JP5515984B2

JP5515984B2 - シャシーフレーム

Info

Publication number: JP5515984B2
Application number: JP2010085674A
Authority: JP
Inventors: 茂藪谷; 宣芳馬場
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-04-02
Also published as: JP2011213312A

Description

本発明は車両のシャシーフレームにかかり、特にＦＲＰ（繊維強化樹脂）製のパイプとＦＲＰ製の継手とを接合してなる車両のシャシーフレームに関する。

一般に車両のシャシーフレームは、断面コ字形やロ字形の金属部材を溶接などで接合して構成されている。しかし、金属部材は強度や剛性には優れるものの、燃費向上と軽量化の観点からは必ずしも優れているとはいえない。特許文献１には、ＦＲＰ製の自動車用部材が提案されている。ＦＲＰは比強度および比剛性に優れた材料であるので、更なる軽量化を追求する自動車部材には好適な材料である。しかし、従来の金属部材を形状をそのままにして単にＦＲＰで代替する場合には材料コストや製造コストが嵩む虞がある。そこで、更なる軽量化と低コストとを実現するために、シャシーフレームをＦＲＰ製のパイプ構造とすることが試みられている。
従来、ＦＲＰ製のパイプとＦＲＰ製の継手とを接続するには、継手の嵌合部をＦＲＰ製パイプの内周側に挿入し、嵌合部とパイプとの間に接着剤を介在させて固着するようにしている。ここで、パイプは、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸したプリプレグシートをマンドレルに巻回し、加熱硬化後脱型して形成される。このため、パイプは高い真直度と内周の真円度を有している。しかし、ＦＲＰ製の継手は、所定形状の芯材にプリプレグシートを積層して積層体となし、その積層体を適宜のバッグに封入して真空引きするなどして所望の形状に成形される。このため、パイプの端部内周と嵌合する継手嵌合部の真円度や真直度はパイプに比べて低く、結果的にＦＲＰ製パイプとＦＲＰ製の継手とを高い同軸度および真直度で嵌合することができなかった。
また、パイプ内周面と継手嵌合部外周面との隙間は、必要とする接着強度を得るのに十分な量の接着剤が充填されるように、比較的大きく設定されており、パイプと継手との嵌め合いは緩いものとされている。しかし、このような緩い嵌め合いでは、接着剤の硬化を行うために加熱すると、接着剤の粘度が低下して流動しやすくなり、この結果パイプと継手との軸が互いにずれた状態で接着されることになる。また接着剤が流出すると、パイプと継手との軸ズレとともに、接合部の強度も低下することになる。
以上のように、接続に際してパイプと継手との軸線が一致しない（同軸度が低い）場合には、多数のパイプと継手とからなるシャシーフレームを所望の形状に正確に組み立てることができなかった。

特開２００９−３５０４５号公報

従って、接着剤を用いてＦＲＰ製パイプとＦＲＰ製の継手とを接合してなるシャシーフレームにおいては、パイプと継手との高い同軸度と真直度を維持するとともに、接合部の強度を高めることが重要となる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、ＦＲＰ製のパイプと継手とを効率よく組み合わせた、歪みや捻れのない軽量かつ安価なシャシーフレームを提供することを課題とする。

本発明のシャシーフレームは、ＦＲＰ製のパイプの内周側にＦＲＰ製の継手の継手嵌合部を挿入し接着剤で固着してなるシャシーフレームであって、前記継手は、未硬化のマトリックス樹脂を含浸した複数の強化繊維シートを所定形状の芯材に積層した積層体を、所定形状の凹部が前記継手嵌合部に対応する部位に刻設された金型のキャビティ内で加圧成形した後、未硬化の前記マトリックス樹脂を硬化してなり、前記継手は、ＦＲＰよりなる前記継手嵌合部と、前記継手嵌合部の外周面に一体に形成され、前記金型の前記キャビティ内で前記積層体を加圧成形する際に前記凹部に充満した未硬化の前記マトリックス樹脂が硬化してなる複数のリブとを有し、前記リブは、前記継手嵌合部の軸方向に延びる三角形断面の突条であり、かつ、前記パイプと前記継手嵌合部との嵌合状態で前記パイプの内周面に当接し、前記リブの幅は、該リブの高さの１／３〜１倍であることを特徴する。
ここで、３個のリブが、継手嵌合部の外周を等分した位置にそれぞれ形成されている
ことが好ましく、さらに、リブは、高さがパイプの内径と継手嵌合部の外径との差の
１／２であり、かつ、リブの付け根（底面）の総面積が該継手嵌合部の接着面面積の
１／３以下であることが望ましい。また、リブは、加圧成形しながらキャビティを真空ポンプで吸引して形成してもよい。

本発明のシャシーフレームは、ＦＲＰ製のパイプとＦＲＰ製の継手とを接合して組み立てられている。このため、従来の鋼材やアルミニウムなどの金属材よりなるシャシーフレームに比べて大幅な軽量化を実現できる。また、ＦＲＰ製のパイプはＦＲＰ製の板材に比べて強化繊維の使用量が少なくても所望の強度や剛性を確保することができるので、材料コストの低減が可能となる。

本発明のシャシーフレームに係るＦＲＰ製の継手は、マトリックス樹脂を含浸した複数の強化繊維シートを積層した未硬化の積層体の状態で金型により型成形されている。これにより継手の寸法精度は向上し、特に、継手嵌合部には高い真円度と真直度とが付与される。また、継手嵌合部には型成形と同時に複数の軸線方向に延びる嵌合状態でパイプ内周面に当接するリブが形成されている。従って、このリブによってパイプと継手との間の相対的な同軸度と真直度とを高い精度で実現することが可能になる。しかも隣り合うリブの間の条溝から接着剤が均一に流入されるので、パイプの内周面に継手を均一且つ強固に接着して固定できる。

従って、本発明によれば、寸法精度、特にパイプと継手との同軸度及び真直度に優れしかも高い接着強度を保持した接合が可能であり、歪みや捻れのない軽量で安価なシャシーフレームを提供することができる。

本実施形態のシャシーフレームを示す斜視図である。本実施形態にかかるＦＲＰ製継手の一例を示す斜視図である。

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、本発明の一実施形態に係る車両用のシャシーフレームを示している。このシャシーフレーム１は、ＦＲＰ製のパイプ１０の内周側にＦＲＰ製の継手２０の嵌合部を挿入して接着剤で固着して組み立てられている。

本実施形態において、ＦＲＰ製のパイプ１０やＦＲＰ製の継手２０は、強化繊維とマトリックス樹脂とから構成されるものである。ここで、強化繊維は、引張強度および引張弾性率の高い繊維が望ましく、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、セラミック繊維などの繊維から選ばれる１種又は２種以上の組み合わせで使用することができる。特に比強度及び比剛性に優れ、しかも軽量化の効果の大きい炭素繊維が好ましい。

また、このような強化繊維によって強化されるマトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニールエステル樹脂などの熱硬化性樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂（ナイロン６、ナイロン６・１０、ナイロン６・１１、ナイロン６・１２）等の熱可塑性樹脂が挙げられる。好ましくは、取り扱い性に優れたエポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂が使用される。

本実施形態のシャシーフレームにおいて、ＦＲＰ製のパイプ１０は、従来用いられている円筒形状のものを使用することができる。すなわち、所望の強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグシートをフィラメントワインド法などにより、マンドレル上に積層し、加熱硬化後に脱型したものである。

図２は、継手の一例として、Ｔ字型の三方継手２０を斜視図で示したものである。継手２０は、Ｔ字型の基部２２と該基部２２から軸線に沿ってそれぞれ３方向に伸びる円筒形状の継手嵌合部２４とからなる。基部２２の外径は継手嵌合部２４の外径よりも大きく形成されており、基部２２外周と継手嵌合部２４外周とは段差部２６を介して連続している。段差部２６において、基部２２の端面２２ａは継手嵌合部２４の外周面２４ａに直交している。
継手嵌合部２４の外周面２４ａには複数のリブ２８が形成されている。リブ２８は、断面が三角形状の突条であり、段差部２６から嵌合部２４の端部２４ｂの間に軸線に沿って延設されている。
図２において、嵌合部２４には、その外周を３等分する位置にそれぞれ３個のリブ２８が設けられているが、リブ２８の数は特に制限されない。好ましくは、３個以上設けるとよい。リブ２８の数が３個未満の場合には、パイプ１０と継手２０とを安定して固定できないので、パイプ１０と継手２０との同軸度を高い精度で得ることができない。また、設けられるリブ２８の付け根（底面）の総面積は接着面面積の１／３以下とすることが好ましい。これを超えると接着面積が低下して接合強度が不足する虞があるからであり、また、同時に重量増加を招き、軽量化の観点からは望ましくない。
図２下に断面を拡大して示すようにリブ２８の高さｔは、嵌合状態でパイプ１０の内周面に当接してきつい嵌合を得るためにパイプ１０の内径と継手嵌合部２４の外径との差の１／２（例えば、０．３±０．０１ｍｍ）であることが望ましい。これによりパイプ１０と継手嵌合部２４との高い同軸度を実現でき、真直度の高い（例えば、０．３±０．０２ｍｍ）接合部材を得ることができる。

リブ２８の幅ｗは、高さｔの１／３〜１倍であることが好ましい。幅ｗが１／３ｔ未満では、強度的に不安定であり、１倍を超えると軽量化の観点からは望ましくない。
リブ２８は継手嵌合部２４の外周面上において、その軸線方向の全長にわたって設けられることが望ましいが、パイプ１０と継手２０との固定を損なわない範囲で長さを短くしたり、断続的に形成することもできる。

このようなリブ２８を有するＦＲＰ製の継手２０は以下のようにして作製される。

まず、継手２０用の芯材３０を準備する。芯材３０の材質としては特に限定はされないが、軽量化のためには発泡材が好ましい。発泡材の材質としては、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。また、さらなる軽量化を図るために、継手２０を中空とする場合には、加熱硬化時に溶融可能な低融点材料を用いて芯材３０を作製する。このような低融点材料としては、前記の発泡材に加えてスズ合金などの低融点金属を用いることもできる。

次に、所定形状とした芯材３０の表面に強化繊維と未硬化のエポキシ樹脂とからなるプリプレグシートを積層して継手積層体を作製する。プリプレグシートの積層方法には特に限定はなく、公知のフィラメントワインディング法やハンドレイアップ法などを用いることができる。すなわち、芯材３０の形状に沿うように適宜の幅のプリプレグシートを巻回してもよいし、適宜の形状に裁断したプリプレグシートを積層してもよい。また、プリグレグシートの巻回と積層とを交互に繰り返すようにしてもよい。また、型内に設置した強化繊維機材に液状の熱硬化樹脂を注入し、加熱硬化して繊維強化複合材料を得るＲＴＭ法（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ）を用いてもよい。

このようにして得られた継手積層体は従来技術によるものであり、継手嵌合部２４の真円度や真直度などの寸法精度は高くない。そこで、この未硬化の継手積層体を金型のキャビティへ配置して型締めし、加圧成形する。これにより、継手積層体の寸法精度は向上する。特に、嵌合部２４の外周（段差部２６を含む）には高い真円度と同時に高い真直度とが付与される。
ところで、キャビティの継手嵌合部２４に対応する部位には、リブ２８を形成する凹部が刻設されている。これゆえ、未硬化の継手積層体を金型で加圧成形する際に、強化繊維に含浸されているマトリックス樹脂がこの刻設された凹部に充満して、嵌合部２４表面にマトリックス樹脂よりなるリブ２８が形成される。なお、マトリックス樹脂からなるリブ２８を精度よく形成するために、金型に吸引口を設け、真空ポンプに接続して吸引するようにしてもよい。

次に、このように成形された未硬化の継手積層体を加熱硬化する。この時、未硬化の継手積層体を金型に保持したまま金型に内蔵したヒータなどの加熱手段で所定温度に加熱して硬化するようにしてもよいし、成形後の継手積層体を脱型してからオーブンなどで加熱硬化するようにしてもよい。この時の硬化温度は６０〜１５０℃が好ましく、硬化時間は通常１０分〜３時間である。従って、硬化温度範囲で溶融する材料を芯材３０とした場合には、加熱硬化処理中に芯材３０が溶出して中空の継手２０を得ることができる。

本実施形態において、パイプ１０と継手２０とを接合する接着剤は液状タイプのものが好ましい。粘度はパイプ１０の内周側に継手２０を挿入する際の潤滑性、作業性、および硬化時の粘度などを考慮し、室温で１００〜１０００ポイズの範囲内のものを使用することが好ましい。接着剤としては、例えば、アラルダイト（チバ・ガイギー社製）、ソニーボンド（ソニーケミカル（株）製）、スリーロイ（スリーボンド社製）等が挙げられる。
以上のように構成されるＦＲＰ製のパイプ１０とＦＲＰ製の継手２０とを嵌合し、接着剤とともに順次接続してシャシーフレーム１を組み立てる。ここで、パイプ１０の端部内周面に継手嵌合部２４を嵌入させるには、パイプ１０端部の内周面と継手嵌合部２４の外周面に適量の接着剤を塗布した後、円周方向に両者を互いに回転させずに、パイプ１０に対して軸線を合わせた状態で継手２０をゆっくりとパイプ１０の内周側へ挿入するようにする。継手２０の嵌合部２４には、軸線方向に延びるリブ２８が形成されているために、挿入時に継手２０を回転させると、リブ２８によって接着剤の流入を妨げ、塗布された接着剤を掻き取ってしまうために、良好な接着ができなくなる。

本実施形態の継手２０には、継手嵌合部２４に複数の軸方向に延びる嵌合のきついリブ２８が円周方向に間隔を隔てて設けられているので、これらのリブ２８によりパイプ１０を継手２０に位置決めして固定し、パイプ１０と継手２０との間の相互の同軸度と高い真直度とを得ることが可能になる。
従って、かかるパイプ１０と継手２０とを組み合わせてなるシャシーフレーム１を、歪みや捻れのない構造体とすることができる。また、リブ２８は、断面三角形の突条とされているので、パイプ１０へ継手嵌合部２４を挿入する場合には、リブ２８の稜線がパイプ１０の内周面と摺接する。このため挿入時の抵抗が小さく嵌合作業が容易であり、シャシーフレーム１の組立作業性の向上も期待できる。また、リブ２８はパイプ１０の内周面にその稜線のみで当接している。従って、内周面の接着面積が低減されないので、接続部における所望の接合強度を確保することができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、前記の実施形態では、マトリックス樹脂よりなるリブ２８を三角形断面の直線状の突条としたが、軸方向に断続的に形成される破線状の突条としてもよい。破線状の突条とすることで接着剤による接着面積が増大しさらに高い接着強度を得ると同時に、嵌合部の周方向に接着剤が途切れることなく接合できるので、接合部のシール性の向上も期待できる。

本発明は、特に軽量化の望まれる自動車車両や鉄道車両などのシャシーフレームやアッパフレームとして好適である。

１：シャシーフレーム１０：ＦＲＰ製のパイプ２０：ＦＲＰ製の継手２２：基部２４：継手嵌合部２６：段差部２８：リブ３０：芯材

Claims

ＦＲＰ製のパイプの内周側にＦＲＰ製の継手の継手嵌合部を挿入し接着剤で固着してなるシャシーフレームであって、
前記継手は、未硬化のマトリックス樹脂を含浸した複数の強化繊維シートを所定形状の芯材に積層した積層体を、所定形状の凹部が前記継手嵌合部に対応する部位に刻設された金型のキャビティ内で加圧成形した後、未硬化の前記マトリックス樹脂を硬化してなり、
前記継手は、ＦＲＰよりなる前記継手嵌合部と、前記継手嵌合部の外周面に一体に形成され、前記金型の前記キャビティ内で前記積層体を加圧成形する際に前記凹部に充満した未硬化の前記マトリックス樹脂が硬化してなる複数のリブとを有し、
前記リブは、前記継手嵌合部の軸方向に延びる三角形断面の突条であり、かつ、前記パイプと前記継手嵌合部との嵌合状態で前記パイプの内周面に当接し、
前記リブの幅は、該リブの高さの１／３〜１倍であることを特徴するシャシーフレーム。
３個の前記リブが、前記継手嵌合部の外周を等分した位置にそれぞれ形成されている請求項１に記載のシャシーフレーム。
前記リブは、高さが前記パイプの内径と前記継手嵌合部の外径との差の１／２であり、かつ、該リブの付け根（底面）の総面積が該継手嵌合部の接着面面積の１／３以下である請求項１又は２に記載のシャシーフレーム。
前記リブは、前記加圧成形しながら前記キャビティを真空ポンプで吸引して形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のシャシーフレーム。