JP6365514B2 - 車両の衝撃吸収構造 - Google Patents
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Description
これら1対のクラッシュカンは、通常、金属材料によって成形され、車両衝突時には、軸方向に圧縮破壊されることにより車室に伝達される衝撃エネルギを吸収している。
強化材として使われる強化繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維等があり、母材(マトリックス)と組み合わせることによって繊維強化樹脂が形成されている。
このような繊維強化樹脂では、強化繊維が強度等の力学的特性を分担し、母材樹脂が繊維間の応力伝達機能と繊維の保護機能を分担している。
特に、炭素繊維樹脂(Carbon-Fiber-Reinforced-Plastic: CFRP)は、高比強度(強度/比重)と高比剛性(剛性/比重)、所謂軽さと強度・剛性とを併せ持つ特性であるため、航空機や車両等の構造材料として広く使用に供されている。
特許文献2の車体構造は、車体構造体の前面側に開口方向を上下方向とする四角筒状の繊維強化プラスチック製衝撃エネルギ吸収体を設け、衝撃エネルギ吸収体の前面にバンパーを配置している。これにより、軽量化とエネルギ吸収性とを両立している。
本出願人は、既に、車両衝突時に逐次破壊可能な炭素繊維樹脂構造体を提案している。
特許文献3の炭素繊維樹脂構造体は、圧縮荷重入力方向に炭素繊維が延びるように配列された複数の第1炭素繊維層と、これら第1炭素繊維層の炭素繊維に交差して炭素繊維が延びるように配列された複数の第2炭素繊維層とを備え、圧縮荷重が入力されたとき、繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端部分を圧縮荷重入力方向に交差する方向に炭素繊維が延びる第2炭素繊維層を介して夫々剥離させるように、繊維強化樹脂板材の厚さ方向一端側近傍部分と他端側近傍部分とに1以上の第2炭素繊維層を夫々配設している。
これにより、第2炭素繊維層を境界部分として、第2炭素繊維層よりも板厚方向内側の第1炭素繊維層によって柱状のピラー部を形成することができ、第2炭素繊維層よりも板厚方向外側の第1炭素繊維層によって枝状のフロンズ部を形成することができる。
しかし、特許文献3の炭素繊維樹脂構造体を特許文献1,2の技術に適用するとき、繊維強化樹脂による逐次破壊がEA量の増加に有効に寄与できない虞がある。
即ち、衝撃吸収部材は、構造的要因から圧縮荷重入力方向側端部である先端側部分よりも車室側端部である基端側部分の強度が低い場合、この強度差に基づいて、車両衝突時、先端側部分の破壊よりも基端側部分の破壊が早く開始されてしまう可能性がある。
上記のように衝撃吸収部材の基端側部分の破壊が早く開始された場合、基端側部分の破壊が集中的に進行し、衝撃吸収部材の姿勢崩れにより衝撃吸収部材の軸心方向と圧縮荷重入力方向とがずれてしまい、結果的に、衝突時の圧縮荷重によって衝撃吸収部材を潰し切ることができない。
即ち、逐次破壊を用いて衝撃エネルギ吸収を図る衝撃吸収構造において、安定したEA性能を確保するには構造上改善の余地がある。
1対の側壁部が、前後方向に直交する縦断面視にて凹凸状の水平方向に延びる複数の凹凸部を夫々備え且つ先端部にバンパーレインフォースメントが取り付けられる中間湾曲部と、前記中間湾曲部の上側に連なり且つ前後方向に直交する縦断面が部分円弧状に形成された略部分円錐状部分とを夫々有し、前記複数の凹凸部は、前記先端部側程車幅方向深さが小さくなるように形成され、前記略部分円錐状部分の直径が、基端部側程大きくなるように形成されたため、車両衝突時、側壁部の先端側部分の単位面積当たりの入力荷重を基端側部分の単位面積当たりの入力荷重よりも大きくすることができ、先端部に逐次破壊の起点を形成することができる。
これにより、左右1対の側壁部の姿勢崩れを防止しつつ側壁部の先端側部分から基端側部分に亙って確実且つ安定的に逐次破壊させて衝撃吸収部材を潰し切ることができる。
この構成によれば、車両衝突時の逐次破壊において1対の側壁部に形成されるピラー部を大きく形成することができ、EA性能を高くすることができる。
この構成によれば、フロンズ部に相当する第1強化繊維部分が剥離破壊するとき、第2強化繊維が第1強化繊維の間にファイバーブリッジを形成するため、第2強化繊維に引張荷重が作用し、第2強化繊維の切断エネルギをエネルギ吸収性能に寄与させることができる。
この構成によれば、側壁部の姿勢崩れを防止しつつ側壁部の先端側部分の単位面積当たりの入力荷重と基端側部分の単位面積当たりの入力荷重との差を拡大することができ、側壁部の先端部に逐次破壊の起点を確実に形成することができる。しかも、入力荷重を強化繊維の軸方向に入力させるため、強化繊維の座屈を抑制し、エネルギ吸収性能を増加することができる。
以下の説明は、本発明を車両の車体前部における衝撃吸収構造に適用したものを例示したものであり、本発明、その適用物、或いは、その用途を制限するものではない。
尚、図において、矢印Fは前方を示し、矢印Lは左方を示し、矢印Uは上方を示すものとして説明する。
図1〜図3に示すように、車両Vは、左右1対のフロントサイドフレーム1と、これら1対のフロントサイドフレーム1に支持された衝撃吸収部材2と、左右に延びるバンパビーム(バンパレインフォースメントともいう)3等を備えている。
これら1対のフロントサイドフレーム1には、途中部に設置されたフロントサスペンション装置の支持部と、前端部に設置された衝撃吸収部材2の固定部とが形成されている(何れも図示略)。
図5に示すように、バンパビーム3の後側壁部には5つのボルト穴3aが左右方向に等間隔空けて夫々形成され、前側壁部にはボルト穴3aに対応するように締結作業用の5つの作業穴3bが夫々形成されている。バンパビーム3は、各ボルト穴3aに挿通されたボルトb1を衝撃吸収部材2に埋設されたナットn1に締結することにより、衝撃吸収部材2の前端部の上側位置に装備されている。
1対の荷重受部5は、アルミ合金材料を押出成形にて一体部品として夫々成形されている。これら1対の荷重受部5は、上下に延びる略矩形状の閉断面を夫々構成し、バンパビーム3の左右両端側部分の下部に夫々溶接にて接合されている。
図6に示すように、1対の荷重受部5の後側壁部中段部分にはボルト穴5aが夫々形成され、バンパビーム3の前側壁部と面一になるように形成された前側壁部にはボルト穴5aに対応するように締結作業用の作業穴5bが夫々形成されている。
1対の荷重受部5は、ボルト穴5aに挿通されたボルトb2を衝撃吸収部材2に埋設されたナットn2に締結することにより、衝撃吸収部材2の前端部の下側位置に夫々装備されている。
図1,図7に示すように、衝撃吸収部材2は、1対のフロントサイドフレーム1に支持された固定部に固定され、前端部及び後端部が開口した略ボックス形状に構成されている。
図4に示すように、衝撃吸収部材2の内部において、前後方向中間部位には、コンデンサ6と、ラジエータ7と、冷却ファン8とが前方から順に搭載されている。
これらラジエータ7等は、上端部が下端部よりも前方に位置する前方上がり傾斜状になるようにスラント配置されている。
尚、ボックス形状とは、少なくとも前端部及び後端部が開口し、上端壁部と下端壁部のうち何れか一方が省略された構成を含むものである。
RTM(Resin Transfer Molding)法とは、部位毎に所定の配向(角度)に配列された炭素繊維のプリフォームを上下分離可能な成形型のキャビティ内にセットし、このキャビティ内に溶融させた合成樹脂を射出する成形方法である。
これら1対の側壁部21は、左右対称に構成されているため、以下、主に左側の側壁部21について説明する。
図7〜図11に示すように、側壁部21は、凹凸を有する波板状に形成され、略部分円錐状の上側湾曲部21aと、上下に配置された3つの略部分円筒状の中間湾曲部21bと、下側湾曲部21cを備えている。水平方向に配置された上側湾曲部21aは、前後方向に直交する縦断面が部分円弧形状に形成され、その直径は後側程大きくなるように形成されている。
下側湾曲部21cは、下端の中間湾曲部21bの下側に連なり、水平方向に配置されている。この下側湾曲部21cは、前端部から途中部までの間において前後方向に直交する縦断面が一定の直径である部分円弧形状に形成され、途中部から後端部までの間において直径が後側程大きくなる部分円弧形状に形成されている。
それ故、側壁部21は、側面視にて、後側程上下幅が大きく構成されている。
これにより、側壁部21の上下幅を拡大することなく、車両衝突時、側壁部21の前端側部分の単位面積当たりの入力荷重を後端側部分の単位面積当たりの入力荷重よりも大きくすることができ、前端部に逐次破壊の起点を確実に形成し、逐次破壊の進行を安定化させている。
ここで、側壁部21を構成する炭素繊維C1,C2について説明する。
図12に示すように、側壁部21に含まれる炭素繊維の大部分に相当する第1炭素繊維C1は、側壁部21の前端から後端に亙って前後に連続して一様に延びる、所謂前後方向に対して配向0度の単繊維(フィラメント)が所定数(例えば12k)束ねられた繊維束(トウ)で構成されている。側壁部21に含まれる炭素繊維の一部に相当する第2炭素繊維C2は、側壁部21の上端から下端に亙って上下に連続して一様に延びる、所謂前後方向に対して配向90度の単繊維が所定数束ねられた繊維束で構成されている。
炭素繊維の単繊維の直径は、例えば7〜10μmであり、母材Mには、熱硬化性エポキシ系合成樹脂が使用されている。
そして、左右両第2炭素繊維C2の間に複数層の第1炭素繊維C1が配置されている。
これにより、車両衝突時、厚さ方向両端部に配置された第1炭素繊維C1に相当する部分にフロンズ部の機能を持たせることができ、厚さ方向中間部分に配置された第1炭素繊維C1に相当する部分にピラー部の機能を夫々持たせることができる。
それ故、側壁部11に前後方向の圧縮荷重が作用した場合、フロンズ部に相当する第1炭素繊維C1部分がピラー部に相当する第1炭素繊維C1部分に先行して剥離破壊し、その後、ピラー部に相当する第1炭素繊維C1部分が圧縮破壊される。この剥離破壊と圧縮破壊が、前端部(圧縮荷重入力側端部)から逐次後方に進行する逐次破壊である。
以上により、左右幅の大きなピラー部を安定的に形成し、大きなEA量を確保している。
しかも、フロンズ部に相当する第1炭素繊維C1部分が剥離破壊するとき、第2炭素繊維C2が第1炭素繊維C1の間にファイバーブリッジを形成するため、第2炭素繊維C2の切断エネルギをエネルギ吸収性能の増加に利用している。
この上連結壁部22には、開口部22aが形成されている。
開口部22aは、上連結壁部22の左右方向中間部分且つ前後方向後側部分に設けられ、平面視にて後側程左右幅が大きい略台形状に構成されている。
図2に示すように、開口部22aの左辺部は、上連結壁部22の右前角部と左後角部とを結ぶ対角線L2に対して略平行に形成され、開口部22aの右辺部は、上連結壁部22の左前角部と右後角部とを結ぶ対角線L1に対して略平行に形成されている。
これにより、後述する第3,第4炭素繊維C3,C4の切断数を抑制している。
図4に示すように、開口部22aの前辺部は、冷却ファン8(ラジエータ7)の上端部よりも後側に位置し、開口部22aの後辺部は、ラジエータ7の下端部よりも後側に位置している。これにより、衝撃吸収部材2にラジエータ7へエアを供給するためのエアダクト機能を持たせている。
ここで、上連結壁部22を構成する炭素繊維C3,C4について説明する。
第3,第4炭素繊維C3,C4は、配向方向を除いた材料、束数等の仕様について、第1,第2炭素繊維C1,C2と同様に構成され、母材Mについても同様である。
図13に示すように、上連結壁部22に含まれる複数の第3炭素繊維C3は、対角線L1に対して平行に延びる、所謂前後方向に対して交差する配向α度の単繊維が所定数束ねられた繊維束で構成されている。上連結壁部22に含まれる複数の第4炭素繊維C4は、対角線L2に対して平行に延びる、所謂前後方向に対して交差する配向−α度の単繊維が所定数束ねられた繊維束で構成されている。
複数の第3炭素繊維C3の層と複数の第4炭素繊維C4の層は、上下に交互に積層され、互いに交差するメッシュ構造を構成している。
これにより、車両衝突時、1対の側壁部21の姿勢崩れを防止し、第3,第4炭素繊維C3,C4によって斜め方向からの衝撃エネルギを吸収している。
下連結壁部23は、第5炭素繊維(図示略)を有している。
第5炭素繊維は、配向方向を除いた材料、束数等の仕様について、第1,第2炭素繊維C1,C2と同様に構成され、母材についても同様である。
下連結壁部23に含まれる複数の第5炭素繊維は、前後方向に対して直交する配向90度の単繊維が所定数束ねられた繊維束で構成されている。複数の第5炭素繊維の層は、上下に交互に積層されている。これにより、車両衝突時、1対の側壁部21の姿勢崩れを防止し、第5炭素繊維によって左右両側方からの衝撃エネルギを吸収している。
これら1対の縦先端壁部24は、左右対称に構成されているため、以下、主に左側の縦先端壁部24について説明する。
図6に示すように、縦先端壁部24は、側壁部21の前端側部分から第1角部E1を介して右方に折り曲げられ、その右端部は自由端になるように構成されている。
これにより、荷重受部5に前後方向の圧縮荷重が入力したとき、側壁部21と縦先端壁部24との境界部分である第1角部E1に圧縮荷重を集中的に作用させて側壁部21の前端部に破壊起点を生成している。
縦先端壁部24には、側壁部21の前端部から第1炭素繊維C1が延長されているため、縦先端壁部24に含まれる第1炭素繊維C1の延長部分は左右に延びるように配列されている。
図5に示すように、横先端壁部25は、上連結壁部22の前端側部分から第2角部E2を介して下方に折り曲げられ、その下端部は自由端になるように構成されている。
これにより、バンパビーム3に前後方向の圧縮荷重が入力したとき、上連結壁部22と横先端壁部25との境界部分である第2角部E2に圧縮荷重を集中的に作用させて上連結壁部22の前端部に破壊起点を生成している。また、側壁部21の前端部の上端側部位から上端部までの部分にも圧縮荷重を集中的に作用させている。
横先端壁部25には、後面側に5つのナットn1が一体的に鋳込まれたナット部25aが形成されている。各ボルトb1を各ナットn1に締結することにより、バンパビーム3の後面が横先端壁部25の前面に面当接し、バンパビーム3が横先端壁部25に取り付けられる。横先端壁部25には、側壁部21の前端部から第1炭素繊維C1が延長されているため、横先端壁部25に含まれる第1炭素繊維C1の延長部分は左右に延びるように配列されている。
これら1対のフランジ部26は、左右対称に構成されているため、以下、主に左側のフランジ部26について説明する。
フランジ部26には、8つのボルト穴26aが形成されている。
4つのボルト穴26aは、各湾曲部21a〜21cの間で且つフランジ部26の右端側部分に配置され、残りの4つのボルト穴26aは、フランジ部26の左端側部分に上下に並んで配置されている。これらのボルト穴26aに挿通されたボルトb3をフロントサイドフレーム1に支持された固定部に締結することにより、衝撃吸収部材2が固定されている。
この衝撃吸収構造によれば、左右1対の側壁部21が前後方向に連続して延びるように配列された複数の第1炭素繊維C1を含むため、車両衝突時、左右1対の側壁部21の逐次破壊を用いて衝撃エネルギを吸収することができる。
1対の側壁部21が前後方向に直交する縦断面視にて波状の複数の湾曲部21a,21b,21cを夫々備え、複数の湾曲部21a,21b,21cは、前側程左右方向深さが小さくなるように形成されているため、車両衝突時、側壁部21の前端側部分の単位面積当たりの入力荷重を後端側部分の単位面積当たりの入力荷重よりも大きくすることができ、前端部に逐次破壊の起点を形成することができる。
これにより、左右1対の側壁部21の姿勢崩れを防止しつつ側壁部21の前端側部分から後端側部分に亙って確実且つ安定的に逐次破壊させて衝撃吸収部材2を潰し切ることができる。
これにより、フロンズ部に相当する第1炭素繊維C1部分が剥離破壊するとき、第2炭素繊維C2が第1炭素繊維C1の間にファイバーブリッジを形成するため、第2炭素繊維C2に引張荷重が作用し、第2炭素繊維C2の切断エネルギをエネルギ吸収性能に寄与させることができる。
これにより、側壁部21の姿勢崩れを防止しつつ側壁部21の前端側部分の単位面積当たりの入力荷重と後端側部分の単位面積当たりの入力荷重との差を拡大することができ、側壁部21の前端部に逐次破壊の起点を確実に形成することができる。しかも、入力荷重を第1炭素繊維C1の軸方向に入力させるため、第1炭素繊維C1の座屈を抑制し、エネルギ吸収性能を増加することができる。
1〕前記実施形態においては、フロント側に設けた衝撃吸収部材の例を説明したが、衝撃吸収部材をリヤ側に設けても良い。この場合、リヤサイドフレーム又は車室の後端部に衝撃吸収部材を取り付けるための固定部を形成する。
また、フロントサイドフレームの前端部に固定部を形成し、この固定部に衝撃吸収部材を取り付けた例を説明したが、フロントサイドフレームを省略し、車室の前端部に固定部を介して直接衝撃吸収部材を取り付けても良い。
4〕前記実施形態においては、上連結壁部に連なる横先端壁部を設けた例を説明したが、下連結壁部に連なる横先端壁部を設けても良い。下連結壁部に連なる横先端壁部を設ける場合、下連結壁部にメッシュ状に交差する炭素繊維を配設することが好ましい。
21 側壁部
21a 上側湾曲部
21b 中間湾曲部
21c 下側湾曲部
22 上連結壁部
23 下連結壁部
V 車両
C1 第1炭素繊維
C2 第2炭素繊維
Claims (4)
- 車体前後方向先端側部分に車体前後方向に連続して延びるように配列された複数の強化繊維を含む左右1対の側壁部と、これら1対の側壁部を連結する連結部とを備えた繊維強化樹脂製衝撃吸収部材を有する車両の衝撃吸収構造において、
前記1対の側壁部が、前後方向に直交する縦断面視にて凹凸状の水平方向に延びる複数の凹凸部を夫々備え且つ先端部にバンパーレインフォースメントが取り付けられる中間湾曲部と、前記中間湾曲部の上側に連なり且つ前後方向に直交する縦断面が部分円弧状に形成された略部分円錐状部分とを夫々有し、
前記複数の凹凸部は、前記先端部側程車幅方向深さが小さくなるように形成され、
前記略部分円錐状部分の直径が、基端部側程大きくなるように形成されたことを特徴とする車両の衝撃吸収構造。 - 前記1対の側壁部は、車体前後方向に連続して延びるように配列され且つ側壁部に含まれる強化繊維の大部分を構成する複数の第1強化繊維と、前記第1強化繊維の延びる方向と交差する方向に連続して延びるように配列された複数の第2強化繊維とを有し、
前記複数の第2強化繊維が前記側壁部の厚さ方向両端近傍部分に配設されていることを特徴とする請求項1に記載の車両の衝撃吸収構造。 - 前記複数の凹凸部が部分円弧形状または曲線状に形成されたことを特徴とする請求項2に記載の車両の衝撃吸収構造。
- 前記1対の側壁部は前記先端部側程上下幅が小さくなるように形成され、
前記複数の凹凸部が側面視にて略平行状に配設されたことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の車両の衝撃吸収構造。
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