JP2010076763A

JP2010076763A - 構造部材の補強部材

Info

Publication number: JP2010076763A
Application number: JP2009271764A
Authority: JP
Inventors: Takeo Mori; 健雄森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: JP5158060B2

Abstract

【課題】高強度かつ軽量を実現できる構造部材の補強部材を提供する。
【解決手段】車両の構造部材の内部に設けられる補強部材１２，１３であって、曲げの圧縮側に設けられる圧縮側面１２ａ，１３ａと、圧縮側面１２ａ，１３ａから曲げの引張側の方向に延びた壁部１２ｂ，１３ｂを有し、圧縮側面１２ａ，１３ａは、壁部１２ｂ，１３ｂよりも材料強度が大きい又は／及び板厚が厚いことを特徴とし、この構成によって曲げの中立軸を圧縮側に近づける。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の骨格部材等に適用される構造部材の補強部材に関する。

車両の骨格部材は、衝突等によって荷重が入力された場合、曲げの引張側に比べて圧縮側が弱く、圧縮応力によって局部的な弾性座屈が発生する。そこで、車両の骨格部材には、閉断面構造が形成され、閉断面構造における曲げの圧縮側にのみ補強部材が配設されたものがある（特許文献１参照）。図５には、骨格部材の一例としてＢピラー１００を示している。このＢピラー１００は、ピラーアウタ１０１とピラーインナ１０２で閉断面が形成され、曲げ圧縮側に補強部材としてアウタリーンフォースメント１０３とヒンジリーンフォースメント１０４が配設され、さらに、中間部に補強部材としてリーンフォースメント１０５が配設されている。

特開２００３−２３１４８３号公報

従来の車両の骨格部材の場合、曲げの圧縮側と引張側との中立軸が閉断面における中心辺りに位置する（図５の中立軸Ａを参照）。そのため、圧縮側面と引張側面との間を連結する縦壁部における大きな領域に圧縮応力場が存在することになり、圧縮側面の他にも縦壁部にも圧縮応力が作用する。その結果、圧縮側において、圧縮応力によって弾性座屈が生じ、局部的に座屈が進行する。図５に示すＢピラー１００の場合、ピラーアウタ１０１のアウタ面１０１ａに、座屈が始める瞬間に、局部的にくぼみＨができている。

このような圧縮応力による弾性座屈を抑制するためには、圧縮側を剛性を向上させる必要がある。そのために、従来の車両の骨格部材では、圧縮側面や縦壁部に多くの補強部材を配置させている。その結果、質量及びコストの増加を招いている。

そこで、本発明は、高強度かつ軽量を実現できる構造部材の補強部材を提供することを課題とする。

本発明に係る構造部材の補強部材は、車両の構造部材の内部に設けられる補強部材であって、曲げの圧縮側に設けられる圧縮側面と、圧縮側面から曲げの引張側の方向に延びた壁部を有し、圧縮側面は、壁部よりも材料強度が大きい又は／及び板厚が厚いことを特徴とする。

この構造部材の補強部材は、荷重入力によって曲げを受けた場合の圧縮側（縮み側）に設けられる圧縮側面とその圧縮側面から引張側（引っ張り側）の方向に延びた壁部を有している。そして、この補強部材では、その圧縮側面の材料強度を壁部よりも大きく又は／及び圧縮側面の板厚を壁部よりも厚くすることにより、曲げを受けた場合の圧縮側と引張側との中立軸を圧縮側に近づけることができる（中立軸が圧縮側面の位置に配置されることも含む）。中立軸を圧縮側に近づけるほど、壁部における圧縮応力が作用する領域が小さくなるので、圧縮応力による弾性座屈の発生を抑制あるいは防止することができる。その結果、圧縮側において材料固有の強度限界まで荷重に耐えることができ、材料固有の強度を使い切ることができる。さらに、引張側でも圧縮側の耐力向上に伴って分担する荷重が増加するので、構造部材全体が材料強度限界まで応力が上昇し、構造部材全体として材料強度を効率良く使うことができる。また、壁部の材料強度を小さくしたり、板厚を薄くできるので、質量及びコストを低減できる。このように、この構造部材の補強部材は、壁部よりも圧縮側面の材料強度を大きく又は／及び板厚を厚くすることによって、曲げの中立軸を圧縮側に近づけることができ、高強度かつ軽量な構造部材とすることができる。

本発明の上記構造部材は、車両のピラーであると好適である。

本発明は、壁部よりも圧縮側面の材料強度を大きく又は／及び板厚を厚くすることによって、曲げの中立軸を圧縮側に近づけることができ、高強度かつ軽量な構造部材とすることができる。

第１の実施の形態に係るＢピラーの斜視図である。図１のＢピラーの断面図及び曲げの圧縮側と引張側で発生するモーメント（応力）を示す図である。第２の実施の形態に係るＢピラーの斜視図である。図３のＢピラーの断面図及び曲げの圧縮側と引張側で発生するモーメント（応力）を示す図である。従来のＢピラーの斜視図である。図５のＢピラーの断面図及び曲げの圧縮側と引張側で発生するモーメント（応力）を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る構造部材の補強部材の実施の形態を説明する。

本実施の形態では、本発明を、前部ドアと後部ドアとの間に配置され、ルーフを支えるとともに車体剛性を高めるための車両の骨格部材であるＢピラーの断面構造に適用する。本実施の形態に係るＢピラーは、ピラーアウタとピラーインナによって閉断面を形成し、その閉断面における曲げの圧縮側面（アウタ側の側面）を高強度かつ高板厚とする。本実施の形態には、２つの形態があり、第１の実施の形態では補強部材によって高強度かつ高板厚とする形態であり、第２の実施の形態がピラーアウタによって高強度かつ高板厚とする形態である。

図１及び図２を参照して、第１の実施の形態に係るＢピラー１の断面構造を説明する。図１は、第１の実施の形態に係るＢピラーの斜視図である。図２は、図１のＢピラーの断面図及び曲げの圧縮側と引張側で発生するモーメント（応力）を示す図である。

Ｂピラー１は、高強度と軽量の両立を図るために、曲げの中立軸を圧縮側面近傍に配置（圧縮側面の位置に配置することも含む）させるために補強部材を高強度かつ高板厚の材料で構成する。そのために、Ｂピラー１は、ピラーアウタ１０、ピラーインナ１１、アウタリーンフォースメント１２及びヒンジリーンフォースメント１３を備えている。

ピラーアウタ１０は、車両の外側に配置される。ピラーアウタ１０は、Ｂピラー１の外側面となるアウタ面１０ａ、アウタ面１０ａの両側端に繋がる縦面１０ｂ、１０ｂ及び縦面１０ｂ，１０ｂの側端に繋がるフランジ１０ｃ，１０ｃからなるフランジ部を有する略凹形状（断面視）である。ピラーアウタ１０は、例えば、ＳＰＣ２７０で板厚が０．７５ｍｍの材料で成形される。

ピラーインナ１１は、車両の内側に配置される。ピラーインナ１１は、Ｂピラー１の内側面となるインナ面１１ａ、インナ面１１ａの両側端に繋がる縦面１１ｂ、１１ｂ及び縦面１１ｂ，１１ｂの側端に繋がるフランジ１１ｃ，１１ｃからなるフランジを有する略凹形状（断面視）である。ピラーインナ１１は、例えば、ＳＰＣ５９０で板厚が１．６ｍｍの材料で成形される。ピラーアウタ１０とピラーインナ１１とによって、閉断面構造となり、Ｂピラー１の外形状が形成される。

アウタリーンフォースメント１２は、Ｂピラー１のアウタ側の補強部材の１つである。アウタリーンフォースメント１２は、ピラーアウタ１０の内側に配置される。アウタリーンフォースメント１２は、ピラーアウタ１０のアウタ面１０ａに接合するアウタ面１２ａ、アウタ面１２ａの両側端に繋がる縦面１２ｂ，１２ｂ及び縦面１２ｂ，１２ｂの側端に繋がるフランジ１２ｃ，１２ｃからなるフランジ部を有する略凹形状（断面視）である。アウタリーンフォースメント１２は、例えば、ＳＰＣ９８０で板厚が１．６ｍｍの材料で成形される。

ヒンジリーンフォースメント１３は、Ｂピラー１のアウタ側の補強部材の１つである。ヒンジリーンフォースメント１３は、アウタリーンフォースメント１２の内側に配置される。ヒンジリーンフォースメント１３は、アウタリーンフォースメント１２のアウタ面１２ａに接合するアウタ面１３ａ及びアウタ面１３ａの両側端に繋がる縦面１３ｂ，１３ｂからなる平面に近い略凹形状（断面視）である。この縦面１３ｂｂ，１３ｂは、非常に短く、面剛性を保つ最小長さ（板厚の２倍以下）である。ヒンジリーンフォースメント１３は、例えば、ＨｏｔＳｔａｍｐで板厚３．２ｍｍの材料で成形される。

アウタリーンフォースメント１２及びヒンジリーンフォースメント１３は、曲げの圧縮側に配置される補強部材であり、ピラーインナ１１より高強度かつ高板厚の材料で形成されている。特に、ヒンジリーンフォースメント１３は、アウタリーンフォースメント１２よりも高強度かつ高板厚であり、例えば、１５００Ｍｐａ以上の材料強度（降伏強度）で現実的な板厚（３．２ｍｍ以下）の上限厚さ程度の板厚を有するハイテン材である。ちなみに、引張応力場となるピラーインナ１１やピラーアウタ１０の縦面１０ｂ，１０ｂについては、例えば、３００Ｍｐａ以下の材料強度とする。

Ｂピラー１を組み立てる場合、ピラーアウタ１０のアウタ面１０ａにアウタリーンフォースメント１２のアウタ面１２ａが重ね合わされ、ピラーアウタ１０の各フランジ１０ｃ，１０ｃにアウタリーンフォースメント１２の各フランジ１２ｃ，１２ｃが重ね合わされ、さらに、アウタリーンフォースメント１２のアウタ面１２ａにヒンジリーンフォースメント１３のアウタ面１３ａが重ね合わされる。そして、アウタ面１０ａとアウタ面１２ａとアウタ面１３ａとが溶接等で接合される。さらに、ピラーアウタ１０の各フランジ１０ｃ，１０ｃにピラーインナ１１の各フランジ１１ｃ，１１ｃが重ね合わされ、各フランジ１０ｃ，１０ｃと各フランジ１１ｃ，１１ｃとが溶接等で接合される。

なお、第１の実施の形態では、アウタリーンフォースメント１２のアウタ面１２ａ及びヒンジリーンフォースメント１３のアウタ面１３ａが特許請求の範囲に記載する圧縮側面に相当し、アウタリーンフォースメント１２の縦面１２ｂ及びヒンジリーンフォースメント１３の縦面１３ｂが特許請求の範囲に記載する壁部に相当する。

このように構成されたＢピラー１の断面構造では、側面衝突等によって荷重を受けた場合に曲げの圧縮側（縮み側）となるピラーアウタ１０のアウタ面１０ａ、アウタリーンフォースメント１２のアウタ面１２ａ及びヒンジリーンフォースメント１３のアウタ面１３ａ（特に、ヒンジリーンフォースメント１３のアウタ面１３ａ）の強度と板厚が、曲げの引張側（伸び側）となるピラーインナ１１のインナ面１１ａに比べて非常に大きい。そのため、圧縮側面の剛性が、引張側面より非常に大きくなる。

図２は、横軸が強度、縦軸が中立軸Ａからの距離（ｈ）であり、圧縮側のモーメントＣＭ（圧縮応力）と引張側のモーメントＰＭ（引張応力）を示している。中立軸Ａは圧縮側のモーメントＣＭ（圧縮応力）と引張側のモーメントＰＭ（引張応力）とが釣り合う（つまり、図２のモーメントＣＭを示す面積とモーメントＰＭを示す面積とが等しくなる）位置に存在し、また、圧縮側の強度（剛性）は引張側に比べて非常に大きい。そのため、中立軸Ａから圧縮側面までの距離が非常に短くなり、曲げの中立軸Ａがヒンジリーンフォースメント１３のアウタ面１３ａ辺りに位置するようになる（あるいは、アウタ面１３ａに重なる位置になる）。この中立軸Ａから圧縮側面までの距離は、圧縮側面（特に、ヒンジリーンフォースメント１３のアウタ面１３ａ）の材料強度を大きくするほどあるいは板厚を厚くするほど、短くできる。

この中立軸Ａの位置（中立軸Ａからピラーインナ１１のインナ面１１ａまでの距離）をｈ_ｃとした場合、位置ｈ_ｃは式（１）の関係を満たす位置となる。

式（１）において、ＨはＢピラー１の全高（ピラーアウタ１０のアウタ面１０ａからピラーインナ１１のインナ面１１ａまでの距離）であり、ｈは中立軸Ａからの距離（変数）であり、σは材料強度であり、ｄＡは微小面積（＝板厚×微小高さ）である。圧縮側面（特に、ヒンジリーンフォースメント１３のアウタ面１３ａ）の材料強度が大きくかつ板厚が厚いので、式（１）の関係を満たす中立軸Ａの位置ｈ_ｃは圧縮側面近傍（ヒンジリーンフォースメント１３のアウタ面１３ａとほぼ同じ位置）になる。

このように中立軸Ａが圧縮側面近傍に位置することにより、Ｂピラー１の圧縮側面（アウタ面１０ａ、アウタ面１２ａ、アウタ面１３ａ）及び縦壁部（縦面１０ｂ，１０ｂ、縦面１１ｂ，１１ｂ）の極めて小さい領域が圧縮応力場となり、Ｂピラー１の引張側面（インナ面１１ａ）及び縦壁部のほぼ全域が引張応力場となる。したがって、Ｂピラー１が荷重入力によって曲げを受けた場合、Ｂピラー１の縦壁部には、圧縮部分が殆どなくなる。そのため、縦壁部には、圧縮応力による弾性座屈が発生しないあるいは発生を極力抑制することができる。その結果、材料固有の強度限界まで負荷に耐えることができる。また、縦壁部に殆ど圧縮応力場でなくなるので、この部分については補強部材が不要となる。そのため、ヒンジリーンフォースメント１３の縦面１３ｂ，１３ｂを非常に短くでき、従来のＢピラー１００に備えられるリーンフォースメント１０５も必要ない（図５参照）。したがって、これらの補強部材についての質量を削減でき、その分コストも低減できる。

また、Ｂピラー１の圧縮側面（特に、ヒンジリーンフォースメント１３のアウタ面１３ａ）自体を高強度かつ高板厚とすることにより、圧縮側面の剛性が向上し、弾性座屈限界が上昇して塑性座屈強度を上回る。そのため、Ｂピラー１が荷重入力によって曲げを受けた場合、圧縮側面は、局部的な弾性座屈でなく、面全体が塑性座屈する。その結果、材料固有の強度を１００％使い切りことができ、座屈強度も高くなる。

ちなみに、図５に示す従来のＢピラー１００の場合、曲げの圧縮側面の強度と板厚が、引張側面に比べてそれほど大きくない。そのため、図６に示すように、曲げの中立軸Ａから圧縮側面までの距離が短くならず、中立軸ＡがＢピラー１００の断面の中央辺りに位置する。したがって、Ｂピラー１００の縦壁部の半分程度が圧縮応力場となる。その結果、Ｂピラー１００が荷重入力によって曲げを受けた場合、圧縮側面に局部的な弾性座屈が発生する虞がある。さらに、このような構成では引張側での分担荷重が少なくなるので、引張側で材料固有の強度を使い切ることができない。その結果、Ｂピラー１００の断面全域において材料強度上限まで応力が大きくならず、効率が悪い構造となっている。

このＢピラー１の断面構造によれば、圧縮側面（特に、ヒンジリーンフォースメント１３のアウタ面１３ａ）を高強度かつ高板厚とすることによって曲げの中立軸Ａを圧縮側面近傍に配置させることにより、高強度かつ軽量（低コスト）の断面構造を実現できる。特に、Ｂピラー１の断面構造では、圧縮側面自体を高強度かつ高板厚とすることにより、圧縮側面の座屈強度を大きくでき、弾性座屈の発生を防止することができる。さらに、Ｂピラー１の断面構造では、断面の全域において材料固有の強度限界まで応力を発生させることができるので、非常に効率が良い構造である。

図３及び図４を参照して、第２の実施の形態に係るＢピラー２の断面構造を説明する。図３は、第２の実施の形態に係るＢピラーの斜視図である。図４は、図３のＢピラーの断面図及び曲げの圧縮側と引張側で発生するモーメント（応力）を示す図である。

Ｂピラー２は、高強度と軽量の両立を図るために、曲げの中立軸を圧縮側面近傍に配置させるためにピラーアウタのアウタ面を高強度かつ高板厚の材料で構成する。そのために、Ｂピラー２は、ピラーアウタ２０及びピラーインナ２１を備えている。なお、ピラーインナ２１は、第１の実施の形態に係るピラーインナ１１と同様のピラーインナであるので、その説明を省略する。

ピラーアウタ２０は、第１の実施の形態に係るピラーアウタ２０と同様に、車両の外側に配置され、アウタ面２０ａ、縦面２０ｂ，２０ｂ及びフランジ２０ｃ，２０ｃからなるフランジ部を有する略凹形状（断面視）である。ピラーアウタ２０におけるアウタ面２０ａ以外の縦面２０ｂ，２０ｂ及びフランジ２０ｃ，２０ｃについては、第１の実施の形態に係るピラーアウタ１０と同様の強度と板厚の材料である。

ピラーアウタ２０のアウタ面２０ａは、曲げを受ける断面の圧縮側における補強部分となるので、ピラーインナ２１より高強度かつ高板厚の材料である。アウタ面２０ａは、例えば、１５００Ｍｐａ以上の材料強度で現実的な板厚の上限厚さ程度の板厚を有する。ちなみに、引張応力場となるピラーインナ２１やピラーアウタ２０の縦面２０ｂ，２０ｂについては、例えば、３００Ｍｐａ以下の材料強度とする。このように、ピラーアウタ２０は、部分的に材料強度や板厚が異なるので、例えば、テーラードブランク[Tailor Welded Blank]（レーザ連続溶接）等によって成形される。

Ｂピラー２を組み立てる場合、ピラーアウタ２０の各フランジ２０ｃ，２０ｃにピラーインナ２１の各フランジ２１ｃ，２１ｃが重ね合わされ、各フランジ２０ｃ，２０ｃと各フランジ２１ｃ，２１ｃとが溶接等で接合される。

なお、第２の実施の形態では、ピラーアウタ２０のアウタ面２０ａが特許請求の範囲に記載する圧縮側面に相当し、ピラーアウタ２０の縦面２０ｂが特許請求の範囲に記載する壁部に相当する。

このように構成されたＢピラー２の断面構造では、側面衝突等によって荷重を受けた場合に曲げの圧縮側となるピラーアウタ２０のアウタ面２０ａの強度と板厚が、曲げの引張側となるピラーインナ２１のインナ面２１ａに比べて非常に大きい。そのため、圧縮側の剛性が、引張側より非常に大きくなる。したがって、第１の実施の形態に係るＢピラー１と同様に、曲げの中立軸Ａから圧縮側面までの距離が非常に短くなり、中立軸Ａがピラーアウタ２０のアウタ面２０ａ辺りに位置するようになる（あるいは、アウタ面２０ａに重なる位置になる）。この中立軸Ａから圧縮側面までの距離は、圧縮側面（アウタ面２０ａ）の材料強度を大きくするほどあるいは板厚を厚くするほど、短くできる。

このＢピラー２の断面構造でも、中立軸Ａが圧縮側面近傍に位置しかつ圧縮側面自体が高強度かつ高板厚なので、第１の実施の形態に係るＢピラー１と同様の作用を有する。

このＢピラー２の断面構造によれば、第１の実施の形態に係るＢピラー１の断面構造と同様の効果を有する上に、以下の効果も有している。Ｂピラー２の断面構造では、ピラーアウタ２０のアウタ面２０ａを高強度かつ高板厚としているので、アウタリーンフォースメントやヒンジリーンフォースメントといった補強部材が不要である。その結果、更に軽量化できるとともに組立工数も削減でき、コストを更に低減できる。

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。

例えば、本実施の形態では車両のＢピラーの断面構造に適用したが、サイドメンバ等の車両の他の骨格部材（構造部材）に適用してもよいし、あるいは、車両以外の構造部材に適用してもよい。

また、本実施の形態では引張側面に比べて圧縮側面の材料強度を大きくしかつ板厚を厚くする構成としたが、圧縮側面の強度を十分確保できるなら、材料強度を大きくするか又は板厚を厚くするだけでもよい。

また、第１の実施の形態ではアウタリーンフォースメントも備える構成としたが、圧縮側面の強度を十分確保できるなら、アウタリーンフォースメントを備えない構成としてもよい。

１，２…Ｂピラー、１０，２０…ピラーアウタ、１０ａ，２０ａ…アウタ面、１０ｂ，２０ｂ…縦面、１０ｃ，２０ｃ…フランジ、１１，２１…ピラーインナ、１１ａ，２１ａ…インナ面、１１ｂ，２１ｂ…縦面、１１ｃ，２１ｃ…フランジ、１２…アウタリーンフォースメント、１２ａ…アウタ面、１２ｂ…縦面、１２ｃ…フランジ、１３…ヒンジリーンフォースメント、１３ａ…アウタ面、１３ｂ…縦面

Claims

車両の構造部材の内部に設けられる補強部材であって、
曲げの圧縮側に設けられる圧縮側面と、
前記圧縮側面から曲げの引張側の方向に延びた壁部
を有し、
前記圧縮側面は、前記壁部よりも材料強度が大きい又は／及び板厚が厚いことを特徴とする構造部材の補強部材。
前記構造部材は、車両のピラーであることを特徴とする請求項１に記載の構造部材の補強部材。