輸送機械用骨格構造部材及びその製造方法
輸送機械の骨格部材（１１）内及び／又は骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に、複数の粉粒体（１８）を結合して固めた固形化粉粒体（１６）を配置した骨格構造部材（１２）が提供される。固形化粉粒体は、各粉粒体同士が表面融解にて結合するとともに膨張により内圧を発生させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、鉄道車両、産業車両、船舶、航空機、自動車、自動二輪車等の輸送機械用骨格構造部材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
骨格構造部材として、骨格部材に粉粒体を充填した技術が、例えば、特開２００２−１９３６４９公報、米国特許第４６１０８３６号明細書、米国特許第４６９５３４３号明細書において知られている。
図１６は、特開２００２−１９３６４９公報に開示された骨格構造部材を構成する固形化粉粒体を示している。
この固形化粉粒体２００は、粉粒体２０１と、これらの粉粒体２０１を固形にするために粉粒体２０１のそれぞれの間に満たした樹脂、接着剤等のバインダ２０２とで構成され、粉粒体２０１を構造的に密に型に投入した後、バインダ２０２を流し込んで形成する。この固形化粉粒体２００は、車体等の骨格部材内に挿入することで骨格構造部材を形成するものであり、車体の強度、剛性の向上を図る。
図１７は、米国特許第４６１０８３６号明細書、及び米国特許第４６９５３４３号明細書に開示された骨格構造部材を構成する固形化粉粒体を示している。
この固形化粉粒体２１０は、接着剤２１１をコーティングした粉粒体としてのガラス製の小球体２１２からなる。これらの小球体２１２をガラス繊維製のクロスで包み、骨格部材内に満たすことで骨格構造部材が形成される。
しかし、図１６に示した固形化粉粒体２００では、粉粒体２０１のみの場合に比べてバインダ２０２の分だけ重量が増す。図１７に示した固形化粉粒体２１０も同様に、小球体２１２のみの場合よりも接着剤２１１の分だけの重量が増す。このため、これらの固形化粉粒体２００，２１０を用いた骨格構造部材の重量増が大きくなる。
また、粉粒体２０１又は小球体２１２を密に充填すれば、固形化粉粒体２００，２１０の剛性が高められるが、閉空間に粉粒体２０１又は小球体２１２を満たすには、外部から加圧する等の手段を講じなければならなず、容易ではない。
次に、上記の固形化粉粒体２００，２１０を用いた骨格構造部材を曲げ試験で強制的に曲げ変形させて、骨格構造部材の吸収エネルギー量を求める。
図１８は、骨格構造部材の曲げ試験の方法を示している。曲げ試験は、骨格構造部材２２０を２つの支点２２１，２２１で支え、これらの支点２２１，２２１間の中央位置に対応する骨格構造部材２２０の上面に曲げ試験機の押圧片２２２を介して下向きの荷重Ｆを加えて行う。記号δは押圧片２２２のストローク量、即ち下方への変位量である。参照番号２２３は、骨格構造部材２２０内に挿入した固形化粉粒体である。
図１９は、骨格構造部材の曲げ試験の結果として得られる荷重と変位量との関係を略式に示している。縦軸は荷重Ｆ、横軸は変位量δを表す。
このグラフでは、変位量δが小さいうちは、荷重Ｆは直線的に急激に立ち上がり、そして、荷重Ｆの増加は次第に小さくなって最大の荷重ｆ１が発生し、この後は、変形量δが大きくなるにつれて、荷重Ｆは次第に減少し、やがてほぼ一定になる。
立ち上がりの直線部の上端の荷重をＬ、直線の角度をαとすると、角度αが大きいほど、また、荷重Ｌが大きい（即ち、直線部が長い）ほど骨格構造部材の剛性は大きい。更に、荷重ｆ１が大きいほど、骨格構造部材の強度は大きい。
このグラフ上の線と横軸とで挟まれた部分の面積は、仕事量、即ち骨格構造部材の変形による吸収エネルギー量であり、例えば、車両の骨格構造における衝突時の吸収エネルギー量を求める場合に使用する。
図２０Ａ〜図２０Ｄは、骨格構造部材の曲げ試験の結果として得られる荷重と変位量との関係、及び吸収エネルギー量を示したグラフである。
図２０Ａに示したグラフ中の試料１は、図１９に示した骨格構造部材と同一の部材で、例えば中空の四角形断面とし、内部に固形化粉粒体を挿入していない骨格構造部材である。
試料２は、試料１の最大の荷重ｆ１となる変位量より大きい変位量では、試料１よりも荷重Ｆが大きくなる。
試料３は、試料１の荷重ｆ１となる変位量より大きい変位量では、試料２よりも荷重Ｆが大きくなる。
これらの試料１〜試料３の吸収エネルギー量は図２０Ｂに示される。
図２０Ｂにおいては、縦軸が吸収エネルギー量Ｅを表す。試料１〜試料３の各吸収エネルギー量をｅ１〜ｅ３とすると、ｅ１＜ｅ２＜ｅ３となる。
図２０Ｃにおいて、試料４は、試料１よりも立ち上がりの角度α（図１９参照）を大きくし、且つ試料１の荷重ｆ１よりも大きな荷重ｆ２を最大値とするものであり、荷重ｆ２のときの変位量よりも大きな変位量δでは、次第に試料１に重なる。
試料５は、試料４よりも立ち上がりの角度α（図１９参照）を大きくし、且つ試料４の荷重ｆ２よりも大きな荷重ｆ３を最大値とするものであり、荷重ｆ３のときの変位量よりも大きな変位量δでは、次第に試料１に重なる。
これらの試料１、試料４及び試料５の吸収エネルギー量は、図２０Ｄに示される。
図２０Ｄにおいては、縦軸が吸収エネルギー量Ｅを表す。試料４、試料５の各吸収エネルギー量をｅ４、ｅ５とすると、ｅ１＜ｅ４＜ｅ５となる。
図２０Ａ〜図２０Ｄより、荷重Ｆの最大値が大きくなっただけでは吸収エネルギー量の増加は小さいが、荷重Ｆの最大値を大きくするとともに、最大荷重発生後の荷重を高く維持すれば、吸収エネルギー量の増加を大きくすることができる。
図２１は、従来の骨格構造部材の曲げ試験における変形状態を示している。
例えば、固形化粉粒体２００（図１６も参照）を挿入した骨格構造部材２０５を曲げ試験で変形させた場合、固形化粉粒体２００を挿入した部分はほとんど変形せず、固形化粉粒体２００の端部側が大きく変形した。参照番号２０６は大きく変形して屈曲した骨格部材２０７の屈曲部である。
これは、粉粒体の高い充填率とバインダによる強い結合のために、固形化粉粒体２００を挿入した部分の強度が非常に高まり、固形化粉粒体２００以外の部分に歪みが集中したと考えられる。
図２２は、比較例１〜３として示した各骨格構造部材の曲げ試験のグラフであり、縦軸は荷重Ｆ、横軸は変位量δを表す。各データの最大の変位量δは、変位量δを次第に増していって、急激に荷重Ｆが低下する直前の値を示している。
破線で示した比較例１は、中空の四角形断面を有する骨格構造部材で固形化粉粒体を挿入していないものであり、最大の変位量ｄ５は大きいが、最大の荷重ｆ５は小さい。
一点鎖線で示した比較例２は、図１６及び図２１に示した骨格構造部材、即ち中実の粉粒体をバインダで結合した固形化粉粒体を備えたものであり、粉粒体の結合が強固であるために最大の荷重ｆ６は大きくなるが、曲げ試験の早期に固形化粉粒体以外の部分が局部的に大きく変形することにより最大の変位量ｄ６は小さくなる。
二点鎖線で示した比較例３は、図１７に示した骨格構造部材、即ち中実の粉粒体に接着剤をコーティングして結合した固形化粉粒体を備えたものであり、粉粒体の結合が強固なために最大の荷重ｆ７は比較例２よりも大きくなるが、比較例２と同様に局部的な変形が大きいため、最大の変位量ｄ７は小さい。
図２３は、図２２に示した各骨格構造部材（比較例１〜比較例３）の吸収エネルギー量を示す。縦軸は吸収エネルギー量Ｅを示す。
比較例１の吸収エネルギー量を１．０としたときに、比較例２は比較例１よりも小さく、比較例３は比較例１とほぼ同等の値となった。
このように、比較例２及び比較例３では、粉粒体が強固に結合するために骨格構造部材の粉粒体充填部分の強度が過度に高まり、曲げ試験の早期に局部崩壊が発生して荷重が急激に低下した結果、吸収エネルギー量は比較例１に対して向上しなかった。
そこで、粉粒体の固形化に伴う重量増を抑え、また、骨格部材内に粉粒体を容易に充填でき、しかも、骨格構造部材の吸収エネルギー量を増大させる輸送機械用骨格構造部材及びこの骨格構造部材の製造方法が望まれる。
【発明の開示】
本発明においては、輸送機械の骨格部材内及び／又は骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に、複数の粉粒体を結合して固めた固形化粉粒体を配置した骨格構造部材であって、固形化粉粒体は、各粉粒体同士が表面融解により結合するとともに膨張により内圧を発生させる輸送機械用骨格構造部材が提供される。
このように、粉粒体同士が表面融解により結合するため、粉粒体同士を結合する接着剤や樹脂等のバインダを必要とせず、固形化に伴う重量増を抑えることができる。また、粉粒体の膨張により内圧を発生させるため、加圧を伴う充填を必要とせず、骨格部材内、空間内に粉粒体を容易に満たすことができる。更に、固形化粉粒体に外部から荷重が作用した場合に、固形化していた粉粒体は表面融解部が剥がれて粉粒体単体となって流動性を備えるようになり、外部からの荷重により発生する歪みを拡散して歪みの集中を防ぐことができる。従って、骨格構造部材をほぼ均等に且つ大きな変形量まで変形させることができる。このとき、上記内圧によって骨格部材壁の内側への変形を抑制できるために、大きな変位量まで大きな荷重を支えることができ、従来に比較して、骨格構造部材の吸収エネルギー量を増大させることができる。
更に、本発明においては、輸送機械の骨格部材内及び／又は骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に、複数の粉粒体を結合して固めた固形化粉粒体を配置する骨格構造部材の製造方法であって、液体又は固体からなる芯物質を被膜で包み込んだ粉粒体を未膨張の状態で、骨格部材内及び／又は空間内へ投入する工程と、粉粒体を加熱することで膨張させる工程と、を含む輸送機械用骨格構造部材の製造方法が提供される。
粉粒体を加熱し、膨張させることにより、芯物質を気化させれば、固形化粉粒体を構成する各粉粒体は中空になり、固形化に伴う重量増を抑えることができる。また、粉粒体が膨張することにより骨格部材、空間に内圧が発生するため、加圧を伴う充填を必要とせず、骨格部材内、空間内に粉粒体を容易に満たすことができる。更に、固形化粉粒体に外部から荷重が作用した場合に、中実の粉粒体を用いるよりも、固形化粉粒体の強度が過度に大きくならず、しかも、外部から作用する荷重によって固形化粉粒体を構成する粉粒体が次第に変形しながら流動するようになり、外部からの荷重により発生する歪みを拡散して歪みの集中を防ぐことができる。従って、固形化粉粒体の強度が急激に変化せず、大きな変位量まで大きな荷重を支えることができ、従来に比較して、骨格構造部材の吸収エネルギー量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る輸送機械用骨格構造部材の斜視図である。
図２は、図１の２−２線に沿った骨格構造部材の断面図である。
図３は、図１の３−３線に沿った骨格構造部材の断面図である。
図４は、本発明に係る固形化粉粒体の結合状態を示した断面図である。
図５は、本発明に係る粉粒体の変化を示した作用図である。
図６は、本発明に係る骨格構造部材の製造方法を示した作用図である。
図７Ａは、実施例に係る骨格構造部材の曲げ試験を実施した後の状態を示した図である。
図７Ｂは、比較例に係る骨格構造部材の曲げ試験を実施した後の状態を示した図である。
図７Ｃ（ａ）は、実施例に係る骨格構造部材の曲げ試験時に発生する歪みを示した図である。
図７Ｃ（ｂ）は、比較例に係る骨格構造部材の曲げ試験時に発生する歪みを示した図である。
図８Ａ〜図８Ｃは、本発明に係る骨格構造部材の曲げ試験時における変形状態を示した図である。
図９は、本発明に係る骨格構造部材の曲げ試験終了後の変形状態を示した断面図である。
図１０は、本発明に係る骨格構造部材の曲げ試験を示したグラフである。
図１１Ａ及び図１１Ｂは、本発明に係る骨格構造部材を車両に適用した実施例を示した斜視図である。
図１２Ａ〜図１２Ｅは、本発明に係る骨格構造部材をフロントサイドフレームに採用した実施例の断面図である。
図１３Ａ〜図１３Ｄは、本発明に係る骨格構造部材をリヤフレームに採用した実施例の断面図である。
図１４Ａ〜図１４Ｃは、本発明に係る骨格構造部材をセンタピラーに採用した実施例の断面図である。
図１５Ａ〜図１５Ｃは、本発明に係る骨格構造部材をルーフサイドレールに採用した実施例の断面図である。
図１６は、従来の骨格構造部材を構成する第１の固形化粉粒体の断面図である。
図１７は、従来の骨格構造部材を構成する第２の固形化粉粒体の断面図である。
図１８は、骨格構造部材の曲げ試験の方法を示した図である。
図１９は、骨格構造部材の曲げ試験における荷重と変位量との関係を示したグラフである。
図２０Ａ〜図２０Ｄは、骨格構造部材の曲げ試験における荷重と変位量との関係、及び吸収エネルギー量を示したグラフである。
図２１は、従来の骨格構造部材の曲げ試験における変形状態を示した図である。
図２２は、比較例１〜３の各骨格構造部材の曲げ試験における荷重と変位量との関係を示したグラフである。
図２３は、比較例１〜３の各骨格構造部材の曲げ試験における吸収エネルギー量を示したグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
図１は、中空とした骨格部材１１内に固形化粉粒体を充填した輸送機械用骨格構造部材１２（以下、単に「骨格構造部材１２」と記す。）を示している。参照番号１３，１３は骨格部材１１の両端を塞ぐ端部閉塞部材である。
図２に示した骨格構造部材１２は、骨格部材１１内に隔壁部材１５，１５を取付け、これらの隔壁部材１５，１５の間の空間に固形化粉粒体１６を充填したものである。ここでは、固形化粉粒体１６を骨格構造部材１２の長手方向の中央に配置した。参照番号１８は中空の粉粒体であり、実際には外径が１０〜２００μｍであるが、説明の都合上、大きく描いた（以下同じ）。
図３は、中空の四角形断面とした骨格部材１１内に、粉粒体１８をそれぞれ結合させて固形にした固形化粉粒体１６を充填したことを示している。
図４は、加熱による表面融解によって結合した粉粒体１８，１８を示している。参照番号２１，２１は粉粒体１８，１８の中空部、参照番号２２，２２は粉粒体１８，１８の表面が融解し固化した固化部である。
図５において、粉粒体２５を加熱すると、膨張して前述の粉粒体１８が出来る。
粉粒体２５は、芯物質（液体又は固体）２５ａを微粒化し、この芯物質２５ａを被膜２５ｂで被覆した（即ち、殻で包み込んだ）、いわゆる「マイクロカプセル」であり、加熱することで、芯物質２５ａが気化し被膜（即ち、殻）２５ｂが軟化して膨張することで粉粒体１８となる。
被膜（殻）２５ｂの組成物としては、熱可塑性樹脂、即ち、（１）アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、シトラコン酸、マレイン酸、フマル酸、ビニル安息香酸及びこれらの酸のエステル類、（２）アクリルニトリルやメタクリルニトリル等のニトリル類、（３）塩化ビニル、酢酸ビニル等のビニル化合物、（４）塩化ビニリデン等のビニリデン化合物、（５）スチレン等のビニル芳香族類、（６）その他としてエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ジエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ネオペンチルグリコール（メタ）アクリレート、１，６ヘキサンジオールジアクリレート、１，９ノナンジオールジ（メタ）アクリレート、平均分子量２００〜６００のポリエチレングリコールのジアクリレート、平均分子量２００〜６００のポリエチレングリコールのジメタクリレート、トリメチルプロパンジ（メタ）アクリレート、トリメチルプロパントリ（メタ）アクリレート、ペンタエリストールテトラアクリレート、ジペンタエリストールアクリレート、ジペンタエリストールヘキサアクリレート等、そして、上記の単量体の重合物やそれらの組み合わせによる共重合物が好適である。
また、芯物質２５ａとしては、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、イソペンタン、ヘキサン、イソヘキサン、オクタン、イソオクタン等の低沸点炭化水素、クロロフルオロカーボンが好適である。
図６は、本発明に係る骨格構造部材の製造方法を示している。
まず、骨格部材１１内に粉粒体２５を所定量投入する。次に、骨格部材１１及び粉粒体２５を加熱する。これにより、粉粒体２５が膨張して骨格部材１１内に充満するとともに粉粒体２５同士が表面融解を起こし、冷却した後に、粉粒体１８同士が結合して固形化粉粒体１６を形成し、骨格構造部材１２が出来る。
例えば、車両では、車両骨格部材内に粉粒体２５を投入しておき、車両の塗装を乾燥させるために製造ラインに設けた塗装乾燥路で１３０〜２００℃に加熱すれば、塗装乾燥の完了とほぼ同時に骨格構造部材が出来る。従って、別に加熱装置を必要とせず、しかも粉粒体２５のための加熱時間も別に必要がないから、コストアップ及び製造工数の増加を抑えることができる。
骨格構造部材１２は、粉粒体１８同士が結合するとともに、粉粒体１８と骨格部材１１の内面とが結合した部材であり、膨張するときに、粉粒体２５同士に圧力が作用するとともに、粉粒体２５から骨格部材１１にも圧力が作用するため、表面融解後の粉粒体１８同士の結合及び粉粒体１８と骨格部材１１の内壁との結合が強固となり、骨格構造部材１２の剛性及び強度を高めることができる。
また、粉粒体２５を熱可塑性樹脂製とすることで低い温度で融解させることができるため、高温を発生させるような特別な加熱装置を必要としない。
更に、上記した粉粒体１８によって骨格構造部材１２内に発生する圧力（内圧）は、骨格部材１１内に投入する粉粒体２５の投入量によって変更することができ、上記の内圧を変更することで、骨格構造部材１２の機械的特性を決定することができる。
図７Ａは、骨格構造部材１２の固形化粉粒体１６（図中の破線部）を充填した部分がほぼ円弧状に変形したことを示している。参照番号２８は隔壁部材１５，１５（図２参照）を骨格部材１１に取付けるボルトである。
図７Ｂは、骨格構造部材２０５の固形化粉粒体２００（図中に破線で示した。）を充填した部分はほとんど変形せず、固形化粉粒体２００の外側の骨格部材２０７が大きく変形したことを示している。参照番号２０８は固形化粉粒体２００を両側から挟み込む隔壁部材（不図示）を骨格部材２０７に取付けるボルトである。
図７Ｃ（ａ）は、模式的に描いた骨格構造部材１２を２つの支点３１，３１で支え、これらの支点３１，３１の間隔の中央位置に対応する骨格構造部材１２の上面に下向きの荷重Ｆを加えたときに、骨格構造部材１２の支点３１，３１間に発生する歪みをグラフとして表している。縦軸は歪み、横軸は骨格構造部材１２の長手方向の位置を表している。
支点３１，３１の位置では歪みはゼロであり、この位置から次第に固形化粉粒体１６（図中のハッチングを施した部分）に近づくにつれて歪みは徐々に増加し、固形化粉粒体１６の位置では歪みは一定になる。このときの歪みをε１とする。
図７Ｃ（ｂ）は、模式的に描いた骨格構造部材２０５を２つの支点２２１，２２１で支え、これらの支点２２１，２２１の間隔の中央位置に対応する骨格構造部材２０５の上面に下向きの荷重Ｆを加えたときに、骨格構造部材２０５の支点２２１，２２１間に発生する歪みをグラフとして表している。縦軸は歪み、横軸は骨格構造部材２０５の長手方向の位置を表している。
支点２２１，２２１の位置では歪みはゼロであり、この位置から次第に固形化粉粒体２００に近づくにつれて歪みは急激に増加し、固形化粉粒体２００の両端部近傍の外方位置で歪みは最大になる。このときの歪みをε２とする。
そして、歪みが最大となる位置から固形化粉粒体２００の端部までは歪みが減少し、固形化粉粒体２００の位置では歪みが一定になる。このときの歪みをε３とする。
以上の図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ（ａ）及び図７Ｃ（ｂ）において、比較例の骨格構造部材２０５では、固形化粉粒体２００の剛性が過度に大きいために固形化粉粒体２００はほとんど変形せず、歪みε３は小さくなるが、骨格部材２０７が局部的に大きく変形し、歪みε２は非常に大きくなる。従って、曲げ試験の早期に荷重Ｆは大きく低下する。即ち、吸収エネルギー量は少ない。
これに対して、実施例の骨格構造部材１２では、固形化粉粒体１６の剛性が比較例の固形化粉粒体２００に比べて小さく、曲げ試験によって固形化粉粒体１６が徐々に変形しするとともにほぼ均一に変形するため、比較例の最大の歪みε２に対して最大の歪みε１を抑えることができる。即ち、歪みε１は歪みε２よりもｄだけ小さい。従って、実施例の骨格構造部材１２では、曲げ試験において大きな変位量まで高い荷重を維持することができ、比較例に対して吸収エネルギー量をより増大させることができる。
図８Ａにおいて、骨格構造部材１２に荷重Ｆを加える。なお、３２は荷重Ｆを加えた骨格部材１１上の加重点である。
図８Ｂにおいて、骨格構造部材１２が撓み、加重点３２近傍の粉粒体を１８ａとしたときに、これらの粉粒体１８ａ…では、粉粒体１８ａの固化部２２（図４参照）が剥がれて粉粒体１８ａ同士の結合が外れたり、粉粒体１８ａ自体が変形（加重点３２に近いほど変形は大きい。）して、骨格部材１１の内部圧力が激増するのを抑える。
図８Ｃにおいて、骨格構造部材１２の撓みが更に大きくなると、粉粒体１８ａの固化部の剥がれや粉粒体１８ａ自体の変形が進行し、固形化粉粒体１６（図８Ａ参照）は複数の粉粒体の単体に変化して矢印のように流動し、歪みを拡散させる。従って、大きな変形量まで安定して大きな荷重を維持することができる。
図９において、曲げ試験開始前に、固形化粉粒体に、骨格構造部材１２の長手方向に直角な方向に直線として描いた線３４〜線３８の変化を見ると、曲げ試験終了後では、例えば、線３７の両端の点、即ち骨格部材１１と交わる点を端点４１，４２とし、これらの端点４１，４２を通る直線４３を引いたときに、直線３７は、直線４３よりも骨格構造部材１２の端部側に湾曲していることが分かる。即ち、骨格部材１１の上部が凹状に変形することで、前述した表面融解部が剥がれた粉粒体や変形した粉粒体は、白抜き矢印で示すように、一方の隔壁部材１５側に流動したことが分かる。
図１０に示した実施例（膨張中空粉＋表面融解）の骨格構造部材１２のデータ（実線で示したものである。）は、立ち上がり角度、その立ち上がりの直線部の長さ、最大の荷重ｆ９が、前述の比較例２及び比較例３とほぼ同等であり、剛性及び強度の点で大きな差は見られない。更に、大きな変位量δまで大きな荷重Ｆを維持している。これらのことから、本発明の骨格構造部材１２では、比較例１〜比較例３に比べて吸収エネルギー量をより増大させることができる。
図１１Ａにおいて、本発明の骨格構造部材は、車体前部のエンジン両側方下方に配置するフロントサイドフレーム５１，５１、車室の両側方下部に配置するサイドシル５２，５２、左右のサイドシル５２，５２間に渡したフロントフロアクロスメンバ５３、サイドシル５２，５２から立ち上げたセンタピラー５４，５４、サイドシル５２，５２から後方へ延ばしたリヤフレーム５６，５６に採用する。
また、図１１Ｂにおいて、本発明の骨格構造部材は、フロントピラー６１，６１、フロントドア（不図示）内及びリヤドア（不図示）内にそれぞれ配置したドアビーム６２，６３、ルーフの両側部に設けたルーフサイドレール６４，６４、左右のルーフサイドレール６４，６４に渡したルーフレール６６，６７に採用する。
図１２Ａ〜図１２Ｅは本発明に係る骨格構造部材をフロントサイドフレームに採用した実施例を示している。骨格構造部材としてのフロントサイドフレーム５１の符号５１を、ここでは便宜上、５１Ａ〜５１Ｅと変更した。フロントサイドフレーム５１Ａ〜５１Ｄでは、粉粒体１８を、直接に骨格部材内に充填し、フロントサイドフレーム５１Ｅでは、粉粒体１８を予め別の骨格部材内に充填した状態で骨格部材内に挿入する。
図１２Ａに示すフロントサイドフレーム５１Ａは、アウタパネル７１と、このアウタパネル７１よりもエンジン室側に設けたインナパネル７２とから骨格部材７３を形成し、この骨格部材７３内に粉粒体１８を充填した部材である。なお、フロントサイドフレーム５１Ａに粉粒体１８を充填する場合に、フロントサイドフレーム５１Ａの長手方向全体に充填してもよいし、あるいは、フロントサイドフレーム５１Ａの長手方向に部分的に充填する、即ち、フロントサイドフレーム５１Ａ内に長手方向に所定間隔を開けて２枚の隔壁を設け、これら２枚の隔壁間に粉粒体１８を充填してもよい。以下に述べる部位についても同様である。
図１２Ｂに示すフロントサイドフレーム５１Ｂは、斜面７５を設けたアウタパネル７６と、このアウタパネル７６のエンジン室側に設けるとともに斜面７７を形成したインナパネル７８とから骨格部材８１を形成し、この骨格部材８１に粉粒体１８を充填した部材である。
図１２Ｃに示すフロントサイドフレーム５１Ｃは、アウタパネル７１と、インナパネル７２と、これらのアウタパネル７１及びインナパネル７２の内側に取付けた隔壁８３とから骨格部材８４を形成し、アウタパネル７１及びインナパネル７２内の隔壁８３で区画した第１室８５及び第２室８６のうちの第１室８５内に粉粒体１８を充填した部材である。
図１２Ｄに示すフロントサイドフレーム５１Ｄは、図１２Ｃに示したフロントサイドフレーム５１Ｃの第２室８６に粉粒体１８を充填した部材である。
図１２Ｅに示すフロントサイドフレーム５１Ｅは、骨格部材８８内に粉粒体１８を充填し、この骨格部材８８を骨格部材７３の内側に配置した部材である。
図１３Ａ〜図１３Ｄは本発明に係る骨格構造部材をリヤフレームに採用した実施例を示している。骨格構造部材としてのリヤフレーム５６の符号５６を、ここでは便宜上、５６Ａ〜５６Ｄと変更した。
図１３Ａに示すリヤフレーム５６Ａは、パネル部材としてのロアパネル９１と、このロアパネル９１の上部に設けたパネル部材としてのリヤフロアパネル９２との間に粉粒体１８を充填した部材である。
図１３Ｂに示すリヤフレーム５６Ｂは、ロアパネル９１と、このロアパネル９１の上部に取付けたサブロアパネル９３との間に粉粒体１８を充填した部材である。
図１３Ｃに示すリヤフレーム５６Ｃは、ロアパネル９１の上部に取付けたサブロアパネル９３と、このサブロアパネル９３の上部に設けたリヤフロアパネル９２との間に粉粒体１８を充填した部材である。
図１３Ｄに示すリヤフレーム５６Ｄは、ロアパネル９１とリヤフロアパネル９２とで囲まれる閉空間内に骨格部材９４を配置し、この骨格部材９４内に粉粒体１８を充填した部材である。
また、骨格部材９４内には粉粒体１８を充填せず、骨格部材９４とその周囲のパネル部材としてのロアパネル９１、リヤフロアパネル９２とで囲まれる空間９５に粉粒体１８を充填してもよく、更には、骨格部材９４内及び空間９５内の両方に粉粒体１８を充填してもよい。
図１４Ａ〜図１４Ｃは、本発明に係る骨格構造部材をセンタピラーに採用した実施例を示している。骨格構造部材としてのセンタピラー５４の符号５４を、ここでは便宜上、５４Ａ〜５４Ｃと変更した。
図１４Ａに示したセンタピラー５４Ａは、アウタパネル９６と、このアウタパネル９６の車室側に配置したインナパネル９７とで骨格部材９８を形成し、この骨格部材９８に粉粒体１８を充填した部材である。
図１４Ｂに示したセンタピラー５４Ｂは、アウタパネル９６とインナパネル９７との間に補強部材１０１を取付けることで骨格部材１０２を形成し、補強部材１０１とアウタパネル９６との間に粉粒体１８を充填した部材である。
図１４Ｃに示したセンタピラー５４Ｃは、アウタパネル９６とインナパネル９７との間に補強部材１０１を取付け、この補強材１０１とインナパネル９７との間に粉粒体１８を充填した部材である。
図１５Ａ〜図１５Ｃは本発明に係る骨格構造部材をルーフサイドレールに採用した実施例を示している。骨格構造部材としてのルーフサイドレール６４の符号を、ここでは便宜上、６４Ａ〜６４Ｃと変更した。。
図１５Ａに示したルーフサイドレール６４Ａは、アウタパネル１０４と、このアウタパネル１０４の車室側に配置したインナパネル１０５とで骨格部材１０６を形成し、この骨格部材１０６に粉粒体１８を充填した部材である。
図１５Ｂに示したルーフサイドレール６４Ｂは、アウタパネル１０４とインナパネル１０５との間に補強部材１０７を取付けることで骨格部材１０８を形成し、補強部材１０７とアウタパネル１０４との間に粉粒体１８を充填した部材である。
図１５Ｃに示したルーフサイドレール６４Ｃは、アウタパネル１０４とインナパネル１０５との間に補強部材１０７を取付けることで骨格部材１０８を形成し、補強部材１０７とインナパネル１０５との間に粉粒体１８を充填した部材である。
図２〜図４で説明したように、本発明は、輸送機械の骨格部材１１内及び／又は骨格部材１１とその周囲のパネル部材（例えば、図１３Ｄに示したロアパネル９１、リヤフロアパネル９２）とで囲まれる空間（例えば、図１３Ｄに示した空間９５）に、複数の粉粒体１８を結合して固めた固形化粉粒体１６を配置した骨格構造部材１２であって、固形化粉粒体１６を、各粉粒体１８同士が表面融解により結合するとともに膨張により内圧を発生させるものとしたことを特徴とする。
粉粒体１８同士が表面融解により結合するため、粉粒体同士を結合する接着剤や樹脂等のバインダを必要とせず、固形化に伴う重量増を抑えることができる。
また、粉粒体１８の膨張により内圧を発生させるため、加圧を伴う充填を必要とせず、骨格部材１８内、空間（例えば、空間９５）内に粉粒体１８を容易に満たすことができる。
更に、固形化粉粒体１６に外部から荷重が作用した場合に、固形化していた粉粒体１８は表面融解部が剥がれて粉粒体単体又は固形化物の小片となって流動性を備えるようになり、外部からの荷重により発生する歪みを拡散して歪みの集中を防ぐことができる。
従って、骨格構造部材１２をほぼ均等に且つ大きな変形量まで変形させることができる。このとき、上記内圧によって骨格部材壁の内側への変形を抑制できるために、大きな変位量まで大きな荷重を支えることができ、従来に比較して、骨格構造部材１２の吸収エネルギー量を増大させることができる。
また、本発明は、図５及び図６で説明したように、輸送機械の骨格部材１１内及び／又は骨格部材１１とその周囲のパネル部材（例えば、図１３Ｄに示したロアパネル９１、リヤフロアパネル９２）とで囲まれる空間（例えば、図１３Ｄに示した空間９５）に、複数の粉粒体１８を結合して固めた固形化粉粒体１６を配置する骨格構造部材１２の製造方法であって、液体又は固体からなる芯物質２５ａを被膜２５ｂで包み込んだ粉粒体２５を未膨張の状態で、骨格部材１１内及び／又は空間（例えば、空間９５）内へ投入する工程と、粉粒体２５を加熱することで膨張させる工程とから構成したことを特徴とする。
粉粒体２５を加熱し、膨張させることにより、芯物質２５ａを気化させれば、固形化粉粒体１６を構成する各粉粒体１８は中空になり、固形化に伴う重量増を抑えて骨格構造部材１２の軽量化を図ることができる。
また、粉粒体２５が膨張することにより骨格部材１１、空間に内圧が発生するため、加圧を伴う充填を必要とせず、骨格部材１１内、空間内に粉粒体１８を容易に満たすことができる。従って、骨格構造部材１２の生産性を向上させることができる。
更に、固形化粉粒体１６に外部から荷重が作用した場合に、中実の粉粒体を用いるよりも、固形化粉粒体１６の強度が過度に大きくならず、しかも、外部から作用する荷重によって固形化粉粒体１６を構成する粉粒体１８が次第に変形しながら流動するようになり、外部からの荷重により発生する歪みを拡散して歪みの集中を防ぐことができる。従って、固形化粉粒体１６の強度が急激に変化せず、大きな変位量まで大きな荷重を支えることができ、従来に比較して、骨格構造部材１２の吸収エネルギー量を増大させることができる。
本発明の実施例においては、骨格部材内に粉粒体をそのまま投入したが、これに限らず、袋（ゴム製、ポリエチレン等の樹脂製、紙製のもの）や容器に予め詰めた状態で骨格部材内に投入してもよい。
【産業上の利用可能性】
以上説明したように、上記骨格構造部材及びその製造方法は、重量増を抑え、骨格部材内に粉粒体を容易に充填でき、骨格構造部材の吸収エネルギー量を増大させるため、各種輸送機械に用いるのに適している。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【技術分野】
本発明は、鉄道車両、産業車両、船舶、航空機、自動車、自動二輪車等の輸送機械用骨格構造部材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
骨格構造部材として、骨格部材に粉粒体を充填した技術が、例えば、特開２００２−１９３６４９公報、米国特許第４６１０８３６号明細書、米国特許第４６９５３４３号明細書において知られている。
図１６は、特開２００２−１９３６４９公報に開示された骨格構造部材を構成する固形化粉粒体を示している。
この固形化粉粒体２００は、粉粒体２０１と、これらの粉粒体２０１を固形にするために粉粒体２０１のそれぞれの間に満たした樹脂、接着剤等のバインダ２０２とで構成され、粉粒体２０１を構造的に密に型に投入した後、バインダ２０２を流し込んで形成する。この固形化粉粒体２００は、車体等の骨格部材内に挿入することで骨格構造部材を形成するものであり、車体の強度、剛性の向上を図る。
図１７は、米国特許第４６１０８３６号明細書、及び米国特許第４６９５３４３号明細書に開示された骨格構造部材を構成する固形化粉粒体を示している。
この固形化粉粒体２１０は、接着剤２１１をコーティングした粉粒体としてのガラス製の小球体２１２からなる。これらの小球体２１２をガラス繊維製のクロスで包み、骨格部材内に満たすことで骨格構造部材が形成される。
しかし、図１６に示した固形化粉粒体２００では、粉粒体２０１のみの場合に比べてバインダ２０２の分だけ重量が増す。図１７に示した固形化粉粒体２１０も同様に、小球体２１２のみの場合よりも接着剤２１１の分だけの重量が増す。このため、これらの固形化粉粒体２００，２１０を用いた骨格構造部材の重量増が大きくなる。
また、粉粒体２０１又は小球体２１２を密に充填すれば、固形化粉粒体２００，２１０の剛性が高められるが、閉空間に粉粒体２０１又は小球体２１２を満たすには、外部から加圧する等の手段を講じなければならなず、容易ではない。
次に、上記の固形化粉粒体２００，２１０を用いた骨格構造部材を曲げ試験で強制的に曲げ変形させて、骨格構造部材の吸収エネルギー量を求める。
図１８は、骨格構造部材の曲げ試験の方法を示している。曲げ試験は、骨格構造部材２２０を２つの支点２２１，２２１で支え、これらの支点２２１，２２１間の中央位置に対応する骨格構造部材２２０の上面に曲げ試験機の押圧片２２２を介して下向きの荷重Ｆを加えて行う。記号δは押圧片２２２のストローク量、即ち下方への変位量である。参照番号２２３は、骨格構造部材２２０内に挿入した固形化粉粒体である。
図１９は、骨格構造部材の曲げ試験の結果として得られる荷重と変位量との関係を略式に示している。縦軸は荷重Ｆ、横軸は変位量δを表す。
このグラフでは、変位量δが小さいうちは、荷重Ｆは直線的に急激に立ち上がり、そして、荷重Ｆの増加は次第に小さくなって最大の荷重ｆ１が発生し、この後は、変形量δが大きくなるにつれて、荷重Ｆは次第に減少し、やがてほぼ一定になる。
立ち上がりの直線部の上端の荷重をＬ、直線の角度をαとすると、角度αが大きいほど、また、荷重Ｌが大きい（即ち、直線部が長い）ほど骨格構造部材の剛性は大きい。更に、荷重ｆ１が大きいほど、骨格構造部材の強度は大きい。
このグラフ上の線と横軸とで挟まれた部分の面積は、仕事量、即ち骨格構造部材の変形による吸収エネルギー量であり、例えば、車両の骨格構造における衝突時の吸収エネルギー量を求める場合に使用する。
図２０Ａ〜図２０Ｄは、骨格構造部材の曲げ試験の結果として得られる荷重と変位量との関係、及び吸収エネルギー量を示したグラフである。
図２０Ａに示したグラフ中の試料１は、図１９に示した骨格構造部材と同一の部材で、例えば中空の四角形断面とし、内部に固形化粉粒体を挿入していない骨格構造部材である。
試料２は、試料１の最大の荷重ｆ１となる変位量より大きい変位量では、試料１よりも荷重Ｆが大きくなる。
試料３は、試料１の荷重ｆ１となる変位量より大きい変位量では、試料２よりも荷重Ｆが大きくなる。
これらの試料１〜試料３の吸収エネルギー量は図２０Ｂに示される。
図２０Ｂにおいては、縦軸が吸収エネルギー量Ｅを表す。試料１〜試料３の各吸収エネルギー量をｅ１〜ｅ３とすると、ｅ１＜ｅ２＜ｅ３となる。
図２０Ｃにおいて、試料４は、試料１よりも立ち上がりの角度α（図１９参照）を大きくし、且つ試料１の荷重ｆ１よりも大きな荷重ｆ２を最大値とするものであり、荷重ｆ２のときの変位量よりも大きな変位量δでは、次第に試料１に重なる。
試料５は、試料４よりも立ち上がりの角度α（図１９参照）を大きくし、且つ試料４の荷重ｆ２よりも大きな荷重ｆ３を最大値とするものであり、荷重ｆ３のときの変位量よりも大きな変位量δでは、次第に試料１に重なる。
これらの試料１、試料４及び試料５の吸収エネルギー量は、図２０Ｄに示される。
図２０Ｄにおいては、縦軸が吸収エネルギー量Ｅを表す。試料４、試料５の各吸収エネルギー量をｅ４、ｅ５とすると、ｅ１＜ｅ４＜ｅ５となる。
図２０Ａ〜図２０Ｄより、荷重Ｆの最大値が大きくなっただけでは吸収エネルギー量の増加は小さいが、荷重Ｆの最大値を大きくするとともに、最大荷重発生後の荷重を高く維持すれば、吸収エネルギー量の増加を大きくすることができる。
図２１は、従来の骨格構造部材の曲げ試験における変形状態を示している。
例えば、固形化粉粒体２００（図１６も参照）を挿入した骨格構造部材２０５を曲げ試験で変形させた場合、固形化粉粒体２００を挿入した部分はほとんど変形せず、固形化粉粒体２００の端部側が大きく変形した。参照番号２０６は大きく変形して屈曲した骨格部材２０７の屈曲部である。
これは、粉粒体の高い充填率とバインダによる強い結合のために、固形化粉粒体２００を挿入した部分の強度が非常に高まり、固形化粉粒体２００以外の部分に歪みが集中したと考えられる。
図２２は、比較例１〜３として示した各骨格構造部材の曲げ試験のグラフであり、縦軸は荷重Ｆ、横軸は変位量δを表す。各データの最大の変位量δは、変位量δを次第に増していって、急激に荷重Ｆが低下する直前の値を示している。
破線で示した比較例１は、中空の四角形断面を有する骨格構造部材で固形化粉粒体を挿入していないものであり、最大の変位量ｄ５は大きいが、最大の荷重ｆ５は小さい。
一点鎖線で示した比較例２は、図１６及び図２１に示した骨格構造部材、即ち中実の粉粒体をバインダで結合した固形化粉粒体を備えたものであり、粉粒体の結合が強固であるために最大の荷重ｆ６は大きくなるが、曲げ試験の早期に固形化粉粒体以外の部分が局部的に大きく変形することにより最大の変位量ｄ６は小さくなる。
二点鎖線で示した比較例３は、図１７に示した骨格構造部材、即ち中実の粉粒体に接着剤をコーティングして結合した固形化粉粒体を備えたものであり、粉粒体の結合が強固なために最大の荷重ｆ７は比較例２よりも大きくなるが、比較例２と同様に局部的な変形が大きいため、最大の変位量ｄ７は小さい。
図２３は、図２２に示した各骨格構造部材（比較例１〜比較例３）の吸収エネルギー量を示す。縦軸は吸収エネルギー量Ｅを示す。
比較例１の吸収エネルギー量を１．０としたときに、比較例２は比較例１よりも小さく、比較例３は比較例１とほぼ同等の値となった。
このように、比較例２及び比較例３では、粉粒体が強固に結合するために骨格構造部材の粉粒体充填部分の強度が過度に高まり、曲げ試験の早期に局部崩壊が発生して荷重が急激に低下した結果、吸収エネルギー量は比較例１に対して向上しなかった。
そこで、粉粒体の固形化に伴う重量増を抑え、また、骨格部材内に粉粒体を容易に充填でき、しかも、骨格構造部材の吸収エネルギー量を増大させる輸送機械用骨格構造部材及びこの骨格構造部材の製造方法が望まれる。
【発明の開示】
本発明においては、輸送機械の骨格部材内及び／又は骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に、複数の粉粒体を結合して固めた固形化粉粒体を配置した骨格構造部材であって、固形化粉粒体は、各粉粒体同士が表面融解により結合するとともに膨張により内圧を発生させる輸送機械用骨格構造部材が提供される。
このように、粉粒体同士が表面融解により結合するため、粉粒体同士を結合する接着剤や樹脂等のバインダを必要とせず、固形化に伴う重量増を抑えることができる。また、粉粒体の膨張により内圧を発生させるため、加圧を伴う充填を必要とせず、骨格部材内、空間内に粉粒体を容易に満たすことができる。更に、固形化粉粒体に外部から荷重が作用した場合に、固形化していた粉粒体は表面融解部が剥がれて粉粒体単体となって流動性を備えるようになり、外部からの荷重により発生する歪みを拡散して歪みの集中を防ぐことができる。従って、骨格構造部材をほぼ均等に且つ大きな変形量まで変形させることができる。このとき、上記内圧によって骨格部材壁の内側への変形を抑制できるために、大きな変位量まで大きな荷重を支えることができ、従来に比較して、骨格構造部材の吸収エネルギー量を増大させることができる。
更に、本発明においては、輸送機械の骨格部材内及び／又は骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に、複数の粉粒体を結合して固めた固形化粉粒体を配置する骨格構造部材の製造方法であって、液体又は固体からなる芯物質を被膜で包み込んだ粉粒体を未膨張の状態で、骨格部材内及び／又は空間内へ投入する工程と、粉粒体を加熱することで膨張させる工程と、を含む輸送機械用骨格構造部材の製造方法が提供される。
粉粒体を加熱し、膨張させることにより、芯物質を気化させれば、固形化粉粒体を構成する各粉粒体は中空になり、固形化に伴う重量増を抑えることができる。また、粉粒体が膨張することにより骨格部材、空間に内圧が発生するため、加圧を伴う充填を必要とせず、骨格部材内、空間内に粉粒体を容易に満たすことができる。更に、固形化粉粒体に外部から荷重が作用した場合に、中実の粉粒体を用いるよりも、固形化粉粒体の強度が過度に大きくならず、しかも、外部から作用する荷重によって固形化粉粒体を構成する粉粒体が次第に変形しながら流動するようになり、外部からの荷重により発生する歪みを拡散して歪みの集中を防ぐことができる。従って、固形化粉粒体の強度が急激に変化せず、大きな変位量まで大きな荷重を支えることができ、従来に比較して、骨格構造部材の吸収エネルギー量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る輸送機械用骨格構造部材の斜視図である。
図２は、図１の２−２線に沿った骨格構造部材の断面図である。
図３は、図１の３−３線に沿った骨格構造部材の断面図である。
図４は、本発明に係る固形化粉粒体の結合状態を示した断面図である。
図５は、本発明に係る粉粒体の変化を示した作用図である。
図６は、本発明に係る骨格構造部材の製造方法を示した作用図である。
図７Ａは、実施例に係る骨格構造部材の曲げ試験を実施した後の状態を示した図である。
図７Ｂは、比較例に係る骨格構造部材の曲げ試験を実施した後の状態を示した図である。
図７Ｃ（ａ）は、実施例に係る骨格構造部材の曲げ試験時に発生する歪みを示した図である。
図７Ｃ（ｂ）は、比較例に係る骨格構造部材の曲げ試験時に発生する歪みを示した図である。
図８Ａ〜図８Ｃは、本発明に係る骨格構造部材の曲げ試験時における変形状態を示した図である。
図９は、本発明に係る骨格構造部材の曲げ試験終了後の変形状態を示した断面図である。
図１０は、本発明に係る骨格構造部材の曲げ試験を示したグラフである。
図１１Ａ及び図１１Ｂは、本発明に係る骨格構造部材を車両に適用した実施例を示した斜視図である。
図１２Ａ〜図１２Ｅは、本発明に係る骨格構造部材をフロントサイドフレームに採用した実施例の断面図である。
図１３Ａ〜図１３Ｄは、本発明に係る骨格構造部材をリヤフレームに採用した実施例の断面図である。
図１４Ａ〜図１４Ｃは、本発明に係る骨格構造部材をセンタピラーに採用した実施例の断面図である。
図１５Ａ〜図１５Ｃは、本発明に係る骨格構造部材をルーフサイドレールに採用した実施例の断面図である。
図１６は、従来の骨格構造部材を構成する第１の固形化粉粒体の断面図である。
図１７は、従来の骨格構造部材を構成する第２の固形化粉粒体の断面図である。
図１８は、骨格構造部材の曲げ試験の方法を示した図である。
図１９は、骨格構造部材の曲げ試験における荷重と変位量との関係を示したグラフである。
図２０Ａ〜図２０Ｄは、骨格構造部材の曲げ試験における荷重と変位量との関係、及び吸収エネルギー量を示したグラフである。
図２１は、従来の骨格構造部材の曲げ試験における変形状態を示した図である。
図２２は、比較例１〜３の各骨格構造部材の曲げ試験における荷重と変位量との関係を示したグラフである。
図２３は、比較例１〜３の各骨格構造部材の曲げ試験における吸収エネルギー量を示したグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
図１は、中空とした骨格部材１１内に固形化粉粒体を充填した輸送機械用骨格構造部材１２（以下、単に「骨格構造部材１２」と記す。）を示している。参照番号１３，１３は骨格部材１１の両端を塞ぐ端部閉塞部材である。
図２に示した骨格構造部材１２は、骨格部材１１内に隔壁部材１５，１５を取付け、これらの隔壁部材１５，１５の間の空間に固形化粉粒体１６を充填したものである。ここでは、固形化粉粒体１６を骨格構造部材１２の長手方向の中央に配置した。参照番号１８は中空の粉粒体であり、実際には外径が１０〜２００μｍであるが、説明の都合上、大きく描いた（以下同じ）。
図３は、中空の四角形断面とした骨格部材１１内に、粉粒体１８をそれぞれ結合させて固形にした固形化粉粒体１６を充填したことを示している。
図４は、加熱による表面融解によって結合した粉粒体１８，１８を示している。参照番号２１，２１は粉粒体１８，１８の中空部、参照番号２２，２２は粉粒体１８，１８の表面が融解し固化した固化部である。
図５において、粉粒体２５を加熱すると、膨張して前述の粉粒体１８が出来る。
粉粒体２５は、芯物質（液体又は固体）２５ａを微粒化し、この芯物質２５ａを被膜２５ｂで被覆した（即ち、殻で包み込んだ）、いわゆる「マイクロカプセル」であり、加熱することで、芯物質２５ａが気化し被膜（即ち、殻）２５ｂが軟化して膨張することで粉粒体１８となる。
被膜（殻）２５ｂの組成物としては、熱可塑性樹脂、即ち、（１）アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、シトラコン酸、マレイン酸、フマル酸、ビニル安息香酸及びこれらの酸のエステル類、（２）アクリルニトリルやメタクリルニトリル等のニトリル類、（３）塩化ビニル、酢酸ビニル等のビニル化合物、（４）塩化ビニリデン等のビニリデン化合物、（５）スチレン等のビニル芳香族類、（６）その他としてエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ジエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ネオペンチルグリコール（メタ）アクリレート、１，６ヘキサンジオールジアクリレート、１，９ノナンジオールジ（メタ）アクリレート、平均分子量２００〜６００のポリエチレングリコールのジアクリレート、平均分子量２００〜６００のポリエチレングリコールのジメタクリレート、トリメチルプロパンジ（メタ）アクリレート、トリメチルプロパントリ（メタ）アクリレート、ペンタエリストールテトラアクリレート、ジペンタエリストールアクリレート、ジペンタエリストールヘキサアクリレート等、そして、上記の単量体の重合物やそれらの組み合わせによる共重合物が好適である。
また、芯物質２５ａとしては、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、イソペンタン、ヘキサン、イソヘキサン、オクタン、イソオクタン等の低沸点炭化水素、クロロフルオロカーボンが好適である。
図６は、本発明に係る骨格構造部材の製造方法を示している。
まず、骨格部材１１内に粉粒体２５を所定量投入する。次に、骨格部材１１及び粉粒体２５を加熱する。これにより、粉粒体２５が膨張して骨格部材１１内に充満するとともに粉粒体２５同士が表面融解を起こし、冷却した後に、粉粒体１８同士が結合して固形化粉粒体１６を形成し、骨格構造部材１２が出来る。
例えば、車両では、車両骨格部材内に粉粒体２５を投入しておき、車両の塗装を乾燥させるために製造ラインに設けた塗装乾燥路で１３０〜２００℃に加熱すれば、塗装乾燥の完了とほぼ同時に骨格構造部材が出来る。従って、別に加熱装置を必要とせず、しかも粉粒体２５のための加熱時間も別に必要がないから、コストアップ及び製造工数の増加を抑えることができる。
骨格構造部材１２は、粉粒体１８同士が結合するとともに、粉粒体１８と骨格部材１１の内面とが結合した部材であり、膨張するときに、粉粒体２５同士に圧力が作用するとともに、粉粒体２５から骨格部材１１にも圧力が作用するため、表面融解後の粉粒体１８同士の結合及び粉粒体１８と骨格部材１１の内壁との結合が強固となり、骨格構造部材１２の剛性及び強度を高めることができる。
また、粉粒体２５を熱可塑性樹脂製とすることで低い温度で融解させることができるため、高温を発生させるような特別な加熱装置を必要としない。
更に、上記した粉粒体１８によって骨格構造部材１２内に発生する圧力（内圧）は、骨格部材１１内に投入する粉粒体２５の投入量によって変更することができ、上記の内圧を変更することで、骨格構造部材１２の機械的特性を決定することができる。
図７Ａは、骨格構造部材１２の固形化粉粒体１６（図中の破線部）を充填した部分がほぼ円弧状に変形したことを示している。参照番号２８は隔壁部材１５，１５（図２参照）を骨格部材１１に取付けるボルトである。
図７Ｂは、骨格構造部材２０５の固形化粉粒体２００（図中に破線で示した。）を充填した部分はほとんど変形せず、固形化粉粒体２００の外側の骨格部材２０７が大きく変形したことを示している。参照番号２０８は固形化粉粒体２００を両側から挟み込む隔壁部材（不図示）を骨格部材２０７に取付けるボルトである。
図７Ｃ（ａ）は、模式的に描いた骨格構造部材１２を２つの支点３１，３１で支え、これらの支点３１，３１の間隔の中央位置に対応する骨格構造部材１２の上面に下向きの荷重Ｆを加えたときに、骨格構造部材１２の支点３１，３１間に発生する歪みをグラフとして表している。縦軸は歪み、横軸は骨格構造部材１２の長手方向の位置を表している。
支点３１，３１の位置では歪みはゼロであり、この位置から次第に固形化粉粒体１６（図中のハッチングを施した部分）に近づくにつれて歪みは徐々に増加し、固形化粉粒体１６の位置では歪みは一定になる。このときの歪みをε１とする。
図７Ｃ（ｂ）は、模式的に描いた骨格構造部材２０５を２つの支点２２１，２２１で支え、これらの支点２２１，２２１の間隔の中央位置に対応する骨格構造部材２０５の上面に下向きの荷重Ｆを加えたときに、骨格構造部材２０５の支点２２１，２２１間に発生する歪みをグラフとして表している。縦軸は歪み、横軸は骨格構造部材２０５の長手方向の位置を表している。
支点２２１，２２１の位置では歪みはゼロであり、この位置から次第に固形化粉粒体２００に近づくにつれて歪みは急激に増加し、固形化粉粒体２００の両端部近傍の外方位置で歪みは最大になる。このときの歪みをε２とする。
そして、歪みが最大となる位置から固形化粉粒体２００の端部までは歪みが減少し、固形化粉粒体２００の位置では歪みが一定になる。このときの歪みをε３とする。
以上の図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ（ａ）及び図７Ｃ（ｂ）において、比較例の骨格構造部材２０５では、固形化粉粒体２００の剛性が過度に大きいために固形化粉粒体２００はほとんど変形せず、歪みε３は小さくなるが、骨格部材２０７が局部的に大きく変形し、歪みε２は非常に大きくなる。従って、曲げ試験の早期に荷重Ｆは大きく低下する。即ち、吸収エネルギー量は少ない。
これに対して、実施例の骨格構造部材１２では、固形化粉粒体１６の剛性が比較例の固形化粉粒体２００に比べて小さく、曲げ試験によって固形化粉粒体１６が徐々に変形しするとともにほぼ均一に変形するため、比較例の最大の歪みε２に対して最大の歪みε１を抑えることができる。即ち、歪みε１は歪みε２よりもｄだけ小さい。従って、実施例の骨格構造部材１２では、曲げ試験において大きな変位量まで高い荷重を維持することができ、比較例に対して吸収エネルギー量をより増大させることができる。
図８Ａにおいて、骨格構造部材１２に荷重Ｆを加える。なお、３２は荷重Ｆを加えた骨格部材１１上の加重点である。
図８Ｂにおいて、骨格構造部材１２が撓み、加重点３２近傍の粉粒体を１８ａとしたときに、これらの粉粒体１８ａ…では、粉粒体１８ａの固化部２２（図４参照）が剥がれて粉粒体１８ａ同士の結合が外れたり、粉粒体１８ａ自体が変形（加重点３２に近いほど変形は大きい。）して、骨格部材１１の内部圧力が激増するのを抑える。
図８Ｃにおいて、骨格構造部材１２の撓みが更に大きくなると、粉粒体１８ａの固化部の剥がれや粉粒体１８ａ自体の変形が進行し、固形化粉粒体１６（図８Ａ参照）は複数の粉粒体の単体に変化して矢印のように流動し、歪みを拡散させる。従って、大きな変形量まで安定して大きな荷重を維持することができる。
図９において、曲げ試験開始前に、固形化粉粒体に、骨格構造部材１２の長手方向に直角な方向に直線として描いた線３４〜線３８の変化を見ると、曲げ試験終了後では、例えば、線３７の両端の点、即ち骨格部材１１と交わる点を端点４１，４２とし、これらの端点４１，４２を通る直線４３を引いたときに、直線３７は、直線４３よりも骨格構造部材１２の端部側に湾曲していることが分かる。即ち、骨格部材１１の上部が凹状に変形することで、前述した表面融解部が剥がれた粉粒体や変形した粉粒体は、白抜き矢印で示すように、一方の隔壁部材１５側に流動したことが分かる。
図１０に示した実施例（膨張中空粉＋表面融解）の骨格構造部材１２のデータ（実線で示したものである。）は、立ち上がり角度、その立ち上がりの直線部の長さ、最大の荷重ｆ９が、前述の比較例２及び比較例３とほぼ同等であり、剛性及び強度の点で大きな差は見られない。更に、大きな変位量δまで大きな荷重Ｆを維持している。これらのことから、本発明の骨格構造部材１２では、比較例１〜比較例３に比べて吸収エネルギー量をより増大させることができる。
図１１Ａにおいて、本発明の骨格構造部材は、車体前部のエンジン両側方下方に配置するフロントサイドフレーム５１，５１、車室の両側方下部に配置するサイドシル５２，５２、左右のサイドシル５２，５２間に渡したフロントフロアクロスメンバ５３、サイドシル５２，５２から立ち上げたセンタピラー５４，５４、サイドシル５２，５２から後方へ延ばしたリヤフレーム５６，５６に採用する。
また、図１１Ｂにおいて、本発明の骨格構造部材は、フロントピラー６１，６１、フロントドア（不図示）内及びリヤドア（不図示）内にそれぞれ配置したドアビーム６２，６３、ルーフの両側部に設けたルーフサイドレール６４，６４、左右のルーフサイドレール６４，６４に渡したルーフレール６６，６７に採用する。
図１２Ａ〜図１２Ｅは本発明に係る骨格構造部材をフロントサイドフレームに採用した実施例を示している。骨格構造部材としてのフロントサイドフレーム５１の符号５１を、ここでは便宜上、５１Ａ〜５１Ｅと変更した。フロントサイドフレーム５１Ａ〜５１Ｄでは、粉粒体１８を、直接に骨格部材内に充填し、フロントサイドフレーム５１Ｅでは、粉粒体１８を予め別の骨格部材内に充填した状態で骨格部材内に挿入する。
図１２Ａに示すフロントサイドフレーム５１Ａは、アウタパネル７１と、このアウタパネル７１よりもエンジン室側に設けたインナパネル７２とから骨格部材７３を形成し、この骨格部材７３内に粉粒体１８を充填した部材である。なお、フロントサイドフレーム５１Ａに粉粒体１８を充填する場合に、フロントサイドフレーム５１Ａの長手方向全体に充填してもよいし、あるいは、フロントサイドフレーム５１Ａの長手方向に部分的に充填する、即ち、フロントサイドフレーム５１Ａ内に長手方向に所定間隔を開けて２枚の隔壁を設け、これら２枚の隔壁間に粉粒体１８を充填してもよい。以下に述べる部位についても同様である。
図１２Ｂに示すフロントサイドフレーム５１Ｂは、斜面７５を設けたアウタパネル７６と、このアウタパネル７６のエンジン室側に設けるとともに斜面７７を形成したインナパネル７８とから骨格部材８１を形成し、この骨格部材８１に粉粒体１８を充填した部材である。
図１２Ｃに示すフロントサイドフレーム５１Ｃは、アウタパネル７１と、インナパネル７２と、これらのアウタパネル７１及びインナパネル７２の内側に取付けた隔壁８３とから骨格部材８４を形成し、アウタパネル７１及びインナパネル７２内の隔壁８３で区画した第１室８５及び第２室８６のうちの第１室８５内に粉粒体１８を充填した部材である。
図１２Ｄに示すフロントサイドフレーム５１Ｄは、図１２Ｃに示したフロントサイドフレーム５１Ｃの第２室８６に粉粒体１８を充填した部材である。
図１２Ｅに示すフロントサイドフレーム５１Ｅは、骨格部材８８内に粉粒体１８を充填し、この骨格部材８８を骨格部材７３の内側に配置した部材である。
図１３Ａ〜図１３Ｄは本発明に係る骨格構造部材をリヤフレームに採用した実施例を示している。骨格構造部材としてのリヤフレーム５６の符号５６を、ここでは便宜上、５６Ａ〜５６Ｄと変更した。
図１３Ａに示すリヤフレーム５６Ａは、パネル部材としてのロアパネル９１と、このロアパネル９１の上部に設けたパネル部材としてのリヤフロアパネル９２との間に粉粒体１８を充填した部材である。
図１３Ｂに示すリヤフレーム５６Ｂは、ロアパネル９１と、このロアパネル９１の上部に取付けたサブロアパネル９３との間に粉粒体１８を充填した部材である。
図１３Ｃに示すリヤフレーム５６Ｃは、ロアパネル９１の上部に取付けたサブロアパネル９３と、このサブロアパネル９３の上部に設けたリヤフロアパネル９２との間に粉粒体１８を充填した部材である。
図１３Ｄに示すリヤフレーム５６Ｄは、ロアパネル９１とリヤフロアパネル９２とで囲まれる閉空間内に骨格部材９４を配置し、この骨格部材９４内に粉粒体１８を充填した部材である。
また、骨格部材９４内には粉粒体１８を充填せず、骨格部材９４とその周囲のパネル部材としてのロアパネル９１、リヤフロアパネル９２とで囲まれる空間９５に粉粒体１８を充填してもよく、更には、骨格部材９４内及び空間９５内の両方に粉粒体１８を充填してもよい。
図１４Ａ〜図１４Ｃは、本発明に係る骨格構造部材をセンタピラーに採用した実施例を示している。骨格構造部材としてのセンタピラー５４の符号５４を、ここでは便宜上、５４Ａ〜５４Ｃと変更した。
図１４Ａに示したセンタピラー５４Ａは、アウタパネル９６と、このアウタパネル９６の車室側に配置したインナパネル９７とで骨格部材９８を形成し、この骨格部材９８に粉粒体１８を充填した部材である。
図１４Ｂに示したセンタピラー５４Ｂは、アウタパネル９６とインナパネル９７との間に補強部材１０１を取付けることで骨格部材１０２を形成し、補強部材１０１とアウタパネル９６との間に粉粒体１８を充填した部材である。
図１４Ｃに示したセンタピラー５４Ｃは、アウタパネル９６とインナパネル９７との間に補強部材１０１を取付け、この補強材１０１とインナパネル９７との間に粉粒体１８を充填した部材である。
図１５Ａ〜図１５Ｃは本発明に係る骨格構造部材をルーフサイドレールに採用した実施例を示している。骨格構造部材としてのルーフサイドレール６４の符号を、ここでは便宜上、６４Ａ〜６４Ｃと変更した。。
図１５Ａに示したルーフサイドレール６４Ａは、アウタパネル１０４と、このアウタパネル１０４の車室側に配置したインナパネル１０５とで骨格部材１０６を形成し、この骨格部材１０６に粉粒体１８を充填した部材である。
図１５Ｂに示したルーフサイドレール６４Ｂは、アウタパネル１０４とインナパネル１０５との間に補強部材１０７を取付けることで骨格部材１０８を形成し、補強部材１０７とアウタパネル１０４との間に粉粒体１８を充填した部材である。
図１５Ｃに示したルーフサイドレール６４Ｃは、アウタパネル１０４とインナパネル１０５との間に補強部材１０７を取付けることで骨格部材１０８を形成し、補強部材１０７とインナパネル１０５との間に粉粒体１８を充填した部材である。
図２〜図４で説明したように、本発明は、輸送機械の骨格部材１１内及び／又は骨格部材１１とその周囲のパネル部材（例えば、図１３Ｄに示したロアパネル９１、リヤフロアパネル９２）とで囲まれる空間（例えば、図１３Ｄに示した空間９５）に、複数の粉粒体１８を結合して固めた固形化粉粒体１６を配置した骨格構造部材１２であって、固形化粉粒体１６を、各粉粒体１８同士が表面融解により結合するとともに膨張により内圧を発生させるものとしたことを特徴とする。
粉粒体１８同士が表面融解により結合するため、粉粒体同士を結合する接着剤や樹脂等のバインダを必要とせず、固形化に伴う重量増を抑えることができる。
また、粉粒体１８の膨張により内圧を発生させるため、加圧を伴う充填を必要とせず、骨格部材１８内、空間（例えば、空間９５）内に粉粒体１８を容易に満たすことができる。
更に、固形化粉粒体１６に外部から荷重が作用した場合に、固形化していた粉粒体１８は表面融解部が剥がれて粉粒体単体又は固形化物の小片となって流動性を備えるようになり、外部からの荷重により発生する歪みを拡散して歪みの集中を防ぐことができる。
従って、骨格構造部材１２をほぼ均等に且つ大きな変形量まで変形させることができる。このとき、上記内圧によって骨格部材壁の内側への変形を抑制できるために、大きな変位量まで大きな荷重を支えることができ、従来に比較して、骨格構造部材１２の吸収エネルギー量を増大させることができる。
また、本発明は、図５及び図６で説明したように、輸送機械の骨格部材１１内及び／又は骨格部材１１とその周囲のパネル部材（例えば、図１３Ｄに示したロアパネル９１、リヤフロアパネル９２）とで囲まれる空間（例えば、図１３Ｄに示した空間９５）に、複数の粉粒体１８を結合して固めた固形化粉粒体１６を配置する骨格構造部材１２の製造方法であって、液体又は固体からなる芯物質２５ａを被膜２５ｂで包み込んだ粉粒体２５を未膨張の状態で、骨格部材１１内及び／又は空間（例えば、空間９５）内へ投入する工程と、粉粒体２５を加熱することで膨張させる工程とから構成したことを特徴とする。
粉粒体２５を加熱し、膨張させることにより、芯物質２５ａを気化させれば、固形化粉粒体１６を構成する各粉粒体１８は中空になり、固形化に伴う重量増を抑えて骨格構造部材１２の軽量化を図ることができる。
また、粉粒体２５が膨張することにより骨格部材１１、空間に内圧が発生するため、加圧を伴う充填を必要とせず、骨格部材１１内、空間内に粉粒体１８を容易に満たすことができる。従って、骨格構造部材１２の生産性を向上させることができる。
更に、固形化粉粒体１６に外部から荷重が作用した場合に、中実の粉粒体を用いるよりも、固形化粉粒体１６の強度が過度に大きくならず、しかも、外部から作用する荷重によって固形化粉粒体１６を構成する粉粒体１８が次第に変形しながら流動するようになり、外部からの荷重により発生する歪みを拡散して歪みの集中を防ぐことができる。従って、固形化粉粒体１６の強度が急激に変化せず、大きな変位量まで大きな荷重を支えることができ、従来に比較して、骨格構造部材１２の吸収エネルギー量を増大させることができる。
本発明の実施例においては、骨格部材内に粉粒体をそのまま投入したが、これに限らず、袋（ゴム製、ポリエチレン等の樹脂製、紙製のもの）や容器に予め詰めた状態で骨格部材内に投入してもよい。
【産業上の利用可能性】
以上説明したように、上記骨格構造部材及びその製造方法は、重量増を抑え、骨格部材内に粉粒体を容易に充填でき、骨格構造部材の吸収エネルギー量を増大させるため、各種輸送機械に用いるのに適している。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
輸送機械の骨格部材内及び／又は骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に、複数の粉粒体を結合して固めた固形化粉粒体を配置した骨格構造部材であって、
前記固形化粉粒体は、各粉粒体同士が表面融解により結合するとともに膨張により内圧を発生させることを特徴とする輸送機械用骨格構造部材。
【請求項２】
輸送機械の骨格部材内及び／又は骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に、複数の粉粒体を結合して固めた固形化粉粒体を配置する骨格構造部材の製造方法であって、
液体又は固体からなる芯物質を被膜で包み込んだ前記粉粒体を未膨張の状態で、前記骨格部材内及び／又は前記空間内へ投入する工程と、
前記粉粒体を加熱することで膨張させる工程と、
を含む輸送機械用骨格構造部材の製造方法。
【請求項１】
輸送機械の骨格部材内及び／又は骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に、複数の粉粒体を結合して固めた固形化粉粒体を配置した骨格構造部材であって、
前記固形化粉粒体は、各粉粒体同士が表面融解により結合するとともに膨張により内圧を発生させることを特徴とする輸送機械用骨格構造部材。
【請求項２】
輸送機械の骨格部材内及び／又は骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に、複数の粉粒体を結合して固めた固形化粉粒体を配置する骨格構造部材の製造方法であって、
液体又は固体からなる芯物質を被膜で包み込んだ前記粉粒体を未膨張の状態で、前記骨格部材内及び／又は前記空間内へ投入する工程と、
前記粉粒体を加熱することで膨張させる工程と、
を含む輸送機械用骨格構造部材の製造方法。
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００２９４９
【国際公開日】平成１７年１月１３日（２００５．１．１３）
【発行日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１１３４３（Ｐ２００５−５１１３４３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００９２１３
【国際出願日】平成１６年６月２３日（２００４．６．２３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年１月１３日（２００５．１．１３）
【発行日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００９２１３
【国際出願日】平成１６年６月２３日（２００４．６．２３）
【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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