JP6191648B2 - 車両の樹脂体内蔵フレーム構造およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両の樹脂体内蔵フレーム構造およびその製造方法に関するものである。

車両においては、特許文献１に示すように、重量増大を抑制しつつフレームを補強するために、フレームの閉断面内にリブ構造とされた樹脂体を内蔵するようにしたものがある。特許文献２には、インサート成型時における金属体周囲での樹脂の熱歪みを解消するために、空隙部を形成するものが開示されている。

特開２００１−１９１９４７号公報 特開平０５−１２４０５８号公報

フレームの閉断面内に樹脂体を内蔵する場合、接着材により樹脂体をフレームに接合することは、錆防止や品質等の観点から好ましくないものとなる。このため、樹脂体を、例えばインサート成型によって、接着材を用いることなくフレームに直接的に接合することが考えられる。このインサート成型による樹脂体のフレームへの接合は、そのまま使用するのであれば特に問題はないものである。

しかしながら、車両の場合、錆止めのために、樹脂体を内蔵したフレームを含めて車体全体を電着塗装されるのが通常である。この場合、電着塗装後に、乾燥炉で塗料を乾燥させることことから、かなりの高温でもって加熱作用を受けることになる（例えば１５０度Ｃ前後の温度で例えば２０分前後の加熱）。そして、加熱作用を受けると、樹脂体とフレームとの大きな熱膨張差によって大きな応力集中が発生して、樹脂体の側壁面のうちフレームへの接合面付近でひび割れを生じやすいものとなる。このひび割れが生じると、ひび割れ部分から水分、空気が侵入して、錆発生の原因となってしまうことになる。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その第１の目的は、樹脂体をフレームに直接的に接合した場合に、加熱作用を受けても、樹脂体のフレームへの接合部位にひび割れが発生するのを防止できるようにした車両の樹脂体内蔵フレーム構造を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、上記第１の目的を達成できるようにした車両の樹脂体内蔵フレーム構造の製造方法を提供することにある。

前記第１の目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、請求項１に記載のように、
フレームの閉断面内に補強用の樹脂体を配設してなる車両の樹脂体内蔵フレーム構造であって、
前記樹脂体が、前記フレームに対して接着材を用いることなく直接的に接合され、
前記フレームと前記樹脂体との接合部位における該樹脂体の側壁面が、該側壁面の上端エッジ部の位置を基準位置として設定したとき、該基準位置から離れるほど薄くなるように形成されると共に、薄くなる度合いが該基準位置から近い位置では大きく該基準位置から遠い位置になると小さくなるように湾曲形状に形成されている、
ようにしてある。上記解決手法によれば、樹脂体の側壁面の形状を、加熱された際にひび割れを生じさせるような大きな応力集中が発生しないような形状として適切に設定することができ、これにより、加熱作用を受けた際のひび割れを防止できる。また、ひび割れ防止のためには、湾曲形状という形状設定を行うだけでよいので、容易に実施化する上で、またコストアップを防止する上でも好ましいものとなる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、請求項２〜請求項６に記載のとおりである。すなわち、
前記湾曲形状が、前記樹脂体と該フレームとの間における応力拡大係数の曲線に略一致する形状とされている、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、請求項１に対応した効果を十二分に発揮させる上で好ましいものとなる。

前記樹脂体が、前記フレームにインサート成型されている、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、インサート成型によって、所定の湾曲形状を有する樹脂体の形成と樹脂体のフレームへの接合とを同時に行うことができる。

前記樹脂体は、前記フレームに接合される基板部と、該基板部から伸びて該フレームの閉断面が車両の衝突時に潰れ変形する方向に伸びる多数のリブ部と、有するリブ構造体とされ、
前記基板部の側壁面が、前記湾曲形状に形成されている、
ようにしてある（請求項４対応）。この場合、リブ構造を利用して、軽量化や使用樹脂の使用量低減等を図りつつ、衝突時のエネルギ吸収を効果的に行う上で好ましいものとなる。また、ひび割れ防止のために基板部を極力薄くする上でも好ましいものとなる。

前記樹脂体が配設される前記フレームが、閉断面を有する他のフレームと連結されており、
前記樹脂体が、該樹脂体が配設されるフレームと前記他のフレームとの連結部位を跨がるように配設されている、
ようにしてある（請求項５対応）。この場合、フレーム同士の連結部位の補強を行う上で好ましいものとなる。

前記樹脂体が配設されるフレームが、ルーフサイドレールとされ、
前記他のフレームが、前記ルーフサイドレールに連結されたピラーとされている、
ようにしてある（請求項６対応）。この場合、ルーフサイドレールとピラーとの連結部位の補強を行って、特に側突時での樹脂体によるエネルギ吸収を効果的に行う上で好ましいものとなる。

前記第２の目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、請求項７に記載のように、
フレームの閉断面内に補強用の樹脂体を配設してなる車両の樹脂体内蔵フレーム構造の製造方法であって、
前記フレームに樹脂体をインサート成型されることにより、該樹脂体を該フレームに接着材を用いることなく直接的に接合する第１ステップと、
前記第１ステップ後に、前記フレームを前記樹脂体と共に電着塗装する第２ステップと、
前記第２ステップ後に、乾燥炉によって塗料を乾燥させる第３ステップと、
を備え、
前記第１ステップにおけるインサート成型時に、前記フレームと前記樹脂体との接合部位における該樹脂体の側壁面が、該側壁面の上端エッジ部の位置を基準位置として設定したとき、該基準位置から離れるほど薄くなるように形成されると共に、薄くなる度合いが該基準位置から近い位置では大きく該基準位置から遠い位置になると小さくなるように湾曲形状として形成されている、
ようにしてある。上記解決手法によれば、請求項１および請求項３に対応した効果を奏する車両の樹脂体内蔵フレーム構造を製造する方法を提供することができる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、請求項８に記載のとおりである。すなわち、
前記湾曲形状が、前記樹脂体と前記フレームとの間における応力拡大係数の曲線に略一致する形状とされている、ようにしてある（請求項８対応）。この場合、請求項２に対応した効果を奏する車両の樹脂体内蔵フレーム構造を製造する方法を提供することができる。

本発明によれば、樹脂体をフレームに直接的に接合した場合に、加熱作用を受けても、樹脂体のフレームへの接合部位にひび割れが発生するのを防止できる。

本発明が適用された車両の車体骨格部分を示す側面図。 樹脂体のルーフサイドレールへの配設例を示す要部側面図。 図１のＸ３−Ｘ３線相当断面図。 図３の状態からインナパネル部分を取外して樹脂体を露出させた状態での要部断面斜視図。 応力拡大係数の特性線を示す図。 樹脂体の側壁面の湾曲形状例を示す要部拡大断面図。 本発明の効果を図式的に示す図。

車両としての自動車の車体（骨格）部分を示す図１において、１はサイドシル、２はヒンジピラー、３はＡピラー（フロントピラー）、４はＢピラー（センタピラー）、５はＣピラー（リアピラー）、６はルーフサイドレール、７はルーフである。Ａピラー３とＢピラー４との間の開口が、前席用乗員の乗降用となる前サイド開口８とされ、Ｂピラー４とＣピラー５との間の開口が、後席用乗員の乗降用となる後サイド開口９とされている。

ルーフサイドレール６内には、後述する樹脂体２０が配設されている。樹脂体２０は、前後方向に細長く伸びて、Ｂピラー４を跨ぐように配設されている。

図３は、Ｂピラー４の上部とルーフサイドレール６との連結部位の一例を示すものである。この図３において、ルーフサイドレール６は、インナパネル３１とアウタパネル３２とによって形成された閉断面Ｄ１を有している。また、Ｂピラー４のインナパネル４１が上記両パネル３１、３２の下部に接合されている。また、Ｂピラー４のアウタパネル４２が、上記インナパネル３１とアウタパネル３２との上部に接合されて、アウタパネル３２との間に閉断面Ｄ２を構成している。さらに、Ｂピラー４のレインフォースメント４３が、アウタパネル３２の外面側に接合されている。このように、ルーフサイドレール６は、Ｂピラー４をも利用して、２重の閉断面Ｄ１、Ｄ２を有する構造として構成されている。

上記ルーフサイドレール６の上部に、ルーフ７の車幅方向外縁部が接合されている。また、ルーフ７の下面に接合されたクロスメンバ３５が、連結ブラケット３６を介して、ルーフサイドレール６の上部に接合されている。

前記閉断面Ｄ１内に、樹脂体２０が配設されている。この樹脂体２０は、強化繊維（ガラス繊維あるいはカーボン繊維）によって補強された熱硬化性樹脂から形成されている。図４にも示すように、樹脂体２０は、アウタパネル３２に直接的に接合された基板部２１と、基板部２１から車幅方向内方側に向けて伸びる縦横のリブ部２２、２３とを有する。ほぼ上下方向に伸びる縦のリブ部２２とほぼ水平方向に伸びる横のリブ部２３とによって、方形のボックス状空間が形成されている。各リブ部２２、２３は、インナパネル３１の直近にまで伸びている。

上述のように、樹脂体２０は、リブ構造とされることにより、軽量化やコスト低減（樹脂材や補強繊維の使用量低減）を図りつつ、車幅方向に向けての剛性が大きなものとして形成されている。また、樹脂体２０は、リブ構造とすることにより、衝突時（側突時）において、車幅方向外方側からの大きな外力を受けた際に、リブ部２２、２３が潰れ変形することによるエネルギ吸収が効果的に行われるようになっている。

上記樹脂体２０は、アウタパネル３２に対して、接着材を用いることなく、直接的に接合されている。具体的には、樹脂体２０は、アウタパネル３２に対してインサート成型によって形成されて、このインサート成型時にアウタパネル３２に接合される。

樹脂体２０とこれが接合されたアウタパネル３２とは、その熱膨張係数が大きく相違する。このため、錆止めとしての電着塗装を行った後の乾燥炉での乾燥工程での加熱作用（例えば１５０度Ｃで２０分）を受けた際に、樹脂体２０のうちアウタパネル３２への接合部位の端部に、熱膨張差に基づく応力集中によってひび割れが生じやすいものとなる。すなわち、樹脂体２０における基板部２１の側壁面が、上記ひび割れを生じやすいものとなる。

前記ひび割れを防止するために、図６に示すように、基板部２１の側壁面２１ａのうち、アウタパネル３２直近部分の形状を、独特の湾曲形状として設定してある。この湾曲形状について説明すると、まず、基板部２１の上端エッジ部の位置を基準位置０として設定する。このとき、側壁面２１ａは、基準位置０から離れるほど、アウタパネル３２からの厚さが小さくなるように湾曲して形成される。この場合、薄くなる度合いが、基準位置から近い位置では大きくされ、基準位置からある程度遠い位置になると小さくされる。換言すれば、上記湾曲形状は、アウタパネル３２の表面に向かって凹となるような形状として設定されている。このような湾曲形状は、基板部２１の全周縁部（アウタパネル３２に接合される部分の全周縁部）に渡って形成されている。

上記湾曲形状は、樹脂体２０とアウタパネル３２との間の応力拡大係数の特性線に略一致するように設定するのが好ましいものとである。この応力拡大係数の特性線αを図５に示してあり、この図５に示す特選線αを図６中破線で示してある。応力拡大係数が１以下であれば、熱膨張差による基板部２１の端部でのひび割れが防止されることになる。実施形態では、側壁面２１ａの厚さを、アウタパネル３２の表面から比較的離れた位置では、応力拡大係数の特性線αとほぼ完全に一致するように設定すると共に、アウタパネル３２の表面直近では、応力拡大係数の特性線αに相当する厚さよりも小さくすることにより、より確実にひび割れを防止するようにしてある。

図７は、本発明の効果を図式的に示すものである。すなわち、図７において、一点鎖線は、基板部２１の側壁面２１ａの形状を、アウタパネル３２に対してほぼ直交する絶壁状として形成した場合を示す（図６において、基板部２１の側壁面２１ａが、基準位置０から右方部分には存在しないもので、図６中一点鎖線に沿う形状の場合）。この場合は、応力拡大係数が１よりも相当に大きい部分が存在することとなって、乾燥工程での加熱作用を受けた際にひび割れを生じ易いものとなる。この一方、図７実線で示す本発明の場合（図６のような湾曲形状を採用した場合）は、応力拡大係数が１以下となって、乾燥工程での加熱作用を受けても、ひび割れを生じないものとなる。

次に、樹脂（樹脂体２０）の金属（アウタパネル３２）への接合部位に作用する熱膨張差に基づく応力集中について説明する。なお、以下の説明で、添え字「ｐ」は樹脂用（樹脂体２０対応）を、添え字「ｍ」は金属用（アウタパネル３２対応）を示す。まず、樹脂と金属との線膨張係数をαｐ、αｍとし、ヤング率をＥｐ、Ｅｍ、形状断面積をＡｐ、Ａｍ、初期長さをＬ、温度変化を△Ｔとする。このときの、樹脂体および金属の線膨張による伸び量△Ｌｐ、△Ｌｍは、次式（１）、（２）で表される。

一体接合により接合された部品の両材に作用する力Ｆは、接合界面において、大きさが等しく向きが反対でつり合うので、膨張が大きな樹脂は圧縮、金属には引張が入る。力Ｆによる金属の伸び△ｌｐ、△ｌｍは、フックの法則を用いて次式（３）、（４）で示される。なお、式「−」は圧縮方向を示す。

樹脂と金属の界面において、樹脂および金属の延び量が等しいという関係から、次式（５）が表される。

式（５）に、式（１）、式（２）、式（３）、式（４）を代入することにより、次式（６）が求められる。

式（６）を変換して式（７）が得られる。

破壊は樹脂が支配することから、樹脂に作用する破壊のための応力σは、次式（８）で示される。

一体成形接合における樹脂端部においては、特異点として接合端部が存在し、応力拡大が発生する。ＦＥＭ解析による応力集中分布において、応力がもっとも大きくなる接合界面端部の応力値σｅは、式（８）および応力拡大係数ｋを用いた次式（９）により求められる。

上記（９）式から、樹脂の接合端部の形状（側壁面の湾曲形状）を、応力拡大係数ｋに略一致した形状とすることにより、熱膨張差に基づく樹脂端部でのひび割れが防止されることになる。換言すれば、樹脂の接合端部の厚さを、応力拡大係数が１以下となるように設定すれば、ひび割れが防止されることになる。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能である。樹脂体２０が内蔵されるフレームとしては、ルーフサイドレール６以外に、サイドシル１、ヒンジピラー２、Ａピラー３、Ｃピラー４、各種のクロスメンバ等、閉断面を構成する適宜の強度部材とすることができる。樹脂体２０の配設位置としては、他のフレームとの連結部位を選択するのが好ましく、特に他のフレームに跨がる（他のフレームの伸び方向と交差する方向に伸びる）ように配設するのが好ましい。樹脂体２０は、長い連続したものではなく、短いものを間隔をあけて複数直列に配設する等、その大きさ、形状、配設位置、配設個数等は適宜選択できる。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明は、車両におけるフレームの補強構造として好適なものを提供することができる。

４：Ｂピラー（他のフレーム）
６：ルーフサイドレール
２０：樹脂体
２１：基板部
２１ａ：側壁面（湾曲形状）
２２：リブ部（縦）
２３：リブ部（横）
Ｄ１：閉断面
α：応力拡大係数の特性線

Claims (8)

1. フレームの閉断面内に補強用の樹脂体を配設してなる車両の樹脂体内蔵フレーム構造であって、
   前記樹脂体が、前記フレームに対して接着材を用いることなく直接的に接合され、
   前記フレームと前記樹脂体との接合部位における該樹脂体の側壁面が、該側壁面の上端エッジ部の位置を基準位置として設定したとき、該基準位置から離れるほど薄くなるように形成されると共に、薄くなる度合いが該基準位置から近い位置では大きく該基準位置から遠い位置になると小さくなるように湾曲形状に形成されている、
   ことを特徴とする車両の樹脂体内蔵フレーム構造。
2. 請求項１において、
   前記湾曲形状が、前記樹脂体と該フレームとの間における応力拡大係数の曲線に略一致する形状とされている、ことを特徴とする車両の樹脂体内蔵フレーム構造。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記樹脂体が、前記フレームにインサート成型されている、ことを特徴とする車両の樹脂体内蔵フレーム構造。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、
   前記樹脂体は、前記フレームに接合される基板部と、該基板部から伸びて該フレームの閉断面が車両の衝突時に潰れ変形する方向に伸びる多数のリブ部と、有するリブ構造体とされ、
   前記基板部の側壁面が、前記湾曲形状に形成されている、
   ことを特徴とする車両の樹脂体内蔵フレーム構造。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、
   前記樹脂体が配設される前記フレームが、閉断面を有する他のフレームと連結されており、
   前記樹脂体が、該樹脂体が配設されるフレームと前記他のフレームとの連結部位を跨がるように配設されている、
   ことを特徴とする車両の樹脂体内蔵フレーム構造。
6. 請求項５において、
   前記樹脂体が配設されるフレームが、ルーフサイドレールとされ、
   前記他のフレームが、前記ルーフサイドレールに連結されたピラーとされている、
   ことを特徴とする車両の樹脂体内蔵フレーム構造。
7. フレームの閉断面内に補強用の樹脂体を配設してなる車両の樹脂体内蔵フレーム構造の製造方法であって、
   前記フレームに樹脂体をインサート成型されることにより、該樹脂体を該フレームに接着材を用いることなく直接的に接合する第１ステップと、
   前記第１ステップ後に、前記フレームを前記樹脂体と共に電着塗装する第２ステップと、
   前記第２ステップ後に、乾燥炉によって塗料を乾燥させる第３ステップと、
   を備え、
   前記第１ステップにおけるインサート成型時に、前記フレームと前記樹脂体との接合部位における該樹脂体の側壁面が、該側壁面の上端エッジ部の位置を基準位置として設定したとき、該基準位置から離れるほど薄くなるように形成されると共に、薄くなる度合いが該基準位置から近い位置では大きく該基準位置から遠い位置になると小さくなるように湾曲形状として形成されている、
   ことを特徴とする車両の樹脂体内蔵フレーム構造の製造方法。
8. 請求項７において、
   前記湾曲形状が、前記樹脂体と前記フレームとの間における応力拡大係数の曲線に略一致する形状とされている、ことを特徴とする車両の樹脂体内蔵フレーム構造の製造方法。
   

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