JP2008173782A - Hollow structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、FRPにより構成された中空構造体に関する。 The present invention relates to a hollow structure made of FRP.
中空筒状のFRP成形品の内壁面に中空筒状の内張層形成体(中子)を一体に設けた中空構造体が知られている(例えば、特許文献1参照)。
ところで、トラス構造断面等の断面が複雑形状である中空構造体を樹脂等により成形するためには、断面内側にリブを有する複雑な中子が必要となり、また、中空構造体の断面内側へ材料を注入するための注入部を有する複雑な型が必要となる可能性がある。 By the way, in order to form a hollow structure having a complicated cross section such as a truss structure cross section with a resin or the like, a complicated core having ribs inside the cross section is required, and a material is provided inside the cross section of the hollow structure. There may be a need for a complex mold having an injection part for injecting.
本発明は上記事実を考慮し、複雑な中子や型を用いずに、多様な断面構造の中空構造体を形成することを目的とする。 In view of the above facts, the present invention has an object to form hollow structures having various cross-sectional structures without using complicated cores and molds.
請求項1に記載の中空構造体は、各々中空長尺状に形成された複数のFRP素材を組合わせて相互に結合することにより構成され、前記FRP素材は、その長手方向に見た断面形状が多角形状とされていると共に、一の前記FRP素材と他の前記FRP素材とが共有する辺で結合されていることを特徴とする。 The hollow structure according to claim 1 is configured by combining a plurality of FRP materials each formed in a hollow elongated shape and bonding them together, and the FRP material has a cross-sectional shape as viewed in the longitudinal direction thereof. Is formed in a polygonal shape, and one FRP material and another FRP material are connected by a shared edge.
請求項1に記載の中空構造体では、各々中空長尺状に形成された複数のFRP素材が、組合わされて相互に結合されている。該FRP素材は、その長手方向から見た断面が多角形状とされており、一のFRP素材と他のFRP素材とが共有する辺で結合されている。 In the hollow structure according to the first aspect, a plurality of FRP materials each formed in a hollow long shape are combined and coupled to each other. The FRP material has a polygonal cross section as viewed from the longitudinal direction, and is joined by a side shared by one FRP material and another FRP material.
これにより、断面内側にリブを有する複雑な中子や、中空構造体の断面内側へ材料を注入するための注入部を有する複雑な型を用いずに、多様な断面構造の中空構造体を形成することが可能となる。 As a result, hollow structures with various cross-sectional structures can be formed without using complex cores with ribs inside the cross-section and complicated molds with injection parts for injecting material into the cross-section inside the hollow structure. It becomes possible to do.
請求項2に記載の中空構造体は、請求項1に記載の中空構造体であって、前記FRP素材は、その長手方向に見た断面形状が三角形状とされていることを特徴とする。 A hollow structure according to a second aspect is the hollow structure according to the first aspect, wherein the FRP material has a triangular cross-sectional shape when viewed in the longitudinal direction.
請求項2に記載の中空構造体では、長手方向から見た断面形状が三角形状という安定した構造のFRP素材の組合わせにより、トラス構造断面の中空構造体を形成することが可能となる。 In the hollow structure according to claim 2, it is possible to form a hollow structure having a truss structure cross section by combining FRP materials having a stable structure in which the cross-sectional shape viewed from the longitudinal direction is triangular.
また、中空構造体の断面内側に形成されるリブが、一の中空部材の一辺と他の中空部材の一辺との2重構造(2枚合わせの構造)となるので、該リブの剛性を向上でき、以って、中空構造体の剛性を向上できる。 In addition, the rib formed on the inner side of the cross section of the hollow structure has a double structure (a structure of two sheets) of one side of one hollow member and one side of the other hollow member, so the rigidity of the rib is improved. Therefore, the rigidity of the hollow structure can be improved.
請求項3に記載の中空構造体は、請求項1又は請求項2に記載の中空構造体であって、前記FRP素材は、繊維が前記FRP素材の長手方向に沿って配向された長手配向層と、繊維が前記FRP素材の長手方向に対して傾斜する方向に沿って配向された傾斜配向層との積層構造を有しており、一の前記FRP素材と他の前記FRP素材とが共有する辺で、接着剤により、または成形時に互いの樹脂が結合されることにより結合されていることを特徴とする。 The hollow structure according to claim 3 is the hollow structure according to claim 1 or 2, wherein the FRP material has a longitudinal orientation in which fibers are oriented along a longitudinal direction of the FRP material. And a layered structure in which fibers are aligned along a direction in which fibers are inclined with respect to the longitudinal direction of the FRP material, and are shared by one FRP material and the other FRP material. It is characterized by being bonded by an adhesive or by mutual resin bonding at the time of molding.
請求項3に記載の中空構造体では、複数のFRP素材が、接着剤により、または成形時に互いの樹脂が結合されることにより結合されている。ここで、各FRP素材は、繊維がFRP素材の長手方向に沿って配向された長手配向層と、繊維がFRP素材の長手方向に対して傾斜する方向に沿って配向された傾斜配向層との積層構造を有している。 In the hollow structure according to the third aspect, the plurality of FRP materials are bonded by an adhesive or by bonding the resins to each other at the time of molding. Here, each FRP material includes a longitudinal alignment layer in which fibers are aligned along the longitudinal direction of the FRP material, and an inclined alignment layer in which fibers are aligned in a direction inclined with respect to the longitudinal direction of the FRP material. It has the laminated structure of.
これにより、中空構造体の長手方向の剛性を向上させると共に、中空構造体の周方向の剛性の均質性を向上させることが可能となる。 Accordingly, it is possible to improve the rigidity in the longitudinal direction of the hollow structure and improve the homogeneity of the rigidity in the circumferential direction of the hollow structure.
請求項4に記載の中空構造体は、請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の中空構造体であって、繊維が前記FRP素材の長手方向に対して交差する方向に沿って配向された交差配向層が、組合わされた複数の前記FRP素材の周囲に積層されていることを特徴とする。 The hollow structure according to claim 4 is the hollow structure according to any one of claims 1 to 3, wherein the fibers cross the longitudinal direction of the FRP material. An oriented cross-alignment layer is laminated around a plurality of the combined FRP materials.
請求項4に記載の中空構造体では、繊維がFRP素材の長手方向に対して交差する方向に沿って配向された交差配向層が、組合わされた複数のFRP素材の周囲に積層されている。 In the hollow structure according to the fourth aspect, cross-orientation layers in which fibers are oriented in a direction intersecting with the longitudinal direction of the FRP material are laminated around a plurality of combined FRP materials.
これにより、中空構造体の断面内側に形成されるリブのみならず、中空構造体の外形部をも、一の中空構造体の一辺と他の中空構造体の一辺との二重構造に構成できるので、中空構造体の外形部の剛性を向上できると共に、一のFRP素材と他のFRP素材との結合面での破壊(剥離)を抑制できる。 Thereby, not only the rib formed inside the cross section of the hollow structure but also the outer shape part of the hollow structure can be configured in a double structure of one side of one hollow structure and one side of the other hollow structure. Therefore, it is possible to improve the rigidity of the outer shape portion of the hollow structure and to suppress the breakage (peeling) at the bonding surface between one FRP material and another FRP material.
以上説明したように、本発明によれば、複雑な中子や型を用いずに、多様な断面構造の中空構造体を形成することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to form hollow structures having various cross-sectional structures without using complicated cores and molds.
次に、本発明の中空構造体の一実施形態を図1乃至図6に従って説明する。
なお、図中矢印FRは車両前方方向を、矢印UPは車両上方方向を、矢印INは車幅内側方向を示す。
Next, an embodiment of the hollow structure of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the figure, the arrow FR indicates the vehicle front direction, the arrow UP indicates the vehicle upward direction, and the arrow IN indicates the vehicle width inside direction.
図1には、本発明が適用された中空構造体10を備える車体12を示している。この図に示すように、車体12には、ルーフ部14と、ルーフ部14の車幅方向外側端部に接合されたルーフサイドレール14と、ルーフサイドレール14の前端部に接合されたフロントピラー16と、ルーフサイドレール14の後端部に接合されたリアピラー18とが備えられている。ルーフサイドレール14、フロントピラー16、及びリアピラー18は、一体で形成されており、これらにより、車両前後方向を長手方向とする中空構造体10が構成されている。
FIG. 1 shows a
ここで、中空構造体10やロッカやサイドメンバ(図示省略)等の車体12を構成する車体骨格部材は、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)により構成されている。但し、ガラス繊維強化樹脂(GFRP)を排除するものではなく、繊維強化樹脂(FRP)であれば良い。
Here, the vehicle body skeleton members constituting the
図2及び図3には、中空構造体10を拡大して示している。この図に示すように、中空構造体10の外形は、五角形筒状とされている。また、中空構造体10の内部には、中空構造体10の長手方向に延在する2片のリブ20、22が設けられている。2片のリブ20、22の幅方向一端部は、中空構造体10の周方向に隣接された角部10A、10Bに接合され、2片のリブ20、22の幅方向他端部は、中空構造体10の角部10A、10Bの対角に位置する一の角部10Cに接合されている。
2 and 3 show the
即ち、中空構造体10の内部は、2片のリブ20、22により、3つの三角形状の空間Oに仕切られており、中空構造体10の長手方向から見た断面がトラス構造断面とされている。
That is, the inside of the
ここで、中空構造体10は、CFRPにより構成され中空構造体10の長手方向に沿って延在する中空長尺状のCFRP素材(FRP素材)24、26、28を3個組合わせて相互に結合することにより構成されている。各CFRP素材24、26、28は、その長手方向から見た断面形状が三角形状とされている。
Here, the
CFRP素材24の三角形状断面を構成する一辺としての壁部24Aと、CFRP素材26の三角形状断面を構成する一辺としての壁部26Aとは、略同一形状、略同一寸法とされており、壁部24Aの全体と壁部26Aの全体とが重なった状態で結合されることにより、共有する辺としてのリブ20が構成されている。
The
また、CFRP素材24の三角形状断面を構成する一辺としての壁部24Bと、CFRP素材28の三角形状断面を構成する一辺としての壁部28Aとは、略同一形状、略同一寸法とされており、壁部26Aの全体と壁部28Aの全体とが重なった状態で結合されることにより、共有する辺としてのリブ22が構成されている。
The
即ち、CFRP素材24、26、28は、トラス断面構造(所望の断面構造)の中空構造体10を、その断面内部に設けられたリブ20、22を厚み方向に2分する境界線で分割することにより得られる中空長尺部材であり、そのようなCFRP素材24、26、28を組合わせて相互に結合することにより、トラス断面構造(所望の断面構造)の中空構造体10を構成している。
That is, the
次に、中空構造体10の製造方法の第1実施例について説明する。
Next, a first embodiment of the method for manufacturing the
まず、図4(A)に示すように、中空長尺状に形成され、その長手方向から見た断面形状が三角形状である(三角形筒状の外形を有する)マンドレル(中子)Mを用意する。このマンドレルMは、樹脂やゴム等の伸縮性を有する材料により、CFRP素材24と相似の形状に形成されている。
First, as shown in FIG. 4A, a mandrel (core) M is prepared which is formed in a hollow long shape and has a triangular shape (having a triangular cylindrical outer shape) as viewed from the longitudinal direction. To do. The mandrel M is formed in a shape similar to the
そして、図4(B)に示すように、ブレーディング成形法によりCFRPを構成する炭素繊維CFを、マンドレルMの外周面に編み付ける。これにより、マンドレルMの周囲には、マンドレルMの長手方向に対して傾斜した方向に沿って配向され格子網状に編まれた炭素繊維CFにより構成されるブレーディング配向層Bが積層される。 Then, as shown in FIG. 4B, the carbon fibers CF constituting the CFRP are knitted on the outer peripheral surface of the mandrel M by a braiding molding method. Thereby, around the mandrel M, the braiding alignment layer B composed of carbon fibers CF aligned in a direction inclined with respect to the longitudinal direction of the mandrel M and knitted in a lattice network is laminated.
次に、図4(C)に示すように、エポキシ樹脂等により形成された軟材状態でシート状の樹脂材Pによりブレーディング配向層Bの周囲を被覆する。これにより、CFRP素材24が形成される。
Next, as shown in FIG. 4C, the periphery of the braiding alignment layer B is covered with a sheet-like resin material P in a soft material state formed of an epoxy resin or the like. Thereby, the
その後、CFRP素材24の形成方法と同様の方法により、CFRP素材26、28を形成し、これらを組合わせて相互に結合することにより、中空構造体10を形成する。その際の結合方法としては、後述の第1の結合方法及び第2の結合方法が採用可能である。
Thereafter, the
まず、第1の結合方法について説明する。この結合方法では、まず、CFRP素材24を、CFRP素材24の外形に合わせて作成された成形用の型に嵌め込み、成形硬化させる。この際、マンドレルMを高圧エアーにより膨張させCFRP素材24をマンドレルMと型とにより加圧する。また、CFRP素材24を加熱により硬化温度まで昇温させる。そして、同様の方法で、CFRP素材26、28を成形する。
First, the first coupling method will be described. In this bonding method, first, the
次に、図3に示すように、成形硬化されたCFRP素材24、26、28を組合わせて相互に結合するわけであるが、その際、CFRP素材24の壁部24AとFRP素材26の壁部26Aとを接着剤により接着し、CFRP素材24の壁部24BとCFRP素材28の壁部28Aとを接着剤により接着する。これにより、中空構造体10が形成される。
Next, as shown in FIG. 3, the molded and
次に、第2の結合方法について説明する。この結合方法では、まず、図3に示すように、成形硬化前のCFRP素材24、26、28を組合わせる。次に、組合わされたCFRP素材24、26、28を、中空構造体10の外形に合わせて作成された成形用の型に嵌め込み、成形硬化させる。この際、各CFRP素材24、26、28が備えるマンドレルMを、高圧エアーにより膨張させマンドレルMと型とでCFRP素材24、26、28を加圧する。また、CFRP素材24、26、28を加熱により硬化温度まで昇温させると共に、CFRP素材24の壁部24AとCFRP素材26の壁部26A、CFRP素材24の壁部24BとCFRP素材28の壁部28Aを、互いの樹脂材Pを溶融結合させることにより結合する。
Next, the second coupling method will be described. In this bonding method, first, as shown in FIG. 3, the
次に、本実施形態における作用及び効果について説明する。 Next, functions and effects in the present embodiment will be described.
長手方向から見た断面形状が三角形状という安定した構造のCFRP素材24、26、28の組合わせにより、長手方向から見た断面構造がトラス構造である中空構造体10を形成することが可能となっている。
By combining the
ここで、図2乃至図4に示すように、中空構造体10を形成するために用いられているマンドレルMは、各CFRP素材24、26、28の形状に合わせて作成された、三角筒状という単純構造となっている。また、中空構造体10の断面内側に樹脂を注入する工程が不要となっている。
Here, as shown in FIGS. 2 to 4, the mandrel M used to form the
即ち、断面内側にリブを有する複雑なマンドレルMや、中空構造体10の断面内側へ樹脂を注入するための注入部を有する複雑な型を用いずに、トラス断面構造という複雑な断面形状を有する中空構造体10を形成することが可能となっている。
That is, a complicated mandrel M having ribs on the inner side of the cross section and a complicated mold having an injection part for injecting resin into the inner side of the cross section of the
また、中空構造体10がトラス断面構造に構成されていることにより、中空構造体10の曲げ剛性が向上されているので、ルーフサイドレール14、フロントピラー16、又はリアピラー18(共に図1参照)に荷重が入力された際に、これらに生じる曲げ変形を抑制できる。
Further, since the
また、CFRP素材24の壁部24AとCFRP素材26の壁部26Aとにより二重構造のリブ20が構成され、CFRP素材24の壁部26BとCFRP素材28の壁部28Aとにより二重構造のリブ22が構成されており、リブ20、22の剛性が向上されている。よって、中空構造体10の曲げ剛性をより一層向上でき、ルーフサイドレール14、フロントピラー16、又はリアピラー18(共に図1参照)に荷重が入力された際に、これらに生じる曲げ変形をより一層抑制できる。
Further, a double-structured
次に、中空構造体10の製造方法の第2実施例について説明する。なお、中空構造体10の製造方法の第1実施例とは、各CFRP素材24、26、28の形成方法が異なるのみであり、形成されたCFRP素材24、26、28の結合方法等は同様であるため、説明を省略する。また、CFRP素材24の形成方法についてのみ説明するが、CFRP素材26、28も同様の形成方法により形成される。
Next, a second embodiment of the method for manufacturing the
まず、図4(A)〜(C)に示すように、ブレーディング成形法により、炭素繊維CFをマンドレルMの周囲に編み付けてブレーディング層(傾斜配向層)Bを形成し、ブレーディング層Bの周囲を樹脂材Pにより被覆する。 First, as shown in FIGS. 4A to 4C, a braiding layer (gradient alignment layer) B is formed by braiding carbon fibers CF around the mandrel M by a braiding molding method, and the braiding layer The periphery of B is covered with a resin material P.
次に、図5(A)に示すように、CFRP素材24の長手方向に沿って配向された炭素繊維CFにより構成される長手配向層Lを、ブレーディング層Bの周囲を被覆する樹脂材Pの周囲に積層する。その後、図5(B)に示すように、樹脂材Pにより長手配向層Lの周囲を被覆する。
Next, as shown in FIG. 5A, a resin material that covers the periphery of the braiding layer B with a longitudinally oriented layer L composed of carbon fibers CF oriented along the longitudinal direction of the
以上の工程を繰り返し行い、ブレーディング層Bと樹脂材Pとにより形成される層、及び長手配向層Lと樹脂材Pとにより形成される層とが複数層ずつ積み重ねられたCFRP素材24を形成する。
By repeating the above steps, a
次に、本製造方法により製造された中空構造体10の作用及び効果について説明する。
Next, the operation and effect of the
本製造方法により製造された中空構造体10では、中空構造体10の長手方向に沿って配向された炭素繊維CFにより構成される長手配向層Lが、中空構造体10の長手方向の剛性を向上させ、中空構造体10の長手方向に対して傾斜する方向に沿って配向された炭素繊維CFにより構成されるブレーディング層Bが、中空構造体10の周方向の剛性の均質性を向上させる。
In the
次に、中空構造体10の製造方法の第3実施例について説明する。
Next, a third embodiment of the method for manufacturing the
まず、中空構造体10の製造方法の第1実施例と同様の方法を用いて、CFRP素材24、26、28を形成し、図6(A)に示すように、CFRP素材24、26、28を組合わせる。
First, the
次に、図6(B)に示すように、組合わされたCFRP素材24、26、28の周囲に、中空構造体10の長手方向に対して交差する方向に(螺旋状に)配向された炭素繊維CFにより構成される交差配向層Cを積層する。
Next, as shown in FIG. 6 (B), carbon that is oriented around the combined
そして、図6(C)に示すように、樹脂材Pにより交差配向層Cを被覆することにより、組合わされたCFRP素材24、26、28の周囲を覆うCFRP素材30を形成する。その後、組合わされたCFRP素材24、26、28、30を、CFRP素材30の外形に合わせた型に嵌め込み、各CFRP素材24、26、28が備えるマンドレルMを、高圧エアーにより膨張させマンドレルMと型とでCFRP素材24、26、28、30を加圧する。また、CFRP素材24、26、28、30を加熱により硬化温度まで昇温させると共に、CFRP素材24の壁部24AとCFRP素材26の壁部26A、CFRP素材24の壁部24BとCFRP素材28の壁部28A、及び、組合わされたCFRP素材24、26、28の外周面とCFRP素材30の内周面を、互いの樹脂材Pを溶融結合させることにより結合する。
Then, as shown in FIG. 6C, the cross-alignment layer C is covered with the resin material P, thereby forming the
次に、本製造方法により製造された中空構造体10の作用及び効果について説明する。
Next, the operation and effect of the
本製造方法により製造された中空構造体10では、CFRP素材30が、組合わされたCFRP素材24、26、28の周囲を被覆していることにより、中空構造体10の断面内側に形成されるリブ20、22のみならず、中空構造体10の外形部をも二重構造に構成できる。よって、中空構造体10の外形部の剛性を向上できると共に、CFRP素材24、26、28の結合面での破壊(剥離)を抑制できる。
In the
以上、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、本実施形態では、各FRP素材の長手方向から見た断面を三角形中空断面とし、中空構造体をトラス断面構造に構成したが、各FRP素材の長手方向から見た断面を六角形中空断面とし、中空構造体をハニカム断面構造に構成する等、中空構造体の長手方向から見た断面を四角形以上の中空断面とし、中空構造体をその他様々な断面構造に構成しても良い。 The present invention has been described in detail with respect to specific embodiments. However, the present invention is not limited to such embodiments, and various other embodiments are possible within the scope of the present invention. It is clear to the contractor. For example, in this embodiment, the cross section viewed from the longitudinal direction of each FRP material is a triangular hollow cross section, and the hollow structure is configured as a truss cross sectional structure, but the cross section viewed from the longitudinal direction of each FRP material is a hexagonal hollow cross section. The cross section viewed from the longitudinal direction of the hollow structure may be a quadrangular or more hollow cross section, and the hollow structure may be configured in various other cross sectional structures.
また、本実施形態では、各FRP素材を製造する方法として、FRPを構成する繊維をマンドレルに編み付けた後、FRPを構成する樹脂により、マンドレルに編み付けられた繊維を被覆するという方法を用いたが、FRPを構成する樹脂を、FRPを構成する繊維に含浸させ、該繊維をマンドレルに編み付けるという方法を用いることも可能である。 Further, in the present embodiment, as a method for manufacturing each FRP material, a method is used in which fibers constituting the FRP are knitted on the mandrel and then the fibers knitted on the mandrel are covered with a resin constituting the FRP. However, it is also possible to use a method of impregnating the resin constituting the FRP into the fiber constituting the FRP and knitting the fiber on the mandrel.
さらに、本実施形態では、本発明を、ルーフサイドレール、フロントピラー、及びリアピラーに適用したが、本発明は、例えば、ロッカやサイドメンバ等の他の車体用中空構造体や、車体以外の物に備えられる中空構造体にも適用可能である。 Furthermore, in the present embodiment, the present invention is applied to a roof side rail, a front pillar, and a rear pillar. However, the present invention is not limited to a hollow structure for a vehicle body such as a rocker or a side member, or an object other than a vehicle body. The present invention can also be applied to a hollow structure provided in the above.
10 中空構造体
20 リブ(共有する辺)
22 リブ(共有する辺)
24 CFRP素材(FRP素材)
26 CFRP素材(FRP素材)
28 CFRP素材(FRP素材)
B ブレーディング層(傾斜配向層)
C 交差配向層
CF 炭素繊維(繊維)
L 長手配向層
P 樹脂材(樹脂)
10
22 ribs (shared side)
24 CFRP material (FRP material)
26 CFRP material (FRP material)
28 CFRP material (FRP material)
B Braiding layer (gradient alignment layer)
C Cross alignment layer CF Carbon fiber (fiber)
L Longitudinal orientation layer P Resin material (resin)
Claims (4)
前記FRP素材は、その長手方向に見た断面形状が多角形状とされていると共に、一の前記FRP素材と他の前記FRP素材とが共有する辺で結合されていることを特徴とする中空構造体。 It is configured by combining a plurality of FRP materials each formed in a hollow long shape and combining them together.
The FRP material has a polygonal cross-sectional shape when viewed in the longitudinal direction, and is joined by a side shared by one FRP material and another FRP material. body.
一の前記FRP素材と他の前記FRP素材とが共有する辺で、接着剤により、または成形時に互いの樹脂が結合されることにより結合されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の中空構造体。 The FRP material includes a longitudinal alignment layer in which fibers are aligned along the longitudinal direction of the FRP material, and an inclined alignment layer in which fibers are aligned along a direction in which the fibers are inclined with respect to the longitudinal direction of the FRP material. Has a laminated structure,
3. The side shared by one FRP material and the other FRP material is bonded by an adhesive or by mutual resin bonding at the time of molding. The hollow structure according to 1.
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