JP2005199737A

JP2005199737A - 衝撃吸収部材及びその製造方法

Info

Publication number: JP2005199737A
Application number: JP2004005098A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Makuchi; 裕馬久地; Shigeo Watanabe; 茂雄渡辺; Takashi Miyamoto; 隆司宮本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】中空状の構造部材と多孔質金属の成形体を備えた衝撃吸収部材では、構造部材の内部に成形体を充填して固定するに際し、成形体の厳しい寸法管理や、双方を結合するための二次加工が必要であった。
【解決手段】中空状の構造部材２の内部に多孔質金属から成る成形体３を充填した衝撃吸収部材１であって、構造部材２と成形体３とを発泡樹脂層４により一体的に結合することにより、成形体３の厳しい寸法管理や二次加工を必要とせずに、構造部材２に成形体３を容易に充填して成形体３を安定して固定し得るようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、自動車の車体構造部材に用いられる衝撃吸収部材及びその製造方法に関し、より具体的には、中空状の構造部材の内部に多孔質金属の成形体を充填した衝撃吸収部材及びその製造方法に関するものである。

衝撃吸収部材は、中空状の構造部材（閉断面の構造部材）の内部に多孔質金属の成形体を充填したものであって、例えば、自動車のピラーのように主に曲げ荷重を受けたときにエネルギを吸収する部材や、自動車のバンパーステーやフロントサイドメンバーのように主に軸方向の荷重を受けたときにエネルギを吸収する部材として用いられている。

衝撃吸収部材を構成する多孔質金属の成形体は、互いに連通又は独立した多数の空孔（セル）を有する金属部材であって、衝撃荷重を受けると効率的にエネルギを吸収しながら変形が進行し、しかも、外側の構造部材の変形を拘束するため、構造部材の内部に充填することによって優れた衝撃吸収部材を実現するものである。

また、この種の衝撃吸収部材では、衝撃吸収性能を向上させるために構造部材に高強度材や肉厚部材を用いると、成形性が低下したり重量が増加したりする不具合がある。そこで、従来においては、上記不具合に対して、中空状の構造部材に発泡アルミニウムのような軽量の多孔質金属から成る成形体を充填したものがあった。

さらに、上記の衝撃吸収部材では、構造部材に対して、どのように多孔質金属の成形体を充填して固定するかという課題がある。このような課題に対しては、圧入、リベット結合、接着結合及び溶接などの手法が提案されており、その一例としては、発泡アルミニウム（成形体）をアルミチューブ及びステンレスチューブ（構造部材）の内部に圧入した場合と、双方を接着接合した場合でのエネルギ吸収についての報告がある。
特開２００３−０２８２２４「Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆａｌｕｍｉｎｉｕｍｆｏａｍｓ：ｔｗｏｃａｓｅｓｔｕｄｉｅｓ」ＣｅｌｌｕｌａｒＭｅｔａｌｓａｎｄＭｅｔａｌＦｏｒｍｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐ３７−４２２００１年発行

ところが、上記したような従来の衝撃吸収部材では、構造部材の内部に成形体を圧入する場合には、成形体の寸法精度が厳しく要求されると共に、場合によっては成形体を機械加工で精度良く仕上げる必要があるので、複雑な形状になると製造が難しいという問題点があった。また、構造部材と成形体とを互いに固定するに際し、機械的結合では、二次加工が必要となってコスト高になり、溶接では、構造部材が鋼である場合、脆い化合物が生じ易いので溶接条件を厳しく管理する必要があった。さらに、これらの方法で異種金属同士を直接接合すると電食が起きる恐れもある。

これに対して、構造部材と成形体とを接着接合する場合には、生産性も良く、面での接合であるために強度も向上させることができ、構造部材と成形体との直接接触を避けることも可能になるが、当該衝撃吸収部材の形状が複雑になると、接着部分の隙間の管理や接着剤のコーティング方法が難しいという問題点があった。

本発明は、上記したような従来の状況に鑑みて成されたもので、その目的は、複雑な形状であっても中空状の構造部材の内部に多孔質金属の成形体を容易に充填することができると共に、構造部材に対して成形体を安定して固定することができる衝撃吸収部材及びその製造方法を提供することにある。

そして、本発明の衝撃吸収部材は、中空状の構造部材の内部に多孔質金属から成る成形体を充填した衝撃吸収部材であって、構造部材と成形体とを発泡樹脂層により結合したことを特徴としている。なお、より好ましい実施形態として、多孔質金属の成形体が、発泡アルミニムであることを特徴としている。

また、本発明の衝撃吸収部材の製造方法は、中空状の構造部材の内部に、多孔質金属の成形体と、発泡樹脂層となる樹脂素材をセットした後、これを加熱して樹脂素材を発泡させて、構造部材と成形体とを発泡樹脂層により結合することを特徴としている。なお、多孔質金属の成形体が発泡アルミニウムから成るものである場合には、１５０〜２００℃の加熱により樹脂素材を発泡させて、構造部材と成形体とを発泡樹脂層により結合することを特徴としている。

本発明の衝撃吸収部材によれば、中空状の構造部材とその内部に充填した多孔質金属の成形体とが発泡樹脂層を介して一体化したものとなり、成形体の寸法精度が厳密なものでなくても、また、当該衝撃吸収部材の形状が複雑であっても、構造部材の内部に成形体を容易に充填して、構造部材に対して成形体を安定して固定したものとすることができ、これにより充分な衝吸収撃性能を確保することができる。

本発明の衝撃吸収部材の製造方法によれば、多孔質金属の成形体の寸法精度が厳密なものでなくても、また、当該衝撃吸収部材の形状が複雑であっても、中空状の構造部材の内部に充分な衝撃吸収性能を確保し得る成形体を容易に充填することができると共に、構造部材と成形体とを発泡樹脂層により容易に一体化して、構造部材に対して成形体を安定して固定することができ、充分な衝撃吸収性能を有する衝撃吸収部材を効率良く生産することができる。

図１は本発明の衝撃吸収部材の一実施形態を示す図である。
図示の衝撃吸収部材１は、中空状の構造部材２の内部に、多孔質金属から成る成形体３を充填すると共に、構造部材２と成形体３とを発泡樹脂層４により結合して双方を一体化したものとなっている。

図示例の中空状の構造部材２は、断面凹形を成す二本の長尺部材（ハット材）２ａ，２ｂを二本用いると共に、両長尺部材２ａ，２ｂの開放部分を対向した状態にして双方を結合したものであり、断面正方形の中空部を形成する。構造部材２は、用途に応じて所望の機械強度を有する材料を選択することができ、例えば鋼を用いることができる。

図示例の多孔質金属の成形体３は、断面正方形を成す長尺材であると共に、構造部材２の断面中央に充填して同構造部材２との間に矩形環状の隙間を形成する。そして、この隙間に発泡樹脂層４が設けてある。

成形体３は、互いに連通又は独立した多数の空孔（セル）を有する多孔質金属部材であって、軽量で衝撃エネルギの吸収特性に優れているものとして、例えば発泡アルミニウムを用いることができる。発泡アルミニウムは、重量と強度のバランスが良く、低温での発泡が可能であるとともに安価であるといった利点がある。なお、発泡アルミニウムには、純アルミニウムのほか、ＳｉやＭｇ等を含むアルミニウム合金を用いることができ、さらに、種類も粉末法や溶融法などによるものを用いることができる。

発泡樹脂層４は、図示の如く成形体３の外周部全体に設けてあり、構造部材２と成形体３とを一体的に結合すると共に、構造部材２と成形体３との接触を阻止している。これにより、金属製の構造部材２と多孔質金属製の成形体３との接触により生じる電食も未然に防止される。この発泡樹脂層４を形成する樹脂としては、エポキシ系、ウレタン系及びゴム系の樹脂などを用いることができ、とくに限定されることはない。

上記の構成を備えた衝撃吸収部材１は、構造部材２と成形体３とを直接接合せずに、構造部材２と成形体３との間に発泡樹脂層４を設けて双方を一体的に結合したものであるから、成形体３の寸法及び形状に厳しい精度が要求されることはなく、形状が複雑であるとしても、構造部材２の内部への充填が容易であって、生産性も良好である。また、発泡樹脂層４が軽量で且つある程度のエネルギ吸収性能を有するので、衝撃吸収部材１全体としても重量増をまねくことがなく、充分な衝撃吸収性能を確保することができる。

さらに、当該衝撃吸収部材１は、構造部材２に対して成形体３を安定して固定することができるので、それ以外に機械的結合や溶接などの二次加工を行う必要がなく、効率良く生産することができると共に、低コスト化を実現し得るものとなる。

ここで、衝撃吸収部材１は、より望ましい実施形態として、多孔質金属の成形体３の表面を、実質的に発泡部分（空孔）を含まないスキン層により覆われているものとすることができ、これにより、成形体３と発泡樹脂層４との接着力を高めることができると共に、発泡樹脂層４の発泡率をより安定させることができる。

また、衝撃吸収部材１は、多孔質金属の成形体３が発泡アルミニウムである場合、より望ましい実施形態として、成形体３の密度を０．２〜１．０ｇ／ｃｍ^３とすることができる。これは、成形体（発泡アルミニウム）３の密度が０．２ｇ／ｃｍ^３未満であると、強度が低くて衝撃吸収能力が不足するからであり、同密度が１．０ｇ／ｃｍ^３を超えると、いわゆるプラトー現象がなく、反力が高くなって重量も増すからであって、同密度を上記範囲とすることで、充分な衝撃吸収能力と軽量化を両立し得るものとなる。

さらに、衝撃吸収部材１は、より望ましい実施形態として、多孔質金属の成形体３が、構造部材２の中空部の断面積（長手方向に直交する断面の面積）に対してその６０％以上の含有率（占有率）となる寸法及び形状に予め発泡成形したものとすることができる。換言すれば、構造部材２の中空部の断面積に対して、発泡樹脂層４の含有率を４０％以下にする。

このとき、成形体３は、発泡樹脂層４となる未発泡素材とともに構造部材２の内部にセットするに際して、その装填作業が可能な寸法及び形状にする必要があり、また、衝撃吸収部材１が複雑な形状である場合には、発泡樹脂層４の厚さがばらついて衝撃吸収性能も不安定になることから、より望ましくは、構造部材２の中空部の断面積に対してその６０％以上で９５％以下の含有率となる寸法及び形状とするのが良い。

なお、成形体３は、含有率が６０％未満になると、発泡樹脂層４の含有率が大きくなって、衝撃吸収部材１の衝撃吸収性能が低下することから、含有率を６０％以上としており、これにより、充分な衝撃吸収性能を確保することができる。そして、成形体３は、上記の含有率の範囲に収まるように、より単純な形状に作製すれば良く、例えば型を使用することで容易に量産することができる。

さらに、上記の成形体３は、大型の発泡アルミニウム素材といった定形の素材から、切断及び切削等の機械加工により所定の寸法及び形状に切り出すことによっても、容易に得ることができる。ただし、この場合には、成形体３の表面にスキン層は存在しなくなり、その分だけ発泡樹脂層４との接着性が低下するので、発泡樹脂層４にはより接着力の高い樹脂を選定すればよい。

上記の衝撃吸収部材１は、以下の製造方法により得ることができる。
すなわち、中空状の構造部材２の内部に、多孔質金属の成形体３をセットすると共に、構造部材２と成形体３との隙間に所定量のシート状樹脂素材をセットした後、これを加熱して樹脂素材を発泡させて発泡樹脂層４を形成し、構造部材２と成形体３とを発泡樹脂層４により一体的に結合する。このとき、多孔質金属の成形体３が発泡アルミニウムである場合には、１５０〜２００℃に加熱して樹脂素材を発泡させる。

この際、加熱温度は、樹脂の種類にもよるが、１５０℃未満では発泡程度が不足したり充分な発泡に時間がかかったりする恐れがあり、２００℃を超えると熱影響により部材に歪が生じる恐れがあることから、上記範囲とすることにより、比較的短時間で充分な発泡を得ることができると共に、部材の変形も防止し得ることとなる。

また、上記の衝撃吸収部材１は、自動車のピラーやメンバー類などの車体構造部材に好適であり、通常時の充分な機械強度と充分な衝撃吸収性能を有するものとなる。

このように、衝撃吸収部材１を車体構造部材に用いる場合には、上記した製造方法において、構造部材１に対する電着塗装の焼付けと同時に加熱処理を行うことも有効であり、例えば１７０℃で焼き付けを行う場合には、その温度で発泡する樹脂を選択すればよく、樹脂の一例としてはイイダ産業製のＯＲＯＴＥＸＲＦ−１０などがある。そして、同一工程で電着塗装の焼付けと加熱処理を行うことで、工数の削減、生産性の向上及び低コスト化などを実現し得るものとなる。

（実施例１）
板厚１．４ｍｍの鋼板をプレスして断面凹形の長尺部材を成形し、両長尺部材をスポット溶接により接合して、８０ｍｍ角の断面を有する高さ２４０ｍｍの角筒である構造部材を作製した。次に、構造部材の内部に、密度が０．３ｍｍ／ｃｍ^３の発泡アルミニウムから成る成形体と、密度が０．４５ｇ／ｃｍ^３で発泡倍率が３５０％のエポキシ系発泡樹脂を充填した後、発泡樹脂を加熱により発泡させて発泡樹脂層を形成し、図１に示すように構造部材と成形体とを発泡樹脂層で一体的に結合した衝撃吸収部材を得た。

また、表１に示すように、Ｎｏ１〜Ｎｏ４の例としてそれぞれの発泡樹脂含有率を異ならせた。なお、発泡樹脂含有率は、構造部材及び成形体がいずれも正方形で比較的簡単な形状であるため、構造部材の内法をＡとし、発泡樹脂層の厚さをａとして、
{Ａ^２−（Ａ−２ａ）^２}／Ａ^２×１００と定義した（表１ではＡ＝８０ｍｍ）。

次に、Ｎｏ１〜Ｎｏ４の衝撃吸収部材を縦にして受台に載置し、この衝撃吸収部材に対して重量５００ｋｇの重錘を３ｍの高さから落下させる衝撃軸圧壊試験を行った。変位が１００ｍｍまでの吸収エネルギを測定した結果を図２に示す。

表１及び図２から明らかなように、発泡樹脂含有率が４０％以下であるＮｏ１〜Ｎｏ３の例、すなわち多孔質金属の成形体の含有率が、構造部材２の中空部の断面積に対してその６０％以上である衝撃吸収部材については、吸収エネルギが１２０００ｋＮ・ｍｍを上回り、充分な衝撃吸収性能を有することを確認した。また、発泡樹脂含有率が５０％であるＮｏ４の例については、Ｎｏ１〜Ｎｏ３に比べて吸収エネルギが低いものとなった。

本発明の衝撃吸収部材の一実施形態を説明する斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。表１に示すＮｏ１〜Ｎｏ４の例について、発泡樹脂の割合と衝撃軸圧壊試験により測定した吸収エネルギとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１衝撃吸収部材
２構造部材
３成形体
４発泡樹脂層

Claims

中空状の構造部材の内部に多孔質金属から成る成形体を充填した衝撃吸収部材であって、構造部材と成形体とを発泡樹脂層により結合したことを特徴とする衝撃吸収部材。
多孔質金属の成形体が、発泡アルミニムであることを特徴とする請求項１に記載の衝撃吸収部材。
多孔質金属の成形体の表面が、実質的に発泡部分を含まないスキン層により覆われていることを特徴とする請求項２に記載の衝撃吸収部材。
多孔質金属の成形体の密度が０．２〜１．０ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項２又は３に記載の衝撃吸収部材。
多孔質金属の成形体が、構造部材の中空部の断面積に対してその６０％以上の含有率となる寸法及び形状に予め発泡成形したものであることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の衝撃吸収部材
多孔質金属の成形体が、定形の素材から所定の寸法及び形状に機械加工したものであることを特徴とする請求項４に記載の衝撃吸収部材。
請求項１に記載の衝撃吸収部材を製造するに際し、中空状の構造部材の内部に、多孔質金属の成形体と、発泡樹脂層となる樹脂素材をセットした後、これを加熱して樹脂素材を発泡させて、構造部材と成形体とを発泡樹脂層により結合することを特徴とする衝撃吸収部材の製造方法。
請求項２〜７のいずれかに記載の衝撃吸収部材を製造するに際し、中空状の構造部材の内部に、発泡アルミニウムから成る多孔質金属の成形体と、発泡樹脂層となる樹脂素材をセットした後、これを１５０〜２００℃に加熱して樹脂素材を発泡させて、構造部材と成形体とを発泡樹脂層により結合することを特徴とする衝撃吸収部材の製造方法。
加熱処理を構造部材に対する電着塗装の焼付けと同時に行うことを特徴とする請求項７又は８に記載の衝撃吸収部材の製造方法。