JP2009001238A - エネルギ吸収構造およびエネルギ吸収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギを効率よく吸収でき、かつ剛性が保持されるエネルギ吸収構造およびエネルギ吸収方法を提供する。
【解決手段】荷重が作用して破壊されつつエネルギを吸収するエネルギ吸収構造であって、前記荷重の作用方向に強化繊維が配向される繊維強化樹脂により形成され、内部に中空部４が設けられた中空部材５と、前記中空部材５を覆い、前記荷重の作用方向と交差する方向に配向される強化繊維を含む繊維強化樹脂により形成された被覆部材７と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、荷重が作用する際のエネルギを吸収するエネルギ吸収構造およびエネルギ吸収方法に関するものである。

自動車における車体前方の車幅方向両側部の下方には、車体骨格部材としてフロントサイドメンバが設けられている。フロントサイドメンバには、例えば衝突の際に破壊されてエネルギを吸収するエネルギ吸収部材が設けられ、例えば特許文献１では、軽量化のためのＣＦＲＰ製の中空のエネルギ吸収部材が提案されている。しかし、このようなエネルギ吸収部材は、エネルギを吸収しやすいが、剛性が損なわれる虞がある。
特開２００５−１７０２９９

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、エネルギを効率よく吸収でき、かつ剛性が保持されるエネルギ吸収構造およびエネルギ吸収方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係るエネルギ吸収構造は、荷重が作用して破壊されつつエネルギを吸収するエネルギ吸収構造であって、前記荷重の作用方向に強化繊維が配向される繊維強化樹脂により形成され、内部に中空部が設けられた中空部材と、前記中空部材を覆い、前記荷重の作用方向と交差する方向に配向される強化繊維を含む繊維強化樹脂により形成された被覆部材と、を有することを特徴とするエネルギ吸収構造である。

上記目的を達成する本発明に係るエネルギ吸収方法は、荷重が作用して破壊されるエネルギ吸収構造によりエネルギを吸収するエネルギ吸収方法であって、前記荷重の作用方向に強化繊維が配向される繊維強化樹脂により形成され、内部に中空部が設けられた中空部材と、前記中空部材を覆い、前記荷重の作用方向と交差する方向に強化繊維が配向される繊維強化樹脂により形成された被覆部材と、からなるエネルギ吸収部を、前記荷重により荷重の作用方向に挫屈させてエネルギを吸収することを特徴とするエネルギ吸収方法である。

上記のように構成した本発明に係るエネルギ吸収構造は、中空部材の強化繊維が、荷重の作用方向に配向されているため、荷重により座屈破壊し易くエネルギを吸収し易い。更に、荷重の作用方向にのみ強化繊維が配向された中空部材のみでは、剛性が不足する傾向があるが、強化繊維の配向が荷重の作用方向と交差する被覆部材が中空部材を覆って設けられるため、必要な剛性を確保できる。

上記のように構成した本発明に係るエネルギ吸収方法は、荷重の作用方向に強化繊維が配向された中空部材を、強化繊維の配向が荷重の作用方向と交差する被覆部材で覆ったエネルギ吸収部を座屈させてエネルギを吸収するため、座屈破壊し易い中空部材によりエネルギを効率よく吸収するとともに、被覆部材によって必要な剛性を確保できる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るエネルギ吸収構造が適用されたフロントサイドメンバを示す斜視図、図２は、同フロントサイドメンバの内部の中空部材を説明するためのフロントサイドメンバを示す斜視図、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面を示す部分斜視図、図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図、図５は、図２のＶ−Ｖ線に沿う断面図、図６は、本発明の第１の実施形態に係るエネルギ吸収構造の中空部材の１つを示す斜視図、図７は、同エネルギ吸収構造の中実部材の１つを示す斜視図である。

自動車の車体前方の車幅方向両側下方には、図１に示すようなフロントサイドメンバ１が設けられている。フロントサイドメンバ１は、車体の前方に位置するフロント部２と、後方に位置するリア部３とが一体的に形成されており、車体の前後方向に長尺な形状を有している。自動車が衝突すると、衝撃力Ｆ（荷重）がフロント部２の先端側からフロント部２の延在方向と略一致して図中の矢印方向へ入力され、フロント部２が座屈しつつエネルギを吸収する構造となっている。

フロントサイドメンバ１は、本実施形態に係るエネルギ吸収構造が適用されており、図２〜７に示すように、内部に貫通孔４（中空部）を有する複数の中空部材５と、近接する中空部材５同士の間に配置される中実部材６と、連結された中空部材５および中実部材６の周囲を覆う被覆部材７と、を有している。すなわち、フロントサイドメンバ１には、中空部材５が被覆部材７により覆われたエネルギ吸収部１０と、中実部材６が被覆部材７により覆われた剛性保持部１１とが交互に配置される。

中空部材５は、フロント部２において延在方向に複数設けられており、貫通孔４は、フロント部２の延在方向に貫通している。中空部材５は、フロント部２の延在方向に沿う一方向に強化繊維を配向したＵＤ（ＵｎｉＤｉｒｅｃｔｉｏｎ）材であり、強化繊維は例えば炭素繊維である。

中実部材６は、発泡樹脂からなり、例えばポリウレタン製である。中実部材６の中空部材５と連結する端部には、中空部材５の貫通孔４の一部に嵌合する突出部１２が形成されている。

被覆部材７は、フロント部２の下面および一側面並びにリア部３を形成する第１被覆部材１５と、フロント部２の上面および他側面を形成する第２被覆部材１８を有している。第１被覆部材１５および第２被覆部材１８は、フロント部２の延在方向と交差する配向を有するクロス材を用いた繊維強化樹脂（ＦＲＰ）である。クロス材には、炭素繊維が用いられ、樹脂には、例えばエポキシ樹脂が用いられる。クロス材は、フロント部２の延在方向に対して略＋４５度及び−４５度の配向角度を有する繊維材からなるが、配向角度が異なってもよい。また、複数のクロス材が重ねて設けられてもよく、この際には、各々のクロス材の配向が一致しても異なってもよい。また、複数のクロス材の一部に、荷重の作用方向と一致する繊維を有するクロス材が含まれてもよい。

なお、被覆部材７のＦＲＰに適用される繊維には、強化材となるものであれば特に制限はなく、炭素繊維の他に、例えば黒鉛繊維、またはガラス繊維や、アラミド、パラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ポリビニルアルコール、ポリアリレート等の有機繊維等が挙げあられ、またはこれらの２種類以上を併用したものも使用できる。

また、被覆部材７のＦＲＰに適用される樹脂には、ＦＲＰのマトリックス樹脂となるものであればあらゆる樹脂が使用可能であり、エポキシ樹脂の他に、例えば不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂、更にはこれらの混合樹脂も使用できる。

被覆部材７は、第１被覆部材１５および第２被覆部材１８が、中空部材５および中実部材６を覆うように接合されているが、その断面形状や部材数に制限はなく、例えば断面形状が矩形形状ではなく円形形状であったり、また例えば２部材からなるのではなく１部材であったり、３部材以上が接合されていてもよい。

中実部材６は、ポリウレタン製でなくてもよく、例えば塩化ビニル、ポリオレフィン、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂（ＰＭＩ（ポリメタクリルイミド）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド））などから適宜使用される。

次に、フロントサイドメンバ１の製造方法について説明する。

図８は、成形型によりフロントサイドメンバを製造する際を説明するための、エネルギ吸収部に該当する位置の断面図、図９は、成形型によりフロントサイドメンバを製造する際を説明するための、剛性保持部に該当する位置の断面図である。

初めに、図８および９のように、一対の成形型２０である上型２１、下型２２に、第１被覆部材１５を構成する強化繊維である第１繊維材２３に樹脂を含浸させて設置し、第１繊維材２３の上に、中空部材５および中実部材６を配置する。この際には、中実部材６の突出部１２を、中空部材５の貫通孔４に嵌合させる。次に、中空部材５および中実部材６の上に、第２被覆部材１８を構成する強化繊維である第２繊維材２４に樹脂を含浸させて被せ、上型２１を下型２２に近接させて型締めする。このとき、第１繊維材２３と第２繊維材２４は、縁部同士が面で接するようにして上型２１と下型２２の間に挟持される。成形型２０はヒータ等の加熱手段により樹脂材の硬化温度以上に加熱されており、樹脂が硬化温度に達して硬化した後、上型２１と下型２２を離型して、成形されたフロントサイドメンバ１が取り出される。上型２１と下型２２の間に挟持された第１繊維材２３と第２繊維材２４の縁部には、フランジ部２５が形成される（図４，５参照）。なお、樹脂として熱可塑性樹脂が用いられる場合には、成形型２０内で温度を下げて樹脂を硬化させた後に、上型２１と下型２２を離型して取り出される。

本実施形態に係るエネルギ吸収構造によれば、エネルギ吸収部１０の中空部材５の強化繊維が、衝撃力Ｆの作用方向に沿って配向されているため、衝撃力Ｆにより座屈破壊し易くエネルギを吸収し易い。また、衝撃力Ｆの作用方向に強化繊維が配向された中空部材５のみでは、剛性が不足する傾向があるが、中空部材５の周囲に、強化繊維の配向が衝撃力Ｆの作用方向と交差する被覆部材７が設けられるため、必要な剛性を確保できる。

また、エネルギ吸収部１０と剛性保持部１１が交互に配置されるため、例えばフロント部２の先端にのみエネルギ吸収部を設ける構造と比較して、フロントサイドメンバ１のフロント部２の全体でエネルギ吸収を行いエネルギ吸収量を向上させることができ、更に、座屈破壊される部位を自由に設定できるため、破壊モードを制御することができる。したがって、本実施形態では、例えばフロント部２の先端側のエネルギ吸収部１０から順に座屈破壊されるが、破壊モードを制御することにより、車体のフロア内へのエンジン侵入量を減らす効果も得られる。

また、中実部材６の突出部１２が中空部材５の貫通孔４に嵌合しているため、エネルギ吸収部１０と剛性保持部１１の間の曲げ剛性を向上させて折れ曲がりを抑制でき、適切な座屈破壊が可能となってエネルギを良好に吸収できる。また、貫通孔４に突出部１２が嵌合することにより、成形の際の成形型２０への中実部材６と中空部材５の配置が容易となり、製造工程における作業性に優れている。

図１０は、第１の実施形態に係るエネルギ吸収構造に適用される中空部材の変形例を示す斜視図、図１１は、同エネルギ吸収構造に適用される中空部材の他の変形例を示す斜視図である。

エネルギ吸収構造に適用される中空部材の変形例として、図１０に示すように、外周面が隣接する複数の複中空部材３１Ａ〜３１Ｄに分割した中空部材３２を設けることもできる。複中空部材３１Ａ〜３１Ｄは、それぞれが貫通孔３３Ａ〜３３Ｄを有している。

また、エネルギ吸収構造に適用される中空部材の他の変形例として、図１１に示すように、外周面が隣接する複数の複中空部材３４Ａ〜３４Ｄに分割して設けられる中空部材３５を設けることもできる。複中空部材３４Ａ〜３４Ｄは、それぞれが貫通孔３６Ａ〜３６Ｄを有するとともに、複中空部材３４Ａ〜３４Ｄ同士が連結されることにより、貫通孔３７が更に形成される。

上述の変形例のように複数の貫通孔が設けられる場合には、それぞれの貫通孔に嵌合可能な突出部が、中実部材６に形成されることが好ましい。

なお、フロント部２の延在方向と交差する面における複中空部材の断面形状は、図１０，１１の変形例以外にも、適宜設定することができる。

図１２は、本発明の第２の実施形態に係るエネルギ吸収構造が適用されたフロントサイドメンバの先端部の断面を示す部分斜視図である。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する部位については同一の符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。

第１実施形態におけるフロントサイドメンバ１は、中空部材５および中実部材６の外周に、共通する被覆部材７が設けられるが、第２の実施形態におけるフロントサイドメンバ４１は、中空部材５および中実部材６の外周の被覆部材４２の積層枚数が、それぞれ異なる。すなわち、剛性保持部４３の剛性をより高く設定するために、共通する最外層の被覆部材１５，１８の内側に、中実部材６の外周のみを覆う第３被覆部材４４が設けられる。第３被覆部材４４は、第１，第２被覆部材１５，１８と同様の材料からなり、フロント部２の延在方向と交差する配向を有するクロス材を用いた炭素繊維強化樹脂であり、フロント部２の延在方向に対して略＋４５度及び−４５度の配向角度を有する繊維材であるが、配向角度が異なってもよい。また、複数のクロス材が重ねて設けられてもよく、この際には、各々のクロス材の配向が一致しても異なってもよい。また、複数のクロス材の一部に、荷重の作用方向と一致する繊維を有するクロス材が含まれてもよい。ここで、図１２において、第３被覆部材４４が第１，第２被覆部材１５，１８と別部材として示されているが、これは説明の便宜のためであり、実際には第１，第２被覆部材１５，１８と一体的に形成される。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、中空部材５の数は限定されず、実施形態のように５つでなくてもよい。また、中空部材を複中空部材に分割して設けることなしに、１つの中空部材に複数の貫通孔を設けてもよい。

本発明の第１の実施形態に係るエネルギ吸収構造が適用されたフロントサイドメンバを示す斜視図である。 同フロントサイドメンバの内部の中空部材を説明するためのフロントサイドメンバを示す斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面を示す部分斜視図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 図２のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るエネルギ吸収構造の中空部材の１つを示す斜視図である。 同エネルギ吸収構造の中実部材の１つを示す斜視図である。 成形型によりフロントサイドメンバを製造する際を説明するための、エネルギ吸収部に該当する位置の断面図である。 成形型によりフロントサイドメンバを製造する際を説明するための、剛性保持部に該当する位置の断面図である。 第１の実施形態に係るエネルギ吸収構造に適用される中空部材の変形例を示す斜視図である。 同エネルギ吸収構造に適用される中空部材の他の変形例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係るエネルギ吸収構造が適用されたフロントサイドメンバの先端部の断面を示す部分斜視図である。

符号の説明

１，４１ フロントサイドメンバ、
２ フロント部、
３ リア部、
４，３３Ａ〜３３Ｄ，３６Ａ〜３６Ｄ 貫通孔（中空部）、
５，３２，３５ 中空部材、
６ 中実部材、
７，４２ 被覆部材、
１０ エネルギ吸収部、
１１，４３ 剛性保持部、
１２ 突出部、
１５ 第１被覆部材、
１８ 第２被覆部材、
２３ 第１繊維材、
２４ 第２繊維材、
４４ 第３被覆部材、
Ｆ 衝撃力（荷重）。

Claims (9)

1. 荷重が作用して破壊されつつエネルギを吸収するエネルギ吸収構造であって、
   前記荷重の作用方向に強化繊維が配向される繊維強化樹脂により形成され、内部に中空部が設けられた中空部材と、
   前記中空部材を覆い、前記荷重の作用方向と交差する方向に配向される強化繊維を含む繊維強化樹脂により形成された被覆部材と、
   を有することを特徴とするエネルギ吸収構造。
2. 前記中空部は、前記荷重が作用する方向に貫通する少なくとも１つの貫通孔であることを特徴とする請求項１に記載のエネルギ吸収構造。
3. 前記中空部材および被覆部材からなるエネルギ吸収部を、中実部材を繊維強化樹脂で覆った剛性保持部を介在しつつ、前記荷重の作用方向に複数配置したことを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギ吸収構造。
4. 前記中実部材は、前記中空部の一部に嵌合する少なくとも１つの突出部を有することを特徴とする請求項３に記載のエネルギ吸収構造。
5. 前記被覆部材の強化繊維は、前記剛性保持部の強化繊維の少なくとも一部と共通することを特徴とする請求項３または４に記載のエネルギ吸収構造。
6. 前記被覆部材は、前記荷重の作用方向に対して配向角度が４５度の強化繊維を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のエネルギ吸収構造。
7. 前記繊維強化樹脂は、炭素繊維強化樹脂であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のエネルギ吸収構造。
8. 荷重が作用して破壊されるエネルギ吸収構造によりエネルギを吸収するエネルギ吸収方法であって、
   前記荷重の作用方向に強化繊維が配向される繊維強化樹脂により形成され、内部に中空部が設けられた中空部材と、前記中空部材を覆い、前記荷重の作用方向と交差する方向に配向される強化繊維を含む繊維強化樹脂により形成された被覆部材と、からなるエネルギ吸収部を、前記荷重により荷重の作用方向に挫屈させてエネルギを吸収することを特徴とするエネルギ吸収方法。
9. 前記エネルギ吸収部を、中実部材を繊維強化樹脂で覆った剛性保持部を介在しつつ前記荷重の作用方向に複数配置することを特徴とする請求項８に記載のエネルギ吸収方法。

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