(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮弾性率Ｅｃが１００゜Ｃの温度下で１００００ＭＰａ〜３５０００ＭＰａの範囲内にある熱可塑性繊維強化樹脂製の多角形状断面の中空体よりなり、軸方向荷重の入力時に粉砕モードで破壊することを特徴とするエネルギー吸収部材。
【請求項２】
前記多角形状断面の各辺の長さｂに対する板厚ｔの比である形状剛性ｔ／ｂが、
（ｔ／ｂ）2 ・Ｅｃ≧７６［ＭＰａ］
を満たすことを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー吸収部材。
【請求項３】
前記多角形状断面の隣接する２辺の成す角度が１５０゜以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のエネルギー吸収部材。
【請求項４】
前記多角形状断面が正多角形であり、かつ前記多角形状断面の隣接する２辺の成す角度が１３５゜〜１５４゜であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のエネルギー吸収部材。
【請求項５】
前記多角形状断面の辺は非直線のものを含むことを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のエネルギー吸収部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のバンパービームエクステンション（クラッシュカン）等に好適に使用可能な繊維強化樹脂製のエネルギー吸収部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータにより回転可能なコアを金型内に配置し、金型の内周面およびコアの外周面間に形成されたキャビティ内に強化繊維を含む熱可塑性樹脂を射出し、コアを回転させて熱可塑性樹脂を連れ回りさせることで、強化繊維が所定の方向に配向された円筒状のエネルギー吸収部材を製造するものが、下記特許文献１、２により公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１３８０６号公報
【特許文献２】特開２０００−２４０７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記特許文献１、２に記載された熱可塑性樹脂をマトリクス樹脂とするエネルギー吸収部材は、射出成形が可能であるために安価に製造できるという利点を有するが、一般的に熱可塑性樹脂は材料特性として温度依存性が大きいため、エネルギー吸収部材として使用するには問題がある。
【０００５】
図７のグラフは、熱可塑性樹脂製のエネルギー吸収部材を水分の多い−３０°Ｃの環境と、水分の多い９０°Ｃの環境とで圧縮試験したときのエネルギー吸収効率（単位重量当たりのエネルギー吸収量）を示すものである。このグラフから明らかなように、９０°Ｃの環境では、−３０°Ｃの環境に比べてエネルギー吸収効率が約３０％に低下することが分かる。よって、このエネルギー吸収部材を自動車のフロントサイドフレームおよびバンパービーム間に配置されるバンパービームエクステンション（クラッシュカン）として使用した場合に、気温によりエネルギー吸収効率が大きく変化するため、自動車の衝突時に発生する車体減速度が変化してエアバッグを確実に展開させることが困難になったり、乗員を保護するのに必要なエネルギー吸収性能が得られなくなったりする可能性がある。
【０００６】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、製造が容易でありながら、温度に依存せずに高いエネルギー吸収性能を発揮可能エネルギー吸収部材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】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、圧縮弾性率Ｅｃが１００゜Ｃの温度下で１００００ＭＰａ〜３５０００ＭＰａの範囲内にある熱可塑性繊維強化樹脂製の多角形状断面の中空体よりなり、軸方向荷重の入力時に粉砕モードで破壊することを特徴とするエネルギー吸収部材が提案される。
【０００８】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１に構成に加えて、前記多角形状断面の各辺の長さｂに対する板厚ｔの比である形状剛性ｔ／ｂが、
（ｔ／ｂ）2 ・Ｅｃ≧７６［ＭＰａ］
を満たすことを特徴とするエネルギー吸収部材が提案される。
【０００９】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２に構成に加えて、前記多角形状断面の隣接する２辺の成す角度が１５０゜以下であることを特徴とするエネルギー吸収部材が提案される。
【００１０】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項１または請求項２に構成に加えて、前記多角形状断面が正多角形であり、かつ前記多角形状断面の隣接する２辺の成す角度が１３５゜〜１５４゜であることを特徴とするエネルギー吸収部材が提案される。
【００１１】
また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項に構成に加えて、前記多角形状断面の辺は非直線のものを含むことを特徴とするエネルギー吸収部材が提案される。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の構成によれば、エネルギー吸収部材は、圧縮弾性率Ｅｃが１００゜Ｃの温度下で１００００ＭＰａ〜３５０００ＭＰａの範囲内にある熱可塑性繊維強化樹脂製の多角形状断面の中空体よりなり、軸方向荷重の入力時に粉砕モードで破壊するので、エネルギー吸収部材を高品質に射出成形することを可能にしながら、材料の強度や剛性が低下する高温下であってもエネルギー吸収部材を粉砕モードで圧壊してエネルギー吸収量を増加させることができる。
【００１３】
また請求項２の構成によれば、多角形状断面の各辺の長さｂに対する板厚ｔの比である形状剛性ｔ／ｂが、（ｔ／ｂ）2 ・Ｅｃ≧７６［ＭＰａ］を満たすので、軸方向荷重の入力時にエネルギー吸収部材が粉砕モードで圧壊することを保証してエネルギー吸収量を増加させることができる。
【００１４】
また請求項３の構成によれば、多角形状断面の隣接する２辺の成す角度が１５０゜以下であるので、隣接する２辺が実質的に１辺として機能して形状剛性ｔ／ｂが半減するのを防止することで、エネルギー吸収効率を確保することができる。
【００１５】
また請求項４の構成によれば、多角形状断面が正多角形であり、かつ多角形状断面の隣接する２辺の成す角度が１３５゜〜１５４゜であるので、従来の円形断面のエネルギー吸収部材に比べて高いエネルギー吸収部効率を確保することができる。
【００１６】
また請求項５の構成によれば、多角形状断面の辺は非直線のものを含むので、非直線の辺によりエネルギー吸収部材の断面積を拡大してエネルギー吸収量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】エネルギー吸収部材の形状剛性および圧縮弾性率により決まる粉砕モード、平板部座屈モードおよび全体座屈モードの説明図。
【図２】粉砕モードおよび平板部座屈モードのエネルギー吸収量の差の説明図。
【図３】エネルギー吸収部材の断面の内角が形状剛性に及ぼす影響の説明図。
【図４】正多角形断面の角数とエネルギー吸収効率との関係の説明図。
【図５】正多角形断面の好適な角数の説明図。
【図６】辺が非直線である多角形状断面の説明図。
【図７】従来のエネルギー吸収部材のエネルギー吸収効率の温度依存性を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図１〜図６に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００１９】
図１（Ａ）は、自動車の左右一対のフロントサイドフレームの前端にそれぞれ固定されてバンパービームの車幅方向両端部を支持する繊維強化樹脂製のバンパービームエクステンション（以下、エネルギー吸収部材という）を示すものである。エネルギー吸収部材は、フロントサイドフレーム側からバンパービーム側に向かってテーパーする矩形状断面を有する中空部材からなり、カーボンやガラスの不連続繊維を強化繊維として含む熱可塑性樹脂を用いて射出成形される。
【００２０】
図１（Ｂ）のグラフは、横軸が１００゜Ｃにおけるエネルギー吸収部材の圧縮弾性率Ｅｃ［ＭＰａ］、縦軸がエネルギー吸収部材の形状剛性ｔ／ｂであり、形状剛性ｔ／ｂはエネルギー吸収部材の厚さｔを１辺の長さｂで割った値で定義される。エネルギー吸収部材のエネルギー吸収特性は、粉砕モード領域Ａと、平板部座屈領域Ｂと、全体座屈領域Ｃとに分類される。
【００２１】
粉砕モード領域Ａは、形状剛性ｔ／ｂおよび圧縮弾性率Ｅｃが共に大きい領域であり、軸方向の衝突荷重が入力したときにエネルギー吸収部材が粉砕するように圧壊する領域である。全体座屈領域Ｃは、形状剛性ｔ／ｂおよび圧縮弾性率Ｅｃが共に小さい領域であり、軸方向の衝突荷重が入力したときにエネルギー吸収部材の全体が座屈するように圧壊する領域である。平板部座屈領域Ｂは、形状剛性ｔ／ｂおよび圧縮弾性率Ｅｃに挟まれた領域であり、軸方向の衝突荷重が入力したときにエネルギー吸収部材の平板部分が座屈しながら稜線部分で割れるように圧壊する領域である。
【００２２】
本発明のエネルギー吸収部材は、形状剛性ｔ／ｂおよび圧縮弾性率Ｅｃを粉砕モード領域Ａに設定することで高いエネルギー吸収性能を得るものである。粉砕モード領域Ａは、                      （ｔ／ｂ）2 ・Ｅｃ≧７６［ＭＰａ］
を満たす領域として定義される。上式は、実験結果と座屈強度の理論式であるカルマンの有効幅理論とから求められる。
【００２３】
圧縮弾性率Ｅｃが１００００ＭＰａ以下の低剛性材料を使用すると、形状剛性ｔ／ｂを確保するために板厚ｔを大きくすることが必要になるが、板厚ｔが６ｍｍ〜７ｍｍを超えると成形不良が発生するため、圧縮弾性率Ｅｃが１００００ＭＰａ以下では粉砕モード領域Ａを実現することは困難である。逆に、圧縮弾性率Ｅｃが５００００ＭＰａ以上になると射出成形自体が不能になるため、高品質な射出成形を可能にするには、圧縮弾性率Ｅｃが３５０００ＭＰａ以下であることが望ましい。
【００２４】
圧縮弾性率Ｅｃが、射出成形が可能になる上限値である５００００ＭＰａのとき、形状剛性ｔ／ｂを０．０５以上に設定することで、軸方向荷重の入力時にエネルギー吸収部材を粉砕モードで圧壊することができる。形状剛性ｔ／ｂの上記範囲は、座屈強度の理論式であるカルマンの有効幅理論から求めることが可能である（図１参照）。尚、σｃはエネルギー吸収部材の圧縮強度であり、圧縮弾性率ＥｃはＪＩＳ  Ｋ  ７１８１に基づき、樹脂および強化繊維を圧縮方向に流動させた試験片を１００゜Ｃの絶乾状態で圧縮したときの圧縮弾性率である。
【００２５】
図２は、粉砕モード領域Ａにある四角錐台状のエネルギー吸収部材（実施の形態）と、平板部座屈領域Ｂにある四角錐台状のエネルギー吸収部材（比較例）とのエネルギー吸収性能を比較するものである。実施の形態は、形状剛性ｔ／ｂが０．１（先端部）〜０．０６（基端部）であり、マトリクス樹脂であるＭＸＤ６（ポリアミド）にカーボン短繊維を４０重量％含むものである。また比較例は、形状剛性ｔ／ｂが０．０３８（先端部）〜０．０２（基端部）であり、マトリクス樹脂であるＰＡ６（ポリフェニレンスルファイド）にカーボン短繊維を３０重量％含むものである。両者とも、−３０゜Ｃの状態に比べて１００゜Ｃの状態で圧縮弾性率Ｅｃおよび圧縮強度σｃが大幅に低下するが、エネルギー吸収量は、実施の形態では−３０゜Ｃの状態に比べて１００゜Ｃの状態でむしろ増加するのに対し、比較例では−３０゜Ｃの状態に比べて１００゜Ｃの状態で大幅に減少する。その理由は、比較例のエネルギー吸収部材は、１００゜Ｃの状態で圧壊のストロークに対する荷重の特性が大幅に減少するためである。
【００２６】
以上のように、本実施の形態によれば、圧縮弾性率Ｅｃおよび圧縮強度σｃに温度依存性がある材料を用いても、形状剛性ｔ／ｂおよび圧縮弾性率Ｅｃが粉砕モード領域Ａにあれば、そのときの温度に殆ど影響を受けることなく、衝突荷重の入力時にエネルギー吸収部材を粉砕して高いエネルギー吸収効果を得ることができる。
【００２７】
次に、エネルギー吸収部材の断面形状について考察する。
【００２８】
図３（Ａ）示すように、多角形断面の隣接する二つの辺に挟まれた内角θが例えば９０°〜１３５゜であるとき、二つの辺は稜線によって分離されて別個の辺として機能する。しかしながら、図３（Ｂ）示すように、多角形断面の二つの辺に挟まれた内角θが例えば１４０°であるとき、二つの辺は僅かに屈曲する実質的に一つの辺として機能するため、辺の長ｂさが実質的に２倍の２ｂになって形状剛性ｔ／ｂが半分に減少してしまい、形状剛性ｔ／ｂおよび圧縮弾性率Ｅｃの関係が粉砕モード領域Ａに入り難くなる。
【００２９】
図４（Ａ）の表は、エネルギー吸収部材の断面形状が同一の形状剛性ｔ／ｂを有する正多角形である場合の、隣接する二つの辺に挟まれた内角θと、エネルギー吸収効率と、正四角形断面のエネルギー吸収量を１．００としたときの他の正多角形断面のエネルギー吸収量とを示すものである。この表から明らかなように、正多角形断面の角数が増加するほど内角θは増加し、エネルギー吸収効率およびエネルギー吸収量は減少する。
【００３０】
図４（Ｂ）のグラフは、正多角形断面の内角θとエネルギー吸収効率との関係を示すものである。正四角形断面（内角θ＝９０゜）から正八角形断面（内角θ＝１３５゜）まではエネルギー吸収効率が略一定であるが、正十角形以上の正多角形断面になるとエネルギー吸収効率が急激に低下する。
【００３１】
以上の説明は形状剛性ｔ／ｂ＝０．０５の場合に対応するが、粉砕モード領域Ａに対応するｔ／ｂ＝０．０５以上の場合には、エネルギー吸収効率が急激に低下する内角θが、上記１３５°から１３５°〜１５０゜に増加する。その理由は、形状剛性ｔ／ｂが増加すると、エネルギー吸収部材の板厚ｔが増加して座屈強度が向上するからである。
【００３２】
図５（Ａ）に示すように、直径Ｄの円に内接する正多角形断面のエネルギー吸収部材が一定の板厚ｔを備える場合、その角数に応じてエネルギー吸収効率が変化する。即ち、図５（Ｂ）の表から明らかなように、エネルギー吸収部材が直径Ｄを有する板厚ｔの円形断面である場合には、エネルギー吸収効率は４７．６［Ｊ／ｇ］となる。この円形断面のエネルギー吸収部材よりも高いエネルギー吸収効率を得るには、エネルギー吸収部材が正八角形断面〜正十四角形断面であることが、つまり正多角形断面の内角θが１３５°〜１５４°であることが必要である。言い換えると、図５（Ｃ）のグラフから明らかなように、内角θが１３５°〜１５４°の正多角形断面のエネルギー吸収部材は、それに外接する円形断面のエネルギー吸収部材よりも高いエネルギー吸収効率を得ることができる。
【００３３】
本発明のエネルギー吸収部材の断面形状は、図６（Ａ）に示すように、必ずしも各辺が直線で構成された多角形である必要はなく、図６（Ｂ）に示すように、外側に弧状に湾曲する非直線であっても良い。但し、直線の辺と非直線の辺とが交差する交差部は稜線を構成し、交差部の内角θは前述した１５０゜以下であることが必要である。
【００３４】
このように、多角形状の断面の何れかの辺を外側に凸に湾曲する非直線で構成することで、非直線の辺によってエネルギー吸収部材の断面積を大きくして形状剛性を増加することができる。
【００３５】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００３６】
例えば、本発明のエネルギー吸収部材の用途は自動車のバンパービームエクステンションに限定されるものではない。
【００３７】
またエネルギー吸収部材の断面形状は実施の形態に示したものに限定されず、星形等を含むものとする。
【００３８】
またエネルギー吸収部材のマトリクス樹脂はＭＸＤ６（ポリアミド）に限定されず、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）やＰＡ９Ｔ（ポリアミド）等であっても良い。
【図１】
0006494442.tif 000002
【図２】
0006494442.tif 000003
【図３】
0006494442.tif 000004
【図４】
0006494442.tif 000005
【図５】
0006494442.tif 000006
【図６】
0006494442.tif 000007
【図７】
0006494442.tif 000008