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JP5382271B1 - 継手構造 - Google Patents

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Abstract

本発明は、強度に加えて剛性を向上させることが可能な継手構造を提供することを解決すべき課題としている。
本発明の継手構造は、金属板のプレス成形部品であるハット断面部材(27)の長手方向の端部と他部材(サイドシル(14))との継手構造であって、前記ハット断面部材(27)の長手方向の端部が底壁端部(27a)と側壁端部2ヶ所(27b、27c)との3つに不連続に分かれている。前記底壁端部(27a)の幅(w1)は前記ハット断面部材(27)中央部の底壁の幅(W)より広くされて前記他部材(14)と溶接されている。前記側壁端部2ヶ所(27b、27c)は曲げ成形されて前記他部材(14)に溶接されている。

Description

本発明は、金属板のプレス曲げ加工部品の継手構造にかかり、特に、長手方向端部が骨格部品の3つの壁面に沿って不連続に分割され、骨格部品の接合に用いるのに好適な、金属板の曲げ加工部品からなる継手構造に関する。
自動車等の車両のフロア構造は、図13に示すように、パネル部品10と、パネル部品10を補強するために配置された、ハット型の断面形状を有する骨格部品と、を備えている(非特許文献1参照)。骨格部品には、部品長手方向が車両前後方向に沿うように配置されるものと、部品長手方向が車両左右方向に沿うように配置されるものと、がある。部品長手方向が車両前後方向に沿うように配置される骨格部品としては、車両の左右側部位置に配置されるサイドシル14とフロントサイドメンバから延長されるエクステンションメンバとがある。部品長手方向が車両左右方向に沿うように配置される骨格部品としては、サイドシル14とセンタートンネル20とを繋ぐクロスメンバ22がある。これらの骨格部品は車両の強度および剛性に対して重要な役割を果たしている。図13において、符号11はフロアパネルを示している。
これら骨格部品のうち、クロスメンバ22の長手方向の両端部にはそれぞれサイドシル14およびセンタートンネル20が接合される。クロスメンバ22は、側面衝突時の荷重伝達経路となるため、高強度鋼板によって形成されている。また、クロスメンバ22の長手方向両端部は、成形し難い高強度鋼板であっても加工できるように、曲げ加工のみで成形できる形状とされている。
従来のクロスメンバ22の長手方向両端部は、特許文献1および非特許文献1に記載されているとおり、3つの壁面の長手方向端部に沿って不連続に3分割され、各分割部分が他の部品に接合される継手構造を有している。
また、特許文献2に記載されているとおり、部品長手方向端部が、プレス成形によって連続的な継手部分を構成し、他の部品に接合される継手構造がある。
この他に、骨格部品の端部が溶接金属によって直接他の部品に接合される継手構造や、骨格部品端部に形成されたボックス構造が他の部品にネジ止めされる継手構造もある。
これらの継手構造において、溶接金属で直接接合される継手構造やネジ止めされる継手構造は、接合時間や継手構造の製作に時間が掛かり、生産能率が低下する。
また、特許文献2に記載されているプレス成形による連続的な継手構造は、プレス成形時に継手部分を広げるため、板厚が減少してプレス成形中に割れが発生したり、継手の剛性が骨格部品本体より低下したりする。
そこで、本発明は、特許文献1および非特許文献1に記載されている、高強度鋼板の適用が可能な曲げ加工のみで成形できる骨格部品の長手方向端部が3つに分割される継手構造であれば、継手部分の板厚を減少させずに割れの発生を抑制し、剛性を高く保持できる可能性があることに着目した。
しかし、図14に示すように、従来のクロスメンバ22のハット型の断面形状を有する部材(以下、ハット断面部材と称する)23の3つの壁面の端部(底壁端部23a、側壁端部23b、23c)はそれぞれ不連続に形成されている。また、底壁端部23aの幅w1は、ハット断面部材23の中央部の底壁の幅Wの範囲内となっている。そして、それらの不連続な端部23a、23b、23cは、サイドシル14のハット断面部材15の側壁又はセンタートンネル20(図13参照)と重ね合わされて接合されている。
図14において、符号16はサイドシル14の平坦部材を示し、符号24はクロスメンバ22の平坦部材を示している。
ところで、高剛性な自動車ボデーを設計するために、ボデーの一部に荷重が加わった場合などにおける構造内部の荷重の伝達経路であるロードパスを分析する手法が検討されている。ハット断面部材の継手部に対しては、非特許文献2に記載されているように、ハット断面部材の稜線が重要なロードパスとなることが知られている。非特許文献2の記載によれば、ロードパスは片方のハット断面部材の稜線から溶接部を通過して他方のハット断面部材の稜線へ達するようになっている。このことから、稜線と溶接部との相対位置がロードパスに影響することが伺える。
特開2010−247795号公報 特開2006−240602号公報
自研センター構造調査シリーズ トヨタ カローラアクシオ,143頁 小林ら、「指標U*による薄板構造の評価」、自動車技術会学術講演会前刷集、No.34−11、p.5−10(2011)
しかしながら、特許文献1および非特許文献1に代表されるように、従来の継手構造では、図14に例示したように、サイドシル14又はセンタートンネル20(図13参照)と接合される部分の幅w1が小さく、継手構造に高強度に加えて更に高剛性を要求することは難しい。
また、非特許文献2の記載から、ロードパスにハット断面部材の稜線と溶接部との相対位置が関与することが伺える。しかしながら、非特許文献2は、効率的なロードパスを実現するためには、稜線と溶接部とをどのように配置すべきかについては何ら開示、示唆していない。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、強度に加えて剛性を向上させることが可能な継手構造を提供することにある。
本発明に係る継手構造は、金属板のプレス成形部品であるハット断面部材の長手方向の端部と他部材との継手構造であって、前記ハット断面部材の長手方向の端部が、底壁端部と側壁端部2ヶ所との3つに不連続に分かれ、前記底壁端部の幅は前記ハット断面部材中央部の底壁の幅より広くされ、前記底壁端部は前記他部材と溶接されており、前記側壁端部2ヶ所は曲げ成形されて前記他部材に溶接されていることを特徴とする。
本発明に係る継手構造は、上記発明において、前記底壁端部は少なくとも前記ハット断面部材中央部における底壁の稜線の延長線上で前記他部材とスポット溶接されていることを特徴とする。
本発明に係る継手構造は、上記発明において、前記側壁端部2ヶ所は前記他部材にスポット溶接されていることを特徴とする。
本発明に係る継手構造は、上記発明において、前記底壁端部は前記ハット断面部材の長手方向の端に向かって広がる形状となっていることを特徴とする。
本発明に係る継手構造によれば、強度に加えて剛性を向上させることができる。
図1Aは、本発明の第1の実施形態のフロア構造の場合における継手構造の一実施例の斜視図である。 図1Bは、本発明の第1の実施形態のフロア構造の場合における継手構造の他の実施例の斜視図である。 図1Cは、本発明の第1の実施形態のフロア構造の場合における継手構造の他の実施例の斜視図である。 図2Aは、一枚の板から図1Aに示すハット断面部材を作製するためのブランク形状を示す平面図である。 図2Bは、一枚の板から図1Bに示すハット断面部材を作製するためのブランク形状を示す平面図である。 図2Cは、一枚の板から図1Cに示すハット断面部材を作製するためのブランク形状を示す平面図である。 図3は、剛性試験方法を示す斜視図である。 図4は、図3に示す剛性試験で得られる負荷荷重入力板の変位と負荷荷重との関係を示す図である。 図5は、剛性試験による従来例の継手試験体の剛性を基準とした発明例の継手試験体の剛性向上率を示す図である。 図6は、本発明の第2の実施形態のフロア構造の場合における継手構造の一実施例の斜視図である。 図7Aは、図6のクロスメンバとサイドシルとの溶接部を詳細に示す平面図である。 図7Bは、図6のクロスメンバとサイドシルとの溶接部を詳細に示す拡大斜視図である。 図8は、一枚の金属板から図6に示すハット断面部材を作製するためのブランク形状を示す平面図である。 図9Aは、発明例11の継手試験体を示す平面図及び正面図である。 図9Bは、発明例12の継手試験体を示す平面図及び正面図である。 図9Cは、発明例13の継手試験体を示す平面図及び正面図である。 図10Aは、一枚の金属板から図9Aに示すハット断面部材を作製するためのブランク形状を示す平面図である。 図10Bは、一枚の金属板から図9Bに示すハット断面部材を作製するためのブランク形状を示す平面図である。 図10Cは、一枚の金属板から図9Cに示すハット断面部材を作製するためのブランク形状を示す平面図である。 図11Aは、比較例14の継手試験体を示す平面図である。 図11Bは、発明例15の継手試験体を示す平面図である。 図11Cは、発明例16の継手試験体を示す平面図である。 図12は、剛性試験による比較例14の継手試験体の剛性を基準とした発明例11乃至13及び発明例15,16の継手試験体の剛性向上率を示す図である。 図13は、自動車のフロア構造の一例を示す斜視図である。 図14は、従来の継手構造の一例を示す斜視図である。
以下、図面を参照して、本発明の第1および第2の実施形態である継手構造について詳細に説明する。
〔第1の実施形態〕
図1A乃至1Cはそれぞれ、本発明の第1の実施形態のフロア構造における継手構造の実施例1乃至3の斜視図である。図1A乃至1Cに示すように、実施例1乃至3の継手構造は、サイドシル14と、クロスメンバ26と、を備えている。サイドシル14は、ハット断面部材15と、平坦部材16と、を備えている。クロスメンバ26は、ハット断面部材27と、平坦部材28とを備えている。ハット断面部材27の長手方向の端部は、3つの部分(底壁端部27a、側壁端部27b、27c)に分かれ、ハット断面部材15の壁面に接合されている。図1A乃至1Cはそれぞれ、3つの部分に分かれるハット断面部材27の長手方向端部の形状が異なる場合を示している。図中の×印はスポット溶接打点位置を示している。
底壁端部27a、側壁端部27b、27cのうち、底壁端部27aはサイドシル14の上面と接合されており、その幅w1はハット断面部材27の中央部の底壁の幅Wより広い。これにより、溶接部の範囲をハット断面部材27の中央部の底壁の幅Wより広くすることができる。
図2A乃至2Cはそれぞれ、一枚の板から図1A乃至1Cに示すハット断面部材27を作製する方法を示す図である。図2A乃至2Cはブランク(素板)形状、図1A乃至1Cは図2A乃至2Cのブランクを曲げ成形して得られたハット断面部材の形状である。図2A乃至2Cに示すように、ハット断面部材27を作製する際は、ハット断面部材27の長手方向の端部のフランジ部が曲げ加工によって3つの部分に分かれるように切欠き27dを入れておく。図2A乃至2Cでは、切欠き27dの形状が異なっている。切欠き27dの形状は長手方向端部に近づくにつれて広がるようにするとよい。これにより、ブランク端部を打ち抜きまたは切断して継手構造を作製する際に、ブランクの切れ端しを除去する必要がなく、ブランク全体を用いて有効に継手を作製できる。このブランクを曲げ成形して図1A乃至1Cに示すハット断面部材27を作製する。
図14に示した従来の継手構造では、ハット断面部材23の長手方向の3つの端部のうちの中央の底壁端部23aは、ハット断面部材23の中央部底壁の幅Wより狭い範囲でしかサイドシル14に接合できなかった。これに対して、図1A乃至1Cに示す本発明の第1の実施形態においては、底壁端部27aの幅w1がハット断面部材27の中央部底壁の幅Wより広くなっている。この結果、溶接部の範囲がハット断面部材27の中央部底壁の幅Wより広くなり、継手の剛性を高めることができる。
ハット断面部材27の長手方向の3つの端部27a、27b、27cのうち、底壁端部27aはハット断面部材27の中央部と同一平面である必要はなく、曲げ加工して他部品に接合してもよい。
〔実施例1〕
本実施例では、板厚1.2mmの引張強度980MPa級の冷延鋼板を用いて図1A乃至1Cに示す継手構造と同じ構成を有する発明例1乃至3の継手試験体を作製した。また、比較対象となる従来例の継手試験体として、図14に示すような、底壁端部23aの幅w1がクロスメンバ22の中央部の底壁の幅Wよりも狭い継手構造を作製した。そして、発明例および従来例の継手試験体に対して剛性試験を行った。
図3に剛性試験方法を示す。この剛性試験では、部品35と部品36とからなるサイドシル相当の部材34の長手方向両端部に固定板37,38を溶接で取り付けて、固定板37,38を固定し、部品47と部品48とからなるクロスメンバ相当の部材46の端部に負荷荷重入力板50を溶接で取り付け、該負荷荷重入力板50にx方向の負荷Fxとy方向の負荷Fyとをそれぞれ与えた。
図4は図3に示す剛性試験で得られる負荷荷重入力板50の変位と荷重との関係を示しており、継手試験体の剛性は荷重を負荷荷重入力板50の変位で割った値とした。同一変位当たりの荷重が大きいほど、剛性が高くなる。
図5に剛性試験による従来例の継手試験体と発明例1乃至3の継手試験体との比較結果を示す。各試験体の剛性は図14に示した従来例の継手試験体の剛性を基準にした発明例1乃至3の継手試験体の剛性向上率(%)で示している。発明例1乃至3の継手試験体は、いずれの負荷方向に対しても剛性向上率がプラスの値であり、従来例の継手試験体より優れた剛性を備えていた。
以上から、発明例1乃至3の継手試験体は従来例の継手試験体に比べて高い剛性を得るのに適した継手構造であることがわかる。
〔第2の実施形態〕
図6は、本発明の第2の実施形態のフロア構造の場合における継手構造の実施例1の斜視図であり、クロスメンバ62とサイドシル64とが接合された構造を示している。
図6に示すように、本実施形態においては、ハット断面部材であるクロスメンバ62の長手方向の端部は、3つの部分(底壁端部62a、側壁端部62b、62c)に分かれ、それぞれがサイドシル64と接合されている。
これら3つの端部のうち底壁端部62aはサイドシル64の上面と接合されており、その幅w1はクロスメンバ62の中央部の底壁の幅Wより広く、又、そこに存在するスポット溶接打点66の位置×は、クロスメンバ62の中央部の底壁の幅Wより広い範囲に至っている。
図7A,7Bはそれぞれ、図6のクロスメンバ62とサイドシル64との溶接部を示す平面図および図7Aの一部拡大斜視図である。図7Aに示すように、クロスメンバ62の稜線62dの延長線Lに最も近いスポット溶接打点68が稜線62dの延長線Lの上に配置されている。このとき、稜線62dの延長線Lの上にスポット溶接打点68が配置されるとは、図7Bに示すクロスメンバ62の曲げR部範囲Xに、少なくともスポット溶接打点68のナゲットの端がかかっていることを指す。
図14に例示した従来の継手構造では、クロスメンバ23の長手方向の3つの端部23a、23b、23cのうちの底壁端部23aがクロスメンバ23の中央部底壁の幅Wより狭い範囲w1でしか接合できなかった。これに対して、本実施形態では、底壁端部62aの幅w1がクロスメンバ62の中央部底壁の幅Wより広い。この結果、溶接部範囲をクロスメンバ62の中央部底壁の幅Wより広くできるため、継手の剛性を高めることができる。
また、1枚の板から作製するクロスメンバ62等のハット断面部材のブランク形状としては、図8に示すように、ハット断面部材の長手方向の端部が3つの部分に分かれるように切欠き62eを入れておくとよい。すなわち、切欠き形状が、ハット断面部材の長手方向の端に向かうにしたがい広がる形状とする。これにより、3つの端部のうちの底壁端部の面積が大きくなるので剛性を高めることができる。
〔実施例2〕
図9A乃至9Cはそれぞれ、発明例11乃至13の継手試験体であり、上記図7A及び図7Bに示すクロスメンバの稜線の延長線上にスポット溶接打点が配置される。各継手試験体は本発明の第2の実施形態に基づく継手構造となっている。継手試験体は、ハット断面試験部品であるクロスメンバに対応する部品71、平坦試験部品である部品72、図6のサイドシル64のハット断面試験部品に対応する部品73、及び、平坦試験部品に対応する部品74の4部品からなり、クロスメンバに対応する部品71の長手方向の端部は、3つの部分71a、71b、71cに分かれて部品73の壁面に接合されている。図9A乃至9Cは、部品71の3つの部分71a、71b、71cに分かれる長手方向の端部の分割形状が異なる場合を示している。図中の×印はスポット溶接打点66の位置を示す。使用した材料は、部品71乃至部品74ともに板厚1.2mmの引張強度980MPa級の冷延鋼板とした。
図10A乃至10Cは、図9A乃至9Cに示した3種類の形状の部品71を作製するときのブランク形状をそれぞれ示しており、ブランク長手方向の端部の3つに分割する切欠き71eの形状が異なっている。
図11Aは比較例14、図11B及び図11Cは本発明のスポット溶接位置を比較する発明例15及び発明例16の継手試験体を示している。図11Aに示す比較例14の継手試験体では、部品71の長手方向の3つの端部のうち底壁端部71aの幅w1が部品71の中央部の底壁の幅W以内となっている。図11Bに示す発明例15の継手試験体及び図11Cに示す発明例16の継手試験体では、底壁端部71aの幅w1が、それぞれ部品71の中央部の底壁の幅Wより広くなっている。図11Bに示す発明例15の継手試験体では、部品71のスポット溶接打点66(直径約5mm)のうち、部品71の稜線71dに最も近いスポット溶接打点68が、部品71の稜線71dの延長上位置(図7Bに示す曲げR部範囲Xの外側端)から左右の外側に10mmずれている。また、図11Cに示す発明例16の継手試験体では、部品71のスポット溶接打点66(直径約5mm)のうち、部品71の稜線71dに最も近いスポット溶接打点68が、部品71の稜線71dの延長線上の位置(図7Bに示す曲げR部範囲Xの内側端)から左右の内側に10mmずれている。
図12に、発明例11乃至13及び発明例15,16の継手試験体と比較例14の継手試験体に対する剛性試験結果を示す。剛性試験は、図3に示した方法と同様の方法で行った。各継手試験体の剛性は、図11Aに示した比較例14の継手試験体の剛性を基準にした剛性向上率(%)で示している。発明例11乃至13及び発明例15,16の継手試験体はいずれも比較例14の継手試験体より優れた剛性を備えており、クロスメンバ稜線の延長線上にスポット溶接打点を配置した発明例11乃至13の継手試験体は著しく優れた剛性を備えていた。
以上から、発明例11乃至13及び発明例15,16の継手試験体は比較例14の継手試験体に比べて高い剛性を得るのに適した継手構造であり、特に発明例11乃至13の継手試験体はより適した継手構造であることがわかる。
前記実施例においては、本発明が自動車のフロア構造におけるサイドシルとクロスメンバとの接合に適用されていたが、本発明の適用対象は、これに限定されず、車両用の他の部材や車両用以外の部材の接合にも適用することができる。
本発明によれば、強度に加えて剛性を向上させた継手構造を提供することができる。
14 サイドシル
15 ハット断面部材
16 平坦部材
26 クロスメンバ
27 ハット断面部材
27a 底壁端部
27b,27c 側壁端部
27d 切欠き
28 平坦部材
34 試験部材
35 ハット断面試験部品
36 平坦試験部品
37,38 固定板
46 試験部材
47 断面試験部品
48 平坦試験部品
50 負荷荷重入力板
62 クロスメンバ
62a 底壁端部
62b、62c 側壁端部
62d 稜線
62e、71e 切欠き
64 サイドシル
66 スポット溶接打点

Claims (4)

  1. 金属板のプレス成形部品であるハット断面部材の長手方向の端部と他部材との継手構造であって、
    前記ハット断面部材の長手方向の端部が、底壁端部と側壁端部2ヶ所との3つに不連続に分かれ、前記底壁端部の幅は前記ハット断面部材の中央部の底壁の幅より広くされ、前記底壁端部は前記他部材と溶接されており、前記側壁端部2ヶ所は曲げ成形されて前記他部材に溶接されていることを特徴とする継手構造。
  2. 前記底壁端部は少なくとも前記ハット断面部材の中央部における底壁の稜線の延長線上で前記他部材とスポット溶接されていることを特徴とする請求項1に記載の継手構造。
  3. 前記側壁端部2ヶ所は前記他部材にスポット溶接されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の継手構造。
  4. 前記底壁端部は前記ハット断面部材の長手方向の端部に向かって広がる形状となっていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のうち、いずれか1項に記載の継手構造。
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