JPS6217438A - 圧縮エネルギ−吸収部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １１」３−机月ｍ この発明は圧縮エネルギー吸収部材に関し、さらに詳し
くは、特に航空機の座席等における衝撃吸収体として好
適な部材に関する。

１股立１ま たとえば、航空機が着陸に失敗したような場合、発生す
る衝撃エネルギーの多くは機体や降１１装置等で吸収さ
れる。しかしながら、乗員や乗客にもかなりの衝撃が加
わる。ときには、９Ｇを超えることさえある。したがっ
て、そのような衝撃エネルギーを座席で吸収することが
できれば、乗客の安全は大きく向上する。圧縮エネルギ
ー吸収部材は、そのような衝撃エネルギーを吸収する部
材として使用されるものである。

航空機における衝撃エネルギー吸収部材としては、１９
８５年２月１２日〜１４日に米国において開催されたＡ
ＥＲＯ８ＰＡＣＥ　　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　　Ｃ０
ＮＦＥＲＥＮＣＥ　　ＡＮＤ　　５ＨＯＷで発表された
ものが知られている。この部材は、樹脂と炭素ｍ帷との
複合材料からなる円筒状の本体を有し、かつフィラメン
トワインディング法によって上記炭素繊維を本体の長手
方向に対して±６０″の２方向に配列したもので、これ
を座席の枠体の対角部材として用いて座席に加わる衝撃
エネルギーを吸収しようとするものである。

この部材は、従来多用されているアルミニウム合金等の
金属にくらべて比強度、比弾性率の大きい、樹脂と炭素
繊維との複合材料を使用しているから、軽量であり、他
の輸送手段にくらべて軽量化効果が格段に大きい航空機
の部材として好適なものである。しかしながら、軽量化
効果を保ちつつ衝撃エネルギー吸収能をより一層向上さ
せようとすると、以下において説明するような問題がで
てくる。

すなわち、従来の部材は、上述したように炭素ｌＩＮを
本体の長手方向に対して±６０’の２方向に配列してい
る。すなわち、本体の長手方向に延びる炭素ＩＩＮは存
在しない。そのため、長手方向における圧縮強度がそれ
ほど高くない。したがって、これを圧縮エネルギー吸収
部材として使用しても、そのエネルギー吸収量に対応す
るクラッシュ荷重（押しつぶし荷重）がそう高くならな
い。

このことは、吸収能を一層向上させようとした場合、ク
ラッシュストロークをより長くするか、肉厚をより厚く
して本体の大径化を図らなければならないことを意味し
ている。しかしながら、そうすると軽量化効果が減殺さ
れてしまう。

明が　決しようとする間　１ この発明の目的は、従来の部材の上記欠点を解決し、よ
り軽量で、かつ衝撃的な圧縮負荷に対してエネルギー吸
収能の大きい部材を提供するにある。

問題点を°解決するための手 上記目的を達成するためのこの発明は、樹脂と補強繊維
との複合材料からなる円筒状の本体と、前記本体の両端
部に装着した支持台とを有し、かつ前記補強ＩＩＮは、
前記本体の長手方向と円周方向の２方向に配列されてい
る圧縮エネルギー吸収部材を特徴とするものである。

作　　用 部材に、その長手方向の圧縮による衝撃負荷が加わった
場合、その衝撃によって完全に破壊に至るまでに部材が
吸収する歪エネルギーの量は、部材を構成している材料
の塑性変形後の挙動によって左右される。したがって、
金属のように塑性変形せず、急激に破壊する、つまり脆
性破壊する、樹脂と繊維との複合材料を使用すると、エ
ネルギー吸収能が大きく低下してしまうことが予想され
るが、この発明においては、本体の長手方向と円周方向
の２方向に配列されている補強繊維が、互いに共同して
、衝撃時における本体の局部座屈やオイラー座屈を防止
し、脆性破壊を起こすことなく端部から順次破壊を持続
、進行させる。これにより、衝撃エネルギー吸収能が著
しく向上する。

友１１ この発明を実箱例に基いてさらに詳細に説明するに、第
１図において、圧縮エネルギー吸収部材は、その長手方
向の圧縮による衝撃負荷が加わった場合に生ずる衝撃エ
ネルギーを吸収する、樹脂と補強Ｉ！維との複合材料か
らなる円筒状の本体１と、この本体１の一端部で、かつ
本体１の内側に嵌合された支持台２と、本体１の他端部
で、かつやはり内側に、しかも本体１との間にわずかに
間隙ができるように嵌合された支持台３とを有している
。本体１の他端部内側には、たとえば面取りによるチア
ンファ４が付けられ、また支持台３には、上記チ７ンフ
ァ４に対応して曲率が付けられている。もつとも、本体
がヂアンファを有する場合には必ずしもこの曲率を付【
プなくてよい。チアンファ４は、部材に本体１の長手方
向の圧縮による衝撃負荷が加わったときに、本体１の破
壌の、いわゆる引き金となるものである。つまり、トリ
ガーであるわけで、本体１は支持台３側から順次破壊し
てゆく。また、本体１と支持台２．３とは、たとえばリ
ベットや接着により、あるいはこれらの併用により一体
に結合されている。しかしながら、この結合は、通常の
使用状態においては破壊しないが、圧縮による衝撃負荷
が加わると破壊する。

上記本体は、上述したように、樹脂と補強ｍ維との複合
材料からなっている。樹脂は、複合材料の、いわゆるマ
トリクスを形成するもので、通常、たとえばエポキシ樹
脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイ
ミド樹脂などの熱硬化性樹脂が使われる。しかしながら
、ＡＢＳ樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネイト樹脂な
どの熱可塑性樹脂を使用することも可能である。また、
補強ｌＩＭは、たとえば炭素ａ！膣、黒鉛１雑、有機高
弾性繊維（たとえば、ポリアラミド繊維）、ガラスｌｉ
ｔ、アルミナＭｉ１１．アルミナーシリカ繊維、ボロン
繊維、シリコンカーバイド繊維などの高強度、高弾性ｌ
ＩＮである。なかでも、比較的高強度、高弾性であり、
かつ低比重であるために本体の比強度をより高くできる
炭素繊維、黒鉛繊維、有機高弾性繊維が好ましい。もっ
とも、これら補強繊維の少なくとも２種を併用すること
もできる。補強ｍ維は、形態的にはストランド（マルチ
フィラメント）か織物である。織物の場合、交錯部にお
ける経糸と緯糸の屈曲（クリンプ）が比較的少な（、か
つ組織が安定している平織物であるのが最も好ましいが
、他の組織の織物、たとえば朱子織物や綾織物であって
もよい。しかして、これら補強繊維は、本体中に４０〜
７５体積％、好ましくは５０〜６５体積％含まれている
。

最も重要なのは、これら補強繊維の配列方向である。す
なわち、補強ＩＭは、本体の長手方向と円周方向の２方
向に配列されている。というのも、複合材料はその特性
が補強繊維の方向に大きく左右される、いわゆる異方性
が極めて大きい材料である。したがって、補強繊維が長
手方向にのみ配列されていると、円周方向は樹脂のみと
なり、長手方向の圧縮による衝撃負荷が加わったときに
本体が一気に破壊してしまい、一定の荷重を持続するこ
とができなくなって衝撃エネルギー吸収能がほとんど得
られない。また、逆に、円周方向にのみ補強暉維を配列
すると、こんどは長手方向が樹脂のみになってしまい、
やはり吸収能がほとんど浮られなくなってしまう。この
ように、補強繊維を本体の長手方向と円周方向の２方向
に配列しておくことは大変重要なことである。もつとも
、この発明は、これらの方向に加えて、ざらに、たとえ
ば±４５°の２方向に補強１１雑が配列されていてもよ
いものであろうなお、補強繊維は、本体の長手方向およ
び円周方向にそれぞれ正しく配列されているのが最も好
ましいが、±５°程度までの方向のずれはｒ＋容し得る
。

この点をさらに詳嘲に説明するに、補強繊維の配ｖｌｌ
方向としては、この発明のように本体の長手方向と円周
方向の２方向、つまりＯｏと９０６の２方向や、±４５
°の２方向、±６０６の２方向等が考えられるが、クラ
ッシュ荷重は１本体の長手方向における圧縮強度に依存
し、圧縮強度が高くなるにしたがって、クラッシュ荷重
、つまり圧縮エネルギー吸収能も高くなる。しかるに、
補強繊維を００と９０’の２方向に配列したものは、±
４５６や±６０°の２方向に配列したものにくらべて長
手方向の圧縮強度が４倍程度も高い。つまり、それほど
衝撃エネルギー吸収能が高くなるわけである。

このように、補強繊維は本体の長芋方向と円周方向の２
方向に延在しているが、長手方向の補強ＷｒＮ量を増や
しても、クラッシュ時のピーク荷重が大きくなるだけで
、衝撃エネルギーの吸収量に対応するクラッシュ荷重は
大きくならない。逆に、円周方向の補強繊維量を増やす
とクラッシュ荷重が小さくなる。したがって、長手方向
と円周方向の補強繊維量は互いに等しく、またはほぼ等
しくしておくのが最も好ましい。

上述したような本体は、補強繊維を互いに並行かつシー
ト状に引き揃え、樹脂を含浸した、いわゆる一方向性プ
リプレグや、補強繊維の織物に樹脂を含浸した、いわゆ
る織物プリプレグを使用し、それらプリプレグを、マン
ドレルに、補強繊維がマンドレルの長芋方向と円周方向
を向くように所望の回数巻き付け、加熱、加圧して成形
することによって得ることができる。なお、一方向性プ
リプレグを使用して成形する場合は、円周方向の層が本
体の最外層になるようにするのが好ましい。

最も好ましいのは、最内層と最外層を円周方向の補強ｍ
ｉとし、それらの間を長手方向の補強繊維の層とした、
いわゆるサンドインチ構成を採ることである。というの
も、一方向性プリプレグは織物プリプレグのように補強
繊維が交錯していないので、最外層に長手方向の補強４
ＩＮを配列すると、破壊過程で補強繊維間に生じた亀裂
が伝播しやすくなるからである。この点、織物プリプレ
グを使用すると、織物は経糸と緯糸が交錯しているがゆ
えに上述したような亀裂の伝播の心配がなく、またクラ
ッシュ時の荷重変動を小さくできるので有利である。ま
た、たとえば経糸をマンドレルの長手方向に向ければ緯
糸が必然的に円周方向を向くことになるから、成形も容
易である。

本体に嵌合される支持台は、表面硬度が比較的高い、た
とえば金属と補強ｔｉ維との複合材料や、ステンレス鋼
、ニッケル・クロム鋼、ニッケル・クロム・モリブデン
鋼などで作られている。なかでも、比強度が大きく、軽
旦化が可能な金属と補強繊維との複合材料、とりわけ金
属としてアルミニウム合金を使用したものが最も好まし
い。その場合、本体が接する面にメッキ等によりクロム
を被覆し、その面の硬度を向上させておくのが好ましい
。

支持台は、本体に衝撃負荷を伝え、本体が端部から順次
破壊してゆくための面を与える。そのため、本体の外径
よりも大きく作られている。

さて、上述した部材は、それに長手方向の圧縮負荷が加
わったとき、まず本体１と支持台２．３との結合が破壊
し、本体１が支持台３の面と接し、チアンファ４がトリ
ガーとなってその端部から順次破壊してゆく。第２図は
、そのときの本体１の変位（圧縮（７）Ｉ）ｔ　（ｍｍ
）と圧縮筒ＩＰ　（Ｋｇ）との一般的な関係を示すもの
である。第２図において、Ｐｐはピーク荷重であり、ｐ
ｃはクラッシュ荷重である。吸収エネルギーは曲線下の
面積で表わされるが、実際のエネルギー吸収効果は、破
壊開始後、つまりピーク荷重が現われた後の挙動に左右
される。すなわち、クラッシュ荷重が重要なのであり、
クラッシュ荷重が一定のレベルで推移する破壊が最もよ
い破壊モードである。なお、エネルギー吸収効果は、ク
ラッシュ荷重を本体の横断面積および比重で割った値、
すなわち比吸収エネルギーで比較される。

次に、本体の破壊の引き金となるトリガーに関して他の
例を説明する。もつとも、この発明においては、トリが
−を備えることが必須であるわけではない。しかしなが
ら、トリガーを設けておくことによって破壊の不安定性
を防止できるので好ましい。

第３図に示すものは、上記第１図に示したチャンファ４
を本体１の厚み全体にわたって付けたものである。いわ
ゆる、フルチアンファである。

第４図に示すものは、第１図に示したものにｈいて本体
１にはチャンファを設けず、本体１が負荷状態で支持台
３の曲率部に乗り上げ、内側から押し拡げられるように
して破壊が進行するようにしたものである。この場合、
曲率は、本体の大きさにもよるが、通常、半径５ｍｍ以
下でよい。

第５因および第６図に示すものは、第４図に示したもの
において、本体１の、支持台の曲率部と対応する端部に
切込み５を設け、この切込み５をトリガーとしたもので
ある。

さらに、上述したような本体にピーク荷重を若干超える
長手方向の圧縮負荷を加え、その後負荷を取り除いて端
部をあらかじめクラッシュさせておくと、ピーク荷重と
クラッシュ荷重をほぼ等しくすることも可能になる。そ
の場合、破壊モードとしては理想的であるが、製造工程
はひとつ増えることになる。

■３ノリｂｉ この発明は、本体における補強繊維が、本体の長手方向
と円周方向の２方向に配列されているからして、圧縮強
度が高く、また脆性破壊を防止することができて、長手
方向の圧縮負荷によるエネルギーの大きな吸収能が得ら
れる。そればかりか、本体が、比強度の高い、樹脂と補
強繊維との複合材料であるから軽量にできる。

第７図は、第１図で説明した部材について試験した変位
−荷重特性を示すグラフである。ただし、本体は、エポ
キシ樹脂と、経方向と緯方向の繊維密度が互いに等しい
炭素繊維平織物との複合材料からなり、その経糸が長手
方向になるように、したがって緯糸が円周方向になるよ
うに配列されている。また、本体の内径は２０ｍｍで、
厚みは１゜５５ｍｍである。本体端部のチ７ンファは、
本体内面から０．９５ｍｍまでの部分に角度３０″で付
けられ、−力支持台には半径１ｍｍの曲率が付けられて
いる。支持台はステンレス鋼製である。

また、試験時における圧縮負荷の印加速度は１ｍｍＺ分
である。この第７図から、この発明の圧縮エネルギ一部
材は、ピーク荷重とクラッシュ荷重がほとんど等しく、
理想的な破壊モードを示すことがわかる。もつとも、こ
の試験は衝撃負荷によるものではない。しかしながら、
衝撃負荷に対しても同様の破ｔ７ＪＴニードが得られる
。

この発明の圧縮エネルギー吸収部材は、航空機や自動車
等、とりわけ軽虐化効果が格段に大きい航空機の、たと
えば座席の衝撃吸収体として好適である。また、たとえ
ばエレベータの落下時における＠撃吸収体として使用し
たり、鉄道車両等の衝突時における衝撃吸収体として使
用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の圧縮エネルギー吸収部材の一例を示
す概略縦断面図、第２図はこの発明の部材の一般的な変
位−荷重特性を示すグラフ、第３図は上記第１図に示し
たものとは異なる本体をその要部について示す一部破断
概略側面図、第４図は上記第１図に示したものとは異な
る本体および支持台の組み合せを示す一部破断概略側面
図、第５図および第６図は上記第１図、第３図および第
４図に示したものとは異なる本体をその要部について示
す概略側面図、第７図はこの発明の部材を試験して得ら
れた変位−荷重特性を示すグラフである。 １：樹脂と補強繊維との複合材料からなる本体 ２：支持台 ３：支持台 ４：チアノン７ ５：切込み 特許出願人　財団法人日本航空機開発協会第１図 第２図 ｔ（ｍｍ） 第３図 第５図 す 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 樹脂と補強繊維との複合材料からなる円筒状の本体と、
   前記本体の両端部に装着した支持台とを有し、かつ前記
   補強繊維は、前記本体の長手方向と円周方向の２方向に
   配列されていることを特徴とする圧縮エネルギー吸収部
   材。