗとの間にある穴３０が縮小することで歪みが吸収されるため、穴３０がない場合と比べると溶接打点Ｗに生じる剪断応力は軽減されている。図８に示すセンターピラー１１０のように、穴１３０はパッチ部材１６ではなくアウター部材１２に設けることもできる。また、図９に示すセンターピラー２１０のように、パッチ部材２１６はアウター部材２１２の外側に張り付けることもできる。これらの場合、曲げにより穴１３０、２３０はむしろ拡張されることとなるが、上記と同様に溶接打点に生じる剪断応力を軽減する効果を得ることができる。

パッチ部材１６がアウター部材１２よりも薄い場合、穴３０はパッチ部材１６に設けるとよい。逆に、図示しないが、パッチ部材がアウター部材よりも厚い場合、穴はアウター部材に設けるとよい。このように厚い方の部材には穴３０を開けないようにすることにより、センターピラー１０の耐力をできる限り落とさないようにすることができる。しかしながら、場合によっては、図８に示すようにパッチ部材１６がアウター部材１２よりも薄くても穴１３０をアウター部材１２に設けることもできる。

なお、センターピラー以外に、同様の天板部と二つの縦壁部とを有するハット形やコの字状断面を有する構造部材を製造する場合であっても、天板部を押さえ付けて縦壁部を押し曲げる場合は、上述のセンターピラー１０のアウター部材１２と同様に、穴３０はパッチ部材１６の縦壁部２０に配置するのがよい。センターピラー以外でハット形やコの字状でない断面（Ｌ字状断面など）を有する部材を製造する場合は、各壁のうちプレス時に押し曲げられる壁に穴３０を設けるのがよい。

図６に示すように、穴３０は稜線と直交する方向の寸法に比べて稜線と同じ方向の寸法が長くなるようにするとよい。これにより、稜線と直交する断面内で見たときの穴３０の長さが小さくなる。したがって、センターピラー１０の耐力の低下を抑えつつ、プレス成形の際に穴３０を変形させやすくすることができる。穴の大きさは、プレスにより穴開けする場合、例えば長い寸法を１２ｍｍ、短い寸法を８ｍｍとすることができるが、これに限定しない。具体的には、図７に示すように穴３０の形状は長円３０ａ、楕円３０ｂ、長方形、菱形などとすることができる。しかし、穴３０の形状は通常の円３０ｃとすることもできる。形状によってプレスでの穴開けの生産性が悪い場合は、レーザーで穴を開けるとよい。

図６、図７に示すように、穴３０は稜線と溶接打点Ｗの中央に位置するとよい。より具体的には、穴３０は曲がりの開始線Ｌと溶接打点Ｗの中央に位置するとよい。穴３０を複数設ける場合は、そのうちの一つが曲がりの開始線Ｌと溶接打点Ｗの中央に位置するとよい。曲げによる応力は曲げの際に拘束される稜線と溶接打点Ｗの中央に集中しやすいため、穴３０（複数ある場合は中央に位置するもの）で効率的に応力を軽減できる。

図６に示すように、穴３０と溶接打点Ｗは稜線と直交する方向に並ぶとよい。曲げによる応力は拘束される天板部１８の終端（稜線）から垂直に溶接打点Ｗに向かう方向に集中しやすいため、これによりその方向にある穴３０で効率的に応力を軽減できる。

以上、本発明を具体的な実施例で説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、当業者であれば本発明の目的を逸脱することなく様々な置換、改良、変更を施すことが可能である。

１０ センターピラー
１２ アウター部材
１４ インナー部材
１６ パッチ部材
１８ 天板部
２０ 縦壁部
２４ 重ね合わせブランク材
３０ 穴
３２ 溶接部
Ｗ 溶接打点

Claims (5)

1. 互いに重ね合わせた状態で溶接打点で接合された第一と第二の鋼板部材がプレス成形され、天板部と二つの縦壁部とを有しコの字状断面あるいはハット形断面を有する長尺形状でその天板部と各縦壁部との間に曲がりを有する車両構造部材であって、
   前記第一の鋼板部材において前記曲がりの稜線と前記溶接打点との間に穴が少なくとも一つあり、前記穴と前記溶接打点とが前記稜線と直交する方向に並んでいる車両構造部材。
2. 請求項１の車両構造部材であって、前記第一の鋼板部材が前記第二の鋼板部材よりも薄い車両構造部材。
3. 請求項１または２の車両構造部材であって、前記穴は稜線と直交する方向の寸法に比べて稜線と同じ方向の寸法が長い車両構造部材。
4. 請求項１から３のいずれかの車両構造部材であって、前記溶接打点と前記穴が前記第一の鋼板部材の前記縦壁部に位置する車両構造部材。
5. 請求項１から４のいずれかの車両構造部材であって、少なくとも一つの穴のいずれかが前記稜線と前記溶接打点の中央に位置する車両構造部材。
   

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