JP2014074637A - 支持部材の支持力解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性材料が変形する際に生じる角度変化を考慮した支持力の解析を行えるようにすること。
【解決手段】弾性変形可能な支持部材を使用したシートの着座者を支持する力を解析する支持力解析方法であって、前記支持部材の弾性変形経緯における第１状態と、当該第１状態と異なる第２状態と、の間で生じる角度変化量を解析の指標とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、シートに使用される支持部材の支持力解析方法に関する。詳しくは、車両用シートに使用される弾性変形可能な支持部材の支持力解析方法に関する。

従来から、シートの乗り心地を改善するために様々な研究開発がなされている。例えば、座り心地が改善されたシートとして、着座者が着座するシートパッドの裏面側を着座荷重作用方向に滑らかな凸曲線形状としたシートが知られている（特許文献１参照）。この他、良好な座り心地を得るシートの設計を行うために解析技術を利用することがある。乗り心地性能を解析するために柔軟物専用のモデルを用いて解析を行うことが試みられている。例えばウレタンフォームの解析については、荷重分布に着目しウレタンフォームの反応を確認する技術が知られている（非特許文献１参照）。

特開２０１１−１０７４８号公報

トヨタ紡織技術会２０１１．５「乗り心地評価のためのシートたわみFEM解析」

上記非特許文献に記載されている解析モデルにおいては、ウレタンフォームの初期状態の硬さをモデルに反映することがなされている。しかしながら、従来の解析方法と同様、撓み方の量や分布状況に着目し、ウレタンフォームがどのように反応しているのかを見ているのみであった。そして、撓み方の量として、ウレタンフォームの変形状態に起因する引っ張り量や圧縮量を考慮した解析を行っていなかった。
本発明者は上記特許文献に開示されている形状を有するシートであると、クッション感が増すという事項を検討する過程において、物質の変形状態により、撓み特性が大きく異なることに気が付いた。そして、物質の撓み特性は、材料の角度変化が影響していることを見出した。

本発明は、上記した点に鑑みて創案されたものであって、本発明が解決しようとする課題は、弾性材料が変形する際に生じる角度変化を考慮した支持力の解析を行えるようにすることにある。

上記課題を解決するために、本発明の支持力解析方法は次の手段をとる。
先ず、第１の発明は、弾性変形可能な支持部材を使用したシートの着座者を支持する力を解析する支持力解析方法であって、前記支持部材の弾性変形経緯における第１状態と、当該第１状態と異なる第２状態と、の間で生じる角度変化量を解析の指標とすることを特徴とする。

この第１の発明によれば、支持部材の弾性変形経緯における第１状態と、当該第１状態と異なる第２状態と、の間で生じる角度変化量を解析の指標としているので、材料の特定の部位が変形により、どのように角度を変えて変形しているのかが把握可能となるため、材料のバネ定数の変化を考慮しやすくなる。これによりシート性能の解析精度を高めることができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記弾性変形可能な支持部材の中から選んだ２点について、第１状態における２点を結んだ線分の傾きを表す値と、前記支持部材が第１状態から変形した第２状態となることで変位した当該２点を結んだ線分の傾きを表す値と、を解析の指標とすることを特徴とする。

この第２の発明によれば、支持部材の中から選んだ２点について、第１状態における２点を結んだ線分の傾きを表す値と、前記支持部材が第１状態から変形した第２状態となることで変位した当該２点を結んだ線分の傾きを表す値と、を解析の指標としているので、角度変化量を容易に把握することが可能となる。

第３の発明は、第１の発明又は第２の発明において、前記弾性変形可能な材料がフォーム材であることを特徴とする。

この第３の発明によれば、弾性材料をフォーム材としているため、圧縮領域と引っ張り領域のバネ定数が大きく異なるため、角度の変化がもたらす材料の特性変化が大きくなる。

本発明によれば、弾性材料が変形する際に生じる角度変化を考慮した支持力の解析を行えるようにすることができる。

シートクッションをブロックに分けた概念図である。 シートクッションが変形した際にブロックの形状が変わる概念図である。 シートクッションと荷重実験に使用するブロック片との関係を表す概念図である。 高傾斜角度でブロック片を配置した場合の加圧実験の概念図である。 低傾斜角度でブロック片を配置した場合の加圧実験の概念図である。 加圧部材の移動距離と負荷荷重の関係を表した実験データ線図である。 補正式の記号の意味を表す図である。 図６で示した実験データを補正したデータ線図である。 ブロック片の角度と荷重値との関係をひずみ毎に比較したデータ線図である。 ウレタンフォームの特性を示したデータ線図である。 初期状態からの角度変化と支配的な応力との関係を表す概念図である。 実験で使用したブロック片の設定角度と支配的な応力との関係を表す概念図である。

以下に、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。先ず、弾性変形が可能な部材のどの部分に着目して解析を行うのかを説明する。
図１はシートクッション１の断面図であり、当該断面図を縦線と横線を所定の間隔で引いて区分けして示している。当該線は上下方向の縦線と、左右方向の横線と、の２方向に各々複数延ばして示されている。なお、図１は説明に使用される概念図であるため、線の間隔は比較的大きくしている。よって、図面に示した線の間隔と、解析するために適切な間隔と、は関係が無い。
この線により構成された最小の正方形を一つのブロック２と考える。図１には複数のブロック２が記載されているが、その中の対角線を付した１つのブロック２について着目して、説明する。ブロック２はシートクッション１のいわゆる天板部の下部に位置するブロックである。
図２は着座荷重を上方から受けてシートクッション１が変形することにより図１で対角線を付したブロック２がどのように変形するのかを表す概念図である。なお、着座荷重は白抜き矢印で表しており、２点鎖線はシートクッション１に着座荷重が負荷されていない状態を表している。
図１で示されているように、シートクッション１に負荷がかかっていない状態では、ブロック２は正方形である。当該状態を第１状態と考える。また、図２に示す負荷がかかりシートクッション１が変形した状態を第２状態と考える。第２状態の場合、図２に示すようにブロック２は正方形を維持できず変形する。このような変形状態は各部位が変位することによりもたらされるため、従前の解析においては、単に位置が変わっていると捉えることが通常である。しかし、本発明においては、単に位置が変わっているという視点に立つのではなく、角度も変わっているという視点を取り入れることが最大の特徴である。

次に支持部材の弾性変形経緯における第１状態と第２状態との間で生じる角度変化量をどのように求めるのかを例示する。
図１に示すブロック２の第１状態における正方向の頂点A、B、C、D部分が、図２に示す第２状態になった際に、この４つのA、B、C、D部分で囲われた領域での角度がどのように変位したかを把握してシート性能の評価解析に用いる。角度の把握は、例えば、第１状態では正方形のブロック２の対角線Ｘ、Ｙの傾き角度で把握する。この時の傾き角度の読み取りは、例えば、図２に示す基準線Ｌを基準として読み取る。基準線Ｌは図１に示す第１状態における横線と平行な線として定められている。
ブロック２の対角線Ｘ、Ｙの傾き角度の第１状態から第２状態への変化の把握の仕方を次に説明する。先ず、図１に示す第１状態ではブロック２は正方形であるので、対角線Ｘ、Ｙの傾き角度は基準線Ｌを基準として把握すると、４５度と−４５度となる。すなわち、図１に示すブロック２の正方形の頂点ＡとＢを結ぶ対角線Ｘ、及び頂点ＣとＤを結ぶ対角線Ｙと基準線Ｌとのなす角は、時計回り方向で読み取った場合、対角線Ｘが４５度、対角線Ｙが−４５度となっている。
これが、図２に示す第２状態では、ブロック２は荷重がかかって圧縮されて変形し、正方形ではない四角形に変形した状態となる。そして、この状態におけるブロック２の対角線Ｘ、Ｙは図２に示すθａ１の傾き角度とθｂ１の傾き角度となる。このθａ１の傾き角度とθｂ１の傾き角度は、第１状態の角度の４５度及び−４５度より小さい角度、例えば４０度と−４０度となっている。ブロック２はシートクッション１の中央位置下部にあることから、ブロック２の左右の変位量も同じとなっており、そのため、対角線Ｘ、Ｙの傾き角度も絶対値が同じとなっている。
そして、第１状態と第２状態における対角線Ｘ、Ｙのそれぞれの傾き角度を適宜検知手段で把握して、傾きの進行状態すなわち角度変化をシート性能の解析評価に用いる。本実施形態例の場合は、対角線Ｘ、Ｙの角度変化量は、対角線Ｘの場合は、４５度（第１状態）−４０度（第２状態）＝５度（変化量）であり、対角線Ｙの場合は、（−４５度（第１状態））−（−４０度（第２状態））＝−５度である。この変化量を用いてシート性能の解析評価を行う。これにより解析評価の精度の向上を図ることが可能となった。
また、上記に加えて、或いは上記の別の解析要素として、ブロック２の互いの対角線Ｘ、Ｙが持つ傾き角度の合計値をブロック２自体の傾き角度の変化指標として用いることもできる。例えば、図１に示す第１状態の正方形の場合は、４５度と−４５度の合計値である０度が第１状態におけるブロック２自体の傾き角度であり、ブロック２は傾いていないことを示している。図２に示す状態の場合はθａ１とθｂ１の合計値が第２状態におけるブロック２自体の角度である。θａ１とθｂ１の合計値はやはり０度であり、ブロック２は傾いていないことを示している。したがって、このブロック２の場合は第１状態と第２状態ではブロック２自体の傾きの変化はないと把握される。
次にシートクッション１の異なる位置のブロック２ａについての、図１に示す第１状態と図２に示す第２状態の角度変化状態について説明する。ブロック２ａの位置は、シートクッション１の天板部の右側位置にある。したがって、着座者の着座荷重が作用すると、図２に示すようにブロック２ａの右側と左側とでは撓み変形量が異なり、右側より左側の撓み変形量が多くなっている。すなわちブロック２自体も左下がり方向に傾いた状態となる。ブロック２ａのこの角度変化状態も上述したブロック２の場合と同様にして把握する。すなわち、ブロック２ａの図１に示す第１状態は、前述のブロック２の場合と同様にして対角線Ｘ、Ｙの角度で把握する。また、対角線Ｘ、Ｙの角度の合計値からブロック２ａ自体の傾きを把握することもできる。なお、この場合に把握されるブロック２ａの角度は、前述のブロック２と同様の傾きの無い正方形状態であるので、ブロック２と実質的に同じである。
ブロック２ａの図２に示す第２状態における把握も、同様に対角線Ｘ、Ｙの角度で把握する。この場合、対角線Ｘの角度はθａ２として把握され、対角線Ｙの角度はθｂ２として把握される。この把握されるθａ２とθｂ２の絶対値はブロック２ａが傾いた状態であることから異なっている。これにより、対角線Ｘの第１状態から第２状態への角度変位量と、対角線Ｙの第１状態から第２状態への角度変位量とは、異なった変位量として把握される。
つまり、図２に示す第２状態における対角線Ｘ、Ｙの角度θａ２、θｂ２の合計値はブロック２の場合のように０とはならない。よって、０ではないある数値として示される。この数値の大きさによってブロック２ａ自体の傾き角度が把握される。このブロック２ａの場合は、θａ２のプラス角度数値よりもθｂ２のマイナス角度数値の方が大きく把握されるので、合計値はマイナス角度数値として示される。このマイナス角度数値によりブロック２ａは左下がり方向に傾いていることを示すものである。この数値も適宜シート性能の解析評価に用いる。

次に、上述のようにして把握されるシートクッション１の角度変位を、シート性能の解析評価指標として用いるのが有用であると、発明者が認識した内容について説明する。
先ず、弾性変形可能なシート部材、例えば、ウレタンフォームなどからなるシートクッションが加圧される場合に、支持部材の角度がどのように反発力（支持力）に影響するのかを、以下に実験結果を示し説明する。
図３は、ブロック片５への荷重実験とシートクッション１との関連性を説明するための概念図である。ここで、ブロック片５は図１及び図２で説明したブロック２、２ａに相当するものである。図３のシートクッション１に示されるブロック片５の傾きは説明の都合上、誇張して傾かせて示した。
図３に示したようにシートクッション１の一部に傾斜した状態でブロック片５が配置されていると考える。当該ブロック片５が上方からの荷重に対してどのような挙動を示すのかを測定したいため、傾斜台３の上にブロック片５を載せ、その上から加圧部材４で加圧する実験を行った。具体的な実験条件は以下の通り。

ブロック片５として、テスト発泡したウレタンフォームのコア部から１００×１００×５０ｍｍのサイズで切り出したものを使用した。当該ブロック片５を図４、５に示すような傾斜台３上に配置し、両面テープで固定した。なお、図４は傾斜台３の傾斜角度が比較的大きい場合であり、図５は傾斜台３の傾斜角度が比較的小さい場合を表している。当該状態において、傾斜台３の傾斜面と平行な傾斜側面を有する加圧部材４を上方から１００ｍ／ｍｉｎの速度で下方に動かし、初期厚みから４０ｍｍ下方に変位する（変位量Ｓ）まで負荷するが、予負荷として５０％圧縮を１回実施した。
傾斜台３の角度を１１．２５度、２２．５度、３３．７５度、４５度の４種類に設定して実験を行った。また、水平状態のブロック片５についても加圧部材４を上方から１００ｍ／ｍｉｎの速度で下方に動かして加圧する実験を行った。

変位量Ｓと負荷荷重Ｆの計測値に関し、使用した傾斜台３の傾斜角度毎にまとめたデータを図６に線図として示す。しかしながら、当該データの各々の数値をそのまま比較対称とすることは意味が無い。というのも、上記実験の傾斜台３の傾斜角度を変えることで、上下圧縮に対する面積が変化することとなり、更には、変位量Ｓも総厚に対する割合が変化するからである。そこで、当該項目を角度ごとに補正し、比較可能な特性値に変換させるために、以下に記すように補正を行った。
図７に示されているように、水平に設置されたブロック片５の水平方向の長さをＬとし、垂直方向の長さをＨとする。また、ブロック片５を傾斜して配置した際の角度をθとする。当該傾斜状態における水平方向の長さをＬ’とし、垂直方向の長さをＨ’とする。当該荷重データに関し、式（１）の面積補正を行う。変位量Ｓは式（２）の総厚に対する比率補正を行う。

図６に示されたデータを式（１）及び式（２）を用いて補正したデータを図８に示す。
補正後のデータを見ると、ブロック片５の角度変化とともに荷重が単調増加していくのではなく、角度により変曲点があることが判る。３０％ひずみ時の荷重がブロック片５の角度が０度、１１．２５度、２２．５度と徐々に減少して行き、そこから反転して３３．７５度、４５度と増加していくことがわかる。
更に、硬度や減衰特性などの物理特性が異なる５種類のウレタンフォームを試験した。実験結果を表１に記す。

表１に記されているように、上記５種類のウレタンフォームのすべてにおいて、３０％ひずみ時の荷重がブロック片５の角度が０度、１１．２５度、２２．５度と徐々に減少して行き、そこから反転して３３．７５度、４５度と増加していくことがわかる。

図９にブロック片５の角度と荷重値の関係をひずみε毎に比較したデータを示す。
ひずみεが１０％までは変曲点が３３．７５度で現れるが、ひずみεが２０％以降においては２２．５度に変曲点が移行していくことが読み取れる。この傾向も上記５種類のウレタンフォームにおいて同様の傾向を示すものであった。

上記したデータが示すように、ブロック片５の傾斜角度を変化させることで特性が変化していくことが理解される。
一方、ウレタンフォームなどのフォーム材は引っ張り領域と圧縮領域においては撓み特性（バネ定数）に違いがあることが知られている。例えば、図１０に示されたウレタンフォームの特性曲線から分かるように、引っ張り領域のバネ定数が圧縮領域のバネ定数の約１７倍となることもある。
上記実験結果が示す特性の変化は、この引っ張り領域のバネ定数と圧縮領域のバネ定数がもたらしているものと考えられる。体積変化を伴っているので、単純せん断試験ではないが、この特性の変化は、次のように捉えると理解しやすい。
角度をつけたブロック片５に対して下方向に荷重をかけて圧縮していくとき、上下方向に圧縮が進むが、ここでは、その際の左右方向の動きに着目する。
図１１には、傾斜角度が２２．５度である傾斜台３を使用した場合の概念図を示している。以下においては、図１１におけるブロック片５の左上角Ａ点と右下角Ｂ点との相対距離を考える。
初期状態から７．９ｍｍ下方に加圧部材４を移動させるまでの間はブロック片５の左上角Ａ点と右下角Ｂ点との相対距離が減少していく。すなわち圧縮されていく。
更に加圧部材４を下方に移動させていくと上記Ａ点とＢ点の相対距離は拡大して行き、圧縮された応力が緩和され加圧部材４が初期状態から１５．９ｍｍまで移動した地点で上記Ａ点とＢ点の相対距離は初期状態と等しくなる。
更に下方に加圧部材４を移動させると上記Ａ点とＢ点の相対距離は初期状態よりも拡大して行き、引っ張り応力が増加していく。

この圧縮、緩和、引っ張りの変化を図１２に示す。圧縮、緩和、引っ張りの変化は２２．５度の条件では発生するが、３３．７５度の条件では初期から引っ張りである。また、１１．２５度の条件では圧縮と緩和までで変化が終了する。
上記変化が発生する閾値は、ブロック片５の寸法とブロック片５の角度との関係から必然的に発生するものであるが、このことから前記角度変化がウレタンフォーム内の応力分布変化にどの様に影響するのかを理解することができる。

上記したように、弾性変形可能な支持部材の角度が当該支持部材の支持力に影響する。このため、当該事項を考慮して支持力を解析すれば、従来よりも、より効果的な解析を行えることが理解できる。

以上各実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態のほか、その他各種の形態で実施可能なものである。
例えば、第１状態におけるブロックの形状は正方形であることに限られない。長方形にすることも可能であるし、その他の多角形にすることも可能である。
また、解析に使用するブロックの形状は多角形である必要性は無く、曲線を使用していても構わない。
また、材料はウレタンフォームに限ることは無く、フォーム材全般や、２枚の織布などの間に編み糸を介在させて立体構造を形成する立体織編物や、長繊維の複数箇所が接合点となるように複雑に絡み合うことで立体構造を形成した不織布などでもよい。特に、引っ張り領域と圧縮領域におけるバネ定数が異なる材料であることが望ましい。
また、指標として角度を表す単位を用いていなくとも、交差する２つの直線の内側と外側を位置表示するような場合、実施的に角度を指標として取り入れているものであるから、本発明に含まれるものである。
また、２点の選び方は２点を結ぶ線分がブロックの対角線となるように選ぶことに限られない。例えば、２点を結ぶ線分がブロックの１辺となるように選択することも可能である。
また、実施例においては、弾性変形経緯として、第１状態を荷重がかかっていない状態とし、第２状態を過重負荷後の状態としているが、第１状態を低負荷がかかっている状態とし、第２状態を高負荷がかかっている状態とすることも可能である。
また、実施例においてはシートクッションを例示しているが、支持部材が弾性変形しながら支持する部位であればよく、シートバックやヘッドレストなどの様々な部位を解析するのに利用することが可能である。
また、本発明の解析方法は車両用シートにのみ適用可能なわけではなく、その他のシートにおいても適用可能である。

１ シートクッション
２ ブロック
２ａ ブロック
３ 傾斜台
４ 加圧部材
５ ブロック片

Claims (3)

1. 弾性変形可能な支持部材を使用したシートの着座者を支持する力を解析する支持力解析方法であって、
   前記支持部材の弾性変形経緯における第１状態と、当該第１状態と異なる第２状態と、の間で生じる角度変化量を解析の指標とすることを特徴とする支持力解析方法。
2. 請求項１に記載の支持力解析方法であって、
   前記弾性変形可能な支持部材の中から選んだ２点について、第１状態における２点を結んだ線分の傾きを表す値と、前記支持部材が第１状態から変形した第２状態となることで変位した当該２点を結んだ線分の傾きを表す値と、を解析の指標とすることを特徴とする支持力解析方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の支持力解析方法であって、
   前記弾性変形可能な材料がフォーム材であることを特徴とする支持力解析方法。
   

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