JP3902124B2

JP3902124B2 - 繊維複合衝撃吸収構造体

Info

Publication number: JP3902124B2
Application number: JP2002350013A
Authority: JP
Inventors: ミヒャエル・ベクトルト; クラウス・ドレクシュレル; フランツ・マイドル; ブルノ・モールトゲン; フランク・シュトラクチャウアー
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-12-01
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2022-12-02
Also published as: JP2003262246A; EP1316409A1; DE10159067A1; DE50205741D1; EP1316409B1; US20040201252A1; US6830286B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の前文に記載された特に自動車の長手方向部材用の繊維複合衝撃吸収構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
衝撃吸収構造体、変形要素、エネルギー吸収体は車両−飛行機製造や鉄道−ヘリコプター技術において安全性を高めるために多様な構造態様で、さまざまな個所で利用される。これらのエネルギー吸収構造体は例えば鋼またはアルミニウム板もしくはアルミニウム押出し成形体から構成される。さらに近年では繊維複合材料が、主としてその属性に関連した重量低減の可能性のゆえに、ますます利用される。
【０００３】
自動車では特にフロント領域とリヤ領域で管状構造の変形要素の成功が実証された。このような管状構造体が例えば特許文献１により公知である。そこでは長手方向の圧縮荷重時に非可逆的にエネルギーを吸収するための開口した中空体として構成された衝撃保護用構造材が、繊維複合条帯から成る網状側面を有する。管は管長手方向の圧縮荷重が小さい場合柔軟に可逆的に支えるのに役立ち、荷重が大きい場合には残留変形下に非可逆的にエネルギーを吸収する。
【０００４】
さらに、特許文献２に述べられた自動車用バンパは少なくとも１つの繊維複合材料から成る円錐状に配置される衝撃吸収管を有する。相互に半径方向で離間して円錐状に配置される衝撃吸収管はその長手軸が少なくとも近似的に車両長手方向に、したがって走行方向に延びるように配置されており、繊維は少なくとも実質的に管長手方向で配向している。繊維としてガラス繊維、炭素繊維またはアラミド繊維が使用される。
【０００５】
それに加えて、繊維強化複合材料から成る円筒状に構成されるエネルギー吸収体が特許文献３により公知であり、そこでは繊維が少なくとも本体の周方向に巻回されている。さらに、中空状に構成されるエネルギー吸収体の厚さは軸方向において少なくとも２段階で徐々に増加させて構成されている。
【０００６】
さらに特許文献４に述べられた他の中空状衝撃吸収体は階段状角錐体の形状を有し、もしくはその側面が段丘状に構成されている。その際、エネルギー吸収は主として連続的な剪断過程によって行われ、衝撃吸収体の材料は寸法的に安定している圧縮された繊維材料から成る。
【０００７】
しかし公知の構成では大部分が、０度衝突の場合にのみ高いエネルギー吸収能力が可能であるという欠点を有する。これに対して、吸収体要素の長手方向に対して或る角度で衝突が作用すると、一様な破壊特性が生じることがない。
【０００８】
さらに欠点として、公知の構成では僅かな構造結合性を有するだけである。すなわち、構造体は衝突エネルギーの吸収時に大きな破片に裂ける。しかしこのような破片は高い損傷の危険を意味し、したがって望ましくない。
【０００９】
さらに、公知構造体の衝撃吸収特性は計算するのが困難であり、衝撃吸収特性を予測するには高い実験費用が必要である。
【００１０】
それに加えて、繊維複合材料から成る幾つかの構造材では平面状繊維複合半製品から三次元構造体を製作しなければならないので、手作業で製造するものの割合が高い。そのことから普通、平面状半製品の裁断屑が多くなるだけでなく、製作に時間がかかり、したがってコストがかかることになる。
【００１１】
【特許文献１】
西独国特許出願公開第３０４９４２５号明細書（特開昭５７−１２４１４２）
【特許文献２】
独国特許出願公開第３８３３０４８号明細書
【特許文献３】
独国特許出願公開第４３１７７３８号明細書（特開平５−３３２３８６）
【特許文献４】
欧州特許第０６８３０７２号明細書（特開平７−３１５０７６）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、再現可能な衝撃吸収特性と最適な構造結合性を有し、しかも安価に製造可能な繊維複合衝撃吸収構造体を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この課題は第１実施形態によれば、全体または一部を繊維複合材料から製造される中空体を有する繊維複合衝撃吸収構造体によって解決され、この衝撃吸収構造体は本発明によれば、中空体の内部に実質的にその長手方向に延ばしてウェブ要素が配置されており、実質的にウェブ要素と中空体との接触領域でウェブ要素が中空体に結合され、補強要素が、接触領域において、ウェブ要素と中空体との間に跨って配置されて、これにより構造体が補強されていることを特徴としている。
【００１４】
この実施形態では中空体が任意の横断面を有する。しかし横断面が長円形状、卵形形状、楕円形状、円形状または多角形状を有するのが望ましい。
【００１５】
ウェブ要素を省くことのできる本発明による繊維複合衝撃吸収構造体の第２実施形態は、中空体が円形横断面を有し、構造体を補強するために補強要素が中空体壁に導入されていることを特徴としている。
【００１６】
繊維複合材料から成る本発明による衝撃吸収構造体は、重量低減の他に、エネルギー吸収率が高いという利点を有する。斜め衝突時にも構造材は高い構造結合性と最適な衝撃吸収特性とを示す。それに加えて、吸収特性は十分に予測して希望する要請に簡単に適合させることができる。
【００１７】
有利には補強要素は実質的に中空体壁の厚さ方向に延ばして配置されている。補強要素の方向付けに基づいて、構造体に作用する衝撃は最適に吸収され、特に斜め衝突時のエネルギー吸収性が本質的に向上する。それに加えて、このように補強された構造体は向上した構造結合性を示し、衝突事故のとき破片状に裂けたりもしくは割れたりすることが防止される。
【００１８】
さらに、補強要素を完全にまたは部分的に中空体の周方向に延ばしてかつその長手方向に沿って配置するのが望ましい。
【００１９】
構造体のエネルギー吸収能力を適合するために中空体の周方向でもまたその長手方向でも補強要素の間隔が可変調整可能であると特別有利である。すなわち、吸収特性は‐補強要素の密度を変更することによって‐希望する負荷変位曲線に簡単に適合可能である。このことが有利であるのは、公知の構造体とは異なり、吸収特性を適合するとき新たな設計が必要でなく、したがって構造体を製造するための新たな工具も必要ないからである。これは、費用も時間も節約するきわめて効果的な適合態様を意味する。
【００２０】
望ましくは補強要素はタフティングによって中空体壁に縫い込まれ、もしくはウェブ要素と中空体は実質的に接触領域においてタフティングによって縫合される。縫着法は操作が簡単である利点を有する。しかもそれは自動製造過程に容易に一体化可能である。これは少なくとも半自動生産が可能であることを意味しており、必要とされる生産時間が一層短く、また人件費が一層少なくなり、そのことからかなりの費用削減が得られる。
【００２１】
望ましくは補強要素はガラス繊維、アラミド繊維から成る縫糸であり、ガラス繊維の使用が費用上一層好ましい。
【００２２】
さらに、中空体が長手方向で円錐形状を示し、あるいは長手方向で階段状に構成された可変肉厚を有すると有利である。選択的に中空体は長手方向で連続的に増加する肉厚を有することができる。これにより、最大に力の作用するレベルが公知の如くに調整され、簡単な手段で構造体拘束システムが実現される。
【００２３】
特別好ましい実施形態によれば中空体が繊維複合メッシュから成る。繊維複合メッシュの使用は最終成形輪郭に近くなり、かつ自動化できるゆえに望ましい。その際、例えば他の二次元多軸構造布または織物を使用する場合のように裁断屑が生じることは殆どなく、材料費が低減される。しかも半自動生産のゆえに一層少ない人件費で生産時間が一層短くなる。
【００２４】
ウェブ要素を有する実施形態においてこのウェブ要素は望ましくは二重Ｔ断面を有し、ウェブ要素のＴ形部分は中央領域を介して互いに結合されており、Ｔ形部分は中空体の間近で隣接して向き合う側面を相互に結合する。こうして衝撃吸収構造体に高い安定性が付与される。
【００２５】
さらに、ウェブ要素が中空体と同様に繊維複合材料で構成されると有利である。その際、ウェブ要素が縫合した多軸構造布から成り、多軸構造布の繊維配向が長手伸長に関して４５°の角度を示すと特別望ましい。多軸構造布の使用は力線を配向させた配置を可能とする。４５°の配向は最適な剪断強さをもたらし、角度を持った衝突（斜め衝突）時にもシステム全体の完全な機能性を保証する。しかもこのようなＴ断面ウェブは多軸構造布から比較的簡単かつ安価に製造することができる。
【００２６】
本発明による衝撃吸収構造体は、好ましくは乗用車において衝撃吸収長手方向部材として利用される。さらに、繊維複合衝撃吸収構造体は飛行機、ヘリコプターまたは軌条車両において変形要素として使用することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、好ましい１実施形態の添付図面を基に本発明を詳細に説明する。
図１は本発明による繊維複合衝撃吸収構造体の第１実施形態を立体図で示す。この繊維複合衝撃吸収構造体は繊維複合材料製の中空体１から成る。中空体１は好ましくは円錐形状を有し、例えば環状の編組機を利用して製造される繊維メッシュから成る。メッシュは通常、好適に成形された（図示しない）マンドレルに被着される。中空体は他の繊維複合材料からでも、もしくは他の技術でも、勿論製造することができる。
【００２８】
図１に示す実施形態の肉厚ｄは階段状もしくは段丘状に構成されている。中空体壁の厚さｄは円錐状に先細の側面１ａから拡張された側面１ｂへと区域ごとに増加しており、製造技術上の理由から、図１に示すように外壁のみを区域ごとに厚くするのが好ましい。というのも、例えば編組によって製造するとき中空体１の内面は図示しないマンドレルに連続的に当接するからである。肉厚ｄを区域ごとに増加させることによって最大に力の作用する各レベルが調整され、これにより実質的に構造体拘束システムが実現される。それに加えて、一定した肉厚または連続的に増加する肉厚の中空体も同様に使用することができる。上述した例は単なる具体例であり、何らこれに限定するものではない。
【００２９】
図１の中空体はＸＹ平面で見て縦長の横断面を有し、実質平行に延びる２つの側面４、５は湾曲領域６、７を介して互いに結合されている。対峙する側面４、５の距離は対峙する湾曲領域７、６の距離よりもはるかに小さい。選択的に、中空体の横断面は楕円形もしくは卵形に構成することもできる。その場合、側面４、５は側面７、６と同様に湾曲構成されているが、しかし側面４、５の曲率半径は側面７、６の曲率半径よりもはるかに大きい。それに加えて、利用可能な空間に応じて他の好適な横断面も使用することができる。
【００３０】
図１によりさらに示すように中空体１の内部にウェブ要素２が配置されて実質的に長手方向に延びている。この長手方向は図１に符号Ｚとした方向に一致する。ウェブ要素２は二重Ｔ断面を有し、ウェブ要素２の符号８、９としたＴ形部分は中空体１の側面４もしくは５に接触している。ウェブ要素２の部分８、９が中空体１の内面に接触し、側面４の領域に接触領域１０が生じ、側面５の領域には接触領域１１が生じる。接触領域１０、１１はウェブ要素２の長手方向Ｚ全体にわたって延びている。
【００３１】
図２にはウェブ要素２が個別に立体図で示してある。ウェブ要素２のＴ形に構成された部分は符号８、９とされている。ウェブ要素２は中空体１と同様に繊維複合材料から製造されている。好ましくはウェブ要素２は縫合した多軸構造布から成り、その繊維は長手方向Ｚに関してそれぞれ主に４５°の角度で配向している。繊維の４５°配向はＴ形部分８、９を結合する中央領域２ａについて図２に概略示唆してある。Ｔ形部分８、９にも同じ繊維配向を適用することができる。このような繊維配向は本発明による衝撃吸収要素のエネルギー吸収にとって、斜め衝突の場合、特別適している。繊維の配向は当然に他の力の作用にも好適に適合させることができる。
【００３２】
図３は図１に示した繊維複合衝撃吸収構造のＸＹ平面における横断面を略図で示す。ウェブ要素２はそのＴ形部分８、９が中空体１の内面に接触して中空体１に縫合されている。主として実質Ｚ方向に延びる接触領域１０、１１内で行われる縫合によって補強要素１２が構造体に導入される。しかしこの縫合はこれらの領域を越えてそれぞれ周方向に拡張することもでき、そのことが図３では拡張領域１０ａもしくは１１ａによって概略示唆してある。周方向は図３に矢印方向Ｕによって概略示唆してある。縫糸の態様で導入された補強要素１２は当然に中空体１の全周にわたって配置しておくこともできる。その場合、いわゆる拡張領域は相応に全周にわたって延びている。
【００３３】
縫合は好ましくはタフティングによって行われる。そのことの利点として、縫着裏面に‐つまり中空体内面に‐からみ合いが生じない。補強要素もしくは縫糸１２はいわばピン状に、中空体１の外壁に垂直に延びて接触領域１０、１１もしくは１０ａ、１１ａに導入される。これは、補強要素１２が実質的に中空体壁の厚さ方向に延びることを意味する。この厚さ方向が図３に矢印方向Ｄによって示唆してあり、つまりＸＹ平面を延びている。
【００３４】
縫糸として代表的にはガラス繊維またはアラミド繊維が使用される。厚さ方向Ｄに延びる繊維のゆえに繊維複合衝撃吸収構造体のエネルギー吸収特性は本質的に向上され最適化される。しかも、補強要素を設けることによって、衝突事故のときウェブ要素２と中空体１の層間剥離が防止される。これは、本発明による衝撃吸収構造体が高い構造統合性を有し、すなわち衝突事故のとき大きな破片が飛び散ることがないことを意味する。繊維複合材料から製造された構造体が均一に小さく砕かれる。こうして、繊維補強のゆえに最適な衝撃吸収特性で高いエネルギー吸収率が達成される。
【００３５】
さらに付記しておくなら衝撃吸収特性は簡単に、例えば縫目間隔を変更することによって、適合もしくは変更することができる。そのことから、厚さ方向に延びる繊維がさまざまな密度となる。換言するなら、繊維の間隔変更に基づいて本発明による衝撃吸収要素の吸収特性は簡単に適合することができる。そのことが有利であるのは、従来の衝撃吸収構造体では再度最適化するとき新たな設計が必要であり、したがって新たな製造工具も必要であり、そのことが大きな製造費用を必要とし、したがって長い加工サイクルも必要とするからである。それに対して本発明による構造体では中空体、ウェブ要素の形状を維持することができる。繊維状補強要素１２の間隔だけが変更される。個々の繊維の相互距離のバリエーションは当然にＺ方向でも周方向Ｕでも変更することができる。そのことが図４に概略示してあり、この図には接触領域１０もしくは拡張接触領域１０ａが拡大して立体図で示してある。図４に示す密度バリエーションの他に、仕様に応じて任意の他のバリエーションも当然に選択することができる。
【００３６】
それに加えて、本発明による繊維複合衝撃吸収構造体は安価に製造可能である利点を有する。すでに述べたようにまず最初に例えば縫合した多軸構造布からウェブ要素が製造される。次にウェブ要素２は相応に成形されたコアによって保持される。コアの外周は、中空体１の円錐形状に一致しかつ次の加工ステップ用のマンドレルとして役立つように形成されている。コア要素から成るこのマンドレルに次に中空体が編組によって被着される。編組は例えば環状の編組機によって行うことができる。次にウェブ要素は上で述べたように中空体に縫合される。その際マンドレルは、特に後続の輸送にとって望ましいことであるが中空体の内部に残すことができ、あるいは除去することもできる。最後に繊維複合衝撃吸収構造体に含浸する前にマンドレルは除去される。含浸過程は例えばＲＴＭ（リアクショントランスファーモールディング）またはＲＩ（レジンインジェクション）によって行われる。
【００３７】
最後に付記しておくなら、他の実施形態によれば中空体が円形横断面を有し、場合によってはウェブ要素を省くことができる。その場合、厚さ方向に延びて周方向Ｕにも長手方向Ｚにも配置される補強要素は縫合によって希望する個所で中空体壁に導入される。その他の点で第２実施形態は図１〜図４に関連して述べた第１実施形態と相違していない。
【００３８】
本発明による繊維複合衝撃吸収構造体は特に乗用車の衝撃吸収長手方向部材として使用される。それに加えて他の中空体形状も使用することができ、それらは例えば変形要素として飛行機技術、ヘリコプター技術または軌条車両において同様の方法で適用される。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、再現可能な衝撃吸収特性と最適な構造結合性を有し、しかも安価に製造可能な繊維複合衝撃吸収構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による繊維複合衝撃吸収構造体の第１実施形態の略立体図である。
【図２】中空体の内部に配置されるウェブ要素の立体図である。
【図３】図１に示す繊維複合衝撃吸収構造体の略横断面図である。
【図４】ウェブ要素と中空体との間の接触領域の拡大部分図である。
【符号の説明】
１中空体
２ウェブ要素
４，５側面
６，７湾曲領域
８，９Ｔ形部分
１０，１１；１０ａ，１１ａ接触領域
１２補強要素
Ｚ長手方向

Claims

全体にまたは部分的に繊維複合材料から製造された中空体（１）を含む繊維複合衝撃吸収構造体において、
中空体（１）の内部に実質的にその長手方向（Ｚ）に延ばしてウェブ要素（２）が配置されており、実質的にウェブ要素（２）と中空体（１）との接触領域（１０、１１；１０ａ、１１ａ）でウェブ要素（２）が中空体（１）に結合され、
補強要素（１２）が、接触領域（１０、１１；１０ａ、１１ａ）において、ウェブ要素（２）と中空体（１）との間に跨って配置されて、これにより構造体が補強されていることを特徴とする繊維複合衝撃吸収構造体。
全体にまたは部分的に繊維複合材料から製造された中空体（１）を含む繊維複合衝撃吸収構造体において、
中空体（１）が円形横断面を有し、構造体を補強するために補強要素（１２）が中空体壁に導入されて、実質的に中空体壁の厚さ方向（Ｄ）に延ばして配置されていることを特徴とする繊維複合衝撃吸収構造体。
全体にまたは部分的に繊維複合材料から製造された中空体（１）を含む繊維複合衝撃吸収構造体において、
中空体（１）の内部に実質的にその長手方向（Ｚ）に延ばしてウェブ要素（２）が配置されており、実質的にウェブ要素（２）と中空体（１）との接触領域（１０、１１；１０ａ、１１ａ）でウェブ要素（２）が中空体（１）に結合され、
補強要素（１２）が実質的に中空体壁の厚さ方向（Ｄ）に延ばして配置されて、これにより、構造体が補強されていることを特徴とする繊維複合衝撃吸収構造体。
補強要素（１２）が全体にまたは部分的に中空体（１）の周方向（Ｕ）にわたってかつその長手方向（Ｚ）に沿って配置されていることを特徴とする、請求項１記載の繊維複合衝撃吸収構造体。
構造体のエネルギー吸収能力を調整するために複数の補強要素（１２）間の距離が中空体（１）の周方向（Ｕ）と長手方向（Ｚ）の両方で調整可能であることを特徴とする、請求項１または２記載の繊維複合衝撃吸収構造体。
実質的に接触領域（１０、１１；１０ａ、１１ａ）でタフティングによってウェブ要素（２）が中空体（１）に縫合されていることを特徴とする、請求項１記載の繊維複合衝撃吸収構造体。
補強要素（１２）がタフティングによって中空体壁に縫い付けられていることを特徴とする、請求項２記載の繊維複合衝撃吸収構造体。
全体にまたは部分的に繊維複合材料から製造された中空体（１）を含む繊維複合衝撃吸収構造体において、
中空体（１）の内部に実質的にその長手方向（Ｚ）に延ばしてウェブ要素（２）が配置されており、実質的にウェブ要素（２）と中空体（１）との接触領域（１０、１１；１０ａ、１１ａ）でウェブ要素（２）が中空体（１）に結合されて構造体が補強要素（１２）によって補強されており、
補強要素（１２）は、ガラス繊維またはアラミド繊維から成る縫糸であることを特徴とする繊維複合衝撃吸収構造体。
全体にまたは部分的に繊維複合材料から製造された中空体（１）を含む繊維複合衝撃吸収構造体において、
中空体（１）が円形横断面を有し、構造体を補強するために補強要素（１２）が中空体壁に導入されており、
補強要素（１２）は、ガラス繊維またはアラミド繊維から成る縫糸であることを特徴とする繊維複合衝撃吸収構造体。
中空体（１）は、長円形、卵形、楕円形、円形、または多角形の横断面を有することを特徴とする、請求項１記載の繊維複合衝撃吸収構造体。
中空体（１）が長手方向（Ｚ）で円錐形状を有することを特徴とする、請求項１または２記載の繊維複合衝撃吸収構造体。
全体にまたは部分的に繊維複合材料から製造された中空体（１）を含む繊維複合衝撃吸収構造体において、
中空体（１）の内部に実質的にその長手方向（Ｚ）に延ばしてウェブ要素（２）が配置されており、実質的にウェブ要素（２）と中空体（１）との接触領域（１０、１１；１０ａ、１１ａ）でウェブ要素（２）が中空体（１）に結合されて構造体が補強要素（１２）によって補強され、
中空体（１）が、長手方向（Ｚ）で階段状に変化する壁厚さ（ｄ）を有し、または、連続的に増加する壁厚さ（ｄ）を有することを特徴とする繊維複合衝撃吸収構造体。
全体にまたは部分的に繊維複合材料から製造された中空体（１）を含む繊維複合衝撃吸収構造体において、
中空体（１）が円形横断面を有し、構造体を補強するために補強要素（１２）が中空体壁に導入されており、
中空体（１）が、長手方向（Ｚ）で階段状に変化する壁厚さ（ｄ）を有し、または、連続的に増加する壁厚さ（ｄ）を有することを特徴とする繊維複合衝撃吸収構造体。
中空体（１）が繊維複合メッシュであることを特徴とする、請求項１または２記載の繊維複合衝撃吸収構造体。
全体にまたは部分的に繊維複合材料から製造された中空体（１）を含む繊維複合衝撃吸収構造体において、
中空体（１）の内部に実質的にその長手方向（Ｚ）に延ばしてウェブ要素（２）が配置されており、実質的にウェブ要素（２）と中空体（１）との接触領域（１０、１１；１０ａ、１１ａ）でウェブ要素（２）が中空体（１）に結合されて構造体が補強要素（１２）によって補強され、
ウェブ要素（２）が二重Ｔ断面を有し、ウェブ要素（２）のＴ形部分（８、９）が中央領域（２ａ）を介して互いに結合されていることを特徴とする繊維複合衝撃吸収構造体。
ウェブ要素（２）のＴ形部分（８、９）が中空体（１）の間近で隣接して向き合う側面（４、５）を互いに結合することを特徴とする、請求項１５記載の繊維複合衝撃吸収構造体。
ウェブ要素（２）が繊維複合材料から成ることを特徴とする、請求項１記載の繊維複合衝撃吸収構造体。
全体にまたは部分的に繊維複合材料から製造された中空体（１）を含む繊維複合衝撃吸収構造体において、
中空体（１）の内部に実質的にその長手方向（Ｚ）に延ばしてウェブ要素（２）が配置されており、実質的にウェブ要素（２）と中空体（１）との接触領域（１０、１１；１０ａ、１１ａ）でウェブ要素（２）が中空体（１）に結合されて構造体が補強要素（１２）によって補強され、
ウェブ要素（２）が多数の繊維配向軸を有する縫合された多軸構造布であることを特徴とする繊維複合衝撃吸収構造体。
多軸構造布がウェブ要素（２）の長手方向（Ｚ）に関して４５°の繊維配向を有することを特徴とする、請求項１８記載の繊維複合衝撃吸収構造体。
請求項１乃至１９のいずれか１項に記載された繊維複合衝撃吸収構造体の、乗用車の衝撃吸収長手方向部材としての使用。
請求項１乃至１９のいずれか１項に記載された繊維複合衝撃吸収構造体の、飛行機、ヘリコプターまたは軌条車両内での使用。