(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの短筒形状の第１部分と、前記第１部分に対して同心軸状に重ねて配置された少なくとも１つの短筒形状の第２部分とからなり、
前記第１部分と前記第２部分との接続部分が前記同心軸に対して傾斜する部分を含んでいる衝撃吸収装置であって、
前記第１部分の硬さと前記第２部分の硬さは同じであり、前記第１部分の内径と前記第２部分の内径は等しく、前記第１部分の高さは当該第１部分の座屈波長より小さく、前記第２部分の高さは当該第２部分の座屈波長より小さく、
前記同心軸方向に加わる応力が前記第１部分と前記第２部分との前記接続部分によって半径方向に分力されて、前記第１部分が座屈変形することなく縮径しつつ前記第２部分が座屈変形することなく拡径し、前記縮径と前記拡径が生ずると、前記第１部分が前記第２部分に押し込められることを特徴とする衝撃吸収装置。
【請求項２】
前記同心軸方向に加わる応力が初期ピーク値を生ずることなく前記第１部分と前記第２部分とに吸収されることを特徴とする請求項１記載の衝撃吸収装置。
【請求項３】
前記第１部分及び前記第２部分は、各々、前記縮径及び拡径する際に圧縮されることを特徴とする請求項２記載の衝撃吸収装置。
【請求項４】
前記第１部分と前記第２部分との前記接続部分は、互いに当接する傾斜面からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の衝撃吸収装置。
【請求項５】
前記同心軸を含む任意の平面上において、前記第１部分の前記傾斜面は外径部から内径部に至り、且つ前記第２部分の内径中空部に至るように形成されていることを特徴とする請求項４記載の衝撃吸収装置。
【請求項６】
前記第１部分及び前記第２部分の少なくともいずれかは、前記傾斜面の少なくとも内周部及び外周部に前記傾斜面の傾斜角度とは異なる傾斜角度の追加傾斜部を更に有していることを特徴とする請求項４または５記載の衝撃吸収装置。
【請求項７】
前記第１部分及び前記第２部分は円断面の短円筒形状、楕円断面の短筒形状、または多角形断面の短筒形状であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の衝撃吸収装置。
【請求項８】
前記第１部分は複数あることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の衝撃吸収装置。
【請求項９】
前記第２部分は複数あることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の衝撃吸収装置。
【請求項１０】
前記傾斜面の傾斜角度は３０°乃至８５°であることを特徴とする請求項４乃至９のいずれかに記載の衝撃吸収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、自動車、鉄道車両等の乗物の衝突事故やエレベータ等の昇降装置の落下事故の際の衝撃エネルギを吸収する装置に関する。
【背景技術】  自動車等の車体には、搭乗者の安全性を確保するために、座屈変形を利用したいわゆるクラッシュボックスと称される衝撃吸収装置がフロントフレームに設けられている。かかる衝撃吸収装置は一定値を超える荷重が作用すると自ら座屈変形することによって衝撃エネルギを吸収するものである。
例えば、特開２００２−３９２４５号公報にはアルミニウム合金鋳物製の衝撃吸収装置が開示されている。
この衝撃吸収装置は、アルミニウム合金鋳物で構成された筒体部からなっており、筒体部の肉厚が軸方向に沿って連続的または部分的に変化している。これにより、筒体部の軸方向に連続する蛇腹状の塑性変形を進行させて衝撃エネルギを効果的に吸収できる。
また、特開２００４−１００５５７号公報には全体が金属からなる衝撃吸収装置が開示されている。かかる衝撃吸収装置は一方から他方にかけて肉厚が部分的にまたは全体的に徐々に変化する筒体部と、筒体部の両側に設けられたフランジと、筒体部の周囲に沿って設けられた補強部材とからなっている。
更に、亀裂の進展やハニカム部材の変形を利用した衝撃吸収装置がある。亀裂の進展を利用した衝撃吸収装置は、円筒部材等の端面側内部にテーパー部材を押し込む際に生じる亀裂を利用して衝撃エネルギを吸収するものである。ハニカム部材の変形を利用した衝撃吸収装置は平板間に介装されたハニカムパネルの側壁を座屈させつつ圧壊させることによって衝撃エネルギを吸収するものである。
【発明の開示】
しかしながら、上記従来の衝撃吸収装置では、座屈変形や亀裂進展等の不安定な現象を利用しているため、寸法誤差、取り付け誤差、拘束条件の差異等のわずかな製造上や取り付け上の差異によって変形モード（変形形態）が大きく変化してしまう。また、衝突時の荷重の入力方向によって変形モードが大きく影響を受けてしまう。
更に、座屈を利用した衝撃吸収装置では、より大きな衝撃エネルギを吸収するにはより長い部材が必要となるが、部材が長くなるとオイラ（Ｅｕｌｅｒ）座屈が生じ易くなり吸収部材としての機能を果たさなくなる。また、座屈変形においては、しわが逐次折りたたまれるようにして衝撃エネルギが吸収されるため、折りたたまれる度に荷重に振幅が発生し、部材全てを有効に衝撃エネルギ吸収に利用することが出来ない。
また、亀裂の進展を利用した衝撃吸収装置では、初期亀裂の設定や亀裂発生用の相手部品との接触角の設定等によって亀裂の進展パターンが変化するのでそのコントロールが非常に困難である。ハニカム部材の変形を利用した衝撃吸収装置では、構造が複雑であるため、製造方法や吸収エネルギの評価方法等が非常に困難である。
本発明は上記した問題点に鑑みてなされたものであり、限られたスペースの中で安定した状態で効率的に衝撃エネルギを吸収する衝撃吸収装置を提供することを目的とする。
本発明による衝撃吸収装置は、少なくとも１つの短筒形状の第１部分と、前記第１部分に対して同心軸状に重ねて配置された少なくとも１つの短筒形状の第２部分とからなり、前記第１部分と前記第２部分との接続部分が前記同心軸に対して傾斜する部分を含んでいることを特徴とする。
更に、本発明による衝撃吸収装置において、前記第１部分は小径であって上端に全周摺接面を有し、前記第２部分は大径であって下端に全周摺接面を有し、前記接続部分は前記全周摺接面が互いに反対を向くように前記第１部分及び前記第２部分を結合する切頭錐体形状であって、前記第１部分、前記第２部分、及び前記接続部分によって１ユニットが構成され、前記衝撃吸収装置は、更に、１以上の前記ユニットを両側から支持する支持部材を有しており、前記支持部材は、前記ユニットと対向する側面に摺接面を有してもよい。
更に、本発明による衝撃吸収装置において、前記第１部分及び前記第２部分は短円筒形状であり、前記第１部分及び前記第２部分の厚肉部の中間円筒面の半径が互いに異なっていてもよい。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の第１実施例である衝撃吸収装置１０の断面図である。
図２は、本発明の第１実施例である衝撃吸収装置１０の変形例の部分断面図である。
図３は、図１の衝撃吸収装置１０に働く作用・反作用の力を示した説明図である。
図４は、図１の衝撃吸収装置１０が衝撃エネルギを吸収しながら変形する様子を示した説明図である。
図５は、図１の衝撃吸収装置１０が自動車のフロントフレームに取り付けられた様子を示した概略部分断面図である。
図６は、本発明の第１実施例である衝撃吸収装置１０を複数用いた変形例の断面図である。
図７は、本発明の第１実施例である衝撃吸収装置１０に係合部を設けた場合の部分断面図である。
図８は、図１の衝撃吸収装置１０の荷重と変位との関係を示した図である。
図９は、本発明の第２実施例である衝撃吸収装置２０の断面図である。
図１０は、図９の衝撃吸収装置２０の衝撃吸収部材３０に働く作用・反作用の力及び衝撃吸収部材３０が衝撃エネルギを吸収しながら変形する様子を示した説明図である。
図１１は、本発明の第２実施例である衝撃吸収装置２０の衝撃吸収部材３０を複数用いた変形例の断面図である。
図１２は、図９の衝撃吸収装置２０の衝撃吸収部材３０の荷重と変位との関係を示した図である。
図１３は、本発明の第３実施例である衝撃吸収装置３００の断面図である。
図１４は、本発明の第３実施例の接続部分の変形例を示す部分断面図である。
図１５は、図１３の衝撃吸収装置３００が衝撃エネルギを吸収しながら変形する様子を示した部分断面図である。
図１６は、本発明の第３実施例のユニット３１０を複数用いた変形例の断面図である。
図１７は、本発明の第４実施例である衝撃吸収装置４００の断面図である。
図１８は、図１７の衝撃吸収装置４００が衝撃エネルギを吸収しながら変形する様子を示した部分断面図である。
図１９は、本発明の第４実施例のユニット４１０を複数用いた変形例の断面図である。
図２０は、各衝撃吸収装置のエネルギ吸収効率を比較した表である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例である衝撃吸収装置１０の断面図である。
衝撃吸収装置１０は短筒形状の第１部材１１と短筒形状の第２部材１２とが同心軸状に重ね合わされた状態で用いられ、衝撃荷重Ｆｉを受けた際に第１部材１１が第２部材１２に押し込まれることによって第１部材１１が内側に縮径変形すると同時に第２部材１２が外側に拡径変形する。よって衝撃エネルギが吸収される。衝撃吸収装置１０は一般に剛性体によって介装されており、図１ではかかる剛性体の例として剛性板１３、１４が示されている。
第１部材１１はステンレス、アルミニウム合金、マグネシウム合金等の金属、セラミック、プラスチック等の材料からなる短筒形状の部材であり、第２部材１２と重ねて配置された際に当該第２部材１２と係合するように対向する下面に傾斜面１１ａを有している。傾斜面１１ａは上面にもあって良く、この場合は第１部材１１の上下に第２部材１２が重ねられ得る。第２部材１２は短筒形状の部材であり、第１部材１１と重ねて配置された際に当該第１部材１１と係合するように対向する上面に傾斜面１２ａを有している。傾斜面１２ａは下面にもあって良く、この場合は第２部材１２の上下に第１部材１１が重ねられ得る。第２部材１２の材料はステンレス、アルミニウム合金、マグネシウム合金等の金属、セラミック、プラスチック等からなるが、必ずしも第１部材１１と同じ材料である必要はない。第１部材１１と第２部材１２との材質に差異をつけることによって、例えば、衝撃吸収時にどちらか一方の部材のみを変形させるようにすることも可能となる。
第１部材１１の傾斜面１１ａの傾斜角度と第２部材１２の傾斜面１２ａの傾斜角度とは互いに等しい角度θ１を有している。角度θ１は３０°乃至８５°の角度が好ましく、最も好ましい角度は約６０°である。
尚、第２部材１２は傾斜面１２ａの内側や外側に傾斜部１２ａの傾斜角度と異なる傾斜角度を有する追加傾斜面を更に有していても良い。これにより拡径・縮径時の変形の程度を調整したり、当該変形を安定化させたりすることが可能となる。図２に傾斜面１２ａの内側に傾斜角度がθ１’である内側追加傾斜面１２ｂを有する場合の例を示す。
衝撃吸収装置１０の大きさは、例えば、第１部材１１の円筒の外径が４０ｍｍ、内径が３２ｍｍ、高さが１２．４ｍｍであり、第２部材１２の円筒の外径が４０ｍｍ、内径が３２ｍｍ、高さが１２．３ｍｍである。なお、上記以外の他の寸法を採用しても良いが、局所的な座屈（しわ）及びオイラ座屈を防止するために部材の高さはその座屈波長（λ）より短くなければならない。最も好ましい形状は、各部材の肉厚の中央までの直径長がその高さより大きい形状である。ここで、座屈波長（λ）とは円筒の形状に依存するものであって、一般に肉厚比ｔ／Ｒのみの関数として表される。ここで、ｔは円筒の肉厚、Ｒは円筒の肉厚の中央までの半径を示す。
これにより第１部材１１及び第２部材１２が座屈変形することなく一様に拡径・縮径変形することが期待できる。本明細書では、かかる形状を短筒形状と称し、特に円柱形の短筒形状を短円筒形状と称する。
第１部材１１及び第２部材１２の形状は、図１に示す円断面の短円筒形状に限定されるものではなく、楕円断面の短筒形状や多角形断面の短筒形状であっても良い。
本発明の第１実施例に示す構成を用いることによって、図３に示すように、衝撃吸収装置１０が、その中心軸Ｃの方向に衝撃荷重Ｆｉを受けたとき、傾斜面１２ａに垂直に作用する力Ｆａが第２部材１２に働き、同時に力Ｆａの反作用の力として傾斜面１１ａに垂直な力Ｆｒが第１部材１１に働く。よって力Ｆａの水平成分外向き（中心軸Ｃに垂直な成分外向き）の力Ｆｅが第２部材１２に働き、第２部材１２が外側に拡径する。所定の限界値以上の力Ｆｅが第２部材１２に働いた場合、第２部材１２は拡径した後塑性変形し、よって衝撃エネルギが吸収される。一方、力Ｆｒの水平成分内向き（中心軸Ｃに垂直な成分内向き）の力Ｆｃが第１部材１１に働き、第１部材１１が内側に縮径する。所定の限界値以上の力Ｆｃが第１部材１１に働いた場合、第１部材１１は縮径した後塑性変形し、よって衝撃エネルギが吸収される。上記した第１部材１１及び第２部材１２の変形は座屈変形ではなく、第１部材１１及び第２部材１２全体の拡径・縮径変形である。かかる変形の様子を図４（ａ）から（ｅ）に示す。図４（ａ）は衝撃吸収装置１０に荷重が働く前の状態である。図４（ｂ）から（ｅ）には変形が進行している様子が示されており、図４（ｅ）は変形が完了した状態を示している。図４（ｂ）から（ｅ）に示されている様に、第２部材１２の内側中空部に第１部材１１が押し込まれるにつれて第２部材１２の上部が広がりながら拡径変形しているのが判る。
図５に第１実施例の衝撃吸収装置１０を自動車５０に取り付けた例を示す。ここで、５１はフロントフレームを示し、５２はバンパを示している。衝撃吸収装置１０はフロントフレーム５１とバンパ５２との間に設置されており、衝突時にバンパ５２で受けた衝撃エネルギが衝撃吸収装置１０で吸収される。
なお、図１においては、１つの第１部材１１と１つの第２部材１２とからなる１対の衝撃吸収装置１０の場合が示されているが、これに限定されるものではなく、複数の第１部材や第２部材からなるものであっても良い。例えば、２つの第１部材１１と１つの第２部材１２（図６（ａ）参照）、１つの第１部材１１と２つの第２部材１２（図６（ｂ）参照）、２つの第１部材１１と２つの第２部材１２（図６（ｃ）参照）等のように積み重ねて用いることも可能である。
更に、図６（ａ）〜（ｃ）においては、同形状同士の第１部材１１や第２部材１２を積み重ねて使用しているが、例えば図６（ｄ）に示すように、第１部材１１同士や第２部材１２同士の形状や材質等に差異を設けても良い。これにより、例えば、弱い衝撃エネルギの際のエネルギ吸収と強い衝撃エネルギの際のエネルギ吸収とを別々の部材に分担させることが可能となる。よって、この様な装置が乗物に備わっていれば、低速度での衝突から高速度での衝突まで幅広く搭乗者の安全を確保することが可能となる。また、図６（ｅ）に示すように、各々第１及び第二部材が積み重ねられている複数の組を水平方向に並べても良い。これにより、衝撃荷重を分散させて衝撃エネルギを吸収することが可能となる。
また、取り付け後の振動や斜め方向からの衝撃等によって各部材１１、１２間の位置関係がずれないようにするために固定手段を用いてもよい。例えば、衝撃吸収装置全体を円筒形等の容器に収納したり、衝撃吸収装置全体を両端から２枚の板等の部材で挟み、中心軸を通るシャフトで板同士を固定したりする手段が考えられる。または、衝撃吸収装置の機能を阻害しない程度に部材同士を接着剤、溶接、ロウ付け等で接着しても良い。更に、部材の位置決めが容易になるようにするために最外周部や最内周部に係合部を設けても良い。かかる係合部１１ｃ、１１ｄの例を図７（ａ）及び（ｂ）に示す。図７（ａ）には、第１部材１１の最外周部に設けられた係合部１１ｃが示されている。係合部１１ｃは、第２部材１２に対面する面に幅約１乃至数ｍｍの全周水平面を有しており、かかる全周水平面によって第２部材１２と係合する。一方、図７（ｂ）には、第１部材１１の最内周部に設けられた係合部１１ｄが示されている。係合部１１ｄは、第２部材１２に対面する面に幅約１乃至数ｍｍの全周嵌合部を有しており、かかる全周嵌合部が第２部材１２に嵌め込まれて係合する。尚、図７（ａ）においては第１部材１１と第２部材１２との内外径は一致しているが、図７（ｂ）においては第１部材１１の内径は第２部材１２の内径より小さく、第１部材１１の外径は第２部材１２の外径より小さい。
図８は本発明の第１実施例の衝撃吸収装置１０が衝撃荷重を受けて変形する際の荷重と変位との関係を示した図であり、本発明の第１実施例に係る衝撃吸収装置１０と従来の衝撃吸収装置とが比較して示されている。図８の横軸は、ロードセルに載せられた衝撃吸収装置上に剛体を落下して時速４０ｋｍ／ｈｒで衝突させた場合において、剛体と衝撃吸収装置との接点が衝撃吸収装置の変形に伴って変位する距離を示している。図８の縦軸は、上記変位した各位置においてロードセルが表示する値を示している。
図８における本発明の装置には、７個の第１部材１１と８個の第２部材１２とを使用しており、材質は全てアルミニウム合金である。また、傾斜面の傾斜角は全て６０°である。一方、従来の装置はアルミニウム合金製の円筒であり、その肉厚は４ｍｍ、半径は３０ｍｍである。
図８からわかるように、従来の衝撃吸収装置では初期ピーク荷重の後、振幅する荷重を受けながら衝撃エネルギを吸収している。また、荷重の振幅波形内に更に細かな波形が生じている。これに対して第１実施例の衝撃吸収装置は、ほぼ一様な荷重を受けながら衝撃エネルギを吸収している。
このように、本発明の第１実施例に係る衝撃吸収装置１０は、従来の衝撃吸収装置の衝撃吸収時に生じていた初期ピーク荷重や荷重の振幅、更に荷重の振幅波形内の細かな波形を発生させずに、安定した状態で衝撃エネルギを吸収することが可能である。これは、荷重が限界点を越えた時に急激に変形する座屈現象を利用せずに、一様な変形を生じる拡径・縮径現象を主に利用しているからである。更に、本発明の第１実施例に係る衝撃吸収装置１０は主に変形モードが部材の拡径・縮径であるため、不安定な座屈現象に比べて変形モードがより安定している。よって、寸法誤差、取り付け誤差、拘束条件の差異等のわずかな製造上や取り付け上の差異に起因する変形モードの変化を抑えることができる。更に、本発明の第１実施例に係る衝撃吸収装置１０は、両部材全体が一様に変形することによって衝撃エネルギが吸収されるため、エネルギ吸収効率、すなわち、単位重量当たりのエネルギ吸収量が従来の衝撃吸収装置に比べて高い。図２０に各衝撃吸収装置のエネルギ吸収効率を比較した表が示されている。本発明の第１実施例のエネルギ吸収効率は７９．１ＫＪ／Ｋｇを達成しており、座屈変形を利用する従来の衝撃吸収装置に比べて約６倍のエネルギ吸収効率を有していることが判る。また、構造がシンプルであるため、荷重ピーク、荷重−変位等の設計予測を容易に行うことができ、製造が容易になり、コストを低減することができる。
次に、本発明の第２実施例を説明する。
図９は本発明の第２実施例の衝撃吸収装置２０の断面図である。
衝撃吸収装置２０は短筒形状の小径部３１と短筒形状の大径部３２とこれらを同心軸状に結合する切頭錐体形状の中間部３３とが一体成形された衝撃吸収部材（ユニット）３０と、かかる衝撃吸収部材３０を両側から支持する支持部材４０と、からなり、衝撃荷重Ｆｉを受けた際に小径部３１が大径部３２に押し込まれながら内側に縮径変形すると同時に大径部３２が外側に拡径変形する。よって衝撃エネルギが吸収される。衝撃吸収装置２０はステンレス、アルミニウム合金、マグネシウム合金等の金属、セラミック、プラスチック等の材料から形成される。なお、各部材同士は同じ材料である必要はない。小径部３１は上端に全周摺接面３１ａを有しており、大径部３２は下端に全周摺接面３２ａを有している。中間部３３は、小径部３１及び大径部３２の両全周摺接面３１ａ、３２ａが互いに反対を向くように切頭錐体形状の上端が小径部３１に結合し、下端が大径部３２に結合している。支持部材４０は、板状の上側支持部材４０−１と下側支持部材４０−２とからなっている。上側支持部材４０−１は衝撃吸収部材３０と対向する側面に摺動面４０−１ａを有しており、小径部３１と摺接している。一方、下側支持部材４０−２は衝撃吸収部材３０と対向する側面に摺動面４０−２ａを有しており、大径部３２と摺接している。
切頭錐体の側面の傾斜角はθ２で示され、かかる傾斜角θ２は５°乃至６０°の角度が好ましく、最も好ましい角度は約３０°である。
衝撃吸収部材３０の大きさは、例えば、小径部３１の円筒の外径が２８ｍｍ、内径が２０ｍｍ、高さが６ｍｍであり、大径部３２の円筒の外径が５６ｍｍ、内径が４８ｍｍ、高さが６ｍｍであり、これらに中間部３３を結合した全体の高さが１５ｍｍである。なお、上記以外の他の寸法を採用しても良いが、小径部３１及び大径部３２の各々の高さはその座屈波長（λ）より短くなければならない。これにより小径部３１及び大径部３２が座屈変形することなく一様に拡径・縮径変形することが期待できる。
小径部３１及び大径部３２の形状は、図９に示す円断面の短円筒形状に限定されるものではなく、楕円断面の短筒形状や多角形断面の短筒形状であっても良い。
このような構成を用いることによって、図１０（ｂ）に示すように、衝撃吸収装置２０が、その中心軸Ｃの方向に衝撃荷重Ｆｉを受けたとき、大径部３２に中間部３３から作用する力Ｆａが働き、同時に力Ｆａの反作用の力Ｆｒが中間部３３から小径部３１に働く。よって力Ｆａの水平成分外向き（中心軸Ｃに垂直な成分外向き）の力Ｆｅが大径部３２に働き、大径部３２はその全周摺動面３２ａが下側支持部材４０−２の摺動面４０−２ａ上を摺動しながら外側に拡径する。所定の限界値以上の力Ｆｅが大径部３２に働いた場合、大径部３２は拡径した後塑性変形し、よって衝撃エネルギが吸収される。一方、力Ｆｒの水平成分内向き（中心軸Ｃに垂直な成分内向き）の力Ｆｃが小径部３１に働き、小径部３１はその全周摺動面３１ａが上側支持部材４０−１の摺動面４０−１ａ上を摺動しながら内側に縮径する。所定の限界値以上の力Ｆｃが小径部３１に働いた場合、小径部３１は縮径した後塑性変形し、よって衝撃エネルギが吸収される。上記した小径部３１及び大径部３２の変形は座屈変形ではなく、小径部３１及び大径部３２全体の圧縮及び拡径・縮径変形並びに中間部３３の折りたたみである。かかる変形の様子を図１０（ａ）から（ｄ）に示す。図１０（ａ）は衝撃吸収装置２０に荷重が働く前の状態である。図１０（ｂ）から（ｄ）には変形が進行している様子が示されており、図１０（ｄ）は変形が完了した状態を示している。図１０（ａ）から（ｄ）に示されている様に、変形が進行するにつれて小径部３１及び大径部３２の高さが低く、すなわち、圧縮せしめられて、肉厚が厚くなっていくのが判る。また、図１０（ｄ）に示すように変形が完了したときは、小径部３１が大径部３２の内側中空部に押し込まれて衝撃吸収部材３０全体が平坦な形状になっていることが判る。
なお、上記実施例においては、１つの衝撃吸収部材３０が支持部材に支持された場合について記述したが、これらに限定するものではなく、２つ以上の衝撃吸収部材３０を垂直に積み重ねても良い（図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）参照）。更に、複数からなる衝撃吸収部材においては、各々の衝撃吸収部材の形状や材質等に差異を設けても良い（図１１（ｅ）参照）。これにより、例えば、弱い衝撃エネルギの際のエネルギ吸収と強い衝撃エネルギの際のエネルギ吸収を別々の衝撃吸収部材に分担させることが可能となる。よって、この様な装置が乗物に備わっていれば、低速度での衝突から高速度での衝突まで幅広く搭乗者の安全を確保することが可能となる。なお、複数の衝撃吸収部材３０を積み重ねる際に、小径部３１同士または大径部３２同士を対面させるのではなく、例えば、両面に摺動面を備えた摺動部材４５を介して小径部３１と大径部３２とを対面させることも可能である（図１１（ｆ）参照）。つまり、複数の衝撃吸収部材３０を同じ向きに積み重ねても良い。また、複数の衝撃吸収部材３０を水平方向に並べても良い（図１１（ｇ）参照）。これにより、衝撃荷重を分散させて衝撃エネルギを吸収することが可能となる。
また、複数の衝撃吸収部材３０を用いた場合は、取り付け後の振動や斜め方向からの衝撃等によって互いの位置関係がずれないようにするために固定手段を用いてもよい。例えば、衝撃吸収装置全体を円筒形等の容器に収納したり、中心軸を通るシャフトで支持部材４０を固定したりする手段が考えられる。または、衝撃吸収装置の機能を阻害しない程度に部材同士を接着剤、溶接、ロウ付け等で接着しても良い。
図１２は本発明の第２実施例の衝撃吸収装置２０が衝撃荷重を受けて変形する際の荷重と変位との関係を示した図であり、本発明の第２実施例に係る衝撃吸収装置２０と従来の衝撃吸収装置とが比較して示されている。なお、図１２の横軸と縦軸との関係は図８において示した通りである。
図１２における本発明の装置には、８個の部材３０を小径部３１同士、大径部３２同士が対面するように使用しており、材質は全てアルミニウム合金である。一方、従来の装置はアルミニウム合金製の円筒であり、その肉厚は２ｍｍ、半径は４０ｍｍである。
図１２からわかるように、従来の衝撃吸収装置では初期ピーク荷重の後、振幅する荷重を受けながら衝撃エネルギを吸収している。また、荷重の振幅波形内に更に細かな波形が生じている。これに対して第２実施例の衝撃吸収装置は、ほぼ一様な荷重を受けながら衝撃エネルギを吸収している。
このように、本発明の第２実施例に係る衝撃吸収装置２０は、従来の衝撃吸収装置の衝撃吸収時に生じていた初期ピーク荷重や荷重の振幅、更に荷重の振幅波形内の細かな波形が発生せず、安定した状態で衝撃エネルギを吸収することが可能である。これは、荷重が限界点を越えた時に急激に変形する座屈現象を利用せずに、一様な変形を生じる圧縮や拡径・縮径現象を主に利用しているからである。更に、本発明の第２実施例に係る衝撃吸収装置２０は主な変形モードが小径部及び大径部の圧縮及び拡径・縮径並びに中間部の折りたたみであるため、不安定な座屈現象に比べて変形モードがより安定している。よって、寸法誤差、取り付け誤差、拘束条件の差異等のわずかな製造上や取り付け上の差異に起因する変形モードの変化を抑えることができる。更に、本発明の第２実施例に係る衝撃吸収装置２０は、小径部及び大径部の全体が一様に変形することによって衝撃エネルギが吸収されるため、エネルギ吸収効率、すなわち、単位重量当たりのエネルギ吸収量が従来の衝撃吸収装置に比べて高い。また、構造がシンプルであるため、荷重ピーク、荷重−変位等の設計予測を容易に行うことができ、製造が容易になり、コストを低減することができる。更に、本実施例の衝撃吸収装置はユニットとして一体成形されているので、種々の荷重変位、エネルギの吸収コントロールを容易に行うことができる。また、一体成形によって第１実施例の衝撃吸収装置が有するような縮径部材と拡径部材との間の相対すべり部分をなくせるので、装置自体の剛性が高く、曲げ、せん断、振動等に強く、必要箇所への取付けが容易となる。
次に、本発明の第３実施例を説明する。
図１３は本発明の第３実施例である衝撃吸収装置３００の断面図である。
本実施例の衝撃吸収装置３００は、２つの短円筒形状の第１部分３０１と、１つの短円筒形状の第２部分３０２と、２つの接続部分３０３とが一体成形されたユニット３１０からなる。具体的には、２つの第１部分３０１の間に１つの第２部分３０２が同心軸状に配置されており、第１部分３０１と第２部分３０２との間には接続部分３０３が存在している。第１部分３０１の内径は第２部分３０２の内径よりも小さく、且つ、第１部分３０１の外径は第２部分３０２の外径よりも小さい。つまり、第１部分３０１の厚肉部の中間円筒の半径ｒ１は第２部分３０２の厚肉部の中間円筒の半径ｒ２に比べて小さい。かかる構造を実現するために、接続部分３０３はユニット３１０の同心軸Ｃに対して傾斜している傾斜部を有している。図１３に示す実施例においては、各接続部分３０３は２つの傾斜部３０３ａ、３０３ｃを有している。これら傾斜部３０３ａ、３０３ｃの間には直胴部３０３ｂが存在しているが、かかる直胴部３０３ｂはなくても良い。図１４（ａ）〜（ｄ）には、直胴部３０３ｂのない接続部分３０３の例が部分断面図で示されている。傾斜部３０３ａ、３０３ｃの同心軸Ｃに対する傾斜角度は各々θ１、θ２であり、それらの角度は、例えば、共に４５°である。なお、該角度はかかる値に限定されるものではなく、想定する衝撃荷重の大きさ、エネルギ吸収の程度、衝撃吸収装置のサイズや材質等を考慮して最適な値が定められる。また、θ１、θ２の値は互いに同じ角度でなくても良い。また、衝撃吸収装置３００は一般に剛性体によって介装されており、図１３ではかかる剛性体の例として剛性板３２０ａ、ｂが示されている。
衝撃吸収装置３００のユニット３１０はステンレス、アルミニウム合金、マグネシウム合金等の金属、セラミック、プラスチック等の材料から成形される。衝撃吸収部材３００の大きさは、例えば、第１部分３０１の内径が３０ｍｍ、肉厚が４ｍｍ、高さが１０ｍｍであり、第２部分３０２の内径が３２ｍｍ、肉厚が４ｍｍ、高さが２０ｍｍであり、ユニット全体の高さは５０ｍｍである。なお、上記以外の他の寸法を採用しても良いが、第１部分３０１及び第２部分３０２の各々の高さはその座屈波長（λ）より短くなければならない。これにより第１部分３０１及び第２部分３０２は座屈変形することなく中心軸Ｃを中心とする軸対称の形を保ったまま軸方向に圧縮される。
衝撃吸収装置３００が中心軸Ｃ方向の衝撃荷重を受けた場合、傾斜部を有する接続部分によって第１部分３０１には軸方向に圧縮する力と内側に縮径変形する力が働く。所定の限界値以上の力が第１部分３０１に働いた場合、第１部分３０１は塑性変形し、よって衝撃エネルギが吸収される。他方、傾斜部を有する接続部分によって第２部分３０２には軸方向に圧縮する力と外側に拡径する力が働く。所定の限界値以上の力が第２部分３０２に働いた場合、第２部分３０２は塑性変形し、よって衝撃エネルギが吸収される。
上記した第１部分３０１及び第２部分３０２の変形は座屈変形ではなく、圧縮及び縮径・拡径変形である。かかる変形の様子を図１５（ａ）から（ｈ）に示す。図１５（ａ）〜（ｈ）は１ユニットの断面図のうち、片側のみが示されている。また各々の断面図には変形の程度がわかるように変形前の形状が点線で示されている。図１５（ａ）は衝撃吸収装置３００に荷重が働く前の状態である。図１５（ｂ）から（ｈ）には変形が進行していく様子が示されており、図１５（ｈ）は変形が完了した状態を示している。図１５（ａ）から（ｈ）に示されている様に、変形が進行するにつれて第１部分３０１は圧縮せしめられて肉厚が厚くなりつつ縮径変形しているのがわかる。また、第２部分３０２は圧縮せしめられて肉厚が厚くなりつつ拡径変形しているのがわかる。更に、変形が進行するにつれて接続部分３０３が折りたたまれているのが判る。ここで、第１部分３０１は、変形が進むにつれて内径は多少小さくなっていくが、外径はほとんど変化しないのが判る。この場合は、１ユニットの両端面部において、半径方向のせん断応力が実質的にゼロとなっている。この様に、ユニット３１０の形状等を適切に定めることにより、ユニットの両端面部を所望の変形モードに変形せしめることが可能となる。図１５ではユニットの両端面部において外径の変化が抑えられており、よって衝撃吸収性能を実質的に確保しつつ衝撃吸収装置３００の両端外周部分を例えば、接着剤、溶接、ロウ付け等によって剛性板３２０等に固定することが可能となる。このことを反映して、後述するように、複数のユニットを使用する場合は、隣接するユニット同士を完全に一体化しても衝撃吸収性能はほとんど阻害されない。従って、複数のユニット３１０同士を溶接などでつないで１つの衝撃吸収装置を作ったとしても、それの設置場所の剛性体への固定は、両端の固定のみで足りる。
従って、上記実施例においては、１つのユニット３１０からなる装置について記述したが、それに限定されるものではなく、２つ以上のユニット３１０が積み重ねられても良い。その際ユニット同士の接続は溶接などによって一体化させるものとする。上述したように、１ユニットの両端面部において、半径方向のせん断応力を実質的にゼロとすることが可能なので、複数のユニットが積み重ねられた場合においても、各ユニットの変形モードを互いに実質的に同等にすることが可能となる。図１６（ａ）には３つのユニット３１０が垂直に積み重ねられている例を示している。更に、複数からなるユニットにおいて、各々のユニットの形状や材質等に差異を設けても良い。これにより、例えば、弱い衝撃エネルギの際のエネルギ吸収と強い衝撃エネルギの際のエネルギ吸収を別々のユニットに分担させることも可能となる。図１６（ｂ）には、肉厚の薄いユニット３１０と、肉厚の厚いユニット３１０’とが積み重ねられている例が示されている。この様な装置が乗物に備わっていれば、低速度での衝突から高速度での衝突まで幅広く搭乗者の安全を確保することが可能となる。また、複数のユニット３１０を水平方向に並べても良い。図１６（ｃ）には、２つのユニット３１０が並べて設置されている例が示されている。これにより、衝撃荷重を分散させて衝撃エネルギを吸収することが可能となる。
このように、本発明の第３実施例に係る衝撃吸収装置３００では、従来の衝撃吸収装置の衝撃吸収時に生じていた初期ピーク荷重や大きな荷重の変動、更に荷重の振幅波形内の細かな波形が発生せず、安定した状態で衝撃エネルギを吸収することが可能である。これは、荷重が限界点を越えた時に急激に変形する座屈現象を利用せずに、変形が進むのに伴って荷重が単調に増加する拡径・縮径、圧縮等の安定な変形現象を利用しているからである。更に、本発明の第３実施例に係る衝撃吸収装置３００は主な変形モードが第１部分３０１及び第２部分３０２における圧縮及び縮拡径、並びに接続部分３０３の影響による各部分の折りたたみであるため、不安定な座屈現象に比べて変形モードがより安定している。よって、寸法誤差、取り付け誤差、拘束条件の差異等のわずかな製造上や取り付け上の差異に起因する変形モードの変化を抑えることができる。更に、本発明の第３実施例に係る衝撃吸収装置３００は、第１部分３０１、第２部分３０２及び接続部分３０３の全体が一様に変形することによって衝撃エネルギが吸収されるため、エネルギ吸収効率、すなわち、単位重量当たりのエネルギ吸収量が従来の衝撃吸収装置に比べて高い。図２０に各衝撃吸収装置のエネルギ吸収効率を比較した表が示されている。本発明の第３実施例のエネルギ吸収効率は６２．１ＫＪ／Ｋｇを達成しており、従来の衝撃吸収装置に比べて約４．８倍のエネルギ吸収効率を有していることが判る。更に、構造がシンプルであるため、荷重ピーク、荷重−変位等の設計予測を容易に行うことができ、製造が容易になり、コストを低減することができる。更に、本実施例の衝撃吸収装置はユニットとして一体成形されているので、種々の荷重変位、エネルギの吸収コントロールを容易に行うことができる。また、一体成形によって、第１実施例の衝撃吸収装置が有するような縮径部材と拡径部材との間の相対すべり部分をなくせるので、装置自体の剛性が高く、曲げ、せん断、振動等に強く、必要箇所への取付けが容易となる。更に、上述したように、衝撃吸収装置３００の変形に際して第１部分３０１の外径はほとんど変化しない。よって、ユニット３１０の両端部を固定して使用することが可能となり、振動のある設置場所や斜め方向からの衝撃を受け得る設置場所等であっても所望の性能を発揮させることが可能となる。
次に、本発明の第４実施例を説明する。
図１７は本発明の第４実施例である衝撃吸収装置４００の断面図である。
本実施例の衝撃吸収装置４００は、２つの短円筒形状の第１部分４０１と、１つの短円筒形状の第２部分４０２と、２つの接続部分４０３とが一体成形されたユニット４１０からなる。具体的には、２つの第１部分４０１の間に１つの第２部分４０２が同心軸状に配置されており、第１部分４０１と第２部分４０２との間には接続部分４０３が存在している。第１部分４０１の内径は第２部分４０２の内径と同等であり、且つ、第１部分４０１の外径は第２部分４０２の外径よりも大きい。つまり、第１部分４０１の厚肉部の中間円筒の半径ｒ１は第２部分４０２の厚肉部の中間円筒の半径ｒ２に比べて大きい。かかる構造を実現するために、接続部分４０３は、その内径が第１部分４０１及び第２部分４０２の内径と同等であり、その外周壁がユニット４１０の同心軸Ｃに対して傾斜角度θ１で傾斜している。傾斜角度θ１は例えば４５°である。なお、該角度はかかる値に限定されるものではなく、想定する衝撃荷重の大きさ、エネルギ吸収の程度、衝撃吸収装置のサイズや材質等を考慮して最適な値が定められる。また、衝撃吸収装置４００は一般に剛性体によって介装されており、図１７ではかかる剛性体の例として剛性板４２０ａ、ｂが示されている。
衝撃吸収装置４００のユニット４１０はステンレス、アルミニウム合金、マグネシウム合金等の金属、セラミック、プラスチック等の材料から成形される。衝撃吸収部材４００の大きさは、例えば、第１部分４０１の内径が２１．２ｍｍ、肉厚が７ｍｍ、高さが６．８ｍｍであり、第２部分４０２の内径が２１．２ｍｍ、肉厚が４ｍｍ、高さが４０ｍｍであり、ユニット全体の高さは６０ｍｍである。なお、上記以外の他の寸法を採用しても良いが、第１部分４０１及び第２部分４０２の各々の高さはその座屈波長（λ）より短くなければならない。これにより第１部分４０１及び第２部分４０２は座屈変形することなく中心軸Ｃを中心とする軸対称の形を保ったまま軸方向に圧縮される。
衝撃吸収装置４００が中心軸Ｃ方向の衝撃荷重を受けた場合、傾斜部を有する接続部分によって第１部分４０１には軸方向に圧縮する力と内側に縮径変形する力が働く。所定の限界値以上の力が第１部分４０１に働いた場合、第１部分４０１は塑性変形し、よって衝撃エネルギが吸収される。他方、傾斜部を有する接続部分によって第２部分４０２には軸方向に圧縮する力と外側に拡径する力が働く。所定の限界値以上の力が第２部分４０２に働いた場合、第２部分４０２は塑性変形し、よって衝撃エネルギが吸収される。
上記した第１部分４０１及び第２部分４０２の変形は座屈変形ではなく、圧縮及び縮径・拡径変形である。かかる変形の様子を図１８（ａ）から（ｈ）に示す。図１８（ａ）〜（ｈ）は１ユニットの断面図のうち、片側のみが示されている。また各々の断面図には変形の程度がわかるように変形前の形状が点線で示されている。図１８（ａ）は衝撃吸収装置４００に荷重が働く前の状態である。図１８（ｂ）から（ｈ）には変形が進行していく様子が示されており、図１８（ｈ）は変形が完了した状態を示している。図１８（ａ）から（ｈ）に示されている様に、変形が進行するにつれて第１部分４０１は圧縮せしめられて肉厚が厚くなりつつ縮径変形しているのがわかる。また、第２部分４０２は圧縮せしめられて肉厚が厚くなりつつ拡径変形しているのがわかる。更に、変形が進行するにつれて接続部分４０３が折りたたまれているのが判る。ここで、第１部分４０１は、変形が進むにつれて外径は多少大きくなっていくが、内径はほとんど変化しないのが判る。この場合は、１ユニットの両端面部において、半径方向のせん断応力が実質的にゼロとなっている。この様に、ユニット４１０の形状等を適切に定めることにより、ユニットの両端面部を所望の変形モードに変形せしめることが可能となる。図１８ではユニットの両端面部において内径の変化が抑えられており、よって衝撃吸収性能を実質的に確保しつつ衝撃吸収装置４００の両端内周部分を例えば、接着剤、溶接、ロウ付け等によって剛性板４２０等に固定することが可能となる。このことを反映して、後述するように、複数のユニットを使用する場合は、隣接するユニット同士を完全に一体化しても衝撃吸収性能はほとんど阻害されない。従って、複数のユニット４１０同士を溶接などでつないで１つの衝撃吸収装置を作ったとしても、それの設置場所の剛性体への固定は、両端の固定のみで足りる。
従って、上記実施例においては、１つのユニット４１０からなる装置について記述したが、それに限定されるものではなく、２つ以上のユニット４１０が積み重ねられても良い。その際ユニット同士の接続は溶接などによって一体化させるものとする。上述したように、１ユニットの両端面部において、半径方向のせん断応力を実質的にゼロとすることが可能なので、複数のユニットが積み重ねられた場合においても、各ユニットの変形モードを互いに実質的に同等にすることが可能となる。図１９（ａ）には３つのユニット４１０が垂直に積み重ねられている例を示している。更に、複数からなるユニットにおいて、各々のユニットの形状や材質等に差異を設けても良い。これにより、例えば、弱い衝撃エネルギの際のエネルギ吸収と強い衝撃エネルギの際のエネルギ吸収を別々のユニットに分担させることも可能となる。図１９（ｂ）には、肉厚の薄いユニット４１０と、肉厚の厚いユニット４１０’とが積み重ねられている例が示されている。この様な装置が乗物に備わっていれば、低速度での衝突から高速度での衝突まで幅広く搭乗者の安全を確保することが可能となる。また、複数のユニット４１０を水平方向に並べても良い。図１９（ｃ）には、２つのユニット４１０が並べて設置されている例が示されている。これにより、衝撃荷重を分散させて衝撃エネルギを吸収することが可能となる。
このように、本発明の第４実施例に係る衝撃吸収装置４００では、従来の衝撃吸収装置の衝撃吸収時に生じていた初期ピーク荷重や大きな荷重の変動、更に荷重の振幅波形内の細かな波形が発生せず、安定した状態で衝撃エネルギを吸収することが可能である。これは、荷重が限界点を越えた時に急激に変形する座屈現象を利用せずに、変形が進むのに伴って荷重が単調に増加する拡径・縮径、圧縮等の安定な変形現象を利用しているからである。更に、本発明の第４実施例に係る衝撃吸収装置４００は主な変形モードが第１部分４０１及び第２部分４０２における圧縮及び縮拡径、並びに接続部分４０３の影響による各部分の折りたたみであるため、不安定な座屈現象に比べて変形モードがより安定している。よって、寸法誤差、取り付け誤差、拘束条件の差異等のわずかな製造上や取り付け上の差異に起因する変形モードの変化を抑えることができる。更に、本発明の第４実施例に係る衝撃吸収装置４００は、第１部分４０１、第２部分４０２及び接続部分４０３の全体が一様に変形することによって衝撃エネルギが吸収されるため、エネルギ吸収効率、すなわち、単位重量当たりのエネルギ吸収量が従来の衝撃吸収装置に比べて高い。図２０に各衝撃吸収装置のエネルギ吸収効率を比較した表が示されている。本発明の第４実施例のエネルギ吸収効率は５７．７ＫＪ／Ｋｇを達成しており、従来の衝撃吸収装置に比べて約４．４倍のエネルギ吸収効率を有していることが判る。更に、構造がシンプルであるため、荷重ピーク、荷重−変位等の設計予測を容易に行うことができ、製造が容易になり、コストを低減することができる。更に、本実施例の衝撃吸収装置はユニットとして一体成形されているので、種々の荷重変位、エネルギの吸収コントロールを容易に行うことができる。また、一体成形によって第１実施例の衝撃吸収装置が有するような縮径部材と拡径部材との間の相対すべり部分をなくせるので、装置自体の剛性が高く、曲げ、せん断、振動等に強く、必要箇所への取付けが容易となる。更に、第４実施例に係る衝撃吸収装置４００は、第１部分４０１、第２部分４０２及び接続部分４０３の内径が同等であるので、鋳造による製作に適しており、よって、製作がより容易である。更に、上述したように、衝撃吸収装置４００の変形に際して第１部分４０１の内径はほとんど変化しない。よって、ユニット４１０の両端部を固定して使用することが可能となり、振動のある設置場所や斜め方向からの衝撃を受け得る設置場所等であっても所望の性能を発揮させることが可能となる。
【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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