JPH05332385A - エネルギー吸収部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 衝突変形時に突発的な荷重を発生せず、斜め
方向からの荷重に対しても高い衝撃吸収能力を持ち、し
かも部材重量当たりのエネルギー吸収効率が良いエネル
ギー吸収部材を提供する。 【構成】 エネルギー吸収部材１は、断面が円形の筒状
体の一端を斜めに切り取った形状に形成されている。傾
斜面２が形成された側の筒状体の端部の面積は、完全な
筒状部の断面積の２／３以下となっている。エネルギー
吸収部材１は合成樹脂を長繊維（フィラメント）で補強
したＦＲＰ（繊維強化プラスチック）で形成され、フィ
ラメントが周方向に巻き付けられた状態に形成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車に装備されるバン
パの支持部材やヘリコプターの床下部などに使用される
エネルギー吸収部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車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
ルギー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ーを吸収する必要がある。そし
て、吸収エネルギーを大きくするため、従来からバンパ
本体を支持する支持部材の材質や構造の改良が種々なさ
れている。

【０００３】又、ヘリコプターの座席床下部にも不慮の
故障で機体が着地する際の衝撃を少しでも和らげ、特に
搭乗者への影響を軽減するために、軽量でエネルギー吸
収機能の高い部材が求められている。

【０００４】例えば、１９８８年２月１８日公開のドイ
ツ特許（３６２６１５０）には、繊維強化プラスチック
から成る弾性変形可能な減衰成形体を介してバンパを車
体のステイに取り付けたものが開示されている。減衰成
形体は実質的にリング状に形成され、減衰成形体を形成
する繊維強化プラスチックの強化繊維は周方向に配列さ
れている。そして、減衰成形体はその側面から衝撃力が
加わる状態、すなわち衝撃力が加わる方向に対して減衰
成形体の軸が直交する状態で使用される。

【０００５】又、特開昭５７−１２４１４２号公報には
バンパに使用する衝撃保護用構造材として、図１０に示
すように繊維複合材料（例えばエポキシ樹脂含浸ガラス
繊維）製の条帯２１からなる網状組織で円筒状に形成さ
れた構造体２２が提案されている。構造体２２は筒の軸
方向に圧縮負荷が加わる状態で使用され、構造体２２に
軸方向の荷重が作用すると網状組織の対向する結節点２
３において層間剥離を起こし、剪断降伏が繊維とマトリ
ックスとの界面で生ずることによりエネルギーを段階的
に吸収するようになっている。条帯２１は構造体２２の
長手方向軸線に対して３０〜６０度の傾斜角をもって傾
斜されている。又、各結節点２３は約１０層の繊維複合
材料製の条帯２１で形成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記ドイツ
特許に開示されたような実質的にリング状の繊維強化プ
ラスチックに、その側面から外力を加えて破壊すると、
変形部位は荷重と同方向の部位のみで破壊され、外力に
対して直角方向の部位は実質的に元のままの形状を残し
破壊されない。従って、部材に荷重を加えた際の圧縮変
形過程で発生する応力と変形量の積（具体的には圧縮荷
重−変位量曲線と変位量を表す軸との間の面積）で表さ
れるエネルギー吸収量が極めて小さく、部材重量当たり
の効率が悪いという問題がある。

【０００７】一方、特開昭５７−１２４１４２号公報に
開示された筒状の衝撃保護用構造材は、筒の軸方向から
圧縮荷重が加わるようにバンパを支持した状態で使用さ
れる。従って、圧縮荷重を加えて破壊を行った場合は全
ての部位が破壊されるため、側方から圧縮荷重が加わっ
た場合に比較して部材重量当たりのエネルギー吸収効率
を高めることができる。しかし、条帯２１の交差角が３
０〜６０度の網目組織で構成されているため、軸方向の
圧縮荷重が作用すると網目組織の変形により筒状体が小
荷重で容易に圧縮変形するという問題がある。又、バン
パ支持部材のように人体への衝撃を小さくするという条
件がある場合には、荷重の最大値を人体への影響の低い
レベルに抑える必要があり、荷重変動の激しい場合には
全体としてのエネルギー吸収量が小さくなる。従って、
人体への衝撃を小さく、しかも変形時のエネルギー吸収
量を大きくするという要求を満たすためには、突発的な
荷重の発生を防止し、圧縮荷重−変位量曲線をできるだ
け荷重変動の少ない平坦なレベルに保つことが重要とな
る。しかし、この衝撃保護用構造材は変位量の増加に伴
って荷重が逐次低下していくため、エネルギー吸収量が
大きくなり難いという問題がある。

【０００８】本発明は前記の問題点に鑑みてなされたも
のであって、その目的は自動車の衝突時やヘリコプター
のローター故障による着地時の衝撃を和らげ、搭乗者へ
の影響を軽減するため、衝突変形時に突発的な荷重を発
生せず、斜め方向からの荷重に対しても高い衝撃吸収能
力を持ち、しかも部材重量当たりのエネルギー吸収効率
が良いエネルギー吸収部材を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め本発明においては、強化繊維が少なくとも周方向に巻
回され、マトリックスで充填された繊維強化複合材料で
筒状に形成し、筒状体の一方の端部の面積が完全な筒状
部の断面積の２／３以下となるように、かつ断面積が軸
方向に連続的に変化するように斜めに切り取った形状と
した。

【００１０】

【作用】本発明のエネルギー吸収部材は筒部の軸方向か
ら圧縮荷重を受けるように取り付けられる。エネルギー
吸収部材の軸方向に荷重がかかると面積の小さな側の端
部から徐々に破壊が始まる。そして、破壊によって起こ
る強化繊維に沿った円周方向の層間剥離が、逐次完全な
円筒部にも伝播していき、層間剥離の発生による荷重変
動を示すが、全体的にほぼ一定の荷重レベルを保って変
化し、その間に大きなエネルギーを吸収する。又、エネ
ルギー吸収部材が軸方向から圧縮荷重を受けて破壊され
る場合、筒状体の全周にわたって全ての部位で座屈破壊
を起こしてエネルギーを吸収する。従って、部材重量当
たりのエネルギー吸収効率が良くなる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図１〜
図８に従って説明する。図１に示すように、エネルギー
吸収部材１は、断面が円形の筒状体の一端を斜めに切り
取った形状に形成されている。切り取り箇所は２か所設
けられ、軸と直交する面に対して所定の角度をなす傾斜
面２が対称に２個形成されている。エネルギー吸収部材
１は合成樹脂を長繊維（フィラメント）で補強したＦＲ
Ｐ（繊維強化プラスチック）で形成され、フィラメント
が周方向に巻き付けられた状態に形成されている。

【００１２】エネルギー吸収部材１はガラス繊維（フィ
ラメント）に樹脂を付着しながらマンドレル上に巻き付
けた後、樹脂を加熱硬化させるフィラメントワインディ
ング法によりＦＲＰ円筒を形成し、その一端を所定の角
度で裁断加工することにより形成される。

【００１３】このエネルギー吸収部材１は軸方向から圧
縮荷重を受ける状態で、バンパの支持部材としてあるい
は、直接荷重が作用する衝撃保護部材として使用され
る。このように強化繊維が周方向に巻回された筒状体に
軸方向の荷重を加えて圧縮破壊すると、筒状体は筒状体
の全周にわたって全ての部位で座屈破壊を起こしてエネ
ルギーを吸収する。従って、筒状体を構成する材料の重
量が小さいにも拘らず、大きなエネルギーを吸収し、極
めて効率のよい優れたエネルギー吸収部材となる。

【００１４】繊維の巻回方向が筒状体の軸に直角な周方
向に近い程、全層の繊維が互いに平行に配列され、繊維
相互の錯綜による繊維間の空隙が減少し、繊維の充填率
が高められる。筒状体に外部から加えられる荷重を支え
るのは主に繊維であり、繊維充填率の高い程、大きな荷
重を担うことができ、吸収エネルギーも増大する。

【００１５】繊維の配列が平行に揃っていると、それに
直角な荷重により繊維相互の横擦れ的な変位が多くの部
分で発生し、細かい円輪状の細片となって細分化されつ
つ崩壊するため、同じ重量でも多くのエネルギーを吸収
することができる。

【００１６】繊維の配列が軸方向に立っていくと軸対称
の配列により、交差角度が大きくなり、平行度の乱れか
ら生じる間隙も大きくなって網目状となる。この状態で
軸方向の圧縮荷重が作用すると、組織の変形により小荷
重で容易に筒状体が圧縮変形し、吸収エネルギーも小さ
くなって好ましくない。従って、筒状体の周方向に巻回
される繊維はできるだけ軸に直角な配列であることが好
ましい。

【００１７】筒状体の断面積が軸方向に沿って一定の場
合、軸方向から圧縮荷重を受けると、全荷重が筒状体の
全断面に均等に作用し、筒状体が一つの剛体として挙動
し、平均荷重以上の大きな荷重に耐える。しかし、筒状
体の最弱点部に層間剥離が起こり、剪断破壊が発生する
と、亀裂が一挙に拡大して筒状態が崩壊し、荷重は瞬時
に大幅な低下を示す。しかし、その後、次第に荷重が増
加し始めて筒状体の断面積固有の荷重レベルに上昇し
て、その荷重を維持しつつ変形が進行し、その間に破壊
エネルギーを吸収する。しかし、吸収エネルギーは変位
×荷重によって算出され、一旦崩壊した後の低荷重レベ
ルのため、全吸収エネルギーは極めて小さい値となる。

【００１８】これに対して、本発明のエネルギー吸収部
材１は筒状体の一端側が斜めに裁断された形状であり、
筒状体の断面積は一端側から軸方向に連続的に変化し、
途中から他端の面積と同じとなっている。このような筒
状体に軸方向の圧縮荷重がかかると、断面積の小さな側
から徐々に破壊を始め、破壊によって起こる繊維の配列
方向（円周方向）に沿った層間剥離が、逐次完全な筒状
部分にも伝播していく。そして、層間剥離の発生による
荷重変動を示すものの、全体的にはほぼ一定の荷重レベ
ルを保って変化し、その間に大きなエネルギーを吸収で
きる。

【００１９】一方、図２に示すようにＦＲＰ円筒の先端
にテーパ部３ａを形成したエネルギー吸収部材３の場合
も、筒状体の破壊初期に見られる突発的な荷重変動を避
けることはできる。しかし、このように筒状体の先端に
テーパ部３ａを設けることは、筒状体の端部が全周にわ
たって肉薄になる。その結果、正面からの圧縮荷重に対
しては端部の全面積が有効に働くため支障はないが、筒
状体の軸に対して斜め方向からの圧縮荷重（斜め荷重）
に対しては、その一部しか寄与せず、荷重レベルが低下
し、吸収エネルギーが小さくなる。又、端部にテーパ部
を形成することは先端が肉薄の鋭利な面を形成するた
め、衝突時に前方の物体に切傷を与える危険性も含んで
いる。

【００２０】しかし、筒状体の肉厚を全長にわたって均
一とし、一端側に傾斜面２を設けたエネルギー吸収部材
１の場合は、斜め荷重に対し、傾斜面２のある端部のど
の方向より荷重が付加されても、変位の生じる点での筒
状体の断面積はテーパ部３ａに比較して大きい。従っ
て、吸収エネルギーも増大する。又、テーパ部と異な
り、肉薄の鋭利な面がなく、安全性にも優れている。

【００２１】エネルギー吸収部材１の先端面の面積及び
傾斜面２の筒状体軸に対する傾斜角度は、圧縮変形時に
許容される最大荷重と荷重速度によって決定される。発
生する最大荷重を小さくするためには主に先端面の面積
を小さくする。又、傾斜角度は５°以上が好ましく、荷
重速度が大きい場合には傾斜角度を大きくとる方が好ま
しい。先端面の面積を小さくする程、初期圧縮荷重の突
発を小さくすることができるが、先端面の面積を極度に
小さくすると、先端が竹槍の様な形状となる上、その部
位の吸収エネルギーが減少するため面積の大きい方が好
ましく、その限度は円筒面積の２／３とすべきである。
図３は端部面積と円筒面積の比によって破壊初期の最大
荷重がどのように変化するかをプロットしたもので、最
大荷重は、端部面積が減少する程直線的に低下し、筒状
体が端部から安定的に破壊する時に示す筒状体固有の破
壊荷重（のピーク値＝１）の線と交わる。データのバラ
ツキを考慮して端部面積は筒状体面積の２／３以下であ
れば初期破壊荷重が安定破壊荷重を超えることなく、従
って衝突時のショックを緩和しつつ、大きなエネルギー
吸収効果が得られるのである。よって筒状体の先端面の
面積は当該筒状体の完全な筒状部の断面積の２／３以下
とする必要がある。

【００２２】エネルギー吸収部材１を自動車等の移動体
において、バンパ等を介さずにエネルギー吸収部材１が
直接荷重を受ける状態で使用する場合、最も荷重が加わ
り易い方向にエネルギー吸収部材１の先端が向かうよう
に設置するのが好ましい。すなわち、移動体の前部又は
後部の中央寄りに設置する場合はエネルギー吸収部材１
を前進又は後進方向と平行に設置し、側部に設置する場
合は先端が斜め前方あるいは斜め後方に向かうように設
置するのが好ましい。

【００２３】次にフィラメントとして直径１３μｍのガ
ラス繊維(2310 tex)を、合成樹脂としてエポキシ樹脂を
それぞれ使用して製造したエネルギー吸収部材につい
て、より具体的に説明する。

【００２４】エポキシ樹脂に硬化剤を配合した液を付着
しながら、直径５０ｍｍの金属円筒（マンドレル）上に
ガラス繊維をほぼフープ状に巻付けて厚さ４ｍｍの円筒
とした。次に熱風炉中に８時間入れて樹脂を硬化させた
後、マンドレルから外して、繊維充填率６５％のＦＲＰ
円筒を得た。このＦＲＰ円筒を加工して２個の傾斜面２
を有する本発明のエネルギー吸収部材１と、先端にテー
パ部３ａを有する比較例としてのエネルギー吸収部材３
とを形成した。

【００２５】比較例のエネルギー吸収部材３は、先端に
軸線に対してほぼ３０°の角度を有するテーパ部３ａが
形成されている。テーパ部３ａは先端の厚さが１ｍｍと
なるように切削加工で形成した。一方、本発明のエネル
ギー吸収部材１は先端面の面積が、前記比較例のエネル
ギー吸収部材３の先端面の面積と同一となり、かつ傾斜
面２と先端面との成す角度がほぼ１９°となるように２
か所で裁断されている。傾斜面２の角度の設定は、テー
パ部３ａの長さＬ1 と、傾斜面２の長さＬ2 とが一致す
るようにした。

【００２６】前記両エネルギー吸収部材１に対して、軸
方向からの圧縮荷重を加えた場合の圧縮荷重と変位量と
の関係を測定した結果を図５，６に示す。又、両エネル
ギー吸収部材１に対して、斜め３０°の方向からの圧縮
荷重を加えた場合の圧縮荷重と変位量との関係を測定し
た結果を図７，８に示す。なお、斜め荷重を加える場合
は、図４に示すようにエネルギー吸収部材１，３を所定
の角度に傾けた状態でその基端を治具４で固定し、矢印
方向から荷重を加えた。

【００２７】軸圧縮の場合は、本発明のエネルギー吸収
部材１と比較例のエネルギー吸収部材３とでその挙動に
あまり差が見られず、エネルギー吸収量も殆ど同じであ
る。一方、斜め圧縮の場合は、本発明のエネルギー吸収
部材１の方が明らかに荷重の立ち上がりが早く、吸収エ
ネルギーが大きい。すなわち、前述のことが裏付けられ
る。

【００２８】なお、本発明は前記各実施例に限定される
ものではなく、例えば、図９（ａ）に示すように傾斜面
２の数を１個にしたり、あるいは３個以上にしてもよ
い。傾斜面２の少ない方が斜め荷重に対するエネルギー
吸収能からも、又、加工工数を少なくしてコスト低減を
図る上でも好ましい。しかし、エネルギー吸収部材１の
圧縮挙動の軸に対する方向性を無くすことが求められる
場合は、傾斜面の数を多くして先端形状のバランスをと
ってやる方がよい。又、筒状体の一部を切り取る際に図
９（ｂ）に示すように切り口が周面と直角になるように
してもよい。又、エネルギー吸収部材１を構成する筒状
体は、製作容易性の点からは円筒体が好ましいが、多面
筒体でもよい。しかし、多面筒体とする場合には、面と
面との接合部が角部となって異常な応力集中が生じるの
を防止するため、接合部を曲面として周方向の繊維間に
発生した層間亀裂が円滑に伝播するようにするのが好ま
しい。又、素材のＦＲＰを構成する樹脂はエポキシ樹脂
に限らずフェノール樹脂、不飽和ポリエステルなどの熱
硬化性樹脂の他、ポリエステル、ポリイミド等の熱可塑
性樹脂を使用してもよい。又、強化繊維としてガラス繊
維に代えてカーボン繊維、アラミド繊維等の高強度の物
性をもった各種の機能繊維を使用してもよい。又、エネ
ルギー吸収部材をバンパの支持部材として使用する他
に、直接衝撃荷重を受ける衝撃吸収部材やヘリコプター
の座席床下部に適用してもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明のエネルギー
吸収部材は、破壊される際に筒状体の面積の小さな側の
端部から徐々に破壊が始まり、全体的にほぼ一定の荷重
レベルを保って変化し、しかもエネルギー吸収部材の全
ての部位で座屈破壊を起こしてエネルギーを吸収するの
で、エネルギー吸収量が大きくなるとともに部材重量当
たりのエネルギー吸収効率が良くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエネルギー吸収部材の概略斜視図であ
る。

【図２】比較例のエネルギー吸収部材の概略斜視図であ
る。

【図３】端部面積と円筒面積の比を変化させた場合の筒
状体の端部面積と破壊初期の最大荷重との関係を示した
図である。

【図４】エネルギー吸収部材に斜め圧縮荷重を加える際
の支持状態を示す正面図である。

【図５】本発明のエネルギー吸収部材に軸方向荷重を加
えた場合の圧縮荷重−変位量曲線である。

【図６】比較例のエネルギー吸収部材に軸方向荷重を加
えた場合の圧縮荷重−変位量曲線である。

【図７】本発明のエネルギー吸収部材に３０°斜め荷重
を加えた場合の圧縮荷重−変位量曲線である。

【図８】比較例のエネルギー吸収部材に３０°斜め荷重
を加えた場合の圧縮荷重−変位量曲線である。

【図９】（ａ）は変更例のエネルギー吸収部材を示す概
略斜視図、（ｂ）は別の変更例のエネルギー吸収部材を
示す正面図である。

【図１０】従来の衝撃保護用構造材を示す概略斜視図で
ある。

【符号の説明】

１…エネルギー吸収部材、２…傾斜面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強化繊維が少なくとも周方向に巻回さ
   れ、マトリックスで充填された繊維強化複合材料で筒状
   に形成し、筒状体の一方の端部の面積が完全な筒状部の
   断面積の２／３以下となるように、かつ断面積が軸方向
   に連続的に変化するように斜めに切り取った形状とした
   エネルギー吸収部材。