JP2001253371A

JP2001253371A - Ｆｒｐ補強金属製自動車用垂直パネル材

Info

Publication number: JP2001253371A
Application number: JP2000391312A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Shinoda; 知行篠田; Akihiko Kitano; 彰彦北野; Hitoshi Nishiyama; 等西山
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2001-09-18

Abstract

(57)【要約】【課題】復元性能を向上するとともに、衝撃緩和等の
ためにある程度の変形を許容しつつ、生じた変形を自然
に元の形状に復元させることができるようにしたＦＲＰ
補強金属製自動車用垂直パネル材を提供する。【解決手段】自動車用垂直パネル材を構成する厚さ
０．５〜２ｍｍの金属板を、少なくとも片面において、
厚さ０．１〜２ｍｍの補強繊維と樹脂からなるＦＲＰシ
ートで補強したことを特徴とするＦＲＰ補強金属製自動
車用垂直パネル材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属板で構成され
る自動車用垂直パネル材に関し、とくにＦＲＰで補強し
た金属製自動車用垂直パネル材に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用垂直パネル材、たとえばドアパ
ネルや、車輪の上方部を形成するフェンダーは、通常金
属板で構成されており、車体重量を軽量化するため、薄
い金属板で構成されることが多い。とくに近年、より軽
量化を促進するため、アルミニウム合金製の自動車用垂
直パネル材が試みられている。

【０００３】このような薄い金属板からなる自動車用垂
直パネル材には、パネル材自身の形状を所定の形状に保
つとともに、外部等から物や人が当たり変形が生じよう
とする場合に、衝撃緩和のためにある程度の変形を許容
しつつ、その変形が修理不要な程度に元の形状に自然に
復元するような特性が望まれる。

【０００４】ところが一般に、薄い金属板のみからなる
自動車用垂直パネル材の場合には、一旦変形が生じた後
に自然に元の形状に戻るようにする特性をもたせること
は難しい。また、復元性能を向上するために金属板の厚
さを増大させると、微少な衝突でも対人への障害が重大
となるおそれがあるとともに、車体重量の増大を招く。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の課題
は、ＦＲＰが有する優れた軽量特性と他部材の補強特性
とに着目し、これを自動車用垂直パネル材の補強に活用
することにより、復元性能を向上するとともに、比較的
大きな外力に対しては衝撃緩和等のためにある程度の変
形を許容しつつ、生じた変形を自然に元の形状に復元さ
せることができるようにしたＦＲＰ補強金属製自動車用
垂直パネル材を提供することにある。

【０００６】なお、金属構造物を単にＦＲＰで補強する
手法として、金属表面上で、シート状の炭素繊維の一方
向材料にエポキシ樹脂を含浸後、樹脂を硬化させる方法
が知られているが（特開平９−３１４７４４号公報）、
自動車用垂直パネル材に着目した提案は見当たらない。
また、この特開平９−３１４７４４号公報に開示の提案
では、金属表面上で樹脂を直接硬化させてＦＲＰを成形
するので、成形されるＦＲＰは実質的に金属表面に密接
して該表面に完全に沿った形状に成形され、ＦＲＰ自身
に構造的にあるいは形状的に、衝撃緩和特性向上効果
や、形状復元特性向上効果をもたせるのは困難である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明に係るＦＲＰ補強金属製自動車用垂直パネル
材は、自動車用垂直パネル材を構成する厚さ０．５〜２
ｍｍの金属板を、少なくとも片面において、厚さ０．１
〜２ｍｍの補強繊維と樹脂からなるＦＲＰシートで補強
したことを特徴とするものからなる。ＦＲＰシートの厚
さは、より好ましくは０．１〜１ｍｍの範囲である。

【０００８】金属板の厚さが０．５ｍｍ未満では、ＦＲ
Ｐシートの補強なくしてはパネル材としての強度が不足
し、２ｍｍを越えると重量が大きくなりすぎる。ＦＲＰ
シートの厚さが０．１ｍｍ未満では、補強効果が小さく
なりすぎ、２ｍｍを越えると、衝撃緩和性能に対する剛
性が高くなりすぎるおそれがある。

【０００９】復元性に関するメカニズムは以下のように
考えられる。すなわち、凹みやゆがみ等の永久変形が残
る指標である弾性変形量が０．３〜０．４％である金属
材料からなるパネルに、弾性変形量がそれより大きいＦ
ＲＰ（通常０．５％以上）を貼り付けたパネルは、ＦＲ
Ｐ部分が金属部を弾性変形させ、見かけ上、弾性変形量
が金属材料単体の場合より大きくなるいわゆるハイブリ
ッド効果を生じる。さらに、金属材料単体からなるパネ
ルにおいては、剛性低下問題を覚悟で、弾性変形量を大
きくするために厚みを薄くする方法が考えられるが、本
発明においては、ＦＲＰを貼り付けることで、剛性も向
上するので、金属パネルの厚みを薄くしても何ら剛性上
問題はなく、上記したハイブリッド効果と金属部の薄肉
化との相乗効果により、弾性変形量を極めて大きくする
ことができる。

【００１０】このＦＲＰ補強金属製自動車用垂直パネル
材においては、上記補強繊維が．炭素繊維を含んでいる
ことが好ましい。炭素繊維を含むことにより、軽量化の
促進とパネル衝撃緩和特性の向上が可能になる。もちろ
ん、炭素繊維の他にガラス繊維やアラミド繊維等の使用
も可能であり、炭素繊維とこれら補強繊維とのハイブリ
ッド型の補強繊維とすることもできる。ＦＲＰの樹脂と
しては特に限定されず、エポキシ樹脂や不飽和ポリエス
テル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂の他、ポリ
プロピレン、ポリアミド、ポリエステル樹脂等の熱可塑
性樹脂の使用も可能である。

【００１１】ＦＲＰを構成する補強繊維の形態として
は、補強繊維を一方向に引き揃えた一方向性シートや、
織物、不織布を使用でき、さらに、マットの形態や、こ
れらの混用形態でも使用できる。一方向性シートの場合
には、たとえば補強性能に方向性を付与でき、織物の場
合には、逆にパネル面方向に均一な補強効果を得ること
ができる。また、織物の場合は、２方向以上に繊維が配
列しているので、ゴルフボール等の球形のものが衝突し
た場合にも凹みを抑制できる効果がある。いずれの形態
とする場合にも、金属板への貼り付け部においては金属
板の表面に沿いやすい形態、貼り付け部以外の部分にお
いては、形成しようとする形状を容易にとることのでき
る形態であることが好ましい。なお、ＦＲＰシートによ
る補強方法としては、接着法が好ましいが、ボルト、ピ
ン、リベット等の機械的結合やはめ込み等であってもよ
い。

【００１２】軽量性を維持しつつ、金属板を効率よく補
強するとともに金属板に所望の変形復元機能をもたせる
ためには、たとえば、ＦＲＰシートと金属板との間に空
間を形成する構造、ＦＲＰシートと金属板との間に発泡
材等の軽量材を介在させる構造を採用できる。後者の場
合には、発泡材の介在により、さらに衝撃緩和性能を高
めることが可能になる。

【００１３】金属板をＦＲＰシートで補強する部分は、
必ずしも金属板全面にわたる必要はなく、部分的に補強
すればよい。補強部分の面積は、たとえばパネル材の面
積の１／１００〜１／２の範囲内とすることができる。
すなわち、金属板の端縁部は、通常ヘミング加工等によ
り、あるいはパネル材周辺のフレームの存在により、強
度、剛性が高められているので、そのような場合には、
パネルの中央部部分の復元性能向上対策としてＦＲＰシ
ートによる補強を施せばよい。

【００１４】また、ＦＲＰシートで補強される部分の高
さ方向の位置は、車装状態にて、地上から２５〜１００
ｃｍの範囲にあることが好ましい。この高さ位置は、た
とえば子供の頭部や身体が当たったり、自転車のハンド
ルが当たったりする可能性の高い位置であるから、その
ような高さ位置に望ましい衝撃緩和性能とパネル変形復
元性能をもたせることができる。特に好ましい範囲は４
０〜７０ｃｍである。

【００１５】また、ＦＲＰシートによる適切な補強を達
成しつつ、貼り付けるＦＲＰシートを所望の形状に保つ
ためには、ＦＲＰシートがたとえ曲面等を有する金属板
に設けられる場合にあってもその金属板に対し強固に接
着され、接着部の端部やコーナー部での浮き上がりや該
部分での剥がれ等が生じないことが望ましい。この場
合、ＦＲＰシートの金属板に対する良好な粘着性が必要
であることはもちろんのこと、ＦＲＰシートを金属板表
面に沿わせるときの補強繊維の変形抵抗の小さいことが
必要である。つまり、たとえ粘着力が大きくても、補強
繊維の変形抵抗が大きいと、ＦＲＰシートが金属板の表
面のとくに曲面部において、剥がれ落ちたりコーナー部
で浮き現象が生じたりするおそれがある。

【００１６】このＦＲＰシートの粘着性と補強繊維の変
形抵抗を合わせた指標として、金属板への貼り付け前の
ＦＲＰシートのスプリングバック値を使用できる。この
スプリングバック値は後述の如き条件で測定されるもの
で、ある条件で変形されたときの（あるいは撓まされた
ときの）除荷後の形状復元特性を表わしたものである。
望ましいスプリングバック値としては、０．０１〜０．
５の範囲であり、この範囲よりも大きいと、ＦＲＰシー
トを金属板の曲面や起伏に沿わせにくくなり、この範囲
よりも小さいと、変形性能が大きすぎてＦＲＰシートを
ハンドリングしにくくなる。

【００１７】本発明に係るＦＲＰ補強金属製自動車用垂
直パネル材は、金属板がアルミニウム合金からなる場合
にとくに有効である。金属板をアルミニウム合金とする
ことで、パネル重量の大幅な軽減が可能になる反面、同
じ板厚の場合スチール等に比べ大幅に変形復元性能が低
下するが、ＦＲＰシートによる補強によって、軽量化効
果をそれ程損なわずに、パネルの適切な補強効果を得つ
つ、優れた衝撃緩和性能と変形復元性能をもたせること
が可能になる。

【００１８】また、本発明に係るＦＲＰ補強金属製自動
車用垂直パネル材は、自動車業界で垂直パネル材と呼ば
れているもの全てに適用できる。たとえばドアパネルや
フェンダー、リアハッチパネル等に適用できる。このよ
うな垂直パネル材には、一般に、水平パネル材に比べ、
日射等に対してそれ程高い耐熱性は要求されないもの
の、表面精度、つまり、見た目に表面が所定の形状に仕
上がっているか否か、および、表面に凹み等がなく、凹
み等を生じさせる外力が加わった際には、その外力によ
る衝撃を適切に緩和しつつ、凹み等が自然に復元されて
元の所定の形状に戻るような性能が要求される。したが
って、このような要求性能に対し、本発明に係るＦＲＰ
補強金属製自動車用垂直パネル材は好適に応えることが
できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の望ましい実施の
形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明
の一実施態様に係るＦＲＰ補強金属製自動車用垂直パネ
ル材１を示している。図１において、２は自動車用垂直
パネル材を構成する、方形曲面板からなる厚さが０．５
〜２ｍｍの範囲にある金属板を示している。金属板２の
内面側表面には、補強繊維と樹脂とからなるＦＲＰシー
ト３が貼り付けられており、該ＦＲＰシート３によって
金属板２が補強されている。本実施態様では、ＦＲＰシ
ート３は断面形状がハット形に形成されており、ハット
形の中央部分と金属板２の表面との間は空間４に形成さ
れている。また本実施態様では、ＦＲＰシート３は、パ
ネル材１の中央部分のみに設けられている。

【００２０】ただし図２に変形例を示すように、金属板
２に対し、ハット形断面形状のＦＲＰシート５を全幅に
わたって設けたり、複数並設したりすることもできる。

【００２１】図１に示す態様では、主としてＦＲＰシー
ト３を設けたパネル材中央部分に対して、金属板２を適
切に補強できる。このパネル材中央部分は、一般に凹み
等の変形が最も生じやすい部分であるから、上記のよう
にＦＲＰシート３を配設することにより、少ないＦＲＰ
材をもってこの部分が効率よく効果的に補強される。こ
の補強により、凹み等に対し耐変形性能が向上されると
ともに、変形を生じさせ得る程度の比較的大きな外力が
加わったときにも、ＦＲＰ補強によりその変形した部分
を自然に元の形状に復元させることが可能になる。加え
て、金属板２とＦＲＰシート３を適切な厚み範囲として
いるので、パネル材１としては、全体としても局部的に
も、剛性が高くなりすぎないように配慮されており、優
れた衝撃緩和性能が保たれることになる。また、空間４
があることにより、より少量のＦＲＰ使用量とすること
ができる。

【００２２】ＦＲＰシートの形状としてはとくに限定さ
れない。たとえば、図３に示すように、金属板１１に対
して、放射状に延びる形状のＦＲＰシート１２や星形の
ＦＲＰシートを貼り付けたりすることもできる。また、
図４に示すように、任意の形状のＦＲＰシート１３、１
４を貼り付けたり、それら任意の形状のＦＲＰシート１
３、１４を複数の位置に設けたりすることもできる。さ
らに、図５に示すように、ドーナツ状に形成されたＦＲ
Ｐシート１５を設けることもできる。

【００２３】また、本発明においては、金属板とＦＲＰ
シートの間に軽量な部材、たとえば発泡材（たとえば、
ウレタンフォーム）を介在させることもできる。たとえ
ば図６に示すように、金属板２１の表面に沿わせてＦＲ
Ｐシート２２を貼り付け、その上に発泡材２３を接合
し、その上にＦＲＰシート２４を貼り付ける構成とでき
る。あるいは図７に示すように、金属板２１に断面形状
がハット形のＦＲＰシート２５を貼り付け、ＦＲＰシー
ト２５の金属板２１への接着部分以外の部分と金属板２
１の表面との間に発泡材２６を介在させた構成とするこ
ともできる。このように発泡材を介在させることで、人
体がパネルに衝突した場合の人体への障害をより低減す
ることができる。

【００２４】また、ＦＲＰシートは、金属板の両面に設
けることも可能である。たとえば図８に示すように、Ｆ
ＲＰシート３１を金属板３２の両面にわたるように配す
ることができる。ＦＲＰシート３１のパネル外面側に現
れる部分には、適当な形状としておくことにより、意匠
性向上効果をもたせることができる。

【００２５】さらに、ＦＲＰシートはパネル端縁部に配
することもできる。たとえば図９に示すように、金属板
４１に対しＦＲＰシート４２を適当な複数の端縁部分に
わたって延びるように配置することができる。また、こ
の場合、端縁部分に配されたＦＲＰシート４２ととも
に、パネル中央部に前述したような各種形態のＦＲＰシ
ートを設けることも可能である。

【００２６】このように、本発明で特定した要件を満た
す限り、ＦＲＰシートの形態、配設位置、配設面、個数
等は適宜任意に設定することができる。

【００２７】なお、本発明の説明に使用したスプリング
バック値は、次のような方法により測定されるものであ
る。ＪＩＳ−Ｋ−７０５５に準じた３点曲げ試験におい
て、スパンを５０ｍｍとして、幅１５ｍｍのＦＲＰシー
トを３点曲げして、３０ｍｍ撓ませた後、瞬時に除荷す
る。その後、３分無荷重状態で放置した後に撓み（ｘｍ
ｍ）を測定し、スプリングバック値＝（３０−ｘ）／３
０を計算する。測定は２０℃〜２５℃の範囲内で行う。

【００２８】

【実施例】以下に、実施例、比較例に基づいて本発明を
説明する。実施例１６０６３アルミニウム合金製の方形曲面板（厚さ１ｍ
ｍ、各辺長さ３００ｍｍ、曲率半径９０ｃｍ）の凹面側
中心部に、厚さ０．３ｍｍのエポキシ樹脂と炭素繊維か
らなる矩形（１５０ｍｍ×１５０ｍｍ）の平織りクロス
シート（繊維目付＝３００ｇ／ｍ²、樹脂重量含有率＝
５０％、スプリングバック値＝０．３）を、図１に示し
たようにハット状（ハットの幅＝４０ｍｍ、高さ３０ｍ
ｍ）に貼り付けた後、１１０℃で硬化させた。本ＦＲＰ
補強金属パネルを上面が凸になるように台座に置いて、
凸面側中心部を、丸み半径１０ｍｍの鋼製ロッドで、荷
重１０ｋｇで押し込んだ後除荷し、表面を観察したとこ
ろ、凹みは見られなかった。

【００２９】比較例１実施例１に使用した６０６３アルミニウム合金製の方形
曲面板（厚さ１ｍｍ、辺長さ３００ｍｍ、曲率半径９０
ｃｍ）のみを、実施例１と同様に鋼製ロッドで荷重１０
ｋｇで押し込んだ後、除荷し、表面を観察したところ、
肉眼で認識できる凹みが見られた。

【００３０】実施例２７０５５アルミニウム合金製の円形曲面板（厚さ０．５
ｍｍ、半径＝１５０ｍｍ、曲率半径６０ｃｍ）の凹面側
中心部に、厚さ１ｍｍのポリエステル樹脂とガラス繊維
および炭素繊維からなる円形（半径＝７５ｍｍ）のマッ
ト状シート（繊維目付＝５０ｇ／ｍ²、炭素繊維とガラ
ス繊維の重量比率＝１：１、樹脂重量含有率＝７０％、
スプリングバック値＝０．１）を、半径５０ｍｍの円形
ウレタンフォーム材（厚さ＝５ｍｍ、発泡倍率＝３０
倍）を介して貼り付けた後、室温で硬化一体化させた。
本ＦＲＰ補強金属パネルを実施例１と同様にして、丸み
半径１０ｍｍの鋼製ロッドで、中心部を、荷重１０ｋｇ
で押し込んだ後除荷し、表面を観察したところ、凹みは
見られなかった。

【００３１】実施例３図１０（Ａ）に示す厚さ０．６５ｍｍのアルミニウムを
折り曲げ成形した凸面形のアルミニウム製パネル４３
（３００ｍｍ×３００ｍｍ、高さ４０ｍｍ）の中央凹面
側に、炭素繊維（繊維強度３．５ＧＰａ、弾性率４００
ＧＰａ）を２方向（直交２方向）に配列したシート４４
（５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ０．１３ｍｍ、繊維目付＝
１３０ｇ／ｍ²）を接着接合したパネルに、時速３６ｋ
ｍ／ｈでゴルフボール４５をパネルの凸面側（アルミニ
ウム側）からパネル４３の中央に衝突させたところ、衝
突の痕跡は観察されなかった。これを示したのが図１０
（Ｂ）である。

【００３２】比較例２実施例２に使用したものと同一のアルミニウム合金製の
円形曲面板のみを、実施例２と同様に、鋼製ロッドで荷
重１０ｋｇで押し込んだ後、除荷し、表面を観察したと
ころ、肉眼で認識できる凹みが中央部に見られた。

【００３３】比較例３図１１（Ａ）に示す厚さ０．８５ｍｍのアルミニウムを
折り曲げ成形した凸面形のアルミニウム製パネル４６
（３００ｍｍ×３００ｍｍ、高さ４０ｍｍ）の中央凸面
側に実施例３と同じ要領で、時速３６ｋｍ／ｈでゴルフ
ボール４５を衝突させたところ、図１１（Ｂ）に示すよ
うにパネル４６の表面にボールのディンプル跡４７が観
察された。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のＦＲＰ補
強金属製自動車用垂直パネル材によれば、パネル材全体
の軽量性を確保しつつパネル材を適切に補強することが
でき、パネル材の衝撃緩和性能を維持しつつ、パネル材
の耐変形性能、変形が生じた際の復元性能を向上するこ
とができる。とくにアルミニウム合金製金属板からなる
パネルに本発明を適用すれば、大幅な軽量化を達成しつ
つ、望ましい衝撃緩和性能、変形復元性能等を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様に係るＦＲＰ補強金属製自
動車用垂直パネル材の斜視図である。

【図２】図１の変形例に係るＦＲＰ補強金属製自動車用
垂直パネル材の斜視図である。

【図３】本発明の別の実施態様に係るＦＲＰ補強金属製
自動車用垂直パネル材の部分斜視図である。

【図４】本発明のさらに別の実施態様に係るＦＲＰ補強
金属製自動車用垂直パネル材の部分斜視図である。

【図５】本発明のさらに別の実施態様に係るＦＲＰ補強
金属製自動車用垂直パネル材の部分斜視図である。

【図６】本発明のさらに別の実施態様に係るＦＲＰ補強
金属製自動車用垂直パネル材の斜視図である。

【図７】本発明のさらに別の実施態様に係るＦＲＰ補強
金属製自動車用垂直パネル材の斜視図である。

【図８】本発明のさらに別の実施態様に係るＦＲＰ補強
金属製自動車用垂直パネル材の斜視図である。

【図９】本発明のさらに別の実施態様に係るＦＲＰ補強
金属製自動車用垂直パネル材の斜視図である。

【図１０】（Ａ）は実施例３のパネルの斜視図、（Ｂ）
は該パネルの表面の拡大平面図である。

【図１１】（Ａ）は比較例３のパネルの斜視図、（Ｂ）
は該パネルの表面の拡大平面図である。

【符号の説明】

１ＦＲＰ補強金属製自動車用垂直パネル材２、１１、２１、３２、４１金属板３、５、１２、１３、１４、１５、２２、２４、２５、
３１、４２ＦＲＰシート４空間２３、２６発泡材４３、４６アルミニウム製パネル４４ＦＲＰシート４５ゴルフボール４７ボールのディンプル跡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自動車用垂直パネル材を構成する厚さ
０．５〜２ｍｍの金属板を、少なくとも片面において、
厚さ０．１〜２ｍｍの補強繊維と樹脂からなるＦＲＰシ
ートで補強したことを特徴とするＦＲＰ補強金属製自動
車用垂直パネル材。
【請求項２】補強繊維が炭素繊維を含んでいる、請求
項１のＦＲＰ補強金属製自動車用垂直パネル材。
【請求項３】ＦＲＰシートが補強繊維の織物を含んで
いる、請求項１または２のＦＲＰ補強金属製自動車用垂
直パネル材。
【請求項４】ＦＲＰシートと金属板との間に空間が形
成されている、請求項１〜３のいずれかに記載のＦＲＰ
補強金属製自動車用垂直パネル材。
【請求項５】ＦＲＰシートと金属板との間に発泡材が
介在されている、請求項１〜３のいずれかに記載のＦＲ
Ｐ補強金属製自動車用垂直パネル材。
【請求項６】ＦＲＰシートで補強された部分の面積が
パネル材の面積の１／１００〜１／２の範囲にある、請
求項１〜５のいずれかに記載のＦＲＰ補強金属製自動車
用垂直パネル材。
【請求項７】ＦＲＰシートで補強された部分が、地上
から２５〜１００ｃｍの範囲に位置している、請求項１
〜６のいずれかに記載のＦＲＰ補強金属製自動車用垂直
パネル材。
【請求項８】金属板への貼り付け前のＦＲＰシートの
スプリングバック値が０．０１〜０．５の範囲にある、
請求項１〜７のいずれかに記載のＦＲＰ補強金属製自動
車用垂直パネル材。
【請求項９】金属板がアルミニウム合金からなる、請
求項１〜８のいずれかに記載のＦＲＰ補強金属製自動車
用垂直パネル材。
【請求項１０】ドアパネルまたはフェンダーである、
請求項１から９のいずれかに記載のＦＲＰ補強金属製自
動車用垂直パネル材。