JP2021187341A - 車両の複合構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】平滑性の要求を満たしつつ優れた破断耐久性をも備えた複合構造体を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態における複合構造体は、平面方向に並置されると共に厚さ方向に積層された繊維強化樹脂部材を有し、前記平面方向に隣り合う繊維強化樹脂部材の末端同士を厚さ方向に重畳させた重畳部が形成され、前記重畳部が構造物においてそれぞれ非破壊荷重を受ける稜線部又は変形抑制部に設置される。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも一部が繊維強化樹脂部材からなる構造物に関し、より具体的には繊維強化樹脂部材で構成された複合構造体を含む車両に関する。

近年、車両のプラットフォームの軽量化を目的として、例えば特許文献１や特許文献２などに例示されるように、オートクレーブやＶａＲＴＭなどによってシート状の炭素繊維強化樹脂（プリプレグ）を用いて飛行機や自動車などの構造物の少なくとも一部を構成することが検討されている。
ここで、かようなオートクレーブにおいては、上記したプリプレグのシートを積層し、バギングフィルムを用いてバギングを行ってから硬化工程が実施される。一方でＶａＲＴＭにおいては、乾いた炭素繊維にバギングフィルムを用いてバギングを行ってから真空状態で樹脂を含浸させて硬化させることが実施される。
かようなシート状のプリプレグを構造物に適用する場合、このプリプレグを平面方向に並置しつつ厚み方向には積層することで所望の形状と強度及び剛性を両立させることができる。

国際公開第２０１８／１９８６８７号 特開２０１４−２４３３４号公報

上記したシート状のプリプレグを用いた構造においては、厚み方向の繊維量で板厚がある程度決定される。このような場合、シート状のプリプレグの末端、又は繊維の末端は、構造的に連続してはいないため強度が相対的に弱く、意図しない衝撃を受けた際などに破断の起点となり得る。

ところが昨今の構造物は、意匠的な観点や性能向上の観点などから形状が益々複雑化されている。複雑な構造物を炭素繊維強化樹脂で構成する場合、上記したプリプレグの一部又は繊維の一部を切断して目的の形状につなぎ合わせていくことも想定できる。
このとき平面方向に隣り合うプリプレグ又は繊維の間にはつなぎ目が生ずるが、このつなぎ目は強度及び剛性が劣化して上記した破断の起点となるものの、製品に求められる良好な賦形性や平滑性も同時に満足せねばならない。

本発明は上記した課題を一例に鑑みて為されたものであり、炭素繊維強化樹脂を用いて複雑な形状の構造物を製造する際に、平滑性の要求を満たしつつ優れた破断耐久性をも備えた複合構造体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一実施形態における複合構造体は、（１）平面方向に並置されると共に厚さ方向に積層された繊維強化樹脂部材又は繊維を有し、前記平面方向に隣り合う繊維強化樹脂部材又は繊維の末端同士を厚さ方向に重畳させた重畳部が形成され、前記重畳部が構造物においてそれぞれ非破壊荷重を受ける稜線部又は変形抑制部に設置されることを特徴とする。

なお上記した（１）に記載の複合構造体においては、（２）前記重畳部は、前記隣り合う繊維強化樹脂部材又は繊維の末端同士を厚さ方向に重畳させた端部対が複数の繊維強化樹脂部材又は繊維の非端部により挟まれて凸部を形成することが好ましい。

また、上記した（２）に記載の複合構造体においては、（３）前記凸部が、構造物の稜線部における屈曲された内側領域に設置されることが好ましい。

また、上記した（１）〜（３）のいずれかに記載の複合構造体においては、（４）前記構造物は車両を含み、前記車両におけるボディの少なくとも一部に設置されることが好ましい。

また、上記した（４）に記載の複合構造体においては、（５）前記ボディのうち、センタートンネル部材、フロア部材及びルーフ部材の少なくとも１つにおける前記稜線部又は前記変形抑制部に設置されたことが好ましい。

本発明によれば、平滑性の要求を満たしつつ優れた破断耐久性をも備えた複合構造体を実現できる。

実施形態における構造体の一例としての車両を模式的に示す側面図である。 実施形態の繊維強化樹脂部材を車両に適用した例を模式的に示す斜視図である。 フロア部材を中心とした車両のボディ構造を模式的に示した斜視図である。 ルーフ部材を中心とした車両のボディ構造を模式的に示した上面図である。 実施形態における繊維強化樹脂部材のつなぎ目付近での断面構造を示した模式図である。 構造物における稜線部又は変形抑制部に本実施形態の繊維強化樹脂部材が設置された例を部分的に示す模式図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下で詳述する構成以外については、例えば上記した特許文献を含む公知の炭素繊維部材やプリプレグに関する構成や製造手法を適用してもよい。

＜構造物＞
以下では、本発明の複合構造体１が好適な構造物として、四輪自動車などの車両２００を用いて説明する。しかしながら本発明の構造物は、上記した四輪自動車に限定されず、例えば二輪を含む公知の各種の車両、自動車以外の乗り物として例えば航空機、あるいは乗り物以外の構造体として例えば住宅などの建物も含まれる。

＜複合構造体＞
本発明の好適な実施形態における車両２００の複合構造体１の構成について、図１〜６を参照しながら説明する。なお、図示から明らかなとおり、本明細書において、車両の前後方向（車長方向）をＸ方向とし、車幅方向をＹ方向とし、車両の高さ方向をＺ方向としてそれぞれ設定する。また、以下の実施形態においては繊維強化樹脂部材を用いて本発明を説明するが、本発明はこれに限られず、繊維や織物にも同様に適用し得る。すなわち、本発明を説明する図５において、ＰＭはシート状や繊維状のあらゆるタイプの樹脂系複合材料を含む。例えば繊維に液体樹脂を含浸させ高分子化したもの、樹脂フィルムを繊維内外に挟んだもの、粉砕したパウダー状の樹脂を繊維に吸着させ加熱溶着するもの、繊維糸と樹脂糸を一緒に織物とするもの、等が挙げられる。また、適用される樹脂については熱硬化性樹脂であってもよいし、熱可塑性樹脂であってもよい。

図１及び図５などに示されるように、本実施形態における車両の複合構造体１は、平面方向（当該複合構造体１が敷設される面内方向）に並置されると共に厚さ方向に積層された繊維強化樹脂部材ＰＭを有して構成されている。

繊維強化樹脂部材ＰＭは、炭素繊維で樹脂を強化した炭素強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が好適であるが、必ずしもＣＦＲＰでなくともよい。すなわち、本実施形態の繊維強化樹脂としては、例えばガラス繊維で樹脂を強化したＧＦＲＰの他、ＢＦＲＰ（ボロン繊維強化プラスチック）、ＫＦＲＰ（ケブラー繊維強化プラスチック）、あるいはＡＦＲＰ（アラミド繊維強化プラスチック）など公知の種々の繊維強化樹脂を適用してもよい。

かような繊維強化樹脂部材ＰＭは、本実施形態では、前記した構造物としての車両２００におけるボディ１００の少なくとも一部に設置されることが好ましい。かようなボディ１００（車体）の一部としては、例えば車体を構成するセンタートンネル部材ＣＴ、フロア部材ＦＭ及びルーフ部材ＲＭの少なくとも１つが例示できる。

すなわち、本実施形態では、ボディ１００のすべてが複合構造体である必要は必ずしもなく、ボディ１００の上記した所定の部位が複合構造体となっていれば足りる。なお本実施形態に好適な車両のボディ１００は、例えばモノコック構造やラダーフレーム構造など公知の構造を適用でき、かような構造上の差異に応じてボディ１００への複合構造体の適用箇所も適宜変更できる。

例えばモノコック構造のボディを適用した場合には、上記したセンタートンネル部材ＣＴおよびフロア部材ＦＭなどが一体として形成される。一方で例えばラダーフレーム構造を適用した場合には、例えばフロア部材は省略されて上記したルーフ部材などがアッパーボディとして形成されることになる。

図１〜３に示すとおり、本実施形態における構造物は車両２００であり、例えば上記したセンタートンネル部材ＣＴは少なくとも一部に曲部と平坦部を有する複雑な構造体となっている。このとき、図２に示すとおり、本実施形態のセンタートンネル部材ＣＴは、例えば上記した曲部の一部としての稜線部１０を有して構成されている。一方でこの稜線部１０に続く平坦部は、例えば本実施形態の変形抑制部２０となっていてもよい。

また、図３や図４に示すとおり、本実施形態のフロア部材ＦＭおよびルーフ部材ＲＭは、それぞれ非破壊荷重を受ける変形抑制部２０を具備している。なおボディ１００の一部としてのフロア部材ＦＭおよびルーフ部材ＲＭには、それぞれ上記した稜線部１０は図示されてないが、これらフロア部材ＦＭおよびルーフ部材ＲＭのうちの任意の曲部に上記稜線部１０が設定されていてもよい。

なお、本明細書における「稜線部」とは、構造的に折れ曲がってその頂点が尾根状に連続した部位を言う。
また、本明細書における「変形抑制部」とは、人が乗る程度の低荷重がかかる部位や、人は乗らないが振動騒音のために構造の剛性を高く保ちたい部位のことを言う。従って、かような変形抑制部においては、例えば衝突時などの衝撃を受ける際にその衝突による荷重が集中しない部位であるとも言え、何らかの要因で車両２００が衝突荷重を受けた場合にもその荷重によって破壊されない（変化が抑制される）部位であるとも言える。

このように構造物（車両２００）においてそれぞれ非破壊荷重を受ける稜線部１０又は変形抑制部２０に本実施形態の繊維強化樹脂部材ＰＭからなる複合構造体１が設置されている。このとき図５などから理解されるとおり、本実施形態の複合構造体１においては、平面方向に隣り合う繊維強化樹脂部材ＰＭの末端ＰＭ_１同士を厚さ方向に重畳させた重畳部ＳＰが形成されている。

また、同図に示すように、重畳部ＳＰにおいては、前記した隣り合う繊維強化樹脂部材の末端ＰＭ_１同士を厚さ方向に重畳させた端部対ＥＣが形成されている。そして本実施形態の端部対ＥＣは、厚み方向においてそれぞれ隣接する繊維強化樹脂部材の非端部ＰＭ_２に挟まれるように配置されている。なお、本明細書における「非端部」とは、図５に示すように、上記した端部対ＥＣに対して厚み方向において対向する部位を言う。

このように本実施形態の複合構造体１では、少なくとも一部の隣り合う繊維強化樹脂部材の末端ＰＭ_１同士を厚さ方向に重畳させた端部対ＥＣが形成されることから、重畳部ＳＰにおける板厚ｔ１は、非重畳部ＰＰにおける板厚ｔ２よりも厚くなるように構成されている。

また、図５から理解されるとおり、重畳部ＳＰには厚み方向に関して複数の端部対ＥＣが設けられており、互いの端部対ＥＣは非端部ＰＭ_２によって他の端部対ＥＣから離隔された形状となっている。これにより特定箇所に端部対ＥＣが集中することが抑制されて複合構造体１の平面方向における強度を維持することが可能となっている。

また、本実施形態の重畳部ＳＰでは、前記した隣り合う繊維強化樹脂部材の末端ＰＭ_１同士を厚さ方向に重畳させた端部対ＥＣが複数の繊維強化樹脂部材の非端部ＰＭ_２により挟まれることで、厚み方向に関して他部位（非重畳部ＰＰ）よりも突出した凸部ＳＰｔが形成される。

なお、上記した重畳部ＳＰにおける板厚ｔ１と非重畳部ＰＰにおける板厚ｔ２との比率に関しては、繊維強化樹脂部材としての特性を満足する限り特に制限はなく、複合構造体１全体の厚みや端部対ＥＣの数によって適宜設定できる。

図６に、本実施形態の複合構造体１を車両２００に適用した設置例を示す。このうち図６（ａ）は車両２００（構造物）のうち変形抑制部２０に複合構造体１が設置される例であり、図６（ｂ）は車両２００（構造物）のうち稜線部１０に複合構造体１が設置される例である。

なお、車両２００（構造物）のうちの稜線部１０又は変形抑制部２０としては、例えばセンタートンネル部材ＣＴ、フロア部材ＦＭ及びルーフ部材ＲＭの少なくとも１つにおける上記した曲部や平坦部が例示できる。なお、これらの部材における変形抑制部２０となり得る平坦部は、必ずしも完全な平面である必要はなく、設定上許容できる範囲で段差などを有した実質的な平面となっていてもよい。

このとき、図２及び図６（ｂ）に示すとおり、例えばセンタートンネル部材ＣＴは、外側領域ＯＲと内側領域ＩＲを有する曲部としての稜線部１０を有しており、前記した凸部ＳＰｔが稜線部１０における屈曲された内側領域ＩＲに設置される。これにより、凸部ＳＰｔが使用者に見えないように重畳部ＳＰを構成でき、意匠上の美感を維持しつつ繊維強化樹脂部材を構造体として利用することができる。

また、図６（ｂ）に示すセンタートンネル部材ＣＴにおける稜線部１０では、例えば内側領域ＩＲから外側領域ＯＲにかけて厚み方向に複数の端部対ＥＣが配設されているが、最内周側の端部対ＥＣの大きさが最外周側の端部対ＥＣの大きさよりも小さくなるように形成されている。これにより、本実施形態の稜線部１０における構造的な強度を維持することが可能となっている。

以上説明した本実施形態の複合構造体１によれば、平面方向に隣り合う繊維強化樹脂部材ＰＭの末端ＰＭ_１同士を厚さ方向に意図して重畳させている。これにより、この意図して重畳させた重畳部の尾根が形成されることで尾根方向に対して断面２次モーメントが向上されて、複合構造体１の剛性が向上する。さらに本実施形態のように重畳部がやや重なることで、層間でつながる部分が存在することで強度の向上も期待できる。

このように本実施形態の複合構造体１は、上記したオートクレーブ成形やＶａＲＴＭなど型に積層した後でバギングフィルムなど柔らかいシート状のものでバギングして硬化させる手法において特に有効であり、製品に求められる良好な賦形性や平滑性の要求を満たしつつ優れた破断耐久性をも備えた構造物を実現できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態および変形例について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、これら実施形態や変形例に対して更なる修正を試みることは明らかであり、これらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

２００ 車両
１ 複合構造体
１０ 稜線部
２０ 変形抑制部

Claims (5)

1. 平面方向に並置されると共に厚さ方向に積層された繊維強化樹脂部材又は繊維を有し、
   前記平面方向に隣り合う繊維強化樹脂部材又は繊維の末端同士を厚さ方向に重畳させた重畳部が形成され、
   前記重畳部が構造物においてそれぞれ非破壊荷重を受ける稜線部又は変形抑制部に設置される、複合構造体。
   
2. 前記重畳部は、前記隣り合う繊維強化樹脂部材又は繊維の末端同士を厚さ方向に重畳させた端部対が複数の繊維強化樹脂部材又は繊維の非端部により挟まれて凸部を形成する、請求項１に記載の複合構造体。
   
3. 前記凸部が、構造物の稜線部における屈曲された内側領域に設置される、請求項２に記載の複合構造体。
   
4. 前記構造物は車両を含み、
   前記車両におけるボディの少なくとも一部に設置される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両の複合構造体。
   
5. 前記ボディのうち、センタートンネル部材、フロア部材及びルーフ部材の少なくとも１つにおける前記稜線部又は前記変形抑制部に設置された、請求項４に記載の車両の複合構造体。
   
   

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