JP2015160524A

JP2015160524A - 自動車の車体構造

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Publication number: JP2015160524A
Application number: JP2014037066A
Authority: JP
Inventors: 飛田　一紀; Kazunori Hida; 一紀飛田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-09-07
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: JP6235375B2

Abstract

【課題】車体外部からの荷重の入力時に引張側となる金属製の中空フレームの壁部をＣＦＲＰ製の補強材で効果的に補強する。【解決手段】側面衝突の衝突荷重の入力時に引張側となる金属製のＢピラー１３の車幅方向内壁部１８ｂに接着されるＣＦＲＰ製の補強材１９は、Ｂピラー１３の長手方向に沿って配向された厚さが０．８ｍｍ以上の連続炭素繊維層２２を含むので、厚さ１．８ｍｍ、引張強度９８０ＭＰａの高張力鋼と同等の耐荷重を薄くて軽量なＣＦＲＰ製の補強材１９で得ることができるだけでなく、引張荷重が集中する場所だけに補強材１９を貼り付ければよいので、高価な炭素繊維の使用量を減らしてコストおよび重量の増加を最小限に抑えることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、車体外部からの荷重の入力時に引張側となる金属製の中空フレームの壁部にＣＦＲＰ製の補強材を接着する自動車の車体構造に関する。

金属板とＣＦＲＰ板とをエポキシ系発泡樹脂で接着することで、短期間で製造が可能であり、加熱硬化後のそりの発生を抑制することができ、かつ補強効果に優れた金属樹脂複合構造体を得るものが、下記特許文献１により公知である。

また未硬化繊維強化樹脂（プリプレグ）と鋼板とを貼り合わせたものを所定形状にプレス成形し、次いでプリプレグを挟んで鋼板に被溶接物を溶接した後にプリプレグを硬化させることで、プリプレグのプレス成形および鋼板のプレス成形を一工程で完了させるものが、下記特許文献２により公知である。

特開２００７−１９６５４５号公報特開２００９−１７８９９７号公報

ところで、上記特許文献１、２に記載されたものは、鋼板に貼り合わされるＣＦＲＰの連続炭素繊維の配向方向やＣＦＲＰの厚さについて開示しておらず、引張強度に優れた連続炭素繊維の特性を充分に活かしきれないだけでなく、更なる強度増加や軽量化の余地を残している。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、車体外部からの荷重の入力時に引張側となる金属製の中空フレームの壁部をＣＦＲＰ製の補強材で効果的に補強することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、車体外部からの荷重の入力時に引張側となる金属製の中空フレームの壁部にＣＦＲＰ製の補強材を接着する自動車の車体構造であって、前記補強材は前記中空フレームの長手方向に沿って配向された厚さが０．８ｍｍ以上の連続炭素繊維層を含むことを特徴とする自動車の車体構造が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記中空フレームの壁部は、Ｂピラーの上下方向中間部の車幅方向内面、サイドシルの前後方向中間部の車幅方向内面あるいはルーフアーチの車幅方向外端部の下面であることを特徴とする自動車の車体構造が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記補強材は前記中空フレームの長手方向に直交する方向に配向された直交連続炭素繊維層を含み、前記連続炭素繊維層は前記直交連続炭素繊維層より厚さを大きくし、前記連続炭素繊維層は前記直交連続炭素繊維層を挟んで厚さ方向に対称に配置されることを特徴とする自動車の車体構造が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記補強材は前記中空フレームの壁部に発泡性接着剤で接着されることを特徴とする自動車の車体構造が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、前記中空フレームの壁部に接着したＣＦＲＰの未硬化のプリプレグを乾燥炉の熱で硬化させることで前記補強材を成形することを特徴とする自動車の車体構造が提案される。

尚、実施の形態のサイドシル１１、Ｂピラー１３およびフロントルーフアーチ１６は本発明の中空フレームに対応し、更にフロントルーフアーチ１６は本発明のルーフアーチにも対応し、実施の形態の車幅方向内壁部１８ｂは本発明の壁部に対応する。

請求項１の構成によれば、車体外部からの荷重の入力時に引張側となる金属製の中空フレームの壁部に接着されるＣＦＲＰ製の補強材は、中空フレームの長手方向に沿って配向された厚さが０．８ｍｍ以上の連続炭素繊維層を含むので、厚さ１．８ｍｍ、引張強度９８０ＭＰａの高張力鋼と同等の耐荷重を薄くて軽量なＣＦＲＰ製の補強材で得ることができるだけでなく、引張荷重が集中する場所だけに補強材を貼り付ければよいので、高価な炭素繊維の使用量を減らしてコストおよび重量の増加を最小限に抑えることができる。

また請求項２の構成によれば、中空フレームの壁部は、Ｂピラーの上下方向中間部の車幅方向内面、サイドシルの前後方向中間部の車幅方向内面あるいはルーフアーチの車幅方向外端部の下面であるので、衝突荷重が入力したときに強い引張荷重が作用する部分を補強材で効果的に補強することができる。

また請求項３の構成によれば、補強材は中空フレームの長手方向に直交する方向に配向された直交連続炭素繊維層を含み、連続炭素繊維層は直交連続炭素繊維層より厚さを大きくし、連続炭素繊維層は直交連続炭素繊維層を挟んで厚さ方向に対称に配置されるので、直交連続炭素繊維層により中空フレームの長手方向に直交する方向の引張荷重を支持できるだけでなく、連続炭素繊維層を構成する連続繊維がばらばらにならないように拘束して強度低下を防止することができる。

また請求項４の構成によれば、補強材は中空フレームの壁部に発泡性接着剤で接着されるので、金属製の中空フレームとＣＦＲＰ製の補強材との熱膨張率の差を発泡性接着剤で吸収することで、高温環境下での補強材の剥がれを防止することができる。

また請求項５の構成によれば、中空フレームの壁部に接着したＣＦＲＰの未硬化のプリプレグを乾燥炉の熱で硬化させるので、曲面よりなる中空フレームの壁部に沿う形状の補強材を特別の金型を必要とせず容易に成形することが可能となって生産性が向上するだけでなく、プリプレグの含浸樹脂を接着剤として利用して補強材を中空フレームの壁部に貼り付けることができる。

自動車の車体フレームの部分斜視図。（第１の実施の形態）図１の２部分解斜視図。（第１の実施の形態）補強材の連続炭素繊維層および直交連続炭素繊維層の積層状態の説明図。（第１の実施の形態）図１の４−４線拡大断面図。（第１の実施の形態）Ｂピラーの曲げ強度を示すグラフ。（第１の実施の形態）図１の６−６線断面図。（第１の実施の形態）図４に対応する図。（第２の実施の形態）

第１の実施の形態

以下、図１〜図６に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。尚、本明細書において、前後方向、左右方向（車幅方向）、上下方向とは、運転席に着座した乗員を基準として定義される。

図１に示すように、自動車の車体フレームは、左右一対のサイドシル１１，１１を備えており、サイドシル１１，１１の前端から左右一対のＡピラーロア１２，１２が立ち上がるとともに、サイドシル１１，１１の前後方向中間部から左右一対のＢピラー１３，１３が立ち上がる。Ａピラーロア１２，１２の上端に接続された左右一対のＡピラーアッパー１４，１４の後端から後方に延びる左右一対のルーフサイドレール１５，１５にはＢピラー１３，１３の上端が接続され、左右のルーフサイドレール１５，１５の前端間が車幅方向に延びるフロントルーフアーチ１６の両端に接続される。

図１および図２に示すように、Ｂピラー１３はハット状断面の鋼板よりなるアウターパネル１７と、ハット状断面の鋼板よりなるインナーパネル１８とを、それらの接合フランジ１７ａ，１７ａ，１８ａ，１８ａどうしを溶接Ｗすることで閉断面に構成される。そしてインナーパネル１８の車幅方向内壁部１８ｂにＣＦＲＰ（カ−ボン繊維強化樹脂）製の補強材１９がエポキシ樹脂系の発泡性接着剤２０で貼り付けられる。

図３および図４に示すように、補強材１９は、連続炭素繊維２１…を一方向に引き揃えてシート状にしたＵＤを未硬化の熱硬化性マトリクス樹脂内に埋設したプリプレグを１０層に積層して構成される。１０層のプリプレグのうち、積層方向両側の各４層は連続炭素繊維２１…の配向方向がＢピラー１３の長手方向（上下方向）に沿っており、これらの８層は連続炭素繊維層２２…を構成する。積層方向中央の２層は連続炭素繊維２１…の配向方向がＢピラー１３の長手方向（上下方向）に対して直交しており、これらの２層は直交連続炭素繊維層２３，２３を構成する。連続炭素繊維層２２および直交連続炭素繊維層２３の各層の厚さは０．１ｍｍであり、よって補強材１９のトータルの厚さは１．０ｍｍとなり、連続炭素繊維層２２…と直交連続炭素繊維層２３，２３との厚さの比率は４：１となる。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

Ｂピラー１３のインナーパネル１８の車幅方向内壁１８ｂに、プリプレグが未硬化の状態の補強材１９を発泡性接着剤２０の粘着性を利用して仮止めする。このとき、未硬化のプリプレグは柔軟性を有するため、曲面よりなるインナーパネル１８の車幅方向内壁１８ｂに容易に馴染ませることができる。次に、車体を乾燥炉に入れて加熱するとプリプレグが硬化して補強材１９が所定形状に成形されると同時に、発泡性接着剤２０が硬化してインナーパネル１８の車幅方向内壁部１８ｂに補強材１９を強固に接着する。このように、Ｂピラー１３のインナーパネル１８の車幅方向内壁部１８ｂに接着した未硬化の補強材１９を乾燥炉の熱で硬化させるので、曲面よりなるインナーパネル１８の車幅方向内壁部１８ｂに沿う形状の補強材１９を特別の金型を必要とせず容易に成形することが可能となって生産性が向上する。

鋼板製のインナーパネル１８の熱膨張率ａは、ＣＦＲＰ製の補強材１９の熱膨張率ｂよりも大きいため、温度変化に伴うインナーパネル１８および補強材１９の熱膨張量の差によってインナーパネル１８から補強材１９が剥がれ易くなるが、本実施の形態によれば、硬化後も柔軟性を失わない発泡性接着剤２０によって前記熱膨張量の差を吸収することで、インナーパネル１８からの補強材１９の剥がれを確実に防止することができる。

さて、車両が側面衝突を受けてＢピラー１３に衝突荷重が入力すると、Ｂピラー１３が車室側に湾曲するように変形するため、車幅方向外側のアウターパネル１７に圧縮荷重が作用し、車幅方向内側のインナーパネル１８に引張荷重が作用する。引張荷重が作用するインナーパネル１８の車幅方向内壁部１８ｂは長手方向に引き延ばされるように変形するが、その車幅方向内壁部１８ｂに貼り付けた補強材１９は連続炭素繊維２１…を前記長手方向に配向した８層の連続炭素繊維層２２…を備えるため、引張荷重に強い連続炭素繊維２１…でインナーパネル１８の伸び変形を阻止することで、衝突荷重によるＢピラー１３の車室側への変形を最小限に抑えることができる。

また補強材１９が連続炭素繊維層２２…だけを備えると、連続炭素繊維２１…がばらばらになって強度が低下する可能性があるが、補強材１９の厚さ中央に２層の直交連続炭素繊維層２３，２３を挟んだので、直交連続炭素繊維層２３，２３によって連続炭素繊維層２２…の連続炭素繊維２１…がばらばらになるのを防止して補強材１９の強度を確保することができるだけでなく、Ｂピラー１３のインナーパネル１８の長手方向に直交する方河の伸び変形を直交連続炭素繊維層２３，２３によって効果的に阻止することができる。特に、中央の直交連続炭素繊維層２３，２３と、その両側の各４層の連続炭素繊維層２２…とは補強材１９の厚さ方向に対称に配置されるので、少ない層数の直交連続炭素繊維層２３，２３で連続炭素繊維層２２…の連続炭素繊維２１…がばらばらになるのを効果的に防止することができる。

図５は、補強材１９の補強効果を示すグラフであり、横軸はＢピラー１３の変形ストローク、縦軸はＢピラー１３の曲げ強度である。破線は補強部材を持たない第１比較例のＢピラー１３に対応し、鎖線は厚さ１．８ｍｍ、引張強度９８０ＭＰａの高張力鋼の補強材をインナーパネル１８に貼り付けた第２比較例のＢピラー１３に対応し、実線は本発明の補強材１９を貼り付けた実施の形態のＢピラー１３に対応する。

実施の形態のＢピラー１３の曲げ強度は、補強材を持たない第１比較例のＢピラー１３よりも高く、厚さ１．８ｍｍの高張力鋼の補強材を持つ第２比較例のＢピラー１３と同等であることが分かる。

以上のように、本実施の形態によれば、厚さ０．８ｍｍ以上の連続炭素繊維層２２…を含む補強材１９により、厚さ１．８ｍｍ、引張強度９８０ＭＰａの高張力鋼の補強材と同等の耐荷重を得ることができるので、車体重量の増加を最小限に抑えながらＢピラー１３を効果的に補強することができる。しかも引張荷重が集中する場所だけに補強材１９を貼り付ければよいので、高価な炭素繊維の使用量を減らしてコストおよび重量の増加を最小限に抑えることができる。

このような構造の補強材１９は、上述したＢピラー１３のインナーパネル１８以外に、車体フレームの各部に取り付けることができる。

例えば、図１において、サイドシル１１の前後方向中央部の車幅方向内壁部に、連続炭素繊維２１…を前後方向に配向した連続炭素繊維層２２…を有する補強材１９を貼り付ければ、サイドシル１１に側面衝突の衝突荷重が入力して車幅方向内壁部に引張荷重が作用したときに、その引張荷重を補強材１９で支持してサイドシル１１の変形を最小限に抑えることができる。

またフロントルーフアーチ１６の車幅方向両端部の下壁部に、連続炭素繊維２１…を車幅方向に配向した連続炭素繊維層２２…を有する補強材１９を貼り付ければ、車両が横転して車体上部から入力する荷重によりフロントルーフアーチ１６の下壁部に引張荷重が作用したときに、その引張荷重を補強材１９で支持してフロントルーフアーチ１６の変形を最小限に抑えることができる。

また図１および図６から明らかなように、フロントルーフアーチ１６の車幅方向外端およびＡピラーアッパー１４の後端に接続されるルーフサイドレール１５は、アウターパネル２４およびインナーパネル２５をスチフナ２６を挟んで溶接した閉断面に構成され、インナーパネル２５の内壁部に連続炭素繊維層２２…を前後方向に配向した補強材１９が貼り付けられる。これにより、車両が横転して車体上部から入力する荷重によりルーフサイドレール１５の内壁部に引張荷重が作用したときに、その引張荷重を補強材１９で支持することで、Ａピラーアッパー１４の後端から後方に延びるルーフサイドレール１５の変形を最小限に抑えることができる。

第２の実施の形態

次に、図７に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

第１の実施の形態では、Ｂピラー１３のインナーパネル１８と補強材１９とを発泡性接着剤２０を介して接着しているが、第２の実施の形態は、補強材１９の１０層のプリプレグのうち、Ｂピラー１３のインナーパネル１８に近い側の任意数のプリプレグの連続炭素繊維２１…に対する含浸樹脂（マトリクス樹脂）の比率を高くし、この含浸樹脂が熱硬化する際の接着力でインナーパネル１８に接着するものである。このように、プリプレグの含浸樹脂を接着剤として利用することで、特別の接着剤が不要になって製造コストが削減される。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態の補強材１９は８層の連続炭素繊維層２２…および２層の直交連続炭素繊維層２３，２３を備えているが、連続炭素繊維層２２…および直交連続炭素繊維層２３，２３の層数は実施の形態に限定されず、連続炭素繊維層２２…のトータルの厚さが０．８ｍｍ以上であれば高張力鋼の補強材と同等以上の補強効果を得ることができる。

また本発明が適用可能な中空フレームは、実施の形態のＢピラー１３、サイドシル１１およびフロントルーフアーチ１６に限定されるものではない。

また実施の形態では補強材１９を中空フレームの車幅方向内壁部の外面（閉断面の外側面）に貼り付けているが、それを内面（閉断面の内側面）に貼り付けても良い。

また本発明のルーフアーチは、実施の形態のフロントルーフアーチ１６に限定されず、ミドルルーフアーチやリヤルーフアーチであっても良い。

１１サイドシル（中空フレーム）
１３Ｂピラー（中空フレーム）
１６フロントルーフアーチ（ルーフアーチあるいは中空フレーム）
１８ｂ車幅方向内壁部（壁部）
１９補強材
２０発泡性接着剤
２２連続炭素繊維層
２３直交連続炭素繊維層

Claims

車体外部からの荷重の入力時に引張側となる金属製の中空フレーム（１１，１３，１６）の壁部（１８ｂ）にＣＦＲＰ製の補強材（１９）を接着する自動車の車体構造であって、
前記補強材（１９）は前記中空フレーム（１１，１３，１６）の長手方向に沿って配向された厚さが０．８ｍｍ以上の連続炭素繊維層（２２）を含むことを特徴とする自動車の車体構造。
前記中空フレーム（１１，１３，１６）の壁部（１８ｂ）は、Ｂピラー（１３）の上下方向中間部の車幅方向内面、サイドシル（１１）の前後方向中間部の車幅方向内面あるいはルーフアーチ（１６）の車幅方向外端部の下面であることを特徴とする、請求項１に記載の自動車の車体構造。
前記補強材（１９）は前記中空フレーム（１１，１３，１６）の長手方向に直交する方向に配向された直交連続炭素繊維層（２３）を含み、前記連続炭素繊維層（２２）は前記直交連続炭素繊維層より厚さを大きくし、前記連続炭素繊維層（２２）は前記直交連続炭素繊維層（２３）を挟んで厚さ方向に対称に配置されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の自動車の車体構造。
前記補強材（１９）は前記中空フレーム（１１，１３，１６）の壁部（１８ｂ）に発泡性接着剤（２０）で接着されることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の自動車の車体構造。
前記中空フレーム（１１，１３，１６）の壁部（１８ｂ）に接着したＣＦＲＰの未硬化のプリプレグを乾燥炉の熱で硬化させることで前記補強材（１９）を成形することを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の自動車の車体構造。