特開 2022-177744 衝突エネルギー吸収構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022177744

(43)【公開日】2022-12-01

(54)【発明の名称】衝突エネルギー吸収構造

(51)【国際特許分類】

   B62D 25/04 20060101AFI20221124BHJP

【ＦＩ】

B62D25/04 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021084196

(22)【出願日】2021-05-18

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「革新的新構造材料等研究開発」の「鋼板と樹脂材料の革新的接合技術及び信頼性評価技術の開発」に係る委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】猪瀬 幸太郎

(72)【発明者】

【氏名】兵間 賢吾

(72)【発明者】

【氏名】和田 花清

【テーマコード（参考）】

3D203

【Ｆターム（参考）】

3D203AA01

3D203BB55

3D203CA02

3D203CA08

3D203CA22

3D203CA36

3D203CA52

3D203CB07

3D203CB39

(57)【要約】

【課題】衝突エネルギーの吸収性能を向上させつつ、過剰な重量増加を抑えることが可能な衝突エネルギー吸収構造を提供する。
【解決手段】衝突エネルギー吸収構造１は、荷重想定面１１を含む外面１２及び閉断面の空洞１３を形成する内面１４を有し、一方向に延伸するシェル部１０と、シェル部１０の延伸方向に延伸すると共に、シェル部１０の内面１４のうち荷重想定面１１と対向する位置に取り付けられた補強部２０とを備える。シェル部１０は、空洞１３を挟んで荷重想定面１１と反対側に設けられた樹脂部２２を含む。補強部２０の曲げ剛性はシェル部１０の曲げ剛性以下に設定されている。補強部２０の破断モーメント、或いは、補強部２０の破断モーメントと補強部２０の全塑性モーメントの和は、シェル部１０の全塑性モーメントとシェル部１０の破断モーメントの和以下に設定されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

衝突エネルギー吸収構造であって、
荷重想定面を含む外面及び閉断面の空洞を画成する内面を有し、一方向に延伸するシェル部と、
前記シェル部の延伸方向に延伸すると共に、前記シェル部の前記内面のうち前記荷重想定面と対向する位置に取り付けられた補強部と
を備え、
前記シェル部は、前記空洞を挟んで前記荷重想定面と反対側に設けられた樹脂部を含み、
前記補強部の曲げ剛性は前記シェル部の曲げ剛性以下に設定され、
前記補強部の破断モーメント、或いは、前記補強部の破断モーメントと前記補強部の全塑性モーメントの和は、前記シェル部の全塑性モーメントと前記シェル部の破断モーメントの和以下に設定されている
衝突エネルギー吸収構造。

【請求項2】

前記シェル部は、
前記荷重想定面を含むと共に金属板によって構成された第１部分と、
前記空洞を介して前記荷重想定面と対向する位置に前記第１部分と別体に設けられ、前記第１部分に接合する第２部分とを含み、
前記第２部分は、
金属板またはＦＲＰ板によって構成されると共に、前記補強部が取り付けられる第１板部材と、
前記第１板部材よりも前記空洞から離れた位置に位置し、前記樹脂部としてＦＲＰによって形成された第２板部材とを含む
請求項１に記載の衝突エネルギー吸収構造。

【請求項3】

前記補強部は、前記第１部分の前記荷重想定面から離隔している
請求項２に記載の衝突エネルギー吸収構造。

【請求項4】

前記補強部は、前記第１部分の前記荷重想定面に接触している
請求項２に記載の衝突エネルギー吸収構造。

【請求項5】

前記第１板部材と前記第２板部材は互いに離隔している
請求項２～４のうちの何れか一項に記載の衝突エネルギー吸収構造。

【請求項6】

前記シェル部は、前記荷重想定面と前記補強部との間に位置し、金属板によって形成された第３部分を更に含む
請求項１～５のうちの何れか一項に記載の衝突エネルギー吸収構造。

【請求項7】

前記補強部の長さは、前記シェル部の長さの１／１０～１／２に設定されている
請求項１に記載の衝突エネルギー吸収構造。

【請求項8】

前記補強部は、発泡プラスチック又はスチールウールによって形成されている
請求項１に記載の衝突エネルギー吸収構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、衝突エネルギー吸収構造に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車や鉄道車両等の車体を構成する構造部材には、環境負荷低減の観点による軽量化と、衝突安全性の観点による衝突エネルギー吸収性能の向上が求められている。これに関連する技術として、特許文献１は、車体のピラー等への適用を想定した衝撃吸収部材を開示している。特許文献１の衝撃吸収部材は、金属製の構造体と、金属製のカバーと、これらの間に挟まれたＦＲＰ（繊維強化樹脂）材とを備えており、ＦＲＰ材が衝突等による曲げ応力によって広範囲に破壊されることを利用して、衝突エネルギーの吸収量の増加を図っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８－２８４９１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

センターピラー（Ｂピラー）等の車体の構造部材には、衝突安全性の観点から高い衝突エネルギー吸収性能が求められる一方、環境負荷低減の観点から軽量化も求められる。しかしながら、これらの要求はトレードオフの関係にある。即ち、衝突エネルギーの吸収性能を向上させるには、荷重が掛かった際の反力を増加させる必要がある。ところが、反力を増加させようとすると、構造部材の重量が増加してしまう。

【0005】

本開示はこのような事情を鑑みて成されたものであり、衝突エネルギーの吸収性能を向上させつつ、過剰な重量増加を抑えることが可能な衝突エネルギー吸収構造を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様に係る衝突エネルギー吸収構造は、荷重想定面を含む外面及び閉断面の空洞を画成する内面を有し、一方向に延伸するシェル部と、前記シェル部の延伸方向に延伸すると共に、前記シェル部の前記内面のうち前記荷重想定面と対向する位置に取り付けられた補強部とを備え、前記シェル部は、前記空洞を挟んで前記荷重想定面と反対側に設けられた樹脂部を含み、前記補強部の曲げ剛性は前記シェル部の曲げ剛性以下に設定され、前記補強部の破断モーメント、或いは、前記補強部の破断モーメントと前記補強部の全塑性モーメントの和は、前記シェル部の全塑性モーメントと前記シェル部の破断モーメントの和以下に設定されている。

【0007】

前記シェル部は、前記荷重想定面を含むと共に金属板によって構成された第１部分と、前記空洞を介して前記荷重想定面と対向する位置に前記第１部分と別体に設けられ、前記第１部分に接合する第２部分とを含んでもよい。前記第２部分は、金属板またはＦＲＰ板によって構成されると共に、前記補強部が取り付けられる第１板部材と、前記第１板部材よりも前記空洞から離れた位置に位置し、前記樹脂部としてＦＲＰによって形成された第２板部材とを含んでもよい。

【0008】

前記補強部は、前記第１部分の前記荷重想定面から離隔していてもよい。前記補強部は、前記第１部分の前記荷重想定面に接触していてもよい。前記第１板部材と前記第２板部材は互いに離隔していてもよい。前記シェル部は、前記荷重想定面と前記補強部との間に位置し、金属板によって形成された第３部分を更に含んでもよい。前記補強部の長さは、前記シェル部の長さの１／１０～１／２に設定されてもよい。前記補強部は、発泡プラスチック又はスチールウールによって形成されてもよい。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、衝突エネルギーの吸収性能を向上させつつ、過剰な重量増加を抑えることが可能な衝突エネルギー吸収構造を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の一実施形態に係る衝突エネルギー吸収構造の一例を示す斜視図である。

【図2】衝突エネルギー吸収構造の断面図であり、（ａ）はＹＺ平面上の断面図、（ｂ）は（ａ）中のＩＩＢ－ＩＩＢ断面図、（ｃ）は（ａ）中のＩＩＣ－ＩＩＣ断面図である。

【図3】第１部分と第２部分の接合箇所における両者の形状の例を示す図である。

【図4】衝突エネルギー吸収構造の変形例の断面図であり、（ａ）はＹＺ平面上の断面図、（ｂ）は（ａ）中のＩＶＢ－ＩＶＢ断面図、（ｃ）は（ａ）中のＩＶＣ－ＩＶＣ断面図である。

【図5】衝突エネルギー吸収構造の変形例の断面図であり、（ａ）はＹＺ平面上の断面図、（ｂ）は（ａ）中のＶＢ－ＶＢ断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の一実施形態について図１～図５を用いて説明する。本実施形態に係る衝突エネルギー吸収構造は一方向に延伸する長尺の構造体であり、自動車や鉄道車両等の車体を構成する構造部材として使用される。例えば、自動車のセンターピラー（Ｂピラー）に適用可能である。以下、説明の便宜上、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を定義する。Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向はそれぞれ、衝突エネルギー吸収構造の幅方向、高さ方向及び延伸方向（長手方向）である。衝突エネルギー吸収構造が上述のセンターピラーとして使用される場合、Ｘ方向は車体の前後方向、Ｙ方向は車幅方向外方、Ｚ方向は車体の上下方向に相当する。衝突物の荷重は、荷重想定面１１（図１参照）に加わることを想定している。

【0012】

図１は、本実施形態に係る衝突エネルギー吸収構造１の一例を示す斜視図である。図２は衝突エネルギー吸収構造１の断面図であり、図２（ａ）はＹＺ平面上の断面図、（ｂ）は図２（ａ）中のＩＩＢ－ＩＩＢ断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）中のＩＩＣ－ＩＩＣ断面図である。

【0013】

図１に示すように、衝突エネルギー吸収構造１はシェル部１０を備える。シェル部１０は、荷重想定面１１を含む外面１２と、閉断面の空洞１３を形成する内面１４とを有し、Ｚ方向に延伸している。シェル部１０は、例えば、互いに別体として形成された第１部分１５と第２部分１６とを含んでいる。

【0014】

第１部分１５は金属板によって構成され、空洞１３を形成するように第２部分１６に向けて折り曲げられ又は湾曲している。第１部分１５を構成する金属板は、例えば高張力鋼板又は超高張力鋼板であり、その板厚は例えば１ｍｍ以下である。

【0015】

第１部分１５が形成するシェル部１０のうち、空洞１３を介して第２部分１６と対向する部分には荷重想定面１１が設定されている。荷重想定面１１は、車両等の物体の衝突が想定される領域である。例えば、衝突エネルギー吸収構造１の特性の１つである曲げ剛性を評価する３点曲げ試験を実施する場合、曲げ荷重は荷重想定面１１内の所定の位置に印加される。なお、荷重想定面１１は衝突物が衝突する可能性が高い領域を規定しているに過ぎず、その周囲の面との物性的な差異は無い。

【0016】

第２部分１６は、空洞１３を介して荷重想定面１１と対向する位置に位置する。第２部分１６は、第１部分１５の折り曲げ又は湾曲によって形成された空洞１３を閉塞するように第１部分１５に接合される。従って、空洞１３に面する第１部分１５の表面及び第２部分１６の表面は、閉断面の空洞１３を画成するシェル部１０の内面１４を兼ねている。

【0017】

図１及び図２に示すように、第２部分１６は、第１板部材１７と、第２板部材１８とを含んでいる。第１板部材１７は金属板またはＦＲＰ（繊維強化樹脂）板によって構成され、例えばＸＺ平面と平行である。

【0018】

第２板部材１８はＹ方向に沿って第１板部材１７よりも空洞１３から離れた位置に位置する。第２板部材１８はＦＲＰ板によって構成され、例えばＸＺ平面と平行である。なお、ＦＲＰは例えばＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）でもよい。

【0019】

このように、第２板部材１８のみ、或いは、第１板部材１７と第２板部材１８の何れもがＦＲＰ板によって構成されている。つまり、シェル部１０は、空洞１３を挟んで荷重想定面１１と反対側に設けられた樹脂部２２を含む。少なくとも第２板部材１８にＦＲＰ板を採用することによって、同等の曲げ剛性が得られる金属板を用いた場合よりも軽量化を図ることができる。

【0020】

Ｙ方向に沿った第１板部材１７と第２板部材１８の間隔は任意である。即ち、図３（ａｂ）及び図３（ｂ）に示すように、第２板部材１８は、接着剤等によって第１板部材１７に密着されてもよく、図３（ｂ）及び図３（ｄ）に示すように、Ｙ方向に所定の間隔を置きつつ、接着剤等によって第１部分１５に接着されてもよい。後者の場合、衝突エネルギー吸収構造１の曲げが進む方向に第１板部材１７と第２板部材１８が互いに離隔しているので、衝突エネルギー吸収構造１全体の軽量化が可能となると共に、第２板部材１８の圧潰を抑制することができる。

【0021】

第１部分１５と第２部分１６の接合箇所における両者の形状は図２に示すものに限られない。例えば、図３（ａ）に示すように、第２部分１６の幅は、第１部分１５の幅よりも大きく設定され、第２部分１６の第１板部材１７は、溶接等によって第１部分１５を構成する金属板の端部１５ａに接合されてもよい。この場合、第２板部材１８は接着剤等によって第１板部材１７に密着する。

【0022】

また、図３（ｂ）に示すように、第１板部材１７の幅が第１部分１５の幅以下に設定され、第２板部材１８の幅は、第１部分１５の幅よりも大きく設定されてもよい。この場合、第１板部材１７は、溶接等によってシェル部１０（第１部分１５）の内面１４に接合され、第２板部材１８は、接着剤等によって第１部分１５を構成する金属板の端部１５ａに接着する。

【0023】

また、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示すように、第２部分１６を構成する第１板部材１７及び第２板部材１８の各幅は、第１部分１５の幅以下に設定されてもよい。この場合、第１板部材１７は、溶接等によってシェル部１０（第１部分１５）の内面１４に接合される。第２板部材１８は、図３（ｃ）に示すように接着剤等によって第１板部材１７に密着してもよく、図３（ｄ）に示すように、接着剤等によってシェル部１０（第１部分１５）の内面１４に接着してもよい。

【0024】

衝突エネルギー吸収構造１は補強部２０を備える。補強部２０は、空洞１３内において第１板部材１７に取り付けられ、Ｚ方向に延伸する。換言すれば、補強部２０は、シェル部１０の内面１４のうち荷重想定面１１と対向する位置に取り付けられる。なお、補強部２０の断面形状は任意であり、図２（ｃ）に示す矩形に限られない。

【0025】

補強部２０は、合成樹脂、硬質ウレタンフォーム又は発泡スチロール等の発泡プラスチック、又はスチールウールによって形成され、Ｚ方向に沿ったシェル部１０の長さの１／１０～１／２の長さを有している。これにより、衝突エネルギー吸収構造１を軽量化することができる。また、補強部２０の幅は任意であり、例えば、シェル部１０の幅に略等しい。更に補強部２０の高さも任意である。即ち、補強部２０は、荷重想定面１１から離隔する高さを有してもよく、荷重想定面１１に接触する高さを有してもよい。前者の場合、補強部２０が第１部分１５の荷重想定面１１から離隔する。従って、衝突の際はこの部分が優先的に圧潰されやすくなり、曲げ（破壊）が進行する領域の不測の変動を抑制できる。一方、後者の場合、補強部２０が第１部分１５の荷重想定面１１に接触する。従って、シェル部１０の荷重点（衝突点）近傍に限定される局所的な曲げによる圧潰を抑制することができる。

【0026】

図４に示すように、シェル部１０は、荷重想定面１１と補強部２０との間に位置し、金属板によって構成された第３部分１９を更に含んでもよい。第３部分１９は、例えばＸＺ平面に平行な金属板またはＦＲＰ板である。第３部分１９は、その材質に応じた手法によってシェル部１０（第１部分１５）の内面１４に接続している。即ち、第３部分１９が金属製であれば、第３部分１９は溶接等によってシェル部１０に接合している。また、第３部分１９がＦＲＰ製であれば、第３部分１９は接着剤によってシェル部１０に接着している。何れの場合も、第１部分１５に補強部２０を固定し、かつ、補強部２０を補強することができる。

【0027】

また、図５に示すように、補強部２０は補助板２１を含んでもよい。補助板２１は、荷重想定面１１に面した補強部２０の表面２０ａに接着される。補助板２１の材質は任意であり、例えば金属、合成樹脂又はＦＲＰである。補助板２１の幅は第１部分１５の幅よりも小さく設定され、補助板２１と第１部分１５の間には間隙が形成される。また、Ｚ方向沿った補助板２１の長さは、補強部２０の長さ以下に設定される。

【0028】

本実施形態に係る衝突エネルギー吸収構造１は次の条件を満たしている。
（１）補強部２０の曲げ剛性は、シェル部１０の曲げ剛性以下に設定される。
（２）補強部２０の破断モーメント、或いは、補強部２０の破断モーメントと補強部２０の全塑性モーメントの和は、シェル部１０の全塑性モーメントとシェル部１０の破断モーメントの和以下に設定される。
ここで曲げ剛性は、断面二次モーメント（Ｉ）とヤング率（Ｅ）の積であり、全塑性モーメントは塑性断面係数（Ｚｐ）と降伏応力（σｙ）の積である。但し、断面が複数材料で構成される場合の曲げ剛性は、中立軸に対する各材料の断面二次モーメントとヤング率の積の総和とする。

【0029】

条件（１）における各曲げ剛性は、周知の三点曲げ試験法によって評価できる。例えば、三点曲げ試験は、日本産業規格の金属材料曲げ試験方法（ＪＩＳ Ｚ ２２４８）に準拠した試験を適用できる。即ち、衝突エネルギー吸収構造１に対してＹ方向に移動する圧子のクロスヘッドと、Ｚ方向に所定の間隔を置いた２つの支持子とを備える試験機（図示せず）を使用する。曲げ剛性の試験体は２つの支持子上に載置され、これら支持子の中間の位置において圧子により押圧される。試験機は、圧子に印加される荷重とその変位とを測定し、任意の変位を与えた時点で試験を終了する。なお、圧子はＺ方向に間隔を置く２つに分かれていてもよい。この場合、２つの圧子は、２つの支持子の中間点からＺ方向に等間隔だけ互いに離れている。なお、試験片、支持子（下治具）及び圧子（上治具）の各寸法、並びに支持子間のスパン等はＪＩＳ Ｚ ２２４８に規定されたものに限られない。

【0030】

条件（２）について、「補強部２０の破断モーメント」のみを選択するか、或いは、「補強部２０の破断モーメントと補強部２０の全塑性モーメントの和」を選択するかは、補強部２０の構成材料に依存する。例えば、補強部２０が降伏点の無い合成樹脂等によって形成されている場合、「補強部２０の破断モーメント」のみが選択される。一方、補強部２０が降伏点の無い合成樹脂等と降伏点の有る金属によって形成された複合部材の場合、「補強部２０の破断モーメントと補強部２０の全塑性モーメントの和」が選択される。

【0031】

衝突エネルギー吸収構造１は上記２つの条件を満たすため、荷重想定面１１に物体の衝突等による過剰な荷重が掛けられたとき、降伏に至った部位の過剰な変形が補強部２０からの反力によって抑制され、その部位における応力が二次元的に分散する。よって、降伏が発生する箇所を二次元的に（例えばＸ方向とＺ方向に）拡大させることができ、荷重点（衝突点）近傍に限定される局所的な曲げによる圧潰を抑制することができる。即ち、荷重想定面１１における塑性変形を二次元的に拡大させることができ、少なくとも上記２つの条件を満たさない場合と比べて、衝突エネルギーの吸収量を増加させることできる。また、少なくとも、曲げ剛性を高める第２板部材が樹脂製であるため、衝突エネルギー吸収構造１の軽量化も図ることができる。つまり、衝突エネルギー吸収構造１の単位重量当たりの衝突エネルギーの吸収率を向上させることができる。

【0032】

なお、衝突エネルギー吸収構造１の外形及びその内部の空洞１３の断面形状等は、上述の曲げ剛性に関する条件及び全塑性モーメント等に関する条件を満たす限り、適用される車体等の形状に応じて、適宜変形可能である。例えば、空洞１３の断面形状は閉曲線で定義される形状であればよく、その形状もＺ方向に沿って変化していてもよい。

【0033】

また、シェル部１０の第１部分１５と第２部分１６の第１板部材１７は、単一の母材から一体に形成されてもよい。この場合、例えば、シェル部１０は一枚の金属板によって構成される中空の構造体となり、その構造体の内部に補強部２０が設けられ、その構造体の外面に第２部材が接着されることになる。

【0034】

なお、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

【符号の説明】

【0035】

１…衝突エネルギー吸収構造、１０…シェル部、１１…荷重想定面、１２…外面、１３…空洞、１４…内面、１５…第１部分、１５ａ…端部、１６…第２部分、１７…第１板部材、１８…第２板部材、１９…第３部分、２０…補強部、２０ａ…表面、２１…補助板、２２…樹脂部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】