特許 7606895 繊維強化複合材製フレーム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-18

(45)【発行日】2024-12-26

(54)【発明の名称】繊維強化複合材製フレーム

(51)【国際特許分類】

   B62D 29/04 20060101AFI20241219BHJP

   B60R 19/03 20060101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

B62D29/04 A

B60R19/03 C

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021045404

(22)【出願日】2021-03-19

(65)【公開番号】P2022144408

(43)【公開日】2022-10-03

【審査請求日】2024-01-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000006644

【氏名又は名称】日鉄ケミカル＆マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100176304

【弁理士】

【氏名又は名称】福成 勉

(72)【発明者】

【氏名】河村 力

(72)【発明者】

【氏名】児玉 悠貴

(72)【発明者】

【氏名】西田 健二

(72)【発明者】

【氏名】杉山 哲也

(72)【発明者】

【氏名】服部 公一

【審査官】宇佐美 琴

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２００７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－００１８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－３０５３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０６１１７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２４８３３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２１／００３９５７４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－０９５００６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６２Ｄ １７／００－２５／０８，２５／１４－２９／０４

Ｂ６０Ｒ １９／０３

Ｂ３２Ｂ １／００－４３／００

Ｂ２９Ｃ ３９／００－３９／２４，３９／３８－３９／４４，

４３／００－４３／３４，４３／４４－４３／４８，

４３／５２－４３／５８

Ｂ２９Ｃ ４１／００－４１／３６，４１／４６－４１／５２，

７０／００－７０／８８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の角部を有する閉断面を構成するように所定方向に延設され、繊維強化複合材によって製造された繊維強化複合材製フレームにおいて、
前記フレームは、
前記フレームの長手方向に直交する短手方向に向けて前記フレームを曲げる曲げ荷重が当該フレームに入力されたときに前記長手方向に沿って圧縮応力が生じる圧縮面部と、
前記圧縮面部に隣接する前記角部から前記短手方向に延びる側面部と、
前記圧縮面部から離間した位置で前記長手方向に延び、前記曲げ荷重が前記フレームに入力されたときに前記長手方向に沿って引張応力が生じる引張面部と、
を備え、
前記圧縮面部は、第１繊維強化複合材を含み、前記引張面部は、前記第１繊維強化複合材よりも振動減衰性能が高い第２繊維強化複合材を含み、
前記引張面部における振動の減衰の度合いを示す損失係数は、前記圧縮面部の損失係数に比べて０．００５以上大きくなるように設定されている、
ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。

【請求項2】

請求項１に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
前記圧縮面部は、前記第１繊維強化複合材で形成され、
前記引張面部は、前記第２繊維強化複合材で形成されている、
ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。

【請求項3】

請求項１に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
前記引張面部は、前記第１繊維強化複合材と前記第２繊維強化複合材とを重ね合わせることにより形成されている、
ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。

【請求項4】

請求項３に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
前記第２繊維強化複合材は、強化繊維に樹脂が含侵されたシート状のプリプレグで構成され、前記第１繊維強化複合材の表面に配置されている、
ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。

【請求項5】

請求項１に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
前記フレームは、
前記第１繊維強化複合材で構成された第１部材と、
前記第２繊維強化複合材で構成された第２部材とで構成され、
前記閉断面は、前記第１部材および前記第２部材によって形成され、
前記第１部材は、前記圧縮面部を含み、
前記第２部材は、前記引張面部を含む、
ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。

【請求項6】

請求項５に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
前記第１部材は、一対のつば部を備え、ハット形状の断面形状を有するハット材であり、
前記第２部材は、前記一対のつば部に接合されることにより前記閉断面を構成する板材である、
ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか１項に記載の繊維強化複合材製フレームにおいて、
前記フレームが車両の車体を構成するセンターピラー、バンパービーム、サイドシル、ヒンジピラー、フロントピラー、およびクロスメンバからなる群から選択された少なくとも１つに適用される、
ことを特徴とする繊維強化複合材製フレーム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、繊維強化複合材製フレームに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、車両の車体などを構成するフレームやフレーム補強用の部材などでは、軽量かつ高剛性の繊維強化複合材で製造されたフレームが用いられているが、近年では繊維強化複合材製フレームにおいても、振動減衰性能が求められている。

【0003】

例えば、特許文献１には、繊維強化樹脂で構成された板材により軽量化と振動減衰を両立した車体補強構造が開示されている。この車体補強構造は、複数の繊維が組み込まれた繊維強化樹脂製の帯板材を介して補強された車体補強構造において、繊維強化樹脂内で複数の繊維が帯板材の長さ方向に延びるように配列され、帯板材の両端部が車体の車幅方向に離隔した１対の連結部に連結され、車体変形時、帯板材に捩りモーメントが作用するように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－６１１７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、上記の特許文献１では、繊維強化樹脂製の帯板材の配置により軽量化と振動減衰の両立を図る構造は開示されているが、フレーム自体の曲げ強度と減衰性能とを両立させる構造については開示されていない。

【0006】

ここで、振動減衰性能を向上するためにフレーム全体を減衰性能が高い繊維強化複合材（いわゆる高減衰材料）で製造することが考えられる。しかし、高減衰材料は、減衰性能が要求されていない通常の繊維強化複合材と比較して柔らかい素材（低剛性の素材）であり、曲げ強度の向上が難しい。このように曲げ強度および振動減衰性能はトレードオフの関係にあるため、高減衰材料を曲げ強度と振動減衰性能の両方の向上が求められる部位に採用できないという問題がある。

【0007】

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、曲げ強度および振動減衰性能の両立が可能な繊維強化複合材製フレームを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の繊維強化複合材製フレームは、複数の角部を有する閉断面を構成するように所定方向に延設され、繊維強化複合材によって製造された繊維強化複合材製フレームにおいて、前記フレームは、前記フレームの長手方向に直交する短手方向に向けて前記フレームを曲げる曲げ荷重が当該フレームに入力されたときに前記長手方向に沿って圧縮応力が生じる圧縮面部と、前記圧縮面部に隣接する前記角部から前記短手方向に延びる側面部と、前記圧縮面部から離間した位置で前記長手方向に延び、前記曲げ荷重が前記フレームに入力されたときに前記長手方向に沿って引張応力が生じる引張面部と、を備え、前記圧縮面部は、第１繊維強化複合材を含み、前記引張面部は、前記第１繊維強化複合材よりも振動減衰性能が高い第２繊維強化複合材を含み、前記引張面部における振動の減衰の度合いを示す損失係数は、前記圧縮面部の損失係数に比べて０．００５以上大きくなるように設定されていることを特徴とする。

【0009】

かかる構成では、金属部材を用いて製造された従来の閉断面のフレームのように金属部材同士の損失係数の差が０．００５未満である構造と比較して、金属部材同士では得られない高い振動減衰効果が得ることが可能である。また、フレームの曲げ荷重入力時に引張応力が生じる引張面部は圧縮面部や側面部と比較して相対的にフレームの曲げ強度への寄与度が低いので、引張面部の損失係数を上げて曲げ強度よりも振動減衰性能を向上させることを優先しても、フレーム全体の曲げ強度を確保することが可能である。その結果、フレームの曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。

【0010】

上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記圧縮面部は、前記第１繊維強化複合材で形成され、前記引張面部は、前記第２繊維強化複合材で形成されているのが好ましい。

【0011】

かかる構成では、フレームの曲げ強度への寄与度が高い圧縮面部が第１繊維強化複合材で形成されることにより曲げ強度を確保し、その一方で、フレームの曲げ強度への寄与度が低い引張面部が振動減衰性能が高い第２繊維強化複合材で形成されることにより、振動減衰性能を向上する。これにより、フレームの曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。また、第１繊維強化複合材および第２繊維強化複合材の組成や厚さなどを適宜選択することにより、要求されるフレームの曲げ強度と振動減衰性能により近づけることが可能であり、フレームの設計面および製造面において有利である。

【0012】

上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記引張面部は、前記第１繊維強化複合材と前記第２繊維強化複合材とを重ね合わせることにより形成されているのが好ましい。

【0013】

かかる構成では、引張面部が第１繊維強化複合材とそれよりも高い振動減衰性能を有する第２繊維強化複合材とを重ね合わせることにより形成されているので、簡単な構造でフレームの曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。

【0014】

上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記第２繊維強化複合材は、強化繊維に樹脂が含侵されたシート状のプリプレグで構成され、前記第１繊維強化複合材の表面に配置されているのが好ましい。

【0015】

かかる構成では、引張面部が第１繊維強化複合材の表面にシート状のプリプレグで構成された第２繊維強化複合材が配置されることにより構成されているので、より簡単な構造でフレームの曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。

【0016】

上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記フレームは、前記第１繊維強化複合材で構成された第１部材と、前記第２繊維強化複合材で構成された第２部材とで構成され、前記閉断面は、前記第１部材および前記第２部材によって形成され、前記第１部材は、前記圧縮面部を含み、前記第２部材は、前記引張面部を含むのが好ましい。

【0017】

かかる構成では、フレームは、第１繊維強化複合材で構成された第１部材と振動減衰性能が高い第２繊維強化複合材で構成された第２部材とを組み合わせた簡単な構造である。しかも、第１部材が圧縮面部を含み、第２部材が引張面部を含むので、圧縮面部がフレームの曲げ強度へ寄与する一方で、引張面部が振動減衰性能を発揮することが可能である。これにより、簡単な構造でフレームの曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。また、第１部材および第２部材の形状、構造、組成を適宜選択することにより、要求されるフレームの曲げ強度と振動減衰性能により近づけることが可能であり、フレームの設計面および製造面において有利である。

【0018】

上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記第１部材は、一対のつば部を備え、ハット形状の断面形状を有するハット材であり、前記第２部材は、前記一対のつば部に接合されることにより前記閉断面を構成する板材であるのが好ましい。

【0019】

かかる構成では、第２部材は、板材であり、ハット材や角形パイプなどのように稜線（断面における角部）が無いため、振動しやすい。したがって、第２部材に含まれる引張面部の振動をより促進させてフレームの振動減衰性能が向上することが可能である。

【0020】

上記の繊維強化複合材製フレームにおいて、前記フレームが車両の車体を構成するセンターピラー、バンパービーム、サイドシル、ヒンジピラー、フロントピラー、およびクロスメンバからなる群から選択された少なくとも１つに適用されるのが好ましい。

【0021】

上記のように、フレームが車両の車体を構成するセンターピラー、バンパービーム、サイドシル、ヒンジピラー、フロントピラー、およびクロスメンバのうちの少なくとも１つに適用されることにより、各メンバの曲げ強度および振動減衰性能の両立が可能である。したがって、車両走行時には各メンバによって振動を減衰し、車両衝突時においては曲げ荷重が入力されたときには曲げ荷重に耐えることが可能になる。

【発明の効果】

【0022】

本発明の繊維強化複合材製フレームによれば、曲げ強度および振動減衰性能の両立を可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の実施形態に係る繊維強化複合材製フレームの基本構造である角形パイプ状のフレームの全体構成を示す概略斜視図である。

【図2】図１の繊維強化複合材製フレームの断面図である。

【図3】図２の繊維強化複合材製フレームの積層構造を部分的に示す分解斜視図である。

【図4】本発明の実施形態に係る繊維強化複合材製フレームとしてハット材と板材とを組み合わせたフレームの断面図である。

【図5】本発明の実施例および比較例１～４のそれぞれのフレームの断面構造を概略的に示した説明図である。

【図6】Ｉ：本実施例のフレーム、ＩＩ：比較例１のフレーム、ＩＩＩ：比較例２のフレームにおける曲げ荷重入力時の変位に対する曲げ荷重の変化を示すグラフである。

【図7】ＩＶ：比較例３のフレーム、Ｖ：比較例４のフレームにおける曲げ荷重入力時の変位に対する曲げ荷重の変化を示すグラフである。

【図8】Ｉ：本実施例のフレーム、ＩＩ：比較例１のフレーム、ＩＩＩ：比較例２のフレームにおける周波数とイナータンス（加速度／力）との関係を示すグラフである。

【図9】図８のグラフの一部拡大図である。

【図10】ＩＶ：比較例３のフレーム、Ｖ：比較例４のフレームにおける周波数とイナータンスとの関係を示すグラフである。

【図11】本発明の実施形態に係る繊維強化複合材製フレームが車両における車体各部の構成部材に適用された例を示す斜視説明図である。

【図12】（ａ）、（ｂ）は本発明の変形例の繊維強化複合材製フレームとして、第１繊維強化複合材で構成された第１アーチ部材と、振動減衰性能が高い第２繊維強化複合材で構成された第２アーチ部材とを組み合わせたフレームの断面構造を示す断面説明図である。

【図13】本発明の他の変形例として、引張面部が第１繊維強化複合材と第２繊維強化複合材とが積層されたフレームの断面構造を示す断面説明図である。

【図14】本発明のさらに他の変形例として、第１繊維強化複合材で構成された角形パイプにおける引張面部に対応する部位の表面にシート状のプリプレグで構成された第２繊維強化複合材が配置されたフレームの断面構造を示す断面説明図である。

【図15】本発明のさらに他の変形例として、第１繊維強化複合材で構成された圧縮面部を含む板材と、第１繊維強化複合材で構成された側面部および第２繊維強化複合材で構成された引張面部を含むハット材とを組み合わせたフレームの断面構造を示す断面説明図である。

【図16】本発明のさらに他の変形例として、第１繊維強化複合材で構成された圧縮面部および側面部の一部を含む第１ハット材と、第１繊維強化複合材で構成された側面部の一部および第２繊維強化複合材で構成された引張面部を含む第２ハット材とを組み合わせたフレームの断面構造を示す断面説明図である。

【図17】本発明のさらに他の変形例として、第２繊維強化複合材で構成された角形パイプにおける圧縮面部および側面部の一部に対応する部位の表面にシート状のプリプレグで構成された第１繊維強化複合材が配置されたフレームの断面構造を示す断面説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の一形態について詳述する。

【0025】

図１～２には、本発明の実施形態に係る繊維強化複合材製フレームの基本構造である角形パイプ状の繊維強化複合材製フレーム１（以下、フレーム１と呼ぶ）が示されている。フレーム１は、複数の角部５を有する閉断面１ｂを構成するように所定方向（図１の長手方向Ｄ_Ｌ）に延設され、複数の繊維配向層（樹脂層）１１～１４（図３参照）が積層された繊維強化複合材で製造された高強度の部材である。フレーム１は、後述の車両の車体１２１（図１１参照）などの各部を構成する部材などに用いられる。

【0026】

具体的には、フレーム１は、基本的な構成として、フレーム１の長手方向Ｄ_Ｌに延びる４つの面を構成する部分、すなわち、圧縮面部２と、圧縮面部２の幅方向両側に互いに離間する一対の側面部３と、圧縮面部２から対向した状態で離間する引張面部４とを備えている。

【0027】

これら圧縮面部２、一対の側面部３、および引張面部４によって、４つの角部５を有する矩形の閉断面１ｂが形成されている。角部５は、図２に示されるように直線状に面取りしてもよいし、または、円弧状に面取りしてもよい。

【0028】

圧縮面部２は、フレーム１の長手方向Ｄ_Ｌに直交する（すなわち、長手方向Ｄ_Ｌに９０度傾斜した）短手方向Ｄ_Ｓに向けてフレーム１を曲げる曲げ荷重Ｆ_Ｂが当該フレーム１に入力されたときに長手方向Ｄ_Ｌに沿って圧縮応力σ１が生じる面を構成する部分である。すなわち、圧縮面部２は、曲げられたフレーム１における内側の湾曲面になる。

【0029】

ここで、曲げ荷重Ｆ_Ｂは、フレーム１の長手方向Ｄ_Ｌに直交する短手方向Ｄ_Ｓに向けてフレーム１を曲げる荷重であればよく、例えば、車両の車体１２１（図１１参照）が外部の障害物（自動車や路上設置物等）に衝突したときに、図１に示されるように、フレーム１が両端支持された状態（例えば、図１の簡略化されたモデルではフレーム１が一対の支点Ｓで両端支持された状態）で圧縮面部２が圧縮荷重（衝突荷重）Ｆ_Ｐを短手方向Ｄ_Ｓ（すなわち、図１の圧縮面部２の法線方向）に向けて受けたときに生じる曲げ荷重が想定される。この場合、圧縮荷重Ｆ_Ｐは、フレーム１の圧縮面部２で受ける。

【0030】

または、曲げ荷重Ｆ_Ｂは、フレーム１の長手方向Ｄ_Ｌの端部１ａから長手方向Ｄ_Ｌに向けて圧縮荷重（衝突荷重）を受けたときに生じる曲げ荷重なども想定される（例えば、図１１の車体１２１の側部から障害物が衝突したときに受けるクロスメンバ１２６の曲げ荷重など）。この場合には、圧縮荷重は、フレーム１の端部１ａで受ける。

【0031】

一対の側面部３のそれぞれは、圧縮面部２に隣接する一対の角部５から短手方向Ｄ_Ｓに延びる面（具体的には、曲げ荷重Ｆ_Ｂまたは圧縮荷重Ｆ_Ｐと平行な方向に延びる面）を構成する部分である。側面部３は、フレーム１が曲げ荷重Ｆ_Ｂを受けたときには、図１の中立軸Ｎよりも圧縮面部２に近い範囲では圧縮応力が生じ、中立軸Ｎよりも引張面部４に近い範囲では引張応力が生じる。一対の側面部３のそれぞれと圧縮面部２とによって角部５が形成される。

【0032】

引張面部４は、圧縮面部２から離間した位置で長手方向Ｄ_Ｌに延び、曲げ荷重Ｆ_Ｂがフレーム１に入力されたときに長手方向Ｄ_Ｌに沿って引張応力σ２が生じる面の部分である。すなわち、引張面部４は、曲げられたフレーム１における外側の湾曲面になる。引張面部４と一対の側面部３のそれぞれとによって角部５が形成される。

【0033】

これら圧縮面部２、一対の側面部３、および引張面部４は、それぞれ複数の繊維配向層、例えば、図３に示される長手方向配向層１１、短手方向配向層１２、＋４５度配向層１３、および－４５度配向層１４が積層して成形された積層体によって形成される。

【0034】

具体的には、圧縮面部２、一対の側面部３、および引張面部４は、それぞれ、例えば、図３に示されるように、疑似等方性を有するように、同一の積層構成を有している。すなわち、各面部２～４は、疑似等方性を有するように、複数の繊維配向層（樹脂層）として、長手方向配向層１１、短手方向配向層１２、＋４５度配向層１３、および－４５度配向層１４がほぼ均等の割合になるように積層されて成形された積層体によって構成されている。

【0035】

長手方向配向層１１は、具体的には、図３に示されるように、基材１１ｂと、フレーム１の長手方向Ｄ_Ｌと同一の方向Ｄ_１（すなわち、長手方向Ｄ_Ｌに対する傾斜角度が０度）に配向された強化繊維１１ａとによって構成されている。

【0036】

基材１１ｂ（１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ）とは、オートクレーブ成形やプレス成型で用いられる、強化繊維１１ａ（１２ａ、１３ａ、１４ａ）と樹脂からなるシート状の基材や、ＲＴＭ成形などで使われる強化繊維１１ａを仮止めした基材を指す。基材１１ｂは、例えば、耐熱性、強度および加工性にすぐれた樹脂製材料などからなり、例えばエポキシ樹脂などの樹脂によって構成されている。強化繊維１１ａは、軽量かつ高強度の繊維材料によって構成され、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、セルロース繊維、スチール繊維などの繊維によって構成されている。とくに、炭素繊維は、軽量かつ高強度のいずれの点においてもすぐれているので好ましい。

【0037】

短手方向配向層１２は、具体的には、図３に示されるように、基材１２ｂと、フレーム１の短手方向Ｄ_Ｓ、すなわち、長手方向Ｄ_Ｌと直交する方向Ｄ_２（傾斜角度が９０度）に配向された強化繊維１２ａとによって構成されている。短手方向配向層１２の基材１２ｂおよび強化繊維１２ａについても、上記の長手方向配向層１１の基材１１ｂおよび強化繊維１１ａと同様の材料が用いられるが、他の材料が用いられてもよい。

【0038】

＋４５度配向層１３は、強化繊維１３ａが長手方向Ｄ_Ｌを基準として当該配向層１３の面内方向で反時計方向に４５度旋回した方向に配向された層である。同様に、－４５度配向層１４は、強化繊維１４ａが長手方向Ｄ_Ｌを基準として当該配向層１４の面内方向で時計方向に４５度（反時計方向を正方向とすれば－４５度）旋回した方向に配向された層である。

【0039】

＋４５度配向層１３は、具体的には、図３に示されるように、基材１３ｂと、長手方向Ｄ_Ｌに対して＋４５度傾斜した方向Ｄ_３に配向された強化繊維１３ａとによって構成されている。同様に、－４５度配向層１４は、具体的には、図３に示されるように、基材１４ｂと、長手方向Ｄ_Ｌに対して－４５度傾斜した方向Ｄ_４に配向された強化繊維１４ａとによって構成されている。これらの基材１３ｂ、１４ｂおよび強化繊維１３ａ、１４ａについても、上記の長手方向配向層１１の基材１１ｂおよび強化繊維１１ａと同様の材料が用いられるが、他の材料が用いられてもよい。

【0040】

上記のように、本実施形態のフレーム１を構成する圧縮面部２、側面部３、および引張面部４のそれぞれは、繊維配向層（樹脂層）１１～１４を積層して成形された繊維強化複合材によって構成されている。

【0041】

本発明者らは、フレーム１を構成する４面のうち、圧縮面部２は、フレーム１の曲げ強度への寄与度が高く、引張面部４は、寄与度が低いことを実験により見出し、かかる知見に基づき、引張面部４について曲げ強度に優先して振動減衰性能を高めることによって、曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能なフレーム１を創作するに至った。

【0042】

すなわち、図２に示される本実施形態のフレーム１の基本構造は、上記のように、圧縮面部２、一対の側面部３、および引張面部４を備えた閉断面構造において、引張面部４の損失係数が圧縮面部２の損失係数に比べて０．００５以上大きくなるように設定された構造を有する。

【0043】

具体的には、圧縮面部２は、第１繊維強化複合材６で形成されるとともに、引張面部４は、第１繊維強化複合材６よりも振動減衰性能が高い第２繊維強化複合材７で形成されている。なお、図２のフレーム１は、圧縮面部２に次いでフレーム１の曲げ強度への寄与度が高い一対の側面部３も第１繊維強化複合材６で形成されている。

【0044】

例えば、圧縮面部２および側面部３を構成する第１繊維強化複合材６は、汎用ＣＦＲＰ（汎用炭素繊維強化樹脂）からなる。汎用ＣＦＲＰの損失係数は０．０１３程度である。一方、引張面部４を構成する第２繊維強化複合材７は、高減衰ＣＦＲＰからなる。高減衰ＣＦＲＰの損失係数は０．０２１程度であり、スチールの損失係数（０．００１程度）と比較して非常に高い。したがって、この場合、高減衰ＣＦＲＰ製の引張面部４の損失係数（０．０２１程度）は、汎用ＣＦＲＰ製の圧縮面部２の損失係数（０．０１３程度）に比べて０．００５以上の値（０．００８大きい値）である。なお、本明細書でいう損失係数は、材料固有の振動の内部減衰の度合いを示す指標を示す。

【0045】

このように、引張面部４の損失係数が圧縮面部２の損失係数に比べて０．００５以上大きくなるように設定されているフレーム１の構成では、金属部材（例えば、損失係数０．００１程度のスチール）を用いて製造された従来の閉断面１ｂのフレーム１のように金属部材同士の損失係数の差が０．００５未満である構造と比較して、金属部材同士では得られない高い振動減衰効果が得ることが可能である。また、フレーム１の曲げ荷重Ｆ_Ｂ入力時に引張応力が生じる引張面部４は圧縮面部２や側面部３と比較して相対的にフレーム１の曲げ強度への寄与度が低いので、引張面部４の損失係数を上げて曲げ強度よりも振動減衰性能を向上させることを優先しても、フレーム１全体の曲げ強度を確保することが可能である。その結果、フレーム１の曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。

【0046】

また、上記の構成では、フレーム１の曲げ強度への寄与度が高い圧縮面部２が第１繊維強化複合材６で形成されることにより曲げ強度を確保し、その一方で、フレーム１の曲げ強度への寄与度が低い引張面部が振動減衰性能が高い第２繊維強化複合材７で形成されることにより、振動減衰性能を向上する。これにより、フレーム１の曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。また、第１繊維強化複合材６および第２繊維強化複合材７の組成や厚さなどを適宜選択することにより、要求されるフレーム１の曲げ強度と振動減衰性能により近づけることが可能であり、フレーム１の設計面および製造面において有利である。

【0047】

（実施例）
つぎに、図４に示される本実施形態のフレーム１の曲げ強度および振動減衰性能について比較例と対比しながら説明する。

【0048】

図４に示される本実施形態のフレーム１は、２つの部材、すなわち、ハット材８（第１部材）と板材９（第２部材）とで構成されている。フレーム１の閉断面１ｂは、ハット材８および板材９を組み合わせることによって形成されている。

【0049】

ハット材８は、一対のつば部１０を備え、ハット形状の断面形状を有する部材である。ハット材８は、汎用ＣＦＲＰからなる第１繊維強化複合材６で構成されている。ハット材８は、圧縮面部２および一対の側面部３を含む。一対のつば部１０は、一対の側面部３の端部からハット材８の幅方向外側へ延びる。

【0050】

板材９は、一対のつば部１０に接合されることにより閉断面１ｂを構成する平板状の部材である。板材９は、第１繊維強化複合材６よりも振動減衰性能が高い高減衰ＣＦＲＰからなる第２繊維強化複合材７で構成されている。板材９は、引張面部４を含む。

【0051】

つぎに図５に示されるように、上記のように構成された図４に示されるフレーム１をＩ：実施例とした場合における４つの比較例１～４について説明する。

【0052】

図５に示される比較例１～４は、いずれもＩ：実施例のフレーム１と同様に、ハット材８および板材９を組み合わせた閉断面構造であり、ハット材８が圧縮面部２および一対の側面部３を含み、板材９が引張面部４を含む点で実施例のフレーム１と共通するが、ハット材８および板材９の材料が異なる。

【0053】

すなわち、図５に示されるように、ＩＩ：比較例１のフレーム３１では、ハット材８および板材９の両方が汎用ＣＦＲＰからなる第１繊維強化複合材６で構成されている。

【0054】

ＩＩＩ：比較例２のフレーム４１は、ハット材８および板材９の両方が高減衰ＣＦＲＰからなる第２繊維強化複合材７で構成されている。

【0055】

ＩＶ：比較例３のフレーム５１では、ハット材８および板材９の両方が金属材料の一例としてスチール１６で構成されている。

【0056】

Ｖ：比較例４のフレーム６１では、ハット材８がスチール１６で構成され、板材９が高減衰ＣＦＲＰからなる第２繊維強化複合材７で構成されている。

【0057】

上記のＩ：実施例およびＩＩ～Ｖ：比較例１～４の各フレームについて、曲げ荷重入力時の変位に対する曲げ荷重の変化を調べた。その結果が図６～７のグラフで示されている。

【0058】

図６のグラフに示されるように、Ｉ：実施例（すなわち、汎用ＣＦＲＰ（第１繊維強化複合材６）製のハット材８および高減衰ＣＦＲＰ（第２繊維強化複合材７）製の板材９を備えたフレーム１）は、ＩＩ：比較例１（すべて汎用ＣＦＲＰで構成されているフレーム３１）とほぼ同じ曲げ荷重の変化の様子が見られ、ＩＩＩ：比較例２（すべて高減衰ＣＦＲＰで構成されているフレーム４１）よりも高い曲げ荷重に耐えることが可能であることが分かる。

【0059】

また、図７のグラフに示されるように、Ｖ：比較例４（スチール１６製のハット材８および高減衰ＣＦＲＰ製の板材９を備えたフレーム６１）についても、ＩＶ：比較例３（すべてスチール１６で構成されているフレーム５１）とほぼ同じ曲げ荷重の変化の様子が見られる。

【0060】

以上の図６～７のグラフの結果を見れば、圧縮面部２を含むハット材８が高強度の材料（汎用ＣＦＲＰからなる第１繊維強化複合材６またはスチール１６）で構成されていれば、引張面部４を含む板材９が上記の高強度の材料でなくても、フレームの曲げ強度を向上（具体的には、すべて高強度の材料で構成されたフレームと同程度までに向上）することが可能であることが分かる。

【0061】

つぎに、上記のＩ：実施例およびＩＩ～Ｖ比較例１～４の各フレームについて、異なる周波数の振動を入力した場合の周波数とイナータンス（加速度／力）との関係を調べた。その結果が図８～１０のグラフで示されている。イナータンスは、入力される力に対する加速度の比を示し、振動減衰の程度を示す。

【0062】

図８～９のグラフに示されるように、Ｉ：実施例（汎用ＣＦＲＰ製のハット材８および高減衰ＣＦＲＰ製の板材９の構造）は、すべての周波数において、ＩＩＩ：比較例２（すべて高減衰ＣＦＲＰで構成されているフレーム４１）とほぼ同じイナータンス（加速度／力）が見られ、ＩＩ：比較例１（すべて汎用ＣＦＲＰで構成されているフレーム３１）よりも高い振動減衰性能を有することが分かる。

【0063】

また、図１０のグラフに示されるように、Ｖ：比較例４（スチール１６製のハット材８および高減衰ＣＦＲＰ製の板材９を備えたフレーム６１）については、ＩＶ：比較例３（すべてスチール１６で構成されているフレーム５１）と比較して、ほとんどの周波数において、イナータンスが低くなっており、振動減衰性能が若干向上していることが分かる。なお、Ｖ：比較例４の振動減衰効果は、ＩＶ：比較例３と比較した場合の質量低減効果および損失係数低減効果の両方から得られたものである。参考のために、ＩＶ：比較例３と比較した場合の質量低減効果のみから得られた振動減衰の様子は、曲線ＶＩで示される。曲線ＶＩは、曲線Ｖと比較して、イナータンスのピークが高くなることが分かる。

【0064】

上記のように構成された本実施例のフレーム１は、図４に示されるように、第１繊維強化複合材６で構成されたハット材８（第１部材）と振動減衰性能が高い第２繊維強化複合材７で構成された板材９（第２部材）とを組み合わせた簡単な構造である。しかも、ハット材８（第１部材）が圧縮面部２を含み、板材９（第２部材）が引張面部４を含むので、圧縮面部２がフレーム１の曲げ強度へ寄与する一方で、引張面部４が振動減衰性能を発揮することが可能である。これにより、簡単な構造でフレーム１の曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。また、第１部材および第２部材の形状、構造、組成を適宜選択することにより、要求されるフレーム１の曲げ強度と振動減衰性能により近づけることが可能であり、フレーム１の設計面および製造面において有利である。

【0065】

また、本実施例のフレーム１では、第１部材として、一対のつば部１０を備え、ハット形状の断面形状を有するハット材８が用いられ、第２部材として、一対のつば部１０に接合されることにより閉断面１ｂを構成する板材９が用いられる。したがって、第２部材を構成する板材９は、ハット材８や角形パイプなどのように稜線（断面における角部５）が無いため、振動しやすい。したがって、板材９に含まれる引張面部４の振動をより促進させてフレーム１の振動減衰性能が向上することが可能である。一方、第１部材を構成するハット材８は圧縮面部２の両側に角部５があるので、曲げ剛性が向上する。

【0066】

上記のように構成された本実施例のフレーム１は、車両衝突時などにおいて高い曲げ強度が要求される車両の車体１２１を構成する種々の部材、例えば、図１１に示されるように、センターピラー１２０、バンパービーム１２２、サイドシル１２３、ヒンジピラー１２４、フロントピラー１２５、およびクロスメンバ１２６からなる群から選択された少なくとも１つに適用される。

【0067】

これらの群のうち、センターピラー１２０、バンパービーム１２２、サイドシル１２３、ヒンジピラー１２４、フロントピラー１２５に上記実施形態のフレームを適用する場合には、車体１２１の外側を向く面に圧縮面部２（すなわち、衝突荷重が入力される面）が配置されるようにすればよい。この場合、圧縮面部２および側面部３が汎用ＣＦＲＰなどの第１繊維強化複合材６で形成され、引張面部４が高減衰ＣＦＲＰなどの振動減衰性能が高い第２繊維強化複合材７で形成されている。

【0068】

また、クロスメンバ１２６については、上面および下面のうちの一方に圧縮面部２が配置され、他方に引張面部４が配置されていればよい。

【0069】

ここで、センターピラー１２０は、車体１２１の側端のフロントドアとリヤドアとの間において上下方向に延びる部材である。バンパービーム１２２は、車体１２１の前端において車体１２１の幅方向に延び、バンパーを構成する部材である。サイドシル１２３は、車体１２１の車体１２１の側端下部において車体１２１の前後方向に延びる部材である。ヒンジピラー１２４は、車体１２１の側端前側において上下方向に延び、車体１２１におけるフロントドアがヒンジ結合される部材である。フロントピラー１２５は、車体１２１の前側でフロントガラスの両側において上方かつ後方（斜め後方）に向けて略円弧状に延びる部材である。クロスメンバ１２６は、車体１２１の床部において車体１２１の幅方向に延びる部材である。

【0070】

上記のように、フレーム１が車両の車体を構成するセンターピラー１２０、バンパービーム１２２、サイドシル１２３、ヒンジピラー１２４、フロントピラー１２５、およびクロスメンバ１２６のうちの少なくとも１つに適用されることにより、各メンバの曲げ強度および振動減衰性能の両立が可能である。したがって、車両走行時には各メンバによって振動を減衰し、車両衝突時においては曲げ荷重Ｆ_Ｂが入力されたときには曲げ荷重Ｆ_Ｂに耐えることが可能になる。

【0071】

（変形例）
本発明のフレーム１は、圧縮面部２、一対の側面部３、および引張面部４を備えた閉断面構造において、引張面部４の損失係数が圧縮面部２の損失係数に比べて０．００５以上大きくなるように設定された構造を有していればよい。

【0072】

したがって、上記の構造を有していれば、上記の図１に示される角形パイプ状の基本構造および図４に示されるハット材８と板材９とを組み合わせた構造の他にも、種々の構造のフレームが本発明のフレームに含まれる。以下、図１２～１７を参照しながらフレームの変形例について説明する。

【0073】

（Ａ）
図１２（ａ）、（ｂ）に示される本発明の変形例にかかるフレーム７１は、Ｕ字断面形状を有する２つの部材、すなわち、第１アーチ部材７２（第１部材）と第２アーチ部材７３（第２部材）とが組み合わされた閉断面構造を有する。

【0074】

第１アーチ部材７２は、汎用ＣＦＲＰからなる第１繊維強化複合材６で構成され、圧縮面部２および一対の側面部３を含む。第２アーチ部材７３は、高減衰ＣＦＲＰからなる第２繊維強化複合材７で構成され、引張面部４を含む。

【0075】

第１アーチ部材７２および第２アーチ部材７３は、それぞれの両端部同士が重なり合って固着した重合部分７４を形成することにより、１つの閉断面を形成する。なお、重合部分７４は、第１アーチ部材７２および第２アーチ部材７３のうちいずれか一方が内側、他方が外側に配置していればよい。

【0076】

上記のように構成された図１２（ａ）、（ｂ）に示される変形例のフレーム７１は、第１繊維強化複合材６で構成された第１アーチ部材７２（第１部材）と振動減衰性能が高い第２繊維強化複合材７で構成された第２アーチ部材７３（第２部材）とを組み合わせた簡単な構造である。しかも、第１アーチ部材７２（第１部材）が圧縮面部２を含み、第２アーチ部材７３（第２部材）が引張面部４を含むので、圧縮面部２がフレーム１の曲げ強度へ寄与する一方で、引張面部４が振動減衰性能を発揮することが可能である。これにより、簡単な構造でフレーム７１の曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。

【0077】

（Ｂ）
また、本発明の他の変形例として、図１の角形パイプ形状のフレーム１の引張面部４を、図１３に示されるように、第１繊維強化複合材６と振動減衰性能が高い第２繊維強化複合材７とが重ね合わされた構造の一例として、当該第１繊維強化複合材６および第２繊維強化複合材７が積層された構造にしてもよい。

【0078】

この場合も、引張面部４は、第１繊維強化複合材６のみで構成された圧縮面部２よりも損失係数を０．００５以上大きく設定することが可能である。例えば、引張面部４を、第１繊維強化複合材６を１層、第２繊維強化複合材７を２層以上積層させて構成することにより、引張面部４の損失係数を要求されるレベルまで調整すればよい。

【0079】

図１３に示される変形例のフレーム１の構成では、引張面部４が第１繊維強化複合材６とそれよりも高い振動減衰性能を有する第２繊維強化複合材７とを積層させることにより形成されているので、簡単な構造でフレーム１の曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。

【0080】

（Ｃ）
また、本発明のさらに他の変形例として、図１の角形パイプ形状のフレーム１の引張面部４を、図１４に示されるように、第１繊維強化複合材６で構成された角形パイプにおける引張面部４に対応する部位の表面にシート状のプリプレグで構成された第２繊維強化複合材７が配置された構造であってもよい。このようなシート状のプリプレグは、上記の角形パイプの引張面部４に対応する部位の外面に配置した後、例えば加熱硬化などの方法により、第１繊維強化複合材６の表面に固着すればよい。

【0081】

図１４に示される変形例のフレーム１の構成では、引張面部４が第１繊維強化複合材６とそれよりも高い振動減衰性能を有する第２繊維強化複合材７とを重ね合わせることにより形成されているので、簡単な構造でフレーム１の曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。

【0082】

とくに、引張面部４が第１繊維強化複合材６の表面にシート状のプリプレグで構成された第２繊維強化複合材７が配置されることにより構成されているので、より簡単な構造でフレーム１の曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。

【0083】

（Ｄ）
また、本発明のさらに他の変形例として、図１５に示されるような逆ハット形状のフレーム８１であってもよい。図１５に示されるフレーム８１は、第１繊維強化複合材６で構成された圧縮面部２を含む板材８２（第１部材）と、第１繊維強化複合材６で構成された一対の側面部３および第２繊維強化複合材７で構成された引張面部４を含むハット材８３とを備えている。板材８２がハット材８３の一対のつば部８４に接合されることにより、閉断面を構成する。

【0084】

上記の図１５に示される逆ハット形状のフレーム８１においても、簡単な構造でフレーム８１の曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。

【0085】

（Ｅ）
また、本発明のさらに他の変形例として、図１６に示されるフレーム９１のように、２つのハット材９２、９３とを組み合わせた構造であってもよい。具体的には、第１繊維強化複合材６で構成された圧縮面部２および側面部３の一部（上半分）を含む第１ハット材９２と、第１繊維強化複合材６で構成された側面部３の一部（下半分）および第２繊維強化複合材７で構成された引張面部４を含む第２ハット材９３とを備えている。第１ハット材９２のつば部９４と第２ハット材９３のつば部９５が互いに接合されることにより、閉断面を構成する。

【0086】

上記の図１６に示される２つのハット材９２、９３を組み合わせたフレーム９１においても、簡単な構造でフレーム９１の曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。

【0087】

（Ｆ）
また、本発明のさらに他の変形例として、図１７に示されるフレーム１０１のように、第２繊維強化複合材７で構成された角形パイプにおける圧縮面部２および側面部３の一部に対応する部位の表面にシート状のプリプレグで構成された第１繊維強化複合材６が配置された構造であってもよい。

【0088】

このようなシート状のプリプレグは、上記の図１４のフレーム１の場合と同様に、上記の角形パイプの圧縮面部２および側面部３の一部に対応する部位の外面に配置した後、例えば加熱硬化などの方法により、第２繊維強化複合材７の表面に固着すればよい。

【0089】

図１７に示される変形例のフレーム１０１の構成では、圧縮面部２および側面部３の一部が第１繊維強化複合材６および第２繊維強化複合材７を重ね合わせることにより形成され、圧縮面部２の曲げ強度が向上する。これにより、簡単な構造でフレーム１０１の曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。

【0090】

とくに、圧縮面部２が第２繊維強化複合材７の表面にシート状のプリプレグで構成された第１繊維強化複合材６が配置されることにより構成されているので、より簡単な構造でフレーム１０１の曲げ強度と振動減衰性能の両立が可能になる。

【符号の説明】

【0091】

１、７１、８１、９１、１０１ 繊維強化複合材製フレーム
２ 圧縮面部
３ 側面部
４ 引張面部
５ 角部
６ 第１繊維強化複合材
７ 第２繊維強化複合材
８ ハット材（第１部材）
９ 板材（第２部材）
１０ つば部
１１ａ～１４ａ 強化繊維
７２ 第１アーチ部材（第１部材）
７３ 第２アーチ部材（第２部材）
８２ 板材（第１部材）
８３ ハット材（第２部材）
９２ 第１ハット材（第１部材）
９３ 第２ハット材（第２部材）
１２０ センターピラー
１２１ 車体
１２２ バンパービーム
１２３ サイドシル
１２４ ヒンジピラー
１２５ フロントピラー
１２６ クロスメンバ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】