JPH06206575A - 複合シャシー構造体およびその製造方法 - Google Patents

複合シャシー構造体およびその製造方法

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JPH06206575A
JPH06206575A JP5285569A JP28556993A JPH06206575A JP H06206575 A JPH06206575 A JP H06206575A JP 5285569 A JP5285569 A JP 5285569A JP 28556993 A JP28556993 A JP 28556993A JP H06206575 A JPH06206575 A JP H06206575A
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core body
reinforcing fiber
chassis structure
composite
reinforcing
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Richard B Freeman
リチャード・ベンジャミン・フリーマン
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Budd Co
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 軽量で強度特性に優れた自動車用のシャシー
構造体を低廉な製造コストで供給すること。 【構成】 発泡体コア１２が強化繊維プリフォーム１
４、１６の間に挟み込まれ、更に強化繊維布２４、２６
によって被覆される。強化繊維布は同時に、サスペンシ
ョンその他の部品を取り付けるための金属インサート１
８をも被覆し、これにより金属インサートがコアに保持
される。この組立状態で型に配置し、ここで金属インサ
ートの取付位置を厳密に位置決めした後、型を閉じ、樹
脂を注入して強化繊維プリフォームおよび強化繊維布を
樹脂含浸し、樹脂硬化後に脱型して最終製品を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は複合シャシー構造体およ
びその製造方法に関し、特に、今日の自動車に用いられ
ている従来型のスティールシャシーサブフレームに代え
て用いることのできるハイブリッド型複合シャシーサブ
フレーム構造体およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車産業にとって車両重量を軽減して
燃料効率を向上させることは長年の課題である。この点
に関し、自動車の構造体に従来より用いられてきたステ
ィールに代えてより軽量の材料、たとえばプラスチック
や複合材料を用いることについての試みがなされてい
る。この試みの一例は米国特許第５，０００，９９０号
に示されている。
【０００３】自動車産業に用いられるプラスチックや複
合材料は、主として繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）部
品として提供される。ＦＲＰ部品は、炭素繊維、ガラス
繊維その他の強化繊維がプラスチックマトリックス内に
分散配置されてプラスチック材料に対する補強作用をな
している。ＦＲＰ部品は主としてレジンインジェクショ
ン法（ＲＩ）もしくはレジントランスファ法（ＲＴＭ）
によって成形される。ＲＴＭ成形法による場合、樹脂を
型内に注入することにより型内に配置される強化繊維材
を含浸し、硬化させて部品とする。ＲＴＭによる部品成
形法に関する技術は、たとえば米国特許第４，７４０，
３４６号、同第４，８４９，１４７号および同第４，８
６３，７７１号に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】これらプラスチックや
複合材料を自動車のサブフレームやクレードル（ｃｒａ
ｄｌｅ）等のシャシー部品に用いることの試みは未だに
なされていない。この一つの理由は、様々なサスペンシ
ョン、ドライブトレイン、ブレーキ装置その他のシャシ
ー部品を複合サスペンションに取り付けるための手段を
設けなければならないことにある。たとえばサスペンシ
ョンコントロールアームの取付には、一般に、複合サス
ペンションとサスペンション部品との間に金属ブッシン
グを配置して耐摩耗性を向上させると共に荷重移動を円
滑に行わせるようにしている。自動車シャシーのサブフ
レームに加わる入力荷重に対抗し得るよう十分な強度を
機構上のジョイント部分に与えることは容易ではない。
【０００５】しかしながら、複合材料によるシャシー構
造体を開発することは、経済効率および走行性能に顕著
な向上をもたらす。たとえば、スチール製のサブフレー
ムは、主としてオートメーション化された資本集中投下
型の工場において、多数のスチール部品を溶接して目的
構造体とすることによって製造される。組立ないし溶接
作業に要するコストに加えて、サブフレーム構造体をな
す各々のスチール部品を製造するためにダイスやツーリ
ングが必要となり、このために膨大なコストが費やされ
る。また、スチール部品を溶接してサブフレームを形成
することは、ワンピースの構造体と比べて、ジョイント
部分の強度と剛性を低減させることになる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】したがって、本発明は、
軽量で且つ強度特性に優れ、更に製造コストが低廉な複
合材料によるシャシー構造体およびその製造方法を提供
することを目的とする。
【０００７】本発明による自動車用の複合サブフレーム
構造体は、閉塞された構造と、強化繊維の配向と、選択
的に用いられる金属インサートとによって、改善された
構造特性を与える。発泡体コアが強化繊維布に被覆さ
れ、更に強化繊維プリフォームの間にサンドウィッチ状
に積層される。サスペンションその他のシャシー部品取
付用の金属インサートもまた強化繊維に被覆されてサブ
フレームに保持される。被覆され積層された発泡体コア
や型内に配置され、ここで位置決めピンによって金属イ
ンサートが厳密に位置決定される。その後型が閉じら
れ、樹脂が注入されて強化繊維を含浸する。硬化により
樹脂が構造体を一体的にバインドし、完成体において金
属インサートはきわめて高精度に所定位置に定置され
る。
【０００８】すなわち本発明による複合サブフレーム構
造体は、シャシー構造体に概ね合致する形状を有するコ
ア体と、シャシー部品を取り付けるためにコア体に配置
される複数の金属インサートと、金属インサートをコア
体に保持するための保持手段と、コア体を包囲すると共
に金属インサートをコア体に固着する樹脂含浸強化繊維
材と、を有してなることを特徴とする。
【０００９】強化繊維材は、コア体を包囲する第１およ
び第２の強化繊維プリフォームとして、あるいはコア体
のまわりを被覆する強化繊維布として構成することがで
き、あるいはコア体のまわりを被覆する強化繊維布と、
該強化繊維布に被覆されたコア体を包囲する第１および
第２の強化繊維プリフォームよりなるものとすることが
できる。
【００１０】強化繊維材は所定の繊維配向性を有するも
のとすることができ、たとえば実質的に一定方向に配向
され、あるいは実質的に直交する方向に配向される。
【００１１】コア体は発泡体よりなるものとすることが
できる。
【００１２】前記保持手段は、好ましくは、コア体に係
着されるべく金属インサートに形成される複数の取付タ
ブと、取付タブとコア体のまわりを被覆して金属インサ
ートを複合シャシー構造体に保持する強化繊維布とから
なるものとすることができる。
【００１３】取付タブにスロットを形成し、強化繊維布
を該スロットに挿通すると共にコア体を被覆するように
用いることができる。スロットを挿通する強化繊維布が
荷重に最適条件で対抗することができるようにスロット
を方向付け、一定方向の繊維配向性を有する強化繊維布
を用いることができる。
【００１４】また本発明による複合シャシー構造体の製
造方法は、シャシー構造体の所望形状に概ね合致する形
状を有するコア体を準備し、コア体のまわりを強化繊維
で包囲し、コア体に金属インサートを取り付け、金属イ
ンサートとコア体とを別の強化繊維で被覆して金属イン
サートをコア体に保持せしめ、かくして被覆されたコア
体と金属インサートを型内に配置し、型内に樹脂注入し
て強化繊維を樹脂含浸せしめることを特徴とする。
【００１５】
【作用】本発明による複合シャシー構造体は、コア体に
金属インサートを配置し、これらを樹脂含浸される強化
繊維材で被覆して一体化されて得られるため、単一の工
具で単一の作業によって製造される。金属インサートは
成形前の予備的組立段階においてはコア体に保持される
に止まり、成形型において厳密な位置関係が得られる。
【００１６】
【実施例】本発明が自動車のリアシャシーサブフレーム
構造体に適用された実施例について以下図面を参照しな
がら記述するが、本発明がこの実施例に限定されるもの
と解釈してはならない。
【００１７】複合シャシーサブフレーム構造体１０が図
１および図２に示されている。図１に明らかなように、
この構造体１０は、発泡体コア１２が一対のファイバー
プリフォーム１４、１６に挟み込まれてなる。ファイバ
ープリフォームの製造のための方法および装置について
は幾つかの提案が既になされており、たとえば米国特許
第５，０３９，４６５号および米国特許出願第０７／８
８１，８５１号に示される技術に基づいて製造すること
ができる。しかしながら、ファイバープリフォームを用
いることは本発明において必須ではなく、その代わり
に、ハンドレイアップあるいはその他の方法によって強
化繊維の層を発泡体コアのまわりに配置させることも可
能である。たとえば、強化繊維が一定方向にあるいは二
方向以上にクロスして配向され、あるいは短繊維がラン
ダムに配置されてなる布またはマットを用いることがで
きる。
【００１８】図１および図３に示されるように、好まし
い実施例としては、プラスマイナス４５度の角度にクロ
スして繊維が配向されてなる強化繊維布２４、あるいは
一定方向の繊維配向を持つ強化繊維布２６を組み合わせ
て用い、構造体を部分的に補強するように構成される。
また、図８に示されるようなランダムな繊維配向を有す
るファイバープリフォーム１４、１６を用いる場合は、
構造体の強度を全体的に増大させることができる。ラン
ダムな配向を持つ短繊維マットを用いることにより、強
化繊維布２４またはプリフォーム１４、１６を用いるこ
とに代えて、部分的な補強作用と全体的な構造体強度と
を同時に与えることができる。プリフォーム１４、１６
および強化繊維布２４、２６は好ましくはガラス繊維か
らなるが、必要に応じて他の種類の強化繊維、たとえば
カーボングラファイト繊維やガラス繊維とカーボングラ
ファイト繊維の混合繊維等を用いることができる。
【００１９】発泡体コアを用いることも必ずしも必須で
はない。発泡体コアの代わりに、前述の米国特許第５，
０００，９９０号に記述されるような気嚢ないしブロー
成形サポートを用いても構造体を構成してもよい。発泡
体コア１２は複合シャシー構造体１０の所望の完成寸法
よりも若干小さな寸法に成形される。これにより強化材
料や樹脂が加えられる際の寸法増大が許容される。好ま
しい実施例として、強化繊維や樹脂材料のラミネートを
約１／４インチ（約６．４ｍｍ）施すことを許容するよ
うに発泡体コアの寸法をその分だけ小さく成形する。
【００２０】サスペンションその他のシャシー部品を取
り付けるために複数のスチール製インサート１８が設け
られる。インサート１８の各々の形状は、それに取り付
けられるシャシー部品が何であるか、またそれ自身が複
合サブフレーム１０のどこに取り付けられるか等によっ
て細部は異なるが、概して同一の特性を有している。た
とえば図１におけるインサート１８は複数のタブないし
フランジ２０を有している。図５に示されるようにタブ
２０は複合構造体１０に部分的に挿入されている。タブ
２０は更に強化繊維布に被覆されており、後に複合サブ
フレーム１０に樹脂が注入されるときにインサート１８
を所定箇所に位置決めするように働く。すなわち、イン
サート１８はこの製造段階においては所定位置に固定さ
れてはおらず、若干の移動が許容されている。複合サブ
フレーム１０が図４に示されるように型５０に配置され
ると、型内に設けられる位置決め用のダボないしピン２
３がインサート１８の穴２２と係合してインサート１８
を厳密に位置決めする。これにより、最終製品における
コントロールアーム等のシャシー部品の取付地点がきわ
めて正確に制御される。
【００２１】図３および図５に明らかなように、発泡体
コア１２は強化繊維がプラスマイナス４５度の角度にク
ロスして配向されている強化繊維布２４によって被覆さ
れている。この被覆された発泡体コア１２にスチールイ
ンサート１８が取り付けられ、次いで概して一定方向の
繊維配向を持つ強化繊維布２６で被覆し、更にファイバ
ープリフォーム１４、１６の間に配置する。本発明で
は、強化繊維布を選択的に用いて複合シャシー構造体１
０の強度を部分的に増大するものであり、特に取付パッ
ド３１を補強すると共にインサート１８からの荷重に対
抗する。たとえば、複合シャシー構造体１０の中央部２
８には、プラスマイナス４５度にクロス配向（図９）さ
れてなる強化繊維布２４が被覆されている。一定方向の
繊維配向（図１０）を持つ強化繊維布２６は複合構造体
１０のジョイント部における剛性を顕著に向上させる。
図示例では強化繊維布２４、２６が細長い帯状のものと
して示されているが、大判のシート状のものとして用い
てもよいことは言うまでもない。
【００２２】特に図３に示されるように、一定配向の強
化繊維布２６は複合構造体１０の脚部３０からジョイン
ト部３２を経て延長するように設けられている。一定配
向の強化繊維布をこのように用いることにより、脚部３
０における入力荷重を効果的に転移ないし分散してジョ
イント部３２から複合構造体１０の中央部２８に伝搬す
る。かかる荷重転移性は従来の溶接スチールによる構造
体においては期待できないものである。すなわちスチー
ルサブフレームの場合、そのジョイント部が入力荷重に
対抗するに十分な剛性あるいは強度を持たない場合、よ
り強度の大きいスチール部品を用いたり他の補強手段を
付加しなければならず、いずれにしてもコストおよび重
量を増大させ、部品の製造工程を複雑にする。これらの
補強手段を講じない場合は、構造体に作用する入力荷重
の許容値が小さくなり、サブフレーム構造体の本来の機
能が損なわれる。本発明の複合構造体１０にあっては、
一定配向を持つ強化繊維を用い、あるいはより大きな強
度ないし剛性を有する繊維材料たとえばカーボングラフ
ァイト繊維を用いることにより、重量増や製造工程の複
雑化をもたらすことなく、構造体の強度ないし剛性を増
大させることができる。
【００２３】強化繊維に被覆された発泡体コア１２をフ
ァイバープリフォーム１４、１６の間にサンドウィッチ
状に挟み込んで配置することは、更に複合構造体１０内
部を増強する。図５に示されるように、発泡体コア１
２、ファイバープリフォーム１４、１６および被覆材な
いし強化繊維布２４、２６により完全に閉塞状態の箱形
構造を形成している。このような閉塞状態の箱形構造は
構造特性を向上させることが知られている。複合構造体
１０の脚部３０、ジョイント部３２および中央部２８の
いずれにおいても図５に示されるような箱形構造が見ら
れる。
【００２４】複合サブフレーム１０においてスチールイ
ンサート１８が概略位置に設けられると共に強化繊維に
よって被覆された後、コアインサート１５が複合シャシ
ー構造体１０の中心部に挿入される。コアインサート１
５は構造体の一部となり、中央部２８を補強する。被覆
された複合シャシー構造体１０は次いでプリフォーム１
４、１６の間に挟み込まれ、図４に示すように型２２内
に配置される。インサート１８に対するクリアランスを
許容するために、プリフォーム１４、１６には刻み目１
７や切り欠き１９が形成される。
【００２５】本発明によればただ一つの成形ツールを用
いれば足りるが、複合シャシー構造体を大量生産する必
要がある場合には幾つかの型が用いられる。型５０は上
方部分５２と下方部分５４とに分割されているが、成形
サイクルの間は、シリンダ５６、５８の動作を介して必
要なクランプ力を与えることにより、上方部分５２が下
方部分５４に密着される。複合シャシー構造体１０が型
内に配置されると、既述したように、位置決めピン２３
によりインサート１８同士の位置関係およびインサート
と複合サブフレーム構造体１０との間の位置関係が厳密
に決定される。その後型が閉じられ、樹脂が注入されて
強化繊維を含浸する。樹脂硬化後、複合サブフレーム構
造体１０が脱型され、一般に後処理は何ら必要とされな
い。
【００２６】スチールインサート１８は、それがサスペ
ンション等のシャシー部品を取り付けるために用いられ
るときに、複合構造体１０の所定位置に保持されている
ことが必要である。このために、一定方向の配向性を有
する強化繊維布で被覆してインサート１８を複合構造体
１０に取り付けることが好ましい。
【００２７】更に、図６および図７には、スチールイン
サート１８を複合構造体１０に積極的に結着させるため
の手法が示されている。図６に示されるスチールインサ
ート１８’においては、図１のスチールインサート１８
におけるフランジ２０とは反対方向に延出するフランジ
３６が設けられ、該フランジにはスロット３８が開口形
成される。強化繊維布４０の細長い帯がフランジ３６の
部分においてスロット３８を通過し、更に複合構造体１
０に周回されている。かくしてスチールインサート１
８’が複合構造体１０に積極的に結着される。特に一定
方向の繊維配向性を有する強化繊維布を用いることによ
り、きわめて強い結着力が得られる。スチールインサー
トに作用する荷重の大きさと方向が予め知られている場
合、図７に示されるようにスロット４２、４４を形成し
たスチールインサート１８’’を用いることができる。
すなわちスロット４２、４４を予知される荷重作用方向
に沿って形成することにより、一定方向の繊維配向性を
有する強化繊維布４６、４８を略同方向に沿って配置さ
せることができ、スチールインサート１８’’に働く保
持力を大幅に増大させ、あらゆる荷重条件にあっても位
置ずれを起こさないようにスチールインサート１８’’
を取り付けることが可能となる。
【００２８】
【発明の効果】本発明によるシャシー構造体は、従来の
スチール製のシャシー構造体とは異なり、単一の工具を
用いて単一の作業によって成形することができるので、
大幅な工具節約が可能となる。
【００２９】また、ワンピースの一体的構造体として得
られ溶接等によるジョイント部分を持たないので、該ジ
ョイント部分における強度や剛性の低下を招くことがな
い。更に所望の箇所や領域に強化繊維を配向させること
により、サブフレーム構造体の強度を部分的、選択的に
増大させることができる。
【００３０】複合材料はきわめて優れた制動特性を有す
るので、本発明のサブフレーム構造体によればスムーズ
で静かな乗り心地を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による複合サブフレーム構造
体の第一組立段階を示す分解斜視図である。
【図２】図１の複合サブフレーム構造体の組立完成状態
を示す斜視図である。
【図３】図２の複合サブフレーム構造体に強化繊維のラ
ッピングを施した状態を示す斜視図である。
【図４】複合サブフレームを成形型と共に示す斜視図で
ある。
【図５】図２中５−５線による部分断面図である。
【図６】スチールインサートを取り付けた一変形例を示
す部分斜視図である。
【図７】スチールインサートを取り付けた別の変形例を
示す部分斜視図である。
【図８】図２における領域８すなわち強化繊維のランダ
ム配置領域を示す拡大図である。
【図９】図３における領域９すなわち強化繊維のクロス
配向領域を示す拡大図である。
【図１０】図３における領域１０すなわち強化繊維の一
定方向配向領域を示す拡大図である。
【符号の説明】 １０ リアシャシーサブフレーム構造体（複合シャシー
構造体） １２ 発泡体コア（コア体） １４、１６ ファイバープリフォーム １８、１８’、１８’’ インサート ２０ 取付タブ ２２ 穴 ２３ 位置決めピン ２４、２６ 強化繊維布 ３６ フランジ ３８ スロット ４０ 強化繊維布 ４６、４８ 強化繊維布 ５０ 型

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シャシー構造体に概ね合致する形状を
    有するコア体と、シャシー部品を取り付けるために前記
    コア体に配置される複数の金属インサートと、前記金属
    インサートを前記コア体に保持するための保持手段と、
    前記コア体を包囲すると共に前記金属インサートを前記
    コア体に固着する樹脂含浸強化繊維材と、を有してなる
    ことを特徴とする複合シャシー構造体。
  2. 【請求項２】 前記強化繊維材が、前記コア体を包囲
    する第１および第２の強化繊維プリフォームよりなるこ
    とを特徴とする請求項１の複合シャシー構造体。
  3. 【請求項３】 前記強化繊維材が、前記コア体のまわ
    りを被覆する強化繊維布よりなることを特徴とする請求
    項１の複合シャシー構造体。
  4. 【請求項４】 前記強化繊維材が、前記コア体のまわ
    りを被覆する強化繊維布と、前記強化繊維布に被覆され
    た前記コア体を包囲する第１および第２の強化繊維プリ
    フォームよりなることを特徴とする請求項１の複合シャ
    シー構造体。
  5. 【請求項５】 前記強化繊維材が、所定の繊維配向性
    を有する強化繊維よりなることを特徴とする請求項１の
    複合シャシー構造体。
  6. 【請求項６】 前記強化繊維が実質的に一定方向に配
    向されてなることを特徴とする請求項５の複合シャシー
    構造体。
  7. 【請求項７】 前記強化繊維が実質的に直交する方向
    に配向されてなることを特徴とする請求項５の複合シャ
    シー構造体。
  8. 【請求項８】 前記コア体が発泡体よりなることを特
    徴とする請求項１の複合シャシー構造体。
  9. 【請求項９】 前記保持手段が、前記コア体に係着さ
    れるべく前記金属インサートに形成される複数の取付タ
    ブと、前記取付タブと前記コア体のまわりを被覆して前
    記金属インサートを複合シャシー構造体に保持する強化
    繊維布とからなることを特徴とする請求項１の複合シャ
    シー構造体。
  10. 【請求項１０】 前記取付タブにスロットが形成され、
    前記強化繊維布が前記スロットに挿通されると共に前記
    コア体を被覆することを特徴とする請求項９の複合シャ
    シー構造体。
  11. 【請求項１１】 前記スロットを挿通する前記強化繊維
    布が荷重に最適条件で対抗することができるように前記
    スロットが方向付けられており、前記強化繊維布が一定
    方向の繊維配向性を有することを特徴とする請求項１０
    の複合シャシー構造体。
  12. 【請求項１２】 シャシー構造体に概ね合致する形状を
    有するコア体と、シャシー部品を取り付けるためにタブ
    を介して前記コア体に係着される複数の金属インサート
    と、前記タブと前記コア体のまわりを被覆して前記金属
    インサートを前記コア体に保持する第１の強化繊維材
    と、シャシー構造体を部分的に補強するために前記コア
    体に配置される所定繊維配向性を有する第２の強化繊維
    材と、これら第１および第２の強化繊維材に含浸される
    樹脂材料と、を有してなることを特徴とする複合シャシ
    ー構造体。
  13. 【請求項１３】 前記第２の強化繊維材が実質的に一定
    方向の繊維配向性を有することを特徴とする請求項１２
    の複合シャシー構造体。
  14. 【請求項１４】 前記第２の強化繊維材が実質的に直交
    する方向の繊維配向性を有することを特徴とする請求項
    １２の複合シャシー構造体。
  15. 【請求項１５】 シャシー構造体の所望形状に概ね合致
    する形状を有するコア体を準備し、前記コア体のまわり
    を強化繊維で包囲し、前記コア体に金属インサートを取
    り付け、前記金属インサートと前記コア体とを別の強化
    繊維で被覆して前記金属インサートを前記コア体に保持
    せしめ、かくして被覆された前記コア体と前記金属イン
    サートを型内に配置し、前記型内に樹脂注入して前記強
    化繊維を樹脂含浸せしめることを特徴とする複合シャシ
    ー構造体の製造方法。
  16. 【請求項１６】 更に、前記型内において前記金属イン
    サートを厳密に位置付けるための工程が行われることを
    特徴とする請求項１５の複合シャシー構造体の製造方
    法。
  17. 【請求項１７】 前記コア体のまわりを強化繊維で包囲
    する工程が、第１および第２の強化繊維プリフォームを
    形成し、これら第１および第２の強化繊維プリフォーム
    の間に前記コア体を配置することによって行われること
    を特徴とする請求項１５の複合シャシー構造体の製造方
    法。
  18. 【請求項１８】 前記金属インサートがスロットを有す
    る取付タブを有してなり、前記別の強化繊維を前記スロ
    ットに通し更に前記コア体のまわりを被覆することを特
    徴とする請求項１５の複合シャシー構造体の製造方法。
  19. 【請求項１９】 前記取付タブの前記スロットが、前記
    金属インサートに作用する荷重に最適条件で対抗し得る
    ように方向付けられることを特徴とする請求項１８の複
    合シャシー構造体の製造方法。
  20. 【請求項２０】 実質的に一定方向の繊維配向性を有す
    る強化繊維を所定方向に配置させて構造体の強度を部分
    的に極大化させることを特徴とする請求項１５の複合シ
    ャシー構造体の製造方法。
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