(57)【要約】【課題】  ほぼ一定の力レベルで衝撃中の衝撃エネルギを効率的に吸収する構造物を提供する。【解決手段】  管状エネルギ吸収構造物は成形又は押出加工されたポリマーから形成されている。チューブ（１０）は、丸みのある角部をもつ四角形の横断面を有している。チューブの壁（１５ａ〜１５ｄ）は、好ましくは平坦部のない、連続的な不変の半径を有する、凸曲面及び凹曲面が交互に配置された波形表面（２５，３０）を備えた波形とされている。該波形壁は、一定の厚さを有している。波形部分は衝撃の間に累進的に変形し、それにより所定の殆ど一定の力レベルで殆ど完全な方形波力対撓みエネルギ吸収曲線をもたらす。チューブは構造物の衝撃特性を変更するためにポリマー発泡体が充填されてもよい。【選択図】  図４
2008045744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．  長さ及び幅を有する少なくとも１つの波形壁を備え、
ｂ．  該波形壁は相互に結合された複数の波形部分から構成され、前記波形部分の各々が、連続した一定の半径と、１つの波形部分当たり２つ以下の平坦部とを有しており、
ｃ．  前記各波形部分が、前記波形壁に作用する衝撃力を受けて累進的に変形可能である、エネルギ吸収構造物。
【請求項２】
前記各波形部分は、凸曲面と凹曲面とが交互に配置された波形表面を構成しており、該波形表面は、前記波形壁の全幅に亘り、前記波形壁の長手方向に対して実質的に交差する方向に配向されている、請求項１に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項３】
前記凸曲面と凹曲面とが交互に配置された波形表面は、前記波形壁の長手方向に沿って配向されている、請求項１に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項４】
前記波形壁が、ポリマー、金属、またはその複合材料の１つから形成されている、請求項１に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項５】
前記波形壁が成形材料から構成されている、請求項１に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項６】
前記波形壁が押出加工材料から構成されている、請求項１に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項７】
前記波形壁が高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）から構成されている、請求項６に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項８】
ａ．  長さを有する閉断面の多角形チューブを備え、
ｂ．  前記チューブは、該チューブの長手方向に延在する少なくとも１つの波形側壁を備えており、
ｃ．  該波形側壁は相互に結合された複数の波形部分から構成され、前記波形部分の各々が、凸曲面と凹曲面とが交互に連続して配置された波形表面を画成する幾何学的波形形状を有しており、
ｄ．  前記複数の波形部分が、前記チューブに作用する衝撃力を受けて累進的に変形可能である、エネルギ吸収構造物。
【請求項９】
前記チューブが高密度ポリエチレンから構成されている、請求項８に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項１０】
前記チューブが、角の丸い略四角形の横断面を有している、請求項８に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項１１】
前記チューブが、該チューブに内空間を画成する４つの波形側壁を備え、該波形側壁の各々における波形部分が、前記チューブの長手方向に対して交差する方向に配向されている、請求項１０に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項１２】
前記チューブが、前記内空間の少なくとも一部分を満たす発泡材料を更に備えている、請求項１１に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項１３】
前記チューブが長方形の横断面を有し、前記凸曲面の波形表面における横断面の長辺外側寸法Ｌおよび短辺外側寸法Ｗによって規定されるチューブアスペクト比Ｌ／Ｗが２未満である、請求項１１に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項１４】
前記チューブアスペクト比が１.０〜２.０の範囲にある、請求項１３に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項１５】
前記凸曲面の各波形表面が曲率半径Ｒを有し、前記横断面の前記短辺外側寸法Ｗが、Ｎを整数とした場合にＮ＊Ｒで規定される、請求項１４に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項１６】
前記側壁における隣接した各凸曲面部は、実質的に４＊Ｒに等しい距離で隔てられている、請求項１５に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項１７】
前記波形側壁は実質的に一様な厚さを有し、前記波形表面の前記凹曲面は、前記波形表面の前記凸曲面と実質的に等しい半径を有しており、それにより２＊Ｒに等しい波形の高さが規定されている、請求項１６に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項１８】
前記波形側壁の少なくとも１つに突設された１つ以上の取付け部材をさらに備えている、請求項１１に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項１９】
前記取付け部材の突出部分が、自動車トリムまたは計器盤コンポーネントに着脱可能である、請求項１８に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項２０】
前記チューブが３つの波形側壁を備えている、請求項１０に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項２１】
前記チューブが２つの波形側壁を備えている、請求項１０に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項２２】
前記チューブが単一の波形側壁を備えている、請求項１０に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項２３】
自動車の乗員室のトリムコンポーネントであって、
ａ．  外部表面及び内部表面を有するトリム壁と、
ｂ．  前記トリム壁の前記内部表面に取り付けられる第１端部と、前記トリム壁の前記内部表面から突出した第２端部とを有するエネルギ吸収チューブと、
ｃ．  前記エネルギ吸収チューブの前記第２端部に取り付けられたトリム装着クリップと、を備え、
ｄ．  前記チューブは、閉断面を画成する複数の波形側壁を備えた断面多角形状をなしており、
ｅ．  前記チューブの前記各波形側壁は相互に結合された複数の波形部分から構成され、前記波形部分の各々が、凸曲面と凹曲面とが交互に連続して配置された波形表面を画成する幾何学的波形形状を有しており、
ｆ．  前記各波形部分が、前記トリムコンポーネントの前記外部表面に加えられる衝撃力を受けて累進的に変形可能である、トリムコンポーネント。
【請求項２４】
前記エネルギ吸収チューブが押出成形された高密度ポリエチレンから構成されている、請求項２３に記載のトリムコンポーネント。
【請求項２５】
自動車に加えられる衝撃力からのエネルギを吸収するための装置であって、
ａ．  破断まで１００％を超える伸び率を有する材料で形成された細長いチューブを備え、
ｂ．  前記チューブが、チューブ軸心を規定する複数の波形側壁を備えた断面多角形状をなし、
ｃ．  前記チューブが、前記衝撃力をチューブ軸方向に受けるように前記自動車内に配設され、
ｄ．  前記複数の波形側壁が、前記チューブ軸心に対して交差する方向に配向されかつ凸曲面と凹曲面とが交互に連続して配置された波形表面を画成する複数の波形部分で構成され、
ｅ．  前記波形部分は、前記エネルギ吸収装置が前記波形部分の一様かつ累進的な変形により軸方向の衝撃力に応じた実質的に一定の反力を生じるように選定された波形パラメータによってさらに規定されており、
ｆ．  前記選定された波形パラメータによって、連続した一定の半径を有し、１つの波形部分当たり２つ以下の平坦部を有する波形部分が規定されている、エネルギ吸収装置。
【請求項２６】
前記選定された波形パラメータが、前記凸曲面により規定される長辺外側寸法Ｌおよび短辺外側寸法Ｗを含み、前記長辺外側寸法Ｌおよび短辺外側寸法Ｗによって規定されるチューブアスペクト比Ｌ／Ｗが２.０未満である、請求項２５に記載のエネルギ吸収装置。
【請求項２７】
前記選定された波形パラメータが、前記凸曲面の曲率半径Ｒをさらに含み、前記チューブ横断面の前記短辺外側寸法Ｗが、Ｎを整数とした場合にＮ＊Ｒで規定されている、請求項２６に記載のエネルギ吸収装置。
【請求項２８】
前記選定された波形パラメータが、前記波形側壁において相互に隣接した各凸曲面部が隔てられている距離をさらに含み、該距離が実質的に４＊Ｒに等しい、請求項２７に記載のエネルギ吸収装置。
【請求項２９】
前記選定された波形パラメータが、実質的に一様な前記波形側壁の厚さをさらに含む、請求項２８に記載のエネルギ吸収装置。
【請求項３０】
前記選定された波形パラメータが、前記凸曲面の曲率半径Ｒと実質的に等しい前記凹曲面の曲率半径をさらに含み、それにより２＊Ｒに等しい波形の高さが規定されている、請求項２９に記載のエネルギ吸収装置。
【請求項３１】
前記チューブが、該チューブの第１端部から該チューブの第２端部へと変化する横断面形状を有している、請求項１１に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項３２】
前記チューブが、該チューブの前記第１端部から該チューブの前記第２端部へと偏向した軸心を有している、請求項３１に記載のエネルギ吸収構造物。
【請求項３３】
自動車に加えられる一定の衝撃力に応じて衝撃エネルギを効率的に吸収するチューブの設計方法であって、
ａ．長い方のチューブ寸法Ｌ及び短い方のチューブ寸法Ｗにより画定される実質的に四角形の横断面と中空内部とを有するチューブを選定するステップと、
ｂ．前記チューブに、実質的に一定の材料厚さｔを有する複数の波形側壁を、該各側壁が丸い角部を介して隣接するように設けるステップと、
ｃ．前記自動車の前記チューブ設置箇所に利用可能なスペースに基づいて前記寸法Ｌ及びＷについての仮の最大チューブ寸法を決定するステップと、
ｄ．前記チューブが、該チューブの９０％以下の変形によって全衝撃エネルギを吸収できるように、エネルギ吸収ストローク距離を予測するステップと、
ｅ．前記予測したストローク距離に応じて前記寸法Ｌ及びＷの一方を選定するステップと、
ｆ．アスペクト比Ｌ／Ｗが実質的に１.０〜２.０の範囲内にあるように前記寸法Ｌ及びＷの他方を選定するステップと、
ｇ．前記波形壁の各々に、平坦区間を含まない一定の連続的な波形半径Ｒを有する、相互に連結された横方向の凸波形及び凹波形を連続して設けるステップと、
ｈ．短い方のチューブ寸法Ｗが、Ｎを整数として、Ｎ＊Ｒに等しいように、前記波形半径Ｒを選定するステップと、
を含む方法。
【請求項３４】
破断までの伸び率が１００％を超える側壁材料を選定するステップを更に含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
１以上の衝撃力に応じた時間の経過に伴うチューブ反力及び変形をコンピュータモデリングすることにより、前記チューブのエネルギ吸収効率を最適化するステップを更に含み、該コンピュータモデリングは、波形半径Ｒ及び側壁材料の厚さｔについての入力値を反復することを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記チューブの内部の少なくとも一部に、所定のフォーム密度を有するポリマー発泡体を設け、異なる大きさの絶え間ない衝撃力に対する前記チューブの応答を調節するステップを更に含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記発泡体の体積及び前記フォーム密度を異なる絶え間ない衝撃力レベルに適応するよう調節するステップを更に含む、請求項３６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には、自動車のインテリア及びエクステリアコンポーネントに加えられる衝撃力のエネルギを吸収するのに用いられる構造物に関するものである。具体的には、本発明は、衝突中に累進的に変形する（progressively deformable）と共にエネルギを吸収することにより、実質的に一定の反力を発生することのできる管状のエネルギ吸収構造物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アメリカ合衆国の連邦政府自動車安全基準（ＦＭＶＳＳ）は、自動車の損傷を最小にするためのバンパーや、自動車の衝突により生ずる搭乗者の障害の危険を下げるためのインテリアトリムコンポーネントの性能に対して要求事項を課している。これら要求事項に適合するため、自動車製造業者は、自動車のインテリア及びエクステリアコンポーネントと組み合わせてエネルギ吸収構造物を使用している。これらの構造物は、自動車の性能や燃料消費率に大きな影響を与えないように、簡素であり、薄型であり、しかも軽量でなければならない。自動車におけるエネルギ吸収構造物の代表的なインテリア及びエクステリアの適用例は、図１１に位置Ｐで表されている。
【０００３】
従来の衝撃エネルギ吸収構造物には、発泡構造物や、紙、繊維、プラスチック及び／又は金属の積層体から形成された波形壁を有する可撓チューブがある。このチューブは、該チューブの壁が外部衝撃力を受けて変形するときにエネルギを吸収する。かかる構造物の例は、特許文献１及び特許文献２に記載されており、それらの開示内容は参照によりここに組み込まれる。積層した又は層状化した構造物は振動緩衝を促進することができる。巻付け又は回転形成された先行技術のエネルギ吸収性の可撓チューブの一例は図１〜図３に示されている。図３は、壁断面の拡大図であり、中央に金属層３を有する内側及び外側クラフト紙層２を示している。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６,０９２,５５５号明細書
【特許文献２】米国特許第５,６８０,８８６号明細書
【０００５】
しかし、残念ながら、先行技術の管状構造物は、自動車に対する外部衝撃により発生したエネルギを吸収するのに最適に効率的ではなかった。これに関連して、エネルギ吸収の効率は、方形波力（又は加速度）対撓み曲線の解析により決定される。チューブにより吸収される実際のエネルギは、力を受けている面積対撓み曲線により表される。エネルギ吸収の効率は、次いで、吸収した実際のエネルギを完全に方形又は長方形の面積で割ることにより算出され、ピーク力時間対撓みとして算出される。
【０００６】
理想的には、エネルギ吸収構造物は、衝突中に一定の反力、即ち、撓みに対する方形波力をもたらさねばならない。これは、管状のエネルギ吸収構造物の場合には、チューブ壁における応力が一様であり且つチューブが衝突及びエネルギ吸収の間に一様に累進的に変形（ストローク）すべきことを意味している。残念ながら、先行技術の管状構造物は、理想的なエネルギ吸収特性を実現する方法論を提供するものではなかった。
【０００７】
また、自動車において又は自動車に関連して使用されるエネルギ吸収構造物は、発送及び保管のために包装が容易でなければならず、車両計器盤カバー／トリムコンポーネントと車体構造との間の低コストのスペーサとして機能しなければならず、及び／又はインテリア車両コンポーネントへのスナップ嵌めによる取付けのための取付け部材を一体的に有していなければならない。先行技術のエネルギ吸収構造物は、これらの特質の全てを組み合わせて提供することができない。
【発明の開示】
【０００８】
本発明の目的は、ほぼ一定の力レベルで衝撃中の衝撃エネルギを効率的に吸収することができ、車両エクステリアに適用の際に低コストのスペーサとして機能することができ、車両インテリアに適用のために低コストのプッシュスナップ取付け部材を組み入れることができ、そして広範囲の温度及び環境条件にわたり一貫した衝撃特性をもたらすことができる管状のストローク式エネルギ吸収構造物を提供することである。
【０００９】
従って、本発明のエネルギ吸収構造物は閉断面の多角形チューブであり、該チューブは、該チューブの長さに沿って延びる少なくとも１つの波形側壁を有している。側壁にある波形部分は、好ましくは平坦部がなく、平坦部が存在する場合にも１つの波形部分（単位波形）当たり２つの平坦部があるに過ぎない、連続的な一定の半径を有する。波形部分は、凸曲面と凹曲面とが交互に配置された一連の波形表面により画成されていることが好ましい。壁は、波形部分がエネルギ吸収構造物に加えられる衝撃力に応えて一様に且つ累進的に変形するような材料厚さの材料から形成されている。
【００１０】
一実施形態において、エネルギ吸収構造物は、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）のような成形又は押出加工のポリマーから形成されたチューブである。該チューブは、４つの波形壁と丸みのある角部とを有する実質的に四角形の横断面をなしている。側壁の各々にある波形部分は、チューブの長さ方向と交差する方向に配向されている。随意であるが、チューブの内部には、エネルギ吸収構造物の衝撃特性を変更するために異なる密度の発泡体を充填（または部分的に充填）することができる。
【００１１】
別の実施形態において、エネルギ吸収構造物は、波形側壁の少なくとも１つに取り付けられる（或いは一体に形成される）１つ以上の取付け部材を備えている。該取付け部材の突出した部分は、自動車インテリアのトリムピース又はエクステリア計器盤(fascia)コンポーネントへのエネルギ吸収構造物のスナップ嵌めによる取付けに適応している。
【００１２】
更に別の実施形態において、エネルギ吸収構造物は、自動車の乗員室で使用されるトリムコンポーネントと組み合わせられている。チューブの第１端部はトリムコンポーネント壁の内部表面に取り付けられ、チューブの第２端部はトリムコンポーネント壁から突出して位置している。チューブの第２端部にはトリム装着クリップが取り付けられている。チューブは長方形の横断面を画成する４つの波形側壁を有している。チューブの該波形側壁の各々は、一連の相互に結合された波形部分を有している。該波形部分の各々は、側壁の全幅に亘り長手方向に対して交差する方向に配向された、一連の凸曲面と凹曲面とが交互に連続的に配置された波形表面を画成する幾何学的な波形形状を有している。該波形部分は、トリムコンポーネントの外部表面に加えられる衝撃力に応じて累進的に変形しうる。
【００１３】
別の実施形態において、本発明は、自動車に加えられる衝撃力からエネルギを吸収するための装置である。細長いチューブはＨＤＰＥのような成形又は押出加工のポリマーから形成されている。このチューブは、４つの波形壁と長方形の横断面とを有している。該チューブは自動車内に位置決めされて軸方向の衝撃力を受ける。波形壁は、チューブ軸心に対して交差する方向に配向された凸曲面と凹曲面とが交互に配置された一連の波形表面により画成された波形部分を有している。該波形部分は、更に、エネルギ吸収装置が波形部分の一様且つ累進的な変形により軸方向衝撃力に応じて実質的に一定の反力を生じるように選定された波形パラメータにより画成されている。選定された波形パラメータは、平坦部を含まない連続的かつ一定の半径を有する波形部分を画成する。
【００１４】
選定された波形パラメータは、径方向に凸の波形表面により規定される長い方及び短い方の外側寸法Ｌ及びＷを含むことが好ましく、Ｌ及びＷは２.０以下のチューブアスペクト比を規定する。選定された波形パラメータは、更に、半径Ｒを有する凸及び凹の径方向の波形表面を含む。チューブ横断面の短い方の外側寸法Ｗ、Ｎを整数とすると、Ｎ＊Ｒにより示される。また、選定された波形パラメータは、側壁上で隣接した凸曲面が、実質的に４＊Ｒに等しい公称距離だけ隔てられているような波形表面で構成されていることが好ましい。この実施形態において、波形側壁は一様な材料厚さを有しており、また、凹曲面は、凸曲面の半径と実質的に等しい半径を有しており、それにより２＊Ｒに等しい波形の高さが規定されている。
【００１５】
本発明は、また、自動車に加えられる一定の衝撃力に応答して衝撃エネルギを効率的に吸収するチューブの設計方法をも含んでいる。この方法は、長い方の外側寸法Ｌ及び短い方の内側寸法Ｗにより画成される実質的に四角形の横断面と中空内部とを有するチューブを選定することから始まる。このチューブは、実質的に一定の材料厚さｔの４つの波形側壁を備えており、各側壁が丸い角部を有している。先ず、チューブが設置されるべき自動車内の箇所で利用可能なスペースに基づいて寸法Ｌ及びＷについての仮の最大チューブ寸法が決定される。次に、チューブが該チューブの９０％以下の変形で全衝撃エネルギを吸収するように、エネルギ吸収ストローク距離を予測する。予測したストローク距離に対応する寸法Ｌ及びＷの一方を選定する。実質的にアスペクト比Ｌ／Ｗが２.０以下にあるように寸法Ｌ及びＷの他方を選定する。波形壁の各々に、好ましくは平坦区間を含まない一定の連続的な波形半径Ｒを有する、一連の相互に結合した横向きの凸及び凹の波形部分を設ける。波形半径Ｒは、短い方のチューブ寸法Ｗが、Ｎを整数として、Ｎ＊Ｒに等しいように選定される。波形壁材料は、それが破断までに１００％を超える伸びを許容できるように選定されることが好ましい。チューブのエネルギ吸収効率は、１以上の衝撃力に応答する時間の経過に伴うチューブの変形をコンピュータモデリングすることにより、最適化することができる。該コンピュータモデリングは、壁材料厚さ及び波形形状寸法についての入力値を反復することを含むことが好ましい。
【００１６】
随意であるが、この設計方法は、チューブの内部の少なくとも一部分にポリマー発泡体を設けることにより、異なる大きさの衝撃力に対するチューブの応答を調節すること、及び異なる絶え間ない衝撃力レベルについて発泡体の量及びフォーム密度を調節することを含みうる。
【００１７】
本発明の新規なエネルギ吸収構造物は、ほぼ一定の力レベルでの衝撃中に非常に効率的な（方形波力対撓み）エネルギ吸収を可能とすることにより車両インテリア、エクステリア及びバンパーへの適用が可能である。これらの構造物は、欧州連合（ＥＵ）下肢形態試験装置を用いて４０ＫＭＨの衝撃を受けたときに１５０Ｇ未満の“ソフト”ピークの歩行者膝加速度（"soft" peak pedestrian knee acceleration）に適合する。また、エネルギ吸収構造物は、高レベルの振動／騒音減衰も実現している。自動車への適用例の場合、本発明のエネルギ吸収構造物は、車両計器盤カバーと車両本体構造との間の低コストのスペーサとして、またインテリアトリム適用のための低コストのスナップフィット方式の取付け部材として機能することができる。本発明は、ＦＭＶＳＳ ２.５及び５ｍｐｈ衝撃試験規格、ＥＵ歩行者下肢形態の４０ＫＭＨ試験条項、及びＦＭＶＳＳ２０１ｕ頭部衝撃試験規格に適合しなければならない車両バンパーシステムへの特定の適用が可能である。波形壁は衝撃中に累進的に変形（ストローク）し、それにより、波形壁形状寸法、壁厚さ、及び壁材料の関数である所定の力レベルで殆ど完全な方形波力対撓みエネルギ吸収曲線をもたらす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明によるエネルギ吸収構造物の好適な実施形態は図４〜図８に示されている。基本構造は、断面が多角形、円形又は実質的に四角形の閉じたチューブである。図４〜図８の実施形態において、チューブ１０は、４つの側壁１５ａ〜１５ｄと中空の内部２０とにより定義される実質的に四角形の横断面を有している。図５及び図６に示すように、設計及び模型化のため、チューブ１０は、特定のエネルギ吸収適用例で利用しうるスペースにより決定される長さＥを有している。チューブの長方形横断面は、長い方の外側寸法Ｌと短い方の外側寸法Ｗとにより規定されている。従って、チューブ１０のアスペクト比はＬ／Ｗにより表すことができる。
【００１９】
この実施形態において、側壁１５ａ〜１５ｄの各々は、丸みの付いた角部３１で波形にされている。図５、図７及び図８に最も良く示すように、側壁１５ａ〜１５ｄは好ましくは波形の形状寸法を有していて、各波は、中間に平坦部を伴わない連続的な一定半径Ｒを有している。このように、これらの波は、相互に結合された一連の凸曲面と凹曲面とが交互に配置された波形表面２５及び３０であることが好ましい。この実施形態において、波形表面２５及び３０は、チューブ１０の長さＥに交差する壁１５ａ〜１５ｄの表面に沿って揃って並べられている。
【００２０】
図８に示すように、好適な実施形態において、チューブ１０は、実質的に一定の壁厚さｔと好適な波形形状とを備えることにより、エネルギ吸収の効率が最適化されている。これは、チューブ壁及びこれらの波形部分における応力の均等な分布という結果となり、延いては、衝撃力に応えて実質的に一定の反力をもたらす。従って、これらの波形部分は、チューブに加えられた衝撃力を受けて一様に且つ累進的に変形する。この好適な波形形状によると、チューブ横断面の外側寸法ＷはＮ＊Ｒによって定義される。ここで、Ｎは整数である。図８に最も良く示すように、側壁１５ａ〜１５ｄにある連続的に並んだ径方向の凸の波形表面２５は、ほぼ４＊Ｒに等しい公称寸法だけ互いに離れている。径方向の凹の波形表面３０は径方向の凸の波形表面２５の半径と実質的に等しい半径を有しており、それにより２＊Ｒに等しい公称波高さを規定している。また、図４〜図８に示すような管状エネルギ吸収構造物の試験及び模型化により、好ましいチューブアスペクト比Ｌ／Ｗは、実質的に１.０〜２.０の範囲にあるべきであることが示された。アスペクト比が２.０よりも大きければ、或いは特定の実施形態において１.５よりも大きければ、チューブ１０は負荷の下で不安定になるかも知れない。
【００２１】
チューブ１０は、押出高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）のようなポリマー、又はアルミニウムのような金属の成形もしくは押出加工により製造されるのが好ましいであろう。
【００２２】
エネルギ吸収チューブ１０がここに記載したように構成された場合、この構造物のエネルギ吸収効率は、図２５に再現されている力−変形曲線に示されているように最適化される。チューブに加えられた力は縦軸に表されている。横軸は、負荷の作用方向にインパクターにより動かされる距離の関数としてチューブの変形を示している。従って、力を受けている面積対撓み曲線は構造物により吸収された実際のエネルギを表している。図２５の曲線（ａ）は、本発明に基づいて設計されたチューブの衝撃エネルギ吸収特性を表すもので、好ましい方形波力応答(square wave force response)を示している。比較すると、曲線（ｂ）は、先行技術で用いられているような典型的な発泡構造物の衝撃エネルギ吸収特性を表している。吸収されたエネルギ（曲線の下の面積）は同じであるが、曲線（ａ）により表されたエネルギ吸収特性は、低いピーク力及び短いストロークのために、曲線（ｂ）により表されたものよりも優れている。
【００２３】
ここに記載したようなチューブ１０の最適エネルギ吸収特性は、チューブ側壁１５ａ〜１５ｂにある波形部分の一様且つ累進的な変形を通じて一定の反力をもたらすことによって得られる。これは、最適化された壁厚及び波形形状をもつ４つの波形側壁を長方形チューブ１０に影響を与える歩行者下肢形態（pedestrian leg form)を使用するＨＤＰＥチューブの模擬ベンチテストにより、実証されている。図２６のグラフは、ベンチテスト中のチューブについての予測された力対変形特性を示している。
【００２４】
模擬ベンチテストの結果は図２２ａ及び図２２ｂに示されている。符号１０ａで示されたチューブの像は、時間ステップ４での波形部分の初期の累進的な変形を示している。図２２ａにおける対応のグラフＧ１は、同様に時間ステップ４での加速度対時間曲線を示している。図２２ｂにおいて符号１０ｂで示されたチューブの像は、時間ステップ１８での波形部分の更なる累進的な変形を示している。対応するグラフＧ２は、同様に時間ステップ１８での加速度対時間曲線を示している。予測した且つモデル化した特性データから、当業者は、本発明の波形管状構造物により優れたエネルギ吸収結果が得られることが分かるであろう。
【００２５】
管状のエネルギ吸収構造物についての特定の適用例では、一定反力レベルの幅を設けることが有利であり、そうすれば同じ基本構造が異なる衝撃要件及び車両適用例の幅に対処することができるようになる。これは、高分子発泡体でチューブ１０の内部２０を部分的に又は完全に満たすことにより達成することができる。発泡体の量及び／又は密度を調整することにより、反力レベルを、且つ特定の場合にはチューブに与えられるエネルギ吸収の効率を変更することができる。図２７のグラフは、図２４に示したような代表的な波形側壁の管状構造物１０の変形に対する、実際の試験した力を示している。試験した構造物は、７０×６０ｍｍの長方形横断面を有する８×８ｍｍ波形のＨＤＰＥチューブであり、壁厚は１.５ｍｍであった。発泡体充填物の試験においては、同一構造のチューブに立方フィート当たり２.０ポンドの密度でウレタンフォームを充填した。
【００２６】
試験結果（図２７のグラフ）は、最適化されたエネルギ吸収性能を維持しながら発泡体を添加することによりチューブの反力を変えることの有効性を示している。
【００２７】
図９及び図１０は、自動車への、例えば、車両トリム又は計器盤コンポーネントへの直接的な取着に特に適合した本発明のチューブ１０の別の実施形態を示している。従って、この実施形態において、一対の取付け部材４０が、突出部分４５を一側壁１５ｄから横断方向に離れるよう延ばして、チューブ１０に取り付けられている、或いはチューブ１０と一体に形成されている。突出部分４５の精確な位置、大きさ及び形状は、該チューブ取付け部材４０が車両構造上に位置決めされた対応の結合部位にスナップ嵌めできるように設定されている。
【００２８】
図１２及び図１３は、本発明に基づくが、３つのみの波形側壁１５ｂ、１５ｃ及び１５ｄを有しているチューブ１０の別の実施形態を示している。閉じた断面構造を完結するために第４の実質的に平らな側壁１６を使用することができる。この実施形態は、図１１に示すような車両ヘッドライナー及びインテリアにおいて適用例があると考えられる。
【００２９】
図１４及び図１５は、本発明に基づくが、２つの対峙した波形側壁１５ｂ及び１５ｄと２つの対峙した実質的に平らな側壁１６ａ及び１６ｂとを有しているチューブ１０の別の実施形態を示している。この実施形態は、図１１に示すような車両インテリア内の限られた実装スペース箇所において適用例があると考えられる。
【００３０】
図１６及び図１７は、本発明に基づくが、単一の波形側壁１５ｄと３つの実質的に平らな側壁１６ａ、１６ｂ及び１６ｂｃとを有しているチューブ１０の更に別の実施形態を示している。この実施形態は、これら側壁が外観表面となる車両インテリア用に適用例があると考えられる。
【００３１】
図１８及び図１９は、基本の波形チューブ（例えば、図４〜図７に総括的に示されている）の切断した一部分の形状をなす実施形態を示しており、これは波形シート５０を構成している。他の実施形態と同様に、このシート５０は、相互に結合された半径方向に交互に凸及び凹の一連の波形表面２５及び３０を含んでいる。該波形表面２５及び３０は、丸くなって閉じた端部３１を有して、シート５０の長手方向に対して交差する方向に配向されている。この実施形態は、図１１に示すようにルーフヘッドライナーに適用例がある。
【００３２】
本発明のエネルギ吸収構造物は、自動車の乗員室において使用されるトリムコンポーネントと組み合わせることができる。かかる適用例において、エネルギ吸収構造物は、該トリムコンポーネントを車両構造物に取り付けるためのスペーサとしても機能することができる。この組合せの一実施形態は図２１に示されている。（図４〜図７に総括的に示されているような）波形壁を有する閉じた断面多角形のチューブ１０の第１端部は、自動車のＡピラー（フロントピラー）のトリムコンポーネント６０の内面６５に取り付けられる。（フロントガラスフレームの各側でルーフ及び／又は車両フロントガラスを支持する構造部材は一般にＡピラーと呼ばれている。）チューブ１０の第２端部は表面６５から離れるように延びている。トリム装着クリップ７０は、チューブ１０の第２端部に取り付けられている。該トリム装着クリップは、車両のＡピラー（図示せず）にある対応の取付部位にスナップ嵌めしている。
【００３３】
従来のＡピラートリムコンポーネント６０及び装着クリップ７０を示す図２０を参照すると、本発明のエネルギ吸収チューブ１０は、従来のクリップタワー７５と置換されていることが分かる。図２１のチューブ１０は、トリムコンポーネント６０を車両から適度に離間して配置するのに十分な剛性を有するように製造されている。しかしながら、従来のクリップタワーとは異なり、最適の波形形状を有する波形チューブ１０は、車両乗員によるＡピラーとの衝突を救済するのに必要なエネルギ吸収機能をも有している。
【００３４】
図２３は、本発明のエネルギ吸収構造物の別の実施形態を示している。この構造物は、概して、実質的に四角の横断面と、最適化した波形形状（図４〜図７に概して示されている）をもつ４つの波形壁とを有するチューブ１０である。しかしながら、図２３の実施形態において、チューブ１０は長さ方向に変化するプロフィールを有している。チューブ１０の軸心は部分９５で変化している。加えて、チューブの横断面積は、２.０以下の同じアスペクト比を維持しながらチューブ部分１００で変化している。図２３の実施形態は、計器盤とバンパービームとの間に装着される衝撃吸収器として使用することができる。
【００３５】
本発明の基本的な波形管状構造物は、予測可能な設計方法論を用いて多様なエネルギ吸収適用例において使用可能となるように最適化することができる。自動車に作用する一定の衝撃力に応じて効率的に衝撃エネルギを吸収可能となるようにチューブを設計する方法は、典型的には、閉じた多角形横断面を有するチューブを選定することから始まる。
【００３６】
次に、設計者は、チューブが配置されるべき自動車内の箇所において利用可能なスペースに基づいて最大の仮のチューブ寸法を決めねばならない。搬送及び保管のためのチューブの包装寸法もこの設計段階で考慮しなければならない。
【００３７】
設計者にとっては、好ましいチューブ横断面は、図４に示すように、幅（Ｗ）対長さ（Ｌ）の比（Ｌ／Ｗ）が２.０以下の実質的に四角形をなす。ここでＬは大きい方の寸法である。管状構造物は、アスペクト比Ｌ／Ｗが２.０よりも大きいと、不安定座屈モードで変形する可能性がある。
【００３８】
設計者は、次いで、波形部分が平坦部を少し有する（１つの波につき２つに過ぎない）か、または何ら平坦部を含まず、不変の連続的な半径を有する好適な波形形状を採用しなければならない。この波形形状は、より一様な応力の分布、衝撃及びエネルギ吸収中の各波形部分の一様な累進的変形という結果をもたらす。
【００３９】
好ましい壁材料は、破断に至るまで１００％以上の伸びを許容しうる十分な可塑性を有する金属、複合材、又は押出ＨＤＰＥのようなポリマーである。
【００４０】
次に設計者は、衝撃エネルギの全てを吸収する所定の一定力レベル（又は加速度レベル）についてのストローク寸法が、全チューブ寸法の９０％以内となるように選定する。例えば、歩行者下肢衝撃試験は、４０ｋｍ/時間の衝撃速度及び試験に使用される１３.３ｋｇ質量の下肢型により特定化される総衝撃エネルギをもつ１５０Ｇ未満のピーク加速度を必要とする。例えば、１２０Ｇ(３５１１ＬＢＦ＝１５.５９ＫＮ）の設計一定加速度レベルに対して、基本的な波形管状構造物が１００％の衝撃エネルギを吸収するためには約５３ｍｍの変形（ストローク）しなければならない。従って、５３ｍｍよりも大きな総寸法（Ｌ）を有する管状構造物が選定されねばならない。
【００４１】
一定反力又は加速度レベルは、主として、側壁にある波形部分の形状寸法及び壁厚の関数である。これは、ＬＳ−ＤＹＮＡ（米国 Livermore Software Technology Corporation の登録商標）のような汎用のコンピュータシミュレーションソフトウエアを使用して算出することができる。なおＬＳ−ＤＹＮＡは、三次元構造物の非線形動的応答の陽解法による有限要素解析のためのソフトウエアプログラムである。図２２ａ及び図２２ｂは、車両バンパーに装着されたときの本発明の基本的な波形管状エネルギ吸収装置の下肢型衝撃試験についての代表的なＬＳ−ＤＹＮＡシミュレーションを示している。出力されたシミュレーショングラフはほぼ一定の１２０Ｇ加速度レベル対時間を示している。
【００４２】
エネルギ吸収の効率は、実際のエネルギ（力を受けている面積対撓み曲線）を、ピーク撓みを掛けたピーク力として算出された正方形又は長方形面積で割った比により決定される。効率は、波形部分の形状寸法、材料及び壁厚のキー入力値を反復するＬＳ−ＤＹＮＡのようなソフトウエアを使用することにより最適化することができる。このような反復型設計プロセスは、基本的な波形管状構造物が波形部分の形状寸法及び壁厚に対する１組以上の入力パラメータについて、ほぼ完全な一定力レベル変形をもたらすことを示すであろう。
【００４３】
上述したように、ある範囲の一定力レベルをもたらすことができる波形管状エネルギ吸収構造物を設計することが有利である。これは、基本的な構造設計がある範囲の異なる衝撃要件及び異なる車両適用例を受け入れることを可能にするであろう。上述のことを遂行するため、設計方法は、基本構造物を量及び密度が可変のポリマー発泡体で充填することを含んでいる。場合によっては、発泡体密度はエネルギ吸収の効率を更に改善するよう選定されることができる。
【００４４】
要約すれば、エネルギ吸収構造物の設計方法に係わる好適な実施形態は以下の諸ステップ、即ち、
ａ．長い方のチューブ寸法Ｌ及び短い方のチューブ寸法Ｗにより画定される実質的に四角形の横断面と中空内部とを有するチューブを選定するステップ；
ｂ．チューブに、実質的に一定の材料厚さｔの４つの波形側壁を、各側壁が丸い角部を有するように設けるステップ；
ｃ．チューブが設置されるべき自動車における箇所で利用可能なスペースに基づいてＬ及びＷについての仮の最大チューブ寸法を決定するステップ；
ｄ．チューブが該チューブの９０％以下の変形内の全衝撃エネルギを吸収するようにエネルギ吸収ストローク距離を予測するステップ；
ｅ．予測したストローク距離に対応する寸法Ｌ及びＷの一方を選定するステップ；
ｆ．アスペクト比Ｌ／Ｗが２.０の以下の限界内に実質的にあるように寸法Ｌ及びＷの他方を選定するステップ；
ｇ．前記波形壁の各々に、少ない平坦部を有するかまたは平坦部を含まない一定の連続的な波形半径Ｒを有する、一連の相互に結合した横方向の凸曲面及び凹曲面の波形部分を与えるステップ；
ｈ．短い方のチューブ寸法Ｗが、Ｎを整数として、Ｎ＊Ｒに等しいように、前記波形半径Ｒを選定するステップ；
を含むであろう。
【００４５】
この設計方法は、破断に至るまで１００％を超える伸びを許容する金属、複合材、又はポリマー壁材料を選定するステップを更に含むことができる。
【００４６】
好ましい設計方法によると、チューブのエネルギ吸収効率は、時間の経過に伴うチューブ変形、及び１以上の衝撃力に応答する撓みのコンピュータモデリングにより最適化される。コンピュータモデリングは、所望の力レベルでの方形波力対撓みが達成されるまで、波形半径Ｒを含む波形形状寸法及び壁材料厚さｔについての反復値の入力を含むべきである。
【００４７】
設計方法の別の実施形態においては、異なる大きさの絶え間ない衝撃力に対するチューブの応答を、該チューブの内部の少なくとも一部分に既知のフォーム密度を有するある量のポリマー発泡体を与えることにより調節することができる。その後、発泡体の量及びフォーム密度は、異なる絶え間ない衝撃力レベルに適応するよう変更される。
【００４８】
以上のように、新規且つ有用な波形管状エネルギ吸収構造物について、本発明の特定の実施形態を説明したが、かかる説明は、特許請求の範囲に記載されたことを除いて、本発明の範囲に対する限定と解されるのを意図しているのではない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】従来の回転形成された管状エネルギ吸収体の等角投影図である。
【図２】図１のエネルギ吸収体の側断面図である。
【図３】図１及び図２のエネルギ吸収体の壁部分（Ｘ）の拡大断面図である。
【図４】本発明の波形管状エネルギ吸収構造物の一実施形態を示す等角投影図である。
【図５】図４のエネルギ吸収構造物の側面図である。
【図６】図４のエネルギ吸収構造物の端面図である。
【図７】図４のエネルギ吸収構造物の横断面図である。
【図８】図４及び図７のエネルギ吸収構造物の実施形態の波形壁部分（Ｂ）の横断面図である。
【図９】一体取付け部材を有する本発明の波形管状エネルギ吸収構造物の一実施形態の等角投影図である。
【図１０】図９のエネルギ吸収構造物の実施形態の側面図である。
【図１１】本発明に基づくエネルギ吸収構造物の適用可能性のある箇所を示す、自動車の等角投影図である。
【図１２】３つの波形壁を有する本発明の波形管状エネルギ吸収構造物の別の実施形態の等角投影図である。
【図１３】図１２に示したエネルギ吸収構造物の３壁型実施形態の端面図である。
【図１４】２つの波形壁を有する本発明の波形管状エネルギ吸収構造物の別の実施形態の等角投影図である。
【図１５】図１４に示したエネルギ吸収構造物の２壁型実施形態の端面図である。
【図１６】単一の波形壁を有する本発明の波形管状エネルギ吸収構造物の更に別の実施形態の等角投影図である。
【図１７】図１６に示したエネルギ吸収構造物の単一壁型実施形態の端面図である。
【図１８】波形シート構造を形成する単一の波形壁を有する本発明の波形管状エネルギ吸収構造物の別の実施形態の等角投影図である。
【図１９】図１８に示したエネルギ吸収構造物の波形シート型実施形態の端面図である。
【図２０】代表的な自動車Ａピラートリムの等角内部投影図で、射出成形した従来のクリップタワーを示している。
【図２１】図２０に示したような代表的な自動車Ａピラートリムコンポーネントの等角内部投影図であるが、その装着クリップは本発明による波形管状エネルギ吸収構造物に取り付けられている。
【図２２ａ】本発明の波形管状エネルギ吸収構造物の衝撃特性のコンピュータシミュレーションの結果（時間ステップ４での）を図解している。
【図２２ｂ】本発明の波形管状エネルギ吸収構造物の衝撃特性のコンピュータシミュレーションの結果（時間ステップ１８での）を図解している。
【図２３】可変の幾何学的プロフィールを有する本発明の波形管状エネルギ吸収構造物の別の実施形態の等角投影図である。
【図２４】本発明の波形管状エネルギ吸収構造物の試験に供した実施形態の斜視図であり、これは、７０×６０ｍｍの長方形横断面をもつ、ＨＤＰＥ材料で形成された８×８ｍｍの波形チューブであり、立方フィート当たり２.０ポンドの密度でウレタンフォームを充填されている。
【図２５】構造物のエネルギ吸収効率を示す力−変形曲線のグラフである。
【図２６】ベンチテスト中のチューブについての予測された力対変形特性を示すグラフである。
【図２７】代表的な波形側壁の管状構造物の変形に対する、実際の試験した力を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５０】
１０    チューブ
１５ａ〜１５ｄ    側壁
２０    中空の内部
２５    波形表面
３０    波形表面
３１    丸みの付いた角部
４０    取付け部材
４５    突出部分
５０    波形シート
６０    トリムコンポーネント
６５    内面
７０    トリム装着クリップ
Ｅ    長さ
Ｌ    長辺外側寸法
Ｗ    短辺外側寸法
ｔ    壁厚さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２１】
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【図２２ａ】
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【図２２ｂ】
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【図２３】
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【図２４】
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