自動車用衝撃吸収部材
【課題】自動車の構造部材に使用される衝撃吸収部材であって、従来よりもさらに大きな比エネルギー吸収量を実現する衝撃吸収部材を提案する。
【解決手段】本発明によれば、自動車の衝撃吸収部材として四角中空長材を採用し、この四角中空長材に対する衝撃の荷重が加わる面と直角の２つの側面に対して、衝撃による荷重が直接加わる圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい面部材を使用することで、従来よりもさらに吸収エネルギー量が増加した衝撃吸収部材を提供することができる。
【解決手段】本発明によれば、自動車の衝撃吸収部材として四角中空長材を採用し、この四角中空長材に対する衝撃の荷重が加わる面と直角の２つの側面に対して、衝撃による荷重が直接加わる圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい面部材を使用することで、従来よりもさらに吸収エネルギー量が増加した衝撃吸収部材を提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車用衝撃吸収部材に関する。さらに詳しくは、自動車の構造部材に使用される、高いエネルギー吸収量を有する衝撃吸収部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、２種類以上の材料を組み合わせた複合材料が、材料を強化する目的等の様々な目的のために開発されている。複合材料のうち材料を繊維で強化したものは、繊維強化材料とよばれ、繊維強化ゴム（ＦＲＲ）、繊維強化金属（ＦＲＭ）、繊維強化セラミックス（ＦＲＣ）、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が知られている。特に、ＦＲＰは、マトリックス（素地）としてプラスチックを使用したもので、強化材としては一般に、ガラスやカーボン等の繊維が使用されることが知られている。
【０００３】
繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の強化材としてカーボン繊維を使用したものは、カーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）とよばれ、先端複合材料の中核に位置し、軽量、高強度、高弾性率材料として、航空分野、宇宙分野等に欠くことのできない構造材料として知られている。ＣＦＲＰ材は、カーボン繊維の配向に応じて異なる構造及び性質を持つ、ユニダイレクショナル材（ＵＤ材）や、クロス材が知られている。ＵＤ材は、カーボン繊維をうすく一方向に並べてエポキシ樹脂等により成型した素材形態である。一方、クロス材はカーボン繊維を織物状に編みこんで、エポキシ樹脂等により成型した素材形態である。これらのＣＦＲＰは、鉄の約２５％の重量と軽量ながら、耐熱性、耐蝕性がある。
【０００４】
一方、自動車等の車両においては、乗員の保護対策のために、フロントピラー、センターピラー、リアピラー等の自動車側部に使用されるビーム材に対して、さらに優れた衝撃エネルギー吸収が期待されている。また、これらのピラーの材料においては、さらなる燃費向上のため、軽いものが望ましく、アルミニウム材もしくはアルミニウム合金材が知られている。これらの材料よりもさらに軽く、さらにエネルギー吸収量が大きい衝撃吸収材料が望まれている。
【０００５】
自動車の側部構造材として設置されるフレームは、単一材料を押出成型やプレス成型し、断面形状を閉断面化、大断面化して強度、剛性を上げ、衝突時のエネルギー吸収量の向上を図っている。一般に、側面衝突時の変形モードとしては、センターピラーを例に挙げると、上部サイドルーフレールと下部サイドシルを支点として折れ曲がるような３点曲げを受ける。従って、側部構造材としては、３点曲げの荷重に対する耐久力が強く、曲げによるたわみが小さくなることが望まれる。
【０００６】
例えば、ピラー用の衝撃吸収部材としてアルミニウム材もしくはアルミニウム合金材（以下、単にアルミ）が使用された場合、同じ重量で大きな断面２次モーメントを得るために、中空構造が採用されている。このようなアルミ等のビーム材を使用したときの変形においては、加わる荷重が最大強度に達した直後に荷重強度が急激に減少するという性質がある。これは、加わる荷重が降伏点を越えると、小さな荷重で容易に衝撃吸収部材を変形させることができるため、一度、降伏点を越えると車体の変形量が大きいことを意味する。即ち、降伏点を越えたとたんに耐えうる荷重が小さくなり、小さい荷重で大きな車体の変形を生じるため、荷重と変位の積で算出されるエネルギー吸収量は結果的に小さくなる。これに対して、ピラー用の衝撃吸収部材として望ましい性質は、荷重が最大強度に達して降伏点を越えた後、降伏点近傍の荷重が引き続き加わっても、一定の変位に達するまでは荷重強度を保持し続けるというものである。
【０００７】
これに関し、特許文献１では、アルミ中空形材の引張面側にＦＲＰ材を隣接して一体化させた部材が提案されている。これは圧縮面側に塑性変形容易な部材を使用し、引張面側に高強度軽量部材を使用することで、圧縮面側で衝撃吸収を受け持ち、引張面側では面の変形量を少なくすることで大きなエネルギー吸収と小さな変形を実現しようとする技術である。
【特許文献１】特開平０６−１０１７３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の衝撃吸収部材では、圧縮側への荷重により、圧縮側とその側面が座屈変形し、この座屈変形する部分にのみ荷重が集中する。これは、直接的に圧縮面が荷重により押される力に加えて、側面が圧縮面からの荷重に抵抗することで曲げ荷重が発生し、この曲げ荷重も座屈変形部分に集中するからである。荷重が座屈変形部分に集中してしまうと、衝撃吸収部材の荷重に対する強度は、座屈変形部分の強度に依存してしまう。
【０００９】
本発明においては、座屈変形部分のみの荷重の集中を回避することで、従来よりもエネルギー吸収量が増加した衝撃吸収部材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】
【００１０】
そこで、本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、自動車の衝撃吸収部材として、四角中空長材を採用し、この四角中空長材に対する衝撃の荷重が加わる面と略直角の２つの側面を構成する面部材に対して、衝撃による荷重が直接加わる圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい面部材を使用することで、衝撃吸収部材のエネルギー吸収性能を向上できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のような衝撃吸収部材を提供する。
【００１１】
（１） 自動車の構造部材として使用される衝撃吸収部材であって、衝撃を直接受ける圧縮面と、この圧縮面に対面した引張面と、この圧縮面と引張面とを結合する２つの側面とからなる四角中空長材であり、前記２つの側面を構成する面部材が、前記圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい繊維強化材料からなる衝撃吸収部材。
【００１２】
（２） 前記衝撃吸収部材の面部材は、繊維方向を略一方向に揃えたシート状繊維強化材を積層させた構造であって、一のシート状繊維強化材の繊維方向と、積層する他のシート状繊維強化材の繊維方向とが一定の角度を有して積層された面部材である（１）記載の衝撃吸収部材。
【００１３】
（３） 前記引張り歪みが大きい繊維強化材料は、一のシート状繊維強化材の繊維方向が、長手方向に対して一の角度を有し、積層する他のシート状繊維強化材の繊維方向が、長手方向に対して前記一の角度とは異なる角度を有し、これらのシート状繊維強化材が積層された面部材である（２）記載の衝撃吸収部材。
【００１４】
（４） 前記シート状繊維強化材は、繊維強化材料である（２）又は（３）記載の衝撃吸収部材。
【００１５】
（５） 前記繊維強化材料は、カーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）である（４）記載の衝撃吸収部材。
【００１６】
（６） （１）から（５）いずれか記載の衝撃吸収部材を構造部材に用いた自動車。
【００１７】
（７） 自動車の構造部材として、衝撃を直接受ける圧縮面と、この圧縮面に対面した引張面と、この圧縮面と引張面とを結合する２つの側面とからなる四角中空長材の前記２つの側面を構成する面部材に対して、前記圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい繊維強化材料を用いることで、自動車の衝撃吸収を向上させる方法。
【００１８】
本発明においては、自動車の衝撃吸収部材の面部材として、繊維強化材料を使用し、衝撃を直接受ける圧縮面と、この圧縮面に対面した引張面と、この圧縮面と引張面とを結合する２つの側面とからなる四角中空長材として衝撃吸収部材を形成し、この２つの側面を構成する面部材が、圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい繊維強化材料を使用する。これにより、荷重時に、圧縮面の端部が“くの字型”に破壊変形され、衝撃吸収部材の座屈変形部分に荷重および曲げ荷重の集中を回避することができる。すなわち、圧縮面に衝撃荷重がかかることで、側面に引張力が生じるが、この引張力が、側面の面部材を歪み変形する力に置換されることで、圧縮側の座屈変形に引きずられることなく側面が圧縮変形する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、自動車の衝撃吸収部材として四角中空長材を採用し、この四角中空長材に対する衝撃の荷重が加わる面と直角の２つの側面に対して、衝撃による荷重が直接加わる圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい面部材を使用することで、従来よりも吸収エネルギー量が増加した衝撃吸収部材を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に好適な実施形態の一例について、図を参照しながら説明する。
【００２１】
本発明の好適な実施形態に係る衝撃吸収部材１０１を自動車５０のセンターピラー１０に適用した例を、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示した。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明では、例えば、自動車の側面部の側突による衝撃に対して充分なエネルギー吸収を実現した衝撃吸収部材１０１を提供することを目的とする。一例として、図１（ｃ）は、面部材に使用するＣＦＲＰ材（カーボン繊維強化プラスチック）として衝撃吸収部材の全面にＵＤ材（ユニダイレクショナル材）を採用した衝撃吸収部材１０１が示されている。
【００２２】
ここで、図１（ｂ）では、自動車の側面部の構造部材に対して本発明を適用したが、自動車の構造部材であれば適用可能であり、例えば、フロントピラーや、リアピラーに本発明の衝撃吸収部材１０１が使用されてもよい。
【００２３】
圧縮面とは、衝撃による荷重を直接的に受ける面であり、自動車の側面とほぼ平行な面である。また、荷重により主に圧縮応力を受ける面であってもよい。引張面とは、圧縮面と対面した面であって、衝撃による荷重を間接的に受ける面である。また、衝撃による荷重により主に引張り応力を受ける面であってもよい。さらに、衝撃吸収部材の側面とは、圧縮面に対して略直角の面であって、衝撃による荷重を間接的に受ける面である。また、側面は、衝突時の荷重により主にせん断応力を受ける面であり、自動車の側面に対して直角な面であってもよい。
【００２４】
衝撃吸収部材１０１は、強化繊維として、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、玄武岩繊維を使用することが可能であり、これらの繊維の母材として、エポキシ樹脂、ポリプロピレン、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、アルミを採用できる。これらの母材と強化繊維との結合においては、繊維方向を一方向に揃えたシート状一方向ＵＤ材を積層したものであってもよいし、繊維を織り込んだクロス材であってもよい。
【００２５】
ＵＤ材は、ＦＲＰ材の素材形態である。強化繊維をほぼ一方向に揃えて固めたシート状のＦＲＰをシート状ＵＤ材とし、このシート状ＵＤ材を繊維方向に積層したものを、一方向ＵＤ材とする。一方向ＵＤ材は、繊維方向の引張強度が強いため、異方性を有するＦＲＰ材料である。
【００２６】
また、一方向ＵＤ材とは異なり、繊維方向が積層する層ごとに異なっていてもよい。例えば、図１（ｄ）に示すように、衝撃吸収部材１０１の側面は、一の繊維方向を備えたシート状ＵＤ材１０５、１０７、１０９（長手方向１３５度）と、これとは異なる繊維方向を備えたシート状ＵＤ材１０６、１０８（長手方向４５度）とを交互に積層させて、衝突吸収部材１０１の側面を構成している。積層する際には、図示したように、１枚ずつ交互に積層してもよいし、同じ繊維方向を有するシート状ＵＤ材を２枚以上重ねて、これを１つのセットとして、セットごとに交互に積層してもよい。
【００２７】
クロス材は、ＦＲＰ材の素材形態であって、ＦＲＰ材の強化繊維の構造として繊維を織り込むことで織物状に配向したシート状ＦＲＰ材、又はこのシート状ＦＲＰ材を積層したＦＲＰ材である。即ち、クロス材とは、強化繊維の套を一本もしくは複数本ずつ編むことで平面を構成し、その平面に樹脂等のマトリクスを使用し固めたＦＲＰ材である。織物状を形成するための編み方としては、平織りや綾織りであってよい。一方向ＵＤ材とは異なり、一般に、クロス材は、その強度においては等方性を有するＦＲＰ材料である。
【００２８】
繊維方向とは、カーボン繊維を組み合わせてＦＲＰ材を形成する際に、カーボン繊維を一方向に揃えることにより決定される繊維の向きである。また、衝撃吸収部材の面に対して一の繊維方向による角度が定まり、これを繊維配向角度（配向角）と呼ぶ。繊維配向角度は、衝撃吸収部材の重心を通り衝撃吸収部材の長手方向に延びる中心軸と繊維方向から定まる角度である。
【００２９】
ＦＲＰ材の衝撃吸収部材が、従来のアルミに比べて高い荷重特性を持つことを説明する。衝撃吸収を、衝撃吸収部材の長手方向から直角に曲げ変形することで実現する部材について、曲げモーメントから考察する。
【００３０】
一般に、梁の曲げにおいては、図２のように衝撃吸収部材１００に垂直応力が発生し、衝撃吸収部材１００の中心軸からの距離ｙ、微小面積ｄＡ、衝撃吸収部材の強度σとすると、ｙσｄＡのモーメントが生じる。従って、梁中央部断面に作用する曲げモーメントは、式（１）のように表される。
【００３１】
【数１】
【００３２】
ここで、強度σはＦＲＰ材の構造及び、配向角により調整することが可能であり、アルミよりも高強度に設定が可能である。例えば、一方向ＵＤ材（配向角０度）（東レ（株）製カーボン繊維Ｔ７００Ｓ、マトリクスにエポキシ樹脂を採用）の強度は２６００ＭＰａであり、クロス材の強度は７９８ＭＰａである。これに対して、アルミ（５０００系）の強度は２７０ＭＰａ（ヤング率７１ＧＰａ、破壊歪み１４％、ポアソン比０．３）と小さい。従って、中心軸からの距離ｙが等しいアルミとＦＲＰ材では、ＦＲＰ材の方が、強度が大きいため、耐えうる曲げモーメントが大きくなり、より大きい荷重特性を持つことができる。
【００３３】
さらに、ＦＲＰ材は、荷重が付加されても衝撃吸収部材の断面が変化しないため、高いエネルギー吸収性能を持つことを説明する。衝撃吸収部材が完全塑性体と仮定した場合、梁の塑性曲げモーメントＭｐは式（２）のように表される（図３参照）。
【００３４】
【数２】
【００３５】
ここで、σｙは降伏点応力、ｙ１は中立軸から圧縮面までの距離、ｙ２は中立軸から引張面までの距離、Ａが衝撃吸収部材の中央部断面積である。対応する各変数は、図３（ａ）に記した。
【００３６】
衝撃吸収部材としてアルミを使用した際に、降伏点近傍まで荷重を加えることで変形したアルミの形状を図３（ｂ）に示した。図に示されるように、アルミの場合には、荷重による変形に伴ってアルミ７の中央部断面積Ａの値が減少する。それに伴って、中立軸から圧縮面、引張面までの距離ｙ１、ｙ２も減少する。この結果、塑性曲げモーメントＭｐも減少するため、荷重値も降伏点近傍まで荷重を加えた後には減少せざるを得ない。
【００３７】
衝撃吸収部材１００としてＦＲＰ材を使用した際に、降伏点近傍まで荷重を加えることで変形したＦＲＰ材の形状を図３（ｃ）に示した。ＦＲＰ材の場合には、荷重を加えたところで、図のように上述の断面積Ａ、距離ｙ１、ｙ２が一定である。これはＦＲＰ材の塑性変形が進行するため、アルミのように荷重によるへこみがないからである。従って、（２）式より、塑性曲げモーメントＭｐの値は減少することがなく、降伏点近傍まで荷重を加えていながらも、荷重値はすぐに減少しない特徴がある。結果として、ＦＲＰ材は高いエネルギー吸収性能を示すことが予想される。
【００３８】
比エネルギー吸収量（単位重量あたりのエネルギー吸収量）を比較したグラフ図を図４に示した。ここでのＦＲＰ材は、東レ（株）製カーボン繊維Ｔ７００Ｓを強化繊維とし、マトリクスにエポキシ樹脂を用いた。一方向ＵＤ材（配向角０度）のヤング率は１４０ＧＰａ、破壊歪みが１．９％、ポアソン比が０．３２、強度２６００ＭＰａである。クロス材では、ヤング率は８９ＧＰａ、破壊歪みが０．９％、ポアソン比が０．０７、強度７９８ＭＰａである。
【００３９】
実験では、アルミ衝撃吸収材の比重が７．６ｇ／ｃｍ３、ＣＦＲＰ材の比重が１．６ｇ／ｃｍ３である。グラフ４０２が引張面のみクロス材を採用し、その他の全面に一方向ＵＤ材（０度）を採用した結果である。グラフ４０１が全面に一方向ＵＤ材（０度）を採用した結果である。グラフ４０３が、前述のアルミを衝撃吸収部材に採用した結果である。アルミで形成した衝撃吸収部材の比エネルギー吸収量は４００Ｊ／ｋｇ程度であるのに対して、一方向ＵＤ材（０度）で形成した衝撃吸収部材１０１の比エネルギー吸収量は１２００Ｊ／ｋｇ強であった。ＣＦＲＰ材はアルミより、曲げモーメントが大きく、荷重による圧縮部の断面積が減少しないため大きなエネルギー吸収を実現していると考えられる。
【００４０】
ＦＲＰ材として、一方向ＵＤ材（０度）を衝撃吸収部材に用いることで、高いエネルギー吸収特性を示すことに加えて、衝撃吸収部材の各面に働く応力に応じて異なる種類のＵＤ材を採用すれば、さらに高い荷重特性を示すと考えられる。
【００４１】
曲げ変形を受ける自動車の衝撃吸収部材に、荷重がかかったときの概念図を図５に示した。一般にピラー材は、上部サイドルーフレールと下部サイドシルを支点として折れ曲がるような３点曲げを受ける。この際に、荷重が直接加わる圧縮面では、荷重により面が圧縮される方向に応力が主に働く。これに対して、荷重が直接加わらない引張面では、面が引張られる方向に応力が主に働く。さらに、側面では荷重によるずれに伴い、せん断応力が主に働く。この様な異なる応力に対応したＦＲＰ材として、どの面にどのＦＲＰ材を採用すればよいか以下にて検討する。
【００４２】
ＦＲＰ材として異なる性質を持つＵＤ材、クロス材（幅２５ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ２ｍｍ、１０枚積層）に対して、引張強さを測定した結果を示した表と、各々の材料を引張る方向を示す概念図を図６に示した。これより、ＦＲＰ材の構造及びカーボン繊維の配向角により引張強さが異なることが示される。図６（ａ）は、一方向ＵＤ材の繊維方向に引張ることを示す概念図である。図６（ｂ）は、ＵＤ材の繊維方向に対して９０度の方向に引張ることを示す概念図である。図６（ｃ）は、配向角度が０度と−９０度で直交したＵＤ材を交互に積層させて作製したＵＤ材を引張る概念図である。図６（ｄ）は、クロス材に対して面の広がり方向に引張ることを示す概念図である。本測定は、ＰＡＮ系炭素繊維を使用し、マトリックスとしてエポキシ樹脂を使用している。
【００４３】
図６の表に示されるように、一方向ＵＤ材は引張強度に対して異方性を示し、繊維方向が長手方向０度である一方向ＵＤ材の引張強さがサンプル中、最大であることから、このＦＲＰ材を図５における衝撃吸収部材の引張面に使用することが適当であると考えられる。即ち、一実施例として衝撃を受ける面の逆側の面である引張面にＵＤ材を採用し、かつ炭素の繊維方向と荷重時の引張られる方向が同じになるように配向角をＺ軸に平行に設定するのが望ましい。
【００４４】
衝撃吸収部材の引張面の種類により荷重特性が異なることを図７（ａ）、（ｂ）に示した。例えば、圧縮面と側面に一方向ＵＤ材（０度）、引張面にクロス材（０度、−９０度）を採用した際には、引張面におけるクロス材のヤング率が８９ＭＰａであるため、図７（ａ）に示すように、圧縮面と側面が降伏点を越えて破壊に至るときに引張面で荷重が立ち上がらず、エネルギー吸収にあたっての引張面の寄与が小さい。これに対して、全面一方向ＵＤ材（０度）で形成された衝撃吸収部材は、引張面のヤング率が１４０ＭＰａであるため、引張面の荷重立ち上がりが早い（図７（ｂ）参照）。従って、圧縮面、側面が破壊されるときに、引張面で荷重を受け持つことが可能であり、衝撃吸収部材全体のエネルギー吸収量を増すことができる。図４に示されるように、全面一方向ＵＤ材を使用したグラフ４０１は引張面にクロス材を使用したグラフ４０２よりも１００Ｊ／ｋｇ程度大きな比エネルギー吸収量を実現している。
【００４５】
実際に、衝撃吸収部材の引張面の面部材により荷重変位が異なることを、図８（ａ）のグラフにて示した。ここで使用した衝撃吸収部材は、ＣＦＲＰのＵＤ材を用いて、圧縮面と側面において一方向ＵＤ材（０度）を用いて、引張面に一方向ＵＤ材（０度）または一方向ＵＤ材（９０度）を用いた。
【００４６】
吸収エネルギー量は、このグラフにおける荷重を変位で積分した量である。したがって、引張面としては一方向ＵＤ材（０度）を採用するほうが、一方向ＵＤ材（９０度）を採用するより吸収エネルギー量が多くなる。これは、図８（ｂ）に示すように、一方向ＵＤ材（９０度）の場合は、引張面の歪量が大きいため、衝突吸収部材における曲げ角（θ１）が小さくなる。その結果、衝突吸収部材中央部で応力が集中し、圧縮面での破壊が促進されてしまう。これに対して、一方向ＵＤ材（０度）の場合は、引張面の歪量が小さいため、衝突吸収部材における曲げ角（θ２）が小さくなる。その結果、圧縮面の広い領域に応力が分散し、ビーム中央部の圧縮面での破壊を防止できる。
【００４７】
次に、衝撃吸収部材の圧縮面と側面に最適な面部材の検討を行う。図９は、衝撃吸収部材の断面を示した図であり、この衝撃吸収部材の上面に荷重がかかることで３点曲げが行われることを示した。ここで、図９(ａ)は、従来のアルミ等による衝撃吸収部材の３点曲げを示している。上面となる圧縮面への荷重により、圧縮面と側面が座屈変形されるが、この座屈変形する部分にのみ荷重が集中する（図９（ｂ））。これは、直接的に圧縮面が荷重により押される力に加えて、側面が圧縮面からの荷重に抵抗することで曲げ荷重が発生し、この曲げ荷重も座屈変形部分に集中するからである。荷重が座屈変形部分に集中してしまうと、衝撃吸収部材の荷重に対する強度は、座屈変形部分の強度に依存してしまう。
【００４８】
そこで、上述のように、圧縮面が受けた荷重に対して、側面が抵抗することにより曲げ荷重が生じるが、これを生じさせない側面について考察する。図９（ｂ）の矢印に示すように、側面は、圧縮面からの荷重により長手方向の引張力を生じさせ、これが曲げ荷重となる。したがって、この引張力を生じさせないことで、曲げ荷重を回避できる。そこで、引張り歪みが大きい面部材を側面に採用し、上面端部を先に崩壊させ、引張力を生じさせないことで、曲げ荷重も回避できると考えられる。
【００４９】
一方、長手方向への引張試験において、ＵＤ材（[45/135/45/135/45]s）は、一方向ＵＤ材（０度）よりも、引張りによる歪みが、７倍であることが分かった。ここで、ＵＤ材（[45/135/45/135/45]s）とは、１、３、５層目を衝突吸収部材の長手方向４５度のシート状ＵＤ材を採用し、２、４層目を衝突吸収部材の長手方向１３５度のシート状ＵＤ材を採用することで対称に１０層を積層させたＵＤ材である。
【００５０】
そこで、このＵＤ材（[45/135/45/135/45]s）を側面に採用する。図１０（ａ）は、圧縮面に、一方向ＵＤ材（０度）を使用し、引張面には、一方向ＵＤ材（０度）を使用したときの、荷重変位曲線である。側面としては、上述のＵＤ材（[45/135/45/135/45]s）と、このＵＤ材との比較のために、一方向ＵＤ材（０度）と、一方向ＵＤ材（９０度）を用いた。また、図１０（ｂ）は、圧縮面に、一方向ＵＤ材（９０度）を使用し、側面と引張面は図１０(ａ)と同じものを使用したときの、荷重変位曲線である。ここで、衝撃吸収部材は、断面が５０x５０ｍｍであり、長手方向６００ｍｍを使用した。また強化繊維として、東邦テネックス（株）社製カーボン繊維ＨＴＡを採用し、マトリクスとしてエポキシ樹脂（＃１１２）から形成されるＣＦＲＰを使用した。
【００５１】
この結果より、圧縮面が一方向ＵＤ材（０度）であり、側面がＵＤ材（[45/135/45/135/45]s）の衝撃吸収部材が、変位４０ｍｍ程度まで平均１４ｋＮの荷重を保持し続け、他のＵＤ材と比べて、最も吸収エネルギー量が多いことが分かる。これは、図９（ｃ）のように、圧縮面の端部が“くの字型”に破壊変形することにより、座屈変形部分に荷重が集中しないからである。すなわち、圧縮面に荷重がかかることで、側面に引張力が生じるが、圧縮側の座屈変形に引きずられることなく側面が圧縮変形することで、曲げ荷重を生じさせずに、座屈変形部分の荷重の集中を回避できる。
【００５２】
従って、衝撃吸収部材の実施形態の一つとして、荷重を直接受ける圧縮面においては、一方向ＵＤ材（０度）を採用し、引張面においては、一方向ＵＤ材（０度）を採用し、側面においては、ＵＤ材（[45/135/45/135/45]s）を採用することで、荷重時に圧縮面の端部が破壊することによって、衝突吸収部材の断面積の減少を回避し、高いエネルギー吸収である衝撃吸収部材を提供できる。
【００５３】
さらに具体的には、自動車のピラー材として衝撃吸収部材が用いられる場合には、図１のように、自動車のルーフからシャーシの方向を衝撃吸収部材１０１の長手方向とすることができる。さらに、自動車の側面と平行な面であって、車内側に向く面（即ち、その面の法線ベクトルが車内側を向く面であって、衝突時の側突方向から手前側の面）を圧縮面とし、圧縮面の面部材としてクロス材を採用する。加えて、自動車の側面と平行な面であって、車外側に向く面（即ち、その面の法線ベクトルが車外側を向く面であって、衝突時の側突方向から奥側の面）を引張面とし、引張面の面部材として一方向ＵＤ材(０度)を採用する。また、自動車の側面と直角した面である衝撃吸収部材１０１の側面の面部材に、ＵＤ材（[45/135/45/135/45]s）を採用する。このように、一例として、衝撃吸収部材１０１を自動車の側面部に配置することで上述のような高い比エネルギー特性が得られるようなピラー材を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、自動車の衝撃を吸収する構造部材であり、従来よりもさらに高いエネルギー吸収量で軽量化を実現した衝撃吸収部材である。この部材を自動車のピラー等に用いることで、従来よりも軽量でさらに安全性が確保された自動車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施例である衝撃吸収部材を自動車のピラーに適用した模式図である。
【図２】衝撃吸収部材に荷重がかかったときに生じる曲げモーメントを示した概念図である。
【図３】衝撃吸収部材の塑性曲げモーメントをアルミ材とＣＦＲＰ材で比較するための模式図である。
【図４】比エネルギー吸収量を３種の衝撃吸収部材で比較したグラフ図である。
【図５】衝撃吸収部材に荷重がかかった際の圧縮面、引張面の状態を示す模式図である。
【図６】ＵＤ材とクロス材に対して引張を行う方向と、引張強さを示す図である。
【図７】衝撃吸収部材の各面の種類により荷重特性が異なることを示すグラフ図である。
【図８】衝撃吸収部材の引張面の面部材により荷重変位が異なることを示すグラフ図と、荷重が加わったときの衝撃吸収部材の変形を示した概念図である。
【図９】従来の衝撃吸収部材に荷重が加わった場合と、本発明の衝撃吸収部材に荷重が加わった場合との、各々の荷重の分布と衝撃吸収部材の変形を表した図である。
【図１０】本発明の衝撃吸収部材の荷重変位曲線を表したグラフ図である。
【符号の説明】
【００５６】
７ アルミ
５０ 自動車
１０ センターピラー
１００、１０１ 衝撃吸収部材
１０５、１０６、１０７、１０８、１０９ 面部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車用衝撃吸収部材に関する。さらに詳しくは、自動車の構造部材に使用される、高いエネルギー吸収量を有する衝撃吸収部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、２種類以上の材料を組み合わせた複合材料が、材料を強化する目的等の様々な目的のために開発されている。複合材料のうち材料を繊維で強化したものは、繊維強化材料とよばれ、繊維強化ゴム（ＦＲＲ）、繊維強化金属（ＦＲＭ）、繊維強化セラミックス（ＦＲＣ）、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が知られている。特に、ＦＲＰは、マトリックス（素地）としてプラスチックを使用したもので、強化材としては一般に、ガラスやカーボン等の繊維が使用されることが知られている。
【０００３】
繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の強化材としてカーボン繊維を使用したものは、カーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）とよばれ、先端複合材料の中核に位置し、軽量、高強度、高弾性率材料として、航空分野、宇宙分野等に欠くことのできない構造材料として知られている。ＣＦＲＰ材は、カーボン繊維の配向に応じて異なる構造及び性質を持つ、ユニダイレクショナル材（ＵＤ材）や、クロス材が知られている。ＵＤ材は、カーボン繊維をうすく一方向に並べてエポキシ樹脂等により成型した素材形態である。一方、クロス材はカーボン繊維を織物状に編みこんで、エポキシ樹脂等により成型した素材形態である。これらのＣＦＲＰは、鉄の約２５％の重量と軽量ながら、耐熱性、耐蝕性がある。
【０００４】
一方、自動車等の車両においては、乗員の保護対策のために、フロントピラー、センターピラー、リアピラー等の自動車側部に使用されるビーム材に対して、さらに優れた衝撃エネルギー吸収が期待されている。また、これらのピラーの材料においては、さらなる燃費向上のため、軽いものが望ましく、アルミニウム材もしくはアルミニウム合金材が知られている。これらの材料よりもさらに軽く、さらにエネルギー吸収量が大きい衝撃吸収材料が望まれている。
【０００５】
自動車の側部構造材として設置されるフレームは、単一材料を押出成型やプレス成型し、断面形状を閉断面化、大断面化して強度、剛性を上げ、衝突時のエネルギー吸収量の向上を図っている。一般に、側面衝突時の変形モードとしては、センターピラーを例に挙げると、上部サイドルーフレールと下部サイドシルを支点として折れ曲がるような３点曲げを受ける。従って、側部構造材としては、３点曲げの荷重に対する耐久力が強く、曲げによるたわみが小さくなることが望まれる。
【０００６】
例えば、ピラー用の衝撃吸収部材としてアルミニウム材もしくはアルミニウム合金材（以下、単にアルミ）が使用された場合、同じ重量で大きな断面２次モーメントを得るために、中空構造が採用されている。このようなアルミ等のビーム材を使用したときの変形においては、加わる荷重が最大強度に達した直後に荷重強度が急激に減少するという性質がある。これは、加わる荷重が降伏点を越えると、小さな荷重で容易に衝撃吸収部材を変形させることができるため、一度、降伏点を越えると車体の変形量が大きいことを意味する。即ち、降伏点を越えたとたんに耐えうる荷重が小さくなり、小さい荷重で大きな車体の変形を生じるため、荷重と変位の積で算出されるエネルギー吸収量は結果的に小さくなる。これに対して、ピラー用の衝撃吸収部材として望ましい性質は、荷重が最大強度に達して降伏点を越えた後、降伏点近傍の荷重が引き続き加わっても、一定の変位に達するまでは荷重強度を保持し続けるというものである。
【０００７】
これに関し、特許文献１では、アルミ中空形材の引張面側にＦＲＰ材を隣接して一体化させた部材が提案されている。これは圧縮面側に塑性変形容易な部材を使用し、引張面側に高強度軽量部材を使用することで、圧縮面側で衝撃吸収を受け持ち、引張面側では面の変形量を少なくすることで大きなエネルギー吸収と小さな変形を実現しようとする技術である。
【特許文献１】特開平０６−１０１７３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の衝撃吸収部材では、圧縮側への荷重により、圧縮側とその側面が座屈変形し、この座屈変形する部分にのみ荷重が集中する。これは、直接的に圧縮面が荷重により押される力に加えて、側面が圧縮面からの荷重に抵抗することで曲げ荷重が発生し、この曲げ荷重も座屈変形部分に集中するからである。荷重が座屈変形部分に集中してしまうと、衝撃吸収部材の荷重に対する強度は、座屈変形部分の強度に依存してしまう。
【０００９】
本発明においては、座屈変形部分のみの荷重の集中を回避することで、従来よりもエネルギー吸収量が増加した衝撃吸収部材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】
【００１０】
そこで、本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、自動車の衝撃吸収部材として、四角中空長材を採用し、この四角中空長材に対する衝撃の荷重が加わる面と略直角の２つの側面を構成する面部材に対して、衝撃による荷重が直接加わる圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい面部材を使用することで、衝撃吸収部材のエネルギー吸収性能を向上できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のような衝撃吸収部材を提供する。
【００１１】
（１） 自動車の構造部材として使用される衝撃吸収部材であって、衝撃を直接受ける圧縮面と、この圧縮面に対面した引張面と、この圧縮面と引張面とを結合する２つの側面とからなる四角中空長材であり、前記２つの側面を構成する面部材が、前記圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい繊維強化材料からなる衝撃吸収部材。
【００１２】
（２） 前記衝撃吸収部材の面部材は、繊維方向を略一方向に揃えたシート状繊維強化材を積層させた構造であって、一のシート状繊維強化材の繊維方向と、積層する他のシート状繊維強化材の繊維方向とが一定の角度を有して積層された面部材である（１）記載の衝撃吸収部材。
【００１３】
（３） 前記引張り歪みが大きい繊維強化材料は、一のシート状繊維強化材の繊維方向が、長手方向に対して一の角度を有し、積層する他のシート状繊維強化材の繊維方向が、長手方向に対して前記一の角度とは異なる角度を有し、これらのシート状繊維強化材が積層された面部材である（２）記載の衝撃吸収部材。
【００１４】
（４） 前記シート状繊維強化材は、繊維強化材料である（２）又は（３）記載の衝撃吸収部材。
【００１５】
（５） 前記繊維強化材料は、カーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）である（４）記載の衝撃吸収部材。
【００１６】
（６） （１）から（５）いずれか記載の衝撃吸収部材を構造部材に用いた自動車。
【００１７】
（７） 自動車の構造部材として、衝撃を直接受ける圧縮面と、この圧縮面に対面した引張面と、この圧縮面と引張面とを結合する２つの側面とからなる四角中空長材の前記２つの側面を構成する面部材に対して、前記圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい繊維強化材料を用いることで、自動車の衝撃吸収を向上させる方法。
【００１８】
本発明においては、自動車の衝撃吸収部材の面部材として、繊維強化材料を使用し、衝撃を直接受ける圧縮面と、この圧縮面に対面した引張面と、この圧縮面と引張面とを結合する２つの側面とからなる四角中空長材として衝撃吸収部材を形成し、この２つの側面を構成する面部材が、圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい繊維強化材料を使用する。これにより、荷重時に、圧縮面の端部が“くの字型”に破壊変形され、衝撃吸収部材の座屈変形部分に荷重および曲げ荷重の集中を回避することができる。すなわち、圧縮面に衝撃荷重がかかることで、側面に引張力が生じるが、この引張力が、側面の面部材を歪み変形する力に置換されることで、圧縮側の座屈変形に引きずられることなく側面が圧縮変形する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、自動車の衝撃吸収部材として四角中空長材を採用し、この四角中空長材に対する衝撃の荷重が加わる面と直角の２つの側面に対して、衝撃による荷重が直接加わる圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい面部材を使用することで、従来よりも吸収エネルギー量が増加した衝撃吸収部材を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に好適な実施形態の一例について、図を参照しながら説明する。
【００２１】
本発明の好適な実施形態に係る衝撃吸収部材１０１を自動車５０のセンターピラー１０に適用した例を、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示した。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明では、例えば、自動車の側面部の側突による衝撃に対して充分なエネルギー吸収を実現した衝撃吸収部材１０１を提供することを目的とする。一例として、図１（ｃ）は、面部材に使用するＣＦＲＰ材（カーボン繊維強化プラスチック）として衝撃吸収部材の全面にＵＤ材（ユニダイレクショナル材）を採用した衝撃吸収部材１０１が示されている。
【００２２】
ここで、図１（ｂ）では、自動車の側面部の構造部材に対して本発明を適用したが、自動車の構造部材であれば適用可能であり、例えば、フロントピラーや、リアピラーに本発明の衝撃吸収部材１０１が使用されてもよい。
【００２３】
圧縮面とは、衝撃による荷重を直接的に受ける面であり、自動車の側面とほぼ平行な面である。また、荷重により主に圧縮応力を受ける面であってもよい。引張面とは、圧縮面と対面した面であって、衝撃による荷重を間接的に受ける面である。また、衝撃による荷重により主に引張り応力を受ける面であってもよい。さらに、衝撃吸収部材の側面とは、圧縮面に対して略直角の面であって、衝撃による荷重を間接的に受ける面である。また、側面は、衝突時の荷重により主にせん断応力を受ける面であり、自動車の側面に対して直角な面であってもよい。
【００２４】
衝撃吸収部材１０１は、強化繊維として、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、玄武岩繊維を使用することが可能であり、これらの繊維の母材として、エポキシ樹脂、ポリプロピレン、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、アルミを採用できる。これらの母材と強化繊維との結合においては、繊維方向を一方向に揃えたシート状一方向ＵＤ材を積層したものであってもよいし、繊維を織り込んだクロス材であってもよい。
【００２５】
ＵＤ材は、ＦＲＰ材の素材形態である。強化繊維をほぼ一方向に揃えて固めたシート状のＦＲＰをシート状ＵＤ材とし、このシート状ＵＤ材を繊維方向に積層したものを、一方向ＵＤ材とする。一方向ＵＤ材は、繊維方向の引張強度が強いため、異方性を有するＦＲＰ材料である。
【００２６】
また、一方向ＵＤ材とは異なり、繊維方向が積層する層ごとに異なっていてもよい。例えば、図１（ｄ）に示すように、衝撃吸収部材１０１の側面は、一の繊維方向を備えたシート状ＵＤ材１０５、１０７、１０９（長手方向１３５度）と、これとは異なる繊維方向を備えたシート状ＵＤ材１０６、１０８（長手方向４５度）とを交互に積層させて、衝突吸収部材１０１の側面を構成している。積層する際には、図示したように、１枚ずつ交互に積層してもよいし、同じ繊維方向を有するシート状ＵＤ材を２枚以上重ねて、これを１つのセットとして、セットごとに交互に積層してもよい。
【００２７】
クロス材は、ＦＲＰ材の素材形態であって、ＦＲＰ材の強化繊維の構造として繊維を織り込むことで織物状に配向したシート状ＦＲＰ材、又はこのシート状ＦＲＰ材を積層したＦＲＰ材である。即ち、クロス材とは、強化繊維の套を一本もしくは複数本ずつ編むことで平面を構成し、その平面に樹脂等のマトリクスを使用し固めたＦＲＰ材である。織物状を形成するための編み方としては、平織りや綾織りであってよい。一方向ＵＤ材とは異なり、一般に、クロス材は、その強度においては等方性を有するＦＲＰ材料である。
【００２８】
繊維方向とは、カーボン繊維を組み合わせてＦＲＰ材を形成する際に、カーボン繊維を一方向に揃えることにより決定される繊維の向きである。また、衝撃吸収部材の面に対して一の繊維方向による角度が定まり、これを繊維配向角度（配向角）と呼ぶ。繊維配向角度は、衝撃吸収部材の重心を通り衝撃吸収部材の長手方向に延びる中心軸と繊維方向から定まる角度である。
【００２９】
ＦＲＰ材の衝撃吸収部材が、従来のアルミに比べて高い荷重特性を持つことを説明する。衝撃吸収を、衝撃吸収部材の長手方向から直角に曲げ変形することで実現する部材について、曲げモーメントから考察する。
【００３０】
一般に、梁の曲げにおいては、図２のように衝撃吸収部材１００に垂直応力が発生し、衝撃吸収部材１００の中心軸からの距離ｙ、微小面積ｄＡ、衝撃吸収部材の強度σとすると、ｙσｄＡのモーメントが生じる。従って、梁中央部断面に作用する曲げモーメントは、式（１）のように表される。
【００３１】
【数１】
【００３２】
ここで、強度σはＦＲＰ材の構造及び、配向角により調整することが可能であり、アルミよりも高強度に設定が可能である。例えば、一方向ＵＤ材（配向角０度）（東レ（株）製カーボン繊維Ｔ７００Ｓ、マトリクスにエポキシ樹脂を採用）の強度は２６００ＭＰａであり、クロス材の強度は７９８ＭＰａである。これに対して、アルミ（５０００系）の強度は２７０ＭＰａ（ヤング率７１ＧＰａ、破壊歪み１４％、ポアソン比０．３）と小さい。従って、中心軸からの距離ｙが等しいアルミとＦＲＰ材では、ＦＲＰ材の方が、強度が大きいため、耐えうる曲げモーメントが大きくなり、より大きい荷重特性を持つことができる。
【００３３】
さらに、ＦＲＰ材は、荷重が付加されても衝撃吸収部材の断面が変化しないため、高いエネルギー吸収性能を持つことを説明する。衝撃吸収部材が完全塑性体と仮定した場合、梁の塑性曲げモーメントＭｐは式（２）のように表される（図３参照）。
【００３４】
【数２】
【００３５】
ここで、σｙは降伏点応力、ｙ１は中立軸から圧縮面までの距離、ｙ２は中立軸から引張面までの距離、Ａが衝撃吸収部材の中央部断面積である。対応する各変数は、図３（ａ）に記した。
【００３６】
衝撃吸収部材としてアルミを使用した際に、降伏点近傍まで荷重を加えることで変形したアルミの形状を図３（ｂ）に示した。図に示されるように、アルミの場合には、荷重による変形に伴ってアルミ７の中央部断面積Ａの値が減少する。それに伴って、中立軸から圧縮面、引張面までの距離ｙ１、ｙ２も減少する。この結果、塑性曲げモーメントＭｐも減少するため、荷重値も降伏点近傍まで荷重を加えた後には減少せざるを得ない。
【００３７】
衝撃吸収部材１００としてＦＲＰ材を使用した際に、降伏点近傍まで荷重を加えることで変形したＦＲＰ材の形状を図３（ｃ）に示した。ＦＲＰ材の場合には、荷重を加えたところで、図のように上述の断面積Ａ、距離ｙ１、ｙ２が一定である。これはＦＲＰ材の塑性変形が進行するため、アルミのように荷重によるへこみがないからである。従って、（２）式より、塑性曲げモーメントＭｐの値は減少することがなく、降伏点近傍まで荷重を加えていながらも、荷重値はすぐに減少しない特徴がある。結果として、ＦＲＰ材は高いエネルギー吸収性能を示すことが予想される。
【００３８】
比エネルギー吸収量（単位重量あたりのエネルギー吸収量）を比較したグラフ図を図４に示した。ここでのＦＲＰ材は、東レ（株）製カーボン繊維Ｔ７００Ｓを強化繊維とし、マトリクスにエポキシ樹脂を用いた。一方向ＵＤ材（配向角０度）のヤング率は１４０ＧＰａ、破壊歪みが１．９％、ポアソン比が０．３２、強度２６００ＭＰａである。クロス材では、ヤング率は８９ＧＰａ、破壊歪みが０．９％、ポアソン比が０．０７、強度７９８ＭＰａである。
【００３９】
実験では、アルミ衝撃吸収材の比重が７．６ｇ／ｃｍ３、ＣＦＲＰ材の比重が１．６ｇ／ｃｍ３である。グラフ４０２が引張面のみクロス材を採用し、その他の全面に一方向ＵＤ材（０度）を採用した結果である。グラフ４０１が全面に一方向ＵＤ材（０度）を採用した結果である。グラフ４０３が、前述のアルミを衝撃吸収部材に採用した結果である。アルミで形成した衝撃吸収部材の比エネルギー吸収量は４００Ｊ／ｋｇ程度であるのに対して、一方向ＵＤ材（０度）で形成した衝撃吸収部材１０１の比エネルギー吸収量は１２００Ｊ／ｋｇ強であった。ＣＦＲＰ材はアルミより、曲げモーメントが大きく、荷重による圧縮部の断面積が減少しないため大きなエネルギー吸収を実現していると考えられる。
【００４０】
ＦＲＰ材として、一方向ＵＤ材（０度）を衝撃吸収部材に用いることで、高いエネルギー吸収特性を示すことに加えて、衝撃吸収部材の各面に働く応力に応じて異なる種類のＵＤ材を採用すれば、さらに高い荷重特性を示すと考えられる。
【００４１】
曲げ変形を受ける自動車の衝撃吸収部材に、荷重がかかったときの概念図を図５に示した。一般にピラー材は、上部サイドルーフレールと下部サイドシルを支点として折れ曲がるような３点曲げを受ける。この際に、荷重が直接加わる圧縮面では、荷重により面が圧縮される方向に応力が主に働く。これに対して、荷重が直接加わらない引張面では、面が引張られる方向に応力が主に働く。さらに、側面では荷重によるずれに伴い、せん断応力が主に働く。この様な異なる応力に対応したＦＲＰ材として、どの面にどのＦＲＰ材を採用すればよいか以下にて検討する。
【００４２】
ＦＲＰ材として異なる性質を持つＵＤ材、クロス材（幅２５ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ２ｍｍ、１０枚積層）に対して、引張強さを測定した結果を示した表と、各々の材料を引張る方向を示す概念図を図６に示した。これより、ＦＲＰ材の構造及びカーボン繊維の配向角により引張強さが異なることが示される。図６（ａ）は、一方向ＵＤ材の繊維方向に引張ることを示す概念図である。図６（ｂ）は、ＵＤ材の繊維方向に対して９０度の方向に引張ることを示す概念図である。図６（ｃ）は、配向角度が０度と−９０度で直交したＵＤ材を交互に積層させて作製したＵＤ材を引張る概念図である。図６（ｄ）は、クロス材に対して面の広がり方向に引張ることを示す概念図である。本測定は、ＰＡＮ系炭素繊維を使用し、マトリックスとしてエポキシ樹脂を使用している。
【００４３】
図６の表に示されるように、一方向ＵＤ材は引張強度に対して異方性を示し、繊維方向が長手方向０度である一方向ＵＤ材の引張強さがサンプル中、最大であることから、このＦＲＰ材を図５における衝撃吸収部材の引張面に使用することが適当であると考えられる。即ち、一実施例として衝撃を受ける面の逆側の面である引張面にＵＤ材を採用し、かつ炭素の繊維方向と荷重時の引張られる方向が同じになるように配向角をＺ軸に平行に設定するのが望ましい。
【００４４】
衝撃吸収部材の引張面の種類により荷重特性が異なることを図７（ａ）、（ｂ）に示した。例えば、圧縮面と側面に一方向ＵＤ材（０度）、引張面にクロス材（０度、−９０度）を採用した際には、引張面におけるクロス材のヤング率が８９ＭＰａであるため、図７（ａ）に示すように、圧縮面と側面が降伏点を越えて破壊に至るときに引張面で荷重が立ち上がらず、エネルギー吸収にあたっての引張面の寄与が小さい。これに対して、全面一方向ＵＤ材（０度）で形成された衝撃吸収部材は、引張面のヤング率が１４０ＭＰａであるため、引張面の荷重立ち上がりが早い（図７（ｂ）参照）。従って、圧縮面、側面が破壊されるときに、引張面で荷重を受け持つことが可能であり、衝撃吸収部材全体のエネルギー吸収量を増すことができる。図４に示されるように、全面一方向ＵＤ材を使用したグラフ４０１は引張面にクロス材を使用したグラフ４０２よりも１００Ｊ／ｋｇ程度大きな比エネルギー吸収量を実現している。
【００４５】
実際に、衝撃吸収部材の引張面の面部材により荷重変位が異なることを、図８（ａ）のグラフにて示した。ここで使用した衝撃吸収部材は、ＣＦＲＰのＵＤ材を用いて、圧縮面と側面において一方向ＵＤ材（０度）を用いて、引張面に一方向ＵＤ材（０度）または一方向ＵＤ材（９０度）を用いた。
【００４６】
吸収エネルギー量は、このグラフにおける荷重を変位で積分した量である。したがって、引張面としては一方向ＵＤ材（０度）を採用するほうが、一方向ＵＤ材（９０度）を採用するより吸収エネルギー量が多くなる。これは、図８（ｂ）に示すように、一方向ＵＤ材（９０度）の場合は、引張面の歪量が大きいため、衝突吸収部材における曲げ角（θ１）が小さくなる。その結果、衝突吸収部材中央部で応力が集中し、圧縮面での破壊が促進されてしまう。これに対して、一方向ＵＤ材（０度）の場合は、引張面の歪量が小さいため、衝突吸収部材における曲げ角（θ２）が小さくなる。その結果、圧縮面の広い領域に応力が分散し、ビーム中央部の圧縮面での破壊を防止できる。
【００４７】
次に、衝撃吸収部材の圧縮面と側面に最適な面部材の検討を行う。図９は、衝撃吸収部材の断面を示した図であり、この衝撃吸収部材の上面に荷重がかかることで３点曲げが行われることを示した。ここで、図９(ａ)は、従来のアルミ等による衝撃吸収部材の３点曲げを示している。上面となる圧縮面への荷重により、圧縮面と側面が座屈変形されるが、この座屈変形する部分にのみ荷重が集中する（図９（ｂ））。これは、直接的に圧縮面が荷重により押される力に加えて、側面が圧縮面からの荷重に抵抗することで曲げ荷重が発生し、この曲げ荷重も座屈変形部分に集中するからである。荷重が座屈変形部分に集中してしまうと、衝撃吸収部材の荷重に対する強度は、座屈変形部分の強度に依存してしまう。
【００４８】
そこで、上述のように、圧縮面が受けた荷重に対して、側面が抵抗することにより曲げ荷重が生じるが、これを生じさせない側面について考察する。図９（ｂ）の矢印に示すように、側面は、圧縮面からの荷重により長手方向の引張力を生じさせ、これが曲げ荷重となる。したがって、この引張力を生じさせないことで、曲げ荷重を回避できる。そこで、引張り歪みが大きい面部材を側面に採用し、上面端部を先に崩壊させ、引張力を生じさせないことで、曲げ荷重も回避できると考えられる。
【００４９】
一方、長手方向への引張試験において、ＵＤ材（[45/135/45/135/45]s）は、一方向ＵＤ材（０度）よりも、引張りによる歪みが、７倍であることが分かった。ここで、ＵＤ材（[45/135/45/135/45]s）とは、１、３、５層目を衝突吸収部材の長手方向４５度のシート状ＵＤ材を採用し、２、４層目を衝突吸収部材の長手方向１３５度のシート状ＵＤ材を採用することで対称に１０層を積層させたＵＤ材である。
【００５０】
そこで、このＵＤ材（[45/135/45/135/45]s）を側面に採用する。図１０（ａ）は、圧縮面に、一方向ＵＤ材（０度）を使用し、引張面には、一方向ＵＤ材（０度）を使用したときの、荷重変位曲線である。側面としては、上述のＵＤ材（[45/135/45/135/45]s）と、このＵＤ材との比較のために、一方向ＵＤ材（０度）と、一方向ＵＤ材（９０度）を用いた。また、図１０（ｂ）は、圧縮面に、一方向ＵＤ材（９０度）を使用し、側面と引張面は図１０(ａ)と同じものを使用したときの、荷重変位曲線である。ここで、衝撃吸収部材は、断面が５０x５０ｍｍであり、長手方向６００ｍｍを使用した。また強化繊維として、東邦テネックス（株）社製カーボン繊維ＨＴＡを採用し、マトリクスとしてエポキシ樹脂（＃１１２）から形成されるＣＦＲＰを使用した。
【００５１】
この結果より、圧縮面が一方向ＵＤ材（０度）であり、側面がＵＤ材（[45/135/45/135/45]s）の衝撃吸収部材が、変位４０ｍｍ程度まで平均１４ｋＮの荷重を保持し続け、他のＵＤ材と比べて、最も吸収エネルギー量が多いことが分かる。これは、図９（ｃ）のように、圧縮面の端部が“くの字型”に破壊変形することにより、座屈変形部分に荷重が集中しないからである。すなわち、圧縮面に荷重がかかることで、側面に引張力が生じるが、圧縮側の座屈変形に引きずられることなく側面が圧縮変形することで、曲げ荷重を生じさせずに、座屈変形部分の荷重の集中を回避できる。
【００５２】
従って、衝撃吸収部材の実施形態の一つとして、荷重を直接受ける圧縮面においては、一方向ＵＤ材（０度）を採用し、引張面においては、一方向ＵＤ材（０度）を採用し、側面においては、ＵＤ材（[45/135/45/135/45]s）を採用することで、荷重時に圧縮面の端部が破壊することによって、衝突吸収部材の断面積の減少を回避し、高いエネルギー吸収である衝撃吸収部材を提供できる。
【００５３】
さらに具体的には、自動車のピラー材として衝撃吸収部材が用いられる場合には、図１のように、自動車のルーフからシャーシの方向を衝撃吸収部材１０１の長手方向とすることができる。さらに、自動車の側面と平行な面であって、車内側に向く面（即ち、その面の法線ベクトルが車内側を向く面であって、衝突時の側突方向から手前側の面）を圧縮面とし、圧縮面の面部材としてクロス材を採用する。加えて、自動車の側面と平行な面であって、車外側に向く面（即ち、その面の法線ベクトルが車外側を向く面であって、衝突時の側突方向から奥側の面）を引張面とし、引張面の面部材として一方向ＵＤ材(０度)を採用する。また、自動車の側面と直角した面である衝撃吸収部材１０１の側面の面部材に、ＵＤ材（[45/135/45/135/45]s）を採用する。このように、一例として、衝撃吸収部材１０１を自動車の側面部に配置することで上述のような高い比エネルギー特性が得られるようなピラー材を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、自動車の衝撃を吸収する構造部材であり、従来よりもさらに高いエネルギー吸収量で軽量化を実現した衝撃吸収部材である。この部材を自動車のピラー等に用いることで、従来よりも軽量でさらに安全性が確保された自動車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施例である衝撃吸収部材を自動車のピラーに適用した模式図である。
【図２】衝撃吸収部材に荷重がかかったときに生じる曲げモーメントを示した概念図である。
【図３】衝撃吸収部材の塑性曲げモーメントをアルミ材とＣＦＲＰ材で比較するための模式図である。
【図４】比エネルギー吸収量を３種の衝撃吸収部材で比較したグラフ図である。
【図５】衝撃吸収部材に荷重がかかった際の圧縮面、引張面の状態を示す模式図である。
【図６】ＵＤ材とクロス材に対して引張を行う方向と、引張強さを示す図である。
【図７】衝撃吸収部材の各面の種類により荷重特性が異なることを示すグラフ図である。
【図８】衝撃吸収部材の引張面の面部材により荷重変位が異なることを示すグラフ図と、荷重が加わったときの衝撃吸収部材の変形を示した概念図である。
【図９】従来の衝撃吸収部材に荷重が加わった場合と、本発明の衝撃吸収部材に荷重が加わった場合との、各々の荷重の分布と衝撃吸収部材の変形を表した図である。
【図１０】本発明の衝撃吸収部材の荷重変位曲線を表したグラフ図である。
【符号の説明】
【００５６】
７ アルミ
５０ 自動車
１０ センターピラー
１００、１０１ 衝撃吸収部材
１０５、１０６、１０７、１０８、１０９ 面部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の構造部材として使用される衝撃吸収部材であって、
衝撃を直接受ける圧縮面と、この圧縮面に対面した引張面と、この圧縮面と引張面とを結合する２つの側面とからなる四角中空長材であり、前記２つの側面を構成する面部材が、前記圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい繊維強化材料からなる衝撃吸収部材。
【請求項２】
前記衝撃吸収部材の面部材は、繊維方向を略一方向に揃えたシート状繊維強化材を積層させた構造であって、一のシート状繊維強化材の繊維方向と、積層する他のシート状繊維強化材の繊維方向とが一定の角度を有して積層された面部材である請求項１記載の衝撃吸収部材。
【請求項３】
前記引張り歪みが大きい繊維強化材料は、一のシート状繊維強化材の繊維方向が、長手方向に対して一の角度を有し、積層する他のシート状繊維強化材の繊維方向が、前記一の角度とは異なる角度を有し、これらのシート状繊維強化材が積層された面部材である請求項２記載の衝撃吸収部材。
【請求項４】
前記シート状繊維強化材は、繊維強化材料である請求項２又は請求項３記載の衝撃吸収部材。
【請求項５】
前記繊維強化材料は、カーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）である請求項４記載の衝撃吸収部材。
【請求項６】
請求項１から請求項５いずれか記載の衝撃吸収部材を構造部材に用いた自動車。
【請求項７】
自動車の構造部材として、衝撃を直接受ける圧縮面と、この圧縮面に対面した引張面と、この圧縮面と引張面とを結合する２つの側面とからなる四角中空長材の前記２つの側面を構成する面部材に対して、前記圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい繊維強化材料を用いることで、自動車の衝撃吸収を向上させる方法。
【請求項１】
自動車の構造部材として使用される衝撃吸収部材であって、
衝撃を直接受ける圧縮面と、この圧縮面に対面した引張面と、この圧縮面と引張面とを結合する２つの側面とからなる四角中空長材であり、前記２つの側面を構成する面部材が、前記圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい繊維強化材料からなる衝撃吸収部材。
【請求項２】
前記衝撃吸収部材の面部材は、繊維方向を略一方向に揃えたシート状繊維強化材を積層させた構造であって、一のシート状繊維強化材の繊維方向と、積層する他のシート状繊維強化材の繊維方向とが一定の角度を有して積層された面部材である請求項１記載の衝撃吸収部材。
【請求項３】
前記引張り歪みが大きい繊維強化材料は、一のシート状繊維強化材の繊維方向が、長手方向に対して一の角度を有し、積層する他のシート状繊維強化材の繊維方向が、前記一の角度とは異なる角度を有し、これらのシート状繊維強化材が積層された面部材である請求項２記載の衝撃吸収部材。
【請求項４】
前記シート状繊維強化材は、繊維強化材料である請求項２又は請求項３記載の衝撃吸収部材。
【請求項５】
前記繊維強化材料は、カーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）である請求項４記載の衝撃吸収部材。
【請求項６】
請求項１から請求項５いずれか記載の衝撃吸収部材を構造部材に用いた自動車。
【請求項７】
自動車の構造部材として、衝撃を直接受ける圧縮面と、この圧縮面に対面した引張面と、この圧縮面と引張面とを結合する２つの側面とからなる四角中空長材の前記２つの側面を構成する面部材に対して、前記圧縮面を構成する面部材よりも、引張り歪みが大きい繊維強化材料を用いることで、自動車の衝撃吸収を向上させる方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２７４３３（Ｐ２００６−２７４３３Ａ）
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０９００３（Ｐ２００４−２０９００３）
【出願日】平成１６年７月１５日（２００４．７．１５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月１５日（２００４．７．１５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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