JP4967179B2 - 自動車の中空車体要素を補強する装置及び、対応する方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に、衝突が発生したときにエネルギーを吸収できるように能力向上させることにより、閉鎖した断面を有する自動車の中空車体要素を補強する装置に関する。

自動車製造において現在の主要な要求は容積の拡大である。

このため、自動車製造業者は、人間光学的及びスタイル的な理由により、キャビンの内部において、二つの対面するドアの間の距離を大きくすることを試みている。

もちろん、容積を拡大する一つの方法は、ドアキャッピングの厚さを薄くすることである。しかしながら、安全性の低下を無視して行うことはできない。

「ドアキャッピング」という用語は、明細書においては、車両の長手方向に平行に延び、ドアの厚みの中で構成されている長手伸長部材を意味する。通常二つのセクションを互いに組み立てることによって構成される中空要素が存在し、これらは、事故によって生じる衝突の際にドアが受けるエネルギーの一部を吸収するように機能する。

このような側面衝突において、ドアキャッピングによるエネルギーの吸収は有効である。

種々のタイプの衝突において、衝突エネルギーを吸収するために容積を最適化するように構造の剛性を調整することは利点となり得る。

比較的弱い側面衝突の際に、キャッピングが初期の形状を保持することは重要であるが、さらに強い衝突の際には、キャッピングの容積を増加させることによってエネルギーを吸収することが重要となる。

文献ＵＳ−Ａ−５８４５９３７、ＤＥ−Ａ−１００２２０９４、ＧＢ−Ａ−２３６２１３８、ＵＳ−Ａ−５８４５９３７、ＵＳ−Ａ−５６１５９１４には、自動車の車体に一体的に組み込まれ又は装備される要素が、衝突が検出された際にエネルギーを吸収する容積が大きくなるような方法で変形するシステムが開示されている。

ＵＳ−Ａ−５８４５９３７ ＤＥ−Ａ−１００２２０９４ ＧＢ−Ａ−２３６２１３８ ＵＳ−Ａ−５８４５９３７ ＵＳ−Ａ−５６１５９１４

これをすることにより、これらの要素の断面が拡張することにより慣性モーメントが増加する。このシステムにおいては、要素内部の圧力を増加させることによりその断面を拡張する対策を講じている。圧力の増加は、火薬の燃焼によるガスの発生によって達成することができる。

実際には、このテクニックはエアバッグが膨張するのに似ている。

この動作による欠点は、要素内部の圧力が構造物を変形させるのに十分に大きい必要がある点である。したがって、大量のガスを発生させる必要があり、さらに大量の火薬が必要となる。

加えて、圧力の増加により要素の壁が変形すると、体積を維持するためにガスを発生させ続ける必要がある。

このような状況において、衝突が検出されてから車体要素が効果的に変形するまでの経過時間は、１０から数１０ミリ秒のオーダーとなる。
残念ながら、この時間は変形による効果を有効にするためには長すぎる。

本発明は、シンプルな技術により、今まで採用されてきた手段から完全に外れることなく、上記のような欠点を緩和するものである。

本発明の第一の態様は、閉鎖した断面を有する自動車の中空車体要素を補強する装置において、その装置は、衝突を検出したときに内部スペースにおいて衝撃波又は圧縮波を受けるのに適した手段を備えたことを特徴とし、前記波によって生成されるエネルギーは要素の断面を拡大して変形させるのに十分となっている。

この装置の他の特徴は有効であるが、これに限定されるものではない：
・前記手段は火工材料を含む。
・前記火工材料は少なくとも一つの爆発又は爆燃コードの形式をとる。
・前記火工材料は、その内面に形成された火薬コーティングである。
・前記火工材料を含んだガス発生器と連結され、前記材料の燃焼によって生成されるガスは前記要素の中に放出され、その結果、前記要素中の圧縮波が当該要素の断面積を拡張して変形させるのに十分である。
・中空要素の変形後に当該中空要素を充填する手段を含む。

本発明の第二の態様は、中空自動車車体要素を変形させる方法において、前記要素が閉鎖断面を有し、衝突の間エネルギーを吸収するように容積が拡大する。

この方法は、基本的には前記衝突を検出したときに、要素の内部空間が衝撃波又は圧縮波を受け入れ、これによって前記波によって生成されるエネルギーが前記要素の断面を拡張し変形させるのに十分である。

この波は、１ミリ秒から数ミリ秒、特に５ミリ秒より短い非常に短い時間で、圧力差が広がることを保証する。

この継続時間により要素が変形し、衝突によって生じる大きなエネルギーを十分効果的に吸収する。

この方法の他の特徴は有効であるが、これに限定されるものではない：
・前記波は火工材料を使用することによって生成される。
・前記波は、前記要素の内部空間に配置される少なくとも爆発又は爆燃コードによって生成される。
・前記コードが配置された前記内部空間が固形充填材料によって充填されている。
・前記充填材料が、ポリマー、粒状材、又は発泡材である。
・前記波は、前記要素の内面に設けられた火薬コーティングを用いて生成される。
・前記コーティングは、変形されるべき前記要素の内面の各ゾーンに形成されている。
・前記火工材料を含むガス発生器を使用し、前記材料の燃焼によって生成されるガスが前記要素の中に放出され、これによって前記要素の中に得られる圧力波が要素の断面を拡張し変形させるのに十分である。

本発明の他の特徴及びメリットについては、以下に示す実施例の説明によって明確になる。この説明は、添付図面を参照し、限定されない実施例の形式で提供される。

以下の説明は、基本的には自動車のドアキャッピングを一例として示される。しかしながら、本発明は他の中空自動車車体要素に同様に適用可能であり、前記要素は閉鎖断面(closed
right section)を有する。

用語「閉鎖断面を有する中空要素」は、単一の素材又は複数の部分を溶接などで組み立てることによって構成される全ての要素に対して使用され、周囲が閉鎖（密閉）された構造となっている。例えば、対向する端部が互いに離れている通常Ｃ字型の開放（オープン）部材は含まれない。しかしながら、長手方向の対向する端部がオープンな状態であってもよい。

「中空要素」は、内部が中空となるように構成されるが、中空内部が他の素材によって充填されていてもよい。

本発明の方法は、本質的に、衝突が原因刺されたら直ちに要素の内部スペースが衝撃波又は圧縮波を受け入れるように構成され、その波によって生成されるエネルギーが、要素の断面を増加させるために要素を変形させるのに十分である。火工材料は、好ましくはその波を生成するのに用いられる。

この目的のため、要素の構造は、特定の火工物質の爆燃又は爆発によって変形し、この時、ガスの供給により要素の内部を加圧することができる。

燃焼は、空気中を伝わる音速よりも速い場合には、「爆燃」と呼ぶ。火薬材料の中で音速よりも速いスピードで伝わる場合には、「爆発」と呼ぶ。

爆燃は、化学タイプの破裂であり、熱伝導率によって反応帯が伝わる。

実行されるプロセスは以下の通りである：燃焼物質のパーティクルが隣接するパーティクルを加熱し温度を上昇させる。所定の温度よりも高い温度で、これらのパーティクルが点火及び燃焼を交互に行い、隣接するパーティクルを加熱するなど。所定の組成において、爆燃の進行速度は、起爆モード、封じ込め、周囲の状況など数多くのファクターに依存する。

爆燃は、化学タイプの破裂であり、衝撃波（爆音波）によって反応帯が伝わる。

パーティクルに到達すると、衝撃波は強い圧縮力を生成し、その結果その材料を急激に加熱する。これにより、パーティクルが発火し、その燃焼により衝撃波を支えるのに必要なエネルギーを取り除き、同様のプロセスが隣接するパーティクルに対して繰り返される。伝わる速さは、使用される爆薬の自然の機能である。

その材料は、熱的着火、点火（爆発衝撃波＋熱的着火）、衝突（例えば、事故自体による衝突）又は摩擦によって起爆される。に

図１を参照すると、ベローズの形式において、環状(circular)の断面を有するキャッピング１の金属要素又は部材が示されている。

その壁が符号１２よって示され、その内面が符号１１によって示されている。

二つの平行な面１２及び１３と、互いに対向する二つのジグザグ面１４及び１５が見られる。

面１２及び１３は本車両の長手軸に対して平行に配置され、面１２は、例えば、車両の外側に向かって面する面として構成される。

要素の内部空間Ｅにおいて、長手中心軸上にさらに正確に、好ましくは要素１と同程度の長さを有する導爆線２が延びている。

他の実施例においては（図示せず）、平行な２本の線を使用することができる。

導爆線に代えて、爆燃コードを使用することができ、これによって、圧縮波を生成するだけでなく、構造体を加圧するのに適したガスを生成することができる。

前記空間Ｅは、ポリマー、粒状物、又は発砲剤のような固形フィラー剤によって充填されている。

このような物質の例としては、ゴム基材、砂又はシリカビーズ、ポリウレタンフォームを各々使用することができる。

コードが中心部分に配置されていると、コードが燃焼したときに、壁が規則的、すなわち全ての方向に、完全に変形する。

固形フィラー剤の存在により、燃焼波の変形すべき壁までの移動が促進される。

一例として、コードを構成する火工材料の重さは約１．５ｇであり、５ミリ秒よりも短い時間で変形する。

図２に示す実施例において、要素は図１に示すものと同様の形状をしている。

しかしながら、この実施例においては、内面１１は火薬材料及びバインダーの混合物からなるコーティング４でカバーされている。当然、堆積コーティングの厚さは変形する壁１０の厚さにとって最適でなければならない。厚さの比率が大きすぎると、壁に穴が開いてしまう。

図３は、コーティングが破裂した後の要素１を示す。

図示の通り断面が相当に拡大している。

当然、要素が初期にベローズ形状であると、基本的にこの変形が厚さ方向、すなわち、面１２及び１３を横切って発生する。

当然、爆燃又は爆発物質によって得られる要素の急速な変形は、前記内部スペースＥを加圧するガスの生成と関連可能であり、これによって、要素の容積が更に増加して衝突のエネルギーを吸収する。しかしながら、以前の場合にも、ガスそれ自体は壁１０を非常に短い時間、すなわち約数ミリ秒、で変形させることを補償するには充分ではない。

変形後に構造体を硬化させるために、ドアキャッピングに対して平行に（すなわち、面１２及び１３に平行に）変形する前に、内部にブレードを一体的に設け、展開して９０度まで回転させることは予測可能である。

爆発又は爆燃によってもたらされるエネルギーは、金属構造体を塑性変形させることができる。これは、自然に初期の形状に戻るものではない。

図４に示す実施例においては、コーティング４を使用している。このコーティングは、要素１の全面を被っているが、車室内側に向いた面１３は除かれる。

その結果、図５に示すように、変形状態は非対称となる。

このようなことは、衝突の際に車室内部で要素が占領するスペースを最小限に抑えるためには適切である。

この非対称な変形は、側面を強化してその部分を変形させないことによっても得ることができる。

しかしながら、この場合、要素の全体の重さが増加し、車両を軽量化するという最近のトレンドに反することになる。

最後に、図６及び図７に示す実施例において、エアバッグを膨張させるタイプと同じタイプのガス発生器５を使用する。

従来は、このようなシステムにおいて、ガス発生器によりファブリック又は他の袋状部材を膨張させ加圧している。ガスは、プロペラントを燃焼させることによって得られ、さらに／又は高圧容器から取り出すことによって得られる。

しかしながら、このようなガスの蓄積は、非常に遅いため、側面衝突の時間を考えると、金属構造体を変形させることができない。

本発明は、他の物理現象を利用しており、すなわち、充分に短い時間で構造体を変形させる圧縮波Ｐを用いている。

このような発生器５によるさらなるメリットは、車両の内部に使用するものとして、完全に安全な火工材料を使用できることにある。

ガス発生器、さらに正確には「圧縮波発生器」は、圧縮波Ｐによって最大量のエネルギーが伝搬され、圧縮波の後のガスによって最小限のエネルギーが伝搬されるように構成されている。

発生器５の燃焼チャンバーの構造は、チャンバーが開いたときに最も高いエネルギー圧縮波を発生できるように、最高の圧力に到達可能であることが必要である。

この圧縮波Ｐは、燃焼チャンバーと外部との間の圧力差によってほとんどの部分で生成されるが、火薬の燃焼によっても得ることができる。

本発明の他の態様においては、金属構造体の内部における波の伝搬を促進するものとして、空気以外の他の物質を使用することが可能である。この物質は、固体すなわち、ポリマー、多孔質の物質又は粒状物質、又は液体物質とすることができる。また、これは周辺空気よりも密度の高いガスによって構成することができる。

車両が側面衝突に遭遇したときに、電気信号がガス発生器に送信され、始動する。燃焼チャンバーのなかでプロペラントが燃焼し、チャンバーの初期圧力が上昇する。そして、規定の圧力で発生器のカバーが開き、ガスがドアキャッピング内部に放出される。この圧力差により、圧縮波Ｐが発生し、物質（上述した固形、液体又はガス状）を介して移動し、構造体を変形させる。

本発明の方法及び装置は他の構造にも適用可能であり、車両の長手方向側面部材、乗員がシートベルトの下を滑って移動することを防ぐ腰部拘束装置（ＰＲＣ）用の金属ケースなどに適用可能である。

本発明に係る装置及び方法による主な効果は以下の通りである：
・車両内での使用に適した加工物としての基準に沿ったプロペラントの使用が可能となる；
・初期状態においてコンパクトなドアキャッピングを使用することにより、車両の容積が拡大する；
・ドアキャッピングが速やかに変形し、衝突を検出してからキャッピングが加圧されるまでの有効な時間において、これによって、そのエリアの二次モーメントが急速に増加する；
・金属構造体の変形に目標を設定することが可能である；そして
・金属構造体の変形が幾何学的に最適である。

図１は、起爆構造が統合された自動車ドアキャッピングの一部の実施例を示す断面図であり、変形前の状態を示す。 図２は、キャッピングの断面図であり、変形前の状態を示し、内面が火薬コーティングされている。 図３は、キャッピングの断面図であり、変形後の状態を示し、内面が火薬コーティングされている。 図４は、上述した二つの図と類似しているが、火薬コーティングがキャッピングの内面の一部にのみ形成されている点が異なる。 図５は、上述した二つの図と類似しているが、火薬コーティングがキャッピングの内面の一部にのみ形成されている点が異なる。 図６は、さらに変形前の状態を示す断面図であり、キャッピングが圧縮波火工ガス発生器に接続されている。 図７は、さらに変形後の状態を示す断面図であり、キャッピングが圧縮波火工ガス発生器に接続されている。

Claims (13)

1. 閉鎖した断面を有する自動車の中空車体要素（１）を補強する装置において、
   前記中空車体要素（１）の内部空間（Ｅ）に設けられ、衝突を検出したときに当該内部空間（Ｅ）にエネルギー波を生成する爆燃要素を備え、
   前記中空車体要素（１）は初期状態において空間断面がベローズ状の領域を有するように折り畳まれ、
   前記エネルギー波は、それ自体によって、前記中空車体要素（１）をベローズ状に展開して断面を拡大することによって、当該中空車体要素（１）を展開、変形可能に構成されることを特徴とする装置。
2. 前記爆燃要素は、ガスを発生するが、当該ガス自体では前記中空車体要素（１）を充分に変形できないことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記爆燃要素は、爆発又は爆燃コード（２）を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記爆燃要素は、前記中空車体要素（１）の内面に形成された火薬コーティング（４）を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の装置。
5. 前記爆燃要素は、前記中空車体要素（１）に連結され、前記内部空間（Ｅ）に前記ガスを供給するガス発生器（５）を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の装置。
6. 前記中空車体要素（１）の変形後に前記内部空間（Ｅ）を充填する手段を更に含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の装置。
7. 閉鎖断面を有する自動車の中空車体要素（１）を補強し、衝突時のエネルギーを吸収する能力を向上させる方法において、
   前記中空車体要素（１）は初期状態において空間断面がベローズ状の領域を有するように折り畳まれ、
   衝突を検出したときに、前記中空車体要素の内部空間（Ｅ）に収容された爆燃要素によって前記内部空間（Ｅ）にエネルギー波を生成し、
   前記エネルギー波は、それ自体によって、前記中空車体要素（１）をベローズ状に展開して断面を拡大することによって、当該中空車体要素（１）を展開、変形可能であることを特徴とする方法。
8. 衝突を検出したときに前記中空車体要素（１）の前記内部空間（Ｅ）にガスを供給する工程を含み、
   前記ガス自体では前記中空車体要素（１）を充分に変形できないことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記エネルギー波は、前記要素の内部空間に配置される少なくとも爆発又は爆燃コード（２）によって生成されることを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
10. 前記コード（２）が配置された前記内部空間（Ｅ）が固形充填材料（３）によって充填されていることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記充填材料（３）が、ポリマー、粒状材、又は発泡材であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記エネルギー波は、前記中空車体要素（１）の内面（１１）に設けられた火薬コーティング（４）を用いて生成されることを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
13. 前記コーティング（４）は、変形されるべき前記中空車体要素（１）の内面（１１）の所定の領域に部分的に形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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