JP6881328B2

JP6881328B2 - 衝撃吸収部材の製造方法

Info

Publication number: JP6881328B2
Application number: JP2018008632A
Authority: JP
Inventors: 西村　拓也; 拓也西村; 三浦　寿久; 寿久三浦
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2038-01-23
Also published as: JP2019127087A

Description

本発明は、例えば、乗物衝突時の衝撃荷重を吸収できるように構成された衝撃吸収部材の製造方法に関する。

従来、金属筒の内部に木材を収容して形成され、金属筒の延びる方向の衝撃荷重を受けて金属筒と木材とが共に潰れることで衝撃荷重を吸収できるように構成された衝撃吸収部材が知られている。特許文献１には、このような構成の衝撃吸収部材の一例が開示されている。かかる衝撃吸収部材において、衝撃吸収性能を高めようとした場合、木材が衝撃荷重の印加方向に圧縮破壊されて、衝撃荷重の印加方向に対して垂直な方向には変形しないようにするのが有効である。そこで、金属筒の内部に木材が隙間なく収容されているのが望ましく、特許文献２には、かかるニーズに応える金属筒の内部に木材を隙間なく収容した金属ロッドの製造方法が記載されている。この製造方法では、金属筒の内部に圧縮された状態の木材を挿入して、木材を加熱又は吸水によって膨張させることにより金属筒の内面に密着させている。

特開２０１４−１８４８９９号公報特開２０００−６４５０３号公報

上述の特許文献２に記載された金属ロッドの製造方法においては、横断面が一定の金属筒に横断面が一定の木材を挿入して木材を膨張させている。ここで、金属筒は重量が大きく金属ロッドの軽量化は難しいという問題もあった。また、横断面が一定ではない、例えば途中にくびれ部分を有する柱状の木材を金属筒の内部に隙間なく収容した金属ロッドを製造することは不可能であった。

このような要請及び問題に鑑み本発明の課題は、木材の表面を高強度部材で被覆した衝撃吸収部材の製造方法において、軽量で衝撃吸収性能が高い衝撃吸収部材を製造する製造方法を提供することにある。

本発明の第１発明は、衝撃荷重を木質繊維の延びる方向に沿って受ける木材と、該木材の前記木質繊維の延びる方向の外周を囲うように巻き付けられた比強度がスチール繊維以上の高強度繊維又は該高強度繊維からなる高強度繊維編織物と、を有する衝撃吸収部材の製造方法であって、前記木材を前記木質繊維の延びる方向に対して垂直な方向に圧縮した状態で加熱して前記木材を収縮乾燥させ収縮木材を得る圧縮加熱工程と、前記収縮木材に対して前記木質繊維の延びる方向の外周を囲うように前記高強度繊維又は前記高強度繊維編織物を巻き付けて固定し繊維巻付体を得る巻付工程と、前記繊維巻付体に吸湿させて前記収縮木材を常態における前記木材の状態まで膨張させる吸湿工程と、を有することを特徴とする。

第１発明によれば、木材の木質繊維の延びる方向の外周を囲うように比強度がスチール繊維以上の高強度繊維又は高強度繊維編織物が巻き付けられているので、木材の外周を金属筒で覆うより軽量化が可能となる。また、横断面が一定ではない木材であっても隙間なく高強度繊維又は高強度繊維編織物で覆われることができ、横断面が一定ではない木材であっても衝撃吸収性能が高い衝撃吸収部材を得ることができる。なお、ここで常態とは、気温が５〜３５℃、相対湿度が４５〜８５％の状態をいう。

本発明の第２発明は、上記第１発明において、前記高強度繊維は、延伸されたパラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維又はＰＢＯ繊維であることを特徴とする。

第２発明によれば、延伸されたパラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維又はＰＢＯ繊維は、比強度がスチール繊維より大きいのでより軽量な衝撃吸収部材が得られる。

本発明の第３発明は、上記第１発明又は上記第２発明において、前記圧縮加熱工程は、第１方向における熱プレス、又は、第１方向と該第１方向に垂直な第２方向における熱プレスにより行われることを特徴とする。

第３発明によれば、簡単な熱プレス工法によって木材の圧縮加熱が可能となる。

本発明の第４発明は、上記第１発明から上記第３発明のいずれかにおいて、前記圧縮加熱工程において前記収縮木材の表面に前記高強度繊維又は前記高強度繊維編織物を巻き付けるためのガイド溝が形成されていることを特徴とする。

第４発明によれば、巻付工程において、収縮木材に対して高強度繊維又は高強度繊維編織物を巻き付ける作業が容易となる。

本発明の一実施形態に係る衝撃吸収部材の製造方法で製造した衝撃吸収部材を備える車両前部の模式平面図である。衝撃吸収部材の図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視線断面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視線断面図である。上記実施形態における圧縮加熱工程を説明する図である。上記実施形態における巻付工程を説明する図である。変更例１にかかる図５に対応する図である。変更例２にかかる図２に対応する図である。変更例３にかかる図２に対応する図である。

図１〜図３は、本発明の一実施形態である衝撃吸収部材の製造方法によって製造された衝撃吸収部材１０を示している。図中に示す前後、左右、上下の各方向は、衝撃吸収部材１０を車両に取付けたときの車両の前後、左右、上下の各方向を示している。以下の説明において、方向に関する記述は、この方向を基準として行うものとする。

図１に示すように、衝撃吸収部材１０は、車両前方衝突時の衝撃荷重Ｆをフロントバンパ（図示せず）のバンパリインフォース３を介して受けて吸収する部材である。衝撃吸収部材１０は、バンパリインフォース３と車両ボデー２の左右のサイドメンバ５との間に配設されたクラッシュボックス（図示せず）の内側に取付けられている。

図２及び図３に示すように、衝撃吸収部材１０は、角柱形の木材１２と、木材１２に巻き付けられて固定された高強度繊維２０と、を備えている。木材１２は、角柱の軸方向からの衝撃荷重Ｆを受けて軸方向に潰れることにより衝撃荷重Ｆを吸収する部材である。木材１２は、木質繊維１２ａの延びる方向が角柱の軸方向と一致するように配置されている。すなわち、衝撃荷重Ｆは、木材１２の圧縮強度が大きい部分で受けられて木材１２により吸収されるようになっている。ここで、木材１２としては、木質繊維１２ａが互いに平行に延びている針葉樹の、例えば、杉材が好適に用いられる。なお、本実施形態では、木材１２を角柱状の横断面が一定なものとしたが、途中にくびれ形状がある角柱状等の横断面が一定でないものであってもよい。

高強度繊維２０は、１１０〜８０００ｄｔｅｘの延伸されたパラ系アラミド繊維のフィラメントで、木材１２の前後方向である軸方向の外周を囲うように一重に巻き付けられて、エポキシ樹脂２０ａが塗布硬化されることにより木材１２に対し固定されている。延伸されたパラ系アラミド繊維の密度当たり引張強度である比強度は、スチール繊維の８倍、ガラス繊維やポリエステル、ナイロン等の合成樹脂繊維の約３倍程度である。パラ系アラミド繊維に代えて、ポリアリレート繊維やＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズオキサゾール）繊維等の合成樹脂繊維を用いることもできるし、スチール繊維を用いることもできる。高強度繊維２０は、木材１２に前後方向（軸方向）の衝撃荷重Ｆが印加されたとき、木材１２が衝撃荷重Ｆの印加方向に圧縮破壊されて、衝撃荷重Ｆの印加方向に対して垂直な方向には変形しにくくする作用を奏する。木材１２への高強度繊維２０の巻き付けは、一重に限らず二重又は三重といった複数重であってもよい。また、木材１２に巻き付けられた高強度繊維２０の木材１２への固定は、エポキシ樹脂２０ａの塗布硬化に限らず、巻き付けられた高強度繊維２０の外表面に粘着テープを巻き付ける方法を採ってもよい。

図３〜図５に基づいて、衝撃吸収部材１０の製造方法について説明する。図４に示す圧縮加熱工程において、含水率を４０％程度とした木材１２を、いずれも温度を１５０℃とした下熱盤３１と上熱盤３２で前後方向である軸方向に対して垂直な上下方向に挟んで圧締する。圧締の圧力は、０．１５Ｎ／ｍｍ²程度で、圧締の時間は、６０分程度とする。ここで、圧締方向Ｐ１が圧締の方向である。この圧縮加熱工程によって、木材１２は、二点鎖線で示すように収縮して収縮木材１２Ｓとなる。こののち、下熱盤３１と上熱盤３２の間から収縮木材１２Ｓを取出して８０℃の雰囲気下に１２時間放置して乾燥させる。ただし、この乾燥させる工程は必須ではなく省略することもできる。ここで、圧締方向Ｐ１が、特許請求の範囲の「第１方向」に相当する。

次に、図５に示す巻付工程において、収縮木材１２Ｓに対して高強度繊維２０を巻き付ける。高強度繊維２０の巻き付けは、隣り合う繊維同士が隙間なく当接し合うように行うが多少の隙間はあってもよい。また、図５に示すように高強度繊維２０の全体が収縮木材１２Ｓの外表面に密着している必要はなく、多少の空隙１３が形成されていてもよい。図５では、空隙１３を収縮木材１２Ｓの上下の面に隣接する平板状の空間として示しているが、これに限らず、収縮木材１２Ｓの上下左右の各面上に分離して複数形成されているものであってもよい。すなわち、巻付工程において、高強度繊維２０を収縮木材１２Ｓの外表面に完全に密着させるように巻き付ける必要はなく、ある程度の空隙１３の発生は許容して巻き付ければよい。このように、収縮木材１２Ｓに対して高強度繊維２０を巻き付けた状態で、収縮木材１２Ｓに対して高強度繊維２０を固定するために、巻き付けられた高強度繊維２０の上からエポキシ樹脂の接着剤を塗布して硬化させる。エポキシ樹脂の接着剤は２液混合タイプの常温硬化型のものを用いたが、１液の加熱硬化型のものを用いることもできる。さらに、接着剤を用いることなく、収縮木材１２Ｓに対して高強度繊維２０を巻き付けた状態で、巻き付けられた高強度繊維２０の上から布粘着テープを巻き付けて固定することもできる。収縮木材１２Ｓに対して高強度繊維２０が巻き付けられた状態で固定されたものが、特許請求の範囲の「繊維巻付体」に相当する。

次に、図５に示す収縮木材１２Ｓに対して高強度繊維２０が巻き付けられた状態のものである繊維巻付体を気温４０℃で相対湿度９５％の雰囲気下に６時間程度放置する。この工程が吸湿工程であり、収縮木材１２Ｓは吸湿膨張して高強度繊維２０との間の空隙１３を埋めて木材１２に復帰し高強度繊維２０に密着した状態となる。この木材１２に対して高強度繊維２０が密着して固定された状態のものが、図３に示す衝撃吸収部材１０である。なお、こののち、衝撃吸収部材１０が、常態である気温が５〜３５℃で相対湿度が４５〜８５％の雰囲気に放置されても木材１２は高強度繊維２０に密着した状態を保持し続ける。すなわち、吸湿工程は、収縮木材１２Ｓの吸湿膨張を加速するために設けられている工程であり、衝撃吸収部材１０の製造に十分な時間が採れるならば繊維巻付体を常態下に長時間放置して衝撃吸収部材１０を得ることもできる。

以上のように構成される実施形態は、以下のような作用効果を奏する。木材１２の木質繊維の延びる方向の外周を囲うように高強度繊維２０を巻き付けて固定しており、高強度繊維２０は、その比強度がスチール繊維以上であるので木材１２の外周を金属筒で覆うより軽量化が可能となる。また、横断面が一定ではない木材であっても隙間なく高強度繊維２０で覆われることができ、横断面が一定ではない木材であっても衝撃吸収性能が高い衝撃吸収部材１０を得ることができる。また、また、高強度繊維２０は、延伸されたパラ系アラミド繊維であるので、比強度がスチール繊維より大きくより軽量な衝撃吸収部材１０が得られる。さらに、圧縮加熱工程は、軸方向に対して垂直な上下方向における熱プレスにより行われるので、簡単な熱プレス工法によって木材の圧縮加熱が可能となる。

図６に示すように、変更例１においては、上記一実施形態の圧縮加熱工程において、上下方向の一方向のみを圧締方向Ｐ１としているのに対し、左右方向である圧締方向Ｐ１に対して垂直な圧締方向Ｐ２を加えた２方向に圧締している。すなわち、圧締方向Ｐ１に下熱盤３１と上熱盤３２で挟んで圧締すると同時に、圧締方向Ｐ２に右熱盤４１と左熱盤４２で挟んで圧締している。これによって、木材１２は、二点鎖線で示すように収縮して収縮木材１２Ｓ１となる。収縮木材１２Ｓ１は、収縮木材１２Ｓに比べて２方向に圧縮加熱されているので木材１２がバランスよく収縮している。上記一実施形態の圧縮加熱工程と同様に、こののち、下熱盤３１、上熱盤３２及び右熱盤４１、左熱盤４２の間から収縮木材１２Ｓ１を取出して８０℃の雰囲気下に１２時間放置して乾燥させる。ただし、この乾燥させる工程は必須ではなく省略することもできる。変更例１における収縮木材１２Ｓ１は、２方向にバランスよく収縮しているので、吸湿工程において木材１２に復帰する際、高強度繊維２０により密着した状態となる。ここで、圧締方向Ｐ２が、特許請求の範囲の「第２方向」に相当する。

図７に示すように、変更例２においては、上記一実施形態の巻付工程において、収縮木材１２Ｓに対して巻き付けられる高強度繊維２０に代えて高強度繊維織物２１が巻き付けられている。高強度繊維織物２１は、１１０〜８０００ｄｔｅｘの延伸されたパラ系アラミド繊維のフィラメントを製織して織物の帯状としたものである。高強度繊維織物２１は、収縮木材１２Ｓに対して隣り合う帯同士が隙間なく当接し合うように巻き付けられるが多少の隙間はあってもよい。また、図５に示すように高強度繊維２０と同様に、高強度繊維織物２１の全体が収縮木材１２Ｓの外表面に密着している必要はなく、多少の空隙１３が形成されていてもよい。空隙１３は、収縮木材１２Ｓの上下左右の各面上に分離して複数形成されているものであってもよい。すなわち、巻付工程において、高強度繊維織物２１を収縮木材１２Ｓの外表面に完全に密着させるように巻き付ける必要はなく、ある程度の空隙１３の発生は許容して巻き付ければよい。このように、収縮木材１２Ｓに対して高強度繊維織物２１を巻き付けた状態で、収縮木材１２Ｓに対して高強度繊維織物２１を固定するために、巻き付けられた高強度繊維織物２１の上から２液混合タイプ又は１液の加熱硬化型のエポキシ樹脂の接着剤を塗布して硬化させる。さらに、接着剤を用いることなく、収縮木材１２Ｓに対して高強度繊維織物２１を巻き付けた状態で、巻き付けられた高強度繊維織物２１の上から布粘着テープを巻き付けて固定することもできる。高強度繊維織物２１は、高強度繊維の編物としてもよく、高強度繊維織物２１が、特許請求の範囲の「高強度繊維編織物」に相当する。収縮木材１２Ｓに対して高強度繊維織物２１が巻き付けられた状態で固定されたものが、特許請求の範囲の「繊維巻付体」に相当する。

図８に示すように、変更例３においては、上記一実施形態の圧縮加熱工程において、収縮木材１２Ｓには、木質繊維の延びる方向の外周を囲うように凹部１２ｂが形成されている。凹部１２ｂの凹み深さは高強度繊維２０の直径より若干大きめに設定されている。そして、巻付工程において、この凹部１２ｂの中に高強度繊維２０が巻き付けられて上記一実施形態と同様な方法で収縮木材１２Ｓに対して固定されている。これによって、凹部１２ｂが収縮木材１２Ｓに高強度繊維２０を巻き付けるためのガイド溝として機能するので、巻付工程において、収縮木材１２Ｓに対して高強度繊維２０を巻き付ける作業が容易となる。ここで、凹部１２ｂが、特許請求の範囲の「ガイド溝」に相当する。

以上、特定の実施形態について説明したが、本発明は、それらの外観、構成に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、次のようなものが挙げられる。

１．上記一実施形態においては、衝撃吸収部材１０は、車両前方衝突時の衝撃荷重Ｆをフロントバンパのバンパリインフォース３を介して受けて吸収する部材として利用した。しかし、これに限らず、衝撃吸収部材１０を車両のクロスメンバ中に配置して車両側方からの衝撃を吸収する部材として利用することもできる。

２．上記一実施形態においては、木材１２として杉材を採用したが、これに限らず、ヒノキ、松等の針葉樹やケヤキ、ブナ等の広葉樹を用いることもできる。

３．上記一実施形態においては、巻付工程において、高強度繊維２０を収縮木材１２Ｓの外周面において、木質繊維の延びる方向に対して略垂直な方向に並ぶように巻き付けた。しかし、これに限らず、木質繊維の延びる方向に対して斜めとなるバイアス方向に巻き付けてもよい。

４．上記一実施形態の変更例３においては、収縮木材１２Ｓに１本の広幅の凹部１２ｂを設けたが、これに限らず、複数本の狭幅の凹部を設けるようにしてもよい。

１０衝撃吸収部材
１２木材
１２ａ木質繊維
１２ｂ凹部（ガイド溝）
１２Ｓ収縮木材
１２Ｓ１収縮木材
２０高強度繊維
２１高強度繊維織物（高強度繊維編織物）
Ｆ衝撃荷重
Ｐ１圧締方向
Ｐ２圧締方向

Claims

衝撃荷重を木質繊維の延びる方向に沿って受ける木材と、該木材の前記木質繊維の延びる方向の外周を囲うように巻き付けられた比強度がスチール繊維以上の高強度繊維又は該高強度繊維からなる高強度繊維編織物と、を有する衝撃吸収部材の製造方法であって、
前記木材を前記木質繊維の延びる方向に対して垂直な方向に圧縮した状態で加熱して前記木材を収縮乾燥させ収縮木材を得る圧縮加熱工程と、
前記収縮木材に対して前記木質繊維の延びる方向の外周を囲うように前記高強度繊維又は前記高強度繊維編織物を巻き付けて固定し繊維巻付体を得る巻付工程と、
前記繊維巻付体に吸湿させて前記収縮木材を常態における前記木材の状態まで膨張させて外周を囲った前記高強度繊維又は前記高強度繊維編織物と前記木材の空隙を埋めて密着状態とする吸湿工程と、を有する衝撃吸収部材の製造方法。
請求項１において、前記高強度繊維は、延伸されたパラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維又はＰＢＯ繊維である衝撃吸収部材の製造方法。
請求項１又は請求項２において、前記圧縮加熱工程は、第１方向における熱プレス、又は、第１方向と該第１方向に垂直な第２方向における熱プレスにより行われる衝撃吸収部材の製造方法。
請求項１から請求項３のいずれか１項において、前記圧縮加熱工程において前記収縮木材の表面に前記高強度繊維又は前記高強度繊維編織物を巻き付けるためのガイド溝が形成されている衝撃吸収部材の製造方法。