WO2019181434A1 - 複合構造体 - Google Patents

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WO2019181434A1
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composite structure
resin
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load
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松岡英夫
橋本幸作
木本幸胤
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東レ株式会社
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    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/12—Vibration-dampers; Shock-absorbers using plastic deformation of members

Definitions

  • the present invention relates to a composite structure, and more particularly to a composite structure suitable as a vehicle structure in which a resin-inserted part is arranged inside a metal member having a hollow closed cross section.
  • the thickness of the frame is increased for the purpose of improving safety at the time of a collision, or a reinforcing plate (reinforcement) is disposed in the cross section of the frame. It is known to improve the impact energy absorbability while increasing the strength and rigidity.
  • Patent Document 1 discloses a vehicle impact energy absorbing structure, and particularly, a vehicle impact energy absorbing structure in which a resin-molded impact absorbing member is accommodated inside a hollow closed cross section of a center pillar or the like.
  • Patent Document 2 discloses a vehicle skeleton structure in which a reinforcing member is disposed inside a vehicle skeleton member.
  • Patent Document 3 discloses that a reinforcing cylindrical body having an axial line extending in a direction in which a bending load is applied is provided in a beam member having a hollow closed section made of a light metal material.
  • Patent Document 4 discloses that the energy absorption performance of the frame is more effectively enhanced by filling a filler having specific material characteristics in the cross section of the frame.
  • the object of the present invention is to pay attention to the problems in the prior art as described above, and in particular, a load-displacement curve when a metal member is reinforced with a lightweight resin material and an external load such as a collision load is applied. It is an object of the present invention to provide a composite structure capable of bringing the waveform of the waveform close to an ideal rectangular waveform.
  • the composite structure according to the present invention includes an insertion part molded from a resin material having a tensile elongation of 10% or more inside a metal member having a hollow closed cross section. Both the component and the metal member are arranged so as to be able to handle external loads, and the outer shape of the inserted component occupies 50% or more of the projected area ratio with respect to the hollow closed cross section of the metal member. It consists of what is characterized by.
  • an insertion part molded from a specific resin material having a tensile elongation of 10% or more is disposed inside a metal member having a hollow closed cross section, and the insertion
  • the outer shape of the component occupies 50% or more (that is, more than a majority) of the projected area ratio with respect to the hollow closed cross section of the metal member, when the composite structure is deformed by an external load, for example, an impact load, following the deformation of the metal member, the internal resin insert will also be deformed, and both the metal member and the resin insert will work together to handle the external load.
  • the metal member is deformed in a ductile manner, but the inserted part molded from a resin material having a tensile elongation of 10% or more is deformed with high toughness, and the load-displacement as a composite structure is obtained. It becomes possible to make the waveform of a curve close to an ideal rectangular waveform, and it is possible to realize excellent shock energy absorption performance.
  • the tensile strength of the resin material molded into the insert part is 30 MPa or more. Since the tensile strength and the tensile elongation are balanced at a high level, the inserted part can have a higher strength, and the composite structure can have a higher load.
  • the inserted part has a molding surface that extends in a direction intersecting with the external load direction.
  • the direction intersecting with the external load direction is not particularly limited, but from the aspect of more efficiently handling the external load with the interpolated parts, the direction should be perpendicular to or close to the external load direction. preferable.
  • the inserted part has ribs formed in a lattice shape with respect to the external load direction. Since the ribs formed in a lattice shape can exhibit a high resistance against external loads, the insertion part has such ribs, so that high strength can be expressed as the insertion part itself, and as a composite structure. become.
  • the outer shape of the inserted part occupies 80% or more of the projected area ratio with respect to the hollow closed section of the metal member. More preferably, 90% or more is occupied.
  • the target characteristic with respect to the external load due to the cooperation of the manufactured member and the interpolated part that is, the characteristic that the waveform of the load-displacement curve approaches the ideal rectangular waveform is more reliably exhibited.
  • Such a composite structure according to the present invention is particularly useful when applied to a structure requiring excellent impact energy absorption performance, particularly a vehicle structure.
  • the resin-inserted part having specific toughness is arranged in a specific state inside the metal member having a hollow closed cross section.
  • the internal interpolated parts can also be deformed to bring the load-displacement curve waveform closer to the ideal rectangular waveform, resulting in excellent impact Energy absorption performance can be expressed.
  • the composite structure according to the present invention is extremely useful when applied to a vehicle structure.
  • FIG. 2A is a perspective view of the composite structure in FIG. 1
  • FIG. 2B is a cross-sectional view in section (A) of FIG. 2A
  • FIG. 2C is a section in FIG. 2A. It is sectional drawing in (B).
  • FIG. 2A shows an example of the ratio of the outer shape of the insertion part when viewed from the T direction in FIG. 2A to the hollow closed section of the metal member in the projected area ratio in the composite structure according to one embodiment of the present invention.
  • the structure of the composite structure according to one embodiment of the present invention has a tensile elongation of 10% or more inside the metal member 1 having a hollow closed cross section.
  • the insertion part 2 molded from the resin material can be subjected to an external load by both the insertion part 2 and the metal member 1, and the outer shape of the insertion part 2 is hollow of the metal member 1. It arrange
  • the metal member is a member having a hollow closed cross section, and a representative example thereof is a shape made of a metal material having a hollow closed cross section.
  • Preferred examples of the metal material of the metal member include aluminum alloy, steel, titanium alloy, magnesium alloy, copper alloy, nickel alloy, cobalt alloy, zirconium alloy, zinc, lead, tin and alloys thereof.
  • the metal member is preferably made of a light and relatively inexpensive material, such as an aluminum alloy.
  • the hollow closed cross-sectional structure is not particularly limited as long as an insertion part can be disposed inside the hollow.
  • a rectangular cross section square, rectangle, trapezoid, rhombus
  • a circular cross section an elliptical cross section, or a polygon other than a quadrangle (triangle, pentagon, hexagon)
  • a configuration of the closed cross section a configuration including a plurality of closed cross sections (cells) in addition to a configuration including a single closed cross section (cell) can be preferably exemplified.
  • the insertion part is formed from a resin material having a tensile elongation of 10% or more, and the resin material used in the present invention is particularly limited as long as it is a resin that can be molded by heating and melting. is not.
  • the resin material As described above for the insertion part of the present invention, it is possible to realize weight reduction, high load, and rectangular wave energy absorption characteristics (rectangular wave load-displacement curve).
  • the resin material include polyamide resin, polyester resin, polyphenylene sulfide resin, polyphenylene oxide resin, polycarbonate resin, polylactic acid resin, polyacetal resin, polysulfone resin, tetrafluoropolyethylene resin, polyetherimide resin, polyamideimide resin, polyimide Resin, polyethersulfone resin, polyetherketone resin, polythioetherketone resin, polyetheretherketone resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polystyrene resin, styrene resin such as acrylonitrile / butadiene / styrene copolymer (ABS resin), polyalkylene An oxide resin etc. can be mentioned preferably. Further, these two or more kinds may be mixed and alloyed (mixed) as long as the characteristics are
  • polyamide resin polyamide resin, polyester resin, polyphenylene sulfide resin, polyphenylene oxide resin, polycarbonate resin, ABS resin, and polypropylene resin are preferably used.
  • Polyamide resins, polyester resins, polyphenylene sulfide resins, and polycarbonate resins are more preferable because they are excellent in strength and elongation, particularly in balance between tensile strength and tensile elongation.
  • the resin material used for the insert part of the present invention has a tensile elongation of 10% or more, preferably 30% or more.
  • tensile elongation is less than 10%, the inserted part arranged inside the hollow closed cross section cannot follow the ductile deformation of the metal member, and is brittlely broken to absorb energy in a desirable rectangular waveform. become unable.
  • the insert part of the present invention is produced by molding a resin material.
  • a molding method using a mold is preferable, and various molding methods such as injection molding, extrusion molding, and press molding can be used.
  • a continuously stable molded product can be obtained by a molding method using an injection molding machine.
  • the conditions for injection molding are not particularly defined, but for example, injection time: 0.5 seconds to 10 seconds, back pressure: 0.1 MPa to 10 MPa, holding pressure: 1 MPa to 50 MPa, holding pressure time: 1 second to 20 Second, cylinder temperature: 200 ° C. to 340 ° C., mold temperature: 20 ° C. to 150 ° C. are preferable.
  • the cylinder temperature indicates the temperature of the portion where the molding material of the injection molding machine is heated and melted
  • the mold temperature indicates the temperature of the mold for injecting a resin for forming a predetermined shape.
  • the insertion direction of the insertion part is not particularly limited as long as the insertion part can be arranged inside the hollow closed cross-section structure of the shape member as a metal member, for example, but the insertion part is in the external load direction (for example, impact load direction). It is preferable to have a molding surface that spreads in a direction intersecting with (). In the example shown in FIG. 1, the top surface of the insertion component 2 is formed on the molding surface 4. As described above, by having the molding surface spreading in such a direction, the external load transmitted through the metal member can be more efficiently handled through the molding surface. That is, a load value such as a collision load that can be handled increases.
  • the direction intersecting the external load direction is preferably a direction perpendicular to the external load direction or a direction close thereto, from the viewpoint of more efficiently receiving the external load by the interpolated component.
  • the insertion component in the present invention has ribs formed in a lattice shape with respect to the external load direction (for example, the impact load direction).
  • lattice-shaped ribs are formed following the molding surface.
  • lattice-like ribs 5 having an open structure are formed downward on the lower side of the top surface as the molding surface 4. Since the ribs formed in a lattice shape can exhibit a high resistance against external loads, the insertion part has such ribs, so that high strength can be expressed as the insertion part itself, and as a composite structure. become. Further, by having ribs formed in a lattice shape, the load-displacement curve of the rectangular wave can be brought closer to a more desirable rectangular wave.
  • the insertion state of the insertion part is not particularly limited as long as it can be arranged inside the hollow closed cross-section structure of the shape member.
  • the insertion state of the insertion part is not particularly limited as long as it can be arranged inside the hollow closed cross-section structure of the shape member.
  • FIG. 3 as an example of the ratio of the outer shape of the insertion part when viewed from the T direction in FIG. 2A to the hollow closed cross section of the metal member in the projected area ratio,
  • the inserted part is inserted and arranged so that the projected area ratio of S1 / S ⁇ 100 (%) is 50% or more.
  • the projected area ratio is preferably 80% or more, and particularly preferably 90% or more.
  • the projected area ratio is 50% or more
  • the possibility that the inner surface of the metal member can be brought into close contact with the outer surface of the insertion part is increased.
  • a part of the external load is transmitted to the insertion part, and the desired performance, in particular, a load-displacement curve characteristic close to a rectangular wave can be realized.
  • the projected area ratio is 80% or more, and further 90% or more
  • the inner surface of the metal member can be brought into close contact with the outer surface of the inserted part more quickly, so that an external load such as a collision load is applied. This is preferable because the waveform of the load-displacement curve approaches a more desirable rectangular wave and the load value increases.
  • the vehicle structure is a long part (a member having a larger dimension in the longitudinal direction than the cross-sectional dimension), and an impact load input from the transverse direction (a direction having an angle with the longitudinal direction). It is preferable that the part receives the impact energy applied to the part itself, or transmits the applied impact load from the part to another structural part with a temporal change. Since it has a function, the member etc. which adjoin a bumper beam of a motor vehicle, a side sill, etc. are mentioned preferably, for example.
  • Aluminum alloy square pipe External shape: height 50 mm x width 70 mm x length 300 mm and length 1000 mm, wall thickness: 2 mm, material: A6063-T5
  • Resin material / PC / PBT Alloy material of polycarbonate resin and polybutylene terephthalate resin, grade name “8207X01B” (manufactured by Toray Industries, Inc.)
  • PA Polyamide resin, grade name “CM1017” (manufactured by Toray Industries, Inc.)
  • PP A mixture of polypropylene resin, ethylene / propylene copolymer and talc, grade name “LA880” (manufactured by Prime Polymer Co., Ltd.)
  • PPS polyphenylene sulfide resin, grade name “A670X01” (manufactured by Toray Industries, Inc.)
  • PA / GF Glass fiber reinforced polyamide resin, grade name “CM1011G30” (manufactured by Toray Industries, Inc.)
  • PA / CF Carbon fiber reinforced polyamide resin, grade name “3101T30V” (manufactured by Toray Industries, Inc.)
  • Insertion part The insertion part of FIG. 1 was created by injection molding of the resin material.
  • FIG. 4 the composite structure 14 inserted into an aluminum square pipe as a metal member 13 is formed with the molding surface 12 of the insertion part 11 obtained by injection molding as the top surface (upward).
  • a compression test was performed using the composite structure 16 inserted with the insertion part 11 turned upside down and the bottom surface side as the molding surface 12.
  • the compression test was done with the insertion component of an atmospheric equilibrium water absorption state.
  • FIG. 8 shows the evaluation results of a compression test of a single aluminum square pipe.
  • Table 1 and FIG. 8 show the evaluation results obtained by inserting a PC / PBT insertion part into an aluminum square pipe and performing a compression test.
  • Table 1 and FIG. 8 show the evaluation results obtained by inserting a PA / GF insertion part into an aluminum square pipe and performing a compression test.
  • Table 1 and FIG. 9 collectively show the evaluation results obtained by inserting the insertion parts made of PA, PP, PPS, and PA / CF into an aluminum square pipe and performing a compression test.
  • Table 1 and FIG. 10 show the evaluation results of inserting a PC / PBT insertion part into an aluminum square pipe with the molding surface facing upside down and performing a compression test.
  • Example 6 Comparative Example 3
  • Table 1 shows the evaluation results of the PC / PBT insert parts cut into 80% (Example 6) and 40% (Comparative Example 3), inserted into an aluminum square pipe, and subjected to a compression test. 11 shows.
  • Table 2 and FIG. 12 show the evaluation results of inserting a PC / PBT insertion part, a PP insertion part, and a PA / GF insertion part into an aluminum square pipe and performing a drop weight impact test.
  • Table 3 and FIG. 13 show the evaluation results obtained by inserting a PC / PBT insertion part and a PA / GF insertion part into an aluminum square pipe and performing a bending test.
  • the composite structure according to the example satisfying the requirements defined in the present invention As shown in Table 1, Table 2 and Table 3, in the composite structure according to the example satisfying the requirements defined in the present invention, the balance between the tensile strength and the tensile elongation of the resin-made interpolated parts is good, and as a composite structure Although a preferable high maximum load and a desirable load-displacement curve close to a square wave can be achieved, the composite structure according to the comparative example that does not satisfy the requirements defined in the present invention has a particularly undesirably lower right shoulder or load-displacement curve. It became a characteristic of rising to the right.
  • the composite structure according to the present invention can be suitably applied to a vehicle structure since it can absorb energy in a rectangular waveform with a high load when an external load such as a collision load is applied.

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Abstract

中空閉断面を有する金属製部材の内部に、引張伸びが１０％以上の樹脂材料から成形された内挿部品を、該内挿部品と前記金属製部材の両方で外部荷重を受け持つことが可能に配置し、該内挿部品の外形が前記金属製部材の中空閉断面に対して投影面積比で５０％以上を占めていることを特徴とする複合構造体。中空閉断面を有する金属製部材の内部に、特定の靱性を有する樹脂製内挿部品を特定の状態で配置することで、とくに衝突荷重が生じた際に金属製部材が延性的に変形するのに追随して、内部の内挿部品も変形することで荷重－変位曲線の波形を理想の矩形波形に近づけることができ、優れた衝撃エネルギーの吸収性能を発現させることができる。

Description

複合構造体
　本発明は、複合構造体に関し、とくに、中空閉断面を有する金属製部材の内部に樹脂製内挿部品を配置した車両用構造体として好適な複合構造体に関するものである。
　自動車等の車体フレーム構造体では、衝突時の安全性を高めることを目的にフレームの板厚を増したり、フレーム断面内に補強用の板材（レインフォースメント）を配設することにより、フレームの強度および剛性を高めるとともに衝撃エネルギー吸収性の向上を図ることが知られている。
　一方、燃費性能や操縦応答性の向上の観点から、より一層の軽量化が望まれており、上記のような従来のフレーム構造体では、かなりの重量増加を招くことになり、燃費性能の維持や向上と衝突安全性の向上とを両立して達成することは困難である。
　そこでこのような不都合に対処し得る構造体として、フレーム断面内に軽量の樹脂製補強部材を配置することが提案されている。
　例えば特許文献１には、車両用衝撃エネルギー吸収構造に関し、特に、センターピラー等の中空閉断面の内部に、樹脂成形された衝撃吸収部材を収納させる車両用衝撃エネルギー吸収構造が開示されている。
　また、特許文献２には、車両の骨格部材の内側に補強部材が配設された車両の骨格構造が開示されている。
　また、特許文献３には、軽金属材料からなる中空閉断面をなすビーム部材内に、曲げ荷重の加わる向きにその軸線を延在させた補強用円筒体を設けることが開示されている。
　さらに、特許文献４には、フレーム断面内に特定の材料特性を有する充填材を充填することによってフレームのエネルギー吸収性能をより効果的に高めることが開示されている。
　しかしながら、これらの従来技術では、衝突時の耐荷重値は大きく向上するが、衝撃エネルギーの吸収性能では、未だ課題が存在することがあった。
特開２０１７－１９４２８号公報 特開２０１０－１９５３５２号公報 特開２００７－２３７９４４号公報 特開平１１－２７８３０１号公報
　そこで本発明の課題は、上記のような従来技術における問題点に着目し、特に金属製部材を軽量な樹脂材料で補強し、かつ、衝突荷重等の外部荷重が加わった際の荷重－変位曲線の波形を理想の矩形波形に近づけることができる複合構造体を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明に係る複合構造体は、中空閉断面を有する金属製部材の内部に、引張伸びが１０％以上の樹脂材料から成形された内挿部品を、該内挿部品と前記金属製部材の両方で外部荷重を受け持つことが可能に配置し、該内挿部品の外形が前記金属製部材の中空閉断面に対して投影面積比で５０％以上を占めていることを特徴とするものからなる。
　このような本発明に係る複合構造体においては、中空閉断面を有する金属製部材の内部に、引張伸びが１０％以上の特定の樹脂材料から成形された内挿部品が配置され、該内挿部品の外形が金属製部材の中空閉断面に対して投影面積比で５０％以上（つまり、過半数以上）を占めていることにより、外部荷重、例えば衝撃荷重によって複合構造体が変形される際、金属製部材が変形するのに追随して内部の樹脂製の内挿部品も変形することになり、金属製部材と樹脂製の内挿部品の両方が共働して外部荷重を受け持つことになる。このとき、金属製部材は延性的に変形されるが、引張伸びが１０％以上の樹脂材料から成形された内挿部品は高い靭性をもって変形されることになり、複合構造体としての荷重－変位曲線の波形を理想の矩形波形に近づけることが可能になり、優れた衝撃エネルギーの吸収性能を実現することが可能になる。
　上記本発明に係る複合構造体においては、上記内挿部品に成形される上記樹脂材料の引張強度としては、３０ＭＰａ以上であることが好ましい。引張強度と引張伸びが高いレベルでバランスされていることで、内挿部品がより高い強度を有することが可能になり、複合構造体としてもより高い荷重を有することが可能になる。
　また、上記本発明に係る複合構造体においては、上記内挿部品は、外部荷重方向と交差する方向に広がる成形面を有することが好ましい。このような成形面を有することにより、金属製部材を介して伝達されてくる外部荷重をより効率よく受け持つことができるようになる。外部荷重方向と交差する方向をしては、とくに限定されないが、内挿部品で外部荷重をより効率よく受け持つという面からは、外部荷重方向に対し垂直の方向、あるいはそれに近い方向であることが好ましい。
　また、上記本発明に係る複合構造体においては、上記内挿部品は外部荷重方向に対して格子状に形成されたリブを有していることが好ましい。格子状に形成されたリブは外部荷重に対して高い抗力を発揮できるので、内挿部品がこのようなリブを有することにより、内挿部品自体、ひいては複合構造体として、高い強度の発現が可能になる。
　また、上記本発明に係る複合構造体においては、上記内挿部品の外形が上記金属製部材の中空閉断面に対して投影面積比で８０％以上を占めていることが好ましい。より好ましくは、９０％以上を占めている形態である。内挿部品の外形が金属製部材の中空閉断面に対して投影面積比で占める割合が高いほど、外部荷重によって変形され始める金属製部材の内面がより早く内挿部品に接することができ、金属製部材と内挿部品との共働による外部荷重に対する目標特性、つまり、荷重－変位曲線の波形が理想の矩形波形に近づいた特性がより確実に発揮されるようになる。
　このような本発明に係る複合構造体は、優れた衝撃エネルギーの吸収性能が要求される構造体、中でも車両用の構造体に適用してとくに有用なものである。
　このように、本発明に係る複合構造体によれば、中空閉断面を有する金属製部材の内部に、特定の靱性を有する樹脂製内挿部品を特定の状態で配置することで、とくに衝突荷重が生じた際に金属製部材が延性的に変形するのに追随して、内部の内挿部品も変形することで荷重－変位曲線の波形を理想の矩形波形に近づけることができ、優れた衝撃エネルギーの吸収性能を発現させることができる。特に本発明に係る複合構造体は、車両用の構造体に適用して極めて有用である。
本発明の一実施態様に係る複合構造体の構成を示す透視斜視図である。 図２（Ａ）は図１の複合構造体の透視斜視図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の断面（Ａ）における断面図、図２（Ｃ）は図２（Ａ）の断面（Ｂ）における断面図である。 本発明の一実施態様に係る複合構造体における、図２（Ａ）のＴ方向から見た場合の内挿部品の外形が金属製部材の中空閉断面に対して投影面積比で占める割合の一例を示す側面図である。 本発明の一実施態様に係る複合構造体の圧縮試験の実施形態を示す透視斜視図である。 本発明の別の実施態様に係る複合構造体の圧縮試験の実施形態を示す透視斜視図である。 本発明の一実施態様に係る複合構造体の落錘衝撃試験の実施形態を示す透視斜視図である。 本発明の一実施態様に係る複合構造体の曲げ試験の実施形態を示す透視斜視図である。 本発明の実施例に係る複合構造体の荷重―変位曲線を示すグラフである。 本発明の別の実施例に係る複合構造体の荷重―変位曲線を示すグラフである。 本発明のさらに別の実施例に係る複合構造体の荷重―変位曲線を示すグラフである。 本発明のさらに別の実施例に係る複合構造体の荷重―変位曲線を示すグラフである。 本発明のさらに別の実施例に係る複合構造体の荷重―変位曲線を示すグラフである。 本発明のさらに別の実施例に係る複合構造体の荷重―変位曲線を示すグラフである。
　以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　本発明に係る複合構造体では、例えば図１に本発明の一実施態様に係る複合構造体の構成を示すように、中空閉断面を有する金属製部材１の内部に、引張伸びが１０％以上の樹脂材料から成形された内挿部品２が、該内挿部品２と金属製部材１の両方で外部荷重を受け持つことが可能に、かつ、内挿部品２の外形が金属製部材１の中空閉断面に対して投影面積比で５０％以上を占めるように、配置されて、複合構造体３が構成される。
　本発明において金属製部材は、中空閉断面を有する部材であり、その代表例として、中空閉断面を有する金属材料からなる形材が挙げられる。金属製部材の金属材料としては、アルミニウム合金、スチール、チタニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、ニッケル合金、コバルト合金、ジルコニウム合金、亜鉛、鉛、錫およびそれらの合金を好ましく挙げることができる。特に、本発明に係る複合構造体が車両用の構造体として用いられる場合には、金属製部材の金属材料としては軽量で比較的安価な材料、例えばアルミニウム合金からなることが好ましい。
　また、本発明において中空閉断面構造とは、中空内部に内挿部品が配置できれば特に制限されるものではない。例えば、閉断面の形状として、矩形断面（正方形、長方形、台形、菱形）、円形断面、楕円断面、四角形以外の多角形（三角形、五角形、六角形）を好ましく挙げることができる。また、閉断面の構成として、単一の閉断面（セル）で構成されるものの他、複数の閉断面（セル）から構成されるものを好ましく挙げることができる。
　本発明において内挿部品は、引張伸びが１０％以上の樹脂材料から成形されたものであり、本発明に用いられる樹脂材料とは、加熱溶融により成形可能な樹脂であれば特に制限されるものではない。
　本発明の内挿部品に上記のような樹脂材料を用いることにより、軽量化と高荷重、矩形波エネルギー吸収特性（矩形波の荷重―変位曲線）を発現させることができる。樹脂材料としては、例えば、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリ乳酸樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリスルホン樹脂、四フッ化ポリエチレン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリチオエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂やアクリロニトリル／ブタジエン／スチレンコポリマー（ＡＢＳ樹脂）等のスチレン系樹脂、ポリアルキレンオキサイド樹脂等を好ましく挙げることができる。また、特性を損なわない範囲で、これら２種以上を混合しアロイ化（混合物化）してもよい。
　前記樹脂材料の中でも、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン樹脂が好ましく用いられる。ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリカーボネート樹脂は強度と伸び、とくに引張強度と引張伸びのバランスに優れているためより好ましい。
　本発明の内挿部品に用いられる樹脂材料は、引張伸びが１０％以上であり、好ましくは３０％以上である。引張伸びが１０％未満になると、中空閉断面内部に配置した内挿部品が金属製部材の延性的な変形に追随することができず、脆性的に破壊して望ましい矩形波形でのエネルギー吸収ができなくなる。
　本発明の内挿部品は、樹脂材料を成形することにより作製される。成形方法としては、金型を用いた成形方法が好ましく、射出成形、押出成形、プレス成形など、種々の成形方法を用いることができる。特に射出成形機を用いた成形方法により、連続的に安定した成形品を得ることができる。射出成形の条件としては、特に規定はないが、例えば、射出時間：０．５秒～１０秒、背圧：０．１ＭＰａ～１０ＭＰａ、保圧力：１ＭＰａ～５０ＭＰａ、保圧時間：１秒～２０秒、シリンダー温度：２００℃～３４０℃、金型温度：２０℃～１５０℃の条件が好ましい。ここで、シリンダー温度とは、射出成形機の成形材料を加熱溶融する部分の温度を示し、金型温度とは、所定の形状にするための樹脂を注入する金型の温度を示す。これらの条件、特に射出時間、射出圧（背圧と保圧力）および金型温度を適宜選択することにより、内挿部品の外観、ヒケ、ソリなどを適宜調整することが可能である。
　本発明において内挿部品の挿入方向は、例えば金属製部材としての形材の中空閉断面構造内部に配置できれば特に制限されるものではないが、内挿部品が外部荷重方向（例えば、衝撃荷重方向）と交差する方向に広がる成形面を有することが好ましい。図１に示した例では、内挿部品２の天面が成形面４に形成されている。前述したように、このような方向に広がる成形面を有することにより、金属製部材を介して伝達されてくる外部荷重を、成形面を介してより効率よく受け持つことができるようになる。つまり、受け持つことが可能な衝突荷重等の荷重値が高くなる。外部荷重方向と交差する方向をしては、内挿部品で外部荷重をより効率よく受け持つという面から、外部荷重方向に対し垂直の方向、あるいはそれに近い方向であることが好ましい。
　また、本発明における内挿部品は、外部荷重方向（例えば、衝撃荷重方向）に対して格子状に形成されたリブを有していることが好ましい。例えば、上述の成形面に続いて格子状のリブが形成されていることが好ましい。図１に示した例では、上述の成形面４としての天面の下部側に、下方に向けて開放構造の格子状のリブ５が形成されている。格子状に形成されたリブは外部荷重に対して高い抗力を発揮できるので、内挿部品がこのようなリブを有することにより、内挿部品自体、ひいては複合構造体として、高い強度の発現が可能になる。また、格子状に形成されたリブを有することで、矩形波の荷重―変位曲線をより望ましい矩形波に近づけることが可能になる。
　本発明において内挿部品の挿入状態は、形材の中空閉断面構造内部に配置できれば特に制限されるものではない。例えば、図３に図２（Ａ）のＴ方向から見た場合の内挿部品の外形が金属製部材の中空閉断面に対して投影面積比で占める割合の一例を示すように、投影方向における金属製部材の中空断面積：Ｓ、内挿部品の投影面積：Ｓ１としたとき、Ｓ１／Ｓ×１００（％）の投影面積比が５０％以上となるように内挿部品が挿入、配置される。投影面積比としては、８０％以上であることが好ましく、特に好ましくは９０％以上である。投影面積比が５０％以上であると、外部荷重により複合構造体が変形される際、金属製部材の内面が内挿部品の外面に密着できる可能性が高められ、金属製部材を介して内挿部品に外部荷重の一部が伝達されて所望の性能、とくに矩形波に近づいた荷重－変位曲線の特性を発現可能となる。とくに、投影面積比が８０％以上であると、さらには９０％以上であると、金属製部材の内面がより迅速に内挿部品の外面に密着できるので、衝突荷重等の外部荷重が加わる際の荷重－変位曲線の波形がより望ましい矩形波に近づき、荷重値も高くなるため、好ましい。
　本発明において車両用の構造体としては、長尺の部品（断面寸法に対して長手方向の寸法が大きい部材）であって、その横手方向（長手方向と角度を有する方向）から入力する衝撃荷重を受荷する部品が好ましく、当該部品は、当該部品そのものが負荷された衝撃エネルギーを吸収したり、当該部品から他の構造部品へ、負荷された衝撃荷重を時間的な変化を伴って伝達する機能を有することから、例えば、自動車のバンパービーム、サイドシルと併設される部材等が好ましく挙げられる。
　以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例の記載に限定されるものではない。まず、本実施例で用いる材料と各種特性の評価方法について説明する。
（１）金属製部材としての形材
　アルミニウム合金角パイプ：外形：高さ５０ｍｍ×幅７０ｍｍ×長さ３００ｍｍと長さ１０００ｍｍ、肉厚：２ｍｍ、材質：Ａ６０６３－Ｔ５
（２）樹脂材料
・ＰＣ／ＰＢＴ：ポリカーボネート樹脂とポリブチレンテレフタレート樹脂のアロイ材、グレード名「８２０７Ｘ０１Ｂ」（東レ株式会社製）
・ＰＡ：ポリアミド樹脂、グレード名「ＣＭ１０１７」（東レ株式会社製）
・ＰＰ：ポリプロピレン樹脂とエチレン・プロピレン共重合体とタルクの混合物、グレード名「ＬＡ８８０」（株式会社プライムポリマー製）
・ＰＰＳ：ポリフェニレンスルフィド樹脂、グレード名「Ａ６７０Ｘ０１」（東レ株式会社製）
・ＰＡ／ＧＦ：ガラス繊維強化ポリアミド樹脂、グレード名「ＣＭ１０１１Ｇ３０」（東レ株式会社製）
・ＰＡ／ＣＦ：炭素繊維強化ポリアミド樹脂、グレード名「３１０１Ｔ３０Ｖ」（東レ株式会社製）
（３）内挿部品
上記樹脂材料を射出成形により、図１記載の内挿部品を作成した。
（４）引張強度、引張伸びの評価
　射出成形により得られたＩＳＯ試験片を用いて、ＩＳＯ５２７－１，２に準じて、２３℃、湿度５０％の雰囲気下で、ＰＣ／ＰＢＴ、ＰＡ、ＰＰ、ＰＰＳ材は歪み速度５０ｍｍ／ｍｉｎの条件で、ＰＡ／ＧＦ、ＰＡ／ＣＦ材は歪み速度５ｍｍ／ｍｉｎの条件で引張試験を行い、引張強度（強さ）、引張伸び（破断ひずみ）を測定した。なお、ポリアミド樹脂系の材料は、大気平衡吸水状態の試験片で引張試験を行った。
（５）圧縮試験の評価（図４、５）
　図４に示すように、射出成形により得られた内挿部品１１の成形面１２を天面にして（上側にして）、金属製部材１３としてのアルミニウム角パイプ内に挿入した複合構造体１４を用い、圧子１５（先端の丸み：Ｒ＝５ｍｍ）で歪み速度５ｍｍ／ｍｉｎの条件で圧縮試験を行い、荷重と変位量（荷重―変位曲線）を測定した。また、図５に示すように、実施例５のみ、内挿部品１１を上下反対にして底面側を成形面１２とした状態で挿入した複合構造体１６を用いて圧縮試験を行った。なお、ポリアミド樹脂系の材料については、大気平衡吸水状態の内挿部品で圧縮試験を行った。
（６）落錘衝撃試験の評価（図６）
　射出成形により得られた内挿部品２１の成形面２２を天面にして（上側にして）、金属製部材２３としてのアルミニウム角パイプ内に挿入した複合構造体２４を用い、ストライカー２５（先端の丸み：Ｒ＝２０ｍｍ）で落錘重さ２５０ｋｇ、落錘高さ１ｍの条件で落錘衝撃試験を行い、荷重と変位量（荷重―変位曲線）を測定した。なお、ポリアミド樹脂系の材料は、大気平衡吸水状態の内挿部品で落錘衝撃試験を行った。
（７）曲げ試験の評価（図７）
　射出成形により得られた内挿部品３１の成形面３２を天面にして（上側にして）、金属製部材３３としてのアルミニウム角パイプ内に挿入した複合構造体３４を用い、圧子３５（先端の丸み：Ｒ＝１２７ｍｍ）、支点３６（先端の丸み：Ｒ＝２５ｍｍ）、支点間距離８００ｍｍ、歪み速度５ｍｍ／ｍｉｎの条件で曲げ試験を行い、荷重と変位量（荷重―変位曲線）を測定した。なお、ポリアミド樹脂系の材料は、大気平衡吸水状態の内挿部品で曲げ試験を行った。
（参考例１）
　アルミニウム角パイプ単品を圧縮試験した評価結果を図８に示した。
（実施例１）
　ＰＣ／ＰＢＴ製内挿部品をアルミニウム角パイプに挿入して圧縮試験した評価結果を表１、図８に示した。
（比較例１）
　ＰＡ／ＧＦ製内挿部品をアルミニウム角パイプに挿入して圧縮試験した評価結果を表１、図８に示した。
（実施例２～４、比較例２）
　ＰＡ、ＰＰ、ＰＰＳ、ＰＡ／ＣＦ製内挿部品をアルミニウム角パイプに挿入して圧縮試験した評価結果をまとめて表１、図９に示した。
（実施例５）
　ＰＣ／ＰＢＴ製内挿部品をアルミニウム角パイプに上下反対に成形面を底面側にして挿入し、圧縮試験した評価結果を表１、図１０に示した。
（実施例６、比較例３）
　ＰＣ／ＰＢＴ製内挿部品のリブ高さを８０％（実施例６）、４０％（比較例３）にそれぞれカットして、アルミニウム角パイプに挿入して圧縮試験した評価結果を表１、図１１に示した。
（実施例７および８、比較例４）
　ＰＣ／ＰＢＴ製内挿部品、ＰＰ製内挿部品、ＰＡ／ＧＦ製内挿部品をアルミニウム角パイプに挿入して落錘衝撃試験した評価結果を表２、図１２に示した。
（実施例９、比較例５）
　ＰＣ／ＰＢＴ製内挿部品、ＰＡ／ＧＦ製内挿部品をアルミニウム角パイプに挿入して曲げ試験した評価結果を表３、図１３に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表１、表２および表３に示すように、本発明で規定した要件を満たす実施例に係る複合構造体では、樹脂製内挿部品の引張強度と引張伸びのバランスが良く、複合構造体として好ましい高い最大荷重と矩形波に近い望ましい荷重―変位曲線を両立できたが、本発明で規定した要件を満たさない比較例に係る複合構造体では、とくに荷重―変位曲線が望ましくない右肩下がりあるいは右肩上がりの特性となった。
　本発明に係る複合構造体は、衝突荷重等の外部荷重が加わった際に、高荷重で矩形波形でエネルギー吸収ができるため車両用の構造体に好適に適用可能である。
１、１３、２３、３３　金属製部材
２、１１、２１、３１　内挿部品
３、１４、１６、２４、３４　複合構造体
４、１２、２２、３２　成形面
５　リブ
１５、３５　圧子
２５　ストライカー
３６　支点

Claims (6)

  1. 　中空閉断面を有する金属製部材の内部に、引張伸びが１０％以上の樹脂材料から成形された内挿部品を、該内挿部品と前記金属製部材の両方で外部荷重を受け持つことが可能に配置し、該内挿部品の外形が前記金属製部材の中空閉断面に対して投影面積比で５０％以上を占めていることを特徴とする複合構造体。
  2. 　前記内挿部品に成形される前記樹脂材料の引張強度が３０ＭＰａ以上である、請求項１に記載の複合構造体。
  3. 　前記内挿部品が外部荷重方向と交差する方向に広がる成形面を有する、請求項１または２に記載の複合構造体。
  4. 　前記内挿部品が外部荷重方向に対して格子状に形成されたリブを有する、請求項１～３のいずれかに記載の複合構造体。
  5. 　前記内挿部品の外形が前記金属製部材の中空閉断面に対して投影面積比で８０％以上を占めている、請求項１～４のいずれかに記載の複合構造体。
  6. 　車両用の構造体である、請求項１～５のいずれかに記載の複合構造体。
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