JP2022054690A

JP2022054690A - 車両部材

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Publication number: JP2022054690A
Application number: JP2020161859A
Authority: JP
Inventors: 正晴野口; Masaharu Noguchi
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2022-04-07

Abstract

【課題】衝撃エネルギー吸収に優れ車室空間の安全性を確保できる車両部材を提供する。【解決手段】長手方向を有して中空状に形成された繊維強化樹脂からなる外層と、前記長手方向に延在して前記外層の内面側に積層される中空状に形成された繊維強化樹脂からなる内層と、を備えた中空筒状体を有し、前記長手方向に略平行な前記中空筒状体における稜線部において、前記外層と前記内層との層間にコア部が配置されている車両部材。【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化樹脂からなる車両部材に関する。

近年車両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、車両部材を炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰとも称する）を用いて構成することが提案されている。かような炭素繊維強化樹脂を用いた車両部材では、車両外部からの衝撃からの車室空間の安全性を確保するため、十分な強度と剛性（力の伝達）を有することが希求されている。すなわち炭素繊維強化樹脂製の車両部材、たとえばセンターピラー等の車両側部に使用されるビーム材に対して、優れた衝撃エネルギー吸収が期待されている。

特許文献１は、繊維強化樹脂からなるアウタパネル及びインナパネルからなるセンターピラーにおいて、ピラー本体部の内部空間に配置されてピラー本体部の内面の少なくとも一部に接合された繊維強化樹脂製のリンフォースを備えることを開示する。そしてリンフォースは閉断面の筒状を有し、長手方向に交差する断面形状が略Ｏ字状となっていること、及び、リンフォースの外周面がほぼ全周に渡って接着剤を用いてアウタパネル及びインナパネルの内面に対して接合されていることにより、リンフォースが車両の側面衝突時において、センターピラーの強度を高めつつセンターピラーの変形を抑制する機能と衝突エネルギーを吸収する機能とを有することが開示されている。

特開２０１９－１５６１６５号公報特開２０１８－００１８９１号公報

繊維強化樹脂に関して、繊維方向によって強度に差が生じる特性（異方性）が従来知られている。また、繊維強化樹脂は圧潰時に層間剥離を伴う逐次的な破壊を生じるために衝撃エネルギー吸収に優れることが知られている。一方で上記した逐次的な破壊は繊維強化樹脂のどの部位でも起こり得るため、圧潰時の破壊態様が予測しにくいといった課題もある。

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、軽量かつ衝撃エネルギー吸収に優れ車室空間の安全性を確保できる車両部材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車両部材は、（１）長手方向を有して中空状に形成された繊維強化樹脂からなる外層と、前記長手方向に延在して前記外層の内面側に積層される中空状に形成された繊維強化樹脂からなる内層と、を備えた中空筒状体を有し、前記長手方向に略平行な前記中空筒状体における稜線部において、前記外層と前記内層との層間にコア部が配置されていることを特徴とする。

上記（１）において（２）前記コア部は発泡樹脂を含むことが好ましい。

また、上記（１）又は（２）において、（３）前記長手方向と直交する面内方向における前記中空筒状体の断面は矩形状であり、前記コア部が、前記稜線部のうち少なくとも車外側の２箇所に配置されていてもよい。

上記（３）において、（４）前記長手方向と直交する方向における断面において、前記外層の繊維方向と前記内層の繊維方向とが互いに異なるものであってもよい。

上記（４）において、（５）前記外層の繊維方向と前記内層の繊維方向のうち、一方が衝突荷重方向に延在するとともに、他方が前記衝突荷重方向と交差する方向に延在するものであってもよい。

本発明によれば、衝撃エネルギー吸収に優れ車室空間の安全性を確保できる車両部材が実現できる。

本実施形態の車両部材１００を搭載できる車両の全体模式図である。本実施形態の車両部材１００を示す模式図である。本実施形態の車両部材１００を示す模式断面図である。本実施形態の車両部材１００の繊維方向を示す模式図である。変形例の車両部材の繊維方向を示す模式図である。

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、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合もある。ただし、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。

＜車両部材１００＞
まず本発明の好適な実施形態における係る車両部材１００の構成について、図１～図４を参照しながら説明する。なお、図示するように、本明細書において、車両の車幅方向をＸ方向とし、前後方向（車長方向）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。また本実施形態において「衝突荷重方向」又は「衝突荷重が入力される方向」とは車外側から車内側に向かう方向を称するものとする。すなわち衝突が前面衝突（前突）である場合、衝突荷重が入力される方向としては車両直進方向と反対の方向を称するものである。また衝突が側面衝突（側突）である場合、衝突荷重が入力される方向としては図１におけるＸ方向又は－Ｘ方向とする。

図１などに示すように、本実施形態における車両部材１００が適用される車両は、車体の一部に繊維強化樹脂が用いられている。車両の形状としては特に限定されるものではなく、公知の形状の車両に広く適用可能であることは言うまでもない。

図１に示されるように、本実施形態の車両部材１００を車両のセンターピラーを例として説明する。なお本発明はこれに限られるものではなく、たとえば車両部材として、フロントピラー、ルーフレール等にも適用し得るものである。

図２及び図４（ａ）に示すように本実施形態の車両部材１００は、中空状に形成された外層１０と、外層１０の内面側に積層され中空状に形成される内層２０とを有する中空筒状体ＨＣを含んで構成されている。外層１０と内層２０は、共に繊維強化樹脂からなり、繊維強化樹脂の成形時に一体成形される。それ故、外層１０と内層２０層の層間には接着剤層等は介在しなくともよい。

なお繊維強化樹脂のマトリクス樹脂として適用される樹脂としては、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂のいずれも適用し得る。また、繊維強化樹脂に用いられる繊維としては、炭素繊維に限られるものではなく、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ケブラー繊維、等の公知の繊維を適用可能である。

なお説明の便宜上、図２及び図４（ａ）に示すように、中空筒状体ＨＣの車外側の面を前面と称し、車室側（該前面に対向する面）を背面と称するものとする。また、前面と背面とに挟まれる面のうち、車両進行方向を前側面とし、車両後方を後側面と称するものとする。

本実施形態の車両部材１００は、図２及び図４（ａ）に示すように長手方向（Ｚ方向）を有して中空の柱状（中空筒状体ＨＣ）に形成されている。なお中空筒状体ＨＣの形状は、図２では長手方向と直交する面内方向における断面が矩形状となっているが、これに限られるものではなく、前記断面が台形やダイヤモンド形等の多角形状であってもよい。

上述のとおり車両には優れた衝撃エネルギー吸収が希求されている。そこで本発明者は、車両部材において衝撃エネルギー吸収を向上させるべく鋭意検討した。その結果、車両部材において層間剥離の起点を設けることにより、車両外部からの衝撃力により特定の箇所において層間剥離を発生させることを可能とした。また、車室空間内の安全性を確保しつつ効率よく衝撃エネルギー吸収をし得る車両部材を実現し得ることを見いだした。

すなわち本実施形態の車両部材１００は、図２に示すように、前記外層１０と内層２０との層間において、中空筒状体ＨＣの長手方向に略平行な稜線部にコア部３０が配置されていることを特徴とする。なお本実施形態において「稜線部」とは、前記中空筒状体ＨＣの断面形状が上述した矩形状であった場合、四隅の角部分及びその近傍を指す。または、中空筒状体ＨＣの断面形状が多角形状であった場合、いずれかの角部分及びその近傍を指す。

なお、中空筒状体ＨＣにおける複数の稜線において、コア部３０が配置される箇所としては、衝突荷重が入力される側（車外側）における少なくとも２箇所以上であることが好ましい。
なお本実施形態において衝突荷重は車外側から車内側に入力される。すなわち中空筒状体ＨＣをセンターピラーとしての車両部材１００に適用する場合、衝突荷重はＸ方向又は－Ｘ方向に入力される。そして、コア部３０は層間剥離を発生させ効率よく衝撃エネルギー吸収することを目的として配置するものであるため、コア部３０が配置される箇所としては、複数の稜線のうち車外側であることが好ましい。すなわち図２に示すように長手方向と直交する面内方向における断面が矩形状である場合、車外側の２箇所、すなわち前面と前側面との交差点、及び前面と後側面との交差点、の２箇所にコア部が配置されることが好ましい。

なお図２に示されるように、上記コア部３０の断面積や厚みに関して、車両部材１００の長手方向に直行する断面において、前記コア部３０の厚みの最大値が、前記外層１０と前記内層２０の厚みの合計を超えないことが好ましい。すなわち図２に示されるように、外層１０の厚みをＴ_１０、内層２０の厚みをＴ_２０、コア部３０の厚みをＴ_３０、とした場合、「Ｔ_１０＋Ｔ_２０＞Ｔ_３０」の関係を満たすことが好ましい。また、図２に示すコア部３０の断面形状は四角形であるがこれに限られるものではなく、円形や楕円形も適用可能である。

本実施形態の車両部材１００に用いられるコア部３０に用いられる材料としては、衝突荷重入力時に前記外層１０と前記内層２０の層間剥離を生じさせ得る材料であれば特に制限はない。層間剥離を生じさせ得る材料としては、少なくとも繊維強化樹脂より強度又は剛性が低い材料が挙げられる。たとえば、樹脂、金属、空気（エア）等が適用可能である。コア部３０として樹脂を用いる場合には、外層１０又は内層２０の繊維強化樹脂のマトリクス樹脂とは異なる樹脂であることが層間剥離を発生させる観点からは好ましく、たとえば、スチレン樹脂、ウレタン樹脂、エチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、公知の樹脂が挙げられる。また、車両軽量化の観点からは発泡樹脂であることが好ましい。また、コア部３０として金属を用いる場合には、同様に車両軽量化の観点からは、アルミニウム等の軽量な金属が好ましい。

なお本実施形態におけるコア部３０の作用効果としては以下のとおりである。
上述したとおり、繊維強化樹脂は衝撃力により層間剥離を生じながら破壊されるが、本実施形態のように車両部材を繊維強化樹脂で形成した場合、予期できない箇所において層間剥離が生じると車室内の安全性を適切に確保できない可能性がある。そのため、あらかじめ層間剥離を発生する箇所を設計する必要があるとともに、層間剥離によるエネルギー吸収をより向上させ、車室内の安全性を高めることが好ましい。

このような観点から本発明では、衝撃吸収が車両側面から入力される側突時において、層間剥離の起点として、中空筒状体ＨＣの長手方向に略平行な稜線部にコア部３０を配置するものとした。このように構成することにより、図３（ａ）に示されるように衝突荷重が入力された場合に、図３（ｂ）に示されるようにコア部３０を起点として、稜線部で外層１０と内層２０との層間剥離を発生することとなり、その結果、図３（ｂ）に示されるように稜線部から層間剥離を増大させながら逐次圧潰していくこととなる。それゆえ、車両部材１００により衝突エネルギーを吸収することが可能となり、車室内部の安全性を向上させることを実現できる。

次に図４などにより、本実施形態における外層１０と内層２０を構成する繊維強化樹脂の繊維方向について説明する。本実施形態における中空筒状体ＨＣを構成する繊維強化樹脂の繊維方向としては、外層１０と内層２０とで互いに異なる繊維方向であることが好ましい。

すなわち例えば、繊維強化樹脂として一方向材（ＵＤ材）を用いる場合、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示されるように、コア部３０を挟んで、内層２０の繊維方向が中空筒状体ＨＣの長手方向と交差する方向（車両の上下方向（Ｚ方向）に対して交差する方向）である一方で、外層１０の繊維方向が中空筒状体ＨＣの長手方向と略平行（車両の上下方向（Ｚ方向）に対して略平行）であることが好ましい。

図４（ｂ）は図４（ａ）におけるα部分の拡大図である。図４（ｂ）に示されるように、中空筒状体ＨＣの稜線部は、コア部３０を挟んで、長手方向と略平行の繊維方向を有する複数の繊維強化樹脂からなる外層１０と、中空筒状体ＨＣの長手方向と交差する方向を有する複数の繊維強化樹脂からなる内層２０と、を積層させて構成されている。このような構成とすることにより、本発明の衝撃エネルギー吸収の効率をより向上させることが可能となる。

すなわち、衝突荷重が入力された場合に、コア部３０が層間剥離の起点となり、繊維方向の異なる外層１０と内層２０との層の境界を軸として圧潰が進展する。このように、継続して衝突荷重が入力される場合には逐次圧潰が継続するため、所望の衝撃吸収を発現させることができ、車室内の安全性を向上させることが可能となる。

なお本実施形態におけるコア部３０は、図４に示すとおり、中空筒状体ＨＣの長手方向に沿って連続するように形成されている。しかしながら本発明は上記形態に限られず、コア部３０は、中空筒状体ＨＣの長手方向に沿って少なくとも一部に配置されていてもよい。または、中空筒状体ＨＣの長手方向に沿って断続的に複数配置されていてもよい。たとえば、車両部材１００がセンターピラーである場合、センターピラー下端、サイドウインドウとの交差点に配置することができる。特にセンターピラーの下部における湾曲部分は側突時に最初に衝撃力を受ける箇所であるため、当該箇所にコア部３０を配置することが好ましい。

また、本実施形態におけるコア部３０は、上記した長手方向に関して中空筒状体ＨＣの形状に即して延在することが好ましい。すなわちコア部３０は、長手方向に沿って必ずしも直線状となっておらずともよく、中空筒状体ＨＣが長手方向に沿って曲部を有する場合には当該曲部に追従していることが好ましい。

なお本実施形態における中空筒状体ＨＣの製造方法としては、上記の外層１０を構成する繊維、コア部３０、及び内層２０を構成する繊維、を金型内で積層した後に、樹脂を含浸させて加熱する等の公知の方法により製造することが可能である。しかしながらこの製造方法に限られるものではなく、公知の方法により適宜製造することが可能である。

換言すれば、図４においては、内層２０の繊維方向が衝突荷重方向に延在すると共に、外層１０の繊維方向が前記突荷重方向と交差する方向に延在しているといえる。このように構成することにより、外層１０により車両部材１００の長手方向に対する引張強度および圧縮強度を向上できると共に、内層２０により衝突荷重に対する圧縮強度を向上することができる。

なお本実施形態では図４に示すように、外層１０と内層２０が、全ての面（前面、背面、前側面および後側面）において異なる繊維方向である例を示したが、少なくとも一部の面において外層１０と内層２０が異なる繊維方向を有しているものであればよい。

例えば、上記した面のうち、前側面および後側面において外層１０と内層２０が異なる繊維方向を有していてもよい。これによれば、コア部３０が層間剥離の起点となり逐次圧潰が開始する場合によりスムーズに逐次圧潰が継続し、所望の衝撃吸収を発現させることができる。その場合、前面及び背面においては、外層１０と内層２０が異なる繊維方向を有していなくともよく、たとえば共に異方性を有する面となっていてもよい。

また本実施形態においては、主として外層１０および内層２０について詳述したが、中空筒状体ＨＣを構成する層は上記に限らない。例えば本実施形態の中空筒状体ＨＣにおいては、外層１０および内層２０との層間に、公知の材料で構成されたリンフォース等の別層がさらに積層されていてもよい。また、本実施形態の中空筒状体ＨＣにおいては、外層１０の外側や内層２０の更に内側に、公知の材料で構成されたリンフォース等の別層が積層されていてもよい。

＜変形例＞
次に図５を参照しつつ、上記した実施形態を変形した変形例における車両部材１００について説明する。なお以下では、上記した実施形態の構成と同一の機能を有する部材については、同一の参照番号を付してその説明は適宜省略する。

上述した実施形態においては、外層１０と内層２０は、共に異方性を有する繊維強化樹脂で構成される例を示したが、本変形例ではいずれか一方が等方性を有する繊維強化樹脂により構成されているものである。

この場合、異方性を有する層は外層１０と内層２０のいずれであってもよいが、繊維方向が中空筒状体ＨＣの長手方向と略平行（車両部材１００がセンターピラーの場合においては、車両の上下方向（Ｚ方向）に対して略平行）であることが好ましい。すなわち異方性を有する層は繊維方向が衝突荷重方向と交差する方向に延在していることが好ましい。

一方で、等方性を有する層は、図５に示されるように、繊維方向が中空筒状体ＨＣの長手方向に対して、＋４５°、０°、－４５°、９０°、の順に積層されてなる。なお、この積層順や積層数に限定されるものではなく、適宜等方性を有する層となるような積層順や積層数を適用できる。

なお図５では、外層１０が異方性を有する層であり、内層２０が等方性を有する層であることを例として説明したが、本変形例はこれに限られるものではない。すなわち、外層１０が等方性を有する層とし、内層２０が異方性を有する層としてもよい。

また図５に示す変形例でも、上述した実施形態と同様、少なくとも一部の面において、内層と外層のうちの一方が異方性を有し他方が等方性を有していればよい。例えば、前側面と後側面において内層と外層のうちの一方が異方性を有し他方が等方性を有していれば、前面と背面は内層と外層が共に異方性を有していてもよい。

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。例えば上記実施形態は車両部材１００を車両のセンターピラーを例として説明したが、他の部材にも適用可能であり、その際にも衝撃エネルギー吸収のために最適な箇所に適宜コア部が配置可能であることは言うまでもない。

また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。

１００車両部材
１０外層
２０内層
３０コア部
ＨＣ中空筒状体

Claims

長手方向を有して中空状に形成された繊維強化樹脂からなる外層と、
前記長手方向に延在して前記外層の内面側に積層される中空状に形成された繊維強化樹脂からなる内層と、を備えた中空筒状体を有し、
前記長手方向に略平行な前記中空筒状体における稜線部において、前記外層と前記内層との層間にコア部が配置されている、車両部材。
前記コア部は発泡樹脂を含む、請求項１に記載の車両部材。
前記長手方向と直交する面内方向における前記中空筒状体の断面は矩形状であり、
前記コア部が、前記稜線部のうち少なくとも車外側の２箇所に配置されている、請求項１又は２に記載の車両部材。
前記長手方向と直交する方向における断面において、前記外層の繊維方向と前記内層の繊維方向とが互いに異なる、請求項３に記載の車両部材。
前記外層の繊維方向と前記内層の繊維方向のうち、一方が衝突荷重方向に延在するとともに、他方が前記衝突荷重方向と交差する方向に延在する、請求項４に記載の車両部材。