JP2005022512A - 輸送機械用骨格構造部材 - Google Patents

Abstract

【解決手段】輸送機械の骨格部材１１内の空間１６及び／又は骨格部材１１とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に複数の粉粒体１７を充填した骨格構造部材１２であって、骨格部材１１及び／又はパネル部材に、空間１６の内部圧力が上昇したときに粉粒体１７を噴出させるとともに内部圧力に応じて開放量を変化させる切り込み１４を設けた。
【効果】骨格構造部材に外部から荷重が作用して空間の内部圧力が上昇した場合に、空間の内部圧力に応じて粉粒体噴出部の開放量を変化させ、粉粒体の噴出量を変化させることができ、空間の内部圧力をほぼ一定に保てる。従って、骨格構造部材に部材全体の折れ曲がりなどの局部的な変形が発生せず、骨格構造部材で支持できる荷重が低下しないため、支持できる荷重が大きな状態をより大きな変位量まで維持できて、骨格構造部材の吸収エネルギー量をより増加させることができる。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両、産業車両、船舶、航空機、自動車、自動二輪車等の輸送機械用骨格構造部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
骨格構造部材として、骨格部材に粉粒体を充填したもの（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照。）や骨格部材にゲルを充填したもの（例えば、特許文献４参照。）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１９３６４９公報（第９−１０頁、図１−図４）
【特許文献２】
米国特許第４６１０８３６号公報（第３−５欄、図１、図２）
【特許文献３】
米国特許第４６９５３４３号公報（第３−５欄、図１、図２）
【特許文献４】
特開平９−１３６６８１号公報（第１１頁、図９Ａ）
【０００４】
特許文献１を図７で説明し、特許文献２を図８で説明し、特許文献３を図９で説明する。
図７は従来の骨格構造部材を説明する第１拡大断面図であり、骨格構造部材の内部に挿入するために複数の粉粒体を結合して固めた固形化粉粒体２００は、粉粒体２０１…（…は複数個を示す。以下同じ。）と、これらの粉粒体２０１…を固形にするために粉粒体２０１…のそれぞれの間に満たした樹脂、接着剤等のバインダ２０２とからなり、粉粒体２０１を構造的に密に型に投入した後、バインダ２０２を流し込んで形成する。この固形化粉粒体２００は、車体等の骨格部材内に挿入することで骨格構造部材を形成するものであり、車体の強度、剛性の向上を図る。
【０００５】
図８は従来の骨格構造部材を説明する第２拡大断面図であり、骨格構造部材の内部に挿入するために複数の粉粒体を結合して固めた固形化粉粒体２１０は、接着剤２１１をコーティングした粉粒体としてのガラス製の小球体２１２…からなり、これらの小球体２１２…をガラス繊維製のクロスで包み、骨格部材内に満たすことで骨格構造部材を形成する。特許文献３にも同様の構造が記載されている。
【０００６】
図９は従来の骨格構造部材を示す第３拡大断面図であり、骨格構造部材２２０は、ロアー・パネル２２１，２２２間にゲル２２３を充填したものである。なお、２２４はロアー・パネル２２２に開けたオリフィス、２２５はオリフィス２２４を塞ぐキャップである。
【０００７】
例えば、車両衝突等で、ゲル２２３に過大な圧力が発生したときに、その圧力でキャップ２２５を外し、ゲル２２３を噴出させることで衝撃エネルギーを吸収する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以下に、骨格構造部材に荷重を加えて強制的に崩壊させる圧潰試験の方法及びこの方法で図７〜図９に示した従来の骨格構造部材の圧潰試験を行った結果を示す。
【０００９】
図１０（ａ）〜（ｃ）は従来の骨格構造部材の圧潰試験の内容を示す説明図であり、（ａ），（ｂ）は圧潰試験の方法、（ｃ）は圧潰試験の結果を示す。
（ａ）において、中空の四角形断面とした骨格部材２３１に粉粒体を充填した骨格構造部材２３２に、白抜き矢印で示すように軸方向の圧縮荷重、即ち荷重Ｆを加えて強制的に変形させる。
【００１０】
（ｂ）において、骨格構造部材２３２の変位量、詳しくは、荷重を加えるために骨格構造部材２３２の端部に当てる押圧片の変位量をλとすると、変位量λが大きくなるにつれて、骨格構造部材２３２は、蛇腹状に座屈変形するか、図に示したようなＺ字形、又はくの字形に屈曲変形する。
【００１１】
（ｃ）は（ａ），（ｂ）のように変形させたときの骨格構造部材の荷重Ｆと変位量λとの関係を説明するグラフであり、縦軸は荷重Ｆ、横軸は変位量λを表す。また、試料としては、内部に充填材を充填せずに骨格部材のみにした比較例１（未充填）、図７に示した粉粒体をバインダで結合した比較例２（粉粒体バインダ結合）、図８に示した小球体を接着剤で結合した比較例３（小球体接着剤結合）、これらの比較例２及び比較例３よりも低強度の粉粒体を充填した比較例４（低強度粉粒体）の４種である。
【００１２】
比較例１では、荷重Ｆは小さいが、骨格部材が蛇腹状に潰れるために変位量λは大きい。
このときの変位量ｄ１は骨格部材が潰れ切ったときの変位量であり、外部から加えたエネルギーを有効に吸収できる有効ストローク（即ち、ゼロからｄ１までの変位量λ）である。この有効ストローク後は荷重Ｆが急激に立ち上がる。
比較例２〜比較例４については有効ストロークまでのデータをグラフ中に描いた。
【００１３】
また、比較例１の線と横軸とで挟まれる部分の有効ストローク範囲における面積は、比較例１の骨格構造部材の吸収エネルギー量を表し、この吸収エネルギー量を有効ストロークで割った値が図中の荷重ｆ１となる。即ち、この荷重ｆ１は比較例１の平均荷重である。
【００１４】
このことから、骨格構造部材の吸収エネルギー量をより増加させるには、高い平均荷重と長い有効ストロークが必要である。
比較例２（図７で説明した骨格構造部材（粉粒体バインダ結合））では、平均荷重は非常に大きくなるが変位量λはそれほど大きくならない。これは、粉粒体の結合が極めて強固であるために、変形の初期に、骨格構造の内部圧力が過度に上昇してＺ字形又はくの字形に屈曲し、その後は荷重が急激に減少したことによる。従って、吸収エネルギー量は比較例１に対してそれほど増加しない。
【００１５】
比較例３（図８で説明した骨格構造部材（小球体接着剤結合））では、比較例２と同様の理由で、平均荷重は大きくなるが変位量λはそれほど大きくならず、吸収エネルギー量は比較例１に対してあまり増加しない。
【００１６】
比較例４（低強度粉粒体）では、粉粒体自体が潰れやすいために、骨格構造部材の内部圧力の上昇はそれほど急激ではなく、前述のＺ字形又はくの字形に屈曲することがないため、変位量λは比較例２及び比較例３よりも大きくなるが、粉粒体が骨格構造部材内に止まるために比較例１よりも変形量λは小さくなる。また、平均荷重は小さく、結果として、吸収エネルギー量は小さくなる。
以上の結果より、骨格構造部材の平均荷重を高め、これと同時に有効ストロークを伸ばすことは難しい。
【００１７】
また、図９に戻って、骨格構造部材２２０では、内部にゲル２２３を充填するため、骨格構造部材２２０に荷重が作用した場合に、ゲル２２３が円滑に流動してオリフィスから噴出するため、骨格構造部材２２０の変形中は内部圧力はほぼ一定に保たれる。従って、局部的な変形は発生しないから、比較的大きな荷重を大きな変位量まで維持することが可能になる。
【００１８】
しかし、骨格構造部材内に粉粒体を充填した場合は、粉粒体同士の摩擦力のために粉粒体の流動は上記のゲル２２３の流動に比べてスムーズに行われないから、内部圧力を一定に保つことは難しい。
この内容を以下の図１１〜図１３で詳細に説明する。
【００１９】
図１１（ａ）〜（ｃ）は従来の骨格構造部材の変形の作用を示す第１作用図であり、図９に示した骨格構造部材２２０と同様に、粉粒体を排出する構造にした骨格構造部材について説明する。
（ａ）において、骨格構造部材２４０は、骨格部材２４１と、この骨格部材２４１内に充填した粉粒体２４２…と、粉粒体２４２…を排出するために骨格部材２４１に開けたドレイン穴２４３を塞ぐキャップ２４４とからなる。
【００２０】
（ｂ）において、骨格構造部材２４０に白抜き矢印で示すように軸方向の圧縮荷重、即ち荷重Ｆを加える。
これにより、骨格部材２４１の内部圧力が急激に増加し、粉粒体２４２…がキャップ２４４（（ａ）参照）を押し退け、ドレイン穴２４３から外部に噴出する。
【００２１】
（ｃ）において、粉粒体２４２…が噴出した部分の近傍の粉粒体２４２…の内部圧力が低下して、骨格構造部材２４０のドレイン穴２４３に近い部分の強度が小さくなり、この部分を起点にして全体が折れ曲がる又は屈曲する。これにより、骨格構造部材２４０で支えられる荷重は非常に小さくなる。従って、骨格構造部材２４０の吸収エネルギー量は少ない。
【００２２】
図１２（ａ）〜（ｄ）は従来の骨格構造部材の変形の作用を示す第２作用図であり、図１１と同様なドレイン穴を複数個設けた骨格構造部材を示す。
（ａ）において、骨格構造部材２５０は、骨格部材２５１と、この骨格部材２５１内に充填した粉粒体２４２…と、骨格部材２５１に開けた粉粒体２４２…のドレイン穴２５２，２５３をそれぞれ塞ぐキャップ２５４，２５６とからなる。
【００２３】
（ｂ）において、骨格構造部材２５０に白抜き矢印で示すように軸方向の圧縮荷重、即ち荷重Ｆを加える。
これにより、骨格部材２５１の上部の内部圧力が急激に増加し、粉粒体２４２…が上方のキャップ２５４（（ａ）参照）を押し退け、ドレイン穴２５２から外部に噴出する。
【００２４】
（ｃ）において、粉粒体２４２…が噴出した部分の近傍の粉粒体２４２…の内部圧力が低下し、骨格構造部材２５０のドレイン穴２５２に近い部分の強度が小さくなって、この部分を起点にして全体が折れ曲がる又は屈曲する。
【００２５】
更に、骨格部材２５１の下部の内部圧力が増加して、粉粒体２４２…が下方のキャップ２５６（（ｂ）参照）を押し退け、ドレイン穴２５３から外部に噴出するため、（ｄ）に示すように、上記と同様にドレイン穴２５３に近い部分を起点にして屈曲する。
このように、ドレイン穴２５３に近い部分で屈曲が発生し、全体が折れ曲がるために、荷重が著しく変動し、結果的に吸収エネルギー量は増加しない。
【００２６】
図１３は従来の骨格構造部材の圧潰試験の結果を示すグラフであり、図１１及び図１２に示した骨格構造部材２４０，２５０の結果を説明する。
ドレイン穴を１ヶ所設けた比較例５（骨格構造部材２４０（図１１参照））では、荷重Ｆは小さく、変位量λの最大値も小さいため、吸収エネルギー量は少ない。
【００２７】
ドレイン穴を複数ヶ所設けた比較例６（骨格構造部材２５０（図１２参照））では、荷重Ｆが大きく変動しながら比較的大きな変位量ｄ２まで変位する。
図中のｆ２は比較例２の平均荷重であり、それほど大きくないために、結果として吸収エネルギー量はさほど多くならない。
【００２８】
そこで、本発明の目的は、輸送機械用骨格構造部材の吸収エネルギー量をより増大させることにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、輸送機械の骨格部材内の空間及び／又は骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に複数の粉粒体を充填した骨格構造部材であって、骨格部材及び／又はパネル部材に、空間の内部圧力が上昇したときに粉粒体を噴出させるとともに内部圧力に応じて開放量を変化させる粉粒体噴出部を設けたことを特徴とする。
【００３０】
骨格構造部材に外部から荷重が作用して空間の内部圧力が上昇した場合に、空間の内部圧力に応じて粉粒体噴出部の開放量を変化させ、粉粒体の噴出量を変化させることができるため、空間の内部圧力をほぼ一定に保つことができる。従って、骨格構造部材に部材全体の折れ曲がりなどの局部的な変形が発生せず、骨格構造部材で支持できる荷重が低下しないため、支持できる荷重が大きな状態をより大きな変位量まで維持することができて、骨格構造部材の吸収エネルギー量をより増加させることができる。
【００３１】
請求項２は、粉粒体噴出部を切り込みとしたことを特徴とする。
粉粒体噴出部を切り込みとしたことで、切り込みを容易に形成することができ、骨格構造部材に要するコストを低減することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１（ａ），（ｂ）は本発明に係る骨格構造部材の斜視図である。
（ａ）は中空とした骨格部材１１内に粉粒体を充填した輸送機械用骨格構造部材１２（以下、単に「骨格構造部材１２」と記す。）を示す。なお、１３，１３は骨格部材１１の両端を塞ぐ端部閉塞部材である。
骨格部材１１は、端部閉塞部材１３，１３を含めた六面体の少なくとも一つの壁１１ａに粉粒体噴出部としての切り込み１４を設けた部材である。
（ｂ）において、切り込み１４は、例えば、Ｘ字状に形成したものである。なお、１５…は切り込み１４を形成したことで出来る山形部である。
【００３３】
図２は図１（ａ）の２−２線断面図であり、骨格構造部材１２は、骨格部材１１内の空間１６内に粉粒体１７…を充填したものである。なお、粉粒体１７の粒径が切り込み１４の幅よりも小さい場合には、粉粒体１７が外部に流出しないように、例えば、粉粒体１７…を予め袋又は容器に詰め、この袋又は容器を空間１６内に挿入してもよい。
【００３４】
図３（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る骨格構造部材の作用を示す作用図であり、骨格構造部材１２を圧潰試験で強制的に変形させたときの変化を説明する。
（ａ）は骨格構造部材１２に荷重を加える前の状態を示す。
（ｂ）において、骨格構造部材１２に軸圧縮荷重Ｆを加える。これにより、骨格部材１１内の空間１６に内部圧力が発生する、即ち、粉粒体１７同士に圧力が作用し、また、骨格部材１１の内面にも粉粒体１７から圧力が作用する。
【００３５】
この内部圧力が大きくなるにつれて、切り込み１４が大きく開くようになり、この切り込み１４から粉粒体１７…が外部に噴出して、内部圧力がそれ以上に増加するのを防ぐ。
内部圧力が小さいときは、切り込み１４の開放量は少ない、即ち、山形部１５の開く度合は小さい。
【００３６】
（ｃ）において、軸圧縮荷重が更に大きくなって、空間１６の内部圧力が（ｂ）のときよりも更に大きくなると、内部圧力に応じて切り込み１４の開放量は更に多くなり、即ち、山形部１５の開く度合は更に大きくなり、切り込み１４からの粉粒体１７…の噴出量も多くなる。この結果、空間１６の内部圧力が低下し、内部圧力をほぼ一定に保つことができる。
このように、切り込み１４は、内部圧力に応じて開放量が変化する部分であり、山形部１５は、内部圧力に応じて開く度合が変化する部分である。
【００３７】
図４は本発明に係る骨格構造部材の圧潰試験の結果を示すグラフであり、図１０に示した方法と同じ方法で圧潰試験を実施した結果を示す。縦軸は荷重Ｆ、横軸は変位量λを表す。
骨格構造部材に切り込みを設けた実施例（切り込み）では、その平均荷重をｆ３とすると、この平均荷重ｆ３は、比較例６（ドレイン穴複数ヶ所）の平均荷重ｆ２よりも大きく、更に、変位量λの最大値も大きい、即ち有効ストロークが長いため、各比較例に比べて吸収エネルギー量をより増大させることができる。
【００３８】
図５（ａ）〜（ｈ）は本発明に係る骨格構造部材の切り込みの変形例を示す要部正面図である。なお、図中の各切り込みの上方が荷重を作用させる側である。
（ａ）は八方に延ばした切り込み２１を示す。なお、２２…は山形部である。
（ｂ）は２つの円弧からなる切り込み２４を示す。なお、２５，２６，２６，２７は山形部である。
【００３９】
（ｃ）はＸ状の切り込みの中央に穴を開けた切り込み３１を示す。なお、３２…は山形部である。
（ｄ）はＸ字状の切り込みの中央及び各端部に穴を開けた切り込み３４を示す。なお、３５…は山形部である。
【００４０】
（ｅ）は骨格部材の長手方向に沿って設けた直線状の切り込み３７を示す。なお、３８，３８は切り込み３７の側方部であり、内部圧力に応じて開く程度が変化する部分である。ここで、直線状の切り込みを骨格部材の長手方向に直交する方向に形成してもよい。
（ｆ）はＶ字状の切り込み４１を示す。なお、４２は山形部である。
【００４１】
（ｇ）はＷ字状の切り込み４４を示す。なお、４５，４５，４６は山形部である。
（ｈ）は三方に延ばした切り込み４８を示す。なお、５１…は山形部である。
【００４２】
図６（ａ），（ｂ）は本発明に係る骨格構造部材の粉粒体噴出部の別の実施の形態を示す断面図である。
【００４３】
（ａ）は骨格部材１１の壁１１ａの内面に粉粒体噴出部としての切削部６１を設けたことを示す。
このような切削部６１を骨格部材１１に設けることで、骨格部材１１内の空間の内部圧力が増加したときに、切削部６１を起点にして亀裂を発生させ、内部圧力に応じて亀裂の開放量を変化させ、外部に噴出する粉粒体の量を変化させ、内部圧力を一定に保つ。
【００４４】
（ｂ）は骨格部材１１の壁１１ａの内面に塑性変形による粉粒体噴出部としての打ち込み部６３を設けたことを示す。打ち込み部６３（（ａ）参照）の作用は切削部６１と同じである。
【００４５】
以上の（ａ），（ｂ）で説明したように、骨格部材１１の内面に切削部６１又は打ち込み部６３を設けることで、骨格部材１１が変形中に切削部６１又は打ち込み部６３に応力を集中させ、破断、即ち亀裂を発生させるようにした。この亀裂が前述の切り込みに相当する。
【００４６】
切削部６１及び打ち込み部６３は、それぞれ一本の溝として形成してもよいし、あるいは、壁１１ａの内面に対して垂直な方向から見たときは、例えば、図５に示した各切り込みの形状と同様な溝として形成してもよい。
【００４７】
切削部６１及び打ち込み部６３は壁１１ａを貫通していないため、骨格部材１１に荷重が作用しない状態では、粉粒体が外部に流出することがなく、取り扱い性を向上させることができる。
【００４８】
以上の図１（ａ），（ｂ）及び図３で説明したように、本発明は第１に、輸送機械の骨格部材１１内の空間１６及び／又は骨格部材１１とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に複数の粉粒体１７を充填した骨格構造部材１２であって、骨格部材１１及び／又はパネル部材に、空間１６の内部圧力が上昇したときに粉粒体１７を噴出させるとともに内部圧力に応じて開放量を変化させる粉粒体噴出部としての切り込み１４を設けたことを特徴とする。
【００４９】
骨格構造部材１２に外部から荷重が作用して空間１６の内部圧力が上昇した場合に、空間１６の内部圧力に応じて切り込み１４の開放量を変化させ、粉粒体１７…の噴出量を変化させることができるため、空間１６の内部圧力をほぼ一定に保つことができる。従って、骨格構造部材１２に部材全体の折れ曲がりなどの局部的な変形が発生せず、骨格構造部材１２で支持できる荷重が低下しないため、支持できる荷重が大きな状態をより大きな変位量まで維持することができて、骨格構造部材１２の吸収エネルギー量をより増加させることができる。
【００５０】
本発明は第２に、粉粒体噴出部を切り込み１４としたことを特徴とする。
粉粒体噴出部を切り込み１４としたことで、切り込み１４を容易に形成することができ、骨格構造部材１２に要するコストを低減することができる。
【００５１】
尚、本実施の形態では、骨格部材内の空間に粉粒体を充填したが、これに限らず、粉粒体を、骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に充填してもよいし、骨格部材内の空間と、骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間との両方に充填してもよい。
【００５２】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１の輸送機械用骨格構造部材は、骨格部材及び／又はパネル部材に、空間の内部圧力が上昇したときに粉粒体を噴出させるとともに内部圧力に応じて開放量を変化させる粉粒体噴出部を設けたので、骨格構造部材に外部から荷重が作用して空間の内部圧力が上昇した場合に、空間の内部圧力に応じて粉粒体噴出部の開放量を変化させ、粉粒体の噴出量を変化させることができるため、空間の内部圧力をほぼ一定に保つことができる。従って、骨格構造部材に部材全体の折れ曲がりなどの局部的な変形が発生せず、骨格構造部材で支持できる荷重が低下しないため、支持できる荷重が大きな状態をより大きな変位量まで維持することができて、骨格構造部材の吸収エネルギー量をより増加させることができる。
【００５３】
請求項２の輸送機械用骨格構造部材は、粉粒体噴出部を切り込みとしたので、切り込みを容易に形成することができ、骨格構造部材に要するコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る骨格構造部材の斜視図
【図２】図１（ａ）の２−２線断面図
【図３】本発明に係る骨格構造部材の作用を示す作用図
【図４】本発明に係る骨格構造部材の圧潰試験の結果を示すグラフ
【図５】本発明に係る骨格構造部材の切り込みの変形例を示す要部正面図
【図６】本発明に係る骨格構造部材の粉粒体噴出部の別の実施の形態を示す断面図
【図７】従来の骨格構造部材を説明する第１拡大断面図
【図８】従来の骨格構造部材を説明する第２拡大断面図
【図９】従来の骨格構造部材を示す第３拡大断面図
【図１０】従来の骨格構造部材の圧潰試験の内容を示す説明図
【図１１】従来の骨格構造部材の変形の作用を示す第１作用図
【図１２】従来の骨格構造部材の変形の作用を示す第２作用図
【図１３】従来の骨格構造部材の圧潰試験の結果を示すグラフ
【符号の説明】
１１…骨格部材、１２…輸送機械用骨格構造部材、１４，２１，２４，３１，３４，３７，４１，４４，４８…粉粒体噴出部（切り込み）、１６…空間、１７…粉粒体、６１，６３…粉粒体噴出部（切削部、打ち込み部）。

Claims (2)

1. 輸送機械の骨格部材内の空間及び／又は骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に複数の粉粒体を充填した骨格構造部材であって、
   前記骨格部材及び／又は前記パネル部材に、前記空間の内部圧力が上昇したときに前記粉粒体を噴出させるとともに内部圧力に応じて開放量を変化させる粉粒体噴出部を設けたことを特徴とする輸送機械用骨格構造部材。
2. 前記粉粒体噴出部は切り込みであることを特徴とする請求項１記載の輸送機械用骨格構造部材。

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