JP7087768B2 - 車両用構造部材 - Google Patents

Description

本発明は、車両用構造部材に関する。

近年、地球環境保護の観点から、自動車の燃費改善が要求されている。その一方で、車両の衝突安全性の維持または向上が要求されている。これらの要求を満足するために、高強度かつ軽量な車体構造の開発が進められている。車両用構造部材であり、車体の骨格を形成するフレームについても、従来の衝突性能を維持しつつ車体構造の軽量化を図るために、フレームを形成する鋼板の高強度化および薄肉化が進められている。

また、車両の衝突安全性を向上させるためには、“クラッシャブルゾーン”とも呼ばれる車両のフロント部およびリア部のエネルギー吸収性能を向上させることが求められる。例えば、フロント部のクラッシャブルゾーンは、主にフロントサイドメンバと呼ばれる部品とその先端に配置されるクラッシュボックスと呼ばれる部品で構成されている。ここで、車両のフロント部のエネルギー吸収性能を向上させる技術として、特許文献１にはＦＲＰ（繊維強化樹脂）を車体前部のクラッシュボックス（バンパービームエクステンション）に適用する技術が開示されている。また、車両のリア部のエネルギー吸収性能を向上させる技術として、特許文献２にはＦＲＰを車体後部のクラッシュボックス（クラッシュレール）に適用する技術が開示されている。

国際公開第２０１４／０４２２１１号 国際公開第２０１４／１１２２６５号

特許文献１および特許文献２に開示された技術は、クラッシュボックスにＦＲＰを適用し、クラッシュボックス自体のエネルギー吸収性能を向上させるものである。しかしながら、クラッシュボックスは、例えば低速での衝突時などの入力荷重が小さい衝突（いわゆる軽衝突）におけるエネルギーの吸収を目的とした部材であって、例えば高速での衝突時などの入力荷重が大きい衝突の場合には、変形初期にクラッシュボックスは潰れ切ってしまい、その後フロントサイドメンバが変形することでエネルギー吸収がなされる。フロントサイドメンバに比べて、クラッシュボックスのエネルギー吸収量は相対的に小さいため、高速での衝突時の大荷重を想定した場合は、クラッシュボックスでは限られたエネルギー吸収性能しか発揮することができない。一方で、高速衝突時に主にエネルギー吸収を担うフロントサイドメンバへのＦＲＰ（繊維強化樹脂）の適用例は見られない。この理由はＦＲＰの延性が極めて小さいために、高速衝突時の大荷重に対して、変形初期にＦＲＰが破断してしまい、狙いのエネルギー吸収量が得られないためである。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、車両用構造部材において、軽量化を図りつつ、車両衝突時のエネルギー吸収性能を維持または向上させることを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一態様は、車両用構造部材であって、金属製の中空部材と、前記中空部材に接合された、前記中空部材の部材長手方向に沿って連続的に形成されている補強部材とを有し、前記補強部材が複数設けられ、前記中空部材の部材長手方向に垂直な断面の重心を原点とした座標軸において、断面２次モーメントが最大となる主軸を第１軸と称し、前記第１軸に垂直な方向の軸を第２軸と称し、前記第２軸を境界として分割された前記中空部材の２つの領域を第１の領域と、第２の領域と称したとすると、前記第１の領域に接合された補強部材と、前記第２の領域に接合された補強部材とが、前記中空部材の部材長手方向に沿って交互に配置されていることを特徴としている。

上記車両用構造部材においては、部材長手方向から高荷重が入力された際に、中空部材の低断面２次モーメント側への折れではなく、高断面２次モーメント側への折れを誘発させることができる。これにより、低断面２次モーメント側への折れが生じる場合と比較して車両用構造部材が座屈しにくくなる。その結果、部材長手方向から高荷重が入力された際に、高い反力を発生させながら車両用構造部材の変形が進行することになり、エネルギー吸収性能を高めることが可能となる。

本発明によれば、車両用構造部材において、軽量化を図りつつ、車両衝突時のエネルギー吸収性能を維持または向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る車両用フレームと他部材とが接合された状態を示す斜視図である。 同実施形態に係る車両用フレームと他部材とが接合された状態を示す平面図である。 同実施形態に係る車両用フレームと他部材とが接合された状態を示す側面図である。 同実施形態に係る車両用フレームの概略構成を示す斜視図である。 図４中のａ－ａ断面図である。 補強部材の配置例を示す、図４中のａ－ａ断面に相当する図である。 補強部材の配置例を示す、図４中のａ－ａ断面に相当する図である。 補強部材の配置例を示す、図４中のａ－ａ断面に相当する図である。 補強部材の配置例を示す、図４中のａ－ａ断面に相当する図である。 補強部材の配置例を示す、図４中のａ－ａ断面に相当する図である。 補強部材の配置例を示す、車両用フレームの概略構成を示す斜視図である。 補強部材の配置例を示す、車両用フレームの概略構成を示す斜視図である。 補強部材の配置に関する補足説明のための図である。 補強部材の配置に関する補足説明のための図である。 比較例（構造３）の車両用フレームの概略構成を示す斜視図である。 比較例（構造１）の車両用フレームの変形状態を示す平面図である。 比較例（構造１）の車両用フレームの変形状態を示す側面図である。 発明例（構造６）の車両用フレームの変形状態を示す平面図である。 発明例（構造６）の車両用フレームの変形状態を示す側面図である。 衝突シミュレーションにおける各解析モデルのエネルギー吸収性能を比較した図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．車両用構造部材の適用対象＞
車両用構造部材の一例である車両用フレームの構成について説明する前に、当該車両用構造部材の適用対象について説明する。一般的な自動車等の車両に設けられる車体は、フロント構造（FRONT）、リア構造（REAR）、およびキャビン構造（CABIN）に分別することができる。

フロント構造およびリア構造は、車両衝突時において当該構造が自ら圧潰することにより、車両に対する衝撃を吸収して緩和する機能（衝撃吸収機能）を担っている。すなわち、車両衝突時に、キャビンに搭乗する乗員の安全を確保するために、フロント構造およびリア構造は、衝突により生じるエネルギー（衝突エネルギー）を可能な限り吸収する構造であることが要求される。したがって、フロント構造およびリア構造を構成するフレームは、衝突時に曲げや潰れが生じた際においても衝突エネルギーを多く吸収することが求められる。当該フロント構造およびリア構造に用いられるフレームは、例えばフロントサイドメンバやリアサイドメンバ等である。フロントサイドメンバは、後端部を構成するフロントサイドメンバリア、および当該後端部よりも前側の部分を構成するフロントサイドメンバフロントを含む。リアサイドメンバは、後端部を構成するリアサイドメンバリア、および当該後端部よりも前側の部分を構成するリアサイドメンバフロントを含む。

ところで、車両の衝突安全性の維持と軽量化とを両立させるために、車体構造を形成する鋼板の高強度化および薄肉化が進められている。上記のフロント構造、リア構造およびキャビン構造を構成するフレームについても、薄肉化された高強度鋼板に置き換えることが進められている。具体的には、衝突エネルギー吸収量および耐荷重性能の少なくともいずれかが、従来の鋼板により形成されるフレームと同等になるように、高強度鋼板により形成されるフレームの板厚が従来の鋼板により形成されるフレームよりも薄く設定される。これにより、高強度フレームの衝突性能を従来フレームと同等に維持しつつ、フレームの重量を低減させることができる。

＜２．車両用フレームの構成＞
（フレームの構成要素）
図１は、本発明の一実施形態に係る車両用フレーム１と他部材とが接合された状態を示す斜視図である。図２は、その状態の平面図であり、図３は、その状態の側面図である。図１～図３に示す例における車両用フレーム１はフロントサイドメンバであり、フロントサイドメンバの前端はクラッシュボックス３０を介して、バンパービーム５０に接合されている。通常、フロントサイドメンバは、キャビン部の前方に左右対称に２本配置されており、図１～図３は、その片側のみ表示している。なお、車両用フレーム１は車両用構造部材の一例であり、以下単にフレーム１と記載する。フレーム１はフロント構造およびリア構造に係る部材に適用されることが好ましいが、車両用フレーム１をキャビン構造に係る部材に適用することも可能である。また、当該車両用構造部材は、自動車のみならず、他の車両および自走可能な機械にも適用可能である。他の車両および自走可能な機械には、例えば、二輪車両、バスまたは牽引車等の大型車両、トレーラー、鉄道車両、建設機械、鉱山機械、農業機械、一般機械、および船舶等が含まれる。

図４および図５に示すように本実施形態のフレーム１は、金属製の中空部材１０と、中空部材１０の内面に接合された補強部材２０を備えている。なお、本実施形態では、補強部材２０が中空部材１０の内面に接合されているが、中空部材１０の外面に接合されていてもよい。

本実施形態の中空部材１０は、長尺の構造部材の一例であり、部材長手方向（本実施形態ではＸ方向）に垂直な断面の形状が矩形状となった部材である。本実施形態の中空部材１０は一体物として形成された角管状のものであるが、中空部材１０は、例えば平板状のクロージングプレートと、断面がハット形状の部材とが接合されることで構成されていてもよい。すなわち、中空部材１０は、部材長手方向Ｘに垂直な断面が閉断面となるように構成されていれば、その構成は特に限定されない。

本実施形態の中空部材１０は４つの平面部を有しており、以降の説明では、それらの４つの平面部のうち、図５において上側に位置する平面部を天面部１１ａ、右側に位置する平面部を側面部１１ｂ、下側に位置する平面部を底面部１１ｃ、左側に位置する平面部を側面部１１ｄと称す。また、天面部１１ａと側面部１１ｂとの境界となる部分である両平面部１１ａ、１１ｂの接続部を稜線部１１ｅ、側面部１１ｂと底面部１１ｃとの境界となる部分である両平面部１１ｂ、１１ｃの接続部を稜線部１１ｆ、底面部１１ｃと側面部１１ｄとの境界となる部分である両平面部１１ｃ、１１ｄの接続部を稜線部１１ｇ、側面部１１ｄと天面部１１ａとの境界となる部分である両平面部１１ｄ、１１ａの接続部を稜線部１１ｈと称す。

中空部材１０は、金属板により形成される。金属板の種類は特に限定されないが、例えば鋼板等の金属板により形成されることが好ましい。また、衝突性能の観点から中空部材１０の板厚は、バス等の大型の車両で多く用いられるフレーム構造では６．０ｍｍ以下が好ましく、通常のサイズの車両で多く用いられるモノコック構造車両では３．２ｍｍ以下であることが好ましい。また、中空部材１０の引張強度は特に限定されない。ただし、軽量化により低減し得るフレーム１の全体的な強度を補うために、中空部材１０の引張強度は５９０ＭＰａ以上であることが好ましい。また、中空部材１０の引張強度は９８０ＭＰａ以上であることがさらに好ましい。

（補強部材の例）
補強部材として用いられ得るＦＲＰ部材は、マトリックス樹脂と、該マトリックス樹脂中に含有され、複合化された強化繊維材料からなる、繊維強化樹脂部材を意味する。

強化繊維材料としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維を用いることができる。他にも、強化繊維材料として、ボロン繊維、シリコンカーバイド繊維、アラミド繊維等を用いることができる。ＦＲＰ部材に用いられるＦＲＰにおいて、強化繊維材料の基材となる強化繊維基材としては、例えば、チョップドファイバーを使用した不織布基材や連続繊維を使用したクロス材、一方向強化繊維基材（ＵＤ材）等を使用することができる。これらの強化繊維基材は、強化繊維材料の配向性の必要に応じて、適宜選択され得る。

ＣＦＲＰ部材は、強化繊維材料として炭素繊維を用いたＦＲＰ部材である。炭素繊維としては、例えば、ＰＡＮ系またはピッチ系のものが使用できる。炭素繊維を用いることにより、重量に対する強度等を効率よく向上させることができる。

ＧＦＲＰ部材は、強化繊維材料としてガラス繊維を用いたＦＲＰ部材である。炭素繊維よりも機械的特性に劣るが、金属部材の電蝕を抑制することができる。

ＦＲＰ部材に用いられるマトリックス樹脂として、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のいずれも使用することができる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、並びにビニルエステル樹脂等があげられる。熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン等）およびその酸変性物、ナイロン６およびナイロン６６等のポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタラートおよびポリブチレンテレフタラート等の熱可塑性芳香族ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテルおよびその変性物、ポリアリレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、塩化ビニル、ポリスチレン等のスチレン系樹脂、並びにフェノキシ樹脂等があげられる。なお、マトリックス樹脂は、複数種類の樹脂材料により形成されていてもよい。

金属部材への適用を考慮すると、加工性、生産性の観点から、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。さらに、マトリックス樹脂としてフェノキシ樹脂を用いることで、強化繊維材料の密度を高くすることができる。また、フェノキシ樹脂は熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂と分子構造が酷似しているためエポキシ樹脂と同程度の耐熱性を有する。また、硬化成分をさらに添加することにより、高温環境への適用も可能となる。硬化成分を添加する場合、その添加量は、強化繊維材料への含浸性、ＦＲＰ部材の脆性、タクトタイムおよび加工性等とを考慮し、適宜決めればよい。

（接着樹脂層）
補強部材がＦＲＰ部材等により形成される場合、ＦＲＰ部材と金属部材（上記実施形態では中空部材１０）との間に接着樹脂層が設けられ、該接着樹脂層によりＦＲＰ部材と金属部材とが接合されてもよい。

接着樹脂層を形成する接着樹脂組成物の種類は特に限定されない。例えば、接着樹脂組成物は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれかであってもよい。熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂の種類は特に限定されない。例えば、熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィンおよびその酸変性物、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレンテレフタラートやポリブチレンテレフタラート等の熱可塑性芳香族ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテルおよびその変性物、ポリフェニレンスルフィド、ポリオキシメチレン、ポリアリレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、並びにポリエーテルケトンケトン等から選ばれる１種以上を使用することができる。また、熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、およびウレタン樹脂から選ばれる１種以上を使用することができる。

接着樹脂組成物は、ＦＲＰ部材を構成するマトリックス樹脂の特性、補強部材の特性または金属部材の特性に応じて適宜選択され得る。例えば、接着樹脂層として極性のある官能基を有する樹脂や酸変性などを施された樹脂を用いることで、接着性が向上する。

このように、上述した接着樹脂層を用いてＦＲＰ部材を金属部材に接着させることにより、ＦＲＰ部材と金属部材との密着性を向上させることができる。そうすると、金属部材に対し荷重が入力された際の、ＦＲＰ部材の変形追従性を向上させることができる。この場合、金属部材の変形体に対するＦＲＰ部材の効果をより確実に発揮させることが可能となる。

なお、接着樹脂層を形成するために用いられる接着樹脂組成物の形態は、例えば、粉体、ワニス等の液体、フィルム等の固体とすることができる。

また、接着樹脂組成物に架橋硬化性樹脂および架橋剤を配合して、架橋性接着樹脂組成物を形成してもよい。これにより接着樹脂組成物の耐熱性が向上するため、高温環境下での適用が可能となる。架橋硬化性樹脂として、例えば２官能性以上のエポキシ樹脂や結晶性エポキシ樹脂を用いることができる。また、架橋剤として、アミンや酸無水物等を用いることができる。また、接着樹脂組成物には、その接着性や物性を損なわない範囲において、各種ゴム、無機フィラー、溶剤等その他添加物が配合されてもよい。

ＦＲＰ部材の金属部材への複合化は、種々の方法により実現される。例えば、ＦＲＰ部材となるＦＲＰまたはその前駆体であるＦＲＰ成形用プリプレグと、金属部材とを、上述した接着樹脂組成物で接着し、該接着樹脂組成物を固化（または硬化）させることで得られる。この場合、例えば、加熱圧着を行うことにより、ＦＲＰ部材と金属部材とを複合化させることができる。

上述したＦＲＰまたはＦＲＰ成形用プリプレグの金属部材への接着は、部品の成形前、成形中または成形後に行われ得る。例えば、被加工材である金属材料を金属部材に成形した後に、ＦＲＰまたはＦＲＰ成形用プリプレグを該金属部材に接着しても良い。また、被加工材にＦＲＰまたはＦＲＰ成形用プリプレグを加熱圧着により接着した後に、ＦＲＰ部材が接着された該被加工材を成形して複合化された金属部材を得てもよい。ＦＲＰ部材のマトリクス樹脂が熱可塑性樹脂であれば、ＦＲＰ部材が接着された部分について曲げ加工等の成形を行うことも可能である。また、ＦＲＰ部材のマトリクス樹脂が熱可塑樹脂である場合、加熱圧着工程と成形工程とが一体となった複合一括成形が行われてもよい。

なお、ＦＲＰ部材と金属部材との接合方法は、上述した接着樹脂層による接着に限られない。例えば、ＦＲＰ部材と金属部材とは、機械的に接合されてもよい。より具体的には、ＦＲＰ部材と金属部材のそれぞれ対応する位置に締結用の孔が形成され、これらがボルトやリベット等の締結手段により当該孔を介して締結されることにより、ＦＲＰ部材と金属部材とが接合されていてもよい。他にも公知の接合手段によってＦＲＰ部材と金属部材とが接合されてもよい。また、複数の接合手段により複合的にＦＲＰ部材と金属部材とが接合されてもよい。例えば、接着樹脂層による接着と、締結手段による締結とが複合的に用いられてもよい。

補強部材としては、ＦＲＰ部材のほかに、種々の材料が用いられ得る。例えば、補強部材は、硬質ポリウレタンフォーム等により形成される発泡性樹脂等、上述した樹脂組成物以外の樹脂組成物で形成されてもよい。また、補強部材は、肉盛部として肉盛により形成されていてもよい。この場合肉盛に用いられる金属の種類は、金属部材の母材との特性を鑑みて適宜決定される。また、補強部材は、鋼材やアルミニウム合金部材、マグネシウム合金部材等であってもよい。また、金属部材との接合方法は溶接に限られず、種々の適切な接合方法を用いることができる。

（金属部材およびその表面処理）
本発明に係る金属部材は、めっきされていてもよい。これにより、耐食性が向上する。特に、金属部材が鋼材である場合は、より好適である。めっきの種類は特に限定されず、公知のめっきを用いることができる。例えば、めっき鋼板（鋼材）として、溶融亜鉛めっき鋼板、溶融合金化亜鉛めっき鋼板、Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ系合金めっき鋼板、アルミニウムめっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、電気Ｚｎ－Ｎｉ系合金めっき鋼板等が用いられ得る。

また、金属部材は、表面に化成処理とよばれる皮膜が被覆されていてもよい。これにより、耐食性がより向上する。化成処理として、一般に公知の化成処理を用いることができる。例えば、化成処理として、りん酸亜鉛処理、クロメート処理、クロメートフリー処理等を用いることができる。また、上記皮膜は、公知の樹脂皮膜であってもよい。

また、金属部材は、一般に公知の塗装が施されているものであってもよい。これにより、耐食性がより向上する。塗装として、公知の樹脂を用いることができる。例えば、塗装として、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂またはふっ素系樹脂等を主樹脂としたものを用いることができる。また、塗装には、必要に応じて、一般に公知の顔料が添加されていてもよい。また、塗装は、顔料が添加されていないクリヤー塗装であってもよい。かかる塗装は、ＦＲＰ部材を複合化する前に予め金属部材に施されていてもよいし、ＦＲＰ部材を複合化した後に金属部材に施されてもよい。また、予め金属部材に塗装が施されたのちにＦＲＰ部材が複合化され、さらにその後塗装が施されてもよい。塗装に用いられる塗料は、溶剤系塗料、水系塗料または紛体塗料等であってもよい。塗装の施工方法として、一般に公知の方法が適用され得る。例えば、塗装の施工方法として、電着塗装、スプレー塗装、静電塗装または浸漬塗装等が用いられ得る。電着塗装は、金属部材の端面や隙間部を被覆するのに適しているため、塗装後の耐食性に優れる。また、塗装前に金属部材の表面にりん酸亜鉛処理やジルコニア処理等の一般に公知の化成処理を施すことにより、塗膜密着性が向上する。

（補強部材の配置）
図５は中空部材１０の部材長手方向Ｘに垂直な断面であり、図５中の軸Ａ₁は、当該断面の重心Ｏを原点とした座標軸において断面２次モーメントが最大となる主軸である。軸Ａ₂は、当該断面における軸Ａ₁に対して垂直な軸である。以降の説明では上記軸Ａ₁を“第１軸”、上記軸Ａ₂を“第２軸”と称す。また、第２軸Ａ₂を境界として中空部材１０を２つの領域に分割した際の一方の領域を“第１の領域Ｒ₁”と称し、他方の領域を“第２の領域Ｒ₂”と称す。本実施形態では、説明の便宜上、第２軸Ａ₂よりも上方の領域を第１の領域Ｒ₁と称し、第２軸Ａ₂よりも下方の領域を第２の領域Ｒ₂と称すこととするが、第２軸Ａ₂よりも上方の領域を第２の領域Ｒ₂と称し、第２軸Ａ₂よりも下方の領域を第１の領域Ｒ₁と称したとしても差異はない。

図５に示すように本実施形態の補強部材２０は断面形状がＵ字状であり、中空部材１０の第１の領域Ｒ₁の内面全周に接合されている。詳述すると、補強部材２０は、中空部材１０の天面部１１ａと、一対の側面部１１ｂ、１１ｄと、天面部１１ａと各側面部１１ｂ、１１ｄとの間の稜線部１１ｅ、１１ｈに接合されている。また、図４に示すように、本実施形態における補強部材２０は、中空部材１０の部材長手方向Ｘの全域にわたって連続的に設けられている。

後述の実施例で示すように、補強部材２０が設けられていないフレームの場合、中空部材１０の端部に高荷重が入力されると、中空部材１０の形状に由来する折れが生じる。詳述すると、中空部材の低断面２次モーメント側への折れ（本実施形態の場合はＹ方向への横折れ）が生じる。例えばフロントサイドメンバは、車両の前面衝突の際に圧縮曲げ変形しながらエネルギー吸収をすることが求められるが、荷重入力時に早期に折れが生じると、フロントサイドメンバの変形時に生じる反力が早い段階で小さくなる。

一方、本実施形態のフレーム１においては、補強部材２０が中空部材１０の第１の領域Ｒ₁に接合されていることにより、中空部材１０の低断面２次モーメント側への折れ（本実施形態の場合はＹ方向への横折れ）ではなく、中空部材１０の高断面２次モーメント側への折れ（本実施形態の場合はＺ方向への縦折れ）が発生しやすくなる。このように本来折れが生じにくい高断面２次モーメント側への折れを誘発させることにより、低断面２次モーメント側への折れが生じる場合と比較して、より高い反力を発生させながらフレーム１の変形が進行することになり、エネルギー吸収性能が向上する。

なお、補強部材２０は、中空部材１０の部材長手方向Ｘの全域にわたって設けられていなくてもよく、中空部材１０の前端１０ａ近傍および後端１０ｂ近傍の少なくともいずれか一方に補強部材２０が設けられていない領域があってもよい。ただし、より安定して高断面２次モーメント側への折れを誘発させるためには、中空部材１０の部材長手方向Ｘの全域のうち、中空部材１０の部材長手方向Ｘにおける一端から、第１軸Ａ₁上の中空部材１０の長さ（本実施形態では長辺の長さ）分の領域、および部材長手方向Ｘにおける他端から、第１軸Ａ₁上の中空部材１０の長さ（本実施形態では長辺の長さ）分の領域を除く領域に連続的に設けられていることが好ましい。また、さらに安定して高断面２次モーメント側への折れを誘発させるためには、本実施形態のように中空部材１０の部材長手方向Ｘの全域にわたって補強部材２０が設けられていることが好ましい。

また、より安定して高断面２次モーメント側への折れを誘発させるためには、中空部材１０の第１の領域Ｒ₁に補強部材２０が設けられると共に、第１軸Ａ₁を境界として中空部材１０を分割した際の２つの領域のうち、両方の領域に補強部材２０が設けられていることが好ましい。また、より安定して高断面２次モーメント側への折れを誘発させるためには、第１軸Ａ₁を対称軸として補強部材２０が線対称に配置されていることが好ましい。

＜３．補強部材の配置例＞
以上、本実施形態に係る補強部材２０の配置について説明したが、補強部材２０の配置は、図４および図５に示した例に限定されない。以下、補強部材２０の他の配置例について図６～図１２を参照しながら説明する。

（図６～図１０の配置例）
図６に示す例では、Ｕ字状の補強部材２０の先端部が中空部材１０の第２軸Ａ₂まで達しておらず、補強部材２０は、中空部材１０の一対の側面部１１ｂ、１１ｄの一部分と、天面部１１ａと、それらの間に位置する稜線部１１ｅ、１１ｈに接合されている。図７に示す例における補強部材２０は、中空部材１０の天面部１１ａにのみ配置されている。図８に示す例における補強部材２０は、中空部材１０の第１の領域Ｒ₁内にある稜線部１１ｅ、１１ｈにのみ配置されている。図９に示す例における補強部材２０は、中空部材１０の第１の領域Ｒ₁内において、一対の側面部１１ｂ、１１ｄの一部分にのみ配置されている。図１０に示す例では、Ｕ字状の補強部材２０が中空部材１０の第１の領域Ｒ₁内に配置されており、中空部材１０の一対の側面部１１ｂ、１１ｄの一部分にのみ接合され、補強部材２０と天面部１１ａは接合されていない。

以上の図６～図１０に示す配置例においても、第２軸Ａ₂を境界とした中空部材１０の２つの領域のうちの一方の領域Ｒ₁、Ｒ₂に補強部材２０が配置されているため、中空部材１０の高断面２次モーメント側への折れを誘発させることができる。すなわち、中空部材１０の断面に対する補強部材２０の配置は、高断面２次モーメント側への折れが誘発されやすいように、フレーム１の形状や構成に応じて適宜変更されるものである。

（図１１の配置例）
以上の配置例では、中空部材１０の部材長手方向Ｘの全域にわたって延びる補強部材２０が１つ配置されていたが、例えば図１１に示すように中空部材１０の部材長手方向Ｘに沿って補強部材２０が複数配置されていてもよい。図１１に示す例では、中空部材１０の部材長手方向Ｘに延びる２つの補強部材２０Ａ、２０Ｂが設けられている。補強部材２０Ａは、中空部材１０の第２の領域Ｒ₂の内面全周に配置され、補強部材２０Ｂは、中空部材１０の第１の領域Ｒ₁の内面全周に配置されている。各補強部材２０Ａ、２０Ｂは、中空部材１０の部材長手方向Ｘにおける荷重入力側の端部（本実施形態では前端１０ａ）から順に配置されている。また、第１の領域Ｒ₁に設けられた補強部材２０Ｂから中空部材１０の後端１０ｂまでの間には補強部材２０は設けられていない。換言すると、中空部材１０を部材長手方向Ｘにおいて均等に三分割し、分割された各領域を前部１０Ａ、中央部１０Ｂ、後部１０Ｃと称したとすると、図１１に示す例においては、補強部材２０は、中空部材１０の前部１０Ａおよび中央部１０Ｂに配置され、後部１０Ｃには配置されていない。

図４のような中空部材１０の部材長手方向Ｘの全域にわたって形成されている補強部材２０が１つ配置されている場合においては、中空部材１０の前端１０ａに高荷重が入力されると、中空部材１０の天面部１１ａ側よりも底面部１１ｃ側における座屈が誘発されることによって、縦折れが発生しやすい。一方、図１１に示す補強部材２０の配置例の場合、中空部材１０の前部１０Ａにおいては第２の領域Ｒ₂に補強部材２０Ａが配置されている。補強部材２０Ａは、中空部材１０の部材長手方向Ｘの全域に配置されているわけではなく、中空部材１０の前部１０Ａのみの領域にしか配置されていないため、中空部材１０の前端１０ａに高荷重が入力されると、補強部材２０Ａの後方側、すなわち中空部材１０の中央部１０Ｂの底面部１１ｃ側で座屈が生じやすい状態となっている。また、中空部材１０の部材長手方向Ｘにおける中央部１０Ｂにおいては、中空部材１０の前部１０Ａとは逆に、第１の領域Ｒ₁にのみ補強部材２０Ｂが配置されている。すなわち、中央部１０Ｂにおいては天面部１１ａ側が補強された状態にあり、中央部１０Ｂの底面部１１ｃ側で座屈が生じやすい状態となっている。したがって、図１１に示す配置例では、中空部材１０の中央部１０Ｂの底面部１１ｃ側で安定して座屈が発生することによって、より安定して縦折れを誘発させることができる。

なお、より安定して縦折れを発生させるためには、中空部材１０の部材長手方向Ｘにおいて隣り合う補強部材２０Ａ、２０Ｂ同士の間隔が、第２軸Ａ₂上の中空部材１０の長さ（本実施形態では短辺の長さ）以下であることが好ましい。また、図１１に示す配置例では、補強部材２０Ａが中空部材１０の底面部１１ｃ側、補強部材２０Ｂが中空部材１０の天面部１１ａ側に配置されているが、補強部材２０Ａが天面部１１ａ側、補強部材２０Ｂが底面部１１ｃ側に配置されていてもよい。すなわち、補強部材２０Ａおよび補強部材２０Ｂは、第２軸Ａ₂を境界として中空部材１０を分割した際の２つの領域Ｒ₁、Ｒ₂のうちの互いに異なる領域であって、かつ部材長手方向Ｘに沿って交互に配置されていればよい。また、図１１に示す配置例では、フレーム１が図１のようにフロントサイドメンバであるため、補強部材２０Ａと補強部材２０Ｂとが中空部材１０の前端１０ａを起点として順に配置された構成となっているが、フレーム１が例えばリアサイドメンバである場合には、補強部材２０Ａと補強部材２０Ｂとが中空部材１０の後端１０ｂを起点として順に配置されることが好ましい。すなわち、中空部材１０の第２の領域Ｒ₂に配置される補強部材２０Ａと、第１の領域Ｒ₁に配置される補強部材２０Ｂとが中空部材１０の部材長手方向Ｘに沿って交互に配置される場合は、中空部材１０の部材長手方向Ｘの両端のうちの少なくとも一端を起点として各補強部材２０Ａ、２０Ｂが順に配置されていることが好ましい。また、図１１に示す配置例において、例えば中空部材１０の中央部１０Ｂの補強部材２０Ｂが、中空部材１０の後端１０ｂまで延びるような形状を有していてもよい。各補強部材２０Ａ、２０Ｂの部材長手方向Ｘの長さは、高断面２次モーメント側への折れが誘発されやすくなるように、フレーム１の形状や構成に応じて適宜変更されるものである。

（図１２の配置例）
本配置例においては、図１１の配置例における中空部材１０の後部に、さらに別の補強部材２０Ｃが設けられている。補強部材２０Ｃは、中空部材１０の第２の領域Ｒ₂に配置されている。すなわち、中空部材１０の前端１０ａに高荷重が入力されると、補強部材２０Ｃの前方側、すなわち中空部材１０の中央部１０Ｂの底面部１１ｃ側で座屈が生じやすい状態となっている。したがって、図１２の配置例においては、図１１の配置例の場合よりも中空部材１０の中央部の底面部１１ｃ側でより安定して座屈が発生することによって、縦折れをさらに安定して誘発させることができる。

なお、より安定して縦折れを発生させるためには、中空部材１０の部材長手方向Ｘにおいて隣り合う補強部材２０Ａ～２０Ｃ同士の間隔が、第２軸Ａ₂上の中空部材１０の長さ（本実施形態では短辺の長さ）以下であることが好ましい。また、各補強部材２０Ａ～２０Ｃの部材長手方向Ｘの長さは、高断面２次モーメント側への折れが誘発されやすくなるように、フレーム１の形状や構成に応じて適宜変更されるものである。また、図１２に示す配置例では、補強部材２０Ａが中空部材１０の底面部１１ｃ側、補強部材２０Ｂが中空部材１０の天面部１１ａ側、補強部材２０Ｃが中空部材１０の底面部１１ｃ側に配置されているが、補強部材２０Ａが天面部１１ａ側、補強部材２０Ｂが底面部１１ｃ側、補強部材２０Ｃが天面部１１ａ側に配置されていてもよい。すなわち、補強部材２０Ａ、補強部材２０Ｂ、および補強部材２０Ｃは、第２軸Ａ₂を境界として中空部材１０を分割した際の２つの領域Ｒ₁、Ｒ₂のうち、隣に配置される補強部材とは異なる領域であって、かつ部材長手方向Ｘに沿って交互に配置されていればよい。また、中空部材１０の部材長手方向Ｘに沿って配置される補強部材２０は、３つ以上設けられていてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態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。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、各種の変更例または修正例に想到し得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。

例えば以上の実施形態で説明した中空部材１０の第１の領域Ｒ₁に配置された補強部材２０は、中空部材１０の第２の領域Ｒ₂に配置されていてもよい。同様に、以上の実施形態で説明した中空部材１０の第２の領域Ｒ₂に配置された補強部材２０は、中空部材１０の第１の領域Ｒ₁に配置されていてもよい。補強部材２０がいずれの領域に配置されるかは、高断面２次モーメント側への折れが誘発しやすくなるように、フレーム１の形状や構成に応じて適宜変更されるものである。

また、以上の実施形態では、中空部材１０の第１の領域Ｒ₁と第２の領域Ｒ₂のうちのいずれか一方の領域にのみ補強部材２０が配置されていたが、厳密に一方の領域にのみ配置されている場合だけでなく、一方の領域に配置された補強部材２０が、他方の領域にわずかに跨がるように配置されていた場合も一定の効果を得ることは可能である。したがって、本発明において“第２軸Ａ₂を境界とした中空部材１０の２つの領域Ｒ₁、Ｒ₂のうち、いずれか一方の領域に補強部材２０が配置される”とは、例えば図１３のように一方の領域Ｒ₁に配置された補強部材２０の一部が、他方の領域Ｒ₂に向かって第２軸Ａ₂からわずかに突出する場合も含む。具体的には、補強部材２０が第２軸Ａ₂から突出する領域の長さｄ₂が、第１軸Ａ₁上の中空部材１０の長さｄ₁の１５％以下となる場合である。ただし、より安定して高断面２次モーメント側への折れを誘発させるという観点では、第２軸Ａ₂を境界とした中空部材１０の２つの領域Ｒ₁、Ｒ₂のうち、いずれか一方の領域に“のみ”補強部材２０が配置されていることが好ましい。

また、以上の実施形態では、中空部材１０の断面が多角形状の一例である矩形状であったが、その他の多角形状であってもよく、中空部材１０の形状は特に限定されない。例えば図１４に示すように、中空部材１０の断面形状は六角形状であってもよい。この場合であっても、第２軸Ａ₂を境界として中空部材１０を分割した際の２つの領域Ｒ₁、Ｒ₂のうち、一方の領域に補強部材２０が配置されていれば、中空部材１０の部材長手方向Ｘから高荷重が入力された際の高断面２次モーメント側への折れを誘発させやすくなる。なお、図１４のような矩形以外の断面形状の場合においても、補強部材２０が第２軸Ａ₂から突出する領域の長さｄ₂が、第１軸Ａ₁上の中空部材１０の長さｄ₁の１５％以下である場合については、中空部材１０の２つの領域Ｒ₁、Ｒ₂のうち、いずれか一方の領域に補強部材２０が配置された状態であるとする。

本発明に係るフレームのエネルギー吸収性能を評価するため、衝突シミュレーションを実施した。解析モデルは図１～図３に示すようなバンパービームと中空部材からなる構成であり、中空部材の断面は矩形状となっている。また、解析モデルは下記表１に示す条件で複数作成されている。なお、表１中の軽量化率は、各構造の重量を構造１の重量で規格化したものである。

上記表１の構造１および構造２は補強部材２０が設けられていない構造であり、構造２は構造１に対して薄板化、およびハイテン化を図ったものである。構造３～構造７は、構造２の中空部材１０に対して補強部材２０が接合されたものであり、構造３～６では補強部材２０としてＣＦＲＰが用いられ、構造７では補強部材２０として引張強度が１１８０ＭＰａ級の鋼板が用いられている。なお、構造３の補強部材２０は、図１５のように中空部材１０の天面部１１ａの一部、一対の側面部１１ｂ、１１ｄのうちの片側の側面部１１ｂ、および底面部１１ｃの一部に接合されている。すなわち、構造３の補強部材２０は中空部材１０の２つの領域Ｒ₁、Ｒ₂のうち、両方の領域に補強部材２０が配置された構造である。構造７の補強部材２０は、構造６の補強部材２０と同様の配置であり、図１２に示すように中空部材１０の第２の領域Ｒ₂に配置された補強部材２０Ａと、第１の領域Ｒ₁に配置された補強部材２０Ｂとが、中空部材１０の部材長手方向Ｘに沿って交互に配置された構造である。

構造３～６において補強部材２０として用いられるＣＦＲＰの機械特性は以下の通りである。
Ｖｆ：５０％
ヤング率：１０２ＧＰａ
破断強度：１５００ＭＰａ
破断伸び：１．５％

本シミュレーションは、自動車の正面衝突試験を模擬したものであり、質量２００ｋｇの剛体壁を図１～図３に示すバンパービーム５０に１２ｍ／ｓで衝突させることで実施された。なお、各解析モデルにおける中空部材１０の後端１０ｂは拘束されている。

図１６は衝突シミュレーションにおける構造１の解析モデルの変形状態を示す平面図であり、図１７はその側面図である。図１６および図１７に示すように、構造１においては、低断面２次モーメント側の折れであるＹ方向（本実施例では車幅方向）への横折れが生じている。このような横折れは、構造２および構造３においても生じていた。

一方、図１８は衝突シミュレーションにおける構造６の解析モデルの変形状態を示す平面図であり、図１９はその側面図である。図１８および図１９に示すように、構造６においては、構造１とは異なり、高断面２次モーメント側の折れであるＺ方向（本実施例では車高方向）への縦折れが生じている。このような縦折れは、構造４～７においても生じていた。構造３と、構造４～７のシミュレーション結果から示されるように、第２軸Ａ₂を境界として分割された中空部材１０の領域Ｒ₁、Ｒ₂のうち、いずれか一方の領域に補強部材２０が設けられていれば、中空部材１０の縦折れを誘発することが可能となる。

次に、剛体壁を衝突させた際の荷重‐ストローク線図から、剛体壁の７００ｍｍストローク時におけるエネルギー吸収量を算出し、各解析モデルのエネルギー吸収性能を比較した。その結果を図２０に示す。なお、図２０のグラフの縦軸は、各構造におけるエネルギー吸収量と構造１のエネルギー吸収量との比である。

図２０に示すように、構造４～６においては、構造１に対してエネルギー吸収性能が向上している。また、構造７においても、構造１と同等のエネルギー吸収性能が維持されている。上記表１に示すように構造４～７は構造１に対する軽量化率も大きいことから、本発明に係る車両用構造部材においては、軽量化を図りつつ、エネルギー吸収性能の維持または向上を図ることができる。また、本シミュレーションの結果で示されるように、より高いレベルで軽量化とエネルギー吸収性能の向上を両立させるためには、補強部材２０としてＦＲＰを用いることが好ましい。

１ フレーム
１０ 中空部材
１０ａ 中空部材の前端
１０ｂ 中空部材の後端
１１ａ 中空部材の天面部
１１ｂ、１１ｄ 中空部材の側面部
１１ｃ 中空部材の底面部
１１ｅ～１１ｈ 中空部材の稜線部
２０ 補強部材
３０ クラッシュボックス
５０ バンパービーム
Ａ₁ 中空部材の断面の第１軸
Ａ₂ 中空部材の断面の第２軸
Ｏ 中空部材の断面の重心
Ｒ₁ 第１の領域
Ｒ₂ 第２の領域

Claims (4)

1. 金属製の中空部材と、
   前記中空部材に接合された、前記中空部材の部材長手方向に沿って連続的に形成されている補強部材とを有し、
   前記補強部材が複数設けられ、
   前記中空部材の部材長手方向に垂直な断面の重心を原点とした座標軸において、断面２次モーメントが最大となる主軸を第１軸と称し、前記第１軸に垂直な方向の軸を第２軸と称し、前記第２軸を境界として分割された前記中空部材の２つの領域を第１の領域と、第２の領域と称したとすると、前記第１の領域に接合された補強部材と、前記第２の領域に接合された補強部材とが、前記中空部材の部材長手方向に沿って交互に配置されている、車両用構造部材。
2. 前記補強部材は、ＦＲＰからなるＦＲＰ部材である、請求項１に記載の車両用構造部材。
3. 前記ＦＲＰは、ＣＦＲＰまたはＧＦＲＰである、請求項２に記載の車両用構造部材。
4. 前記中空部材の引張強度が９８０ＭＰａ以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載の車両用構造部材。

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