JP6323400B2 - 車両用炭素繊維強化プラスチック製の振動減衰部材 - Google Patents

Description

この発明は、炭素繊維強化プラスチックの複数の内層と、中間層と、複数の外層とを積層して筒状体に形成された車両用炭素繊維強化プラスチック製の振動減衰部材に関する。

一般に、炭素繊維強化プラスチック（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）は、炭素繊維と熱硬化性樹脂の複合材であって、比強度、比弾性率が高く、耐熱・極低温性に優れるなどの長所を有することが知られている。

そして従来より炭素繊維強化プラスチック製の筒状体として、高い衝撃吸収性能を発揮するクラッシュカンが各種提案されている。

本発明者等は、上述の炭素繊維強化プラスチックを車両用の筒状体に適用する観点で、諸種の検討を行なった結果、該筒状体が複数の層を積層して形成された場合、当該筒状体への振動入力時に炭素繊維強化プラスチックの層と層との間に変形が起こるという知見に至った。
また、上述の車両用の筒状体には、振動減衰と併せて、車体側への取付け性が要求される。

ところで、特許文献１には、フロントサイドフレームの前端部に、矩形枠状の結合部を介して炭素繊維強化プラスチック製のクラッシュカンを配置した構造が開示されている。

この特許文献１に開示された従来構造においては、上記クラッシュカンで衝撃吸収性能（いわゆるＥＡ性能）を充分発揮することができるが、該特許文献１には上述のクラッシュカンで振動を低減させるという技術思想については開示されていない。

特許第４９７４７６９号公報

そこで、この発明は、振動減衰効果の確保と、車体への取付け性確保との両立を図ることができる車両用炭素繊維強化プラスチック製の振動減衰部材の提供を目的とする。

この発明による車両用炭素繊維強化プラスチック製の振動減衰部材は、炭素繊維強化プラスチックの複数の内層と、中間層と、複数の外層とを積層して筒状体に形成された車両用炭素繊維強化プラスチック製の振動減衰部材であって、上記筒状体の端部には外方に拡径するように湾曲する湾曲部を介して固定用のフランジ部が一体形成されており、上記湾曲部における上記各層の隣り合う層で炭素繊維の糸の向きを互いに異ならせたものである。
上述の筒状体の形状は、円筒状や角筒状の他に内部に十字閉断面を有する中空十文字形状の筒状であってもよい。

上記構成によれば、振動減衰部材が振動する際、上記湾曲部（いわゆるＲ部）における各層の繊維の伸縮量の違いに起因して、層間に内部応力（ストレス）が発生し、この内部応力により層間に歪みと熱が発生することで、振動エネルギを熱に変換して、振動を吸収することができる。また、上述のフランジ部の形成により車体への取付けが容易となる。
要するに、振動減衰効果の確保と、車体への取付け性確保との両立を図ることができる。

この発明の一実施態様においては、上記各層の隣り合う層のうち一方における炭素繊維の糸の向きを、上記筒状体の長手方向に沿わせると共に、上記各層の隣り合う層のうち他方における炭素繊維の糸の向きを上記筒状体の長手方向に対して略直交するよう形成したものである。

この発明の一実施態様においては、上記各層の隣り合う層で炭素繊維の糸の向きを４５度またはそれ以上に異ならせたものである。

上記構成によれば、上述の角度設定により、振動減衰部材の振動時には、湾曲部の各層の繊維の伸縮量の違いに起因して、さらに大きい内部応力が発生し、この内部応力により層間に歪みと熱が発生することで、振動エネルギを熱に変換して振動を吸収する振動吸収性能をさらに高めることができる。

この発明の一実施態様においては、上記複数の内層は筒状体の最も内側に位置する最内層と、該最内層の外側に隣接する隣接層とを備え、上記複数の外層は筒状体の最も外側に位置する最外層と、該最外層の内側に隣接する隣接層とを備え、上記最内層、上記最外層および上記中間層における炭素繊維の糸の向きを、上記筒状体の長手方向に沿わせると共に、上記各隣接層における炭素繊維の糸の向きを上記筒状体の長手方向に対して略直交するよう形成したものである。

上記構成によれば、各層間での炭素繊維の糸の向きの異なりが最大となるので、湾曲部の各層の繊維の伸縮量の差異に起因する内部応力が最大となり、この内部応力により層間に歪みと熱が発生し、振動エネルギを熱に変換して振動吸収する性能を最大限に高めることができる。

この発明の一実施態様においては、上記筒状体、上記湾曲部、上記固定用のフランジ部を備えた振動減衰部材が車体フレームの端部に取付けられるクラッシュカンに設定されたものである。

上記構成によれば、クラッシュカンで片持ち構造に支持されるバンパレインフォースメントの振動を、効率的に吸収することができる。

この発明によれば、振動減衰効果の確保と、車体への取付け性確保との両立を図ることができる効果がある。

本発明の車両用炭素繊維強化プラスチック製の振動減衰部材を、クラッシュカンに適用した時の車両前部の平面図 図１の車両右側部の要部拡大断面図 振動減衰部材の斜視図 振動減衰部材の一部を展開し透視状態で示す斜視図 図２の要部拡大断面図 振動吸収の作用を説明するための作用説明図

振動減衰効果の確保と、車体への取付け性確保との両立を図るという目的を、炭素繊維強化プラスチックの複数の内層と、中間層と、複数の外層とを積層して筒状体に形成された車両用炭素繊維強化プラスチック製の振動減衰部材において、上記筒状体の端部には外方に拡径するように湾曲する湾曲部を介して固定用のフランジ部が一体形成されており、湾曲部における上記各層の隣り合う層で炭素繊維の糸の向きを互いに異ならせるという構成にて実現した。

この発明の一実施例を以下図面に基づいて詳述する。
図面は車両用炭素繊維強化プラスチック製の振動減衰部材を示すが、以下の実施例においては当該振動減衰部材をクラッシュカンに適用した場合について例示する。また、炭素繊維強化プラスチックをＣＦＲＰと略記する。

図１はＣＦＲＰ製の振動減衰部材をクラッシュカンに適用した場合の車両前部の平面図、図２は図１の車両右側部の要部拡大断面図、図３はクラッシュカンの斜視図である。

図１において、エンジンルーム１０の左右両サイドを車両の前後方向に延びる左右一対のフロントサイドフレーム１１，１１を設け、これらフロントサイドフレーム１１，１１の前端部には、溶接手段にて、クラッシュカン取付けプレート１２，１２を取付けている。

これら左右のクラッシュカン取付けプレート１２，１２には、それぞれクラッシュカン２０，２０を取付けており、左右のクラッシュカン２０，２０の前端部相互間には、車幅方向に延びるバンパレインフォースメント１３を横架している。

図１，図２に示すように、上述のフロントサイドフレーム１１はフロントサイドフレームインナ１４とフロントサイドフレームアウタ１５の上下の接合フランジ部を接合固定して、車両の前後方向に延びる閉断面１６（図２参照）を形成した車体強度部材である。

このフロントサイドフレーム１１の前端部に取付けられたクラッシュカン取付けプレート１２は、図２に示すように、フロントサイドフレーム１１の閉断面１６と対応する部位に、軽量化用の開口部１２ａを形成すると共に、当該取付けプレート１２の左右両端部を車両後方に向けて折曲げた折曲げ部１２ｂ，１２ｂを一体形成し、該折曲げ部１２ｂによりクラッシュカン取付けプレート１２の強度向上を図っている。
また、上述のバンパレインフォースメント１３は、バンパレイン本体１７と、このバンパレイン本体１７の前面に一体的に接合固定されたクロージングプレート１８とを備えており、上述のバンパレイン本体１７とクロージングプレート１８との間には、車幅方向に延びる閉断面１９を形成している。

図２に示すように、上述のクラッシュカン２０はＣＦＲＰの複数の内層２１と、中間層２４と、複数の外層２５とを積層して筒状体２８（この実施例では、円筒形状の筒状体）に形成されている。
そして、上述の筒状体２８の車両後方側の端部には、外方に拡径するように湾曲する湾曲部２９（いわゆるＲ部）を介して固定用のフランジ部３０が一体形成されている。

図２に示すように、上述の複数の内層２１は、筒状体２８の最も内側に位置する最内層２２と、この最内層２２の外側としての外周部に隣接する隣接層２３とを備えている。
また、上述の複数の外層２５は、筒状体２８の最も外側に位置する最外層２６と、この最外層２６の内側としての内周部に隣接する隣接層２７とを備えている。

さらに、この実施例では、中間層２４の厚さ方向中心に対して、隣接層２３および最内層２２と、隣接層２７および最外層２６とが略対称に形成されると共に、中間層２４の層厚は他の層２２，２３，２６，２７に対して厚肉に形成されている。

図２，図３に示すように、筒状体２８の後端部に湾曲部２９を介して一体形成された固定用のフランジ部３０には、複数の取付け孔３１…が開口形成されている。

これらの各取付け孔３１と対応するように上述のクラッシュカン取付けプレート１２には、ボルト挿通孔（図示せず）が形成されると共に、そのリヤ側の面には複数のナット３２が溶接固定されている。
上述のクラッシュカン２０は、そのフランジ部３０の取付け孔３１をナット３２の位置と一致させるようにクラッシュカン取付けプレート１２の前面に当接させた後に、ボルト３３を、上記取付け孔３１を挿通させてナット３２に締付けることで、ボルト３３、ナット３２から成る締結部材により、クラッシュカン取付けプレート１２に取付けられている。

すなわち、上述の筒状体２８、湾曲部２９、固定用のフランジ部３０を一体形成したクラッシュカン２０が、クラッシュカン取付けプレート１２を介して車体フレームであるフロントサイドフレーム１１の前端部に取付けられたものであり、左右一対のクラッシュカン２０，２０により図１で示したバンパレインフォースメント１３を片持ち構造に支持している。

図４は振動減衰部材（クラッシュカン２０）の一部である最外層２６と隣接層２７とを展開し、かつ透視状態で示す斜視図である。

図４に示すように、最外層２６は層状を成す樹脂部２６Ｐ内に多数の炭素繊維の糸２６Ｃが配設されており、隣接層２７も同様に層状を成す樹脂部２７Ｐ内に多数の炭素繊維の糸２７Ｃが配設されているが、最外層２６における多数の炭素繊維の糸２６Ｃの向きは、筒状体２８の長手方向（図２，図３，図４の矢印Ｘ方向）に沿わせており、隣接層２７における多数の炭素繊維の糸２７Ｃの向きは、筒状体２８の長手方向（矢印Ｘ方向）に対して略直交する方向、つまり、図４の矢印Ｙ方向に沿わせている。

図５は図２の要部拡大断面図で、クラッシュカン２０の内部構造をさらに詳細に示している。
図５において、２２Ｐ，２３Ｐ，２４Ｐ，２６Ｐ，２７Ｐは各層２２，２３，２４，２６，２７の層状を成す樹脂部であり、２２Ｃ，２３Ｃ，２４Ｃ，２６Ｃ，２７Ｃは、これら各樹脂部内に配設された多数の炭素繊維の糸である。

図５に示すように、最内層２２、中間層２４、最外層２６における炭素繊維の糸２２Ｃ，２４Ｃ，２６Ｃの向きを、筒状体２８の長手方向（矢印Ｘ方向）に沿わせると共に、各隣接層２３，２７における炭素繊維の糸２３Ｃ，２７Ｃの向きを、上述の筒状体２８の長手方向（矢印Ｘ方向）に対して略直交となるように、すなわち、これら炭素繊維の糸２３Ｃ，２７Ｃの向きが、筒状体２８の周方向となるように形成している。

要するに、内層２１と中間層２４と外層２５とで、詳しくは、最内層２２と隣接層２３と中間層２４と隣接層２７と最外層２６とで、各層の隣り合う層で炭素繊維の糸２２Ｃ，２３Ｃ，２４Ｃ，２７Ｃ，２６Ｃの向きを互いに異ならせたものである。

具体的には、各層２２，２３，２４，２７，２６の隣り合う層で炭素繊維の糸２２Ｃ，２３Ｃ，２４Ｃ，２７Ｃ，２６Ｃの向きを４５度またはそれ以上、この実施例では約９０度に異ならせたものである。

図６は振動吸収の作用を説明するための作用説明図であって、同図において非振動時のノーマル状態を仮想線Ｚで示し、クラッシュカン２０が車幅方向外方へ振動した状態αを実線で示し、クラッシュカン２０が車幅方向内方へ振動した状態を仮想線βで示している。

クラッシュカン２０が振動により図６に仮想線Ｚで示すノーマル状態から同図に実線で示すように変位した場合、湾曲部２９における最外層２６、隣接層２７には同図に矢印ａ，ｂで示すように圧縮方向の応力が作用し、最内層２２、隣接層２３には同図に矢印ｄ，ｃで示すように引張り方向の応力が作用する。

湾曲部２９において、最外層２６と隣接層２７との曲率半径の差異および炭素繊維の糸２６Ｃ，２７Ｃの向きの差異（図５参照）により矢印ａで示す圧縮方向の応力は、矢印ｂで示す圧縮方向の応力に対して大きくなる。また、最内層２２と隣接層２３との曲率半径の差異および炭素繊維の糸２２Ｃ，２３Ｃの向きの差異（図５参照）により矢印ｄに示す引張り方向の応力は、矢印ｃで示す引張り方向の応力に対して大きくなる。さらに中間層２４の外側には圧縮方向の応力が作用し、中間層２４の内側には引張り方向の応力が作用するが、中間層２４に作用する圧縮方向の応力および引張り方向の応力は他の層２６，２７，２２，２３に作用する応力と比較して相対的に僅少となる。

因みに、筒状体２８の長手方向（矢印Ｘ方向）に沿う炭素繊維の糸２２Ｃ，２４Ｃ，２６Ｃは、筒状体２８の長手方向（矢印Ｘ方向）に対して略直交する炭素繊維の糸２３Ｃ，２７Ｃに対して、伸縮時の抵抗が大きく、曲がりにくい。換言すれば、上述の炭素繊維の糸２３Ｃ，２７Ｃは、矢印Ｘ方向に沿う炭素繊維の糸２２Ｃ，２４Ｃ，２６Ｃに対して、曲がりやすいものである。
また、上述の圧縮方向の応力が大きい程、繊維の収縮量が大きくなり、上述の引張り方向の応力が大きい程、繊維の伸張量が大きくなる。

このように、湾曲部２９における各層２２，２３，２４，２７，２６の繊維の伸縮量の違いに起因して、層間、すなわち、最内層２２と隣接層２３との間、隣接層２３と中間層２４との間、中間層２４と隣接層２７との間、隣接層２７と最外層２６との間に内部応力（ストレス）が発生し、この内部応力により層間に歪みと熱が発生するので、振動エネルギを熱に変換して、振動を吸収することができるものである。

ここで、上述の各層２２，２３，２４，２７，２６のうち、筒状体２８の長手方向（矢印Ｘ方向）に対して炭素繊維の糸２３Ｃ，２７Ｃの向きが異なり、かつクラッシュカン２０の内表面および外表面に近い層としての隣接層２３，２７の樹脂部２３Ｐ，２７Ｐ内外の層間が、歪みと熱を発生することで、振動エネルギを熱に変換して、振動減衰を図るのに最も寄与していることが実験の結果、判明した。

図６では、クラッシュカン２０が同図に示すノーマル状態（仮想線Ｚ参照）から実線で示すように車幅方向の外側に変位した場合について説明したが、クラッシュカン２０が図６のノーマル状態（仮想線Ｚ参照）から同図に仮想線βで示す車幅方向の内側に変位した場合、並びに、クラッシュカン２０が上下方向またはその他斜め方向に変位した場合においても、上述同様に層間に歪みと熱が発生するので、振動エネルギを熱に変換して、振動を吸収することができる。

なお、上述の各層２２，２３，２４，２６，２７は、実際には厚さが薄く、炭素繊維の糸の向きが当該層において同一のＣＦＲＰシートを複数枚積層することにより形成されるものである。また、図中、矢印Ｆは車両前方を示し、矢印Ｒは車両後方を示し、矢印ＩＮは車幅方向の内方を示し、矢印ＯＵＴは車幅方向の外方を示す。

この発明による車両用ＣＦＲＰ製の振動減衰部材（クラッシュカン２０参照）は、ＣＦＲＰの複数の内層２１と、中間層２４と、複数の外層２５とを積層して筒状体２８に形成された車両用ＣＦＲＰ製の振動減衰部材であって、上記筒状体２８の端部には外方に拡径するように湾曲する湾曲部２９を介して固定用のフランジ部３０が一体形成されており、上記各層２１，２４，２５の隣り合う層で炭素繊維の糸（２２Ｃ，２３Ｃ，２４Ｃ，２７Ｃ，２６Ｃ参照）の向きを互いに異ならせたものである（図２，図５参照）。

この構成によれば、振動減衰部材（クラッシュカン２０参照）が振動する際、上記湾曲部２９（いわゆるＲ部）における各層２１，２４，２５の繊維の伸縮量の違いに起因して、層間に内部応力（ストレス）が発生し、この内部応力により層間に歪みと熱が発生することで、振動エネルギを熱に変換して、振動を吸収することができる。また、上述のフランジ部３０の形成により車体への取付けが容易となる。
要するに、振動減衰効果の確保と、車体への取付け性確保との両立を図ることができる。

この発明の一実施形態においては、上記各層２１，２４，２５の隣り合う層で炭素繊維の糸（２２Ｃ，２３Ｃ，２４Ｃ，２７Ｃ，２６Ｃ参照）の向きを４５度またはそれ以上（この実施例では、約９０度）に異ならせたものである（図５参照）。

この構成によれば、上述の角度設定により、振動減衰部材（クラッシュカン２０参照）の振動時には、湾曲部２９の各層２１，２４，２５の繊維の伸縮量の違いに起因して、さらに大きい内部応力が発生し、この内部応力により層間に歪みと熱が発生することで、振動エネルギを熱に変換して振動を吸収する振動吸収性能をさらに高めることができる。

この発明の一実施形態においては、上記複数の内層２１は筒状体２８の最も内側に位置する最内層２２と、該最内層２２の外側に隣接する隣接層２３とを備え、上記複数の外層２５は筒状体２８の最も外側に位置する最外層２６と、該最外層２６の内側に隣接する隣接層２７とを備え、上記最内層２２、上記最外層２６および上記中間層２４における炭素繊維の糸２２Ｃ，２４Ｃ，２６Ｃの向きを、上記筒状体２８の長手方向に沿わせると共に、上記各隣接層２３，２７における炭素繊維の糸２３Ｃ，２７Ｃの向きを上記筒状体２８の長手方向に対して略直交するよう形成したものである（図５参照）。

この構成によれば、各層２２，２３，２４，２７，２６間での炭素繊維の糸２２Ｃ，２３Ｃ，２４Ｃ，２７Ｃ，２６Ｃの向きの異なりが最大となるので、湾曲部２９の各層の繊維の伸縮量の差異に起因する内部応力が最大となり、この内部応力により層間に歪みと熱が発生し、振動エネルギを熱に変換して振動吸収する性能を最大限に高めることができる。

この発明の一実施形態においては、上記筒状体２８、上記湾曲部２９、上記固定用のフランジ部３０を備えた振動減衰部材が車体フレーム（フロントサイドフレーム１１参照）の端部に取付けられるクラッシュカン２０に設定されたものである（図１参照）。

この構成によれば、クラッシュカン２０で片持ち構造に支持されるバンパレインフォースメント１３の振動を、効率的に吸収することができる。

この発明の構成と、上述の実施例との対応において、
この発明の振動減衰部材は、実施例のクラッシュカン２０に対応し、
以下同様に、
車体フレームは、フロントサイドフレーム１１に対応するも、
この発明は、上述の実施例の構成のみに限定されるものではない。

例えば、上記実施例においては、振動減衰部材としてフロントサイドフレーム１１の前端部に取付けられるフロント側のクラッシュカン２０を例示したが、これはフロント側サスペンションクロスメンバの車両前方への延長部の前端部に取付けられるサブクラッシュカンであってもよく、または、リヤサイドフレームの後端部に取付けられるリヤ側のクラッシュカンや、その他車体振動を減衰する他の振動減衰部材に適用してもよい。

以上説明したように、本発明は、ＣＦＲＰの複数の内層と、中間層と、複数の外層とを積層して筒状体に形成された車両用ＣＦＲＰ製の振動減衰部材について有用である。

１１…フロントサイドフレーム（車体フレーム）
２０…クラッシュカン（振動減衰部材）
２１…内層
２２…最内層
２２Ｃ，２３Ｃ，２４Ｃ，２６Ｃ，２７Ｃ…炭素繊維の糸
２３，２７…隣接層
２４…中間層
２５…外層
２６…最外層
２８…筒状体
２９…湾曲部
３０…フランジ部

Claims (5)

1. 炭素繊維強化プラスチックの複数の内層と、中間層と、複数の外層とを積層して筒状体に形成された車両用炭素繊維強化プラスチック製の振動減衰部材であって、
   上記筒状体の端部には外方に拡径するように湾曲する湾曲部を介して固定用のフランジ部が一体形成されており、
   上記湾曲部における上記各層の隣り合う層で炭素繊維の糸の向きを互いに異ならせたことを特徴とする
   車両用炭素繊維強化プラスチック製の振動減衰部材。
2. 上記各層の隣り合う層のうち一方における炭素繊維の糸の向きを、上記筒状体の長手方向に沿わせると共に、
   上記各層の隣り合う層のうち他方における炭素繊維の糸の向きを上記筒状体の長手方向に対して略直交するよう形成した
   請求項１記載の車両用炭素繊維強化プラスチック製の振動減衰部材。
3. 上記各層の隣り合う層で炭素繊維の糸の向きを４５度またはそれ以上に異ならせた
   請求項１記載の車両用炭素繊維強化プラスチック製の振動減衰部材。
4. 上記複数の内層は筒状体の最も内側に位置する最内層と、該最内層の外側に隣接する隣接層とを備え、
   上記複数の外層は筒状体の最も外側に位置する最外層と、該最外層の内側に隣接する隣接層とを備え、
   上記最内層、上記最外層および上記中間層における炭素繊維の糸の向きを、上記筒状体の長手方向に沿わせると共に、
   上記各隣接層における炭素繊維の糸の向きを上記筒状体の長手方向に対して略直交するよう形成した
   請求項１記載の車両用炭素繊維強化プラスチック製の振動減衰部材。
5. 上記筒状体、上記湾曲部、上記固定用のフランジ部を備えた振動減衰部材が車体フレームの端部に取付けられるクラッシュカンに設定された
   請求項１〜４の何れか一項に記載の車両用炭素繊維強化プラスチック製の振動減衰部材。

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