複合構造材

【課題】衝撃エネルギの吸収特性と軽量化とを高次元に両立し得る車体フレームを構成することのできる複合構造材を提供する。
【解決手段】軽金属材料からなる中空閉断面をなすビーム部材（サイドシル６）の側壁１３・１４の対向内面同士間に、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１２を設け、円筒体の圧縮応力によってビーム部材の曲げ応力が急激に低下することを抑制する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合構造材に関し、特に、自動車の車体フレームに適した複合構造材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の車体は、燃料消費量の低減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、アルミニウム合金などによる引き抜き（押し出し）材でフレームを構成することが既に実用に供されている。しかしアルミニウム合金は、スチールに比して剛性が低く、スチール製のフレームと同等の剛性を得ようとすると断面積を大きくせざるを得ないため、さほど軽量化を推進することはできない。そこでこのような不都合に対処し得る構造材として、軽合金材で形成された中空閉断面の構造材に炭素繊維強化樹脂材の板を接着した複合材が提案されている（特許文献１を参照されたい）。
【特許文献１】再表９９／０１０１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかるに、自動車のフレーム用構造材に要求される要件として、高剛性であることのみならず、衝突時の衝撃を高効率に吸収し得ることが挙げられるが、文献１に記載のようなハイブリッド材では、塑性変形後の急激な応力低下を抑制することはできず、衝突時の衝撃エネルギの吸収性の面について、満足できる特性を得ることはできなかった。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の課題を解決すべく案出されたものであり、その主な目的は、衝撃エネルギの吸収特性と軽量化とを高次元に両立し得る車体フレームを構成することのできる複合構造材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的を達成するために本発明の請求項１は、軽金属材料からなる中空閉断面をなすビーム部材（サイドシル６）の側壁１３・１４の対向内面同士間に、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１２を設けたことを特徴とするものとした。特に、前記補強用円筒体を、繊維強化樹脂材で形成するもの（請求項２）としたり、またこの補強用円筒体を、複数個並列させると共に、互いに隣り合うもの同士の一部を、長手方向及び曲げ荷重の加わる方向に直交する向きから見て重なり合わせるもの（請求項３）としたりすると良い。
【０００６】
更に、請求項４においては、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の複合構造材を、曲げ荷重が加わる面の反対側の面に、補強用平板１５を接着したことを特徴とするものとした。
【発明の効果】
【０００７】
このような本発明の請求項１の構成によれば、円筒体の軸方向についての圧壊時に作用する座屈応力により、安定したエネルギ吸収特性が得られる。特に請求項２の構成によれば、繊維が剥がれながら圧壊するので、応力の低下が緩慢になり、安定した高エネルギ吸収特性が得られる。また請求項３の構成によれば、互いに隣り合うもの同士の接触面の脆弱化を抑制することができ、請求項４の構成によれば、さらなる強度増大に効果的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【０００９】
図１は、本発明が適用される自動車用フレームの概略構成図である。このフレームは、例えばアルミニウム合金の引き抜き（押し出し）材で形成された種々の構造材を互いに溶接結合することで組み立てられており、ダッシュボードロワクロスメンバ１にその後端を結合して前方へ延出された左右一対のフロントサイドフレーム２と、両フロントサイドフレーム２の前端に結合されたバンパステー３と、リアクロスメンバ４にその前端を結合されて後方へ延出された左右一対のリアサイドフレーム５と、ダッシュボードロワクロスメンバ１とリアクロスメンバ４との左右両側端間を連結するように前後方向に延設された左右一対のサイドシル６と、居室の床下で左右のサイドシル６同士間を連結するように設けられたミドルクロスメンバ７とを備えている。
【００１０】
車体前後方向に延設されたサイドシル６は、図２に示すように、角筒の中空閉断面内における上下方向の中間部に隔壁１１が設けられて断面形状が日の字形をなしており、クロスメンバが接続された部位同士の中間部に、アラミド繊維や炭素繊維などで強化した繊維強化樹脂材（以下ＦＲＰ材）で形成された複数個の円筒体１２が挿入されている。
【００１１】
これらの円筒体１２は、サイドシル６の左右の側壁１３・１４の対向内面同士間に、サイドシル６の長手方向に直交する向き、換言すると、側方衝突時に曲げ荷重が入力する方向にその軸線を延在させて並列に隣接配置されている。
【００１２】
これに加えて、車体外側方からの曲げ荷重がサイドシル６に加わった際に引っ張り応力が作用する面、即ち車室側の壁１４の外側面に、ＦＲＰ材からなる平板１５が、例えば両面テープ１６などを用いて接着されている。
【００１３】
ここで互いに隣り合う円筒体１２同士の当接面に荷重中心が合致すると、円筒体１２による補強効率が低下するので、互いに隣り合う円筒体１２同士の一部が、サイドシル６の長手方向及び曲げ荷重の作用方向に直交する方向から見て重なり合うように（図３中のＡ寸法参照）、円筒体１２同士の中心を上下にずらして配置すると良い（図３中のＢ寸法参照）。また、上下二段とする場合も、円筒体１２同士の中心を上段と下段とでサイドシル６の長手方向についてずらすと良い（図３、４中のＣ寸法参照）。複数の円筒体１２をこのように配置することにより、サイドシル６の長手方向についての座屈応力の局所的な低下を最少限に抑えることができる。
【００１４】
アルミニウム合金の中空材だけで構成した従来のサイドシルによると、側方からの曲げ荷重が集中すると、断面を維持できなくなって局所的に変形が増大する（図５参照）。すると図６に破線で示すように、応力が急激に低下して変形が進行するため、車室内への進入速度が高くなって乗員へのダメージが大きくなる心配がある。それが本発明によれば、側方から車室内に向けての荷重が加わった際に、円筒体１２の圧縮応力により、図６に実線で示すように、曲げ応力が急激に低下することを抑制することができる。
【００１５】
円筒体１２の軸方向端面には、適宜な角度の面取り１７が施してある。これにより、圧壊初期荷重を低減して降伏点の過度な上昇を抑制し、且つ断面形状を円形とすることで応力分布が不均一となることを抑制し得ると共に、層状に重なった繊維が徐々に剥がれるようにすることで応力が急激に低下することを抑制することができ、衝撃エネルギーの吸収量を増大することができる。
【００１６】
またサイドシルの車室側の面に接着した平板１５により、車体外側方からの曲げ荷重に対する引っ張り応力で変形の進行を制御することができる。
【００１７】
円筒体１２をサイドシル６内に固定するに当たっては、図７に示すように、複数の円筒体１２同士を接着して適宜な長さの円筒体群Ｇを予め製作しておくと共に、サイドシル６におけるこの円筒体群Ｇのうちの例えば両端に位置するものが来るべきところに孔１８を予め開けておく。なお、この孔１８の直径は、円筒体１２の外径寸法よりも小さく、内径寸法より僅かに大きいものとする。
【００１８】
他方、補強用平板１５のサイドシル６との対向面に、円筒体１２の内径に嵌合し得る寸法の短管１９を固着したものを製作しておく。
【００１９】
そして円筒体群Ｇをサイドシル６内に挿入し、孔１８と対応する円筒体１２との相互位置合わせを行い、短管１９に接着剤を塗布した上で孔１８を経て円筒体１２に嵌着し、かつ平板１５をサイドシル６の車室側の側壁１４の外面に接着する。これにより、複数の円筒体１２および平板１５がサイドシル６と一体化する。
【００２０】
サイドシル６に対する円筒体１２の固定手段としては、図８に示すように、自己潤滑性及び弾性に富む合成樹脂材で形成され、片持ちの板ばね片２０がその上下面に斜め方向に突設された円筒体ホルダ２１にて複数の円筒体１２を保持し、円筒体ホルダ２１ごとサイドシル６内に挿入する手法も考えられる。
【００２１】
ここで円筒体ホルダ２１の板ばね片２０の遊端同士間の寸法Ｄは、サイドシル６を構成する角パイプの上下間寸法Ｅよりも大きくされており、円筒体ホルダ２１をサイドシル６内に挿入すると、板ばね片２０が撓んでサイドシル６の上下の壁に圧接力を作用させ、これによって円筒体ホルダ２１を介して円筒体１２がサイドシル６内に位置決めされるようになっている。
【００２２】
図９に示すように、サイドシル６の上下壁の少なくともいずれか一方に、断面形状が鋸歯状をなす噛み合い爪２２を列設したラック部材２３を固着しておき、この噛み合い爪２２に片持ち板ばね片２０の遊端を引っ掛けて抜け止めすることもできる。この場合は、板ばね片２０の傾きの方向と噛み合い爪２２の傾斜面の方向との設定により、一方向へのみの進行が許容され、逆方向への退行が禁止される。
【００２３】
なお、本発明の適用は、上述したサイドシルに限定されるものではなく、曲げ荷重に対する変形特性を所望に応じて調整したい部位に、広汎に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明が適用される車体フレームの概略斜視図である。
【図２】本発明による補強が施されたサイドシルの縦断面図である。
【図３】本発明による補強が施されたサイドシルの図２中のIII−III線に沿う断面図である。
【図４】別の実施形態を示す図３と同様の断面図である。
【図５】従来のサイドシルの曲げ変形の態様を示す上面図である。
【図６】従来のものと本発明のものとを比較する応力−変位特性線図である。
【図７】本発明の一実施形態を示す斜視図である。
【図８】本発明の第２の実施形態を示す側面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態を示す側面図である。
【符号の説明】
【００２５】
６サイドシル
１２補強用円筒体
１３・１４側壁
１５補強用平板

【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽金属材料からなる中空閉断面をなすビーム部材の側壁の対向内面同士間に、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たことを特徴とする複合構造材。
【請求項２】
前記補強用円筒体は、繊維強化樹脂材で形成されることを特徴とする請求項１に記載の複合構造材。
【請求項３】
前記補強用円筒体を、複数個並列させると共に、互いに隣り合うもの同士の一部を、長手方向及び曲げ荷重の加わる方向に直交する向きから見て重なり合わせたことを特徴とする請求項１若しくは２に記載の複合構造材。
【請求項４】
曲げ荷重が加わる面の反対側の面に、補強用平板を接着したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の複合構造材。

【図１】