JP6708323B1

JP6708323B1 - センターピラーインナーおよびセンターピラー

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Publication number: JP6708323B1
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Inventors: 幸一 ▲濱▼田
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Abstract

コストの増加を抑えつつ、センターピラーの軽量化と耐衝撃性を両立させる。シートベルトのリトラクターの取付箇所となる開口部２１ａと、サイドシル３０の取付箇所となるサイドシル取付部２１ｂとを有するインナー部材２１と、インナー部材２１の表面に接合されたＣＦＲＰ部材２２とを備え、ＣＦＲＰ部材２２が、少なくとも開口部２１ａとサイドシル取付部２１ｂとの間に設けられるようにセンターピラーインナー２０を構成する。

Description

本発明は、自動車のセンターピラーインナーに関する。

図１は一般的な自動車の車体構造を示す図であり、車両側面に相当する部分にはセンターピラーやルーフサイドレール、サイドシルといった部材が設けられている。センターピラーは上端部がルーフサイドレールに接合され、下端部がサイドシルに接合される。センターピラーには自動車の側面衝突時に乗員を保護するための耐衝撃性が求められ、従前より耐衝撃性を向上させる技術開発が進められている。

特許文献１にはセンターピラーを構成するアウター部材とインナー部材のうち、インナー部材をＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）で形成することが開示されている。特許文献２にはアウター部材をアルミニウム製とし、インナー部材をＣＦＲＰ製とすることが開示されている。特許文献３にはアウター部材とインナー部材との間にＣＦＲＰから成る補強部材を充填することが開示されている。

特開２０１３−２１２７３１号公報国際公開第２０１５／０２５５７２号特開２０１４−０８０１８３号公報

特許文献１および２のようにセンターピラーのインナー部材としてＣＦＲＰを適用した場合、金属より軽量ではあるが伸びが低いため、センターピラーに求められる耐衝撃性は担保されない。また、該インナー部材をそのままＣＦＲＰとして用いることは、金属を用いる場合に比べてコストの増加が顕著であり、好ましくない。

また、近年は燃費向上のために車両の軽量化が重要視されているが、特許文献３のようにアウター部材とインナー部材との間に補強部材を充填すると、補強部材のサイズが大きくなることが避けられず、重量のさらなる増加を招いてしまう。特許文献３の場合、車両の軽量化のために例えばインナー部材の板厚を薄くすることも考えられるが、これではセンターピラーの耐衝撃性を十分に確保することができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コストの増加を抑えつつ、センターピラーの軽量化と耐衝撃性を両立させることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明によれば、シートベルトのリトラクターの取付箇所となる開口部と、サイドシルの取付箇所となるサイドシル取付部とを有するインナー部材と、前記インナー部材の表面に接合されたＣＦＲＰ部材とを備え、前記ＣＦＲＰ部材は、前記インナー部材の長手方向に対し−５°〜５°方向の範囲内に収まる繊維方向の炭素繊維を含み、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂であり、前記ＣＦＲＰ部材が少なくとも前記開口部と前記サイドシル取付部との間に設けられている、センターピラーインナーが提供される。

別の観点からの本発明によれば、センターピラーアウターと、上記記載のセンターピラーインナーとを備え、前記センターピラーアウターと前記センターピラーインナーとが互いのフランジ部で接合されている、センターピラーが提供される。

本発明によれば、コストの増加を抑えつつ、センターピラーの軽量化と耐衝撃性を両立させることができる。

一般的な自動車の車体構造を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るセンターピラーの概略構成を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るセンターピラーの分解図である。本発明の第１の実施形態に係るセンターピラーのインナー部材を示す図である。図２中のＡ−Ａ断面図である。図２中のＢ−Ｂ断面図である。本発明の第２の実施形態に係るセンターピラーの概略構成を示す図である。本発明の第２の実施形態に係るセンターピラーの図２中のＡ−Ａ断面に相当する図である。本発明の第２の実施形態に係るセンターピラーの図２中のＢ−Ｂ断面に相当する図である。本発明の第３の実施形態に係るセンターピラーの概略構成を示す図である。本発明の第４の実施形態に係るセンターピラーの概略構成を示す図である。実施例における側面衝突シミュレーションの解析モデルを示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜第１の実施形態＞
図２に示すように第１の実施形態のセンターピラー１は、センターピラーアウター１０と、センターピラーインナー２０で構成されている。センターピラーアウター１０は例えば、冷延鋼板またはホットスタンプ鋼板等からなる部材である。図２および図３に示すようにセンターピラーインナー２０は、センターピラーアウター１０に接合されるインナー部材２１と、そのインナー部材２１に接合されたＣＦＲＰ部材２２で構成されている。インナー部材２１は、例えば、冷延鋼板、ホットスタンプ鋼板または熱延鋼板等からなる部材である。なお、センターピラーアウター１０およびインナー部材２１を構成する素材は金属であれば特に限定されず、例えば、アルミニウム合金等であってもよい。ＣＦＲＰ部材２２とは、所定のマトリックス樹脂に炭素繊維を強化繊維樹脂として含有させた炭素繊維強化樹脂からなる部材である。ＣＦＲＰ部材を構成するマトリックス樹脂および炭素繊維については、後で詳述する。

図４に示すように、センターピラーインナー２０の構成部品であるインナー部材２１は、シートベルトのリトラクター（巻取装置）が取り付けられるように設けられた開口部２１ａと、サイドシル３０が取り付けられるように設けられたサイドシル取付部２１ｂとを有している。サイドシル取付部２１ｂは、インナー部材２１とサイドシル３０とが接合された際のインナー部材２１の、サイドシル３０で覆われる部分に相当する。したがって、開口部２１ａはシートベルトのリトラクターの取付箇所に相当し、サイドシル取付部２１ｂはサイドシル３０の取付箇所に相当する。第１の実施形態のサイドシル取付部２１ｂは、サイドシル３０と面接触可能なように平面状に形成されているが、サイドシル取付部２１ｂの形状は特に限定されない。

図２〜図６に示すように、インナー部材２１の開口部２１ａの下方から上端部２１ｃまでの形状は、高さ方向に垂直な断面視においてハット形状となっており、フランジ部２１ｄが形成されている。センターピラー１は、そのインナー部材２１のフランジ部２１ｄと、インナー部材２１と同様にハット形状を有するセンターピラーアウター１０のフランジ部１０ａとが例えばスポット溶接により互いに接合されることで製造される。

第１の実施形態においてはＣＦＲＰ部材２２がインナー部材２１の全面に設けられている。ＣＦＲＰ部材２２の形状は、インナー部材２１のサイドシル取付部２１ｂと上端部２１ｃとの間の形状と同一形状となっており、ＣＦＲＰ部材２２には、例えばインナー部材２１の開口部２１ａが覆われることがないように開口部２１ａと同形状の孔２２ａ（図３）が設けられている。ＣＦＲＰ部材２２の厚さは、要求される耐衝撃性や重量制限に応じて適宜変更されるが、例えば１．０〜４．０ｍｍであることが好ましい。実用上、望ましくは、１．０〜２．０ｍｍである。

ＣＦＲＰ部材２２はインナー部材２１の車内側の表面に接合されている。インナー部材２１とＣＦＲＰ部材２２の接合方法は特に限定されないが、例えば接着剤を用いて接合される。また、ＣＦＲＰ部材２２のマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂であれば、ＣＦＲＰ部材２２を加熱してインナー部材２１に熱融着することによって接合されてもよい。このため、例えばセンターピラーインナー２０は、インナー部材２１とセンターピラーアウター１０とを接合した後に、接着剤を用いて、または熱融着により、インナー部材２１の車内側の表面にＣＦＲＰ部材２２を貼り付けることで製造される。接着剤を用いた場合は、センターピラーインナー２０の断面を見ると、インナー部材２１とＣＦＲＰ部材２２との間に接着剤が存在していることを確認することができる。

また、例えばセンターピラーインナー２０は、開口部２１ａが形成されたインナー部材２１のブランクに対し、ブランクの開口部２１ａが覆われないように形状が整えられたＣＦＲＰ部材２２を接着剤または熱融着により接合し、その後プレス成形を行うことで製造される。なお、センターピラーアウター１０とセンターピラーインナー２０との接合を行う前にインナー部材２１とＣＦＲＰ部材２２を接合する場合、センターピラーアウター１０とセンターピラーインナー２０のスポット溶接の打点がＣＦＲＰ部材２２で覆われた状態とならないように、ＣＦＲＰ部材２２にはスポット溶接の打点位置に相当する位置に予め孔（不図示）が設けられる。

なお、ＣＦＲＰ部材２２のマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂であれば、インナー部材２１とＣＦＲＰ部材２２との接合は、上述したように接着剤または熱融着により、熱硬化性樹脂を使用した場合と比較して、より強固に接合することができる。これにより、側面衝突の際にセンターピラーインナー２０に衝撃が加わったとしても、インナー部材２１の変形にＣＦＲＰ部材２２が追随するので、補強の効果が大きくなる。また、熱可塑性樹脂を用いたＣＦＲＰは熱硬化性樹脂を用いたＣＦＲＰ（約１〜２％程度）よりも伸びが大きい。したがって、熱可塑性樹脂をＣＦＲＰ部材２２に適用すれば、側面衝突時においてＣＦＲＰ部材２２の引っ張りによる仕事量が熱硬化性樹脂を用いた場合よりも大きくなるので、耐衝撃性がさらに向上する。なお、インナー部材２１とＣＦＲＰ部材２２との具体的な接合方法については後述する。

第１の実施形態のセンターピラーインナー２０およびそれを備えるセンターピラー１は以上のように構成されている。側面衝突時においてはセンターピラーアウター１０に圧縮荷重がかかり、センターピラーインナー２０に引張荷重がかかることになるが、第１の実施形態のセンターピラーインナー２０にはＣＦＲＰ部材２２が設けられていることにより、側面衝突時に生じる引張荷重をＣＦＲＰ部材２２で受けることができる。ＣＦＲＰは比強度に優れているため、インナー部材２１を高強度化しなくても、軽量化を達成しつつ、耐衝撃性を向上させることが可能となる。これに伴い、インナー部材２１に延性の高い軟鋼板等の金属を用いることも可能となり、側面衝突時のセンターピラーインナー２０の破断を抑制することもできる。

このように、インナー部材２１にＣＦＲＰ部材２２を接合してセンターピラーインナー２０を構成すれば、センターピラー１としての耐衝撃性を向上させることができる。換言すると、第１の実施形態のセンターピラーインナー２０を用いることで、車両の軽量化を目的としてインナー部材２１の板厚を薄くしても十分な耐衝撃性を確保できる。すなわち、センターピラー１の軽量化と耐衝撃性を両立させることができる。さらに、第１の実施形態のようなセンターピラーインナー２０においては、インナー部材２１全体をＣＦＲＰで構成するよりもコストの増加を抑えることができる。

さらに、センターピラーインナー２０に使用される程度のＣＦＲＰ部材２２の量であれば、センターピラーインナー２０をスクラップとして再利用する場合、特にインナー部材２１が鋼板である場合、インナー部材２１とＣＦＲＰ部材２２を分別せず、そのまま製鉄所の転炉等に投入して溶解させても製錬できるため、不純物が過度に増加することはない。したがって、インナー部材２１にＣＦＲＰ部材２２が接合されたセンターピラーインナー２０はリサイクル性にも優れている。

＜第２の実施形態＞
図７〜図９に示すように第２の実施形態のＣＦＲＰ部材２２は、第１の実施形態のようにインナー部材２１の全面には設けられておらず、インナー部材２１の開口部２１ａとサイドシル取付部２１ｂとの間の領域と、インナー部材２１のフランジ部２１ｄ全体に設けられている。なお、以降の説明においては、インナー部材２１の開口部２１ａとサイドシル取付部２１ｂとの間の領域をインナー部材２１の“ロア部２１ｅ”と称す。

側面衝突時、インナー部材２１のロア部２１ｅと、開口部２１ａの側方のフランジ部２１ｄには大きな塑性ひずみが生じやすいが、第２の実施形態のセンターピラーインナー２０はロア部２１ｅと、フランジ部２１ｄ全体にＣＦＲＰ部材２２が設けられているため、側面衝突時に変形しやすい箇所を効果的に補強することができる。すなわち、フランジ部２１ｄはセンターピラーアウター１０との接合部分であり、センターピラーアウター１０に入力される衝撃を受けやすい部分である。このフランジ部２１ｄにＣＦＲＰ部材２２を設けることで、側面衝突によりセンターピラーアウター１０の変形に応じたフランジ部２１ｄの変形を抑制することができる。これにより、センターピラーインナー２０の耐衝撃性を効果的に向上させることができる。したがって、第２の実施形態のセンターピラーインナー２０を用いれば、第１の実施形態のようにインナー部材２１の全面にＣＦＲＰ部材２２に設ける場合に比べ、ＣＦＲＰ部材２２の使用量を低減してコスト抑制および軽量化を図りつつ、十分な耐衝撃性を確保することができる。

＜第３の実施形態＞
図１０に示すように第３の実施形態のＣＦＲＰ部材２２は、インナー部材２１のロア部２１ｅと、開口部２１ａの側方のフランジ部２１ｄ’に設けられている。前述の通り、側面衝突時に生じるインナー部材２１の塑性ひずみはロア部２１ｅと開口部２１ａの側方のフランジ部２１ｄ’で大きくなりやすいため、第２の実施形態のようにＣＦＲＰ部材２２が、開口部２１ａより上方に位置するフランジ部２１ｄ’に設けられていなくても、開口部２１ａの側方のフランジ部２１ｄ’にＣＦＲＰ部材２２が設けられていれば、インナー部材２１を効果的に補強することができる。したがって、第３の実施形態のセンターピラーインナー２０を用いれば、第２の実施形態のセンターピラーインナー２０に対してさらに、ＣＦＲＰ部材２２の使用量を低減してコスト抑制および軽量化を図りつつ、十分な耐衝撃性を確保することができる。

＜第４の実施形態＞
図１１に示すように第４の実施形態のＣＦＲＰ部材２２は、インナー部材２１のロア部２１ｅにのみ設けられている。側面衝突時に生じるインナー部材２１の塑性ひずみは、インナー部材２１においてサイドシル取付部２１ｂと開口部２１ａの間にあたるロア部２１ｅが顕著に大きくなりやすい。そのため、第４の実施形態ようにロア部２１ｅにのみＣＦＲＰ部材２２を設ける場合であっても効果的にインナー部材２１を補強することができる。したがって、第４の実施形態のセンターピラーインナー２０を用いれば、第３の実施形態のセンターピラーインナー２０に対して、さらなる軽量化を図りつつ、十分な耐衝撃性を確保することができ、重量効率がさらに優れる。

以上の第１〜第４の実施形態で説明したように、インナー部材２１に対するＣＦＲＰ部材２２の接合箇所については複数の実施形態が存在するが、コストの増加を抑えつつ、軽量化と耐衝撃性を両立させるという観点においては、ＣＦＲＰ部材２２は少なくとも、側面衝突時に塑性ひずみが最も大きくなるインナー部材２１のロア部２１ｅに設けられていることが必要となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば第１〜第４の実施形態においては、インナー部材２１の車内側の表面にＣＦＲＰ部材２２を接合することとしたが、インナー部材２１の車外側の表面にＣＦＲＰ部材２２を接合しても良い。すなわち、センターピラーアウター１０とインナー部材２１との間にＣＦＲＰ部材２２が設けられていても良い。この場合、センターピラーインナー２０は、インナー部材２１のブランクとＣＦＲＰ部材２２とが予め接合された状態でプレス成形が実施されることで製造される。その後、センターピラーアウター１０とセンターピラーインナー２０とが例えばスポット溶接で接合されることでセンターピラー１が構成される。なお、スポット溶接を行う場合、ＣＦＲＰ部材２２でインナー部材２１のスポット溶接の打点が覆われないように、ＣＦＲＰ部材２２にはスポット溶接の打点位置に相当する位置に予め孔（不図示）が設けられる。

上記のように、センターピラーアウター１０とインナー部材２１との間にＣＦＲＰ部材２２を設ける場合、ＣＦＲＰ部材２２にスポット溶接用の孔を設けることや、センターピラーアウター１０とセンターピラーインナー２０のいずれかにスポット溶接用の座面を設けるといった加工が求められる。その為、加工コストの増大や、加工に伴う部材剛性の低下等が懸念されるため、ＣＦＲＰ部材２２を接合する箇所はインナー部材２１の車内側の表面であることが好ましい。

＜ＣＦＲＰ部材の種類＞
各実施形態においてインナー部材に貼り付けられ得るＣＦＲＰ部材は、マトリックス樹脂と、該マトリックス樹脂中に含有され、複合化された炭素繊維材料からなる、炭素繊維強化樹脂部材を意味する。炭素繊維としては、例えば、ＰＡＮ系またはピッチ系のものが使用できる。炭素繊維を用いることにより、重量に対する強度等を効率よく向上させることができる。ここで用いられるＣＦＲＰは、炭素繊維含有体積率が５０〜７０％で、炭素繊維の繊維方向が、センターピラーインナーの長手方向に沿うもの（センターピラーインナーが長手方向に、緩やかにカーブを描いている場合は、そのカーブに沿うもの）が好ましく、具体的にはその方向に対し、炭素繊維の繊維方向は−５°〜５°方向の範囲内に収まるものが望ましい。なお、ＣＦＲＰ中の炭素繊維の配向状況は、ＣＦＲＰ部材をマイクロフォーカスＸ線ＣＴ（Ｘ−ｒａｙＣｏｍｐｕｔｅｄＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）を用いて観察、解析を行うことにより同定できる。なお、その方向のＣＦＲＰの引張強度は１５００ＭＰａ以上、ヤング率は１０２ＧＰａ以上、破断伸び１．５％以上が好ましい。

ＣＦＲＰ部材に用いられるマトリックス樹脂として、熱可塑性樹脂を使用することができる。熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン等）およびその酸変性物、ナイロン６およびナイロン６６等のポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタラートおよびポリブチレンテレフタラート等の熱可塑性芳香族ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテルおよびその変性物、ポリアリレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、塩化ビニル、ポリスチレン等のスチレン系樹脂、並びにフェノキシ樹脂等があげられる。なお、マトリックス樹脂は、複数種類の樹脂材料により形成されていてもよい。

金属部材への適用を考慮すると、加工性、生産性の観点から、また、引張り伸びが大きい事による金属部材の変形への追従性から、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いる。さらに、マトリックス樹脂としてフェノキシ樹脂を用いることで、強化繊維材料の密度を高くすることができ、かつ金属部材との密着性、及び、金属部材の変形への追従性が向上し、結果的にＣＦＲＰと金属部材の剥離が抑えられ、衝撃荷重入力時のエネルギー吸収が効率的に行われ、エネルギー吸収能が向上する。また、フェノキシ樹脂は熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂と分子構造が酷似しているためエポキシ樹脂と同程度の耐熱性を有する。また、硬化成分をさらに添加することにより、高温環境への適用も可能となる。硬化成分を添加する場合、その添加量は、強化繊維材料への含浸性、ＦＲＰ部材の脆性、タクトタイムおよび加工性等とを考慮し、適宜決めればよい。

＜接着樹脂層＞
補強部材がＣＦＲＰ部材等により形成される場合、ＣＦＲＰ部材と金属部材（上記実施形態ではインナー部材２１）との間に接着樹脂層が設けられ、該接着樹脂層によりＣＦＲＰ部材と金属部材とが接合されてもよい。

接着樹脂層を形成する接着樹脂組成物の種類は特に限定されない。例えば、接着樹脂組成物は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれかであってもよい。熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂の種類は特に限定されない。例えば、熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィンおよびその酸変性物、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレンテレフタラートやポリブチレンテレフタラート等の熱可塑性芳香族ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテルおよびその変性物、ポリフェニレンスルフィド、ポリオキシメチレン、ポリアリレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、並びにポリエーテルケトンケトン等から選ばれる１種以上を使用することができる。また、熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、およびウレタン樹脂から選ばれる１種以上を使用することができる。

接着樹脂組成物は、ＣＦＲＰ部材を構成するマトリックス樹脂の特性、補強部材の特性または金属部材の特性に応じて適宜選択され得る。例えば、接着樹脂層として極性のある官能基を有する樹脂や酸変性などを施された樹脂を用いることで、接着性が向上する。

このように、上述した接着樹脂層を用いてＣＦＲＰ部材を金属部材に接着させることにより、ＣＦＲＰ部材と金属部材との密着性を向上させることができる。そうすると、金属部材に対し荷重が入力された際の、ＣＦＲＰ部材の変形追従性を向上させることができる。この場合、金属部材の変形体に対するＣＦＲＰ部材の効果をより確実に発揮させることが可能となる。

なお、接着樹脂層を形成するために用いられる接着樹脂組成物の形態は、例えば、粉体、ワニス等の液体、フィルム等の固体とすることができる。

また、接着樹脂組成物に架橋硬化性樹脂および架橋剤を配合して、架橋性接着樹脂組成物を形成してもよい。これにより接着樹脂組成物の耐熱性が向上するため、高温環境下での適用が可能となる。架橋硬化性樹脂として、例えば２官能性以上のエポキシ樹脂や結晶性エポキシ樹脂を用いることができる。また、架橋剤として、アミンや酸無水物等を用いることができる。また、接着樹脂組成物には、その接着性や物性を損なわない範囲において、各種ゴム、無機フィラー、溶剤等その他添加物が配合されてもよい。

ＣＦＲＰ部材の金属部材への複合化は、種々の方法により実現される。例えば、ＣＦＲＰ部材となるＣＦＲＰまたはその前駆体であるＣＦＲＰ成形用プリプレグと、金属部材とを、上述した接着樹脂組成物で接着し、該接着樹脂組成物を固化（または硬化）させることで得られる。この場合、例えば、加熱圧着を行うことにより、ＣＦＲＰ部材と金属部材とを複合化させることができる。

上述したＣＦＲＰまたはＣＦＲＰ成形用プリプレグの金属部材への接着は、部品の成形前、成形中または成形後に行われ得る。例えば、被加工材である金属材料を金属部材に成形した後に、ＣＦＲＰまたはＣＦＲＰ成形用プリプレグを該金属部材に接着しても良い。また、被加工材にＣＦＲＰまたはＣＦＲＰ成形用プリプレグを加熱圧着により接着した後に、ＣＦＲＰ部材が接着された該被加工材を成形して複合化された金属部材を得てもよい。ＣＦＲＰ部材のマトリクス樹脂が熱可塑性樹脂であれば、ＣＦＲＰ部材が接着された部分について曲げ加工等の成形を行うことも可能である。また、ＣＦＲＰ部材のマトリクス樹脂が熱可塑樹脂である場合、加熱圧着工程と成形工程とが一体となった複合一括成形が行われてもよい。

なお、ＣＦＲＰ部材と金属部材との接合方法は、上述した接着樹脂層による接着に限られない。例えば、ＣＦＲＰ部材と金属部材とは、機械的に接合されてもよい。より具体的には、ＣＦＲＰ部材と金属部材のそれぞれ対応する位置に締結用の孔が形成され、これらがボルトやリベット等の締結手段により当該孔を介して締結されることにより、ＣＦＲＰ部材と金属部材とが接合されていてもよい。他にも公知の接合手段によってＣＦＲＰ部材と金属部材とが接合されてもよい。また、複数の接合手段により複合的にＣＦＲＰ部材と金属部材とが接合されてもよい。例えば、接着樹脂層による接着と、締結手段による締結とが複合的に用いられてもよい。

＜金属部材およびその表面処理＞
本発明に係る金属部材は、めっきされていてもよい。これにより、耐食性が向上する。特に、金属部材が鋼材である場合は、より好適である。めっきの種類は特に限定されず、公知のめっきを用いることができる。例えば、めっき鋼板（鋼材）として、溶融亜鉛めっき鋼板、溶融合金化亜鉛めっき鋼板、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板、アルミニウムめっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、電気Ｚｎ−Ｎｉ系合金めっき鋼板等が用いられ得る。

また、金属部材は、表面に化成処理とよばれる皮膜が被覆されていてもよい。これにより、耐食性がより向上する。化成処理として、一般に公知の化成処理を用いることができる。例えば、化成処理として、りん酸亜鉛処理、クロメート処理、クロメートフリー処理等を用いることができる。また、上記皮膜は、公知の樹脂皮膜であってもよい。

また、金属部材は、一般に公知の塗装が施されているものであってもよい。これにより、耐食性がより向上する。塗装として、公知の樹脂を用いることができる。例えば、塗装として、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂またはふっ素系樹脂等を主樹脂としたものを用いることができる。また、塗装には、必要に応じて、一般に公知の顔料が添加されていてもよい。また、塗装は、顔料が添加されていないクリヤー塗装であってもよい。かかる塗装は、ＣＦＲＰ部材を複合化する前に予め金属部材に施されていてもよいし、ＣＦＲＰ部材を複合化した後に金属部材に施されてもよい。また、予め金属部材に塗装が施されたのちにＣＦＲＰ部材が複合化され、さらにその後塗装が施されてもよい。塗装に用いられる塗料は、溶剤系塗料、水系塗料または紛体塗料等であってもよい。塗装の施工方法として、一般に公知の方法が適用され得る。例えば、塗装の施工方法として、電着塗装、スプレー塗装、静電塗装または浸漬塗装等が用いられ得る。電着塗装は、金属部材の端面や隙間部を被覆するのに適しているため、塗装後の耐食性に優れる。また、塗装前に金属部材の表面にりん酸亜鉛処理やジルコニア処理等の一般に公知の化成処理を施すことにより、塗膜密着性が向上する。

センターピラーインナーの構成の違いによる耐衝撃性を評価するため、図１２のような解析モデルを作成し、側面衝突シミュレーションを実施した。シミュレーション条件はＪＮＣＡＰ（ＪＡＰＡＮＮｅｗＣａｒＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍ）の側面衝突試験の条件に準拠している。下記表１に側面衝突シミュレーションを実施した各センターピラーの構成を示す。

比較例１のセンターピラーインナーは、板厚が０．９５ｍｍの引張強度３４０ＭＰａの鋼板のみで構成されている。比較例２のセンターピラーインナーは、板厚が０．６ｍｍの引張強度３４０ＭＰａの鋼板のみで構成されている。比較例２の鋼板は、比較例１の鋼板よりも板厚が薄く、いわゆる薄肉化された鋼板である。

実施例１のセンターピラーインナーは、接着剤を用いて比較例２の鋼板の全面に、板厚が２ｍｍのＣＦＲＰ部材を貼り付けた構成であり、図２に示す第１の実施形態と同様の構成である。実施例２のセンターピラーインナーは、接着剤を用いて比較例２の鋼板のロア部とフランジ部全体に、板厚が２ｍｍのＣＦＲＰ部材を貼り付けた構成であり、図７に示す第２の実施形態と同様の構成である。実施例３のセンターピラーインナーは、接着剤を用いて比較例２の鋼板のロア部と、開口部側方のフランジ部に、板厚が２ｍｍのＣＦＲＰ部材を貼り付けた構成であり、図１０に示す第４の実施形態と同様の構成である。センターピラーアウターは各実施例で共通しており、引張強度１．５ＧＰａのホットスタンプ鋼板のみで構成されている。ここで、実施例１〜３のＣＦＲＰ部材に用いられるマトリックス樹脂は、いずれも熱可塑性樹脂であるフェノキシ樹脂としている。また、ここで用いられる、マトリックス樹脂があるフェノキシ樹脂とＣＦＲＰは、炭素繊維含有体積率が５０％で、炭素繊維の繊維方向が、センターピラーインナーの長手方向に沿うもの（センターピラーインナーが長手方向に、緩やかにカーブを描いている場合は、そのカーブに沿うもの）とした。なお、その方向のＣＦＲＰの引張強度は１５００ＭＰａ、ヤング率は１０２ＧＰａ、破断伸び１．５％とした。鋼板とＣＦＲＰの接着強度は、せん断破断応力３０ＭＰａとして解析を行った。

また、比較例３のセンターピラーインナーは、実施例１と同じ構成でありＣＦＲＰ部材に用いられるマトリックス樹脂のみを熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂としたものである。比較例４のセンターピラーインナーは、実施例２と同じ構成でありＣＦＲＰ部材に用いられるマトリックス樹脂のみを熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂としたものである。比較例５のセンターピラーインナーは、実施例３と同じ構成でありＣＦＲＰ部材に用いられるマトリックス樹脂のみを熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂としたものである。これらの比較例で用いられる、マトリックス樹脂がエポキシ樹脂のＣＦＲＰは、炭素繊維含有体積率が５０％、炭素繊維の繊維方向が、センターピラーインナーの長手方向に沿うもの（センターピラーインナーが長手方向に、緩やかにカーブを描いている場合は、そのカーブに沿うもの）とし、その方向のマトリックス樹脂がエポキシ樹脂の該ＣＦＲＰの引張強度は１５００ＭＰａ、ヤング率は１０２ＧＰａ、破断伸び０．９％とした。鋼板とＣＦＲＰの接着強度は、せん断破断応力３０ＭＰａとして解析を行った。

なお、表１中のトータル重量の項目に記載された括弧内の数値は、比較例１のセンターピラーのトータル重量との差を示している。

上記条件の下で実施した側面衝突シミュレーションでは、乗員の胸部および腰部に相当する地上高さにおけるセンターピラーの車内側への侵入量と、重量効率について評価した。下記表２では、比較例２のセンターピラーに対する比較例１、３〜５および実施例１〜３のセンターピラーにおけるピラー侵入量の変化率（表２中の衝突減少）と、重量効率（衝突減少／重量増加分）を示している。

表２に示すように、実施例１〜３におけるセンターピラーは、インナー部材の板厚が大きい比較例１のセンターピラーに対して胸部および腰部ともに衝突減少効果に関する重量効率が向上した。また、本シミュレーションでは、胸部に対する重量効率の向上効果は実施例１で最も大きくなり、腰部に対する重量効率の向上効果は実施例２で最も大きくなった。実施例３においても、腰部に対する重量効率の向上効果は実施例２と同等であり、重量効率に優れている。

実施例１のセンターピラーは、インナー部材の板厚が大きい比較例１に対して軽量化の効果が大きいわけではないが、上記表２に示す結果に鑑みると、実施例１のセンターピラーインナーの構成の場合、インナー部材の板厚をさらに薄くしても十分な耐衝撃性が得られることが推定される。このため、さらなる軽量化を図りつつ、比較例１と同等以上の耐衝撃性を確保することができる。したがって、実施例１のセンターピラーインナーを用いれば、軽量化と耐衝撃性を両立させることができる。

実施例２のセンターピラーの衝突減少効果は胸部および腰部ともに比較例１と同等レベルであるが、重量効率は向上している。したがって、実施例２のセンターピラーインナーを用いれば、軽量化と耐衝撃性を両立させることができる。また、実施例３のセンターピラーの衝突減少効果は胸部および腰部を含めたセンターピラー全体としての耐衝撃性は、インナー部材の板厚が大きい比較例１と同等レベルである。また、実施例３のセンターピラーは、表２に示されるように、インナー部材の板厚が大きい比較例１に対する軽量化の効果も大きい。したがって、実施例３のセンターピラーインナーを用いれば、軽量化と耐衝撃性を両立させることができる。また、実施例３においては、比較例１に対して軽量化の効果が大きいことから、ＣＦＲＰ部材の板厚を例えば０．１ｍｍ程度厚くして耐衝撃性を高めたとしても、比較例１に対する軽量化の効果を十分に得ることができる。

また、実施例３のセンターピラーインナーの構成は、インナー部材のロア部と、開口部側方のフランジ部にＣＦＲＰ部材が設けられたものであるが、実施例３の結果に鑑みると、側面衝突時に塑性ひずみが大きくなるインナー部材のロア部にのみＣＦＲＰ部材が設けられた場合であっても十分な耐衝撃性が得られると推定される。したがって、ＣＦＲＰ部材がインナー部材のロア部にのみ設けられたセンターピラーインナーであっても、軽量化と耐衝撃性を両立させることができ、素材にかかるコストも抑制することができる。

また、実施例１〜３と比較例３〜５を比べると、比較例３〜５は胸部、腰部のいずれにおいても衝突減少効果が低く、重量効率が大きく劣位であった。これは、熱可塑性樹脂（フェノキシ樹脂）に比べ、熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）は塑性変形能が低く、衝突途中にＣＦＲＰ部材自体の破断及びそれに伴うＣＦＲＰの鋼板からの剥離が発生するからである。表２に示すように、比較例３〜５では、重量効率が１％程度、あるいは１％以下となっており、ＣＦＲＰ部材による補強を行っていない比較例２とほぼ同等である。

一方で、実施例１〜３では、ＣＦＲＰ部材として熱可塑性樹脂（フェノキシ樹脂）を用いており、衝突途中でのＣＦＲＰ部材の剥離やＣＦＲＰ部材自体の破断は発現せず、優れた性能を示すことが分かっている。

即ち、実施例１〜３と比較例３〜５との比較からは、センターピラーインナーに貼り付けるＣＦＲＰ部材としては、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂より、熱可塑性樹脂であるフェノキシ樹脂を用いることが好ましいことが分かる。

センターピラーは、衝突時には主にロア部（車体下側）を積極的に塑性変形させエネルギー吸収を図る。一方で、アッパ側（車体上側）は衝突時に乗員の頭部や胸部を保護するといった観点から、積極的な変形はさせずに部材の車内側への侵入量を抑制させることが求められる。ロア部の変形は主に曲げ変形であり、曲げの外側ほど引張力が高くなる。その為、強度の高いＣＦＲＰ部材を曲げの外側に配置するのが効果的であると考えられる。

引張力の高い、曲げの外側にＣＦＲＰ部材を配置する場合に、延性の低い熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂）をＣＦＲＰ部材として適用すると、熱硬化性樹脂が破断するため好ましくない（比較例３〜５参照）。一方、延性の高い熱可塑性樹脂（例えばフェノキシ樹脂）をＣＦＲＰ部材として適用すると、破断が発生しにくいためにエネルギー吸収が効率的に行われる。以上の知見、ならびに、実施例１〜３と比較例３〜５との比較から、曲げ外側（即ち、車体室内側）に貼り付けることでエネルギー吸収効果を優位に発揮するためには延性の高い熱可塑性樹脂（例えばフェノキシ樹脂）をＣＦＲＰ部材として適用することが好ましい。

本発明は、自動車のセンターピラーに利用することができる。

１センターピラー
１０センターピラーアウター
１０ａセンターピラーアウターのフランジ部
２０センターピラーインナー
２１インナー部材
２１ａインナー部材の開口部
２１ｂインナー部材のサイドシル取付部
２１ｃインナー部材の上端部
２１ｄインナー部材のフランジ部
２１ｄ’ 開口部側方のフランジ部
２１ｅインナー部材のロア部
２２ＣＦＲＰ部材
２２ａＣＦＰＲ部材の孔
３０サイドシル

Claims

シートベルトのリトラクターの取付箇所となる開口部と、サイドシルの取付箇所となるサイドシル取付部とを有するインナー部材と、
前記インナー部材の表面に接合されたＣＦＲＰ部材とを備え、
前記ＣＦＲＰ部材は、前記インナー部材の長手方向に対し−５°〜５°方向の範囲内に収まる繊維方向の炭素繊維を含み、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂であり、
前記ＣＦＲＰ部材が少なくとも前記開口部と前記サイドシル取付部との間に設けられている、センターピラーインナー。
前記ＣＦＲＰ部材が、前記開口部側方の前記インナー部材のフランジ部にさらに設けられている、請求項１に記載のセンターピラーインナー。
前記ＣＦＲＰ部材が前記開口部よりも上方に位置する前記インナー部材のフランジ部にさらに設けられている、請求項２に記載のセンターピラーインナー。
前記熱可塑性樹脂は、フェノキシ樹脂である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンターピラーインナー。
センターピラーアウターと、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンターピラーインナーとを備え、
前記センターピラーアウターと前記センターピラーインナーとが互いのフランジ部で接合されている、センターピラー。