JP4404019B2 - 複合材 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化樹脂製の筒形状の複合材に関する。

車両の衝突時における衝撃を緩和するバンパ装置を構成する荷重エネルギー吸収材は、バンパ装置を構成するバンパレインフォースに加えられた衝撃荷重のエネルギーを吸収する。このような荷重エネルギー吸収材の軽量化のため、荷重エネルギー吸収材を繊維強化樹脂で形成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、四角筒形状の荷重エネルギー吸収材が開示されている。横断面形状が筒形状（閉じ断面形状）である筒形状は、荷重エネルギー吸収材の剛性向上及び軽量化の上で好ましい形状である。四角筒形状の荷重エネルギー吸収材は、樹脂注入成形によって形成される。つまり、荷重エネルギー吸収材は、繊維製の薄いシートをプレス加工によって四角筒形状に成形し、型内の繊維製の四角筒形状のシートに樹脂を含浸させる。

しかし、四角筒形状の荷重エネルギー吸収材の形成では、筒の内面を形成するための型（中子）も用いて筒形状に形成する必要がある。そのため、型（中子）を用いる樹脂注入成形では、型（中子）を用いない樹脂注入成形に比べて、型（中子）を扱う工程が入るために成形時の工数が多くなるという問題がある。

特許文献１には、横断面形状がコ字形状（開き断面形状）の繊維強化樹脂製の骨格部材を一対結合して四角筒形状に形成した荷重エネルギー吸収材が開示されている。さらに、特許文献１には、横断面形状がコ字形状（開き断面形状）の繊維強化樹脂製の骨格部材の溝開口を繊維強化樹脂製のあて板で塞いで四角筒形状に形成した荷重エネルギー吸収材が開示されている。

又、横断面形状がコ字形状（開き断面形状）の繊維強化樹脂製の荷重エネルギー吸収材（複合材）も知られている。しかし、開き断面形状の複合材は、閉じ断面形状（筒形状）の複合材に比べて、製作容易である反面、剛性確保に関して劣る。又、バンパ装置を構成する荷重エネルギー吸収材は、捻れることなく破壊しながら荷重エネルギーを吸収してゆくのが望ましい。捻れ防止のためには開き断面形状の荷重エネルギー吸収材よりも閉じ断面形状（筒形状）の荷重エネルギー吸収材の方が好ましい。
米国特許６４０６０８８

横断面形状がコ字形状（開き断面形状）の繊維強化樹脂製の骨格部材を一対結合して四角筒形状に形成する場合には、型（中子）を用いる場合の問題（成形時の工数増）は生じないが、一対の骨格部材を結合するために接着剤を用いて接着、あるいはリベット止め等を行う必要がある。そのために横断面形状がコ字形状（開き断面形状）の骨格部材に接合代を形成する必要があるが、このような接合代は、荷重エネルギー吸収材の軽量化の支障となる。

横断面形状がコ字形状（開き断面形状）の骨格部材の溝開口をあて板で塞いで四角筒形状に形成する場合にも、骨格部材側及びあて板側の両方に接合代を設ける必要があり、骨格部材の溝開口をあて板で塞ぐ構成は、荷重エネルギー吸収材の軽量化の支障となる。

本発明は、軽量化を損なうことなく、繊維強化樹脂製の複合材の少なくとも一部の横断面形状を筒断面形状（閉じ断面形状）に形成することを目的とする。

本発明は、繊維強化樹脂製の複合材を対象とし、請求項１の発明の複合材は、横断面形状が所定の開き断面形状に形成された繊維強化樹脂製の骨格部材と、前記開き断面形状の前記骨格部材の開口部を跨ぐように、フィラメントを前記骨格部材に巻き付けて形成された繊維強化樹脂製のフィラメントワインディング部とを備えていることを特徴とする。

本発明の複合材の少なくとも一部の横断面形状は、筒断面形状（閉じ断面形状）となる。フィラメントワインディング部の存在による剛性増は、骨格部材の厚みの低減に寄与する。従って、繊維強化樹脂製の複合材は、軽量化を損なうことなく、筒形状に形成される。繊維強化樹脂製の複合材を筒形状にするフィラメントワインディング部は、フィラメントの巻き付け方向の角度（骨格部材の横断面に対して垂直な方向に対するフィラメントの角度）や、フィラメントワインディング部の厚みを調整することによって、繊維強化樹脂製の複合材の剛性の調整を可能にする。

好適な例では、前記フィラメントワインディング部における巻き付け密度又は巻き付け数は、骨格部材の横断面に対して垂直な方向に沿って一方側から他方側に向かうにつれて高くなる。

フィラメントワインディング部における巻き付け密度又は巻き付け数を増せば、剛性が増える。複合材が荷重エネルギー吸収用複合材である場合には、荷重エネルギー吸収用複合材の先端側から基端側に向かうにつれてフィラメントワインディング部における巻き付け密度又は巻き付け数が増してゆくようにすれば、荷重エネルギー吸収用複合材を先端側から順次破壊させてゆくようにすることができる。複合材がバンパレインフォースのような梁である場合には、骨格部材の横断面に対して垂直な方向における応力分布に応じてフィラメントワインディング部における巻き付け密度又は巻き付け数に差を付ければ、荷重エネルギーを吸収するまで剛性を保ち易い梁の形成が可能である。

好適な例では、前記開き断面形状の前記骨格部材の開口部を跨ぐ繊維強化樹脂製の副骨格部材が設けられている。
副骨格部材が開口部を跨ぐ部分は、閉じ断面形状を形成し、複合材の剛性及びねじれ防止の向上に寄与する。

好適な例では、前記骨格部材又は前記副骨格部材を構成する繊維部材は、三次元織物である。
二次元織物（繊維束の方向が平面方向にのみある織物）や繊維束を一方向に引き揃えた繊維シートを用いて荷重エネルギー吸収用複合材を形成する場合、二次元織物や繊維シートを重ねて荷重エネルギー吸収用複合材の壁厚を増すこともできるが、これは、多くの手間が掛かる。三次元織物は、骨格部材又は前記副骨格部材を構成する繊維部材として好適である。

好適な例では、前記複合材は、前記溝の方向における荷重のエネルギーを吸収する荷重エネルギー吸収用複合材である。
フィラメントワインディング部によって荷重エネルギー吸収用複合材を閉じ断面形状にする本発明は、荷重エネルギー吸収用複合材への適用に好適である。

好適な例では、前記複合材は、車両の衝突時における衝撃を緩和するためのバンパ装置を構成するバンパレインフォースである。
バンパレインフォースは、荷重エネルギーを吸収するまで剛性を保つことが望ましい。フィラメントワインディング部におけるフィラメントの巻き付け方向に関し、例えばフィラメントの方向の成分が溝の方向と直交する方向の成分よりも大きくなるフィラメントが過半であるといった調整を行えば、荷重エネルギーを吸収するまで剛性を保ち易いバンパレインフォースの形成が可能である。

本発明は、軽量化を損なうことなく、繊維強化樹脂製の複合材の少なくとも一部の横断面形状を筒断面形状に形成することができるという優れた効果を奏する。

以下、バンパ装置を構成する荷重エネルギー吸収用複合材に本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、荷重エネルギー吸収用複合材１１は、先端側から基端側へ向かうにつれて太くなってゆく四角筒形状をしている。荷重エネルギー吸収用複合材１１の先端側がバンパ装置を構成するバンパレインフォース（図示略）に結合されており、バンパレインフォースに大きな衝撃荷重が加わると、荷重エネルギー吸収用複合材１１は、先端側から基端側へと順次破壊してゆく。

図１（ｂ），（ｃ）に示すように、荷重エネルギー吸収用複合材１１は、熱硬化性樹脂を含浸させた三次元織物からなる骨格部材１２と、熱硬化性樹脂を付着したフィラメントＦｏを骨格部材１２の周囲に巻き付けて形成されたフィラメントワインディング部１３とによって四角筒形状に構成されている。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル等が用いられる。骨格部材１２は、周部に溝１２０を有する所定形状（横断面形状がコ字形状の開き断面形状）に形成されている。骨格部材１２の横断面の垂直方向の両端は、開放している。骨格部材１２は、溝１２０の底を形成する平板形状の底壁１２１と、平板形状の側壁１２３，１２４とを有する。骨格部材１２の横断面の開き側は、開口部１２２である。フィラメントワインディング部１３は、側壁１２３，１２４の外面及び底壁１２１の外面に接合していると共に、溝１２０の開口部１２２を跨ぐように塞いでおり、荷重エネルギー吸収用複合材１１の横断面形状は、筒断面形状（閉じ断面形状）となっている。

骨格部材１２は、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す金型を用いて形成される。まず、図２（ａ）に示す平板形状の三次元織物１４を上型１５と下型１６とによってコ字形状の開き断面形状の繊維骨格材１７に成形し〔図２（ｂ）参照〕、この状態で樹脂供給管１０から型内に熱硬化性樹脂を充填する〔図２（ｃ）参照〕。このように繊維骨格材１７に熱硬化性樹脂を含浸させた準骨格部材１２Ａを型内から取り出し、準骨格部材１２Ａを少し加熱硬化させる。この加熱硬化は、準骨格部材１２Ａの形状を安定させるためのものであり、熱硬化性樹脂を完全硬化させるものでない。

熱硬化性樹脂を付着させたフィラメントを準骨格部材１２Ａの周囲に巻き付けた後、準骨格部材１２Ａを加熱して完全硬化させれば、図１（ａ），（ｂ）の荷重エネルギー吸収用複合材１１が得られる。本実施形態では、フィラメントワインディング部１３におけるフィラメントＦｏの巻き付け方向の角度（溝１２０の方向とフィランメントＦｏの方向とがなす角度のうちの小さい方の角度）は、９０°に近い角度にしてある。

三次元織物１４としては、例えば図３（ａ），（ｂ）に示す構造のものが用いられる。図３（ａ），（ｂ）に図示の三次元織物１４は、積層繊維群１８と、積層繊維群１８をその厚さ方向に貫通する拘束糸１９と、抜け止め糸２０とから構成されている。積層繊維群１８は、Ｘ糸２１１からなるＸ糸層２１と、Ｙ糸２２１からなるＹ糸層２２と、バイアス糸２３１からなるバイアス糸層２３と、バイアス糸２４１からなるバイアス糸層２４とから構成されている。

Ｘ糸２１１とＹ糸２２１とは、直交するように配列されており、バイアス糸２３１，２４１は、Ｘ糸２１１とＹ糸２２１とに対して傾くように配列されている。なお、図３（ａ），（ｂ）の積層繊維群１８における糸層の積層順序は、一例であり、糸層の積層順序は、図示の例に限られない。又、糸層の層数も図示の例に限られない。

拘束糸１９は、積層繊維群１８の一方の面〔図３（ａ），（ｂ）では上面〕側で抜け止め糸２０を跨ぐように折り返されている。又、拘束糸１９は、積層繊維群１８の他方の面〔図３（ａ），（ｂ）では下面〕では拘束糸１９の配列ピッチだけ離れた挿入位置で再び積層繊維群１８に挿入されている。

荷重エネルギー吸収用複合材１１においては、三次元織物１４は、Ｘ糸２１１が荷重エネルギー吸収用複合材１１の溝１２０の方向（骨格部材１２の横断面に対して垂直な方向）に延びるように、用いられる。

第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１）フィラメントワインディング部１３は、骨格部材１２の溝１２０の開口部１２２を閉じて、荷重エネルギー吸収用複合材１１を筒形状にしており、本実施形態の荷重エネルギー吸収用複合材１１は、型成形によって荷重エネルギー吸収用複合材を筒形状に成形する場合に比べて、製作容易である。しかも、フィラメントワインディング部１３は、荷重エネルギー吸収用複合材１１の剛性を増し、フィラメントワインディング部１３の存在による剛性増は、骨格部材１２の厚みの低減に寄与する。従って、繊維強化樹脂製の筒形状の荷重エネルギー吸収用複合材１１は、軽量化を損なうことなく、筒形状に形成することができる。

（２）フィラメントワインディング部１３によって閉じ断面形状にした本実施形態の荷重エネルギー吸収用複合材１１は、バンパ装置を構成する荷重エネルギー吸収用複合材として用いるのに好適である。

（３）骨格部材１２を構成する繊維部材として用いた三次元織物１４は、所望の厚みに形成しておくことができるので、二次元織物や繊維シートを用いた場合に比べ、手間を掛けることなく所望の壁厚の荷重エネルギー吸収用複合材の壁厚を得ることができる。

次に、図４（ａ），（ｂ）の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合が用いてある。図４（ｂ）は、矢印Ｒ１の方向（荷重エネルギー吸収用複合材１１Ｂの基端側から先端側に向かう方向）に見た断面図である。

第２の実施形態における荷重エネルギー吸収用複合材１１Ｂでは、副骨格部材２５が骨格部材１２の溝１２０の開口部１２２を跨ぐように塞いでおり、フィラメントワインディング部１３は、接合状態にある骨格部材１２と副骨格部材２５とを包囲している。副骨格部材２５は、接着あるいはリベット止め等を行うことなく単に骨格部材１２に当てられているだけであり、骨格部材１２と副骨格部材２５とは、フィラメントワインディング部１３によって結合されている。従って、筒形状の荷重エネルギー吸収用複合材１１Ｂを製作するのは、容易である。又、副骨格部材２５は、荷重エネルギー吸収用複合材１１Ｂの剛性を高める役割を果たす。

次に、図５の第３の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合が用いてある。
第３の実施形態における荷重エネルギー吸収用複合材１１では、フィラメントワインディング部１３におけるフィラメントＦ１の巻き付け方向の角度が４５°の程度に、及びフィラメントＦ２の巻き付け方向の角度が−４５°の程度にしてある。このようなフィラメントＦ１，Ｆ２の巻き付け方向の角度は、荷重エネルギー吸収用複合材１１の捻れを防止する上で有効である。

次に、図６の第４の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合が用いてある。
第４の実施形態における荷重エネルギー吸収用複合材１１Ｃでは、第１の実施形態の骨格部材１２の横断面形状（開き断面形状）と同じ開き断面形状の骨格部材１２Ｃが先端側から基端側にわたってどの位置でも同じ大きさの開き断面形状となっている。そして、フィラメントワインディング部１３Ｃは、その層厚が先端側から基端側に向かうにつれて大きくなってゆくように形成されている。つまり、フィラメントワインディング部１３Ｃにおけるフィラメントの巻き付け密度又は巻き付け数は、骨格部材１２Ｃの横断面に対して垂直な方向に沿って先端側から基端側に向かうにつれて高くなるようにしてある。

荷重エネルギー吸収用複合材は、先端側から順次破壊してゆくことが望ましいが、先端側から基端側に向かうにつれてフィラメントの巻き付け密度又は巻き付け数が高くなってゆくように形成されているフィラメントワインディング部１３Ｃは、荷重エネルギー吸収用複合材１１Ｃを先端側から順次破壊させてゆく上で好ましい形状である。

次に、図７（ａ），（ｂ）の第５の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合が用いてある。図７（ｂ）は、矢印Ｒ２の方向（荷重エネルギー吸収用複合材１１Ｄの基端側から先端側に向かう方向）に見た断面図である。

第５の実施形態における荷重エネルギー吸収用複合材１１Ｄでは、骨格部材１２Ｄの溝１２０の開口部１２２側で溝１２０の側壁１２３，１２４に屈曲して接続する平板形状のフランジ１２５，１２６が形成されている。フィラメントワインディング部１３Ｄは、底壁１２１の外面及びフランジ１２５，１２６の一面に接合していると共に、開口部１２２を跨ぐように塞いでいる。

第５の実施形態においても第１の実施形態と同様の効果が得られる。又、フランジ１２５，１２６は、荷重エネルギー吸収用複合材１１Ｄの剛性を更に高める。
次に、図８（ａ），（ｂ）の第６の実施形態を説明する。図８（ｂ）は、矢印Ｒ３の方向に見た断面図である。

第６の実施形態における複合材は、バンパ装置を構成するバンパレインフォース２６である。バンパレインフォース２６は、図７の骨格部材１２Ｄと同様の横断面形状を有する骨格部材１２Ｅと、フランジ１２５，１２６に接合された平板形状の副骨格部材２５Ｅと、フィラメントワインディング部１３Ｅとから構成されている。バンパレインフォース２６は、衝撃荷重を底壁１２１側で受けるように用いるか、あるいは衝撃荷重を底壁１２１とは反対側のフランジ１２５，１２６側で受けるように用いる。

骨格部材１２Ｅ及び副骨格部材２５Ｅの繊維には、例えば図３（ａ），（ｂ）の三次元織物１４が用いられる。三次元織物１４が用いられた場合には、Ｘ糸２１１の糸方向が骨格部材１２Ｅの溝１２０の方向（骨格部材１２Ｅの横断面に対して垂直な方向）に合わせられる。

バンパレインフォースは、荷重エネルギーを吸収するまで剛性を保つことが望ましい。フィラメントワインディング部１３Ｅにおけるフィラメントの巻き付け方向に関し、溝１２０の方向（骨格部材１２Ｅの横断面に対して垂直な方向）の成分が溝１２０の方向と直交する方向の成分よりも大きくなるフィラメントが過半であるといった調整を行えば、荷重エネルギーを吸収するまで剛性を保ち易いバンパレインフォースの形成が可能である。本実施形態におけるフィラメントワインディング部１３Ｅにおけるフィランメントの巻き付け方向の角度の絶対値は、４５°よりも小さい角度と、９０°に近い角度とを採用している。例えば、巻き付け方向の角度の絶対値が４５°よりも小さいフィラメントＦ１，Ｆ２の層と、これらの層の上に、巻き付け方向の角度が９０°に近いフィラメントＦｏの層が形成される。このようなフィラメントワインディング部１３Ｅは、荷重エネルギーを吸収するまでバンパレインフォース２６の剛性を保ち易くする。

本発明では以下のような実施形態も可能である。
・骨格部材あるいは副骨格部材の繊維として、図３（ａ），（ｂ）の三次元織物１４以外の三次元織物を用いてもよい。

・骨格部材あるいは副骨格部材の繊維として、二次元織物を用いてもよい。
・第１の実施形態における骨格部材１２を２つ合わせた閉じ断面形状（筒形状）の骨格部材にフィラメントを巻き付けて複合材を構成してもよい。

・骨格部材の開き断面形状は、コ字形状以外の断面形状、例えばＶ字形状、Ｕ字形状、Ｗ字形状、台形形状等であってもよい。
・第６の実施形態において、骨格部材１２Ｅにフィラメントを巻き付けた後、開口部１２２を跨ぐように、フィラメントワインディング部の外周面に副骨格部材２５Ｅを接合してもよい。

・第６の実施形態において、バンパレインフォース２６のフィラメントワインディング部１３Ｅにおける巻き付け密度又は巻き付け数が長手方向の両端部よりも中央部ほど高くなるようにしてもよい。

・第１の実施形態において、荷重エネルギー吸収用複合材１１の先端部と基端部とのみにフィラメントワインディング部を設けるようにしてもよい。この場合、バンパレインフォース２６の両端部の横断面形状のみが筒断面形状（閉じ断面形状）となる。

・第６の実施形態において、バンパレインフォース２６の長手方向の中央部のみにフィラメントワインディング部を設けるようにしてもよい。この場合、バンパレインフォース２６の中央部の横断面形状のみが筒断面形状（閉じ断面形状）となる。

・第１の実施形態において、準骨格部材１２Ａを加熱して完全硬化させてからフィラメントを巻き付けてもよい。
・第１の実施形態において、準骨格部材１２Ａにフィラメントを巻き付けてから、熱硬化性樹脂をフィラメント全体に付着させてもよい。

・骨格部材の溝の一端又両端が壁によって塞がれていてもよい。この壁は、骨格部材と一体形成してもよいし、別体に形成してもよい。

第１の実施形態を示し、（ａ）は斜視図。（ｂ）は断面図。（ｃ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、型成形による準骨格部材１２Ａの製作を説明するための断面図。 （ａ）は、三次元織物の一部破断斜視図。（ｂ）は、三次元織物の断面図。 第２の実施形態を示し、（ａ）は斜視図。（ｂ）は断面図。 第３の実施形態を示す斜視図。 第４の実施形態を示す断面図。 第５の実施形態を示し、（ａ）は斜視図。（ｂ）は断面図。 第６の実施形態を示し、（ａ）は斜視図。（ｂ）は断面図。

符号の説明

１１，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ…複合材としての荷重エネルギー吸収用複合材。１２，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ…骨格部材。１２０…溝。１２２…開口部。１３，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ…フィラメントワインディング部。１４…繊維部材としての三次元織物。２５，２５Ｅ…副骨格部材。２６…複合材としてのバンパレインフォース。Ｆｏ，Ｆ１，Ｆ２…フィラメント。

Claims (7)

1. 繊維強化樹脂製の複合材において、
   横断面形状が所定の開き断面形状に形成された繊維強化樹脂製の骨格部材と、
   前記開き断面形状の前記骨格部材の開口部を跨ぐように、フィラメントを前記骨格部材に巻き付けて形成された繊維強化樹脂製のフィラメントワインディング部とを備えた複合材。
2. 前記フィラメントワインディング部における巻き付け密度又は巻き付け数は、前記骨格部材の横断面に対して垂直な方向に沿って一方側から他方側に向かうにつれて高くなる請求項１に記載の複合材。
3. 前記開き断面形状の前記骨格部材の開口部を跨ぐ繊維強化樹脂製の副骨格部材が設けられている請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の複合材。
4. 前記骨格部材を構成する繊維部材は、三次元織物である請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の複合材。
5. 前記副骨格部材を構成する繊維部材は、三次元織物である請求項３に記載の複合材。
6. 前記複合材は、前記骨格部材の横断面に対して垂直な方向における荷重のエネルギーを吸収する荷重エネルギー吸収用複合材である請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の複合材。
7. 前記複合材は、車両の衝突時における衝撃を緩和するためのバンパ装置を構成するバンパレインフォースである請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の複合材。

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