JP2019209767A - 車両用構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 繊維強化樹脂を含む車両用構造体において、エネルギー吸収特性を向上させる。【解決手段】 車両用構造体１は、繊維を編成した編地５及びマトリクス樹脂を含む繊維強化樹脂によって形成され、第１の方向に向けて開口する溝形の断面を有する第１部材２と、金属部材によって形成され、第１部材に対して第１の方向に配置され、第１部材に結合された第２部材３とを有し、第１部材が第２部材に対して車外側に配置される。第１部材は、頂壁部２Ａと、頂壁部の両側縁から起立した一対の側壁部２Ｂと、側壁部の先端部のそれぞれから互いに相反する側に延びた一対のフランジ部２Ｃとを有し、第２部材は、フランジ部のそれぞれに結合されている。【選択図】 図１０

Description

本発明は、繊維強化樹脂と金属材料とを含む複合材からなる車両用構造体に関する。

自動車のセンタピラーに使用される構造体を、カーボン繊維強化樹脂によって形成したものが公知である（例えば、特許文献１）。この構造体は、中空の柱材であり、車外側の側部にカーボン繊維を織物状に配向したクロス材を使用し、車内側の側部にカーボン繊維の方向を揃えたＵＤ材（ユニダイレクショナル材）を使用している。構造体は衝突時に車外側から荷重を受けるため、車外側の側部には圧縮応力が発生し、車内側の側部には引張応力が発生する。繊維にクロス材を使用した場合にはＵＤ材を使用した場合よりも繊維強化樹脂の圧縮強さを向上させることができ、繊維にＵＤ材を使用した場合にはクロス材を使用した場合よりも繊維強化樹脂の引張り強さを向上させることができる。そのため、圧縮応力が発生する車外側の側部にクロス材を使用し、引張応力が発生する車内側の側部にＵＤ材を使用することによって、車両用構造体のエネルギー吸収特性を向上させることができる。

特開２００５−２２５３６４号公報

車両用構造体のエネルギー吸収特性を更に向上させるためには、車両用構造体の車外側の側部に使用する繊維強化樹脂の圧縮強さを更に向上させることが有効である。そのため、繊維強化樹脂においてクロス材に代わる繊維構造が要望されている。

本発明は、以上の背景を鑑み、繊維強化樹脂を含む車両用構造体において、エネルギー吸収特性を向上させることを課題とする。

上記課題を解決するために本発明のある態様は、繊維を編成した編地（５）及びマトリクス樹脂を含む繊維強化樹脂によって形成され、第１の方向に向けて開口する溝形の断面を有する第１部材（２）と、金属部材によって形成され、前記第１部材に対して前記第１の方向に配置され、前記第１部材に結合された第２部材（３）とを有し、前記第１部材が前記第２部材に対して車外側に配置されることを特徴とする車両用構造体（１）を提供する。

繊維強化樹脂において、繊維の形態が編地である場合、織布の場合に比べて圧縮強さが向上する。そのため、第１部材の繊維を編地にすることによって、車外側に配置され、衝突時に圧縮応力が発生する第１部材の圧縮強さを向上させることができる。一方、第２部材を金属部材にすることによって、衝突時に引張応力が発生する第２部材の引張強さを向上させることができる。これらにより、車両用構造体のエネルギー吸収特性を向上させることができる。

上記の態様において、前記第１部材は、頂壁部（２Ａ）と、前記頂壁部の両側縁から起立した一対の側壁部（２Ｂ）と、前記側壁部の先端部のそれぞれから互いに相反する側に延びた一対のフランジ部（２Ｃ）とを有し、前記第２部材は、前記フランジ部のそれぞれに結合されているとよい。

この態様によれば、第１部材及び第２部材の結合構造を簡素にして、車両用構造体の製造を容易にすることができる。

上記の態様において、前記第１部材と前記第２部材とは、互いに協働して閉断面構造を形成するとよい。

この態様によれば、車両構造体に閉断面構造が導入され、車両用構造体の曲げ剛性が向上する。

上記の態様において、前記第２部材は、前記頂壁部と面接触する部分と、一対の前記側壁部と面接触する部分とを有するとよい。

この態様によれば、車両用構造体の容積を小さくすることができる。これにより、車両構造体を車体の様々な部位に配置することができる。

上記の態様において、前記編地は、前記頂壁部、前記側壁部のそれぞれ、及び前記フランジ部のそれぞれの全てに設けられているとよい。また、前記頂壁部、前記側壁部のそれぞれ、及び前記フランジ部のそれぞれに設けられる前記編地は、互いに連続しているとよい。

この態様によれば、第１部材の圧縮強さを一層向上させることができる。

上記の態様において、前記編地は、前記頂壁部、前記側壁部のそれぞれ、及び前記フランジ部のそれぞれに対応した立体形状を有するとよい。

この態様によれば、製造時に編地の切断や縫製作業が不必要になり、製造作業が容易になる。また、廃棄すべき端材の発生量を削減することができる。

上記の態様において、前記編地は、互いに間隔をおいて対向する２つの層（５Ａ）と、２つの前記層を連結する接結部（５Ｂ）とを有するとよい。

この態様によれば、第１部材の圧縮強さを向上させることができる。

以上の構成によれば、繊維強化樹脂を含む車両用構造体において、エネルギー吸収特性を向上させることができる。

第１実施形態に係る車両用構造体の斜視図 第１実施形態に係る車両用構造体の断面図 編地の模式断面図 車体の模式側面図 フロントバンパの斜視図 リヤバンパの斜視図 衝突時に車両用構造体に生じるモーメント及び荷重を示す説明図 圧縮強度試験の結果を示すグラフ 静的及び動的４点曲げ試験の試験方法を示す説明図 静的４点曲げ試験の結果を示すグラフ 動的４点曲げ試験の結果を示すグラフ 第２実施形態に係る車両用構造体の断面図 第３実施形態に係る車両用構造体の断面図 第４実施形態に係る車両用構造体の断面図

以下、本発明に係る車両用構造体の実施形態について説明する。車両用構造体は、自動車の構造体として使用される長尺物であり、車体の前側面や後側面、左右の側面に配置される。車両用構造体は、例えばバンパやピラー、サイドシルを構成する。

図１及び図２に示すように、第１実施形態に係る車両用構造体１は、互いに結合された第１部材２と第２部材３とを有する。第１部材２は、繊維と、繊維に含浸したマトリクス樹脂とを有する繊維強化樹脂によって形成されている。繊維は、例えばガラス繊維や、炭素繊維、ボロン繊維、アラミド繊維であってよい。マトリクス樹脂は、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂や、ナイロン樹脂、ＡＢＳ樹脂等の熱可塑性樹脂であってよい。

繊維は、編成されて編地５を構成している。編地５は、平編（天竺編み）、ゴム編、パール編等の緯編組織や、シングル・デンビー編等の経編組織であってよい。また、図３に示すように、編地５は、編成され、互いに間隔をおいて対向する複数の層５Ａと、隣り合う複数の層５Ａを連結する接結部５Ｂとを有する。層５Ａの数は例えば２つであってよい。マトリクス樹脂を含浸させる前の編地５は、例えば、大気圧下において、空洞率が６５％〜８５％（体積比繊維充填率が１５％〜３５％）であることが好ましい。

図１及び図２に示すように、第１部材２は、頂壁部２Ａと、頂壁部２Ａの両側縁から起立した一対の側壁部２Ｂと、側壁部２Ｂの先端部のそれぞれから互いに相反する側に延びた一対のフランジ部２Ｃとを有する。第１部材２は、いわゆるハット形（溝形）の断面を有する。第１部材２の溝形の開口方向を第１の方向とする。頂壁部２Ａ、一対の側壁部２Ｂ、及び一対のフランジ部２Ｃは、それぞれ平板状に形成され、所定の方向に延在している。各側壁部２Ｂは、フランジ部２Ｃ側に向けて互いに離れる方向に傾斜している。他の実施形態では、各側壁部２Ｂは、互いに平行に設けられてもよい。各フランジ部２Ｃは、共通の仮想平面上に配置されている。

繊維は連続した１つの編地５を形成し、編地５は頂壁部２Ａ、各側壁部２Ｂ、及び各フランジの全てに設けられている。編地５は、頂壁部２Ａ、各側壁部２Ｂ、及び各フランジ部２Ｃに対応した立体形状を有するとよい。

第１部材２は、例えば真空補助樹脂注入成形法（VaRTM：Vacuum assisted Resin Transfer Molding）によって形成されているとよい。真空補助樹脂注入成形法では、成形型内に編地５を配置し、成形型内を真空にすることによってマトリクス樹脂を成形型内に引き込み、編地５にマトリクス樹脂を含浸させる。成形型内に配置される編地５は、事前に切断や縫製の必要がないように、所定の立体形状に編成されていることが好ましい。

第２部材３は、金属部材から形成されている。金属部材は、例えばステンレス鋼等の鉄合金やアルミニウム合金、マグネシウム合金等であってよい。第２部材３は、第１部材２に対しての第１の方向に配置され、第１部材２に結合されている。第１実施形態では、第２部材３は、板状に形成され、第１部材２の開口を閉塞するように第１部材２に結合されている。第２部材３は、第１部材２に沿って延在し、一方の面の両縁において第１部材２の各フランジ部２Ｃに当接している。第１部材２と第２部材３とは、第１部材２のフランジ部２Ｃ及び第２部材３の縁部を貫通する複数のボルト８と各ボルト８に螺合する複数のナット９とによって互いに締結されている。他の実施形態では、第１部材２のフランジ部２Ｃ及び第２部材３の縁部とはリベットによって互いに締結されていてもよい。また、他の実施形態では、第１部材２のフランジ部２Ｃ及び第２部材３の縁部とは、接着剤によって結合されてもよい。

図４に示すように、車両用構造体１は車体２０の前側面や後側面、左右の側面に配置され、第１部材２は第２部材３に対して車外側に配置される。車両用構造体１は、一部に屈曲部を有してもよく、例えば長手方向における中間部が両端部に対して車外側に凸となるように湾曲していてもよい。車両構造体は、例えばフロントバンパ２１、サイドシル２２、センタピラー２３、リヤバンパ２４を構成する。

図４及び図５に示すように、車両用構造体１によって形成されたフロントバンパ２１は、第１部材２が第２部材３に対して前方に配置され、第１部材２及び第２部材３が左右に延びている。フロントバンパ２１の第２部材３の外面（後面）は、左右一対のバンパステイ２６を介して車体２０の前下部を前後に延びる左右一対のフロントサイドフレーム２７の前端のそれぞれに結合されている。バンパステイ２６と第２部材３との結合は、溶接やボルト等による締結によって行なわれる。第１部材２と第２部材３とは、左右方向における中央部が左右両端に対して前方に凸となるように湾曲している。

図４に示すように、車両用構造体１によって形成されたサイドシル２２は、第１部材２が第２部材３に対して車体２０の車幅方向外方に配置され、第１部材２及び第２部材３が前後に延びている。サイドシル２２の第１部材２及び第２部材３の前端は車体２０の側部を上下に延びるフロントピラー２８の下端部に結合され、サイドシル２２の第２部材３の後端は車体２０の後下部を前後に延びるリヤサイドフレーム２９の前端に結合されている。第１部材２とフロントピラー２８との結合は、ボルト等による締結や接着剤による接着によって行なわれるとよい。第２部材３とフロントピラー２８及びリヤサイドフレーム２９との結合は、ボルト等による締結や接着剤による接着、溶接によって行なわれるとよい。

車両用構造体１によって形成されたセンタピラー２３は、第１部材２が第２部材３に対して車幅方向外方に配置され、第１部材２及び第２部材３が上下に延びている。センタピラー２３の第１部材２及び第２部材３の上端は車体２０の上側部を前後に延びるルーフサイドメンバ３１の中間部に結合され、第１部材２及び第２部材３の下端はサイドシル２２の中間部に結合されている。第１部材２とルーフサイドメンバ３１及びサイドシル２２との結合は、ボルト等による締結や接着剤による接着によって行なわれるとよい。第２部材３とルーフサイドメンバ３１及びサイドシル２２との結合は、ボルト等による締結や接着剤による接着、溶接によって行なわれるとよい。

図４及び図６に示すように、車両用構造体１によって形成されたリヤバンパ２４は、クロスメンバ３２に設けられている。クロスメンバ３２は、左右に延び、左右一対のリヤサイドフレーム２９の後端のそれぞれに結合されている。クロスメンバ３２は、面が前後を向く板金部材である。車両用構造体１の第２部材３は、クロスメンバ３２によって構成されている。すなわち、車両用構造体１は、第１部材２と、第２部材３を兼ねるクロスメンバ３２とによって構成されている。第１部材２は、各フランジ部２Ｃにおいてクロスメンバ３２の後面に当接し、結合されている。これにより、第１部材２は、クロスメンバ３２（第２部材３）に対して後方に配置されている。第１部材２とクロスメンバ３２との結合は、ボルト等による締結や接着剤による接着によって行なわれるとよい。

次に、図７を参照して、車両用構造体１に衝突荷重が加わるときの挙動について説明する。車両用構造体１は、第２部材３に対して第１部材２が車外側に配置されている。そのため、車体２０に衝突する物体は第１部材２の頂壁部２Ａに衝突し、車両用構造体１を車内側に押す。これにより、車両用構造体１には曲げモーメントが生じ、第１部材２には長手方向において圧縮応力が生じ、第２部材３には長手方向において引張応力が生じる。そのため、第１部材２の圧縮強さが大きいほど車両用構造体１の曲げ剛性が向上し、エネルギー吸収量が向上する。また、第２部材３の引張強さが大きいほど車両用構造体１の曲げ剛性が向上し、エネルギー吸収量が向上する。

図８は、繊維強化樹脂の圧縮強度試験の結果を示すグラフである。サンプル１は繊維構造が編地である繊維強化樹脂であり、サンプル２は繊維構造がクロス（織布）である繊維強化樹脂である。サンプル１及び２は、繊維構造及び繊維体積含有率Ｖｆ［％］のみが異なり、他の条件は同一である。サンプル１及び２において、繊維はガラス繊維であり、マトリクス樹脂はエポキシ樹脂である。サンプル１の編地は、２つの層と各層を連結する接結部とを有する（図３参照）。サンプル２のクロスは平織りに形成されている。サンプル１及び２において、編地及びクロスは、圧縮方向に延在している。サンプル１の繊維体積含有率Ｖｆは３２％であり、サンプル２の繊維体積含有率Ｖｆは５１％である。

図８に示すように、サンプル１及び２において、降伏強さ（圧縮強さ）は概ね等しい値である。しかし、サンプル２では降伏点を越えた後に圧縮強度が急激に低下するのに対し、サンプル１では降伏点を越えた後に圧縮強度が徐々に低下する。すなわち、サンプル２は降伏点を越えた後に直ぐに破壊するのに対して、サンプル１は降伏点を越えた後に塑性変形を行いエネルギーの吸収を継続する。そのため、サンプル１は、サンプル２に対してエネルギーの吸収量が大きいといえる。この結果から、圧縮応力が生じる部位においては、繊維の構造を編地にすることによって、クロスにした場合よりも、エネルギー吸収量を増加させることができることが判る。

次に、本発明の実施例に係るサンプル３と、比較例としてのサンプル４について静的及び動的曲げ試験を行なった。サンプル３は、上記の第１実施形態に係る車両用構造体１（図１参照）であり、第１部材２の繊維がガラス繊維、マトリクス樹脂がエポキシである。第２部材３は、アルミニウム合金である。編地５は、２つの層５Ａと、２つの層５Ａを連結する接結部５Ｂとを有する。比較例に係るサンプル４は、サンプル３に対して繊維構造及び繊維体積含有率Ｖｆ［％］のみが異なり、他の条件は同一である。サンプル４では、繊維はクロス（織布）を構成し、平織りに形成されている。サンプル３の繊維体積含有率Ｖｆは３２％であり、サンプル４の繊維体積含有率Ｖｆは５１％である。

図９に示すように、曲げ試験は、サンプル３及び４を第２部材３が下面となるように２つの支点４１上に載置し、２つの圧子４２によって上方から第１部材２の中間部を下方に向けて押圧することによって行なった。サンプル３、４の長さを１０とすると、２つの支点４１間の距離は９であり、２つの圧子４２間の距離は４である。静的曲げ試験では、２つの圧子４２を含むヘッド４３を１０ｍｍ／分で下方に移動させた。動的曲げ試験では、ヘッド４３を上方から落下させ、圧子４２をサンプル３、４に衝突させた。

図１０に示す静的曲げ試験及び図１１に示す動的曲げ試験の結果から、サンプル３はサンプル４よりも曲げ強さが大きいことが判る。また、サンプル３は、サンプル４に対して降伏点を越えた後も曲げ強度が持続することが判る。図１０及び図１１において各グラフを積分したものが、エネルギーの吸収量に相当するため、サンプル３はサンプル４に対してエネルギー吸収量が大きいことが判る。

以上のように構成した車両用構造体１は、車外側に配置された第１部材２の繊維が編地であるため、衝突時に圧縮応力が発生する部位の圧縮強さを向上させることができる。一方、車内側に配置された第２部材３を金属部材によって形成したため、衝突時に引張応力が発生する部位の引張強さを向上させることができる。これらにより、車両用構造体１のエネルギー吸収特性を向上させることができる。

編地５が、互いに間隔をおいて対向する２つの層５Ａと、２つの層５Ａを連結する接結部５Ｂとを有するため、第１部材２の圧縮強さを向上させることができる。編地５は各繊維がループを有するため、荷重を受けたときに各繊維が変位してエネルギーを吸収すると考えられる。接結部５Ｂは、各層５Ａ同士の変位を可能にし、更にエネルギーを吸収すると考えられる。

編地５が、頂壁部２Ａ、側壁部２Ｂのそれぞれ、及びフランジ部２Ｃのそれぞれに対応した立体形状を有するため、製造時に編地５の切断や縫製作業が不必要になり、製造作業が容易になる。また、廃棄すべき端材の発生量を削減することができる。

次に、第１実施形態に係る車両用構造体１の一部を変更した第２〜第４実施形態について説明する。第２〜第４実施形態に係る車両用構造体４０、５０、６０は、第１実施形態に係る車両用構造体１と比較して、第２部材３の形状が異なり、他の構成は同様である。

図１２に示すように、第２実施形態に係る車両用構造体４０の第２部材３は、頂壁部３Ａと、頂壁部３Ａの両側縁から起立した一対の側壁部３Ｂと、側壁部３Ｂの端部のそれぞれから互いに相反する側に延びた一対のフランジ部３Ｃとを有して、ハット形に形成されている。第２部材３は、フランジ部３Ｃにおいて第１部材２のフランジ部２Ｃに締結されている。第２部材３の頂壁部３Ａは、フランジ部３Ｃに対して第１部材２側と相反する側に配置されている。この態様によれば、第２部材３に立体形状が導入することによって、第２部材３の曲げ剛性を向上させることができ、車両用構造体４０の曲げ剛性を向上させることができる。

図１３に示すように、第３実施形態に係る車両用構造体５０の第２部材３は、頂壁部３Ａと、一対の側壁部３Ｂと、一対のフランジ部３Ｃとを有して、ハット形に形成されている。第２部材３は、フランジ部３Ｃにおいて第１部材２のフランジ部２Ｃに締結されている。第２部材３の頂壁部３Ａは、フランジ部３Ｃに対して第１部材２側に配置されている。第２部材３の頂壁部３Ａは第１部材２の頂壁部２Ａと少なくとも一部において面接触し、第２部材３の側壁部３Ｂは第１部材２の側壁部２Ｂと少なくとも一部において面接触している。この態様によれば、車両用構造体５０の容積を小さくすることができる。これにより、車両用構造体５０を車体２０の様々な部位に配置することができる。第２部材３には、第２部材３と協働して閉断面構造を形成する第３部材５５が結合されていてもよい。第３部材５５は、ハット形や平板状に形成されているとよい。第３部材５５は、ボルト８及びナット９によって第１部材２及び第２部材３に共締めされてもよい。

図１４に示すように、第４実施形態に係る車両用構造体６０の第２部材３は、閉断面構造を有する。第２部材３は、互いに結合し、協働して閉断面構造を形成する第１半体３Ｄ及び第２半体３Ｅを有するとよい。第１部材２のフランジ部２Ｃは、第１半体３Ｄ及び第２半体３Ｅの少なくとも一方に結合されているとよい。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、車両用構造体１は、ドアパネルの内部に配置されてもよい。例えば、車両用構造体１は、ドアパネルを構成するインナパネルとアウタパネルとの間に配置され、前後に延びてドアパネルの前端と後端とを連結するとよい。第１部材２の編地５の構造は任意であり、様々な編み構造を適用することができる。

１ ：車両用構造体
２ ：第１部材
２Ａ ：頂壁部
２Ｂ ：側壁部
２Ｃ ：フランジ部
３ ：第２部材
５ ：編地
５Ａ ：層
５Ｂ ：接結部
８ ：ボルト
９ ：ナット
２０ ：車体
２１ ：フロントバンパ
２２ ：サイドシル
２３ ：センタピラー
２４ ：リヤバンパ
３２ ：クロスメンバ

Claims (8)

1. 繊維を編成した編地及びマトリクス樹脂を含む繊維強化樹脂によって形成され、第１の方向に向けて開口する溝形の断面を有する第１部材と、
   金属部材によって形成され、前記第１部材に対して前記第１の方向に配置され、前記第１部材に結合された第２部材とを有し、
   前記第１部材が前記第２部材に対して車外側に配置されることを特徴とする車両用構造体。
2. 前記第１部材は、頂壁部と、前記頂壁部の両側縁から起立した一対の側壁部と、前記側壁部の先端部のそれぞれから互いに相反する側に延びた一対のフランジ部とを有し、
   前記第２部材は、前記フランジ部のそれぞれに結合されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用構造体。
3. 前記第１部材と前記第２部材とは、互いに協働して閉断面構造を形成することを特徴とする請求項２に記載の車両用構造体。
4. 前記第２部材は、前記頂壁部と面接触する部分と、一対の前記側壁部と面接触する部分とを有することを特徴とする請求項２に記載の車両用構造体。
5. 前記編地は、前記頂壁部、前記側壁部のそれぞれ、及び前記フランジ部のそれぞれの全てに設けられていることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つの項に記載の車両用構造体。
6. 前記頂壁部、前記側壁部のそれぞれ、及び前記フランジ部のそれぞれに設けられる前記編地は、互いに連続していることを特徴とする請求項５に記載の車両用構造体。
7. 前記編地は、前記頂壁部、前記側壁部のそれぞれ、及び前記フランジ部のそれぞれに対応した立体形状を有することを特徴とする請求項６に記載の車両用構造体。
8. 前記編地は、互いに間隔をおいて対向する２つの層と、２つの前記層を連結する接結部とを有することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つの項に記載の車両用構造体。

Images