JP6801825B2 - 車両用構造部材 - Google Patents

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Description

本発明は、車両用構造部材に関する。
本願は、２０１８年７月２０日に、日本に出願された特願２０１８−１３６９７７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、地球環境保護の観点から、自動車の燃費改善が要求されている。その一方で、車両の衝突安全性の維持または向上が要求されている。これらの要求を満足するために、高強度かつ軽量な車体構造の開発が進められている。車両用構造部材であり、車体の骨格を形成するフレームについても、従来の衝突性能を維持しつつ車体構造の軽量化を図るために、フレームを形成する鋼板の高強度化および薄肉化が進められている。
また、車両の衝突安全性を向上させるためには、“クラッシャブルゾーン”とも呼ばれる車両のフロント部およびリア部のエネルギー吸収性能を向上させることが求められる。例えば、フロント部のクラッシャブルゾーンは、主にフロントサイドメンバと呼ばれる部品とその先端に配置されるクラッシュボックスと呼ばれる部品で構成されている。ここで、車両のフロント部のエネルギー吸収性能を向上させる技術として、特許文献１にはＦＲＰ（繊維強化樹脂）を車体前部のクラッシュボックス（バンパービームエクステンション）に適用する技術が開示されている。また、車両のリアのエネルギー吸収性能を向上させる技術として、特許文献２にはＦＲＰを車体後部のクラッシュボックス（クラッシュレール）に適用する技術が開示されている。
さらに、特許文献３には、中空部材の内側に設けられる主補強部材として、炭素繊維が例示されている。また、特許文献４には、自動車の構造部材として使用される衝撃吸収部材を構成する面部材を、シート状繊維強化部材の積層構造とすることが開示されている。また、特許文献５には、車両用衝撃吸収部材の金属板材に複数のビードを設ける技術が開示されている。
国際公開第２０１４／０４２２１１号 国際公開第２０１４／１１２２６５号 日本国特開２０１７−１５９８９４ 日本国特開２０１２−２１８５０３ 日本国特許第４１１８２６３号
特許文献１および特許文献２に開示された技術は、クラッシュボックスにＦＲＰを適用し、クラッシュボックス自体のエネルギー吸収性能を向上させるものである。しかしながら、クラッシュボックスは、例えば低速での衝突時などの入力荷重が小さい衝突（いわゆる軽衝突）におけるエネルギーの吸収を目的とした部材であって、例えば高速での衝突時などの入力荷重が大きい衝突の場合には、変形初期にクラッシュボックスは潰れ切ってしまい、その後フロントサイドメンバが変形することでエネルギー吸収がなされる。フロントサイドメンバに比べて、クラッシュボックスのエネルギー吸収量は相対的に小さいため、高速での衝突時の大荷重を想定した場合は、クラッシュボックスでは限られたエネルギー吸収性能しか発揮することができない。一方で、高速衝突時に主にエネルギー吸収を担うフロントサイドメンバへのＦＲＰ（繊維強化樹脂）の適用例は見られない。この理由はＦＲＰの延性が極めて小さいために、高速衝突時の大荷重に対して、変形初期にＦＲＰが破断してしまい、狙いのエネルギー吸収量が得られないためである。
また、特許文献３〜５に開示された技術においても、高速衝突時の大荷重に対して、さらなるエネルギー吸収性能が望まれていた。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、車両用構造部材において、軽量化を図りつつ、車両衝突時のエネルギー吸収性能を維持または向上させることを目的とする。
上記課題を解決する本発明の一態様は、車両用構造部材であって、部材長手方向に沿って複数配置された、切欠きを有する切欠き形成部を備えた金属製の中空部材と、前記中空部材に接合された、各切欠き形成部の前記切欠きの各々を覆う、ＦＲＰからなる複数の補強部材とを備え、前記中空部材の部材長手方向に垂直な断面の重心を原点とした座標軸において、断面２次モーメントが最小となる主軸を第１軸と称し、前記第１軸に垂直な方向の軸を第２軸と称し、前記第１軸または前記第２軸を境界として分割された前記中空部材の２つの領域のうちの一方の領域を第１の領域と称し、他方の領域を第２の領域と称したとすると、前記第１の領域に前記切欠きを有する第１の切欠き形成部と、前記第２の領域に前記切欠きを有する第２の切欠き形成部とが、前記中空部材の部材長手方向に沿って交互に配置されていることを特徴としている。
上記車両用構造部材においては、部材長手方向から高荷重が入力された際に折れる中空部材の折れ点を増やすことができる。荷重入力時において、中空部材の折れ点は塑性変形することでエネルギー吸収に寄与しているが、折れ点以外の部分は、あまり塑性変形せずエネルギー吸収に対する寄与度が低い。そのため、折れ点を増やすことで、荷重入力に対して塑性変形する領域を増やすことができ、エネルギー吸収性能を向上させることができる。
本発明によれば、車両用構造部材において、軽量化を図りつつ、車両衝突時のエネルギー吸収性能を維持または向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る車両用フレームと他部材とが接合された状態を示す斜視図である。 同実施形態に係る車両用フレームと他部材とが接合された状態を示す平面図である。 同実施形態に係る車両用フレームと他部材とが接合された状態を示す側面図である。 同実施形態に係る車両用フレームの概略構成を示す斜視図である。 図４中のａ−ａ断面図である。 図４中のｂ−ｂ断面図である。 切欠きと補強部材の配置例を示す断面図である。（ａ）は、図４中のａ−ａ断面に相当する図である。（ｂ）は、図４中のｂ−ｂ断面に相当する図である。 切欠きと補強部材の配置例を示す断面図である。（ａ）は、図４中のａ−ａ断面に相当する図である。（ｂ）は、図４中のｂ−ｂ断面に相当する図である。 切欠きと補強部材の配置例を示す断面図である。（ａ）は、図４中のａ−ａ断面に相当する図である。（ｂ）は、図４中のｂ−ｂ断面に相当する図である。 切欠きと補強部材の第２の配置例を説明するための車両用フレームの概略構成を示す斜視図である。 図１０中のａ−ａ断面図である。 補強部材の配置例を示す、図１０中のａ−ａ断面に相当する図である。 補強部材の配置例を示す、図１０中のａ−ａ断面に相当する図である。 比較例（構造１）の車両用フレームの変形状態を示す平面図である。 比較例（構造１）の車両用フレームの変形状態を示す側面図である。 比較例（構造３）の車両用フレームの変形状態を示す平面図である。 比較例（構造３）の車両用フレームの変形状態を示す側面図である。 発明例（構造４）の車両用フレームの変形状態を示す平面図である。 発明例（構造４）の車両用フレームの変形状態を示す側面図である。 比較例（構造５）の車両用フレームの変形状態を示す平面図である。 比較例（構造５）の車両用フレームの変形状態を示す側面図である。 発明例（構造６）の車両用フレームの変形状態を示す平面図である。 発明例（構造６）の車両用フレームの変形状態を示す側面図である。 衝突シミュレーションにおける各解析モデルのエネルギー吸収性能を比較した図である。
以下、本発明の一実施形態について、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。
＜１．車両用構造部材の適用対象＞
車両用構造部材の一例である車両用フレームの構成について説明する前に、当該車両用構造部材の適用対象について説明する。一般的な自動車等の車両に設けられる車体は、フロント構造（FRONT）、リア構造（REAR）、およびキャビン構造（CABIN）に分別することができる。
フロント構造およびリア構造は、車両衝突時において当該構造が自ら圧潰することにより、車両に対する衝撃を吸収して緩和する機能（衝撃吸収機能）を担っている。すなわち、車両衝突時に、キャビンに搭乗する乗員の安全を確保するために、フロント構造およびリア構造は、衝突により生じるエネルギー（衝突エネルギー）を可能な限り吸収する構造であることが要求される。したがって、フロント構造およびリア構造を構成するフレームは、衝突時に曲げや潰れが生じた際においても衝突エネルギーを多く吸収することが求められる。当該フロント構造およびリア構造に用いられるフレームは、例えばフロントサイドメンバやリアサイドメンバ等である。フロントサイドメンバは、後端部を構成するフロントサイドメンバリア、および当該後端部よりも前側の部分を構成するフロントサイドメンバフロントを含む。リアサイドメンバは、後端部を構成するリアサイドメンバリア、および当該後端部よりも前側の部分を構成するリアサイドメンバフロントを含む。
ところで、車両の衝突安全性の維持と軽量化とを両立させるために、車体構造を形成する鋼板の高強度化および薄肉化が進められている。上記のフロント構造、リア構造およびキャビン構造を構成するフレームについても、薄肉化された高強度鋼板に置き換えることが進められている。具体的には、衝突エネルギー吸収量および耐荷重性能の少なくともいずれかが、従来の鋼板により形成されるフレームと同等になるように、高強度鋼板により形成されるフレームの板厚が従来の鋼板により形成されるフレームよりも薄く設定される。これにより、高強度フレームの衝突性能を従来フレームと同等に維持しつつ、フレームの重量を低減させることができる。
＜２．車両用フレームの構成＞
（フレームの構成要素）
図１は、本発明の一実施形態に係る車両用フレーム１と他部材とが接合された状態を示す斜視図である。図２は、その状態の平面図であり、図３は、その状態の側面図である。図１〜図３に示す例における車両用フレーム１はフロントサイドメンバであり、フロントサイドメンバの前端はクラッシュボックス３０を介して、バンパービーム５０に接合されている。通常、フロントサイドメンバは、キャビン部の前方に左右対称に２本配置されており、図１〜図３は、その片側のみ表示している。なお、車両用フレーム１は車両用構造部材の一例であり、以下単にフレーム１と記載する。フレーム１はフロント構造およびリア構造に係る部材に適用されることが好ましいが、車両用フレーム１をキャビン構造に係る部材に適用することも可能である。また、当該車両用構造部材は、自動車のみならず、他の車両および自走可能な機械にも適用可能である。他の車両および自走可能な機械には、例えば、二輪車両、バスまたは牽引車等の大型車両、トレーラー、鉄道車両、建設機械、鉱山機械、農業機械、一般機械、および船舶等が含まれる。
図４〜図６に示すように本実施形態のフレーム１は、金属製の中空部材１０と、中空部材１０の内面に接合された補強部材２０を備えている。なお、本実施形態においては補強部材２０が中空部材１０の内面に接合されているが、補強部材２０は中空部材１０の外面に接合されていてもよい。
本実施形態の中空部材１０は、長尺の構造部材の一例であり、部材長手方向（本実施形態ではＸ方向）に垂直な断面の形状が矩形状となった部材である。本実施形態の中空部材１０は一体物として形成された角管状のものであるが、中空部材１０は、例えば平板状のクロージングプレートと、断面がハット形状の部材とが接合されることで構成されていてもよい。すなわち、中空部材１０は、部材長手方向Ｘに垂直な断面が閉断面となるように構成されていれば、その構成は特に限定されない。例えば本実施形態では中空部材１０の形状が多角形状の一例である矩形状であったが、中空部材１０は矩形以外の多角形状であってもよい。
本実施形態の中空部材１０は４つの平面部１１ａ〜１１ｄを有しており、以降の説明では、それらの４つの平面部１１ａ〜１１ｄのうち、図５において上側に位置する平面部を天面部１１ａ、右側に位置する平面部を側面部１１ｂ、下側に位置する平面部を底面部１１ｃ、左側に位置する平面部を側面部１１ｄと称す。また、天面部１１ａと側面部１１ｂとの境界となる部分である両平面部１１ａ、１１ｂの接続部を稜線部１１ｅ、側面部１１ｂと底面部１１ｃとの境界となる部分である両平面部１１ｂ、１１ｃの接続部を稜線部１１ｆ、底面部１１ｃと側面部１１ｄとの境界となる部分である両平面部１１ｃ、１１ｄの接続部を稜線部１１ｇ、側面部１１ｄと天面部１１ａとの境界となる部分である両平面部１１ｄ、１１ａの接続部を稜線部１１ｈと称す。
中空部材１０は、金属板により形成される。金属板の種類は特に限定されないが、例えば鋼板等の金属板により形成されることが好ましい。また、衝突性能の観点から中空部材１０の板厚は、バス等の大型の車両で多く用いられるフレーム構造では６．０ｍｍ以下が好ましく、通常のサイズの車両で多く用いられるモノコック構造車両では３．２ｍｍ以下であることが好ましい。また、中空部材１０の引張強度は特に限定されない。ただし、軽量化により低減し得るフレーム１の全体的な強度を補うために、中空部材１０の引張強度は５９０ＭＰａ以上であることが好ましい。また、中空部材１０の引張強度は９８０ＭＰａ以上であることがさらに好ましい。
中空部材１０には、部材長手方向Ｘに沿って複数の切欠き１３が設けられている。本明細書においては、中空部材１０の部材長手方向Ｘに垂直な断面内に切欠き１３が設けられている場合、図２〜図４に示すように中空部材１０の部材長手方向Ｘにおける当該断面が位置する部分を“切欠き形成部１２”と称す。中空部材１０の切欠き形成部１２は部材長手方向Ｘに沿って複数配置されている。なお、本明細書における“切欠き”とは、中空部材１０を貫通する孔である。本実施形態の切欠き１３は、長手方向が、中空部材１０の部材長手方向Ｘに垂直な断面における部材周方向Ｃとなる形状を有している。切欠き１３は、中空部材１０の成形後に機械加工等によって形成される。切欠き１３の配置については後述する。
図４に示すように補強部材２０は複数設けられており、各補強部材２０は、各切欠き形成部１２の切欠き１３を覆うようにして、切欠き１３が形成された中空部材１０の内面に接合されている。中空部材１０の部材周方向Ｃにおける補強部材２０の長さおよび部材長手方向Ｘにおける補強部材２０の長さは、部材周方向Ｃにおける切欠き１３の長さおよび部材長手方向Ｘにおける切欠き１３の長さよりも十分に長くなっている。本実施形態のフレーム１では、中空部材１０の切欠き１３の位置に補強部材２０が配置されており、１つの補強部材で１つの切欠き１３が覆われている。このため、中空部材１０の外方から切欠き１３を見ると、中空部材１０の内面に接合された補強部材２０が見えるような状態にある。補強部材２０の配置については後述する。
（補強部材の例）
補強部材として用いられるＦＲＰ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、複合化された強化繊維材料からなる、繊維強化樹脂部材を意味する。
強化繊維材料としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維を用いることができる。他にも、強化繊維材料として、ボロン繊維、シリコンカーバイド繊維、アラミド繊維等を用いることができる。ＦＲＰ部材に用いられるＦＲＰにおいて、強化繊維材料の基材となる強化繊維基材としては、例えば、チョップドファイバーを使用した不織布基材や連続繊維を使用したクロス材、一方向強化繊維基材（ＵＤ材）等を使用することができる。これらの強化繊維基材は、強化繊維材料の配向性の必要に応じて、適宜選択され得る。
ＣＦＲＰ部材は、強化繊維材料として炭素繊維を用いたＦＲＰ部材である。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。
ＧＦＲＰ部材は、強化繊維材料としてガラス繊維を用いたＦＲＰ部材である。炭素繊維よりも機械的特性に劣るが、金属部材の電蝕を抑制することができる。
ＦＲＰ部材に用いられるマトリックス樹脂として、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のいずれも使用することができる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、並びにビニルエステル樹脂等があげられる。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、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。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ＦＲＰ部材等により形成される場合、ＦＲＰ部材と金属部材（上記実施形態では中空部材１０）との間に接着樹脂層が設けられ、該接着樹脂層によりＦＲＰ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、ＦＲＰ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ＦＲＰ部材を金属部材に接着させることにより、ＦＲＰ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、ＦＲＰ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ＦＲＰ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。
ＦＲＰ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、ＦＲＰ部材となるＦＲＰまたはその前駆体であるＦＲＰ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、ＦＲＰ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ＦＲＰまたはＦＲＰ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、ＦＲＰまたはＦＲＰ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ＦＲＰまたはＦＲＰ成形用プリプレグを加熱圧着により接着した後に、ＦＲＰ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。ＦＲＰ部材のマトリクス樹脂が熱可塑性樹脂であれば、ＦＲＰ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、ＦＲＰ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、ＦＲＰ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、ＦＲＰ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、ＦＲＰ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、ＦＲＰ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ＦＲＰ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ＦＲＰ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、ＦＲＰ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、ＦＲＰ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ＦＲＰ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。
＜３．切欠きおよび補強部材の配置例＞
（第１の配置例）
図４に示すように、第１の配置例においては、中空部材１０の切欠き形成部１２が部材長手方向Ｘに沿って４箇所設けられている。ここで、図５、６は中空部材１０の部材長手方向Ｘに垂直な断面であり、図５、６中の軸Ａ1は、当該断面の重心Ｏを原点とした座標軸において断面２次モーメントが最少となる主軸である。軸Ａ2は、当該断面における軸Ａ1に対して垂直な軸であって、断面２次モーメントが最大となる主軸である。以降の説明では上記軸Ａ1を“第１軸”、上記軸Ａ2を“第２軸”と称す。また、第１軸Ａ1を境界として中空部材１０を２つの領域に分割した際の一方の領域を“第１の領域Ｒ1”と称し、他方の領域を“第２の領域Ｒ2”と称す。本実施形態では、説明の便宜上、図５、６において、第１軸Ａ1よりも右方の領域を第１の領域Ｒ1と称し、第１軸Ａ1よりも左方の領域を第２の領域Ｒ2と称すこととするが、第１軸Ａ1よりも右方の領域を第２の領域Ｒ2と称し、第１軸Ａ1よりも左方の領域を第１の領域Ｒ1と称したとしても差異はない。
本配置例においては、４箇所の切欠き形成部１２のうち、中空部材１０の前端１０ａに最も近い切欠き形成部１２では、図５に示すように、第１の領域Ｒ1の稜線部１１ｅ、１１ｆに切欠き１３が形成されている。一方で、図５に示す切欠き形成部１２においては、中空部材１０の第２の領域Ｒ2には切欠き１３が設けられていない。本配置例においては、このように第１の領域Ｒ1に切欠き１３を有する切欠き形成部１２のことを“第１の切欠き形成部１２ａ”と称す。図４に示す第１の配置例においては、４箇所の切欠き形成部１２のうち、中空部材１０の前端１０ａを起点とした最初の切欠き形成部１２、および３番目の切欠き形成部１２が第１の切欠き形成部１２ａである。第１の切欠き形成部１２ａにおいては、中空部材１０の内面側から稜線部１１ｅ、１１ｆの切欠き１３が覆われるように補強部材２０が設けられている。すなわち、第１の切欠き形成部１２ａにおいては、第１の領域Ｒ1にのみ切欠き１３と補強部材２０が配置されている。
図６は、上記第１の切欠き形成部１２ａとは異なる箇所の切欠き形成部１２の断面図である。当該切欠き形成部１２においては、第１の切欠き形成部１２ａとは異なり、中空部材１０の第２の領域Ｒ2の稜線部１１ｇ、１１ｈに切欠き１３が設けられ、第１の領域Ｒ1には切欠き１３が設けられていない。第１の配置例においては、このように第２の領域Ｒ2に切欠き１３を有する切欠き形成部１２のことを“第２の切欠き形成部１２ｂ”と称す。図４に示す配置例においては、４箇所の切欠き形成部１２のうち、中空部材１０の前端１０ａを起点とした２番目の切欠き形成部１２、および４番目の切欠き形成部１２が第２の切欠き形成部１２ｂである。第２の切欠き形成部１２ｂにおいては、中空部材１０の内面側から稜線部１１ｇ、１１ｈの切欠き１３が覆われるように補強部材２０が設けられている。すなわち、第２の切欠き形成部１２ｂにおいては、第２の領域Ｒ2にのみ切欠き１３と補強部材２０が配置されている。
第１の配置例においては、第１の切欠き形成部１２ａと第２の切欠き形成部１２ｂとが、中空部材１０の部材長手方向Ｘに沿って交互に配置されている。なお、本実施形態においては、中空部材１０の荷重入力側の端部に相当する中空部材１０の前端１０ａに最も近い切欠き形成部１２が第１の切欠き形成部１２ａであるが、前端１０ａに最も近い切欠き形成部１２を第２の切欠き形成部１２ｂとして、第２の切欠き形成部１２ｂと第１の切欠き形成部１２ａとが交互に配置されていてもよい。
後述の実施例で示すように、上記の切欠き１３および補強部材２０が設けられていない場合は、中空部材の端部に高荷重が入力されると、中空部材の前端近傍で軸圧潰変形が生じた後、中空部材の前端と後端の間の１点で曲げ変形が生じる。その折れ点の前後には曲げの節となる折れ点が１箇所ずつ生じるため、中空部材全体としては３点の折れ点が生じる。中空部材に折れが生じた場合、折れ点以外の部分は、あまり塑性変形せず、ひずみが小さいため、折れ点以外の部分はエネルギー吸収にほとんど寄与しない部分となる。
一方、切欠き１３および補強部材２０が設けられた本実施形態のフレーム１においては、中空部材１０の切欠き形成部１２において折れを誘発させることができ、折れ点を増やすことが可能となる。これにより、荷重入力時の中空部材１０のエネルギー吸収性能に寄与する部分を多くすることができ、フレーム１全体としてのエネルギー吸収性能を高めることが可能となる。
ただし、中空部材１０に切欠き１３が形成されていても、切欠き１３を覆う補強部材２０が設けられていない場合には、荷重入力時の変形モードが安定せず、切欠き形成部１２で折れが生じないことがある。例えば図４のような切欠き１３が形成された中空部材１０の場合、補強部材２０が設けられていないと、中空部材１０の前端１０ａに荷重が入力された際に、前端１０ａに最も近い第１の切欠き形成部１２ａではなく、後方の第２の切欠き形成部１２ｂで先に折れが生じることがある。このような場合、第１の切欠き形成部１２ａはエネルギー吸収性能に寄与しない部分となる。また、第２の切欠き形成部１２ｂで先に折れが生じた場合、当該第２の切欠き形成部１２ｂよりも前方に位置する第１の切欠き形成部１２ａにおいては、折れが生じにくくなる。したがって、エネルギー吸収性能の観点では、各切欠き形成部１２における中空部材１０の折れが、荷重入力側の端部（本実施形態では前端１０ａ）から他端部（本実施形態では後端１０ｂ）にかけて順に発生することが好ましい。
本実施形態のフレーム１においては、補強部材２０として用いられるＦＲＰの延性が小さいことから、荷重入力時の中空部材１０の変形により補強部材２０が破断することになるが、破断前においては補強部材２０が切欠き１３の位置で中空部材１０に接合されていることで、中空部材１０は切欠き１３が形成されていない部材のように機能する。その一方で、中空部材１０の前端１０ａに高荷重が入力されると、中空部材１０の前端１０ａに最も近い第１の切欠き形成部１２ａにおいては、より後方に位置する第２の切欠き形成部１２ｂに先駆けて荷重入力に伴う変形が生じる。このため、前端１０ａに最も近い第１の切欠き形成部１２ａに配置された補強部材２０は、他の切欠き形成部１２に配置された補強部材２０よりも先に破断することになる。その結果、前端１０ａに近い第１の切欠き形成部１２ａにおいては、補強部材２０による補強効果が失われる一方、その他の切欠き形成部１２では依然として補強部材２０による補強効果が維持される。これにより、前端１０ａに最も近い当該第１の切欠き形成部１２ａは、中空部材１０全体として強度的に最も弱い部分となり、当該第１の切欠き形成部１２ａにおいて最初に折れが生じることになる。
その後、さらに中空部材１０の変形が進行すると、折れが生じた第１の切欠き形成部１２ａの後方に位置する第２の切欠き形成部１２ｂの変形が開始する。これに伴い、当該第２の切欠き形成部１２ｂに配置された補強部材２０も変形する。これにより、当該第２の切欠き形成部１２ｂに位置する補強部材２０が破断し、既に折れが生じている第１の切欠き形成部１２ａに続いて、当該第２の切欠き形成部１２ｂにおいて折れが生じる。このような折れを伴う中空部材１０の変形モードが後続の第１の切欠き形成部１２ａ、および第２の切欠き形成部１２ｂでも順に発生することになるため、中空部材１０に配置された各切欠き形成部１２が、部材長手方向Ｘに沿って順に折れていくことになる。
以上のように、中空部材１０に切欠き１３が設けられているだけでなく、切欠き１３を覆う補強部材２０が設けられていることで、各切欠き形成部１２における折れを安定的に誘発させることが可能となる。
より安定的に各切欠き形成部１２において折れを誘発させるためには、第１の配置例のように、第１の切欠き形成部１２ａと第２の切欠き形成部１２ｂとが、中空部材１０の部材長手方向Ｘに沿って交互に配置されていることが好ましい。
例えば、第１の配置例では、中空部材１０の前端１０ａに高荷重が入力されると、中空部材１０の前端１０ａに最も近い第１の切欠き形成部１２ａ（第１の切欠き形成部１２ａ）では、第１の領域Ｒ1にのみ切欠き１３が配置されているため、第１の領域Ｒ1が圧縮となり、第２の領域Ｒ2が引張となる変形モードとなる。一方、中空部材１０の前端１０ａを起点とした２番目の切欠き形成部１２（第２の切欠き形成部１２ｂ）では、第２の領域Ｒ2にのみ切欠き１３が配置されているため、第２の領域Ｒ2が圧縮となり、第１の領域Ｒ1が引張となる変形モードとなる。同様に、中空部材１０の前端１０ａを起点とした３番目の切欠き形成部１２（第１の切欠き形成部１２ａ）では、第１の領域Ｒ1が圧縮となり、第２の領域Ｒ2が引張となる変形モードとなる。また、中空部材１０の前端１０ａを起点とした３番目の切欠き形成部１２（第２の切欠き形成部１２ｂ）では、第２の領域Ｒ2が圧縮となり、第１の領域Ｒ1が引張となる変形モードとなる。これにより、中空部材１０に配置された各切欠き形成部１２が、部材長手方向Ｘに沿ってジグザグ（左右にジグザグ）に折れ曲がることになる。その結果、フレーム１全体としてのエネルギー吸収性能を安定して高めることが可能となる。
また、第１の配置例における切欠き１３および補強部材２０の配置は、図４〜図６に示した例に限定されず、例えば図７（ａ）（ｂ）〜図９（ａ）（ｂ）のように配置されていてもよい。
図７（ａ）に示す配置例においては、中空部材１０の切欠き形成部１２が部材長手方向Ｘに沿って設けられた４箇所の切欠き形成部１２のうち、中空部材１０の前端１０ａを起点とした最初の切欠き形成部１２、および３番目の切欠き形成部１２が第１の切欠き形成部１２ａである。そして、第１の切欠き形成部１２ａでは、中空部材１０の第１の領域Ｒ1にのみ側面部１１ｂに切欠き１３が形成され、当該切欠き１３を覆うように側面部１１ｂに補強部材２０が接合されている。また、中空部材１０の前端１０ａを起点とした２番目の切欠き形成部１２、および４番目の切欠き形成部１２が第２の切欠き形成部１２ｂである。そして、第２の切欠き形成部１２ｂでは、中空部材１０の第２の領域Ｒ1にのみ側面部１１ｄに切欠き１３が形成され、当該切欠き１３を覆うように側面部１１ｄに補強部材２０が接合されている。
この図７（ａ）（ｂ）に示す配置例では、中空部材１０の前端１０ａに高荷重が入力されると、中空部材１０の前端１０ａに最も近い第１の切欠き形成部１２ａ（第１の切欠き形成部１２ａ）では、第１の領域Ｒ1にのみ切欠き１３が配置されているため、第１の領域Ｒ1が圧縮となり、第２の領域Ｒ2が引張となる変形モードとなる。一方、中空部材１０の前端１０ａを起点とした２番目の切欠き形成部１２（第２の切欠き形成部１２ｂ）では、第２の領域Ｒ2にのみ切欠き１３が配置されているため、第２の領域Ｒ2が圧縮となり、第１の領域Ｒ1が引張となる変形モードとなる。同様に、中空部材１０の前端１０ａを起点とした３番目の切欠き形成部１２（第１の切欠き形成部１２ａ）では、第１の領域Ｒ1が圧縮となり、第２の領域Ｒ2が引張となる変形モードとなる。また、中空部材１０の前端１０ａを起点とした４番目の切欠き形成部１２（第２の切欠き形成部１２ｂ）では、第２の領域Ｒ2が圧縮となり、第１の領域Ｒ1が引張となる変形モードとなる。これにより、図４〜図６に示した例と同様に、中空部材１０に配置された各切欠き形成部１２が、部材長手方向Ｘに沿ってジグザグ（左右にジグザグ）に折れ曲がることになる。その結果、フレーム１全体としてのエネルギー吸収性能を安定して高めることが可能となる。
図８（ａ）（ｂ）に示す配置例においては、第２軸Ａ2を境界として中空部材１０を２つの領域に分割した際の一方の領域（図８（ａ）（ｂ）の例においては第２軸Ａ2よりも上方の領域）が第１の領域Ｒ1であり、他方の領域（（図８（ａ）（ｂ）の例においては第２軸Ａ2よりも下方の領域）が第２の領域Ｒ2である。なお、第２軸Ａ2よりも上方の領域を第２の領域Ｒ2と称し、第２軸Ａ2よりも下方の領域を第１の領域Ｒ1と称したとしても差異はない。
この図８（ａ）（ｂ）に示す配置例においては、中空部材１０の切欠き形成部１２が部材長手方向Ｘに沿って設けられた４箇所の切欠き形成部１２のうち、中空部材１０の前端１０ａを起点とした最初の切欠き形成部１２、および３番目の切欠き形成部１２が第１の切欠き形成部１２ａである。そして、第１の切欠き形成部１２ａでは、中空部材１０の第１の領域Ｒ1にある稜線部１１ｅ、１１ｈに切欠き１３が形成され、当該切欠き１３を覆うように補強部材２０が接合されている。また、中空部材１０の前端１０ａを起点とした２番目の切欠き形成部１２、および４番目の切欠き形成部１２が第２の切欠き形成部１２ｂである。そして、第２の切欠き形成部１２ｂでは、中空部材１０の第２の領域Ｒ1にある稜線部１１ｆ、１１ｇに切欠き１３が形成され、当該切欠き１３を覆うように補強部材２０が接合されている。
この図８（ａ）（ｂ）に示す配置例では、中空部材１０の前端１０ａに高荷重が入力されると、中空部材１０の前端１０ａに最も近い第１の切欠き形成部１２ａ（第１の切欠き形成部１２ａ）では、第１の領域Ｒ1にのみ切欠き１３が配置されているため、第１の領域Ｒ1が圧縮となり、第２の領域Ｒ2が引張となる変形モードとなる。一方、中空部材１０の前端１０ａを起点とした２番目の切欠き形成部１２（第２の切欠き形成部１２ｂ）では、第２の領域Ｒ2にのみ切欠き１３が配置されているため、第２の領域Ｒ2が圧縮となり、第１の領域Ｒ1が引張となる変形モードとなる。同様に、中空部材１０の前端１０ａを起点とした３番目の切欠き形成部１２（第１の切欠き形成部１２ａ）では、第１の領域Ｒ1が圧縮となり、第２の領域Ｒ2が引張となる変形モードとなる。また、中空部材１０の前端１０ａを起点とした４番目の切欠き形成部１２（第２の切欠き形成部１２ｂ）では、第２の領域Ｒ2が圧縮となり、第１の領域Ｒ1が引張となる変形モードとなる。これにより、図４〜図６に示した例と同様に、中空部材１０に配置された各切欠き形成部１２が、部材長手方向Ｘに沿ってジグザグ（上下にジグザグ）に折れ曲がることになる。その結果、フレーム１全体としてのエネルギー吸収性能を安定して高めることが可能となる。
図９（ａ）（ｂ）に示す配置例においては、第２軸Ａ2を境界として中空部材１０を２つの領域に分割した際の一方の領域（図９（ａ）（ｂ）の例においては第２軸Ａ2よりも上方の領域）が第１の領域Ｒ1であり、他方の領域（（図９（ａ）（ｂ）の例においては第２軸Ａ2よりも下方の領域）が第２の領域Ｒ2である。なお、第２軸Ａ2よりも上方の領域を第２の領域Ｒ2と称し、第２軸Ａ2よりも下方の領域を第１の領域Ｒ1と称したとしても差異はない。
この図９（ａ）（ｂ）に示す配置例においては、中空部材１０の切欠き形成部１２が部材長手方向Ｘに沿って設けられた４箇所の切欠き形成部１２のうち、中空部材１０の前端１０ａを起点とした最初の切欠き形成部１２、および３番目の切欠き形成部１２が第１の切欠き形成部１２ａである。そして、第１の切欠き形成部１２ａでは、中空部材１０の第１の領域Ｒ1にある天面部１１ａに切欠き１３が形成され、当該切欠き１３を覆うように天面部１１ａに補強部材２０が接合されている。また、中空部材１０の前端１０ａを起点とした２番目の切欠き形成部１２、および４番目の切欠き形成部１２が第２の切欠き形成部１２ｂである。そして、第２の切欠き形成部１２ｂでは、中空部材１０の第２の領域Ｒ1にある底面部１１ｃに切欠き１３が形成され、当該切欠き１３を覆うように側面部１１ｃに補強部材２０が接合されている。
この図９（ａ）（ｂ）に示す配置例では、中空部材１０の前端１０ａに高荷重が入力されると、中空部材１０の前端１０ａに最も近い第１の切欠き形成部１２ａ（第１の切欠き形成部１２ａ）では、第１の領域Ｒ1にのみ切欠き１３が配置されているため、第１の領域Ｒ1が圧縮となり、第２の領域Ｒ2が引張となる変形モードとなる。一方、中空部材１０の前端１０ａを起点とした２番目の切欠き形成部１２（第２の切欠き形成部１２ｂ）では、第２の領域Ｒ2にのみ切欠き１３が配置されているため、第２の領域Ｒ2が圧縮となり、第１の領域Ｒ1が引張となる変形モードとなる。同様に、中空部材１０の前端１０ａを起点とした３番目の切欠き形成部１２（第１の切欠き形成部１２ａ）では、第１の領域Ｒ1が圧縮となり、第２の領域Ｒ2が引張となる変形モードとなる。また、中空部材１０の前端１０ａを起点とした４番目の切欠き形成部１２（第２の切欠き形成部１２ｂ）では、第２の領域Ｒ2が圧縮となり、第１の領域Ｒ1が引張となる変形モードとなる。これにより、図４〜図６に示した例と同様に、中空部材１０に配置された各切欠き形成部１２が、部材長手方向Ｘに沿ってジグザグ（上下にジグザグ）に折れ曲がることになる。その結果、フレーム１全体としてのエネルギー吸収性能を安定して高めることが可能となる。
なお、第１の切欠き形成部１２ａにおける切欠き１３および補強部材２０の配置と、第２の切欠き形成部１２ｂにおける切欠き１３および補強部材２０の配置は、第１軸Ａ1または第２軸Ａ2を対称軸とした線対称であることが好ましい。
（第２の配置例）
上述した切欠きおよび補強部材の第１の配置例においては、第１の切欠き形成部１２ａにおいては、第１の領域Ｒ1に切欠き１３と補強部材２０が配置されているが、第２の領域Ｒ2には切欠き１３と補強部材２０が配置されてなく、また逆に、第２の切欠き形成部１２ｂにおいては、第２の領域Ｒ2に切欠き１３と補強部材２０が配置されているが、第１の領域Ｒ1には切欠き１３と補強部材２０が配置されていない。しかしながら、本発明は、第１の切欠き形成部１２ａにおいては、第１の領域Ｒ1に切欠き１３と補強部材２０が配置されていれば足り、第２の領域Ｒ2には切欠き１３と補強部材２０が配置されていないことは必須ではない。また、第２の切欠き形成部１２ｂにおいては、第２の領域Ｒ2に切欠き１３と補強部材２０が配置されていれば足り、第１の領域Ｒ1に切欠き１３と補強部材２０が配置されていないことは必須ではない。すなわち、第１の切欠き形成部１２ａにおいて、第２の領域Ｒ2にも切欠き１３と補強部材２０が配置されていても良い。また同様に、第２の切欠き形成部１２ｂにおいて、第１の領域Ｒ1にも切欠き１３と補強部材２０が配置されていても良い。
そこで、補強部材２０の第２の配置例について説明する。図１０に示すように本配置例においても、第１の切欠き形成部１２ａと第２の切欠き形成部１２ｂとが、中空部材１０の部材長手方向Ｘに沿って交互に配置されている。すなわち、４箇所の切欠き形成部１２のうち、中空部材１０の前端１０ａを起点とした中空部材１０の前端１０ａを起点とした最初の切欠き形成部１２、および３番目の切欠き形成部１２が第１の切欠き形成部１２ａである。また、２番目の切欠き形成部１２、および４番目の切欠き形成部１２が第２の切欠き形成部１２ｂである。
この第２の配置例では、第１の切欠き形成部１２ａにおける切欠き１３および補強部材２０の配置と、第２の切欠き形成部１２ｂにおける切欠き１３および補強部材２０の配置とが、実質的に同一となっている。すなわち、図１１に示すように、第１の切欠き形成部１２ａおよび第２の切欠き形成部１２ｂのいずれにおいても、第１の領域Ｒ1の稜線部１１ｅ、１１ｆと第２の領域Ｒ2の稜線部１１ｇ、１１ｈの両方に切欠き１３が設けられ、各切欠き１３が覆われるように補強部材２０がそれぞれ設けられている。換言すれば、第１の切欠き形成部１２ａにおいては、第１の領域Ｒ1に切欠き１３と補強部材２０が配置され、さらに、第２の領域Ｒ2にも切欠き１３と補強部材２０が配置されている。また、第２の切欠き形成部１２ｂにおいては、第２の領域Ｒ2に切欠き１３と補強部材２０が配置され、さらに、第１の領域Ｒ1にも切欠き１３と補強部材２０が配置されている。このような第２の配置例の場合も、中空部材１０の部材長手方向Ｘから荷重が入力された際には、各切欠き形成部１２（第１の切欠き形成部１２ａおよび第２の切欠き形成部１２ｂ）において、安定的に折れを誘発させることができる。
また、第２の配置例では、第１の切欠き形成部１２ａおよび第２の切欠き形成部１２ｂにおいて、例えば図１２、図１３のように切欠き１３および補強部材２０が配置されていてもよい。図１２に示す配置例においては、第１の切欠き形成部１２ａおよび第２の切欠き形成部１２ｂのいずれにおいても、中空部材１０の一対の側面部１１ｂ、１１ｄに切欠き１３および補強部材２０が配置されている。また、図１３に示す配置例においては、中空部材１０の天面部１１ａおよび底面部１１ｃに切欠き１３および補強部材２０が配置されている。これら図１２、図１３のいずれの配置例においても、第１軸Ａ1を境界として分割された２つの領域のうちの両方の領域Ｒ1、Ｒ2および第２軸Ａ2を境界として分割された２つの領域のうちの両方の領域Ｒ3、Ｒ4に切欠き１３および補強部材２０が存在している。切欠き１３および補強部材２０がこのように配置されている場合も、各切欠き形成部１２における中空部材１０の折れをより安定して誘発させることができる。
以上、中空部材１０の切欠き１３および補強部材２０の配置例について説明した。なお、中空部材１０の切欠き形成部１２においては、切欠き１３が設けられていることで中空部材１０の剛性が低下することになるが、本実施形態のように切欠き１３の位置に補強部材２０が配置されていることで、中空部材１０に切欠き１３が設けられていない場合と同等の剛性を確保することができる。
より安定して各切欠き形成部１２で折れを生じさせるためには、各切欠き形成部１２に配置された補強部材２０の強度が、中空部材１０の一端から他端にかけて大きくなっていることが好ましい。例えばフレーム１がフロントサイドメンバの場合、中空部材１０の前端１０ａから後端１０ｂにかけて補強部材２０の強度が大きくなっていることが好ましく、フレーム１がリアサイドメンバの場合、中空部材１０の後端１０ｂから前端１０ａにかけて補強部材２０の強度が大きくなっていることが好ましい。これにより、荷重入力側の端部に近い補強部材２０ほど破断しやすくなり、中空部材１０の部材長手方向Ｘに沿って配置された各切欠き形成部１２において、順番に中空部材１０の折れが生じやすくなる。なお、補強部材２０の強度は、例えば板厚やヤング率が異なる部材を用いることで変更することできる。
また、中空部材１０に形成される切欠き１３、補強部材２０の配置、切欠き形成部１２の数および配置は特に限定されず、フレーム１の形状や構成等に応じて所望の折れ方向に中空部材１０を折ることができるよう適宜変更されるものである。エネルギー吸収性能を効果的に向上させるためには、切欠き形成部１２が４箇所以上であることが好ましい。また、切欠きの形状は、四角形に限られず、円形、楕円形などでも良い。
また、補強部材２０のＦＲＰの繊維方向は、部材長手方向Ｘと平行に配向されていることが好ましい。これにより高荷重入力時の初期反力を向上させることができる。なお、工業的には、繊維方向を一方向にそろえた場合、実際の繊維の繊維方向の分布は、その一方向に対し、−５°〜５°の範囲内に分布する。工業的にそのように分布した状態であっても、理想的に全ての繊維方向をその一方向にそろえた場合と比べて、機械的性質は実質的に同じと判断して構わない。また、補強部材内での繊維方向の分布は、マイクロフォーカスX線CT（X-ray computed
tomography）システムで観察し、得られた３次元画像をコンピュータ解析することで同定できる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、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得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明に係るフレームのエネルギー吸収性能を評価するため、衝突シミュレーションを実施した。解析モデルは図１〜図３に示すようなバンパービームとフレームで構成されており、中空部材の断面は矩形状となっている。また、解析モデルは下記表１に示す条件で複数作成されている。なお、表１中の軽量化率は、各構造の重量を構造１の重量で規格化したものである。また、表１中の剛性比は、各構造の剛性値を構造２の剛性値で規格化したものである。
Figure 0006801825
上記表１の構造１および構造２は、中空部材１０の切欠きおよび補強部材２０が設けられていない構造であり、構造２は構造１に対して薄板化、およびハイテン化を図ったものである。構造３は、図４に示す切欠きが設けられた中空部材１０を有する構造であるが、補強部材２０は設けられていない。構造４は図４に示す構造である。構造４では、４箇所の切欠き形成部１２のうち、中空部材１０の前端１０ａを起点とした最初の切欠き形成部１２、および３番目の切欠き形成部１２が、図５で説明した第１の切欠き形成部１２ａであり、中空部材１０の前端１０ａを起点とした２番目の切欠き形成部１２、および４番目の切欠き形成部１２が図６で説明した第２の切欠き形成部１２ｂである。構造５は、図１０に示す切欠きが設けられた中空部材１０を有する構造であるが、補強部材２０は設けられていない。構造６は図１０に示す構造である。構造６では、４箇所の切欠き形成部１２の全部において、図１１で説明したように、第１の領域Ｒ1および第２の領域Ｒ2の両方に切欠き１３と補強部材２０が配置されている。
構造７は、図４に示す構造である。構造７では、４箇所の切欠き形成部１２のうち、中空部材１０の前端１０ａを起点とした最初の切欠き形成部１２、および３番目の切欠き形成部１２が、図５で説明した第１の切欠き形成部１２ａであり、中空部材１０の前端１０ａを起点とした２番目の切欠き形成部１２、および４番目の切欠き形成部１２が図６で説明した第２の切欠き形成部１２ｂである。また構造７では、各切欠き形成部１２に配置された補強部材２０の引張強度が、中空部材１０の前端１０ａから後端１０ｂにかけて大きくなっている。構造７では、中空部材１０の前端１０ａを起点とした最初の切欠き形成部１２に配置された補強部材の２０板厚が２．０ｍｍ、２番目の切欠き形成部１２に配置された補強部材の２０板厚が２．４ｍｍ、３番目の切欠き形成部１２に配置された補強部材の２０板厚が２．８ｍｍ、４番目の切欠き形成部１２に配置された補強部材の２０板厚が３．２ｍｍである。
構造８は、図４に示す構造である。構造７では、４箇所の切欠き形成部１２のうち、中空部材１０の前端１０ａを起点とした最初の切欠き形成部１２、および３番目の切欠き形成部１２が、図５で説明した第１の切欠き形成部１２ａであり、中空部材１０の前端１０ａを起点とした２番目の切欠き形成部１２、および４番目の切欠き形成部１２が図６で説明した第２の切欠き形成部１２ｂである。ただし、構造８では、各切欠き形成部１２に配置された補強部材２０がＧＦＲＰである。
構造９では、４箇所の切欠き形成部１２の全部が、図５で説明した第１の切欠き形成部１２ａである。すなわち、構造９では、中空部材１０の前端１０ａを起点とした最初の切欠き形成部１２、２番目の切欠き形成部１２、３番目の切欠き形成部１２、および、４番目の切欠き形成部１２のいずれにおいても、第１の領域Ｒ1にのみ切欠き１３と補強部材２０が配置され、第２の領域Ｒ2には切欠き１３と補強部材２０が設けられていない。
構造４および構造６において補強部材２０として用いられるＣＦＲＰの機械特性は以下の通りである。
Ｖｆ（繊維含有体積率）：５０％
ヤング率：１０２ＧＰａ
破断強度：１５００ＭＰａ
破断伸び：１．５％
構造８６において補強部材２０として用いられるＧＦＲＰの機械特性は以下の通りである。
Ｖｆ（繊維含有体積率）：５０％
ヤング率：１３ＧＰａ
破断強度：２００ＭＰａ
破断伸び：３％
構造３〜９において、各切欠きのサイズは、５ｍｍ幅×長さ４０ｍｍである。また、構造４、６〜９において、各補強部材のサイズは、２５ｍｍ幅×長さ７０ｍｍである。各構造の剛性値は、フロントサイドメンバ先端に横方向１ｍｍの変位を与えた時の反力から求めた。
本シミュレーションは、自動車の正面衝突試験を模擬したものであり、質量２００ｋｇの剛体壁を図１〜図３に示すバンパービーム５０に１２ｍ／ｓで衝突させることで実施された。なお、各解析モデルにおける中空部材１０の後端１０ｂは拘束されている。
図１４は衝突シミュレーションにおける構造１の解析モデルの変形状態を示す平面図であり、図１５はその側面図である。図１４に示すように、構造１においては、変形時の中空部材の折れ点が３箇所であった。このような中空部材の折れは、構造２においても生じていた。
図１６は衝突シミュレーションにおける構造３の解析モデルの変形状態を示す平面図であり、図１７はその側面図である。図１６に示すように、構造３においては中空部材に切欠きが設けられているが、中空部材の前端に最も近い位置にある切欠きにおいては折れが生じておらず、後方の切欠きで先に折れが生じていた。折れ点も３箇所のままであった。
一方、図１８は衝突シミュレーションにおける構造４の解析モデルの変形状態を示す平面図であり、図１９はその側面図である。図１８に示すように、構造４においては、折れ点が４箇所となっており、構造１に対して折れ点を増やすことができた。特に、切欠きの位置に補強部材２０が設けられた構造４においては、切欠きの位置が折れ点となっており、切欠きのみが設けられている構造３とは異なる結果となった。また、部材長手方向に沿ってジグザグに折れ曲がることにより、フレーム全体としてのエネルギー吸収性能を安定して高めることができた。
図２０は衝突シミュレーションにおける構造５の解析モデルの変形状態を示す平面図であり、図２１はその側面図である。図２０に示すように、構造５においては中空部材に切欠きが設けられているが、中空部材の前端に最も近い位置にある切欠きにおいては折れが生じておらず、後方の切欠きで先に折れが生じており、折れ点も２箇所であった。
一方、図２２は衝突シミュレーションにおける構造６の解析モデルの変形状態を示す平面図であり、図２３はその側面図である。図２２に示すように、切欠きの位置に補強部材２０が設けられた構造６においては、切欠き位置で圧潰しており、圧潰点は４点であった。圧潰点は折れ点と同等もしくはそれ以上に塑性変形領域が広く、エネルギー吸収に寄与するため、折れ点と同等とみなすことができる。そのため、構造５に対して、折れ点を増やすことができた。構造６においては、折れ点での圧潰変形が連続的に生じていることから、部材全体としては、いわゆる軸圧潰変形と同様の変形が生じていた。
次に、剛体壁を衝突させた際の荷重‐ストローク線図から、剛体壁の８００ｍｍストローク時におけるエネルギー吸収量を算出し、各解析モデルのエネルギー吸収性能を比較した。その結果を図２４に示す。なお、図２４のグラフの縦軸は、各構造におけるエネルギー吸収量と構造１のエネルギー吸収量との比である。
図２４に示すように、構造４および構造６〜８においては、構造１に対してエネルギー吸収性能が維持または向上している。上記表１に示すように構造４および構造６〜８は構造１に対する軽量化率も大きいことから、本発明に係る車両用構造部材においては、軽量化を図りつつ、エネルギー吸収性能の維持または向上を図ることができる。また、上記表１に示すように構造４および構造６〜８においては、補強部材が設けられていない構造３および構造５よりも剛性比が向上しており、切欠きが設けられていない構造２と同等の剛性が確保されている。
４箇所の切欠き形成部１２の全部において、第１の領域Ｒ1にのみ切欠き１３と補強部材２０が配置され、第２の領域Ｒ2には切欠き１３と補強部材２０が設けられていない構造９は、エネルギー吸収性能が劣る。
１ フレーム
１０ 中空部材
１０ａ 中空部材の前端
１０ｂ 中空部材の後端
１１ａ 中空部材の天面部
１１ｂ、１１ｄ 中空部材の側面部
１１ｃ 中空部材の底面部
１１ｅ〜１１ｈ 中空部材の稜線部
１２ 切欠き形成部
１２ａ 第１の切欠き形成部
１２ｂ 第２の切欠き形成部
１３ 切欠き
２０ 補強部材
３０ クラッシュボックス
５０ バンパービーム
Ａ1 中空部材の断面の第１軸
Ａ2 中空部材の断面の第２軸
Ｏ 中空部材の断面の重心
Ｒ1 第１の領域
Ｒ2 第２の領域
Ｒ3 第３の領域
Ｒ4 第４の領域

Claims (9)

  1. 部材長手方向に沿って複数配置された、切欠きを有する切欠き形成部を備えた金属製の中空部材と、
    前記中空部材に接合された、各切欠き形成部の前記切欠きの各々を覆う、ＦＲＰからなる複数の補強部材とを備え、
    前記中空部材の部材長手方向に垂直な断面の重心を原点とした座標軸において、断面２次モーメントが最小となる主軸を第１軸と称し、前記第１軸に垂直な方向の軸を第２軸と称し、前記第１軸または前記第２軸を境界として分割された前記中空部材の２つの領域のうちの一方の領域を第１の領域と称し、他方の領域を第２の領域と称したとすると、前記第１の領域に前記切欠きを有する第１の切欠き形成部と、前記第２の領域に前記切欠きを有する第２の切欠き形成部とが、前記中空部材の部材長手方向に沿って交互に配置されている、車両用構造部材。
  2. 前記第１の領域に前記切欠きを有する第１の切欠き形成部において、前記第２の領域に前記切欠きがなく、
    前記第２の領域に前記切欠きを有する第２の切欠き形成部において、前記第１の領域に前記切欠きがない、請求項１に記載の車両用構造部材。
  3. 前記第１の領域に前記切欠きを有する第１の切欠き形成部において、前記第２の領域に前記切欠きがあり、
    前記第２の領域に前記切欠きを有する第２の切欠き形成部において、前記第１の領域に前記切欠きがある、請求項１に記載の車両用構造部材。
  4. 各切欠き形成部に配置された前記補強部材の強度が、前記中空部材の部材長手方向における一端から他端にかけて大きくなっている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用構造部材。
  5. 前記補強部材の繊維方向が前記中空部材の部材長手方向に平行に配向されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用構造部材。
  6. 前記ＦＲＰは、ＣＦＲＰまたはＧＦＲＰである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用構造部材。
  7. 前記中空部材の引張強度が９８０ＭＰａ以上である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の車両用構造部材。
  8. 前記中空部材が荷重入力時に変形する場合に、前記補強部材が破断するように構成される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の車両用構造部材。
  9. 前記補強部材が前記中空部材の外面に接合されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の車両用構造部材。
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