JP6558316B2

JP6558316B2 - 荷重エネルギ吸収材

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Publication number: JP6558316B2
Application number: JP2016133529A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　博之; 博之鈴木; 神谷　隆太; 隆太神谷; 良平辻
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2036-07-05
Also published as: JP2018003994A; WO2018008340A8; EP3483468A4; US20190323574A1; WO2018008340A1; EP3483468A1; CN109416100A

Description

本発明は、荷重エネルギ吸収材に関する。

自動車（車両）には衝突時における車体及び搭乗者の保護のため、一般に車体の前後に衝突時の衝撃エネルギを吸収するバンパが取り付けられている。バンパは自動車が障害物と衝突した際に加わる大きな負荷に対して非可逆的にエネルギを吸収する必要がある。バンパの支持構造として、バンパを荷重エネルギ吸収材としてのクラッシュボックスを介してフロントサイドメンバに支持する構成がある。

クラッシュボックスには、衝突時の荷重エネルギ吸収による乗員保護、機能部品損傷低減の役割の他に、車両が故障等により自走できない場合、他車で引張って安全な場所（修理場所）へ移動させる際、あるいは、移動台車に固定して輸送する際に、曲げ荷重をフロントサイドメンバへ伝達し、車両移動、車両固定の各安全性を確保する役割がある。

図８に示すように、特許文献１に開示の荷重エネルギ吸収材８０は、繊維強化樹脂製であり、波形状に近い梁部８１と、梁部８１の一方の端部８１ａに一体の取付部８２とを備える。梁部８１の凹凸が連続する方向に沿った断面形状は、並列に設けられた２つの溝８３を有する開き断面形状である。

梁部８１において、２つの溝８３が並ぶ方向であり、凹凸が連続する方向を短手方向とし、溝８３の延びる方向を長手方向とする。各溝８３は、溝８３の底面を形成する矩形平板状の底壁８３ａと、溝８３の側面を形成する矩形平板状の側壁８３ｂとから形成されている。また、梁部８１は、底壁８３ａと側壁８３ｂが繋がる部分にコーナ８３ｃを備える。

取付部８２に挿通されたボルト８５が、バンパリインフォースメント８６に挿通され、かつボルト８５にナット８７が螺合されて、荷重エネルギ吸収材８０がバンパリインフォースメント８６に固定されている。そして、バンパリインフォースメント８６に対し、矢印Ｒで示す方向の衝撃荷重がバンパリインフォースメント８６に加わった場合、荷重エネルギ吸収材８０が溝８３の長手方向に圧縮破壊することにより衝撃荷重エネルギを吸収する。

特開２００７−８２８３号公報

ところで、荷重エネルギ吸収材８０においては、衝撃荷重が加わった場合、梁部８１のコーナ８３ｃに応力集中が発生しやすい。コーナ８３ｃの強度が確保されていないと、圧縮破壊が好適に行われず、衝撃荷重エネルギを吸収しきれない虞がある。コーナ８３ｃの強度を確保するためには、コーナ８３ｃの厚みを増加させたり、別部品による補強等が必要になったりする。しかし、コーナ８３ｃの厚みを増加させて強度を確保した場合には、コーナ８３ｃだけでなくその周囲（底壁８３ａや側壁８３ｂ）の厚みも増加してしまい、荷重エネルギ吸収材８０の質量が増加する。また、コーナ８３ｃに別部品を宛って強度確保した場合には、別部品がコーナ８３ｃから剥離するのを防止するための接合（スティッチ）が必要となり、コスト及び質量が増加する。

本発明の目的は、コスト及び質量の増加を必要最小限に抑えつつ、コーナの強度を確保できる荷重エネルギ吸収材を提供することにある。

上記問題点を解決するための荷重エネルギ吸収材は、多層織物又は積層織物を強化基材とし、樹脂をマトリックスとした繊維強化樹脂製であり、前記強化基材を屈曲させて形成されたコーナを備える荷重エネルギ吸収材であって、前記強化基材における少なくとも前記コーナを形成する部分に、前記多層織物又は積層織物の各織物層を結合する結合糸条が、前記多層織物又は積層織物をそれぞれ厚さ方向において２つ以上に分割する状態で結合することにより分割された前記織物層の間にスリットを備え、前記スリットの内部に収容された強化部材を備えることを要旨とする。

これによれば、コーナを備える荷重エネルギ吸収材に対し、荷重入力方向から衝撃荷重が加わると、コーナには応力集中が発生するが、コーナは強化部材によって強度が確保されているため、荷重エネルギ吸収材が荷重入力方向に好適に圧縮破壊され、衝撃荷重エネルギが吸収される。

このような荷重エネルギ吸収材において、多層織物又は積層織物を厚み方向に分割してスリットを設け、そのスリットに強化部材を収容してコーナの強度を確保している。よって、コーナの強度を確保するために、強化基材である多層織物又は積層織物の織物層の数や、厚みを増やす必要がなく、コーナの強度を確保するためにコーナ以外の箇所の厚みが増加することもない。よって、荷重エネルギ吸収材の質量が必要以上に増加することもない。また、強化部材をスリットに収容しているため、コーナに別部品を宛う必要もなく、その別部品がコーナから剥離するのを防止するための接合も必要ない。よって、荷重エネルギ吸収材の質量の増加、及び製造コストが嵩むこともない。

また、荷重エネルギ吸収材について、前記強化部材は強化繊維であるのが好ましい。
これによれば、強化部材と強化基材が共に強化繊維製である。このため、強化繊維と異なる材料が混在することによる強度低下を抑制できる。

また、荷重エネルギ吸収材について、前記強化部材は、前記強化繊維の糸主軸方向を単一方向に配列させ、かつ前記糸主軸方向を荷重入力方向とした構造である。
これによれば、強化繊維によって、荷重入力方向に対する強度を高めることができる。

本発明によれば、コスト及び質量の増加を必要最小限に抑えつつ、コーナの強度を確保できる。

バンパリインフォースメントとクラッシュボックスとを示す平面図。クラッシュボックスを示す斜視図。クラッシュボックスを示す断面図。スリットが形成された状態の多層織物を示す部分模式図。（ａ）はスリットを備える多層織物を示す部分斜視図、（ｂ）は底側コーナを形成した状態を示す部分斜視図、（ｃ）はスリットを開口させた状態を示す部分斜視図、（ｄ）はスリットに強化繊維を挿入する状態を示す部分斜視図。積層織物を示す模式図。底側コーナの別例を示す部分断面図。背景技術を示す斜視図。

以下、荷重エネルギ吸収材をクラッシュボックスに具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１に示すように、車体を構成する左右一対のフロントサイドメンバ１１には、ブラケット１２を介して荷重エネルギ吸収材としてのクラッシュボックス２０が、それぞれ後端において固定されている。両クラッシュボックス２０の前端にはバンパリインフォースメント１４が固定されている。

図２に示すように、クラッシュボックス２０は、多層織物４０を強化基材とし、樹脂１３をマトリックスとした繊維強化樹脂製である。図４に示すように、多層織物４０は、経糸４１と緯糸４２を織製して形成されている。経糸４１は、多層織物４０の緯糸４２と交絡している。この交絡によって、多層織物４０の各織物層４４が分離不能に拘束されている。よって、経糸４１は、多層織物４０の各織物層４４を結合する結合糸条を構成する。本実施形態では、経糸４１及び緯糸４２は強化繊維としての炭素繊維で形成されている。

図２に示すように、クラッシュボックス２０は、波形状に近い梁部２１を備える。梁部２１の凹凸が連続する方向に沿った断面形状は、並んだ２つの溝２２を有する開き断面形状である。梁部２１において、２つの溝２２が並ぶ方向であり、凹凸が連続する方向を短手方向とし、溝２２の長手が延びる方向を長手方向とする。クラッシュボックス２０は、梁部２１の長手方向に沿って荷重が入力される状態で使用される。

梁部２１において、多層織物４０の経糸４１は、梁部２１の短手方向に蛇行する状態で延び、多層織物４０の緯糸４２は、梁部２１の長手方向に蛇行することなく延びる状態である。梁部２１は、多層織物４０を開き断面形状に賦形することで形成されている。

梁部２１の各溝２２は、溝２２の底を構成する矩形平板状の底壁２２ａと、底壁２２ａの一対の長縁部から突出する矩形平板状の側壁２２ｂと、から形成されている。梁部２１は、短手方向に隣り合う溝２２を繋ぐ矩形平板状の連結部２２ｃを備える。

また、梁部２１は、短手方向の両端に位置するフランジ部２２ｄを備える。各フランジ部２２ｄは、各溝２２を形成する側壁２２ｂのうち、連結部２２ｃと連結されていない側壁２２ｂの長縁部から突出している。したがって、梁部２１の短手方向には、一方のフランジ部２２ｄ、一方の溝２２、連結部２２ｃ、他方の溝２２、及び他方のフランジ部２２ｄが並んでいる。

梁部２１は、各溝２２の底壁２２ａ寄りに２つの底側コーナ２４を備える。底側コーナ２４は、平板状の多層織物４０を屈曲させて形成されている。底側コーナ２４は、各溝２２の底壁２２ａと側壁２２ｂの稜線に沿う部分にあり、梁部２１の長手方向に延びる。また、梁部２１は、各溝２２と連結部２２ｃとの稜線に沿う部分に連結部側コーナ２５を備え、各フランジ部２２ｄと側壁２２ｂとの稜線に沿う部分にフランジ部側コーナ２６を備える。

クラッシュボックス２０は、梁部２１の長手方向の一端部に第１取付部３１を備え、梁部２１の長手方向の他端部に第２取付部３２を備える。第１取付部３１及び第２取付部３２は、多層織物４０を賦形して形成されている。第１取付部３１及び第２取付部３２は平板形状である。第１取付部３１及び第２取付部３２の面方向は、梁部２１の長手方向に直交している。

第１取付部３１及び第２取付部３２は、梁部２１の長手方向の各端部から屈曲している。第１取付部３１は、連結部２２ｃ及びフランジ部２２ｄの表面から溝２２が凹む方向とは逆方向に向けて各フランジ部２２ｄ及び連結部２２ｃの長手方向一端から突出した形状である。第２取付部３２は、連結部２２ｃ及びフランジ部２２ｄの表面から溝２２が凹む方向に向けて各フランジ部２２ｄ及び連結部２２ｃの長手方向他端から突出した形状である。

第１取付部３１及び第２取付部３２は、螺子孔３１ａ，３２ａを備える。第１取付部３１の螺子孔３１ａに挿通されたボルト３３は、バンパリインフォースメント１４を貫通している。バンパリインフォースメント１４を貫通したボルト３３にナット３４が螺合され、クラッシュボックス２０がバンパリインフォースメント１４に固定されている。第２取付部３２の螺子孔３２ａに挿通されたボルト３３は、フロントサイドメンバ１１及びブラケット１２を貫通している。フロントサイドメンバ１１及びブラケット１２を貫通したボルト３３にナット３４が螺合され、クラッシュボックス２０がブラケット１２を介してフロントサイドメンバ１１に固定されている。

次に、クラッシュボックス２０における底側コーナ２４の強度を確保するための構成について説明する。
図３に示すように、底側コーナ２４に繋がる底壁２２ａ及び側壁２２ｂとなる部分は、多層織物４０の本体部４０ａで構成されている。本体部４０ａは、多層織物４０の全ての織物層４４が、図示しないが結合糸条としての経糸４１で結合されている。その一方で、底側コーナ２４は、多層織物４０の分割部４０ｃで構成されている。

図４に多層織物４０を模式的に示す。なお、図４では、底側コーナ２４を形成する前の多層織物４０を示している。分割部４０ｃは、多層織物４０の本体部４０ａの織物層４４に続く織物層４４が、それら織物層４４の厚さ方向（積層方向）においてスリット４０ｂにより２つに分割されて構成されている。２つの分割部４０ｃのそれぞれの織物層４４は経糸４１（結合糸条）で結合されている。２つの分割部４０ｃの織物層４４の数は、本体部４０ａの織物層４４の半分の数である。

図３に示すように、底側コーナ２４は、２つの分割部４０ｃが互いに離れる状態にスリット４０ｂを開いた形状である。底側コーナ２４は、２つの分割部４０ｃで囲まれた収容部２８を備える。収容部２８は筒状であり、スリット４０ｂを開くことで筒状となった２つの分割部４０ｃによって形成されている。よって、収容部２８はスリット４０ｂでもある。収容部２８は、梁部２１の長手方向に延びる状態である。

クラッシュボックス２０は、底側コーナ２４の収容部２８に収容された強化部材２９を備える。クラッシュボックス２０の強化部材２９は、複数本の強化繊維２９ａである。強化部材２９において、複数本の強化繊維２９ａは単一方向に配列されている。各強化繊維２９ａの糸主軸方向は、梁部２１の長手方向に配向されている。梁部２１において、強化繊維２９ａの配向角度を０度とする。強化繊維２９ａは、梁部２１の長手方向に直線状に延びる状態で収容部２８に充填されている。なお、強化部材２９の強化繊維２９ａは、経糸４１及び緯糸４２と同じ炭素繊維製である。

クラッシュボックス２０は、荷重入力方向が梁部２１の長手方向となるように使用される。よって、クラッシュボックス２０の底側コーナ２４には、強化繊維２９ａの糸主軸方向が荷重入力方向に延びる状態に収容されている。その結果、クラッシュボックス２０は、強化部材２９によって荷重入力方向に対する強度が、底側コーナ２４以外の部分（底壁２２ａ、側壁２２ｂ、連結部側コーナ２５及び２６）に比べて高められている。

上記構成のクラッシュボックス２０において、図１の矢印Ｙで示す方向の衝撃荷重がバンパリインフォースメント１４に加わった場合、クラッシュボックス２０が梁部２１の長手方向に圧縮破壊することにより衝撃荷重エネルギが吸収される。クラッシュボックス２０の底側コーナ２４においては、強化部材２９の強化繊維２９ａが衝撃荷重エネルギを吸収する。クラッシュボックス２０においては、衝撃荷重の吸収を目的とする態様で達成できるように、強化部材２９における強化繊維２９ａの数や、採用する強化繊維２９ａの種類が設定される。

次に、クラッシュボックス２０の製造方法を説明する。なお、図５（ａ）〜図５（ｄ）を用いて製造方法を説明するが、図５（ａ）〜図５（ｄ）では、底側コーナ２４となる部位付近のみを示し、その他の部位の図示は省略している。

まず、図５（ａ）に示すように、多層織物４０を矩形平板状に織製する。なお、多層織物４０は、長手方向両端面に正面視矩形状の端面４０ｄを備え、端面４０ｄの短手方向を多層織物４０の厚み方向（積層方向）とし、端面４０ｄの長手方向を多層織物４０の幅方向とする。

多層織物４０の厚みは、梁部２１における底側コーナ２４を除いたその他の部位の厚みと同じとなるようにする。多層織物４０は、多層織物４０の厚み方向の中間部に、厚み方向に隣り合う織物層４４が分離可能なスリット４０ｂを有する。多層織物４０は、スリット４０ｂよりも幅方向両端側の織物層４４は図示しない経糸４１によって厚み方向に結合されている。スリット４０ｂは、多層織物４０の長手方向の全長にわたって形成されている。

次に、多層織物４０を賦形して梁部２１、第１取付部３１、及び第２取付部３２を形成する。梁部２１を形成するとき、図５（ｂ）に示すように、スリット４０ｂの長手方向の中間部から多層織物４０を屈曲させて底側コーナ２４が形成される。

次に、図５（ｃ）に示すように、多層織物４０において、２つの分割部４０ｃを厚み方向に広げてスリット４０ｂを開くことにより、筒状の収容部２８を形成する。
次に、図５（ｄ）に示すように、収容部２８に複数本の強化繊維２９ａを挿入する。このとき、強化繊維２９ａの糸主軸方向が、多層織物４０の長手方向に直線状に延びる状態に強化繊維２９ａを挿入し、収容部２８に強化繊維２９ａを充填する。そして、樹脂１３が多層織物４０に含浸硬化されるとクラッシュボックス２０が完成する。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）クラッシュボックス２０の底側コーナ２４において、多層織物４０を厚み方向に分割するスリット４０ｂを開いて形成した収容部２８に強化繊維２９ａを収容することで、底側コーナ２４の強度を確保するようにした。このため、底側コーナ２４の強度を確保するために、多層織物４０の厚み全体を増加させる必要がない。よって、底側コーナ２４以外の箇所、例えば、底壁２２ａや側壁２２ｂまでが過剰に補強されることなく、底側コーナ２４の強度を確保することができる。また、強化部材２９をスリット４０ｂに収容しているため、底側コーナ２４に別部品を宛う必要もなく、その別部品が底側コーナ２４から剥離するのを防止するための接合も必要ない。その結果、クラッシュボックス２０の質量が必要以上に増加すること、及びクラッシュボックス２０の製造コストが嵩むことも回避でき、コスト及び質量の増加を必要最小限に抑えつつ、底側コーナ２４の強度を確保できる。

（２）底側コーナ２４の収容部２８は、スリット４０ｂによって多層織物４０を厚み方向に分割した分割部４０ｃによって形成されており、収容部２８の形成のために、部材が増加せず、質量も増加しない。

（３）クラッシュボックス２０の強化基材として多層織物４０を採用した。この多層織物４０の製造時、底側コーナ２４となる部分に、収容部２８を形成するためのスリット４０ｂを形成することができる。よって、収容部２８を形成する部分の製造を織機で行うことができ、収容部２８を形成するための工程増がない。

（４）底側コーナ２４の収容部２８に収容された強化部材２９は、強化繊維２９ａである。そして、強化繊維２９ａの本数を調節することで、底側コーナ２４の強度を目的とする強度に簡単に調節することができる。

（５）強化繊維２９ａの糸主軸方向は、クラッシュボックス２０への荷重入力方向に延びる。このため、衝撃荷重を強化繊維２９ａで好適に吸収できる。
（６）底側コーナ２４が連続して延びる長手方向に沿って強化繊維２９ａの糸主軸方向を沿わせることで、底側コーナ２４の強度を向上させることができる。

（７）多層織物４０を形成する強化繊維と、強化部材２９を形成する強化繊維は、共に炭素繊維である。よって、クラッシュボックス２０に異なる種類の材料が混在することによる強度低下を抑制できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 強化基材は、多層織物に代えて積層織物５０としてもよい。例えば、図６に示すように、複数枚の平織物５１について、クラッシュボックス２０の底側コーナ２４となる部分は、積層方向（厚み方向）の片側半分の平織物５１と、他の片側半分の平織物５１との２つに分割する状態で結合糸条５２ａにより結合されている。積層織物５０において底側コーナ２４以外の部分は全ての平織物５１が結合糸条５２ｂで結合されている。この積層織物５０は、片側半分の平織物５１と、他の片側半分の平織物５１との間にスリット５３を備える。

そして、積層織物５０において、片側半分の平織物５１同士を厚み方向に広げてスリット５３を開くことにより、底側コーナ２４に筒状の収容部２８が形成され、収容部２８に複数本の強化繊維２９ａを挿入することで底側コーナ２４が形成される。

○ クラッシュボックス２０において、強化部材２９で強度を確保する部分は、底側コーナ２４だけでなく、底壁２２ａや側壁２２ｂにまで亘っていてもよい。
○ 強化部材２９で強度を確保するコーナは、底側コーナ２４に加えて連結部側コーナ２５及びフランジ部側コーナ２６の少なくとも一つでもよい。

○ 強化部材２９で補強するコーナは、底側コーナ２４以外の連結部側コーナ２５及びフランジ部側コーナ２６の少なくとも一つでもよい。
○ 強化部材２９の強化繊維２９ａは、糸主軸方向が梁部２１の長手方向以外にも延びる強化繊維を備えていてもよい。例えば、梁部２１の長手方向に糸主軸方向が延び、０度配向された強化繊維２９ａに対し、糸主軸方向が４５度や９０度に延びる状態に配向された強化繊維２９ａを予め固着した強化繊維を強化部材２９としてもよい。

○ 強化部材２９は、炭素繊維製の強化繊維２９ａでなくてもよく、例えば、金属繊維製の強化繊維であってもよい。
○ 強化部材２９の強化繊維２９ａは、梁部２１の多層織物４０を形成する強化繊維とは異なる種類の強化繊維であってもよい。底側コーナ２４の強度を向上させるため、強化部材２９の強化繊維２９ａは、多層織物４０を形成する強化繊維よりも強度の高い強化繊維であってもよい。

○ 強化部材２９は、強化繊維ではなく、金属等の板材であってもよい。
○ 図７に示すように、スリット４０ｂ（収容部２８）は、多層織物４０又は積層織物５０の厚さ方向に２つ形成されていてもよいし、３つ以上のスリット４０ｂが形成されていてもよい。

○ 荷重エネルギ吸収材は、ピラーのリインフォースメントとして用いてもよい。この場合、荷重入力方向は９０°となる。
○ 荷重エネルギ吸収材は、ロッカとして用いてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、以下に追記する。
（１）前記荷重エネルギ吸収材は、クラッシュボックスである。
（２）前記多層織物又は積層織物を形成する強化繊維と、前記強化部材を形成する強化繊維は同一の繊維である。

１３…樹脂、２０…荷重エネルギ吸収材としてのクラッシュボックス、２４…底側コーナ、２９…強化部材、２９ａ…強化繊維、４０…多層織物、４０ｂ，５３…スリット、４１…結合糸条を形成する経糸、４４…織物層、５０…積層織物、５２ａ…結合糸条。

Claims

多層織物又は積層織物を強化基材とし、樹脂をマトリックスとした繊維強化樹脂製であり、前記強化基材を屈曲させて形成されたコーナを備える荷重エネルギ吸収材であって、
前記強化基材における少なくとも前記コーナを形成する部分に、前記多層織物又は積層織物の各織物層を結合する結合糸条が、前記多層織物又は積層織物をそれぞれ厚さ方向において２つ以上に分割する状態で結合することにより分割された前記織物層の間にスリットを備え、
前記スリットの内部に収容された強化部材を備えることを特徴とする荷重エネルギ吸収材。
前記強化部材は強化繊維である請求項１に記載の荷重エネルギ吸収材。
前記強化部材は、前記強化繊維の糸主軸方向を単一方向に配列させ、かつ前記糸主軸方向を荷重入力方向とした構造である請求項２に記載の荷重エネルギ吸収材。