JP2012206575A - 車体骨格部材 - Google Patents

Abstract

【課題】ルーフクラッシュ等の衝突荷重に対して強度が大きくかつエネルギー吸収効果の高い車体骨格部材を提供する。
【解決手段】車体骨格部材の一例であるピラー部材１３は、鋼製のアウタパネル２０とインナパネル３０とを有している。アウタパネル２０は車体の外側に配置され、インナパネル３０は車体の内側に配置される。このピラー部材１３のインナパネル３０の少なくとも縦壁３１，３２を含む領域に、熱処理部４０が形成されている。熱処理部４０はレーザ焼入れによって形成された複数の帯状の焼入れ硬化部を含んでいる。焼入れ硬化部は、ピラー部材１３の長手方向に延びる第１の焼入れ硬化部と、ピラー部材１３の幅方向に延びる第２の焼入れ硬化部とを含んでいる。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車の車体の一部を構成するピラー部材等の車体骨格部材に関する。

自動車の車体の一部は、ルーフ部を支えるセンタピラー等のピラー部材、ルーフサイドレール、ルーフボウなどの車体骨格部材によって構成されている。これらの車体骨格部材は、車体の外側に配置されるアウタパネルと、車体の内側に配置されるインナパネルとを互いに溶接することにより閉断面をなすように組合わされている。例えば車体の側部を構成するピラー部材は、鋼製のアウタパネルおよびインナパネルと、必要に応じて設ける補強部材（リンフォース部材）などによって構成されている。

センタピラー等のピラー部材は、ルーフパネルを支えるだけでなく、自動車の横転を想定した場合にルーフ部に負荷される荷重に対し、ルーフ部の変形を抑制する役目も担っているため、ルーフ部に加わる荷重に対して大きな曲げ強度とエネルギー吸収性能を発揮することが望まれる。すなわちピラー部材は単に車体の側面方向からの荷重に対して強いだけでなく、ピラー部材の長手方向に加わる圧縮の荷重に対して座屈しにくいことも重要である。

車体骨格部材の曲げ強度を高める手段として、例えば下記特許文献１に記載されているように、高周波焼入れ装置によって車体骨格部材の一部に焼入れを行なうことが提案されている。また特許文献２のように、レーザ焼入れ装置によってピラー部材の稜線部（コーナー部）に焼入れを行なうことにより、ピラー部材の曲げ強度を高めることも提案されている。

特開２００３−４８５６７号公報 特開平１０−２５８７６８号公報

ピラー部材等の車体骨格部材にリンフォース部材を設けたり、板厚を大きくしたりするなどの補強構造を講じれば、それなりに強度は大きくなる。しかし自動車の使用環境や用途等によっては、これらの補強構造に代わる手段によって要求強度を満たすことができる場合もある。このため自動車の使用環境や用途等にかかわらず全てに共通の補強構造を採用することは、自動車にとって必ずしも最適とは限らない場合もあり、必要以上の重量増加とコストアップの原因になることもありえる。

従来より、アウタパネルとインナパネルとを有する車体骨格部材において、車体の側方から入力する側突荷重に対しては、アウタパネルの曲げ強度を高めることが有効であると考えられてきたのが通例である。しかしながら本発明者達が鋭意研究した結果、特に横転を想定したルーフクラッシュ試験等のようにルーフ部からピラー部材に入力する荷重に関しては、アウタパネルに比べて、インナパネルの強度により依存する場合があるという知見が得られた。

従って本発明の目的は、ピラー部材等の車体骨格部材の強度を高める上で効果の高い熱処理部を設けることにより、ルーフクラッシュ等の荷重入力に対して望ましい強度を発揮する車体骨格部材を提供することにある。

本発明の車体骨格部材は、車体の外側に配置されるアウタパネルと車体の内側に配置されるインナパネルとを有し閉断面を形成する車体骨格部材であって、前記インナパネルは、該インナパネルの長手方向に沿う縦壁を有し、少なくとも前記縦壁に帯状の焼入れ硬化部からなる熱処理部が形成されているものである。

前記車体骨格部材の一例は車体のルーフ部を支持するピラー部材であり、該ピラー部は車体の上下方向に延びかつ上下方向中間部が車体外側に凸の湾曲した形状をなしている。また、前記熱処理部が前記ピラー部材の長手方向に延びる複数の第１の焼入れ硬化部と、前記長手方向と交差する方向に延びる複数の第２の焼入れ硬化部とを有していてもよい。

前記熱処理部がピラー部材の長手方向に対し斜め方向に延びる焼入れ硬化部を有していてもよい。また、前記熱処理部が前記ピラー部材の上端から上下方向中間部にわたる領域に設けられていてもよいし、アウタパネルとインナパネルのうちインナパネルのみに前記熱処理部が設けられていてもよい。

本発明の車体骨格部材によれば、インナパネルに設けた熱処理部によって、特にルーフクラッシュのようにルーフ部から入力する荷重に対して大きな強度を有することができ、座屈しにくく、かつ衝突エネルギーを効果的に吸収することができる。

自動車の車体の一部を示す斜視図。 本発明の１つの実施形態に係るピラー部材の側面図。 図２中のＦ３−Ｆ３線に沿うピラー部材の断面とレーザ焼入れ装置を模式的に示す図。 図３に示されたレーザ焼入れ装置によって形成された熱処理部の焼入れパターンの一例を模式的に示す図。 熱処理部の位置が互いに異なるピラー部材を模した簡易断面材の荷重と変位との関係を示す図。 ルーフ部に荷重を負荷する装置の一部と車体の正面図。 （Ａ）〜（Ｄ）は、互いに異なるピラー部材の焼入れパターンをそれぞれ模式的に示す図。 図７に示された焼入れパターンを有するピラー部材を模した簡易断面材の荷重と変位との関係を示す図。

以下に本発明の一実施形態に係る車体骨格部材について、図１から図６を参照して説明する。
図１は自動車の車体１０の一部を示している。この車体１０は、ルーフパネル１１と、ルーフサイドレール１２と、車体骨格部材の一例であるピラー部材１３と、サイドシル１４と、サイドメンバ１５と、フロアパネル１６などを含んでいる。図２は、ピラー部材１３を車体内側から見た側面図、図３はピラー部材１３の幅方向に沿う断面図の一例である。図１に示すルーフパネル１１とルーフサイドレール１２は、車体１０のルーフ部１７を構成している。

ピラー部材１３は車体１０のセンタピラーを構成し、ルーフサイドレール１２とサイドシル１４との間において上下方向に延びている。このピラー部材１３は、車体１０の横転を想定して以下に説明する補強手段により、いわゆるルーフクラッシュに対する強度を高めている。

図３に示すようにピラー部材１３は、前記車体１０の外側に配置されるアウタパネル２０と、車体１０の内側に配置されるインナパネル３０とを含んでいる。アウタパネル２０とインナパネル３０は、それぞれレーザビームによって焼入れ可能な炭素鋼からなる。アウタパネル２０は、車体１０の前後方向に関して前側に臨む縦壁２１と、後側に臨む縦壁２２と、車体１０の外側に配置される外側壁２３と、フランジ部２４，２５などを有し、ハット形断面をなしている。

インナパネル３０は、車体１０の前後方向に関して前側に臨む縦壁３１と、後側に臨む縦壁３２と、車体１０の内側に配置される内側壁３３と、フランジ部３４，３５と、インナパネル３０の長手方向（上下方向）に沿うコーナー部分である稜線部３６，３７などを有し、ハット形断面をなしている。

このピラー部材１３は、アウタパネル２０のフランジ部２４，２５とインナパネル３０のフランジ部３４，３５とを例えばスポット溶接によって互いに結合することにより、図３に示すような閉断面をなしている。ただしこの閉断面の形状は、ピラー部材１３の長手方向（上下方向）に沿って変化するため、図３に示す形状に限らないことは言うまでもない。

ルーフクラッシュに対するピラー部材１３の強度を高めるために、インナパネル３０の長手方向の少なくとも一部、例えばインナパネル３０の上端側のルーフサイドレール１２との結合部からピラー部材１３の下半部（上下方向中間部）にわたる領域Ｓ１（図２にハッチングで示す）に、熱処理部４０が設けられている。この領域Ｓ１はルーフクラッシュに対してピラー部材１３の強度を高める上で効果的な部位である。

熱処理部４０は、図３に模式的に示すレーザ焼入れ装置５０によって、少なくともインナパネル３０の縦壁３１，３２の一方に複数本の帯状の焼入れ硬化部（焼入れ硬化組織）４１を形成することにより、前記領域Ｓ１の全長にわたって設けられている。なおこの熱処理部４０は、縦壁３１，３２以外に稜線部３６，３７や内側壁３３にわたって形成されていてもよく、要するに縦壁３１，３２を含む領域に形成されていればよい。

図４は、熱処理部４０の焼入れ硬化部４１の焼入れパターンの一例を模式的に示している。説明の便宜のために図４では焼入れ硬化部４１を実線で描いている。焼入れ硬化部４１の一例は、ピラー部材１３の構成要素であるインナパネル３０の長手方向に延びる複数の第１の焼入れ硬化部４１ａと、これら第１の焼入れ硬化部４１ａと交差する方向に延びる複数の第２の焼入れ硬化部４１ｂとからなるクロスハッチ状の焼入れパターンとなっている。第１の焼入れ硬化部４１ａの間隔Ｐ１と第２の焼入れ硬化部４１ｂの間隔Ｐ２は互いに等しくてもよいし、異なっていてもよい。

レーザ焼入れ装置５０は、レーザヘッド５１と、レーザ発振器５２と、レーザ発振器５２が出力したレーザビームをレーザヘッド５１に導くガイド部材５３と、レーザ制御部５４などを備えている。レーザヘッド５１は例えば溶接作業用のロボットアームなどに設けられている。車体１０（図１および図６に示す）は、図示しない保持手段によって所定位置に保持されている。

このレーザ焼入れ装置５０は、ピラー部材１３の熱処理部４０の焼入れを行なう際に、熱処理部４０に向けてレーザビーム６０を照射するとともに、熱処理部４０の範囲内でレーザビーム６０を高速スキャンする機能を有している。レーザ制御部５４は、レーザビーム６０を照射した箇所が焼入れ可能な温度となるように、レーザ発振器５２を制御する機能を有している。

レーザ焼入れ装置５０によってピラー部材１３の熱処理部４０（例えば図２に示す領域Ｓ１）に向けてレーザビーム６０を照射しつつ高速でスキャンすることにより、レーザビーム６０が照射された箇所を焼入温度（例えばγ鉄が生じるオーステナイト化温度）まで急速加熱する。縦壁３１，３２や内側壁３３に対するレーザビームの直線的な移動（スキャン）は、ロボットアームを移動させずともレーザヘッド５１に設けられた光学系によって高速で能率良く行なうことができる。

レーザビーム６０によって局部的に急速加熱された箇所の熱が周囲の低温部によって急速に奪われることにより、焼入れ組織（例えばマルテンサイト）が生じる温度勾配で急冷される。このようにして、帯状の焼入れ硬化部４１の集まりからなる熱処理部４０が形成される。

図５は、熱処理部４０の位置が互いに異なる複数種類のピラー部材を模した簡易断面材について、３点曲げ試験を行なった場合の荷重と変位との関係（荷重−変位特性）を示している。３点曲げ試験は、ピラー部材の両端を支持した状態で長手方向中央部に曲げの荷重を負荷し、荷重と変位の大きさを測定した。図５の横軸が変位（ストローク）、縦軸が荷重である。

図５中の線分５Ａは縦壁３１，３２に熱処理部４０を設けたピラー部材、線分５Ｂは稜線部３６，３７に熱処理部４０を設けたピラー部材、線分５Ｃは内側壁３３に熱処理部４０を設けたピラー部材、線分５Ｄは熱処理部４０を設けない母材のままのピラー部材の特性を示している。

図５に線分５Ａで示されるように、縦壁３１，３２に熱処理部４０を設けたピラー部材の強度が最も大きい。衝撃吸収エネルギー（変位と荷重の積分値）に関しても、線分５Ａで示されるピラー部材のエネルギー吸収量が最も大きかった。つまり焼入れ硬化部４１の単位長さ（レーザ焼入れ長さ）当りのエネルギー吸収量に関して、線分５Ａで示されるピラー部材は熱処理部を設けない母材のままのピラー部材と比較してエネルギー吸収量の上昇率が最も大きい。これによりルーフクラッシュに対して有効であると考えられる。

従来より、車体１０の側方からピラー部材１３に入力する衝突荷重に対してアウタパネル２０の強度を高めることが有効であることは知られていた。しかし本発明者達が鋭意研究したところによれば、ルーフクラッシュを想定してルーフ部１７からピラー部材１３に入力する荷重に関しては、アウタパネル２０ではなくインナパネル３０を熱処理部４０によって強化することがきわめて効果的な場合があることが判った。

図６は、ルーフクラッシュを想定した場合に荷重装置７０によってルーフ部１７に負荷される荷重Ｗを示している。ピラー部材１３は、車体１０の前後方向から見て上下方向中間部が車体１０の外側に凸となるような湾曲した形状をなしている。このためルーフ部１７に荷重Ｗが加わると、ピラー部材１３の両端が互いに近付く方向の圧縮の荷重がピラー部材１３に入力し、その結果、ピラー部材１３の長手方向中間部が２点鎖線Ｚで示すように外側にさらに凸に突き出るように曲がる傾向がある。

このような荷重Ｗによってピラー部材１３が変形すると、ピラー部材１３を構成しているアウタパネル２０に引張りの応力が作用し、インナパネル３０に圧縮の応力が作用する傾向がある。本実施形態のピラー部材１３は、焼入れ硬化部４１からなる熱処理部４０がインナパネル３０に形成されているため、ピラー部材１３の曲げ内側に生じる圧縮の力に対して焼入れ硬化部４１が対抗することにより、座屈を生じにくくすることができるものである。

図７の（Ａ）から（Ｄ）は、それぞれ熱処理部４０の焼入れパターンの互いに異なる例を示している。（Ａ）の熱処理部４０は、ピラー部材１３の長手方向に延びる第１の焼入れ硬化部４１ａと、幅方向に延びる第２の焼入れ硬化部４１ｂとを有している。（Ｂ）の熱処理部４０は、ピラー部材１３の長手方向に延びる焼入れ硬化部４１ａのみを有している。（Ｃ）の熱処理部４０はピラー部材１３の幅方向に延びる焼入れ硬化部４１ｂのみを有している。（Ｄ）の熱処理部４０は、ピラー部材１３の長手方向に対して斜め方向に延びる焼入れ硬化部４１ｃを有している。

図８は図７に示された焼入れパターンを有する各ピラー部材を模した簡易断面材の荷重と変位との関係を示している。図８中の線分８Ａは、図７（Ａ）の熱処理部を有するピラー部材の荷重−変位特性である。線分８Ｂは、図７（Ｂ）の熱処理部を有するピラー部材の荷重−変位特性である。線分８Ｃは、図７（Ｃ）の熱処理部を有するピラー部材の荷重−変位特性である。線分８Ｄは、図７（Ｄ）の熱処理部を有するピラー部材の荷重−変位特性である。線分８Ｅは、熱処理部を有しない母材のままのピラー部材の荷重−変位特性である。

図８からわかるように、図７（Ａ）の焼入れパターンを有するピラー部材のエネルギー吸収量が最も高くなっている。図７（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）の焼入れパターンを有するピラー部材も、熱処理部を有しないピラー部材（図８中の線分８Ｅ）と比較すると、エネルギー吸収量が高くなっている。すなわちルーフクラッシュを想定した場合に入力する荷重に対しては、焼入れパターンにかかわらず、インナパネル３０に熱処理部４０を設けることが有効であった。特に、インナパネル３０の縦壁３１，３２を含む領域に、長手方向の焼入れ硬化部４１ａと幅方向の焼入れ硬化部４１ｂとを有するクロスハッチ状の焼入れパターンを形成すると高い効果が得られるものである。

なお、図面には示していないが、例えばレーザビーム等を用いて比較的幅の広い焼入れ硬化部を互いに平行に形成するとともに、これら硬化部どうしを互いに十分接近させることにより、面状もしくは帯状に広がる熱処理部を形成してもよい。

前記熱処理部４０はアウタパネル２０とインナパネル３０の双方に形成してもよいが、ルーフクラッシュに関してはインナパネル３０のみに熱処理部４０を設けることにより、所望の効果が得られるとともに、焼入れに消費されるエネルギーを少なくすることができる。またインナパネル３０の縦壁３１，３２のうち、一方の縦壁を含む領域のみに熱処理部４０が形成されてもよい。また焼入れ硬化部４１は、レーザ焼入れ装置以外の焼入れ手段（例えば高周波焼入れやシーム溶接機を用いた焼入れ等）によって形成してもよい。

本発明は、ピラー部材以外の車体骨格部材、例えばルーフサイドレールやルーフボウなど、車体外側に凸の湾曲した形状をなしていて長手方向に圧縮の荷重が加わる可能性のある車体骨格部材等に適している。しかし実質的に真っ直ぐな形状の車体骨格部材に適用することもできる。また焼入れ硬化部４１のパターンや長さ、幅、配置等の具体的な態様を種々に変更して実施できることは言うまでもない。

１０…車体、１３…ピラー部材（車体骨格部材）、２０…アウタパネル、３０…インナパネル、３１，３２…縦壁、４０…熱処理部、４１…焼入れ硬化部、４１ａ…第１の焼入れ硬化部、４１ｂ…第２の焼入れ硬化部、４１ｃ…斜状の焼入れ硬化部。

Claims (6)

1. 車体の外側に配置されるアウタパネルと前記車体の内側に配置されるインナパネルとを有し閉断面を形成する車体骨格部材であって、
   前記インナパネルは、該インナパネルの長手方向に沿う縦壁を有し、
   少なくとも前記縦壁に帯状の焼入れ硬化部からなる熱処理部が形成されたことを特徴とする車体骨格部材。
2. 前記車体骨格部材は、前記車体のルーフ部を支持するピラー部材であり、該ピラー部は車体の上下方向に延びかつ上下方向中間部が車体外側に凸の湾曲した形状であることを特徴とする請求項１に記載の車体骨格部材。
3. 前記熱処理部が前記ピラー部材の長手方向に延びる複数の第１の焼入れ硬化部と、前記長手方向と交差する方向に延びる複数の第２の焼入れ硬化部とを有したことを特徴とする請求項２に記載の車体骨格部材。
4. 前記熱処理部が前記ピラー部材の長手方向に対し斜め方向に延びる焼入れ硬化部を有したことを特徴とする請求項２に記載の車体骨格部材。
5. 前記熱処理部が前記ピラー部材の上端から上下方向中間部にわたる領域に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の車体骨格部材。
6. 前記アウタパネルと前記インナパネルのうちインナパネルのみに前記熱処理部が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の車体骨格部材。

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