JP2006507972A - 細長金属要素を備えるインパクトビーム - Google Patents

Abstract

インパクトビーム（１０１、１０２、１０３）は、ポリマーマトリックス、好ましくはＧＭＴ、と、ワイヤ、コード、又は金属板のような少なくとも１つの細長金属要素を含む金属補強構造体（１０６）とを備えている。この細長金属要素は、３％よりも大きい破断時の塑性伸びを有している。

Description

本発明は、ポリマーマトリックスと金属補強構造体(metal reinforcing structure)とを備えるインパクトビームに関する。

現在知られているインパクトビームは、ガラス繊維又は他のポリマー繊維によって補強されたポリマーマトリックスを備えている。インパクトビームは、通常は衝撃中にそのインパクトビームが圧縮負荷を受ける箇所に、金属部分を備えることもある。ＵＳ−Ａ−５，２９０，０７９は、このようなインパクトビームの例を示している。ＵＳ−Ａ−５，２９０，０７９において、インパクトビームは、その延性と可撓性を改良するために、金網メッシュも備えている。

現在知られているインパクトビームは、一般的に、それらが衝撃を受けた箇所で破断されるか、又はいくつかの小粒子に飛散され、それらの粒子がインパクトビームの周囲の物体に向かって投げ出される、という欠点を有している。これによって、その下側の物体をさらに損傷することがある。

さらにまた、インパクトビームの単位体積当りに吸収される衝撃エネルギーの増大が求められており、又は同じ衝撃エネルギー量を吸収できるインパクトビームの体積と予定価格の低減が求められている。

本発明の目的は、先行技術の欠点を克服するインパクトビームを提供することにある。また、本発明の目的は、衝撃中の崩壊又は飛散の可能性を少なくすると共に、より大きい衝撃エネルギー量を吸収することができるインパクトビームを提供することにある。本発明の目的は、必要とされるエネルギー量を吸収することができると共に、重量及び／又は体積を軽減させるインパクトビームを提供することにある。

このようなインパクトビームは、ポリマーマトリックスと、少なくとも１つの細長金属要素をその曲げ部に含む金属補強構造体とを備えるインパクトビームが提供されるときに、得られることが判明した。この細長金属要素は、例えば、金属ワイヤ、金属ストランド、金属コード、金属ロープ、金属ワイヤ束又は異形金属ワイヤ、金属ストリップ又は金属板、場合によっては、穴付き金属板又はストリップである。本発明によれば、この細長金属要素は、３％よりも大きい、さらに好ましくは、５％よりも大きい、さらに１０％よりも大きい破断時の塑性伸びを有する。

好ましくは、細長金属要素は、１０％よりも大きい、さらに１５％よりも大きい、又は２０％よりも大きい破断時の弾性及び塑性伸びを有する。好ましくは、このような高い弾性及び塑性伸びは、延性のある金属合金、例えば、好ましくは、低炭素鋼合金を用いることによって、得られる。低炭素鋼合金は、０．７％未満の炭素、最も好ましくは、０．５％未満の炭素を含み、残部が鉄からなる合金として、理解されるべきである。

細長金属要素は、好ましくは、２，５００ＭＰａ未満又は２，０００ＭＰａ未満、さらに１５００ＭＰａ未満又は１，０００ＭＰａ未満の引張強度を有する。

各細長金属要素は、好ましくは、７．９×１０^-3ｍｍ²よりも大きい、さらに好ましくは、１０^-2ｍｍ²よりも大きい、さらに２×１０^-2ｍｍ²よりも大きい断面積を有する断面を備えている。

ここで用いられる「弾性」及び「塑性」伸びの合計は、荷重−伸び線図において、測定された細長金属要素の全伸びから、「構造的」伸びが存在する場合、その「構造的」伸びを引いた値と理解されるべきである。

当技術分野において一般的に知られているように、金属要素の荷重−伸び曲線は、弾性伸び区域が塑性伸び区域の前に存在することによって、特徴付けられる。

弾性伸び区域は、その下端が曲線の原点（伸びが０％）によって定められ、その上側は曲線の降伏点における伸びによって定められる。Ｒ_P0.2としても知られるこの降伏点は、荷重−伸び曲線と、金属の弾性係数Ｅと等しい傾斜を有し、０．２％伸びの位置で横軸と交差する線との交点における引張強度として、定義される。

塑性伸び区域は、その下側が伸び区域の上限によって定められ、その上側が金属要素の破断時における伸びによって定められる。

場合によって、金属要素は、弾性伸び区域の前に、最も低い荷重と伸びにおいて生じる「構造的伸び区域」である第３伸び区域を有することもある。この場合、構造的伸び区域は、その下端が曲線の原点（伸びが０％）によって定められ、その上端が横軸とヤングの法則による線との交点における伸びによって定められる。この状況において、弾性伸び区域は、その下端が横軸とヤングの法則による線との交点における伸びによって定められ、その上側が曲線の降伏点における伸びによって定められる。Ｒ_P0.2としても知られているこの降伏点は、荷重−伸び曲線と、金属の弾性係数Ｅと等しい勾配を有し、横軸とヤングの法則による線との交点における伸びに０．２％伸びを加えた位置で横軸と交差する線との交点における引張強度として、定義される。

ヤングの法則による線は、
（σ＝Ｅ×ε）
として定義される。

Ｅは、当技術分野において一般的に知られている荷重−伸び線図の弾性伸び区域の弾性係数である。この線は、弾性伸び区域の直線部分との差が最小になるように描かれる。構造的伸びが存在しない場合、この線は、曲線の原点で横軸と交差する。

構造的伸びは、存在するとすれば、例えば、以下の結果として生じる。
・細長金属要素がストランド、コード、又はロープの場合、そのストランド、コード、又はロープのフィラメントが引張荷重の下で互いに対して移動し得るようなストランド、コード、又はロープ構造、
・細長金属要素それ自体に対して、場合によって施される、例えば、波形のような予成形、
・細長金属要素がストランド、コード、又はロープ構造である場合、その細長金属要素内に含まれる金属フィラメントに対して、場合によって施される予成形。

構造的変形及び構造的伸びを得るこのような手段によって、インパクトビームの製造中における金属補強構造体の変形の改良が補助され得る。さらに、予成形によって、ポリマーマトリックスと金属補強構造体の機械的な係留が改良され得る。

降伏点Ｒ_p0.2は、好ましくは、Ｒ_Mの０．８５倍よりも大きい。Ｒ_Mは、細長金属要素の破断時における引張強度である。最も好ましくは、Ｒ_p0.2は、０．８５×Ｒ_MからＲ_Mの範囲内にある。好ましくは、細長金属要素の弾性係数は、ポリマーマトリックスの弾性係数よりも大きく、最も好ましくは、細長金属要素の弾性係数は、６０ＧＰａよりも大きく、さらに２００ＧＰａよりも大きい。

金属補強構造体は、少なくとも１つ、好ましくは、１つ以上の細長金属要素を備えている。これらの細長金属要素は、実質的に、互いに平行であるとよい。細長金属要素が金属ワイヤ、金属ストランド、金属コード、金属ロープ、金属ワイヤ束、異形金属ワイヤ、又は金属ストリップの場合、細長金属要素は、それらの細長金属要素に隣接してガラス又はポリマー糸のような他の要素を含み得る織構造体、編組構造体、又は編構造体である金属補強構造体内に含まれるとよい。細長金属要素が金属板の場合、それらの金属板は、好ましくは、ポリマーマトリックスと金属補強構造体との間の良好な係留を確実にするために、穿孔されるか、又はいわゆる伸縮性金属から作製されるとよい。可能であれば、細長金属要素を用いる溶接メッシュが設けられてもよい。あるいは、１つ又はいくつかの細長要素がまずポリマー層によって被覆され、次いで、互いに積層されてもよい。これによって、２つの異なる方向において、積層体の同じ側で常に互いに交差するか、又は積層体の両側で交互に並ぶ細長金属要素を有するメッシュ状構造体が得られる。

好ましくは、この金属補強構造体は、インパクトビームにおいて、衝撃中に、衝撃力を受ける表面の反対側の、引張荷重を受ける箇所に配置される。

細長金属要素が本発明の対象としてのインパクトビームを提供するのに用いられるとき、インパクトビーム全体、特に金属補強構造体、に吸収され得る衝撃エネルギーの量は、その下側の構造体を保護するのに十分であることが見出された。その一方、細長金属要素の大きな塑性伸びによって、インパクトビームは、大きく屈曲することができる。この大きい延伸によって、衝撃点近傍におけるポリマー材料に加えられる高い圧縮力が低減される。衝撃点におけるこれらの圧縮力は、ポリマーの破断とポリマー材料の飛散を引き起こすが、本発明の対象としてのインパクトビームによれば、圧縮力が細長金属要素のより大きな伸びによって低減されるので、衝撃中の一体性が著しく改良される。

さらに、金属補強構造体と細長金属要素のこのより大きな延伸によって、細長金属要素は衝撃方向に大きく延伸する。これによって、低破断時伸びと高引張強度を有する細長金属要素を備えるインパクトビームと比較して、細長金属要素の軸方向におけるさらに著しい荷重を生じさせる。

最終的に、好ましくは、細長金属要素の引張強度は、２，５００ＭＰａ未満に制限される。このようにして、インパクトビームにおける衝撃中、そのインパクトビームが取り付けられている物体の減速レベルが許容レベルに制限されると共に、インパクトビームに十分な剛性と十分な衝撃吸収能力が与えられる。細長金属要素の著しく高い弾性係数、例えば、２００ＧＰａよりも大きい弾性係数と組み合わされ、吸収されるエネルギーは、最大限まで増大され得る。

本発明の対象としてのインパクトビームは、ポリマーマトリックスをさらに備えている。このポリマーマトリックスは、好ましくは、熱可塑性半結晶性ポリマー、例えば、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブテンテレフタレート、及びこれらの材料のブレンド又は熱可塑性エラストマー、例えば、ポリエステルアミド、ポリエーテルエステルアミド、ポリカーボネート−エステルアミド又はポリエーテルブロックアミドのようなポリアミド又はポリオレフィン系熱可塑性エラストマー、又は熱硬化性ポリマー、例えば、ポリエステル、エポキシ、ビニルエステル、フェノール、メラミン系熱硬化性ポリマーの群から選択される。

ポリマーマトリックスは、容積層を補強するために、ガラス繊維又は炭素繊維、及び／又は鉱物充填剤をさらに含んでもよい。繊維は、ランダム方向性、１方向性、２方向性、又は多方向性繊維、短繊維、又はそれらの組合せのいずれであってもよい。ポリマーマトリックスの塑性伸びは、このような繊維または充填剤の添加によって、わずか４％に制限され得る。

可能であれば、細長金属要素は、まず、以後、「埋設層（embedding layer）」と呼ばれるポリマー層と積層されるか、又は共押出される。埋設層のポリマー材料は、好ましくは、熱可塑性半結晶性ポリマー、例えば、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブテンテレフタレート、及びこれらの材料のブレンド、又は熱可塑性エラストマー、例えば、ポリエステルアミド、ポリエーテルエステルアミド、ポリカーボネート−エステルアミド又はポリエーテルブロックアミドのようなポリアミド又はポリオレフィン系熱可塑性エラストマーの群から選択される。

好ましくは、インパクトビームの形状、ポリマーマトリックスと細長金属要素の特性は、吸収される衝撃エネルギーを可能な限り大きくするように、調整される。

本発明の対象としてのインパクトビームは、例えば、自動車、バス、又はトラックのような車両の柔軟なバンパーを支持するために、例えば、車両の車体構造の一部として、用いられるとよい。車両の車体の他の要素の衝撃力に対する衝撃抵抗を改良するのに、用いられてもよい。本発明の対象としてのインパクトビームは、例えば、ドア、フレーム、ボンネット、フード、及び／又はクロスビームの耐衝撃性をさらに高めるのに、用いられてもよい。当業者であれば、本発明の対象としてのインパクトビームの断面の形状が、インパクトビームの外形と共に、インパクトビームの使用に合わせて調整され得ることが理解されるだろう。

本発明の対象としてのインパクトビームは、衝撃エネルギーを吸収し、車両の他の要素が損傷するのを保護する。また、本発明の対象としてのインパクトビームは、衝撃後のインパクトビームの一体性が確保され得るので、ポリマーマトリックスの粒子が車両の周辺要素を損傷するのを防ぐ。

本発明の対象としてのインパクトビームは、ガードレール又は他の衝撃吸収用途に用いられてもよい。

以下、添付の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。

本発明の対象としてのインパクトビームの断面が、図１ａ及び図１ｂに概略的に示されている。この断面は、２つの平行脚部１０１と１０２、及びこれら２つの脚部と直交する側部１０３を有する本質的にＵ字状の外形をなしている。インパクトビームは、側部１０３において衝撃力を受けるようになっている。側部１０３から離れた脚部の外側区域において、各脚部は、細長金属要素１０６が設けられている補強領域１０４と１０５を有している。図１ｂに示されるように、補強領域は、インパクトビームの全長Ｌにわたって、延在している。

この実施形態の寸法は、細長金属要素の累積体積が、インパクトビームの全体積の５．４２％であるように、選択されている。１例を挙げると、下記の通りである。
Ｈ＝１００ｍｍ
Ｄ＝１００ｍｍ
Ｔ１＝Ｔ２＝１０ｍｍ

用いられる細長金属要素は、２１０ＧＰａの弾性係数と、０．２６％の弾性伸びと、少なくとも５％、例えば、８％の塑性伸びと、６００ＭＰａの引張強度とを有するいわゆる低炭素鋼から選択される。これらの細長金属要素は、個々のワイヤ、例えば、２．１ｍｍの直径を有する２１本のワイヤとして設けられてもよいし、又は多数のワイヤからなる１つ以上のコードとして設けられてもよい。波形状を有しない個々のワイヤの場合、構造的伸びは得られない。ワイヤからなるコードが用いられる場合、細長金属要素とポリマー材料の機械的な係留を改良するために、オープンコード構成が好ましい。コードの場合、構造的伸びが得られ得る。

ポリマーマトリックスとして、好ましくは、熱可塑性ガラス繊維強化ポリマーを含むＧＭＴが用いられる。最も好ましくは、ポリマー材料は、ポリプロピレンである。ＧＭＴは、例えば、略３０％のガラス繊維を含み、２．５ＧＰａの弾性係数を有する。

Ｕ字状の外形の長さは、１，４００ｍｍに選択される。

本発明の対象としてのインパクトビームを比較するために、図１ａ及び図１ｂに示されるインパクトビームは、それと同一の寸法を有し、補強するための細長金属要素が用いられていない点においてのみ異なるインパクトビームと比較される。以後、後者は、「補強されないインパクトビーム」と呼ばれる。

インパクトビームは、図２ａ及び図２ｂに示されるように支持される。インパクトビーム２０１は、１０００ｍｍの距離２０７だけ互いに離れた２つの点２０５において、２つの支持体２０２によって支持されている。インパクトビームは、前側２０６から最も離れた脚部の外端２０４において、支持体２０２と接触している。矢印２０３で示される衝撃力は、前側２０６の中心に加えられる。

両方のインパクトビームに、１，５００ｋｇの質量を用いて、衝撃が加えられる。１．４４ｋｍ／ｈの衝撃速度を用いたとき、補強されていないインパクトビームの破損が観察された。最大許容引張応力を超える引張応力によって、インパクトビームの脚部の外端２０４において、ポリマー材料が破損した。脚部の外端２０４は、ＧＭＴの限界値である２％よりも大きく引き伸ばされた。荷重−変位曲線は、図３に示されている。

曲線は、ニュートン（縦軸）で表される作用力Ｆとｍｍで表される前側２０６の変位の関係を示している。曲線３０１は、補強されていないインパクトビームの関係を示している。インパクトビームは、（曲線３０１を超えた面積である）１２０ジュールを吸収している。２６．５ｍｍの変位で、略６，０００Ｎの力で、最大引張荷重を受けた脚の外側で、ＧＭＴが破断するので、インパクトビームは破損する。

同じ試験が、図１の特性を有する本発明の対象としてのインパクトビームに施される。２．１３ｋｍ／ｈの衝撃速度及び１，５００ｋｇの衝撃質量を用いた場合、２０．９ｍｍの変位で、２，００００Ｎの力のときに、ＧＭＴは破損する。しかし、図３に示されるように、本発明の対象としてのインパクトビームの曲線３０２の下の面積は、すでに２６２ジュールの衝撃エネルギーに達している。用いられる細長金属要素の引張強度を調整することによって、ＧＭＴの過剰な破損が防止される。この時点で、細長金属要素は、好ましくは、塑性流れを開始する、それらのＲ_P0.2に達している。この例では、５００ＭＰａのＲ_P0.2が選択されるとよい。Ｒ_p0.2／ＲＭが８３．３％の場合、許容減速が得られるように、衝撃力が制限される。これと、本発明の対象としての細長金属要素の大きい塑性伸び、この実施形態では、３％よりも大きい組成伸びとの組合せによって、さらに吸収される衝撃エネルギーは、著しく増大され得る。５％の塑性伸びにおいて、合計で、５２５０ジュールよりも大きいエネルギーが吸収され得る。この場合の変位は、少なくとも２４０ｍｍである。これは、曲線３０２の第２の部分３０３によって、示されている。

このインパクトビームが、例えば、バンパービームとして用いられるとき、バンパービームのＧＭＴが破損する前に、吸収され得るエネルギーが改良される。さらに、ポリマーが破損した後ですら、インパクトビームはエネルギーを継続的に吸収し、そのインパクトビームの背後にある構造を保護することができる。

本発明対象としてのインパクトビームを概略的に示す図である。 衝撃荷重下に吸収されたエネルギーを測定するための試験の設定を示す図である。 本発明の対象としてのインパクトビームと細長金属要素を有しないインパクトビームに対して、図２の試験の設定を用いて得られた荷重−変位曲線を示す図である。

Claims (14)

1. ポリマーマトリックスと、少なくとも１つの細長金属要素を備える金属補強構造体とを備えるインパクトビームであって、前記細長金属要素が、３％よりも大きい破断時の塑性伸びを有することを特徴とするインパクトビーム。
2. 前記細長金属要素が、２，５００ＭＰａよりも小さい引張強度Ｒ_Mを有する請求項１に記載のインパクトビーム。
3. 前記細長金属要素が、前記ポリマーマトリックスの弾性係数よりも大きい弾性係数を有する請求項１又は２に記載のインパクトビーム。
4. 前記細長金属要素が、６０ＧＰａよりも大きい弾性係数を有する請求項３に記載のインパクトビーム。
5. 前記細長金属要素が、０．８５×Ｒ_Mよりも大きいＲ_p0.2を有する請求項１〜４のいずれかに記載のインパクトビーム。
6. 前記細長金属要素が、１０％よりも大きい破断時の弾性及び塑性伸びを有する請求項１〜５のいずれかに記載のインパクトビーム。
7. 前記細長金属要素が、金属ワイヤ、金属ストランド、金属コード、金属ロープ、金属ワイヤ束、異形金属ワイヤ、金属ストリップ又は金属板からなる群から選択される請求項１〜６のいずれかに記載のインパクトビーム。
8. 前記細長金属要素が、７．９×１０^-3ｍｍ²よりも大きい断面積を有する請求項１〜７のいずれかに記載のインパクトビーム。
9. 前記細長金属要素が、鋼合金から得られる請求項１〜８のいずれかに記載のインパクトビーム。
10. 前記鋼合金が、０．７％未満の炭素を含み、残部が鉄からなる請求項９に記載のインパクトビーム。
11. 前記金属補強構造体が、前記細長金属要素を含む織構造体、編組構造体、編構造体、溶接構造体、又は積層構造体である請求項１〜１０のいずれかに記載のインパクトビーム。
12. 前記ポリマーマトリックスが、熱可塑性半結晶性ポリマーである請求項１〜１１のいずれかに記載のインパクトビーム。
13. 前記ポリマーマトリックスが、熱硬化性ポリマーである請求項１〜１１のいずれかに記載のインパクトビーム。
14. 車両の車体構造の一部としての、請求項１〜１３のいずれかに記載のインパクトビームの使用。

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