(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲げ変形を行うことでエネルギー吸収を行うエネルギー吸収構造部材であって、上記エネルギー吸収構造部材は中実の板材であり、
材料物性値に対して等方性または異方性を備えかつ引張・圧縮最大荷重および／または引張・圧縮最大変位量に差がある２種類以上の部材を、上記中実の板材の厚さ方向の全面を占める層または上記中実の板材の厚さ方向の一部の面を占める層にて、上記中実の板材の長手方向に対して交互に配置し、
前記２種類以上の部材の少なくとも一方は、任意の一方向に配向した異方性材料の薄層を、互いの配向方向が任意の角度をなして前記エネルギー吸収構造部材の長手方向に垂直に積層した構造であることを特徴とするエネルギー吸収構造部材。
【請求項２】
前記エネルギー吸収構造部材は、２種類以上の部材を交互配置した部分の層の上記エネルギー吸収構造部材長手方向の厚さ、もしくは上記エネルギー吸収構造部材の厚さに差を設けることで、引張・圧縮最大荷重および／または引張・圧縮最大変位に差を設けたことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー吸収構造部材。
【請求項３】
前記２種類以上の部材の少なくとも一方は、前記エネルギー吸収構造部材の長手方向に平行に配向した第１の薄層と、前記エネルギー吸収構造部材の長手方向に直角に配向した第２の薄層とを交互に積層した構造であることを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギー吸収構造部材。
【請求項４】
前記２種類以上の部材の少なくとも一方は、前記エネルギー吸収構造部材の長手方向に対して４５℃に配向した第１の薄層と、前記エネルギー吸収構造部材の長手方向に対して−４５℃に配向した第２の薄層とを交互に積層した構造であることを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギー吸収構造部材。
【請求項５】
前記２種類以上の部材の一方は、前記エネルギー吸収構造部材の長手方向に平行に配向した第１の薄層と、前記エネルギー吸収構造部材の長手方向に直角に配向した第２の薄層とを交互に積層した構造であり、前記２種類以上の部材の他方は、前記エネルギー吸収構造部材の長手方向に対して４５℃に配向した第１の薄層と、前記エネルギー吸収構造部材の長手方向に対して−４５℃に配向した第２の薄層とを交互に積層した構造であることを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギー吸収構造部材。
【請求項６】
前記２種類以上の部材は、繊維強化プラスチック、繊維強化金属、鉄、アルミニウム、および樹脂からなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のエネルギー吸収構造部材。
【請求項７】
直方体の中実材であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のエネルギー吸収構造部材。
【請求項８】
連結材を用いて、請求項１〜７のいずれかに記載の複数のエネルギー吸収構造部材を接合した構造を有することを特徴とするエネルギー吸収構造部材。
【請求項９】
長手方向に垂直な断面が略口字状の中空材であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のエネルギー吸収構造部材。
【請求項１０】
前記略口字状断面を有する中空材の内部に矩形の連結材を設けることによって断面が略日字状の中空材としたことを特徴とする請求項９に記載のエネルギー吸収構造部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用の衝撃吸収部材等に用いられる構造部材に係り、特に、曲げ変形を受けた際に小さな変形にて大きなエネルギーを吸収することができる構造部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の衝突時等に曲げ変形を受ける構造部材の従来技術の例として、ドア・サイドビーム材やバンパービーム材等として使用される衝撃吸収部材が挙げられる。これら構造材として設置されるフレームは単一材料を押出成形／プレス成形し、断面形状を閉断面化、大断面化して強度および剛性を上げ、衝突時のエネルギー吸収を図っている。
【０００３】
自動車の側面衝突時の変形モードを側部構造材であるセンターピラーを例に挙げて示すと、センターピラーは、上部サイドルーフレールと下部サイドシルを支点として折れ曲がるように３点曲げを受ける。図２（ａ）の模式図および図７の比較例１のグラフに示すように、この時の変形においては、荷重が最大強度に達した直後に構造材が破断して荷重が一気に減少するためエネルギー吸収量が少なく、車体の変形量も大きい。
【０００４】
この問題に対し、アルミ中空形材の引張面にＦＲＰ材を設けた、曲げ部材が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは圧縮側（図２において荷重Ｆのかかる上面）に塑性変形容易な部材を使用し、引張側（図２において下面）に高強度軽量部材を使用することで、圧縮側で衝撃吸収を受け持ち、引張側で変形量を少なくすることで大きなエネルギー吸収効率と小さな変形を実現しようとする技術である。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１０１７３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記の複合曲げ部材においては、圧縮側に塑性変形し易いアルミを使用しているため、エネルギー吸収量は圧縮側の降伏応力が支配的要因となってしまう。つまり引張側の高強度ＦＲＰ材はエネルギー吸収材としての寄与が低く、かつ、アルミを使用することで重量効率の向上にも限界がある。また、前記複合曲げ部材においてはＦＲＰとアルミがボルト接合されているが、これにより荷重付加に伴ってボルト接合部に応力集中が発生し、破断に至る危険性がある。ボルトの代わりに接着剤を用いても、接着剤の強度でビーム材全体の強度の上限値が決まってしまう。このように、前記曲げ部材では変形量は抑えられてもエネルギー吸収効率は従来の単一材料曲げ部材に比べ大幅に改善することができず、かつ、アルミとＦＲＰの接着部から破壊が起こる危険がある。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、短い変形ストロークと大きなエネルギー吸収効率を両立させ得るエネルギー吸収構造部材を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、曲げ変形を行うことでエネルギー吸収を行うエネルギー吸収構造部材であって、上記エネルギー吸収構造部材は中実材および板材であり、材料物性値に対して等方性または異方性を備えかつ引張・圧縮最大荷重および／または引張・圧縮最大変位量に差がある２種類以上の部材を、中実材および板材の厚さ方向の全面を占める層または中実材および板材の厚さ方向の一部の面を占める層にて、中実材および板材の長手方向に対して交互に配置し、２種類以上の部材の少なくとも一方は、任意の一方向に配向した異方性材料の薄層を、互いの配向方向が任意の角度をなしてエネルギー吸収構造部材の長手方向に垂直に積層した構造であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
以上の構成を有するエネルギー吸収構造部材によれば、材料物性値が異なる２種類以上の部材が交互に配置されているので、曲げ変形が加えられた際に、相対的に強度が大きい部材においては変形せずに荷重が発生し、相対的に強度が小さい部材においては変形して荷重を伝える。結果として、曲げ変形時の変形と破壊の領域を拡大することができ、短いストロークで曲げ変形の高いエネルギー吸収を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明のエネルギー吸収構造部材の好適な実施形態について説明する。
本発明のエネルギー吸収構造部材の一実施態様を図１に示す。図１は、部材Ａおよび部材Ｂからなる板状の長材であり、図１（ａ）に示すように、長材の長手方向に対し、部材Ａと、部材Ａとは材料物性値の異なる部材Ｂとが交互に積層されている。また、図１（ｂ）に示すように、長材の長手方向に垂直な断面で切った場合に、長材の一部に部材Ａと部材Ｂが交互に積層された形態とすることもできる。
【００１２】
１種類の均質な部材からなる従来の構造部材では、図２（ａ）に示すように、荷重Ｆが与えられた際に応力が局所的に集中し、荷重が最大強度に達した直後に破断し、その際の変位量（ひずみ）Ｓが大きいのに対し、本発明のエネルギー吸収構造部材では、図２（ｂ）に示すように、相対的に強度が低い部材を積層した複数の箇所において破断が生じるため、荷重が分散し、変位量Ｓが少ない。すなわち、短い変形ストロークと大きなエネルギー吸収効率を両立させ得る構造部材を提供することができる。
【００１３】
図３に、本発明のエネルギー吸収構造部材の他の実施態様を示す。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、部材Ａおよび部材Ｂからなる本発明のエネルギー吸収部材に対して、任意の材質からなる連結材Ｃを接続して用いることもできる。また、図３（ｃ）に示すように中空断面を有する中空材Ｄの中に本発明のエネルギー吸収構造部材を配置したり、図３（ｄ）に示すように本発明のエネルギー吸収構造部材からなる中空材を作製し、さらにその中にエネルギー吸収構造部材を配置することも可能である。
【００１４】
部材Ａおよび部材Ｂを構成する物質としては、互いに異なる物性、すなわち変形して荷重を伝える特性と、大きな荷重を発生する特性とを有する範囲においては特に限定されない。そのような物質としては、例えば、等方性または異方性を備えた材料が挙げられ、具体的には、繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと略称）や繊維強化金属（以下、ＦＲＭと略称）等の繊維強化材料、鉄、アルミ等の金属、各種樹脂等が挙げられる。
【００１５】
変形して荷重を伝える特性を有する部材Ｂとして、上述のように等方性あるいは異方性を有する材料いずれをも使用することができるが、特に、異方性を有する材料を積層する場合、異方性材料を任意の方向に配向させて配置することによって、所望の性質を有する部材Ｂを作製することができる。例えば、繊維が平行に設けられたＦＲＰやＦＲＭの繊維方向と長材の長手方向を同一に配向させて部材Ｂを積層した場合、長手方向の圧縮・引張に対して繊維方向と荷重方向が同一で拮抗するため、荷重が大きい。一方、ＦＲＰやＦＲＭの繊維方向を長材の長手方向と直角に配向させて部材Ｂを積層した場合は、繊維が荷重に対して拮抗しないので、荷重が大きい。
【００１６】
さらに、本発明では、ＦＲＰやＦＲＭの繊維方向が互いに異なる複数の板状部材を用意し、これらを積層して部材Ｂとすることもできる。そのようなエネルギー吸収構造部材の例を図４に示す。図４（ａ）は、長材の長手方向に対して繊維が平行な部材と直角な部材を交互に積層して部材Ｂを設けた例であり、図４（ｂ）は、長材の長手方向に対して繊維を４５°および−４５°に配向させた部材を交互に積層して部材Ｂを設けた例である。このようにして、部材Ｂの材料物性に変化を与えることができる。
【００１７】
図４（ａ）、（ｂ）に示すエネルギー吸収構造部材に対する引張における物性値を応力−変位量（ひずみ）線図で表したグラフを図５に示す。図５のグラフから明らかなように、０°／９０°配向の部材はひずみと応力が正比例の関係にあり、加えられるひずみに対して強い応力が発生するが、４５°／−４５°配向の部材は、ひずみが増大してもほぼ一定以上の応力は発生しない。つまり、前者には強くて脆い特性を、後者には弱くて伸びる特性を与えることができる。
【００１８】
このような異なる性質を有する部材のそれぞれの役割と、これらの性質を組み合わせた場合の効果について以下に説明する。
強くて脆い材料のみで構成したビーム材は、引張・圧縮強度が高いため、大きな曲げモーメントに耐えて高い荷重を発生することができる。しかしながら、曲げモーメントが荷重部でピーク値を取ることから、最大荷重発生部は荷重周辺に限定され、変形・破壊領域が限定されるのでエネルギー吸収が少ない（図２（ａ）参照）。一方、弱くて伸びる材料の場合は、耐えられる曲げモーメント値は強くて脆い材料に比べて低いものの、低い荷重で大きく変形するため、変形領域が大きい。
【００１９】
したがって、強くて脆い材料で構成したビームの間に、弱くて伸びる材料を挟み込むことによって、変形の拡大・荷重負荷の分散を実現し、曲げモーメントの分布を分布荷重時のように荷重部から周辺部に向かって広げることができる（図２（ｂ）参照）。それにより、荷重部以外に配置された強くて脆い材料にも大きな曲げモーメントがかかり、荷重を発生することができる。
【実施例】
【００２０】
以下、実施例および比較例によって本発明のエネルギー吸収構造部材をより詳細に説明する。
［実施例１］
長さ６００ｍｍ、幅５０ｍｍの長材であって、中央部長手方向９５ｍｍの区間に材料物性の異なる部材Ｂ（カーボン繊維（商品名ＨＴＡ、東邦テナックス（株）製）およびマトリクス（エポキシ樹脂＃１１２）からなるＦＲＰ）を複数箇所配置した長材Ａ１〜Ａ３を作製し、連結部材によって断面王字上に連結し、図６（ａ）に示す実施例１の構造部材を作製した。図６（ａ）に示すように、Ａ１〜Ａ３には、いずれも長材の幅方向のうちの半分に部材Ｂを設けた。部材Ｂの幅は２ｍｍ、同じ長材内で隣接する部材Ｂどうしの配置間隔は１５ｍｍとした。
【００２１】
なお、部材ＢにおけるＦＲＰの配向状態は図４において説明した方法に準じ、一方向に繊維が配向したＦＲＰ薄層を、長材の厚さ方向を０°として下記の角度に配向させて複数積層して作製した。
Ａ１：（４５°／０°／９０°／１３５°／０°／９０°の６層）×３層
Ａ２：（４５°／０°／１３５°の３層）×６層
Ａ３：（４５°／１３５°の２層）
【００２２】
［比較例１］
長さ６００ｍｍ、幅５０ｍｍであって、交互配置部分を有さない均質な長材３枚を連結部材によって断面王字状に連結し、図６（ｂ）に示す比較例１の構造部材を作製した。
【００２３】
実施例１および比較例１の構造部材を用いて、平行方向に強制変位および強制荷重を加えた３点曲げ試験結果を行い、その結果を図７のグラフに示した。図７から明らかなように、比較例１の構造部材では、初期においては変位に比例して急激に荷重が発生し、ある点で局所的に破断が生じて一気に荷重が低下する。一方、実施例１の構造部材では、変位が大きい箇所が分散しているため、局所的な破断が生じず、全体として荷重の低下がなく維持される。その結果、大きなエネルギー吸収量を得ることができる。
【００２４】
［比較例２］
全体に繊維強化材料（部材Ａ）を用いた中空矩形断面を有する図８（ａ）に示す筒状の構造部材（長さ６００ｍｍ、断面５０ｍｍ×５０ｍｍ）を作製した。
【００２５】
［比較例３］
比較例２の構造部材の中空断面構造内部に、同材料（部材Ａ）からなる長材を配置し、中空矩形＋単純縦板断面を有する図８（ｂ）に示す構造部材を作製した。
【００２６】
［実施例２］
比較例２と同材料（部材Ａ）からなる中空矩形断面を有する構造部材（長さ６００ｍｍ、断面５０ｍｍ×５０ｍｍ）のうち長手方向中央部の９５ｍｍの区間の、図８（ｃ）において頂壁の長材の幅方向に、上記材料（部材Ａ）とは材料物性の異なる部材Ｂ（カーボン繊維（商品名ＨＴＡ、東邦テナックス（株）製）およびマトリクス（エポキシ樹脂＃１１２）からなるＦＲＰ）を配置し、部材Ａおよび部材Ｂを長手方向に交互に配置し、さらに側壁の長材の幅方向の半分の幅にて部材Ｂを長手方向に交互に配置し、実施例２の交互配置中空矩形断面を有する構造部材を作製した。部材Ｂの長手方向の幅は２ｍｍ、隣接する部材Ｂどうしの配置間隔は１５ｍｍとした。
【００２７】
なお、部材ＢにおけるＦＲＰの配向状態は図４（ｂ）において説明した方法と同様に、一方向に繊維が配向したＦＲＰ薄層を、長材の厚さ方向を０°として４５°および１３５°に配向させて交互に複数積層して作製した。
【００２８】
［実施例３］
実施例２の構造部材の中空断面構造内部に、部材Ａおよび部材Ｂを交互に配置した構造を有する長材を配置し、交互配置中空矩形＋交互配置縦板断面を有する図８（ｄ）に示す構造部材を作製した。なお、この長材の部材Ｂは、図４（ａ）において説明した方法と同様に、一方向に繊維が配向したＦＲＰ薄層を、長材の厚さ方向を０°として０°および９０°に配向させて交互に複数積層して作製した。
【００２９】
これらの構造部材において長材と平行方向に強制変位および強制荷重を加えた３点曲げ試験を行い、その結果を図９に示す。図９から明らかなように、比較例２および比較例３の構造部材では、初期においては変位に比例して急激に荷重が発生し、荷重点部で局所的に破断が生じて一気に荷重が低下する。一方、実施例２および実施例３の構造部材では、変位が大きい箇所が分散しているため、変位量（ひずみ）の分布が長手方向に広くなりひずみが分散することで局所的な破断を生じさせずに荷重を維持する領域ができ、エネルギー吸収量が増加する。特に実施例３では、中空構造内部に長材が配置されているので、長手方向にひずみがより分散し、その結果、大変大きなエネルギー吸収量を得ることができる。
【００３０】
また、実施例２，３および比較例２，３の構造部材において衝撃試験を行い、エネルギー吸収効率の測定結果を図１０に示す。図１０の縦軸は単位重量あたりのエネルギー吸収量を示す。図１０に示すように、均質な材料から作製した従来の構造部材と比較して、部材Ａと部材Ｂの交互配置構造を有する実施例２の構造部材はエネルギー吸収量が約２倍であり、これに縦板を追加した実施例３の構造部材では約３倍もの吸収量を有することが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明のエネルギー吸収構造部材は、エネルギー吸収量が多く変形量が少ない特性を有するので、自動車用の衝撃吸収部材等として応用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のエネルギー吸収構造部材の実施態様を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は従来の構造部材の荷重Ｆと破断時の変位量Ｓを示す模式図であり、（ｂ）は本発明のエネルギー吸収構造部材の荷重Ｆと破断時の変位量Ｓを示す模式図である。
【図３】本発明のエネルギー吸収構造部材の実施態様を示す斜視図である。
【図４】（ａ）は繊維強化材料中の繊維が０°／９０°配向した材料を積層したエネルギー吸収構造部材を示す斜視図であり、（ｂ）は繊維が４５°／−４５°配向した材料を積層したエネルギー吸収構造部材を示す斜視図である。
【図５】０°／９０°配向部材と４５°／−４５°配向部材の引張試験における変位量（ひずみ）と応力の関係を示すグラフである。
【図６】実施例および実施例における構造部材を示す斜視図である。
【図７】実施例および比較例における変位量（ひずみ）と荷重の関係を示すグラフである。
【図８】実施例および比較例における構造部材を示す斜視図である。
【図９】実施例および比較例における構造部材の変位量（ひずみ）と荷重の関係を示すグラフである。
【図１０】実施例および比較例における構造部材のエネルギー吸収効率の比較結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
Ａ    部材Ａ
Ｂ    部材Ｂ
Ｃ    連結材
Ｄ    中空材
Ｆ    荷重
Ｓ    変位量（ひずみ）
【図１】
0004422674.tif 000002
【図２】
0004422674.tif 000003
【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】
0004422674.tif 000008
【図８】
0004422674.tif 000009
【図９】
0004422674.tif 000010
【図１０】
0004422674.tif 000011