JP7417158B2 - 衝撃吸収部材 - Google Patents

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    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/12Vibration-dampers; Shock-absorbers using plastic deformation of members

Description

本発明は、衝撃吸収部材に関する。
近時においては、自動車の衝突時の衝突安全性の向上が、車両の燃費向上を図るための軽量化とともに、積極的に推進されている。例えば、下記の特許文献1には、衝突荷重により曲げ変形を連続して生じさせ、小さな荷重振幅で、かつその際の最大荷重の低下を図りながら、衝撃エネルギーを吸収する衝撃吸収部材が記載されている。
特開2011-85156号公報
車両に用いられる衝撃吸収部材は、車両の様々な箇所に設けられることが想定される。上記特許文献1に記載された衝撃吸収部材は、筒状体から構成され、衝撃荷重によって外壁が折り返された折り返し部の長さが増加する曲げ変形が連続して生じることにより、衝撃エネルギーを吸収する。このような構成では、衝撃吸収部材が閉断面の立体構造であり、三次元的な占有スペースが大きくなることから、スペースが十分に確保できない場合、衝撃吸収部材を配置できない問題がある。
そこで、本発明は、より少ないスペースで衝突時のエネルギー吸収を行うことが可能な衝撃吸収部材を提供することを目的とする。
本開示の要旨は以下のとおりである。
(1)屈曲部と、前記屈曲部を介して繋がる複数の板部とを有する板材と、
前記複数の板部を拘束する拘束部材と、
を備え、
前記複数の板部は、前記屈曲部において第1方向に折り返された状態で重畳し、
前記拘束部材は、前記重畳する複数の板部を、第2方向の両側から拘束し、
前記第1方向は、前記板材の2つの端部のうちの一方の端部と、前記端部が位置する板部に隣接する前記屈曲部とを結ぶ方向であり、
前記第2方向は、前記第1方向に対して直交する方向であり、
前記屈曲部が曲率を有し、前記屈曲部の外面が曲面であり、
前記板材は、2つの前記屈曲部と、2つの前記屈曲部を介して繋がる3つの前記板部を有し、
3つの前記板部は、2つの前記屈曲部において前記第1方向に交互に折り返された状態で重畳する、
衝撃吸収部材。
(2)前記拘束部材は、中空部材であり、
前記重畳する複数の板部は、前記中空部材の中に配置される、
上記(1)に記載の衝撃吸収部材。
) 前記第2方向は前記板材の厚さ方向であり、
前記拘束部材は、前記重畳する複数の板部を前記第2方向において拘束する、2つの拘束面を有し、
前記第2方向において、一方の前記屈曲部の近傍で前記板部と前記拘束面が最も近接する部位のクリアランスと他方の前記屈曲部の近傍で前記板部と前記拘束面が最も近接する部位のクリアランスとの平均値であるクリアランスcが、以下の式(1)を満たし、
c/c≦0.3 ・・・(1)
3つの前記板部のうち前記第2方向で中間に位置する板部の前記第1方向における長さをl、前記屈曲部において、前記屈曲部に繋がる前記板部の板厚中心線の曲率半径をrとしたとき、c=l/2-rである、
上記(1)又は(2)に記載の衝撃吸収部材。
) 前記第2方向は前記板材の厚さ方向であり、
前記重畳する複数の板部において、前記第2方向に対向する前記板部の内面同士のクリアランスc’が、前記第2方向における前記重畳する複数の板部の板厚平均をtとしたとき、以下の式(2)を満たす
c’/t≦0.2 ・・・(2)
上記(1)から(3)のいずれかに記載の衝撃吸収部材。
)前記板材の両端部の一方が、車両用シートのシートバックを支持するヒンジ部に接続され、他方がシートクッションのサイドフレームに接続される、
上記(1)から(4)のいずれかに記載の衝撃吸収部材。
衝撃吸収部材。
本発明によれば、より少ないスペースで衝突時のエネルギー吸収を行うことが可能な衝撃吸収部材が提供される。
本発明の一実施形態に係る衝撃吸収部材が適用された車両用シートの構成を示す模式図である。 衝撃吸収部材の構成を示す斜視図である。 車両用シートを左側方から見た側面図であり、車両の前突によりシートバックに矢印A1方向に大きな荷重が入力され、シートバックが車両前方に変形した様子を示す図である。 図3中の矢印A3方向にヒンジ部を見た状態を示す模式図である。 衝撃吸収部材が引張荷重を受けて変形する様子を時系列的に示す模式図である。 衝撃吸収部材が引張荷重を受けて変形する様子を時系列的に示す模式図である。 衝撃吸収部材が引張荷重を受けて変形する様子を時系列的に示す模式図である。 拘束部材が設けられていない場合に、衝撃吸収部材の第1方向に引張荷重が入力された場合に、板材が変形する様子を説明するための模式図である。 拘束部材が設けられていない場合に、衝撃吸収部材の第1方向に引張荷重が入力された場合に、板材が変形する様子を説明するための模式図である。 衝撃吸収部材に引張荷重を加えた場合に、ストロークと反力との関係を示す特性図である。 図7で説明した発明例と比較例のそれぞれについて、体積当たりの吸収エネルギー量を示す特性図である。 屈曲部の数が1つの場合を示す模式図である。 板材に拘束部材の機能を持たせた例を示す模式図である。 車両用シートのヒンジ部以外に衝撃吸収部材を配置した例を示す模式図である。 車両の車体フレームを示す斜視図であって、車両の領域R1、領域R2、領域R3に本実施形態に係る衝撃吸収部材を適用した例を示す図である。 拘束部材が設けられている場合に、衝撃吸収部材の第1方向に引張荷重が入力された場合に、板材が変形する様子をより詳細に示す模式図である。 拘束部材が設けられている場合に、衝撃吸収部材の第1方向に引張荷重が入力された場合に、板材が変形する様子をより詳細に示す模式図である。 衝撃吸収部材の構成を示す断面図である。 板材と拘束部材との間のクリアランスcを大きくしていき、板材と拘束部材とが当接する場合の限界を示す模式図である。 衝撃吸収部材に引張荷重を入力した際に、臨界クリアランスcに対するクリアランスcの比率c/cと、衝撃吸収部材の吸収エネルギーとの関係をシミュレーションにより算出した特性図である。 図16に示す特性C3に加えて、lを20cmとした場合の特性C4、および板材を構成する鋼板の厚さを2mmとした場合の特性C5を算出してプロットした特性図である。 衝撃吸収部材に引張荷重を入力した際に、複数の板部の平均板厚tに対する板材の重ねられた部位のクリアランスc’の比率c’/tと、吸収エネルギーとの関係をシミュレーションにより算出した特性図である。 衝撃吸収部材に引張荷重を入力した際に、複数の板部の平均板厚tに対する板材の重ねられた部位のクリアランスc’の比率c’/tと、吸収エネルギーとの関係をシミュレーションにより算出した特性図である。 衝撃吸収部材に引張荷重を入力した際に、複数の板部の平均板厚tに対する板材の重ねられた部位のクリアランスc’の比率c’/tと、吸収エネルギーとの関係をシミュレーションにより算出した特性図である。 c’/tの値が0.2を超えると比率c’/tの増加に対する吸収エネルギーの減少率が大きくなる理由を説明するための模式図である。 c’/tの値が0.2を超えると比率c’/tの増加に対する吸収エネルギーの減少率が大きくなる理由を説明するための模式図である。 板厚t、クリアランスc、クリアランスc’、曲率半径r、長さlの定義(測定方法)を詳細に示す図である。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る衝撃吸収部材について説明する。最初に、図1を参照しながら、この衝撃吸収部材が適用された車両用シート100の構成について説明する。図1は、車両用シート100の構成を示す模式図である。車両用シート100は、例えば運転席または助手席のシートとして用いられる。
車両用シート100は、着座部となるシートクッション50と、背もたれとなるシートバック60と、を有する。シートクッション50は、車両のフロア上に設置された左右一対のスライドレール(不図示)等を介して、フロア上に支持されている。
なお、図1は、シートクッション50とシートバック60と、を有する車両用シート100の骨格部を模式的に示している。車両用シート100は、これらの構成に、スポンジなどの内包材、皮革または布などの外装材を加えて構成される。
シートクッション50は、左右に設けられたサイドフレーム102及びサイドフレーム104を有する。サイドフレーム102とサイドフレーム104とは、車幅方向に延びる連結部材110、連結部材112、連結部材114によって連結され、一体化されている。
シートバック60は、左右に設けられたサイドフレーム106及びサイドフレーム108を有する。サイドフレーム106とサイドフレーム108とは、車幅方向に延びる連結部材116及び連結部材118により連結され、一体化されている。
シートクッション50とシートバック60とは、左右のヒンジ部70およびヒンジ部80によって連結されている。シートクッション50とシートバック60とがヒンジ部70,80によって連結されることで、ヒンジ部70,80を支点としてシートクッション50に対するシートバック60の角度が変更可能とされる。これにより、車両用シート100のリクライニング機能が実現される。
ヒンジ部70とヒンジ部80の構造は異なっている。車両用シート100が右ハンドル車の運転席側のシートである場合を例に挙げると、車両の前方に向かって右側のヒンジ部70では、車幅方向に延在する軸72を回転中心として、シートクッション50のサイドフレーム104に対してシートバック60のサイドフレーム108が回動できるように構成されている。
一方、車両の前方に向かって左側のヒンジ部80では、衝撃吸収部材10を介して、シートクッション50のサイドフレーム102に対してシートバック60のサイドフレーム106が連結されている。詳細には、車幅方向に延在する軸82を回転中心として、シートクッション50のサイドフレーム102に対して衝撃吸収部材10が回動できるように構成されている。また、車幅方向に延在する軸84を回転中心として、衝撃吸収部材10に対してシートバック60のサイドフレーム106が回動できるように構成されている。このように、衝撃吸収部材10は、板材12の両端部の一方が、車両用シート100のシートバック60を支持するヒンジ部に接続され、他方がシートクッション50のサイドフレーム102に接続される。
シートバック60の角度を調整するリクライニング装置(不図示)は、車両の前方に向かって右側のヒンジ部70のみに設けられている。リクライニング装置は、例えばラッチ機構を備え、シートクッション50のサイドフレーム104に対するシートバック60のサイドフレーム108の角度を、ユーザが調整した角度に固定する。サイドフレーム106とサイドフレーム108は連結部材116及び連結部材118により一体化されているため、一方のヒンジ部70でサイドフレーム104に対するサイドフレーム108の角度が固定されると、サイドフレーム102に対するサイドフレーム106の角度も固定される。これにより、シートクッション50に対するシートバック60の角度が固定される。リクライニング装置が一方のヒンジ部70のみに設けられることで、部品点数が削減され、製造コストが低減される。
図2は、衝撃吸収部材10の構成を示す斜視図である。また、図14は、衝撃吸収部材10の構成を示す断面図である。衝撃吸収部材10は、屈曲部12aと、屈曲部12aを介して繋がる複数の板部12bとを有する板材12を備える。複数の板部12bは、屈曲部12aにおいて第1方向に折り返された状態で重畳している。また、衝撃吸収部材10は、重畳する複数の板部12bを、第2方向の両側から拘束する拘束部材14を備える。第1方向は、板材12の2つの端部12cのうちの一方の端部12cと、当該端部12cが位置する板部12bに隣接する屈曲部12aとを結ぶ方向である。なお、板材12の他方の端部12cと、当該端部12cが位置する板部12bに隣接する屈曲部12aとを結ぶ方向は、第1方向に一致することが好ましい。第1方向は、後述する衝撃荷重が負荷されると予想される方向に一致するよう設計される。第2方向は、第1方向に対して直交する方向である。第2方向は、板材12(板部12b)の厚さ方向と、幅方向を含むことが好ましい。ここで、板材12(板部12b)の厚さ方向とは、板部12bの板面に対する法線方向(面と直交する方向とも称す)を示す。板材12(板部12b)の幅方向とは、板部12bの板幅方向に相当し、第1方向と厚さ方向とに直交する方向を示す。拘束部材14は、第2方向における板部12bの移動を拘束(制限)することで、板材12の端部12cに負荷される衝撃荷重を、効率的に第1方向に伝達する。特に、板部12bは平面形状であるため、変形しやすい厚さ方向に対する板部12bの拘束は、衝撃荷重を吸収するためには有効である。ここで、「第2方向の両側から板部12bを拘束する」とは、第2方向における、板部12bの移動量を制限することを示す。このため、拘束部材14と板部12bとは、第2方向において密着していてもよいし、近接した状態でもよい。ただし、第2方向における拘束部材14と板部12bとの距離は、衝撃荷重を効率よく吸収するため、後述する距離以内にすることが好ましい。なお、図14は、衝撃吸収部材10の第1方向に沿った断面を示している。
車両には、衝突時の衝撃を吸収するため、様々な衝撃吸収構造が設けられている。例えば、車体フロアを構成するフロントサイドメンバー等の部材においては、衝撃吸収構造を設けるためのスペースが比較的確保され易い。一方、車室内に配置される車両用シート100においては、衝撃吸収構造を設けるためのスペースは非常に限定される。したがって、車両用シート100に設けられる衝撃吸収部材10の大きさは、できる限り小さい方が好ましい。
本実施形態では、衝撃吸収部材10は、折り曲げて重ねられた板材12から構成されている。板材12の屈曲部12aまたは板部12bの板厚は、数ミリ程度である。したがって、衝撃吸収部材10の占有スペースが抑制されており、特に板厚方向の占有スペースが抑制されている。したがって、衝撃吸収部材10は、狭い隙間などにも配置可能であり、限られたスペースしか確保できない車両用シート100においても、確実に内蔵され得る。
図2に示す例では、板材12は、帯状の鋼板が2箇所の屈曲部12aで折り曲げられ、鋼板が3重に重ねられて構成されている。板材12の重ねられた帯状の鋼板(板部12b)同士は密着していてもよいし、後述するように重ねられた板部12bの間に所定のクリアランスが設けられていてもよい。なお、屈曲部12aの数は1以上であればよい。屈曲部12aが1箇所であれば、板材12は、板部12bが2重に重ねられて構成される。また、屈曲部12aが3箇所であれば、板材12は、板部12bが4重に重ねられて構成される。なお、板材12は、鋼板以外の金属板から構成されていてもよい。
拘束部材14は、鋼管などの中空部材から構成され、例えば角パイプを長手方向に短く切断することで構成される。拘束部材14は、板材の折り曲げにより中空形状に形成されてもよく、その場合、折り曲げられた端部同士は溶接等により接合されていてもよいし、端部同士は接合されずに端部同士の間に隙間が設けられていてもよい。拘束部材14の中には、重畳する3つの板部12bが配置される。図2および図14に示すように、拘束部材14は、重畳する3つの板部12bを第2方向(板部12bの厚さ方向)において拘束する2つの拘束面14aを有する。板部12bの厚さ方向において、拘束部材14の内側で対向する2つの拘束面14aの間の距離Dは、3つの板部12bの平均板厚tの3倍程度とされている。板材12の端部12cには、軸82が挿入される孔18と軸84が挿入される孔16とが設けられることが好ましい。なお、屈曲部12aが1箇所であれば、板材12は2つの板部12bが重ねられて構成されるので、拘束部材14の内側で対向する2つの拘束面14aの間の距離Dは、2つの板部12bの平均板厚tの2倍程度とされる。同様に、屈曲部12aが3箇所であれば、板材12は4つの板部12bが重ねられて構成されるので、拘束部材14の内側で対向する拘束面14aの間の距離Dは、4つの板部12bの平均板厚tの4倍程度とされる。拘束部材14の拘束面14aと板材12の外面は密着していてもよいし、後述するように所定のクリアランスが設けられていてもよい。
なお、拘束部材14は、重畳する複数の板部12bを、第1方向に対して直交する第2方向の両側から拘束するものであり、板部12bを板材12の厚さ方向で両側から拘束することに加えて、板部12bを板材12の幅方向で両側から拘束してもよい。
拘束部材14の中に重畳する3つの板部12bが配置された状態では、板材12に対して拘束部材14が動かないようにするため、拘束部材14と板材12とが点溶接などにより固着されてもよい。但し、拘束部材14と板材12とを完全に固着してしまうと、衝撃荷重が入力された場合に板材12の変形が阻害される場合があるため、拘束部材14と板材12との固着は、衝撃吸収部材10に衝撃荷重が入力された場合に破断する程度の低い強度で行われることが好ましい。
シートバック60内には、3点式のシートベルト装置(不図示)が内蔵されている。シートベルトの使用時は、シートベルトによって乗員の体がシートバック60に固定される。このため、シートベルトの使用時に車両が衝突(前突)すると、シートバック60に対して、図1中に矢印A1で示す方向に大きな衝撃荷重(慣性力)が入力される。なお、シートバック60内に3点式のシートベルト装置が内蔵された構成として、例えば特開2012-76494号公報等に記載された構成が適用され得る。
図3は、車両用シート100を左側方から見た側面図であり、車両の前突によりシートバック60に矢印A1方向に大きな荷重が入力され、シートバック60が車両前方に変形した様子を示す図である。図3に示す状態において、車両の前方に向かって右側のヒンジ部70では、リクライニング装置によってシートクッション50のサイドフレーム104に対するシートバック60のサイドフレーム108の角度が固定されている。このため、入力される荷重の大きさにもよるが、サイドフレーム104に対するサイドフレーム108の角度は、基本的に大きくは変化しない。このため、前突時にサイドフレーム108には大きな加速度が発生する。なお、ヒンジ部70においても、ラッチ機構におけるストッパーの乗り上げ等に起因して、サイドフレーム104に対するサイドフレーム108の角度に変化は生じ得る。
一方、図3に示す状態において、車両の前方に向かって左側のヒンジ部80では、シートクッション50のサイドフレーム102に対するシートバック60のサイドフレーム106の角度が固定されていない。このため、矢印A1の方向に荷重が入力されると、サイドフレーム102に対するサイドフレーム106の角度が大きく変化する。また、矢印A1の方向に衝撃荷重が入力されると、第1方向に軸82と軸84が離れる方向(図3に示す矢印A2方向)の衝撃荷重が負荷され、衝撃吸収部材10の第1方向に引張荷重が加わる。なお、本実施形態では、板材12の端部12cの孔16と孔18のそれぞれに軸82と軸84が挿入されて衝撃吸収部材10が他の部材と連結される例を示したが、衝撃吸収部材10の端部と他の部材とを連結する方法はこれに限定されるものではなく、例えば溶接により連結されてもよい。
図4は、図3中の矢印A3方向にヒンジ部80を見た状態を示す模式図である。図4に示すように、サイドフレーム106に対して矢印A2方向の力が加わると、軸84が衝撃吸収部材10の一方の孔16に挿入されているため、軸84から板材12へ矢印A2方向の力が伝達される。衝撃吸収部材10の他方の孔18には軸82が挿入されており、軸82はサイドフレーム102に対して固定されている。したがって、軸82と軸84が離れる方向に力が働き、衝撃吸収部材10引張荷重が加わる。
これにより、衝撃吸収部材10は、板材12が第1方向に延びるように変形する。図5A~図5Cは、屈曲部12aの数が2つの場合に、衝撃吸収部材10が引張荷重を受けて変形する様子を時系列的に示す模式図である。なお、図5A~図5Cでは、板材12の屈曲部12aおよび板部12bが板材12の幅方向から図示されており、3つの板部12bのうち中間に位置する板部12bの第1方向の長さLが示されている。図5Aは、衝撃吸収部材10の第1方向に引張荷重が入力され始めた状態を示している。この状態から、衝撃吸収部材10による衝突エネルギーの吸収が開始される。図5Aに示す状態では、板材12の2つの屈曲部12aの外面が、拘束部材14の外に位置している。図5Aに示す状態では、3つの板部12bのうち中間に位置する板部12bの長さLは、拘束部材14の長さと同程度である。
図5Bは、衝撃吸収部材10の第1方向に引張荷重が入力されたことで、板材12が変形した状態を示している。この状態では、図5Aに示した板材12の2つの屈曲部12aが伸ばされ、新たに形成された屈曲部12a’の外面が拘束部材14の内部に入っている。図5Bに示す状態では、3つの板部12bのうち中間に位置する板部12bの長さLは、拘束部材14の長さよりも短くなっている。
図5Cは、衝撃吸収部材10の第1方向に引張荷重が入力されたことで、図5Bに示す状態から板材12が更に変形した状態を示している。この状態では、図15Bに示した板材12の2つの屈曲部12a’が伸ばされ、新たに形成された屈曲部12a’’の位置が、図5Bの屈曲部12a’よりも更に拘束部材14の内部に入っている。図5Cに示す状態では、3つの板部12bのうち中間に位置する板部12bの長さLは、図5Bよりも更に短くなっている。
以上のように、図5A、図5B、及び図5Cに示す過程で、衝撃吸収部材10の板材12が引き延ばされ、折り返しにより板材12が重なっている部位(3つの板部12bのうち中間に位置する板部12b)の長さLが減少する。この際、2つの屈曲部が伸ばされ、新たな屈曲部が元の屈曲部に隣接して形成され、これが繰り返されることで、2つの屈曲部となる箇所が板材12の第1方向で拘束部材14の内部に向かって互いに移動する。すなわち、板材12の変形が第1方向に伝播して板材12の全域に変形が広がるため、屈曲部の面外方向(板材12の厚さ方向)への変形が抑制される。なお、衝撃荷重が入力される前の状態において、3つの板部12bのうち中間に位置する板部12bの長さLの下限値は、屈曲部となる箇所が第1方向に移動し得る距離を確保するため、板材12を構成する鋼板の板厚程度としておくことが好適である。
ここで、上述したように、拘束部材14の内側で対向する2つの拘束面14aの間の距離Dは、複数の板部12bの平均板厚tの3倍程度とされており、板材12の厚さ方向において、板材12と拘束部材14は嵌合状態にある。この嵌合状態により、衝撃荷重が負荷されて屈曲部となる箇所が拘束部材14の内部に向かって第1方向に移動していく過程で、拘束部材14によって、重ねられた板材12が厚さ方向(図5A~5Cに示す矢印A4方向)に変形することが抑制されている。したがって、板材12が厚さ方向に広がるように変形することがなく、2つの屈曲部となる箇所が拘束部材14の内部に向かって第1方向に互いに移動するように変形が生じる。これにより、衝撃吸収部材10の第1方向に加わる引張荷重が確実に吸収される。
図6Aおよび図6Bは、拘束部材14が設けられていない場合に、衝撃吸収部材10の第1方向に引張荷重が入力された場合に、板材12が変形する様子を説明するための模式図である。図6Aは第1方向に引張荷重Fが入力されたときに発生するモーメントを示しており、図6Bは板材12に引張荷重Fが入力されて板材12が変形していく様子を示している。
図6Aに示すように、第1方向に引張荷重Fが入力されると、点Oを中心として、重ねられた板部12bを図中で右回りに回転させるモーメントM1が発生する。このため、図6Bに示すように、板部12bは右回りに回転しながら変形する。
図6Bに示すように、拘束部材14が設けられていない場合、板材12は厚さ方向に拡がりながら変形してしまう。このため、板材12は、屈曲部12aにおける屈曲が伸ばされる方向に変形する。このとき、図6Bに示す板材12の領域R1は殆ど変形せず、屈曲部12aのみが伸ばされて開く方向に変形するため、領域R1が変形しないことによって板材12に引張荷重が入力された場合の反力は小さくなる。これにより、屈曲部12aにおける屈曲が伸ばされる方向に変形する際の反力は、図5A、図5B、及び図5Cに示す過程で、2つの屈曲部となる箇所が拘束部材14の内部に向かって第1方向に互いに移動しながら変形する際の反力よりも十分に小さい。このため、拘束部材14が設けられていない場合、引張荷重に対する反力が低下してしまい、衝突エネルギーの吸収が不十分になる。なお、拘束部材14は、図6Bに示す変形の発生を抑えることが可能な程度の強度を有している。
一方、図13Aおよび図13Bは、拘束部材14が設けられている場合に、衝撃吸収部材10の第1方向に引張荷重が入力された場合に、板材12が変形する様子をより詳細に示す模式図である。図13Aは衝撃吸収部材10の第1方向に引張荷重Fが入力されたときに発生するモーメントを示しており、図13Bは板材12に引張荷重Fが入力されて板材12が変形していく様子を示している。
図13Aに示すように、衝撃吸収部材10の第1方向に引張荷重Fが入力されると、点Oを中心として、重ねられた板部12bを図中で右回りに回転させるモーメントM1が発生する。これにより、板部12bが図中で右回りに回転しようとするが、板部12bが拘束部材14に当接することで、板部12bは拘束部材14から図15中に示す力fを受ける。これにより、点Oを中心として、板部12bを図中で左回りに回転させるモーメントM2が発生する。したがって、図6Bとは異なり、板材12の厚さ方向への変形は発生せず、また板部12bが右回りに回転しながら変形することはない。
板材12と拘束部材14との間のクリアランスが大きいと、衝撃吸収部材10の第1方向に引張荷重Fが入力された際に、板材12が拘束部材14に当接するまでの間は、板部12bがクリアランスの範囲内で図中右回りに回転する。板材12が拘束部材14に当接するまでの間は図6Bと同じ状態であり、板材12が拘束部材14に当接すると、板材12は拘束部材14から図13A中に示す力fを受け、大きな反力が立ち上がる。したがって、本実施形態のように衝撃荷重が加わった場合にモーメントが発生する場合、板材12と拘束部材14との間のクリアランスを適正に管理することで、吸収エネルギーの低下が抑制される。
図13Bに示すように、衝撃吸収部材10の板材12が変形していく過程では、領域R2において図15Aに示す屈曲部12aが伸ばされて、領域R3において元の屈曲部12aに隣接して新たな屈曲部12a’が形成される。このように、元の屈曲部が伸ばされると元の屈曲部に隣接する新たな屈曲部が形成され、これが繰り返されることで屈曲部が移動するように変形が伝播していく。したがって、図6Bに示したような板材12が変形しない領域R1は発生せず、衝撃荷重が入力された際の反力が増大し、吸収エネルギーが大きくなる。なお、本実施形態では、衝撃荷重が負荷された場合に十分な吸収エネルギーを得るために板材12を用いているが、仮に棒材を用いた場合は、十分な吸収エネルギーを得ることは困難である。
図7は、衝撃吸収部材10に引張荷重を加えた場合に、ストロークと反力との関係を示す特性図である。なお、ストロークとは、引張荷重を加えた場合に衝撃吸収部材10が延びる量であり、引張荷重を加えない場合のストロークを0とする。図7では、本実施形態に係る衝撃吸収部材10(発明例)のストロークと反力との関係を示す特性C1(発明例)と、比較例に係る衝撃吸収部材のストロークと反力との関係を示す特性C2を示している。
なお、発明例は、冷延鋼板であって引張強度が1180MPaの鋼板を材料とし、鋼板を折り曲げて板部12bの平均板厚t=1mm、板部12bの板幅60mmの板材12を構成した。また、比較例は、冷延鋼板であって引張強度が1180MPaの鋼板を材料とし、板厚t=1mm、板幅60mmとした。また、発明例の拘束部材14の第1方向の長さは40mmとした。発明例の形状は、図2に示した衝撃吸収部材10と同様、2箇所の屈曲部を持つN字型とした。また、比較例の形状は、折り返しなしの単純な板の形状(屈曲部なし)とし、比較例では拘束部材14を設けなかった。
図7に示すように、発明例の特性C1では、ストロークが60mmを超えるまで、2つの屈曲部となる箇所が拘束部材14の内部に向かって第1方向に互いに移動しながら変形することで、持続的に反力が発生した。一方、比較例の特性C2では、ストロークが5mm以下で反力が急激に上昇した後、板材が破断し、所望の反力が得られなかった。なお、発明例では、拘束部材14の第1方向の長さの2倍程度のストロークを確保できるが、ストローク60mmを超えると板材12が破断寸前となり、計算が停止している。
図8は、図7で説明した発明例と比較例のそれぞれについて、体積当たりの吸収エネルギー量を示す特性図である。なお、吸収エネルギー量は、ストロークに対する反力の積分値から得られる。図8に示すように、発明例では、屈曲部となる箇所が第1方向で拘束部材14の内部に向かって第1方向に互いに移動するようにして変形が伝播する過程で、衝突エネルギーが十分に吸収された。換言すれば、発明例では、屈曲部となる箇所が第1方向に移動するように板材12の変形が伝播するため、板材12の全域が変形し、体積当たりのエネルギー吸収量が大きくなる。一方、比較例では、小ストローク時に急激に反力が上昇した後、早期に板材が破断し、所望の衝突エネルギー吸収能力が得られなかった。以上から、発明例によれば、少ない占有スペースでより多くの衝突エネルギーを吸収できることが判る。
上述したように、拘束部材14の拘束面14aと板材12の外面は密着していてもよいし、所定のクリアランスが設けられていてもよい。また、板部12b同士は密着していてもよいし、後述するように板部12bの間に所定のクリアランスが設けられていてもよい。板材12と拘束部材14とのクリアランスが大きくなるほど、図13Aで説明したモーメントM1により拘束部材14の内部で板部12bが回転する量が大きくなり、図6Bに示した板材12が変形しない領域R1が大きくなるため、引張荷重が入力された際の反力が低下する。また、板部12b同士のクリアランスが大きくなるほど、図6Bに示した板材12が変形しない領域R1が大きくなるため、引張荷重が入力された際の反力が低下する。以下では、板材12と拘束部材14との間のクリアランス、および板部12bの内面同士のクリアランスについて、好適な数値範囲をシミュレーションした結果について説明する。
最初に、図14に示したように、板材12の板厚t、クリアランスc、クリアランスc’、屈曲部12aの曲率半径r、長さlを定義する。図22は、図14に示した板厚t、クリアランスc、クリアランスc’、曲率半径r、長さlの定義(測定方法)をより詳細に示す図である。図22において、mpは板厚測定部を示しており、板材12の板厚tはこれら6箇所の板厚測定部で測定された板厚の平均値とされる。
クリアランスcは、一方の屈曲部12aの近傍で板部12bと拘束部材14の拘束面14aが最も近接する部位のクリアランスcと、他方の屈曲部12aの近傍で板部12bと拘束部材14の拘束面14aが最も近接する部位のクリアランスcとの平均値であり、板材12と拘束部材14との間のクリアランスに相当する。クリアランスc’は、3つの板部12bのうち中間に位置する板部12bと、その両側に位置する2つの板部12bのそれぞれとの間のクリアランスc’,c’の平均値であり、板部12b同士のクリアランスに相当する。また、曲率半径rは、2つの屈曲部12aの曲げ内側の内接円(図中に破線で示す)の半径をそれぞれr,rとしたとき、r=(r+r+t)/2であり、曲率半径rは板厚中心線の曲率半径に相当する。また、長さlは、2つの屈曲部12aの曲げ内側の内接円の中心間の第1方向の距離であって、3つの板部12bのうち中間に位置する板部12bの長さに相当する。クリアランスc’の測定位置は、図中左側の屈曲部12aから離れていることが好ましく、長さlの1/2の位置を示す線lよりも右側において板部12bと拘束面14aが最も近接する部位とする。同様に、クリアランスc’の測定位置は、図中右側の屈曲部12aから離れていることが好ましく、長さlの1/2の位置を示す線lよりも左側において板部12bと拘束面14aが最も近接する部位とする。板厚測定部mpは、クリアランスc、クリアランスc’を測定した箇所と同じ箇所とする。本例の場合、クリアランスc1,c2,c’1,c’2と同じ測定箇所mpにおいて板厚を測定しその平均を板厚t(板厚平均とも称す)とする。なお、長さlは、衝撃荷重が負荷されていない状態(初期状態)における長さであり、例えば、図5Aに示した長さLとなる(L=l)。なお、板材12の板厚t、クリアランスc、クリアランスc’、屈曲部12aの曲率半径r、長さlのそれぞれについては、衝撃吸収部材10の幅方向1/2の位置を第1方向に切断したときの断面にて測定する。この際、拘束部材14と板材12とが結合されていない場合は、衝撃吸収部材10の全体を樹脂により固定する。
最初に、板材12と拘束部材14との間のクリアランスcの好適な数値範囲について説明する。図13Aで説明したように、衝撃吸収部材10の第1方向に引張荷重Fが入力されると、点Oを中心とするモーメントM1が発生する。これにより、板部12bが図中で右回りに回転しようとするが、板材12が拘束部材14に当接することで、板材12は拘束部材14から図13A中に示す力fを受ける。板材12と拘束部材14との間のクリアランスcが0であれば、拘束部材14の中で板部12bが右回りに回転することはない。
一方、板材12と拘束部材14との間のクリアランスcが大きいと、衝撃吸収部材10の第1方向に引張荷重Fが入力された際に、板部12bがクリアランスcの範囲内で図中右回りに回転する。そして、板材12が拘束部材14に当接すると、板材12は拘束部材14から図13A中に示す力fを受ける。この場合、板材12が拘束部材14に当接するまでの間は、図6Bと同様の変形が生じ、反力が低下する。
板材12と拘束部材14との間のクリアランスcが更に大きくなると、衝撃吸収部材10の第1方向に引張荷重Fが入力された際に、板部12bが図中右回りに更に回転し、板材12が拘束部材14に当接しなくなる場合が発生する。この場合、板材12は図13A中に示す力fを受けなくなる。図15は、板材12と拘束部材14との間のクリアランスcを大きくしていき、板材12と拘束部材14とが当接する場合の限界を示す模式図である。板材12と拘束部材14との間のクリアランスcを大きくしていき、図15に示す状態が発生するとき、すなわち板材12が拘束部材14に当接する場合の限界になるときのクリアランスcを臨界クリアランスcとして定義する。図15に示す幾何学的関係から、以下の式(1)が成立する。
拘束部材14の拘束面14aの間の距離D=l+2(r+t/2) ・・・(1)
一方、図14より、以下の式(2)が成立する。
D=2c+3t+2(2r-t) ・・・(2)
式(1)と式(2)からDを消去し、cについて解くと、以下の式(3)が得られる。なお、式(2)、式(3)において、2r-t=c’である。
=l/2-r=(l-c’-t)/2 ・・・(3)
板材12が図13A中に示す力fを受けるためには、板材12と拘束部材14との間のクリアランスcを臨界クリアランスcよりも小さくすること、すなわち、臨界クリアランスcに対するクリアランスcの比率c/cを1未満にすることが好ましい。本発明者が鋭意検討を重ねた結果、比率c/cが1未満の領域では、比率c/cに応じて引張荷重が入力された際の衝撃吸収部材10の吸収エネルギーが変化し、比率c/cが大きくなるほど吸収エネルギーが減少することが判明した。更に、比率c/cを大きくしていくと、吸収エネルギーが急激に減少する臨界点が存在することが判明した。
図16は、衝撃吸収部材10に引張荷重を入力した際に、臨界クリアランスcに対するクリアランスcの比率c/cと、衝撃吸収部材10の吸収エネルギーとの関係をシミュレーションにより算出した特性図である。図16において、横軸は比率c/cを、縦軸は吸収エネルギーを示している。図16に示す特性C3は、板材12を構成する鋼板として、1mm厚の冷延鋼板であって引張強度が1180MPaの鋼板を用い、図14に示したlを10cmとし、比率c/cを変化させた場合の吸収エネルギーの変化をシミュレーションにより求めたものである。なお、拘束部材14は剛体の固定物としてシミュレーションを行った。
図16に示すように、比率c/cが1未満の領域では、クリアランスcが増加するほど、すなわち、比率c/cが増加するほど、吸収エネルギーは低下するが、c/cが0.3を超えると比率c/cの増加に対する吸収エネルギーの減少率が大きくなることが判る。換言すれば、クリアランスcを小さくするほど吸収エネルギーは増加するが、比率c/cが0.3付近で吸収エネルギーが飽和することが判る。また、c/cが0.6を超えると比率c/cの増加に対する吸収エネルギーの減少率が更に大きくなることが判る。
図17は、図16に示す特性C3に加えて、lを20cmとした場合の特性C4、および板材12を構成する鋼板の厚さを2mmとした場合の特性C5を算出してプロットした特性図である。なお、特性C4はl以外の条件は特性C3と同一であり、特性C5は板厚以外の条件は特性C3と同一である。
図17に示したように、lを20cmとした場合の特性C4、および板材12を構成する鋼板の厚さを2mmとした場合の特性C5においても、c/cが0.3を超えると比率c/cの増加に対する吸収エネルギーの減少率が大きくなることが判明した。また、特性C4、および特性C5においても、c/cが0.6を超えると比率c/cの増加に対する吸収エネルギーの減少率が更に大きくなることが判明した。したがって、吸収エネルギーを大きくして衝撃吸収部材10の衝撃吸収能力を高めるためには、比率c/cの値を0.6以下とすることが好適であり、より好ましくは、比率c/cの値を0.3以下とすることが好適である。また、吸収エネルギーを最大限に大きくするためには、クリアランスcを0として板材12と拘束部材14を密着させることが好適である。
次に、板部12bの内面同士のクリアランスc’の好適な数値範囲について説明する。図18~図20は、衝撃吸収部材10に引張荷重を入力した際に、複数の板部12bの平均板厚tに対する板部12b同士のクリアランスc’の比率c’/tと、吸収エネルギーとの関係をシミュレーションにより算出した特性図である。図18~図20において、横軸は比率c’/tを、縦軸は吸収エネルギーを示している。図18に示す特性C6は、板材12を構成する鋼板として、1mm厚の冷延鋼板であって引張強度が1180MPaの鋼板を用い、板部12b同士のクリアランスc’を変化させた場合の吸収エネルギーの変化をシミュレーションにより求めたものである。また、図19に示す特性C7は板材12を構成する鋼板の板厚を2mmとしてシミュレーションを行った結果を示しており、図20に示す特性C8は板材12を構成する鋼板の板厚を3mmとしてシミュレーションを行った結果を示している。図19に示す特性C7、および図20に示す特性C8のシミュレーションでは、板厚以外の条件は図18に示す特性C6のシミュレーションと同一とした。
図18~図20に示すように、いずれの板厚においても、板部12b同士のクリアランスc’が増加するほど、すなわち、比率c’/tが増加するほど、吸収エネルギーは低下するが、c’/tが0.2を超えると比率c’/tの増加に対する吸収エネルギーの減少率が大きくなることが判る。換言すれば、クリアランスc’を小さくするほど吸収エネルギーは増加するが、比率c’/tが0.2付近で吸収エネルギーは飽和することが判る。したがって、吸収エネルギーを大きくして衝撃吸収部材10の衝撃吸収能力を高めるためには、比率c’/tの値を0.2以下とすることが好適である。また、吸収エネルギーを最大限に大きくするためには、クリアランスc’を0として板部12b同士を密着させることが好適である。
なお、板材12が変形する際は曲げ塑性変形が生じ、板材12にはこれに耐え得る曲げ性が要求される。板部12b同士の好ましいクリアランスc’は板厚tの20%以下であるため、屈曲部の板厚中心線の曲率半径rではr/tが0.6程度、屈曲部の曲げ内側の曲率半径rではr/tが0.1程度の曲げ性があることが好ましい。
図21Aおよび図21Bは、c’/tの値が0.2を超えると比率c’/tの増加に対する吸収エネルギーの減少率が大きくなる理由を説明するための模式図である。図21Aは板材12に引張荷重が入力される前の状態を示しており、図21Bは板材12に引張荷重Fが入力されて板材12が変形していく様子を示している。なお、説明の便宜上、図21Aおよび図21Bではc’/tが1よりも大きい場合を例示している。
図21Bに示すように、衝撃吸収部材10の板材12が変形していく過程では、領域R2において図21Aに示す屈曲部12aが伸ばされて、領域R3において新たな屈曲部12a’が形成される。この際、板厚tに対するクリアランスc’の比率c’/tが0.2を超えると、屈曲部12aが伸ばされる領域R2から離間した領域R3に新たな屈曲部12a’が形成され、領域R2と領域R3の間に屈曲部が形成されない領域R4が出現する。つまり、比率c’/tが0.2以下であれば、図13Bで説明したように、元の屈曲部12aが伸ばされると元の屈曲部12aに隣接して新たな屈曲部12a’が形成され、これが繰り返されることで屈曲部が移動しながら変形が伝播していくが、比率c’/tが0.2を超えると、元の屈曲部12aから離れた位置に新たな屈曲部12a’が形成されると考えられる。これにより、元の屈曲部12aと新たな屈曲部12a’の間の領域R4では板材12が変形しないため、吸収エネルギーが低下する。
したがって、元の屈曲部12aから離れた位置に新たな屈曲部12a’が形成されてしまうことを抑制するためには、比率c’/tを0.2以下とすることが好ましく、これにより、衝撃荷重が入力された場合に吸収エネルギーが低下してしまうことを抑制できる。
(変形例)
上述したように、衝撃吸収部材10の屈曲部12aの数は、1以上であればよい。図9は、屈曲部12aの数が1つの場合を示す模式図である。図9に示す例では、第1方向に矢印の方向に荷重が加わると、屈曲部12aは、右に移動しながら変形する。より具体的には、図9に示す構成では、板材12は、端部12dに連結された部材20から矢印A5方向の引張荷重を受けると、端部12eに連結された部材22から矢印A6方向の力を受け、屈曲部となる箇所が図中で右に移動するように第1方向に変形して板材12の変形が伝播する。
なお、図9において、端部12eでは第1方向に圧縮力が加わるため、端部12eで板材12に変形等が生じると、衝撃荷重が加わった場合の吸収エネルギーが安定しない可能性がある。特に、板材12を構成する鋼板の板厚が薄い場合、または端部12eの断面積が小さい場合などにおいては、端部12eで板材12に変形等が生じる可能性がある。また、屈曲部12aの数が3以上となると、衝撃荷重を受けて板材12が変形した際に、板材12の重ねられた部位が拘束部材14から外れやすくなる可能性がある。したがって、屈曲部12aの数は、好適には2つにすることが好ましい。
図10は、板材12に拘束部材14の機能を持たせた例を示す模式図である。図10に示す例では、拘束部材の他の例として、板材12の幅方向に第1方向から見てコの字形の拘束片12fが設けられている。拘束片12fは、板材12を幅方向に突出させ、第1方向から見てコの字形に折り曲げることで形成されている。図10に示したように、板材12と一体に拘束片12fが設けられることで、衝撃吸収部材10を構成する部品点数が削減される。
図11は、車両用シート100のヒンジ部以外に衝撃吸収部材10を配置した例を示す模式図である。図11に示す車両用シート100は、シートクッション50のサイドフレーム102が、上サイドフレーム102aと下サイドフレーム102bに分割されており、上サイドフレーム102aと下サイドフレーム102bが、本実施形態に係る衝撃吸収部材10によって連結されている。シートクッション50のサイドフレーム104(図11において不図示)もサイドフレーム102と同様に構成されている。このような構成によれば、シートクッション50のサイドフレーム102,104を分割したことにより、サイドフレーム102,104が小型化され、車両用シート100の更なる軽量化が達成される。
図11に示す構成では、前突時にはシートバック60が車両前方に変形し、車両後方側の衝撃吸収部材10の板材12が第1方向に伸びることで衝突エネルギーが吸収される。また、後突時にはシートバック60が車両後方に変形し、車両前方側の衝撃吸収部材10の板材12が第1方向に伸びることで衝突エネルギーが吸収される。また、側突時には車両前方側および車両後方側の衝撃吸収部材10の板材12が第1方向に伸びることで衝突エネルギーが吸収される。
上述した実施形態では、衝撃吸収部材10に引張荷重が加えられる場合について説明したが、衝撃吸収部材10に圧縮荷重が加えられる場合においても、屈曲部となる箇所が第1方向に移動しながら変形し、衝撃吸収部材10の板材12が第1方向に縮むことで、衝撃荷重が吸収される。
(車両用シート以外への適用例)
上述した実施形態では、衝撃吸収部材10を車両用シート100に適用した例を示した。一方、衝撃吸収部材10は、車両の様々な部位に適用が可能である。図12は、車両の車体フレーム200を示す斜視図であって、車両の領域R11、領域R12、領域R13に本実施形態に係る衝撃吸収部材10を適用した例を示す図である。
領域R11では、センターピラー210とサイドシル220との結合部位に衝撃吸収部材10が設けられている。この場合、衝撃吸収部材10の一方の孔16がセンターピラー210に固定され、衝撃吸収部材10の他方の孔18がサイドシル220側に固定される。この構成により、側突時などに、センターピラー210がサイドシル220から離れる方向に変形すると、衝撃吸収部材10の板材12が第1方向に伸びることで衝突エネルギーが吸収される。
領域R12では、車両のエンジンマウントに衝撃吸収部材10が適用される。この場合、衝撃吸収部材10の一方の孔16はエンジン(不図示)に固定され、他方の孔18は車体フレーム200に固定される。車両が衝突すると、慣性力による大きな力がエンジンに負荷されるが、衝撃吸収部材10の板材12が第1方向に伸びることで、衝突エネルギーが吸収される。
領域R13では、ボンネットの開閉部に衝撃吸収部材10が適用される。この場合、衝撃吸収部材10の一方の孔16は車体フレーム200に固定され、他方の孔18はボンネットが閉じた時にボンネットと機械的に係合するラッチ部品に固定される。例えば車両が歩行者に衝突した場合、歩行者の頭部や身体がボンネットに当たり、ボンネットを押し下げる方向に力がかる場合がある。このような場合に、衝撃吸収部材10に引張荷重が加えられ、衝撃吸収部材10の板材12が第1方向に伸びることで衝突エネルギーが吸収される。したがって、歩行者の安全性が確保される。
以上説明したように本実施形態によれば、スペースが制約される場所においても、衝撃吸収部材10を配置できるため、衝突エネルギーを効率定に吸収させることが可能となる。
10 衝撃吸収部材
12 板材
12a,12a’,12a’’ 屈曲部
12b 板部
12c,12d,12e 端部
12f 拘束片
14 拘束部材
16,18 孔
20,22 部材
50 シートクッション
60 シートバック
70,80 ヒンジ部
72,82,84 軸
100 車両用シート
102,104,106,108 サイドフレーム
102a 上サイドフレーム
102b 下サイドフレーム
110,112,114,116,118 連結部材
200 車体フレーム
210 センターピラー
220 サイドシル

Claims (5)

  1. 屈曲部と、前記屈曲部を介して繋がる複数の板部とを有する板材と、
    前記複数の板部を拘束する拘束部材と、
    を備え、
    前記複数の板部は、前記屈曲部において第1方向に折り返された状態で重畳し、
    前記拘束部材は、前記重畳する複数の板部を、第2方向の両側から拘束し、
    前記第1方向は、前記板材の2つの端部のうちの一方の端部と、前記端部が位置する板部に隣接する前記屈曲部とを結ぶ方向であり、
    前記第2方向は、前記第1方向に対して直交する方向であり、
    前記屈曲部が曲率を有し、前記屈曲部の外面が曲面であり、
    前記板材は、2つの前記屈曲部と、2つの前記屈曲部を介して繋がる3つの前記板部を有し、
    3つの前記板部は、2つの前記屈曲部において前記第1方向に交互に折り返された状態で重畳する、
    衝撃吸収部材。
  2. 前記拘束部材は、中空部材であり、
    前記重畳する複数の板部は、前記中空部材の中に配置される、
    請求項1に記載の衝撃吸収部材。
  3. 前記第2方向は前記板材の厚さ方向であり、
    前記拘束部材は、前記重畳する複数の板部を前記第2方向において拘束する、2つの拘束面を有し、
    前記第2方向において、一方の前記屈曲部の近傍で前記板部と前記拘束面が最も近接する部位のクリアランスと他方の前記屈曲部の近傍で前記板部と前記拘束面が最も近接する部位のクリアランスとの平均値であるクリアランスcが、以下の式(1)を満たし、
    c/c ≦0.3 ・・・(1)
    3つの前記板部のうち前記第2方向で中間に位置する板部の前記第1方向における長さをl 、前記屈曲部において、前記屈曲部に繋がる前記板部の板厚中心線の曲率半径をrとしたとき、c =l /2-rである、
    請求項1又は2に記載の衝撃吸収部材。
  4. 前記第2方向は前記板材の厚さ方向であり、
    前記重畳する複数の板部において、前記第2方向に対向する前記板部の内面同士のクリアランスc’が、前記第2方向における前記重畳する複数の板部の板厚平均をtとしたとき、以下の式(2)を満たす、
    c’/t≦0.2 ・・・(2)
    請求項1から3のいずれか1項に記載の衝撃吸収部材。
  5. 前記板材の両端部の一方が、車両用シートのシートバックを支持するヒンジ部に接続され、他方がシートクッションのサイドフレームに接続される、
    請求項1から4のいずれか1項に記載の衝撃吸収部材。
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