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JP7264042B2 - 衝撃吸収部材の製造方法 - Google Patents

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JP7264042B2
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Description

本発明は、衝撃吸収部材及び衝撃吸収部材の製造方法に関する。
中空要素を有し、中空要素が潰れ変形することによって衝撃エネルギーを吸収する衝撃エネルギー吸収部材が知られている。特許文献１には、球状の膨らみを有する疑似中空金属球が線上に連続した構造を有する１次元の衝撃エネルギー構造要素（金属製多孔質要素構成体）が積層されてなる衝撃エネルギー吸収部材が開示されている。
特許第３９２８０３７号公報
しかしながら、特許文献１に開示されたエネルギー吸収部材では、配置先のスペースの形状に合わせて、衝撃エネルギー構造要素を最適位置に積層配置することが困難であるという問題があった。
本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、配置先のスペースの形状に合わせて柔軟に配置することができる衝撃吸収部材を提供することを目的とする。
本発明の一実施態様に係る衝撃吸収部材は、一軸上に所定の間隔で連続して中空四面体構造を有する構造体が複数並んで配置され、複数の前記構造体が、前記構造体の軸方向に直交する方向に配列された連結部材によって織り込まれているものである。
一軸上に所定の間隔で連続する中空四面体構造体を有する構造体が複数織り込まれているので、当該構造体が分離することなく、かつ、柔軟に折り畳みすることができる。これにより、配置先のスペースの形状に合わせて柔軟に配置することができる。
本発明の一実施態様に係る衝撃吸収部材の製造方法は、中空管を縦横交互に管径方向に潰して中空四面体を所定の間隔で連続して形成する工程と、前記中空四面体が所定の間隔で連続して形成された構造体を並列して配置し連結部材で織り込む織込み工程と、を有するものである。これにより、配置先のスペースの形状に合わせて柔軟に配置することができる衝撃吸収部材を容易に製造することができる。
さらに、前記中空管の材質はステンレスであってもよい。中空管としてのステンレス鋼管は市販品の種類が豊富であるため、比較的安価で構造体を製造することができる。
本発明によれば、配置先のスペースの形状に合わせて柔軟に配置することができる。
本実施の形態に係る衝撃吸収部材を構成する要素である構造体の構成を示す斜視図である。 本実施の形態に係る衝撃吸収部材を構成する要素である構造体を成形するための成形装置を示す模式図である。 中空管から、中空四面体が所定の間隔で連続して形成された構造体を形成する工程について説明する模式図である。 中空管から、中空四面体が所定の間隔で連続して形成された構造体を形成する工程について説明する模式図である。 中空管から、中空四面体が所定の間隔で連続して形成された構造体を形成する工程について説明する模式図である。 中空管から、中空四面体が所定の間隔で連続して形成された構造体を形成する工程について説明する模式図である。 本実施の形態に係る衝撃吸収部材を構成する要素である構造体を並列して配置した状態を示す模式図である。 本実施の形態に係る衝撃吸収部材を成形する工程について説明する写真である。 本実施の形態に係る衝撃吸収部材を成形する工程について説明する写真である。 本実施の形態に係る衝撃吸収部材の斜視図である。 図１０のＸＩ－ＸＩ線に沿う断面図である。 図１０のＸＩＩ－ＸＩＩ線に沿う断面図である。 中空管と本実施の形態に係る衝撃吸収部材を構成する要素である構造体における、プラトー応力及び吸収エネルギーの評価結果を示すグラフである。 中空管と本実施の形態に係る衝撃吸収部材を構成する要素である構造体における、プラトー応力及び吸収エネルギーの評価結果を示すグラフである。 中空管と本実施の形態に係る衝撃吸収部材を構成する要素である構造体における、プラトー応力及び吸収エネルギーの評価結果を示すグラフである。 質量あたりの吸収エネルギーとｔ／ｄとの関係を示すグラフである。 プラトー応力とｔ／ｄとの関係を示すグラフである。 衝撃吸収部材を車体側部のロッカー部に配置した例について示す模式図である。 衝撃吸収部材を車体前部のフロントサイドメンバに配置した例について示す模式図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
まず、図１を参照して本実施の形態に係る衝撃吸収部材を構成する要素である構造体１０の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る衝撃吸収部材を構成する要素である構造体１０の構成を示す斜視図である。図１に示すように、構造体１０は、一軸上に所定の間隔で連続して中空四面体構造１２を有する。隣り合う中空四面体構造１２の間には潰れ部分１１が形成されている。構造体１０の素材は、例えばステンレスである。
図２は、構造体１０を成形するための成形装置を示す模式図である。図２に示すように、中空管１の一端はコレットチャック４２により拘束されている。コレットチャック４２は、円筒形状で、半割にすることができ、中心部分には中空管１を保持する保持部を有する。コレットチャック４２は、スライダー４１の上に配置されている。
スライダー４１は、ボールねじ４３の回転によって直線的に移動するように構成されている。ボールねじ４３は、一端が駆動源であるサーボモータ４４に連結されている。サーボモータ４４によってボールねじ４３を回転させることにより、スライダー４１が第１ピンチ工具２０及び第２ピンチ工具３０の方に移動し、これによって中空管１が第１ピンチ工具２０及び第２ピンチ工具３０の方に送り出される。サーボモータ４４は、制御部７０によって制御される。
中空管１は、第１ピンチ工具２０及び第２ピンチ工具３０の近傍の送り方向手前の位置において、素材調芯ガイド４５によって支持されている。素材調芯ガイド４５には、中空管１の径よりもやや大きい径の貫通穴４５ａが形成されている。すなわち、中空管１は、貫通穴４５ａを貫通させて、第１ピンチ工具２０及び第２ピンチ工具３０の方に送り出される。
第１ピンチ工具２０は、中空管１を横方向に潰すための工具である。第１ピンチ工具２０は、把持部２１ａ、２１ｂと、駆動部２２と、空気供給部２３と、を備えている。第１ピンチ工具２０は、空気供給部２３から駆動部２２に所定の圧力の空気が供給されると把持部２１ａ、２１ｂが閉じるように動作し、駆動部２２に供給された空気を抜くと把持部２１ａ、２１ｂが開くように動作する。空気供給部２３は、制御部７０によって制御される。
第２ピンチ工具３０は、中空管１を縦方向に潰すための工具である。第２ピンチ工具３０は、把持部３１ａ、３１ｂと、駆動部３２と、作動流体供給部３３と、を備えている。第２ピンチ工具３０は、作動流体供給部３３から駆動部３２に所定の圧力の空気などの作動流体が供給されると把持部３１ａ、３１ｂが閉じるように動作し、駆動部３２に供給された作動流体を抜くと把持部３１ａ、３１ｂが開くように動作する。作動流体供給部３３は、制御部７０によって制御される。
図３から図６は、中空管１から、中空四面体構造が所定の間隔で連続して形成された構造体を形成する工程について説明する模式図である。まず、図３に示すように、中空管１における、横方向の潰れ部分を形成する予定の位置が第１ピンチ工具２０の把持部２１ａ、２１ｂの位置に来るように、中空管１が送り出される。そして、図４に示すように、第１ピンチ工具２０の把持部２１ａ、２１ｂが閉じて中空管１が横方向に押し潰される。これによって、中空管１に横方向の潰れ部分が形成される。
続いて、把持部２１ａ、２１ｂを開いた後、中空管１における、縦方向の潰れ部分を形成する予定の位置が第２ピンチ工具３０の把持部３１ａ、３１ｂの位置に来るように中空管１を所定の距離だけ送り出す。そして、図５に示すように、第２ピンチ工具３０の把持部３１ａ、３１ｂを閉じる。把持部３１ａ、３１ｂを開くと、図６に示すように、中空管１には、先に形成された横方向の潰れ部分と所定の間隔を開けて縦方向の潰れ部分が形成される。これにより、横方向の潰れ部分と縦方向の潰れ部分との間には中空四面体構造が形成される。
図３から図６の動作を繰り返すと、中空管１は、縦横交互に所定の間隔を開けて管径方向に連続して潰される。これにより、中空四面体構造が所定の間隔で連続して形成された構造体が成形される。
次に、複数の構造体１０から衝撃吸収部材１００を成形する工程について説明する。
図７は、構造体１０を並列して配置した状態を示す模式図である。ここで、位置が隣接する構造体１０を、説明の便宜上、構造体１０ａ、構造体１０ｂとする。構造体１０ａにおいて、横方向の潰れ部分１１を潰れ部分１１ａＡ、縦方向の潰れ部分を潰れ部分１１ａＢ、潰れ部分１１ａＡと潰れ部分１１ａＢの間の中空四面体構造１２を中空四面体構造１２ａとする。構造体１０ｂにおいて、横方向の潰れ部分を潰れ部分１１ｂＡ、縦方向の潰れ部分を潰れ部分１１ｂＢ、潰れ部分１１ｂＡと潰れ部分１１ｂＢの間の中空四面体構造１２を中空四面体構造１２ｂとする。図７に示すように、位置が隣接する構造体１０ａと構造体１０ｂは対称になるように９０°位相を変えて配置されている。
図８及び図９は、衝撃吸収部材１００を成形する工程（織込み工程）について説明する写真である。図８及び図９に示すように、並列して配置された構造体１０ａと構造体１０ｂは、帯状で構造体１０ａ、１０ｂの軸方向に直交する方向に配列された連結部材１５で織り込まれる。図８には織り始めの状態、図９には織り終わった状態が示されている。
図１０から図１２は、衝撃吸収部材１００の構成について説明する図である。図１０は、衝撃吸収部材１００の斜視図で、図１１は、図１０のＸＩ－ＸＩ線に沿う断面図で、図１２は、図１０のＸＩＩ－ＸＩＩ線に沿う断面図である。図１０から図１２では、説明の便宜上、横方向の潰れ部分（構造体１０ａの横方向の潰れ部分１１ａＡ、構造体１０ｂの横方向の潰れ部分１１ｂＡ）を這わせる連結部材１５を連結部材１５ａとする。また、縦方向の潰れ部分（構造体１０ａの縦方向の潰れ部分１１ａＢ、構造体１０ｂの縦方向の潰れ部分１１ｂＢ）を這わせる連結部材１５を連結部材１５ｂとする。
図１０及び図１１に示すように、連結部材１５ａは、構造体１０ａの横方向の潰れ部分１１ａＡの上側、構造体１０ｂの横方向の潰れ部分１１ｂＡの下側、と順番に這わせている。また、図１０及び図１２に示すように、連結部材１５ｂは、構造体１０ａの縦方向の潰れ部分１１ａＢの下側、構造体１０ｂの縦方向の潰れ部分１１ｂＢの上側、と順番に這わせている。
上述したように、衝撃吸収部材１００において、構造体１０ａと構造体１０ｂが交互に並列配置され、構造体１０ａと構造体１０ｂを連結部材１５ａ及び連結部材１５ｂによって織り込まれているので、複数の構造体１０が分離することがない。また、このように構成された衝撃吸収部材１００は、柔軟に折り畳みすることができる。
次に、構造体１０の衝撃を吸収する能力について試験した結果について説明する。
本試験では、異なる仕様の中空管１より成形した３つの構造体１０について、それぞれ、プラトー応力［ＭＰａ］及び単位質量あたりの吸収エネルギー［ｋＪ／ｋｇ］を評価した。ここで、プラトー応力とは、圧縮応力－圧縮ひずみ曲線において，プラトー領域内の応力で，通常２０～３０％の圧縮ひずみでの圧縮応力の平均値である。
図１３から図１５は、中空管１と構造体１０における、プラトー応力及び単位質量あたりの吸収エネルギーの評価結果を示すグラフである。図１３は、管径ｄが３ｍｍ、厚さｔが０．１２ｍｍ（ｔ／ｄ＝０．０４）の中空管１より成形した構造体１０の評価結果である。図１４は、管径ｄが５ｍｍ、厚さｔが０．１ｍｍ（ｔ／ｄ＝０．０２）の中空管１より成形した構造体１０の評価結果である。図１５は、管径ｄが８ｍｍ、厚さｔが０．２ｍｍ（ｔ／ｄ＝０．０２５）の中空管１より成形した構造体１０の評価結果である。いずれの中空管１も、市販されているステンレス鋼管であり、比較的安価で入手することができる。
図１３から図１５に示すように、いずれについても、素材である中空管１に対して構造体１０が、プラトー応力では７倍以上、吸収エネルギーでは７倍以上向上していることが分かる。
衝撃吸収部材１００を構成する構造体１０は、吸収エネルギーが大きいだけでなく、軽量であることも求められる。図１６は、質量あたりの吸収エネルギーとｔ／ｄとの関係を示すグラフである。グラフにおいて、横軸がｔ／ｄ、縦軸が質量あたりの吸収エネルギーである。また、図１３に示した構造体１０の結果はｔ／ｄ＝０．０４にプロットされ、図１４に示した構造体１０の結果はｔ／ｄ＝０．０２にプロットされ、図１５に示した構造体１０の結果はｔ／ｄ＝０．０２５にプロットされている。なお、アルミニウム製の構造体における質量あたりの吸収エネルギーの開発目標値は６ｋＪ／ｋｇで、グラフにおいて太線で示されている。
図１６に示すように、ｔ／ｄ＝０．０４の構造体１０（図１３に示した構造体１０）では、アルミニウム製の構造体の開発目標値と同等になった。ｔ／ｄ＝０．０２の構造体１０（図１４に示した構造体１０）、ｔ／ｄ＝０．０２５の構造体１０（図１５に示した構造体１０）については、アルミニウム製の構造体の開発目標値を下回ったものの、当該開発目標値の７０～８０％程度になっている。
図１７は、プラトー応力とｔ／ｄとの関係を示すグラフである。グラフにおいて、図１３に示した構造体１０の結果はｔ／ｄ＝０．０４にプロットされ、図１４に示した構造体１０の結果はｔ／ｄ＝０．０２にプロットされ、図１５に示した構造体１０の結果はｔ／ｄ＝０．０２５にプロットされている。なお、アルミニウム製の構造体におけるプラトー応力の開発目標値は４ＭＰａで、グラフにおいて太線で示されている。
図１７に示すように、今回試験した３つの構造体１０のいずれについてもアルミニウム製の構造体におけるプラトー応力の開発目標値を上回った。特に、ｔ／ｄ＝０．０４の構造体１０（図１３に示した構造体１０）、ｔ／ｄ＝０．０２の構造体１０（図１４に示した構造体１０）は、当該開発目標値の２倍以上になっている。
以上より、今回試験した３つの構造体１０のいずれについても実使用は可能であると考えられる。よって、市販されている比較的安価なステンレス鋼管を用いて、吸収エネルギーが十分で、かつ、軽量な構造体１０を製造することができる。
図１８は、衝撃吸収部材１００を車体側部のロッカー部に配置した例について示す模式図である。図１８に示すように、車体側部のロッカー部５０は、車室側筐体５１と車室ドア側筐体５２から構成されている。側面衝突時、車両には車室ドアの方から水平方向内側へ向かう荷重が加わる。すなわち、側面衝突時に、車体側部のロッカー部５０には矢印Ｐ１の方向に衝撃が及ぼされる。よって、矢印Ｐ１の方向に吸収エネルギーが大きくなるように、衝撃吸収部材１００を渦巻き状に折り畳んで収納する。これにより、側面衝突時に、ロッカー部５０が室内側へ変形するのを低減することができる。
図１９は、衝撃吸収部材１００を車体前部のフロントサイドメンバに配置した例について示す模式図である。図１９に示すように、車体前部のフロントサイドメンバ６０は、第１筐体６１、第２筐体６２から構成されている。正面衝突時、車両にはボンネットの方から水平方向内側へ向かう荷重が加わる。すなわち、正面衝突時に、車体前部のフロントサイドメンバ６０には矢印Ｐ２の方向に衝撃が及ぼされる。よって、矢印Ｐ２の方向に吸収エネルギーが大きくなるように、衝撃吸収部材１００をパルス波状に折り畳んで収納する。これにより、正面衝突時に、フロントサイドメンバ６０が室内側へ変形するのを低減することができる。
以上より、衝撃吸収部材１００は、一軸上に所定の間隔で連続する中空四面体構造を有する構造体１０が複数織り込まれているので、柔軟に折り畳みすることができる。これにより、配置先のスペースの形状に合わせて柔軟に配置することができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
１ 中空管
１０ 構造体
１１ 中空四面体構造
１２ 潰れ部分
１５ 連結部材
２０ 第１ピンチ工具
２１ａ 把持部
２２ 駆動部
２３ 空気供給部
３０ 第２ピンチ工具
３１ａ 把持部
３２ 駆動部
３３ 作動流体供給部
４１ スライダー
４２ コレットチャック
４３ 送りネジ
４４ サーボモータ
４５ 素材調芯ガイド
４６ 製品ガイド
４５ａ 貫通穴
７０ 制御部
１００ 衝撃吸収部材

Claims (1)

  1. 衝撃吸収部材の製造方法であって、
    中空管を縦横交互に管径方向に潰して中空四面体構造を所定の間隔で連続して形成する工程と、
    前記中空四面体構造が所定の間隔で連続して形成された構造体を並列して配置し連結部材で織り込む織込み工程と、を有し、
    前記中空管の材質はステンレスである、
    衝撃吸収部材の製造方法。
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