(57)【要約】【課題】衝突荷重入力時に初期荷重を早期に立ち上げることのできる衝撃吸収部材の提供。【解決手段】発泡樹脂により構成され、管状に形成された本体部５と、前記本体部における屈曲部に配設された稜線部２と、前記本体部における２つの互いに隣り合う稜線部２の間の部分を構成するとともに、稜線部2よりも高い発泡率を有する一般部３と、を有する衝撃吸収部材である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発泡樹脂により構成され、管状に形成された本体部と、
前記本体部における屈曲部に配置され、稜線を有する稜線部と、
前記本体部における２つの互いに隣り合う稜線部の間の部分を構成するとともに、前記稜線部よりも高い発泡率を有する一般部と、
を有する衝撃吸収部材。
【請求項２】
前記本体部の軸方向に対して直交する断面に沿った断面積は、一端から他端に向かって増加する請求項１に記載の衝撃吸収部材。
【請求項３】
前記本体部は、表面を構成する表面層と、前記表面層の内側に位置する内側層と、を有し、表面層は内側層と比較して剛性が高い請求項１または２に記載の衝撃吸収部材。
【請求項４】
前記発泡樹脂は強化繊維を含有するとともに、前記表面層における強化繊維の含有率は内側層と比較して高い請求項３に記載の衝撃吸収部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衝撃吸収部材にかかり、特に、車両用の衝撃吸収部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
衝撃吸収部材における衝突エネルギー吸収には、衝撃吸収部材が弾性変形するストローク領域における弾性変形領域における衝突エネルギー吸収と、衝撃吸収部材が弾性変形する範囲のストローク領域よりも大きなストローク領域、即ち衝撃吸収部材が塑性変形する領域のストローク領域における衝突エネルギー吸収とがある。
【０００３】
衝撃吸収部材が弾性変形する弾性変形領域では、応力は、ストロークにほぼ比例して増大し、衝撃吸収部材が塑性変形する塑性変形領域では、応力は、ストロークによらず一定である。したがって、弾性変形領域における衝撃エネルギー吸収効率は、塑性変形領域における衝撃エネルギー吸収効率よりも低い。したがって、同一のストロークでより多くの衝突エネルギーを吸収する観点からは、衝撃エネルギー吸収効率の低い弾性変形領域をより短くし、衝撃エネルギー吸収効率の高い塑性変形領域をより長くすることが望まれている。
【０００４】
従来、衝撃吸収部材としては、これまで鋼鉄等の金属製の衝撃吸収部材が広く使用されてきたが、金属製の衝撃吸収部材は、弾性変形領域が大きいため、衝撃エネルギー吸収効率が低いという問題があった。また塑性変形領域において潰れ残りをなくすことは不可能であるため、潰れ残り量の分だけ衝撃吸収部材を長くする必要があった。
【０００５】
また、衝撃吸収部材がたとえばフロントバンパリンフォースとフロントサイドメンバとの間に位置するクラッシュボックスである場合、単品で１．９ｋｇと重いため、車両の運動性能に関わる最小回転半径が大きくなるという問題があった。
【０００６】
そこで、衝突吸収部材をＦＲＰなどの非金属材料で形成することが検討された。そのような衝撃吸収部材としては、例えば、円筒軸方向に沿った衝突荷重を吸収するＦＲＰ材から形成された円筒状ＦＲＰと、円筒状ＦＲＰの端部に当接する押圧部材と、からなり、押圧部材が、内周側が凸状であり外周側が凹状である中空切株状の円形状凹凸部と、円筒状凹凸部の凹部に円状に配置された凸状トリガ部材と、を有する衝撃吸収部材構造体がある（特許文献１）。
【０００７】
前記衝撃吸収部材構造体においては、衝突等により、円筒状ＦＲＰが圧縮力を受けると、この圧縮力が円形状凹凸部により円筒状ＦＲＰの層間を剥離する力に変換され、繊維方向への引張、圧縮のエネルギーとして消費され、大きなエネルギー吸収を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２３３２６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、前記衝撃吸収部材構造体において、円筒状ＦＲＰに代えて角柱状または角錐状の中空部材を用いた場合には、稜線部分に衝突荷重が集中してしまい、初期荷重を早期に立ち上げることができないという問題がある。
【００１０】
本発明は、車両の前後方向に沿って配置される衝撃吸収部材であって衝突荷重入力時に初期荷重を早期に立ち上げることのできる衝撃吸収部材の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の本発明に係る衝撃吸収部材は、発泡樹脂により構成され、管状に形成された本体部と、前記本体部における屈曲部に配置され、稜線を有する稜線部と、前記本体部における２つの互いに隣り合う稜線部の間の部分を構成するとともに、前記稜線部よりも高い発泡率を有する一般部と、を有することを特徴とする。
【００１２】
前記衝撃吸収部材は、本体部が管状とされているから、衝突時において稜線部に荷重が集中する。しかしながら、稜線部は一般部と比較して発泡率が低いから剛性が高い。したがって、稜線部と一般部とが同一の発泡率を有する衝撃吸収部材と比較して、衝突荷重が入力したときに初期荷重をより早期に立ち上げることができ、ストロークが同一であればより多くの衝突エネルギーを吸収できる。
なお、稜線部は、本体部における屈曲部に配置され、稜線を有する部分である。
【００１３】
請求項２に記載の本発明に係る衝撃吸収部材は、請求項１に記載の衝撃吸収部材において、本体の軸方向に対して直交する断面に沿った断面積が、一端から他端に向かって増加することを特徴とする。
【００１４】
前記衝撃吸収部材は、より断面積の小さい一端側が車両前方側に、より断面積の大きい他端側が車両後方側に位置するように、車両前後方向に沿って配置することにより、衝突荷重が入力されたとき、衝突荷重によって、一端側即ち車両前方側から他端側即ち車両他端側に向かって連続的に崩壊が進行する。したがって、長手方向に沿った断面積が一定の衝撃吸収部材と比較して、崩壊時の荷重変動をより効果的に抑制することができる。
【００１５】
請求項３に記載の本発明に係る衝撃吸収部材は、請求項１または請求項２に記載の衝撃吸収部材において、表面を構成する表面層と、前記表面層の内側に位置する内側層と、を有し、表面層は内側層と比較して剛性が高いことを特徴とする。
【００１６】
前記衝撃吸収部材においては、最大応力が加わる最外面が補強されているため、表面層を有しない衝撃吸収部材と比較して、衝突荷重が入力されたときに初期荷重をより早期に立ち上げることができる。
【００１７】
請求項４に記載の本発明に係る衝撃吸収部材は、請求項３に記載の衝撃吸収部材において、前記発泡樹脂が強化繊維を含有するとともに、前記表面層における強化繊維の含有率が内側層と比較して高いことを特徴とする。
【００１８】
前記衝撃吸収部材においては、発泡樹脂中の強化繊維の割合を高くすることで表面層を形成できるから、表面層を形成するための部材を別途追加する必要がない。したがって、表面層と内側層とを接合または接着する工程が不要になるから、工数を節減できる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように本発明によれば、衝突荷重入力時に初期荷重を早期に立ち上げることのできる衝撃吸収部材が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、自動車骨格における実施形態１または参考例１に係るクラッシュボックスの位置を示す概略斜視図である。
【図２】図２（Ａ）は、実施形態１のクラッシュボックスの構成を示す側面図であり、図２（Ｂ）は、実施形態１のクラッシュボックスの構成を示す平面図である。
【図３】図３は、実施形態１のクラッシュボックスを図２における平面Ａ−Ａで切断した断面を示す断面図である。
【図４】図４は、実施形態１のクラッシュボックスに衝突荷重が加わったところを示す説明図である。
【図５】図５は、実施形態１のクラッシュボックスが衝突荷重によって崩壊する様子を示す説明図である。
【図６】図６は、実施形態１のクラッシュボックスが衝突荷重によって崩壊するときのストロークＳと荷重Ｆとの関係を示すグラフである。
【図７】図７は、参考例１のクラッシュボックスの構成を示す概略側面図である。
【図８】図８は、参考例１のクラッシュボックスを図７における平面Ｂ−Ｂに沿って切断した断面を示す断面図である。
【図９】図９は、参考例１のクラッシュボックスに衝突荷重が加わった時のストロークＳと荷重Ｆとの関係を示すグラフである。
【図１０】図１０（Ａ）は、従来の鋼鉄製クラッシュボックスにおいて、衝突荷重が加わる前の状態を示し、図１０（Ｂ）は衝突荷重によって潰れた状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
１．実施形態１
以下、本発明の衝撃吸収部材の一例としてのクラッシュボックスについて説明する。図１以下において、矢印ＦＲ、矢印ＲＥ、矢印ＵＰ、および矢印ＤＮは、夫々車両前方、車両後方、車両上方、および車両下方を示す。また、矢印Ｗは車両幅方向を示す。
【００２２】
＜構成＞
図１に示すように、車体前部には、左右一対のフロントサイドメンバ２０が車両前後方向に沿って配設されている。また、車体の前端側には、車両幅方向に沿ってフロントバンパリンフォース３０が配設されている。上記左右一対のフロントサイドメンバ２０の前端部とフロントバンパリンフォース３０との間には筒状のクラッシュボックス１が夫々配設されている。
【００２３】
図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図３に示すように、クラッシュボックス１は、ＣＦＲＰ発泡体により構成されているとともに、車両前方から車両後方に向かって拡大する角錐台管状に形成された本体部５と、本体部５の角の部分、換言すれば四隅の稜線を形成する稜線部２と、本体部５における２つの隣接する稜線部２の間の部分を形成する一般部３と、からなる。稜線部２は一般部３と比較して発泡率が低く、言い換えれば剛性が高い。また、稜線部２および一般部３の何れにおいても、クラッシュボックス１の表面は気泡をほとんど含まないスキン層４とされている。ここで、稜線部２、一般部３、スキン層４の何れにおいても、発泡率は、発泡体の比重に対する非発泡質ＣＦＲＰの比重、言い換えれば非発泡質ＣＦＲＰの体積に対する同一質量の発泡体の体積として与えられる。なお、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図３に示す例では、角部は角状とされているが、角部は円弧状に形成されていてもよい。この場合、稜線部２とされた部分は角部と称する代わりに、屈曲部と言い換えることもできる。
【００２４】
図２（Ａ）、図２（Ｂ）、および図３に示すように、クラッシュボックス１は、車両前方側の端部、および車両後方側の端部の何れにおいても、車両上下方向に沿った寸法Ｈが車両幅方向に沿った寸法ｗ１よりも大きい縦長の断面形状とされているが、寸法Ｈと寸法ｗ１とが同一である正方形状の断面形状であってもよく、また、寸法Ｈよりも寸法ｗ１が大きい横長の断面形状であってもよい。
【００２５】
稜線部２の車両上下方向の寸法ｈは、初期荷重をより早期に立ち上げることにより、同一のストロークでより多くの衝突エネルギーを吸収する観点から、クラッシュボックス１の寸法Ｈの２５％程度が好ましい。同様に、稜線部２の車両幅方向の寸法ｗ２は、クラッシュボックスの寸法ｗ１の２５％程度が好ましい。したがって、稜線部２の車両上下方向に沿った寸法ｈおよび車両幅方向に沿った寸法ｗ２は車両前方側端部から車両後方側端部に向かって拡大するが、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すようにクラッシュボックス１の全長に亘って同一であってもよい。
【００２６】
壁面の肉厚は、稜線部２と一般部３とで同一とすることが、クラッシュボックス１の製造が容易な点、および稜線部２と一般部３との間に段差が生じないため、前記段差に起因する稜線部２と一般部３との間の部分からの破壊が抑止される点で好ましい。また、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、および図３に示す例においては、壁面の肉厚は、クラッシュボックス１の長手方向、言い換えれば軸方向に沿って車両前方から車両後方に向かって一定であるが、車両前方から車両後方に向かって増大するようにしてもよい。
【００２７】
クラッシュボックス１を構成する発泡樹脂に使用される強化繊維としては、炭素繊維のほか、炭化珪素繊維強化樹脂、ガラス繊維強化樹脂、ホウ素繊維、およびポリアミド繊維などが挙げられる。また、前記発泡樹脂に使用される樹脂としてはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、熱硬化性ポリウレタン樹脂、および熱硬化性ポリエステル樹脂など、繊維強化樹脂材料に通常使用される樹脂が挙げられる。
【００２８】
＜作用＞
図４に示すように、クラッシュボックス１に、車両前方から車両後方に向かって衝突荷重が入力されると、クラッシュボックス１の車両前方側の面には衝撃力Ｆが、車両後方側の面には、衝撃力Ｆと大きさが同一で方向が反対の反力Ｆ’が入力される。
【００２９】
クラッシュボックス１を長手方向に直交する方向に切断した微小部分Δｄを考えると、微小部分Δｄの車両前方側の面には衝撃力Ｆが、車両後方側の面には反力Ｆ’が入力される。ここで、クラッシュボックス１は前述したように車両前方から車両後方に向かって拡大する角錐台状であるから、微小部分Δｄは、クラッシュボックス１の長手方向のどの位置に取った場合においても、車両前方側の面の面積Ｓ１は、車両後方側の面の面積Ｓ２よりも大きい。そして、反力Ｆ’は衝撃力Ｆと方向は半体であるが大きさは同一である。したがって、微小部分Δｄの車両前方側の面に加わる応力Ｆ／Ｓ１は、微小部分Δｄの車両後方側の面に加わる応力Ｆ／Ｓ２よりも大きい。したがって、微小部分Δｄにおいては、車両前方側の面のほうが車両後方側の面よりも先に崩壊する。したがって、図５に示すように、クラッシュボックス１全体も、車両前方から車両後方に向かって順次崩壊する。したがって、大きな衝突荷重が入力された場合には、クラッシュボックス１は全長に亘って崩壊し、潰れ残りが生じることはない。
【００３０】
これに対して鋼鉄製のクラッシュボックスの場合は、図１０に示すように、衝撃力Ｆによって全体が塑性変形するから、潰れ残りの発生が避けられない。
【００３１】
また、クラッシュボックス１に入力された衝突荷重は表面および稜線部２に集中する。しかしながら、クラッシュボックス１の表面はスキン層４とされ、稜線部２は一般部３よりも発泡率が低く、言い換えれば表面および稜線部２の何れも一般部３と比較して強度が高いから、集中した衝突荷重によって表面および稜線部２が一般部３よりも先に破壊されることが抑止される。
【００３２】
したがって、クラッシュボックスに衝突荷重が入力されたときに崩壊または座屈によって縮小した長さをストロークＳとし、クラッシュボックスに加わる荷重をＦとすると、図６に示すように、実施形態１のクラッシュボックス１においては、ストロークＳに対する荷重Ｆの立ち上がりが図１０の鋼製クラッシュボックスと比較して急峻であり、換言すれば初期荷重をより早期に立ち上げることができる。なお、図６において曲線ａは実施形態のクラッシュボックス１におけるストロークＳと荷重Ｆとの関係を、曲線ｂは、図１０のクラッシュボックスにおけるストロークＳと荷重Ｆとの関係を示す。
【００３３】
ここで、実施形態１のクラッシュボックス１および図１０のクラッシュボックスにおいて吸収される衝突エネルギーは、荷重ＦをストロークＳで積分した値として与えられる。したがって、クラッシュボックス１は、ストロークＳに対する荷重Ｆの立ち上がりが図１０のクラッシュボックスと比較して急峻であるため、図６においてハッチングを付した領域で示される分だけ、より多くの衝撃エネルギーを吸収できる。また、同一の衝撃エネルギーを吸収するのであれば、図１０のクラッシュボックスと比較してより短いストロークで済む。
【００３４】
２．参考例１
以下、参考例について説明する。
＜構成＞
図７および図８に示すように、参考例１に係るクラッシュボックス１０は、内側管状部材である内管７と、内管７を被覆する繊維強化樹脂層であるＣＦＲＰ層６と、を有する。なお、内管７は角型鋼管である
【００３５】
図７において矢印で示すように、ＣＦＲＰ層６における炭素繊維は、クラッシュボックス１０の長手方向に対して±４５度の角度とされるとともに、互いに９０度の角度で交差する配置とされている。
【００３６】
内管７において、車両前方側の略半分である内管前半部７Ａは、現行の鋼製クラッシュボックスと鋼板の厚さが同一であり、車両後方側の略半分である内管後半部７Ｂは、現行の鋼製クラッシュボックスと比較して鋼板の厚さが薄い。したがって、ＣＦＲＰ層６において内管前半部７Ａに形成される部分であるＣＦＲＰ層前半部６Ａは、ＣＦＲＰの３層構成とされており、ＣＦＲＰ層６における内管後半部７Ｂに形成されるＣＦＲＰ後半部６Ｂは、ＣＦＲＰ層前半部６ＡにＣＦＲＰを更に２層重ねた５層構成とされている。
【００３７】
しかしながら、内管後半部７ＢとＣＦＲＰ層後半部６Ｂとで形成されるクラッシュボックス後半部１０Ｂは、内管前半部７ＡとＣＦＲＰ層前半部６Ａとで形成されるクラッシュボックス前半部１０Ａよりも高い破壊強度を有する。
【００３８】
クラッシュボックス１０には、更に、周方向に延在する凹陥部８が略等間隔に４箇所形成されている。
【００３９】
ＣＦＲＰ層６において使用される樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、熱硬化性ポリウレタン樹脂、および熱硬化性ポリエステル樹脂など、繊維強化樹脂材料に通常使用される樹脂材料が挙げられる。また、ＣＦＲＰ層６に代えて、これらの樹脂材料と炭化珪素繊維強化樹脂、ガラス繊維強化樹脂、ホウ素繊維、およびポリアミド繊維などの強化繊維とからなる繊維強化樹脂の層を設けてもよい。
【００４０】
＜作用＞
図１０に示す鋼製のクラッシュボックスにおいて潰れ残りを減少させる方法として、鋼板の肉厚を減少させる方法がある。鋼板の肉厚を減少させると、図９において曲線ｃで示すように、図１０のクラッシュボックスにおけるストロークＳと荷重Ｆとの関係を示す曲線ｂと比較して弾性変形領域のストロークを縮小し、その分塑性変形領域のストロークを拡大することができる。
【００４１】
しかしながら、塑性変形領域において吸収される荷重Ｆの大きさが、鋼板の肉厚が大きな場合と比較して小さくなるから、同一のストローク量で吸収できる衝突エネルギーも小さくなる。
【００４２】
これに対して、参考例１のクラッシュボックス１０においては、内管７の外側にＣＦＲＰ層６を設けているから、内管７の肉厚を薄くした場合においても剛性が保持される。また、ＣＦＲＰ層６においては、炭素繊維の方向がクラッシュボックス１０の長手方向に対して±４５度の角度とされるとともに、炭素繊維同士が互いに９０度の角度で交差するように配置されているから、入力された衝突荷重によってクラッシュボックス１０が長手方向に沿って崩壊するよりも先に幅方向に沿って崩壊することにより、衝突エネルギーを十分吸収できないことが防止される。
【００４３】
したがって、図９において曲線ａで示すように、弾性変形領域においては、図１０に示すクラッシュボックスと比較してストロークＳに対する荷重Ｆの立ち上がりが急峻であり、換言すれば初期荷重をより早期に立ち上げることができる。そして塑性変形領域では図１０に示すクラッシュボックスと略同一の荷重Ｆを吸収できる。したがって、クラッシュボックス１０は、ストロークＳに対する荷重Ｆの立ち上がりが図１０のクラッシュボックスと比較して急峻であるため、図６においてハッチングを付した領域で示される分だけ、より多くの衝撃エネルギーを吸収できる。また、同一の衝撃エネルギーを吸収するのであれば、図１０のクラッシュボックスと比較してより短いストロークで済む。
【００４４】
また、クラッシュボックス１０を、車両前後方向に沿って、現行の鋼製クラッシュボックスと同一の厚さを有する鋼板からなる内管前半部７Ａの表面に、３層のＣＦＲＰ層からなるＣＦＲＰ層前半部６Ａを形成したクラッシュボックス前半部１０Ａと、現行の鋼製クラッシュボックスよりも薄い鋼板からなる内管後半部７Ｂの表面に、５層のＣＦＲＰ層からなるＣＦＲＰ層後半部６Ｂを形成したクラッシュボックス後半部１０Ｂと、に分け、クラッシュボックス後半部１０Ｂの方がクラッシュボックス前半部１Ａよりも高い破壊強度を有するようにすることにより、クラッシュボックス１０に衝突荷重が入力されたときに、まずクラッシュボックス前半部１０Ａが潰れ、次いでクラッシュボックス後半部１０Ｂが潰れるように、変形挙動を制御できる。
【００４５】
クラッシュボックス１０には、更に、周方向に延在する凹陥部８が略等間隔に形成されているから、クラッシュボックス１０の長手方向に衝突負荷が入力されると、まず凹陥部８から潰れる。このように凹陥部８を設けることにより、衝突荷重によってクラッシュボックス１０が潰れ始める位置を制御できるから、凹陥部８の位置を適宜設定することにより、潰れ残り量を少なくすることができる。
【００４６】
以上、フロントバンパリンフォースとフロントクロスメンバとの間に配設されるクラッシュボックスについて述べてきたが、本発明の衝撃吸収部材は、車両のボディーロワーバックパネルとリアバンパリンフォースとの間に配置され、後方からの衝突荷重を吸収するクラッシュボックスにも適用できる。
【符号の説明】
【００４７】
１      クラッシュボックス
２      稜線部
３      一般部
４      スキン層
５      本体部
【図１】
2014231300.tif 000003
【図２】
2014231300.tif 000004
【図３】
2014231300.tif 000005
【図４】
2014231300.tif 000006
【図５】
2014231300.tif 000007
【図６】
2014231300.tif 000008
【図７】
2014231300.tif 000009
【図８】
2014231300.tif 000010
【図９】
2014231300.tif 000011
【図１０】
2014231300.tif 000012