車両フレームの製造方法
【課題】締結部品を不要にすると共に、締結部品を使用する際に必要な孔開け加工をも不要にして、コストダウンや軽量化を図ると共に車両積載重量の増加を図り、又、車両フレームの外部や内部にボルト頭やナットが突出しないようにして荷台架装性の向上を図り、更に、車両フレーム内部のブレーキ配管や電線配索と締結部材との干渉を避けるためのクランプを不要にして組み立て工数を削減することによりコストダウンを図り、又更に、近接多点打ちを可能にして設計の自由度を向上させ、更に又、車両フレームの寸法精度を向上させ、又、接合点数を削減してコストダウンを図り、更に又、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる車両フレームの製造方法を提供する。
【解決手段】車両フレームのサイドレール２１、ガセット２２、クロスメンバ２３を摩擦攪拌接合により接合する。
【解決手段】車両フレームのサイドレール２１、ガセット２２、クロスメンバ２３を摩擦攪拌接合により接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両フレームの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サイドレール、クロスメンバ、ガセットといった車両フレームを構成する部材の接合は、従来、ボルト・ナットやリベットによる機械締結により行なうか、又は、溶接により行なうか、若しくは樹脂製の接着剤により行なっている。
【０００３】
而して、車両フレームを構成する部材の接合をボルトやリベットにより行なうようにした先行技術文献としては、特許文献１、２があり、樹脂製の接着剤により行なうようにした先行技術文献としては、特許文献３がある。
【特許文献１】特開平１１−７８９６０号公報
【特許文献２】特開平６−３２９０４６号公報
【特許文献３】実開平３−７７７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば、車両フレームの構成部材をボルトやリベットにより締結する場合には、ボルトやリベットのような締結部品が必要であるため、コストアップを招来すると共に、重量の増加により車両積載重量が低下し、又、車両フレームに対し孔開け加工が必要で工数が増加するためコストアップを招来し、更に、接合すべき部材の表裏面（外内面）にボルトやナット若しくはリベットの頭が突起物として張り出すため、これらの突起物の占有スペースを設計上で確保しなければならないという制約があり、しかも、ボルト・ナットによる締結では緩みや脱落等の虞があり、更に又、ボルトやナット若しくはリベットの頭が突起物として部材の外部に突出した場合は、例えば、クレーン車のフレーム補強板に逃げ孔の加工が必要となるといったように、荷台の架装性が低下し、部材の内部に突出した場合は、フレームの内部のブレーキ配管や電線配索と締結部材との干渉を避けるための対策としてクランプが必要となり、組み立て工数の増加によるコストアップを招来する。
【０００５】
車両フレームの構成部材を溶接により締結する場合、溶接間隔が狭い近接多点打ちでは電流が分流する虞があって良好な溶接を行なうことができないうえ、設計の自由度が低下し、又、接合時に熱による歪みが生じて製品の寸法精度が低下し、更に、高い接合強度を得ることが困難であるため、接合点数が多くなってコストアップを招来する。
【０００６】
車両フレームの構成部材の接合に接着剤を採用した場合には、作業性や作業環境が悪いという問題に加え、リサイクル時に部材から接着剤を分離するのが困難であるため、リサイクル性が悪いという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述の実情に鑑み、締結部品を不要にすると共に、締結部品を使用する際に必要な孔開け加工をも不要にして、コストダウンや軽量化を図ると共に車両積載重量の増加を図り、又、車両フレームの外部や内部にボルト頭やナットが突出しないようにして荷台架装性の向上を図り、更に、車両フレーム内部のブレーキ配管や電線配索と締結部材との干渉を避けるためのクランプを不要にして組み立て工数を削減することによりコストダウンを図り、又更に、近接多点打ちを可能にして設計の自由度を向上させ、更に又、車両フレームの寸法精度を向上させ、又、接合点数を削減してコストダウンを図り、更に又、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる車両フレームの製造方法を提供することを目的としてなしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の車両フレームの製造方法は、車両フレームを構成する部材を摩擦攪拌接合により接合するものである。
【０００９】
本発明の車両フレームの製造方法は、二つ以上の部材が予め定める接合方向に並んで構成される被接合物における前記部材の接合方向一方側表面部に裏当て部材の平坦面を当接させ、前記部材の接合方向他方側表面部であって裏当て部材に対向する位置に回転する接合ツールを押し当て、摩擦攪拌接合により前記部材を接合する車両フレームの製造方法であって、
略円柱状に形成され、且つ軸線方向一方側端面部において径方向外方側部分が径方向内方側部分よりも周方向全周に亘って軸線方向一方側に突出するショルダ部と、
該ショルダ部と同軸に形成されて、ショルダ部から離反するにつれて縮径し、ショルダ部に連なる部分の外径がショルダ部の外径よりも小径の略截頭円錐状のピン部を備えた接合ツールを用いて前記摩擦攪拌接合を行なうものである。
【００１０】
又、本発明の車両フレームの製造方法は、ショルダ部の軸線方向一方側端面には、ショルダ部に同軸でピン部に向かうにつれて拡径する断面略傘形状の環状凹部が形成されている接合ツールを用いて摩擦攪拌接合を行なうものであり、更に、本発明の車両フレームの製造方法は、ピン部の外周部に軸線まわりを回転するにつれてショルダ部に向かって進む螺旋状のねじ溝が形成されている接合ツールを用いて摩擦攪拌接合を行なうものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の車両フレームの製造方法によれば、車両フレームを構成する部材の接合に摩擦攪拌接合を用いて行なうようにしているため、ボルト、ナットのような締結部品や締結部品のための孔開け加工が不要となって、コストダウンや軽量化が可能となると共に、軽量化により車両積載重量が増加し、締結部品が不要となるため緩みや脱落がなくなって製品としての信頼性が向上し、又、車両フレームの外部や内部にボルト頭やナットが突出しないため、例えばクレーン車のフレーム補強板に逃げ孔加工が不要となって荷台架装性が向上し、更に、車両フレーム内部のブレーキ配管や電線配索と締結部材との干渉を避けるためのクランプが不要になるため、組み立て工数を削減することができてコストダウンが可能となり、又更に、近接多点打ちが可能となるため、設計の自由度が向上してトラック等の他用途車両には大きな利点となり、更に又、車両フレームの寸法精度が向上するため、車両姿勢が向上してその直進性や操舵性等、車両の基本性能が向上し、又、接合強度が高いため、接合点数を削減できる結果、コストダウンが可能になり、更に又、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる、等種々の優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
本発明の実施の形態においては、車両フレームを形成するサイドレールとガセット、ガセットとクロスメンバといった部材のスポット接合を摩擦攪拌接合により行なうようにしており、斯かる摩擦攪拌接合を行なうための接合ツールは図８、図９に示されている。なお、以下の説明では、同一のものには同一の符号が付してある。
【００１３】
図８、図９中、１は軸線Ｌ１を中心として回転可能で且つ軸線Ｌ１と平行な方向へ往復移動可能に設置された接合ツールである。ここで、摩擦攪拌接合装置は、車両フレームを構成するサイドレール、ガセット、クロスメンバといった部材を摩擦攪拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ：略称ＦＳＷ）により接合するための装置であり、鋼板やアルミ材等、金属材料の被接合物に点在する複数の接合箇所を順次、摩擦攪拌によりスポット接合するようになっている。
【００１４】
接合ツール１は、略円柱状に形成されて一端側が摩擦攪拌装置の駆動装置に把持されたショルダ部２と、ショルダ部２の駆動装置側とは反対側の軸線方向一方側端面部においてショルダ部２と同軸に形成され、且つ、軸線方向一方側端面部から離反する方向へ突出するピン部３を備えている。
【００１５】
ピン部３は外径がショルダ部２よりも小径で且つショルダ部２に対し滑らかに連なって一体的に形成されており、ショルダ部２の軸線方向一方側端面部は、ショルダ部２の径方向外方側部分２ａが径方向内方側部分よりも周方向全周に亘って軸線方向一方側に突出している。而して、ショルダ部２の軸線方向一方側端面部には、径方向外方側部分２ａから径方向中心に向かってショルダ部２内に後退する斜面４が形成されており、斜面４とショルダ部２の径方向外方側部分２ａにより、軸線Ｌ１に沿いピン部３に向かうにつれ拡径する断面略傘形状の環状凹部５が形成されている。斜面４は、ショルダ部２の径方向外方側部分２ａの２点を径方向へ結んで形成した径方向線Ｒ１に対し角度θとなっている。
【００１６】
ピン部３は、基端部側であるショルダ部２側が大径で、先端部側であるショルダ部２から離反した側が小径の截頭円錐状に形成されており、外周面には、軸線Ｌ１まわりを回転するにつれてショルダ部２に向かう螺旋状のねじ溝６が、ピン部３の軸線Ｌ１方向全長に亘り設けられている。
【００１７】
ショルダ部２とピン部３とは、ピン部３の基端部の直径をＤ１、ピン部３の先端部の直径をＤ２、ショルダ部２の直径をＤｓ、ピン部３のショルダ部２における径方向外方側部分２ａから先端部までの長さをＰ１とした場合、Ｄ１／Ｄｓ≧０．５、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｐ１≒１となるように形成されている。
【００１８】
又、ピン部３のショルダ部２径方向外方側部分２ａから先端部までの長さＰ１は、摩擦攪拌接合時に、ショルダ部２が被接合物１３に深さＨ１が約１ｍｍ程度となるよう没入した状態で、ピン部３の先端が被接合物１３内にあって被接合物１３を貫通しない長さに形成する。更に、被接合物１３のうちショルダ部２側の被接合部材１１の厚さをＴ１、裏当て材１４側の被接合部材１２の厚さをＴ２とし、接合後の被接合物１３のうち最も薄くなっている部分の厚さを残母材厚をＳ１（図１２参照）とした場合、ピン部３の長さＰ１は、Ｐ１≧（Ｔ１＋１）ｍｍ、Ｐ１≧（Ｔ１＋Ｔ２−１−Ｓ１）となるように形成されている。
【００１９】
因みに、図８、図９に示す接合ツール１の場合、ショルダ部２の直径Ｄｓ＝３０ｍｍ、ピン部３の基端部の直径Ｄ１＝１６ｍｍ、ピン部３の先端部の直径Ｄ２＝６ｍｍ、ピン部３の長さＰ１＝１６ｍｍ、斜面４の径方向線Ｒ１に対する角度θ＝３０度である。
【００２０】
次に、上記接合ツール１により被接合部材を摩擦攪拌接合する手順について、図１０（１）〜図１０（４）により説明する。ここで摩擦攪拌接合の対象とする被接合部材は車両フレームのサイドレールとガセット、及びガセットとクロスメンバである。図１０（１）〜図１０（４）中、１１はクロスメンバ又はガセットである被接合部材、１２はガセット又はサイドレールである被接合部材、１３は被接合部材１１，１２により形成された車両フレームである被接合物、１４は摩擦攪拌接合時に被接合部材１２の被接合部材１１とは反対側の面が変形しないよう支持する裏当て部材、１５は摩擦攪拌接合時に軟化した被接合部材１１，１２が混ぜ合わされて形成される攪拌領域、矢印は接合ツール１の移動方向である。
【００２１】
被接合部材１１，１２を板厚方向に重ね合わせて並列させた被接合物１３を、被接合部材１２の被接合部材１１とは反対側の面が裏当て材１４の平坦面に当接するよう、裏当て材１４に支持させ、待機位置にある接合ツール１を、図示してない駆動装置により駆動して軸線Ｌ１の回りに回転させ、軸線Ｌ１に沿い被接合部材１１に近接するよう移動させる（図１０（１）参照）。
【００２２】
接合ツール１が被接合物１３に近接して前進しつつ被接合部材１１に押し当てられると、ピン部３の先端部は回転しつつ被接合物１３の被接合部材１１に没入される（図１０（２）参照）。又、被接合物１３の被接合部材１１に先端部が没入して回転しているピン部３を被接合物１３に押し当てつつ更に深く被接合物１３に没入されるよう移動させると、ショルダ部２の斜面４が被接合部材１１に没入される。
【００２３】
そうすると、接合ツール１は連続して回転しながら被接合物１３に押し当てられているため、ショルダ部２及びピン部３と、被接合物１３との回転接触により生じる摩擦熱によって、被接合部材１１，１２が軟化し、軟化した被接合部材１１，１２は接合ツール１により引きずられて、塑性流動して攪拌され、その結果、ピン部３の周囲において被接合部材１１，１２は混ぜ合わされて攪拌領域１５が形成され、一体化する（図１０（３）参照）。
【００２４】
続いて、摩擦攪拌接合装置の制御部では、図示してないセンサにより検出した温度等のデータ及びピン部３が被接合部材１１に没入を開始してからの経過時間等から、予め定めた終了条件を満たしているか否かが判断され、終了条件を満たしていると判断された場合は、接合ツール１は被接合物１３から離反する方向へ移動して（図１０（４）参照）待機位置に戻り、接合ツール１は回転を停止する。従って、この位置でのスポット接合が終了する。
【００２５】
ある位置でのスポット接合が終了したら、接合ツール１と裏当て材１４とを被接合物１３に対し移動させ、上述した手順を繰返して接合ツール１により被接合部材１１、１２の摩擦攪拌接合を行なう。
【００２６】
次に、接合ツール１を用いて摩擦攪拌接合する際の被接合物１３の状態を図１１（１）〜図１１（３）により説明する。図１１（１）〜図１１（３）中、１６はピン部３の先端部と裏当て材１４とにより挟まれた部分、１７はピン部３の先端部と裏当て材１４とで挟まれた部分１６よりもピン部３から径方向外方へ離れた部分であり、矢印は接合ツール１の移動方向を示す。
【００２７】
接合ツール１のピン部３先端部を被接合物１３に押し当てて、被接合物１３に没入させると、被接合部材１１のピン部３に接している部分は、ピン部３から接合ツール１の移動方向へ向けた力ｆ１を受ける。本実施の形態では、ピン部３は逆截頭円錐状に形成されているため、被接合部材１１はピン部３の先端部からだけではなく、外周部からも接合ツール１の移動方向へ向けた力ｆ１を受ける（図１１（１）参照）。
【００２８】
この場合、裏当て材１４が被接合物１３を支持しているため、被接合物１３における被接合部材１２の裏当て材１４に対する当接面が裏当て材１４側に変形することはない。従って、被接合物１３のピン部３の先端部と裏当て材１４とで挟まれた部分１６は、ピン部３と裏当て材１４とによって圧縮されると共に、その一部がピン部３の径方向外方へ向かって移動する。
【００２９】
又、被接合物１３において、ピン部３の先端部と裏当て材１４とで挟まれた部分１６よりもピン部３から径方向外方へ離れた部分１７は、部分１６からピン部３の径方向外方へ向かう力ｆ２を与えられて被接合部材１２は、他の部分よりもショルダ部２の斜面４側に向かって隆起する（図１１（１）参照）。
【００３０】
本図示例では、ピン部３が逆截頭円錐状に形成されることで、ショルダ部２の斜面４とピン部３の基端部及び外周面で被接合物１３をピン部３の径方向外方へ押し出すことができ、従って、裏当て材１４に凹凸形状を形成しなくても、被接合部材１２の押出された部分１７の隆起を大きくすることができる。又、ピン部３は逆截頭円錐形に形成されているため、隆起した部分１７は、軸線Ｌ１からピン部３の半径方向へ離れた位置に形成することができる。
【００３１】
接合ツール１が更に被接合物１３側へ移動して、ショルダ部２のピン部３側端部が被接合物１３の被接合部材１１に没入すると、被接合物１３はピン部３及びショルダ部２の外形形状に沿った形状に変形する（図１１（２）参照）。本図示例では、ショルダ部２の斜面４部には、軸線Ｌ１周りを一周する環状凹部５が形成されているので、被接合部材１１の軟化した部分は、環状凹部５に入り込み、従って、被接合部材１２の隆起する部分１７の大きさを大きくでき、その縮小を抑えることができるため、被接合物１３は接合ツール１のピン部３及びショルダ部２の斜面４の外形形状に沿った形状に変形する。
【００３２】
被接合物１３に没入したピン部３及びショルダ部２の僅かの部分が、被接合物１３に対し摺動回転することにより、被接合物１３のうちピン部３付近の部分が流動化してピン部３に引きずられ、軸線Ｌ１の回りを回転する。而して、被接合物１３のうちで流動化する攪拌領域１５は、時間と共に拡大成長し、ピン部３の外周部に形成されているねじ溝６に入り込んだ流動化している被接合物１３は、ピン部３の回転により、ピン部３の小径の先端部側から大径の基端部側へ、ねじ溝６に案内されつつ移動する（図１１（３）参照）。
【００３３】
被接合物１３の流動化している部分が、ピン部３の先端部側から基端部側へ移動することで、隆起している部分１７も又ピン部３の先端部側から基端部側へ移動し、被接合部材１２に形成される部分１７の隆起が促進され、攪拌領域１５で被接合部材１１，１２が混ぜ合わされる結果、被接合部材１１，１２が接続される。
【００３４】
次に、図８、図９に示す接合ツール１により被接合部材１１、１２が接合された状態を、図８、図９をも参照して図１２により説明する。
被接合物１３のうち、没入したピン部３が当接した部分には、攪拌領域１５が形成される。又、接合部材１１の攪拌領域１５の近傍には、隆起した部分１７が形成され、隆起した部分１７は軸線Ｌ１の周りを一周して略リング状に形成される。
【００３５】
被接合物１３のうちショルダ部２の斜面４に臨む部分が裏当て材１４から離反した方向へ隆起することで、かしめ作用が生じる隆起した部分１７が形成される。又、隆起した部分１７の一部が、被接合部材１１，１２の接合後も残存することによって、その隆起した部分１７は接合された互いの被接合部材１１，１２が分離するのを阻止する抵抗部分として作用する。従って、摩擦攪拌接合と共に、かしめ変形による強度向上を図ることができ、接合された被接合部材１１，１２の接合強度が向上する。
【００３６】
図８、図９に示す接合ツール１で摩擦攪拌接合を行った車両フレームの一例は図１〜図４に示されている。図中、２１はサイドレール、２２はガセット、２３はクロスメンバ、２４はガセット２２とサイドレール２１を接合する攪拌摩擦溶接部、２５はクロスメンバ２３とガセット２２を接合する摩擦攪拌接合部である。
【００３７】
図１〜図４に示す車両フレームにおいては、例えば、先ず、クロスメンバ２３とガセット２２とが図８、図９の接合ツール１を用いて摩擦攪拌接合が行なわれ、クロスメンバ２３にガセット２２が接合された状態で、ガセット２２とサイドレール２１が摩擦攪拌接合される。
【００３８】
図８、図９に示す接合ツールで摩擦攪拌接合を行なった車両フレームの他の例は図５〜図７に示されている。本例ではガセット２２は平板状ではなく、Ｌ形のブラケット状に形成されている。図中、図１〜図４に示すものと同一のものには同一の符号が付してある。しかして、本図示例でも、先ず、クロスメンバ２３とガセット２２とが摩擦攪拌接合され、クロスメンバ２３にガセット２２が接合された状態で、ガセット２２とサイドレール２１が摩擦攪拌接合される。
【００３９】
上記図１〜図４、図５〜図７の各図示例における車両フレームは、鋼板或はアルミ板製で板厚が約６ｍｍ程度以上の厚板である。
【００４０】
本図示例においては、上述した車両フレームのサイドレール２１、ガセット２２、クロスメンバ２３の接合を摩擦攪拌接合により行なうようにしているため、ボルト、ナットのような締結部品や締結部品のための孔開け加工が不要となって、コストダウンや軽量化が可能となると共に、軽量化により車両積載重量が増加し、締結部品が不要となるため緩みや脱落がなくなって製品としての信頼性が向上し、又、車両フレームの外部や内部にボルト頭やナットが突出しないため、例えばクレーン車のフレーム補強板に逃げ孔加工が不要となって荷台架装性が向上し、更に、車両フレーム内部のブレーキ配管や電線配索と締結部材との干渉を避けるためのクランプが不要になるため、組み立て工数を削減することができてコストダウンが可能となり、又更に、近接多点打ちが可能となるため、設計の自由度が向上してトラック等の他用途車両には大きな利点となり、更に又、車両フレームの寸法精度が向上するため、車両姿勢が向上してその直進性や操舵性等、車両の基本性能が向上し、又、接合強度が高いため、接合点数を削減できる結果、コストダウンが可能になり、更に又、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる、等種々の優れた効果を奏し得る。
【００４１】
なお、本発明の車両フレームの製造方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】摩擦攪拌接合により組み付けられた車両フレームの一例の部分的な斜視図である。
【図２】図１の車両フレームの平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向矢視図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ方向矢視図である。
【図５】摩擦攪拌接合により組み付けられた車両フレームの他の例の部分的な平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ方向矢視図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ方向矢視図である。
【図８】摩擦攪拌接合に使用する接合ツールの斜視図である。
【図９】図８の接合ツールの断面図である。
【図１０】図８の接合ツールを用いて行なう摩擦攪拌接合の手順を説明するための断面図である。
【図１１】図８の接合ツールを用いて摩擦攪拌接合を行なう場合において、被接合物の接合状態が変化して行く状態を示す断面図である。
【図１２】図８の接合ツールを用いて摩擦攪拌接合された被接合物の接合状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 接合ツール
２ ショルダ部
３ ピン部
５ 環状凹部
６ ねじ溝
１４ 裏当て材
２１ サイドレール（部材）
２２ ガセット（部材）
２３ クロスメンバ（部材）
ｆ１ 力
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両フレームの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サイドレール、クロスメンバ、ガセットといった車両フレームを構成する部材の接合は、従来、ボルト・ナットやリベットによる機械締結により行なうか、又は、溶接により行なうか、若しくは樹脂製の接着剤により行なっている。
【０００３】
而して、車両フレームを構成する部材の接合をボルトやリベットにより行なうようにした先行技術文献としては、特許文献１、２があり、樹脂製の接着剤により行なうようにした先行技術文献としては、特許文献３がある。
【特許文献１】特開平１１−７８９６０号公報
【特許文献２】特開平６−３２９０４６号公報
【特許文献３】実開平３−７７７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば、車両フレームの構成部材をボルトやリベットにより締結する場合には、ボルトやリベットのような締結部品が必要であるため、コストアップを招来すると共に、重量の増加により車両積載重量が低下し、又、車両フレームに対し孔開け加工が必要で工数が増加するためコストアップを招来し、更に、接合すべき部材の表裏面（外内面）にボルトやナット若しくはリベットの頭が突起物として張り出すため、これらの突起物の占有スペースを設計上で確保しなければならないという制約があり、しかも、ボルト・ナットによる締結では緩みや脱落等の虞があり、更に又、ボルトやナット若しくはリベットの頭が突起物として部材の外部に突出した場合は、例えば、クレーン車のフレーム補強板に逃げ孔の加工が必要となるといったように、荷台の架装性が低下し、部材の内部に突出した場合は、フレームの内部のブレーキ配管や電線配索と締結部材との干渉を避けるための対策としてクランプが必要となり、組み立て工数の増加によるコストアップを招来する。
【０００５】
車両フレームの構成部材を溶接により締結する場合、溶接間隔が狭い近接多点打ちでは電流が分流する虞があって良好な溶接を行なうことができないうえ、設計の自由度が低下し、又、接合時に熱による歪みが生じて製品の寸法精度が低下し、更に、高い接合強度を得ることが困難であるため、接合点数が多くなってコストアップを招来する。
【０００６】
車両フレームの構成部材の接合に接着剤を採用した場合には、作業性や作業環境が悪いという問題に加え、リサイクル時に部材から接着剤を分離するのが困難であるため、リサイクル性が悪いという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述の実情に鑑み、締結部品を不要にすると共に、締結部品を使用する際に必要な孔開け加工をも不要にして、コストダウンや軽量化を図ると共に車両積載重量の増加を図り、又、車両フレームの外部や内部にボルト頭やナットが突出しないようにして荷台架装性の向上を図り、更に、車両フレーム内部のブレーキ配管や電線配索と締結部材との干渉を避けるためのクランプを不要にして組み立て工数を削減することによりコストダウンを図り、又更に、近接多点打ちを可能にして設計の自由度を向上させ、更に又、車両フレームの寸法精度を向上させ、又、接合点数を削減してコストダウンを図り、更に又、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる車両フレームの製造方法を提供することを目的としてなしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の車両フレームの製造方法は、車両フレームを構成する部材を摩擦攪拌接合により接合するものである。
【０００９】
本発明の車両フレームの製造方法は、二つ以上の部材が予め定める接合方向に並んで構成される被接合物における前記部材の接合方向一方側表面部に裏当て部材の平坦面を当接させ、前記部材の接合方向他方側表面部であって裏当て部材に対向する位置に回転する接合ツールを押し当て、摩擦攪拌接合により前記部材を接合する車両フレームの製造方法であって、
略円柱状に形成され、且つ軸線方向一方側端面部において径方向外方側部分が径方向内方側部分よりも周方向全周に亘って軸線方向一方側に突出するショルダ部と、
該ショルダ部と同軸に形成されて、ショルダ部から離反するにつれて縮径し、ショルダ部に連なる部分の外径がショルダ部の外径よりも小径の略截頭円錐状のピン部を備えた接合ツールを用いて前記摩擦攪拌接合を行なうものである。
【００１０】
又、本発明の車両フレームの製造方法は、ショルダ部の軸線方向一方側端面には、ショルダ部に同軸でピン部に向かうにつれて拡径する断面略傘形状の環状凹部が形成されている接合ツールを用いて摩擦攪拌接合を行なうものであり、更に、本発明の車両フレームの製造方法は、ピン部の外周部に軸線まわりを回転するにつれてショルダ部に向かって進む螺旋状のねじ溝が形成されている接合ツールを用いて摩擦攪拌接合を行なうものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の車両フレームの製造方法によれば、車両フレームを構成する部材の接合に摩擦攪拌接合を用いて行なうようにしているため、ボルト、ナットのような締結部品や締結部品のための孔開け加工が不要となって、コストダウンや軽量化が可能となると共に、軽量化により車両積載重量が増加し、締結部品が不要となるため緩みや脱落がなくなって製品としての信頼性が向上し、又、車両フレームの外部や内部にボルト頭やナットが突出しないため、例えばクレーン車のフレーム補強板に逃げ孔加工が不要となって荷台架装性が向上し、更に、車両フレーム内部のブレーキ配管や電線配索と締結部材との干渉を避けるためのクランプが不要になるため、組み立て工数を削減することができてコストダウンが可能となり、又更に、近接多点打ちが可能となるため、設計の自由度が向上してトラック等の他用途車両には大きな利点となり、更に又、車両フレームの寸法精度が向上するため、車両姿勢が向上してその直進性や操舵性等、車両の基本性能が向上し、又、接合強度が高いため、接合点数を削減できる結果、コストダウンが可能になり、更に又、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる、等種々の優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
本発明の実施の形態においては、車両フレームを形成するサイドレールとガセット、ガセットとクロスメンバといった部材のスポット接合を摩擦攪拌接合により行なうようにしており、斯かる摩擦攪拌接合を行なうための接合ツールは図８、図９に示されている。なお、以下の説明では、同一のものには同一の符号が付してある。
【００１３】
図８、図９中、１は軸線Ｌ１を中心として回転可能で且つ軸線Ｌ１と平行な方向へ往復移動可能に設置された接合ツールである。ここで、摩擦攪拌接合装置は、車両フレームを構成するサイドレール、ガセット、クロスメンバといった部材を摩擦攪拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ：略称ＦＳＷ）により接合するための装置であり、鋼板やアルミ材等、金属材料の被接合物に点在する複数の接合箇所を順次、摩擦攪拌によりスポット接合するようになっている。
【００１４】
接合ツール１は、略円柱状に形成されて一端側が摩擦攪拌装置の駆動装置に把持されたショルダ部２と、ショルダ部２の駆動装置側とは反対側の軸線方向一方側端面部においてショルダ部２と同軸に形成され、且つ、軸線方向一方側端面部から離反する方向へ突出するピン部３を備えている。
【００１５】
ピン部３は外径がショルダ部２よりも小径で且つショルダ部２に対し滑らかに連なって一体的に形成されており、ショルダ部２の軸線方向一方側端面部は、ショルダ部２の径方向外方側部分２ａが径方向内方側部分よりも周方向全周に亘って軸線方向一方側に突出している。而して、ショルダ部２の軸線方向一方側端面部には、径方向外方側部分２ａから径方向中心に向かってショルダ部２内に後退する斜面４が形成されており、斜面４とショルダ部２の径方向外方側部分２ａにより、軸線Ｌ１に沿いピン部３に向かうにつれ拡径する断面略傘形状の環状凹部５が形成されている。斜面４は、ショルダ部２の径方向外方側部分２ａの２点を径方向へ結んで形成した径方向線Ｒ１に対し角度θとなっている。
【００１６】
ピン部３は、基端部側であるショルダ部２側が大径で、先端部側であるショルダ部２から離反した側が小径の截頭円錐状に形成されており、外周面には、軸線Ｌ１まわりを回転するにつれてショルダ部２に向かう螺旋状のねじ溝６が、ピン部３の軸線Ｌ１方向全長に亘り設けられている。
【００１７】
ショルダ部２とピン部３とは、ピン部３の基端部の直径をＤ１、ピン部３の先端部の直径をＤ２、ショルダ部２の直径をＤｓ、ピン部３のショルダ部２における径方向外方側部分２ａから先端部までの長さをＰ１とした場合、Ｄ１／Ｄｓ≧０．５、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｐ１≒１となるように形成されている。
【００１８】
又、ピン部３のショルダ部２径方向外方側部分２ａから先端部までの長さＰ１は、摩擦攪拌接合時に、ショルダ部２が被接合物１３に深さＨ１が約１ｍｍ程度となるよう没入した状態で、ピン部３の先端が被接合物１３内にあって被接合物１３を貫通しない長さに形成する。更に、被接合物１３のうちショルダ部２側の被接合部材１１の厚さをＴ１、裏当て材１４側の被接合部材１２の厚さをＴ２とし、接合後の被接合物１３のうち最も薄くなっている部分の厚さを残母材厚をＳ１（図１２参照）とした場合、ピン部３の長さＰ１は、Ｐ１≧（Ｔ１＋１）ｍｍ、Ｐ１≧（Ｔ１＋Ｔ２−１−Ｓ１）となるように形成されている。
【００１９】
因みに、図８、図９に示す接合ツール１の場合、ショルダ部２の直径Ｄｓ＝３０ｍｍ、ピン部３の基端部の直径Ｄ１＝１６ｍｍ、ピン部３の先端部の直径Ｄ２＝６ｍｍ、ピン部３の長さＰ１＝１６ｍｍ、斜面４の径方向線Ｒ１に対する角度θ＝３０度である。
【００２０】
次に、上記接合ツール１により被接合部材を摩擦攪拌接合する手順について、図１０（１）〜図１０（４）により説明する。ここで摩擦攪拌接合の対象とする被接合部材は車両フレームのサイドレールとガセット、及びガセットとクロスメンバである。図１０（１）〜図１０（４）中、１１はクロスメンバ又はガセットである被接合部材、１２はガセット又はサイドレールである被接合部材、１３は被接合部材１１，１２により形成された車両フレームである被接合物、１４は摩擦攪拌接合時に被接合部材１２の被接合部材１１とは反対側の面が変形しないよう支持する裏当て部材、１５は摩擦攪拌接合時に軟化した被接合部材１１，１２が混ぜ合わされて形成される攪拌領域、矢印は接合ツール１の移動方向である。
【００２１】
被接合部材１１，１２を板厚方向に重ね合わせて並列させた被接合物１３を、被接合部材１２の被接合部材１１とは反対側の面が裏当て材１４の平坦面に当接するよう、裏当て材１４に支持させ、待機位置にある接合ツール１を、図示してない駆動装置により駆動して軸線Ｌ１の回りに回転させ、軸線Ｌ１に沿い被接合部材１１に近接するよう移動させる（図１０（１）参照）。
【００２２】
接合ツール１が被接合物１３に近接して前進しつつ被接合部材１１に押し当てられると、ピン部３の先端部は回転しつつ被接合物１３の被接合部材１１に没入される（図１０（２）参照）。又、被接合物１３の被接合部材１１に先端部が没入して回転しているピン部３を被接合物１３に押し当てつつ更に深く被接合物１３に没入されるよう移動させると、ショルダ部２の斜面４が被接合部材１１に没入される。
【００２３】
そうすると、接合ツール１は連続して回転しながら被接合物１３に押し当てられているため、ショルダ部２及びピン部３と、被接合物１３との回転接触により生じる摩擦熱によって、被接合部材１１，１２が軟化し、軟化した被接合部材１１，１２は接合ツール１により引きずられて、塑性流動して攪拌され、その結果、ピン部３の周囲において被接合部材１１，１２は混ぜ合わされて攪拌領域１５が形成され、一体化する（図１０（３）参照）。
【００２４】
続いて、摩擦攪拌接合装置の制御部では、図示してないセンサにより検出した温度等のデータ及びピン部３が被接合部材１１に没入を開始してからの経過時間等から、予め定めた終了条件を満たしているか否かが判断され、終了条件を満たしていると判断された場合は、接合ツール１は被接合物１３から離反する方向へ移動して（図１０（４）参照）待機位置に戻り、接合ツール１は回転を停止する。従って、この位置でのスポット接合が終了する。
【００２５】
ある位置でのスポット接合が終了したら、接合ツール１と裏当て材１４とを被接合物１３に対し移動させ、上述した手順を繰返して接合ツール１により被接合部材１１、１２の摩擦攪拌接合を行なう。
【００２６】
次に、接合ツール１を用いて摩擦攪拌接合する際の被接合物１３の状態を図１１（１）〜図１１（３）により説明する。図１１（１）〜図１１（３）中、１６はピン部３の先端部と裏当て材１４とにより挟まれた部分、１７はピン部３の先端部と裏当て材１４とで挟まれた部分１６よりもピン部３から径方向外方へ離れた部分であり、矢印は接合ツール１の移動方向を示す。
【００２７】
接合ツール１のピン部３先端部を被接合物１３に押し当てて、被接合物１３に没入させると、被接合部材１１のピン部３に接している部分は、ピン部３から接合ツール１の移動方向へ向けた力ｆ１を受ける。本実施の形態では、ピン部３は逆截頭円錐状に形成されているため、被接合部材１１はピン部３の先端部からだけではなく、外周部からも接合ツール１の移動方向へ向けた力ｆ１を受ける（図１１（１）参照）。
【００２８】
この場合、裏当て材１４が被接合物１３を支持しているため、被接合物１３における被接合部材１２の裏当て材１４に対する当接面が裏当て材１４側に変形することはない。従って、被接合物１３のピン部３の先端部と裏当て材１４とで挟まれた部分１６は、ピン部３と裏当て材１４とによって圧縮されると共に、その一部がピン部３の径方向外方へ向かって移動する。
【００２９】
又、被接合物１３において、ピン部３の先端部と裏当て材１４とで挟まれた部分１６よりもピン部３から径方向外方へ離れた部分１７は、部分１６からピン部３の径方向外方へ向かう力ｆ２を与えられて被接合部材１２は、他の部分よりもショルダ部２の斜面４側に向かって隆起する（図１１（１）参照）。
【００３０】
本図示例では、ピン部３が逆截頭円錐状に形成されることで、ショルダ部２の斜面４とピン部３の基端部及び外周面で被接合物１３をピン部３の径方向外方へ押し出すことができ、従って、裏当て材１４に凹凸形状を形成しなくても、被接合部材１２の押出された部分１７の隆起を大きくすることができる。又、ピン部３は逆截頭円錐形に形成されているため、隆起した部分１７は、軸線Ｌ１からピン部３の半径方向へ離れた位置に形成することができる。
【００３１】
接合ツール１が更に被接合物１３側へ移動して、ショルダ部２のピン部３側端部が被接合物１３の被接合部材１１に没入すると、被接合物１３はピン部３及びショルダ部２の外形形状に沿った形状に変形する（図１１（２）参照）。本図示例では、ショルダ部２の斜面４部には、軸線Ｌ１周りを一周する環状凹部５が形成されているので、被接合部材１１の軟化した部分は、環状凹部５に入り込み、従って、被接合部材１２の隆起する部分１７の大きさを大きくでき、その縮小を抑えることができるため、被接合物１３は接合ツール１のピン部３及びショルダ部２の斜面４の外形形状に沿った形状に変形する。
【００３２】
被接合物１３に没入したピン部３及びショルダ部２の僅かの部分が、被接合物１３に対し摺動回転することにより、被接合物１３のうちピン部３付近の部分が流動化してピン部３に引きずられ、軸線Ｌ１の回りを回転する。而して、被接合物１３のうちで流動化する攪拌領域１５は、時間と共に拡大成長し、ピン部３の外周部に形成されているねじ溝６に入り込んだ流動化している被接合物１３は、ピン部３の回転により、ピン部３の小径の先端部側から大径の基端部側へ、ねじ溝６に案内されつつ移動する（図１１（３）参照）。
【００３３】
被接合物１３の流動化している部分が、ピン部３の先端部側から基端部側へ移動することで、隆起している部分１７も又ピン部３の先端部側から基端部側へ移動し、被接合部材１２に形成される部分１７の隆起が促進され、攪拌領域１５で被接合部材１１，１２が混ぜ合わされる結果、被接合部材１１，１２が接続される。
【００３４】
次に、図８、図９に示す接合ツール１により被接合部材１１、１２が接合された状態を、図８、図９をも参照して図１２により説明する。
被接合物１３のうち、没入したピン部３が当接した部分には、攪拌領域１５が形成される。又、接合部材１１の攪拌領域１５の近傍には、隆起した部分１７が形成され、隆起した部分１７は軸線Ｌ１の周りを一周して略リング状に形成される。
【００３５】
被接合物１３のうちショルダ部２の斜面４に臨む部分が裏当て材１４から離反した方向へ隆起することで、かしめ作用が生じる隆起した部分１７が形成される。又、隆起した部分１７の一部が、被接合部材１１，１２の接合後も残存することによって、その隆起した部分１７は接合された互いの被接合部材１１，１２が分離するのを阻止する抵抗部分として作用する。従って、摩擦攪拌接合と共に、かしめ変形による強度向上を図ることができ、接合された被接合部材１１，１２の接合強度が向上する。
【００３６】
図８、図９に示す接合ツール１で摩擦攪拌接合を行った車両フレームの一例は図１〜図４に示されている。図中、２１はサイドレール、２２はガセット、２３はクロスメンバ、２４はガセット２２とサイドレール２１を接合する攪拌摩擦溶接部、２５はクロスメンバ２３とガセット２２を接合する摩擦攪拌接合部である。
【００３７】
図１〜図４に示す車両フレームにおいては、例えば、先ず、クロスメンバ２３とガセット２２とが図８、図９の接合ツール１を用いて摩擦攪拌接合が行なわれ、クロスメンバ２３にガセット２２が接合された状態で、ガセット２２とサイドレール２１が摩擦攪拌接合される。
【００３８】
図８、図９に示す接合ツールで摩擦攪拌接合を行なった車両フレームの他の例は図５〜図７に示されている。本例ではガセット２２は平板状ではなく、Ｌ形のブラケット状に形成されている。図中、図１〜図４に示すものと同一のものには同一の符号が付してある。しかして、本図示例でも、先ず、クロスメンバ２３とガセット２２とが摩擦攪拌接合され、クロスメンバ２３にガセット２２が接合された状態で、ガセット２２とサイドレール２１が摩擦攪拌接合される。
【００３９】
上記図１〜図４、図５〜図７の各図示例における車両フレームは、鋼板或はアルミ板製で板厚が約６ｍｍ程度以上の厚板である。
【００４０】
本図示例においては、上述した車両フレームのサイドレール２１、ガセット２２、クロスメンバ２３の接合を摩擦攪拌接合により行なうようにしているため、ボルト、ナットのような締結部品や締結部品のための孔開け加工が不要となって、コストダウンや軽量化が可能となると共に、軽量化により車両積載重量が増加し、締結部品が不要となるため緩みや脱落がなくなって製品としての信頼性が向上し、又、車両フレームの外部や内部にボルト頭やナットが突出しないため、例えばクレーン車のフレーム補強板に逃げ孔加工が不要となって荷台架装性が向上し、更に、車両フレーム内部のブレーキ配管や電線配索と締結部材との干渉を避けるためのクランプが不要になるため、組み立て工数を削減することができてコストダウンが可能となり、又更に、近接多点打ちが可能となるため、設計の自由度が向上してトラック等の他用途車両には大きな利点となり、更に又、車両フレームの寸法精度が向上するため、車両姿勢が向上してその直進性や操舵性等、車両の基本性能が向上し、又、接合強度が高いため、接合点数を削減できる結果、コストダウンが可能になり、更に又、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる、等種々の優れた効果を奏し得る。
【００４１】
なお、本発明の車両フレームの製造方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】摩擦攪拌接合により組み付けられた車両フレームの一例の部分的な斜視図である。
【図２】図１の車両フレームの平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向矢視図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ方向矢視図である。
【図５】摩擦攪拌接合により組み付けられた車両フレームの他の例の部分的な平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ方向矢視図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ方向矢視図である。
【図８】摩擦攪拌接合に使用する接合ツールの斜視図である。
【図９】図８の接合ツールの断面図である。
【図１０】図８の接合ツールを用いて行なう摩擦攪拌接合の手順を説明するための断面図である。
【図１１】図８の接合ツールを用いて摩擦攪拌接合を行なう場合において、被接合物の接合状態が変化して行く状態を示す断面図である。
【図１２】図８の接合ツールを用いて摩擦攪拌接合された被接合物の接合状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 接合ツール
２ ショルダ部
３ ピン部
５ 環状凹部
６ ねじ溝
１４ 裏当て材
２１ サイドレール（部材）
２２ ガセット（部材）
２３ クロスメンバ（部材）
ｆ１ 力
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両フレームを構成する部材を摩擦攪拌接合により接合することを特徴とする車両フレームの製造方法。
【請求項２】
二つ以上の部材が予め定める接合方向に並んで構成される被接合物における前記部材の接合方向一方側表面部に裏当て部材の平坦面を当接させ、前記部材の接合方向他方側表面部であって裏当て部材に対向する位置に回転する接合ツールを押し当て、摩擦攪拌接合により前記部材を接合する車両フレームの製造方法であって、
略円柱状に形成され、且つ軸線方向一方側端面部において径方向外方側部分が径方向内方側部分よりも周方向全周に亘って軸線方向一方側に突出するショルダ部と、
該ショルダ部と同軸に形成されて、ショルダ部から離反するにつれて縮径し、ショルダ部に連なる部分の外径がショルダ部の外径よりも小径の略截頭円錐状のピン部を備えた接合ツールを用いて前記摩擦攪拌接合を行なう請求項１記載の車両フレームの製造方法。
【請求項３】
ショルダ部の軸線方向一方側端面には、ショルダ部に同軸でピン部に向かうにつれて拡径する断面略傘形状の環状凹部が形成されている接合ツールを用いて摩擦攪拌接合を行なう請求項２記載の車両フレームの製造方法。
【請求項４】
ピン部の外周部に軸線まわりを回転するにつれてショルダ部に向かって進む螺旋状のねじ溝が形成されている接合ツールを用いて摩擦攪拌接合を行なう請求項２又は３に記載の車両フレームの製造方法。
【請求項１】
車両フレームを構成する部材を摩擦攪拌接合により接合することを特徴とする車両フレームの製造方法。
【請求項２】
二つ以上の部材が予め定める接合方向に並んで構成される被接合物における前記部材の接合方向一方側表面部に裏当て部材の平坦面を当接させ、前記部材の接合方向他方側表面部であって裏当て部材に対向する位置に回転する接合ツールを押し当て、摩擦攪拌接合により前記部材を接合する車両フレームの製造方法であって、
略円柱状に形成され、且つ軸線方向一方側端面部において径方向外方側部分が径方向内方側部分よりも周方向全周に亘って軸線方向一方側に突出するショルダ部と、
該ショルダ部と同軸に形成されて、ショルダ部から離反するにつれて縮径し、ショルダ部に連なる部分の外径がショルダ部の外径よりも小径の略截頭円錐状のピン部を備えた接合ツールを用いて前記摩擦攪拌接合を行なう請求項１記載の車両フレームの製造方法。
【請求項３】
ショルダ部の軸線方向一方側端面には、ショルダ部に同軸でピン部に向かうにつれて拡径する断面略傘形状の環状凹部が形成されている接合ツールを用いて摩擦攪拌接合を行なう請求項２記載の車両フレームの製造方法。
【請求項４】
ピン部の外周部に軸線まわりを回転するにつれてショルダ部に向かって進む螺旋状のねじ溝が形成されている接合ツールを用いて摩擦攪拌接合を行なう請求項２又は３に記載の車両フレームの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−４４４４６（Ｐ２００８−４４４４６Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１９９７０（Ｐ２００６−２１９９７０）
【出願日】平成１８年８月１１日（２００６．８．１１）
【出願人】（０００００５４６３）日野自動車株式会社 (1,484)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１１日（２００６．８．１１）
【出願人】（０００００５４６３）日野自動車株式会社 (1,484)
【Ｆターム（参考）】
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