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技術 エネルギー吸収部材

出願人 本田技研工業株式会社
発明者 石塚勇二
出願日 2015年6月15日 (4年1ヶ月経過) 出願番号 2015-119932
公開日 2017年1月5日 (2年6ヶ月経過) 公開番号 2017-003068
状態 特許登録済
技術分野 振動減衰装置
主要キーワード 低剛性材 材料圧縮 形状剛性 カーボン短繊維 座屈モード 圧縮剛性 四角錐台 稜線部分
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年1月5日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

課題

製造が容易でありながら、温度に依存せずに高いエネルギー吸収性能を発揮可能エネルギー吸収部材を提供する。

解決手段

エネルギー吸収部材は、材料圧縮剛性Ecが100゜Cの温度下で10GPa〜35GPaの範囲内にある熱可塑性繊維強化樹脂製の多角形状断面の中空体よりなり、軸方向荷重の入力時に粉砕モード破壊するので、エネルギー吸収部材を高品質射出成形することを可能にしながら、材料の強度や剛性が低下する高温下であってもエネルギー吸収部材を粉砕モードで圧壊してエネルギー吸収量を増加させることができる。断面の各辺の長さbに対する板厚tの比である形状剛性t/bが、(t/b)2 ・Ec≧76を満たせば、軸方向荷重の入力時にエネルギー吸収部材が粉砕モードで圧壊することを保証してエネルギー吸収量を増加させることができる。

概要

背景

モータにより回転可能なコア金型内に配置し、金型内周面およびコアの外周面間に形成されたキャビティ内に強化繊維を含む熱可塑性樹脂射出し、コアを回転させて熱可塑性樹脂を連れ回りさせることで、強化繊維が所定の方向に配向された円筒状のエネルギー吸収部材を製造するものが、下記特許文献1、2により公知である。

概要

製造が容易でありながら、温度に依存せずに高いエネルギー吸収性能を発揮可能エネルギー吸収部材を提供する。 エネルギー吸収部材は、材料圧縮剛性Ecが100゜Cの温度下で10GPa〜35GPaの範囲内にある熱可塑性繊維強化樹脂製の多角形状断面の中空体よりなり、軸方向荷重の入力時に粉砕モード破壊するので、エネルギー吸収部材を高品質射出成形することを可能にしながら、材料の強度や剛性が低下する高温下であってもエネルギー吸収部材を粉砕モードで圧壊してエネルギー吸収量を増加させることができる。断面の各辺の長さbに対する板厚tの比である形状剛性t/bが、(t/b)2 ・Ec≧76を満たせば、軸方向荷重の入力時にエネルギー吸収部材が粉砕モードで圧壊することを保証してエネルギー吸収量を増加させることができる。

目的

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、製造が容易でありながら、温度に依存せずに高いエネルギー吸収性能を発揮可能エネルギー吸収部材を提供する

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

材料圧縮剛性Ecが100゜Cの温度下で10GPa〜35GPaの範囲内にある熱可塑性繊維強化樹脂製の多角形状断面の中空体よりなり、軸方向荷重の入力時に粉砕モード破壊することを特徴とするエネルギー吸収部材

請求項2

前記多角形状断面の各辺の長さbに対する板厚tの比である形状剛性t/bが、(t/b)2 ・Ec≧76を満たすことを特徴とする、請求項1に記載のエネルギー吸収部材。

請求項3

前記多角形状断面の隣接する2辺の成す角度が150゜以下であることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載のエネルギー吸収部材。

請求項4

前記多角形状断面が正多角形であり、かつ前記多角形状断面の隣接する2辺の成す角度が135゜〜154゜であることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載のエネルギー吸収部材。

請求項5

前記多角形状断面の辺は非直線のものを含むことを特徴とする、請求項1〜請求項3の何れか1項に記載のエネルギー吸収部材。

技術分野

背景技術

0002

モータにより回転可能なコア金型内に配置し、金型内周面およびコアの外周面間に形成されたキャビティ内に強化繊維を含む熱可塑性樹脂射出し、コアを回転させて熱可塑性樹脂を連れ回りさせることで、強化繊維が所定の方向に配向された円筒状のエネルギー吸収部材を製造するものが、下記特許文献1、2により公知である。

先行技術

0003

特開平11−13806号公報
特開2000−240706号公報

発明が解決しようとする課題

0004

ところで、上記特許文献1、2に記載された熱可塑性樹脂をマトリクス樹脂とするエネルギー吸収部材は、射出成形が可能であるために安価に製造できるという利点を有するが、一般的に熱可塑性樹脂は材料特性として温度依存性が大きいため、エネルギー吸収部材として使用するには問題がある。

0005

図7グラフは、熱可塑性樹脂製のエネルギー吸収部材を水分の多い−30°Cの環境と、水分の多い90°Cの環境とで圧縮試験したときのエネルギー吸収効率単位重量当たりエネルギー吸収量)を示すものである。このグラフから明らかなように、90°Cの環境では、−30°Cの環境に比べてエネルギー吸収効率が約30%に低下することが分かる。よって、このエネルギー吸収部材を自動車のフロントサイドフレームおよびバンパービーム間に配置されるバンパービームエクステンション(クラッシュカン)として使用した場合に、気温によりエネルギー吸収効率が大きく変化するため、自動車の衝突時に発生する車体減速度が変化してエアバッグを確実に展開させることが困難になったり、乗員を保護するのに必要なエネルギー吸収性能が得られなくなったりする可能性がある。

0006

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、製造が容易でありながら、温度に依存せずに高いエネルギー吸収性能を発揮可能エネルギー吸収部材を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

上記目的を達成するために、請求項1に記載された発明によれば、材料圧縮剛性Ecが100゜Cの温度下で10GPa〜35GPaの範囲内にある熱可塑性繊維強化樹脂製の多角形状断面の中空体よりなり、軸方向荷重の入力時に粉砕モード破壊することを特徴とするエネルギー吸収部材が提案される。

0008

また請求項2に記載された発明によれば、請求項1に構成に加えて、前記多角形状断面の各辺の長さbに対する板厚tの比である形状剛性t/bが、
(t/b)2 ・Ec≧76
を満たすことを特徴とするエネルギー吸収部材が提案される。

0009

また請求項3に記載された発明によれば、請求項1または請求項2に構成に加えて、前記多角形状断面の隣接する2辺の成す角度が150゜以下であることを特徴とするエネルギー吸収部材が提案される。

0010

また請求項4に記載された発明によれば、請求項1または請求項2に構成に加えて、前記多角形状断面が正多角形であり、かつ前記多角形状断面の隣接する2辺の成す角度が135゜〜154゜であることを特徴とするエネルギー吸収部材が提案される。

0011

また請求項5に記載された発明によれば、請求項1〜請求項3の何れか1項に構成に加えて、前記多角形状断面の辺は非直線のものを含むことを特徴とするエネルギー吸収部材が提案される。

発明の効果

0012

請求項1の構成によれば、エネルギー吸収部材は、材料圧縮剛性Ecが100゜Cの温度下で10GPa〜35GPaの範囲内にある熱可塑性繊維強化樹脂製の多角形状断面の中空体よりなり、軸方向荷重の入力時に粉砕モードで破壊するので、エネルギー吸収部材を高品質に射出成形することを可能にしながら、材料の強度や剛性が低下する高温下であってもエネルギー吸収部材を粉砕モードで圧壊してエネルギー吸収量を増加させることができる。

0013

また請求項2の構成によれば、多角形状断面の各辺の長さbに対する板厚tの比である形状剛性t/bが、(t/b)2 ・Ec≧76を満たすので、軸方向荷重の入力時にエネルギー吸収部材が粉砕モードで圧壊することを保証してエネルギー吸収量を増加させることができる。

0014

また請求項3の構成によれば、多角形状断面の隣接する2辺の成す角度が150゜以下であるので、隣接する2辺が実質的に1辺として機能して形状剛性t/bが半減するのを防止することで、エネルギー吸収効率を確保することができる。

0015

また請求項4の構成によれば、多角形状断面が正多角形であり、かつ多角形状断面の隣接する2辺の成す角度が135゜〜154゜であるので、従来の円形断面のエネルギー吸収部材に比べて高いエネルギー吸収部効率を確保することができる。

0016

また請求項5の構成によれば、多角形状断面の辺は非直線のものを含むので、非直線の辺によりエネルギー吸収部材の断面積を拡大してエネルギー吸収量を増加させることができる。

図面の簡単な説明

0017

エネルギー吸収部材の形状剛性および材料圧縮剛性により決まる粉砕モード、平板座屈モードおよび全体座屈モードの説明図。
粉砕モードおよび平板部座屈モードのエネルギー吸収量の差の説明図。
エネルギー吸収部材の断面の内角が形状剛性に及ぼす影響の説明図。
正多角形断面の角数とエネルギー吸収効率との関係の説明図。
正多角形断面の好適な角数の説明図。
辺が非直線である多角形状断面の説明図。
従来のエネルギー吸収部材のエネルギー吸収効率の温度依存性を示すグラフ

実施例

0018

以下、図1図6に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

0019

図1(A)は、自動車の左右一対のフロントサイドフレームの前端にそれぞれ固定されてバンパービームの車幅方向両端部を支持する繊維強化樹脂製のバンパービームエクステンション(以下、エネルギー吸収部材という)を示すものである。エネルギー吸収部材は、フロントサイドフレーム側からバンパービーム側に向かってテーパーする矩形状断面を有する中空部材からなり、カーボンガラス不連続繊維を強化繊維として含む熱可塑性樹脂を用いて射出成形される。

0020

図1(B)のグラフは、横軸が100゜Cにおけるエネルギー吸収部材の材料圧縮剛性Ec[GPa]、縦軸がエネルギー吸収部材の形状剛性t/bであり、形状剛性t/bはエネルギー吸収部材の厚さtを1辺の長さbで割った値で定義される。エネルギー吸収部材のエネルギー吸収特性は、粉砕モード領域Aと、平板部座屈領域Bと、全体座屈領域Cとに分類される。

0021

粉砕モード領域Aは、形状剛性t/bおよび材料圧縮剛性Ecが共に大きい領域であり、軸方向の衝突荷重が入力したときにエネルギー吸収部材が粉砕するように圧壊する領域である。全体座屈領域Cは、形状剛性t/bおよび材料圧縮剛性Ecが共に小さい領域であり、軸方向の衝突荷重が入力したときにエネルギー吸収部材の全体が座屈するように圧壊する領域である。平板部座屈領域Bは、形状剛性t/bおよび材料圧縮剛性Ecに挟まれた領域であり、軸方向の衝突荷重が入力したときにエネルギー吸収部材の平板部分が座屈しながら稜線部分割れるように圧壊する領域である。

0022

本発明のエネルギー吸収部材は、形状剛性t/bおよび材料圧縮剛性Ecを粉砕モード領域Aに設定することで高いエネルギー吸収性能を得るものである。粉砕モード領域Aは、
(t/b)2 ・Ec≧76
を満たす領域として定義される。上式は、実験結果と座屈強度理論式であるカルマン有効幅理論とから求められる。

0023

材料圧縮剛性Ecが10GPa以下の低剛性材料を使用すると、形状剛性t/bを確保するために板厚tを大きくすることが必要になるが、板厚tが6mm〜7mmを超えると成形不良が発生するため、材料圧縮剛性Ecが10GPa以下では粉砕モード領域Aを実現することは困難である。逆に、材料圧縮剛性Ecが50GPa以上になると射出成形自体が不能になるため、高品質な射出成形を可能にするには、材料圧縮剛性Ecが35GPa以下であることが望ましい。

0024

材料圧縮剛性Ecが、射出成形が可能になる上限値である50GPaのとき、形状剛性t/bを0.045〜1.76√(σc/Ec)の範囲に設定することで、軸方向荷重の入力時にエネルギー吸収部材を粉砕モードで圧壊することができる。形状剛性t/bの上記範囲は、座屈強度の理論式であるカルマンの有効幅理論から求めることが可能である(図1参照)。尚、σcはエネルギー吸収部材の圧縮強度であり、材料圧縮剛性EcはJIS K 7181に基づき、樹脂および強化繊維を圧縮方向に流動させた試験片を100゜Cの絶乾状態で圧縮したときの圧縮剛性率である。

0025

図2は、粉砕モード領域Aにある四角錐台状のエネルギー吸収部材(実施の形態)と、平板部座屈領域Bにある四角錐台状のエネルギー吸収部材(比較例)とのエネルギー吸収性能を比較するものである。実施の形態は、形状剛性t/bが0.1(先端部)〜0.06(基端部)であり、マトリクス樹脂であるMXD6(ポリアミド)にカーボン短繊維を40重量%含むものである。また比較例は、形状剛性t/bが0.038(先端部)〜0.02(基端部)であり、マトリクス樹脂であるPA6(ポリフェニレンスルファイド)にカーボン短繊維を30重量%含むものである。両者とも、−30゜Cの状態に比べて100゜Cの状態で圧縮剛性Ecおよび圧縮強度σcが大幅に低下するが、エネルギー吸収量は、実施の形態では−30゜Cの状態に比べて100゜Cの状態でむしろ増加するのに対し、比較例では−30゜Cの状態に比べて100゜Cの状態で大幅に減少する。その理由は、比較例のエネルギー吸収部材は、100゜Cの状態で圧壊のストロークに対する荷重の特性が大幅に減少するためである。

0026

以上のように、本実施の形態によれば、圧縮剛性Ecおよび圧縮強度σcに温度依存性がある材料を用いても、形状剛性t/bおよび材料圧縮剛性Ecが粉砕モード領域Aにあれば、そのときの温度に殆ど影響を受けることなく、衝突荷重の入力時にエネルギー吸収部材を粉砕して高いエネルギー吸収効果を得ることができる。

0027

次に、エネルギー吸収部材の断面形状について考察する。

0028

図3(A)示すように、多角形断面の隣接する二つの辺に挟まれた内角θが例えば90°〜135゜であるとき、二つの辺は稜線によって分離されて別個の辺として機能する。しかしながら、図3(B)示すように、多角形断面の二つの辺に挟まれた内角θが例えば140°であるとき、二つの辺は僅かに屈曲する実質的に一つの辺として機能するため、辺の長bさが実質的に2倍の2bになって形状剛性t/bが半分に減少してしまい、形状剛性t/bおよび材料圧縮剛性Ecの関係が粉砕モード領域Aに入り難くなる。

0029

図4(A)の表は、エネルギー吸収部材の断面形状が同一の形状剛性t/bを有する正多角形である場合の、隣接する二つの辺に挟まれた内角θと、エネルギー吸収効率と、正四角形断面のエネルギー吸収量を1.00としたときの他の正多角形断面のエネルギー吸収量とを示すものである。この表から明らかなように、正多角形断面の角数が増加するほど内角θは増加し、エネルギー吸収効率およびエネルギー吸収量は減少する。

0030

図4(B)のグラフは、正多角形断面の内角θとエネルギー吸収効率との関係を示すものである。正四角形断面(内角θ=90゜)から正八角形断面(内角θ=135゜)まではエネルギー吸収効率が略一定であるが、正十角形以上の正多角形断面になるとエネルギー吸収効率が急激に低下する。

0031

以上の説明は形状剛性t/b=0.5の場合に対応するが、粉砕モード領域Aに対応するt/b=0.045〜1.76√(σc/Ec)の場合には、エネルギー吸収効率が急激に低下する内角θが、上記135°から135°〜150゜に増加する。その理由は、、形状剛性t/bが1.76√(σc/Ec)に向けて増加すると、エネルギー吸収部材の板厚tが増加して座屈強度が向上するからである。

0032

図5(A)に示すように、直径Dの円に内接する正多角形断面のエネルギー吸収部材が一定の板厚tを備える場合、その角数に応じてエネルギー吸収効率が変化する。即ち、図5(B)の表から明らかなように、エネルギー吸収部材が直径Dを有する板厚tの円形断面である場合には、エネルギー吸収効率は47.6[J/g]となる。この円形断面のエネルギー吸収部材よりも高いエネルギー吸収効率を得るには、エネルギー吸収部材が正八角形断面〜正十四角形断面であることが、つまり正多角形断面の内角θが135°〜154°であることが必要である。言い換えると、図5(C)のグラフから明らかなように、内角θが135°〜154°の正多角形断面のエネルギー吸収部材は、それに外接する円形断面のエネルギー吸収部材よりも高いエネルギー吸収効率を得ることができる。

0033

本発明のエネルギー吸収部材の断面形状は、図6(A)に示すように、必ずしも各辺が直線で構成された多角形である必要はなく、図6(B)に示すように、外側に弧状に湾曲する非直線であっても良い。但し、直線の辺と非直線の辺とが交差する交差部は稜線を構成し、交差部の内角θは前述した150゜以下であることが必要である。

0034

このように、多角形状の断面の何れかの辺を外側に凸に湾曲する非直線で構成することで、非直線の辺によってエネルギー吸収部材の断面積を大きくして形状剛性を増加することができる。

0035

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

0036

例えば、本発明のエネルギー吸収部材の用途は自動車のバンパービームエクステンションに限定されるものではない。

0037

またエネルギー吸収部材の断面形状は実施の形態に示したものに限定されず、星形等を含むものとする。

0038

またエネルギー吸収部材のマトリクス樹脂はMXD6(ポリアミド)に限定されず、PPS(ポリフェニレンスルファイド)やPA9T(ポリアミド)等であっても良い。

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