JP2006125531A

JP2006125531A - エネルギー吸収体

Info

Publication number: JP2006125531A
Application number: JP2004315062A
Authority: JP
Inventors: Nariaki Abe; 成昭安部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】中空筒状のエネルギー吸収体において、初期のエネルギー吸収量の増大化を図る。
【解決手段】中空筒状のエネルギー吸収体１において、その先端に、それぞれ肉厚が先端に向かって徐々に薄くなるように周面にテーパ面が形成された環状の複数のテーパ部（トリガ）２ａ，２ｂ，２ｃを、筒径方向に同心状に設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両等に装備される中空筒状のエネルギー吸収体に関する。

自動車等の車両においては、衝突時等における衝突エネルギーを吸収するためのエネルギー吸収体が従来より装備されている。このエネルギー吸収体には、各種形態のものがあるが、繊維強化複合材料で形成された中空円筒状のエネルギー吸収体が一般的に使用されている（例えば、特許文献１〜５参照）。

図１０は、従来のエネルギー吸収体５１の軸断面図である。このエネルギー吸収体５１は、繊維強化複合材料が中空円筒状に形成されたものであり、例えばその軸方向に圧縮荷重を受けるように車両に取り付けられる。車両の衝突時において、エネルギー吸収体５１は、その軸方向に圧縮荷重を受けて圧縮破壊（圧潰）し、これにより衝突エネルギーを吸収する。

エネルギー吸収体５１の先端には、図１０に示されるように、外径が先端側ほど徐々に小さくなるように形成された先細のテーパ部５２が形成されている。このテーパ部５２は、衝突時における突発荷重の発生を防止して衝撃力を緩和するものであり、一般に「トリガ」と呼ばれている。ここで、テーパ部５２のテーパ角度θは、特許文献１に記載されているように、先端の鋭い方が破壊が滑らかに開始、継続されるが、エネルギー吸収量が減るので３０〜６０度が好適である。

特開平６−１２３３２２号公報実開平８−２１９２１５号公報特開平８−１７０６７５号公報特開平１１−２８０８１５号公報特開２０００−２４０７０６号公報

図１１に、エネルギー吸収体の模式的な変位−荷重線図を示す。この変位−荷重線図において、エネルギー吸収量は、変位−荷重曲線と変位軸との間の面積で表される。荷重の最大値は、搭乗者等への影響が考慮された所定のレベル以下に抑えられる必要がある。また、スペース効率等の観点より、所定量のエネルギーを吸収するのに必要とされる変位（最大変位）は、小さいことが好ましい。したがって、変位−荷重曲線の波形は、図１１の一点鎖線で示されるように、初期に荷重が急激に立ち上がり、その後荷重がある一定レベルで推移する、いわゆる矩形波であることが理想的である。

ところが、図１０に示される従来のエネルギー吸収体５１では、図１１の実線で示されるように、テーパ部５２の破壊が終了するまで、エネルギー吸収体５１の断面積が徐々に増加するのに伴い、なだらかに荷重が増加する。このため、従来のエネルギー吸収体５１によるエネルギー吸収量は、図１１の領域Ａ１の面積に相当するエネルギー量だけ理想に比べて少なくなる。このしわ寄せとして、所定量のエネルギーを吸収するためには領域Ａ１の面積に相当するエネルギー量を後半の領域Ａ２で吸収する必要が生じ、結果的に、理想に比べて最大変位が大きくなってしまう。すなわち、エネルギー吸収体５１の軸方向長さが大きくなってしまう。これにより、例えば、エネルギー吸収体５１をバンパ等の自動車部品に適用した場合、バンパ等の出代が大きくなってしまう。

そこで、本発明は、初期のエネルギー吸収量の増大化を図ることができるエネルギー吸収体を提供する。

本発明は、中空筒状のエネルギー吸収体であって、その先端に、肉厚が先端に向かって徐々に薄くなるように周面にテーパ面が形成された環状のテーパ部が、筒径方向に同心状に複数設けられていることを特徴とする。

本発明の好適な態様では、前記テーパ部は、その内周面側にテーパ面が形成されてなる。

また、本発明の好適な態様では、当該エネルギー吸収体はＮ枚（Ｎは２以上の整数）のシートが筒径方向に同心状に積層されてなり、前記テーパ部は、前記各シートに対応して合計Ｎ個設けられている。

本発明によれば、中空筒状のエネルギー吸収体において、初期のエネルギー吸収量の増大化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は、本実施の形態に係るエネルギー吸収体１の軸断面図である。図２は、本実施の形態に係るエネルギー吸収体１の斜視図である。図３は、本実施の形態に係るエネルギー吸収体１の先端部付近の拡大軸断面図である。このエネルギー吸収体１は、例えば、自動車のバンパの支持部材として使用され、衝突時における衝突エネルギーを吸収するものである。

図１、２に示されるように、エネルギー吸収体１は、両端が開口した中空円筒状に形成されている。また、図１〜３に示されるように、エネルギー吸収体１の先端には、複数のテーパ部（以下、「トリガ」と称す）２ａ，２ｂ，２ｃ（以下、適宜「トリガ２」と総称する）が形成されている。トリガ２は、肉厚が先端に向かって徐々に薄くなるように、周面にテーパ面が形成されてなる。また、トリガ２は、エネルギー吸収体１の先端の全周に渡って環状に形成されている。トリガ２ａ，２ｂ，２ｃは、それぞれ半径が異なり、筒径方向に同心状に並設されている。ここで、トリガ２のテーパ角度（開口面とテーパ面とのなす角度）θは、大きいほど破壊が滑らかに開始される一方でエネルギー吸収量が減るので、３０〜６０度が好適である。

なお、トリガ２の個数は、ここでは３個であるが、２個または４個以上であってもよい。また、各トリガ２の断面形状は、ここでは互いに同一となっているが、互いに異なっていても構わない。また、トリガ２の断面形状は、ここでは三角形となっているが、特にこれに限定されない。

エネルギー吸収体１の素材としては、適宜の材料が選択可能であるが、ガラス長繊維強化熱可塑性樹脂複合シート（GMT: Glass Mat reinforced Thermoplastics）、ガラス繊維強化プラスチック（GFRP: Glass Fiber Reinforced Plastics）、炭素繊維強化プラスチック（CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics）などの繊維強化複合材料が好適に用いられる。ここでは、図３に示されるように、エネルギー吸収体１は、３枚のガラス長繊維強化熱可塑性樹脂複合シート（以下、「複合シート」と称す）３ａ，３ｂ，３ｃ（以下、適宜「複合シート３」と総称する）が筒径方向に同心状に積層されてなる。ここで、複合シート３は、熱可塑性樹脂（ポリプロピレン）を連続ガラス繊維マットで強化したシート状の複合材料である。この複合シート３は、図４に示されるように２枚のガラス繊維マット４と３枚の熱可塑性樹脂シート５とを交互に積層し、これを加熱加圧し、ガラス繊維マット４に熱可塑性樹脂を溶融含浸させることにより製造される。

エネルギー吸収体１は、プレス加工、射出成形、フィラメントワインディング法など、適宜の成形方法を用いて製造可能である。ここでは、プレス加工により３枚の複合シート３を中空円筒状に成形し、得られた円筒体に切削加工を施すことによりトリガ２を形成する。

次に、上記構成を有するエネルギー吸収体１の作用について説明する。エネルギー吸収体１は、例えば、軸方向から圧縮荷重を受ける状態で、バンパの支持部材として使用される。そして、自動車フレーム等への取り付けは、ボルト締め等の適宜の手段により行われる。

エネルギー吸収体１が軸方向の圧縮荷重を受けると、エネルギー吸収体１はその先端にトリガ２が形成されて先端程肉薄になっているため、小さな荷重で容易に破壊が開始される。従って、遅い衝突速度でも破壊し、突発荷重が発生せず搭乗者への衝撃が軽減される。このようにエネルギー吸収体１の先端で発生した破壊は隣接部に波及し、次々と連続的に圧縮破壊が進展し、これにより大きなエネルギーが吸収される。

この圧縮破壊においては、層間剥離によって、エネルギー吸収体１の外側に行く破片と、内側に行く破片とが発生する。ここで、トリガ２のテーパ面が外周面側に形成されている場合、内側に行く破片の割合が大きくなり、エネルギー吸収体１の内部に破片が詰まってしまい、トータルのエネルギー吸収量が減少してしまう。一方、トリガ２のテーパ面が内周面側に形成されている場合、外側に行く破片の割合が大きくなり、上記の問題が軽減される。従って、トリガ２のテーパ面は、図１、２に示されるように、トリガ２の内周面側に設けられることが好ましい。

また、トリガ２で発生した破壊を隣接部に円滑に波及させる観点より、図３に示されるように、隣り合うトリガ２の境界６ａ，６ｂと、隣り合う複合シート３の境界７ａ，７ｂとは、それぞれ一致していることが好ましい。すなわち、トリガ２は、３枚の複合シート３の各々に対応して合計３個設けられることが好ましい。

次に、本実施の形態に係るエネルギー吸収体１の変位−荷重特性について、１個のトリガを有する比較例に係るエネルギー吸収体１’と比較しながら説明する。なお、比較例のエネルギー吸収体１’は、トリガの個数を除いて本実施の形態のエネルギー吸収体１と同様のものであるとする。また、以下の説明では、エネルギー吸収体の軸方向のトリガ長さを単に「トリガ長さ」と称する。

図５は、本実施の形態に係るエネルギー吸収体１および比較例に係るエネルギー吸収体１’の先端部付近の拡大軸断面図である。図５に示されるように、エネルギー吸収体１とエネルギー吸収体１’とでは、本体部分（トリガ以外の部分）の肉厚ｔおよびトリガのテーパ角度θが互いに等しい。一方、トリガの個数は、エネルギー吸収体１’が１個、エネルギー吸収体１が３個である。このため、エネルギー吸収体１’のトリガ長さがＬであるところ、エネルギー吸収体１のトリガ長さはＬ／３となっている。これにより、エネルギー吸収体１とエネルギー吸収体１’とでは、変位−荷重特性が以下のとおりに互いに異なることとなる。

図６は、本実施の形態に係るエネルギー吸収体１および比較例に係るエネルギー吸収体１’の模式的な変位−荷重線図である。図６において、エネルギー吸収体１の変位−荷重曲線は一点鎖線で表されており、エネルギー吸収体１’の変位−荷重曲線は実線で表されている。図６に示されるように、いずれのエネルギー吸収体１，１’についても、トリガが終了するまで、すなわち圧縮変位がトリガ長さに達するまで、荷重が徐々に増加し、その後ある一定のレベルで荷重が推移する。ここで、エネルギー吸収体１’のトリガ長さがＬであるのに対して、エネルギー吸収体１のトリガ長さはＬ／３に短縮されている。このため、本実施の形態では、比較例に比べて初期の荷重の立ち上がりが急勾配になる。すなわち、初期のエネルギー吸収量が増加し、変位−荷重曲線が理想波形である矩形波に近くなる。この結果、所定量のエネルギーを吸収するのに必要とされる変位（最大変位）が比較例に比べて小さくなる。なお、図６において、領域Ａ３および領域Ａ４の面積は互いに等しい。

以上のとおり、本実施の形態によれば、エネルギー吸収体の先端に複数のトリガを設けるので、１個のトリガを設ける場合に比べて、軸方向のトリガ長さを短縮することができる。これにより、１個のトリガを設ける場合に比べて、初期の荷重の立ち上がりを急勾配にすることができ、初期のエネルギー吸収量の増大化を図ることができる。この結果、最大変位を短縮することができ、エネルギー吸収体の軸方向長さを短くすることができる。例えば、エネルギー吸収体をバンパ等の自動車部品に適用した場合、バンパ等の出代を小さくすることができる。別の見方をすれば、本実施の形態によれば、１個のトリガを設ける場合に比べて、同一の変位でより多くのエネルギーを吸収することができる。すなわち、エネルギーの吸収効率が高いと言える。

また、トリガのテーパ面を内周面側に設けるので、圧縮破壊によって発生する破片のうちエネルギー吸収体の内側に行く破片の割合を小さくすることができ、破片がエネルギー吸収体の内部に詰まってしまうことを回避または軽減することができる。

さらに、Ｎ枚（Ｎは２以上の整数）の複合シートを筒径方向に同心状に積層させて中空筒状体を構成し、各複合シートに対応して合計Ｎ個のトリガを設けるので、トリガで発生した破壊を本体部分に滑らかに伝播させることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更することができる。例えば、エネルギー吸収体の形状は、中空筒状であればよく、中空多角筒状等であってもよい。

また、エネルギー吸収体は、図７（ａ）のように底部１１が形成されてもよいし、図７（ｂ）のように蓋体１２が装着されてもよい。また、図７（ｃ）のようにトリガ間の溝が低強度の衝撃吸収部１３によって埋められてもよい。

以下、本発明に係るエネルギー吸収体の実施例を説明する。

図８に示される手順に従って、本実施例のエネルギー吸収体を製作した。まず、２枚の複合シート２１，２２を重ね合わせ、これを下型２３と上型２４とにより加熱しながらプレスした。複合シート２１，２２として、日本ジーエムティー社製のＵＮＩシート（商品名）を用いた。下型２３は、若干先細のテーパが施された略円柱状の突起を備えた金型であり、上型２４は、下型２３と嵌合可能に略円柱状の孔が形成された金型である。このプレス加工により、ハット状の成形体２５を得た。ついで、成形体２５の円形状の上面２５ａを機械加工によって除去し、成形体２６を得た。ついで、成形体２６の円環状の上面２６ａに機械加工によって３個のトリガ２７ａ，２７ｂ，２７ｃを形成し、実施例のエネルギー吸収体２７を得た。

また、同様の手順に従って、比較例のエネルギー吸収体を製作した。すなわち、図８において、成形体２６を得た後、この成形体２６の円環状の上面２６ａに機械加工によって１個のトリガ２８ａを形成し、比較例のエネルギー吸収体２８を得た。

本実施例のエネルギー吸収体２７および比較例のエネルギー吸収体２８の各部の寸法等は、以下の通りであった。本体部分の外径：７１ｍｍ、本体部分の内径：５８ｍｍ、本体部分の板厚：６．５ｍｍ、高さ：９０ｍｍ、トリガのテーパ角度：４５度、トリガのテーパ面：内周面側。

なお、エネルギー吸収体２７，２８には、それぞれの後端にドーナツ状のフランジ部２７ｆ，２８ｆが形成されているが、これらはエネルギー吸収体２７，２８を車体等に取り付ける際に好適に利用される。例えば、フランジ部２７ｆ，２８ｆに軸方向に貫通するボルト孔を形成し、このボルト孔にボルトを挿通することにより、ボルト締めすることが可能となる。

上記のとおりに製作された本実施例のエネルギー吸収体２７および比較例のエネルギー吸収体２８のそれぞれについて衝撃試験を実施した。図９は、この衝撃試験により得られた変位−荷重線図である。図９において、実線は本実施例のエネルギー吸収体２７の変位−荷重曲線であり、破線は比較例のエネルギー吸収体２８の変位−荷重曲線である。図９を見れば分かるように、本実施例では、初期の荷重の立ち上がりが比較例よりも急勾配になっており、最大変位が比較例よりも小さくなっている。

実施の形態に係るエネルギー吸収体の軸断面図である。実施の形態に係るエネルギー吸収体の斜視図である。実施の形態に係るエネルギー吸収体の先端部付近の拡大軸断面図である。複合シートの層構成を示す断面図である。実施の形態に係るエネルギー吸収体および比較例に係るエネルギー吸収体の先端部付近の拡大軸断面図である。実施の形態に係るエネルギー吸収体および比較例に係るエネルギー吸収体の模式的な変位−荷重線図である。エネルギー吸収体の各種変形例を示す図である。実施例のエネルギー吸収体および比較例のエネルギー吸収体の製作工程の手順を示す図である。実施例の衝撃試験により得られた変位−荷重線図である。従来のエネルギー吸収体の軸断面図である。エネルギー吸収体の模式的な変位−荷重線図である。

符号の説明

１エネルギー吸収体、２，２ａ，２ｂ，２ｃテーパ部（トリガ）、３，３ａ，３ｂ，３ｃ複合シート。

Claims

中空筒状のエネルギー吸収体であって、
その先端に、肉厚が先端に向かって徐々に薄くなるように周面にテーパ面が形成された環状のテーパ部が、筒径方向に同心状に複数設けられていることを特徴とするエネルギー吸収体。
請求項１に記載のエネルギー吸収体であって、
前記テーパ部は、その内周面側にテーパ面が形成されてなることを特徴とするエネルギー吸収体。
請求項１または２に記載のエネルギー吸収体であって、
Ｎ枚（Ｎは２以上の整数）のシートが筒径方向に同心状に積層されてなり、
前記テーパ部は、前記各シートに対応して合計Ｎ個設けられていることを特徴とするエネルギー吸収体。