JP2012180926A

JP2012180926A - 衝撃軽減装置

Info

Publication number: JP2012180926A
Application number: JP2011059867A
Authority: JP
Inventors: Atsuyuki Suzuki; 厚行鈴木
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: JP5757616B2

Abstract

【課題】必要な剛性を保ったまま、確実に衝撃を軽減・吸収し、軽量・コンパクト化に寄与し、状況に応じて瞬時に衝撃吸収・軽減特性を制御し、部材の飛散などを防止することが可能な衝撃軽減装置を提供する。
【解決手段】振動子１を衝撃による力が加わる物体２に接触させ、振動を印加することにより物体２の変形抵抗を低減させる、あるいは振動子１と物体２との摩擦抵抗を低減させる、あるいは振動子１が物体２を動かし、衝突物の相対速度を低減する、あるいは衝突物４との摩擦抵抗を低減させて、衝突物４の運動方向を変える。さらに、印加する振動を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、衝撃軽減装置に関し、特に自動車、列車、航空機、宇宙船、船舶、索道、エレベータなどの乗り物やガードレール、電柱、道路分岐部分、道路屈曲部分、滑走路、ヘリポートなどに設置されて衝突時に乗員や機材を保護することができる衝撃軽減装置に関する。

車両などの衝突時に乗員や機材を保護するために、衝撃吸収装置が設けられる。従来の衝撃吸収装置はその構造や材質によって衝撃吸収するものであり、構成する材料の特性が変化するものではない。また、瞬時にその衝撃吸収性能を調整することはできない。

従来の衝撃吸収装置には、塑性変形を利用したタイプ（例えば、特許文献１、２参照）や摩擦を利用したタイプ（例えば、特許文献３参照）がある。しかし、十分に衝撃を吸収できない、十分な剛性が得られない、重量・容積が大きくなる、状況に応じて瞬時に塑性変形する部材の変形量やエネルギ吸収量を制御することはできない、部材が破断しやすいため周囲へ大きな衝撃が加わったり、周囲の部材を飛散させたりすることがある、などの問題点がある。

また、クラッシャブルゾーンをモノコック構造で形成する技術は多くの車両に採用されているが、上述と衝撃吸収装置と同様な問題点がある。例えば、必要な強度や剛性を確保するために、衝撃吸収をある程度犠牲にせざるを得ない。更に高い強度や剛性を確保するために、部分的な骨格を追加することも多く、十分に衝撃を吸収できない。

特公昭５９−９７７５号広報（第１図）特開２００５−２２５３９７号広報（第１図）特開平５−１４１４６５号広報（第１図）

上述のとおり従来技術のものは、十分に衝撃を吸収できない、十分な剛性が得られない、重量・容積が大きくなる、状況に応じて瞬時に愬性変形する部材の変形量やエネルギ吸収量を制御することはできない、部材が破断しやすいため周囲へ大きな衝撃が加わったり、周囲の部材を飛散させたりすることがある、などの問題点がある。

本発明はこれらのような問題点を解決すべく案出されたものであり、必要な剛性を保ったまま、確実に衝撃を軽減・吸収し、さらに軽量・コンパクト化に寄与し、状況に応じて瞬時に衝撃吸収・軽減特性を制御し、部材の飛散などを防止することが可能な衝撃軽減装置を提供することが目的である。

上記目的を達成する本発明の衝撃軽減装置は、物体に振動子を接触させ振動を印加することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、例えば超音波領域の振動を印加することにより、金属などの物体の変形抵抗を低減するものである。超音波の印加によって変形抵抗が低下する現象はＢｌａｈａ効果として知られている。請求項２記載の発明は主にこのＢｌａｈａ効果を利用した衝撃吸収装置である。

請求項３記載の発明は、例えば超音波領域の振動を印加することにより、摩擦抵抗を低減するものである。通常時、振動子は金属などの物体に摩擦抵抗が大きい状態で押しつけられているが、衝撃を受けた瞬間には摩擦抵抗が減少し、振動子と物体が互いにスライドし、そのときの摩擦力によって衝撃を吸収する。振動子を円筒に圧入する構造にしてもよい。

請求項４記載の発明は、振動子よって接触させた物体を動かすことができることを特徴とする。例えば超音波モータのように複合振動を励振させて物体を移動させ、衝突物の相対速度を変化させることができる。相対速度を低下させると、より衝撃を低減できる。また、振動エネルギによる駆動力も利用して衝突物の動きを止めることができる。

請求項５記載の発明は、例えば超音波領域の振動の印加により衝突物との摩擦抵抗を低減させ、衝突物の運動方向を変えることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、振動調整機能を付加して所望する衝撃軽減性能を得ることを特徴とする。つまり、衝撃の大きさなどそのときの状況に応じて、振動振幅・周波数・波形など調整し、前記物体の変形量や摩擦抵抗を制御する。

上述のように本発明は、金属などの物体に例えば超音波領域の振動の印加するようにしたものであり、請求項２記載の発明によれば、通常時は剛性の高い構造を保ち、衝撃を受けた瞬間には前記物体を曲がりやすくすることで確実に衝撃を吸収できる。剛性の高い材料を用いて車体などを構成することができるため、少ない部材で剛性の高い構造を実現でき、全体として軽量、コンパクト化することができる。また、高い剛性が必要な重量車両、悪路走行車両、災害用車両、高速車両、宇宙船などにも利用できる。また、振動の印加によって物体を破断させずに曲げることができるため、次段への被害を低減し、破断に伴う部材の飛散などの二次被害を防ぐことができる。

請求項３記載の発明によれば、衝撃を受けた瞬間に振動子と物体が互いにスライドし、そのときの摩擦力によって衝撃を吸収できる。請求項２記載の発明とは手段が異なるため、効果の大きさに違いがあるものの同様な効果が得られる。部材の変形を利用したものではないため、破断に伴う部材の飛散などの二次被害はさらに少なくできる。

請求項４記載の発明によれば、衝突物の相対速度を変化させることができる。相対速度を低下させると、より衝撃を低減できる。また、振動エネルギによる駆動力も利用して衝突物の動きを止めることができる。

請求項５記載の発明によれば、衝撃を受けた瞬間には振動の印加により衝突物との摩擦抵抗を低減させ、衝突物の運動方向を変えることができる。例えば船首などに適用すれば、衝突物が船首にめり込むことを防ぎ、被害の大きさを小さくできる。

請求項６記載の発明によれば、状況に応じて瞬時に衝撃吸収・軽減特性を制御できるため、例えば車両が電柱などに衝突し、乗員のいるスペースが破壊される程大きな衝撃の場合はある程度の剛性を保つが、車両が人などに衝突した場合などは剛性をより低下させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係わる衝撃軽減装置の概念図である。本発明の第２の実施の形態に係わる衝撃軽減装置の概念図である。本発明の第３の実施の形態に係わる衝撃軽減装置の概念図である。本発明の第４の実施の形態に係わる衝撃軽減装置の概念図である。本発明の第５の実施の形態に係わる衝撃軽減装置の概念図である。本発明の第１の実施の形態を利用した、衝撃軽減装置の実施例１の外観図である。本発明の第１の実施の形態を利用した、衝撃軽減装置の実施例２の外観図である。本発明の第１の実施の形態を利用した、衝撃軽減装置の実施例３の外観図である。本発明の第４の実施の形態を利用した、衝撃軽減装置の実施例４の外観図である。本発明の第１および第５の実施の形態を共に利用した、衝撃軽減装置の実施例５の外観図である。本発明の第１の実施形態について実証試験した結果を示す実測グラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態である。ボルト締めランジュバン型振動子等の振動子１と、振動子１を接触させたアルミニウム合金や鉄鋼などの物体２から概略構成される。振動子１は超音波領域の周波数で駆動することが好適である。物体２は棒状のものでも板状のものでもよい。振動子１と物体２はボルトによるねじ止め、溶着、接着、圧着、一体加工などの他、完全には固定せず互いに押しつけた状態でもよい。振動子１が例えば軸方向振動分布３のように振動すると、物体２の変形抵抗が低下し、衝突物４が物体２に衝突したとき、物体２は点線で示すように変形し、衝撃を吸収する。

図２は本発明の第２の実施の形態である。衝突物４に物体２の機能を持たせ、衝突前は振動子１と物体２が分離している。振動子１に衝突物４が衝突すると、振動によって物体２の変形抵抗が低下し、物体２は点線で示すように変形し、衝撃を吸収する。

図３は本発明の第３の実施の形態である。第１の実施の形態と同じく、振動子１と、振動子１を接触させた物体２から概略構成されるが、振動子１と物体２は互いにスライド可能な構造になっている。振動の印加により、摩擦抵抗が減少し、振動子１と物体２が互いにスライドし、そのときの摩擦力によって衝撃を吸収する。なお、物体２を円筒状にして振動子１を圧入する構造でもよい。

図４は本発明の第４の実施の形態である。複合振動子５と、複合振動子５を接触させた物体２から概略構成される。複合振動子５と物体２は互いにスライド可能な構造であり、複合振動の印加により、物体２を両方向に移動させることができる。物体２を移動させることで、衝突物の相対速度を変化させ、より衝撃を低減することができる。また、物体２の駆動力も利用して衝突物の動きを止めることができる。

図５は本発明の第５の実施の形態である。第１〜４の実施の形態と同じく、振動子１と、振動子１を接触させた物体２から概略構成されるが、第１〜４の実施の形態とは異なり、物体２と衝突物４との摩擦抵抗を低減させて、衝突物４の運動方向を変える。

図６は、第１の実施の形態を利用した実施例１である。車体などのフレーム６に複数の振動子１を設置し、振動させると、各部が変形しやすくなり衝撃を吸収する。図６（ａ）は衝突前、図６（ｂ）は衝突後の様子である。振動子１の先端部はフレーム６が曲がることを考慮して丸みをもたせるのも好適である。

図７は、第１の実施の形態を利用した実施例２である。例えば図７のような六角形のフレーム６に複数の振動子１を設置する。図７はフレーム６が形成する面に垂直な方向に振動子１を設置した例であるが、図６と同じようにフレーム６が形成する面内に設置してもよい。図７（ａ）は振動子１をフレーム６の側面の片側にのみ設置した場合、図７（ｂ）はフレーム６の側面の両側に設置した場合である。本実施例を複数組み合わせたハニカム構造の衝撃吸収装置も実現できる。

図８は、第１の実施の形態を利用した実施例３である。スライド可能な衝突部７に振動子１をフランジ８で固定し、物体２に振動子１を押しつけた構成になっている。物体２は台９に設置され、衝突部７に衝撃が印加されると曲がって衝撃を吸収する。衝突部７は、例えばシャフト１０とリニアブッシュ１１を利用してスライドさせる。

図９は、第４の実施の形態を利用した実施例４である。同図に示す本実施例の衝撃軽減装置は、複合振動子５、複合振動子５を接触させた物体２、物体２を設置したスライドガイド１２、衝突部７、圧力印加用ばね１３、圧力印加用ばね固定具１４、筐体１５から概略構成される。複合振動の印加により、スライドガイド１２を任意の方向に移動させる。

図１０は、第１および第５の実施の形態を同時に利用した実施例５である。同図に示す本実施例の衝撃軽減装置はヘリコプタのスキッド１６に適用した例である。着地点との摩擦の減少およびスキッド１６の変形によって衝撃を軽減する。

実証試験
図１１は第１の実施形態について実証試験をした結果である。直径５６ｍｍの共振周波数約１７ｋＨｚのボルト締めランジュバン型振動子にウェッジ型ホーン（先端部の幅１５ｍｍ）を取り付けて、衝撃吸収装置を構成した。衝撃印加用の重錘を衝撃吸収装置の天板上に落下させ、ホーン先端に押し当てたアルミニウム合金板（ＪＩＳＡ６０６３）を曲げることで衝撃を吸収する。使用したアルミニウム合金板は幅２０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ２ｍｍである。衝撃印加用の重錘が衝突する中心位置から１０５ｍｍ離した位置（天板上）に衝撃センサをボルトで固定し、出力を測定した。超音波振動の印加により、衝撃が吸収できていることが確認できた。

以上、本発明の実施の形態および実施例を説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。

本発明は例えば自動車、列車、航空機、宇宙船、船舶、索道、エレベータなどの乗り物やガードレール、電柱、道路分岐部分、道路屈曲部分、滑走路、ヘリポートなどに利用できる。

１振動子
２物体
３軸方向振動分布
４衝突物
５複合振動子
６フレーム
７衝突部
８フランジ
９台
１０シャフト
１１リニアブッシュ
１２スライドガイド
１３圧力印加用ばね
１４圧力印加用ばね固定具
１５筐体
１６スキッド

Claims

振動子を衝撃による力が加わる物体に接触させた衝撃軽減装置。
請求項１に記載の衝撃軽減装置において、振動の印加により前記物体の変形抵抗を低減させることを特徴とする衝撃軽減装置。
請求項１に記載の衝撃軽減装置において、前記物体と前記振動子を互いにスライド可能な構造とし、振動の印加により前記振動子と前記物体との摩擦抵抗を低減させることを特徴とする衝撃軽減装置。
請求項３に記載の衝撃軽減装置において、振動子によって前記物体を動かすことができることを特徴とする衝撃軽減装置。
請求項１に記載の衝撃軽減装置において、振動の印加により衝突物との摩擦抵抗を低減させ、衝突物の運動方向を変えることを特徴とする衝撃軽減装置。
請求項１〜５のいずれかに記載の衝撃軽減装置において、振動調整機能を付加して所望する衝撃軽減性能を得る衝撃軽減装置。