JP2022098785A

JP2022098785A - 衝撃吸収構造体

Info

Publication number: JP2022098785A
Application number: JP2020212379A
Authority: JP
Inventors: 宏明高島; Hiroaki Takashima
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-07-04

Abstract

【課題】製造コストを低減すること。【解決手段】複数の繊維束３０が、低強度部３２の占める割合が一般部形成部３１の占める割合以上となるように脆弱部１５を形成し、且つ、一般部形成部３１の占める割合が低強度部３２の占める割合よりも大きくなるように一般部１４を形成すべく配置される。これにより、繊維束３０からなる繊維構造体２０が形成され、ひいては衝撃吸収構造体が製造される。したがって、衝撃吸収構造体を製造する際に、一般部１４を形成する繊維構造体２０と、脆弱部１５を形成する繊維構造体２０と、をそれぞれ別々に製造する必要が無い。【選択図】図３

Description

本発明は、衝撃吸収構造体に関する。

例えば、バンパと車体のサイドメンバとの間には、衝撃吸収構造体が配置されている。衝撃吸収構造体は、車両がバンパ側から過大な衝撃荷重を受けた場合に、破壊されることにより衝撃エネルギーを吸収する。衝撃吸収構造体は、一般部と、一般部よりも強度が低い脆弱部と、を有している場合がある。この場合、衝撃吸収構造体が衝撃荷重を受けた際に、一般部よりも脆弱部の方が座屈し易いため、例えば、衝撃吸収構造体が脆弱部を有していない構成に比べると、衝撃吸収構造体の破壊が安定的に行われ易くなり、衝撃エネルギーを効率良く吸収することができる。このような衝撃吸収構造体において、例えば、特許文献１では、一般部と脆弱部とを、種類の異なる繊維構造体によってそれぞれ形成している。

特開２０１３－１０４４３号公報

ところで、特許文献１のように、一般部と脆弱部とを種類の異なる繊維構造体によってそれぞれ形成する場合、一般部を形成する繊維構造体と、脆弱部を形成する繊維構造体と、をそれぞれ別々に製造する必要があるため、製造コストが増大する。

上記課題を解決するための衝撃吸収構造体は、複数の繊維束を有する繊維構造体にマトリックス材料を複合化して構成されるとともに、一般部と、前記一般部よりも強度が低い脆弱部と、を有し、衝撃荷重を受けた際に衝撃エネルギーを吸収する衝撃吸収構造体であって、複数の前記繊維束の少なくとも一部は、一般部形成部と、前記一般部形成部よりも強度が低い低強度部と、を有し、前記一般部形成部及び前記低強度部は、前記繊維束の延びる方向に互いに配列されており、前記複数の繊維束の少なくとも一部は、前記低強度部の占める割合が前記一般部形成部の占める割合以上となるように前記脆弱部を形成し、且つ、前記一般部形成部の占める割合が前記低強度部の占める割合よりも大きくなるように前記一般部を形成すべく配置されている。

これによれば、複数の繊維束の少なくとも一部が、低強度部の占める割合が一般部形成部の占める割合以上となるように脆弱部を形成し、且つ、一般部形成部の占める割合が低強度部の占める割合よりも大きくなるように一般部を形成すべく配置されることにより繊維束からなる繊維構造体が形成され、ひいては衝撃吸収構造体が製造される。したがって、衝撃吸収構造体を製造する際に、一般部を形成する繊維構造体と、脆弱部を形成する繊維構造体と、をそれぞれ別々に製造する必要が無く、製造コストを低減できる。

上記衝撃吸収構造体において、前記繊維束は、前記一般部形成部を形成する第１繊維と、前記低強度部を形成する第２繊維と、を有しているとよい。
これによれば、繊維構造体を構成する繊維束を、一般部形成部を形成する第１繊維と、低強度部を形成する第２繊維と、から形成することによって、衝撃吸収構造体の一般部の強度と、脆弱部の強度と、を所望の大きさに調整し易くすることができる。

この発明によれば、製造コストを低減できる。

実施形態における車両の概略構成図。衝撃吸収構造体を示す斜視図。繊維構造体を模式的に示す図。繊維束を模式的に示す図。

以下、衝撃吸収構造体を具体化した一実施形態を図１～図４にしたがって説明する。本実施形態の衝撃吸収構造体は、例えば、車両に用いられる。具体的には、車両の前方に設けられる。なお、以下の説明において、「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、「下」とは、車両の運転者が前方（前進方向）を向いた状態を基準とした場合の「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、「下」のことをいう。

図１に示すように、車両において、左右両側に設けられたフロントサイドメンバ１１の前端部同士の間には、フロントクロスメンバ１２が車幅方向に連結するように設けられている。フロントサイドメンバ１１の前端部には、衝撃吸収構造体１０がフロントバンパ１３を支持するように設けられている。

図２及び図３に示すように、衝撃吸収構造体１０は、四角筒状の繊維強化複合材製である。衝撃吸収構造体１０は、繊維構造体２０にマトリックス材料２１を複合化して構成される繊維強化複合材である。衝撃吸収構造体１０の軸線Ｌの延びる方向は、車両の前後方向と一致する。マトリックス材料２１としては、例えば、エポキシ樹脂等が挙げられる。衝撃吸収構造体１０は、一般部１４と、一般部１４よりも強度が低い脆弱部１５と、を有している。一般部１４と脆弱部１５とは、一体形成されている。

繊維構造体２０は、複数の経糸層２２と、複数の緯糸層２３と、を有している。複数の経糸層２２は、衝撃吸収構造体１０の軸線方向に延びる経糸２４が衝撃吸収構造体１０の周方向に複数配列されることにより形成されている。複数の緯糸層２３は、衝撃吸収構造体１０の周方向に延びる緯糸２５が衝撃吸収構造体１０の軸線方向に複数配列されることにより形成されている。したがって、経糸２４と緯糸２５とは互いに直交している。複数の経糸層２２と複数の緯糸層２３とは、衝撃吸収構造体１０の内周面から外周面に向かう方向に交互に配置された状態で積層されている。なお、以下の説明において、複数の経糸層２２と複数の緯糸層２３とが積層される方向を、単に、「積層方向Ｚ」と記載する。積層方向Ｚは、経糸２４が延びる方向に対して直交し、且つ緯糸２５が延びる方向に対して直交する。

繊維構造体２０は、複数の層間結合糸２６を有している。複数の層間結合糸２６は、衝撃吸収構造体１０の周方向に配列されている。各層間結合糸２６は、経糸層２２に対して積層方向Ｚの一方の端部に位置する緯糸層２３の緯糸２５の外面で折り返されながら緯糸２５に係合される。その後、各層間結合糸２６は、隣り合う経糸２４同士の間を通過しながら、経糸層２２に対して積層方向Ｚの他方の端部に位置する緯糸層２３に向かって延び、経糸層２２に対して積層方向Ｚの他方の端部に位置する緯糸層２３の緯糸２５の外面で折り返されながら緯糸２５に係合される。そして、各層間結合糸２６は、隣り合う経糸２４同士の間を通過しながら、経糸層２２に対して積層方向Ｚの一方の端部に位置する緯糸層２３に向かって延び、経糸層２２に対して積層方向Ｚの一方の端部に位置する緯糸層２３の緯糸２５の外面で折り返されながら緯糸２５に係合される。これが繰り返し行われることにより、各層間結合糸２６が、各緯糸層２３の緯糸２５にそれぞれ係合され、経糸層２２と各緯糸層２３とを結合している。繊維構造体２０は、多層織によって製造された多層織物である。本実施形態では、経糸２４は、繊維束３０により形成されている。繊維束３０は、混紡糸である。

図４に示すように、繊維束３０は、一般部形成部３１と、一般部形成部３１よりも強度が低い低強度部３２と、を有している。一般部形成部３１及び低強度部３２は、繊維束３０の延びる方向に互いに配列されている。一般部形成部３１は、第１繊維３３を有している。低強度部３２は、第２繊維３４を有している。本実施形態では、第１繊維３３として中弾性率の炭素繊維が使用されている。第２繊維３４として低弾性率の炭素繊維が使用されている。中弾性率の炭素繊維の引張強度は、低弾性率の炭素繊維の引張強度よりも高いため、第１繊維３３の引張強度は、第２繊維３４の引張強度よりも高い。第１繊維３３及び第２繊維３４は、短繊維である。

本実施形態の繊維束３０は、例えば、練条工程の際に、第１繊維３３により形成されている繊維束形成糸に対して、第２繊維３４を混ぜることにより、第１繊維３３からなる一般部形成部３１と、第１繊維３３及び第２繊維３４からなる低強度部３２と、を有する繊維束３０が製造されている。低強度部３２における単位断面積当たりの第１繊維３３の数は、一般部形成部３１における単位断面積当たりの第１繊維３３の数よりも第２繊維３４が存在する分だけ少ない。したがって、低強度部３２は、一般部形成部３１よりも強度が低くなっている。繊維束３０において、一般部形成部３１の占める割合は、繊維束３０における低強度部３２の占める割合よりも大きい。なお、緯糸２５及び層間結合糸２６は、例えば、第１繊維３３と同等な引張強度である繊維によって形成されている。

図３に示すように、一般部１４は、経糸２４の一般部形成部３１と、複数の緯糸２５のうち、経糸２４の一般部形成部３１と積層方向Ｚで重なる緯糸２５と、各層間結合糸２６における経糸２４の配列方向で隣り合う経糸２４の一般部形成部３１同士の間を通過する部位と、によって形成されている。脆弱部１５は、経糸２４の低強度部３２と、複数の緯糸２５のうち、経糸２４の低強度部３２と積層方向Ｚで重なる緯糸２５と、各層間結合糸２６における経糸２４の配列方向で隣り合う経糸２４の低強度部３２同士の間を通過する部位と、によって形成されている。よって、一般部１４は、繊維束３０の一般部形成部３１が複数配置されることにより形成されている。脆弱部１５は、繊維束３０の低強度部３２が複数配置されることにより形成されている。

なお、本実施形態の一般部１４には、繊維束３０の低強度部３２は配置されていない。また、本実施形態の脆弱部１５には、繊維束３０の一般部形成部３１は配置されていない。したがって、複数の繊維束３０は、低強度部３２の占める割合が一般部形成部３１の占める割合以上となるように脆弱部１５を形成し、且つ、一般部形成部３１の占める割合が低強度部３２の占める割合よりも大きくなるように一般部１４を形成すべく配置されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
図１、図２及び図３に示すように、衝撃吸収構造体１０に対して衝撃荷重が加わる方向を「荷重方向Ｘ」とする。例えば、荷重方向Ｘは、車両の前方から後方へ向かう方向である。フロントバンパ１３が荷重方向Ｘに過大な衝撃荷重を受けると、フロントバンパ１３を介して衝撃吸収構造体１０に衝撃荷重が加わる。このとき、脆弱部１５は、一般部１４よりも強度が低いため、一般部１４よりも脆弱部１５の方が座屈し易い。したがって、例えば、脆弱部１５が一般部１４よりも先に座屈して、脆弱部１５が一般部１４よりも先に破壊される。その後、一般部１４も座屈して破壊されることで、衝撃吸収構造体１０の全体が破壊される。これにより、衝撃エネルギーが吸収される。よって、例えば、衝撃吸収構造体１０が脆弱部１５を有していない構成に比べると、衝撃吸収構造体１０の破壊が安定的に行われ易く、衝撃吸収エネルギーが効率良く吸収される。

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）複数の繊維束３０が、低強度部３２の占める割合が一般部形成部３１の占める割合以上となるように脆弱部１５を形成し、且つ、一般部形成部３１の占める割合が低強度部３２の占める割合よりも大きくなるように一般部１４を形成すべく配置される。これにより、繊維束３０からなる繊維構造体２０が形成され、ひいては衝撃吸収構造体１０が製造される。したがって、衝撃吸収構造体１０を製造する際に、一般部１４を形成する繊維構造体２０と、脆弱部１５を形成する繊維構造体２０と、をそれぞれ別々に製造する必要が無く、製造コストを低減できる。

（２）繊維構造体２０を構成する繊維束３０を、一般部形成部３１を形成する第１繊維３３と、低強度部３２を形成する第２繊維３４と、から形成することによって、衝撃吸収構造体１０の一般部１４の強度と、脆弱部１５の強度と、を所望の大きさに調整し易くすることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

○ 実施形態において、繊維束３０は、練条工程の際に、第１繊維３３により形成されている繊維束形成糸に対して、第２繊維３４を混ぜることにより製造されていたが、練条工程の際に、第２繊維３４により形成されている繊維束形成糸に対して、第１繊維３３を混ぜることにより製造されていてもよい。

○ 実施形態において、繊維束３０は、練条工程の際に、第１繊維３３により形成されている繊維束形成糸に対して、第２繊維３４を混ぜることにより、第１繊維３３からなる一般部形成部３１と、第１繊維３３と第２繊維３４とからなる低強度部３２と、を有するように製造されていたが、これに限らない。例えば、第１繊維３３からなる繊維束形成糸に対して、繊維束形成糸の一部を構成する第１繊維３３を第２繊維３４に置き換えることによって、繊維束３０を製造してもよい。この場合、低強度部３２は、第２繊維３４のみから形成される。要は、第１繊維３３が一般部形成部３１を形成し、第２繊維３４が低強度部３２を形成するように繊維束３０が製造されていればよい。

○ 実施形態において、繊維束３０は、練条工程の際に製造されていたが、これに限らない。例えば、粗紡工程の際に製造されていてもよいし、精紡工程の際に製造されていてもよい。

○ 実施形態において、一般部１４に、繊維束３０の低強度部３２が配置されていてもよい。この場合、一般部形成部３１の占める割合が低強度部３２の占める割合よりも大きくなるように一般部１４が形成されている必要がある。要は、一般部１４よりも脆弱部１５の方が座屈し易い程度に一般部１４に繊維束３０の低強度部３２が配置されていればよい。なお、一般部１４における一般部形成部３１の配置される位置、及び一般部１４における低強度部３２の配置される位置は、特に限定されるものではない。例えば、一般部１４において、積層方向Ｚの一方の端部寄りに一般部形成部３１が配置され、積層方向Ｚの他方の端部寄りに低強度部３２が配置されていてもよいし、積層方向Ｚにおいて、一般部形成部３１と低強度部３２とが、交互に配置されていてもよい。

○ 実施形態において、脆弱部１５に、繊維束３０の一般部形成部３１が配置されていてもよい。この場合、低強度部３２の占める割合が一般部形成部３１の占める割合以上となるように脆弱部１５が形成されている必要がある。要は、一般部１４よりも脆弱部１５の方が座屈し易い程度に脆弱部１５に繊維束３０の一般部形成部３１が配置されていればよい。なお、脆弱部１５における一般部形成部３１の配置される位置、及び低強度部３２の配置される位置は、特に限定されるものではない。例えば、脆弱部１５において、積層方向Ｚの一方の端部寄りに一般部形成部３１が配置され、積層方向Ｚの他方の端部寄りに低強度部３２が配置されていてもよいし、積層方向Ｚにおいて、一般部形成部３１と低強度部３２とが、交互に配置されていてもよい。

○ 実施形態において、繊維束３０における一般部形成部３１の占める割合は低強度部３２の占める割合よりも大きい構成であったが、一般部形成部３１の占める割合と低強度部３２の占める割合とが等しい構成であってもよい。また、繊維束３０における一般部形成部３１の占める割合が低強度部３２の占める割合よりも小さい構成であってもよい。

○ 実施形態において、繊維束３０は、第１繊維３３及び第２繊維３４のような強度の異なる２種類の繊維を使用することによって形成されていたが、繊維束３０は、１種類の繊維のみから形成されていてもよい。例えば、第１繊維３３のみからなる繊維束形成糸を用意して、繊維束形成糸の一部を梳くことによって機械的に強度を低下させてもよい。このように、繊維束形成糸の一部を機械的に強度を低下させることで低強度部３２を形成し、一般部形成部３１と低強度部３２とを有する繊維束３０を形成してもよい。また、第１繊維３３のみからなる繊維束形成糸の一部に対して薬品等によって化学的に強度を低下させてもよい。このように、繊維束形成糸の一部を化学的に強度を低下させることにより低強度部３２を形成し、一般部形成部３１と低強度部３２とを有する繊維束３０を形成してもよい。

○ 実施形態において、経糸２４は、一般部形成部３１及び低強度部３２を有する繊維束３０のみによって形成されていたが、これに限られない。例えば、経糸２４は、一般部形成部３１及び低強度部３２を有する繊維束３０と、一般部形成部３１のみを有する繊維束と、によって形成されていてもよい。要は、一般部１４よりも脆弱部１５の方が座屈し易い程度に繊維束３０の少なくとも一部は、一般部形成部３１と、低強度部３２と、を有していればよい。つまり、複数の繊維束３０によって繊維構造体２０を形成した際に、一般部１４と脆弱部１５とが形成されればよい。よって、経糸２４における一般部形成部３１及び低強度部３２を有する繊維束３０の占める割合と、一般部形成部３１のみを有する繊維束の占める割合と、は特に限定されるものではない。

○ 実施形態において、繊維束３０を構成する第１繊維３３及び第２繊維３４は、炭素繊維であったが、ガラス繊維、バサルト繊維、セラミック繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、及びＰＥＴ繊維等であってもよい。

○ 実施形態において、第１繊維３３は、中弾性率の炭素繊維であり、第２繊維３４は、低弾性率の炭素繊維であったが、例えば、第１繊維３３が高弾性率の炭素繊維であり、第２繊維３４が低弾性率の炭素繊維であってもよい。また、中弾性率の炭素繊維の引張強度は、高弾性率の炭素繊維の引張強度よりも高い。したがって、第１繊維３３が中弾性率の炭素繊維であり、第２繊維３４が高弾性率の炭素繊維であってもよい。要は、第１繊維３３の引張強度が第２繊維３４の引張強度よりも高いような組み合わせであればよい。

○ 実施形態において、第１繊維３３及び第２繊維３４は、炭素繊維であったが、これに限らない。例えば、第１繊維３３が炭素繊維であり、第２繊維３４がガラス繊維であってもよい。要は、繊維束３０は、互いに異なる種類の材料からなる第１繊維３３及び第２繊維３４を混繊したものであってもよい。なお、この場合、一般部形成部３１における第１繊維３３の占める割合は、第２繊維３４の占める割合よりも大きい構成であればよい。また、低強度部３２における第１繊維３３の占める割合は、第２繊維３４の占める割合以上である構成であればよい。

○ 実施形態において、衝撃吸収構造体１０を車両以外に適用してもよい。
○ 実施形態において、衝撃吸収構造体１０は、四角筒状でなくてもよく、例えば、円筒状や三角筒状であってもよい。

○ 実施形態において、繊維構造体２０は、多層織であったが、例えば、平織や綾織であってもよい。
○ 実施形態において、衝撃吸収構造体１０は、車両の前方に設けられていたが、車両の後方に設けられていてもよい。この場合、衝撃吸収構造体１０は、例えば、リアサイドメンバの後端部に、リアバンパを支持するように設けられていればよい。要は、車両において、衝撃吸収構造体１０の配置位置は特に限定されるものではない。

○ 実施形態において、繊維構造体２０は、車両の前後方向において、一般部１４の前方に脆弱部１５が配置されている構成であったが、これに限らない。例えば、繊維構造体２０は、車両の前後方向において、一般部１４の間に脆弱部１５が配置されている構成であってもよい。つまり、繊維構造体２０は、脆弱部１５の前方、及び脆弱部１５の後方に一般部１４がそれぞれ一つずつ配置されている構成であってもよい。

１０…衝撃吸収構造体、１４…一般部、１５…脆弱部、２０…繊維構造体、２１…マトリックス材料、３０…繊維束、３１…一般部形成部、３２…低強度部、３３…第１繊維、３４…第２繊維。

Claims

複数の繊維束を有する繊維構造体にマトリックス材料を複合化して構成されるとともに、一般部と、前記一般部よりも強度が低い脆弱部と、を有し、衝撃荷重を受けた際に衝撃エネルギーを吸収する衝撃吸収構造体であって、
複数の前記繊維束の少なくとも一部は、一般部形成部と、前記一般部形成部よりも強度が低い低強度部と、を有し、
前記一般部形成部及び前記低強度部は、前記繊維束の延びる方向に互いに配列されており、
前記複数の繊維束の少なくとも一部は、前記低強度部の占める割合が前記一般部形成部の占める割合以上となるように前記脆弱部を形成し、且つ、前記一般部形成部の占める割合が前記低強度部の占める割合よりも大きくなるように前記一般部を形成すべく配置されていることを特徴とする衝撃吸収構造体。
前記繊維束は、前記一般部形成部を形成する第１繊維と、前記低強度部を形成する第２繊維と、を有していることを特徴とする請求項１に記載の衝撃吸収構造体。