JP2007216754A - 車体構造および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、本発明は、車両の外部から荷重が入力した際に、局部的な曲げ変形を充分に抑制し、衝突時の車体変形量を抑制することができる車体構造および車両を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、曲げ変形における荷重特性がフラットとなる高エネルギ吸収部材（ピラー部材４）と、高強度部材（ルーフクロスメンバ２、フロアクロスメンバ３）とを備える車体構造１であって、高エネルギ吸収部材と高強度部材とで環状形状を形成したことを特徴とする。車体構造１は、曲げ変形における荷重特性がフラットとなる高エネルギ吸収部材を備えているので、車両Ｖに対する衝突等によって高エネルギ吸収部材に荷重が入力された際に、高エネルギ吸収部材が衝突時のエネルギを効率よく吸収する。その結果、高エネルギ吸収部材の局部的な曲げ変形が充分に抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、車体構造および車両に関する。

従来、自動車の車体構造として、衝突等によって側方から入力した荷重を分散することでピラー部材の局部的な曲げ変形を抑えるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この車体構造は、例えば、図１６に示すように、一対のセンタピラー１０４を車幅方向外側に向けて湾曲するとともに、センタピラー１０４のそれぞれと、ルーフクロスメンバ１１１およびフロアクロスメンバ１１３とを連続させている。また、この車体構造は、センタピラー１０４の上部結合部分Ｋ１に上部変位拘束手段１１６を設け、そして下部結合部分Ｋ２に下部変位促進手段１１７を設けている。
このような車体構造では、センタピラー１０４に、上部変位拘束手段１１６、および下部変位促進手段１１７を設けることによって、センタピラー１０４の上部の剛性が下部よりも大きくなっている。そのため、この車体構造は、自動車の側方から荷重が入力した際に、センタピラー１０４が、ルーフクロスメンバ１１１の中央部の回転中心Ｃ周りで下方に変位するようになっている。その結果、この車体構造は、センタピラー１０４が局部的に屈曲（変形）してキャビン部内に進入することを防止している。
特開２００５−８８７３０号公報（段落００１０〜段落００２９、図２）

しかしながら、この車体構造では、衝突等によってセンタピラー１０４が回転中心Ｃ周りで下方に変位する際に、センタピラー１０４の下部と、フロアクロスメンバ１１３とに荷重が集中することとなる。その結果、この車体構造は、センタピラー１０４の下部の変形量と、フロアクロスメンバ１１３の変形量とが増加してしまう。つまり、従来の車体構造は、自動車の外部から荷重が入力した際に、局部的な曲げ変形を充分に抑制することができないという問題があった。

そこで、本発明は、車両の外部から荷重が入力した際に、局部的な曲げ変形を充分に抑制し、衝突時の車体変形量を抑制することができる車体構造および車両を提供することを課題とする。

本発明者らは、前記課題を解決するために検討した結果、入力した荷重を特定の箇所に集中させる従来の車体構造とは異なって、車両の外部から入力したエネルギの吸収量自体を増加させることで、結果的に局部的な曲げ変形が充分に抑制されることを見出して本発明に到達した。

前記課題を解決するための本発明は、曲げ変形における荷重特性がフラットとなる高エネルギ吸収部材と、高強度部材とを備える車体構造であって、前記高エネルギ吸収部材と前記高強度部材とで環状形状を形成したことを特徴とする。
この車体構造では、曲げ変形における荷重特性がフラットとなる高エネルギ吸収部材を備えているので、車両に対する衝突等によって高エネルギ吸収部材に荷重が入力された際に高エネルギ吸収部材が衝突時のエネルギを効率よく吸収する。その結果、高エネルギ吸収部材の局部的な曲げ変形が充分に抑制される。

また、このような車体構造においては、前記高強度部材が、前記高エネルギ吸収部材との締結部を通じて生じるモーメントによって弾性変形する間、前記高エネルギ吸収部材が曲げ変形を生じるように構成されることが望ましい。
この車体構造では、高強度部材が弾性変形して荷重を維持する間に、高エネルギ吸収部材が曲げ変形を起こしてフラットな荷重特性を発揮する。その結果、この車体構造は、衝突時のエネルギを効率よく吸収する。

また、このような車体構造においては、前記高エネルギ吸収部材が、長尺であってその長手方向に延びる積層部を有しており、前記積層部は、機械的物性値に等方性または異方性を備える２種以上の材料のそれぞれが、前記積層部の少なくとも１部の層で前記積層部の長手方向に沿って入れ替わりに連続するように配置されて構成されていることが望ましい。
この車体構造では、積層部の長手方向に沿って、機械的物性値に等方性または異方性を備える２種以上の材料が入れ替わるように配置されるので、高エネルギ吸収部材がより確実にフラットな荷重特性を示すこととなる。また、このような高エネルギ吸収部材は、前記積層部をその横断面方向に複数連結して構成されていることが望ましい。

そして、前記課題を解決するための本発明の車両は、前記車体構造を備えることを特徴とする。
また、本発明の車両は、前記車体構造を、車体の両側にそれぞれ設けられるセンタピラーの間に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、外部から荷重が入力した際に、局部的な曲げ変形を充分に抑制し、衝突時の車体変形量を抑制することができる車体構造および車両を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、適宜図面を参照して詳細に説明する。参照する図面において、図１は、実施形態に係る車体構造を備えた車両の斜視図である。図２は、実施形態に係る車体構造を構成するピラー部材の斜視図であり、図１のＡ部における部分拡大図（一部に破断部を含む）である。図３は、ピラー部材における積層部および連結部の強部の断面を模式的に示す図であり、図２のＢ−Ｂ断面図である。図４（ａ）および（ｂ）は、積層部および連結部の強部における層構成を模式的に示す図である。図５は、ピラー部材における積層部および連結部の弱部の断面を模式的に示す図であり、図２のＣ−Ｃ断面図である。図６（ａ）から図６（ｇ）は、積層部および連結部の弱部における層構成を模式的に示す図である。図７は、積層部の長手方向に引張り応力が生じた際の、「繊維の配向方向が０度、および９０度の箇所（強部）」と、「繊維の配向方向が４５度、および−４５度の箇所（弱部）」とにおける、ひずみ率の相違について説明するためのグラフである。図８は、ピラー部材に曲げ変形を加える荷重を入力した際に、荷重の変動がフラットになる状態を示すグラフであり、縦軸が「曲げ変形を加える荷重」であり、横軸が「曲げ変形の変位量」である。
ここでは、本発明の車体構造の説明に先立ってこの車体構造が配置された車両について説明する。

図１に示すように、車両Ｖは、その車体の骨格構造を形成するルーフクロスメンバ２と、フロアクロスメンバ３とを備えている。そして、ルーフクロスメンバ２は、車体の天井部を車幅方向に横切るように配置され、フロアクロスメンバ３は、車体の床部を車幅方向に横切るように配置されている。そして、車体の左右両側のそれぞれには、周知のとおり、センタピラー５，５が設けられている。

図１に示すように、本実施形態に係る車体構造１は、ルーフクロスメンバ２と、フロアクロスメンバ３と、４本のピラー部材４とを主に備えて構成されている。なお、ルーフクロスメンバ２およびフロアクロスメンバ３は、特許請求の範囲にいう「高強度部材」に相当し、ピラー部材４は、「高エネルギ吸収部材」に相当する。
そして、本実施形態では、ピラー部材４が、車体の左右両側にそれぞれ２本ずつ配置されるとともに、各ピラー部材４の両端部のそれぞれは、ルーフクロスメンバ２の車幅方向の縁部（角部）、およびフロアクロスメンバ３の車幅方向の縁部（角部）に、アルミブラケット６を介して締結されている。なお、このアルミブラケット６は、特許請求の範囲にいう「締結部」に相当する。このようにルーフクロスメンバ２、フロアクロスメンバ３、およびピラー部材４が締結されることで、車体構造１は、外側の輪郭が略矩形または略台形の環状形状を呈している。

ルーフクロスメンバ２およびフロアクロスメンバ３は、車幅方向に長い板状部材であって、本実施形態ではＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）積層板で形成されており、ＨＴＡ（ＰＡＮ系炭素繊維）と熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）とを含むプリプレグを硬化させて形成したものである。ちなみに、使用したＣＦＲＰ積層板は、１２層を１組層として４組層が重ね合わせられた合計４８層からなり、所定の角度で配向する繊維によって各層は特徴付けられている。具体的には、車幅方向と一致する繊維の配向方向を０度とし、車体の前後方向と一致する繊維の配向方向を９０度とし、車体の右前方４５度方向と一致する繊維の配向方向を４５度とし、車体の左前方４５度方向と一致する繊維の配向方向を−４５度とすると、前記した１組層を構成する各層の繊維の配向方向が、下層側（車体の下側）から上層側（車体の上側）に向かって、０度、０度、４５度、０度、０度、９０度、９０度、０度、０度、−４５度、０度、および０度となるように各層は構成されている。ちなみに、このようなＣＦＲＰ積層板は、上市品のプリプレグを硬化させて得られるものであってもよく、このようなプリプレグとしては、例えば、東邦テナックス（株）製のＣＦ〔Ｂｅｓｆｉｇｈｔ（登録商標）〕プリプレグ（原糸：ＨＴＡ−１２Ｋ、エポキシ樹脂３７質量％含有）が挙げられる。
本実施形態での高強度部材であるルーフクロスメンバ２およびフロアクロスメンバ３は、以上のような材料で形成されることによって、高強度および高剛性を発揮することとなる。

本実施形態での高エネルギ吸収部材であるピラー部材４は、図２に示すように、長尺のＥ字状部材７と、長尺のＥ字状部材９とが一体となるように接続されたものである。そして、このピラー部材４は、Ｅ字状部材７が車外側を向き、Ｅ字状部材９が車内側を向くように配置されている。

Ｅ字状部材７は、３つの板状の積層部７ａ，７ｂ，７ｃと、１つの板状の連結部７ｄとが組み合わさって断面視がＥ字状の形状を呈したものである。連結部７ｄは、その一面側が車外側に向くように配置されている。そして、３つの積層部７ａ，７ｂ，７ｃのぞれぞれは、その板面側が車両の前後に向いており、車両の前側から後側に、積層部７ａ、積層部７ｂ、および積層部７ｃの順番で配置されている。つまり、３つの積層部７ａ，７ｂ，７ｃは、その横断面方向に連結部７ｄを介して連結されている。

Ｅ字状部材９は、３つの板状の補強部９ａ，９ｂ，９ｃと、１つの板状の連結部９ｄとが組み合わせられて断面視がＥ字状の形状を呈したものである。連結部９ｄは、その一面側が車内側に向くとともに、その他面側がＥ字状部材７の連結部７ｂに接続されている。そして、３つの補強部９ａ，９ｂ，９ｃのぞれぞれは、その板面側が車両の前後に向いており、車両の前側から後側に、補強部９ａ、補強部９ｂ、および補強部９ｃの順番で連結部９ｄの一面側に接続されている。

このようなＥ字状部材７，９のそれぞれは、ＣＦＲＰ積層板で形成されている。ちなみに、このようなＣＦＲＰ積層板は、上市品のプリプレグを硬化させて得られるものであってもよく、ルーフクロスメンバ２およびフロアクロスメンバ３の形成に使用したプリプレグを使用することもできる。

まず、Ｅ字状部材７の構造について説明する。Ｅ字状部材７の積層部７ａ，７ｂ，７ｃは、図２に示すように、強くて脆い機械的物性値を示す部分（以下、「強部１１」という）と、弱くて伸びる機械的物性値を示す部分（以下、「弱部１２」という）とがその長手方向に入れ替わりで連続するように形成されている。

このＥ字状部材７は、図３に示すように、断面視が略Ｃ字状の２つの内側部材１３ａ，１３ｂ同士が並んで一体となるように接続されるとともに、これらの内側部材１３ａ，１３ｂの外側に断面視で略Ｃ字状の外側部材１４が一体となるように接続されて形成されている。ちなみに、図３では、説明の便宜上、内側部材１３ａ，１３ｂ同士の間と、内側部材１３ａ，１３ｂと外側部材１４との間に隙間が描かれているが、内側部材１３ａ，１３ｂ同士、および内側部材１３ａ，１３ｂと外側部材１４とは接続されている。

次に、Ｅ字状部材７の層構成について説明する。図３に示すように、Ｅ字状部材７の強部１１（図２参照）における積層部７ａ、積層部７ｂ、積層部７ｃ、および連結部７ｄのそれぞれは、２４層からなっており、所定の角度で配向する繊維によって各層は特徴付けられている。

まず、連結部７ｄにおける繊維の配向方向について説明する。ここでは、連結部７ｄの各層における繊維の配向方向を特定するために、図２に示すＥ字状部材７が延びる上方向と一致する配向方向は０度とし、Ｅ字状部材７が延びる上方向に対して車体の後側に４５度をなす方向と一致する配向方向は４５度とし、Ｅ字状部材７が延びる上方向に対して車体の後側に９０度をなす方向（車体の前後方向）と一致する配向方向は９０度とし、Ｅ字状部材７が延びる上方向に対して車体の後側に１３５度をなす方向と一致する配向方向は−４５度と規定する。そして、このように繊維の配向方向を規定した場合に、連結部７ｄは、図３および図４（ａ）中のＸ１側からＹ１側に向かって、その繊維の配向方向が、４５度、０度、９０度、−４５度、０度、９０度、４５度、０度、９０度、−４５度、０度、９０度、９０度、０度、４５度、９０度、０度、−４５度、９０度、０度、４５度、９０度、０度、および−４５度となるように各層が構成されている。

積層部７ａおよび積層部７ｃは、図３に示すように、連結部７ｄを構成する各層が、車外側に屈曲するように形成されており、積層部７ａおよび積層部７ｃのそれぞれを構成する各層の積層順は、図３および図４（ａ）中のＸ１側からＹ１側に向かって、連結部７ｄの積層順と同様になっている。また、積層部７ｂは、連結部７ｄにおける内側部材１３ａ、および内側部材１３ｂのそれぞれを構成する各層が、車外側に屈曲するとともに互いに合わせられて形成されており、積層部７ｂにおける内側部材１３ａ、および内側部材１３ｂのそれぞれを構成する各層の積層順は、連結部７ｄにおける内側部材１３ａ、および内側部材１３ｂの積層順と同様になっている（図３および図４（ｂ）中のＸ２側からＹ２側まで参照）。

ここでは、積層部７ａ、積層部７ｃ、および積層部７ｂの各層における繊維の配向方向を特定するために、図２に示すＥ字状部材７が延びる上方向と一致する配向方向は０度とし、Ｅ字状部材７が延びる上方向に対して車外側に４５度をなす方向と一致する配向方向は４５度とし、Ｅ字状部材７が延びる上方向に対して車外側に９０度をなす方向と一致する配向方向は９０度とし、Ｅ字状部材７が延びる上方向に対して車外側に１３５度をなす方向と一致する配向方向は−４５度と規定する。

このように繊維の配向方向を規定した場合に、積層部７ａは、図３および図４（ａ）中のＸ´１側からＹ´１側に向かって、その繊維の配向方向が、４５度、０度、９０度、−４５度、０度、９０度、４５度、０度、９０度、−４５度、０度、９０度、９０度、０度、４５度、９０度、０度、−４５度、９０度、０度、４５度、９０度、０度、および−４５度となるように各層が構成されている。

そして、積層部７ｃは、図３および図４（ａ）中のＸ´´１側からＹ´´１側に向かって、その繊維の配向方向が、−４５度、０度、９０度、４５度、０度、９０度、−４５度、０度、９０度、４５度、０度、９０度、９０度、０度、−４５度、９０度、０度、４５度、９０度、０度、−４５度、９０度、０度、および４５度となるように各層が構成されている。

そして、積層部７ｂは、図３および図４（ｂ）中のＸ´２側からＹ´２側に向かって、その繊維の配向方向が、−４５度、０度、９０度、４５度、０度、９０度、−４５度、０度、９０度、４５度、０度、９０度、９０度、０度、−４５度、９０度、０度、４５度、９０度、０度、−４５度、９０度、０度、および４５度となるように各層が構成されている。

次に、Ｅ字状部材７の弱部１２（図２参照）における積層部７ａ、積層部７ｂ、積層部７ｃ、および連結部７ｄについて説明する。図５に示すように、この弱部１２における積層部７ａ、積層部７ｂ、積層部７ｃ、および連結部７ｄは、それぞれを構成する層が密である部分と、疎である部分とを有している。このような層の疎密は、後記するように、Ｅ字状部材７の作製時におけるプリプレグの積層数によって形成されるものである。

まず、連結部７ｄの層構成について説明する。図５に示すように、連結部７ｄにおける内側部材１３ａ、および内側部材１３ｂに相当する部分では、それらの車内側であって、積層部７ａと積層部７ｂとの間の中央部近傍、および積層部７ｂと積層部７ｃとの間の中央部近傍で層が密になっている。そして、それぞれの端部（車体の前後方向）に向かうにつれて層が疎になっている。また、連結部７ｄにおける外側部材１４に相当する部分では、それらの車内側であって、積層部７ａと積層部７ｃとの間の中央部近傍で層が密になっている。

このような連結部７ｄにおいて、図５中のＸ１−Ｙ１線部分の層構成は、層が密である内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂと、層が密である外側部材１４とが重なり合って、Ｅ字状部材７の強部１１（図２参照）における連結部７ｄの層構成（図３中のＸ１−Ｙ１線部分）と同様になっている。そして、図５中のＸ３−Ｙ３線部分の層構成は、層が密である内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂと、層が疎である外側部材１４とが重なり合って、図６(ａ)に示すように、Ｘ３側からＹ３側に向かって、その繊維の配向方向が、４５度、０度、９０度、−４５度、０度、９０度、４５度、０度、９０度、−４５度、０度、９０度、０度、９０度、−４５度、０度、９０度、および−４５度となっている。

そして、図５中のＸ４−Ｙ４線部分の層構成は、層が疎である内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂと、層が疎である外側部材１４とが重なり合って、図６(ｂ)に示すように、Ｘ４側からＹ４側に向かって、その繊維の配向方向が、４５度、９０度、０度、４５度、９０度、０度、０度、９０度、−４５度、０度、９０度、および−４５度となっている。

そして、図５中のＸ５−Ｙ５線部分の層構成は、層が疎である内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂと、層が密である外側部材１４とが重なり合って、図６(ｃ)に示すように、Ｘ５側からＹ５側に向かって、その繊維の配向方向が、４５度、９０度、０度、４５度、９０度、０度、９０度、０度、４５度、９０度、０度、−４５度、９０度、０度、４５度、９０度、０度、および−４５度となっている。

次に、Ｅ字状部材７の弱部１２（図２参照）を形成する積層部７ａ、積層部７ｃ、および積層部７ｂの層構成について説明する。図５および図６（ｄ）に示すように、Ｘ６−Ｙ６線部分で表わされる、連結部７ｄから延びる積層部７ａの基端部、および連結部７ｄから延びる積層部７ｃの基端部には、内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂのそれぞれにおける４５度、９０度、０度、４５度、９０度、および０度の層、ならびに連結部７ｄ（外側部材１４）の最も車内側に位置する−４５度の層が延びている。
また、図５および図６（ｅ）に示すように、Ｘ７−Ｙ７線部分で表わされる、連結部７ｄから延びる積層部７ｂの基端部には、内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂのそれぞれにおける４５度、９０度、０度、４５度、９０度、および０度の層が延びている。

弱部１２（図２参照）における積層部７ａおよび積層部７ｃのそれぞれは、図５に示すように、これらの基端部を除いて、連結部７ｄ（内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂ）の最も車外側に位置する４５度の層、ならびに連結部７ｄ（内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂ）の最も車内側に位置する−４５度の層が車外側に屈曲するように形成されている。つまり、図５および図６（ｆ）に示すように、Ｘ８−Ｙ８線部分で表わされる積層部７ａ、および積層部７ｃには、内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂのそれぞれにおける４５度、および−４５度の層が延びている。また、図５および図６（ｇ）に示すように、Ｘ９−Ｙ９線部分で表わされる積層部７ｂには、内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂのそれぞれにおける４５度、および４５度の層が延びている。

ここでは、前記した強部１１と同様に、弱部１２での積層部７ａ、積層部７ｃ、および積層部７ｂの各層における繊維の配向方向を特定するために、図２に示すＥ字状部材７が延びる上方向と一致する配向方向は０度とし、Ｅ字状部材７が延びる上方向に対して車外側に４５度をなす方向と一致する配向方向は４５度とし、Ｅ字状部材７が延びる上方向に対して車外側に９０度をなす方向と一致する配向方向は９０度とし、Ｅ字状部材７が延びる上方向に対して車外側に１３５度をなす方向と一致する配向方向は−４５度と規定する。

このように繊維の配向方向を規定した場合に、積層部７ａの基端部は、図５および図６（ｄ）中のＸ´６側からＹ´６側に向かって、その繊維の配向方向が、４５度、９０度、０度、４５度、９０度、０度、および−４５度となるように各層が構成されている。
そして、積層部７ｃの基端部は、図５および図６（ｄ）中のＸ´´６側からＹ´´６側に向かって、その繊維の配向方向が、−４５度、９０度、０度、−４５度、９０度、０度、および４５度となるように各層が構成されている。
そして、積層部７ｂの基端部は、図５および図６（ｅ）中のＸ´７側からＹ´７側に向かって、その繊維の配向方向が、−４５度、９０度、０度、−４５度、９０度、０度、０度、９０度、４５度、０度、９０度、および４５度となるように各層が構成されている。
そして、積層部７ａは、図５および図６（ｆ）中のＸ´８側からＹ´８側に向かって、その繊維の配向方向が、４５度、および−４５度となるように各層が構成されている。
そして、積層部７ｃは、図５および図６（ｆ）中のＸ´´８側からＹ´´８側に向かって、その繊維の配向方向が、−４５度、および４５度となるように各層が構成されている。
そして、積層部７ｂは、図５および図６（ｇ）中のＸ´９側からＹ´９側に向かって、その繊維の配向方向が、−４５度、および４５度となるように各層が構成されている。
ちなみに、連結部７ｄから車外側に向かって屈曲するように延びて、Ｅ字状部材７の最も外側を覆う−４５度層と、最も内側を覆う４５度層との間は、前記した熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）で満たされることとなる。

ピラー部材４のＥ字状部材９（図２参照）は、Ｅ字状部材７の強部１１（図３参照）と同様の層構成となっている。ただし、後記するように、Ｅ字状部材９は、Ｅ字状部材７のように各層に継ぎ目１５（図１３参照）を有していない点でＥ字状部材７と相違している。つまり、Ｅ字状部材９における３つの板状の補強部９ａ，９ｂ，９ｃ（図２参照）は、Ｅ字状部材７の強部１１における３つの積層部７ａ，７ｂ，７ｃ（図３参照）に対応しており、補強部９ｄ（図２参照）は、Ｅ字状部材７の強部１１における連結部７ｂ（図３参照）に対応している。

次に、Ｅ字状部材７の積層部７ａ，７ｂ，７ｃにおける強部１１と、弱部１２とにおける双方の機械的物性値の相違について説明する。
Ｅ字状部材７の積層部７ａ，７ｂ，７ｃにおける強部１１は、図３、図４（ａ）および図４（ｂ）におけるＸ´１側乃至Ｙ´１側間、Ｘ´´１側乃至Ｙ´´１側間、およびＸ´２側乃至Ｙ´２側間を構成する層に、その繊維の配向方向が、０度、および９０度となる層を含んでいる。なお、ここでの配向方向は、積層部７ａ，７ｂ，７ｃが延びる上方向と一致する配向方向は０度とし、積層部７ａ，７ｂ，７ｃが延びる上方向に対して車外側に９０度をなす方向と一致する配向方向は９０度と規定してる。

そして、積層部７ａ，７ｂ，７ｃにおける弱部１２は、図５、図６（ｆ）および図６（ｇ）におけるＸ´８側乃至Ｙ´８側間、Ｘ´´８側乃至Ｙ´´８側間、およびＸ´９側乃至Ｙ´９側間を構成する層が、４５度、および−４５度層となっている。なお、ここでの配向方向は、積層部７ａ，７ｂ，７ｃが延びる上方向に対して車外側に４５度をなす方向と一致する配向方向は４５度とし、積層部７ａ，７ｂ，７ｃが延びる上方向に対して車外側に１３５度をなす方向と一致する配向方向は−４５度と規定している。

ここでは、積層部７ａ，７ｂ，７ｃの長手方向に引張り応力が生じた際の、「繊維の配向方向が０度、および９０度の箇所（強部１１に相当する）」と、「繊維の配向方向が４５度、および−４５度の箇所（弱部１２に相当する）」」とにおける、ひずみ率の相違について説明する。

図７に示すように、「繊維の配向方向が０度、および９０度の箇所」（図７中、「０度／９０度方向」で表す）においては、引張り応力に対するひずみ率は小さくなっており、「繊維の配向方向が４５度、および−４５度の箇所」（図７中、「４５度／−４５度方向」で表す）においては、引張り応力に対するひずみ率は大きくなっている。言い換えれば、強部１１は、強くて脆い特性を有するとともに、弱部１２は、弱くて延びる特性を有することとなる。また、圧縮応力に対するひずみ率の関係では、特に図で説明しないが、強部１１は、強くて脆い特性を有するとともに、弱部１２は、弱くて縮みやすい特性を有することとなる。

本実施形態での強部１１および弱部１２は、前記したように、ＣＦＲＰ積層板で形成されているが、他の繊維強化プラスチックや、繊維強化金属で形成されていてもよい。このような他の繊維強化複合材料で形成された強部１１および弱部１２であっても、繊維の配向方向を制御することで、積層部７ａ，７ｂ，７ｃの長手方向に機械的物性値の異なる部材が入れ替わりに連続するように形成することができる。言い換えれば、部材の機械的物性値に異方性を付与することで機械的物性値の変更が可能となる。また、強部１１および弱部１２の材料は、等方性を有する、繊維強化プラスチック、繊維強化金属、鉄、アルミニウム、樹脂等の材料から選択した相互に機械的物性値の異なる２種を選択して使用してもよい。また、強部１１および弱部１２は、等方性を有する、鉄、アルミニウム、樹脂等の単一材料の延伸方向を制御することで、機械的物性値に異方性を付与したもので形成してもよい。なお、前記した機械的物性値としては、公知の物性値でよく、前記したひずみ率のほか、例えば、引張強度、圧縮強度、曲げ弾性等が挙げられる。

以上のようなピラー部材４は、曲げ変形における荷重特性がフラットになる部材である。ここで「荷重特性がフラット」とは、図８に示すように、ピラー部材４に曲げ変形を加える荷重を入力した際に、曲げ変形の変位量が次第に増大していくとともに、ピーク荷重Ｘを示した変位量から更に変位量が増大したとしても入力する荷重の変動がフラットになる状態をいう。なお、図８に、比較例として、部材Ｑの荷重特性を併せて示す。この部材Ｑは、ピラー部材４と同形状であって、Ｅ字状部材７の層構成をＥ字状部材９と同様に設定したものである。この部材Ｑは、ピーク荷重Ｙを示した後に、曲げ変形の変位量がさらに増大することで、入力する荷重が急激に落ち込むように変動する。この部材Ｑの荷重特性は、フラットでない場合を典型的に表わしている。したがって、本発明の特徴である強弱構造をとらずに、単にＣＦＲＰ積層板で構成したもの（例えば、部材Ｑ）が配置された車体構造は、本発明の効果を奏し得ない。

次に、本実施形態に係る車体構造１の動作について適宜図面を参照しながら説明しつつ、この車体構造１の作用効果について説明する。参照する図面において、図９は、車体構造に荷重が入力された際に、ルーフクロスメンバ、フロアクロスメンバ、およびピラー部材が曲げ変形する様子を示す模式図である。図１０は、車体構造の荷重特性を示すグラフであり、縦軸が車体構造に入力される荷重であり、横軸は、車体構造（ピラー部材）の変位量である。図１１は、本実施形態に係る車体構造を備える車両に他の車両（相手車両）が側面衝突した際の車体進入量を示すグラフであり、縦軸が相手車両で測定される反力であり、横軸が車体進入量である。

この車体構造１では、例えば、衝突等によって車両Ｖ（図１参照）の側方から荷重が入力すると、図９に示すように、ピラー部材４に荷重が入力されるとともに、ルーフクロスメンバ２にはアルミブラケット６周りでモーメントＭ１が生じ、フロアクロスメンバ３には、アルミブラケット６周りでモーメントＭ２が生じる。そして、このモーメントＭ１によって、ルーフクロスメンバ２は、二点鎖線で示す位置から実線で示す位置へと変位する。また、モーメントＭ２によって、フロアクロスメンバ３は、二点鎖線で示す位置から実線で示す位置へと変位する。このとき、ルーフクロスメンバ２およびフロアクロスメンバ３は、高強度部材で構成されているので、その変位量が僅かであり、ルーフクロスメンバ２およびフロアクロスメンバ３よりも、ピラー部材４は優先的に曲げ変形を生じる。そして、ピラー部材４は、積層部７ａ，７ｂ，７ｃを備えており、この積層部７ａ，７ｂ，７ｃには、その長手方向に強くて脆い機械的物性値を示す部分（強部１１）と、弱くて延びる機械的物性値を示す部分（弱部１２）とが入れ替わりで連続するように配置されている。その結果、ピラー部材４は、フラットな荷重特性を示しながら曲げ変形を生じていく。

このことは、強くて脆い部分の間に、弱くて延びる部分が挟み込まれることで、曲げ変形の範囲が積層部７ａ，７ｂ，７ｃの長手方向の広い範囲で生じるとともに、ピラー部材４に入力された荷重負荷を分散させることによる。つまり、積層部７ａ，７ｂ，７ｃの曲げモーメントの分布は、分布荷重時のように、荷重入力部から周辺部に向かって広げられることとなる。また、曲げモーメントの分布が広げられることで、強くて脆い部分にも大きな曲げモーメントがかかることとなって荷重を発生させることができる。つまり、このような積層部７ａ，７ｂ，７ｃを備えるピラー部材４は、フラットな荷重特性を示しながら曲げ変形を生じていく。

次に、このようなピラー部材４を備えた車体構造１の荷重特性を更に具体的に説明する。ここでは、車体構造１の外側からピラー部材４に重さ３０ｔで充分な剛性を有する重量物を時速５５ｋｍで衝突させた。その結果、車体構造１では、図１０に示すように、ピラー部材４の曲げ変形の変位量（図１０の横軸で示す）が次第に増大していくとともに、ピラー部材４の荷重（図１０の縦軸で示す）がピークとなる変位量から更に変位量が増大したとしても、入力する荷重の変動がフラットになっている。そして、比較例として、従来のショットピーニング処理した鋼材（ＳＰ材）を使用した以外は車体構造１と同様の環状構造（図１０中、「従来の車体構造」と記す）においても、車体構造１に行ったと同じ条件で重量物を衝突させた。その結果、図１０に示すように、従来の車体構造では、車体構造の構成部材におけるピーク荷重を示した後に構成部材が降伏するために、ピーク荷重後の荷重が低下しており、従来の車体構造はフラットな荷重特性を示していない。そして、車体構造１では、従来の車体構造と比較して荷重値自体が高くなっている。

次に、車体構造１を備えた車両Ｖ（図１参照）である自動車（以下、「車体構造１を備えた自動車」という）の側面に、他の自動車（以下、「相手車両」という）を時速５５ｋｍで衝突させた際の車体進入量を測定した。具体的には、車体構造１を備えた自動車に相手車両を衝突させた際の、相手車両で測定される反力を測定するとともに、車体構造１を備えた自動車のセンタピラー５（図１参照）の位置における車体進入量を測定した。ちなみに、車体構造１を備えた自動車の重量は１．５ｔであり、相手車両の重量は３０ｔであった。その結果を図１１に示す。なお、図１１中、「車体構造１を備えた自動車」を単に「車体構造１」と記す。

また、９８０ＭＰａ級のハイテンシルスチール（以下、「ハイテン」という）を使用した以外は車体構造１と同様の環状構造を適用した自動車においても、車体構造１に行ったと同じ条件で相手車両を衝突させて、前記反力と前記車体進入量とを測定した。ちなみに、ハイテン環状構造を使用した自動車の重量は１．６ｔであった。その結果を図１１に示す。なお、図１１中、「ハイテン環状構造を使用した自動車」を単に「ハイテン環状構造」と記す。

また、車体構造１やハイテン環状構造を有していない自動車（以下、単に「従来の車体構造を使用した自動車」という）においても、車体構造１に行ったと同じ条件で相手車両を衝突させて、前記反力と前記車体進入量とを測定した。その結果を図１１に示す。なお、図１１中、「従来の車体構造を使用した自動車」を単に「従来の車体構造」と記す。

車体構造１を備えた自動車は、図１１に示すように、ピラー部材４（図１参照）の曲げ変形による荷重の低下を起こさないので、ピラー部材４の折れ曲がりによる車体進入量を、ハイテン環状構造を使用した自動車や、従来の車体構造を使用した自動車と比較して半減することができた。
また、ハイテン環状構造は、ピーク荷重が初期に発生するのみで、衝突のエネルギを充分に吸収することができないために、車体進入量を充分に低減することができないと考えられる。これに対して、車体構造１は、この図１１からも、フラットな荷重特性を有することが明らかであり、このことから車体構造１は、車体進入量が充分に低減されたものと考えられる。
また、車体構造１は、ハイテン環状構造と比較して、１００ｋｇ程度の重量を軽減することができた。

以上のような車体構造１および車両Ｖによれば、外部から荷重が入力した際に、局部的な曲げ変形を充分に抑制し、衝突時の車体変形量を抑制することができる。

次に、ピラー部材４の製造方法について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図１２は、Ｅ字状部材７の製造工程を説明するための斜視図であり、（ａ）および（ｂ）は、Ｅ字状部材７の内側部材の製造工程を示す図、（ｃ）および（ｄ）は、Ｅ字状部材７の内側部材の製造工程を示す図である。図１３は、図３中のＤ部拡大図である。

この製造方法では、図１２（ａ）に示すように、所定の型（図示せず）に内側部材１３ａ，１３ｂ（図３参照）の第１層目（図３に示す内側部材１３ａまたは内側部材１３ｂの最も車外側に位置する層）に相当する長尺のプリプレグ２１が断面視で略Ｃ字状に配置される。次いで、このプリプレグ２１の折り曲げ部を覆うように略Ｃ字状のプリプレグ２２ａがプリプレグ２１の上側に配置される。そして、プリプレグ２１の両側面には、その長手方向に沿うように、複数の矩形のプリプレグ２２ｂが所定の間隔をあけて配置される。

次に、図１２（ｂ）に示すように、プリプレグ２２ａとプリプレグ２２ｂとの継ぎ目１５、およびプリプレグ２２ａの折り曲げ部を覆うとともに、プリプレグ２２ｂと重なるように複数のプリプレグ２３ｂが前記した所定の間隔で配置される。そして、プリプレグ２２ａの上側には、プリプレグ２２ａの長手方向に沿うように、プリプレグ２３ａが配置される。そして、図１２（ａ）および（ｂ）に示す工程を６工程繰り返すことによって、内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂ（図３参照）が形成されることとなる。

次に、図１２（ｃ）に示すように、前記した工程を経て得られた内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂは、横並びに配置される。そして、内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂの長手方向に沿う上側の角部を覆うように、複数のプリプレグ２４ｂが、並べられた内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂの両側面に配置される。このとき、プリプレグ２４ｂは、プリプレグ２３ａおよびプリプレグ２３ｂとの継ぎ目１５ａを覆うとともに、プリプレグ２３ｂと重なるように配置される。次に、並べられた内側部材１３ａおよび内側部材１３ｂの上側には、その長手方向に沿うように、プリプレグ２４ａが配置される。このとき、プリプレグ２４ａは、プリプレグ２３ａとプリプレグ２３ｂとの継ぎ目１５ｂを覆うように配置される。

次に、図１２（ｄ）に示すように、プリプレグ２４ｂの折り曲げ部を覆うようにプリプレグ２４ｂに重ねて複数のプリプレグ２５ｂが配置される。そして、プリプレグ２４ａとプリプレグ２４ｂとの継ぎ目１５ｃを覆うようにプリプレグ２４ａの長手方向に沿ってプリプレグ２５ａが配置される。そして、図１２（ｃ）および（ｄ）に示す工程を５工程繰り返してから、さらに図１２（ｃ）に示す工程を行った後に、図３に示す最も車内側に位置する層が積層されることによって、外側部材１４（図３参照）が形成される。
ちなみに、プリプレグ２２ｂ、プリプレグ２３ｂ、プリプレグ２４ｂ、およびプリプレグ２５ｂが相互に重なっている部分で強部１１（図２参照）が形成され、プリプレグ２１の長手方向に沿うようにプリプレグ２２ｂ同士の間、プリプレグ２３ｂ同士の間、プリプレグ２４ｂ同士の間、およびプリプレグ２５ｂ同士の間に所定の間隔で設けられた隙間で弱部１２（図２参照）が形成される。ちなみに、この弱部１２は、前記したように、熱硬化性樹脂で埋められて形成されることとなる。

このような工程を経て得られた積層体は、後記するように熱硬化されてＥ字状部材７となる。ちなみに、Ｅ字状部材７では、このような積層工程を経ることによって、図１３に示すように、継ぎ目１５が、隣接する層２０によってオーバーラップされることとなる。その結果、各層２０間での所定の強度は維持されることとなる。

次に、Ｅ字状部材９を得るための積層体が形成される。この積層体は、継ぎ目１５を有していない以外は、Ｅ字状部材７を得るための積層体の強部１１（図２参照）となる部分と同様の層構成となっている。したがって、図３に示す層構成となるように所定のプリプレグが継ぎ目１５（図４参照）なしに順次に積層していくことによってこの積層体は得られる。

そして、Ｅ字状部材７を得るための積層体と、Ｅ字状部材９を得るための積層体とが、相互の外側部材１４に対応する部分で合わせられるとともに、これを熱硬化させることによってピラー部材４が製造される。

以上、本発明の車体構造を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に何ら制限されるものではない。以下、本発明の他の実施形態について適宜図面を参照しながら説明する。なお、参照する図面において、図１４（ａ）および（ｂ）は、他の実施形態に係る車体構造で使用するピラー部材の部分斜視図である。図１５（ａ）および（ｂ）は、車両における車体構造の配置位置を説明するための斜視図である。

前記実施形態では、ピラー部材４のＥ字状部材７が、板状の部材（積層部７ａ，７ｂ，７ｃ、連結部７ｄ）から形成されているが、本発明の車体構造では、図１４（ａ）に示すように、ピラー部材４が中実の長尺部材であってもよいし、図１４（ｂ）に示すように、ピラー部材４が中空の長尺部材であってもよい。このようなピラー部材４では、このピラー部材４の長手方向に沿って、機械的物性値が相互に異なる部材２０および部材２１が入れ替わりに連続して配置されている。なお、このピラー部材４の断面の外形は、矩形を呈しているが、この形状に特に制限はなく、矩形以外の多角形、円形、楕円形のいずれであってもよい。

また、前記実施形態では、ピラー部材４の長手方向に機械的物性値の異なる２種の部材が入れ替わりに連続して配置されているが、本発明は、機械的物性値の異なる３種以上の部材が入れ替わりに連続して配置されているピラー部材４を備えるものであってもよい。

また、前記実施形態では、ピラー部材４の積層部７ａ，７ｂ，７ｃを構成する複数層のうち、一部の層で、機械的物性値の異なる２種の部材が入れ替わりに連続して配置されているが、本発明は、積層部７ａ，７ｂ，７ｃの全ての層で機械的物性値の異なる２種の材料が入れ替わりに連続して配置されているものであってもよい。

また、前記実施形態では、ピラー部材４が、積層部７ａ，７ｂ，７ｃ、および連結部７ｄを有するＥ字状部材７と、補強部９ａ，９ｂ，９ｃ、および連結部９ｄを有するＥ字状部材９とで構成されているが、本発明は、ピラー部材４が積層部７ａ，７ｂ，７ｃのみで構成されるものであってもよい。

また、前記実施形態では、車体構造１が車体の両側にそれぞれ設けられるセンタピラー５の間に配置されているが、本発明は、図１５（ａ）に示すように、車体の側面に沿うように配置されていてもよい。このとき、上側の高強度部材２ａは、例えば、ルーフサイドレール（図示せず）に沿うように配置され、下側の高強度部材２ｂは、サイドシル（図示せず）に沿うように配置され、前側の高エネルギ吸収部材４ａがフロントピラー（図示せず）に沿うように配置され、後側の高エネルギ吸収部材４ｂがリアピラー（図示せず）に沿うように配置されてもよい。

また、本発明は、図１５（ｂ）に示すように、車体構造１が車体の床面に沿うように配置されていてもよい。このとき、前側の高強度部材２ａは、例えば、フロントフロアクロスメンバ（図示せず）に沿うように配置され、後側の高強度部材２ｂは、リアフロアクロスメンバ（図示せず）に沿うように配置され、左右両側の高エネルギ吸収部材４ａ，４ｂがサイドシル（図示せず）に沿うように配置されてもよい。

実施形態に係る車体構造を備えた車両の斜視図である。 実施形態に係る車体構造を構成するピラー部材の斜視図であり、図１のＡ部における部分拡大図（一部に破断部を含む）である。 ピラー部材における積層部および連結部の強部の断面を模式的に示す図であり、図２のＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、積層部および連結部の強部における層構成を模式的に示す図である。 ピラー部材における積層部および連結部の弱部の断面を模式的に示す図であり、図２のＣ−Ｃ断面図である。 （ａ）から（ｇ）は、積層部および連結部の弱部における層構成を模式的に示す図である。 積層部の長手方向に引張り応力が生じた際の、「繊維の配向方向が０度、および９０度の箇所」と、「繊維の配向方向が４５度、および−４５度の箇所」とにおける、ひずみ率の相違について説明するためのグラフである。 ピラー部材に曲げ変形を加える荷重を入力した際に、荷重の変動がフラットになる状態を示すグラフであり、縦軸が「曲げ変形を加える荷重」であり、横軸が「曲げ変形の変位量」である。 車体構造に荷重が入力された際に、ルーフクロスメンバ、フロアクロスメンバ、およびピラー部材が曲げ変形する様子を示す模式図である。 車体構造の荷重特性を示すグラフであり、縦軸が車体構造に入力される荷重であり、横軸は、車体構造（ピラー部材）の変位量である。 車体構造を備える車両に他の車両（相手車両）が側面衝突した際の車体進入量を示すグラフであり、縦軸が相手車両で測定される反力であり、横軸が車体進入量である。 （ａ）および（ｂ）は、Ｅ字状部材の内側部材の製造工程を示す図、（ｃ）および（ｄ）は、Ｅ字状部材の内側部材の製造工程を示す図である。 図３中のＤ部拡大図である。 （ａ）および（ｂ）は、他の実施形態に係る車体構造で使用するピラー部材の部分斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、車両における車体構造の配置位置を説明するための斜視図である。 従来の車体構造を示す斜視図である。

符号の説明

１ 車体構造
２ ルーフクロスメンバ（高強度部材）
２ａ 高強度部材
２ｂ 高強度部材
３ フロアクロスメンバ（高強度部材）
４ ピラー部材（高エネルギ吸収部材）
４ａ 高エネルギ吸収部材
４ｂ 高エネルギ吸収部材
５ センタピラー
６ アルミブラケット（締結部）
７ａ 積層部
７ｂ 積層部
７ｃ 積層部
Ｍ１ モーメント
Ｍ２ モーメント

Claims (6)

1. 曲げ変形における荷重特性がフラットとなる高エネルギ吸収部材と、高強度部材とを備える車体構造であって、
   前記高エネルギ吸収部材と前記高強度部材とで環状形状を形成したことを特徴とする車体構造。
2. 前記高強度部材が、前記高エネルギ吸収部材との締結部を通じて生じるモーメントによって弾性変形する間、前記高エネルギ吸収部材が曲げ変形を生じることを特徴とする請求項１に記載の車体構造。
3. 前記高エネルギ吸収部材が、長尺であってその長手方向に延びる積層部を有しており、前記積層部は、機械的物性値に等方性または異方性を備える２種以上の材料のそれぞれが、前記積層部の少なくとも１部の層で前記積層部の長手方向に沿って入れ替わりに連続するように配置されて構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車体構造。
4. 前記高エネルギ吸収部材が、前記積層部をその横断面方向に複数連結して構成されていることを特徴とする請求項３に記載の車体構造。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の車体構造を備えることを特徴とする車両。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の車体構造を、車体の両側にそれぞれ設けられるセンタピラーの間に配置したことを特徴とする車両。
   

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