JP5916173B2 - 繊維強化樹脂製衝撃受け部材および衝撃受け部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続繊維強化樹脂製の外層部と不連続繊維強化樹脂製の内層部とを備える繊維強化樹脂製衝撃受け部材と、その衝撃受け部材の製造方法とに関する。

自動車の繊維強化樹脂製のバンパービームをプレス成形するためのスタンパブルシートを、一方向に引き揃えた補強長繊維と長繊維マットとに熱可塑性樹脂を含浸せしめて構成したものが、下記特許文献１により公知である。

また強度を優先する部位を連続繊維強化樹脂で構成し、成形性を優先する部位を不連続繊維強化樹脂で構成することで強度および成形性を両立させるものが、下記特許文献２により公知である。

また平均長さが７ｍｍ〜５０ｍｍのガラス繊維を３０〜８０重量％含むガラス繊維強化樹脂を予熱後にプレスしてリブを有する製品を成形する際に、リブの幅Ｗおよび高さＨの関係がＨ／Ｗ≦５を満たすように設定することで、リブにおけるガラス繊維の配向方向を該リブに長手方向に揃えるものが、下記特許文献３により公知である。

日本特開昭６２−２４０５１４号公報 日本特開２００５−３２４３４０号公報 日本特開平６−２９３０３６号公報

ところで、衝突荷重が入力するバンパービームのような衝撃受け部材を繊維強化樹脂で製造する場合、その本体部を強度が高い連続繊維強化樹脂で成形し、その補強リブ等を成形性が高い不連続繊維強化樹脂で成形することが考えられる。

しかしながら、上記特許文献１に記載されたものは、補強長繊維を含む連続繊維強化樹脂を内層に配置し、長繊維マットを含む不連続繊維強化樹脂を外層に配置しただけであり、連続繊維強化樹脂および不連続繊維強化樹脂を部位に応じて使い分けていないため、両繊維強化樹脂の特性を充分に活かし切れない問題がある。

また特許文献２に記載されたものは、不連続繊維強化樹脂に含まれる不連続繊維の配向方向がランダムであって一方向に整列していないため、それをバンパービーム等の衝撃受け部材に適用した場合に、不連続繊維強化樹脂に充分な衝突エネルギーの吸収効果を発揮させるのが難しいという問題がある。

また特許文献３に記載されたものは、リブにおけるガラス繊維の配向方向が該リブの長手方向に沿っているため、それをバンパービームの補強リブに適用したとしても、ガラス繊維の配向方向を衝突荷重の入力方向に一致させることができず、充分な衝突エネルギーの吸収効果を発揮させるのが難しいという問題がある。しかもリブの幅Ｗおよび高さＨの関係がＨ／Ｗ≦５を満たすように設定することが必要であるため、リブの設計自由度に大きな制約が加わる問題がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、連続繊維強化樹脂および不連続繊維強化樹脂を組み合わせた衝撃受け部材に、充分な曲げ強度およびエネルギー吸収性能を持たせることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、衝撃受け部材が、衝突荷重の入力方向を向く底壁の両端縁に一対の側壁が連なる、衝突荷重の入力方向に開口したＵ字状断面ないしコ字状断面に形成された連続繊維強化樹脂製の外層部と、前記外層部の内表面に積層されるとともに前記底壁および前記一対の側壁に接続する複数の縦リブを構成する不連続繊維強化樹脂製の内層部とを備えていて、少なくとも一部の前記縦リブの外端縁に、前記底壁に向かってコ字状に凹んだ切欠きが形成されており、前記外層部は前記衝撃受け部材の長手方向に配向された連続繊維を含み、前記内層部の、前記縦リブを構成する部分は、衝突荷重の入力方向に配向された繊維長が３５ｍｍ〜５０ｍｍの不連続繊維の長繊維を含むと共に、前記内層部の、前記底壁内表面に積層される部分は、配向方向がランダムで且つ繊維長が３５ｍｍ〜５０ｍｍの不連続繊維の長繊維を含むことを特徴とする繊維強化樹脂製衝撃受け部材が提案される。

また本発明によれば、前記第１の特徴に加えて、前記縦リブの衝突荷重の入力方向の高さは前記外層部の衝突荷重の入力方向の高さよりも大きいことを第２の特徴とする繊維強化樹脂製衝撃受け部材が提案される。

また本発明によれば、前記第１または第２の特徴に加えて、前記内層部は前記縦リブに対して交差する横リブを備えることを第３の特徴とする繊維強化樹脂製衝撃受け部材が提案される。

また本発明によれば、前記第１〜第３の何れか１つの特徴に加えて、前記衝撃受け部材はサイドシルの前端に連なるフロントピラーロアの内部に配置されることを第４の特徴とする繊維強化樹脂製衝撃受け部材が提案される。

また本発明によれば、前記第１の特徴に加えて、前記衝撃受け部材は車幅方向に配置されたバンパービームであり、前記バンパービームの車幅方向両端部は、衝突荷重の入力方向に延びる筒状の衝撃吸収部を有するバンパービームエクステンションを介して車体フレームに支持され、前記バンパービームの縦リブは前記衝撃吸収部の側壁部の延長線上あるいは中心線上に配置されることを第５の特徴とする繊維強化樹脂製衝撃受け部材が提案される。

また本発明によれば、前記第５の特徴に加えて、前記側壁の衝突荷重の入力方向の高さは車幅方向外側で車幅方向中央側よりも小さく、前記縦リブの衝突荷重の入力方向の高さは車幅方向外側および車幅方向中央側で同一であることを第６の特徴とする繊維強化樹脂製衝撃受け部材が提案される。

また本発明によれば、前記第５又は第６の特徴に加えて、前記バンパービームは平面視で二等辺三角形状であり、その衝突荷重の入力方向の幅は車幅方向中央で最大で車幅方向両端で最小であることを第７の特徴とする繊維強化樹脂製衝撃受け部材が提案される。

また本発明によれば、前記第１〜第７の何れか１つに記載の衝撃受け部材の製造方法であって、雌型上に前記外層部を構成する連続繊維プリプレグを予備加熱した状態で配置するとともに、前記連続繊維プリプレグ上に前記内層部を構成する不連続繊維プリプレグを予備加熱した状態で配置する工程と、前記縦リブを成形する溝が形成され雄型と前記雌型とで前記連続繊維プリプレグおよび前記不連続繊維プリプレグを加圧して前記衝撃受け部材を成形する工程とを備えることを第８の特徴とする衝撃受け部材の製造方法が提案される。

また本発明によれば、前記第８の特徴に加えて、前記雄型の溝は衝突荷重の入力方向に見て波形に湾曲することを第９の特徴とする衝撃受け部材の製造方法が提案される。

また本発明によれば、前記第８または第９の特徴に加えて、前記雄型の溝の開口端に溝幅が拡大する拡幅部が形成されることを第１０の特徴とする衝撃受け部材の製造方法が提案される。

尚、実施の形態のバンパービーム１８，４９は本発明の衝撃受け部材に対応し、実施の形態の縦溝２８ｃは本発明の溝に対応し、実施の形態のフロントサイドフレーム前部４４は本発明の車体フレームに対応し、実施の形態の第１閉断面部４８ａ、第２閉断面部４８ｂおよび第３閉断面部４８ｃは本発明の衝撃吸収部に対応する。

本発明の第１の特徴によれば、衝撃受け部材は、衝突荷重の入力方向を向く底壁の両端縁に一対の側壁が連なるＵ字状断面ないしコ字状断面に形成された連続繊維強化樹脂製の外層部と、外層部の内表面に積層されるとともに底壁および一対の側壁に接続する複数の縦リブを構成する不連続繊維強化樹脂製の内層部とを備える。外層部は衝撃受け部材の長手方向に配向された連続繊維を含み、内層部の、縦リブを構成する部分は衝突荷重の入力方向に配向された長さ３５ｍｍ〜５０ｍｍの不連続繊維の長繊維を含むので、衝突荷重の入力による衝撃受け部材の曲がりを長手方向に配向された連続繊維を含む外層部により抑制するともに、オフセット衝突時の衝撃受け部材の口開きや捩じれを底壁および側壁に接続する内層部の複数の縦リブにより抑制することができ、しかも内層部の、縦リブを構成する部分は衝突荷重の入力方向に配向された長さ３５ｍｍ〜５０ｍｍの長繊維を含むので、長繊維の長さを有効に活かして衝突エネルギーの吸収量を増加させることができる。

また本発明の第２の特徴によれば、縦リブの衝突荷重の入力方向の高さは外層部の衝突荷重の入力方向の高さよりも大きいので、縦リブを外層部に優先して圧壊することでエネルギー吸収性能を高めることができる。

また本発明の第３の特徴によれば、内層部は縦リブに対して交差する横リブを備えるので、縦リブおよび横リブが相互に支え合って倒れを防止することで、それらを確実に圧壊してエネルギー吸収性能を高めることができる。

また本発明の第４の特徴によれば、衝撃受け部材はサイドシルの前端に連なるフロントピラーロアの内部に配置されるので、車両が前面衝突してフロントピラーロアに入力した衝突荷重を、衝撃受け部材により効果的に吸収するとともにサイドシルに効率的に伝達して分散することができる。

また本発明の第５の特徴によれば、衝撃受け部材は車幅方向に配置されたバンパービームであり、そのバンパービームの車幅方向両端部は、衝突荷重の入力方向に延びる筒状の衝撃吸収部を有するバンパービームエクステンションを介して車体フレームに支持され、バンパービームの縦リブは衝撃吸収部の側壁部の延長線上あるいは中心線上に配置されるので、バンパービームから入力される衝突荷重をバンパービームエクステンションの衝撃吸収部に確実に伝達し、バンパービームエクステンションにおけるエネルギー吸収性能を高めることができる。

また本発明の第６の特徴によれば、側壁の衝突荷重の入力方向の高さは車幅方向外側で車幅方向中央側よりも小さいので、バンパービームの形状を車体前部の形状に無理なく沿わせることができるだけでなく、縦リブの衝突荷重の入力方向の高さは車幅方向外側および車幅方向中央側で同一であるので、長繊維を含む縦リブを容易にプレス成形することができる。

また本発明の第７の特徴によれば、バンパービームは平面視で二等辺三角形状であり、その衝突荷重の入力方向の幅は車幅方向中央で最大で車幅方向両端で最小であるので、前面衝突時に衝突荷重をバンパービームの車幅方向中央部に入力させ、衝突荷重をバンパービームの車幅方向全域で効果的に吸収することができる。

また本発明の第８の特徴によれば、雌型上に外層部を構成する連続繊維プリプレグを予備加熱した状態で配置するとともに、連続繊維プリプレグ上に内層部を構成する不連続繊維プリプレグを予備加熱した状態で配置し、縦リブを成形する溝が形成されたコアを有する雄型と雌型とで連続繊維プリプレグおよび不連続繊維プリプレグを加圧して衝撃受け部材を成形するので、プレス加工のみで連続繊維強化樹脂製の外層部と不連続繊維強化樹脂製の内層部とを一体に備える衝撃受け部材を成形できるだけでなく、不連続繊維プリプレグが雄型の溝内に流入する際に不連続繊維プリプレグの長繊維を衝突荷重の入力方向に自動的に整列させることができる。

また本発明の第９の特徴によれば、雄型のコアの溝は衝突荷重の入力方向に見て波形に湾曲するので、長繊維を含む不連続繊維プリプレグがコアの溝内に流入したときに、長繊維は波形に湾曲する溝内を流動抵抗が小さい方向に直線状に流れ、衝突荷重の入力方向に効率的に配向される。

また本発明の第１０の特徴によれば、コアの溝の開口端に溝幅が拡大する拡幅部が形成されるので、長繊維を含む不連続繊維プリプレグはコアの溝内にスムーズに流入し、長繊維が衝突荷重の入力方向に効率的に配向される。

図１は自動車の車体前部の平面図である。（第１の実施の形態） 図２は図１の２方向矢視図である。（第１の実施の形態） 図３は図２の３Ａ−３Ａ線、３Ｂ−３Ｂ線および３Ｃ−３Ｃ線断面図である。（第１の実施の形態） 図４は図２の４部拡大図である。（第１の実施の形態） 図５は図２の５−５線断面図である。（第１の実施の形態） 図６はバンパービームの成形工程の説明図である。（第１の実施の形態） 図７は図１の７−７線断面図である。（第１の実施の形態） 図８は衝撃受け部材３５の斜視図である。（第１の実施の形態） 図９はバンパービームへの衝突荷重の入力時の作用説明図である。（第１の実施の形態） 図１０はリブの引張強度のテストピースの取り方を説明する図である。（第１の実施の形態）） 図１１はリブの引張強度のテスト結果を示すグラフである。（第１の実施の形態） 図１２は不連続繊維の整列方向のイメージ図である。（第１の実施の形態） 図１３は湾曲した縦リブを有するバンパービームを示す図である。（第２の実施の形態） 図１４は自動車の車体前部の平面図である。（第３の実施の形態） 図１５は図１４の１５方向矢視図である。（第３の実施の形態） 図１６は図１４の１６―１６線断面図である。（第３の実施の形態） １７は図１４の１７―１７線断面図である。（第３の実施の形態）

１３ サイドシル
１８ バンパービーム（衝撃受け部材）
２１ 外層部
２１ａ 底壁
２１ｂ 側壁
２１ｃ 側壁
２２ 内層部
２２ｂ 横リブ
２２ｃ 縦リブ
２７ 雌型
２８ 雄型
２８ｃ 縦溝（溝）
２８ｄ 拡幅部
２９ 連続繊維プリプレグ
３０ 不連続繊維プリプレグ
３１ 連続繊維
３２ 不連続繊維
３４ フロントピラーロア
３５ 衝撃受け部材
４４ フロントサイドフレーム前部（車体フレーム）
４８ バンパービームエクステンション
４８ａ 第１閉断面部（衝撃吸収部）
４８ｂ 第２閉断面部（衝撃吸収部）
４８ｃ 第３閉断面部（衝撃吸収部）
４９ バンパービーム（荷重受け部材）
５１ 外層部
５１ａ 底壁
５１ｂ 側壁
５１ｃ 側壁
５２ 内層部
５２ｃ 縦リブ

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

第１の実施の形態

先ず、図１〜図１２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）および上下方向とは、運転席に着座した乗員を基準として定義される。また衝突荷重の入力方向は前後方向である。

図１および図２から明らかなように、繊維強化樹脂製のキャビン１１は、フロアパネル１２、左右一対のサイドシル１３，１３、センタートンネル１４、ダッシュパネル１５等を一体に備える。キャビン１１の前端から左右一対の金属製のフロントサイドフレーム１６，１６が前方に延びており、その前端に左右一対の繊維強化樹脂製のバンパービームエクステンション１７，１７が接続される。左右のバンパービームエクステンション１７，１７の前端部内面に繊維強化樹脂製のバンパービーム１８の車幅方向両端部が接続されるとともに、その前端部外面に繊維強化樹脂製の左右一対のホイールハウスロアメンバ１９，１９の前端部が接続される。左右のバンパービームエクステンション１７，１７の間には、繊維強化樹脂製の四角枠状のフロントバルクヘッド２０が設けられる。

図２〜図４から明らかなように、バンパービーム１８は、連続繊維強化樹脂製の外層部２１と、不連続繊維強化樹脂製の内層部２２とを一体に成形して構成される。連続繊維強化樹脂製の外層部２１は、底壁２１ａおよび一対の側壁２１ｂ，２１ｃを有して前面が開放するコ字状断面の部材であり、上側の側壁２１ｂの前端からはフランジ２１ｄが上向きに突出し、下側の側壁２１ｃの前端からはフランジ２１ｅが下向きに突出する。

不連続繊維強化樹脂製の内層部２２は、外層部２１の底壁２１ａおよび一対の側壁２１ｂ，２１ｃの内面に薄く積層された積層部２２ａ…と、外層部２１の内面を車幅方向に延びる１本の横リブ２２ｂと、横リブ２２ｂに直交して上下方向に延びる複数の縦リブ２２ｃ…と、左右両端に位置する２枚の縦リブ２２ｃ，２２ｃと横リブ２２ｂとが交差する位置に設けられた位置決め孔２２ｄ，２２ｄを有するボス２２ｅ，２２ｅと、横リブ２２ｂの車幅方向外端に接続された板状の端部ブラケット２２ｆ，２２ｆとを備える。横リブ２２ｂの後縁は底壁２１ａに接続され、縦リブ２２ｃ…の後縁および上下縁は底壁２１ａおよび側壁２１ｂ，２１ｃに接続され、各縦リブ２２ｃの前縁にはコ字状に凹む切欠き２２ｇ…が形成される。

図６（Ａ）に示すように、バンパービーム１８をプレス成形する金型２６は、外層部２１の外表面を成形する凹状のキャビティ２７ａを有する雌型２７と、内層部２２の内表面を成形する凸状のコア２８ａを有する雄型２８とからなり、コア２８ａには横リブ２２ｂを成形する横溝２８ｂおよび縦リブ２２ｃ…を成形する縦溝２８ｃ…が形成される。横溝２８ｂおよび縦溝２８ｃ…の開口部には、溝幅がテーパー状に拡大する拡幅部２８ｄ…が形成される。金型２６を型開きした状態で、雌型２７のキャビティ２７ａの上部に連続繊維プリプレグ２９と、不連続繊維プリプレグ３０とが予備加熱した状態で配置される。

プリプレグは、カーボンファイバー、グラスファイバー、アラミドファイバー等の連続繊維よりなる平織や綾織などの織布やＵＤ（連続繊維を一方向に引き揃えたシート）、あるいは不連続繊維のマットを補強材とし、それに半硬化の熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂やポリエステル樹脂等）、あるいは熱可塑性樹脂（ナイロン６やポリプロピレン等の）を含浸させたもので、金型の形状になじむ柔軟性を有している。熱硬化性樹脂の場合、複数枚のプリプレグを積層状態で金型内に挿入して圧力を加えながら例えば１３０°Ｃ程度に加熱すると、熱硬化性樹脂が硬化して繊維強化樹脂製品が得られる。熱可塑性樹脂の場合、予備加熱した複数枚のプリプレグを積層状態で金型内に挿入して加圧成形し、その後冷却すると繊維強化樹脂製品が得られる。

本実施の形態では、連続繊維プリプレグ２９の補強材は前記ＵＤ（連続繊維を一方向に引き揃えたナイロン樹脂シート）であり、不連続繊維プリプレグ３０の補強材は繊維長が３５ｍｍ〜５０ｍｍのランダム配向した長繊維からなる不連続繊維のナイロン樹脂シートである。

続いて、図６（Ｂ）に示すように、雌型２７に対して雄型２８を下降させると、連続繊維プリプレグ２９が雌型２７のキャビティ２７ａと雄型２８のコア２８ａとによってプレスされ、コ字状断面を有するバンパービーム１８の外層部２１が成形される。このとき、不連続繊維プリプレグ３０は容易に変形可能であるため、連続繊維プリプレグ２９と雄型２８のコア２８ａとによって挟まれた不連続繊維プリプレグ３０は、外層部２１の内表面に沿って薄い膜状に積層されて内層部２２の積層部２２ａ…を成形するとともに、コア２８ａの横溝２８ｂおよび縦溝２８ｃ…内に流入し、内層部２２の横リブ２２ｂおよび縦リブ２２ｃ…と、端部ブラケット２２ｆ，２２ｆとを同時に成形する。

続いて、図６（Ｃ）に示すように、金型２６から取り出したバンパービーム１８の外層部２１のフランジ２１ｄ，２１ｅの余剰部分を切断することで、バンパービーム１８を完成する。

図６の金型２６で連続繊維プリプレグ２９および不連続繊維プリプレグ３０をプレス成形することで、図４に示すように、バンパービーム１８の外層部２１、つまり底壁２１ａ、上下の側壁２１ｂ，２１ｃおよび上下のフランジ２１ｄ，２１ｅは、バンパービーム１８の主応力方向である長手方向（車幅方向）に配向した連続繊維３１…のＵＤで補強される。一方、バンパービーム１８の内層部２２、つまり積層部２２ａ…、横リブ２２ｂ、縦リブ２２ｃ…、ボス２２ｅ，２２ｅおよび端部ブラケット２２ｆ，２２ｆは、不連続繊維３２…で補強される。

バンパービーム１８のプレス成形時に、雌型２７上に載置した不連続繊維プリプレグ３０が圧縮されて周縁が金型２６で閉じられるので、雄型２８のコア２８ａ側の横溝２８ｂおよび縦溝２８ｃ…の内部に押し出されて充填されることで、横リブ２２ｂおよび縦リブ２２ｃ…が成形される。これらの横リブ２２ｂおよび縦リブ２２ｃ…は、不連続繊維プリプレグ３０の不連続繊維３２…の長繊維がランダムな配向から一方向（即ち、衝突荷重の入力方向である前後方向）を向いて整列する。その理由は、例えば縦リブ２２ｃ…について説明すると、不連続繊維プリプレグ３０のランダムに配向する不連続繊維３２…の長繊維が溶融樹脂と共に雄型２８の縦溝２８ｃ…に流入するとき、溶融樹脂が冷やされて粘度が低下して不連続繊維３２…との間の抵抗が増加することで、不連続繊維３２…の配向方向が徐々に溶融樹脂の流入方向に変化し、溶融樹脂に含まれる長繊維が流入方向と平行に整列するためと推定される。

このことは、図１０および図１１に示すように、リブ縦方向の引張強度とリブ横方向の引張強度とを比較することで説明できる。つまり、この引張強度の試験により、リブ縦方向のテストピースＴ０の引張強度に対し、リブ横方向のテストピースＴ１，Ｔ２，Ｔ３の引張強度が低いこと、およびリブ横方向のテストピースＴ１，Ｔ２，Ｔ３の引張強度が根本側から先端側に向かって徐々に低下することから、不連続繊維３２…はプリプレグのランダム状態からリブ先端に向けて徐々に衝撃入力方向（溶融樹脂のリブ内への流動方向）に整列すると推定される（図１３参照）。

このとき、雄型２８の横溝２８ｂおよび縦溝２８ｃ…の開口部に拡幅部２８ｄ…が形成されているため（図６（Ａ）参照）、金型２６による成形時に不連続繊維プリプレグ３０が雄型２８の横溝２８ｂおよび縦溝２８ｃ…にスムーズに流入することが可能となり、溶融樹脂に含まれる長繊維が流入方向と平行に整列する作用が促進される。

尚、底壁２１ａに積層される積層部２２ａ…だけは、上述した溶融樹脂の流れが発生しないため、長繊維がランダムに絡み合ったまま状態となる（図４参照）。

図５に示すように、繊維強化樹脂製の左右のバンパービームエクステンション１７，１７は正面視でＳ字状の断面を有しており、左右の端部ブラケット２２ｆ，２２ｆは左右のバンパービームエクステンション１７，１７の車幅方向内面に接着あるいは溶着され、更にリベット３３…で結合される。

図７および図８に示すように、サイドシル１３の前端からフロントピラーロア３４が起立しており、フロントピラーロア３４の内部に繊維強化樹脂製の衝撃受け部材３５が収納される。衝撃受け部材３５は前述したバンパービーム１８と実質的に同じ構造を有するもので、実質的に同じ方法で製造される。

即ち、衝撃受け部材３５は、連続繊維強化樹脂製の外層部２１と不連続繊維強化樹脂製の内層部２２とを一体に備えるもので、外層部２１はく字状に屈曲した底壁２１ａと、底壁２１ａの両側縁に接続された一対の側壁２１ｂ，２１ｃとを有してコ字状断面に構成され、内層部２２は底壁２１ａおよび一対の側壁２１ｂ，２１ｃの内表面を薄く覆う積層部２２ａ…と、底壁２１ａに接続された１枚の横リブ２２ｂと、横リブ２２ｂに直交して底壁２１ａおよび一対の側壁２１ｂ，２１ｃに接続された２枚の縦リブ２２ｃ，２２ｃとで構成される。横リブ２２ｂおよび縦リブ２２ｃ，２２ｃの前後方向の高さは側壁２１ｂ，２１ｃの前後方向の高さよりも高く、よって横リブ２２ｂおよび縦リブ２２ｃ，２２ｃの先端は側壁２１ｂ，２１ｃの先端から衝突荷重の入力方向に突出している。

バンパービーム１８が長手方向を車幅方向に沿わせて配置されるのに対し、衝撃受け部材３５は長手方向を上下方向に沿わせて配置されるが、衝撃受け部材３５の横リブ２２ｂおよび縦リブ２２ｃ，２２ｃは、バンパービーム１８と同様に衝突荷重の入力方向を指向している。そして底壁２１ａの上半部はフロントピラーロア３４の上壁３４ａに接続し、底壁２１ａの下半部はサイドシル１３の前端に設けたバルクヘッド３６に接続し、横リブ２２ｂおよび縦リブ２２ｃ，２２ｃの先端はホイールハウスを構成するフロントピラーロア３４の前壁３４ｂに接続する。

次に、上記構成を備えた本発明の第１の実施の形態の作用を説明する。

車両が前面衝突して前方からバンパービーム１８に衝突荷重が入力したとき、外層部２１の連続繊維３１…を車幅方向に配置することで、バンパービーム１８に高い曲げ強度を与えることができる。即ち、図９（Ａ）に示すように、リブを持たない単純なコ字状断面のバンパービーム１８が前面衝突して鎖線の状態に変形した場合、底壁２１ａに引張応力が作用し、図９（Ｂ）に示すように、上下の側壁２１ｂ，２１ｃの前部は口開き方向に変形しようとする。その理由は、バンパービーム１８はコ字状断面のために前壁がなく、圧縮応力が作用し難いからである。従って、連続繊維３１…を主応力方向（車幅方向）に配置することで、前面衝突時の曲げ変形に対するバンパービーム１８の強度を高め、かつバンパービーム１８の底壁２１ａおよび上下の側壁２１ｂ，２１ｃを縦リブ２２ｃ…で接続することで、バンパービーム１８は口開きせずに大きな反力を発生しながら後退して衝撃を吸収することができる。

またバンパービーム１８に上下方向にオフセットした衝突荷重が入力した場合には、図９（Ｃ）に示すように、バンパービーム１８が捩じり変形してしまうが、本実施の形態によれば、バンパービーム１８の底壁２１ａおよび上下の側壁２１ｂ，２１ｃを縦リブ２２ｃ…で接続することで、バンパービーム１８を閉断面化したり、４５°傾斜した連続繊維を追加したりする重量やコストの嵩む補強を行うことなく、捩じり変形に対する剛性を充分に高めることができる。この縦リブ２２ｃ…には、口開き変形の際に不連続繊維３２…の配列方向と直交する方向の引張応力が加わるが、樹脂が延びることで吸収される。

またバンパービーム１８に更に大きな衝突荷重が入力すると、内層部２２の縦リブ２２ｃ…が不連続繊維３２…および樹脂の剥離を伴いながら圧壊することで、衝突エネルギーを吸収する。このとき、内層部２２の縦リブ２２ｃ…の不連続繊維３２…の長繊維は衝突荷重の入力方向に整列しているので、長繊維の長さを有効に利用して不連続繊維３２…および樹脂を剥離させることで、圧壊時のエネルギー吸収量を増加させることができる。

また単純なコ字状断面を有するバンパービーム１８の外層部２１の繊維強化樹脂を強度の高い連続繊維３１…で補強し、複雑な形状を有するために連続繊維３１…で成形することが困難なボス２２ｅ，２２ｅを、成形の自由度が高い不連続繊維３２…を用いて横リブ２２ｂおよび縦リブ２２ｃ…の交差部に形成したので、バンパービーム１８の強度およびボス２２ｅ，２２ｅの成形性を両立させることができる。しかも連続繊維３１…を含む連続繊維プリプレグ２９および不連続繊維３２…を含む不連続繊維プリプレグ３０を同一の金型２６内に配置して１工程でバンパービーム１８を成形するため、それらを別個に成形して接着や溶着で一体化する場合に比べて製造コストを削減することができる。

また内層部２２の不連続繊維３２…の長さは３５ｍｍ〜５０ｍｍであるので、その長さの不連続繊維３２…を樹脂と共に射出しようとするとノズルが目詰まりする虞があるが、それをプレス成形することで、充分な長さの不連続繊維３２…をリブ内に衝撃入力方向に整列させ、横リブ２２ｂおよび縦リブ２２ｃ…の繊維および樹脂の剥離エネルギー量を増加させることができる。

また格子状の横リブ２２ｂおよび縦リブ２２ｃ…の交点に位置決め孔２２ｄ，２２ｄを有するボス２２ｅ，２２ｅを設けたので、バンパービーム１８と他の部品とを結合するときの位置決め作業が容易になる。また横リブ２２ｂはバンパービーム１８自体の強度を高めるとともに縦リブ２２ｃ…を支持し、繊維および樹脂の剥離を容易にする。また外層部２１の両端に不連続繊維３２…で補強した端部ブラケット２２ｆ，２２ｆを備えるので、外層部２１の両端をホイールハウスロアメンバ１９，１９に結合することが容易である。また位置決め孔２２ｄ，２２ｄをドリルで後加工すると繊維間の樹脂が剥離して強度を低下させる虞があるが、位置決め孔２２ｄ，２２ｄを有するボス２２ｅ，２２ｅをバンパービーム１８に一体に成形したことで前記強度の低下を防止することができる。

また前面衝突により後退した前輪からフロントピラーロア３４の前壁３４ｂに入力した衝突荷重は、フロントピラーロア３４の内部に収納された衝撃受け部材３５に伝達され、そこから更にサイドシル１３の前端に伝達されて分散されるだけなく、衝撃受け部材３５が圧壊することで衝突エネルギーが吸収される。その際の衝撃受け部材３５の作用は、上述したバンパービーム１８の作用と同じである。

第２の実施の形態

次に、図１３に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

第１の実施の形態ではバンパービーム１８の縦リブ２２ｃ…が平板状に形成されているが、第２の実施の形態では縦リブ２２ｃ…が正面視で波状に湾曲している。バンパービーム１８を金型２６でプレスするとき、不連続繊維プリプレグ３０は雄型２８の横溝２８ｂおよび縦溝２８ｃ…内に流入して横リブ２２ｂおよび縦リブ２２ｃ…を成形するが、湾曲した縦溝２８ｃ…内に流入する不連続繊維プリプレグ３０は、矢印Ａ方向（衝突荷重の入力方向）に最も流れ易くなり、矢印Ｂ方向（衝突荷重の入力方向に対して傾斜する方向）に流れ難くなる。

何故ならば、矢印Ａ方向の流路は直線状であって流動抵抗が小さいのに対し、矢印Ｂ方向の流路は波型に湾曲していて流動抵抗が大きいからである。これにより、不連続繊維プリプレグ３０を矢印Ａ方向に積極的に流動させ、その長繊維を衝突荷重の入力方向に更に精度良く整列させることができる。

第３の実施の形態

次に、図１４〜図１７に基づいて本発明の第３の実施の形態を説明する。

図１４に示すように、繊維強化樹脂でバスタブ状に一体成形したキャビン４１の前端からダッシュパネル４２が起立しており、その前面にアルミニウム合金でダイキャスト成形した左右一対のサスペンション支持部材４３，４３が固定される。サスペンション支持部材４３，４３は、図示せぬサスペンションダンパーの上端を支持するダンパーハウジング４３ａ，４３ａと、ダンパーハウジング４３ａ，４３ａの下部に接続されて前方に延びるフロントサイドフレーム後部４３ｂ，４３ｂとを備えており、フロントサイドフレーム後部４３ｂ，４３ｂの前端にアルミニウム押し出し材あるいは鋼板プレス材で構成された左右一対のフロントサイドフレーム前部４４，４４が接続される。ダッシュパネル４２の左右上部から前方に延びる左右一対のアッパーメンバ４５，４５の前端に左右一対のサイドメンバ４６，４６が接続される。

フロントサイドフレーム前部４４，４４の前端に正面視で矩形枠状に形成された繊維強化樹脂製のフロントバルクヘッド４７が固定されており、そのフロントバルクヘッド４７の左右上部にサイドメンバ４６，４６の前端が接続される。フロントバルクヘッド４７の左右前面に左右一対のバンパービームエクステンション４８，４８が固定されており、そのバンパービームエクステンション４８，４８の前端に上下方向に２段重ねになって車幅方向に延びるバンパービーム４９，４９が固定される。フロントバルクヘッド４７、バンパービーム４９，４９および左右一対のバンパービームエクステンション４８，４８に囲まれた位置に、正面視で矩形枠状に形成されたシュラウド５０が配置されており、シュラウド５０の内部に図示せぬエンジン冷却用ラジエータ、空調用コンデンサおよびバッテリ冷却用ラジエータが前後方向に重ね合わされて支持される。

図１５〜図１７に示すように、Ｕ字状断面のバンパービーム４９は、連続繊維強化樹脂製の外層部５１と不連続繊維強化樹脂製の内層部５２とを備える。外層部５１は底壁５１ａおよび上下一対の側壁５１ｂ，５１ｃを有して前方に向けて開放しており、下側のバンパービーム４９の外層部５１の上側のフランジ５１ｄと上側のバンパービーム４９の外層部５１の下側のフランジ５１ｅとが前後方向に重ね合わされて一体に溶着され、略Ｗ字状断面を形成する。内層部５２は、外層部５１の底壁５１ａおよび一対の側壁５１ｂ，５１ｃの内表面に薄く積層された積層部５２ａ…と、鉛直方向に延びて底壁５１ａおよび一対の側壁５１ｂ，５１ｃを接続する複数の縦リブ５２ｃ…とを備える。外層部５１の底壁５１ａには、複数の締結カラー５３…がインサートされる。

平面視でのバンパービーム４９の形状は二等辺三角形状であり、その前後方向の高さは車幅方向中央部で最も高いａ１であり、車幅方向両端部で最も低いａ２である（図１４参照）。またバンパービーム４９の車幅方向端部側の各２枚の縦リブ５２ｃ，５２ｃの前縁は一対の側壁５１ｂ，５１ｃの前端間を結ぶライン上にあるが、バンパービーム４９の車幅方向中央側の他の縦リブ５２ｃ…の前縁は切欠き５２ｄ…によって前記ラインから後方に窪んでいる（図１５参照）。そして車幅方向中央部側の縦リブ５２ｃ…の切欠き５２ｄ…を除く部分の前後方向の高さと、車幅方向両端側の切欠き５２ｄ…を持たない縦リブ５２ｃ…の前後方向の高さとは一致している。

上記構造のバンパービーム４９は、第１の実施のバンパービーム１８と同じ製法で製造可能である。よって、バンパービーム４９の外層部５１は、その連続繊維３１…が車幅方向を向くように整列し、バンパービーム４９の内層部５２の縦リブ５２ｃ…と、外層部５１の側壁５１ｂ，５１ｃの内表面を覆う積層部５２ａ…とは、その不連続繊維３２…の長繊維が衝突荷重の入力方向（前後方向）を向くように整列している。

上下一対のバンパービーム４９，４９の前面を覆う初期荷重吸収部材５４…はバンパービーム４９の長手方向に３分割されており、各々が実質的に同じ構造を有している。各初期荷重吸収部材５４は、平坦な連結壁５４ａと、連結壁５４ａの前面に形成された複数の縦リブ５４ｂ…および複数の横リブ５４ｃ…とを備える。上下方向に延びる縦リブ５４ｂ…と左右方向に延びる横リブ５４ｃ…とは相互に格子状に交差する。連結壁５４ａの上縁および下縁は、上下一対のバンパービーム４９，４９の上下のフランジ５１ｄ，５１ｅに接着や溶着で結合される。

バンパービームエクステンション４８は上部部材６１および下部部材６２を結合して構成される。バンパービームエクステンション４８の上部部材６１は、波板状に屈曲しながら車幅方向に延びる本体部６１ａと、本体部６１ａの前縁から上方に折れ曲がる前部締結フランジ６１ｂと、本体部６１ａの後縁から上方に折れ曲がる後部締結フランジ６１ｃと、本体部６１ａの内面の車幅方向に離間した位置を前後方向に延びる４個の接合部６１ｄ〜６１ｇとを備える。下部部材６２は、上述した上部部材６１と実質的に上下対称な部材である。上記形状を有する上部部材６１および下部部材６２は、下部部材６２のピン６２ｋ…を上部部材６１のピン孔６１ｍ…に嵌合して接合部６１ｄ〜６１ｇ，６２ｄ〜６２ｇどうしを相互に当接させた状態で、上部部材６１側からピン６２ｋ…を振動工具で溶融することで一体に結合される。

フロントサイドフレーム前部４４の前端に金属板よりなる取付プレート７１が溶接され、取付プレート７１の車幅方向外端とフロントサイドフレーム前部４４の車幅方向外面とに金属板よりなる筋交い部材７２が斜めに溶接される。そしてバンパービームエクステンション４８の後部締結フランジ６１ｃ，６２ｃ、フロントバルクヘッド４７および取付プレート７１を前から後に貫通する６本のボルト７３…を、取付プレート７１の後面に設けたウエルドナット７４…に螺合することで、バンパービームエクステンション４８およびフロントバルクヘッド４７が取付プレート７１に共締めされ、左右一対のフロントサイドフレーム前部４４，４４の前端に接合される。

バンパービームエクステンション４８の前部締結フランジ６１ｂ，６２ｂには各３個のナット６３…がインサートされており、バンパービーム４９，４９の開口部側から締結カラー５３…を貫通するボルト６４…をナット６３…に螺合することで、バンパービーム４９，４９がバンパービームエクステンション４８に固定される。

上部部材６１および下部部材６２を結合したバンパービームエクステンション４８は、車幅方向内側に位置して前後方向に延びる四角筒状の第１閉断面部４８ａと、その車幅方向外側に隣接する楕円筒状の第２閉断面部４８ｂと、その車幅方向外側に隣接する楕円筒状の第３閉断面部４８ｃとを備える。第２、第３閉断面部４８ｂ，４８ｃの断面積は相互に等しく、かつ第１閉断面部４８ａの断面積よりも小さくなっている。またバンパービームエクステンション４８の前後方向の幅は車幅方向内側から外側に向かって次第に狭くなっているため、前後方向の長さは第１閉断面部４８ａが最も長く、次いで第２閉断面部４８ｂが長く、第３閉断面部４８ｃが最も短くなっている。

バンパービーム４９の車幅方向外端側の４枚の縦リブ５２ｃ…は、バンパービームエクステンション４８の四角筒状の第１閉断面部４８ａの車幅方向両側部の前方と、楕円筒状の第２閉断面部４８ｂの中心線上と、楕円筒状の第３閉断面部４８ｃの中心線上とに位置している（図１７参照）。

次に、上記構成を備えた本発明の第３の実施の形態の作用を説明する。

自動車が前面衝突すると、衝突荷重はバンパービーム４９の長手方向中央から両端のバンパービームエクステンション４８，４８、フロントサイドフレーム前部４４，４４およびサスペンション支持部材４３，４３を介してキャビン４１のダッシュパネル４２に伝達されるが、その過程で主としてバンパービームエクステンション４８，４８が圧壊することで衝突エネルギーを吸収する。

またバンパービーム４９は、その外層部５１の高い曲げ剛性によって衝突荷重を左右のバンパービームエクステンション４８，４８に効率的に伝達するだけでなく、内層部５２の縦リブ５２ｃ…が圧壊することで衝突エネルギーを吸収する。その際のバンパービームの作用は、第１の実施の形態のバンパービーム１８の作用と同じである。

しかも前方に向かって開放するバンパービーム４９の開口部の全域が初期荷重吸収部材５４の連結壁５４ａで閉塞されるので、バンパービーム４９を完全に閉断面化して強度を高め、衝突荷重をバンパービームエクステンション４８に効率的に伝達することができる。

またバンパービーム４９は、車幅方向中央側の縦リブ５２ｃ…の前縁は一対の側壁５１ｂ，５１ｃの先端間を結ぶラインから底壁５１ａに向かって切り欠かれ、車幅方向外側の縦リブ５２ｃ…の前縁は一対の側壁５１ｂ，５１ｃの先端間を結ぶラインに沿うので、バンパービーム４９の車幅方向中央部で外層部５１が口開きするのを防止してエネルギー吸収効果を確実に発揮させることができる。

またバンパービーム４９は平面視で二等辺三角形状であり、その衝突荷重の入力方向の高さは車幅方向外側で車幅方向中央側よりも小さいので、バンパービーム４９の形状を車体前部の平面形状に無理なく沿わせることができるだけでなく、前面衝突時に衝突荷重をバンパービーム４９の車幅方向中央部に入力させ、衝突荷重をバンパービーム４８の車幅方向全域で効果的に吸収することができる。しかも縦リブ５２ｃ…の衝突荷重の入力方向の高さは車幅方向外側および車幅方向中央側で同一であるので、長繊維を含む縦リブ５２ｃ…を容易にプレス成形することができる。

またバンパービーム４９の車幅方向両端部は、衝突荷重の入力方向に延びる第１〜第３閉断面部４８ａ，４８ｂ，４８ｃを有するバンパービームエクステンション４８を介してフロントサイドフレーム前部４４に支持され、バンパービーム４９の縦リブ５２ｃ…は、第１閉断面部４８ａの側壁部の延長線上と、第２閉断面部４８ｂおよび第３閉断面部４８ｃの中心線上に配置されるので、バンパービーム４９から入力される衝突荷重をバンパービームエクステンション４８の第１〜第３閉断面部４８ａ，４８ｂ，４８ｃに確実に伝達し、バンパービームエクステンション４８におけるエネルギー吸収性能を高めることができる。

またバンパービーム４９の開口部を塞ぐ初期荷重吸収部材５４は、連結壁５４ａと、連結壁５４ａの前後方向外面に形成された多数の縦リブ５４ｂ…および多数の横リブ５４ｃ…とを備えるので、縦リブ５４ｂ…および多数の横リブ５４ｃ…の圧壊により前面衝突時の衝突初期荷重を効率的に吸収することができる。

また上下一対のバンパービーム４９，４９を、その上側のフランジ５１ｄおよび下側のフランジ５１ｅを重ね合わせて接合するので、上下一対のバンパービーム４９，４９を一体に成形する場合に比べて金型２６を小型化することができるだけでなく、バンパービーム４９の連続繊維３１…の配向方向の乱れを最小限に抑えて強度を確保することができる。

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、本発明の衝撃受け部材は、実施の形態のバンパービーム１８，４９やフロントピラーロア３４内に配置されるものに限定されず、ドアビーム等の自動車の車体の任意の部分に適用することができる。

また断面Ｕ字状の一対のバンパービーム４９，４９を上下方向に重ねて結合する代わりに、それらを断面Ｗ字状となるように一体成形しても良い。

Claims (10)

1. 衝撃受け部材（１８，３５，４９）が、衝突荷重の入力方向を向く底壁（２１ａ，５１ａ）の両端縁に一対の側壁（２１ｂ，２１ｃ，５１ｂ，５１ｃ）が連なる、衝突荷重の入力方向に開口したＵ字状断面ないしコ字状断面に形成された連続繊維強化樹脂製の外層部（２１，５１）と、前記外層部（２１，５１）の内表面に積層されるとともに前記底壁（２１ａ，５１ａ）および前記一対の側壁（２１ｂ，２１ｃ，５１ｂ，５１ｃ）に接続する複数の縦リブ（２２ｃ，５２ｃ）を構成する不連続繊維強化樹脂製の内層部（２２，５２）とを備えていて、少なくとも一部の前記縦リブ（２２ｃ，５２ｃ）の外端縁に、前記底壁（２１ａ，５１ａ）に向かってコ字状に凹んだ切欠き（２２ｇ，５２ｄ）が形成されており、
   前記外層部（２１，５１）は前記衝撃受け部材（１８，３５，４９）の長手方向に配向された連続繊維（３１）を含み、
   前記内層部（２２，５２）の、前記縦リブ（２２ｃ，５２ｃ）を構成する部分は、衝突荷重の入力方向に配向された繊維長が３５ｍｍ〜５０ｍｍの不連続繊維（３２）の長繊維を含むと共に、前記内層部（２２，５２）の、前記底壁（２１ａ，５１ａ）内表面に積層される部分は、配向方向がランダムで且つ繊維長が３５ｍｍ〜５０ｍｍの不連続繊維（３２）の長繊維を含むことを特徴とする繊維強化樹脂製衝撃受け部材。
2. 前記縦リブ（２２ｃ）の衝突荷重の入力方向の高さは前記外層部（２１）の衝突荷重の入力方向の高さよりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の繊維強化樹脂製衝撃受け部材。
3. 前記内層部（２２）は前記縦リブ（２２ｃ）に対して交差する横リブ（２２ｂ）を備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の繊維強化樹脂製衝撃受け部材。
4. 前記衝撃受け部材（３５）はサイドシル（１３）の前端に連なるフロントピラーロア（３４）の内部に配置されることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の繊維強化樹脂製衝撃受け部材。
5. 前記衝撃受け部材は車幅方向に配置されたバンパービーム（４９）であり、前記バンパービーム（４９）の車幅方向両端部は、衝突荷重の入力方向に延びる筒状の衝撃吸収部（４８ａ）を有するバンパービームエクステンション（４８）を介して車体フレーム（４４）に支持され、前記バンパービーム（４９）の縦リブ（５２ｃ）は前記衝撃吸収部（４８ａ）の側壁部の延長線上あるいは中心線上に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の繊維強化樹脂製衝撃受け部材。
6. 前記側壁（５１ｂ，５１ｃ）の衝突荷重の入力方向の高さは車幅方向外側で車幅方向中央側よりも小さく、前記縦リブ（５２ｃ）の衝突荷重の入力方向の高さは車幅方向外側および車幅方向中央側で同一であることを特徴とする、請求項５に記載の繊維強化樹脂製衝撃受け部材。
7. 前記バンパービーム（４９）は平面視で二等辺三角形状であり、その衝突荷重の入力方向の幅は車幅方向中央で最大で車幅方向両端で最小であることを特徴とする、請求項５又は請求項６に記載の繊維強化樹脂製衝撃受け部材。
8. 請求項１〜請求項６，８の何れか１項に記載の衝撃受け部材（１８）の製造方法であって、雌型（２７）上に前記外層部（２１）を構成する連続繊維プリプレグ（２９）を予備加熱した状態で配置するとともに、前記連続繊維プリプレグ（２９）上に前記内層部（２２）を構成する不連続繊維プリプレグ（３０）を予備加熱した状態で配置する工程と、前記縦リブ（２２ｃ）を成形する溝（２８ｃ）が形成された雄型（２８）と前記雌型（２７）とで前記連続繊維プリプレグ（２９）および前記不連続繊維プリプレグ（３０）を加圧して前記衝撃受け部材（１８）を成形する工程とを備えることを特徴とする衝撃受け部材の製造方法。
9. 前記雄型（２８）の溝（２８ｃ）は衝突荷重の入力方向に見て波形に湾曲することを特徴とする、請求項９に記載の衝撃受け部材の製造方法。
10. 前記雄型（２８）の溝（２８ｃ）の開口端に溝幅が拡大する拡幅部（２８ｄ）が形成されることを特徴とする、請求項９または請求項１０に記載の衝撃受け部材の製造方法。

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