JP4664694B2 - エネルギ吸収構造体 - Google Patents

Description

本発明は、衝撃のエネルギを吸収するためのエネルギ吸収構造体に関するものである。

衝撃のエネルギを吸収するためのエネルギ吸収構造体においては、その構造体を構成する部材を塑性変形させることによって、衝撃のエネルギを歪エネルギに変換して吸収している。このため、軸方向に荷重が加わることで軸方向に崩壊される長尺状の構造体は、良好に座屈（塑性変形）することができるように、折り畳みやすい板材にて構成されることが一般的であった。また、軸方向に直交する方向に荷重が加わる構造体においても、図１３（ａ）に示すように、衝撃荷重の方向に対して平行となる部分（上壁ＵＷおよび下壁ＬＷ）を板状にすることで、図１３（ｂ）に示すように、その板状部分を座屈させ、衝撃エネルギを歪エネルギに変換して衝撃を吸収している。

前記したような構造体の材料としては、従来、アルミニウム合金やオーステナイト系ステンレス鋼などが用いられている（特許文献１，２参照）。このような材料では、図１４（ａ）に示すように、引張圧縮試験機により板材の面方向に沿って荷重を加えていくと、最初は、弾性変形で面方向に沿って板材が縮んでいき、ある時点で面直方向に板材が変形、すなわち座屈する。そして、座屈が進行していくと、最大モーメントが加わる部分となる両端部（詳しくは、試験機で把持する部分と把持してない部分との境界付近の部分）Ｘ１，Ｘ２と中央部Ｘ３とに塑性ヒンジ（ヒンジ状に折れ曲がる部分）が生じることによって、板材の各部分Ｘ１〜Ｘ３が塑性変形して荷重によるエネルギが歪エネルギとして吸収されることとなる。なお、このときの板材の長さ方向における歪エネルギの分布は、図１４（ｂ）に示すように、前記した塑性ヒンジが生じる部分Ｘ１〜Ｘ３の周辺で大となるが、塑性ヒンジ以外の部分Ｐａでは歪エネルギが小（最も小さい値は「０」）となっている。

特開２００１−２６８３４号公報（段落００１９、図３） 特開２００２−２０８４３号公報（段落００３６、図１）

しかしながら、従来の材料では、塑性ヒンジ以外の部分Ｐａでは、歪エネルギが小さいので、その部分ではエネルギ吸収は行われていないといった問題があった。また、材料の特性が降伏応力を示さない弾性的な部材であって、前記したような塑性ヒンジが発生しない部材であっても、変形による横たわみは、前記した図１４（ａ）に示す試験と同一の条件で試験すると、コサインカーブ状を示す。そのため、その部材における歪エネルギ分布（詳しくは、部材に対する歪エネルギが生じる部分の割合）は既に図１４（ｂ）で示したものと類似することとなり、前記した従来の材料と同様に、エネルギ吸収が行われない部分が多く存在するという問題があった。

そして、前記した問題が生じることによって、所望するエネルギ吸収をその部材で行わせるためには、部材を大型化しなければならず、その分重量が増加するといった問題も生じていた。

そこで、本発明では、軽量化を図りつつ、エネルギ吸収を効率良く行うことができるエネルギ吸収構造体を提供することを目的とする。

前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明（エネルギ吸収構造体）は、中空の略四角柱状に形成され、少なくとも衝突荷重の方向と略平行となる部位に、引張荷重が生じる層と圧縮荷重が生じる層とを有すると共に、前記引張荷重が生じる層が多段階変形部材で構成されたエネルギ吸収構造体であって、前記多段階変形部材は、面方向に沿って衝突荷重が加わると、面外方向に湾曲変形して、引張荷重が生じ、当該引張荷重に対し、弾性変形と塑性変形とを交互に二回ずつ繰り返す弾塑性特性を有し、前記多段階変形部材は、引張荷重が生じると引張荷重方向に伸び、弾性変形と塑性変形とが生じる弾塑性特性を有する樹脂材と、引張荷重方向に対して略直交する方向に略直線状に延びた状態で前記樹脂材と一体に形成され、引張荷重方向に互いに所定の間隔を空けた状態で平行に並んで配設されると共に、前記樹脂材が引張荷重方向に伸びていくと前記間隔が広がる複数の直線繊維と、隣り合う前記直線繊維の周囲を囲むように前記直線繊維の長手方向に螺旋状に延びた状態で前記樹脂材と一体に形成され、隣り合う前記直線繊維に弛んだ状態で係合すると共に、前記間隔が広がっていくと隣り合う前記直線繊維に張った状態で係合し、更に前記間隔が広がっていくと弾性変形と塑性変形とが生じる弾塑性特性を有する複数の螺旋繊維と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、多段階変形部材に引張荷重を加えると、まず、樹脂材が、弾性変形した後、塑性変形することによって、引張荷重によるエネルギが吸収される。また、このように樹脂材の弾塑性変形が進行するのに伴って、隣り合う直線繊維が次第に離されていくと、今まで弛んだ状態で隣り合う直線繊維の周囲を囲っていた螺旋繊維が徐々に張られていくこととなる。そして、この螺旋繊維が完全に張られた後は、この螺旋繊維が、弾性変形を始め、その後塑性変形することとなる。これにより、引張荷重によるエネルギが、螺旋繊維によってさらに吸収されることとなる。すなわち、多段階の弾塑性特性を示す多段階変形部材を備えたエネルギ吸収構造体によれば、エネルギ吸収できる部分（弾塑性変形する部分）が従来に比べて多くなるので、大型化することなく、エネルギ吸収を良好に行うことができる。

請求項１に記載の発明によれば、樹脂材と螺旋繊維の弾塑性変形によって効率良くエネルギが吸収されるので、軽量化を図りつつ、エネルギ吸収を効率良く行うことができる。

〔第１の参考例〕
次に、本発明の第１の参考例について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は第１の参考例に係るフロントバンパビームを有する車両を示す平面図であり、図２は図１のフロントバンパビームを示す拡大斜視図である。また、図３は、形状記憶合金の特性を示す応力−歪線図（ａ）と、引張圧縮試験機によって形状記憶合金の試験片に圧縮荷重を加えた状態を示す正面図（ｂ）と、圧縮荷重が加えられた形状記憶合金の歪エネルギの分布を示すグラフ（ｃ）である。

図１に示すように、車両の前部構造は、車両Ｃの前部に設けられるフロントバンパビーム（エネルギ吸収構造体）１と、車体前後方向に沿う状態で車幅方向に離間して設けられる一対のフロントサイドフレーム２と、フロントバンパビーム１と各フロントサイドフレーム２とを連結するための接続部材３とで主に構成されている。

フロントバンパビーム１は、図２に示すように、形状記憶合金（多段階変形部材）を押出成型することによって、湾曲した中空の略四角柱状に形成されており、衝撃荷重が車両前方から加わることによって衝撃荷重の方向と略平行となる部位（上下壁）が互いに離れる方向へ座屈するように設計されている。ここで、「形状記憶合金」とは、例えばＴｉ−Ｎｉ合金といった二段階の弾塑性特性（最初弾性変形で変形しつつ低応力にて降伏し、一定歪だけ塑性変形を行った後に、再び弾性変形して応力が上昇し、再度降伏が現れて塑性変形を行う特性）を示す部材である。また、形状記憶合金は、前記したＴｉ系合金に限らず、Ｃｕ系合金やＦｅ−Ｍｎ系合金などであってもよい。

具体的には、図３（ａ）に示すように、形状記憶合金（ＳＭＡ；Shape Memory Alloy）は、一旦、弾性変形および塑性変形した後、その歪（縮み量／最初の長さ）が約５％となった時点で、再度弾性変形が始まり、その後塑性変形するように、その応力−歪特性（材料特性）が設定されている。なお、本参考例では、二回目の弾塑性変形を、歪が約５％となった時点で生じさせるように、形状記憶合金（具体的には、フロントバンパビーム１のうち衝撃荷重方向と略平行となる部位）の応力−歪特性を設定しているが、本発明はこれに限定されず、二回目の弾塑性変形を、歪が約１０％以下となった時点で生じさせるように、形状記憶合金の応力−歪特性を設定すれば、衝撃エネルギを効率良く吸収することが可能となっている。

ここで、前記したような二段階の弾塑性特性について、図４および図５を用いて簡単に説明する。参照する図面において、図４は、形状記憶合金モデルを示す概念図（ａ）と、引張荷重に対する第１移動部の変位を示すグラフ（ｂ）と、引張荷重に対する第２移動部の変位を示すグラフ（ｃ）である。また、図５は、二段階の弾塑性特性を示すグラフであり、弾性率および加工硬化係数等が同じとなるパターンを示すグラフ（ａ）と、弾性率および加工硬化係数等が異なるパターンを示すグラフ（ｂ）と、弾性域が線形でなく、かつ、一回目の塑性変形から二回目の弾性変形へと急激に切り替わるパターンを示すグラフ（ｃ）と、弾性域が線形でなく、かつ、一回目の塑性変形から二回目の弾性変形へと滑らかに切り替わるパターンを示すグラフ（ｄ）である。

図４（ａ）に示すように、形状記憶合金モデル４は、並列に配列される２つのばね部４１，４２（以下、「第１ばね部４１」、「第２ばね部４２」ともいう。）と、２つのばね部４１，４２の基端部を結合させる結合部４３と、第１ばね部４１の先端に所定の摩擦力ｆ１以下で係合しているときに第１ばね部４１の先端とともに移動して第１ばね部４１を変形させる第１移動部４４と、第２ばね部４２の先端に所定の摩擦力ｆ２以下で係合しているときに第２ばね部４２の先端とともに移動して第２ばね部４２を変形させる第２移動部４５とで構成される。なお、ばね部４１，４２は、それぞれ所定のばね定数ｋ１，ｋ２となるとともに、第１移動部４４は、第２移動部４５に形成された圧縮用係合部４５ａまたは引張用係合部４５ｂに係合することで、第２移動部４５と一体に移動するようになっている。

次に、この形状記憶合金モデル４の作用について説明する。
図４（ａ）に示すように、第１移動部４４に引張荷重を加えると、まず、第１ばね部４１の先端と第１移動部４４とが所定の摩擦力ｆ１以下で係合している間、第１ばね部４１が第１移動部４４によって引っ張られて伸びていくこととなる（一回目の弾性変形；図４（ｂ）参照）。そして、第１ばね部４１の先端と第１移動部４４との摩擦力がｆ１を超えると、第１ばね部４１の先端に対して第１移動部４４が滑るように移動することとなる。なお、このときの第１移動部４４の移動は、一回目の塑性変形に相当する（図４（ｂ）参照）。

そして、第１移動部４４が中立位置（引張荷重を加える前の位置）から所定距離ｘ１だけ移動すると、第１移動部４４と第２移動部４５の引張用係合部４５ｂとが係合して、第２移動部４５が第１移動部４４とともに移動することとなる。そして、このように第２移動部４５の移動が開始されると、第２ばね部４２の先端と第２移動部４５とが所定の摩擦力ｆ２以下で係合している間、第２ばね部４２が第２移動部４５によって引っ張られて伸びていくこととなる（二回目の弾性変形；図４（ｃ）参照）。その後、第２ばね部４２の先端と第２移動部４５との摩擦力がｆ２を超えると、第２ばね部４２の先端に対して第２移動部４５が滑るように移動して、二回目の塑性変形が開始されることとなる（図４（ｃ）参照）。

なお、図４（ｂ）では、第１移動部４４のみに着目したときの引張荷重に対する第１移動部４４の移動量（変位）を示し、図４（ｃ）では、第２移動部４５のみに着目したときの引張荷重に対する第２移動部４５の移動量を示しているが、これらを合わせることによって、図５（ａ）〜（ｄ）で例示するような形状記憶合金モデル４の特性（二段階の弾塑性特性）が現れることとなる。ちなみに、二段階の弾塑性特性としては、図５（ａ）に示すような、各弾性域における弾性率や各塑性域における加工硬化係数等が同じとなる（各弾性域または各塑性域における傾きが同じとなる）パターンや、図５（ｂ）に示すような、各弾性率や各加工硬化係数等が異なるパターンや、図５（ｃ）に示すような、弾性域が線形でなく、かつ、一回目の塑性変形から二回目の弾性変形へと急激に切り替わるパターンや、図５（ｄ）に示すような、弾性域が線形でなく、かつ、一回目の塑性変形から二回目の弾性変形へと滑らかに切り替わるパターンなど様々なパターンがある。

なお、形状記憶合金モデル４に圧縮荷重を加えたときの作用は、引張荷重を加えたときの作用と略同じになる。すなわち、第１移動部４４に圧縮荷重を加えると、まず、第１ばね部４１が縮み（一回目の弾性変形）、その後第１ばね部４１の先端に対して第１移動部４４が滑るように移動する（一回目の塑性変形）。そして、第１移動部４４と第２移動部４５とが係合すると、第２ばね部４２が縮み（二回目の弾性変形）、その後第２ばね部４２の先端に対して第２移動部４５が滑るように移動する（二回目の塑性変形）。

次に、前記したような特性を持つ形状記憶合金によるエネルギ吸収について説明する。
図３（ｂ）に示すように、前記したような二段階の弾塑性特性を示す形状記憶合金の試験片ＴＰを、引張圧縮試験機ＰＭにセットし、その試験片ＴＰに圧縮荷重を加えると、試験片ＴＰは、塑性ヒンジが発生することなく、全体的に大きく湾曲して座屈することとなる。すなわち、このような試験片ＴＰにおいては、ほとんど変形しないままの状態となる部位Ｐａ（直線状となる部位）が図１４に示す従来の材料に比べて少ないので、図３（ｃ）に示すように、試験片ＴＰの各部位で効率良くエネルギ吸収を行うことが可能となっている。なお、本参考例においては、試験片ＴＰに圧縮荷重を加えた場合のエネルギ吸収について説明したが、試験片ＴＰに引張荷重を加えた場合も同様に、試験片ＴＰの各部位で効率良くエネルギ吸収を行うことが可能となっている。

以上によれば、第１の参考例において、次のような効果を得ることができる。
第１の参考例に係るフロントバンパビーム１は、形状記憶合金で形成されることによって、エネルギ吸収できる部分が従来に比べて多くなっているので、軽量化を図りつつ、エネルギ吸収を効率良く行うことができる。

なお、本発明は、第１の参考例に限定されることなく、様々な形態で実施される。
第１の参考例では、形状記憶合金を押出成型することでフロントバンパビームの全ての部位を形状記憶合金で構成したが、例えばフロントバンパビーム１のうち、衝撃荷重と略平行となる部位（上下壁）のみを形状記憶合金で構成し、その他の部位を他の材料で構成するようにしてもよい。

〔第２の参考例〕
以下に、本発明の第２の参考例について説明する。この参考例は第１の参考例に係るフロントバンパビーム１を変更したものなので、第１の参考例と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図６は第２の参考例に係るフロントバンパビームを示す斜視図であり、図７は多孔体の変形を示すグラフ（ａ）と、変形の各段階においての多孔体の状態を示す状態図（ｂ）である。

図６に示すように、フロントバンパビーム５は、アルミニウム合金などの一段階の弾塑性特性を示す従来材で形成されるバンパビーム本体５１と、二段階の弾塑性特性を示すマイクロポーラス材料で形成される多孔体（多段階変形部材）５２とを備えて構成されている。バンパビーム本体５１は、従来材を押出成型することによって、湾曲した中空の略四角柱状に形成されており、その上壁５１ａおよび下壁５１ｂの内側には、それぞれ多孔体５２が一体に接合されている。すなわち、多孔体５２は、フロントバンパビーム５に衝撃荷重が車両前方から加わった際に、上方へ向かって座屈する上壁５１ａの下側（圧縮側）と下方へ向かって座屈する下壁５１ｂの上側（圧縮側）に、配設されている。

多孔体５２は、バンパビーム本体５１の上壁５１ａおよび下壁５１ｂの内面全体に密着する大きさとなる板状部材であり、複数の孔５２ａが形成されることによって、圧縮荷重のみに対して二段階の弾塑性特性を有している。具体的には、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、多孔体５２に圧縮荷重を加えると、まず、多孔体５２の一部が弾性変形していく（図のＡ；一回目の弾性変形）。具体的には、圧縮荷重の方向に直交する方向における断面のうち最小断面（最小断面から所定量だけ断面積が大きくなった断面も含む。）となる部分に大きな応力が発生するので、その部分が主に弾性変形することとなる。

そして、最小断面となる部分の弾性変形が終了すると（多孔体５２に加わる圧縮荷重が所定値以上となると）、多孔体５２の孔５２ａが潰され始める、すなわち、最小断面となる部分が塑性変形し始めることとなる（図のＢ；一回目の塑性変形）。これにより、まず、最小断面となる部分によって、圧縮荷重によるエネルギが吸収される。そして、孔５２ａが完全に潰された後は、多孔体５２のうち最小断面となる部分以外の部分（未変形部）が、弾性変形を始め（図のＣ；二回目の弾性変形）、その後、未変形部が塑性変形することとなる（図のＤ；二回目の塑性変形）。これにより、圧縮荷重によるエネルギが、未変形部によってさらに吸収されることとなる。

なお、本参考例では、二回目の弾塑性変形を開始させるタイミングは、多孔体５２の発泡率（部材の単位体積に対する孔の割合）を適宜変えることで、歪が約１０％以下（図３（ａ）参照）となった時点に設定することができる。

次に、フロントバンパビーム５の座屈部位（上壁５１ａと多孔体５２または下壁５１ｂと多孔体５２）の変形について図８を参照して説明する。参照する図面において、図８は、第２の参考例に係るフロントバンパビームの座屈部位の変形を示すグラフ（ａ）と、変形の各段階においての座屈部位の状態を示す状態図（ｂ）と、図８（ｂ）に示すＸ部の拡大図（ｃ）である。なお、以下においては、上壁５１ａと多孔体５２で構成される座屈部位のみの変形を説明し、下壁５１ｂと多孔体５２で構成される座屈部位については同様であるため、その説明を省略することとする。

図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、座屈部位に圧縮荷重を加えると、まず、多孔体５２の一部（最小断面となる部分）と上壁５１ａとが弾性変形していく（図のＡ’；一回目の弾性変形）。そして、多孔体５２および上壁５１ａに加わる圧縮荷重が所定値以上となると、多孔体５２の孔５２ａが潰され始め、多孔体５２および上壁５１ａが座屈変形していく。これによって、多孔体５２には圧縮荷重が加わり、上壁５１ａには引張荷重が加わることとなって、多孔体５２の一部や上壁５１ａの屈曲部が、圧縮方向または引張方向へそれぞれ塑性変形することとなる（図のＢ’；一回目の塑性変形）。そして、このように多孔体５２の一部および上壁５１ａの屈曲部が塑性変形することによって、まず、多孔体５２の一部によって、圧縮荷重によるエネルギが吸収され、かつ、上壁５１ａの屈曲部によって、引張荷重によるエネルギが吸収される。

そして、孔５２ａが完全に潰された後は、多孔体５２の未変形部（最小断面となる部分以外の部分）が、弾性変形を始め（図のＣ’；二回目の弾性変形）、その後、前記した未変形部が塑性変形することとなる（図のＤ’；二回目の塑性変形）。これにより、圧縮荷重によるエネルギが、孔５２ａに未変形部によってさらに吸収されることとなる。

以上によれば、第２の参考例において、次のような効果を得ることができる。
圧縮荷重に対して二段階の弾塑性特性を示す多孔体５２によって、多くのエネルギを吸収することができるので、軽量化を図りつつ、エネルギ吸収を効率良く行うことができる。また、座屈部位における圧縮側を多孔体５２とし、かつ、引張側を従来材とすることで、座屈変形によって生じる圧縮荷重のエネルギを多孔体５２によって良好に吸収できるとともに、座屈変形によって生じる引張荷重のエネルギを従来材によって従来と同程度の効率で吸収できる。すなわち、座屈部位全体を多孔体５２とした場合には、座屈変形に伴って引張荷重が生じると、この引張荷重によって多孔体５２の外側部分が破壊され、引張荷重のエネルギを吸収しづらいといった問題が生じるが、本参考例の構造では、そのような問題が解消されるようになっている。

第２の参考例では、多段階変形部材として圧縮荷重に対して二段階の弾塑性特性を示す多孔体５２を採用し、これをバンパビーム本体５１に接合することで、多孔体５２と上壁５１ａ（または下壁５１ｂ）とによって座屈変形によるエネルギを効率良く吸収することができる構成としたが、例えば、図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、一部が多孔体５２で構成され、他部が一段階の弾塑性特性を示す従来材ＰＰ（またはファイバ材ＦＰ）で構成される部材Ｐ１〜Ｐ４を、多段階変形部材として採用することで、各部材Ｐ１〜Ｐ４のみで座屈変形によるエネルギを効率良く吸収することができるように構成してもよい。

具体的には、図９（ａ）に示すように、従来材ＰＰと多孔体５２とを交互に繋ぎ合わせることによって、部材Ｐ１を構成してもよい。この場合は、衝撃荷重方向と部材Ｐ１の横方向（従来材ＰＰと多孔体５２が交互に並ぶ方向に直交する方向であり、かつ、面に沿った方向）とを一致させれば、座屈変形部位（屈曲部）の外側に生じる引張荷重のエネルギが従来材ＰＰの外側部分で吸収され、内側に生じる圧縮荷重のエネルギが多孔体５２の内側部分で吸収されるので、１つの部材Ｐ１のみで座屈変形（圧縮荷重と引張荷重が発生する変形）によるエネルギを効率良く吸収することができる。

また、図９（ｂ）に示すように、従来材ＰＰに複数の貫通孔を形成し、これらの貫通孔の形状に象られた多孔体５２を各貫通孔に入れ込むことによって、部材Ｐ２を構成してもよい。この場合は、板状の部材Ｐ２に対して平行に衝撃荷重が加われば、座屈変形部位の外側に生じる引張荷重のエネルギが従来材ＰＰの外側部分で吸収され、内側に生じる圧縮荷重のエネルギが多孔体５２の内側部分で吸収されるので、１つの部材Ｐ２のみで座屈変形によるエネルギを効率良く吸収することができる。

さらに、図９（ｃ）に示すように、多孔体５２の内部における表面５２ｂ側のみに複数のファイバ材ＦＰを埋め込むことによって、部材Ｐ３を構成してもよい。この場合は、部材Ｐ３に対して衝撃荷重がファイバ材ＦＰの軸方向に沿って入力され、かつ、部材Ｐ３が表面５２ｂ側へ凸となるように座屈すれば、座屈変形部位の外側に生じる引張荷重のエネルギがファイバ材ＦＰで吸収され、内側に生じる圧縮荷重のエネルギが多孔体５２の内側部分で吸収されるので、１つの部材Ｐ３のみで座屈変形によるエネルギを効率良く吸収することができる。

また、図９（ｄ）に示すように、多孔体５２の内部全体にファイバ材ＦＰを埋め込むことによって、部材Ｐ４を構成してもよい。この場合は、部材Ｐ４に対して衝撃荷重がファイバ材ＦＰの軸方向に沿って加われば、座屈変形部位の外側に生じる引張荷重のエネルギがファイバ材ＦＰで吸収され、内側に生じる圧縮荷重のエネルギが多孔体５２の内側部分で吸収されるので、１つの部材Ｐ４のみで座屈変形によるエネルギを効率良く吸収することができる。なお、この部材Ｐ４は、図９（ｃ）に示す部材Ｐ３に比べ、部材Ｐ４を座屈させる方向を決める必要がないので、部材Ｐ３よりも利用し易いといったメリットを有する。

〔実施形態〕
以下に、本発明の実施形態について説明する。この実施形態は第２の参考例に係るフロントバンパビーム５を変更したものなので、第２の参考例と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図１０は実施形態に係るフロントバンパビームを示す斜視図である。

図１０に示すように、フロントバンパビーム６は、車両前後方向に直交する板状に形成される２つの従来材ＰＰおよび車両上下方向に直交する板状に形成される２つの繊維含有部材６１（多段階変形部材）からなるバンパビーム本体６２と、第２の参考例と同様の多孔体５２とを備えて構成されている。ここで、バンパビーム本体６２の形状や、バンパビーム本体６２に対する多孔体５２の配置は、第２の参考例と同様であるので、その説明を省略することとする。

繊維含有部材６１は、車両前方から加わる衝撃荷重の方向（詳しくは、座屈時の引張荷重の方向）に並んで配設される複数の直線繊維（第１部材）６１ａと、隣り合う２つの直線繊維６１ａに巻き付くように配設される複数の螺旋繊維（第２部材）６１ｂと、これらの直線繊維６１ａおよび螺旋繊維６１ｂの周囲に一体に形成される樹脂材（第３部材）６１ｃとを備えて構成されている。

各直線繊維６１ａは、それぞれ引張荷重の方向に対して略直交する方向に略直線状に延びており、互いに所定の間隔を空けた状態で、かつ、平行となるように配設されている。
各螺旋繊維６１ｂは、隣り合う２つの直線繊維６１ａに弛んだ状態で係合するように、２つの直線繊維６１ａの周囲を囲みつつ、直線繊維６１ａの長手方向に螺旋状に延びている。そして、各螺旋繊維６１ｂは、係合する２つの直線繊維６１ａが樹脂材６１ｃの伸び変形に伴って所定距離まで離れることにより、張った状態となると、その後弾塑性変形を行うようになっている。

樹脂材６１ｃは、前記したように編み込まれた繊維体（直線繊維６１ａおよび螺旋繊維６１ｂ）に未硬化の樹脂を含浸した後、樹脂を硬化することによって形成されており、図示するように引張荷重が加わると、所定の弾塑性特性で伸びていくことにより、内部に設けられた各直線繊維６１ａの間隔を広げ、螺旋繊維６１ｂを突っ張った状態にさせる機能を有している。
そして、このように構成された繊維含有部材６１は、引張荷重に対して二段階の弾塑性特性を示すこととなる。

次に、繊維含有部材６１の変形について図１１を参照して説明する。参照する図面において、図１１は繊維含有部材の変形を示すグラフ（ａ）と、変形の各段階においての繊維含有部材の状態を示す状態図（ｂ）である。

図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、繊維含有部材６１に引張荷重を加えると、まず、樹脂材６１ｃが弾性変形していき（図のＡ”；一回目の弾性変形）、その後塑性変形することとなる（図のＢ”；一回目の塑性変形）。これにより、まず、樹脂材６１ｃによって、引張荷重によるエネルギが吸収される。また、このような弾塑性変形を経て樹脂材６１ｃが伸びていくのに伴って、各直線繊維６１ａが互いに離れていくと、今まで弛んだ状態で各一対の直線繊維６１ａに係合していた螺旋繊維６１ｂが徐々に張られていくこととなる。そして、この螺旋繊維６１ｂが完全に張られた後は、この螺旋繊維６１ｂが弾性変形を始め（図のＣ”；二回目の弾性変形）、その後塑性変形することとなる（図のＤ”；二回目の塑性変形）。これにより、引張荷重によるエネルギが、螺旋繊維６１ｂによってさらに吸収されることとなる。

なお、本実施形態では、二回目の弾塑性変形を開始させるタイミングは、各直線繊維６１ａ間の距離や、螺旋繊維６１ｂの弛み量や、樹脂材６１ｃの弾塑性特性などを適宜変えることで、歪が約１０％以下（図３（ａ）参照）となった時点に設定することができる。

続いて、実施形態に係るフロントバンパビーム６のエネルギ吸収作用について図１０を参照して説明する。
図１０に示すように、フロントバンパビーム６に車両前方から衝撃荷重が加わると、上側に配設された繊維含有部材６１および多孔体５２が上方へ向かって座屈するとともに、下側に配設された繊維含有部材６１および多孔体５２が下方へ向かって座屈することとなる。このように各繊維含有部材６１および各多孔体５２が座屈すると、外側に配設された各繊維含有部材６１に引張荷重が加わり、内側に配設された各多孔体５２に圧縮荷重が加わることとなる。そのため、引張荷重によるエネルギは、各繊維含有部材６１が二段階の弾塑性特性で変形することにより効率良く吸収されるとともに、圧縮荷重によるエネルギは、第２の参考例で説明したように各多孔体５２が二段階の弾塑性特性で変形することにより、効率良く吸収されることとなる。

以上によれば、実施形態において、次のような効果を得ることができる。
フロントバンパビーム６の座屈部位の外側に生じる引張荷重によるエネルギが二段階の弾塑性特性を有する繊維含有部材６１で効率良く吸収され、かつ、内側に生じる圧縮荷重によるエネルギが二段階の弾塑性特性を有する多孔体５２で効率良く吸収されるので、衝撃荷重によるエネルギをフロントバンパビーム６によって効率良く吸収しつつ、フロントバンパビーム６の軽量化を図ることが可能となる。

なお、本発明は、実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
実施形態では、フロントバンパビーム６の座屈部位を繊維含有部材６１と多孔体５２とで構成したが、本発明はこれに限定されず、例えば繊維含有部材６１と従来材とで構成してもよい。この場合は、座屈部位の外側に生じる引張荷重によるエネルギは、前記したように繊維含有部材６１が二段階で弾塑性変形することで効率良く吸収され、座屈部位の内側に生じる圧縮荷重によるエネルギは、樹脂材６１ｃ（または従来材）が一段階で弾塑性変形することで従来の樹脂材（または従来材）と同程度の効率で吸収される。そのため、このように構成した場合でも、従来に比べて、フロントバンパビームの軽量化やそのエネルギ吸収効率の向上を図ることができる。

実施形態では、フロントバンパビームのみに本発明を適用しているが、本発明はこれに限定されず、例えば図１に示すフロントサイドフレーム２や、図示しないドアビーム、ルーフ、リアサイドフレーム、フード、サイドパネル、クロスメンバなどに適宜適用できる。

以下に、実施例として図１に示す接続部材３を第２の参考例に係る多孔体５２で構成した場合の効果について、図１２を参照して説明する。参照する図面において、図１２は、図１に示す車両の前部構造を側方から見た状態を示す側面図（ａ）と、多孔体で構成した接続部材によるエネルギ吸収量と、従来材で構成した接続部材によるエネルギ吸収量を比較したグラフ（ｂ）である。

図１２（ａ）に示すように、本実施例における実験条件は、衝撃荷重が車両前方から加わった際において、接続部材３のみが潰れるものとし、フロントバンパビームＦＢとフロントサイドフレーム２は潰れないものとする。また、接続部材３としては、第２の参考例に係る多孔体５２のみで構成されるものと、従来材のみで構成されるものを用意しておく。

そして、前記した条件で実験を行うと、多孔体５２のみで構成した接続部材３によるエネルギ吸収量と、従来材のみで構成した接続部材３によるエネルギ吸収量は、図１２（ｂ）のグラフに示されるような結果となった。すなわち、多孔体５２のみで構成した接続部材３では、最初弾性変形することで接続部材３に加わる荷重が急激に上がっていき、その後塑性変形することで荷重が急激に下がっていくことが確認された。そして、接続部材３が再び弾性変形（二回目の弾性変形）することで、荷重が一回目の弾性変形のときよりも緩やかに上がっていき、最大荷重〔Ｆｍａｘ〕となったときに、二回目の塑性変形が始まって荷重が一回目の塑性変形のときよりも緩やかに下がっていくことが確認された。
これに対し、従来材のみで構成した接続部材３では、一段階しか弾塑性変形しないので、弾性変形して荷重が急激に上がっていき、最大荷重〔Ｆｍａｘ〕まで上がった後、塑性変形することによって荷重が急激に下がっていくことが確認された。

そのため、両者を比較すると、多孔体５２のみで構成した接続部材３のエネルギ吸収量〔荷重×変位；Ｅ１〕が、従来材のみで構成した接続部材３のエネルギ吸収量〔Ｅ２〕に比べ、飛躍的に大きな値となることが確認された。ここで、エネルギ吸収効率の指標を、エネルギ吸収量〔Ｅ１，Ｅ２〕を最大荷重〔Ｆｍａｘ〕で除した値で表すと、多孔体５２のみで構成した接続部材３では、その指標〔Ｅ１／Ｆｍａｘ〕が大きくなることが分かり、これにより、衝撃荷重のフロントサイドフレーム２への影響が小さく、エネルギ吸収量が多くなるといったメリットを有することが確認された。また、従来材のみで構成した接続部材３では、その指標〔Ｅ２／Ｆｍａｘ〕が小さくなることが分かり、これにより、フロントサイドフレーム２への影響が大きく、エネルギ吸収量が少なくなるということが確認された。

第１の参考例に係るフロントバンパビームを有する車両を示す平面図である。 図１のフロントバンパビームを示す拡大斜視図である。 形状記憶合金の特性を示す応力−歪線図（ａ）と、引張圧縮試験機によって形状記憶合金の試験片に圧縮荷重を加えた状態を示す正面図（ｂ）と、圧縮荷重が加えられた形状記憶合金の歪エネルギの分布を示すグラフ（ｃ）である。 形状記憶合金モデルを示す概念図（ａ）と、引張荷重に対する第１移動部の変位を示すグラフ（ｂ）と、引張荷重に対する第２移動部の変位を示すグラフ（ｃ）である。 二段階の弾塑性特性を示すグラフであり、弾性率および加工硬化係数等が同じとなるパターンを示すグラフ（ａ）と、弾性率および加工硬化係数等が異なるパターンを示すグラフ（ｂ）と、弾性域が線形でなく、かつ、一回目の塑性変形から二回目の弾性変形へと急激に切り替わるパターンを示すグラフ（ｃ）と、弾性域が線形でなく、かつ、一回目の塑性変形から二回目の弾性変形へと滑らかに切り替わるパターンを示すグラフ（ｄ）である。 第２の参考例に係るフロントバンパビームを示す斜視図である。 多孔体の変形を示すグラフ（ａ）と、変形の各段階においての多孔体の状態を示す状態図（ｂ）である。 第２の参考例に係るフロントバンパビームの座屈部位の変形を示すグラフ（ａ）と、変形の各段階においての座屈部位の状態を示す状態図（ｂ）と、図８（ｂ）に示すＸ部の拡大図（ｃ）である。 第２の参考例に係る多段階変形部材の変形例を示す図であり、従来材と多孔体を交互に設けた部材を示す斜視図（ａ）と、従来材に形成した孔に多孔体を入れ込んだ部材を示す斜視図（ｂ）と、板状の多孔体の片面側にのみファイバ材を埋め込んだ部材を示す斜視図（ｃ）と、板状の多孔体の全体にファイバ材を埋め込んだ部材を示す斜視図（ｄ）である。 実施形態に係るフロントバンパビームを示す斜視図である。 繊維含有部材の変形を示すグラフ（ａ）と、変形の各段階においての繊維含有部材の状態を示す状態図（ｂ）である。 図１に示す車両の前部構造を側方から見た状態を示す側面図（ａ）と、多孔体で構成した接続部材によるエネルギ吸収量と、従来材で構成した接続部材によるエネルギ吸収量を比較したグラフ（ｂ）である。 軸方向に直交する方向に荷重が加わる従来の構造体を示す斜視図（ａ）と、図１３（ａ）のＹ−Ｙ断面図（ｂ）である。 引張圧縮試験機によって従来材の試験片に圧縮荷重を加えた状態を示す正面図（ａ）と、圧縮荷重が加えられた従来材の歪エネルギの分布を示すグラフ（ｂ）である。

符号の説明

１ フロントバンパビーム（エネルギ吸収構造体）
３ 接続部材
５ フロントバンパビーム（エネルギ吸収構造体）
５１ バンパビーム本体
５１ａ 上壁
５１ｂ 下壁
５２ 多孔体（多段階変形部材）
５２ａ 孔
５２ｂ 表面
６ フロントバンパビーム（エネルギ吸収構造体）
６１ 繊維含有部材（多段階変形部材）
６１ａ 直線繊維（第１部材）
６１ｂ 螺旋繊維（第２部材）
６１ｃ 樹脂材（第３部材）
６２ バンパビーム本体
ＦＰ ファイバ材
ＰＰ 従来材

Claims (2)

1. 中空の略四角柱状に形成され、少なくとも衝突荷重の方向と略平行となる部位に、引張荷重が生じる層と圧縮荷重が生じる層とを有すると共に、前記引張荷重が生じる層が多段階変形部材で構成されたエネルギ吸収構造体であって、
   前記多段階変形部材は、面方向に沿って衝突荷重が加わると、面外方向に湾曲変形して、引張荷重が生じ、当該引張荷重に対し、弾性変形と塑性変形とを交互に二回ずつ繰り返す弾塑性特性を有し、
   前記多段階変形部材は、
   引張荷重が生じると引張荷重方向に伸び、弾性変形と塑性変形とが生じる弾塑性特性を有する樹脂材と、
   引張荷重方向に対して略直交する方向に略直線状に延びた状態で前記樹脂材と一体に形成され、引張荷重方向に互いに所定の間隔を空けた状態で平行に並んで配設されると共に、前記樹脂材が引張荷重方向に伸びていくと前記間隔が広がる複数の直線繊維と、
   隣り合う前記直線繊維の周囲を囲むように前記直線繊維の長手方向に螺旋状に延びた状態で前記樹脂材と一体に形成され、隣り合う前記直線繊維に弛んだ状態で係合すると共に、前記間隔が広がっていくと隣り合う前記直線繊維に張った状態で係合し、更に前記間隔が広がっていくと弾性変形と塑性変形とが生じる弾塑性特性を有する複数の螺旋繊維と、を備えることを特徴とするエネルギ吸収構造体。
2. 前記螺旋繊維の弾性変形と塑性変形とを開始させるタイミングは、前記樹脂材の弾塑性特性、隣り合う前記直線繊維の間隔、及び前記螺旋繊維の弛み量を調節することにより、前記多段階変形部材の歪が１０％以下となった時点に設定されることを特徴とする請求項１に記載のエネルギ吸収構造体。

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