JP2006027435A

JP2006027435A - 衝撃吸収部材

Info

Publication number: JP2006027435A
Application number: JP2004209217A
Authority: JP
Inventors: Jogen Yamaki; 状元山木; Daisei Abe; 大生阿部; Yuta Urushiyama; 雄太漆山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-07-15
Also published as: JP4118264B2; DE102005033216B4; US20060011435A1; DE102005033216A1; US7404474B2

Abstract

【課題】構造部材に使用される衝撃吸収部材であって、従来よりもさらに大きなエネルギー吸収量を実現する衝撃吸収部材を提案する。
【解決手段】本発明によれば、衝撃吸収部材に対して、２種以上のシート状部分材を、長手方向に対して交互に配置してシート状長手部材を形成し、このシート状長手部材を衝撃吸収部材の面部材の全ての層、または一部の層に用いる。したがって、この衝撃吸収部材に対して衝撃による荷重が加わったときに、２種以上のシート状長手部材により、荷重と歪みの方向が複雑に分散され、荷重と変形の集中を回避することで、衝撃エネルギーを衝撃吸収部材の広範囲を破壊するエネルギーに置換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、衝撃吸収部材に関する。さらに詳しくは、構造部材に使用される、高い比エネルギー吸収量を有した衝撃吸収部材に関する。

従来より、軽量な構造部材として、アルミに加えて、繊維強化材料が使われている。複合材料のうち材料を繊維で強化したものは、繊維強化材料とよばれ、繊維強化ゴム（ＦＲＲ）、繊維強化金属（ＦＲＭ）、繊維強化セラミックス（ＦＲＣ）、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が知られている。特に、ＦＲＰは、マトリクス（素地）としてプラスチックを使用したもので、強化材としては一般に、ガラスやカーボン等の繊維が使用されることが知られている。

繊維強化プラスチックの強化材としてカーボン繊維を使用したものは、カーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）とよばれ、先端複合材料の中核に位置し、軽量、高強度、高弾性率材料として、航空分野、宇宙分野等に欠くことのできない構造材料として知られている。ＣＦＲＰ材は、カーボン繊維の配向に応じて異なる構造及び性質を持つ、ユニダイレクショナル材（ＵＤ材）や、クロス材が知られている。ＵＤ材は、カーボン繊維をうすく一方向に並べてエポキシ樹脂等により成型した素材形態である。一方、クロス材はカーボン繊維を織物状に編みこんで、エポキシ樹脂等により成型した素材形態である。これらのＣＦＲＰは鉄の約２５％の重量と軽量ながら、耐熱性、耐蝕性がある。

一方、構造部材の一例として、自動車等の車両においては、乗員の保護対策のために、フロントピラー、センターピラー、リアピラー等の自動車側部に使用されるビーム材に対して、さらに優れた衝撃エネルギー吸収が期待されている。また、これらのピラーの材料においては、さらなる燃費向上のため、軽いものが望ましく、アルミニウム材もしくはアルミニウム合金材が知られている。これらの材料よりもさらに軽く、エネルギー吸収率がよい衝撃吸収材料が望まれている。

例えば、自動車の側部構造材に設置されるフレームは、単一材料を押出成型やプレス成型し、断面形状を閉断面化、大断面化して強度、剛性を上げ、衝突時のエネルギー吸収を図っている。一般に、側面衝突時の変形モードとしては、センターピラーを例に挙げると、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な３点曲げを受ける。従って、側部構造材としては、３点曲げの荷重に対する耐久力が強く、曲げによるたわみが小さくなることが望まれる。

さらに、ピラー用の衝撃吸収部材としてアルミニウム材もしくはアルミニウム合金材（以下、単にアルミ）が使用された場合、同じ重量で大きな断面２次モーメントを得るために、中空構造が採用されている。このようなアルミ等のビーム材を使用したときの変形においては、加わる荷重が最大強度に達した直後に荷重強度が急激に減少するという性質がある。これは、加わる荷重が降伏点を越えると、小さな荷重で容易に衝撃吸収部材を変形させることができるため、一度、降伏点を越えると車体の変形量が大きいことを意味する。即ち、降伏点を越えたとたんに耐えうる荷重が小さくなり、小さい荷重で大きな車体の変形を生じるため、荷重と変位の積で算出されるエネルギー吸収量は結果的に小さくなる。これに対して、ピラー用の衝撃吸収部材として望ましい性質は、荷重が最大強度に達して降伏点を越えた後、降伏点近傍の荷重が引き続き加わっても、一定の変位に達するまでは荷重強度を保持し続けるというものである。

これに関し、特許文献１は、アルミ中空形材の引張面側にＦＲＰ材を隣接して一体化させた部材が提案されている。これは圧縮面側に塑性変形容易な部材を使用し、引張面側に高強度軽量部材を使用することで、圧縮面側で衝撃吸収を受け持ち、引張面側では面の変形量を少なくすることで大きなエネルギー吸収と小さな変形を実現しようとする技術である。
特開平０６−１０１７３２号公報

しかし、特許文献１の衝撃吸収部材では、荷重がかかる衝撃吸収部材の一点に荷重と変形が集中するため、衝撃吸収部材の吸収エネルギー量は、大部分が圧縮面の面部材の強度に依存し、そのエネルギー吸収量は飽和してしまう。さらに、特許文献１の衝撃吸収部材においては、アルミとＦＲＰがボルトにより接合されているが、このような構造であると、荷重による変形に伴ってボルト接合部に応力集中が発生し、この発明特有の利点を発揮する以前に接合部から破断に至る可能性がある。ボルトの代わりとして接着剤を使用しても、接着剤の強度でビーム剤全体の強度の上限値が決まってしまう。

そこで、衝撃荷重が加わった際に、衝撃吸収部材の一点に荷重と変形が集中することを回避することで、変形に伴った応力集中をも回避し、衝撃吸収部材全体の吸収エネルギー率を、従来よりも向上することが望まれていた。

本発明においては、従来よりもエネルギー吸収効率が向上した衝撃吸収部材を提供することを目的とする。

そこで、本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、衝撃吸収部材として、引張荷重特性、引張変位特性、圧縮荷重特性、圧縮変位特性、もしくはこれらの組み合わせによって特徴付けられる２種以上のシート状部分材を、長手方向に対して交互に配置してシート状長手部材を形成し、このシート状長手部材を衝撃吸収部材の面部材の全ての層、または一部の層に用いた衝撃吸収部材が、衝撃に対するエネルギー吸収性能を向上できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のような衝撃吸収部材を提供する。

（１）長手方向と短手方向を有し、この長手方向に対して略直角に曲げ変形を行うことにより衝撃の吸収を行う衝撃吸収部材であって、シート状部材を積層させ形成した面部材により平面又は曲面を囲み形成する中空長材であり、引張最大荷重特性、圧縮最大荷重特性、及び引張最大変位特性、圧縮最大変位特性からなる群から選択される一以上の特性によって特徴付けられる２種以上のシート状部分材を、前記長手方向に対して交互に配置してシート状長手部材を形成し、このシート状長手部材を前記面部材の全ての層又は一部の層に用いた衝撃吸収部材。

（２）前記シート状部分材が、繊維強化材からなる（１）に記載の衝撃吸収部材。

（３）前記繊維強化材は、繊維方向を略一方向に揃えたシート状ＵＤ材である（２）記載の衝撃吸収部材。

（４）前記シート状ＵＤ材の繊維方向が、長手方向０度であり、これに積層される他のシート状ＵＤ材の繊維方向が、長手方向９０度であり、これらのシート状ＵＤ材が積層されたシート状部分材と、前記シート状ＵＤ材の繊維方向が、長手方向４５度であり、これに積層される他のシート状ＵＤ材の繊維方向が、長手方向−４５度であり、これらのシート状ＵＤ材が積層されたシート状部分材と、を前記長手方向に対して交互に配置したシート状長手部材を、前記面部材の全ての層又は一部の層に用いた（３）に記載の衝撃吸収部材。

（５）前記繊維強化材が、繊維強化材料である（３）又は（４）記載の衝撃吸収部材。

（６）前記衝撃吸収部材の面部材の厚みが、前記シート状部分材の種類によって異なる（１）から（５）いずれか記載の衝撃吸収部材

（７）（１）から（６）いずれか記載の衝撃吸収部材を構造部材に用いた自動車。

（８）長手方向と短手方向を有し、シート状部材を積層させ形成した面部材により平面又は曲面を囲み形成する中空長材であり、引張最大荷重特性と、圧縮最大荷重特性と、引張最大変位特性と、圧縮最大変位特性とからなる群のうち一以上の特性によって特徴付けられる２種以上のシート状部分材を、前記長手方向に対して交互に配置してシート状長手部材を形成し、このシート状長手部材を前記面部材の全ての層又は一部の層に用いた衝撃吸収部材を用いることで、エネルギーの吸収を向上させる方法。

本発明においては、衝撃吸収部材に対して、引張最大荷重特性、圧縮最大荷重特性、引張最大変位特性、圧縮最大変位特性もしくはこれらの組み合わせによって特徴付けられる２種以上のシート状部分材を、長手方向に対して交互に配置してシート状長手部材を形成し、このシート状長手部材を衝撃吸収部材の面部材の全ての層、または一部の層に用いる。したがって、この衝撃吸収部材に対して衝撃による荷重が加わったときに、単一の部材により面部材が形成されている場合とは異なり、２種以上のシート状長手部材により、荷重と歪みの方向が複雑に分散され、荷重と変形の集中を回避することで、衝撃エネルギーを衝撃吸収部材の広範囲を破壊するエネルギーに置換することができる。結果として、従来よりも比エネルギー吸収量を向上させた衝撃吸収部材を提供することができる。

本発明によれば、衝撃吸収部材に対して衝撃による荷重が加わったときに、２種以上のシート状長手部材により、荷重と歪みの方向が複雑に分散され、荷重と変形の集中を回避することで、衝撃エネルギーを衝撃吸収部材の広範囲を破壊するエネルギーに置換することができる。結果として、従来よりも衝撃エネルギー吸収率を増加させた衝撃吸収部材を提供することができる。

以下、本発明に好適な実施形態の一例について、図を参照しながら説明する。

本発明の好適な実施形態に係る衝撃吸収部材１０１、１０２を自動車５０のセンターピラー１０に適用した例を図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示した。図１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、本発明は、例えば、自動車の側面部の側突による衝撃に対して充分なエネルギー吸収を実現した衝撃吸収部材１０１、１０２を提供することを目的とする。その他の適用例としては、例えば、自動車のフロントピラーや、リアピラーに使用されてもよいし、自動２輪、自転車、航空機、電車等の乗物の構造部材や、建築の構造部材等に使用されてもよい。

衝撃吸収部材１０１、１０２は、長手方向と短手方向を有し、衝撃時には、長手方向に対して略直角に曲げ変形を行うことにより衝撃の吸収を行う。衝撃吸収部材１０１、１０２は、面部材からなり、この面部材が平面又は曲面を囲み形成した中空形状である。面部材は、薄いシート形状の部材であるシート状部材を積層させて形成される。シート状部材は、繊維強化ゴム（ＦＲＲ）、繊維強化金属（ＦＲＭ）、繊維強化セラミックス（ＦＲＣ）、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、鉄、アルミ、樹脂等からなる。このシート状部材のうち物性の異なる２種以上の材料を、衝撃吸収部材の長手方向に対して交互に配置して、シート状長手部材を形成する。このシート状長手部材のみを積層することにより、衝撃吸収部材の面部材としてもよいし、シート状長手部材と、シート状部材とを積層させて、面部材としてもよい。

すなわち、シート状部分材を交互に配置することで、シート状長手部材を形成し、このシート状長手部材を、シート状長手部材もしくは、上述のその他のシート状部材と積層することにより、衝撃吸収部材の面部材を形成する。また、図８（ｂ）のように、基材となる中空長材に対して、種類の異なる２種類のシート状部分材（シート状部分材２０、シート状部分材２１）を交互に配置することで、シート状長手部材を形成し、中空長材の面部材としてもよい。

図１（ｃ）にて示した、圧縮面とは、衝撃による荷重を直接的に受ける面であり、自動車の側面とほぼ平行な面である。また、荷重により主に圧縮応力を受ける面であってもよい。引張面とは、圧縮面と対面した面であって、衝撃による荷重を間接的に受ける面である。また、衝撃による荷重により主に引張り応力を受ける面であってもよい。さらに、衝撃吸収部材の側面とは、圧縮面に対して略直角の面であって、衝撃による荷重を間接的に受ける面である。また、側面は、衝突時の荷重により主にせん断応力か圧縮力もしくはその両方の力を受ける面であり、自動車の側面に対して直角な面であってもよい。

衝撃吸収部材１０１、１０２は、例えば、繊維強化材を使用した場合には、強化繊維として、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、玄武岩繊維を使用することが可能であり、これらの繊維の母材として、エポキシ樹脂、ポリプロピレン、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、アルミを採用できる。これらの母材と強化繊維との結合においては、繊維方向を略一方向に揃えたシート状ＵＤ材を積層したものであってもよいし、繊維を織り込んだクロス材であってもよい。

ＵＤ材は、繊維強化材の素材形態である。強化繊維をほぼ一方向に揃えて固めたシート状繊維強化材をシート状ＵＤ材とし、このシート状ＵＤ材の繊維方向を揃えて積層したものを、一方向ＵＤ材とする。一方向ＵＤ材は、繊維方向の引張強度が強いため、異方性を有する繊維強化材料である。衝突吸収部材１０１では、一例として、引張面と圧縮面に一方向ＵＤ材が採用されている。また、一方向ＵＤ材とは異なり、繊維方向が積層する層ごとに異なっていてもよい。例えば、衝撃吸収部材１０１、１０２の各面部材は、一のシート状ＵＤ材の繊維方向に対して、一定の角度を有するように、次に積層されるシート状ＵＤ材の繊維方向を向けて積層させている。

クロス材は、繊維強化材の素材形態であって、繊維強化材の強化繊維の構造として繊維を織り込むことで織物状に配向したシート状繊維強化材、又はこのシート状繊維強化材を積層した繊維強化材である。即ち、クロス材とは、強化繊維の套を一本もしくは複数本ずつ編むことで平面を構成し、その平面に樹脂等のマトリクスを使用し固めた繊維強化材である。織物状を形成するための編み方としては、平織りや綾織りであってよい。一方向ＵＤ材とは異なり、一般に、クロス材は、その強度においては等方性を有する繊維強化材料である。

シート状長手部材を形成するシート状部分材としては、繊維強化プラスチック、繊維強化金属を用いて、この素材形態として、ＵＤ材、クロス材を採用したものであってもよいし、その他の素材形態を有する繊維強化プラスチック、繊維強化金属であってもよいし、鉄、アルミ、樹脂等であってもよい。

繊維強化材を面部材に用いた場合には、繊維強化材の繊維方向により、この材料の荷重特性が異なる。繊維方向とは、繊維を組み合わせて繊維強化材を形成する際に、繊維を一方向に揃えることにより決定される繊維の向きである。また、衝撃吸収部材の面に対して一の繊維方向による角度が定まり、これを繊維配向角度（配向角）と呼ぶ。繊維配向角度は、衝撃吸収部材の重心を通り衝撃吸収部材の長手方向に延びる中心軸と繊維方向から定まる角度である。例えば、長手方向３０度の配向角を備えたシート状ＵＤ材はシート状ＵＤ材(３０度)とする。

衝撃吸収部材１０１、１０２では、一例として、シート状ＵＤ材（０度）とシート状ＵＤ材（９０度）とを１層ごと積層したシート状部分材と、シート状ＵＤ材（４５度）とシート状ＵＤ材（−４５度）とを１層ごと積層したシート状部分材とを、長手方向に対して交互に配置して、シート状長手部材を形成している。図では一例として、四角柱、円柱の衝撃吸収部材を示したが、後述するように、構造部材として適切な形状でよい（図１１参照）。

また、衝撃吸収部材の面部材を構成する全ての層が、シート状長手部材でなくてもよく、面部材の一部の層にのみ、シート状長手部材が採用されていてもよい。例えば、ＵＤ材またはクロス材を面部材として全面に用いた部材を衝撃吸収部材の骨格とし、この骨格に２種以上の部分的衝撃吸収部材を長手方向に対して交互に配置することで、衝撃吸収部材を形成してもよい。

さらに、衝撃吸収部材１０１、１０２では、２種類のシート状部分材を用いているが、２種類以上のシート状部分材を採用して、シート状長手部材としてもよい（図１１（ｂ）参照）。

繊維強化材の衝撃吸収部材が、従来のアルミに比べて高い荷重特性を持つことを説明する。衝撃吸収を、衝撃吸収部材の長手方向から略直角に曲げ変形することで実現する部材について、曲げモーメントから考察する。

一般に、梁の曲げにおいては、図２のように衝撃吸収部材１００に垂直応力が発生し、衝撃吸収部材１００の中心軸からの距離ｙ、微小面積ｄＡ、衝撃吸収部材の強度σとすると、ｙσｄＡのモーメントが生じる。従って、梁中央部断面に作用する曲げモーメントは、式（１）のように表される。

ここで、強度σは繊維強化材の構造及び、配向角により調整することが可能であり、アルミよりも高強度に設定が可能である。例えば、一方向ＵＤ材（配向角０度）（東レ（株）製カーボン繊維Ｔ７００Ｓ、マトリクスにエポキシ樹脂を採用）の強度は２６００ＭＰａであり、クロス材の強度は７９８ＭＰａである。これに対して、アルミ（５０００系）の強度は２７０ＭＰａ（ヤング率７１ＧＰａ、破壊歪み１４％、ポアソン比０．３）と小さい。従って、中心軸からの距離ｙが等しいアルミと繊維強化材（ＦＲＰ材）では、繊維強化材（ＦＲＰ材）の方が、強度が大きいため、耐えうる曲げモーメントが大きくなり、より大きい荷重特性を持つことができる。

さらに、繊維強化材は、荷重が付加されても衝撃吸収部材の断面が変化しないため、高いエネルギー吸収性能を持つことを説明する。衝撃吸収部材が完全塑性体と仮定した場合、梁の塑性曲げモーメントＭ_ｐは式（２）のように表される（図３参照）。

ここで、σ_ｙは降伏点応力、ｙ_１は中立軸から圧縮面までの距離、ｙ_２は中立軸から引張面までの距離、Ａが衝撃吸収部材の中央部断面積である。対応する各変数は、図３（ａ）に記した。

図３（ｂ）は、衝撃吸収部材としてアルミを使用した際に、降伏点近傍まで荷重を加えることで変形したアルミの形状を示す模式図である。図に示されるように、アルミの場合には、荷重による変形に伴ってアルミ７の中央部断面積Ａの値が減少する。それに伴って、中立軸から圧縮面、引張面までの距離ｙ_１、ｙ_２も減少する。この結果、塑性曲げモーメントＭ_ｐも減少するため、荷重値も降伏点近傍まで荷重を加えた後には減少せざるを得ない。

図３（ｃ）は、衝撃吸収部材１００として繊維強化材（ＦＲＰ材）を使用した際に、降伏点近傍まで荷重を加えることで変形した繊維強化材の形状を示す模式図である。繊維強化材の場合には、荷重を加えたところで、図のように上述の断面積Ａ、距離ｙ_１、ｙ_２が一定である。これは繊維強化材の塑性変形が進行するため、アルミのように荷重によるへこみがないからである。従って、（２）式より、塑性曲げモーメントＭ_ｐの値は減少することがなく、降伏点近傍まで荷重を加えていながらも、荷重値はすぐに減少しない特徴がある。結果として、繊維強化材は高いエネルギー吸収性能を示すことが予想される。

図４は、比エネルギー吸収量（単位重量あたりのエネルギー吸収量）を比較したグラフ図である。ここでの繊維強化材（ＦＲＰ材）は、東レ（株）製カーボン繊維Ｔ７００Ｓを強化繊維とし、マトリクスにエポキシ樹脂を用いた。一方向ＵＤ材（配向角０度）のヤング率は１４０ＧＰａ、破壊歪みが１．９％、ポアソン比が０．３２、強度２６００ＭＰａである。クロス材では、ヤング率は８９ＧＰａ、破壊歪みが０．９％、ポアソン比が０．０７、強度７９８ＭＰａである。

実験では、アルミ衝撃吸収材の比重が７．６ｇ／ｃｍ^３、ＣＦＲＰ材の比重が１．６ｇ／ｃｍ^３である。グラフ４０２が引張面のみクロス材を採用し、その他の全面に一方向ＵＤ材（０度）を採用した結果である。グラフ４０１が全面に一方向ＵＤ材（０度）を採用した結果である。グラフ４０３が、前述のアルミを衝撃吸収部材に採用した結果である。アルミで形成した衝撃吸収部材の比エネルギー吸収量は４００Ｊ／ｋｇ程度であるのに対して、一方向ＵＤ材（０度）で形成した衝撃吸収部材１０１の比エネルギー吸収量は１２００Ｊ／ｋｇ強であった。ＣＦＲＰ材はアルミより、曲げモーメントが大きく、荷重による圧縮部の断面積が減少しないため、充分な比エネルギー吸収量を実現していると考えられる。

曲げ変形を受ける自動車の衝撃吸収部材に、荷重がかかったときの概念図を、図５（ａ）、（ｂ）に示した。一般にピラー材は、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な３点曲げを受ける。図５（ａ）の衝撃吸収部材では、衝撃による荷重時に、中央の点線丸印に示すように、荷重が直接かかる衝撃吸収部材の中心部にのみ荷重と変形が集中する。これは、衝撃吸収部材が長手方向に対して、均一の面部材から形成されているために、荷重がかかる部分に集中的に負荷がかかるからである。

そこで、図５（ｂ）に示すように、一定の荷重に対して、この荷重を衝撃吸収部材の広範囲で受けとめることにより、荷重と変形の集中を回避し、吸収エネルギー効率を向上させることができると考えられる。このように、荷重を衝撃吸収部材の広範囲で受け止めるためには、荷重の分散や変形の分散が必要である。そこで、衝撃吸収部材の長手方向に対して、引張最大荷重特性、圧縮最大荷重特性、引張最大変位特性、圧縮最大変位特性が異なる面部材を適宜、配置することで、荷重と変形が複雑に分散し、個々の荷重量や変形量は小さくなり、荷重を衝撃吸収部材の広範囲で受け止めることができるのではないかと考えられる。

引張最大荷重特性とは、部材に対して引張荷重を課したときに、この部材が破壊に至る降伏点の荷重の大きさ（最大荷重）と、変形の大きさ（引張り歪み程度）とから特徴づけられる部材の性質である。

圧縮最大荷重特性とは、部材に対して圧縮荷重を課したときに、この部材が破壊に至る降伏点の荷重の大きさ（最大荷重）と、変形の大きさ（圧縮歪み程度）とから特徴づけられる部材の性質である。

引張最大変位特性とは、部材に対して引張荷重を課したときに、この部材が破壊に至る降伏点の変形の大きさ（引張り歪み程度）と、このときの荷重の大きさ（最大荷重）とから特徴づけられる部材の性質である。引張最大荷重特性と異なり、ある一定荷重に対する変位の量によって部材の性質を判断する。

圧縮最大変位特性とは、部材に対して圧縮荷重を課したときに、この部材が破壊に至る降伏点の変形の大きさ（圧縮歪み程度）と、このときの荷重の大きさ（最大荷重）とから特徴づけられる部材の性質である。圧縮最大荷重特性と異なり、ある一定荷重に対する変位の量によって部材の性質を判断する。

面部材Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの荷重変位曲線をモデル化したグラフを図６（ａ）、（ｂ）に示した。このグラフは一例を示したに過ぎないため、荷重変位曲線の荷重は、引張荷重であっても、圧縮荷重であってもよい。ここで、図６（ａ）の（Ｘ_１，Ｙ_１）および（Ｘ_２，Ｙ_２）は、シート状部材Ａの最大荷重、最大変位（降伏点）を表す点であり、これ以上の荷重が加わると、座屈してしまう。図６（ｂ）の（Ｘ_３，Ｙ_３）、（Ｘ_４，Ｙ_４）も同様に降伏点を示す。図６（ａ）によれば、変位を固定してシート状部材Ａとシート状部材Ｂを比較すると、シート状部材Ａの方が、最大荷重が大きい。

逆に、荷重を固定して最大変位を比べると、図６（ｂ）のように、シート状部材Ｄの方がシート状部材Ｃよりも、最大変位が大きい。このようなシート状部材の特性から、荷重に耐えられる部材としては、シート状部材Ｂよりもシート状部材Ａが適当であり、荷重に対する変位（歪み）が大きいシート状部材としてはシート状部材Ｃよりもシート状部材Ｄが適当である。

このように、引張最大荷重特性、圧縮最大荷重特性、引張最大変位特性、圧縮最大変位特性に対して異なる特性をもつシート状部材を断片化し、シート状部分材として、これを交互に配置したシート状長手部材として、これを衝撃吸収部材の面部材に採用すれば、荷重が複雑に分散され、歪みの方向が複雑化することで、変形の集中を回避することができると考えられる。具体的には、上述の特性が異なる２種以上のシート状部材を、長手方向に対して交互に配置することでシート状長手部材を形成し、このシート状長手部材を衝撃吸収部材の面部材に用いる（図６（ｃ））。

ＵＤ材［０／９０／０／９０／０］_５、ＵＤ材［４５／−４５／４５／−４５］_５（大きさ：幅２５ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ１ｍｍ）の引張に対する応力歪み曲線を図８（ａ）に示した。ここで、ＵＤ材［０／９０／０／９０／０］_５とは、シート状ＵＤ材（０度）を２層重ねたものに、シート状ＵＤ材（９０度）を２層重ねたものを、５セット積層させたシート状部分材を示す。すなわち、（０度、９０度、０度、９０度、０度、０度、９０度、０度、９０度、０度）という順番でシート状ＵＤ材を計１０層、積層させたシート状部分材である。ＵＤ材［４５／−４５／４５／−４５］_５も同様に、シート状ＵＤ材（４５度）、シート状ＵＤ材（−４５度）を各々２層ごと、交互に５セット積層させたシート状部分材である。

図７に示される応力歪み曲線（引張応力）によれば、ＵＤ材［０／９０／０／９０／０］_５は、応力には強い（小さな歪みで、大きな応力を保持する）が、一定の歪みで、破壊してしまうため、強くて脆い特性があると考えられる。これに対して、ＵＤ材［４５／−４５／４５／−４５］_５は、応力には弱い（小さな応力で、大きく歪む）が、部材自体が長く歪んでから破壊するという、弱くて伸びる特性があると考えられる。各々の曲線の端部にて、各シート状部材は破壊されるため、これらのシート状ＵＤ材の引張最大荷重と引張最大変位は、図より明らかなように、引張最大荷重においては、１０倍程度の差があり、引張最大変位においては、５０倍以上の差がある。

衝撃吸収部材のシート状部材として、ＣＦＲＰを採用し、集中的に荷重がかかるＡ部のみ、ＵＤ材［０／９０／０／９０／０］_５、ＵＤ材［４５／−４５／４５／−４５］_５を配置した衝撃吸収部材を図８（ａ）に示す。ここで、衝撃吸収部材は、断面が５０ｍｍ、５０ｍｍであり、長手方向６００ｍｍを使用した。また強化繊維として、東邦テナックス（株）社製カーボン繊維ＨＴＡを採用し、マトリクスとしてエポキシ樹脂（＃１１２）を採用したＣＦＲＰを使用した。

衝撃吸収部材のシート状長手部材を形成する際には、図８（ｂ）のように、基材となる中空長材に対して、種類の異なる２種類のシート状部分材（シート状部分材２０、シート状部分材２１）を交互に配置することで、シート状長手部材を形成し、中空長材の面部材としてもよい。

図９にて、この衝撃吸収部材に対して３点曲げを行ったときの荷重変位特性の結果を示す。この衝撃吸収部材は、変位１５ｍｍ程度にて、荷重１６ｋＮにて、最大荷重に達するが、その後も１１ｋＮ程度で荷重を保持し、変位３０ｍｍ弱にて、再び、１２．５ｋＮ程度の最大荷重を保持することができる。これは、ＵＤ材［０／９０／０／９０／０］_５にて大きな荷重を受け止めた後に、ＵＤ材［４５／−４５／４５／−４５］_５が荷重や曲げモーメントを周囲に分散し変形の集中を回避することにより、２度目の最大荷重を保持するからである。また、ＵＤ材［０／９０／０／９０／０］_５の最大荷重を超えた後に、さらに加わる荷重が、荷重部分に配置された全てのＵＤ材［４５／−４５／４５／−４５］_５を歪ます力へと置換されたときに、最大荷重に到達すると考えられる。

曲げ変形５０ｍｍのときの、比エネルギー吸収率の比較をしたグラフを図１０にて示した。本実施例と比較するために、同形状のビーム材（炭素鋼、７８０ＭＰａ級高張力鋼）と、ＵＤ材（０度）とを衝撃吸収部材の全面に用いたものとを示した。本実施例では、上述のように２度目の荷重の立ち上がりが発生するという特徴があるため、他の衝撃吸収部材と比較して、荷重を変位で積分した吸収エネルギー率は大きいことがわかる。

本実施例では、ＵＤ材［０／９０／０／９０／０］_５とＵＤ材［４５／−４５／４５／−４５］_５を交互に配置させたシート状長手部分材を積層させて面部材を形成したが、例えば、ＵＤ材［０／９０／０／９０／０］_５の面部材を全面に採用した四角中空長材に対して、ＵＤ材［０／９０／０／９０／０］_５とＵＤ材［４５／−４５／４５／−４５］_５を全面に交互に配置して衝撃吸収部材を形成してもよい。すなわち、衝撃吸収部材の面部材の全ての層が、シート状長手部材により構成されていなくてもよく、シート状長手部材が積層された層のうちの１以上の層に採用されていてよい。

さらに、本実施例では、引張の応力歪み特性が異なるＵＤ材［０／９０／０／９０／０］_５とＵＤ材［４５／−４５／４５／−４５］_５とを用いた。しかし、この２種類の面部材を採用することは任意であり、例えば、引張最大荷重特性、圧縮最大荷重特性、引張最大変位特性、圧縮最大変位特性等の特性が異なる面部材から２種以上の面部材を組み合わせてもよい。

また、図１１のように、衝撃吸収部材が直方体である場合のみならず、例えば、三角柱（図１１（ａ））、四角柱（図１１（ｂ）、（ｄ））、十二角柱（図１１（ｃ））であってもよいし、複雑な立体形状を組み合わせたものであってもよい。各面に用いたシート部材は、繊維強化プラスチックに限らず、繊維強化金属、鉄、アルミ、樹脂等を採用してもよい。繊維強化材料の構造及び、繊維配向角度は例示したにすぎないため、これら以外の様々な組み合わせを採用することができる。

ここで、図１１（ｂ）では、３種類のシート状部分材を用いてシート状長手部材を示した。このように、２種以上のシート状部分材を採用してもよい。

図１１（ｄ）では、衝撃吸収部材の面部材の厚みが、シート状部分材の種類ごとに異なる場合を示した。シート状部分材の種類によって、積層する数を異ならせることにより、面部材の厚みを調整することができる。このように、積層する層の数を変化させることで、衝撃荷重時に、荷重と歪みがさらに複雑化すると考えられる。すなわち、シート状部分材が有する引張最大荷重特性、圧縮最大荷重特性、引張最大変位特性、圧縮最大変位特性により、衝撃吸収部材が特徴付けられるが、これに加えて、これらの特性を積層する程度によって調整することもできると考えられる。

衝撃吸収部材の一例として、衝撃吸収部材が何れの立体形状であっても、自動車の構造部材として使用される場合に、例えばピラー材としてならば、自動車のルーフからシャーシの方向を衝撃吸収部材の長手方向とすることもできる。

本発明は、衝撃を吸収する構造部材であり、従来よりもさらに高い比エネルギー吸収量で軽量化を実現した衝撃吸収部材である。この部材を、例えば、自動車のピラー等に用いることで、従来よりもさらに安全性が確保されたより軽量な自動車を提供することができる。

本発明の実施例である衝撃吸収部材を自動車の構造部材に適用した模式図である。衝撃吸収部材に荷重がかかったときに生じる曲げモーメントを示した概念図である。衝撃吸収部材の塑性曲げモーメントをアルミ材とＣＦＲＰ材で比較するための模式図である。比エネルギー吸収量を３種の衝撃吸収部材で比較したグラフ図である。衝撃吸収部材に荷重がかかった際の、荷重と変形の範囲を示す模式図である。荷重変位特性が異なる面部材により衝撃吸収部材を形成した図である。ＵＤ材［０／９０／０／９０／０］_５、とＵＤ材［４５／−４５／４５／−４５］_５との、応力歪み特性を示すグラフ図である。本実施例の衝撃吸収部材の大きさ、位置、範囲を示した図である。本発明の実施例である衝撃吸収部材の荷重変位特性を表した図である。本発明の実施例である衝撃吸収部材の吸収エネルギー量を表した図である。本発明の実施例である衝撃吸収部材の他の実施例を表した図である。

符号の説明

７アルミ
５０自動車
１０ピラー
１００衝撃吸収部材
１０１衝撃吸収部材
１０２衝撃吸収部材

Claims

長手方向と短手方向を有し、この長手方向に対して略直角に曲げ変形を行うことにより衝撃の吸収を行う衝撃吸収部材であって、
シート状部材を積層させ形成した面部材により平面又は曲面を囲み形成する中空長材であり、
引張最大荷重特性、圧縮最大荷重特性、及び引張最大変位特性、圧縮最大変位特性からなる群から選択される一以上の特性によって特徴付けられる２種以上のシート状部分材を、前記長手方向に対して交互に配置してシート状長手部材を形成し、このシート状長手部材を前記面部材の全ての層又は一部の層に用いた衝撃吸収部材。
前記シート状部分材が、繊維強化材からなる請求項１記載の衝撃吸収部材。
前記繊維強化材は、繊維方向を略一方向に揃えたシート状ＵＤ材である請求項２記載の衝撃吸収部材。
前記シート状ＵＤ材の繊維方向が、長手方向０度であり、これに積層される他のシート状ＵＤ材の繊維方向が、長手方向９０度であり、これらのシート状ＵＤ材が積層されたシート状部分材と、
前記シート状ＵＤ材の繊維方向が、長手方向４５度であり、これに積層される他のシート状ＵＤ材の繊維方向が、長手方向−４５度であり、これらのシート状ＵＤ材が積層されたシート状部分材と、を前記長手方向に対して交互に配置したシート状長手部材を、前記面部材の全ての層又は一部の層に用いた請求項３記載の衝撃吸収部材。
前記繊維強化材が、繊維強化材料である請求項３又は請求項４記載の衝撃吸収部材。
前記衝撃吸収部材の面部材の厚みが、前記シート状部分材の種類によって異なる請求項１から請求項５いずれか記載の衝撃吸収部材
請求項１から請求項６いずれか記載の衝撃吸収部材を構造部材に用いた自動車。
長手方向と短手方向を有し、シート状部材を積層させ形成した面部材により平面又は曲面を囲み形成する中空長材であり、引張最大荷重特性と、圧縮最大荷重特性と、引張最大変位特性と、圧縮最大変位特性とからなる群のうち一以上の特性によって特徴付けられる２種以上のシート状部分材を、前記長手方向に対して交互に配置してシート状長手部材を形成し、このシート状長手部材を前記面部材の全ての層又は一部の層に用いた衝撃吸収部材を用いることで、エネルギーの吸収を向上させる方法。