JP2015048042A - Ｃｆｒｐ製筒状部材およびｃｆｒｐ製筒状部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＦＲＰ製筒状部材に軸方向の圧縮荷重が入力したときのエネルギー吸収量を増加させる。【解決手段】 ＣＦＲＰ製筒状部材１１は、ＣＦＲＰの積層材よりなる筒状の外層部１３と、外層部１３の内周に積層されるＣＦＲＰの積層材よりなる筒状の内層部１２とを備える。外層部１３は複数の頂点および複数の辺を有する多角形断面であり、内層部１２は外層部１３よりも頂点および辺の数が多い多角形断面であり、外層部１３の少なくとも一つの頂点に連なる二つの辺と、内層部１２の一つの辺とにより三角形断面の空間を形成したので、ＣＦＲＰ製筒状部材１１の内部を複数の閉断面部で仕切り、かつ前記閉断面部を構成する三角形断面の空間でＣＦＲＰ製筒状部材１１の稜線ａ〜ｄ近傍の剛性を高めて内層部１２および外層部１３の面外変形を抑制することで、軸方向の圧縮荷重に対するエネルギー吸収量を増加させることができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、ＣＦＲＰの積層材よりなる筒状の外層部と、前記外層部の内周に積層されるＣＦＲＰの積層材よりなる筒状の内層部とを備えるＣＦＲＰ製筒状部材と、そのＣＦＲＰ製筒状部材の製造方法とに関する。

自動車のＣＦＲＰ製のサイドシル（ロッカ）の内部に、車幅方向に一定の円弧状波型断面を有するエネルギー吸収部材を配置することで、サイドシルに側面衝突の衝突荷重が入力したときにエネルギー吸収部材の破壊によりエネルギー吸収を行うものが、下記特許文献１により公知である。

また航空機の翼の構成部材を複数の炭素繊維層を積層したＣＦＲＰで構成するものにおいて、コーナー部における炭素繊維層の積層数を、コーナー部に隣接する直線部における炭素繊維層の積層数よりも多くするものが、下記特許文献２により公知である。

特許第４８４００７２号公報 特開２０１２−１７６６１４号公報

ところで、複数の炭素繊維層を積層してＣＦＲＰ製の多角形断面の筒状部材を構成した場合、その筒状部材に軸方向の圧縮荷重が入力すると、多角形断面の頂点に対応する稜線が応力集中により座屈して筒状部材が中間部で折れ曲がってしまい、筒状部材を軸方向に順次圧壊して充分なエネルギー吸収効果を発揮させることが困難になる問題がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ＣＦＲＰ製筒状部材に軸方向の圧縮荷重が入力したときのエネルギー吸収量を増加させることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、ＣＦＲＰの積層材よりなる筒状の外層部と、前記外層部の内周に積層されるＣＦＲＰの積層材よりなる筒状の内層部とを備えるＣＦＲＰ製筒状部材であって、前記外層部は複数の頂点および複数の辺を有する多角形断面であり、前記内層部は前記外層部よりも頂点および辺の数が多い多角形断面であり、前記外層部の少なくとも一つの頂点に連なる二つの辺と、前記内層部の一つの辺とにより三角形断面の空間を形成したことを特徴とするＣＦＲＰ製筒状部材が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記三角形断面の空間に臨む前記内層部の一つの辺の外面に補強層を積層したことを特徴とするＣＦＲＰ製筒状部材が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記三角形断面の空間にコア材を配置したことを特徴とするＣＦＲＰ製筒状部材が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記ＣＦＲＰ製筒状部材は、荷重が入力する一端側から他端側に向けて断面が拡大することを特徴とするＣＦＲＰ製筒状部材が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、前記ＣＦＲＰ製筒状部材は、自動車のフロントピラーロアの上端とフロントピラーアッパーの下端との接合部から前方に延びるアッパーメンバであることを特徴とするＣＦＲＰ製筒状部材が提案される。

また請求項６に記載された発明によれば、請求項３に記載のＣＦＲＰ製筒状部材の製造方法であって、前記内層部を形成する工程と、前記内層部の外周に前記コア材を配置する工程と、前記内層部および前記コア材の外周に外層部を積層する工程とを含むことを特徴とするＦＲＰ製筒状部材の製造方法が提案される。

請求項１の構成によれば、ＣＦＲＰ製筒状部材は、ＣＦＲＰの積層材よりなる筒状の外層部と、外層部の内周に積層されるＣＦＲＰの積層材よりなる筒状の内層部とを備える。外層部は複数の頂点および複数の辺を有する多角形断面であり、内層部は外層部よりも頂点および辺の数が多い多角形断面であり、外層部の少なくとも一つの頂点に連なる二つの辺と、内層部の一つの辺とにより三角形断面の空間を形成したので、ＣＦＲＰ製筒状部材の内部を複数の閉断面部で仕切り、かつ前記閉断面部を構成する三角形断面の空間でＣＦＲＰ製筒状部材の稜線近傍の剛性を高めて内層部および外層部の面外変形を抑制することで、軸方向の圧縮荷重が入力してＣＦＲＰ製筒状部材が圧壊するときの衝突エネルギーの吸収量を増加させることができる。

また請求項２の構成によれば、三角形断面の空間に臨む内層部の一つの辺の外面に補強層を積層したので、補強層で内層部の強度を高めることで衝突エネルギーの吸収量を増加させることができる。

また請求項３の構成によれば、三角形断面の空間にコア材を配置したので、コア材の破壊により衝突エネルギーの吸収量を増加させることができる。

また請求項４の構成によれば、ＣＦＲＰ製筒状部材は、荷重が入力する一端側から他端側に向けて断面が拡大するので、軸方向の荷重が入力したときに断面が小さい一端側から断面が大きい他端側に向けて順次破壊して衝突エネルギーの吸収量を増加させることができる。

また請求項５の構成によれば、ＣＦＲＰ製筒状部材は、自動車のフロントピラーロアの上端とフロントピラーアッパーの下端との接合部から前方に延びるアッパーメンバであるので、アッパーメンバに入力した前面衝突の衝突エネルギーをフロントピラーロアおよびフロントピラーアッパーに効率的に伝達して吸収することができる。

また請求項６の構成によれば、請求項３に記載のＣＦＲＰ製筒状部材の製造方法が、内層部を形成する工程と、内層部の外周にコア材を配置する工程と、内層部およびコア材の外周に外層部を積層する工程とを含むので、内層部および外層部間にコア材を備えるＣＦＲＰ製筒状部材を容易に製造することができる。

ＣＦＲＰ製筒状部材の斜視図および断面図。 ＣＦＲＰ製筒状部材の他の実施の形態の断面図。 図２（Ｂ）に示すＣＦＲＰ製筒状部材の製造工程の説明図。 自動車の車体前部の部分斜視図。

以下、図１〜図４に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１に示すように、ＣＦＲＰ（カーボン繊維強化樹脂）製筒状部材１１は、八角形断面の内層部１２および四角形断面の外層部１３よりなる２層構造を有している。内層部１２は複数層に積層したカーボン繊維のシ−トを樹脂で固めたもので、八角形の断面形状は八つの辺Ａ〜Ｈを備え、辺Ａおよび辺Ｅは平行であり、辺Ｂおよび辺Ｆは平行であり、辺Ｃおよび辺Ｇは平行であり、辺Ｄおよび辺Ｈは平行である。外層部１３は複数層に積層したカーボン繊維のシ−トを樹脂で固めたもので、四角形の断面形状は四つの辺Ｉ〜Ｌを備え、辺Ｉおよび辺Ｋは平行であり、辺Ｊおよび辺Ｌは平行である。

内層部１２の外周に外層部１３を積層した状態で、辺Ａおよび辺Ｉが重なり、辺Ｃおよび辺Ｊが重なり、辺Ｅおよび辺Ｋが重なり、辺Ｇおよび辺Ｌが重なる。そして辺Ｉ，Ｊが交差する角部と辺Ｂとにより三角形の空間が形成され、辺Ｊ，Ｋが交差する角部と辺Ｄとにより三角形の空間が形成され、辺Ｋ，Ｌが交差する角部と辺Ｆとにより三角形の空間が形成され、辺Ｌ，Ｉが交差する角部と辺Ｈとにより三角形の空間が形成される。

このとき、図２（Ａ）に示すように、四つの三角形の空間に臨む内層部１２の四つの辺Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈの外面に、複数層に積層したカーボン繊維のシ−トを樹脂で固めた補強層１４…を積層しても良い。また図２（Ｂ）に示すように、四つの三角形の空間に、断面三角形のアルミニウム押出材製のハニカム材よりなるコア材１５…を配置しても良い。図３に示すように、コア材１５…を有するＣＦＲＰ製筒状部材１１は、内層部１２を成形する工程（図３（Ａ）参照）と、内層部１２の四つの辺Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈの外面にコア材１５…を接着する工程（図３（Ｂ）参照）と、内層部１２およびコア１５…の外周に外層部１３を成形する工程（図３（Ｃ）参照）とにより容易に製造することができる。

尚、コア材１５…を持たないＣＦＲＰ製筒状部材１１（図１および図２（Ａ）参照）を製造する場合には、ダミーのコア材１５…を用いて外層部１３を成形した後、ダミーのコア材１５…を三角形の空間から引き抜けば良い。

図４はＣＦＲＰ製筒状部材１１を自動車の車体部品に適用した例を示すものである。

ＣＦＲＰでバスタブ状に形成したキャビン２１は、フロアパネル２２の左右両側部に沿って前後方向に延びる左右一対のサイドシル２３，２３と、左右のサイドシル２３，２３の前端から起立する左右一対のフロントピラーロア２４，２４と、フロアパネル２２の前端から起立して左右のフロントピラーロア２４，２４の前端間を接続するダッシュパネルロア２５とを備える。

ダッシュパネルロア２５の前面にはアルミニウム鋳造製の左右一対のダンパーハウジング２６，２６が固定されており、これらのダンパーハウジング２６，２６と一体に形成された左右一対のフロントサイドフレーム２７，２７が前方に延出する。各フロントピラーロア２４の上端にＣＦＲＰ製のアッパーメンバ２８の後端が接続されており、前方に延びるアッパーメンバ２８の前端にＣＦＲＰ製のロアメンバ２９の後端が接続される。また各フロントピラーロア２４の上端にＣＦＲＰ製のフロントピラーアッパー３０の下端が接続されており、フロントピラーアッパー３０は後上方に延びて図示せぬルーフサイドレールに接続される。

本発明のＣＦＲＰ製筒状部材１１を構成するＣＦＲＰ製のアッパーメンバ２８は、ロアメンバ２９に接続される前端から、フロントピラーロア２４およびフロントピラーアッパー３０に接続される後端に向かって次第に太くなる四角形断面の外層部１３と、外層部１３の内部に配置された八角形断面の内層部１２とを備える。外層部１３は辺Ｊおよび辺Ｋを構成する第１部材１６と、辺Ｉおよび辺Ｊを構成する第２部材１７とを、第１部材１６の接合フランジ１６ａ，１６ｂおよび第２部材１７の接合フランジ１７ａ，１７ｂを接合して閉断面に構成される。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

内層部１２を持たない外層部１３だけの従来のＣＦＲＰ製筒状部材１１に軸方向の圧縮荷重が作用すると、外層部１３の四つの稜線ａ，ｂ，ｃ，ｄ（図１および図２参照）に応力が集中することで、ＣＦＲＰ製筒状部材１１が長手方向の中間部で折れ曲がってしまい、荷重が入力する一端側から他端側に順次圧壊させて衝突エネルギーを効率的に吸収することができなくなる。

しかしながら、本実施の形態によれば、四角形断面の外層部１３の内側に八角形断面の内層部１２を配置することで、ＣＦＲＰ製筒状部材１１の四つの稜線ａ，ｂ，ｃ，ｄに臨む位置に四つの三角形の空間を形成したので、ＣＦＲＰ製筒状部材１１の四つの稜線ａ，ｂ，ｃ，ｄの近傍の剛性を高めて面外変形の発生を防止し、ＣＦＲＰ製筒状部材１１の折れ曲がりを防止しながら衝突荷重が入力する前端側から後端側に順次圧壊させ、衝突エネルギーを効率的に吸収することができる。このとき、三角形の空間に補強層１４（図２（Ａ）参照）やコア材１５（図２（Ｂ）参照）を配置すれば、四つの稜線ａ，ｂ，ｃ，ｄの近傍の剛性を更に高めて面外変形の発生を一層確実に防止するとともに、補強層１４やコア材１５自体によってエネルギー吸収量を増加させることができる。

特に、上記ＣＦＲＰ製筒状部材１１を、図４に示す自動車のアッパーメンバ２８に適用した場合、前面衝突の衝突荷重がロアメンバ２９を経てアッパーメンバ２８の前端に軸方向の圧縮荷重として作用し、その圧縮荷重はアッパーメンバ２８からフロントピラーロア２４を介してサイドシル２３およびダッシュパネルロア２４に伝達されるとともに、フロントピラーアッパー３０を介して図示せぬルーフサイドレールに伝達され、各部材に分散されて吸収される。また前記圧縮荷重によりアッパーメンバ２８が軸方向に圧壊して衝突エネルギーを吸収するが、このときアッパーメンバ２８は内層部１２および外層部１３間に四つの三角形の空間を備える構造を持ち、かつ前端部から後端部に向けて断面積が次第に増加することにより、アッパーメンバ２８は中間部で折れ曲がることなく、強度の低い前端部から強度の高い後端部に向けて順次圧壊して衝突エネルギーの吸収効果が高められる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、外層部１３の断面形状は実施の形態の四角形に限定されず、多角形であれば良い。

また内層部１２の断面形状は実施の形態の八角形に限定されず、外層部１３よりも一つ以上多い辺（あるいは頂点）を有していれば良い。つまり外層部１３の断面形状が四角形である場合には、内層部１２の断面形状は五角形ないし八角形であれば良い。

また補強層１４あるいはコア材１５は三角形の空間の全てに設ける必要はなく、その一部だけに設けても良い。

また三角形の空間に補強層１４およびコア材１５の両方を設けても良い。

またコア材１５はハニカム構造のものに限定されず、任意の構造のものを採用することができる。

また補強層１４およびコア材１５の材質は実施の形態に限定されず、任意の材質のものを採用することができる。

また本発明のＣＦＲＰ製筒状部材１１は、実施の形態の自動車車体のアッパーメンバ２８以外の任意の部材に適用することができる。

１１ ＣＦＲＰ製筒状部材
１２ 内層部
１３ 外層部
１４ 補強層
１５ コア材
２４ フロントピラーロア
２８ アッパーメンバ
３０ フロントピラーアッパー

Claims (6)

1. ＣＦＲＰの積層材よりなる筒状の外層部（１３）と、前記外層部（１３）の内周に積層されるＣＦＲＰの積層材よりなる筒状の内層部（１２）とを備えるＣＦＲＰ製筒状部材であって、
   前記外層部（１３）は複数の頂点および複数の辺を有する多角形断面であり、前記内層部（１２）は前記外層部（１３）よりも頂点および辺の数が多い多角形断面であり、前記外層部（１３）の少なくとも一つの頂点に連なる二つの辺と、前記内層部（１２）の一つの辺とにより三角形断面の空間を形成したことを特徴とするＣＦＲＰ製筒状部材。
2. 前記三角形断面の空間に臨む前記内層部（１２）の一つの辺の外面に補強層（１４）を積層したことを特徴とする、請求項１に記載のＣＦＲＰ製筒状部材。
3. 前記三角形断面の空間にコア材（１５）を配置したことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のＣＦＲＰ製筒状部材。
4. 前記ＣＦＲＰ製筒状部材（１１）は、荷重が入力する一端側から他端側に向けて断面が拡大することを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のＣＦＲＰ製筒状部材。
5. 前記ＣＦＲＰ製筒状部材（１１）は、自動車のフロントピラーロア（２４）の上端とフロントピラーアッパー（３０）の下端との接合部から前方に延びるアッパーメンバ（２８）であることを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のＣＦＲＰ製筒状部材。
6. 請求項３に記載のＣＦＲＰ製筒状部材（１１）の製造方法であって、
   前記内層部（１２）を形成する工程と、前記内層部（１２）の外周に前記コア材（１５）を配置する工程と、前記内層部（１２）および前記コア材（１５）の外周に外層部（１３）を積層する工程とを含むことを特徴とするＦＲＰ製筒状部材の製造方法。

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