スペースフレーム構造を有する自動車
【課題】スペースフレーム構造を有する自動車に関し、安価で、軽量かつ高剛性、高強度なＦＲＰパイプを使用した自動車用ボディを提供し、温度変化による熱膨張時にも強度低下を引き起こさず、フレーム全体が導通した構造を提供する。
【解決手段】ボディ１の内部にＦＲＰパイプ２で構成されたスペースフレーム構造を構築する。自動車進行方向を向いたＦＲＰパイプは、長手方向を向いた繊維量が周方向を向いた繊維量よりも多い。自動車進行方向に対し直角方向を向き走行面に水平に設置されたＦＲＰパイプは、長手方向に対し４５度を向いた繊維で形成される。各ＦＲＰパイプ内には導線が通されており、各ＦＲＰパイプを締結する金属製の締結部材３と電気的に接触している。
【解決手段】ボディ１の内部にＦＲＰパイプ２で構成されたスペースフレーム構造を構築する。自動車進行方向を向いたＦＲＰパイプは、長手方向を向いた繊維量が周方向を向いた繊維量よりも多い。自動車進行方向に対し直角方向を向き走行面に水平に設置されたＦＲＰパイプは、長手方向に対し４５度を向いた繊維で形成される。各ＦＲＰパイプ内には導線が通されており、各ＦＲＰパイプを締結する金属製の締結部材３と電気的に接触している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペースフレーム構造を有する自動車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化プラスチック（以下「ＦＲＰ」という）は、比重に対する強度と剛性が大きいので、軽量化かつ高剛性化のために、航空機やレーシングカーなどの高速移動体や、風力発電用風車などの回転体に使用されることが多い。自動車へのＦＲＰの適用は、非特許文献１に記載されているような一部の高級スポーツカーの車体に炭素繊維強化のエポキシ樹脂積層体が使用されているのみで、大衆車にはほとんど使用されていない。これは、ＦＲＰの成型に大型の金型が必要であること、樹脂の加熱成型に時間がかかること、及びＦＲＰと金属部品の締結方法が確立していないことが主な理由と考えられる。
【０００３】
特にＦＲＰと金属の締結法に関しては、エンジンの回転を車輪に伝えるためのドライブシャフトに炭素繊維強化エポキシ樹脂が使用された例があり、特開平５−１６４１１５号公報にパイプ継ぎ手構造が記載されている。これは、ＦＲＰパイプを強度上の信頼性を損ねることなく金属締結体と嵌合させる構造についてのアイデアであり、ＦＲＰパイプの端部の半径を中間部の半径よりも大きくとり、金属締結体から抜けにくくしたものである。このほかのＦＲＰと金属の締結に関して、特開昭５０−１２８０５２号公報には、ＦＲＰパイプ端部に切り込みを入れて溝を作り、この溝に金具をはさむことで締結を完了するアイデアが記載されている。実開昭５１−１３８１００号公報や実開昭５５−０５７５０６号公報や実開昭６０−１６１７９３号公報には、ＦＲＰパイプの端部外周側にスリーブを嵌め込み、楔の効果で金属締結体から抜けにくくしたアイデアが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１６４１１５号公報
【特許文献２】特開昭５０−１２８０５２号公報
【特許文献３】実開昭５１−１３８１００号公報
【特許文献４】実開昭５５−０５７５０６号公報
【特許文献５】実開昭６０−１６１７９３号公報
【非特許文献１】Ｍｅｒｃｅｄｅｓ Ｂｅｎｚ社ホームページ（http://www.mercedes-benz.co.jp/slr/index2.html）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の従来技術には次のような課題がある。ＦＲＰは繊維で強化された樹脂であるため、繊維をなるべく屈曲させないで使うことが望ましい。繊維が曲がっていると、ＦＲＰ部材に荷重がかかった際に繊維が容易に樹脂の中で座屈してしまい、必要な剛性と強度が出ない。したがって、ＦＲＰの使用に際しては、極力繊維を曲げないことが重要である。
【０００６】
非特許文献１に記載の例では、ＦＲＰボディを構成するために滑らかな車体曲面に合わせてＦＲＰの強化繊維を曲げながら積層しているので、鋼製ボディと同等の剛性や強度を確保するためには、繊維層を厚くする必要が生じる。この結果として、軽量化の効果が薄くなる。
【０００７】
また、ＦＲＰパイプと金属の締結構造に関する従来技術で、ＦＲＰパイプの端部を太くするアイデアでは、設計する対象ごとにＦＲＰパイプを成型する必要があり、専用金型を複数種類準備しなくてはならず、低コストには製造できない。
【０００８】
また、ＦＲＰの端部に切り込みを加工してしまっては、強度上一番重要な締結部の強化繊維を切断してしまうことになり、強度低下が著しくなってしまう。
【０００９】
また、ＦＲＰパイプの外周にスリーブを嵌め、その外周におかれた金属ねじで外周側から面圧を付与するアイデアでは、面圧がパイプ外周側からしか与えられていない。このため、熱膨張時には、外周の金属ねじやスリーブは半径方向外側に大きく膨張するのに対し、ＦＲＰは線膨張率が金属に比べて小さいため、ＦＲＰパイプ側は半径方向外向きにそれほど膨張しない。この結果として、パイプ外側から締め上げている金属ねじやスリーブとＦＲＰパイプとの間の面圧が低下してしまう。
【００１０】
本発明の目的は、安価に、軽量かつ高剛性、高強度なＦＲＰパイプを用いた自動車用ボディを提供することにあり、温度変化による熱膨張時にも強度低下を引き起こさないＦＲＰパイプと金属との締結構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の特徴を有するスペースフレーム構造を有する自動車を提供する。
【００１２】
スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。前記パイプを形成する繊維は、パイプ長手方向を向いた繊維とパイプ周方向を向いた繊維との組み合わせから成る。前記自動車の進行方向を向いた前記パイプは、前記パイプ長手方向を向いた繊維の量が、前記パイプ周方向を向いた繊維の量よりも多い。複数の前記パイプは、金属製の締結部材を介して締結される。
【００１３】
また、スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。前記パイプの内部には、導線が通されている。前記パイプの外表面には、金属製の端子が設けられている。前記パイプには穴が設けられ、この穴を通して前記導線と前記端子とが電気的に接続されている。
【００１４】
また、スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。前記パイプのうち、前記自動車の進行方向に対して直角方向を向き、かつ前記自動車の走行面に対して水平に設置されたパイプは、パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維で形成される。
【００１５】
また、スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。前記パイプを形成する繊維は、パイプ長手方向を向いた繊維と、パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維と、パイプ周方向を向いた繊維との組み合わせから成る。前記パイプ長手方向を向いた繊維と前記パイプ周方向を向いた繊維は、前記パイプの外表面部及び内表面部に存在する。前記パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維は、前記パイプの板厚方向の中心部に存在する。
【００１６】
好ましくは、前記所定の角度は４５度である。
【００１７】
また、スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。前記パイプを形成する繊維は、短繊維でできている。
【００１８】
また、スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。複数の前記パイプは、金属製の締結部材を介して締結される。前記パイプの表面には、導体が巻きつけられている。前記締結部材とこの締結部材に締結された前記パイプとは、前記導体により電気的に接続している。
【００１９】
また、スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。複数の前記パイプの間の一部には、箱構造が形成されている。
【００２０】
また、スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。前記パイプの端部の周縁部には、導通体がはめ込まれている。前記導通体は、前記パイプの端部の内周側と外周側とを覆う。前記導通体の前記パイプの内周側には、前記パイプの半径方向外側に変形可能な導電性の内側締め上げ材が挿設される。前記導通体の前記パイプの外周側には、前記パイプの半径方向内側に変形可能な導電性の外側締め上げ材が周設される。前記内側締め上げ材と前記外側締め上げ材とは、ねじ締結され、前記導通体に前記パイプの内周側と外周側とから面圧を付与する。
【００２１】
好ましくは、前記パイプを形成する繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維、炭化珪素繊維、またはアルミナセラミクス繊維であり、前記パイプを形成する樹脂は、熱硬化樹脂、または熱可塑性樹脂である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によるスペースフレーム構造を有する自動車は、ＦＲＰパイプの強化繊維が屈曲していないため、繊維方向の剛性や強度が有効に保たれ、必要最小限の板厚のＦＲＰパイプで構成できて軽量となる。そして、自動車の進行方向のパイプは、主に車重でたわみ変形を起こすが、進行方向の強化繊維を多く配合することでたわみ量が小さくなる効果が生まれる。さらに、強度設計が困難な締結部も金属製とすることで、充分に安全な締結部材が提供できる。繊維方向を適宜変えることで、自動車各部に有効な剛性が発生でき、軽量化できる。
【００２３】
また、パイプ内部に導線を配し、金属締結体を介して互いに連結することで、スペースフレーム構造がすべて導通状態となり、電装品の搭載時にボディアースが簡便にとれる効果が生まれる。パイプ表面に導通体が施されることで、落雷時に電流がフレーム構造全体に流れやすくなり、局所的な発熱によるダメージを防ぐことができる。
【００２４】
ＦＲＰパイプの締結構造として、パイプ外周側と内周側から面圧を付与することができ、熱変形時にも常にパイプに締め上げ力が維持されることとなるため、強度上の信頼性が極めて高くなる。なお、強化繊維や樹脂の種類を自動車各部で変えることで、前面、後面、側面に衝撃吸収能力の高いＦＲＰパイプを配することが可能となり、安全性が増す。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】自動車の透視図である。
【図２】自動車の前部左側の一部断面図である。
【図３】自動車のスペースフレームの斜視図である。
【図４】導線と端子を有する、軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの斜視図である。
【図５】導線と端子を有する、軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの長手方向の断面図である。
【図６】導線と端子を有する、長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維でできたＦＲＰパイプの斜視図である。
【図７】軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維と長手方向に対して±４５度の方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの斜視図である。
【図８】短繊維でできたＦＲＰパイプの斜視図である。
【図９】ＦＲＰパイプの表面に導体の箔または網が巻きつけられた、自動車のスペースフレーム構造の斜視図である。
【図１０】車体下部のＦＲＰパイプ間に収納箱を配した、自動車のスペースフレーム構造の斜視図である。
【図１１】ＦＲＰパイプの端部の断面図である。
【図１２】内側締め上げ材の斜視図である。
【図１３】外側締め上げ材の斜視図である。
【図１４】ＦＲＰパイプとＦＲＰパイプの端部に接続する金属締結体との斜視図である。
【図１５】ＦＲＰパイプとＦＲＰパイプの途中に挟み込む金属締結体との斜視図である。
【図１６】軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの斜視図である。
【図１７】長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維でできたＦＲＰパイプの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明によるスペースフレーム構造を有する自動車の実施例を、図を用いて説明する。
【実施例１】
【００２７】
本発明の実施例１を、図１〜図３と図１６、図１７を用いて説明する。図１は自動車の透視図、図２は自動車の前部左側の一部断面図、図３は自動車のスペースフレームの斜視図、図１６はパイプの軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの斜視図、図１７はパイプの長手方向に対して所定の角度（±４５度）の方向を向いた繊維でできたＦＲＰパイプの斜視図である。
【００２８】
図１に示すように、ボディ１は自動車の表面を覆うカバーであり、風雨から内部の機器や搭乗人員を保護し、適度な保温をするための断熱材や防音材がその内側に貼られている部材である。また、高速走行時の空力的安定を保つための滑らかな曲面から形成されている。ボディ１の内部には、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）で製作された筒状のパイプ２が組み合わされている。ＦＲＰパイプ２は直線状をしており、ＦＲＰパイプ２同士の結合部には金属製の締結体３を介している。
【００２９】
図２に示すように、ＦＲＰパイプ２で組み合わされたスペースフレーム構造には、自動車を駆動するためのエンジンまたはモータ４が固定される。また、エンジンまたはモータ４からの出力軸５の先には、制動装置を内在したホイール６が取り付けられる。ホイール６は、サスペンションアーム７とバネとダッシュポット８によって、上下方向に適当なバネ定数と減衰定数をもって支持される。これらサスペンションアーム７とバネとダッシュポット８の一端は、スペースフレーム構造を構成しているＦＲＰパイプ２に固定される。車体下面には、パネル９がＦＲＰパイプ２に取り付けられ、地上からの風雨から自動車搭載物を保護している。パネル９は、乗車人員のいる居住空間とエンジンまたはモータ４や制御装置１０の置かれた空間とを仕切る目的にも使用され、走行中の騒音や熱から乗員を守る。
【００３０】
図３を用いて、本実施例による自動車のスペースフレーム構造について説明する。本スペースフレーム構造は、自動車進行方向を向いたパイプ１１と自動車進行方向に直角方向を向いたパイプ１２とから構成される。パイプ１２は、自動車の走行面に対して水平に設置されている。パイプ１１とパイプ１２は、長繊維強化の樹脂で製作される。
【００３１】
自動車進行方向を向いたパイプ１１は、図１６に示すように、パイプ長手方向を向いた繊維１３（０度方向繊維１３）とパイプ周方向を向いた繊維１４（９０度方向繊維１４）とで構成される。０度方向繊維１３の繊維量は、９０度方向繊維１４の繊維量よりも多くなっている。ＦＲＰは繊維が張っている方向の剛性や強度が高いため、パイプ長手方向（すなわち、自動車進行方向）を向いた繊維量を多くすることで車重によるたわみ量を小さくでき、必要最低限の板厚のＦＲＰによって車重が作用する方向の剛性や強度を高くできる。そのため、車重を軽くすることができる。
【００３２】
自動車進行方向に直角方向を向いたパイプ１２は、図１７に示すように、パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維１７で構成される。この所定の角度は、剛性や強度を考慮すると±４５度が望ましいので、本実施例及び以下の実施例において±４５度とする。したがって、パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維を、パイプ長手方向に対して±４５度を向いた繊維１７（±４５度方向繊維１７）と称する。このように、自動車進行方向に直角方向を向いたパイプ１２を±４５度方向繊維１７で構成することで、主にねじり荷重が作用するパイプ１２のねじり剛性と強度とが必要最小限の板厚で大きくなり、パイプを軽くすることができる。
【００３３】
進行方向を向いたパイプ１１において、車体下面に配されるパイプの太さと、車体上面に配されるパイプの太さを比べた場合、車体上面に配されるパイプの方を太くするのが望ましい。車重の作用により、車体下面のパイプには曲げ変形によって引張り力が作用し、車体上面のパイプには圧縮力が作用するが、車体上面のパイプを太くすることで、圧縮による座屈を防止できる。
【００３４】
このように、本実施例によれば、軽量で剛性や強度の高いスペースフレーム構造を有する自動車を提供できる。
【実施例２】
【００３５】
本発明の実施例２を、図４、図５を用いて説明する。図４は、導線と端子を有する、軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの斜視図であり、図５は、導線と端子を有する、軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの長手方向の断面図である。
【００３６】
ＦＲＰパイプ２は、繊維強化の樹脂で製作される。この強化繊維は、図４に示すように、０度方向繊維１３とこれに直角な９０度方向繊維１４との積層構成となっている。
【００３７】
本実施例では、ＦＲＰパイプ２の内部には導線１５が通されており、外表面には金属製の端子１６が設けられている。端子１６は、図５に示すように、ＦＲＰパイプ２の外表面に露出しており、ＦＲＰパイプ２に設けられた穴４０から通された導線１５と電気的に接続される。
【００３８】
従来の金属製ボディの場合には、一般にボディアースと呼ばれる、バッテリーのグランド端子（マイナス端子）をボディ側に接続することがよく行われる。ＦＲＰは電気抵抗が金属よりも大きいため、ＦＲＰスペースフレーム構造でボディアースをとるためには、積極的にパイプ内に導線を通しておく必要がある。本実施例によるＦＲＰパイプ２を用いてスペースフレーム構造を有する自動車を製作し、バッテリーのマイナス端子を導線１５と接続すれば、ＦＲＰパイプが存在するところではどこでも、端子１６を介してバッテリーのマイナス端子と接続できるため、配線作業が容易になる。
【実施例３】
【００３９】
本発明による実施例３を、図６を用いて説明する。図６は、導線と端子を有する、長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維でできたＦＲＰパイプの斜視図である。本実施例でも、ＦＲＰパイプ２を構成しているＦＲＰの強化繊維１７は、パイプ長手方向に対して±４５度の方向を向いている。
【００４０】
本実施例によれば、ＦＲＰパイプ２は、主にねじり荷重が負荷される場合、強化繊維１７が張る方向に変形するため、少ない繊維量で必要な剛性と強度を保つことができる。本ＦＲＰパイプ２は、主に自動車の進行方向に対して直角方向を向き、かつ自動車の走行面に対して水平なスペースフレーム構造のパイプ（図３に示した、自動車進行方向に直角方向を向いたパイプ１２）に使用することでその効果を最大限に発揮できる。
【実施例４】
【００４１】
本発明の実施例４を、図７を用いて説明する。図７は、軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維と長手方向に対して所定の角度（±４５度）の方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの斜視図である。本実施例では、１つのＦＲＰパイプ２は、異なる４方向を向いている強化繊維から構成されている。すなわち、強化繊維の方向がパイプ長手方向を向いているもの（０度方向繊維１３）と、パイプ周方向を向いているもの（９０度方向繊維１４）と、±４５度方向を向いているもの（±４５度方向繊維１７）とが混在して、同一のパイプを構成している。
【００４２】
ＦＲＰパイプ２に作用する荷重方向が明確な場合、すなわち負荷が曲げ荷重かねじり荷重か明確な場合は、その負荷形態に応じて強化繊維を配向できる。荷重方向が不明な場合には、図７に示したように、曲げ応力が最も高いＦＲＰパイプ２の外表面部に０度方向繊維１３と９０度方向繊維１４とを配し、せん断応力が最も高くなるＦＲＰパイプ２の板厚方向の中心部に±４５度方向繊維１７を配しておくことで、いずれの荷重に対しても有効に強化繊維を作用させることができる。この場合、ＦＲＰパイプ２の内表面部には、０度方向繊維１３と９０度方向繊維１４とを配しておく。
【実施例５】
【００４３】
本発明の実施例５を、図８を用いて説明する。図８は、短繊維でできたＦＲＰパイプの斜視図である。本実施例では、ＦＲＰパイプ２を構成するＦＲＰの繊維は、短繊維１８である。短繊維を用いた樹脂は長繊維のものより成型が簡単であり、コストも安いという長所がある。また繊維の種類も豊富であるため、目的に応じて繊維の種類を選べる。例えば、アラミド有機繊維は変形の吸収エネルギが高いため、防弾チョッキなどに使用されるが、この繊維を配したＦＲＰパイプ２を車体側面に設けることで、衝突時の安全性が高くなる。このように、ＦＲＰパイプ２の強度や剛性にそれほど高いものを求めない場合、短繊維によってその機能を有効に発揮できる。
【実施例６】
【００４４】
本発明の実施例６を、図９を用いて説明する。図９は、ＦＲＰパイプの表面に導体の箔または網が巻きつけられた、自動車のスペースフレーム構造の斜視図である。本実施例において、スペースフレーム構造の最外周部（車体の外表面に近い部分）に配されるＦＲＰパイプの表面には、導体でできた箔または網１９が巻きつけられている。箔または網１９は、ＦＲＰパイプ同士を結合する金属締結体３と電気的に接続するように巻きつけられる。
【００４５】
本実施例によれば、落雷時に車体の外表面に流れる電流を、ＦＲＰパイプの表面に巻きつけられた箔または網１９に流すことで、ＦＲＰ自体の加熱を防ぎ損傷を最低限にすることができる。また、ＦＲＰパイプのうち、車体の外表面に最も近いパイプにのみ箔または網１９を巻きつけることで重量の増加を最低限にすることができ、ＦＲＰの落雷時の損傷を防ぐことができる。
【実施例７】
【００４６】
本発明の実施例７を、図１０を用いて説明する。図１０は、車体下部のＦＲＰパイプ間に収納箱を配した、自動車のスペースフレーム構造の斜視図である。本実施例では、車体下部のＦＲＰパイプ２間にＦＲＰ製の収納箱２０が形成されている。収納箱２０は金属製でも良いが、軽量な車体を提供する目的を達成するためにはＦＲＰが望ましい。この収納箱２０の中には、電気自動車であればバッテリー２１が、エンジン車であれば燃料タンクが入る。図１０には、バッテリー２１を入れた場合を示している。本実施例によれば、通常は積載時にスペースを非常にとってしまうバッテリー２１や燃料タンクが、スペースフレームのＦＲＰパイプ２間のデッドスペースに有効に配置できるため、自動車をコンパクトにすることができる。
【実施例８】
【００４７】
本発明の実施例８を、図１１〜図１５を用いて説明する。本実施例は、ＦＲＰパイプにおける金属締結体との連結部に関するものである。図１１はＦＲＰパイプの端部の断面図、図１２は内側締め上げ材の斜視図、図１３は外側締め上げ材の斜視図、図１４はＦＲＰパイプとＦＲＰパイプの端部に接続する金属締結体との斜視図、図１５はＦＲＰパイプとＦＲＰパイプの途中に挟み込む金属締結体との斜視図である。
【００４８】
図１１に示すように、ＦＲＰパイプ２には、端部の周縁部を覆うように導通プレート２２がはめ込まれる。導通プレート２２によって、ＦＲＰパイプ２の端部は、内周側と外周側とが覆われる。導通プレート２２のＦＲＰパイプ２の内周側には、導線１５の端部が電気的に接続されている。
【００４９】
ＦＲＰパイプ２には、導通プレート２２がはめ込まれた端部から、内側締め上げ材２３が内周側に挿入される。導通プレート２２の外周側には、外側締め上げ材２６がはめ込まれ、内側締め上げ材２３とねじ締結される。なお、内側締め上げ材２３と外側締め上げ材２６は、導電性の材料、例えばアルミ合金や鋼などの金属で作成される。
【００５０】
内側締め上げ材２３は、図１２に示すように、導通プレート２２と接する部分にスリット２４が加工され、ＦＲＰパイプ２の半径方向外側に変形しやすくなっている。さらに、このスリット２４加工部には、周方向の溝２５が形成される。
【００５１】
外側締め上げ材２６は、図１３に示すように、導通プレート２２と接する部分にスリット３２が加工され、ＦＲＰパイプ２の半径方向内側に変形しやすくなっている。さらに、このスリット３２加工部には、周方向の溝３３が形成される。
【００５２】
図１１に戻って説明を続ける。内側締め上げ材２３の中心部には、内側インサート材２７が締め上げボルト２８と締め上げナット２９によって固定される。この際、ボルト２８を締め上げていくことで、スリット２４が半径方向外側に開き、導通プレート２２に内側から圧力をかける。
【００５３】
一方、外側締め上げ材２６には、図１１に示すように断面がくさび形の溝３１が設けられ、外側インサート材３０が溝３１にはめ込まれる形で接している。外側締め上げ材２６を周方向に回していくことで、外側インサート材３０が溝３１に圧力を与え、スリット３２が加工された部分が半径方向内側に変形する。こうして導通プレート２２の外側から面圧がかかる。
【００５４】
内側締め上げ材２３の溝２５と外側締め上げ材２６の溝３３は、導通プレート２２との摩擦係数を高め、嵌合力を大きくする効果を生む。
【００５５】
本実施例によれば、内側締め上げ材２３と外側締め上げ材２６とにより、ＦＲＰパイプ２に対して、その内周側からも外周側からも独立して面圧を与えることができる。このため、使用環境によって外気温が変化し、線膨張率の違いによるＦＲＰパイプ２と金属締結体の変形があっても、安定した締結力が維持できる。例えば、組み立て時から温度が低下した場合には、ＦＲＰパイプ２はあまり変形しないが、内側締め上げ材２３も外側締め上げ材２６も半径方向内側に変形する。このとき、内側締め上げ材２３による面圧をあらかじめ十分にかけておくことで、冷却時にも内側からの締め上げ力がなくならない。温度が上昇した場合にも、外側締め上げ材２６による面圧を十分にかけておくことで、外側からの締め上げ力がなくならない。
【００５６】
そして、導通プレート２２を介して内側締め上げ材２３と外側締め上げ材２６とが電気的に接触しているため、ＦＲＰパイプ２内の導線１５とは組み上げるだけで導通する効果を生む。
【００５７】
また、図１１に示すように、ＦＲＰパイプ２の締め上げボルト２８の端部に球加工３４を施しておくことで、ＦＲＰパイプ２と金属締結体との連結の自由度を高くすることができる。
【００５８】
図１４に示すように、金属締結体は、締結ブロック３５と締結プレート３６とボルト３７とから構成されている。締結ブロック３５は、締め上げボルト２８の球加工３４の半径より小さい穴を有し、この穴に球加工３４を締結させることでＦＲＰパイプ２と接続する。また、締結プレート３６とボルト３７によって、締結ブロック３５と球加工３４とは、任意の形状や角度で締結することができる。
【００５９】
締結ブロック３５を導電性の材質にしておくことで、１つの金属締結体に接続するすべてのＦＲＰパイプ２内の導線１５が導通することになる。したがって、本締結構造を用いて製作したスペースフレーム構造は、ボディアースが容易に形成できる効果を生む。締結ブロック３５は直方体である必要はなく、任意の傾きをもった面を形成しておくことでＦＲＰパイプ２との接続角度を調整できる。
【００６０】
以上のように、締結部品すべてを金属で製作しておくことで、その強度設計も容易になると同時に、締結部品の共通化が図れ、複数種類の締結部品をあらかじめ製作する手間も省ける。
【００６１】
図１５には、一本のＦＲＰパイプ２の途中部分に金属締結体を挟み込んで、他のＦＲＰパイプ２を接続する例を示す。この例では、金属締結体は締結部材３８からなり、締結部材３８がＦＲＰパイプ２の途中部分を挟み込んでいる。
【００６２】
本実施例によれば、ＦＲＰパイプ２の強化繊維を無用に切断することなく、高剛性、高強度を維持したままＦＲＰパイプ２同士の結合が可能になる。
【００６３】
なお、本明細書に記載されたＦＲＰパイプを構成するＦＲＰの強化繊維は、長繊維、短繊維ともに、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維、炭化珪素繊維、またはアルミナセラミクス繊維で製作されており、ＦＲＰの樹脂が熱硬化樹脂、または熱可塑性樹脂で製作されているものとする。
【符号の説明】
【００６４】
２…ＦＲＰパイプ、３…金属締結体、１１…自動車進行方向を向いたパイプ、１２…自動車進行方向に直角方向を向いたパイプ、１３…０度方向繊維、１４…９０度方向繊維、１５…導線、１６…端子、１７…±４５度方向繊維、１８…短繊維、１９…導体でできた箔または網、２０…ＦＲＰ製収納箱、２１…バッテリー、２２…導通プレート、２３…内側締め上げ材、２４…スリット、２５…周方向の溝、２６…外側締め上げ材、２７…内側インサート材、２８…締め上げボルト、２９…締め上げナット、３０…外側インサート材、３１…溝、３２…スリット、３３…周方向の溝、３４…球加工、３５…締結ブロック、３６…締結プレート、３７…ボルト、４０…穴。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペースフレーム構造を有する自動車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化プラスチック（以下「ＦＲＰ」という）は、比重に対する強度と剛性が大きいので、軽量化かつ高剛性化のために、航空機やレーシングカーなどの高速移動体や、風力発電用風車などの回転体に使用されることが多い。自動車へのＦＲＰの適用は、非特許文献１に記載されているような一部の高級スポーツカーの車体に炭素繊維強化のエポキシ樹脂積層体が使用されているのみで、大衆車にはほとんど使用されていない。これは、ＦＲＰの成型に大型の金型が必要であること、樹脂の加熱成型に時間がかかること、及びＦＲＰと金属部品の締結方法が確立していないことが主な理由と考えられる。
【０００３】
特にＦＲＰと金属の締結法に関しては、エンジンの回転を車輪に伝えるためのドライブシャフトに炭素繊維強化エポキシ樹脂が使用された例があり、特開平５−１６４１１５号公報にパイプ継ぎ手構造が記載されている。これは、ＦＲＰパイプを強度上の信頼性を損ねることなく金属締結体と嵌合させる構造についてのアイデアであり、ＦＲＰパイプの端部の半径を中間部の半径よりも大きくとり、金属締結体から抜けにくくしたものである。このほかのＦＲＰと金属の締結に関して、特開昭５０−１２８０５２号公報には、ＦＲＰパイプ端部に切り込みを入れて溝を作り、この溝に金具をはさむことで締結を完了するアイデアが記載されている。実開昭５１−１３８１００号公報や実開昭５５−０５７５０６号公報や実開昭６０−１６１７９３号公報には、ＦＲＰパイプの端部外周側にスリーブを嵌め込み、楔の効果で金属締結体から抜けにくくしたアイデアが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１６４１１５号公報
【特許文献２】特開昭５０−１２８０５２号公報
【特許文献３】実開昭５１−１３８１００号公報
【特許文献４】実開昭５５−０５７５０６号公報
【特許文献５】実開昭６０−１６１７９３号公報
【非特許文献１】Ｍｅｒｃｅｄｅｓ Ｂｅｎｚ社ホームページ（http://www.mercedes-benz.co.jp/slr/index2.html）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の従来技術には次のような課題がある。ＦＲＰは繊維で強化された樹脂であるため、繊維をなるべく屈曲させないで使うことが望ましい。繊維が曲がっていると、ＦＲＰ部材に荷重がかかった際に繊維が容易に樹脂の中で座屈してしまい、必要な剛性と強度が出ない。したがって、ＦＲＰの使用に際しては、極力繊維を曲げないことが重要である。
【０００６】
非特許文献１に記載の例では、ＦＲＰボディを構成するために滑らかな車体曲面に合わせてＦＲＰの強化繊維を曲げながら積層しているので、鋼製ボディと同等の剛性や強度を確保するためには、繊維層を厚くする必要が生じる。この結果として、軽量化の効果が薄くなる。
【０００７】
また、ＦＲＰパイプと金属の締結構造に関する従来技術で、ＦＲＰパイプの端部を太くするアイデアでは、設計する対象ごとにＦＲＰパイプを成型する必要があり、専用金型を複数種類準備しなくてはならず、低コストには製造できない。
【０００８】
また、ＦＲＰの端部に切り込みを加工してしまっては、強度上一番重要な締結部の強化繊維を切断してしまうことになり、強度低下が著しくなってしまう。
【０００９】
また、ＦＲＰパイプの外周にスリーブを嵌め、その外周におかれた金属ねじで外周側から面圧を付与するアイデアでは、面圧がパイプ外周側からしか与えられていない。このため、熱膨張時には、外周の金属ねじやスリーブは半径方向外側に大きく膨張するのに対し、ＦＲＰは線膨張率が金属に比べて小さいため、ＦＲＰパイプ側は半径方向外向きにそれほど膨張しない。この結果として、パイプ外側から締め上げている金属ねじやスリーブとＦＲＰパイプとの間の面圧が低下してしまう。
【００１０】
本発明の目的は、安価に、軽量かつ高剛性、高強度なＦＲＰパイプを用いた自動車用ボディを提供することにあり、温度変化による熱膨張時にも強度低下を引き起こさないＦＲＰパイプと金属との締結構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の特徴を有するスペースフレーム構造を有する自動車を提供する。
【００１２】
スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。前記パイプを形成する繊維は、パイプ長手方向を向いた繊維とパイプ周方向を向いた繊維との組み合わせから成る。前記自動車の進行方向を向いた前記パイプは、前記パイプ長手方向を向いた繊維の量が、前記パイプ周方向を向いた繊維の量よりも多い。複数の前記パイプは、金属製の締結部材を介して締結される。
【００１３】
また、スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。前記パイプの内部には、導線が通されている。前記パイプの外表面には、金属製の端子が設けられている。前記パイプには穴が設けられ、この穴を通して前記導線と前記端子とが電気的に接続されている。
【００１４】
また、スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。前記パイプのうち、前記自動車の進行方向に対して直角方向を向き、かつ前記自動車の走行面に対して水平に設置されたパイプは、パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維で形成される。
【００１５】
また、スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。前記パイプを形成する繊維は、パイプ長手方向を向いた繊維と、パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維と、パイプ周方向を向いた繊維との組み合わせから成る。前記パイプ長手方向を向いた繊維と前記パイプ周方向を向いた繊維は、前記パイプの外表面部及び内表面部に存在する。前記パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維は、前記パイプの板厚方向の中心部に存在する。
【００１６】
好ましくは、前記所定の角度は４５度である。
【００１７】
また、スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。前記パイプを形成する繊維は、短繊維でできている。
【００１８】
また、スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。複数の前記パイプは、金属製の締結部材を介して締結される。前記パイプの表面には、導体が巻きつけられている。前記締結部材とこの締結部材に締結された前記パイプとは、前記導体により電気的に接続している。
【００１９】
また、スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。複数の前記パイプの間の一部には、箱構造が形成されている。
【００２０】
また、スペースフレーム構造を有する自動車において、前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成される。前記パイプの端部の周縁部には、導通体がはめ込まれている。前記導通体は、前記パイプの端部の内周側と外周側とを覆う。前記導通体の前記パイプの内周側には、前記パイプの半径方向外側に変形可能な導電性の内側締め上げ材が挿設される。前記導通体の前記パイプの外周側には、前記パイプの半径方向内側に変形可能な導電性の外側締め上げ材が周設される。前記内側締め上げ材と前記外側締め上げ材とは、ねじ締結され、前記導通体に前記パイプの内周側と外周側とから面圧を付与する。
【００２１】
好ましくは、前記パイプを形成する繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維、炭化珪素繊維、またはアルミナセラミクス繊維であり、前記パイプを形成する樹脂は、熱硬化樹脂、または熱可塑性樹脂である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によるスペースフレーム構造を有する自動車は、ＦＲＰパイプの強化繊維が屈曲していないため、繊維方向の剛性や強度が有効に保たれ、必要最小限の板厚のＦＲＰパイプで構成できて軽量となる。そして、自動車の進行方向のパイプは、主に車重でたわみ変形を起こすが、進行方向の強化繊維を多く配合することでたわみ量が小さくなる効果が生まれる。さらに、強度設計が困難な締結部も金属製とすることで、充分に安全な締結部材が提供できる。繊維方向を適宜変えることで、自動車各部に有効な剛性が発生でき、軽量化できる。
【００２３】
また、パイプ内部に導線を配し、金属締結体を介して互いに連結することで、スペースフレーム構造がすべて導通状態となり、電装品の搭載時にボディアースが簡便にとれる効果が生まれる。パイプ表面に導通体が施されることで、落雷時に電流がフレーム構造全体に流れやすくなり、局所的な発熱によるダメージを防ぐことができる。
【００２４】
ＦＲＰパイプの締結構造として、パイプ外周側と内周側から面圧を付与することができ、熱変形時にも常にパイプに締め上げ力が維持されることとなるため、強度上の信頼性が極めて高くなる。なお、強化繊維や樹脂の種類を自動車各部で変えることで、前面、後面、側面に衝撃吸収能力の高いＦＲＰパイプを配することが可能となり、安全性が増す。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】自動車の透視図である。
【図２】自動車の前部左側の一部断面図である。
【図３】自動車のスペースフレームの斜視図である。
【図４】導線と端子を有する、軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの斜視図である。
【図５】導線と端子を有する、軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの長手方向の断面図である。
【図６】導線と端子を有する、長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維でできたＦＲＰパイプの斜視図である。
【図７】軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維と長手方向に対して±４５度の方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの斜視図である。
【図８】短繊維でできたＦＲＰパイプの斜視図である。
【図９】ＦＲＰパイプの表面に導体の箔または網が巻きつけられた、自動車のスペースフレーム構造の斜視図である。
【図１０】車体下部のＦＲＰパイプ間に収納箱を配した、自動車のスペースフレーム構造の斜視図である。
【図１１】ＦＲＰパイプの端部の断面図である。
【図１２】内側締め上げ材の斜視図である。
【図１３】外側締め上げ材の斜視図である。
【図１４】ＦＲＰパイプとＦＲＰパイプの端部に接続する金属締結体との斜視図である。
【図１５】ＦＲＰパイプとＦＲＰパイプの途中に挟み込む金属締結体との斜視図である。
【図１６】軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの斜視図である。
【図１７】長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維でできたＦＲＰパイプの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明によるスペースフレーム構造を有する自動車の実施例を、図を用いて説明する。
【実施例１】
【００２７】
本発明の実施例１を、図１〜図３と図１６、図１７を用いて説明する。図１は自動車の透視図、図２は自動車の前部左側の一部断面図、図３は自動車のスペースフレームの斜視図、図１６はパイプの軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの斜視図、図１７はパイプの長手方向に対して所定の角度（±４５度）の方向を向いた繊維でできたＦＲＰパイプの斜視図である。
【００２８】
図１に示すように、ボディ１は自動車の表面を覆うカバーであり、風雨から内部の機器や搭乗人員を保護し、適度な保温をするための断熱材や防音材がその内側に貼られている部材である。また、高速走行時の空力的安定を保つための滑らかな曲面から形成されている。ボディ１の内部には、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）で製作された筒状のパイプ２が組み合わされている。ＦＲＰパイプ２は直線状をしており、ＦＲＰパイプ２同士の結合部には金属製の締結体３を介している。
【００２９】
図２に示すように、ＦＲＰパイプ２で組み合わされたスペースフレーム構造には、自動車を駆動するためのエンジンまたはモータ４が固定される。また、エンジンまたはモータ４からの出力軸５の先には、制動装置を内在したホイール６が取り付けられる。ホイール６は、サスペンションアーム７とバネとダッシュポット８によって、上下方向に適当なバネ定数と減衰定数をもって支持される。これらサスペンションアーム７とバネとダッシュポット８の一端は、スペースフレーム構造を構成しているＦＲＰパイプ２に固定される。車体下面には、パネル９がＦＲＰパイプ２に取り付けられ、地上からの風雨から自動車搭載物を保護している。パネル９は、乗車人員のいる居住空間とエンジンまたはモータ４や制御装置１０の置かれた空間とを仕切る目的にも使用され、走行中の騒音や熱から乗員を守る。
【００３０】
図３を用いて、本実施例による自動車のスペースフレーム構造について説明する。本スペースフレーム構造は、自動車進行方向を向いたパイプ１１と自動車進行方向に直角方向を向いたパイプ１２とから構成される。パイプ１２は、自動車の走行面に対して水平に設置されている。パイプ１１とパイプ１２は、長繊維強化の樹脂で製作される。
【００３１】
自動車進行方向を向いたパイプ１１は、図１６に示すように、パイプ長手方向を向いた繊維１３（０度方向繊維１３）とパイプ周方向を向いた繊維１４（９０度方向繊維１４）とで構成される。０度方向繊維１３の繊維量は、９０度方向繊維１４の繊維量よりも多くなっている。ＦＲＰは繊維が張っている方向の剛性や強度が高いため、パイプ長手方向（すなわち、自動車進行方向）を向いた繊維量を多くすることで車重によるたわみ量を小さくでき、必要最低限の板厚のＦＲＰによって車重が作用する方向の剛性や強度を高くできる。そのため、車重を軽くすることができる。
【００３２】
自動車進行方向に直角方向を向いたパイプ１２は、図１７に示すように、パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維１７で構成される。この所定の角度は、剛性や強度を考慮すると±４５度が望ましいので、本実施例及び以下の実施例において±４５度とする。したがって、パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維を、パイプ長手方向に対して±４５度を向いた繊維１７（±４５度方向繊維１７）と称する。このように、自動車進行方向に直角方向を向いたパイプ１２を±４５度方向繊維１７で構成することで、主にねじり荷重が作用するパイプ１２のねじり剛性と強度とが必要最小限の板厚で大きくなり、パイプを軽くすることができる。
【００３３】
進行方向を向いたパイプ１１において、車体下面に配されるパイプの太さと、車体上面に配されるパイプの太さを比べた場合、車体上面に配されるパイプの方を太くするのが望ましい。車重の作用により、車体下面のパイプには曲げ変形によって引張り力が作用し、車体上面のパイプには圧縮力が作用するが、車体上面のパイプを太くすることで、圧縮による座屈を防止できる。
【００３４】
このように、本実施例によれば、軽量で剛性や強度の高いスペースフレーム構造を有する自動車を提供できる。
【実施例２】
【００３５】
本発明の実施例２を、図４、図５を用いて説明する。図４は、導線と端子を有する、軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの斜視図であり、図５は、導線と端子を有する、軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの長手方向の断面図である。
【００３６】
ＦＲＰパイプ２は、繊維強化の樹脂で製作される。この強化繊維は、図４に示すように、０度方向繊維１３とこれに直角な９０度方向繊維１４との積層構成となっている。
【００３７】
本実施例では、ＦＲＰパイプ２の内部には導線１５が通されており、外表面には金属製の端子１６が設けられている。端子１６は、図５に示すように、ＦＲＰパイプ２の外表面に露出しており、ＦＲＰパイプ２に設けられた穴４０から通された導線１５と電気的に接続される。
【００３８】
従来の金属製ボディの場合には、一般にボディアースと呼ばれる、バッテリーのグランド端子（マイナス端子）をボディ側に接続することがよく行われる。ＦＲＰは電気抵抗が金属よりも大きいため、ＦＲＰスペースフレーム構造でボディアースをとるためには、積極的にパイプ内に導線を通しておく必要がある。本実施例によるＦＲＰパイプ２を用いてスペースフレーム構造を有する自動車を製作し、バッテリーのマイナス端子を導線１５と接続すれば、ＦＲＰパイプが存在するところではどこでも、端子１６を介してバッテリーのマイナス端子と接続できるため、配線作業が容易になる。
【実施例３】
【００３９】
本発明による実施例３を、図６を用いて説明する。図６は、導線と端子を有する、長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維でできたＦＲＰパイプの斜視図である。本実施例でも、ＦＲＰパイプ２を構成しているＦＲＰの強化繊維１７は、パイプ長手方向に対して±４５度の方向を向いている。
【００４０】
本実施例によれば、ＦＲＰパイプ２は、主にねじり荷重が負荷される場合、強化繊維１７が張る方向に変形するため、少ない繊維量で必要な剛性と強度を保つことができる。本ＦＲＰパイプ２は、主に自動車の進行方向に対して直角方向を向き、かつ自動車の走行面に対して水平なスペースフレーム構造のパイプ（図３に示した、自動車進行方向に直角方向を向いたパイプ１２）に使用することでその効果を最大限に発揮できる。
【実施例４】
【００４１】
本発明の実施例４を、図７を用いて説明する。図７は、軸方向を向いた繊維と周方向を向いた繊維と長手方向に対して所定の角度（±４５度）の方向を向いた繊維とでできたＦＲＰパイプの斜視図である。本実施例では、１つのＦＲＰパイプ２は、異なる４方向を向いている強化繊維から構成されている。すなわち、強化繊維の方向がパイプ長手方向を向いているもの（０度方向繊維１３）と、パイプ周方向を向いているもの（９０度方向繊維１４）と、±４５度方向を向いているもの（±４５度方向繊維１７）とが混在して、同一のパイプを構成している。
【００４２】
ＦＲＰパイプ２に作用する荷重方向が明確な場合、すなわち負荷が曲げ荷重かねじり荷重か明確な場合は、その負荷形態に応じて強化繊維を配向できる。荷重方向が不明な場合には、図７に示したように、曲げ応力が最も高いＦＲＰパイプ２の外表面部に０度方向繊維１３と９０度方向繊維１４とを配し、せん断応力が最も高くなるＦＲＰパイプ２の板厚方向の中心部に±４５度方向繊維１７を配しておくことで、いずれの荷重に対しても有効に強化繊維を作用させることができる。この場合、ＦＲＰパイプ２の内表面部には、０度方向繊維１３と９０度方向繊維１４とを配しておく。
【実施例５】
【００４３】
本発明の実施例５を、図８を用いて説明する。図８は、短繊維でできたＦＲＰパイプの斜視図である。本実施例では、ＦＲＰパイプ２を構成するＦＲＰの繊維は、短繊維１８である。短繊維を用いた樹脂は長繊維のものより成型が簡単であり、コストも安いという長所がある。また繊維の種類も豊富であるため、目的に応じて繊維の種類を選べる。例えば、アラミド有機繊維は変形の吸収エネルギが高いため、防弾チョッキなどに使用されるが、この繊維を配したＦＲＰパイプ２を車体側面に設けることで、衝突時の安全性が高くなる。このように、ＦＲＰパイプ２の強度や剛性にそれほど高いものを求めない場合、短繊維によってその機能を有効に発揮できる。
【実施例６】
【００４４】
本発明の実施例６を、図９を用いて説明する。図９は、ＦＲＰパイプの表面に導体の箔または網が巻きつけられた、自動車のスペースフレーム構造の斜視図である。本実施例において、スペースフレーム構造の最外周部（車体の外表面に近い部分）に配されるＦＲＰパイプの表面には、導体でできた箔または網１９が巻きつけられている。箔または網１９は、ＦＲＰパイプ同士を結合する金属締結体３と電気的に接続するように巻きつけられる。
【００４５】
本実施例によれば、落雷時に車体の外表面に流れる電流を、ＦＲＰパイプの表面に巻きつけられた箔または網１９に流すことで、ＦＲＰ自体の加熱を防ぎ損傷を最低限にすることができる。また、ＦＲＰパイプのうち、車体の外表面に最も近いパイプにのみ箔または網１９を巻きつけることで重量の増加を最低限にすることができ、ＦＲＰの落雷時の損傷を防ぐことができる。
【実施例７】
【００４６】
本発明の実施例７を、図１０を用いて説明する。図１０は、車体下部のＦＲＰパイプ間に収納箱を配した、自動車のスペースフレーム構造の斜視図である。本実施例では、車体下部のＦＲＰパイプ２間にＦＲＰ製の収納箱２０が形成されている。収納箱２０は金属製でも良いが、軽量な車体を提供する目的を達成するためにはＦＲＰが望ましい。この収納箱２０の中には、電気自動車であればバッテリー２１が、エンジン車であれば燃料タンクが入る。図１０には、バッテリー２１を入れた場合を示している。本実施例によれば、通常は積載時にスペースを非常にとってしまうバッテリー２１や燃料タンクが、スペースフレームのＦＲＰパイプ２間のデッドスペースに有効に配置できるため、自動車をコンパクトにすることができる。
【実施例８】
【００４７】
本発明の実施例８を、図１１〜図１５を用いて説明する。本実施例は、ＦＲＰパイプにおける金属締結体との連結部に関するものである。図１１はＦＲＰパイプの端部の断面図、図１２は内側締め上げ材の斜視図、図１３は外側締め上げ材の斜視図、図１４はＦＲＰパイプとＦＲＰパイプの端部に接続する金属締結体との斜視図、図１５はＦＲＰパイプとＦＲＰパイプの途中に挟み込む金属締結体との斜視図である。
【００４８】
図１１に示すように、ＦＲＰパイプ２には、端部の周縁部を覆うように導通プレート２２がはめ込まれる。導通プレート２２によって、ＦＲＰパイプ２の端部は、内周側と外周側とが覆われる。導通プレート２２のＦＲＰパイプ２の内周側には、導線１５の端部が電気的に接続されている。
【００４９】
ＦＲＰパイプ２には、導通プレート２２がはめ込まれた端部から、内側締め上げ材２３が内周側に挿入される。導通プレート２２の外周側には、外側締め上げ材２６がはめ込まれ、内側締め上げ材２３とねじ締結される。なお、内側締め上げ材２３と外側締め上げ材２６は、導電性の材料、例えばアルミ合金や鋼などの金属で作成される。
【００５０】
内側締め上げ材２３は、図１２に示すように、導通プレート２２と接する部分にスリット２４が加工され、ＦＲＰパイプ２の半径方向外側に変形しやすくなっている。さらに、このスリット２４加工部には、周方向の溝２５が形成される。
【００５１】
外側締め上げ材２６は、図１３に示すように、導通プレート２２と接する部分にスリット３２が加工され、ＦＲＰパイプ２の半径方向内側に変形しやすくなっている。さらに、このスリット３２加工部には、周方向の溝３３が形成される。
【００５２】
図１１に戻って説明を続ける。内側締め上げ材２３の中心部には、内側インサート材２７が締め上げボルト２８と締め上げナット２９によって固定される。この際、ボルト２８を締め上げていくことで、スリット２４が半径方向外側に開き、導通プレート２２に内側から圧力をかける。
【００５３】
一方、外側締め上げ材２６には、図１１に示すように断面がくさび形の溝３１が設けられ、外側インサート材３０が溝３１にはめ込まれる形で接している。外側締め上げ材２６を周方向に回していくことで、外側インサート材３０が溝３１に圧力を与え、スリット３２が加工された部分が半径方向内側に変形する。こうして導通プレート２２の外側から面圧がかかる。
【００５４】
内側締め上げ材２３の溝２５と外側締め上げ材２６の溝３３は、導通プレート２２との摩擦係数を高め、嵌合力を大きくする効果を生む。
【００５５】
本実施例によれば、内側締め上げ材２３と外側締め上げ材２６とにより、ＦＲＰパイプ２に対して、その内周側からも外周側からも独立して面圧を与えることができる。このため、使用環境によって外気温が変化し、線膨張率の違いによるＦＲＰパイプ２と金属締結体の変形があっても、安定した締結力が維持できる。例えば、組み立て時から温度が低下した場合には、ＦＲＰパイプ２はあまり変形しないが、内側締め上げ材２３も外側締め上げ材２６も半径方向内側に変形する。このとき、内側締め上げ材２３による面圧をあらかじめ十分にかけておくことで、冷却時にも内側からの締め上げ力がなくならない。温度が上昇した場合にも、外側締め上げ材２６による面圧を十分にかけておくことで、外側からの締め上げ力がなくならない。
【００５６】
そして、導通プレート２２を介して内側締め上げ材２３と外側締め上げ材２６とが電気的に接触しているため、ＦＲＰパイプ２内の導線１５とは組み上げるだけで導通する効果を生む。
【００５７】
また、図１１に示すように、ＦＲＰパイプ２の締め上げボルト２８の端部に球加工３４を施しておくことで、ＦＲＰパイプ２と金属締結体との連結の自由度を高くすることができる。
【００５８】
図１４に示すように、金属締結体は、締結ブロック３５と締結プレート３６とボルト３７とから構成されている。締結ブロック３５は、締め上げボルト２８の球加工３４の半径より小さい穴を有し、この穴に球加工３４を締結させることでＦＲＰパイプ２と接続する。また、締結プレート３６とボルト３７によって、締結ブロック３５と球加工３４とは、任意の形状や角度で締結することができる。
【００５９】
締結ブロック３５を導電性の材質にしておくことで、１つの金属締結体に接続するすべてのＦＲＰパイプ２内の導線１５が導通することになる。したがって、本締結構造を用いて製作したスペースフレーム構造は、ボディアースが容易に形成できる効果を生む。締結ブロック３５は直方体である必要はなく、任意の傾きをもった面を形成しておくことでＦＲＰパイプ２との接続角度を調整できる。
【００６０】
以上のように、締結部品すべてを金属で製作しておくことで、その強度設計も容易になると同時に、締結部品の共通化が図れ、複数種類の締結部品をあらかじめ製作する手間も省ける。
【００６１】
図１５には、一本のＦＲＰパイプ２の途中部分に金属締結体を挟み込んで、他のＦＲＰパイプ２を接続する例を示す。この例では、金属締結体は締結部材３８からなり、締結部材３８がＦＲＰパイプ２の途中部分を挟み込んでいる。
【００６２】
本実施例によれば、ＦＲＰパイプ２の強化繊維を無用に切断することなく、高剛性、高強度を維持したままＦＲＰパイプ２同士の結合が可能になる。
【００６３】
なお、本明細書に記載されたＦＲＰパイプを構成するＦＲＰの強化繊維は、長繊維、短繊維ともに、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維、炭化珪素繊維、またはアルミナセラミクス繊維で製作されており、ＦＲＰの樹脂が熱硬化樹脂、または熱可塑性樹脂で製作されているものとする。
【符号の説明】
【００６４】
２…ＦＲＰパイプ、３…金属締結体、１１…自動車進行方向を向いたパイプ、１２…自動車進行方向に直角方向を向いたパイプ、１３…０度方向繊維、１４…９０度方向繊維、１５…導線、１６…端子、１７…±４５度方向繊維、１８…短繊維、１９…導体でできた箔または網、２０…ＦＲＰ製収納箱、２１…バッテリー、２２…導通プレート、２３…内側締め上げ材、２４…スリット、２５…周方向の溝、２６…外側締め上げ材、２７…内側インサート材、２８…締め上げボルト、２９…締め上げナット、３０…外側インサート材、３１…溝、３２…スリット、３３…周方向の溝、３４…球加工、３５…締結ブロック、３６…締結プレート、３７…ボルト、４０…穴。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
前記パイプを形成する繊維は、パイプ長手方向を向いた繊維とパイプ周方向を向いた繊維との組み合わせから成り、
前記自動車の進行方向を向いた前記パイプは、前記パイプ長手方向を向いた繊維の量が、前記パイプ周方向を向いた繊維の量よりも多く、
複数の前記パイプは、金属製の締結部材を介して締結される、
ことを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項２】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
前記パイプの内部には導線が通されており、
前記パイプの外表面には金属製の端子が設けられ、
前記パイプには穴が設けられ、この穴を通して前記導線と前記端子とが電気的に接続されている、
ことを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項３】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
前記パイプのうち、前記自動車の進行方向に対して直角方向を向き、かつ前記自動車の走行面に対して水平に設置されたパイプは、パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維で形成される、
ことを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項４】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
前記パイプを形成する繊維は、パイプ長手方向を向いた繊維と、パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維と、パイプ周方向を向いた繊維との組み合わせから成り、
前記パイプ長手方向を向いた繊維と前記パイプ周方向を向いた繊維は、前記パイプの外表面部及び内表面部に存在し、
前記パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維は、前記パイプの板厚方向の中心部に存在する、
ことを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項５】
請求項３または４記載のスペースフレーム構造を有する自動車において、前記所定の角度は、４５度であるスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項６】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
前記パイプを形成する繊維は、短繊維でできていることを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項７】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
複数の前記パイプは、金属製の締結部材を介して締結され、
前記パイプの表面には、導体が巻きつけられ、
前記締結部材とこの締結部材に締結された前記パイプとは、前記導体により電気的に接続している、
ことを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項８】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
複数の前記パイプの間の一部には、箱構造が形成されている、
ことを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項９】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
前記パイプの端部の周縁部には導通体がはめ込まれ、前記導通体は、前記パイプの端部の内周側と外周側とを覆い、
前記導通体の前記パイプの内周側には、前記パイプの半径方向外側に変形可能な導電性の内側締め上げ材が挿設され、
前記導通体の前記パイプの外周側には、前記パイプの半径方向内側に変形可能な導電性の外側締め上げ材が周設され、
前記内側締め上げ材と前記外側締め上げ材とはねじ締結され、前記導通体に前記パイプの内周側と外周側とから面圧を付与する、
ことを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項記載のスペースフレーム構造を有する自動車において、
前記パイプを形成する繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維、炭化珪素繊維、またはアルミナセラミクス繊維であり、
前記パイプを形成する樹脂は、熱硬化樹脂、または熱可塑性樹脂であるスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項１】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
前記パイプを形成する繊維は、パイプ長手方向を向いた繊維とパイプ周方向を向いた繊維との組み合わせから成り、
前記自動車の進行方向を向いた前記パイプは、前記パイプ長手方向を向いた繊維の量が、前記パイプ周方向を向いた繊維の量よりも多く、
複数の前記パイプは、金属製の締結部材を介して締結される、
ことを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項２】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
前記パイプの内部には導線が通されており、
前記パイプの外表面には金属製の端子が設けられ、
前記パイプには穴が設けられ、この穴を通して前記導線と前記端子とが電気的に接続されている、
ことを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項３】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
前記パイプのうち、前記自動車の進行方向に対して直角方向を向き、かつ前記自動車の走行面に対して水平に設置されたパイプは、パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維で形成される、
ことを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項４】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
前記パイプを形成する繊維は、パイプ長手方向を向いた繊維と、パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維と、パイプ周方向を向いた繊維との組み合わせから成り、
前記パイプ長手方向を向いた繊維と前記パイプ周方向を向いた繊維は、前記パイプの外表面部及び内表面部に存在し、
前記パイプ長手方向に対して所定の角度の方向を向いた繊維は、前記パイプの板厚方向の中心部に存在する、
ことを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項５】
請求項３または４記載のスペースフレーム構造を有する自動車において、前記所定の角度は、４５度であるスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項６】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
前記パイプを形成する繊維は、短繊維でできていることを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項７】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
複数の前記パイプは、金属製の締結部材を介して締結され、
前記パイプの表面には、導体が巻きつけられ、
前記締結部材とこの締結部材に締結された前記パイプとは、前記導体により電気的に接続している、
ことを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項８】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
複数の前記パイプの間の一部には、箱構造が形成されている、
ことを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項９】
スペースフレーム構造を有する自動車において、
前記スペースフレーム構造は、繊維を含む樹脂で製作された複数の筒状のパイプで形成され、
前記パイプの端部の周縁部には導通体がはめ込まれ、前記導通体は、前記パイプの端部の内周側と外周側とを覆い、
前記導通体の前記パイプの内周側には、前記パイプの半径方向外側に変形可能な導電性の内側締め上げ材が挿設され、
前記導通体の前記パイプの外周側には、前記パイプの半径方向内側に変形可能な導電性の外側締め上げ材が周設され、
前記内側締め上げ材と前記外側締め上げ材とはねじ締結され、前記導通体に前記パイプの内周側と外周側とから面圧を付与する、
ことを特徴とするスペースフレーム構造を有する自動車。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項記載のスペースフレーム構造を有する自動車において、
前記パイプを形成する繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維、炭化珪素繊維、またはアルミナセラミクス繊維であり、
前記パイプを形成する樹脂は、熱硬化樹脂、または熱可塑性樹脂であるスペースフレーム構造を有する自動車。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−３７３１３（Ｐ２０１１−３７３１３Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８３９４３（Ｐ２００９−１８３９４３）
【出願日】平成２１年８月７日（２００９．８．７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月７日（２００９．８．７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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