JP6083383B2 - エネルギー吸収部材およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、繊維強化樹脂を用いて構成されたエネルギー吸収部材とその製造方法に関し、とくに、吸収すべきエネルギー量を容易に最適な量に調整、設定可能なエネルギー吸収部材、およびその製造方法に関する。
従来から、繊維強化樹脂、例えば炭素繊維強化樹脂を用いて構成された種々のエネルギー吸収部材が知られている。例えば、特許文献１、２には、複数の繊維強化樹脂層の特定の積層構成により、エネルギー吸収のための部材の破壊を円滑に行わせるようにしたエネルギー吸収部材が開示されている。また、特許文献３には、積層される複数の繊維強化樹脂層に関して、積層部の肉厚みと層数との比を特定の範囲に調整することにより、部材圧潰時の荷重の安定化と早期圧潰の回避とをはかったエネルギー吸収体が開示されている。
このような従来技術では、いずれも、異なる性能を有する複数の繊維強化樹脂層が所定の形態や順序で積層されるが、積層される繊維強化樹脂層としては実質的に同じサイズや同じ形状のものが使用されている。そのため、作製しようとするエネルギー吸収部材の全体形状や全体サイズが決まってしまうと、吸収され得るエネルギー量はある限られた範囲内のものとなり、その範囲から大きく外れたエネルギー量を吸収させたい場合には、設計が困難になることが多かった。
しかし現実的には、例えば車両前部に取り付けられるエネルギー吸収部材を設計しようとする場合、衝突時に吸収されるべきエネルギー量は、エネルギー吸収部材が取り付けられる車体の重量によって大きく変化するため、車種が変わるとそれに見合った新設計をその都度行う必要があった。
特開平６−３０００６７号公報 特開平６−３０７４７７号公報 特開平１１−２８０８１５号公報
そこで本発明の課題は、吸収すべきエネルギー量の目標値を変えたい場合にあっても、部材の外形形状を大きく変更することなく、その目標値に応じて容易に最適なエネルギー吸収量に調整、設定可能なエネルギー吸収部材とその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係るエネルギー吸収部材は、部材厚さ方向に複数の繊維強化樹脂層の積層構成を有し、該複数の繊維強化樹脂層として、少なくとも、一方向に引き揃えられた強化繊維と樹脂からなる複数の一方向材と、強化繊維織物と樹脂からなる複数のクロス材とを含むエネルギー吸収部材であって、前記一方向材は、それぞれ、クロス材とクロス材の間に挟まれて積層されているとともに、前記複数の一方向材の外部荷重入力方向における長さが、順次変更されており、かつ、部材厚さ方向の内層側に位置する一方向材の長さの方が外層側に位置する一方向材の長さよりも短く設定されていることを特徴とするものからなる。
このような本発明に係るエネルギー吸収部材においては、強化繊維織物と樹脂からなる複数のクロス材を含むことにより、部材全体の必要な強度、剛性が容易に確保できるとともに、容易に所望の外形形状に形成される。また、一方向に引き揃えられた強化繊維と樹脂からなる複数の一方向材を含むことにより、該一方向材をその強化繊維の延設方向に対して突っ張り材として機能させることが可能になるので、衝撃力が入力された直後すぐに座屈や圧潰、またはそれらに近い状態への変形を防止することができ、高い荷重を維持したのち逐次破壊に移行することができるため、高いエネルギー吸収性能を発揮することが可能になる。そして、本発明では、複数の一方向材の外部荷重入力方向における長さが順次変更されているので、複数の一方向材が実質的に順に外部荷重を受け止めていくことになる。その結果、入力される外部荷重に対して、急激な変動を生じることなくエネルギーが円滑に吸収されていくとともに、複数の一方向材の積層数、配設位置、変更される各長さ等を調整することで、容易に所望のエネルギー吸収量に調整、設定可能となる。換言すれば、本発明に係るエネルギー吸収部材では、部材の外形形状を大きく変更することなく、複数の一方向材の積層数、各層の配設位置、各層の長さ等を調整するだけで、容易に最適なエネルギー吸収量に調整、設定可能となる。
上記本発明に係るエネルギー吸収部材においては、部材厚さ方向の内層側に位置する一方向材の長さの方が外層側に位置する一方向材の長さよりも短く設定されている。このようにすることにより、各一方向材の座屈や圧潰が部材の外層側から進行していくことになり、例えばエネルギー吸収部材内部に他部品やハーネス等の内蔵物が収容される場合、エネルギー吸収部材全体が大きく変形されるまで内蔵物を適切に保護することが可能になる。
また、上記複数の一方向材の強化繊維の引き揃え方向が、すべて、上述の外部荷重入力方向に設定されていることが好ましい。このようにすれば、すべての一方向材をその強化繊維の延設方向に対して突っ張り材として機能させることが可能になり、入力される外部荷重が大きくなるにしたがって確実に所定の順に各一方向材にエネルギー吸収機能を発揮させることが可能になり、より円滑なエネルギー吸収が可能になるとともに、吸収すべきエネルギー量の調整、設定もより確実に目標とする値に調整、設定できるようになる。
また、上記一方向材は、それぞれ、クロス材とクロス材の間に挟まれて積層されている。このようにすることにより、隣接するクロス材によって、座屈や圧潰が進行する前の一方向材の形態を安定した形態に維持可能となり、それによって目標とするエネルギー吸収性能も安定して発現される。
また、上記複数の一方向材の強化繊維には、引張弾性率２９０ＧＰａ以上の炭素繊維が用いられていることが好ましい。より好ましくは、引張弾性率４３０ＧＰａ以上の炭素繊維が用いられていることが望ましい。このような高弾性率の炭素繊維が用いられることにより、各一方向材自体に高いエネルギー吸収性能を持たせることが可能になり、エネルギー吸収部材全体としても、優れたエネルギー吸収性能が付与されることになる。
また、本発明に係るエネルギー吸収部材においては、上記複数の繊維強化樹脂層の積層構成のいずれかの部位に、コア材が介在されている構造とすることもできる。コア材としては、樹脂発泡体やアルミハニカム等からなる軽量なコア材を用いることができる。このようなサンドイッチ構造においては、曲げ剛性の向上や板厚を厚くすることが可能であるので、より高い衝撃力が入力された場合の座屈や圧潰、またはそれらに近い状態への変形を防止することができるため、高い衝撃力が入力された場合でも適切なエネルギー吸収性能を発揮しつつ、かつ、エネルギー吸収部材全体の軽量性を満足することが可能になる。
また、上記複数のクロス材として、上記外部荷重入力方向に対する強化繊維の配向角度が０度／９０度の強化繊維織物を含むクロス材および±４５度の強化繊維織物を含むクロス材が設けられている形態を採用することもできる。このような形態においては、クロス材の配置によって全方位に近い方向についてエネルギー吸収部材に適切な強度、剛性を付与することが可能になり、とくに±４５度の強化繊維織物を含むクロス材を配することで、部材の捩り剛性や捩り強度についても適切に設定することが可能になり、より容易に最適なエネルギー吸収部材の設計が可能になる。
また、上記部材厚さ方向に積層されている複数の繊維強化樹脂層の最外層と最内層としてクロス材が配置されている形態も好ましい。自身の形態保持性は、一般に、一方向に引き揃えられた強化繊維を含む一方向材よりも強化繊維織物を含むクロス材の方が高いと考えられることから、最外層と最内層を形成する繊維強化樹脂層を一方向材ではなくクロス材で形成しておくことにより、エネルギー吸収部材全体の所望の形態の保持が、より容易により確実に行われることになる。
この場合、上記最外層のクロス材の外側に、さらに意匠面形成用の繊維強化樹脂層が配置されている形態も好ましい。意匠面形成用の繊維強化樹脂層としては、例えば、クロス材の中でもクロス材を構成するストランド幅が細いタイプが形状賦形性の点などから良い。また、強化繊維がランダムに配された強化繊維マット層と樹脂とからなる繊維強化樹脂層を用いても良い。このような表層繊維強化樹脂層は、エネルギー吸収部材全体の強度や剛性を担う機能は実質的に求められないので、専ら所望の外観が得られる観点から選定されればよい。
さらに本発明は、上記のようなエネルギー吸収部材の製造方法についても提供する。すなわち、部材厚さ方向に、少なくとも、一方向に引き揃えられた強化繊維と樹脂からなる複数の一方向材と、強化繊維織物と樹脂からなる複数のクロス材とを含む複数の繊維強化樹脂層を積層するエネルギー吸収部材の製造方法であって、前記複数の一方向材を、それぞれ、クロス材とクロス材の間に挟んで積層するとともに、前記複数の一方向材を、それらの外部荷重入力方向における長さを順次変更して積層し、かつ、部材厚さ方向の内層側に位置する一方向材の長さの方を外層側に位置する一方向材の長さよりも短く設定することを特徴とする、エネルギー吸収部材の製造方法である。
このように、本発明に係るエネルギー吸収部材およびその製造方法によれば、複数の一方向材の外部荷重入力方向における長さを順次変更することにより、急激な変動を生じることなくエネルギーを円滑に吸収することが可能になるとともに、各一方向材の積層数、配設位置、変更される各長さ等を適切に調整することで、容易にかつ実質的に自由にエネルギー吸収部材のエネルギー吸収量を目標とする所望の値に調整、設定することが可能となる。その結果、例えば車体の重量等に応じたエネルギー吸収部材の最適な設計を、部材の外形形状を大きく変更することなく、容易にかつ確実に行うことができるようになる。
本発明の一実施態様に係るエネルギー吸収部材の概略斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿うエネルギー吸収部材の縦断面図である。 図２の部位３の具体的な断面構成を例示した概略断面図である。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１、図２は、本発明の一実施態様に係るエネルギー吸収部材１を示しており、とくに車両の前部におけるエンジンルーム内の前部に設けられる、前突等に備えてエネルギー吸収するためのエネルギー吸収部材１を示している。エネルギー吸収部材１は、側方から見て、前部側を頂辺側とする台形形状を有する箱形部材に構成されており、台形形状の底辺側となる後部側は後方に向けて開口されている。このエネルギー吸収部材１には、必要に応じて内部に他部品を収容することも可能に構成されており、図における符号２で示した開口部は、該他部品用のハーネス等のアクセスを行うための開口部２を示している。前突等の場合には前部側から加わる荷重が入力されることになるので、図の矢印Ａ方向が荷重入力方向として設定されている。
このようなエネルギー吸収部材１は、各部が、部材厚さ方向に複数の繊維強化樹脂層の積層構成を有し、該複数の繊維強化樹脂層として、少なくとも、一方向に引き揃えられた強化繊維と樹脂からなる複数の一方向材と、強化繊維織物と樹脂からなる複数のクロス材とを含むエネルギー吸収部材として構成され、該複数の一方向材の外部荷重入力方向Ａにおける長さが、順次変更されている。各繊維強化樹脂層の強化繊維としては、部材全体の強度、剛性を高く保ち、優れたエネルギー吸収性能を発現させる観点から、炭素繊維を用いることが好ましい。各繊維強化樹脂層のマトリックス樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれも使用できる。上記のような複数の一方向材と複数のクロス材の構成に関して、図２に示した部材構成部位３を例にとって、図３および以下の表１に具体的な積層構成を例示する。
図３に示すように、この部位３は、部材厚さ方向に積層された複数の繊維強化樹脂層４で構成されているとともに、積層構成のほぼ中央部には、軽量部材からなるコア材５が介在されている。
図３および表１において、繊維強化樹脂層構成用材料に「Ｗ」が付されているものは、強化繊維織物と樹脂からなるクロス材を表しており、「ＵＤ」が付されているものは、一方向に引き揃えられた強化繊維と樹脂からなる一方向材を表しており、すべて東レ株式会社製の繊維強化樹脂層構成用材料の品番で表されている。なお、「ＦＡ」が付されているものは、フィルムタイプの接着剤を表している。各一方向材における強化繊維の引き揃え方向は、すべて、上述の外部荷重入力方向Ａ（表１における０°方向）に設定されている。とくにこれら一方向材には、「ＵＤ Ｍ４６Ｊ」（強化繊維として引張弾性率が４３６ＧＰａの高弾性率炭素繊維を用いた東レ株式会社製の一方向材）が使用されている。そして、これら一方向は、荷重入力方向における長さが図３に示すように順次変更されており、とくに図示例では、荷重入力方向における先端部の位置（荷重入力方向における車両前側先端部の位置）が順次変更されている。なお、図３に例示した各寸法の単位は「ｍｍ」である。
なお、図３および表１に示した例は、あくまで積層構成の一例を具体的に示したものであり、本発明はこの例に何ら限定されるものではない。
Figure 0006083383
図３および表１に例示したような本発明に係る積層構成を採用することにより、前述したように、複数の一方向材の外部荷重入力方向における長さが順次変更されているので、複数の一方向材が実質的に順に外部荷重を受け止めていき、急激な変動を生じることなくエネルギーが円滑に吸収されていくとともに、複数の一方向材の積層数、配設位置、変更される各長さ等を調整することで、エネルギー吸収量を、部材の外形形状を大きく変更することなく、容易に最適なエネルギー吸収量に調整、設定可能となる。
また、積層される各一方向材に高弾性率炭素繊維を用いた一方向材を用いることで、各一方向材自体に高いエネルギー吸収性能を持たせることができ、エネルギー吸収部材全体として優れたエネルギー吸収性能を発現することが可能になる。また、図３および表１に示した例では、最外層（ＰＬＹ２）のクロス材（Ｗ３８０ Ｔ７００）の外側に、さらに意匠面形成用の繊維強化樹脂層（ＰＬＹ１、Ｗ２４５ Ｔ３００）が配置されているので、望ましい外観も得られる。
本発明に係るエネルギー吸収部材は、衝撃エネルギー等の吸収が要求されるあらゆる分野に適用可能であり、とくに車両の前部に設けられるエネルギー吸収部材として好適である。
１ エネルギー吸収部材
２ 開口部
３ 部材構成部位
４ 複数の繊維強化樹脂層
５ コア材
Ａ 外部荷重入力方向

Claims (8)

  1. 部材厚さ方向に複数の繊維強化樹脂層の積層構成を有し、該複数の繊維強化樹脂層として、少なくとも、一方向に引き揃えられた強化繊維と樹脂からなる複数の一方向材と、強化繊維織物と樹脂からなる複数のクロス材とを含むエネルギー吸収部材であって、前記一方向材は、それぞれ、クロス材とクロス材の間に挟まれて積層されているとともに、前記複数の一方向材の外部荷重入力方向における長さが、順次変更されており、かつ、部材厚さ方向の内層側に位置する一方向材の長さの方が外層側に位置する一方向材の長さよりも短く設定されていることを特徴とするエネルギー吸収部材。
  2. 前記複数の一方向材の強化繊維の引き揃え方向が、すべて、前記外部荷重入力方向に設定されている、請求項１に記載のエネルギー吸収部材。
  3. 前記複数の一方向材の強化繊維に、引張弾性率２９０ＧＰａ以上の炭素繊維が用いられている、請求項１または２に記載のエネルギー吸収部材。
  4. 前記複数の繊維強化樹脂層の積層構成のいずれかの部位に、コア材が介在されている、請求項１〜３のいずれかに記載のエネルギー吸収部材。
  5. 前記複数のクロス材として、前記外部荷重入力方向に対する強化繊維の配向角度が０度／９０度の強化繊維織物を含むクロス材および±４５度の強化繊維織物を含むクロス材が設けられている、請求項１〜４のいずれかに記載のエネルギー吸収部材。
  6. 前記部材厚さ方向に積層されている複数の繊維強化樹脂層の最外層と最内層としてクロス材が配置されている、請求項１〜５のいずれかに記載のエネルギー吸収部材。
  7. 前記最外層のクロス材の外側に、さらに意匠面形成用の繊維強化樹脂層が配置されている、請求項６に記載のエネルギー吸収部材。
  8. 部材厚さ方向に、少なくとも、一方向に引き揃えられた強化繊維と樹脂からなる複数の一方向材と、強化繊維織物と樹脂からなる複数のクロス材とを含む複数の繊維強化樹脂層を積層するエネルギー吸収部材の製造方法であって、前記複数の一方向材を、それぞれ、クロス材とクロス材の間に挟んで積層するとともに、前記複数の一方向材を、それらの外部荷重入力方向における長さを順次変更して積層し、かつ、部材厚さ方向の内層側に位置する一方向材の長さの方を外層側に位置する一方向材の長さよりも短く設定することを特徴とする、エネルギー吸収部材の製造方法。
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