JP7363704B2 - 車両における骨格部材の補強構造 - Google Patents

Description

本発明は、車両における骨格部材の補強構造に関する。

車両の骨格を構成する樹脂製の骨格部材に、その長手方向に沿った繊維を配向することにより、その骨格部材を繊維強化した構造は、従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－０９８７０６号公報

しかしながら、繊維強化された樹脂製の骨格部材の断面形状の大きさが一定とされていない場合には、その断面形状の大きさが最も小さい最小部における強度及び剛性が充分に確保されないおそれがある。

そこで、本発明は、断面形状の大きさが一定とされていない樹脂製の骨格部材において、その断面形状の大きさが最も小さい最小部の強度及び剛性を確保できる車両における骨格部材の補強構造を得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る第１の態様の車両における骨格部材の補強構造は、長手方向と直交する断面形状の大きさが一定でない閉断面形状に形成され、車両の骨格を構成する樹脂製の骨格部材と、前記骨格部材の表面にシート状に一体成形された繊維強化樹脂製の補強部材と、を備え、前記補強部材は、前記骨格部材の長手方向に沿った一方の表面を含んで断面略「Ｕ」字状に配置された第１補強部と、前記骨格部材の長手方向に沿った他方の表面を含んで断面略「Ｕ」字状に配置された第２補強部と、を有し、前記骨格部材の断面形状の大きさが最も小さい最小部において、前記第１補強部の一部と前記第２補強部の一部とが互いにオーバーラップして重ねられている。

第１の態様の発明によれば、車両の骨格を構成する樹脂製の骨格部材が、長手方向と直交する断面形状の大きさが一定でない閉断面形状に形成されており、その断面形状の大きさが最も小さい最小部において、繊維強化樹脂製の補強部材を構成する第１補強部及び第２補強部のそれぞれの一部が互いにオーバーラップして重ねられている。したがって、その最小部が繊維強化樹脂製の補強部材によって補強される。これにより、その最小部の強度及び剛性が確保される。

また、本発明に係る第２の態様の車両における骨格部材の補強構造は、第１の態様の車両における骨格部材の補強構造であって、前記第１補強部及び前記第２補強部に含まれる繊維は、前記骨格部材の長手方向に沿って配向されている。

第２の態様の発明によれば、第１補強部及び第２補強部に含まれる繊維が骨格部材の長手方向に沿って配向されている。したがって、第１補強部及び第２補強部に含まれる繊維が骨格部材の長手方向と直交する方向に沿って配向されている場合に比べて、骨格部材の長手方向における強度及び剛性が向上される。

また、本発明に係る第３の態様の車両における骨格部材の補強構造は、第１又は第２の態様の車両における骨格部材の補強構造であって、前記補強部材は、前記最小部を含んで断面略環状に配置された第３補強部を有している。

第３の態様の発明によれば、補強部材が、最小部を含んで断面略環状に配置された第３補強部を有している。したがって、補強部材が、その第３補強部を有していない場合に比べて、骨格部材の最小部が、より効果的に補強される。

また、本発明に係る第４の態様の車両における骨格部材の補強構造は、第３の態様の車両における骨格部材の補強構造であって、前記第３補強部に含まれる繊維は、前記骨格部材の長手方向と直交する方向に沿って配向されている。

第４の態様の発明によれば、第３補強部に含まれる繊維が、骨格部材の長手方向と直交する方向に沿って配向されている。したがって、第３補強部に含まれる繊維が骨格部材の長手方向に沿って配向されている場合に比べて、第３補強部の周方向における強度及び剛性が向上される。

また、本発明に係る第５の態様の車両における骨格部材の補強構造は、第１～第４の何れか１つの態様の車両における骨格部材の補強構造であって、前記最小部は、前記骨格部材の長手方向中央部である。

第５の態様の発明によれば、骨格部材の長手方向中央部が最小部とされている。つまり、骨格部材の長手方向中央部が補強されている。したがって、骨格部材に長手方向に沿って荷重が入力されても、その骨格部材の最小部の座屈変形が抑制される。

また、本発明に係る第６の態様の車両における骨格部材の補強構造は、第５の態様の車両における骨格部材の補強構造であって、前記骨格部材の断面形状の大きさが最も大きい最大部は、前記骨格部材の長手方向両端部であり、前記第１補強部と前記第２補強部とが、前記最大部において、互いに離間している。

第６の態様の発明によれば、第１補強部と第２補強部とが、最大部において互いに離間している。ここで、最大部は、最小部に比べて強度及び剛性が高い部位である。したがって、その最大部を繊維強化樹脂製の補強部材で補強する必要が無く、骨格部材の長手方向から見て、第１補強部及び第２補強部の長さを互いに短くすることが可能となる。よって、最大部においても第１補強部及び第２補強部のそれぞれの一部が互いにオーバーラップして重ねられる構成に比べて、補強部材が一体成形される骨格部材の製造コストの増加が抑制される。

以上のように、本発明によれば、断面形状の大きさが一定とされていない樹脂製の骨格部材において、その断面形状の大きさが最も小さい最小部の強度及び剛性を確保することができる。

本実施形態に係るルーフリインフォースメントの補強構造を示す平面図である。 本実施形態に係るルーフリインフォースメントの補強構造を示す側面図である。 図２におけるＸ－Ｘ線矢視断面図である。 図２におけるＹ－Ｙ線矢視断面図である。 本実施形態に係る補強構造を構成する補強部材の形状を示す斜視図である。 本実施形態に係るルーフリインフォースメントの補強構造の製造方法を示す底面図である。 本実施形態に係るルーフリインフォースメントの補強構造の製造方法を示す側面図である。 本実施形態に係るルーフリインフォースメントの補強構造の変形例を示す側面図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を基に詳細に説明する。なお、説明の便宜上、各図において適宜示す矢印ＵＰを車両上方向、矢印ＦＲを車両前方向、矢印ＲＨを車両右方向とする。したがって、以下の説明で、特記することなく上下、前後、左右の方向を記載した場合は、車両上下方向の上下、車両前後方向の前後、車両左右方向（車幅方向）の左右を示すものとする。

また、本実施形態では、車両の骨格を構成する樹脂製の骨格部材として、車幅方向に延在するルーフリインフォースメント２０を例に採って説明するが、図示の寸法割合は実際のものとは異なっている。すなわち、後述する左右一対のブラケット３０の大きさを基準にして見た場合、実際のルーフリインフォースメント２０は、図示のものよりも長い。

図１、図２に示されるように、ルーフリインフォースメント２０は、例えば安価なランダム繊維樹脂材をベース材として、長手方向と直交する断面形状の大きさが一定でない矩形閉断面形状に形成されている。具体的には、このルーフリインフォースメント２０は、平面視及び正面視で、長手方向両端部から長手方向中央部に向かって徐々に幅狭になる矩形閉断面形状に形成されており、正面視で、上方側へ湾曲されている。

したがって、このルーフリインフォースメント２０は、その長手方向中央部が、断面形状の大きさが最も小さい最小部３２となっており、その長手方向両端部が、断面形状の大きさが最も大きい最大部３４となっている。

また、図３、図４に示されるように、このルーフリインフォースメント２０は、断面視で前後方向の幅が上下方向の高さ（厚み）よりも長く形成されている。すなわち、このルーフリインフォースメント２０は、上壁２２及び下壁２４の幅（前後方向の長さ）が、立壁としての前壁２６及び後壁２８の高さ（上下方向の長さであり、厚み）よりも長く形成されている。

そして、ルーフリインフォースメント２０の内部における前後方向中央部には、前後方向を向く（前壁２６及び後壁２８と平行に配置される）平板状の仕切板２１が一体に、かつ長手方向全体に亘って形成されている。つまり、このルーフリインフォースメント２０は、断面略「８」字状に形成されている。

そして、このルーフリインフォースメント２０の上下方向（高さ方向）における断面中立軸Ｎ（図４参照）から遠い部位（少なくとも上壁２２及び下壁２４）の表面には、補強構造１０を構成する炭素繊維又はガラス繊維等の連続繊維を含んだ繊維強化樹脂製の補強部材１２が、シート状に一体成形されて配置されている。

具体的に説明すると、この補強部材１２は、ルーフリインフォースメント２０の長手方向に沿った一方の表面、即ち上壁２２と前壁２６の上側部分と後壁２８の上側部分とを含んで断面略「Ｕ」字状に配置された第１補強部１４と、ルーフリインフォースメント２０の長手方向に沿った他方の表面、即ち下壁２４と前壁２６の下側部分と後壁２８の下側部分とを含んで断面略「Ｕ」字状に配置された第２補強部１６と、を有している。

図１、図２に示されるように、第１補強部１４及び第２補強部１６は、ルーフリインフォースメント２０の長手方向に延在しており、ルーフリインフォースメント２０の全長に亘って配置されている。そして、図示は省略するが、第１補強部１４及び第２補強部１６に含まれている連続繊維は、ルーフリインフォースメント２０の長手方向に沿って配向されている。

すなわち、第１補強部１４及び第２補強部１６に含まれている連続繊維は、ルーフリインフォースメント２０の下壁２４の長手方向両端部にそれぞれ設けられている右側（一方）の結合部２４Ｒを含む一端部（最大部３４）から左側（他方）の結合部２４Ｌを含む他端部（最大部３４）まで連続的に繋がっている。なお、この結合部２４Ｒ、２４Ｌにより、ルーフリインフォースメント２０の長手方向両端部が、それぞれ左右一対のルーフサイドレール（図示省略）にブラケット３０を介して結合される構成になっている。

また、図２、図３に示されるように、ルーフリインフォースメント２０の最小部３２における前壁２６及び後壁２８の上下方向中央部（断面中立軸Ｎ付近）に配置されている補強部材１２は、その前後方向に沿った厚みが厚く形成されている。

具体的に説明すると、ルーフリインフォースメント２０の最小部３２を含む長手方向中央部における所定の領域Ｅでは、第１補強部１４の前壁２６側部分及び後壁２８側部分の各一部１４Ａが円弧状に下方側へ張り出しており、第２補強部１６の前壁２６側部分及び後壁２８側部分の各一部１６Ａが円弧状に上方側へ張り出している。そして、その円弧状に張り出している第１補強部１４の一部１４Ａと第２補強部１６の一部１６Ａとが互いにオーバーラップして重ねられている。

これにより、そのルーフリインフォースメント２０の最小部３２を含む長手方向中央部における所定の領域Ｅに、正面視及び背面視で長手方向に長く、かつ厚みの厚い略紡錘形状のラップ部３６が前後に形成されるようになっている。なお、図示のラップ部３６は、第２補強部１６の一部１６Ａの上に第１補強部１４の一部１４Ａが重ね合わされているが、第１補強部１４の一部１４Ａの上に第２補強部１６の一部１６Ａが重ね合わされていてもよい。

一方、図２、図４に示されるように、ルーフリインフォースメント２０の最大部３４における前壁２６及び後壁２８の上下方向中央部には、補強部材１２で覆われない露出部３８が形成されている。換言すれば、ルーフリインフォースメント２０の最大部３４を含む長手方向両端部における所定の領域（領域Ｅを除く）では、第１補強部１４の前壁２６側部分及び後壁２８側部分と、第２補強部１６の前壁２６側部分及び後壁２８側部分と、が互いに離間しており、前壁２６の一部及び後壁２８の一部が露出されている。

次に、本実施形態に係るルーフリインフォースメント２０の成形方法について説明する。

図６、図７に示されるように、ルーフリインフォースメント２０を成形する金型４０は、上金型４２と下金型４４とで構成されており、上金型４２の内部には、上金型４２の長手方向中央部で２つに分離可能な２本の中子４６が設けられている。中子４６が２本であるのは、ルーフリインフォースメント２０の断面形状が略「８」字状に形成されるためである。

また、各中子４６が、上金型４２の長手方向中央部で２つに分離可能とされているのは、このルーフリインフォースメント２０が、平面視及び正面視で、長手方向両端部から長手方向中央部に向かって徐々に幅狭になる矩形閉断面形状に形成されており、正面視で、上方側へ湾曲されているためである。

つまり、各中子４６が、上金型４２の長手方向中央部で２つに分離可能とされていないと、ルーフリインフォースメント２０を成形した後に、そのルーフリインフォースメント２０の内部から各中子４６を長手方向外側へ抜き取れないからである。なお、各中子４６の上壁、下壁、前壁、後壁は、それぞれルーフリインフォースメント２０の内部から抜き取り易くするために、ルーフリインフォースメント２０の内部の形状に沿ったテーパー形状に形成されている。

ルーフリインフォースメント２０を成形する際には、まず、金型４０内に、シート状の補強部材１２をセットする。金型４０内にセットする前の補強部材１２、即ち第１補強部１４及び第２補強部１６は、それぞれ長手方向において高さが一定の断面略「Ｕ」字状に形成されており、長手方向において高さが一定でない断面略「Ｕ」字状に予め形成されていない。

つまり、第１補強部１４及び第２補強部１６は、それぞれ金型４０内にセットされることによって、長手方向において高さが一定でない断面略「Ｕ」字状に成形される。図５に、その成形後の第１補強部１４及び第２補強部１６（補強部材１２）の形状を示す。このような成形方法であると、第１補強部１４及び第２補強部１６（補強部材１２）を製作するときに、無駄に破棄する部位が発生しない。

次いで、その補強部材１２（第１補強部１４及び第２補強部１６）がセットされた状態の金型４０でルーフリインフォースメント２０を成形する。すなわち、金型４０内に、シート状のランダム繊維樹脂材が巻き付けられた中子４６を配置して、そのランダム繊維樹脂材を硬化させ、ルーフリインフォースメント２０を成形する。これにより、ルーフリインフォースメント２０の表面に補強部材１２がシート状に一体成形される。

より具体的には、補強部材１２を構成する第１補強部１４が、ルーフリインフォースメント２０の上壁２２、前壁２６の上側部分、後壁２８の上側部分を含んで断面略「Ｕ」字状に配置され、補強部材１２を構成する第２補強部１６が、ルーフリインフォースメント２０の下壁２４、前壁２６の下側部分、後壁２８の下側部分を含んで断面略「Ｕ」字状に配置される。

そして、第１補強部１４の前壁２６側部分及び後壁２８側部分の各一部１４Ａと第２補強部１６の前壁２６側部分及び後壁２８側部分の各一部１６Ａとが、ルーフリインフォースメント２０の最小部３２を含む所定の領域Ｅ（図２参照）において、互いにオーバーラップして重ねられ、ラップ部３６が形成される。

また、第１補強部１４の前壁２６側部分及び後壁２８側部分と第２補強部１６の前壁２６側部分及び後壁２８側部分とが、ルーフリインフォースメント２０の最大部３４を含む所定の領域（領域Ｅを除く）において互いに離間され、露出部３８が形成される。

こうして、ルーフリインフォースメント２０が、金型４０内において成形されたら、各中子４６の長手方向中央部を分離させ、各中子４６をルーフリインフォースメント２０の長手方向両端部側から、それぞれ抜き取る。このとき、各中子４６の上壁、下壁、前壁、後壁は、それぞれルーフリインフォースメント２０の内部の形状に沿ったテーパー形状に形成されているため、各中子４６は、金型４０内からスムーズに脱型される。

そして、上金型４２内から各中子４６を長手方向外側へ抜き取ったら、上金型４２を上昇させ、下金型４４から離間させる。これにより、補強部材１２が表面に一体成形された断面略「８」字状のルーフリインフォースメント２０が完成し、その後、下金型４４上から取り出される。

以上のような本実施形態に係るルーフリインフォースメント２０の補強構造１０において、次にその作用について説明する。

上記したように、ルーフリインフォースメント２０は、補強部材１２によって補強されている。特に、ルーフリインフォースメント２０の最小部３２においては、第１補強部１４の前壁２６側部分及び後壁２８側部分の各一部１４Ａと、第２補強部１６の前壁２６側部分及び後壁２８側部分の各一部１６Ａと、が互いにオーバーラップして重ねられ、厚みが増したラップ部３６が形成されている。

したがって、そのラップ部３６によりルーフリインフォースメント２０の最小部３２を補強することができ、その最小部３２における強度及び剛性を確保することができる。換言すれば、長手方向と直交する断面形状の大きさが一定でない閉断面形状のルーフリインフォースメント２０であっても、その長手方向において、強度及び剛性が偏るのを抑制することができる。

よって、ルーフリインフォースメント２０に、その長手方向に沿って荷重が入力され、その最小部３２における曲げモーメントが最大になって、その最小部３２に弾性的な断面変形が生じたとしても、その最小部３２に塑性的な座屈変形が最終的に生じることを抑制することができる。

また、そのラップ部３６によりルーフリインフォースメント２０の最小部３２を補強することができるため、例えばルーフリインフォースメント２０の最小部３２の板厚を厚く形成して補強する構成に比べて、ルーフリインフォースメント２０の軽量化を図ることができる。

また、第１補強部１４及び第２補強部１６に含まれる連続繊維が、ルーフリインフォースメント２０の全長に亘って長手方向に沿って配向されている。したがって、第１補強部１４及び第２補強部１６に含まれる連続繊維が、ルーフリインフォースメント２０の長手方向と直交する方向に沿って配向されている場合に比べて、ルーフリインフォースメント２０の長手方向における強度及び剛性を向上させることができる。

また、ルーフリインフォースメント２０の最大部３４においては、第１補強部１４の前壁２６側部分及び後壁２８側部分と、第２補強部１６の前壁２６側部分及び後壁２８側部分と、が互いに離間している。すなわち、最大部３４における前壁２６及び後壁２８の上下方向中央部には、前壁２６の一部及び後壁２８の一部を露出させる露出部３８が形成されている。

ここで、最大部３４は、最小部３２に比べて強度及び剛性が高い部位となっている。したがって、その最大部３４を補強部材１２で補強する必要が無く、ルーフリインフォースメント２０の長手方向から見て、第１補強部１４の前壁２６側部分の長さ及び後壁２８側部分の長さと、第２補強部１６の前壁２６側部分の長さ及び後壁２８側部分の長さと、を互いに短くすることができる。

よって、最大部３４においても、第１補強部１４の前壁２６側部分及び後壁２８側部分の各一部と、第２補強部１６の前壁２６側部分及び後壁２８側部分の各一部と、が互いにオーバーラップして重ねられる構成に比べて、補強部材１２が一体成形されるルーフリインフォースメント２０において、その製造コストの増加を抑制することができる。

本実施形態に係るルーフリインフォースメント２０の補強構造１０の作用は、以上の通りであるが、本実施形態に係るルーフリインフォースメント２０の補強構造１０は、次のような構成になっていてもよい。

すなわち、図８に示されるように、補強部材１２が、ルーフリインフォースメント２０の最小部３２を含んで断面略環状に配置された第３補強部１８を有する構成になっていてもよい。具体的には、ルーフリインフォースメント２０の最小部３２を含む長手方向中央部における所定の領域Ｅ内に、その長手方向に所定の幅を有する筒状の第３補強部１８が巻回された状態で設けられていてもよい。

この第３補強部１８に含まれる連続繊維は、ルーフリインフォースメント２０の長手方向と直交する方向に沿って配向されている。つまり、第３補強部１８に含まれる連続繊維は、その周方向に沿って配向されている。なお、第３補強部１８を設ける部位は、ルーフリインフォースメント２０の最小部３２を含む長手方向中央部における所定の領域Ｅ内のみでよい。

また、第３補強部１８は、図示のようにラップ部３６の外側に巻回されていてもよいし、ラップ部３６の内側に巻回されていてもよい。また、第３補強部１８は、図８では隙間を有して巻回されているように示されているが、実際には、ラップ部３６又はルーフリインフォースメント２０の長手方向中央部に密着した状態で巻回されている。また、第３補強部１８は、完全な環状ではなく、若干の隙間を有する断面略「Ｃ」字状に形成されていてもよい。

補強部材１２が、このような第３補強部１８を有していると、ルーフリインフォースメント２０の最小部３２を含む所定の領域Ｅ（前壁２６及び後壁２８の上下方向中央部）に配置される補強部材１２の厚みをより一層厚くすることができる。したがって、補強部材１２が第３補強部１８を有していない場合に比べて、ルーフリインフォースメント２０の最小部３２をより効果的に補強することができる。

また、上記したように、第３補強部１８に含まれる連続繊維は、ルーフリインフォースメント２０の長手方向と直交する方向（周方向）に沿って配向されている。したがって、第３補強部１８に含まれる連続繊維がルーフリインフォースメント２０の長手方向に沿って配向されている場合に比べて、第３補強部１８の周方向における強度及び剛性を向上させることができる。

以上、本実施形態に係るルーフリインフォースメント２０（車両における骨格部材）の補強構造１０について、図面を基に説明したが、本実施形態に係る補強構造１０は、図示のものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能なものである。例えば、骨格部材は、ルーフリインフォースメント２０に限定されるものではなく、図示は省略するが、ルーフサイドレール、ロッカ、フロントピラー等であってもよい。

また、骨格部材は、ルーフリインフォースメント２０のような断面矩形状に限定されるものではなく、例えば断面略楕円形状等に形成されていてもよい。更に、ルーフリインフォースメント２０の閉断面形状は、図示の略「８」字状に限定されるものではなく、例えば仕切板２１が１枚も形成されていない閉断面形状又は仕切板２１が前後方向に間隔を空けて２枚以上形成された閉断面形状であってもよい。

また、本実施形態に係る補強構造１０とは異なる補強構造になるが、骨格部材を構成するベース材は、ランダム繊維樹脂材ではなく、アルミニウム等の金属材とされていてもよい。この場合、補強部材１２は、接着剤等により、その金属製の骨格部材に貼り付けられる構成にすればよい。

１０ 補強構造
１２ 補強部材
１４ 第１補強部
１４Ａ 一部
１６ 第２補強部
１６Ａ 一部
１８ 第３補強部
２０ ルーフリインフォースメント（骨格部材）
３２ 最小部
３４ 最大部

Claims (5)

1. 平面視及び正面視で長手方向両端部から長手方向中央部に向かって徐々に幅狭になる閉断面形状に形成され、車両の骨格を構成する樹脂製の骨格部材と、
   前記骨格部材の表面にシート状に一体成形された繊維強化樹脂製の補強部材と、
   を備え、
   前記補強部材は、
   前記骨格部材の長手方向に沿った一方の表面全体を含んで断面略「Ｕ」字状に配置されるとともに正面視及び背面視で前記長手方向の中央部が略円弧状に張り出した第１補強部と、
   前記骨格部材の長手方向に沿った他方の表面全体を含んで断面略「Ｕ」字状に配置されるとともに正面視及び背面視で前記長手方向の中央部が略円弧状に張り出した第２補強部と、
   を有し、
   前記骨格部材の長手方向中央部において、前記第１補強部の前記略円弧状に張り出した部分と前記第２補強部の前記略円弧状に張り出した部分とが互いにオーバーラップして重ねられることで正面視及び背面視で略紡錘形状のラップ部が形成されている車両における骨格部材の補強構造。
2. 前記第１補強部及び前記第２補強部に含まれる繊維は、前記骨格部材の長手方向に沿って配向されている請求項１に記載の車両における骨格部材の補強構造。
3. 前記補強部材は、前記骨格部材の長手方向中央部を含んで断面略環状に配置された第３補強部を有する請求項１又は請求項２に記載の車両における骨格部材の補強構造。
4. 前記第３補強部に含まれる繊維は、前記骨格部材の長手方向と直交する方向に沿って配向されている請求項３に記載の車両における骨格部材の補強構造。
5. 前記第１補強部と前記第２補強部とが、前記骨格部材の長手方向両端部において、互いに離間している請求項１～請求項４の何れか１項に記載の車両における骨格部材の補強構造。