JP5221861B2 - 車両用構造部材 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の車両の構造部材に関する。具体的には、本発明は、車体の軽量化と車両の衝突安全性の向上とを両立させるための車両用構造部材に関する。

地球環境保護を背景とした車体の軽量化、ならびに車両の衝突安全性の向上の観点から、軽量で優れた衝撃エネルギー吸収能を有する構造部材が求められている。例えば、高強度鋼板（以下、「ハイテン」という）を用いて構造部材の板厚を低減したり、あるいは構造部材の断面形状を大型化又は最適化することによって性能向上を図ることが、構造部材の素材から形状に至るまで盛んに検討されている。

また、厚肉材や高強度材と、薄肉材や低強度材といった異種材料をプレス成形前に溶接してつなぎ合わせた、いわゆるテーラーウェルドブランク（以下、「ＴＷＢ」と略記する）をプレス成形することによって車両用構造部材を製造することによって、車両用構造部材の性能を支配する部位や領域に厚肉材や高強度材を配するとともに性能に大きな影響を及ぼさない部位や領域には薄肉材や低強度材を配し、これにより、構造部材の軽量化と性能の維持・向上とをともに図ることも推進されている。

このような車両用構造部材の一つとしてセンターピラーがある。図７は、センターピラー１の一例を示す説明図である。同図に示すように、センターピラー１は、自動車車体のボディーサイドを構成するルーフレールサイド２及びサイドシル３の間に固定して配置されることにより、ルーフの支持、リアードアーの保持、車体の各種剛性の維持さらには側面衝突の際の乗員保護等の点で極めて重要な役割を担う。このセンターピラー１に要求される性能を改善、向上するために、これまでにも様々な発明が提案されている。

特許文献１には、例えばセンターピラーのアウターパネルに９００ＭＰａ以上の引張耐力を有する高張力鋼板を用いるとともに、インナーパネルにはアルミニウム合金板を用いることによって、センターピラーの各種性能を維持、向上しながら軽量化を図るための発明が開示されている。

また、特許文献２には、センターピラーではなくバンパー等に関するものではあるが、中空アルミニウム押出材又は中リブを有する中空アルミニウム押出材の押出表面又は中リブの少なくとも一方にうねりを設ける構造部材に係る発明が開示されている。

さらに、特許文献３には、例えばセンターピラーレインフォースのプレス成形を行う前の鋼板における稜線となる部分に事前に高周波焼入れを施しておいてからプレス成形を行うことにより、強度を高めながら製造工数の増加を抑制するセンターピラーレインフォースに係る発明が開示されている。
特開２００５−３４３３２９号公報 特開平６−３４４０２３号公報 特開２００２−６８０１２号公報

特許文献１、２により開示された発明のように、構造部材にアルミニウム合金板を用いて軽量化を図ろうとすると、素材コストが上昇するために製造コストが嵩むとともに、鋼板とアルミニウム合金板とを併用する場合における両者の接合の際に問題となる電食に対する対策を講じる必要がある。このため、この点からも製造コストが上昇するので、全ての量産車に適用することは難しい。特に、特許文献１により開示された発明においてハイテンを用いると延性が不可避的に低下するので、構造部材の成形性が低下する。

図８は、特許文献３により開示された従来の車両用構造部材４の構造例を簡略化して示す説明図である。この構造部材４は、薄肉材からなる部分４ａと厚肉材からなる部分４ｂとを溶接線５の位置で溶接して製造されたものである。このため、特許文献３により開示された発明によっても、車両用構造部材の長手方向への性能差や生産性の点で問題がある。また、この発明によっても車両用構造部材の軽量化をこれ以上図ることは事実上不可能である。

本発明の目的は、軽量化及び高性能の両立を図ることができ、任意の金属材料に適用可能であるとともに、従来のＴＷＢのように長手方向への性能差（例えば曲げ性能差）を生じることがない車両用構造部材を提供すること、換言すると、曲げ変形により吸収する単位質量当りの衝突エネルギー量を高めた車両用構造部材を提供することである。

本発明は、少なくとも軸方向の一部に、離間して対向する二つの壁部と、二つの壁部それぞれに連続する二つの稜線部と、これら二つの稜線部を連結する底部とにより構成されるとともに曲げ変形により衝突エネルギーを吸収する略ハット形状の横断面を有する第１の部材を備える車両用構造部材であって、底部の一部が、底部の残りの一部、二つの壁部及び二つの稜線部を構成する第２の金属板とは相違する第１の金属板により構成され、かつ、第１の金属板の強度が第２の金属板の強度よりも小さいか、又は、第１の金属板の板厚が第２の金属板の板厚よりも小さいとともに、第１の金属板、及び第２の金属板それぞれの板厚はいずれも一定であることを特徴とする車両用構造部材ある。

この本発明に係る車両用構造部材では、一部の領域の横断面における周方向長さ（Ｘ）が、底部の横断面における周方向長さ（Ｌ）の０．３０倍以上０．９０倍以下であることが望ましい。より望ましくは、０．５０倍以上０．８６倍以下である。

この本発明に係る車両用構造部材では、第１の金属板と第２の金属板とが底部の軸方向に沿う溶接により接合されていることが望ましい。

さらに別の観点からは、少なくとも軸方向の一部に、離間して対向する二つの壁部と、これら二つの壁部を連結する底部とにより構成される略溝型の横断面を有する第１の部材とを備え、底部の一部が、底部の残りの一部、及び二つの壁部を構成する第２の金属板とは相違する第１の金属板により構成され、かつ、第１の金属板の強度が第２の金属板の強度よりも小さいか、又は第１の金属板の板厚が第２の金属板の板厚よりも小さいとともに、第１の金属板、及び第２の金属板それぞれの板厚はいずれも一定であることを特徴とする自動車車体のセンターピラーである。

これらの車両用構造部材又はセンターピラーは、さらに、第１の部材に接合されてこの第１の部材の略ハット形状の開口部を閉じるための第２の部材を備えていてもよい。

本発明により、軽量で優れた衝撃エネルギー吸収能を有する車両用構造部材を提供できるので、車両用構造部材の軽量化と車両の衝突安全性の向上とを両立させることができるようになる。

以下、本発明に係る車両用構造部材を実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以降の説明では、車両用構造部材としてセンターピラーを例にとるが、本発明はセンターピラーに限定されるものではなく、例えばバンパーレインフォース、サイドシルさらにはフロントピラー等といった、車両の衝突の際の変形モードが、センターピラーと同様に３点曲げとなる車両用構造部材であれば、同様に適用することができる。

はじめに、本発明の基となる知見について簡単に説明する。
上述した図７に示すように、側面衝突におけるセンターピラー１の変形モードは、上部のルーフレールサイド２と下部のサイドシル３とを支点としてキャビン側へ屈曲するような３点曲げとなる。したがって、センターピラー１には、３点曲げの荷重に対する耐久力が強く、かつ曲げによるたわみが小さいことが望まれる。

本発明者らは、この３点曲げにおける現象について解明するために、センターピラー１を模した、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すハット型の横断面形状を有する２種の構造部材１−１、１−２を対象として、汎用の動的陽解法ソフトＰＡＭ−ＣＲＡＳＨを用いて３点曲げのＦＥＭ数値解析を行った。

図１０は、このＦＥＭ数値解析における３点曲げ解析モデルを示す説明図である。なお、図１０では中心線ｌよりも右側は省略してある。図１０に示すように、半径３０ｍｍの柱状体である支持部６、６により曲げスパン５００ｍｍで支持された構造部材１−１、１−２に対して、半径１５０ｍｍのインパクター７を速度１．８ｍ/ｓで押し込む条件で解析を行った。また、現象が左右対称とみなせることから、解析においては対称条件を適用した。

そして、以下に列記する知見（ａ）〜（ｄ）を得た。
（ａ）センターピラーの衝撃吸収性能を支配するのは、横断面における全ての部分ではなく、衝撃吸収性能に大きく影響を及ぼす特定の部分が存在する。
（ｂ）衝撃吸収性能を支配する特定の部分と、性能に影響を及ぼさないそれ以外の部分とを考慮して、センターピラーの横断面構造を決定することにより、センターピラーの軽量化及び性能確保の両立を図ることができる。
（ｃ）従来のように、長手方向へ２以上の異種材料が配置されたＴＷＢによってセンターピラーを構成するのではなく、横断面内に異種材料を配置するＴＷＢを用いてセンターピラーを構成し、横断面において性能に影響を及ぼさない部分を薄肉化又は低強度化することによって、軽量化及び性能確保の両立が図られるセンターピラーを提供できる。
（ｄ）さらに、ＴＷＢに替えて、圧延後の板厚が、その境界を含む３０ｍｍの幅で板厚が１０％以上変化する板厚境界部において変化するテーラーロールドブランク材（以下、「ＴＲＢ」という）や押し出し材等を用い、これらに通常のプレス成形を行うことによっても、センターピラーの軽量化及び性能確保の両立を図ることができる。

次に、本実施の形態のセンターピラーを説明する。
図１は、本実施の形態の構造部材１０を示す説明図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は横断面図である。なお、この構造部材１０は、本発明の理解を容易にするために実際のセンターピラーの構造を簡略化したものであって曲げ変形時には実際のセンターピラーと同等の挙動を示すので、以降の説明では、この構造部材１０をセンターピラーとして説明することとする。

図１（ａ）に示すように、本実施の形態のセンターピラー１０は、図７を参照しながら説明した従来のセンターピラー１と同様に、ルーフレールサイドに接合される上部１１ａと、サイドシルに接合される下部１１ｂとを長手方向の両端側に備える。側面衝突の際には、これら上部１１ａ及び下部１１ｂの二点を支点としてキャビン側へ屈曲する３点曲げ変形を生じることによって、衝突エネルギーを吸収する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、このセンターピラー１０は、横断面において、対向して配置される二つの壁部１２、１２と、これら二つの壁部１２、１２をつなぐ直線状の底部１３（横断面における周方向長さがＬの部分）とを有する第１の部材１０ａと、二つの壁部１２、１２を閉じるための第２の部材である背板１５とを有する。すなわち、本実施の形態において「底部１３」とは、二つの壁部１２、１２それぞれのＲ止まり位置の間に存在する部分を意味し、「底部１３の長さ」とは、横断面においてこの底部１３の周方向長さを意味する。このため、図１（ｂ）に示すように底部１３が横断面において直線に形成される場合には底部１３の長さとは図１（ｂ）における距離Ｌとなる。これとは異なり、底部１３が横断面において、ハット型の内部又は外部へ向けて凸となる曲線や、このような曲線と直線とを組み合わせたものとして形成される場合には底部１３の長さとは横断面におけるこのように形成された底部１３の周方向長さを意味する。

壁部１２、１２は、背板１５に対して重なり部１２ｂ、１２ｂによりスポット溶接されて接合される。また、本例では、壁部１２、１２の端部１２ａ、１２ａが底部１３の一部をなすようにして直線状に形成されており、端部１２ａ、１２ａと底部１３の長さがＸの部分とが後述する適当な溶接により接合されている。すなわち、本例では、長さがＬの底部１３は、端部１２ａ、１２ａと、長さがＸの部分とにより構成されている。

本実施の形態では、二つの壁部１２、１２及び底部１３により構成される第１の部材１０ａのみならず、第２の部材である背板１５も用いてセンターピラー１０を構成するが、背板１５は用いずに第１の部材１０ａのみでセンターピラー１０を構成するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、図１（ａ）又は図１（ｂ）に示すように背板１５として平板を用いた。しかし、第２の部材である背板１５は第１の部材１０ａを構成する二つの壁部１２、１２に接合されてこの第１の部材１０ａの略ハット形状の開口部を閉じることができる部材であればよいので、背板１５の形状は平らな形状には何ら限定されず、例えば略ハット形の形状や、湾曲した曲面形の形状さらには部分的に凹凸や曲面を有する平らな形状等であってもよい。

また、本実施の形態のセンターピラー１０は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、底部１３のうちの少なくとも一部の領域（図１（ｂ）における長さがＸの部分）と、壁部１２、１２の端部１２ａ、１２ａとは、底部１３の軸方向に沿う溶接線１４、１４により接合されている。

この接合手段は、一般的に使われているマッシュシーム、プラズマ、レーザーさらにはアーク等の連続溶接であればよい。ただし、例えばスポット溶接のような断続的溶接の場合には、溶接打点数等を増加させて接合部強度を強化させる等の対策を施すことが望ましい。

本発明の原理は材料には依存しないため、壁部１２及び底部１３の長さがＸの部分を構成する材料は金属材料であればよく、特定の金属材料には制限されない。
本実施の形態のセンターピラー１０は、ＴＷＢにプレス成形を行うことにより製造されるが、本発明はＴＷＢに限定されるものではなく、ＴＲＢにプレス成形を行うようにしてもよい。しかし、板厚差ならびに薄肉部の範囲に対する自由度は接合位置を含むＴＷＢのほうが高く、さらに、ＴＷＢでは材料強度の異種材料を組み合わせて用いることが可能であるので、ＴＷＢを用いるほうが望ましい。

さらに、本実施の形態のセンターピラー１０は、ＴＷＢ又はＴＲＢにプレス成形を行うのではなく、例えば熱間押出し又は冷間押出しにより、薄肉部及び厚肉部を有するものとしてプレス成形を経ずに直接に製造するようにしてもよい。

このようにして、本実施の形態のセンターピラー１０は、全体として略ハット形状の横断面形状を有する。
このセンターピラー１０は、図１（ｂ）に示すように、少なくとも軸方向の一部（図示例では全部）の横断面における略ハット形状の底部１３のうちの少なくとも一部の領域、すなわち図１（ｂ）における長さがＸの領域が、この領域を除いた他の領域よりも、板厚が薄い材料、又は強度の低い材料によって構成される。この理由を説明する。

全体として略ハット形状の横断面形状を有し、単一の材料からなるセンターピラーの側面衝突の状況を考える。図２は、側面衝突における略ハット形状の横断面形状を有するセンターピラー１６の軸方向の中心断面の変形挙動の一例を示す説明図であり、図３はこの中心断面における荷重−変位チャート（荷重特性）の一例を示すグラフである。

図２、３に示すように、センターピラー１６の衝突部では、荷重によって断面が押し潰され、平面状の底部１８及び壁部１７、１７の間に位置する稜線１９、１９と、壁部１７、１７とにたわみ変形が生じる。この時、ひずみは主に稜線１９、１９に集中し、稜線１９、１９が座屈する際に荷重が最大となる。そして、それ以降は、変形が局所的となり荷重は徐々に減少していく。

このように、横断面内において応力を受け持つ部位は、主に稜線１９、１９及び壁部１７、１７であり、平面状の底部１８が負担する役割は小さいと考えられる。本発明は、この平面状の底部１８を、薄肉材又は低強度材により構成することにより、性能を保持したまま軽量化もしくは低コスト化を図ることができるという技術思想に基づくものである。

本実施の形態のセンターピラー１０は、この技術思想に基づき、底部１３のうちの少なくとも一部の領域（図１（ｂ）における長さＸの領域）を、この領域を除く他の領域よりも板厚が薄い材料、又は強度が低い材料により構成する。

次に、薄肉材もしくは低強度材を配置する長さＸを説明する。
図１（ｂ）に示すように、底部１３のうちの一部もしくは底部１３に加え壁部１２a、１２のうちの一部に異なる材料を有する構造とし、横断面における境界面間の周方向長さをＸとし、長さＸを変化させたときの性能の変化を調べる。また、ここで、Ｘ＝０の場合は一様材料の従来形状を表す。

本実施の形態では、縦壁角度が９２°と１２０°のハット形状の部材を対象に、長さＸの部分とハットのその他の部分との板厚あるいは材料強度が異なる３種類のケースについて、曲げ変形における最大荷重と、単位質量あたりの最大荷重とを解析により求めた。表１にそれぞれのケースにおける材質の配置を示す。

実際の製品における壁部の開き角度はおよそ９２°から１２０°の範囲にあるので、ケース１、３では図９（ａ）に示す９２°のモデル形状、ケース２では図９（ｂ）に示す１２０°のモデル形状を使用した。ケース１、２では、Ｘの長さの部分の薄肉化による軽量かつ高性能化について検討した。ケース３では、Ｘの長さの部分に強度が異なる材料を配置した場合について検討した。

ケース１〜３における境界面間距離Ｘの範囲と、性能（最大荷重、最大荷重／質量）の変化との関係を、図４（ａ）〜図４（ｃ）にグラフでそれぞれ示す。
図４（ａ）〜図４（ｃ）にグラフで示すように、底部の直線部分の周長方向長さＬとの関係で、ＸがＬ＞Ｘ≧０の範囲では最大荷重値は略一定であり、本実施の形態により底部の軽量化によって単位質量あたりの最大荷重、すなわち効率を高められることがわかる。しかし、これを超えて境界面が底部だけでなく稜線にまで及ぶ（Ｘ≧Ｌ）と、最大荷重値は減少する。このように、一部の領域の横断面における周方向長さＸが、底部の横断面における周方向長さＬ以下であれば、最大荷重値の低下を防ぐことができる。このような効果を十分に得るには、０．３０Ｌ≦Ｘ≦０．９０Ｌであることが望ましい。より望ましくは、０．５０Ｌ≦Ｘ≦０．８６Ｌである。

図５は、本実施の形態のセンターピラー１０の形状例の概略を示す説明図である。この図では、第２の部材である背板を用いずに構成されるセンターピラーを示す。
同図に示すように、このセンターピラー１０は、曲げ変形により衝突エネルギーを吸収する略ハット形状の横断面を有し、少なくとも軸方向の一部の横断面における略ハット形状の底部１３のうちの少なくとも一部の領域（図５において破線で囲まれた領域）が、同じ断面における他の領域よりも、板厚が薄い材料又は強度が低い材料により構成され、さらに、この一部の領域と他の領域とが、底部１３の軸方向へ延在する溶接線１４、１４の位置で溶接により接合されるものである。

本実施の形態のセンターピラー１０によれば、軽量で優れた衝撃エネルギー吸収能を有するので、軽量化と車両の衝突安全性の向上とを両立させることができる。

本発明を、実施例を参照しながらより具体的に説明する。
本実施例では、本発明に係る車両用構造部材としてのセンターピラーを模倣した図９に示す断面形状を有する部材を製作し、図１０に示す解析モデルと同様の条件で３点曲げ試験を行った。すなわち、図６に示すようにパンチ２４、ダイ２１及びホルダー２２の３金型により構成されるハットチャンネル型の金型２０を用いて、ブランクにプレス成形を行ってセンターピラーを模倣した上記部材を製作した。なお、図６は金型２０の半分のみ示す。

ここで、プレス成形は、図６に示すように、ダイ（上型）２１とホルダー（下型）２２とで押さえられたダイフェース面から、成形の進行とともにダイ２１の縦壁部へブランク２３が侵入していく、いわゆる深絞り成形である。

ブランク２３には、板厚もしくは材質が異なる２種類の鋼板を、４．５ｋＷのＹＡＧレーザー装置により溶接速度４ｍ／ｍｉｎで長手方向へ６００ｍｍの長さで溶接したＴＷＢを用いた。鋼板は、自動車車両用構造部材として一般に用いられている残留オーステナイト鋼（フェライト、ベイナイト及び残留オーステナイト組織鋼）を用いた。

また、板厚が異なる鋼板によるＴＷＢをプレス成形する際には、ブランク２３がパンチ２４と接触する際の板厚差による差厚部への応力集中を無くすために１．０ｍｍの板を、パンチ２４の底に薄肉部の幅に合わせてスペーサーとしてセットした。

そして、溶接線をパンチ２４のＲ部より内側の平坦部にセットし、クッション圧５０トンで成形を行った。この成形条件では、溶接位置は成形中もセットした位置から移動しないために溶接部に過度な張力に起因した破断を生じることなく、図９（ａ）又は図９（ｂ）に示す横断面形状を有するパネルを成形できた。なお、このパネルの奥行き方向の長さは６００ｍｍであり、薄肉部の断面方向長さＸは６０ｍｍとした。

表２に３点曲げ試験結果を示す。

表２における比較例１は、従来通りに、板厚及び材質が一定の一枚板からなるブランクにより成形したものである。また、発明例1、２は薄肉板及び厚肉板からなるＴＷＢにより成形した本発明例である。さらに、表２における発明例１および比較例１が図９（ａ）に示す横断面形状を有するパネルの場合であり、発明例２および比較例２が図９（ｂ）に示す横断面形状を有するパネルの場合である。

表２における発明例１と比較例１とを対比するとともに発明例２と比較例２とを対比することにより、本発明例は比較例と比較して、質量当りの性能（Ｆ／Ｍ）が向上したことがわかる。

実施の形態の構造部材を示す説明図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は横断面図である。 略ハット形状の横断面形状を有するセンターピラーの軸方向の中心断面の変形挙動の一例を示す説明図である。 略ハット形状の横断面形状を有するセンターピラーの軸方向の中心断面における荷重−変位チャートの一例を示すグラフである。 図４（ａ）〜図４（ｃ）は、ケース１〜３における境界面間距離Ｘの範囲と、性能（最大荷重、最大荷重・質量）の変化との関係を示すグラフである。 実施の形態のセンターピラーの形状例の概略を示す説明図である。 実施例で用いた金型を示す説明図である。 センターピラーの一例を示す説明図である。 特許文献３により開示された従来の車両用構造部材の構造例を簡略化して示す説明図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、ＦＥＭ数値解析を行った２種の構造部材のハット型の横断面形状を示す説明図である。 ＦＥＭ数値解析における３点曲げ解析モデルを示す説明図である。

符号の説明

１ センターピラー
２ ルーフレールサイド
３ サイドシル
４ 車両用構造部材
４ａ 薄肉材からなる部分
４ｂ 厚肉材からなる部分
５ 溶接線
１０ 構造部材（センターピラー）
１１ａ 上部
１１ｂ 下部
１２ 壁部
１２ａ 端部
１２ｂ 重なり部
１３ 底部
１４ 溶接線
１５ 背板
１６ センターピラー
１７ 壁部
１８ 底部
１９ 稜線
２０ 金型
２１ ダイ
２２ ホルダー
２３ ブランク
２４ パンチ

Claims (4)

1. 少なくとも軸方向の一部に、離間して対向する二つの壁部と、該二つの壁部それぞれに連続する二つの稜線部と、該二つの稜線部を連結する底部とにより構成されるとともに曲げ変形により衝突エネルギーを吸収する略ハット形状の横断面を有する第１の部材を備える車両用構造部材であって、前記底部の一部が、該底部の残りの一部、前記二つの壁部及び前記二つの稜線部を構成する第２の金属板とは相違する第１の金属板により構成され、かつ、前記第１の金属板の強度が前記第２の金属板の強度よりも小さいか、又は、前記第１の金属板の板厚が前記第２の金属板の板厚よりも小さいとともに、前記第１の金属板、及び前記第２の金属板それぞれの板厚はいずれも一定であることを特徴とする車両用構造部材。
2. 前記一部の領域の横断面における周方向長さ（Ｘ）が、前記底部の横断面における周方向長さ（Ｌ）の０．３０倍以上０．９０倍以下である請求項１に記載された車両用構造部材。
3. 前記第１の金属板と前記第２の金属板とは前記底部の軸方向に沿う溶接により接合されている請求項１又は請求項２に記載された車両用構造部材。
4. さらに、前記第１の部材に接合されて前記略ハット形状の開口部を閉じるための第２の部材を備える請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された車両用構造部材。

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