JP2015055271A - 衝撃吸収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】初期の立ち上がりが滑らかな荷重−変位特性を得る。
【解決手段】衝撃吸収装置１は、樹脂を繊維で強化した複合材料で構成され、前後方向へ圧潰して衝撃エネルギーを吸収するクラッシュボックス２と、クラッシュボックス２の前側に配置され、当該クラッシュボックス２を前後方向へ押圧して圧潰させる押圧部材３とを備える。クラッシュボックス２は、前後方向に沿った荷重に対する弾性率が互いに異なる複数の繊維層２１，…が、前後方向と直交する径方向に沿って積層されて構成され、押圧部材３に押圧されるに連れて複数の繊維層２１，…が弾性率の低いものから高いものへ順番に押圧部材３に当接していくように、前端部が押圧部材３の押圧面に対して傾斜している。
【選択図】図２

Description

本発明は、衝突時などの衝撃を吸収する衝撃吸収装置に関し、例えば自動車に好適に適用される衝撃吸収装置に関する。

従来、例えば自動車などに搭載されて、外部からの衝撃を吸収する衝撃吸収装置が知られている。この衝撃吸収装置では、例えば筒状に形成されたエネルギー吸収部材が、衝撃荷重を受けて軸方向に圧潰することによって当該衝撃荷重（衝撃エネルギー）を吸収する。エネルギー吸収部材としては、従来から金属（例えばアルミニウム合金）製のものが用いられてきたが、近年では、より優れたエネルギー吸収性能を有し且つ軽量な複合材料（例えば繊維強化プラスチック）製のものが開発され、実用化されつつある。

ところで、このような衝撃吸収装置においては、エネルギー吸収部材の弾性率がエネルギー吸収性能に大きく影響する。
例えば、特許文献１では、内層に高強度の強化繊維を用い、外層に高弾性率の強化繊維を用いた層状構成の複合材料からなるエネルギー吸収部材が提案されている。この特許文献１に記載のエネルギー吸収部材によれば、破壊に至るまでの抵抗が大きく、破壊後には安定してエネルギーを吸収でき、且つ座屈に対する強度が高いといった、優れたエネルギー吸収性能を得ることが可能となっている。

特開平６−３０００６８号公報

しかしながら、内層に高強度（又は高弾性率）の強化繊維を用いたエネルギー吸収部材では、この内層が最初に荷重を受けた場合に、圧潰方向への変位を殆ど伴わずに大きな荷重に耐えてしまう。より詳細には、このような場合には、図５に示すように、初期に内層の破壊に至るまでの荷重のピークを有する、滑らかでない立ち上がりの荷重−変位特性となってしまう。そして、このように荷重−変位特性の立ち上がりが滑らかでない場合、二次衝突による乗員傷害の悪化などを招来してしまうおそれがある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、初期の立ち上がりが滑らかな荷重−変位特性を得ることができる衝撃吸収装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
樹脂を繊維で強化した複合材料で構成され、所定の圧潰方向へ圧潰して衝撃エネルギーを吸収するエネルギー吸収部材と、
前記エネルギー吸収部材の前記圧潰方向の一端側に配置され、当該エネルギー吸収部材を前記圧潰方向へ押圧して圧潰させる押圧部材と、
を備える衝撃吸収装置であって、
前記エネルギー吸収部材は、
前記圧潰方向に沿った荷重に対する弾性率が互いに異なる複数の繊維層が、前記圧潰方向と直交する方向に沿って積層されて構成され、
前記押圧部材に押圧されるに連れて前記複数の繊維層が前記弾性率の低いものから高いものへ順番に前記押圧部材に当接していくように、前記圧潰方向の一端部が前記押圧部材の押圧面に対して傾斜していることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の衝撃吸収装置において、
前記押圧部材は、前記押圧面が前記圧潰方向と直交する平面状に形成され、
前記エネルギー吸収部材は、
前記圧潰方向に沿った中心軸を有する円筒状に形成され、
前記複数の繊維層が、円筒状にそれぞれ形成されて当該エネルギー吸収部材の径方向に沿って積層されるとともに、内径側のものほど前記弾性率が低くなるように構成され、
前記圧潰方向の一端部が、内径側に向かうに連れて前記圧潰方向の一端側に位置するテーパー状に形成されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の衝撃吸収装置において、
前記押圧部材は、前記押圧面が前記圧潰方向と直交する平面状に形成され、
前記エネルギー吸収部材は、
前記圧潰方向に沿った中心軸を有する円筒状に形成され、
前記複数の繊維層が、円筒状にそれぞれ形成されて当該エネルギー吸収部材の径方向に沿って積層されるとともに、当該エネルギー吸収部材の肉厚の中央側のものほど前記弾性率が低くなるように構成され、
前記圧潰方向の一端部が、当該エネルギー吸収部材の肉厚の中央側に向かうに連れて前記圧潰方向の一端側に位置する形状に形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の衝撃吸収装置において、
前記複合材料は炭素繊維強化プラスチックであることを特徴とする。

本発明によれば、所定の圧潰方向へ圧潰するエネルギー吸収部材が、互いに異なる弾性率の複数の繊維層を圧潰方向と直交する方向に積層させて構成されており、押圧部材に押圧されるに連れて複数の繊維層が弾性率の低いものから高いものへ順番に押圧部材に当接していくように、押圧部材に最初に押圧される圧潰方向の一端部が押圧部材の押圧面に対して傾斜している。これにより、押圧初期時における押圧部分（当接部分）でのエネルギー吸収部材の正味の弾性率は、押圧部材に押圧されるに連れて次第に増加する。したがって、弾性率に比例する荷重も、エネルギー吸収部材の圧潰方向への変位の増加とともに次第に増加することとなり、ひいては、初期の立ち上がりが滑らかな荷重−変位特性を得ることができる。

実施形態における衝撃吸収装置を搭載した車両の斜視図である。 （ａ）実施形態における衝撃吸収装置の断面図であり、（ｂ）（ａ）のＣ部を拡大した図である。 実施形態における衝撃吸収装置の荷重−変位線図である。 （ａ）実施形態の変形例における衝撃吸収装置の断面図であり、（ｂ）（ａ）のＤ部の拡大図である。 従来の衝撃吸収装置の荷重−変位線図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態における衝撃吸収装置１を搭載した車両１００の斜視図であり、図２（ａ）は、衝撃吸収装置１の断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＣ部を拡大した図である。

図１に示すように、衝撃吸収装置１は、車両（自動車）１００のバンパービーム１０１とボディフレーム１０２の間に２つ並設されて、車両前方からの衝撃を吸収するものである。
なお、以下の説明では、「前」「後」との記載は、特に断りのない限り、衝撃吸収装置１が搭載される車両１００から見た方向を意味するものとする。

具体的には、図２（ａ）に示すように、衝撃吸収装置１は、クラッシュボックス２と、クラッシュボックス２を押圧する押圧部材３と、クラッシュボックス２を支持する支持部材４とを備えている。

このうち、クラッシュボックス２は、本発明に係るエネルギー吸収部材であり、樹脂を繊維で強化した複合材料である繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics：ＦＲＰ）で構成されている。繊維の種類としては、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維、アラミド繊維等があるが、エネルギー吸収量と強度に優れる炭素繊維を用いることが好ましい。このクラッシュボックス２は、衝撃荷重を受けた押圧部材３に前方から押圧されて前後方向へ圧潰することで、その衝撃エネルギーを吸収する。

具体的には、クラッシュボックス２は、前後方向に沿った中心軸Ａｘを有する円筒状に形成されている。より詳細には、クラッシュボックス２は、図２（ｂ）に示すように、円筒状にそれぞれ形成された複数の繊維層２１，…が当該クラッシュボックス２の径方向に沿って積層された層状構成となっている。複数の繊維層２１，…は、前後方向に沿った荷重（圧縮荷重）に対する弾性率（以下、単に「弾性率」という。）が互いに異なっており、本実施形態では、クラッシュボックス２の内径側のものほど弾性率が低くなっている。これら複数の繊維層２１，…は、周方向に巻回された繊維の配向方向が互いに異なるために互いの弾性率も異なっている。つまり、複数の繊維層２１，…のうち、内径側（低弾性率）のものでは繊維がより前後方向と直交するように傾斜しており、外径側（高弾性率）のものでは繊維がより前後方向に沿うように立っている。

また、クラッシュボックス２は、押圧部材３側の前端部が、内径側に向かうに連れて前側に位置するテーパー状に形成されている。そのため、クラッシュボックス２は、後述するように、押圧部材３に押圧されるに連れて複数の繊維層２１，…が内径側のもの（つまり弾性率の低いもの）から外径側のもの（つまり弾性率の高いもの）へ順番に当該押圧部材３に当接していくようになっている。

押圧部材３は、図２（ａ）に示すように、クラッシュボックス２を押圧して圧潰させるためのものであり、前後方向と直交する略平板状に形成されて、クラッシュボックス２（最内径側の繊維層２１）の前端面に全周に亘って当接するように配置されている。つまり、押圧部材３のうち、前後方向と直交する平面状の後面が、クラッシュボックス２を押圧する押圧面となっている。また、押圧部材３は、衝撃吸収装置１の車両１００への取り付け部分でもあり、前面が車両１００のバンパービーム１０１の後面に当接するように、当該バンパービーム１０１に取り付けられる（図１参照）。そのため、押圧部材３は、後述するように、バンパービーム１０１を介して前方から加わる衝撃荷重を受けて、クラッシュボックス２を前後方向に沿って前方から押圧して圧潰させる。なお、クラッシュボックス２をバンパービーム１０１に固定する方法としては、例えば押圧部材３と支持部材４をボルトで拘束することで、クラッシュボックス２と押圧部材３に面圧を生じさせてクラッシュボックス２を固定する方法などがある。

支持部材４は、クラッシュボックス２を支持するためのものであり、前後方向と直交する略平板状に形成されて、クラッシュボックス２の後端面に全周に亘って当接するように配置されている。また、支持部材４は、衝撃吸収装置１の車両１００への取り付け部分でもあり、後面が車両１００のボディフレーム１０２の前面に当接するように、当該ボディフレーム１０２に取り付けられる（図１参照）。

以上の構成を具備する衝撃吸収装置１では、例えば当該衝撃吸収装置１を搭載した車両１００が前方の物体に衝突するなどすると、前方からの衝撃荷重がバンパービーム１０１を介して押圧部材３に加わる。そして、この衝撃荷重を受けた押圧部材３が、前後方向に沿って前方からクラッシュボックス２を押圧する。

すると、押圧部材３は、まずクラッシュボックス２の前端部を前方から押圧する。このとき、クラッシュボックス２の前端部は、内径側に向かうに連れて前側に位置するテーパー状に形成されており、すなわち、前後方向と直交する平面状に形成された押圧部材３の押圧面に対して傾斜している。そのため、このクラッシュボックス２の前端部は、押圧部材３に押圧されるに連れて、内径側から外径側に向かって次第に広く当該押圧部材３と当接していく。つまり、クラッシュボックス２の前端部では、複数の繊維層２１，…が弾性率の低いものから高いものへ順番に押圧部材３に当接して押圧されていくため、この押圧部分（当接部分）におけるクラッシュボックス２の正味の弾性率は、押圧部材３に押圧されるに連れて次第に増加することとなる。その結果、弾性率に比例する荷重も、クラッシュボックス２の前後方向への変位（変形量）の増加とともに次第に増加することとなり、このときの荷重−変位特性は、図３に示すように、初期の立ち上がりが滑らかなものとなる。

その後、クラッシュボックス２は、前端部が押圧され切った後に完全な円筒状部分が押圧部材３に押圧されて圧潰していき、このときには、ほぼ一定の荷重で変位が進む。この過程で、クラッシュボックス２は、押圧部材３に直接押圧された部分から繊維が破断し、その破断片が内外に分かれて後方へ巻かれながら順次圧潰していく。その結果、このクラッシュボックス２の圧潰によって衝撃エネルギーが吸収され、衝撃荷重が緩衝される。

以上のように、本実施形態の衝撃吸収装置１によれば、前後方向へ圧潰するクラッシュボックス２が、互いに異なる弾性率の複数の繊維層２１，…を前後方向と直交する径方向に沿って積層させて構成されており、押圧部材３に押圧されるに連れて複数の繊維層２１，…が弾性率の低いものから高いものへ順番に押圧部材３に当接していくように、押圧部材３に最初に押圧される前端部が押圧部材３の押圧面に対して傾斜している。これにより、押圧初期時における押圧部分（当接部分）でのクラッシュボックス２の正味の弾性率は、押圧部材３に押圧されるに連れて次第に増加する。したがって、弾性率に比例する荷重も、クラッシュボックス２の前後方向への変位の増加とともに次第に増加することとなり、ひいては、初期の立ち上がりが滑らかな荷重−変位特性を得ることができる。

［変形例］
続いて、上記実施形態の変形例について説明する。なお、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図４（ａ）は、本変形例における衝撃吸収装置１Ａの断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＤ部を拡大した図である。

図４（ａ）に示すように、衝撃吸収装置１Ａは、上記実施形態におけるクラッシュボックス２に代えて、当該クラッシュボックス２とは前端部の形状及び繊維層の積層構造が異なるクラッシュボックス２Ａを備えている。

クラッシュボックス２Ａは、前後方向に沿った中心軸Ａｘを有する円筒状に形成されている。より詳細には、クラッシュボックス２Ａは、図４（ｂ）に示すように、円筒状にそれぞれ形成された複数の繊維層２１Ａ，…が当該クラッシュボックス２Ａの径方向に沿って積層された層状構成となっている。複数の繊維層２１Ａ，…は、その弾性率が互いに異なっており、本変形例では、クラッシュボックス２の肉厚の中央側のものほど弾性率が低く、当該中央側のものよりも内径側又は外径側のものほど弾性率が高くなっている。また、クラッシュボックス２Ａは、押圧部材３側の前端部が、当該クラッシュボックス２Ａの肉厚の中央側に向かうに連れて前側に位置する断面針状に形成されている。
このような構成により、クラッシュボックス２Ａは、上記実施形態におけるクラッシュボックス２と同様に、押圧部材３に押圧されるに連れて、複数の繊維層２１Ａ，…が弾性率の低いものから高いものへ順番に当該押圧部材３に当接していくようになっている。なお、クラッシュボックス２Ａは、その他の点については、上記実施形態におけるクラッシュボックス２と同様に構成されている。

以上の本変形例の衝撃吸収装置１Ａによっても、上記実施形態の衝撃吸収装置１と同様の効果を得ることができる。

［他の変形例］
なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態及びその変形例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、クラッシュボックス２（２Ａ）は、押圧部材３に押圧されるに連れて複数の繊維層２１，…（２１Ａ，…）が弾性率の低いものから高いものへ順番に押圧部材３に当接していくように構成されていればよく、つまり、当該クラッシュボックス２の前端部では、弾性率の低い繊維層２１が弾性率の高い繊維層２１よりも前側に位置していればよい。したがって、複数の繊維層２１を外径側のものほど弾性率が低くなるように構成し、クラッシュボックス２の前端部を、外径側に向かうに連れて前側に位置するようなテーパー状に形成してもよい。但し、このように構成した場合には、安定荷重領域における荷重が低下し、その分だけエネルギー吸収量も低下してしまう。したがって、クラッシュボックス２の最外径の繊維層２１は、最も低弾性率のものでないことが好ましい。

また、クラッシュボックス２（２Ａ）の前端部は、押圧部材３に押圧されるに連れて複数の繊維層２１，…（２１Ａ，…）が弾性率の低いものから高いものへ順番に押圧部材３に当接していくように、押圧部材３の押圧面に対して傾斜していればよく、必ずしも前後方向に対して傾斜していなくともよい。つまり、クラッシュボックス２（２Ａ）の前端部（前端面）を前後方向と直交する平面とし、押圧部材３の押圧面を傾斜させてもよい。

また、クラッシュボックス２（２Ａ）は、円筒状に限定されず、例えば、円柱状や円錐状，角柱状，角錐状などであってもよい。

また、本発明に係る衝撃吸収装置は、車両（自動車）に搭載されるものに限定されず、例えばヘリコプターに搭載されて着陸時の衝撃を吸収するものなどにも好適に適用可能である。

１，１Ａ 衝撃吸収装置
２，２Ａ クラッシュボックス（エネルギー吸収部材）
２１，２１Ａ 繊維層
Ａｘ 中心軸
３ 押圧部材
４ 支持部材

Claims (4)

1. 樹脂を繊維で強化した複合材料で構成され、所定の圧潰方向へ圧潰して衝撃エネルギーを吸収するエネルギー吸収部材と、
   前記エネルギー吸収部材の前記圧潰方向の一端側に配置され、当該エネルギー吸収部材を前記圧潰方向へ押圧して圧潰させる押圧部材と、
   を備える衝撃吸収装置であって、
   前記エネルギー吸収部材は、
   前記圧潰方向に沿った荷重に対する弾性率が互いに異なる複数の繊維層が、前記圧潰方向と直交する方向に沿って積層されて構成され、
   前記押圧部材に押圧されるに連れて前記複数の繊維層が前記弾性率の低いものから高いものへ順番に前記押圧部材に当接していくように、前記圧潰方向の一端部が前記押圧部材の押圧面に対して傾斜していることを特徴とする衝撃吸収装置。
2. 前記押圧部材は、前記押圧面が前記圧潰方向と直交する平面状に形成され、
   前記エネルギー吸収部材は、
   前記圧潰方向に沿った中心軸を有する円筒状に形成され、
   前記複数の繊維層が、円筒状にそれぞれ形成されて当該エネルギー吸収部材の径方向に沿って積層されるとともに、内径側のものほど前記弾性率が低くなるように構成され、
   前記圧潰方向の一端部が、内径側に向かうに連れて前記圧潰方向の一端側に位置するテーパー状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の衝撃吸収装置。
3. 前記押圧部材は、前記押圧面が前記圧潰方向と直交する平面状に形成され、
   前記エネルギー吸収部材は、
   前記圧潰方向に沿った中心軸を有する円筒状に形成され、
   前記複数の繊維層が、円筒状にそれぞれ形成されて当該エネルギー吸収部材の径方向に沿って積層されるとともに、当該エネルギー吸収部材の肉厚の中央側のものほど前記弾性率が低くなるように構成され、
   前記圧潰方向の一端部が、当該エネルギー吸収部材の肉厚の中央側に向かうに連れて前記圧潰方向の一端側に位置する形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の衝撃吸収装置。
4. 前記複合材料は炭素繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の衝撃吸収装置。

Images