JP6163060B2 - 衝撃吸収装置 - Google Patents

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。

このような衝撃吸収装置は、一般に、円筒状のエネルギー吸収部材と、このエネルギー吸収部材の端面に当接配置されて、外部からの衝撃荷重によってエネルギー吸収部材を押圧して圧潰させる押圧部材とを備えた構成とされる。押圧部材は、エネルギー吸収部材の開口（内周面）と係合する突起部を有するものとすることで、エネルギー吸収部材に対する径方向の位置が定まるように構成される。

ところが、押圧部材にエネルギー吸収部材の内周面と係合する突起部を設けてしまうと、エネルギー吸収部材の圧潰に伴って生じる内周側への破断片が当該突起部に拘束されてしまい、所望のエネルギー吸収性能を得ることができなくなるおそれがある。
そこで、例えば特許文献１に記載の衝撃吸収装置では、図７に示すように、エネルギー吸収部材（ＦＲＰ円筒）の端面に周方向に沿ったＶ溝を形成し、このＶ溝と係合する突起部を押圧部材（蓋体）に設けている。この特許文献１に記載の衝撃吸収装置によれば、エネルギー吸収部材の破断片がＶ溝の中心から内周側及び外周側へ分かれて生じることとなるため、Ｖ溝と係合する突起部によって破断片を拘束することがない。

特許第３４７３１４５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の衝撃吸収装置では、図８に示すように、エネルギー吸収部材が、押圧初期の段階からＶ溝が裂ける（すなわち、この部分の繊維が裂ける）高エネルギー吸収の破壊形態（プログレッシブ・クラッシング）で圧潰してしまう。つまり、圧潰方向への変位と荷重との関係を示す荷重−変位特性が、僅かな変位で大きな荷重に至る急峻な立ち上がりのものとなってしまう。荷重−変位特性の初期の立ち上がりが急峻であると、エネルギー吸収量は多くなるものの、例えばエアバッグを作動させるタイミング調整が困難になるなどの不具合が生じる。そのため、この荷重−変位特性の初期の立ち上がりを容易に調整することができる技術が望まれていた。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、荷重−変位特性の初期の立ち上がりを容易に調整す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面に当接配置され、前記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、前記一端面が前記圧潰方向と直交する平面状に形成され、
前記押圧部材は、
前記エネルギー吸収部材の前記一端面と当接する当接部が、前記圧潰方向の他端側へ所定の傾斜角で先細り状に突出する形状に形成され、
前記当接部の先端が前記エネルギー吸収部材の前記一端面のうちの中央部に当接するように配置されて、
前記エネルギー吸収部材の押圧初期時には、当該エネルギー吸収部材の繊維を破断させることなく、前記当接部の先端を前記一端面の中央部に喰い込ませるようにして当該一端面を破壊し、前記圧潰方向への変位に伴って前記当接部の前記傾斜角に応じた荷重で前記エネルギー吸収部材を押圧するように構成され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るとともに、前記一端面が前記圧潰方向と直交する平面状に形成され、
前記押圧部材の前記当接部は、
前記エネルギー吸収部材の前記一端面に対応する円環状に形成されて当該一端面に対向配置されるとともに、その中心軸を含んで前記圧潰方向に沿った各断面での形状がＶ字状に形成され、
その先端が前記エネルギー吸収部材の前記一端面のうちの肉厚の中央部に全周に亘って当接し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又は２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。
請求項４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面に当接配置され、前記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、前記一端面が所定の肉厚を有する環状かつ平面状に形成され、
前記押圧部材は、
前記エネルギー吸収部材の前記一端面と当接する当接部が、前記圧潰方向の他端側へ所定の傾斜角で先細り状に突出する形状であって、前記エネルギー吸収部材の前記一端面に対応する環状に形成され、
前記当接部の先端が前記エネルギー吸収部材の前記一端部のうちの肉厚の中央部に全周に亘って当接するように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、エネルギー吸収部材の圧潰方向の一端面に当接配置された押圧部材が、この一端面と当接する当接部として、圧潰方向の他端側へ所定の傾斜角で先細り状に突出する形状のものを有しており、当該当接部の先端がエネルギー吸収部材の一端面のうちの中央部に当接している。これにより、押圧部材は、エネルギー吸収部材を圧潰方向へ押圧するに伴って、突起部をエネルギー吸収部材の一端面の中央部に食い込ませるようにして、その繊維を破断させることなく、当該一端面を破壊していく。そのため、押圧初期時には、押圧部材の圧潰方向への変位に伴って、突起部の傾斜角に応じた変化度合いで押圧面積が増加することとなり、この押圧面積に応じた荷重でエネルギー吸収部材が押圧される。したがって、突起部の傾斜角を変更するだけで、荷重−変位特性の初期の立ち上がりを容易に調整することができる。

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エネルギー吸収態様を説明するための図である。 実施形態における衝撃吸収装置の荷重−変位線図である。 実施形態における衝撃吸収装置の変形例を説明するための図である。 実施形態における衝撃吸収装置の変形例の荷重−変位線図である。 従来の衝撃吸収装置の断面図である。 従来の衝撃吸収装置の破壊形態を説明するための図である。

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、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。また、クラッシュボックス２の円環状の前端面２ａは、前後方向と直交する平面状に形成されており、当該前端面２ａが押圧部材３と当接する面となっている。当該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。

押圧部材３は、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の前側に配置されている。この押圧部材３の後面には、クラッシュボックス２の前端面２ａと当接する突起部３１が形成されている。
突起部３１は、クラッシュボックス２の前端面２ａに対応して同一の直径を有する円環状に形成され、その中心軸がクラッシュボックス２の中心軸Ａｘと一致するように前端面２ａに対向配置されている。より詳細には、図２（ｂ）に示すように、突起部３１は、中心軸Ａｘを含んで前後方向に沿った各断面での形状が、前後方向と直交する面に対する所定の傾斜角αで後側へ先細り状に突出するＶ字状に形成されている。そして、この突起部３１の先端（後端）が、クラッシュボックス２の前端面２ａのうちの肉厚の中央部に、全周に亘って当接している。また、突起部３１は、その基端部での径方向の幅ｗがクラッシュボックス２の肉厚ｔと略同一に形成されている。

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）。

続いて、衝撃吸収装置１が外部からの衝撃荷重を受けたときのエネルギー吸収態様について、主に図３及び図４を参照して説明する。
図３は、衝撃吸収装置１のエネルギー吸収態様を説明するための図であり、図４は、衝撃吸収装置１の荷重−変位線図である。

まず、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、図３（ａ）に示すように、押圧部材３の突起部３１は、その先端をクラッシュボックス２の前端面２ａの肉厚の中央部に喰い込ませるようにして、繊維が破断する破壊形態（プログレッシブ・クラッシング）を起こすことなく、当該前端面２ａを肉厚の中央部から破壊していく。このとき、押圧部材３の突起部３１は、先細り状に形成されているため、クラッシュボックス２を押圧して後方へ変位するに伴って、その押圧面（当接面）を前後方向と直交する面に投影した面積（以下、「有効押圧面積」という。）が徐々に増加していく。したがって、この有効押圧面積の増加に伴って、荷重も次第に増加していく（図４のａ部）。その後、図３（ｂ）に示すように、押圧部材３の突起部３１がさらにクラッシュボックス２を押圧して後方へ変位していくと、同様にして、荷重も次第に増加していく（図４のｂ部）。

そして、押圧部材３の突起部３１は、さらにクラッシュボックス２の前端面２ａを押圧していくことで、図３（ｃ）に示すように、その基端部までがクラッシュボックス２の前端面２ａに全面に亘って喰い込んだ状態となる。この状態に至るまでは、突起部３１が傾斜角αの一様な断面Ｖ字状であるために、その有効押圧面積が一様に増加し、変位に対する荷重も一様な傾きで増加する（図４のｃ部）。

その後、図３（ｄ）に示すように、さらに押圧部材３がクラッシュボックス２を押圧していくと、突起部３１はすでに基端部までクラッシュボックス２に喰い込みきっているため、当該押圧部材３はクラッシュボックス２を全体的に圧潰させていく。このときには、押圧部材３は、後方への変位に対して有効押圧面積が変化しないため、荷重もほぼ一定となる（図４のｄ部）。つまり、押圧部材３の突起部３１がクラッシュボックス２の前端面２ａの全面に喰い込みきって以降は、変位に対して荷重がほぼ一定の値で推移する安定荷重領域となる。また、この安定荷重領域では、クラッシュボックス２は、繊維が破断する高エネルギー吸収の破壊形態（プログレッシブ・クラッシング）で圧潰していく。

このように、衝撃吸収装置１における荷重−変位特性の初期の立ち上がりは、押圧部材３の突起部３１の傾斜角αに応じたものとなる。つまり、この突起部３１の傾斜角αを変えることで、荷重−変位特性の初期の立ち上がりを所望のものに変更することができる。
例えば、図５（ａ）に示すように、突起部３１の径方向の幅ｗをクラッシュボックスの肉厚ｔよりも大きく、当該突起部３１の傾斜角αをより小さなものにした場合には、荷重−変位特性の初期の立ち上がりは、より急峻なものとなる。具体的には、この場合、押圧部材３の突起部３１は、径方向の幅ｗと肉厚ｔとが略同一のものよりも、少ない変位でクラッシュボックス２の前端面２ａの全面に亘って喰い込むこととなる。したがって、このときの荷重−変位特性は、図６に破線で示すように、突起部３１の径方向の幅ｗと肉厚ｔとが略同一のときに比べ、より少ない変位で安定荷重領域に到達するものとなるため、その初期の立ち上がりは、より急峻なものとなる。

また、図５（ｂ）に示すように、突起部３１の径方向の幅ｗをクラッシュボックスの肉厚ｔよりも小さく、当該突起部３１の傾斜角αをより大きなものにした場合には、荷重−変位特性の初期の立ち上がりは、より緩やかなものとなる。具体的には、この場合、押圧部材３の突起部３１は、径方向の幅ｗと肉厚ｔとが略同一のものに比べ、同じ変位で基端部までがクラッシュボックス２の前端面２ａに食い込みきるものの、このときの有効押圧面積はより小さいため、荷重もより小さい。そして、押圧部材３がさらに僅かに変位することで、突起部３１とその周辺の押圧部材３の後面がクラッシュボックス２の前端面２ａを全面に亘って押圧する状態となる。したがって、このときの荷重−変位特性は、図６に一点鎖線で示すように、突起部３１の径方向の幅ｗと肉厚ｔとが略同一のときに比べ、同じ変位でより少ない荷重に至った後に、さらに僅かに変位して安定荷重領域に到達するものとなる。つまり、この荷重−変位特性の初期の立ち上がりは、突起部３１の径方向の幅ｗと肉厚ｔとが略同一のときに比べ、全体としてより緩やかなものとなる。

以上のように、本実施形態によれば、クラッシュボックス２の前端面２ａに当接配置された押圧部材３が、この前端面２ａと当接する当接部として、後側へ傾斜角αで先細り状に突出する突起部３１を有しており、当該突起部３１の先端がクラッシュボックス２の前端面２ａのうちの中央部に当接している。これにより、押圧部材３は、クラッシュボックス２を前後方向へ押圧するに伴って、突起部３１をクラッシュボックス２の前端面２ａの中央部に食い込ませるようにして、その繊維を破断させることなく、当該前端面２ａを破壊していく。そのため、押圧初期時には、押圧部材３の前後方向への変位に伴って、突起部３１の傾斜角αに応じた変化度合いで有効押圧面積が増加することとなり、この有効押圧面積に応じた荷重でクラッシュボックス２が押圧される。したがって、突起部３１の傾斜角αを変更するだけで、荷重−変位特性の初期の立ち上がりを容易に調整することができる。

なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態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は、円筒状に限定されず、例えば、円錐状や角柱状，角錐状などであってもよい。

また、押圧部材３の突起部３１は、上記実施形態の形状のものに限定されず、後側へ所定の傾斜角αで先細り状に突出する形状に形成されて、当該突起部３１の先端がクラッシュボックス２の前端面２ａのうちの中央部に当接していればよい。例えば、クラッシュボックス２が円柱状であった場合には、押圧部材３の突起部３１は、後側へ先細り状に突出する円錐状であってもよい。

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 衝撃吸収装置
２ クラッシュボックス（エネルギー吸収部材）
２ａ 前端面
Ａｘ 中心軸
ｔ 肉厚
３ 押圧部材
３１ 突起部（当接部）
ｗ 幅
α 傾斜角
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面に当接配置され、前記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、前記一端面が前記圧潰方向と直交する平面状に形成され、
   前記押圧部材は、
   前記エネルギー吸収部材の前記一端面と当接する当接部が、前記圧潰方向の他端側へ所定の傾斜角で先細り状に突出する形状に形成され、
   前記当接部の先端が前記エネルギー吸収部材の前記一端面のうちの中央部に当接するように配置されて、
   前記エネルギー吸収部材の押圧初期時には、当該エネルギー吸収部材の繊維を破断させることなく、前記当接部の先端を前記一端面の中央部に喰い込ませるようにして当該一端面を破壊し、前記圧潰方向への変位に伴って前記当接部の前記傾斜角に応じた荷重で前記エネルギー吸収部材を押圧するように構成されていることを特徴とする衝撃吸収装置。
2. 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るとともに、前記一端面が前記圧潰方向と直交する平面状に形成され、
   前記押圧部材の前記当接部は、
   前記エネルギー吸収部材の前記一端面に対応する円環状に形成されて当該一端面に対向配置されるとともに、その中心軸を含んで前記圧潰方向に沿った各断面での形状がＶ字状に形成され、
   その先端が前記エネルギー吸収部材の前記一端面のうちの肉厚の中央部に全周に亘って当接し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又は２に記載の衝撃吸収装置。
4. 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面に当接配置され、前記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、前記一端面が所定の肉厚を有する環状かつ平面状に形成され、
   前記押圧部材は、
   前記エネルギー吸収部材の前記一端面と当接する当接部が、前記圧潰方向の他端側へ所定の傾斜角で先細り状に突出する形状であって、前記エネルギー吸収部材の前記一端面に対応する環状に形成され、
   前記当接部の先端が前記エネルギー吸収部材の前記一端部のうちの肉厚の中央部に全周に亘って当接するように配置されていることを特徴とする衝撃吸収装置。

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