JP2018066435A - 衝撃吸収部材、および該衝撃吸収部材を用いたフロントルーフクロスメンバ - Google Patents

Abstract

【課題】衝突によるキャビンの大きな変形を防止できる高い強度を有すると共に、衝撃吸収部材に乗員がぶつかったときには座屈してその衝撃を吸収し、乗員を保護できる衝撃吸収部材を提供すること。【解決手段】本発明の衝撃吸収部材は、連続する炭素繊維と樹脂とを含む骨格部と、少なくとも樹脂を含み、上記骨格部に支持されたリブ部と、緩衝部と、を有する。そして、上記骨格部と上記緩衝部とで、上記リブ部を囲んで中空部を形成し、上記リブ部が、上記骨格部側から順に根元部と、該根元部よりも剛性が低い座屈部とを有し、上記根元部を構成する樹脂と上記座屈部を構成する樹脂とが連続しており、根元部座屈部がずれずに衝撃を吸収できる。【選択図】図２

Description

本発明は、衝撃吸収部材に係り、更に詳細には、炭素繊維強化樹脂を用いた衝撃吸収部材及び該衝撃吸収部材を用いたフロントルーフクロスメンバに関する。

自動車の衝突安全分野では、車体の前後が潰れることで衝突時のエネルギーを吸収し、乗員への衝突エネルギーの伝達を最小限に抑えると共に、乗員の居室スペースであるキャビンは、衝突によっても潰れることなく空間を確保できる高強度で変形し難いボディ構造が採用されている。

特許文献１の特開２０１５−１９３３４１号公報には、ＦＲＰ製チューブ骨格部材でキャビンの主要骨格を構成することで、金属材料で骨格を構成したときよりも軽量かつ高剛性なボディを実現できる旨が開示されている。

特開２０１５−１９３３４１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものは、ＦＲＰ製チューブ骨格部材の倒れ込み等によるキャビンの変形防止や、衝突の衝撃荷重を分散させて車体後方に伝達することを志向するものであって、衝突時の衝撃等によって乗員がＦＲＰ製チューブ骨格部材にぶつかって負傷することをも防止するものではない。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、衝突によるキャビンの大きな変形を防止できる高い強度を有すると共に、衝撃吸収部材に乗員がぶつかったときには座屈してその衝撃を吸収し、乗員を保護できる衝撃吸収部材を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、座屈して衝撃を吸収する座屈部と該座屈部の支点となる根元部を一体成形し、高剛性の骨格部で支持することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の衝撃吸収部材は、連続する炭素繊維と樹脂とを含む骨格部と、少なくとも樹脂を含み、上記骨格部に支持されたリブ部と、緩衝部と、を有する。
そして、上記骨格部と上記緩衝部で、上記リブ部を囲んで中空部を形成し、
上記リブ部が、上記骨格部側から順に根元部と、該根元部よりも剛性が低い座屈部とを有し、上記根元部を構成する樹脂と上記座屈部を構成する樹脂とが連続していることを特徴とする。

また、本発明のルーフクロスメンバは、車体のフレームに用いられるものであり、上記衝撃吸収部材を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、座屈して衝撃を吸収する座屈部を有するリブを一体成形し、高剛性の骨格部で支持することとしたため、上記座屈部の支点がずれることがなく確実に衝突エネルギーを吸収でき、高い剛性と高い衝撃吸収性能とを両立させた衝撃吸収部材を提供することができる。

本発明の衝撃吸収部材の緩衝部を除いた骨格部とリブ部の斜視図である。 本発明の衝撃吸収部材を衝撃吸収方向に切ったときの模式的な断面図である。 吸収する衝突エネルギーＵを示す変位−荷重グラフである。 根元部と座屈部が別に構成された衝撃吸収部材の模式的な断面図である。 図４の衝撃吸収部材の座屈部の位置ずれを説明する図である。 根元部と座屈部が一体形成された衝撃吸収部材の模式的な断面図である。 図５の衝撃吸収部材の座屈部の変位状態を説明する図である。 根元部と座屈部との弾性率を変えた衝撃吸収部材の断面図である。 第２の実施形態の衝撃吸収部材の模式的な断面図である。 第３の実施形態の衝撃吸収部材の模式的な断面図である。 第４の実施形態の衝撃吸収部材の模式的な断面図である。 第５の実施形態の衝撃吸収部材の模式的な断面図である。 第６の実施形態の衝撃吸収部材の模式的な断面図である。 衝撃吸収部材を作製する射出プレスを説明する図である。

本発明の衝撃吸収部材について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１に本実施形態の衝撃吸収部材の緩衝部を除いた斜視図、図２に本実施形態の衝撃吸収部材の衝撃吸収方向の断面図を示す。

上記衝撃吸収部材１は、連続する炭素繊維と樹脂とを含む骨格部２と、少なくとも樹脂を含み、上記骨格部に支持されたリブ部３と、緩衝部４と、を有し、上記骨格部と緩衝部４で上記リブ部を囲んで中空部３４を形成して、上記緩衝部から骨格部方向に衝突したときの衝突エネルギーを吸収するものである。

＜リブ部＞
上記リブ部３は、図２に示すように、骨格部２と緩衝部４に囲まれて衝撃吸収部材１の内部に中空部を形成し、座屈して衝突エネルギーを吸収する。
そして、骨格部２に支持された根元部３１と該根元部よりも剛性が低い座屈部３２を有し、上記根元部３１と座屈部３２とが一体で成形され、根元部を構成する樹脂と座屈部を構成する樹脂とが連続したものである。

上記座屈部で吸収する衝突エネルギーは、図３に示す変位−荷重グラフの面積Ｕで表される。以下に、リブ部がハニカムの場合に吸収する衝突エネルギーＵの半実験式を示す。

本発明の衝撃吸収部材は、上記根元部と座屈部とが一体で成形され、根元部を構成する樹脂と座屈部を構成する樹脂とが連続していることで、根元部と座屈部との間で位置ずれが生じることがなく、確実に衝突エネルギーを吸収することができる。

従来はキャビンの主要骨格が金属材料で構成されていたため、乗員が骨格部材にぶつかるときの衝撃については、金属材料の骨格部材に樹脂製の別部品を設けることで吸収することが行われており、この場合、図４に示すように、座屈部を樹脂製の緩衝部で支持することが多い。

このように座屈部を緩衝部で支持し、根元部に突き当てた構造であると、図５に示すように、根元部と座屈部との間に位置ずれが生じ易く、座屈部の支点がずれて根元部にめり込み、座屈部が変位しないため、吸収できる衝突エネルギーが低下する。

本発明の衝撃吸収部材においては、図６に示すように、根元部と座屈部とが一体で成形されているため、座屈部の支点がずれることがなく、図７に示すように、上記座屈部が確実に変位して、効率的な衝突エネルギーの吸収が可能である。

上記リブ部の形状としては、特に制限はなく、従来公知の衝撃吸収部材に用いられている形状とすることができるが、図１に示すように、衝撃吸収方向と略直交する方向の断面形状が六角形である、所謂、ハニカム形状であることが好ましい。

上記リブ部を構成する樹脂としては、射出成形可能な樹脂であれば特に制限はなく、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれも使用でき、必要に応じてフィラーを含有してもよい。

上記熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、熱可塑性ポリエステル樹脂、ポリアセタール樹脂（ポリオキシメチレン樹脂）、ポリカーボネート樹脂、（メタ）アクリル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルニトリル樹脂、フェノキシ樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリケトン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、熱可塑性ウレタン樹脂、フッ素系樹脂、熱可塑性ポリベンゾイミダゾール樹脂等を挙げることができる。

また、上記熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、グアナミン樹脂、ポリイミド樹脂、フラン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリジアリルフタレート樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂やアミノ樹脂等を挙げることができる。

上記座屈部の剛性を根元部より低くする方法としては、図２に示すように、座屈部の厚さを根元部よりも薄くする方法や、図８に示すように、座屈部の弾性率を根元部よりも小さくする方法が挙げられる。

上記座屈部の厚さを薄くする場合の座屈部の厚さは、使用する樹脂等にもよるが、根元部の厚さの１／５〜１／２であることが好ましい。
本発明においては、根元部と座屈部とが同じ樹脂で構成されるものであり、座屈部が上記範囲の厚さであることで、座屈して衝突エネルギーを吸収すると共に、座屈部の支点を根元部で拘束することができる。

上記弾性率を小さくする方法としては、上記樹脂中に分散するフィラー３３を偏在させ、座屈部に存在するフィラーの量を根元部よりも少なくすることで、座屈部の弾性率を小さくすることができる。

具体的には、射出成形の際、厚さの薄い座屈部に入り込み難い形状のフィラーを用いることや、座屈部の断面形状をフィラーが入り込み難い形状にすることで、座屈部に存在するフィラーの量が少なくなり、座屈部の弾性率を小さくすることができる。
上記フィラーが入り込み難い座屈部の断面形状としては、Ｕ字型や星形等が挙げられる。

上記フィラーとしては、特に制限はないが、座屈部に入り込み難い形状を有するものであると、上記のようにリブ部内に偏在させることができる。例えば、長さが０．２ｍｍ〜１ｍｍの短繊維を好ましく使用でき、上記短繊維としては炭素繊維を挙げることができる。

また、リブ部の上記フィラーの含有量は、１質量％〜３０質量％であることが好ましい。フィラーの含有量が上記範囲内であることで、リブ部、特に根元部の剛性を高めることができ、かつ射出成形が可能である。

＜骨格部＞
上記骨格部２は、連続する炭素繊維の織布又は不織布の繊維間に樹脂が含浸して、上記炭素繊維が固定されて高い強度を有するものであり、上記リブ部を支持すると共に、キャビンが大きく変形することを防止する。

上記炭素繊維としては、一般的にポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、石油・石炭ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、気相成長系炭素繊維などを挙げることができ、これらは１種、又は２種以上を併用することができる。
また、炭素繊維以外の強化繊維を使用することもでき、例えば、ガラス繊維、セルロース系繊維を使用できる。

また、織布の織り方としては、平織り、朱子織り、綾織り、ななこ織りの他、長繊維を一定方向に配列させたものであってもよい。

上記樹脂としては、リブ部と同様の樹脂を使用することができる。

＜緩衝部＞
上記緩衝部４は、上記骨格部と共に上記リブ部を囲んで、衝突する乗員を面で支えて保護すると共に、衝突エネルギーを上記リブ部に伝達するものである。

上記緩衝部を構成する材料としては、例えば発泡スチロール等を挙げることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態の衝撃吸収部材は、上記リブ部３が骨格部２よりも緩衝部４側に突出したものである。図９に本実施形態の衝撃吸収部材１の断面図を示す。
本実施形態の衝撃吸収部材が、連続する炭素繊維と樹脂とを含む骨格部と、少なくとも樹脂を含み、上記骨格部に支持されたリブ部と、上記骨格部と共に上記リブ部を囲む緩衝部と、を有する点は上記第１の実施形態を同様であるので、説明を省略する。

リブ部３が骨格部２よりも緩衝部４側に突出することで、座屈部３２の長さを長くすることができ、座屈部３２の変位量が大きくなって耐荷重を超えることなく、吸収できる衝突エネルギー量を増やすことができる。

（第３の実施形態）
本実施形態の衝撃吸収部材は、座屈部３２の密度が、根元部３１側よりも緩衝部４側が低いものである。図１０に本実施形態の衝撃吸収部材の断面図を示す。
本実施形態の衝撃吸収部材が、連続する炭素繊維と樹脂とを含む骨格部と、少なくとも樹脂を含み、上記骨格部に支持されたリブ部と、上記骨格部と共に上記リブ部を囲む緩衝部と、を有する点は上記第１の実施形態を同様である。

座屈部３２の衝撃吸収方向の長さが異なり、座屈部３２の密度が緩衝部側で低く根元部側で高いことで、緩衝部側から衝突したときの初期荷重を下げて乗員への初期の衝撃を緩和できると共に、衝撃吸収部材が吸収できる衝突エネルギー量を充分確保することができる。
なお、図１０では、座屈部の長さを２段階に変えて座屈部の密度を変化させているが、２段階に限らず多段階に変化させてもよい。

（第４の実施形態）
本実施形態の衝撃吸収部材は、衝撃を受け易い箇所の座屈部３２の長さ（支点間距離）が、他の箇所の座屈長さよりも長いものである。図１１に本実施形態の衝撃吸収部材の断面図を示す。
本実施形態の衝撃吸収部材が、連続する炭素繊維と樹脂とを含む骨格部と、少なくとも樹脂を含み、上記骨格部に支持されたリブ部と、上記骨格部と共に上記リブ部を囲む緩衝部と、を有する点は上記第１の実施形態を同様である。

衝撃を受け易い箇所の座屈部３２の長さを長くすることで、効率的に吸収できる衝突エネルギー量を増やすことができる。

衝撃を受け易い箇所の座屈部の長さを長くする方法としては、骨格部材にビード形状をつけ、乗員が衝突し易い箇所を衝突方向に対して凹ませることや、乗員が衝突し易い箇所の緩衝部４を乗員側に張り出させる方法、これらを併せた方法が挙げられる。

緩衝部４を張り出させることで、乗員との接触面積を増加させることができ、衝撃を分散させて乗員を保護することができる。

（第５の実施形態）
本実施形態の衝撃吸収部材は、骨格部２が緩衝部４と接合する箇所に、連続する炭素繊維の非含有部２１を有するものである。図１２に本実施形態の衝撃吸収部材の断面図を示す。
本実施形態の衝撃吸収部材が、連続する炭素繊維と樹脂とを含む骨格部と、少なくとも樹脂を含み、上記骨格部に支持されたリブ部と、上記骨格部と共に上記リブ部を囲む緩衝部と、を有する点は上記第１の実施形態を同様である。

上記連続する炭素繊維の非含有部２１は、連続する炭素繊維を含有する箇所よりも剛性が低くなる。骨格部２が緩衝部４と接合する箇所に連続する炭素繊維の非含有部２１を有することで、想定される乗員の衝突方向と異なる方向から衝突したとしても、連続する炭素繊維を含む、骨格部の剛性が高い箇所への衝突を避け、上記非含有部による衝突エネルギーの吸収が可能となり、乗員を保護することができる。

（第６の実施形態）
本実施形態の衝撃吸収部材は、上記緩衝部４が、上記骨格部２との接合箇所に肉厚部４１を有するものである。図１３に本実施形態の衝撃吸収部材の断面図を示す。
本実施形態の衝撃吸収部材が、連続する炭素繊維と樹脂とを含む骨格部と、少なくとも樹脂を含み、上記骨格部に支持されたリブ部と、上記骨格部と共に上記リブ部を囲む緩衝部と、を有する点は上記第１の実施形態を同様である。

緩衝部４が骨格部２との接合箇所に肉厚部４１を有し、骨格部２を囲んで接合することで、緩衝部４と骨格部２との接合強度が向上し、想定される乗員の衝突方向と異なる方向から衝突したとしても、緩衝部４と骨格部２との接合が外れることを防止できると共に、骨格部の剛性の高い箇所への衝突を緩和して、乗員を保護することができる。

＜衝撃吸収部材の作製＞
本発明の衝撃吸収部材は、射出プレス成形により作製することができる。
具体的には、図１４に示すように、所定の形状に固定された連続する炭素繊維のプリフォーム５を金型６に入れてプレスし、金型内に樹脂を射出して、骨格部とリブ部とを一体成形して炭素繊維強化樹脂部材を作製する。
そして、発泡スチロール等の緩衝部を上記炭素繊維強化樹脂部材の骨格部に接着し、該骨格部と共にリブ部を囲むことで作製できる。

＜ルーフクロスメンバ＞
上記衝撃吸収部材は、ルーフクロスメンバや、ピラー、ルーフサイドレール等、車体のキャビンを構成する骨格部材として使用することができ、特に、衝突時の衝撃により乗員がぶつかり易いフロントルーフクロスメンバや、フロンドピラーに好適に使用できる。

１ 衝撃吸収部材
２ 骨格部
２１ 非含有部
３ リブ部
３１ 根元部
３２ 座屈部
３３ フィラー
３４ 中空部
４ 緩衝部
４１ 肉厚部
５ プリフォーム
６ 金型

Claims (9)

1. 連続する炭素繊維と樹脂とを含む骨格部と、
   少なくとも樹脂を含み、上記骨格部に支持されたリブ部と、
   緩衝部と、を有する衝撃吸収部材であって、
   上記骨格部と上記緩衝部とで、上記リブ部を囲んで中空部を形成し、
   上記リブ部が、上記骨格部側から順に根元部と、該根元部よりも剛性が低い座屈部とを有し、
   上記根元部を構成する樹脂と上記座屈部を構成する樹脂とが連続していることを特徴とする衝撃吸収部材。
2. 上記座屈部の弾性率が、上記根元部の弾性率よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の衝撃吸収部材。
3. 上記座屈部の厚さが、上記根元部の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１又は２に記載の衝撃吸収部材。
4. 上記リブ部が、上記骨格部よりも緩衝部側に突出していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の衝撃吸収部材。
5. 上記座屈部の密度が、根元部側よりも緩衝部側が低いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の衝撃吸収部材。
6. 衝撃を受け易い箇所の座屈部の座屈長さが、他の箇所の座屈長さよりも長いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の衝撃吸収部材。
7. 上記骨格部が、上記緩衝部との接合箇所に、上記連続する炭素繊維の非含有部を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の炭素繊維強化樹脂部材の衝撃吸収部材。
8. 上記緩衝部が、上記骨格部との接合箇所に肉厚部有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の衝撃吸収部材。
9. 車体のフレームに用いられるフロントルーフクロスメンバであって、
   上記請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の衝撃吸収部材を用いたことを特徴とするフロントルーフクロスメンバ。

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