JPS6157504B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は衝撃エネルギー吸収バンパー、特に車
輌用の衝撃エネルギー吸収バンパーに関する。 近年、自動車バンパーに関しては米国車輌安全
規準（MVSS＝Motor Vehicle Safety
Standard）の規定、歩行者保護の社会的ニーズ
の高揚等により衝撃エネルギー吸収性のバンパー
の必要性が高まつている。そして、この要求に対
応する方策として現在までに既に種々のタイプの
バンパーシステムが考案され実用に供されてい
る。 例えば、 (1) 剛性の高い金属製のバンパービームに油圧式
シヨツク・アブソーバーを取付け、金属ビーム
は衝撃により永久変形を生ぜず、衝撃力を該油
圧式シヨツク・アブソーバーに伝達させ、油圧
ピストン中の油の粘性流動で衝撃エネルギーを
吸収するタイプ。 (2) 合成樹脂又は合成ゴム等でできており、表皮
の裏側の所要の必要に応じた数のリブ構造体を
有し、衝撃の際には該リブ構造体の座屈により
衝撃エネルギーを吸収するタイプ（一般に
Hiflex（ハイフレツクス）タイプと呼ばれてお
り、例えば米国特許第3871636号明細書参照） (3) 合成樹脂又は合成ゴムでできた外皮と、その
外皮の内部に配置される射出成形による熱可塑
性樹脂等でできたハニカム構造体と、これらの
後方に位置して、これらを保持するバツクアツ
プ・ビームとで構成されるバンパー・システム
で衝撃に際しては、ハニカム構造体の座屈によ
り衝撃エネルギーを吸収するタイプ（例えば米
国特許第3997207号明細書参照） (4) 合成樹脂又は合成ゴムでできた外皮と、その
内部に配置された比較的低密度（0.1〜0.3ｇ／
cm³程度）の半硬質の衝撃エネルギー吸収性ウレ
タン・フオームと、これらの後方に位置し、こ
れらを保持するバツクアツプ・ビームとで構成
されるバンパー・システムで、衝撃に対しては
半硬質の衝撃エネルギー吸収性ウレタン・フオ
ームが圧縮変形することにより衝撃エネルギー
を吸収するタイプ（例えば米国特許第3866963
号明細書参照）等、種々のタイプの衝撃エネル
ギー吸収バンパー・システムがあり、それぞれ
ある程度までの効果を発揮するが、しかし何れ
も一長一短を有し、未だ十分満足すべき性能を
発揮する衝撃エネルギー吸収バンパーシステム
は提供されるに至つていない。 即ち、(1)の油圧式シヨツク・アブソーバー、タ
イプのバンパーでは衝撃によりバンパービームに
加わつた応力を、バンパー．ビームの永久変形、
破壊を生じることなくシヨツク・アブソーバーに
伝達させるためには、バンパービームは高い強度
を有する剛体でなければならず、従つて高強度の
鋼板が用いられており、バンパーの重量が大きく
なるという欠点があり、該バンパービームは金属
製であるので、錆びるという問題を発生する。 さらにこのような油圧式シヨツク・アブソーバ
ーはその機構上、油圧ピストンの軸方向の応力成
分のみに対してしか有効にその機能を発揮せず、
バンパー正面からの衝撃に対しては有効に機能し
ても斜方向からの衝撃に対しては有効に機能しな
いという欠点をもつている。 (2)のリブ構造体の座屈により衝撃エネルギーを
吸収するハイフレツクス・タイプのバンパーでは
座屈挙動を予測するのが難しく、バンパーとして
の良好な性能を発揮させるための有効なリブ構造
体の形状、配置、数等を設計するのが難解であ
る。また、リブ構造体を有するため、凹凸の多い
複雑な形状となるため、バンパー製造の際の成形
性が良くない。その上、自動車バンパーとしての
装飾面からすると、リブ構造体の位置に相当する
バンパー表面部分にシンクマークと呼ぱれるリブ
構造体に沿つたヒケが発生するので好ましくな
い。またバンパー全体が剛性の高い高分子材料で
できており、材料自体のモジユラスが温度依存性
を有し即ち高温時にはモジユラスが低下し、低温
時にはモジユラスが上昇するため、モジユラスの
温度依存性が大きくなり、ある一定の衝撃エネル
ギーを吸収するのに、高温時は大きな変形を強い
られ、所謂、底づき状態となり発生荷重が大きく
なる。 また、低温時は中程度の変形でもモジユラスが
高くなるため、発生荷重は大きくなる。そして、
バンパーに発生したこの大きな応力が自動車ボデ
イに伝達されるため、このタイプのバンパーを取
付ける車輌はボデイ耐力を大きく設計する必要が
生じるという短所を有する。 (3)のハニカム構造体の座屈により衝撃エネルギ
ーを吸収するタイプのバンパーでは衝撃の際、ハ
ニカム構造体の座屈に伴ない、ハニカム構造の永
久変形、亀裂、破壊を生じ復元性が悪い。また、
ハニカム構造体は通常、熱可塑性樹脂材料で成形
されることが多いが、熱可塑性樹脂は一般にモジ
ユラスの温度依存性が大きく、該ハニカム構造体
においても、高温での衝撃時の挙動と低温での衝
撃時の挙動との差異が大きくなるという欠点を有
している。 更に(4)の合成樹脂又は合成ゴムの外皮と、その
内部に配置された半硬質の衝撃エネルギー吸収性
ウレタン・フオームと、バツクアツプ・ビームと
で構成され、該ウレタン・フオームが圧縮変形す
ることにより衝撃エネルギーを吸収する型式のバ
ンパーでは、外皮の内部に半硬質の衝撃エネルギ
ー吸収性ウレタン・フオームを配置することによ
り、衝撃の際バンパーの局所的に発生した衝撃応
力でも速やかにフオーム全体に均一に分散される
ことになり、その結果、この分散された応力がバ
ツクアツプ・ビームに伝達されるため、バツクア
ツプ・ビームに要求される機械的強度を小さくす
ることが可能となり、バツクアツプ・ビームの重
量を低減することができる。また該衝撃エネルギ
ー吸収性ウレタン・フオームは通常、0.1〜0.3
ｇ／cm³の範囲の低密度のものが使用されることが
多く、その重量も小さくなるため、前述のバツク
アツプ・ビーム重量低減と相俟つて、バンパー全
体の重量が大幅に低減されるという利点を有する
が、一方、しかし、該衝撃エネルギー吸収性ウレ
タン・フオームのモジユラスは温度依存性を有し
高温時にはモジユラスが低下し、低温時にはモジ
ユラスが上昇するため、ある一定の衝撃エネルギ
ーを吸収するのに、高温時は大きな変形を強いら
れ、所謂、底づき状態となり発生荷重が大きくな
る。また低温時は、中程度の変形でもモジユラス
が高くなるため発生荷重が大きくなるという欠点
を避けられない。また、一般に用いられている衝
撃エネルギー吸収性ウレタン・フオームのエネル
ギー吸収効率は通常50〜70％であり、未だ十分満
足すべき性能とはいえない。 以上、述べたように、現在までに提案されてい
る種々の衝撃エネルギー吸収バンパーは、ある程
度までの効果を発揮するものの、夫々十分満足す
べき性能を有するとは言えず、バンパーの重量、
コスト面からみても経済的なものとはいえなかつ
た。 本発明はかかる上述の欠点に着目し、その改善
を図るべく提案されたもので、合成樹脂又は合成
ゴムの外皮と、その内部に配置された衝撃エネル
ギー吸収性フオームと、これらの後方に位置して
これらを保持するバツクアツプ・ビームとで構成
されるバンパーシステムにおいて衝撃エネルギー
吸収性フオームとしてポリスチレンとポリエチレ
ンを成分としてなり、かつポリスチレン／ポリエ
チレンの成分比が90／10〜25／75（重量比）でそ
の見掛け比重が0.02〜0.10ｇ／cm³であり、通常、
常温（23℃）時の５マイル／時の速度での衝撃試
験での20％圧縮応力が５〜10Kg／cm²、エネルギー
吸収効率が65％以上、荷重回復率が40％以上で、
かつ低温時（−20℃）と高温時（60℃）の５マイ
ル／時の速度での衝撃試験での温度倍率が2.0以
下の範囲の発泡プラスチツク・フオームを用い
る、軽量で、かつ優れた衝撃エネルギー吸収性能
をもつバンパー・システムを提供することを特徴
とするものである。 以下、本発明の具体的特徴を添付図面に示す実
施例を参照しつつ更に順次説明する。 第４図は本発明に係る衝撃エネルギー吸収バン
パー１の構成の１例を斜視図で示すもので、２は
同バンパーにおける補強用のバツクアツプ・ビー
ムで、中央部に突出基板３を有しており、このバ
ツクアツプ・ビーム２の前面には細長いブロツク
体をなす衝撃エネルギー吸収性フオーム４が配置
されていると共に、該衝撃エネルギー吸収性フオ
ーム４の外面にはこれを被覆するようにして更に
外皮５が被着されており、端部において前記バツ
クアツプ・ビーム２の突出基板３に取付用ビス６
により固定されている。前記外皮５は衝撃エネル
ギー吸収性フオーム４の変形に追従できるもので
合成樹脂又は合成ゴムからなり、例えば熱可塑性
樹脂の射出成形品が用いられるが、成形性、経済
性及び耐衝撃性からすればRIM（Reaction
Injection Moiding）法によつて成形される高密
度マイクロセルラー．ウレタンが好ましい。 一方、衝撃エネルギー吸収性フオーム４はポリ
スチレン、ポリエチレンを成分とする発泡プラス
チツク．フオームであり、本発明の重要な特徴を
なし、特に限定された物性値を有する。 ポリスチレンとポリエチレンを成分とする発泡
プラスチツク．フオームは従来、高発泡倍率（低
密度）で圧縮応力の小さいものが、主には包装用
緩衝材として使用されているが、常温（23℃）時
の衝撃試験における20％圧縮応力が２〜10Kg／cm²
の比較的高いモジユラスを有する発泡プラスチツ
ク．フオームはその用途が制限されており、これ
を自動車用衝撃エネルギー吸収バンパーの衝撃エ
ネルギー吸収フオームとして使用することは従来
より全く知られていなかつた。 通常、バンパーの最大発生荷重（Fmax）と最
大変位量（Dmax）は、このバンパーが取付けら
れる車輌のボデイ耐力、フロント．エンド、リア
ー．エンドの形状、構造等により、車体に破損、
破壊が生じない範囲である一定の最大許容値以下
に抑えるように制限されている。従つて、ある定
められた衝撃エネルギーを吸収するのにFmax及
びDmaxをともに可及的に小さくすることが車輌
のボデイ耐力を大きくする必要がないという意味
から、また車輌のフロント・エンド、リアー・エ
ンドのデザインの可能性を制限しないという意味
で望ましいとされている。 本発明の衝撃エネルギー吸収バンバーは、常温
（23℃）時の衝撃試験での20％圧縮応力が２〜10
Kg／cm²と車輌用バンパーとして好ましい応力の範
囲を有しており、エネルギー吸収効率が非常に高
く、つまり車輌衝突時のバンパーのFmaxおよび
Dmaxを車輌として許容される範囲に可及的に小
さくするという特性を備えている。更にこの優れ
た衝撃エネルギー吸収性能は一方、広い温度範囲
に亘つて安定で温度依存性が小さいという特徴も
併せ有している。しかもかかる衝撃エネルギー吸
収バンバーは従来技術に比べて大幅に軽量化が可
能であり、車体の軽量化、燃費向上経済性の観点
から現在の社会状況に鑑み、大きな工業上の利点
をなすものである。 前記の如き衝撃エネルギー吸収性フオームはポ
リスチレン／ポリエチレンの成分比が90／10〜
25／75重量部で見掛け比重0.02〜0.10ｇ／cm³の条
件を具備することによつて得ることができる。 前記の如き衝撃エネルギー吸収性フオームとし
てポリスチレン／ポリエチレンを成分とする発泡
プラスチツク．フオームを用いる場合、見掛け比
重0.02ｇ／cm³より小さいと20％圧縮力が小さくな
り、車輌用バンパーの目的に対して柔らかすぎ
て、所定の衝撃エネルギーを加えた際、所謂底づ
き状態となりFmax、Dmaxがともに大きくなり
すぎるという欠点を有し、本発明の目的に適さな
い。また、一方、前記見掛け比重（密度）が0.10
ｇ／cm³よりも大きいと20％圧縮応力が高くなりす
ぎFmaxが大きくなり過ぎるという欠点が生じ
る。 ここでFmaxが大きくなり過ぎるとは、車輌の
ボデイ耐力を超えてしまうということであり、ボ
デイの損傷を生ぜしめることになる。従つて所定
の衝撃エネルギーを吸収する際、Fmax、Dmax
は何れも可及的に小さくするのが好ましい。又、
ポリスチレン／ポリエチレンを成分とする発泡プ
ラスチツク．フオームでポリエチレン成分が10％
重量部より少いと荷重回復率が40％以下となり又
ポリエチレン成分が75％重量部より多いと温度倍
率が2.0以上となつて何れも本発明の目的に適合
する優れた衝撃エネルギー吸収性能をもつバンパ
ーを提供するに至らず、本発明の目的には適さな
い。なお本明細書においてエネルギー吸収効率、
荷重回復率、温度倍率とは夫々以下によつて定義
されるものである。 エネルギー吸収効率 エネルギー吸収効率は第１図に示すように衝撃
時の応力−変位曲線から、次式によつて計算され
る。 エネルギー吸収効率＝Ｅ／Ａ＋Ｅ×100（％） （但し、Ａ，Ｅはそれぞれの部分の面積を示
す。） 荷重回復率 荷重回復率は第２図に示すように第１回目衝撃
とその30分後の第２回目衝撃の応力−変位曲線か
ら、次式によつて計算される。 荷重回復率 ＝Ｅ′（第２回目衝撃）／Ｅ（第１回目衝撃）
×100（％） （但し、Ｅ，E′は夫々の部分の面積を示す。） 温度倍率 温度倍率は第３図に示すように−20℃と60℃で
の応力−変位曲線から次式によつて計算される。 温度倍率＝Ｅ_１（−２０℃）／Ｅ_２（６０℃） （但し、E₁，E₂は夫々の部分の面積を示す。） 上記各場合においてＥは何れも50％変位までに
吸収するエネルギーを示し、50％変位までの応力
−変位曲線下の面積に等しい。 次に本発明における前記ポリスチレン／ポリエ
チレンを成分とする発泡プラスチツク．フオーム
は、ポリスチレン／ポリエチレンの成分が所定の
成分比になるように、スチレン・モノマーとエチ
レン・モノマー反応させて得られた共重合体の発
泡体であり、その製造は発泡性ビーズによる融着
成形、押出成形、射出成形の何れかの成形方法に
より容易に製造されるが、好まくは発泡性ビーズ
による融着成形により製造することである。 発泡性ビーズによる融着成形はブタン、プロパ
ン、ペンタン、石油エーテル等の低沸点の物質を
発泡剤として含浸させたスチレンとエチレンの共
重合体の粒子を蒸気加熱等で予備発泡して一次発
泡ビーズとし、この一次発泡ビーズを乾燥、熟成
した後、所望の形状の金型内に充填し蒸気等で加
熱して二次発泡させ所望の形状の発泡体を得る既
知の成形方法である。 なお、本発明における合成樹脂又は合成ゴムで
できた外皮としては、例えば前述の如くRIM
（Reaction Injection Molding）法により成形さ
れる高密度マイクロセルラー・ウレタンが好まし
く用いられるが、このRIM法により成形される高
密度マイクロセルラー・ウレタンは、高反応性の
液状原料を用いるため、薄肉の大型製品の成形が
可能で、成形サイクルも速いという成形上の利点
をもつと共に、得られた成形品に関しても優れた
機械的物性を有しするので、衝撃時の耐損傷性に
大きな効果を発揮し、経済的、機能的両面から車
輌用バンパーの外皮として最も好適な材料であ
る。 この場合もその成形法、配合法は当該業者間に
おいて既知であり、目的に応じて選定されるが本
発明の目的には好ましくは密度0.9〜1.15ｇ／cm³
ASTM Ｄ―790−66による曲げ弾性率1000〜
4000Kg／cm²の成形武が選ばれる。 又、本発明における前記バツクアツプ・ビーム
２は合成樹脂又は合成ゴムでできた外皮とその内
部に配置された衝撃エネルギー吸収性フオームを
所定の位置に固定する目的を有するが、衝突時の
最大発生荷重に耐え得る機械的強度をもつ材質、
構造として通常、設計される。 次に引続き実施例に基づき本発明バンパーの製
造を含めその具体的な実施の態様を説明するが、
勿論これは一部であり、本発明がこれら実施例に
限定されないことはいう迄もない。又、合成樹脂
又は合成ゴムでできた外皮の形状、衝撃エネルギ
ー吸収性フオームの形状及びその配置、バツクア
ツプ・ビームの形状は、何れも本発明によるバン
パーが取付けられる車輌のデザイン、要求される
衝撃エネルギー吸収性能に応じて任意に選択でき
ることはいう迄もない。 更に以下の実施例において、衝撃試験は寸法40
cm×10cm×10cmの直方体の衝撃試験用試料を所定
の温度に16〜24時間温調した後速やかに第４図と
同様な構造をもつカツトサンプル（長さ40cm×高
さ10cm×巾10cm）を固定台に取付け、衝撃試験用
試料の被衝撃面が全面圧縮されるのに十分な面積
を持つた重量510.3Kgの衝撃子を衝撃速度５マイ
ル／時（8.05Km／時）になるように設定して衝撃
試験を行なつた。又、荷重回復率を求めるための
第２回目の衝撃は、第１回目衝撃30分後に行なつ
た。又、外皮としては本発明の衝撃エネルギー吸
収バンパーの外皮として好ましい物性を有する材
料として、OH価25のポリプロピレン・グリコー
ル（三井日曹ウレタン社製EP−240）100部、エ
チレン．グリコール18部、ダブコ33LV（日本乳
化剤社製）１部、ジブチル錫ジラウレート0.06
部、フレオンー11（ダイキン社製）５部のポリオ
ール成分混合液とジフエニルメタンジイソシアナ
ートから誘導されたプレポリマー（住友バイエル
ウレタン社製 スミジユールPC，NCO％＝26
％）106部（何れも重量部）とをRIM注型機を用
いて成形した肉厚，３mm、密度1.10ｇ／cm³、曲げ
弾性率1800Kg／cm³（ASTM Ｄ−790−66）のマ
イクロセルラー・ウレタンを以下に述べる実施例
中の衝撃試験に使用した。なお、エネルギー吸収
効率、荷重回復率温度倍率はそれぞれ前記定義に
示す各式によつて計算されたものである。 （実施例 １） ビーズ法により成形して得られた密度0.033
ｇ／cm³の発泡ポリスチレン／ポリエチレン・フオ
ーム（ポリスチレン／ポリエチレン成分比＝75／
25（重量比））を前述のRIM成形によるマイクロ
セルラ−・ウレタンの外皮の内部に第４図に示す
ような状態で配置して、前述の方法に従つて衝撃
試験を行なつた。その結果、極めて低密度で第１
表に示されるように優れたエネルギー吸収効率を
示し、温度倍率1.25と優れた温度依存性を有する
衝撃エネルギー吸収バンパー・システムが得られ
た。

【表】 （実施例 ２） ビーズ法により成形して得られた密度0.05ｇ／
cm³の発泡ポリスチレン／ポリエチレン・フオーム
（ポリスチレン／ポリエチレン成分比＝50／50
（重量比）を実施例１と同様の方法で衝撃試験を
行なつた。その結果、極めて低密度で第２表に示
されるように優れたエネルギー吸収効率を示す、
温度倍率１・72と優れた温度依存性を有する衝撃
エネルギー吸収バンパー・システムが得られた。

【表】 （比較例 １） 一方、比較のためビーズ法により密度0.033
ｇ／cm³のスチレン成分100％のフオームを成形
し、これに対し実施例１と同様の方法で衝撃試験
を行なつた。その結果は第３表に示すようにエネ
ルギー吸収効率、温度倍率は良好であるが荷重回
復率が34.3％と低く、バンパーシステムとして充
分とはいえない状況であつた。

【表】 （比較例 ２） 同じく比較のためビーズ法により成形して得ら
れた密度0.056ｇ／cm³のエチレン成分100％のフオ
ームを実施例１と同様の方法で衝撃試験したとこ
ろ、第４表に示すような結果が見られ、常温（23
℃）での20％圧縮応力が1.72Kg／cm²と低く、エネ
ルギー吸収効率も小さく、温度倍率も2.22と大き
く温度依存性も悪いため、60℃での最大応力が非
常に大きくなるという欠点を有するバンパーシス
テムであつた。

【表】 （比較例 ３） OH価28のポリプロピレン．グリコール．アク
リロニトリル．スチレ．グラフト共重合体（三井
日曹ウレタン社製ポリマー．ポリオール34−28）
75部、OH価45の水酸基末端液状ポリブタジエン
（出光石油化学社製 Poly bd Ｒ−45HT）30
部、OH価488のソルビトール誘導ポリエーテル
（BASF−ワイアンドツト 社製 PA−14635）
15部、水1.0部、トリエチレンジアミン1.0部、シ
リコン系界面活性剤（日本ユニカー社製 Ｌ−
5303）1.0部を均一に混合した液に液状のジフエ
ニルメタンジイソシアナート誘導プレポリマー
（モーベイ．ケミカルス社製 Ｅ−451、NCO％
27％）50.9部（部数は何れも重量部）を添加し、
均一に撹拌後、内容量4000cm³（たて40cm×よこ10
cm×たかさ10cm）の金型に注型して密度0.11ｇ／
cm³のポリウレタン．フオームを得た。このポリウ
レタン．フオームについて実施例１と同様の方法
で衝撃試験を行なつたところ、その結果は第５表
に示す如くであつた。

【表】

【表】 上記第５表からもわかるように密度が0.11ｇ／
cm³と実施例中のサンプルに比べて高密度にも拘ら
ず23℃での20％圧縮応力は比較的小さく、最大応
力、最大変位も大きくなる。又、エネルギー吸収
効率も実施例に比べて小さくなり、温度倍率も大
きいものであつた。 以上のように本発明衝撃エネルギー吸収特性を
もつたバンパーは車輌用として極めて優れた特性
をもつものであり、安全対策上、社会のニーズを
充足する役割は頗る大きく、実際面での効果が期
待されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は代表的な衝撃時の応力一変位曲線例、
第２図は第１回目衝撃と第２回目衝撃との代表的
な応力一変位曲線例、第３図は−20℃と60℃での
代表的な応力−変位曲線例、第４図は本発明バン
パーの構成例を示す車輌用衝撃エネルギー吸収バ
ンパーの斜視図である。 １……衝撃エネルギー吸収バンパー、２……補
強用バツクアツプ・ビーム、３……突出基板、４
……衝撃エネルギー吸収性フオーム、５……外
皮。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ バンパー補強用のバツクアツプ・ビームの前
   面に衝撃エネルギー吸収性フオームを配置し、か
   つ該フオームを被覆するように合成樹脂又は合成
   ゴムからなる外皮を該バツクアツプ・ビームに固
   定してなる車輌用衝撃エネルギー吸収バンパーに
   おいて、前記衝撃エネルギー吸収性フオームとし
   てポリスチレンとポリエチレンを成分とし、ポリ
   スチレン／ポリエチレンの成分比を90／10〜25／
   75重量部にして見掛け比重を0.02〜0.10ｇ／cm³に
   した発泡プラスチツク・フオームを用いることを
   特徴とする車輌用衝撃エネルギー吸収バンパ−。 ２ ポリスチレンとポリエチレンを成分とする発
   泡プラスチツク・フオームが常温時（23℃）の衝
   撃試験（速度；５マイル／時間）での20％圧縮応
   力が２〜10Kg／cm²、エネルギー吸収効率が65％以
   上、荷重回復率が40％以上、かつ−20℃と60℃の
   衝撃試験（速度；５マイル／時間）での温度倍率
   が２以下である特許請求の範囲第１項記載の車輌
   用衝撃エネルギー吸収バンパー。