JP2005524032A - 力制限エネルギー吸収体 - Google Patents

Abstract

力制限エネルギー吸収体は、金属ワイヤ、異形金属ワイヤ、金属ストランド、未撚金属ワイヤの束、および金属ロープからなる群から選択される少なくとも第１および第２細長金属要素（１２、１３）を備えている。細長金属要素（１２、１３）は、エネルギーを吸収するためにその負荷−伸び線図の塑性域において変形可能である。第１細長金属要素（１２）の負荷−伸び線図および破断伸びは、第２細長金属要素（１３）の負荷−伸び線図および破断伸びとは異なる。

Description

本発明は、力制限エネルギー吸収体に関する。また、本発明は、例えば、安全ベルト、耐鞭打ちシート、ヘッドクッション、救命索、安全索のような種々の安全装置での力制限吸収体の使用に関する。

力制限吸収体、エネルギー管理装置、またはエネルギー消散構造体は、当該技術分野において知られている。
米国特許第４，９０４，０２３Ａ号明細書は、引張応力の方向に並べて配置される一連の伸縮性部材を備える力制限エネルギー吸収体を開示している。
米国特許第６，２６７，３１４Ｂ１号明細書は、トーションロッドを備える力制限エネルギー吸収体を開示している。
欧州特許第０７１５９９７Ａ１号明細書は、一連の撓み可能なビームを有する帯金を備える力制限エネルギー吸収体を開示している。

本発明の目的は、代替的力制限エネルギー吸収体を提供することにある。
本発明の他の目的は、安価に製造される力制限吸収体を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、予め決められた特徴に適合させることができる力制限吸収体を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、安全システム内に容易に組み込むことができる力制限吸収体を提供することにある。

本発明によれば、力制限エネルギー吸収体は、金属ワイヤ、異形金属ワイヤ、金属ストランド、未撚金属ワイヤの束、および金属ロープからなる群から選択される少なくとも第１および第２細長金属要素を備えている。この第１および第２細長金属要素は、エネルギーを吸収するため、それらの負荷−伸び線図の塑性域内において変形可能である。本発明によるエネルギー吸収体は、第１細長金属要素の負荷−伸び線図および破断伸びが第２細長金属要素の負荷−伸び線図および破断伸びとは異なっている点に特徴がある。

細長金属要素は、金属ワイヤ、異形金属ワイヤ、金属ストランド、未撚金属ワイヤの束、および金属ロープからなる群から選択される。このような細長金属要素として用いられるかまたは細長金属要素として用いられる金属ストランド、ロープ、またはそれらの束を設けるのに用いられるワイヤの半径方向の断面は、円形に制限されず、異形、例えば、矩形またはＩ形状であってもよい。矩形の断面を有する細長金属要素の場合、その矩形の断面は第１（短辺）側と第２（長辺）側を有し、短辺側／長辺側の比率は好ましくは１／２０未満である。本発明による力制限エネルギー吸収体を設けるのに用いられる細長金属要素の断面は、好ましくは、０．００２ｍｍ²から７００ｍｍ²の範囲内にある。

金属ロープ、金属ストランド、または金属コードと比較して、金属ワイヤは単位容積の金属につきより多くのエネルギーを吸収する。従って、上記において、金属ワイヤが撚り構造を有するのが好ましい。

細長金属要素を設けるために、いくつかの金属または金属合金、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、亜鉛または亜鉛合金などが用いられてもよい。しかし、最も好ましくは、鋼合金が用いられる。

好ましくは、第１または第２細長金属要素は、５％よりも大きい、例えば、７％よりも大きい不可逆的可塑性破断伸びを有している。本発明の具体的な実施形態において、細長金属要素は、低炭素鋼ワイヤ、すなわち、０．２０％未満の炭素量を有する鋼ワイヤである。この鋼ワイヤは、焼鈍されていて、２０％よりも大きい、例えば、３０％よりも大きい破断伸びを有している。ほんの１％の伸びの後、その力はすでに最大力の８０％に達し、その後、わずかしか増加しない。すなわちこの焼鈍された低炭素鋼ワイヤは塑性域において一定の力に至る力−伸び線図を有している。

伸びの開始時において、力の増大が高すぎる場合、例えば、第１および／または第２細長金属要素を１対の歯付きホイール間において塑性変形することによって、それらに１つ以上の凹凸、波形、または襞を設け、その結果として、構造的な伸びを細長金属要素内に導入し、負荷−伸び曲線の初期の傾斜をそれほど高くならないようにするとよい。

第１および第２細長金属要素を有する本発明による力制限エネルギー吸収体の作用について、以下に述べる。
第１細長金属要素は第１負荷−伸び線図および破断伸びε₁を有し、第２細長金属要素は第２負荷−伸び線図および破断伸びε₂を有する。
第１伸びε₁は第２伸びε₂よりも小さい。例えば、ε₂はε₁の２倍よりも大きい。
このような力制限エネルギー吸収体は２段で作用することができる。例えば、衝突直後の第１相において、力は第１相に続く第２相における力よりも大きい。第１相において、第１細長金属要素は、極めて急速にその最大力に達し、最大伸びε₁、例えば、７％またはそれよりも大きい値になるまで、そのレベルで保たれる。第１細長金属要素が最大伸びに達したときに、第１細長金属要素は破断し、第２細長金属要素が引き継ぎ、力が低レベルに下がる。その力はかなり大きい伸びε₂、例えば、約２０％よりも大きい、さらに３０％以上の値になるまで、ほぼ一定に保たれる。

一例として、このような力制限エネルギー吸収体は、例えば、比較的低炭素量、すなわち、２０％未満の炭素量を有し、焼鈍が施されて、２０％よりも大きい伸びε₂を有する鋼ワイヤを第２細長金属要素として用いることによって、実現されるとよい。第１細長金属要素としての他の鋼ワイヤは、比較的高炭素量、すなわち、０．６０％よりも高い炭素量を有し、最終的な応力緩和処理が施されて、約５％から７％の伸びが得られるとよい。

エネルギー吸収体が２つ以上の細長金属要素を備えてもよいことは、明らかである。付加的な細長金属要素の各々は、異なる負荷−伸び線図および破断伸びを有していてもよい。可能であれば、付加的な細長金属要素のいくつかは第１または第２細長金属要素と同一であってもよい。こうして、互いに等しい細長金属要素の組を定めてもよい。

当業者であれば、２組以上の細長金属要素、例えば、２、３、４、さらに５組の異なる細長金属要素を用いて、２つ以上の相を設けることができることが理解されよう。

すべての細長金属要素は、好ましくは、本質的に同一の長さを有している。

本発明の具体的な実施形態において、細長金属要素は素地に埋設される。いくつかのポリマー、好ましくは、熱可塑性ポリマーが素地として用いられるとよい。このような熱可塑性ポリマーとして、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエステル（ＰＥＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、スチレンアクリロニトリル（ＳＡＮ）、アクリロニトリルーブタジエンースチレン（ＡＢＳ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、熱可塑性ポリオレフィン（ＴＰＯ）、熱可塑性コポリエーテルエステルなどが挙げられる。あるいは、天然または合成ゴムが素地として用いられてもよく、または細長金属要素は、金属素地、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、あるいは亜鉛または亜鉛合金に埋設されてもよい。

好ましくは、細長金属要素と素地との間に化学結合が形成される。

当業者であれば、力制限エネルギー吸収体が、他の部分、例えば、（最大負荷制限を越えて負荷されたときに力制限エネルギー吸収体とそれが用いられているシステムを保全し、負わされている最大伸びを距離拘束によって制限する）伸びデリミター、力制限エネルギー吸収体がエネルギーを吸収したことを知らせる制御部、および力制限エネルギー吸収体を外体に接続する固定手段をさらに備えてもよいことが理解されよう。

自動車安全ベルトシステムにおける本発明による力制限エネルギー吸収体の作用について、以下に説明する。自動車の衝突中に、自動車の速度は落ちる。最初は、運転手と同乗者は減速しない。そこで、運転手と同乗者は自動車に対して加速される。この加速は、自動車に対して運転手と同乗者の移動を制限する安全ベルトシステムによって防がれるべきである。従って、安全ベルトシステムは一定の減速を与え、自動車に対する運転者と同乗者の動きを拘束する。しかし、この力は制限されなければならない。安全ベルトから運転手または同乗者への力が高すぎると、深刻な損傷、例えば、骨折または内出血をもたらすことがある。安全ベルトによって運転手または同乗者にかかる力は制限されるべきであり、これは力制限エネルギー吸収体によってなされる。

自動車が衝突したとき、自動車のごく初期の減速は問題にならない。この初期の変形は衝撃ビームのレベルである。この減速が運転手および他の同乗者に直接的に負わされる場合もある。自動車の変形が進行するにつれて、自動車の減速は増大する。従って、自動車に対する運転手または同乗者の加速およびその関連する力が増大する。このような加速を相殺するために安全ベルトが運転者または同乗者に与える対応力は、過度に高くなるだろう。運転手または同乗者の運動は最大許容力下において制御されなければならない。これはエネルギーを不可逆的に吸収する力制限エネルギー吸収体によってなされる。運転手と同乗者のこの減速は、ある時間範囲にわたって広がる。これは、エアバッグのような他の安全システムの作用および距離拘束も考慮すれば、可能な限り大きくなる。
力を不可逆的に制限することによって、弾性的スプリングバックも制限され、鞭打ちまたは他の損傷の可能性を減少させ得る。

本発明において、安全ベルトシステムが運転手または同乗者に与える力は、細長金属要素、例えば、鋼ワイヤを、可能であればその細長金属要素が破断するまで、塑性変形域内において伸張させることによって、本質的に一定に保たれる。このように、細長金属要素、例えば、金属ワイヤは、好ましくは、５％よりも大きい、例えば、７％よりも大きい不可逆的可塑性破断伸びを有している。このような塑性伸びを得ることによって、力制限エネルギー吸収体は、安全ベルトを着用している運転手または同乗者のエネルギーを吸収する。

本発明による力制限エネルギー吸収体の種々の他の用途において、対象物のエネルギーを、同様の機能によって、すなわち、力制限エネルギー吸収体の細長金属要素に不可逆的可塑性伸びを生じさせることによって、吸収する。このような用途として、例えば、耐鞭打ち装置およびシート、安全ベルト、高所作業者の安全索または安全留め、異なる対象物の係留用途、安全ネットまたは安全トランポリンなどが挙げられる。

以下、本発明を添付の図面を参照してさらに詳細に説明する。

本発明による力制限エネルギー吸収体１１の実施形態が図１に示されている。第１細長金属要素は、鋼ワイヤ１２として設けられている。この鋼ワイヤ１２は、１．４４ｍｍの直径を有し、０．８０％のＣ、０．４０〜０．７０％のＭｎ、０．１０〜０．３５％のＳｉ、最大０．０４％のＳ、最大０．０４％のＰを含む鋼合金からなる。硬質の引抜鋼ワイヤは、パテンチング処理が施さているので、その破断伸びは少なくとも７％である。

第２および追加的な細長金属要素は、６本の他の鋼ワイヤ１３として設けられている。これらの鋼ワイヤ１３は、１．４６ｍｍの直径を有し、０．１０％のＣ、０．６％未満のＭｎ、０．３％未満のＳｉ、最大０．０３５％のＳ、および最大０．０３５％のＰを含む焼鈍された低炭素鋼からなる。

本質的に互いに平行なこれらの７本のワイヤは、合成ゴムの素地１４内に埋設されている。ワイヤとゴム素地は化学的に付着されている。この化学的付着は、ワイヤへの適切な皮膜を用いることによって、改良されるとよい。ゴムの場合、このような皮膜は真鍮または青銅皮膜であるのが好ましい。

図２に示されるように、力制限エネルギー吸収体１１に伸び動作が与えられたとき、ワイヤ１２および１３の両方に作用が及ぼされるのは明らかである。

伸び動作の第１相２１において、（左側の目盛にニュートン（Ｎ）で表される）力は第１相に続く第２相２２における力よりも大きい。第１相２１において、高炭素鋼ワイヤ１２は急速にその最大力レベル２４に達し、最大伸び２６、この実施形態においては、７．８％に達するまでそこに保持される。最大伸びに達したとき、高炭素鋼ワイヤは負荷−伸び曲線の塑性変形域において最も大きく変形し、次いで、高炭素鋼ワイヤ１２は破断する。１本、または好ましくは、多数本の低炭素鋼ワイヤ１３は、さらに残りのエネルギーを吸収する。力制限エネルギー吸収体によって吸収される力は、低炭素鋼ワイヤ１３の破断荷重の合計である低レベル２５まで下がる。力制限エネルギー吸収体が約２２％のより高い伸び２７、すなわち、それらの塑性変形域の終端に至るまで、力はそこにほぼ一定に保持される。この実施形態の場合、各ワイヤ１３は相次いで破断する。可能であれば、いくつかまたは全てのワイヤ１３が同時に破断するとよい。この場合、さらに高い伸び２７が得られる。第３相２３はゴム素地の伸びと破断によって生じる。

力制限エネルギー吸収体１１の負荷−伸び曲線２１１の形状がワイヤ１２および１３の特性によって定まることは明らかである。ワイヤ１２および１３の負荷−伸び曲線は、それぞれ、図２において曲線２１２および２１３として示されている。負荷−伸び曲線は１００ｍｍのゲージ長さで測定されている。

曲線の開始時において力の増大が高すぎる場合、１つ以上の襞、例えば、４２ｍｍの波長および２ｍｍの振幅を有する正弦波の形状の襞を備えるワイヤ１２が設けられるとよい。このような襞付きワイヤの負荷−伸び曲線は、図２において曲線２１２ａとして示されている。ワイヤ１２の代わりに、このような襞が付けられ、さらにワイヤ１２と同一の特性を有するワイヤを備える力制限エネルギー吸収体は、力制限エネルギー吸収体の負荷−伸び曲線において同一の変化を示す。

図３は、安全ベルトシステム３１への本発明による力制限エネルギー吸収体３２の使用を示している。力制限エネルギー吸収体は、ベルト３６の舌片３５の挿入のためのベルトバックル３４と車両構造体との間に取り付けられている。あるいは、図４に示されるように、力制限エネルギー吸収体４１は、ベルト４３付きベルトリトラクター４４と車両構造体４２との間に取り付けられている。

本発明による力制限エネルギー吸収体の概略図である。 図１の力制限エネルギー吸収体、およびこの力制限エネルギー吸収体を設けるために用いられるワイヤの負荷−伸び曲線を示す。 力制限エネルギー吸収体を備える安全ベルトシステムを概略的に示す。 力制限エネルギー吸収体を備える安全ベルトシステムを概略的に示す。

Claims (14)

1. 少なくとも第１および第２細長金属要素を備える力制限エネルギー吸収体であって、前記細長金属要素は金属ワイヤ、異形金属ワイヤ、金属ストランド、未撚金属ワイヤの束、および金属ロープからなる群から選択され、前記細長金属要素がエネルギーを吸収するためにその負荷−伸び線図の塑性域において変形可能であるような力制限エネルギー吸収体において、前記第１細長金属要素の前記負荷−伸び線図および破断伸びは、前記第２細長金属要素の前記負荷−伸び線図および破断伸びとは異なることを特徴とする力制限エネルギー吸収体。
2. 前記第１および前記第２細長金属要素は、本質的に同一の長さを有することを特徴とする請求項１に記載の力制限エネルギー吸収体。
3. 前記細長金属要素は、金属ワイヤであることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１つに記載のエネルギー吸収体。
4. 前記第１および前記第２細長金属要素は、少なくとも５％の破断伸びを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のエネルギー吸収体。
5. 前記細長金属要素は、細長鋼要素であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のエネルギー吸収体。
6. 前記第１細長金属要素は、０．２０％未満の炭素量を有し、２０％よりも大きい破断伸びを有することを特徴とする請求項５に記載のエネルギー吸収体。
7. 前記第２細長金属要素は、０．６０％よりも高い炭素量を有することを特徴とする請求項５〜６のいずれか１つに記載のエネルギー吸収体。
8. 前記細長金属要素の少なくとも１つに波形形状が設けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のエネルギー吸収体。
9. 前記エネルギー吸収体は、付加的な細長金属要素をさらに備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載のエネルギー吸収体。
10. 前記付加的な細長金属要素は、前記第１または前記第２細長金属要素と同一であることを特徴とする請求項９に記載のエネルギー吸収体。
11. 前記細長金属要素は、素地内に埋設されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載のエネルギー吸収体。
12. 前記素地は、ポリマー素地であることを特徴とする請求項１１に記載のエネルギー吸収体。
13. 化学結合が前記細長金属要素と前記素地との間にもたらされることを特徴とする請求項１１または１２に記載のエネルギー吸収体。
14. 請求項１〜１３のいずれか１つに記載のエネルギー吸収体を１つ以上備える安全ベルト。
    

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