JP4696651B2 - 車両のピラー構造体 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維やガラス繊維などの繊維を含む樹脂を材質として形成された繊維強化樹脂構造体に関する。

軽量で高強度な素材として、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）が各種産業分野で注目されており、中でもＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）が、その優れた機械特性等から注目されている。このようなＦＲＰを用いて筒状体を成形する場合には、フィラメントワインディング法やプリプレグを用いる方法がある。特開平１０−１００２７８号公報には、ＦＲＰを材質とする二重構造の筒状成形体が記載されている。この筒状成形体は、二重構造の内側に開放断面形状の芯材を配置し、その外周面に合成樹脂の被膜層を熱溶着して形成されている。
特開平１０−１００２７８号公報

自動車の骨格部材としてフロントピラー、センターピラー、ロッカーなどの筒状部位を形成する場合には、高温・高圧に耐え得る発泡剤やハニカム材などの軽量な芯材を配置して、その芯材の周囲に樹脂を形成することがある。このような方法で、骨格部材の筒状部位を形成した場合、完成した骨格部材は、芯材の重量だけ重くなってしまう。例えば、車両の骨格構造をＣＦＲＰで成形した場合、芯材の重量は車両全体で数Ｋｇとなってしまう。なお、上述した説明では、自動車の骨格部材を一例として、従来技術の問題点を説明したが、上記した問題は、自動車の骨格部材に限らず、他の部材でも同様に生じ得る。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、高強度で且つ軽量な繊維強化樹脂構造体を得ることを目的とする。

本発明に係る繊維強化樹脂構造体は、繊維強化樹脂によって形成される中空の芯材と、繊維強化樹脂によって形成され、芯材の外側に密接して設けられた積層部材と、を備えたことを特徴とする。この構成によれば、繊維強化樹脂構造体が中空とされているため、繊維強化樹脂構造体を軽量とすることができる。また、繊維強化樹脂構造体の芯材及び積層部材が繊維強化樹脂によって形成されているため、繊維強化樹脂構造体を高強度とすることができる。なお、繊維強化樹脂構造体の内部の中空部分を利用して、繊維強化樹脂構造体をさらに好適に設計することもできる。

また、上述した繊維強化樹脂構造体において、芯材は、箱状であり、複数の樹脂片の一部を互いに重ねて結合して形成されることが好ましい。ここで、箱状とは、密閉される形状であってもよいし、断面がコ字状の繊維強化樹脂構造体の樹脂片の一部を互いに重ねて形成される形状であってもよい。この構成によれば、中空の芯材を容易に製造することができる。すなわち、内部が中空の芯材を一回の製造工程で製造することは困難である。これに対し、複数の樹脂片を造ってから、これらを結合して芯材を完成することで、芯材の内部を中空とすることを容易とすることができる。また、上記の構成によれば、複数の樹脂片を結合して芯材を形成することで、より複雑な形状の芯材を容易に製造することもできる。

また、上述した繊維強化樹脂構造体において、芯材の内部に設けられ、両端が芯材の内面に固定された補強部材を備えたことが好ましい。この構成によれば、繊維強化樹脂構造体に外力が与えられても補強部材により変形が抑制されるので、繊維強化樹脂構造体を強化することができる。

また、上述した繊維強化樹脂構造体において、芯材の内部に設けられ、両端が芯材の内面に固定された補強部材を備え、補強部材の両端は、芯材の樹脂片が重ねて結合された部位に固定されたことが好ましい。この構成によれば、芯材の樹脂片が重ねて結合された部位は特に強度が落ちるので、その部位に補強部材が固定されることにより、繊維強化樹脂構造体に外力が与えられても補強部材により変形が抑制され、繊維強化樹脂構造体を強化することができる。

また、上述した繊維強化樹脂構造体において、車両の側部に設けられたフロントピラーとして使用される繊維強化樹脂構造体であって、補強部材の一端は、フロントピラーの前方にある骨格部材に対応する芯材の部位に固定され、補強部材の他端は、フロントピラーの後方にあるドア補強部材に対応する芯材の部位に固定されたことが好ましい。この構成によれば、車両が障害物に衝突したときに、フロントピラー前方の骨格部材から衝突荷重がフロントピラーに伝達されると、当該衝突荷重は、フロントピラー内に配設された補強部材の前端から後端に伝達される。そして、当該衝突荷重は、フロントピラーからドア補強部材に伝達される。よって、車両前方から伝達される衝突荷重を、ドア補強部材に、好適に伝達することができる。

また、上述した繊維強化樹脂構造体において、車両の側部に設けられたピラーとして使用される繊維強化樹脂構造体であって、補強部材の一端は、ピラーの外側に対応する芯材の部位に固定され、補強部材の他端は、ピラーの内側にある衝突荷重伝達部材に対応する芯材の部位に固定されたことが好ましい。この構成によれば、車両の側方から衝突があったときに、衝突物から衝突荷重がピラーに伝達されると、当該衝突荷重は、ピラー内に配設された補強部材の外側端から内側端に伝達される。そして、当該衝突荷重は、ピラーから荷重伝達部材に伝達される。よって、車両側方から伝達される衝突荷重を、ピラーの内側に配置される荷重伝達部材に、好適に伝達することができる。

本発明によれば、高強度で且つ軽量な繊維強化樹脂構造体を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明の繊維強化構造体の好適な実施形態について説明する。

本実施形態の繊維強化樹脂構造体は、車両の側部に設けられるフロントピラーである。フロントピラーは、炭素繊維を含む樹脂を材質とする中空の芯材の外側に、同じく炭素繊維を含む樹脂を材質とする積層部材を密接して形成して構成される。図１には、製造途中におけるフロントピラーの芯材４が示されている。フロントピラーの芯材４は、車載時に車両側部において車室側に配置されるインナー部材２０と、外側に配置されるアウター部材１０と、で構成される。なお、図１に示される芯材４の形状は、説明の便宜のため、簡略化されている。

インナー部材２０は、溶融した炭素繊維入りの樹脂を、成形型内に射出成形して形成された樹脂片である。車載時に車両側部において車室側に配置される側板部２１と、車両前側に配置される側板部２２と、車両後側に配置される側板部２３と、各側板部２１〜２３の上端に配置される端板部２４と、各側板部の下端に配置される端板部２５と、から構成されている。側板部２１〜２３及び端板部２４，２５において、アウター部材１０と対向する縁部は開口となっている。なお、図１において、上記の端板部２４，２５、及び後述する端板部１４，１５が無い形状としてもよい。

アウター部材１０は、溶融した炭素繊維入りの樹脂を、成形型内に射出成形して形成された樹脂片である。車載時に車両側部において車両外側に配置される側板部１１と、車両前側に配置される側板部１２と、車両後側に配置される側板部１３と、各側板部の上端に配置される端板部１４と、各側板部の下端に配置される端板部１５と、から構成されている。側板部１１〜１３及び端板部１４，１５において、インナー部材２０と対向する縁部には段差部１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａが設けられており、インナー部材２０の開口に嵌合される。言い換えれば、インナー部材２０及びアウター部材１０の一部である縁部が互いに重ね合わされる。アウター部材１０の段差部１２ａ〜１５ａをアウター部材１０の開口に嵌合する際に、アウター部材１０の段差部１２ａ〜１５ａに接着剤を塗布することで、インナー部材２０とアウター部材１０は結合され一体化される。このようにして、内部が中空となった箱状の芯材４が完成する。芯材４は、炭素繊維入り樹脂を材質としており、高強度である。

図２では、上述したインナー部材２０とアウター部材１０部材を結合して一体化する工程を断面化して示している。図２（ａ）から図２（ｂ）に示すように、アウター部材１０の段差部１２ａ〜１５ａをインナー部材２０の開口に嵌合して結合することで、一体化された芯材４が形成される。次に、芯材４の周囲に、溶融した炭素繊維入り樹脂を射出成形して、積層部材３０を形成する。ここで、射出成形時には、芯材４を成形型内に配置してから、溶融された炭素繊維入り樹脂を型内に射出する。これにより、図２（ｃ）に示されるように、溶融樹脂は、成形型内において芯材４の周囲に回り込み、芯材４の周囲に密接した積層部材３０を含むフロントピラー１が完成する。

本実施形態のフロントピラー１では、上述したように炭素繊維入り樹脂を材質とした中空の芯材４を製作し、この中空の芯材４の外周に繊維強化樹脂を射出成形することで積層部材３０を形成している。この構成によれば、芯材４が中空とされているため、フロントピラー１を軽量とすることができる。また、フロントピラー１の芯材４及び積層部材３０が炭素繊維入り樹脂によって形成されているため、フロントピラー１を高強度とすることができる。

また、上述したように、芯材４を、複数の樹脂片の一部を互いに重ねて結合して形成することで、中空の芯材４を容易に製造することができる。すなわち、芯材４を一回の射出成形で形成し、且つその芯材４の内部を中空に形成することは困難である。これに対し、複数の樹脂片を造ってから、これらを結合して芯材４を完成することで、芯材４の内部を中空とすることを容易とすることができる。また、上記の構成によれば、複数の樹脂片を結合して芯材４を形成することで、より複雑な形状の芯材４を容易に製造することもできる。

また、本実施形態のフロントピラー１では、芯材４を中空としたため、芯材４の内部を最適に設計することが可能となった。芯材４の内部が最適に設計された変形例を、図３に示す。図３には、フロントピラー１の断面構造が示されている。図３のフロントピラー１では、芯材４の内部に、板状のリーンホース（補強部材）４０が配置されている。リーンホース４０は、中央のほぼ全域が平面状の板材４１であり、当該板材の両端４２，４３が屈曲した形状となっている。リーンホース４０の板材４１は芯材４の内部に延設され、リーンホース４０の両端４２，４３は芯材４の内面に固定されている。リーンホース４０を図示されるように配置するためには、アウター部材１０にリーンホース４０を接着剤で結合してから、このアウター部材１０とインナー部材２０の結合を行えばよい。このようにリーンホース４０を配置することにより、フロントピラー１に外力が与えられてもリーンホース４０により変形が抑制されるので、フロントピラー１を強化することができる。特に、リーンホース４０の両端が、アウター部材１０とインナー部材２０とが重ねて結合された部位に固定されているため、強度が低下した部位を補強することができる。

フロントピラー１の前方には、車両の骨格部材であるフロントサイドメンバ９１が前後方向に延設されており、フロントサイドメンバ９１の後端がフロントピラーの前面角部に当接している。また、フロントピラー１の後方には、フロントドア９２が配置されており、フロントドア９２の内側にはリーンホース（ドア補強部材）９３が前後方向に延設されている。フロントドア９２のリーンホース９３の前端が、隙間をあけてフロントピラー１の後面角部の後方に配置されている。すなわち、リーンホース４０の一端は、フロントサイドメンバ９１に対応する部位に固定され、リーンホース４０の他端は、フロントドア９２の内側のリーンホース９３に対応する部位に固定されている。車両が前方の障害物に衝突すると、当該衝突による荷重は、フロントサイドメンバ９１からフロントピラー１に伝達される。衝突荷重は、フロントピラー１内に配設されたリーンホース４０の前端から後端に伝達される。そして、衝突荷重は、フロントピラー１からフロントドア９２のリーンホース９３に伝達される。よって、上述した変形例では、車両前方から伝達される衝突荷重を、フロントドア９２のリーンホース９３に伝達することができる。なお、上述した構成では、フロントサイドメンバ９１に代えて、車両前側の骨格部材であるエプロンメンバであってもよい。

また、中空の芯材４の内部が最適に設計された別の変形例を、図４に示す。図４には、フロントピラー２の断面構造が示されている。図４（ａ）に示されるように、フロントピラー２の芯材４は３つの樹脂片から構成される。第一の樹脂片５０は、略矩形形状の断面形状を有しており、その内部は中空となっている。第一の樹脂片５０の一辺には開口５１が設けられている。第二の樹脂片６０は、屈曲した板面からなる部材である。第二の樹脂片６０において平行配置された２つの板面６１，６２が、後述するようにフロントピラー２を補強するためのリーンホース（補強部材）となっている。第三の樹脂片７０は、平板形状の部材である。第一〜第三の樹脂片５０，６０，７０は、溶融した炭素繊維入り樹脂を成形型内に射出成形して得られる。図４（ｂ）に示されるように、第一〜第三の樹脂片５０，６０，７０に接着剤を塗布してから、第一〜第三の樹脂片５０，６０，７０の一部である縁部を重ねて結合し、芯材４を形成する。さらに、図４（ｃ）に示されるように、芯材４の外側に、溶融した炭素繊維入り樹脂を射出成形して積層部材８０を形成することで、フロントピラー２が完成する。このようにリーンホース６１，６２を芯材の内面に固定して配置することにより、フロントピラー２に外力が与えられてもリーンホース６１，６２により変形が抑制されるので、フロントピラー２を強化することができる。

上記の変形例に係る芯材４は、フロントピラー２において図５に示されるように配置される。芯材４は、車両前後方向に延設されており、リーンホース６１，６２は、その板面を水平にして配置されている。また、フロントピラー２の内側において、板状で高剛性のフロアメンバ（荷重伝達部材）９４が配置されている。フロアメンバ９４は、フロントピラー２のリーンホース６１，６２と同じ高さに、板面を水平にして配設されている。すなわち、リーンホース６１，６２の一端は、フロントピラーの外側に対応する部位に固定され、リーンホース６１，６２の他端は、フロアメンバに対応する部位に固定されている。この構成によれば、車両の側方から衝突があったときに、衝突物から衝突荷重がフロントピラー２に伝達されると、当該衝突荷重は、フロントピラー２内に配設されたリーンホース６１，６２の外側端から内側端に伝達される。そして、当該衝突荷重は、フロントピラー２からフロアメンバ９４に伝達される。よって、車両側方から伝達される衝突荷重を、フロントピラー２の内側に配置されるフロアメンバ９４に伝達することができる。

なお、上述した実施形態では、繊維強化樹脂構造体の一例として、フロントピラー２を説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、フロントピラー２に代えて、センターピラー、リアピラー、ロッカー、フロアークロスメンバなどを、繊維強化樹脂構造体として形成してもよい。また、車両に用いられる部材に限らず、他の構造物に用いられる中空の部材を、繊維強化樹脂構造体として形成してもよい。

第一実施形態に係る繊維強化樹脂構造体の芯材を示す斜視図である。 第一実施形態に係る繊維強化樹脂構造体の製造工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る繊維強化樹脂構造体の変形例を示す断面図である。 第二実施形態に係る繊維強化樹脂構造体の製造工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る繊維強化樹脂構造体を示す斜視図である。

符号の説明

１,２…フロントピラー（繊維強化樹脂構造体）、４…芯材、１０…アウター部材（樹脂片）、１１〜１３…側板部、１４，１５…端板部、１１ａ〜１５ａ…段差部、２０…インナー部材（樹脂片）、２１〜２３…側板部、２４，２５…端板部、３０…積層部材、４０…リーンホース（補強部材）、５０…第一の樹脂片、５１…開口、６０…第二の樹脂片、６１,６２…リーンホース（補強部材）、７０…第三の樹脂片、８０…積層部材、９１…フロントサイドメンバ（骨格部材）、９２…フロントドア、９３…リーンホース（ドア補強部材）、９４…フロアメンバ（衝突荷重伝達部材）。

Claims (5)

1. 繊維を含む樹脂を材質とするインナー部材とアウター部材とを結合して密閉された中空を有する芯材を形成し、この芯材の外周に繊維を含む樹脂を射出成形して積層部材を形成したことを特徴とする車両のピラー構造体。
2. 前記インナー部材と前記アウター部材とで形成された前記芯材の中空内に補強部材が配置されていることを特徴とする請求項１記載の車両のピラー構造体。
3. 前記補強部材の両端が、前記インナー部材と前記アウター部材とが重ねて結合された部位に固定されていることを特徴とする請求項２記載の車両のピラー構造体。
4. 前記補強部材の両端の間の部位が前記芯材の内面に固定されていることを特徴とする請求項３記載の車両のピラー構造体。
5. 前記補強部材の両端は前記インナー部材と前記アウター部材とによって挟持されていることを特徴とする請求項４記載の車両のピラー構造体。

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