JP5988181B2 - 繊維強化樹脂部材 - Google Patents

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Description

本発明は、連続繊維を合成樹脂で補強した繊維強化樹脂層が、その軸方向に対して直交する軸直角方向の横断面にコーナー部を有する繊維強化樹脂部材に関する。
連続繊維の繊維束をマトリクス樹脂に埋設した複数の繊維強化樹脂部材を、連続繊維の配向方向が交互に交差するように積層するとともに、それら複数の繊維強化樹脂部材の層を拘束糸で厚さ方向に貫通するように縫製したエネルギー吸収体が、下記特許文献１により公知である。このエネルギー吸収体は、圧縮荷重の入力時に、拘束糸を破断しながら厚さ方向の中央部で二層に分かれるように破壊することで、エネルギー吸収効果を発揮するものである。
日本特許第４１３３８４０号公報
しかしながら、上記従来のものは、連続繊維が三次元織物を構成するので製造コストが嵩むだけでなく、拘束糸が破断することでエネルギー吸収効果を発揮するため、エネルギー吸収効果を高めるには拘束糸の数を増やす必要があり、縫製工数が増加して製造コストが更に嵩む問題がある。しかも拘束糸の数を増やすと、圧縮荷重の入力時に拘束糸が破断し難くなって厚さ方向中央部で二層に分かれるように破壊する際のエネルギー吸収量が増加するが、相互に交差するように配向した連続繊維の量が減少してエネルギー吸収体の強度自体が低下する懸念がある。また厚さ方向中央部で二層に分かれることでエネルギー吸収するので、樹脂によるエネルギー吸収特性の影響が大きく、温度変化等の環境要素によりエネルギー吸収特性が安定しない可能性がある。
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、簡単な構造でありながら、軸方向の圧縮荷重の入力時に大きなエネルギー吸収効果を発揮する繊維強化樹脂部材を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、連続繊維を合成樹脂で補強した繊維強化樹脂層が、その軸方向に対して直交する軸直角方向の横断面にコーナー部を有する繊維強化樹脂部材であって、前記連続繊維は、軸方向に配向された軸方向繊維と軸直角方向に配向された軸直角方向繊維とからなり、前記コーナー部の外側における前記軸直角方向繊維の密度を、前記コーナー部の内側における前記軸直角方向繊維の密度よりも高くしたことを第１の特徴とする繊維強化樹脂部材が提案される。
また本発明によれば、前記第１の特徴に加えて、前記繊維強化樹脂層は積層された複数の層からなり、前記コーナー部の内側に配置される層の前記合成樹脂は圧縮強度が高く膨張し難い熱可塑性樹脂であり、前記コーナー部の外側に配置される層の前記合成樹脂は圧縮強度が低く膨張し易い熱可塑性樹脂であることを第２の特徴とする繊維強化樹脂部材が提案される。
また本発明によれば、前記第２の特徴に加えて、前記繊維強化樹脂層は前記コーナー部に連続する平坦部を有することを第３の特徴とする繊維強化樹脂部材が提案される。
また本発明によれば、前記第１〜第３の何れか１つの特徴に加えて、前記繊維強化樹脂層は、前記軸直角方向繊維の屈曲部に隣接して前記軸方向繊維が配置されることを第４の特徴とする繊維強化樹脂部材が提案される。
また本発明によれば、前記第１〜第４の何れか１つの特徴に加えて、前記繊維強化樹脂部材の横断面は点対称な形状であることを第５の特徴とする繊維強化樹脂部材が提案される。
また本発明によれば、前記第１〜第５の何れか１つの特徴に加えて、前記繊維強化樹脂部材の軸方向端部において、前記内側に配置される層が前記外側に配置される層よりも軸方向に突出することを第６の特徴とする繊維強化樹脂部材が提案される。
尚、実施の形態の第１平坦部１２および第２平坦部１４は本発明の平坦部に対応し、実施の形態の第１コーナー部１３は本発明のコーナー部に対応し、実施の形態の第１層１７は本発明の外側に積層される層に対応し、実施の形態の第２層１８は本発明の内側に積層される層に対応する。
本発明の第１の特徴によれば、繊維強化樹脂部材は、連続繊維を合成樹脂で補強した繊維強化樹脂層が、その軸方向に対して直交する軸直角方向の横断面にコーナー部を有する。連続繊維は、軸方向に配向された軸方向繊維と軸直角方向に配向された軸直角方向繊維とからなり、コーナー部の外側における軸直角方向繊維の密度を、コーナー部の内側における軸直角方向繊維の密度よりも高くしたので、軸方向荷重が入力して繊維強化樹脂部材が破壊するときに、コーナー部の外側の層に高密度で配置された軸直角方向繊維が積極的に引き伸ばされて破断することで、大きなエネルギー吸収効果を発揮することができる。しかも繊維強化樹脂部材は、その内部の軸直角方向繊維の密度を変化させただけの簡単な構造であるため、製造コストの増加を最小限に抑えることができる。また樹脂によるエネルギー吸収特性への影響が少ないため、温度変化等の環境要素に関わらずに安定したエネルギー吸収特性を得ることができる。
また本発明の第２の特徴によれば、繊維強化樹脂層は積層された複数の層からなり、コーナー部の内側に配置される層の合成樹脂は圧縮強度が高く膨張し難い熱可塑性樹脂であり、コーナー部の外側に配置される層の合成樹脂は圧縮強度が低く膨張し易い熱可塑性樹脂であるので、通常時は圧縮強度が高いコーナー部の内側の層で繊維強化樹脂部材の強度を確保しながら、軸方向荷重の入力に圧縮強度が低いコーナー部の外側の層を破壊して膨張させ、そこに配置された軸直角方向繊維を破断してエネルギー吸収効果を効率的に発揮させることができる。
また本発明の第３の特徴によれば、繊維強化樹脂層はコーナー部に連続する平坦部を有するので、軸方向荷重に入力時に、先ず平坦部の軸方向繊維が層間剥離することでコーナー部の軸直角方向繊維が破断するトリガーとなり、軸直角方向繊維の破断を促進することができる。
また本発明の第４の特徴によれば、繊維強化樹脂層は、軸直角方向繊維の屈曲部に隣接して軸方向繊維が配置されるので、軸方向荷重が入力して軸直角方向繊維が破断するときに、その軸直角方向繊維の横方向への移動を軸方向繊維で阻止することで、軸直角方向繊維の確実な破断を可能にすることができる。
また本発明の第５の特徴によれば、繊維強化樹脂部材の横断面は点対称な形状であるので、軸方向荷重の入力時に繊維強化樹脂部材が軸線に対して傾くのを防止し、繊維強化樹脂部材を軸方向の長い距離に亙って破壊してエネルギー吸収効果を高めることができる。
また本発明の第６の特徴によれば、繊維強化樹脂部材の軸方向端部において、内側に配置される層が外側に配置される層よりも軸方向に突出するので、軸方向荷重の入力時に先ず内側の層が破壊し、次いで外側の層が破壊することで、エネルギー吸収量を漸増させて安定したエネルギー吸収を可能にすることができる。
図１は繊維強化樹脂部材の斜視図である。（第１の実施の形態） 図２は図１の２部拡大図である。（第１の実施の形態） 図３は軸方向荷重の入力時のコーナー部の断面の変形の説明図である。（第１の実施の形態） 図４は軸方向荷重の入力時の平坦部の層間剥離の説明図である。（第１の実施の形態） 図５は第１コーナー部および第２コーナー部の膨張方向の説明図である。（第１の実施の形態） 図６は繊維強化樹脂部材の横断面図である。（第２の実施の形態） 図７は繊維強化樹脂部材の斜視図である。（第３の実施の形態）
１１ 繊維強化樹脂部材
１２ 第１平坦部（平坦部）
１３ 第１コーナー部（コーナー部）
１４ 第２平坦部（平坦部）
１７ 第１層（外側に積層される層）
１８ 第２層（内側に積層される層）
１９ 軸方向繊維
２０ 軸直角方向繊維
以下、図１〜図５に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。
第１の実施の形態
図１に示すように、自動車のフレーム等に使用される繊維強化樹脂部材１１は、第１平坦部１２と、第１平坦部１２から直角に折れ曲がる一対の第１コーナー部１３，１３と、一対の第１コーナー部１３，１３に連なる一対の第２平坦部１４，１４と、一対の第２平坦部１４，１４から逆方向に直角に折れ曲がる一対のフランジ部１６，１６とからなり、軸方向に一定のハット状断面を有している。
図２は繊維強化樹脂部材１１の第１コーナー部１３の拡大断面図であり、繊維強化樹脂部材１１の繊維強化樹脂層は、第１コーナー部１３の屈曲方向外側の第１層１７と、第１コーナー部１３の屈曲方向内側の第２層１８とを積層して二層に構成される。
第１コーナー部１３の外側の第１層１７は、相互に平行に配置されて軸方向に延びる１層の軸方向繊維１９…と、その両側に積層されて軸直角方向に延びる２層の軸直角方向繊維２０…とで構成される。軸方向繊維１９…および軸直角方向繊維２０…はガラスやカーボンの連続繊維であり、マトリクス樹脂は圧縮強度が比較的に低いために圧壊したときに体積が膨張し易いポリプロピレンである。
第１コーナー部１３の内側の第２層１８は、相互に平行に配置されて軸方向に延びる１層の軸方向繊維１９…と、その片側に積層されて軸直角方向に延びる１層の軸直角方向繊維２０…とで構成される。軸方向繊維１９…および軸直角方向繊維２０…はガラスやカーボンの連続繊維であり、マトリクス樹脂は圧縮強度が比較的に高いために圧壊したときに体積が膨張し難いナイロンである。
従って、第１コーナー部１３では、屈曲方向外側部分（第１層１７）における軸直角方向繊維２０…の密度が高くなり、屈曲方向内側部分（第２層１８）における軸直角方向繊維２０…の密度が低くなる。
尚、以上の説明では、繊維強化樹脂部材１１が第１層１７および第２層１８の二層構造になっているが、積層する層数は二層に限定されるものではなく、任意に設定可能である。また第１層１７および第２層１８の内部における軸方向繊維１９…および軸直角方向繊維２０…の層数も任意である。また軸方向繊維１９…および軸直角方向繊維２０…は相互に織られていても良いし、単に重ね合わされていても良い。
図１から明らかなように、第２コーナー部１５は第１コーナー部１３に対して逆方向に折れ曲がっているため、第１層１７が屈曲方向内側に位置し、第２層１８が屈曲外側に位置することになる、従って、第２コーナー部１５では、第２層１８の軸直角方向繊維２０…の密度を第１層１７に軸直角方向繊維２０…の密度よりも高くする必要がある。第１コーナー部１３および第２コーナー部１５間の軸直角方向繊維２０…の密度の入れ換えは、第１コーナー部１３および第２コーナー部１５に挟まれた第２平坦部１４において強度が急変しないように連続的に行うことが望ましい。
次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。
車両の衝突等により繊維強化樹脂部材１１に軸方向の強い圧縮荷重が入力すると、マトリクス樹脂が座屈により圧壊して粉砕されることで断面が膨張する。図３は第１コーナー部１３の断面の膨張を模式的に示すもので、実線で示す状態から鎖線で示す状態に断面が膨張したとき、第１コーナー部１３の内側の周長は殆ど増加しないのに対し、第１コーナー部１３の外側の周長は大きく増加する。
その結果、外側の第１層１７の軸直角方向繊維２０…が強く引き延ばされて破断することで衝突のエネルギーが吸収される。このとき、第１層１７の軸直角方向繊維２０…は、第２層１８に軸直角方向繊維２０…よりも高密度で配置されているため、破断する軸直角方向繊維２０…の数を増加させてエネルギー吸収性能を高めることができる。また第１コーナー部１３の第１層１７内で直角に折れ曲がる軸直角方向繊維２０…の折れ曲がり部の内側に軸方向繊維１９…が隣接して配置されるため、引き伸ばされた軸直角方向繊維２０…が屈曲方向内側に移動するのを軸方向繊維１９…で阻止することで、軸直角方向繊維２０…の破断を促進することができる。
しかも、第１層１７のマトリクス樹脂は圧縮強度が比較的に低くて圧壊したときに体積が膨張し易いポリプロピレンであり、第２層１８のマトリクス樹脂は圧縮強度が比較的に高くて圧壊したときに体積が膨張し難いナイロンであるため、軸方向荷重の入力時に第１層１７を大きく膨張させて軸直角方向繊維２０…を効果的に破断し、エネルギー吸収性能を更に高めることができる。またエネルギー吸収に積極的に寄与しない第２層１８は高強度であるため、車両の衝突時でない通常時に繊維強化樹脂部材１１の強度を確保することができる。
更に、図４に示すように、軸方向荷重の入力時に、第１コーナー部１３を挟む第１平坦部１２および第２平坦部１４は第１層１７および第２層１８の境界で層間剥離するため、これがトリガーとなって第１コーナー部１３の圧壊が促進され、エネルギー吸収が更に向上する。
以上、第１コーナー部１３におけるエネルギー吸収について説明したが、第２コーナー部１５も同様の作用でエネルギー吸収性能を発揮する。図５に示すように、ハット状断面の維強化樹脂部材１１は、膨張方向が逆向きである第１コーナー部１３および第２コーナー部１５を備えるので、軸方向荷重の入力時に軸直角方向繊維２０…の張力を効率的に高めてエネルギー吸収性能を高めることができる。そして繊維強化樹脂部材１１は、その内部の軸直角方向繊維２０…の密度を変化させただけの簡単な構造であるため、製造コストの増加を最小限に抑えることができる。また樹脂によるエネルギー吸収特性への影響が少ないため、温度変化等の環境要素に関わらずに安定したエネルギー吸収特性を得ることができる。
次に、図６に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。
第２の実施の形態
第１の実施の形態の繊維強化樹脂部材１１は点対称でないハット状の横断面形状を有しているが、第２の実施の形態の繊維強化樹脂部材１１は軸中心Ｌに対して点対称な概略Ｓ字状の横断面形状を有している。
このように、繊維強化樹脂部材１１の横断面形状を点対称にすることで、軸方向荷重の入力時に繊維強化樹脂部材１１が軸中心Ｌに対して傾くことを防止し、繊維強化樹脂部材１１を長いストロークに亙って確実に圧壊してエネルギー吸収性能を高めることができる。
次に、図７に基づいて本発明の第３の実施の形態を説明する。
第３の実施の形態
第３の実施の形態は、ハット状断面の繊維強化樹脂部材１１の一対のフランジ部１６，１６間に板状の繊維強化樹脂部材２１を結合して閉断面に構成したものである。第２コーナー部１５はフランジ部１６に接続されていて軸直角方向繊維２０…の破断によるエネルギー吸収効果はあまり期待できないため、外側の軸直角方向繊維２０…の密度を内側の軸直角方向繊維２０…の密度よりも高くする構造は、第１コーナー部１３だけに適用される。そして繊維強化樹脂部材１１の軸方向端部において、第１層１７の軸方向端部は、第２層１８の軸方向端部よりも距離ａだけ軸方向に後退している。つまり、繊維強化樹脂部材１１の軸方向端部から距離ａ以内の領域は、第２層１８だけで構成される。
本実施の形態によれば、繊維強化樹脂部材１１，２１が軸方向荷重により圧壊するとき、第１コーナー部１３が第１の実施の形態と同様のエネルギー吸収効果を発揮するのは勿論であるが、それに加えて、先ず軸方向端部に露出する第２層１８だけが圧壊し、次いで第２層１８および第１層１７の両方が同時に圧壊することで、エネルギー吸収量を漸増させて安定したエネルギー吸収を可能にすることができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
例えば、繊維強化樹脂部材１１の繊維強化樹脂層は必ずしも複数層に分かれている必要はなく、一層であっても良い。要するに、軸直角方向繊維２０…の密度が、コーナー部の外側においてコーナー部の内側よりも高くなっていれば良い。

Claims (6)

  1. 連続繊維を合成樹脂で補強した繊維強化樹脂層が、その軸方向に対して直交する軸直角方向の横断面にコーナー部（１３）を有する繊維強化樹脂部材であって、
    前記連続繊維は、軸方向に配向された軸方向繊維（１９）と軸直角方向に配向された軸直角方向繊維（２０）とからなり、前記コーナー部（１３）の外側における前記軸直角方向繊維（２０）の密度を、前記コーナー部（１３）の内側における前記軸直角方向繊維（２０）の密度よりも高くしたことを特徴とする繊維強化樹脂部材。
  2. 前記繊維強化樹脂層は積層された複数の層（１７，１８）からなり、前記コーナー部（１３）の内側に配置される層（１８）の前記合成樹脂は、前記コーナー部（１３）の外側に配置される層（１７）の前記合成樹脂よりも圧縮強度が高く膨張し難い熱可塑性樹脂であることを特徴とする、請求項１に記載の繊維強化樹脂部材。
  3. 前記繊維強化樹脂層は前記コーナー部（１３）に連続する平坦部（１２，１４）を有することを特徴とする、請求項２に記載の繊維強化樹脂部材。
  4. 前記繊維強化樹脂層は、前記軸直角方向繊維（２０）の屈曲部に隣接して前記軸方向繊維（１９）が配置されることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の繊維強化樹脂部材。
  5. 前記繊維強化樹脂部材（１１）の横断面は点対称な形状であることを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の繊維強化樹脂部材。
  6. 前記繊維強化樹脂部材（１１）の軸方向端部において、前記内側に配置される層（１８）が前記外側に配置される層（１７）よりも軸方向に突出することを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の繊維強化樹脂部材。
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