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技術 衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体

出願人 マツダ株式会社
発明者 河村力
出願日 2015年6月10日 (5年8ヶ月経過) 出願番号 2015-117520
公開日 2017年1月5日 (4年1ヶ月経過) 公開番号 2017-002998
状態 特許登録済
技術分野 車両用バンパ 振動減衰装置
主要キーワード 板厚方向外側 円筒構造体 板厚方向中間 略直交状 次破壊 発生エネルギ 剥離破壊 製試験片
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (17)

課題

圧縮荷重が入力されたとき、繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端部を確実且つ安定的に剥離破壊させることにより、EA量を増加することができる衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体を提供する。

解決手段

後方向に炭素繊維21〜23が延びるように配列された複数の第1炭素繊維層20aと、これら第1炭素繊維層20aの炭素繊維21〜23に略直交状に交差して炭素繊維24,25が延びるように配列された複数の第2炭素繊維層20bとを備えた炭素繊維樹脂板材10で形成されたクラッシュカン1であって、圧縮荷重が入力されたとき、炭素繊維樹脂板材10の第1,第2端部12,13を第2炭素繊維層20bを介して夫々剥離させるように、炭素繊維樹脂板材10の左端側近傍部分と右端側近傍部分とに第2炭素繊維層20bからなる第1,第2途中部14,15を夫々配設した。

概要

背景

従来より、フロントサイドフレーム等の車両のフレーム構造において、衝突安全性能を向上させるために、フレーム先端に設けられたクラッシュカン衝撃吸収体)を軸方向に圧縮破壊させることによりエネルギ吸収量(以下、EA(Energy Absorption)量という)を増加させることが行われている。このクラッシュカンは、通常、金属製大型部品として形成されているため、車体重量の増加を伴う。
そこで、車体重量の軽量化を狙いとして、衝撃吸収体を強化繊維樹脂で構成することが検討されている。

強化材として使われる強化繊維は、ガラス繊維炭素繊維金属繊維等があり、母材マトリックス)と組み合わせることによって強化繊維樹脂が形成される。
このような強化繊維樹脂では、強化繊維が強度等の力学的特性分担し、母材樹脂が繊維間の応力伝達機能と繊維の保護機能を分担している。
特に、炭素繊維樹脂(Carbon-Fiber-Reinforced-Plastic: CFRP)は、高比強度(強度/比重)と高比剛性剛性/比重)、所謂軽さと強度・剛性とを併せ持つ特性を有するため、航空機や車両等の構造材料として広く使用に供されている。

特許文献1の衝撃吸収体は、連続する炭素繊維からなる繊維束配向0度(圧縮荷重入力)方向、配向90度(圧縮荷重入力直交)方向、配向45度方向になるように配列された繊維層を夫々準備し、これら繊維層間を厚さ方向糸で結合した複数の積層繊維群と、これら複数の積層繊維群を多層に重ね合わせて厚さ方向に貫通するように配列された拘束糸とを備え、マトリックス樹脂としてエポキシ系樹脂が用いられている。
これにより、圧縮荷重を受ける状態のとき、剥離破壊が厚さ方向に貫通する拘束糸が切断される荷重を超えた状態で発生するため、剥離破壊の発生エネルギエネルギ吸収に利用することができ、EA量が増加される。

概要

圧縮荷重が入力されたとき、繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端部を確実且つ安定的に剥離破壊させることにより、EA量を増加することができる衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体を提供する。前後方向に炭素繊維21〜23が延びるように配列された複数の第1炭素繊維層20aと、これら第1炭素繊維層20aの炭素繊維21〜23に略直交状に交差して炭素繊維24,25が延びるように配列された複数の第2炭素繊維層20bとを備えた炭素繊維樹脂板材10で形成されたクラッシュカン1であって、圧縮荷重が入力されたとき、炭素繊維樹脂板材10の第1,第2端部12,13を第2炭素繊維層20bを介して夫々剥離させるように、炭素繊維樹脂板材10の左端側近傍部分と右端側近傍部分とに第2炭素繊維層20bからなる第1,第2途中部14,15を夫々配設した。

目的

特許第4133840号公報






衝撃吸収体に要求される性能は、EA量が大きいことであり、更には、逐次的に圧縮破壊が進行する逐次破壊によって安定的にエネルギを吸収することである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

圧縮荷重入力方向炭素繊維が延びるように配列された複数の第1炭素繊維層と、これら第1炭素繊維層の炭素繊維に交差して炭素繊維が延びるように配列された複数の第2炭素繊維層とを備えた繊維強化樹脂板材で形成された炭素繊維樹脂構造体において、圧縮荷重が入力されたとき、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端部分を前記第2炭素繊維層を介して夫々剥離させるように、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向一端側近傍部分と他端側近傍部分とに1以上の前記第2炭素繊維層を夫々配設したことを特徴とする衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体。

請求項2

前記第2炭素繊維層の炭素繊維が前記第1炭素繊維層の炭素繊維に対して45〜90度で交差するように配列されたことを特徴とする請求項1に記載の衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体。

請求項3

前記繊維強化樹脂板材が、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向中間部分に前記第1炭素繊維層によって形成された中間部と、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向一側端部に前記第1炭素繊維層によって形成された第1端部と、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向他側端部に前記第1炭素繊維層によって形成された第2端部と、前記中間部と第1端部との間に前記第2炭素繊維層によって形成された第1途中部と、前記中間部と第2端部との間に前記第2炭素繊維層によって形成された第2途中部とを備え、圧縮荷重が入力されて前記第1端部と第2端部とが前記中間部から剥離したとき、前記第1,第2途中部の炭素繊維が、前記中間部と第1端部との間及び前記中間部と第2端部との間にファイバーブリッジを夫々形成することを特徴とする請求項1又は2に記載の衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体。

技術分野

0001

本発明は、第1炭素繊維層と第1炭素繊維層の炭素繊維に交差して炭素繊維が延びるように配列された第2炭素繊維層とを備えた衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体に関する。

背景技術

0002

従来より、フロントサイドフレーム等の車両のフレーム構造において、衝突安全性能を向上させるために、フレーム先端に設けられたクラッシュカン衝撃吸収体)を軸方向に圧縮破壊させることによりエネルギ吸収量(以下、EA(Energy Absorption)量という)を増加させることが行われている。このクラッシュカンは、通常、金属製大型部品として形成されているため、車体重量の増加を伴う。
そこで、車体重量の軽量化を狙いとして、衝撃吸収体を強化繊維樹脂で構成することが検討されている。

0003

強化材として使われる強化繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維等があり、母材マトリックス)と組み合わせることによって強化繊維樹脂が形成される。
このような強化繊維樹脂では、強化繊維が強度等の力学的特性分担し、母材樹脂が繊維間の応力伝達機能と繊維の保護機能を分担している。
特に、炭素繊維樹脂(Carbon-Fiber-Reinforced-Plastic: CFRP)は、高比強度(強度/比重)と高比剛性剛性/比重)、所謂軽さと強度・剛性とを併せ持つ特性を有するため、航空機や車両等の構造材料として広く使用に供されている。

0004

特許文献1の衝撃吸収体は、連続する炭素繊維からなる繊維束配向0度(圧縮荷重入力)方向、配向90度(圧縮荷重入力直交)方向、配向45度方向になるように配列された繊維層を夫々準備し、これら繊維層間を厚さ方向糸で結合した複数の積層繊維群と、これら複数の積層繊維群を多層に重ね合わせて厚さ方向に貫通するように配列された拘束糸とを備え、マトリックス樹脂としてエポキシ系樹脂が用いられている。
これにより、圧縮荷重を受ける状態のとき、剥離破壊が厚さ方向に貫通する拘束糸が切断される荷重を超えた状態で発生するため、剥離破壊の発生エネルギエネルギ吸収に利用することができ、EA量が増加される。

先行技術

0005

特許第4133840号公報

発明が解決しようとする課題

0006

衝撃吸収体に要求される性能は、EA量が大きいことであり、更には、逐次的に圧縮破壊が進行する逐次破壊によって安定的にエネルギを吸収することである。
そこで、本発明者は、炭素繊維樹脂構造体の逐次破壊挙動メカニズムを検討するにあたり、第1,第2の検証試験を行った。
まず、第1の検証試験の基本的な考え方について説明する。
図12に示すように、円筒状の試験片A1〜A3を試験装置50の支持台51に固定し、昇降可能な加圧部52を一定速度(30mm/min及び15km/h)の下降移動させることによって試験片A1〜A3の圧縮破壊を行い、試験片A1〜A3のEA量の計測及び破壊現象撮像を行った。
尚、試験片A1〜A3は、熱硬化性エポキシ合成樹脂を母材としてオートクレーブ成形したCFRP材を使用し、径を60mm、高さを150mmの円筒構造体に形成した。

0007

試験片A1は、圧縮荷重入力方向に炭素繊維が延びるように配列された複数の配向0度炭素繊維層を積層した配向0度繊維強化樹脂板材図13(a))によって形成した。
試験片A2は、圧縮荷重入力方向に炭素繊維が延びるように配列された配向0度炭素繊維層と、圧縮荷重入力方向に対して45度交差した方向に炭素繊維が延びるように配列された配向45度炭素繊維層と、圧縮荷重入力直交方向に炭素繊維が延びるように配列された配向90度炭素繊維層と、圧縮荷重入力方向に対して−45度交差した方向に炭素繊維が延びるように配列された配向−45度炭素繊維層とを順に積層した擬似等方繊維強化樹脂板材図13(b))によって形成した。
試験片A3は、圧縮荷重入力方向に炭素繊維が延びるように配列された配向0度炭素繊維層と、圧縮荷重入力直交方向に炭素繊維が延びるように配列された配向90度炭素繊維層とを交互に積層した0/90度繊維強化樹脂板材(図13(c))によって形成した。

0008

次に、第1の検証試験結果について説明する。
試験片A1のEA量は試験片A2のEA量よりも大きく、試験片A2のEA量は試験片A3のEA量よりも大きくなることが確認された。
図14(a)〜図14(c)に示すように、試験片A1,A2には、板厚方向中間部分に加圧部52に略直交して圧縮破壊される柱状部(以下、ピラー部という)と、板厚方向両端部分においてピラー部から剥離されて加圧部52に略湾曲状に当接する枝部(以下、フロンズ部という)が観察され、試験片A3には、ピラー部が殆ど観察されなかった。
また、試験片A1のピラー部の幅は、試験片A2のピラー部の幅よりも広く形成されていることが可視的に確認された。
以上により、ピラー部の幅が広い(太い)程、所謂フロンズ部が薄い程、EA量が大きくなることが知見された。

0009

次に、第2の検証試験について説明する。
図15(a),図15(b)に示すように、先端がテーパ状のCFRP製試験片B1と、直方体状のCFRP製試験片B2とを準備し、試験装置50(図12参照)によって圧縮破壊を行い、試験片B1,B2の変位反力とを夫々計測した。
試験片B1は、圧縮荷重入力方向に炭素繊維が一様に延びるように配列された複数の配向0度炭素繊維層を積層した繊維強化樹脂板材(図13(a)参照)によって直方体構造を形成し、その先端部を上方程幅狭になるテーパ形状に加工した。
試験片B2は、試験片B1と同様に、圧縮荷重入力方向に炭素繊維が一様に延びるように配列された複数の配向0度炭素繊維層を積層した繊維強化樹脂板材によって直方体構造を形成した。

0010

次に、第2の検証試験結果について説明する。
図16(a)に示すように、試験片B1は、先端部が加圧部52に押圧されることにより、板厚方向中間部分に剥離破壊の起点が形成され、この起点が加圧部52の下降移動に伴って下方に移行する。つまり、荷重による影響に先行して剥離破壊の起点が下方に移行するため、試験片B1の起点よりも下方部分には荷重が殆ど作用することなく、強度低下が発生しない。それ故、試験片B1は、剥離破壊によって一定の反力(荷重)を発生させることができ、安定した逐次破壊を進行させることができるものと推測される。
図16(b)に示すように、試験片B2は、先端部が一様に加圧部52に対して面当接するため、先端部には剥離破壊の起点が形成されない。それ故、応力中段部分に集中し、試験片B2は剥離破壊を生じることなく、中段部分に座屈が発生するものと推測される。
以上により、安定的な逐次破壊を発生させるためには、荷重伝搬追従且つ先行して安定的に剥離破壊する起点を形成する必要があることが知見された。

0011

特許文献1の衝撃吸収体は、剥離破壊が生じる場合には、入力した荷重を剥離破壊の発生エネルギとして吸収し、衝撃吸収体のEA効率を増加することが可能である。
しかし、通常、剥離破壊が発生するか否かは成り行き任せであるため、剥離破壊が発生しない場合には、剥離破壊の発生エネルギをエネルギ吸収に利用することができず、座屈が発生することにより、十分なEA量を確保することができない虞がある。
しかも、剥離破壊が発生する場所についても任意に設定することができないため、例え、剥離破壊を発生させることができたとしても、ピラー部の幅を安定的に広く確保することができず、ピラー部の幅が細い場合やピラー部が発生しない場合等には、期待するEA量を確保できない虞もある。

0012

本発明の目的は、圧縮荷重が入力されたとき、繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端部を確実且つ安定的に剥離破壊させることにより、EA量を増加可能な衝撃吸収用炭素繊維樹脂構造体等を提供することである。

課題を解決するための手段

0013

請求項1の発明は、圧縮荷重入力方向に炭素繊維が延びるように配列された複数の第1炭素繊維層と、これら第1炭素繊維層の炭素繊維に交差して炭素繊維が延びるように配列された複数の第2炭素繊維層とを備えた繊維強化樹脂板材で形成された炭素繊維樹脂構造体において、圧縮荷重が入力されたとき、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端部分を前記第2炭素繊維層を介して夫々剥離させるように、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向一端側近傍部分と他端側近傍部分とに1以上の前記第2炭素繊維層を夫々配設したことを特徴としている。

0014

請求項1の発明によれば、圧縮荷重が入力されたとき、繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端部分を圧縮荷重入力方向に交差する方向に炭素繊維が延びる第2炭素繊維層を介して夫々剥離させるように、繊維強化樹脂板材の厚さ方向一端側近傍部分と他端側近傍部分とに1以上の第2炭素繊維層を夫々配設したため、第2炭素繊維層の圧縮荷重入力方向に対する強度を第1炭素繊維層の圧縮荷重入力方向に対する強度よりも意図的に低下させることができ、確実且つ安定的に剥離破壊の起点を形成することができる。
これにより、第2炭素繊維層を境界部分として、第2炭素繊維層よりも板厚方向内側の第1炭素繊維層によってピラー部を形成することができ、第2炭素繊維層よりも板厚方向外側の第1炭素繊維層によってフロンズ部を形成することができる。

0015

請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記第2炭素繊維層の炭素繊維が前記第1炭素繊維層の炭素繊維に対して45〜90度で交差するように配列されたことを特徴としている。
この構成によれば、第2炭素繊維層の圧縮荷重入力方向に対する強度を第1炭素繊維層の圧縮荷重入力方向に対する強度よりも一層低下させることができ、確実に第2炭素繊維層を剥離破壊の起点にすることができる。

0016

請求項3の発明は、請求項1又は2の発明において、前記繊維強化樹脂板材が、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向中間部分に前記第1炭素繊維層によって形成された中間部と、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向一側端部に前記第1炭素繊維層によって形成された第1端部と、前記繊維強化樹脂板材の厚さ方向他側端部に前記第1炭素繊維層によって形成された第2端部と、前記中間部と第1端部との間に前記第2炭素繊維層によって形成された第1途中部と、前記中間部と第2端部との間に前記第2炭素繊維層によって形成された第2途中部とを備え、圧縮荷重が入力されて前記第1端部と第2端部とが前記中間部から剥離したとき、前記第1,第2途中部の炭素繊維が、前記中間部と第1端部との間及び前記中間部と第2端部との間にファイバーブリッジを夫々形成することを特徴としている。
この構成によれば、第2炭素繊維層によって形成された第1,第2途中部を境界部分として、中間部をピラー部、第1,第2端部をフロンズ部に形成することができる。
しかも、第1,第2途中部の第2炭素繊維層の炭素繊維を中間部の炭素繊維と第1端部の炭素繊維及び中間部の炭素繊維と第2端部の炭素繊維とに夫々連結できるため、剥離破壊の発生エネルギを増加することができ、エネルギ吸収性能を一層向上させることができる。

発明の効果

0017

本発明の炭素繊維樹脂構造体によれば、圧縮荷重によって繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端側部分に剥離破壊の起点を意図的に形成することにより、繊維強化樹脂板材の厚さ方向両端部を確実且つ安定的に剥離破壊させ、EA量を増加することができる。

図面の簡単な説明

0018

実施例1に係るクラッシュカンの斜視図である。
図1に示す領域Zの要部拡大図である。
クラッシュカンの製造工程の説明図である。
圧縮破壊時におけるクラッシュカンの撮像画像に基づく平面図である。
図4に示すピラー部の領域Xの要部拡大図である。
図4に示すフロンズ部の領域Yの要部拡大図である。
実施例1に係るクラッシュカンと軟鋼製クラッシュカンとの変位と反力に関する比較グラフである。
実施例1に係るクラッシュカンと軟鋼製クラッシュカンとのEA効率に関する比較グラフである。
実施例1に係るクラッシュカンと軟鋼製クラッシュカンとのストローク効率に関する比較グラフである。
実施例2に係るクラッシュカンの斜視図である。
図10のXI−XI線断面図である。
第1の検証実験の説明図である。
炭素繊維樹脂板材の説明図であって、(a)は試験片A1の炭素繊維層の構成、(b)は試験片A2の炭素繊維層の構成、(c)は試験片A3の炭素繊維層の構成を示す。
圧縮破壊時の撮像画像であって、(a)は試験片A1の縦断面画像、(b)は試験片A2の縦断面画像、(c)は試験片A3の縦断面画像を示す。
第2の検証実験に係る試験片の説明図であって、(a)は試験片B1の斜視図、(b)は試験片B2の斜視図を示す。
第2の検証実験結果の説明図であって、(a)は試験片B1の変位と反力に関するグラフ、(b)は試験片B2変位と反力に関するグラフを示す。

0019

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
以下の説明は、本発明を車両のクラッシュカンに適用したものを例示したものであり、本発明、その適用物、或いは、その用途を制限するものではない。
尚、図において、矢印Fは前方を示し、矢印Lは左方を示し、矢印Uは上方を示すものとして説明する。

0020

以下、本発明の実施例1について図1図9に基づいて説明する。
車両(図示略)には、左右1対のフロントサイドフレーム(図示略)の前端に左右1対のクラッシュカン1(炭素繊維樹脂構造体)の後端が夫々取り付けられている。
前方からの軽衝突等のように衝撃荷重が比較的小さい場合には、フロントサイドフレームを破損させることなく、クラッシュカン1のみが潰れることによって衝撃を吸収し、また、クラッシュカン1の変形のみで衝撃を吸収できない場合には、フロントサイドフレームが屈曲変形することにより衝撃を吸収して、車室に伝達される衝撃荷重を低減している。
左右1対のクラッシュカン1は、左右対称構造であるため、右側のクラッシュカン1について主に説明する。

0021

図1に示すように、クラッシュカン1は、前後方向に直交する面に沿った断面が略波型に構成されている。このクラッシュカン1は、略水平状上端壁下端壁との間に2つの略水平状の中間壁を有し、これらの左右方向端部同士が互い違いに上下に延びる縦壁によって連結されている。これにより、クラッシュカン1は、左側(車幅方向内側)に開口する2つの上下1対の凹部と右側(車幅方向外側)に開口する中間凹部とが上下方向に交互に形成された開断面構造に形成されている。
クラッシュカン1は、炭素繊維21〜25を強化材とした炭素繊維樹脂(CFRP)板材10(繊維強化樹脂板材)を成形(例えばホットプレス等)することによって形成されている。

0022

次に、炭素繊維樹脂板材10について説明する。
図2に示すように、炭素繊維樹脂板材10は、左右方向中間部分に設けられた中間部11と、左右両側端部に夫々設けられた第1,第2端部12,13と、中間部11と第1端部12との間の左側部分に設けられた第1途中部14と、中間部11と第2端部13との間の右側部分に設けられた第2途中部15とを備えている。
車両の正突時、クラッシュカン1に対して前方から後方に向かう圧縮荷重が入力されるため、以下、前後方向を炭素繊維樹脂板材2の圧縮荷重入力方向(配向0度)、左右方向を炭素繊維樹脂板材2の厚さ方向(配向90度)として説明する。
尚、図2では、説明の便宜上、母材(マトリックス)16を省略している。

0023

中間部11には、前後方向に延びる複数の炭素繊維21が配設され、第1,第2端部12,13には、前後方向に延びる複数の炭素繊維22,23が夫々配設され、第1,第2途中部14,15には、上下方向に延びる複数の炭素繊維24,25が夫々配設されている。

0024

炭素繊維21〜25は、何れも同じ仕様で形成されている。
炭素繊維21〜23は、炭素繊維樹脂板材10の前端から後端に亙って連続して一様に延びる単繊維フィラメント)が所定数(例えば12k)束ねられた繊維束(トウ)で構成され、炭素繊維24,25は、炭素繊維樹脂板材10の上端から下端に亙って連続して一様に延びる単繊維が所定数束ねられた繊維束で構成されている。
炭素繊維21〜25の単繊維の直径は、例えば7〜10μmである。
炭素繊維樹脂板材10の母材16には、熱硬化性エポキシ系合成樹脂が使用されている。

0025

上下方向に整列された炭素繊維21(22,23)は、左右方向に対して直交するように配設された第1炭素繊維層20aを構成している。
中間部11は、左右方向に18層積層された第1炭素繊維層20aによって形成され、第1,第2端部12,13は、単一の第1炭素繊維層20aによって夫々形成されている。
前後に整列された炭素繊維24(25)は、左右方向に対して直交するように配設された第2炭素繊維層20bを構成している。
第1,第2途中部14,15は、左右方向に2層積層された第2炭素繊維層20bによって夫々形成されている。
これにより、第1,第2途中部14,15の前後方向の強度を中間部11及び第1,第2端部12,13の前後方向の強度よりも数桁低く設定している。

0026

次に、クラッシュカン1の製造工程について説明する。
図3に示すように、クラッシュカン1の製造工程は、プリプレグ工程と、積層工程と、成形工程とからなっている。
プリプレグ工程では、炭素繊維21〜25を、一旦、一方向に揃えた状態で配列し、これら一方向に配列された炭素繊維21〜25を合成樹脂と一体化することによりフィルム状の一次中間体を形成する。そして、一次中間体の炭素繊維21〜25に母材16(例えば、熱硬化性エポキシ系合成樹脂)を含浸させたプリプレグ(第1炭素繊維層20a,第2炭素繊維層20bに相当)を作成する。

0027

積層工程では、炭素繊維21〜25が夫々規定された配向方向に整列するように各プリプレグを積層する。18層積層された配向0度のプリプレグ積層体(中間部11に相当)の両方の端面に2層の配向90度のプリプレグ積層体(第1,第2途中部14,15に相当)を夫々重ね合わせた後、配向90度のプリプレグの各々の端面に単一の配向0°のプリプレグ(第1,第2端部12,13に相当)を夫々重ね合わせている。
成形工程では、プリプレグ積層体を所定の熱間プレス機にセットし、加熱しながらプレス加工する。これらの工程により、炭素繊維樹脂板材10を素材としたクラッシュカン1を生産している。

0028

次に、本実施例のクラッシュカン1における作用、効果について説明する。
作用、効果の説明に当り、試験装置50(図12参照)によって実施例1に係るクラッシュカン1の圧縮破壊を行い、クラッシュカン1の破壊現象を撮像すると共にクラッシュカン1の変位(mm)と反力(kN)を計測した。

0029

図4に示すように、クラッシュカン1の前端側部分には、加圧部52に圧縮破壊されたピラー部に相当する中間部11と、この中間部11の圧縮破壊に先行して中間部11の左右両側から剥離破壊されたフロンズ部に相当する第1,第2端部12,13が観察された。
左右のフロンズ部は、第1,第2端部12,13に対応するように略一定で且つ中間部11の左右幅に対して非常に小さな左右幅を形成し、左右幅の大きなピラー部を安定的に形成している。

0030

図5に示すように、ピラー部に相当する中間部11は、加圧部52に対して略直交状に衝突するため、この衝突部分において略直交状に屈曲される。それ故、炭素繊維21が短スパンで切断されることから、炭素繊維21の切断エネルギをエネルギ吸収に利用でき、単位重量当りで大きなEA量を確保している。

0031

図6に示すように、フロンズ部に相当する第1,第2端部12,13は、加圧部52に対して鋭角状に衝突するため、緩湾曲状に湾曲される。それ故、炭素繊維22,23が長スパンで切断されることから、単位重量当りで中間部11よりも小さなEA量になる。
ここで、炭素繊維樹脂板材10の左右幅(板厚)は設計上規定された固定値であるため、第1,第2端部12,13の左右幅を最小にすること自体、中間部11の左右幅を最大化することと同等であり、結果的に、クラッシュカン1として最大のEA量を確保している。
しかも、剥離破壊が生じる際、剥離破壊の起点となる第1途中部14の炭素繊維24が、中間部11の炭素繊維21と第1端部12の炭素繊維22とを連結するファイバーブリッジ26を形成し、第2途中部15の炭素繊維25が、中間部11の炭素繊維21と第2端部13の炭素繊維23とを連結するファイバーブリッジ26を形成しているため、炭素繊維22,23の切断エネルギをエネルギ吸収に利用してEA量の増加を図っている。

0032

これにより、図7に示すように、本実施例のクラッシュカン1(実線)は、軟鋼製のクラッシュカン(破線)のように座屈発生に起因した反力の落ち込みを生じることなく、安定した反力を維持することができる。また、図8に示すように、クラッシュカン1は軟鋼製のクラッシュカンの略5倍のEA質量効率を示し、図9に示すように、クラッシュカン1は軟鋼製のクラッシュカンよりもストローク効率が約17%向上している。
即ち、クラッシュカン1は、衝突時、高い衝撃エネルギ吸収性能を発揮しつつ、潰れ残りが少ないことが確認された。

0033

以上により、クラッシュカン1によれば、圧縮荷重が入力されたとき、炭素繊維樹脂板材10の第1,第2端部12,13(第1炭素繊維層20a)を第1,第2途中部14,15(第2炭素繊維層20b)を介して夫々剥離させるように、炭素繊維樹脂板材10の左端側近傍部分と右端側近傍部分とに第1,第2途中部14,15を夫々配設したため、第1,第2途中部14,15の圧縮荷重入力方向に対する強度を中間部11及び第1,第2端部12,13の圧縮荷重入力方向に対する強度よりも意図的に低下させることができ、確実且つ安定的に剥離破壊の起点を形成することができる。
これにより、第1,第2途中部14,15を境界部分として、第1,第2途中部14,15よりも板厚方向内側の中間部11によってピラー部を形成することができ、第1,第2途中部14,15よりも板厚方向外側の第1,第2端部12,13によってフロンズ部を形成することができる。

0034

第1,第2途中部14,15の炭素繊維24,25が中間部11及び第1,第2端部12,13の炭素繊維21〜23に対して90度で交差するように配列されたため、第1,第2途中部14,15の圧縮荷重入力方向に対する強度を中間部11及び第1,第2端部12,13の圧縮荷重入力方向に対する強度よりも一層低下させることができ、確実に第1,第2途中部14,15を剥離破壊の起点にすることができる。

0035

炭素繊維樹脂板材2が、左右方向中間部分に第1炭素繊維層20aによって形成された中間部11と、左側端部に第1炭素繊維層20aによって形成された第1端部12と、右側端部に第1炭素繊維層20aによって形成された第2端部13と、中間部11と第1端部12との間に第2炭素繊維層20bによって形成された第1途中部14と、中間部11と第2端部13との間に第2炭素繊維層20bによって形成された第2途中部15とを備え、圧縮荷重が入力されて第1端部12と第2端部13とが中間部11から剥離したとき、第1,第2途中部14,15の炭素繊維24,25が、中間部11と第1端部12との間及び中間部11と第2端部13との間にファイバーブリッジ26を夫々形成している。
この構成によれば、第2炭素繊維層20bによって形成された第1,第2途中部14,15を境界部分として、中間部11をピラー部、第1,第2端部12,13をフロンズ部に形成することができる。
しかも、第1,第2途中部14,15の第2炭素繊維層20bの炭素繊維24,25を中間部11の炭素繊維21と第1端部12の炭素繊維22及び中間部11の炭素繊維21と第2端部13の炭素繊維23とに夫々連結できるため、剥離破壊の発生エネルギを増加することができ、エネルギ吸収性能を一層向上させることができる。

0036

次に、実施例2に係るクラッシュカン1Aについて図10図11に基づいて説明する。
実施例1のクラッシュカン1は、前後方向に直交する面に沿った断面が略波型に構成されたのに対し、実施例2のクラッシュカン1Aは、前後方向に直交する面に沿った断面が円型に構成されている。
尚、実施例1と同じ部材には、同じ符号を付している。

0037

図10図11に示すように、クラッシュカン1Aは、炭素繊維41〜45を強化材とした炭素繊維樹脂板材10Aを成形することによって形成されている。
炭素繊維樹脂板材10Aは、径方向中間部分に設けられた中間部31と、径方向外側端部に設けられた外側端部32と、径方向内側端部に設けられた内側端部33と、中間部31と外側端部32との間に設けられた外側途中部34と、中間部31と内側端部33との間に設けられた内側途中部35とを備えている。
クラッシュカン1Aは、炭素繊維樹脂板材10Aの周方向一側端部と周方向他側端部とを突き合わせて接合することにより略円筒状に構成されている。

0038

中間部31には、前後方向に延びる複数の炭素繊維41が配設され、外側及び内側端部32,33には、前後方向に延びる複数の炭素繊維42,43が夫々配設され、外側及び内側途中部34,35には、周方向に延びる複数の炭素繊維44,45が夫々配設されている。外側端部32の前端は、径方向外側程、前方に移行するように略テーパ状に形成され、中間部31、内側端部33、外側及び内側途中部34,35の前端部は、前後方向に直交するように略平坦状に形成されている。

0039

炭素繊維41〜43は、炭素繊維樹脂板材10Aの前端から後端に亙って連続して延びる単繊維が所定数束ねられた繊維束で構成され、炭素繊維44,45は、炭素繊維樹脂板材10Aの周方向に亙って連続して延びる単繊維が所定数束ねられた繊維束で構成されている。炭素繊維樹脂板材10Aの母材16は、熱硬化性エポキシ系合成樹脂である。

0040

周方向に整列された炭素繊維41(42,43)は、径方向に直交するように配設された第1炭素繊維層40aを構成している。
中間部31は、径方向に18層積層された第1炭素繊維層40aによって形成され、外側及び内側端部32,33は、単一の第1炭素繊維層40aによって夫々形成されている。
前後に整列された炭素繊維44(45)は、径方向に直交するように配設された第2炭素繊維層40bを構成している。
外側及び内側途中部34,35は、径方向に2層積層された第2炭素繊維層40bによって夫々形成されている。
これにより、外側及び内側途中部34,35によって外側及び内側端部32,33の剥離破壊の起点を確実に形成でき、特に外側端部32の剥離破壊を促進することができる。

0041

次に、前記実施形態を部分的に変更した変形例について説明する。
1〕前記実施形態においては、本発明を車両のクラッシュカンに適用した例を説明したが、これに限られず、衝撃吸収機能が必要な構造フレーム等の衝撃吸収体に適用することができる。

0042

2〕前記実施形態においては、中間部を18層、第1,第2(外側及び内側)端部を単層,第1,第2(外側及び内側)途中部を2層で構成した炭素繊維樹脂板材の例を説明したが、第1,第2途中部は3層以上又は単層でも良く、少なくとも剥離破壊の起点を形成できれば良い。また、フロンズ部を形成する第1,第2端部も、2層以上でも良く、剥離破壊の起点を形成するための第1,第2途中部と圧縮荷重入力方向の強度差を形成可能な範囲において、層数を決定することができる。

0043

3〕前記実施形態においては、配向0度の第1炭素繊維層と配向90度の第2炭素繊維層とを用いた例を説明したが、少なくとも第1炭素繊維層の炭素繊維の配向角度が圧縮荷重入力方向に対して強度的に有利であれば良く、第2炭素繊維層の炭素繊維の配向角度は第1炭素繊維層の炭素繊維の配向角度に対して交差するように配列されれば良い。好ましくは、第2炭素繊維層の炭素繊維の配向角度は第1炭素繊維層の炭素繊維の配向角度に対して45〜90の範囲であれば、高い効果を奏することができる。

0044

4〕前記実施形態においては、プリプレグ積層体を形成し、この積層体を熱間プレスして衝撃吸収用のクラッシュカンを成形した例を説明したが、プリプレグ積層体をバッキング処理し、このバッキングされたプリプレグ積層体を真空引きしながら加熱加工する真空バック法を用いても良い。
また、プリプレグを用いなくても成形は可能である。一般に知られているCFRPの成形方法を使用しても良い。例えば、炭素繊維のプリフォームを上下分離可能成形型キャビティ内にセットし、このキャビティ内に溶融させた合成樹脂を射出するRTM法によって成形しても良い。

0045

5〕前記実施形態においては、炭素繊維樹脂板材の一端から他端に亙って連続して延びる炭素繊維の例を説明したが、炭素繊維樹脂板材の一端から他端に亙って少なくとも強度的に連続していれば良く、圧縮荷重入力側の炭素繊維の長さが炭素繊維樹脂板材の圧縮荷重入力方向長さの少なくとも半分以上存在すれば本発明の効果を奏することができる。

実施例

0046

6〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態や各実施形態を組み合わせた形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態包含するものである。

0047

1,1Aクラッシュカン
10,10A炭素繊維樹脂板材
11 中間部
12 第1端部
13 第2端部
14 第1途中部
15 第2途中部
20a,40a 第1炭素繊維層
20b,40b 第2炭素繊維層
21〜25炭素繊維
26ファイバーブリッジ
31 中間部
32外側端部
33内側端部
34 外側途中部
35 内側途中部
41〜45 炭素繊維

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