JP4583775B2

JP4583775B2 - 自動車用衝撃吸収部材

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Publication number: JP4583775B2
Application number: JP2004035989A
Authority: JP
Inventors: 状元山木; 雄太漆山; 大生阿部
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: JP2005225364A

Description

本発明は、自動車の側面部に使用される、高いエネルギー吸収量を実現したＣＦＲＰの側部衝撃吸収部材に関する。

２種以上の材料を組み合わせた複合材料は、素材単独では出せない優れた特性を得る目的でつくられた人工材料であり、材料を強化する目的等の様々な目的のために開発されている。複合材料のうち材料を繊維で強化したものは、繊維強化複合材料とよばれ、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）が代表的である。ＦＲＰは、マトリックス（素地）としてプラスチックを使用したもので、強化材としては一般に、ガラスやカーボン等の繊維が使用される。

ＦＲＰの強化材としてカーボン繊維を使用したものは、ＣＦＲＰ（カーボン繊維強化プラスチック）とよばれ、先端複合材料の中核に位置し、軽量、高強度、高弾性率材料として、航空分野、宇宙分野等に欠くことのできない構造材料である。ＣＦＲＰ材は、カーボン繊維の配向に応じて異なる構造及び性質を持つ、ＵＤ材（ユニダイレクショナル材）や、クロス材が知られている。ＵＤ材は、カーボン繊維をうすく一方向に並べてエポキシ樹脂等により成型した素材形態である。一方、クロス材はカーボン繊維を織物状に編みこんで、エポキシ樹脂等により成型した素材形態である。これらのＣＦＲＰは鉄の約２５％の重量と軽量ながら、耐熱性、耐蝕性がある。

近年、自動車等の車両においては、乗員の保護対策のために、フロントピラー、センターピラー、リアピラー等の自動車側部に使用されるビーム材に対して、さらに優れた衝撃エネルギー吸収が期待されている。また、これらのピラーの材料においては、さらなる燃費向上のため、軽いものが望ましく、アルミニウム材もしくはアルミニウム合金材が使用されている。これらの材料よりもさらに軽く、エネルギー吸収量が大きい衝撃吸収材料が望まれている。

自動車の側部構造材として設置されるフレームは、単一材料を押出成型やプレス成型し、断面形状を閉断面化、大断面化して強度、剛性を上げ、衝突時のエネルギー吸収を図っている。一般に、側面衝突時の変形モードとしては、センターピラーを例に挙げると、上部サイドルーフレールと下部サイドシルを支点として折れ曲がるような３点曲げを受ける。従って、側部構造材としては、３点曲げの荷重に対する耐久力が強く、曲げによるたわみが小さくなることが望まれる。

例えば、ピラー用の衝撃吸収部材としてアルミニウム材もしくはアルミニウム合金材（以下、単にアルミ）が使用された場合、同じ重量で大きな断面２次モーメントを得るために、中空構造が採用されている。このようなアルミ等のビーム材を使用したときの変形においては、加わる荷重が最大強度に達した直後に荷重強度が急激に減少するという性質がある。これは、加わる荷重が降伏点を越えると、小さな荷重で容易に衝撃吸収部材を変形させることができるため、一旦降伏点を越えると車体の変形量が大きいことを意味する。即ち、降伏点を越えたとたんに耐えうる荷重が小さくなり、小さい荷重で大きな車体の変形を生じるため、荷重と変位の積で算出されるエネルギー吸収量は結果的に小さくなる。これに対して、ピラー用の衝撃吸収部材として望ましい性質は、荷重が最大強度に達して降伏点を越えた後、降伏点近傍の荷重が引き続き加わっても、一定の変位に達するまでは荷重強度を保持し続けるというものである。

これに関し、特許文献１は、アルミ中空形材の引張面側にＦＲＰ材を隣接して一体化させた部材が提案されている。これは圧縮側に塑性変形容易な部材を使用し、引張側に高強度軽量部材を使用することで、圧縮側で衝撃吸収を受け持ち、引張側では面の変形量を少なくすることで大きなエネルギー吸収と小さな変形を実現しようとする技術である。
特開平０６−１０１７３２号公報

しかし、特許文献１の衝撃吸収部材では、圧縮側に塑性変形し易いアルミを使用しているため、エネルギー吸収量は圧縮側の降伏応力が支配的要因になってしまう。即ち、引張側の高強度ＦＲＰ材はエネルギー吸収材としての寄与が低い。さらに、特許文献１の衝撃吸収部材においては、アルミとＦＲＰがボルトにより接合されているが、このような構造であると、加重付加に伴ってボルト接合部に応力集中が発生し、この発明特有の利点を発揮する以前に接合部から破断に至る可能性がある。ボルトの代わりとして接着剤を使用しても、接着剤の強度でビーム剤全体の強度の上限値が決まってしまう。また、特許文献１ではアルミを使用しているため、軽量化のための重量効率の向上にも限界がある。

従って、特許文献１のビーム材を使用することで、変形量は引張側のＦＲＰによりある程度抑えられるが、ビーム材が耐えうる最大荷重は、単一材料によるアルミのビーム材と比べて大幅に改善することができない。結果として、エネルギー吸収量においても単一材料によるビーム材と大きな差異がない。また、実際にはアルミとＦＲＰの接合部から破断に至る可能性があり、荷重の耐久力が接合部の強度に依存してしまう。

従って、本発明においては、高強度のＣＦＲＰ材の特性を用いて、全面ＣＦＲＰのビーム材で短い変形ストロークと大きな比エネルギー吸収量を両立させ得る自動車用側部衝撃吸収部材を提供することを目的とする。

そこで、本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、自動車の側部に用いられる衝撃吸収部材として、中空長材の引張面を形成する面部材に強度において異方性を備えたＣＦＲＰ材を用い、圧縮面を形成する面部材に強度において等方性を備えたＣＦＲＰ材を用い、側面を形成する面部材に強度において異方性を備えたＣＦＲＰ材を用いた衝撃吸収部材が、衝撃に対するエネルギー吸収性能を向上できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のような衝撃吸収部材を提供する。

（１）自動車の側面部に設置され、当該側面部において側突衝撃の吸収をする衝撃吸収部材であって、中空の長材である中空長材からなり、前記中空長材の長手方向に対して略直角に曲げ変形を行うことにより前記側突衝撃の吸収を行う衝撃吸収部材であり、前記中空を囲み形成する平面または曲面のうち、衝撃の荷重により主に引張り応力を受ける引張面を形成する面部材には、強度において異方性を備えた所定構造のＣＦＲＰ材が用いられ、前記中空を囲み形成する平面または曲面のうち、衝撃の荷重により主に圧縮応力を受ける圧縮面を形成する面部材には、強度において等方性を備えた所定構造のＣＦＲＰ材が用いられ、前記中空を囲み形成する平面または曲面のうち、前記圧縮面および前記引張面とは別の面であり、衝撃の荷重により主にせん断応力を受ける側面を形成する面部材には、強度において異方性を備えた所定構造のＣＦＲＰ材が用いられることを特徴とする衝撃吸収部材。

（２）前記異方性を備えた所定構造のＣＦＲＰ材は、カーボン繊維の繊維方向を略一方向に揃えたシート状ＣＦＲＰ材であるか、又は、一のシート状ＣＦＲＰ材の繊維方向と積層する他のシート状ＣＦＲＰ材の繊維方向とが一定の角度を有して積層された第１のＣＦＲＰ材であることを特徴とする（１）記載の衝撃吸収部材。

（３）前記等方性を備えた所定構造のＣＦＲＰ材は、カーボン繊維が織物状に２次元に配向したシート状ＣＦＲＰ材であるか、又は、当該シート状ＣＦＲＰ材を複数積層して形成された第２のＣＦＲＰ材であることを特徴とする（２）記載の衝撃吸収部材。

（４）前記第１のＣＦＲＰ材を、前記引張面および前記側面を形成する面部材として用い、前記第２のＣＦＲＰ材を、前記圧縮面を形成する面部材として用いることを特徴とする（３）記載の衝撃吸収部材。

（５）前記引張面および前記側面を形成する面部材について、当該面部材を形成するＣＦＲＰ材のカーボン繊維の繊維方向が前記中空長材の長手方向と略一致することを特徴とする（２）から（４）何れか記載の衝撃吸収部材。

本発明により、衝撃を受けるビーム材として軽量・高強度なＣＦＲＰ材に置換することで、重量効率が下がり、高いエネルギー吸収量を実現できる。さらに、中空長材の衝撃吸収部材の引張面を形成する面部材に強度において異方性を備えたＣＦＲＰ材を用い、圧縮面を形成する面部材に強度において等方性を備えたＣＦＲＰ材を用い、側面を形成する面部材に強度において異方性を備えたＣＦＲＰ材を用いたので、衝撃に対して衝撃吸収部材が破壊される順番をコントロールすることが可能であり、結果として最大荷重に到達後の急激な荷重低下を防止することができる。即ち、本発明により、従来と比べてさらに吸収エネルギー量が増加した衝撃吸収部材を提供することができる。

以下、本発明に好適な実施形態の一例について、図を参照しながら説明する。

図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本発明の好適な実施形態に係る衝撃吸収部材１０１、１０２を自動車５０のセンターピラー１０に適用した例を示した模式図である。図１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、本発明では、自動車の側面部の側突による衝撃に対して充分なエネルギー吸収を実現した衝撃吸収部材１０１、１０２を提供する。一例として、図１（ｃ）は、面部材に使用するＣＦＲＰ材（カーボン繊維強化プラスチック）として衝撃吸収部材の全面にＵＤ材（ユニダイレクショナル材）を採用した衝撃吸収部材１０１が示されている。図１（ｄ）は、各面によって異なるＣＦＲＰ材を採用した衝撃吸収部材１０２が示されている。即ち、衝撃吸収部材１０２は、衝撃が加わる圧縮面にクロス材を採用し、その他の面に一方向ＵＤ材を採用した複合構造である。

図１（ｂ）は本発明の実施例の一部を示したものであり、センターピラー以外のフロントピラー、リアピラーに本発明の衝撃吸収部材１０１、１０２が使用されてもよい。

衝撃吸収部材は、長手方向に中空部を有する中空長材であって、中空部を囲む平面または曲面を形成する面部材からなる構造であるため、図１（ｃ）、（ｄ）のように、断面が正四角形でなくてもよく、長方形、台形、三角形、六角形、八角形等の任意の多角形でもよいし、断面が円や楕円であってもよい。また、部材の厚みも適宜、選択することができる。

ＵＤ材は、ＣＦＲＰ材の素材形態であって、カーボン繊維の構造として繊維をほぼ一方向に揃えて固めたシート状ＣＦＲＰ材、又はこのシート状ＣＦＲＰ材を積層したＣＦＲＰ材（第１のＣＦＲＰ材）である。ここでシート状ＣＦＲＰ材の繊維方向を統一して積層させたＵＤ材を、一方向ＵＤ材と呼ぶ。一方向ＵＤ材は、繊維方向の引張強度が強いため、異方性を有するＣＦＲＰ材料である（図６にて後述）。また、これとは異なり、ＵＤ材として、繊維方向がシート状ＣＦＲＰ材の層ごとに異なり、一定の角度を有して積層してもよい。例えば層ごとに繊維方向が直角であるといった場合である（図６（ｃ）にて後述）。

クロス材は、ＣＦＲＰ材の素材形態であって、ＣＦＲＰ材のカーボン繊維の構造として繊維を織り込むことで織物状に配向したシート状ＣＦＲＰ材、又はこのシート状ＣＦＲＰ材を積層したＣＦＲＰ材（第２のＣＦＲＰ材）である。即ち、クロス材とは、カーボン繊維の套を一本もしくは複数本ずつ編むことで平面を構成し、その平面に樹脂等のマトリクスを使用し固めたＣＦＲＰ材である。織物状を形成するための編み方としては、平織りや綾織りであってよい。一方向ＵＤ材とは異なり、一般に、クロス材は、その強度においては等方性を有するＣＦＲＰ材料である。

繊維方向とは、カーボン繊維を組み合わせてＣＦＲＰ材を形成する際に、カーボン繊維を一方向に揃えることにより決定される繊維の向きである。また、衝撃吸収部材の面に対して一の繊維方向による角度が定まり、これを繊維配向角度（配向角）と呼ぶ。繊維配向角度は、衝撃吸収部材の重心を通り衝撃吸収部材の長手方向に延びる中心軸と繊維方向から定まる角度である。

圧縮面とは、衝撃による荷重を直接的に受ける面であり、自動車の側面とほぼ平行な面であってもよい。また、荷重により主に圧縮応力を受ける面であってもよい。引張面とは、衝撃による荷重を間接的に受ける面であり、自動車の側面とほぼ平行な面であってよい。また、引張面は、圧縮面と対面した面であってもよいし、衝撃による荷重により主に引張り応力を受ける面であってもよい。さらに、衝撃吸収部材の側面とは、衝撃による荷重を間接的に受ける面であり、圧縮面と引張面とを繋ぐために介在する面であってもよく、荷重により主にせん断応力を受ける面でもよく、自動車の側面に対して直角な面であってよい。

図１（ｃ）は、単一のＣＦＲＰ材としてクロス材を採用した例であるが、ＵＤ材等のその他のＣＦＲＰ材を採用してもよく、特にＵＤ材においては配向角の自由度を考慮したＣＦＲＰ材を採用できる。さらに、図１（ｄ）のように、圧縮面においてクロス材を採用し、引張面と側面においてＵＤ材を使用することは一例であり、全ての面がクロス材またはＵＤ材であってもよいし、側面をクロス材にしてもよい。また、図１（ｄ）の側面及び引張面における、ＵＤ材のカーボン繊維の方向は一例を示したにすぎない。即ち、ＵＤ材におけるカーボン繊維の方向が図示とは異なり、例えば、側面において、カーボン繊維の方向が衝撃吸収部材の奥行き方向（図のＹ方向）であってもよいし、引張面において、繊維方向が衝撃吸収部材の高さ方向（図のＺ方向）であってもよい。また、ＵＤ材において、必ずしも各面に対して繊維方向がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に平行である必要はなく、各面によって同じまたは異なる、特定の繊維配向角度を有していてもよい。

ＣＦＲＰ材の衝撃吸収部材が、従来のアルミに比べて高い荷重特性を持つことを説明する。衝撃吸収を、衝撃吸収部材の長手方向から直角に曲げ変形することで実現する部材について、曲げモーメントから考察する。ここでの衝撃吸収部材は、単一種類のＣＦＲＰ材から形成した衝撃吸収部材１０１でもよいし、複数の種類のＣＦＲＰ材から形成した複合構造の衝撃吸収部材１０２であってもよい。

一般に、梁の曲げにおいては、図２のように衝撃吸収部材１００に垂直応力が発生し、衝撃吸収部材１００の中心軸からの距離ｙ、微小面積ｄＡ、衝撃吸収部材の強度σとすると、ｙσｄＡのモーメントが生じる。従って、梁中央部断面に作用する曲げモーメントは、式（１）のように表される。

ここで、強度σはＣＦＲＰ材の構造及び、配向角により調整することが可能であり、アルミよりも高強度に設定が可能である。例えば、一方向ＵＤ材（配向角０度）（東レ（株）製カーボン繊維Ｔ７００Ｓ、マトリクスにエポキシ樹脂を採用）の強度は２６００ＭＰａであり、クロス材の強度は７９８ＭＰａである。これに対して、アルミ（５０００系）の強度は２７０ＭＰａ（ヤング率７１ＧＰａ、破壊歪み１４％、ポアソン比０．３）と小さい。従って、中心軸からの距離ｙが等しいアルミとＣＦＲＰ材では、ＣＦＲＰ材の方が、強度が大きいため、耐えうる曲げモーメントが大きくなり、より良い荷重特性を持つことができる。

さらに、ＣＦＲＰ材は、荷重が付加されても衝撃吸収部材の断面が変化しないため、高いエネルギー吸収性能を持つことを説明する。衝撃吸収部材が完全塑性体と仮定した場合、梁の塑性曲げモーメントＭ_ｐは式（２）のように表される（図３参照）。

ここで、σ_ｙは降伏点応力、ｙ_１は中立軸から圧縮面までの距離、ｙ_２は中立軸から引張面までの距離、Ａが衝撃吸収部材の中央部断面積である。対応する各変数は、図３（ａ）に記した。

図３（ｂ）は、衝撃吸収部材としてアルミを使用した際に、降伏点近傍まで荷重を加えることで変形したアルミの形状を示す模式図である。図に示されるように、アルミの場合には、荷重による変形に伴ってアルミ７の中央部断面積Ａの値が減少する。それに伴って、中立軸から圧縮面、引張面までの距離ｙ_１、ｙ_２も減少する。この結果、塑性曲げモーメントＭ_ｐも減少するため、荷重値も降伏点近傍まで荷重を加えた後には減少せざるを得ない。

図３（ｃ）は、衝撃吸収部材１００としてＣＦＲＰ材を使用した際に、降伏点近傍まで荷重を加えることで変形したＣＦＲＰ材の形状を示す模式図である。ＣＦＲＰ材の場合には、荷重を加えたところで、図のように上述の断面積Ａ、距離ｙ_１、ｙ_２が一定である。これはＣＦＲＰ材の塑性変形が進行するため、アルミのように荷重によるへこみがないからである。従って、（２）式より、塑性曲げモーメントＭ_ｐの値は減少することがなく、降伏点近傍まで荷重を加えていながらも、荷重値はすぐに減少しない特徴がある。結果として、ＣＦＲＰ材は高いエネルギー吸収性能を示すことが予想される。

図４は、比エネルギー吸収量（単位重量あたりのエネルギー吸収量）を比較したグラフ図である。ここでのＣＦＲＰ材は、東レ（株）製カーボン繊維Ｔ７００Ｓを強化繊維とし、マトリクスにエポキシ樹脂を用いた。一方向ＵＤ材（配向角０度）のヤング率は１４０ＧＰａ、破壊歪みが１．９％、ポアソン比が０．３２、強度２６００ＭＰａである。クロス材では、ヤング率は８９ＧＰａ、破壊歪みが０．９％、ポアソン比が０．０７、強度７９８ＭＰａである。

実験では、アルミ衝撃吸収材の比重が７．６ｇ／ｃｍ^３、ＣＦＲＰ材の比重が１．６ｇ／ｃｍ^３である。グラフ４０２が引張面のみクロス材を採用し、その他の全面に一方向ＵＤ材（０度）を採用した結果である。グラフ４０１が図１（ｃ）のように全面に一方向ＵＤ材（０度）を採用した結果である。グラフ４０３が、前述のアルミを衝撃吸収部材に採用した結果である。アルミで形成した衝撃吸収部材の比エネルギー吸収量は４００Ｊ／ｋｇ程度であるのに対して、ＵＤ材（０度）で形成した衝撃吸収部材１０１の比エネルギー吸収量は１２００Ｊ／ｋｇ強であった。ＣＦＲＰ材はアルミより、曲げモーメントが大きく、荷重による圧縮部の断面積が減少しないため大きなエネルギー吸収を実現していると考えられる。

ＣＦＲＰ材を衝撃吸収部材に用いることで、高いエネルギー吸収特性を示すことに加えて、衝撃吸収部材の各面に働く応力に応じて異なる種類のＣＦＲＰ材を採用すれば、さらに高い荷重特性を示すと考えられる。即ち、荷重により主に圧縮応力が加わる圧縮面では圧縮に強いＣＦＲＰ材を採用し、主に引張応力が働く引張面では引張に強いＣＦＲＰ材を使用し、主にせん断応力が働く側面にはせん断応力に強いＣＦＲＰ材を使用することが理想的である。

図５は、曲げ変形を受ける自動車の側部構造体としての衝撃吸収部材に、荷重がかかったときの概念図である。一般にピラー材は、上部サイドルーフレールと下部サイドシルを支点として折れ曲がるような３点曲げを受ける。この際に、荷重が直接加わる圧縮面では、荷重により面が圧縮される方向に応力が主に働く。これに対して、荷重が直接加わらない引張面では、面が引張られる方向に応力が主に働く。さらに、側面では荷重によるずれに伴い、せん断応力が主に働く。この様な異なる応力に対応したＣＦＲＰ材として、どの面にどのＣＦＲＰ材を採用すればよいか以下にて検討する。

図６は、ＣＦＲＰ材として異なる性質を持つＵＤ材、クロス材（幅２５ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ１ｍｍ、５枚積層）に対して、引張強さを測定した結果を示した表と、各々の材料を引張る方向を示す概念図である。これより、ＣＦＲＰ材の構造及びカーボン繊維の配向角により引張強さが異なることが示される。図６（ａ）は、一方向ＵＤ材の繊維方向に引張ることを示す概念図である。図６（ｂ）は、ＵＤ材の繊維方向に対して９０度の方向に引張ることを示す概念図である。図６（ｃ）は、配向角度が０度と−９０度で直交したＵＤ材を交互に積層させて作製したＵＤ材を引張る概念図である。図６（ｄ）は、クロス材に対して面の広がり方向に引張ることを-示す概念図である。本測定は、ＰＡＮ系炭素繊維を使用し、マトリックスとしてエポキシ樹脂を使用している。

図６の表に示されるように、一方向ＵＤ材は引張強度に対して異方性を示し、繊維方向が長手方向０度である一方向ＵＤ材の引張強さがサンプル中、最大であることから、このＣＦＲＰ材を図５における衝撃吸収部材の引張面に使用することが適当であると考えられる。即ち、一実施例として図１（ｄ）のように、衝撃を受ける面の逆側の面である引張面にＵＤ材を採用し、かつ炭素の繊維方向と荷重時の引張られる方向が同じになるように配向角をＺ軸に平行に設定するのが望ましい。

図７（ａ）、（ｂ）は、衝撃吸収部材の引張面の種類により荷重特性が異なることを示す図である。圧縮面と側面に一方向ＵＤ材（０度）、引張面にクロス材（０度、−９０度）を採用した際には、引張面におけるクロス材のヤング率が８９ＭＰａであるため、図７（ａ）に示すように、圧縮面と側面が降伏点を越えて破壊に至るときに引張面で荷重が立ち上がらず、エネルギー吸収にあたっての引張面の寄与が小さい。これに対して、全面一方向ＵＤ材（０度）で形成された衝撃吸収部材は、引張面のヤング率が１４０ＭＰａであるため、引張面の荷重立ち上がりが早い（図７（ｂ）参照）。従って、圧縮面、側面が破壊するときに、引張面で荷重を受け持つことが可能であり、衝撃吸収部材全体のエネルギー吸収量を増すことができる。図４に示されるように、全面一方向ＵＤ材を使用したグラフ４０１は引張面にクロス材を使用したグラフ４０２よりも１００Ｊ／ｋｇ程度大きな比エネルギー吸収量を実現している。

次に、衝撃吸収部材の圧縮面に最適なＣＦＲＰ材の検討を行う。図８は、ＣＦＲＰ材の構造および配向角を変化させた３パターンのＣＦＲＰ材円筒（内径８０ｍｍ、外径８８ｍｍ、長さ２５０ｍｍ）の圧縮強さを測定した結果である。縦軸は荷重の大きさ（ｋＮ）であり、横軸は圧縮の変位（ｍｍ）である。この試験では、図９に示すように、ＣＦＲＰ材円筒が円筒外側に片開きするように、図９に示す冶具５を装着し、円筒両側から圧縮を行う。このような冶具５を装着しない場合には、ＣＦＲＰ材の円筒を両端から圧縮させた際に、両開き、即ち円筒の外側と内側に破壊することになってしまい、荷重がＣＦＲＰ材円筒の側面に加わるといった３点曲げを実現できない。従って、冶具５を装着し円筒外側のみの片開きにすることで、図４のような、圧縮を受ける圧縮面と同等の破壊モードを再現することが可能である。結果を、表１に示す。

表１のクロス材が、図８におけるグラフ８０１に対応し、一方向ＵＤ材（−９０度）がグラフ８０２に対応し、一方向ＵＤ材（±３０度）がグラフ８０３に対応する。表１より、クロス材においては、平均荷重が６８ｋＮであり、荷重変動量は３．０％である。一方向ＵＤ材（−９０度）では、平均荷重が４８ｋＮで荷重変動量が３．８％であり、一方向ＵＤ材（±３０度）では、平均荷重が４０ｋＮであり、荷重変動量は１０％であった。この３つのＣＦＲＰ材の中では、平均荷重が大きく、荷重変動量が小さいクロス材が圧縮面に適用されることが最適であると考えられる。

荷重変動量とは、荷重をかけ始めた初期荷重変動域を除いた荷重領域変動領域において、測定最大値と測定最小値の和を２で割ったものからその領域での平均値を引き、その値を平均値で割ったものである。図８のグラフ８０３のように、降伏点を越えて一定の変位を超えてから、安定した荷重を保持するが、この荷重はぶれが小さく、荷重値が極端に降下しないことが望ましい。即ち、荷重変動量が小さい衝撃吸収部材や構造は、安定したエネルギー吸収を行える部材または構造である。従って、エネルギー吸収のよい衝撃吸収部材や構造にするためには、その平均荷重値を大きくし、荷重変動量を小さくすることが望まれる。

クロス材と一方向ＵＤ材（−９０度）とからなるＣＦＲＰ材は、圧縮荷重により外側に開いて分断する。この分断は、層間剥離と繊維引張破壊が発生することで複数箇所の破壊から生じる。クロス材の場合は、繊維方向が一方向であるＵＤ材に比べて、層間が織物状になっているため層間剥離に強い。荷重が加わることで円筒が分断され、クロス材の繊維を引張るエネルギーに荷重エネルギーが使用される。このため、グラフ８０１は台形の形状を形成すると考えられる。即ち、荷重による変形の変位が進んだところで、耐えうる荷重の大きさは減少することなく、変位が進んでも、最大荷重値を一定の変位まで保ち続ける。これは結果的に、高いエネルギー吸収を実現することができることを意味する。

従って、実施形態の一つとして、荷重を直接受ける圧縮面においては、クロス材を採用することが適当であると考えられる。また、上述のように、引張面においては、引張強度の強い、繊維の長さ方向０度の配向角であるＵＤ材が適当である。これより、高強度・高エネルギー吸収の圧縮面で荷重を受け、その後、引張とせん断で２段階に荷重を受け持つことで高い比エネルギー特性が得られる。

さらに具体的には、自動車のピラー材として衝撃吸収部材１０２が用いられる場合には、自動車のルーフからシャーシの方向を衝撃吸収部材１０２の長手方向とすることができる。さらに、自動車の側面と平行な面であって、車内側に向く面（即ち、その面の法線ベクトルが車内側を向く面であって、衝突時の側突方向から手前側の面）を圧縮面とし、圧縮面の面部材としてクロス材を採用する。加えて、自動車の側面と平行な面であって、車外側に向く面（即ち、その面の法線ベクトルが車外側を向く面であって、衝突時の側突方向から奥側の面）を引張面とし、引張面の面部材として一方向ＵＤ材(０度)を採用する。また、自動車の側面と直角した面である衝撃吸収部材１０２の側面の面部材に、一方向ＵＤ材(０度)を採用する。このように、衝撃吸収部材１０２を自動車の側面部に配置することで上述のような高い比エネルギー特性が得られるようなピラー材を提供することができる。

図１０のように、衝撃吸収部材が直方体である場合のみならず、例えば、円筒（図１０（ａ）、（ｃ））、三角柱（図１０（ｂ））、四角柱（図１０（ｄ））、十二角柱（図１０（ｅ））であってよいし、複雑な立体形状を組み合わせたものであってもよい。また、図１０（ａ）、（ｃ）のように面部材に所定の厚みがあってよい。また、図１０（ｃ）に示すように、一の面において異なるＣＦＲＰ材が採用されてもよい。各面に用いたＣＦＲＰ材の構造及び、繊維配向角度は例示したにすぎないため、これら以外の様々な組み合わせを採用できる。

衝撃吸収部材の一例として、衝撃吸収部材が何れの立体形状であっても、自動車のピラー材として使用される場合に、自動車のルーフからシャーシの方向を衝撃吸収部材の長手方向とし、側突により生ずる応力から主に圧縮応力が生じる面にクロス材を採用し、主に引張応力またはせん断応力が生じる面にＵＤ材を採用することもできる。

以上により、ＣＦＲＰ材の構造及び、ＣＦＲＰ材を形成するカーボン繊維の配向角を調整し衝撃吸収部材を形成することで、従来のアルミ材等と比べて高いエネルギー吸収を実現することができる。また、異なる構造や配向角からなる複数のＣＦＲＰ材を結合した複合構成により形成した衝撃吸収部材は、さらに高いエネルギー吸収を実現することが可能である。これらは、衝撃による破壊箇所の増加と破壊パターンの拡大を図ることが可能であり、最大荷重に到達後の急激な荷重低下を防止することができる。さらに、ＣＦＲＰ材は、強度に対して異方性や等方性を有するために、これを考慮して衝撃吸収材の各面に適したＣＦＲＰ材を選択することができる。このような異なるＣＦＲＰ材を組み合わせた複合構造からなる衝撃吸収部材では、衝撃に対してさらに高いエネルギー吸収を実現する。加えて、このような複合構造では、衝撃吸収部材が受ける衝撃や荷重を、衝撃吸収部材のどの面が負担するかを設計者が調整することが可能である。このような調整を行い、結果として、ＣＦＲＰ材による衝撃吸収部材は、従来のアルミ等に比べて高いエネルギー吸収を実現することができる。

本発明は、自動車の側部の衝撃を吸収する部材であり、従来よりもさらに高いエネルギー吸収量で軽量化を実現した衝撃吸収部材である。この部材を自動車のピラー等に用いることで、従来よりも軽量でさらに安全性が確保された自動車を提供することができる。

本発明の実施例である衝撃吸収部材を自動車のピラーに適用した模式図である。衝撃吸収部材に荷重がかかったときに生じる曲げモーメントを示した概念図である。衝撃吸収部材の塑性曲げモーメントをアルミ材とＣＦＲＰ材で比較するための模式図である。比エネルギー吸収量を３種の衝撃吸収部材で比較したグラフを示す図である。衝撃吸収部材に荷重がかかった際の圧縮面、引張面の状態を示す模式図である。ＵＤ材とクロス材に対して引張を行う方向と、引張強さを示す図である。衝撃吸収部材の各面の種類により荷重特性が異なることを示すグラフを表した図である。ＵＤ材又はクロス材を採用したＣＦＲＰ材円筒に対して荷重がかかったときの荷重の大きさと変位を示すグラフを表した図である。圧縮実験に使用した冶具を示した図である。本発明の衝撃吸収部材の実施例を表した図である。

符号の説明

５冶具
７アルミ
５０自動車
１０ピラー
１００衝撃吸収部材
１０１衝撃吸収部材
１０２衝撃吸収部材

Claims

自動車の側面部に設置され、当該側面部において側突衝撃の吸収をする衝撃吸収部材であって、中空の長材である中空長材からなり、前記中空長材の長手方向に対して略直角に曲げ変形を行うことにより前記側突衝撃の吸収を行う衝撃吸収部材であり、
前記中空を囲み形成する平面または曲面のうち、衝撃の荷重により主に引張り応力を受ける引張面を形成する面部材には、強度において異方性を備えた所定構造のＣＦＲＰ材が用いられ、
前記中空を囲み形成する平面または曲面のうち、衝撃の荷重により主に圧縮応力を受ける圧縮面を形成する面部材には、強度において等方性を備えた所定構造のＣＦＲＰ材が用いられ、
前記中空を囲み形成する平面または曲面のうち、前記圧縮面および前記引張面とは別の面であり、衝撃の荷重により主にせん断応力を受ける側面を形成する面部材には、強度において異方性を備えた所定構造のＣＦＲＰ材が用いられることを特徴とする衝撃吸収部材。
前記異方性を備えた所定構造のＣＦＲＰ材は、カーボン繊維の繊維方向を略一方向に揃えたシート状ＣＦＲＰ材であるか、又は、一のシート状ＣＦＲＰ材の繊維方向と積層する他のシート状ＣＦＲＰ材の繊維方向とが一定の角度を有して積層された第１のＣＦＲＰ材であることを特徴とする請求項１記載の衝撃吸収部材。
前記等方性を備えた所定構造のＣＦＲＰ材は、カーボン繊維が織物状に２次元に配向したシート状ＣＦＲＰ材であるか、又は、当該シート状ＣＦＲＰ材を複数積層して形成された第２のＣＦＲＰ材であることを特徴とする請求項２記載の衝撃吸収部材。
前記第１のＣＦＲＰ材を、前記引張面および前記側面を形成する面部材として用い、
前記第２のＣＦＲＰ材を、前記圧縮面を形成する面部材として用いることを特徴とする請求項３記載の衝撃吸収部材。
前記引張面および前記側面を形成する面部材について、当該面部材を形成するＣＦＲＰ材のカーボン繊維の繊維方向が前記中空長材の長手方向と略一致することを特徴とする請求項２から４何れか記載の衝撃吸収部材。