JP2004210201A

JP2004210201A - 衝撃エネルギー吸収材

Info

Publication number: JP2004210201A
Application number: JP2003001653A
Authority: JP
Inventors: Akio Shimoda; 明夫下田
Original assignee: Otsuka Corp
Current assignee: Otsuka Corp
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2004-07-29
Also published as: US20040140169A1; EP1437265A1

Abstract

【課題】製造が容易でかつ安価であり、大きな衝撃エネルギーを吸収する衝撃エネルギー吸収材を提供すること。
【解決手段】衝撃エネルギー吸収材１は金属薄板、例えば硬質アルミ箔の外側及び内側にクラフト紙を重ね合わせた重合体からなり、断面形状が円形で表面に凹凸部を螺旋状に設けたフレキシブルパイプである。衝撃エネルギー吸収材の外径は２０ｍｍ〜５０ｍｍ、上記凹凸部のピッチは１．４ｍｍ〜２．０ｍｍ、凹凸部の上下幅は２．３ｍｍ〜３．２ｍｍであり、エネルギー吸収材が径方向に塑性変形することによりエネルギーを吸収する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のボディ等に加わる衝撃荷重を吸収する衝撃エネルギー吸収材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自動車に用いられる衝撃エネルギー吸収材は、断面が円形のパイプの肉厚を調整して、自動車のボディパネルと車室の内装パネル間に配設されていた。そして、自動車の走行中に予期しない事故が発生し、乗員がボディパネルに当たるような場合に、円形パイプが潰れて塑性変形することにより、その衝撃エネルギーを吸収するようにしていた。
しかしながら、断面が円形状のパイプによると、大きな衝撃エネルギーを吸収することができなかった。
【０００３】
そこで、図９に示すような大きな衝撃エネルギーを吸収することができる衝撃エネルギー吸収材が開発された。
このエネルギー吸収材５１は、中間層材のアルミ箔の外側と内側にクラフト紙を設けてそれらをパイプ状に形成し、周壁部に螺旋状の凹凸部を等間隔ピッチに形成し、フレキシブル性を有するようにしている。そして、エネルギー吸収材５１の断面形状を円形から、正方形または矩形（以下、矩形という）に形成した。
【０００４】
このように形成したエネルギー吸収材５１の特性を調べるため、図１０に示すような実験を行った。
図１０のＡは、上述した衝撃エネルギー吸収材を用いた場合を示し、図１０のＢは比較例としての断面が円形の衝撃エネルギー吸収材５２を用いた場合を示す。エネルギー吸収材５２は、断面が真円のフレキシブル性を有するパイプであり、外径が矩形のエネルギー吸収材５１の１辺の外部幅と同じ長さであり、軸方向長さ、その他中間層材等の肉厚、螺旋形状のピッチや巻数も同じである。
【０００５】
これらエネルギー吸収材５１，５２を、圧縮試験機により、直径１６５ｍｍの半球５３の先端で圧縮し、内径の長さを計測した。圧縮速度は１００ｍｍ／ｍｉｎである。その結果を図１１に示す。図において、実線ａは矩形のエネルギー吸収材５１の試験結果を示し、実線ｂは、円形のエネルギー吸収材５２の試験結果を示す。図に示すように、矩形のエネルギー吸収材５１は、円形のものと比較して、初期状態から高い荷重に対して変形量が少なく、変形の初期段階で外力によるエネルギーを吸収する。すなわち、実線ａは略矩形曲線を呈する。そして、一定以上の荷重がかかると、変形量が急激に大きくなる。他方の円形のエネルギー吸収材１０は、荷重と変形量が比例するリニア的線図になる。
衝撃エネルギー吸収材の性能として、相応しい変形の仕方は、矩形のエネルギー吸収材５１のように、初期状態から高い荷重に対して変形量が少なく、一定以上の荷重がかかると、変形量が急激に大きくなるものが相応しいことが分かっている（特許文献１を参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−０２９４８２号公報（要約、図１参照）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
現況の自動車には、乗員の頭部を保護するため、上述の衝撃エネルギー吸収材が装備されつつある。特に、北米では車室内衝撃に対する乗員保護試験法であるＦＭＶＳＳ２０１（ＦｅｄｅｒａｌＭｏｔｏｒＶｅｈｉｃｌｅＳａｆｅｔｙＳｔａｎｄａｒｄＮｏ．２０１）規制が２００２年９月に施行され、１００％の自動車に装備されている。
また、矩形の衝撃エネルギー吸収材は、フロントルーフのみならず、サイドルーフ、リヤルーフやその他の種々の場所に配設される傾向にあり、北米大陸への需要だけでなく、国内における需要量が増大している。
【０００８】
しかしながら、矩形の衝撃エネルギー吸収材は、円形断面のエネルギー吸収材を作製した後に、矩形に成形加工しなければならず、特殊な設備、技術を用い、多大な手間を費やすことから、エネルギー吸収材としての製造コストが高い。
また、矩形の衝撃エネルギー吸収材は、向かい合う面方向に対して荷重が加わったときに、大きな衝撃エネルギーを吸収するが、対角線方向に荷重が加わった場合は性能が劣る方向性がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、コストが矩形の衝撃エネルギー吸収材よりも安価で製造も容易であり、矩形のものと同様に大きな衝撃エネルギーを吸収し、広角度範囲の方向から荷重が加わっても、その性能を発揮することができる衝撃エネルギー吸収材を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の衝撃エネルギー吸収材は、上記目的を達成するために、帯材を螺旋状に重ね合わせて形成した円形のパイプであって、周部に凹凸部を螺旋形状若しくは環状に形成したフレキシブル性を有する衝撃エネルギー吸収材において、上記パイプがアルミニウム製で肉厚が０．７ｍｍ〜０．１２ｍｍの帯材を含み、上記凹凸部の上下幅が２．０ｍｍ〜３．２ｍｍであり、該凹凸部のピッチが１．４ｍｍ〜２．０ｍｍであり、上記フレキシブルパイプを塑性変形することによりエネルギーを吸収するようにした。
また、本発明の衝撃エネルギー吸収材は、帯材を螺旋状に重ね合わせて形成した円形のパイプであって、周部に凹凸部を螺旋形状若しくは環状に形成したフレキシブル性を有し、自動車のボディパネルと内装部材との間に配設される衝撃エネルギー吸収材において、上記パイプがアルミニウム製で肉厚が０．０７ｍｍ〜０．１２ｍｍの帯材を含み、上記凹凸部の上下幅が２．０ｍｍ〜３．２ｍｍであり、該凹凸部のピッチが１．４ｍｍ〜２．０ｍｍであって、上記フレキシブルパイプが塑性変形することによりエネルギーを吸収するようにした。
上記各発明において、帯状のアルミニウム箔の外側及び内側にクラフト紙を巻装することができる。
【００１０】
上述のように、従来、円形断面の衝撃エネルギー吸収材は、その荷重性能試験で荷重と変形量の関係に対してリニア的形状を示すと認識されていたが、一定の条件、すなわちエネルギー吸収材の見かけ上の肉厚や、板厚を大きくして円形のエネルギー吸収材を成形すると、荷重性能試験において、矩形の衝撃エネルギー吸収材と同様な線形を示すことを発明者は見いだした。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による衝撃エネルギー吸収材について、図面を参照しながら説明する。図１及び図２は、本発明に係る衝撃エネルギー吸収材１を示し、図１は、エネルギー吸収材１の斜視図であり、図２のＡは、パイプ状のエネルギー吸収材１を軸方向から見た図であり、図２のＢは周方向から見た部分破断断面図であり、図２のＣは図２のＢの矢印Ｘで示す部分の拡大断面図である。
【００１２】
このエネルギー吸収材１は、断面が円形のフレキシブル性を有するパイプである。詳しくは、エネルギー吸収材１の形状は、内側から順に内層材２、中間層材３及び外層材４の３層からなる重合体である。このうち、内層材２と外層材４はクラフト紙を用い、中間層材３は金属薄板、例えば鉄箔、アルミ箔を使用している。本実施の形態では、硬質のアルミ箔を使用し、内層材２、中間層材３及び外層材４は、各々が帯状材を螺旋状に巻回して形成したものである。そして、重ね合わせたこれらの層材２〜４を軸方向に連続して波状に凹部５及び凸部６を形成し、かつ凹凸部５，６の各々が螺旋状になるように形成している。よって、エネルギー吸収材１は、材料が連続する限り軸方向に延長させて形成することができ、適宜長さに切断することができる。このようなエネルギー吸収材は、９０度以上の曲げやＳ字形状の曲げが容易にできる。
【００１３】
衝撃エネルギー吸収材１の矩形波特性発生要件は、衝撃エネルギー吸収材１の外径Ｄが２０ｍｍ〜５０ｍｍ、上記凹部５の底部から隣接する底部までのピッチｐは１．４ｍｍ〜２．０ｍｍ、凹凸部５，６の上下幅（見かけ上の肉厚、図２のＣ参照）Ｔが２．３ｍｍ〜３．２ｍｍの範囲である。
帯材の１枚の中間層材３の板厚は、０．０７ｍｍ〜０．１２ｍｍであり、幅は２８ｍｍ〜４５ｍｍの範囲のものを使用する。中間層材３の帯材の枚数は１枚、若しくは２〜３枚を重ね合わせることも可能である。また、中間層材３は、巻回する際に端部を５ｍｍ程度重ね合わせて形成する。実質的な好ましい中間層材３としての板厚は０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ（凹凸部５，６の形成前の厚さ）である。
内層材２及び外層材４は、各々の厚さが０．２ｍｍ〜０．４ｍｍ（凹凸部５，６の形成前の厚さ）であって、幅４８ｍｍ〜６０ｍｍの範囲のものを使用する。
なお、この衝撃エネルギー吸収材１の矩形波特性発生要件を表１に示す。
【００１４】
【表１】

【００１５】
［実施例］
次に、この円形断面の衝撃エネルギー吸収材１の特性について説明する。
図３は、上述したＦＭＶＳＳ２０１規制に対応する衝撃エネルギー吸収材の動的荷重特性試験の装置である。壁１０上に断面四角形の治具１１を固定し、治具上にエネルギー吸収材１を両面テープ等の固定手段により固定する。そして、人間の頭部に形状を似せたダミー１２の重心位置よりも２５ｍｍ高い位置にあるＯ点（前頭部）を、２４ｋｍ／ｈの速度でエネルギー吸収材１に衝突させる。
性能試験をする試験対象は、表１に示す実施例１〜３と比較例の４種のものを使用した。
【００１６】
【表２】

表１に示すように、比較例及び実施例１〜３として、各々中間層材３として肉厚０．１ｍｍの硬質アルミ箔と、内外層材２，４として各々肉厚０．２ｍｍのクラフト紙を用いた。そして、図２に示すように、エネルギー吸収材１の凹凸部５，６の上下幅である見かけ上の肉厚Ｔを、２．０ｍｍ〜３．２ｍｍの範囲のものを選択して試験を試みた。試験結果を図４に示す。見かけ上の肉厚Ｔが薄い比較例１は、リニア的な線形であり、荷重と変形量とがほぼ比例した。実施例１〜３は各々が略矩形の線形を描いた。そして、見かけ上の肉厚Ｔが厚い実施例１が最も大きな荷重に対して、初期状態から変形量が少なく、一定以上の荷重がかかると、変形量が急激に大きくなる矩形曲線を示し、次いで見かけ上の肉厚Ｔが大きい順に、実施例２、実施例３と良好な矩形曲線を示した。
【００１７】
なお、凹凸部５，６を形成したエネルギー吸収材１が通常のパイプよりも大きなエネルギーを吸収するのは、径方向に塑性変形するだけでなく、凹凸部５，６が潰れることにより、パイプの軸方向にも塑性変形するからであると考える。
また、見かけ上の肉厚Ｔが厚いものが、より大きな衝撃エネルギーを吸収するのは、凹凸部５，６の形状が潰れる際に、凹凸部の上下幅が小さいものよりも上下幅の大きなものの変形量が大きく若しくは軸方向への変形量が大きくなり、より大きなエネルギーを吸収するからであると考える。また、中間層材２の厚さを厚くしたことも大きなエネルギーを吸収するのに寄与していると考えられる。このように、エネルギー吸収材１は、小さな径であっても、大きなエネルギーを吸収することができる。
【００１８】
なお、上記の動的荷重特性試験の他、静的荷重特性試験を行ったが同じ形状であれば、動的荷重特性試験の方が、より大きな荷重に対して大きな衝撃エネルギーを吸収する結果となった。
また、詳細な説明は省略するが、中間層材として帯状のアルミニウムを２枚用いたものは、その２枚分の厚さを有する１枚のアルミニウムを用いたものよりもエネルギー吸収量が大きいことが分かった。
【００１９】
上述したように、衝撃エネルギー吸収材１は、自動車の衝突等の際に、ボディに衝撃力が加わったときに、その衝撃エネルギーを吸収若しくは緩和するものである。エネルギー吸収材１の配置場所としては、図５に示すように、自動車２１のフロントピラー２２、センタピラー２３、フロント及びリアドアのショルダー部２４，２５、腰部２６，２７、フロントルーフレール部２８、サイドルーフレール部２９、リヤヘッダレール部３０等に、またスライデングルーフが取付けられているような場合はそのスライデングルーフ回り３１に配置できる。
【００２０】
自動車に用いる衝撃エネルギー吸収材として、好ましい衝撃エネルギー吸収材１の形状は、外径Ｄが２０ｍｍ〜３０ｍｍ、上記凹部５の底部から隣接する底部までのピッチｐは１．５ｍｍ〜１．７ｍｍ、凹凸部５，６の上下幅（見かけ上の肉厚）Ｔが２．７ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲である。
帯材の１枚の中間層材３の板厚は、０．１ｍｍ〜０．１２ｍｍであり、幅は２８ｍｍ〜３５ｍｍのものを使用している。中間層材３の帯材の枚数は２〜３枚を重ね合わせている。内層材２及び外層材４は、各々の厚さが０．２ｍｍであって、幅４８ｍｍ〜６０ｍｍのものを使用している。
なお、この衝撃エネルギー吸収材１の好ましい範囲を表３に示す。
【００２１】
【表３】

また、自動車に用いる衝撃エネルギー吸収材として、最適条件の衝撃エネルギー吸収材１の形状は、外径Ｄが２３ｍｍ〜２６ｍｍ、上記凹部５の底部から隣接する底部までのピッチｐは１．５ｍｍ〜１．６ｍｍ、凹凸部５，６の上下幅（見かけ上の肉厚）Ｔが２．７ｍｍ〜２．９ｍｍの範囲である。
帯材の１枚の中間層材３の板厚は、０．１ｍｍ〜０．１２ｍｍであり、幅は３５ｍｍのものを使用している。中間層材３の帯材の枚数は２枚を重ね合わせている。内層材２及び外層材４は、各々の厚さが０．２ｍｍであって、幅６０ｍｍのものを使用している。
なお、この自動車用の衝撃エネルギー吸収材１の最適範囲を表４に示す。
【００２２】
【表４】

図６〜図８は、実際にエネルギー吸収材１を自動車の車体２１に配設した状態を示す。
図６に示すように、自動車２１のフロントガラス３２の上部にはフロントルーフレール部２８が設けられ、フロントルーフレール部２８はルーフアウターパネル２８ａとルーフインナーパネル２８ｂとで、閉断面を形成している。そして、その閉断面の車体に対する後方側には、衝撃エネルギー吸収材１を配設している。エネルギー吸収材１は、接着剤３３により容易にインナーパネル２８ｂに直付けすることができる。取付けにあたっては、スポンジ状の緩衝材をエネルギー吸収材１の周囲に巻いて取付けてもよい。エネルギー吸収材１はフレキシブル性を有するので、配設場所が湾曲していても取付けができる。エネルギー吸収材１は、車室側のルーフを覆う、内装パネル３４により隠される。
このように、内装パネル３４とインナーパネル２８ｂとの間にエネルギー吸収材１を配設したので、乗員がフロントルーフレール部２８に前頭部を撃ったような場合は、エネルギー吸収材１が塑性変形することにより、衝撃エネルギーを吸収することができる。また、エネルギー吸収材１は、円形断面であるので方向性が広く、広範囲な角度に対して、十分な衝撃エネルギーを吸収することができる。
【００２３】
図７は、自動車２１のサイドルーフレール部２９に衝撃エネルギー吸収材１を設けた状態を示す。
図に示すように、自動車２１の天井部の側部にはサイドルーフレール部２９が設けられ、サイドアウターパネル３５ａとサイドインナーパネル３５ｂとで、閉断面を形成している。それらのパネル３５ａ，３５ｂの上端部に形成されたフランジ３５ｃとルーフアウターパネル２８ａと接合されている。そして、その閉断面の車室側には、衝撃エネルギー吸収材１を配設している。エネルギー吸収材１は、接着剤３３によりルーフアウターパネル２８ａ及びサイドインナーパネル３５ｂに直付けしている。エネルギー吸収材１は、車室側のルーフを覆う、内装パネル３４により隠される。
このようなサイドルーフレール部２９に乗員が側頭部を撃ったような場合は、エネルギー吸収材１が塑性変形することにより、衝撃エネルギーを吸収することができる。
【００２４】
図８に示すように、自動車２１のリヤガラス３６の上部にはリヤヘッダレール部３０が設けられ、リヤヘッダレール部３０はルーフアウターパネル２８ａとルーフインナーパネル２８ｂとで、閉断面を形成している。そして、その閉断面の車体に対する前方側には、衝撃エネルギー吸収材１を配設している。エネルギー吸収材１は、接着剤３３により容易にインナーパネル２８ｂに直付けすることができる。エネルギー吸収材１は、車室側のルーフを覆う、内装パネル３４により隠される。
このようなリヤヘッダレール部３０に乗員が後頭部を撃ったような場合は、エネルギー吸収材１が塑性変形することにより、衝撃エネルギーを吸収することができる。
なお、その他、自動車２１のフロントピラー２２、センタピラー２３、フロント及びリアドアのショルダー部２４，２５、腰部２６，２７、スライデングルーフ回り３１もほぼ同様な取付方により配置できる。
【００２５】
このように本発明の実施の形態による円形断面のエネルギー吸収材１は、自動車２１のボディに衝撃力が加わったときは、エネルギー吸収材１が塑性変形することにより、衝撃エネルギーを吸収し、乗員が衝撃を受ける負担を軽減することができる。
また、従来の矩形の衝撃エネルギー吸収材１のように、断面形状を矩形に形成する必要が無いので、大幅にコストの軽減が可能である。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく本発明の技術的思想に基いて種々の変形が可能である。
例えば、以上の実施の形態によれば、図５に示すような位置にエネルギー吸収材１を配置したが、エネルギー吸収材１の取付位置は自動車２１のそれらの場所に限らず、例えばエンジンルームのエプロンサイドパネルや、フロントパネル等にも配置でき、同様な効果を有する。このような場合は、室内に配置する衝撃エネルギー吸収材１よりも硬くより大きな衝撃エネルギーを吸収するものを用いる。また、エネルギー吸収材１の取付方法については接着剤で取付けたが、エネルギー吸収材１にクリップを取付けてパネルに固定してもよいし、クリップバンドによって取付けてもよい。
また、衝撃エネルギー吸収材１は、周部全体に凹凸部５，６を形成したが、部分的に間隔を開けて、凹凸部５，６を形成してもよい。
さらに、衝撃エネルギー吸収材１の用途としては、自動車のみならず道路の自動車用防護壁のように自動車の車体以外のものにも使用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の衝撃エネルギー吸収材によれば、帯材を螺旋状に重ね合わせて形成した円形のパイプであって、周部に凹凸部を螺旋形状若しくは環状に形成したフレキシブル性を有する衝撃エネルギー吸収材において、上記パイプがアルミニウム製で肉厚が０．７ｍｍ〜０．１２ｍｍの帯材を含み、上記凹凸部の上下幅が２．０ｍｍ〜３．２ｍｍであり、該凹凸部のピッチが１．４ｍｍ〜２．０ｍｍであって、上記フレキシブルパイプが塑性変形することによりエネルギーを吸収させるようにしたので、従来では円形パイプでは得られないとされていた、初期状態から高い荷重に対して変形量が少なく、一定以上の荷重がかかると、変形量が急激に大きくなるような塑性変形（図４参照）を得ることができた。従来のように、円形断面から矩形断面に成形加工することがなく、コストの軽減を図ることができる。フレキシブル性があるので、曲がった箇所にも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による衝撃エネルギー吸収材の斜視図である。
【図２】Ａは図１の衝撃エネルギー吸収材を軸方向からみた正面図であり、Ｂは周方向から見た側面図であり、Ｃは図２のＢの矢印Ｘ部の拡大断面図である。
【図３】ＦＭＶＳＳ２０１規制に対応する衝撃エネルギー吸収材の動的荷重特性試験の装置の側面図である
【図４】図３に示す動的荷重特性試験の結果（実施例１〜３）を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態の衝撃エネルギー吸収材を自動車に配置した状態を示す斜視図である。
【図６】フロントルーフレール部に衝撃エネルギー吸収材を配設した図５に示す自動車のＥ−Ｅ方向における断面図である。
【図７】サイドルーフレール部に衝撃エネルギー吸収材を配設した図５に示す自動車のＦ−Ｆ方向における断面図である。
【図８】リヤヘッダレール部に衝撃エネルギー吸収材を配設した図５に示す自動車のＧ−Ｇ方向における断面図である。
【図９】従来の矩形の衝撃エネルギー吸収材の斜視図である。
【図１０】Ａは従来の矩形断面の衝撃エネルギー吸収材の荷重試験を示し、Ｂは従来の円形断面の衝撃エネルギー吸収材の荷重試験を示す図である。
【図１１】図１１の荷重試験結果を示す断面図である。
【符号の説明】
１衝撃エネルギー吸収材
２内層材
３中間層材
４外層材
５凹部
６凸部
２１自動車

Claims

帯材を螺旋状に重ね合わせて形成した円形のパイプであって、周部に凹凸部を螺旋形状若しくは環状に形成したフレキシブル性を有する衝撃エネルギー吸収材において、上記パイプがアルミニウム製で肉厚が０．７ｍｍ〜０．１２ｍｍの帯材を含み、上記凹凸部の上下幅が２．０ｍｍ〜３．２ｍｍであり、該凹凸部のピッチが１．４ｍｍ〜２．０ｍｍであり、上記フレキシブルパイプを塑性変形することによりエネルギーを吸収するようにしたことを特徴とする衝撃エネルギー吸収材。
帯材を螺旋状に重ね合わせて形成した円形のパイプであって、周部に凹凸部を螺旋形状若しくは環状に形成したフレキシブル性を有し、自動車のボディパネルと内装部材との間に配設される衝撃エネルギー吸収材において、上記パイプがアルミニウム製で肉厚が０．０７ｍｍ〜０．１２ｍｍの帯材を含み、上記凹凸部の上下幅が２．０ｍｍ〜３．２ｍｍであり、該凹凸部のピッチが１．４ｍｍ〜２．０ｍｍであって、上記フレキシブルパイプが塑性変形することによりエネルギーを吸収するようにしたことを特徴とする衝撃エネルギー吸収材。
上記フレキシブル性のパイプが、帯状のアルミニウム箔の外側及び内側にクラフト紙を巻装したことを特徴とする請求項１または２に記載の衝撃エネルギー吸収材。