JP2009166408A - 構造用部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＦＲＰ製補強部材を有する構造用部材について、接着部材の強度低下を防止し、強度ばらつきを押さえ、かつ作業工数を削減して低コスト化が可能な部材構造を提供することを課題とする。
【解決手段】 強化繊維を含んだ繊維強化樹脂製の補強部材が主構造材に取り付けられた構造用部材であって、前記補強部材は凸状の主補強部および接着部を少なくとも備え、前記接着部の一部に凸状の接着面加工部が形成されていることを特徴とする構造用部材。
【選択図】図１

Description

本発明は、補強部材と主構造材より構成される構造用部材に関し、特にＦＲＰ（繊維強化樹脂）製補強部材における主構造材との接着面の形状に関する。

近年、自動車や鉄道などの構造体の軽量化を目的に、ＦＲＰ、特に強度や剛性向上の面からＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）製の構造用部材の開発が進められている。これらの部材は、軽量で高剛性、高強度の構造とするため、例えば特許文献１に示すように、主構造材にリブやスティフナといった補強部材を適宜取り付け、中空構造や多層構造、サンドイッチ構造の形態で使用されている。

金属部材においては、特許文献２に示すように、加工のしやすさからリベット接合や溶接が用いられることが多い。しかしＦＲＰは金属と異なり、材料上の特性から溶接接合を行うことができない。またＦＲＰにリベット接合を適用する場合、穴加工時に発生する繊維層の断裂を起点とする部材の強度低下が問題となる。そこでＦＲＰ製補強部材の接合方法としては、接着剤を用いて両部材を接着する方法が主流である。

接着剤による接合方法では、接着剤の厚みの不均一やはみ出し、接着面の凹凸や溶剤付着などにより、接着強度や破壊位置にばらつきが生じやすい。

そこで接着剤による接合方法においては、部材の破壊モードをコントロールするため、図８に示すように、補強部材に切欠き部を設けることが一般的に行われてきた。すなわち、切欠き部における強度を周囲の接着部の強度より相対的に低くし、切欠き部で破壊するように設計した。

しかしＦＲＰ製補強部材に切欠きを設けるには、成形前に基材に加工するか、成形後に成形品に切欠き加工を施す必要があり、切欠きを設けるための工数が余分に発生する。また切欠きを設けた場合、切欠き部で繊維が分断されるため、金属と異なり切欠き部における部材の強度が不均一となる。さらに補強部材は切欠き部に応力が集中し、切欠き部から破壊する構造であるため、補強部材としての強度のばらつきが大きくなるという問題があった。
特開２００３−２９１２１９号公報 特開平５−４５７９号公報

本発明は上記のような実情に鑑み、ＦＲＰ製補強部材を有する構造用部材において、切欠き部における破壊によって生じる強度のばらつきを低減し、破壊モードのコントロールが可能な構造用部材を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明によれば、強化繊維を含んだ繊維強化樹脂製の補強部材が主構造材に取り付けられた構造用部材であって、前記補強部材は凸状の主補強部および接着部を少なくとも備え、前記接着部の一部に凸状の接着面加工部が形成されていることを特徴とする構造用部材が提供される。

また、本発明の好ましい形態によれば、前記接着面加工部の頂部から主構造材までの最長距離Ｄが、前記主補強部の頂部から主構造材までの最長距離Ｈに対して３０〜８０％の範囲であることを特徴とする構造用部材が提供される。

また、本発明の好ましい形態によれば、前記接着面加工部として形成された凸状突起の両端間の最大幅Ｌが、前記主補強部の頂部から主構造材までの最長距離Ｄに対して８０〜１５０％の範囲であることを特徴とする構造用部材が提供される。

また、本発明の好ましい形態によれば、前記主補強部の頂部から主構造材までの最長距離Ｄが５ｍｍ以上であることを特徴とする構造用部材が提供される。

また、本発明の好ましい形態によれば、前記主構造材が繊維強化樹脂からなることを特徴とする構造用部材が提供される。

また、本発明の好ましい形態によれば、前記補強部材に少なくとも一層の炭素繊維強化樹脂製クロス材が含まれていることを特徴とする構造用部材が提供される。

また、本発明の好ましい形態によれば、前記構造用部材が自動車用構造部材であることを特徴とする構造用部材が提供される。

また、本発明の好ましい形態によれば、前記自動車用構造部材の使用用途が自動車用フード、フロアパネル、トランクリッド、ルーフ、ドアパネルのいずれかであることを特徴とする構造用部材が提供される。

また、本発明の好ましい形態によれば、前記構造用部材が鉄道車両用部材もしくは船舶構造用部材であることを特徴とする構造用部材が提供される。

以下に用語を定義する。

本発明において、「主構造材」とは、接着剤により補強材を接合する構造全体における母材をいう。主構造材の接着面形状は平面である必要は無く、曲面を形成していたり、表面に微小な穴や貫通穴があったりしても良い。

本発明において、「補強部材」とは、接着剤により主構造材に接合される各種部材をいう。主構造材の剛性および強度を向上させる目的で用いられることが多く、大きさに制約は無く、また一つの主構造材に対して複数の補強部材が接合されることもある。軽量化の観点から、主構造材に接合した状態で中空となるモノコック構造であることが多い。

本発明において、「接着部」とは、補強部材を主構造材に接合する際に、接着剤を介して両者が接合している領域を示す。いずれかの部材の一部分または全面に接着剤が塗布されていても、両部材が接触していない限り接合しておらず、このような領域は接着部ではない。

接着部は図２に示すように矩形であることが多いが、補強部材の形状によってはその限りではなく、最大幅を接着部幅、最大長さを接着部長さと称する。

本発明において、「接着面加工部」とは、接着部の一部を凸形状に成形することで主構造材との距離を保ち、主構造材と接着しないようにした部位を示す。接着面加工部は、従来切欠き部を設けた部位に切欠きを設けることなく凸形状を成形して設けられる。

ここで、「接着面加工部高さＤ」とは、凸形状に成形した部位の頂部から主構造材までの最長距離に相当する長さを指す。

またここで、「接着面加工部長さＬ」とは、凸状の接着面加工部として形成された凸状突起の両端間の最大幅に相当する長さを指す。接着面加工部を有する断面は接着部を含む断面に比べ強度が低くなり、この位置より破壊に至る。

本発明において、「主補強部」とは、補強部材の主目的である剛性および強度を向上するための部位であり、補強部材から接着部、及び接着面加工部を除いた部位を示す。

ここで、「主補強部高さＨ」とは、前記凸状の主補強部の頂部から主構造材までの最長距離に相当する長さを指す。

本発明において、「接着剤」とは、接合部をともに形成する主構造材とは別の材料で構成される物質であり、リベット接合や溶接接合とは異なり、主構造材との接合の時には、主構造材よりも低いヤング率をもった非定形の物体として主構造材表面に沿って密着し、ついで加熱や乾燥でもって硬化することにより主構造材と補強部材を接合するための材料などをいう。典型的には硬化前においては液体やジェル状の物体である。接着剤は結合力を向上させる観点から、主構造材に前処理を行っても良いし、複数の成分から構成しても良い。また、液体だけではなく、固体や粉体でも良い。さらに接着剤は、主構造材ではなく補強部材に塗布しても、また双方に塗布しても良い。

本発明において、「ＦＲＰ」とは、強化繊維により強化された樹脂を指し、強化繊維としては、炭素繊維の他、例えば、ガラス繊維等の無機繊維や、ケブラー繊維、ポリエチレン繊維、ポリアミド繊維、ボロン繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維などの有機繊維からなる強化繊維を使用することも可能である。構造用部材の剛性や強度等の制御の容易性の面からは、特に炭素繊維が好ましい。ＦＲＰのマトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられ、さらには、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリプロピレン樹脂等の熱可塑性樹脂も使用可能である。

本発明において、「コア材」とは、構造としての軽量化や断面形状を得るために、特に表層材料間に挿入される材料の総称であり、弾性体や発泡材、ハニカム材が主に使用される。軽量化のためにはとくに発泡材が好ましい。発泡材の材質としては特に限定されず、例えば、ポリウレタンやアクリル、ポリスチレン、ポリイミド、塩化ビニル、フェノールなどの高分子材料のフォーム材などを使用できる。ハニカム材としては特に限定されず、例えばアルミニウム合金、紙、アラミドペーパー等を使用することができる。

このように、本発明に係るＦＲＰ製構造部材によれば、切欠き部での破壊で生じる強度のばらつきを低減し、部材の破壊モードをコントロールすることが可能である。

以下に、本発明の望ましい実施の形態について、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おける補強部材１を主構造材２へ貼り付ける状態を示している。

補強部材１は、中央に凸形状の隆起である主補強部１４を有し、その両側に主構造材２への接着面を有する凸型構造体である。また接着面は、両側の接着面の中央付近に、同じく凸形状に加工された２箇所の接着面加工部１１を有しており、その両側の計４箇所が実際に主構造材へ接着される接着部１２となる。接着面加工部１１の加工は、主補強部１４の凸形状加工と同時に実施すればよく、切欠き部１３を設ける場合のように、成形前に基材に加工したり、成形後に成形品に切欠き加工を施す必要はなく、工数を低減できる。

図２は、図１で示した補強部材１を主構造材２の上に接着した接合部材９９を示している。

補強部材１の接着部１２は、接着剤４により主構造材２と接着剤４で接着されている。ここで、補強部材１の接着面加工部１１は、接着部１２の面に対して主補強部１４の隆起と同じ方向に凸形状を備えているため、主構造材２と接触せず、接着面を形成しない。このような形状を持たせることで、接着面加工部１１付近における補強部材１の剛性は、主構造材２と接着している他部位に比べて低下させることができ、接合部材９９は接着面加工部１１を起点にして破壊する。

また一般的に接着剤４は接着する部位にのみ塗布しているが、本発明によれば、接着させたくない接着面加工部１１は主構造材２との距離が十分に確保されているため、主構造材２の面に接着剤４が余分に塗布されていても、接着部１２が形成されることは無い。例えば本例では、主構造材２の表面には、接着部１２と主構造材２が接触する部位だけではなく、接着面加工部１１の位置にも接着剤４が塗布されているが、接着面加工部１１は凸形状に加工されているため、主構造材２との間に接着部１２を形成しない。

図３は、図２のＡ−Ａ’部における断面を拡大表示したものである。接合部材９９は接着面加工部１１において接着面加工部高さＤ２５、接着面加工部長さＬ２１の空間を形成している。

接着面加工部高さＤ２５は、たとえ接着剤４が多く塗られている場合においても、接着面加工部１１において接着補強部材１が主構造材２に接触しないように設定する必要がある。すなわち、一般的な構造用部材における接着剤厚みは約０．５〜１．０ｍｍであり、また補強部材１の厚みは繊維強化樹脂性であれば１ｍｍ以上であることから、接触しないような間隙を確保するには接着面加工部高さＤ２５は少なくとも２ｍｍ以上必要であり、より好ましくは５ｍｍ以上とするのが望ましい。

また接着面加工部長さＬ２１は、接着面加工部高さＤ２５に対して短すぎると、接着面加工部１１における剛性が十分に低下しない。このため、接着面加工部長さＬ２１は、接着面加工部高さＤ２５に対して８０％以上とするのが好ましい。また逆に、接着面加工部長さＬ２１が接着面加工部高さＤ２５に対して長すぎると、接着面加工部１１の内部でさらに局所的な破壊が生じてしまい、著しい強度低下が発生する恐れがある。そのため、接着面加工部長さＬ２１は、接着面加工部高さＤ２５に対して１５０％以下とするのが好ましい。すなわち、接着面加工部長さＬ２１は、接着面加工部高さＤ２５に対して８０％〜１５０％の範囲内とするのが好ましい。

図４は、補強部材１の長手方向に対する垂直断面を図示したものであり、（ａ）は図２のＢ−Ｂ’部における断面を拡大表示したもの、（ｂ）は図２のＣ−Ｃ’部における断面を拡大表示したものである。接着面加工部高さＤ２５が主補強部高さＨ２６に対して小さいと、接着面加工部１１における相対的な剛性低下量は小さくなる。接着面加工部１１における剛性を相対的に低下させ、この部位から破壊させるには、接着面加工部高さＤ２５は、前記主補強部高さＨ２６に対して３０％以上に設定することが好ましい。また逆に、接着面加工部高さＤ２５が主補強部高さＨ２６に近づくと、補強部材１の接着面加工部１１断面での剛性が低下しすぎてしまい、構造体として成立しなくなる恐れがある。このため、接着面加工部高さＤ２５は、前記主補強部高さＨ２６に対して８０％以下に設定することが好ましい。すなわち、接着面加工部高さＤ２５は、前記主補強部高さＨ２６に対して３０〜８０％の範囲内に設定するのが好ましい。

図５は、補強部材１と主構造材２の間に内配線３を有する場合の模式図である。従来から、接合部材９９内部の空間を利用して、駆動部品などを配置して使用したり、切欠き部１３より電気配線を敷設したりしているが、このように接着面加工部１１を設けることでも、同様の使用が可能である。

図６（ａ）〜（ｄ）は、図２に示すＡ−Ａ’断面における接着面加工部１１の断面形状例を示す。接着面加工部１１の形状は、例えばＣＦＲＰクロス材を使用する場合、小さい曲率を有するような凸凹形状には成形しにくいため、（ａ）や（ｃ）より（ｂ）や（ｄ）の形状がより望ましいが、特に断面形状に制約は無い。いずれの場合においても、接着部１２の接着強度よりも接着面加工部１１の破壊強度が低くなるように接着面加工部の形状を設計すればよい。

補強部材１の主補強部１４における断面構造は、本例で示したような台形構造である必要は無く、円弧型や２山形、カギ型などの構造であっても良い。また図７に補強部材１の積層構造の一例を示す。本例ではアルミの表面にガラス繊維クロス、炭素繊維一方向材、炭素繊維クロスを有した積層構造である。補強部材１は、軽量化のため、少なくとも１種類の強化繊維を含んだ繊維強化樹脂製の補強部材が望ましく、より好ましくは、一層の炭素繊維強化樹脂製クロス材を表面に有していることが部材表面の平滑性向上の点から望ましい。

図８は、主構造材２へ切欠き補強部材５を取付けた従来技術の略図である。切欠き補強部材５に切欠き部１３を設けることによって切欠き部１３近傍の剛性が低下し、構造体が破壊するように設計されている。しかし切欠きにより強化繊維が分断されるため、切欠き部における部材の強度が不均一になる。さらに切欠き部に応力が集中する構造から、構造部材の強度ばらつきが大きくなる原因となる。

本発明を用いて構成した補強部材１は、従来構造に比べて破壊位置を想定した位置、すなわち、接着面加工部１１を設けた位置に誘導することができ、従来技術に比べて強度ばらつきを小さくできる特徴を備えている。そのため構造用部材としては自動車用部材や車両用部材、船舶用部材などに幅広く用いることが可能であり、特に自動車用部材としては、荷重に対して特定箇所が折れ曲がるように設計する必要がある自動車用フードやフロアパネル、トランクリッドやルーフ、ドアパネル構造などに用いることが好ましい。

補強部材１を構成するＦＲＰ材料としては、少なくとも１枚のＣＦＲＰクロスを補強部材１の積層材料に有していることが望ましい。すなわち補強部材は、部材の長手方向に荷重が加わり、接着面加工部１１付近で破壊することが想定される。そのとき、ＣＦＲＰクロス材を積層に有していれば、破損材料を過度に飛散させることなく、安定的に破壊させることができる。また主構造材２を構成する材料としては、金属材料でも良いが、ＦＲＰ材料である方が補強部材１との接着強度が確保しやすく好ましい。

さらに図示は省略するが、本発明の適用対象となるＦＲＰ製構造用部材の補強部材１及び主構造材２の構造としては、ＦＲＰ製の単板構造のものは勿論のこと、例えば、比重の小さいコア材を有し、その片面にＦＲＰ板を配置した部材構成、あるいはその両面側にＦＲＰ板を配置した部材構成（いわゆるサンドイッチ構成）とすることも可能である。このような構成においては、これらＦＲＰ板に対して、前述したような本発明における接着取付け構造を適用すればよい。

本発明に係る構造用部材の構造は、自動車用部材、車両用部材、船舶用部材に関わらず、ＦＲＰを有する補強部材が取り付けられるあらゆる構造用部材に適用可能である。

本発明の一実施態様にかかるＦＲＰ製補強部材の主構造材への取付け方法を示す前記略図である。 本発明の一実施態様にかかるＦＲＰ製補強部材を主構造材の上に接着した接合部材９９を示す前記略図である。 図２の前記略図のＡ−Ａ′断面における前記略断面図である。 図２の前記略図のＢ−Ｂ′断面、およびＣ−Ｃ′断面における前記略断面図である。 本発明の一実施態様にかかる内配線の模式図である。 図２の前記略図における補強部材１のＡ−Ａ′断面における断面の設計例である。 図３の接着面加工部１１における断面の積層設計の一例である。 主構造材２への切欠き補強部材５を取付けた従来技術の前記略図である。

符号の説明

１ 補強部材
２ 主構造材
３ 内配線
４ 接着剤
５ 切欠き補強部材
１１ 接着面加工部
１２ 接着部
１３ 切欠き部
１４ 主補強部
２１ 接着面加工部長さＬ
２５ 接着面加工部高さＤ
２６ 主補強部高さＨ
９９ 接合部材

Claims (9)

1. 強化繊維を含んだ繊維強化樹脂製の補強部材が主構造材に取り付けられた構造用部材であって、前記補強部材は凸状の主補強部および接着部を少なくとも備え、前記接着部の一部に凸状の接着面加工部が形成されていることを特徴とする構造用部材。
2. 前記接着面加工部の頂部から主構造材までの最長距離Ｄが、前記主補強部の頂部から主構造材までの最長距離Ｈに対して３０〜８０％の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の構造用部材。
3. 前記接着面加工部として形成された凸状突起の両端間の最大幅Ｌが、前記主補強部の頂部から主構造材までの最長距離Ｄに対して８０〜１５０％の範囲であることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の構造用部材。
4. 前記主補強部の頂部から主構造材までの最長距離Ｄが５ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の構造用部材。
5. 前記主構造材が繊維強化樹脂からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の構造用部材。
6. 前記補強部材に少なくとも一層の炭素繊維強化樹脂製クロス材を有していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の構造用部材。
7. 前記構造用部材が自動車用構造部材であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の構造用部材。
8. 前記自動車用構造部材の使用用途が自動車用フード、フロアパネル、トランクリッド、ルーフ、ドアパネルのいずれかであることを特徴とする、請求項７に記載の構造用部材。
9. 前記構造用部材が鉄道車両用部材もしくは船舶構造用部材であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の構造用部材。

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