輸送機械用骨格構造部材
断面閉空間（１６，３３，４３，６３，７３，８３，９３）を有する骨格部材（１１）と、該骨格部材の内部に充填された複数の粉粒体（１７）とからなる骨格構造部材が提供される。骨格部材の内部圧が増大したとき、上記複数の粉粒体の移動を許容するための粉粒体流動許容部（１４，４２，６１，７１，８１，９２）が該骨格部材の内部に設けられ、該内部圧力が過渡に上昇するのを抑制する。この粉粒体流動許容部は上記複数の粉粒体に近接して設けられる。
【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に関する。
【背景技術】
骨格部材に粉粒体を充填した骨格構造部材は、例えば、特開２００２−１９３６４９公報、米国特許第４６１０８３６号明細書、及び米国特許第４６９５３４３号明細書において知られている。さらに、骨格部材にゲルを充填した骨格構造部材は、例えば、特開平９−１３６６８１号公報において知られている。
図１３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。
図１３を参照するに、固形化粉粒体２００は、複数の粉粒体２０１と、これらの粉粒体２０１を固形にするために複数の粉粒体２０１のそれぞれの間に満たした樹脂、又は接着剤からなるバインダ２０２とで構成され、複数の粉粒体２０１を結合して固めたものである。粉粒体２０１を密にした状態で型に投入した後、バインダ２０２を流し込んで固形化粉粒体２００を形成する。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が形成され、車体の強度、剛性の向上を図っている。
図１４は、米国特許第４６１０８３６号明細書、及び米国特許第４６９５３４３号明細書に記載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。
骨格部材内に挿入するために複数の粉粒体を結合して固めた上記固形化粉粒体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複数の小球体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。
図１５は、特開平９−１３６６８１号公報に開示された骨格構造部材を示している。この骨格構造部材２２０は、２つのロアーパネル２２１，２２２間にゲル２２３を充填した構造をしている。参照番号２２４はロアーパネル２２２に開けたオリフィスであり、２２５は該オリフィス２２４を塞ぐキャップである。
例えば、車両衝突等でゲル２２３に過大な圧力が発生したとき、その圧力でキャップ２２５が外れ、ゲル２２３を外部に噴出させることで衝撃エネルギーを吸収する。
以下に、骨格構造部材に荷重を加えて強制的に崩壊させる圧潰試験の方法及びこの方法で図１３〜図１５に示した従来の骨格構造部材の圧潰試験を行った結果を示す。
図１６及び図１７は、従来の骨格構造部材の圧潰試験の内容を示し、図１６は圧潰状態を示し、図１７は圧潰試験の結果を示したグラフである。
図１６の（ａ）において、中空の四角形断面とした骨格部材２３１に粉粒体を充填した骨格構造部材２３２に矢印で示すように長手方向に圧縮荷重、即ち荷重Ｆを加えて強制的に変形させる。
図１６の（ｂ）において、骨格構造部材２３２の変位量、詳しくは、荷重を加えるために骨格構造部材２３２の端部の変位量をλとすると、変位量λが大きくなるにつれて、骨格構造部材２３２は蛇腹状に座屈変形するか、図に示したようなＺ字状、又はドッグレッグ状に屈曲変形する。
図１７は、図１６の（ｂ）のように変形させたときの骨格構造部材の荷重Ｆと変位量λとの関係を示したグラフであり、縦軸は荷重Ｆ、横軸は変位量λを表す。試料としては、内部に充填材を充填せずに骨格部材のみにした比較例１（未充填）、図１３に示した粉粒体をバインダで結合した比較例２（粉粒体バインダ結合）、図１４に示した小球体を接着剤で結合した比較例３（小球体接着剤結合）、これらの比較例２及び比較例３よりも低強度の粉粒体を充填した比較例４（低強度粉粒体）の４種である。
比較例１では、荷重Ｆは小さいが、骨格部材が蛇腹状に潰れるために変位量λは大きい。このときの変位量ｄ１は、骨格部材が潰れ切ったときの変位量であり、外部から加えたエネルギーを有効に吸収できる有効ストローク（即ち、ゼロからｄ１までの変位量λ）である。この有効ストローク後は荷重Ｆが急激に増加する。
比較例２〜比較例４については有効ストロークまでを示している。
比較例１の線と横軸とで挟まれる部分の有効ストローク範囲における面積は、比較例１の骨格構造部材の吸収エネルギー量を表し、この吸収エネルギー量を有効ストロークで割った値が図中の荷重ｆ１となる。即ち、この荷重ｆ１は比較例１の平均荷重である。
このことから、骨格構造部材の吸収エネルギー量をより増加させるには、高い平均荷重と長い有効ストロークが必要である。
比較例２（図１３で説明した粉粒体バインダ結合）では、平均荷重は非常に大きくなるが変位量λはそれほど大きくならない。これは、粉粒体の結合が極めて強固であるために、変形の初期に、骨格構造の内部圧力が過度に上昇してＺ字状又はドッグレッグ状に屈曲し、その後は荷重が急激に減少したことによる。従って、吸収エネルギー量は比較例１に対してそれほど増加しない。
比較例３（図１４で説明した小球体接着剤結合）では、比較例２と同様の理由で、平均荷重は大きくなるが変位量λはそれほど大きくならず、吸収エネルギー量は比較例１に対してあまり増加しない。
比較例４（低強度粉粒体）では、粉粒体自体が潰れやすいために、骨格構造部材の内部圧力の上昇はそれほど急激ではなく、前述したＺ字状又はドッグレッグ状に屈曲することがないため、変位量λは比較例２及び比較例３よりも大きくなるが、粉粒体が骨格構造部材内に止まるために比較例１よりも変形量λは小さくなる。また、平均荷重は小さく、結果として、吸収エネルギー量は小さくなる。
以上の結果より、骨格構造部材の平均荷重を高め、これと同時に有効ストロークを伸ばすことは難しい。
図１５に示した骨格構造部材２２０では、内部にゲル２２３を充填するため、骨格構造部材２２０に荷重が作用した場合に、ゲル２２３が円滑に流動してオリフィスから噴出するため、骨格構造部材２２０の変形中は内部圧力はほぼ一定に保たれる。従って、局部的な変形は発生しないので、比較的大きな荷重を大きな変位量まで維持することが可能になる。
しかし、骨格構造部材内に粉粒体を充填した場合は、粉粒体同士の摩擦力のために粉粒体の流動は上記ゲル２２３の流動に比べてスムーズに行われないから、内部圧力を一定に保つことは難しい。
この内容を以下の図１８〜図２０で詳細に説明する。
図１８は、図１５に示した骨格構造部材２２０と同様にドレイン穴を１つ設けて粉粒体を排出する構造にした骨格構造部材の変形状態を示している。
図１８の（ａ）に示すように骨格構造部材２４０は、骨格部材２４１と、この骨格部材２４１内に充填した複数の粉粒体２４２と、これら粉粒体２４２を排出するために骨格部材２４１に形成したドレイン穴２４３を塞ぐキャップ２４４とからなる。
図１８の（ｂ）に示すように、骨格構造部材２４０に矢印で示すように軸長手方向の圧縮荷重、即ち荷重Ｆを加える。これにより、骨格部材２４１の内部圧力が急激に増加し、前記粉粒体２４２は（ａ）に示したキャップ２４４を押し退け、ドレイン穴２４３から外部に噴出する。
図１８の（ｃ）に示すように、前記粉粒体２４２が噴出した部分の近傍の粉粒体２４２の内部圧力が低下して、骨格構造部材２４０のドレイン穴２４３に近い部分の強度が小さくなり、この部分を起点にして全体が屈曲する。これにより、骨格構造部材２４０で支えられる荷重は非常に小さくなる。従って、骨格構造部材２４０の吸収エネルギー量は少ない。
図１９は、図１８と同様なドレイン穴を複数個設けた骨格構造部材の変形状態を示している。
図１９の（ａ）に示した骨格構造部材２５０は、骨格部材２５１と、この骨格部材２５１内に充填した複数の粉粒体２４２と、骨格部材２５１に形成され、粉粒体２４２が流出する複数のドレイン穴２５２，２５３をそれぞれ塞ぐキャップ２５４，２５６とからなる。
図１９の（ｂ）に示すように、骨格構造部材２５０に矢印で示すように軸長手方向の圧縮荷重、即ち荷重Ｆを加える。これにより、骨格部材２５１の上部の内部圧力が急激に増加し、粉粒体２４２が（ａ）で示した上方のキャップ２５４を押し退け、ドレイン穴２５２から外部に噴出する。
図１９の（ｃ）に示すように、前記粉粒体２４２が噴出した部分の近傍の粉粒体２４２の内部圧力が低下し、骨格構造部材２５０のドレイン穴２５２に近い部分の強度が小さくなって、この部分を起点にして全体が屈曲する。
更に荷重Ｆが加わると、骨格部材２５１の下部の内部圧力が増加して、粉粒体２４２が（ｂ）に示した下方のキャップ２５６を押し退け、ドレイン穴２５３から外部に噴出するため、（ｄ）に示すように、ドレイン穴２５３に近い部分を起点にして屈曲する。
このように、ドレイン穴２５３に近い部分で屈曲が発生し、全体が折れ曲がるため、荷重が著しく変動し、結果的に吸収エネルギー量は増加しない。
図２０は、図１８及び図１９に示した骨格構造部材２４０，２５０の圧潰試験を示したグラフである。
ドレイン穴を１ヶ所設けた比較例５（骨格構造部材２４０）では、荷重Ｆは小さく、変位量λの最大値も小さいため、吸収エネルギー量は少ない。
ドレイン穴を複数ヶ所設けた比較例６（骨格構造部材２５０）では、荷重Ｆが大きく変動しながら比較的大きな変位量ｄ２まで変位する。
グラフ中のｆ２は比較例２の平均荷重であり、それほど大きくないために、結果として吸収エネルギー量はさほど多くならない。
そこで、輸送機械用骨格構造部材の吸収エネルギー量をより増大する技術が望まれる。
【発明の開示】
本発明においては、輸送機械の骨格部材内の空間及び／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が充填された骨格構造部材であって、前記空間の内部圧力が増大したとき、該内部圧力が過渡に上昇するの抑制するため、前記複数の粉粒体が移動可能な粉粒体流動許容部が該粉粒体に近接して設けられたことを特徴とする輸送機械用骨格構造部材が提供される。
このように、骨格部材の内部圧力が増加したとき、粉粒体が移動可能な粉粒体流動許容部を粉粒体に近接して設け、骨格部材の内部圧力が過度に上昇するのを抑えるようにしたので、骨格構造部材に外部から荷重が働き、粉粒体を充填した空間の内部圧力が増大しても、その圧力の増大に伴って粉粒体は粉粒体流動許容部へ移動する。このため、空間の内部圧力が過度に上昇せず、骨格構造部材が折れ曲がるなどの局部的な変形が発生するのを防止することができ、大きな変位量まで大きな荷重を支えることができる。その結果、本発明の骨格構造部材の吸収エネルギー量はより増大する。
本発明における前記粉粒体流動許容部は、好適には、前記骨格部材の内部に設けられ、中空部を有する中空部形成部材で形成される。該中空部形成部材は、例えば実施の例によると、断面閉空間を有する。前記中空部形成部材は、蛇腹形状をした部材であってもよい。さらに、前記中空部形成部材は、前記骨格構造部材に荷重が掛かる端部から他端部に向けて拡開する壁部を有する部材であってもよい。
さらに、本発明の粉粒体流動許容部は、前記骨格部材の内部に設けられた発泡材から構成するようにしてもよく、また、前記複数の粉粒体よりも強度の弱い粉粒体から構成するようにしもよい。
さらにまた、上記粉粒体流動許容部としては、前記骨格部材の内部に設けられた長さが異なる複数の許容部から構成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１実施例に係る骨格構造部材の斜視図である。
図２は、図１の２−２線に沿った断面図である。
図３は、図１の３−３線に沿った断面図である。
図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、第１実施例の骨格構造部材の圧潰試験時の変形を示した図である。
図５Ａ図５Ｂは、第１実施例の骨格構造部材の変形の原理を説明するため、比較例と、実施例とを比較した図である。
図６は、第１実施例の骨格構造部材の圧潰試験を行ったときの荷重と変位量との関係を示したグラフである。
図７Ａ〜図７Ｄは、本発明の第２実施例に係る骨格構造部材の構成図、圧潰試験の状態図、及び変形時の荷重と変位量との関係を示したグラフである。
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第３実施例に係る骨格構造部材と、その変形例を示した断面図である。
図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の第４実施例に係る骨格構造部材の断面図である。
図１０及び図１０Ｂは、本発明の第５実施例に係る骨格構造部材とその変形例を示した断面図である。
図１１は、本発明の第６実施例に係る骨格構造部材の断面図である。
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の第７実施例に係る骨格構造部材とその変形例を示した断面図である。
図１３は、第１の従来の骨格構造部材を示した断面図である。
図１４は、第２の従来の骨格構造部材を示した断面図である。
図１５は、第３の従来の骨格構造部材を示した断面図である。
図１６は、従来の骨格構造部材の変形状態を示した図である。
図１７は、図１６で示した骨格構造部材が変形した際の荷重と変位量との関係を示したグラフである。
図１８は、粉粒体が流通するためのドレインを骨格構造部材に１つ形成したときの変形状態を示した図である。
図１９は、粉粒体が流通するためのドレイン穴を骨格構造部材に複数形成したときの変形状態を示した図である。
図２０は、図１８及び図１９で示した骨格構造部材の圧潰するときの荷重と変位量との関係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、図２及び図３は、本発明の第１実施例に係る骨格構造部材を示している。図１に示すように、第１実施例の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。）は、中空状の骨格部材１１内に複数の粉粒体を充填した構造をしている。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。
前記骨格構造部材１２は、図２に示すように、空間１６に複数の粉粒体１７が充填された骨格部材１１と、該骨格部材１１の内部に配置された粉粒体流動許容部１４とからなる。
この粉粒体流動許容部１４は、第１実施例においては中空部形成部材１５からなる。該中空形成部材１５は中空部１８を有する。
図３に示すように、骨格部材１１は、断面Ｕ字状の２つの骨格半体２１，２１と、その周縁に一体に形成されたフランジ２１ａ，２１ａとからなる。２つの骨格半体２１，２１は、断面閉空間となるよう互いに合わせて、フランジ２１ａ，２１ａで中空部形成部材１５と共に接合される。
中空部形成部材１５は、断面Ｕ字状の２つの形成部材半体２２，２２と、その周縁に一体に形成されたフランジ２２ａ，２２ａとからなる。２つの形成部材半体２２，２２は、断面閉空間を形成するよう互いに会わされてフランジ２２ａ，２２ａで骨格部材２１のフランジ２１ａ，２１ａに接合される。
形成部材半体２２は、骨格半体２１よりも強度を小さくした、例えば、板厚を小さくすることで変形し易くした部材である。
図４Ａ〜図４Ｃは、第１実施例の骨格構造部材の圧潰試験時の変形状態を示している。
図４Ａに示すように、骨格構造部材１２の軸長手方向に圧縮荷重としての荷重Ｆを加える。このときに荷重を加えるための押圧部材（図示せず）のストローク、即ち押圧部材の下方への変位量をλとする。
図４Ｂに示すように、骨格構造部材１２に荷重Ｆが作用すると、粉粒体１７が充填されている骨格構造部材１２の上部空間１６に内部圧力が発生する。これは、空間１６内に粉粒体１７が詰められているためである。
図４Ｃに示すように、骨格構造部材１２が変位量λ１だけ変位すると、荷重を加えた方向に直交する方向の荷重が大きくなり、矢印で示すように複数の粉粒体１７が中空部形成部材１５を押圧して該形成部材１５の上部内側、つまり中空部１８側に変形させ、複数の粉粒体１７は中空部１８側に移動する。中空部形成部材１５ほどではないが、骨格部材１１も外方に変形する。
従って、空間１６の内部圧力は過度に上昇せず、ほぼ所定の内部圧力を維持するから、中空部形成部材１５及び骨格部材１１は局部的に変形せず、屈曲することはない。
この後、内部圧力の大きくなる部分は次第に骨格構造部材１２の下方に徐々に移り、骨格部材１１及び中空部形成部材１５は上述と同様に変形を続け、エネルギーを吸収する。
外部から作用する荷重が大きくて、空間１６の内部圧力が更に大きくなれば、中空部形成部材１５は破損、例えば該形成部材１５に亀裂が発生し、その裂け目から前記粉粒体１７が中空部１８内に流れ込み、空間１６の内部圧力の過度の上昇を防止する。
図５Ａ及び図５Ｂは、第１実施例の骨格構造部材の変形原理を説明するため、比較例と対比して示している。
図５Ａは比較例であり、粉粒体２６１を空間２６２に充填した骨格構造部材２６３と、粉粒体圧力Ｐ（即ち、骨格構造部材２６３に軸圧縮荷重Ｆを加えたときに、軸圧縮荷重Ｆの向きに直交する方向の粉粒体２６１同士に作用する圧力であり、空間２６２の内部圧力である。）と距離Ｌ（空間２６２の上端位置から下端位置側への距離）との関係を表したグラフとを示している。
比較例の骨格構造部材２６３に軸圧縮荷重Ｆを加えると、空間２６２の内部圧力が増加する。即ち、骨格構造部材２６３の荷重Ｆを加えた点を加重点２６４とすると、この加重点２６４に近い粉粒体２６１の圧力Ｐは非常に大きく、距離Ｌが増すにつれて、粉粒体圧力Ｐは小さくなる。これは、気体あるいは液体と違って、粉粒体２６１では、隣り合う粉粒体２６１同士の間、及び粉粒体２６１と骨格構造部材２６３の壁面との間に大きな摩擦力が発生するためであり、粉粒体圧力Ｐは骨格構造部材２６３内で一様にならず、加重点２６４から離れると急激に低下する。
これに対して、本実施例では、図５Ｂに示すように、骨格構造部材１２に軸圧縮荷重Ｆを加えると、中空部形成部材１５が矢印で示すように中空部１８側に変形するために粉粒体圧力Ｐは過度に上昇せず、加重点２４に近い空間１６の端部に発生する最大の粉粒体圧力ｐ２は、比較例の最大の粉粒体圧力ｐ１よりもΔｐだけ低下する。即ち、粉粒体圧力Ｐは距離Ｌが大きくなるにつれて減少するものの、比較例よりも一定になろうとする。
このように、骨格構造部材１２に、中空部形成部材１５のような低剛性部あるいは脆弱部と、該中空部形成部材１５の変形を許容する中空部１８、即ち、中空部形成部材１５の壁面及び粉粒体１７が移動できる中空部１８（中空部形成部材１５が破損したときは粉粒体１７が流入する中空部１８）を設けておけば、粉粒体圧力Ｐが上昇しようとするときに空間１６内の過度の圧力上昇を防止することができる。
図６は、第１実施例の骨格構造部材の圧潰試験を行ったときの荷重Ｆと変位量λとの関係を示したグラフである。
粉粒体が移動可能な中空部（移動可能空間）を設けた実施例１では、その平均荷重をｆ３とすると、この平均荷重ｆ３は、比較例６（ドレイン穴複数ヶ所）の平均荷重ｆ２よりも大きく、しかも、実施例１の変位量λの最大が大きい、即ち有効ストロークが長いため、各比較例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。
なお、本実施例では、図３に示したように、骨格部材１１として断面Ｕ字状の２つの半体を合わせて断面閉空間を形成する四角形状の部材を示しているが、本発明においてはこれに限らず、例えば断面Ｕ字状の開放部分を有する骨格部材と、開放部分を閉鎖する骨格部材周辺のパネル部材とで閉空間を形成するようにしてもよい。すなわち、本発明においては、骨格部材内の空間及び／又は骨格部材とその周辺のパネル部材とで囲まれる空間に複数の粉粒体を充填する。
図５Ａ及び図５Ｂで説明したように、本発明は、輸送機械の骨格部材１１内の空間及び／又は骨格部材１１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１７を充填した骨格構造部材１２であって、前記空間１６の内部圧力が増加したときに、前記粉粒体１７が流動可能な粉粒体流動許容部１４を前記空間１６内の前記粉粒体１７に近接して設けることで、前記空間１６の内部圧力が過度に上昇するのを抑えたことを特徴とする。
空間１６の内部圧力が増加したときに粉粒体１７が移動可能な中空部１８を前記空間１６に近傍して設けることにより、例えば、骨格構造部材１２に外部から軸圧縮荷重が作用したとき、粉粒体１７を充填した空間１６の内部圧力が増加しても、その圧力の増加に伴って粉粒体１７は中空部１８側へ移動するため、空間１６の内部圧力が過度に上昇せず、骨格構造部材１２が折れ曲がるなどの局部的な変形が発生するのを防止することができ、大きな変位量まで大きな荷重を支えることができて、従来に比較して、骨格構造部材１２の吸収エネルギー量をより増加させることができる。
従って、例えば、車両衝突時の衝撃エネルギーを骨格構造部材１２で効果的に吸収することができる。
図７Ａ〜図７Ｄは、本発明の第２実施例に係る骨格構造部材、及び圧潰試験の状態を示している。
図７Ａは、骨格部材３１の内部に粉粒体流動許容部１４である中空部形成部材３２を取付け、これらの骨格部材３１と中空部形成部材３２との間の空間３３に複数の粉粒体１７を充填し、中空部形成部材３２に中空部３４を設けた骨格構造部材３５を示す。
図７Ｂにおいて、骨格部材３１単体に軸圧縮荷重Ｆを加えて骨格部材３１を強制的に変形させる。λは変位量である。
図７Ｃにおいて、中空部形成部材３２単体に軸圧縮荷重Ｆを加えて中空部形成部材３２を強制的に変形させる。
図７Ｄは、図７Ｂ及び図７Ｃで変形させたときの荷重Ｆと変位量λとの関係を示したグラフである。
グラフ中の実線が骨格部材、破線が中空部形成部材の結果である。例えば、骨格部材への荷重Ｆの２番目のピーク（即ち、極大値）が発生する変位量λをｄ５とし、骨格部材の波長をＷとしたときに、中空部形成部材への荷重Ｆの２番目のピーク（即ち、極大値）が発生する変位量λを、骨格部材の変位量ｄ５からＷ／２だけ大きな変位量であるｄ６となるように位相がずれるように設定にすれば、骨格部材への荷重と中空部形成部材への荷重とを加えたときに、一点鎖線に示した荷重Ｆと変位量λとの関係が得られる。即ち、この線が図７Ａに示した第２実施例の骨格構造部材３５の特性であり、荷重変動は小さくなる。
上記のような位相差を持たせる手段としては、（１）中空部形成部材の断面寸法を骨格部材の１／２にする方法、（２）中空部形成部材にビード（ｂｅａｄ：溶着金属の層）やノッチ（ｎｏｔｃｈ：Ｖ字状の切込み）を設ける方法、（３）骨格部材と中空部形成部材とのそれぞれの先端（即ち、荷重が作用する端部）をずらして組み立てる方法がある。
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第３実施例に係る骨格構造部材を示している。
図８Ａに示した第３実施例の骨格構造部材４０は、骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部に設けた粉粒体流動許容部４２とからなる。骨格部材１１と粉粒体流動許容部４２との間の空間４３、つまり骨格部材１１の空間４３には複数の粉粒体１７が充填される。前記粉粒体流動許容部４２は発泡部材４５からなる。
発泡部材４５としては、ポリウレタン、発泡アルミニウム等からなる。該発泡部材４５は、例えばフィルム状の収納部材に収納される。
骨格構造部材４０に軸圧縮荷重を加えると、空間４３の内部圧力が増加し、粉粒体１７は発泡部材４５の壁面を押圧し、該発泡部材４５による反力に抗して該発泡部材４５の壁面を内側へ変形させる。その結果、空間４３の内部圧力はほぼ一定になる。
このとき骨格構造部材４０に作用する軸圧縮荷重が大きければ、空間４３の内部圧力が更に大きくなり、発泡部材４５の壁面に亀裂が発生して、その裂け目から粉粒体１７が発泡部材４５中に流れ込み、前記空間４３内の過度の圧力上昇を防止する。
図８Ｂに示した骨格構造部材５０は、図８Ａに示した骨格構造部材４０の変形例であり、骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部に設けた粉粒体流動許容部４２とからなる。骨格部材１１と粉粒体流動許容部４２間には粉粒体１７が充填される。粉粒体流動許容部４２は中空粉粒体５１からなる。
中空粉粒体５１は、例えば、低沸点の炭化水素からなる芯物質（液体又は固体）を微粒化し、この芯物質を熱可塑性樹脂製の被膜で被覆した（即ち、殻で包み込んだ）、いわゆる「マイクロカプセル」を加熱することにより、芯物質を気化させ被膜（即ち、殻）を軟化させ膨張させて造る。上記中空粉粒体５１は、例えばフィルム状の収納部材に充填される。
骨格構造部材５０に軸圧縮荷重を加えると、空間４３の内部圧力が増加し、粉粒体１７は粉粒体流動許容部４２の壁面を押圧し、中空粉粒体５１による反力に抗して粉粒体流動許容部４２の壁面を内側へ変形させる。
このとき、粉粒体流動許容部４２内に初めに充填する膨張前のマイクロカプセルの量を調整すれば、加熱してマイクロカプセルが膨張した後の粉粒体流動許容部４２の内部圧力を調整することができる。従って、粉粒体１７による押圧力に抗する中空粉粒体５１の反力は変更可能となり、空間４３の内部圧力を調整することができる。
このように、上記粉粒体流動許容部４２に、粉粒体１７よりも圧縮されやすい粉粒体を充填しておけば、空間４３の内部圧力が上昇したとき、粉粒体流動許容部４２の壁面は、圧縮されやすい前記粉粒体側に変形される。
図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の第４実施例に係る骨格構造部材を示している。
図９Ａにおいて、第４実施例の骨格構造部材６０は、空間６３に充填された複数の粉粒体１７を有する骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部設けられた粉粒体流動許容部６１とからなる。この実施例の粉粒体流動許容部６１は、縦断面が蛇腹状の中空部形成部材６２からなる。この中空部形成部材６２は中空部６４を有する。
蛇腹状中空部形成部材６２は、軸圧縮荷重を加えたときの変形の周波（即ち、周期的に繰り返される同じ波形）の形状に予め形成された部材である。
骨格構造部材６０に軸圧縮荷重Ｆを加えると、空間６３の内部圧力が増加し、図９Ｂに示したように、変位量がλ２になると、粉粒体１７は中空部形成部材６２の壁面を押圧する。蛇腹状中空部形成部材６２は変形の周波に形成してあるから、該中空部形成部材６２の壁面はスムーズに周波の振幅が大きくなるよう中空部６４側へ変形する。
これに伴って、骨格部材１１も蛇腹状中空部形成部材６２とほぼ同様の形状に変形する。この結果、骨格構造部材６０の変形中は粉粒体１７の圧力がほぼ一定に保たれ、且つ荷重の変動も小さく、大きな荷重を大きな変位量まで維持し、骨格構造部材６０の吸収エネルギー量が増す。
図１０Ａ及び図１０Ｂは、本発明の第５実施例に係る骨格構造部材を示している。
図１０Ａに示す第５実施例の骨格構造部材７０は、空間７３に充填された複数の粉粒体１７を有する骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部に設けられた粉粒体流動許容部７１とからなる。粉粒体流動許容部７１は、中空部７４を有する中空部形成部材７２からなる。該中空部形成部材７２は、縦断面がテーパ状となっている。
ここで、図２で示した骨格部材１１の端部閉塞部材１３，１３を、荷重を作用させる側の端部閉塞部材１３ａ及び他方の端部閉塞部材１３ｂとすると、テーパ状中空部形成部材７２は、端部閉塞部材１３ａ側から端部閉塞部材１３ｂに至る方向へ拡開したテーパ壁７６，７６を有する。
図５Ｂで説明したように、粉粒体圧力Ｐは加重点２４から遠ざかるにつれて低下するから、図１０Ａにおいて、例えば、端部閉塞部材１３ａに軸圧縮荷重を加えたとき、空間７３の内部圧力は、端部閉塞部材１３ａ側から端部閉塞部材１３ｂ側へ次第に小さくなる。このため、複数の粉粒体１７が充填された空間７３の横断面の面積を端部閉塞部材１３ａ側から端部閉塞部材１３ｂ側へ向かうに従って徐々に小さくすれば、空間７３の内部圧力、即ち上記した粉粒体１７同士に作用する圧力（即ち、粉粒体圧力）を一定にすることができる。
図１０Ｂに示した骨格構造部材８０は、図１０Ａに示した第５実施例に係る骨格構造部材７０の変形例を示している。この変形例の骨格構造部材８０は、縦断面をテーパ状とした骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部に設けられた粉粒体流動許容部８１とからなる。骨格構造部材８０の空間８３には複数の粉粒体１７が充填されている。粉粒体流動許容部８１は、内部に中空部８４を有する中空部形成部材８２からなる。
骨格部材１１は、両端部を塞ぐ端部閉塞部材８６，８７を有し、荷重を加える側の一方の端部閉塞部材８６側から他方の端部閉塞部材８７に至る方向に向けて狭くなるよう形成されたテーパ壁８８，８８を有する。この骨格構造部材８０の内部に働く圧力は、図１０Ａに示した骨格構造部材７０と同じである。
図１１は、本発明の第６実施例に係る骨格構造部材を示している。
骨格構造部材９０は、空間９３内に充填された複数の粉粒体１７を有する骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部に設けられた粉粒体流動許容部９２とかなる。
粉粒体流動許容部９２は、骨格部材１１の長手方向において長さが異なる中央の第１許容部９５と、第１許容部９５の両側に配置された第２許容部９６，９６と、第２許容部９６，９６の外側に配置された第３許容部９７，９７からなる。
これら第１許容部９５、第２許容部９６，９６、及び第３許容部９７，９７は、例えば膜部材或いはフィルムで形成された空間である。
骨格部材１１の端部閉塞部材１３，１３（図２参照）を、荷重を作用させる側の端部閉塞部材１３ａとし、他方の端部閉塞部材１３ｂとすると、第１許容部９５、第２許容部９６，９６、及び第３許容部９７，９７は、それぞれ端部閉塞部材１３ｂ側で端部の位置が揃っている。
これらの第１許容部９５、第２許容部９６，９６、第３許容部９７，９７のそれぞれの長さをＬ１，Ｌ２，Ｌ３とすると、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３であり、それぞれの横断面積は同一である。
例えば、端部閉塞部材１３Ａに軸圧縮荷重を加えたときに、空間９３の内部圧力は、端部閉塞部材１３ａ側から端部閉塞部材１３ｂ側へ向けて次第に小さくなるため、粉粒体１７を充填した空間９３の横断面の面積を、前記複数の許容部９５，９６，９６，９７，９７を配置することで端部閉塞部材１３ａ側から端部閉塞部材１３ｂ側へ向けて段階的に小さくすることで、空間９３の内部圧力、即ち上記した粉粒体１７同士に作用する圧力はほぼ一定になる。
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の第７実施例に係る骨格構造部材を示している。
図１２Ａに示した第７実施例の骨格構造部材１１０は、骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部に設けられた粉粒体充填部材１１２とからなる。粉粒体充填部材１１２は断面矩形状の壁部１１２ａで囲繞された閉空間１１３を有し、該空間１１３内に複数の粉粒体１７が充填されている。
骨格部材１１と粉粒体充填部材１１２との間には、空間からなる粉粒体流動許容部１１４が形成される。
骨格構造部材１１０の端部に軸圧縮荷重が加わると、粉粒体充填部材１１２の閉空間１１３に複数の粉粒体１７が詰まっているため、粉粒体充填部材１１２の内部圧力が高くなる。そして、粉粒体１７が粉粒体充填部材１１２の壁部１１２ａを押圧して該壁部１１２ａを外側、即ち空間からなる粉粒体流動許容部１１４側に変形させて破壊し、粉粒体１７は粉粒体流動許容部１１４に流動する。結果として骨格構造部材１１０全体の内部圧力は一定に保たれ、吸収エネルギーは増大する。
図１２Ｂに示す骨格構造部材１２０は、図１２Ａに示した第７実施例の骨格構造部材１１０の変形例を示している。
この変形例の骨格構造部材１２０は、骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部に設けられた粉粒体充填部材１２２とからなる。この粉粒体充填部材１２２は、四隅部分が切り欠かれた断面クロス状の壁部１２２ａで囲繞された閉空間１２３を有し、該空間１２３内に複数の粉粒体１７が充填されている。
骨格部材１１と粉粒体充填部材１２２との間、つまり該粉粒体充填部材１２２が切り欠かれた四隅部分には、空間からなる粉粒体流動許容部１２４が形成される。
上記変形例の骨格構造部材１２０の作用は、図１２Ａに示した骨格構造部材１１０と同様である。
本実施例では、（１）骨格部材と粉粒体流動許容部とで囲まれる空間、あるいは粉粒体充填部材内の空間に粉粒体を充填した例を示したが、本発明は、これに限らず、（２）骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に粉粒体を充填するようにしてもよく、上記の（１），（２）の両方の空間に粉粒体を充填するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
本発明の骨格構造部材は、骨格構造部材の吸収エネルギー量が増大するため、鉄道車両、産業車両、船舶、航空機、自動車、自動二輪車などの輸送機械に用いられる骨格構造部材に適している。
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【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に関する。
【背景技術】
骨格部材に粉粒体を充填した骨格構造部材は、例えば、特開２００２−１９３６４９公報、米国特許第４６１０８３６号明細書、及び米国特許第４６９５３４３号明細書において知られている。さらに、骨格部材にゲルを充填した骨格構造部材は、例えば、特開平９−１３６６８１号公報において知られている。
図１３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。
図１３を参照するに、固形化粉粒体２００は、複数の粉粒体２０１と、これらの粉粒体２０１を固形にするために複数の粉粒体２０１のそれぞれの間に満たした樹脂、又は接着剤からなるバインダ２０２とで構成され、複数の粉粒体２０１を結合して固めたものである。粉粒体２０１を密にした状態で型に投入した後、バインダ２０２を流し込んで固形化粉粒体２００を形成する。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が形成され、車体の強度、剛性の向上を図っている。
図１４は、米国特許第４６１０８３６号明細書、及び米国特許第４６９５３４３号明細書に記載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。
骨格部材内に挿入するために複数の粉粒体を結合して固めた上記固形化粉粒体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複数の小球体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。
図１５は、特開平９−１３６６８１号公報に開示された骨格構造部材を示している。この骨格構造部材２２０は、２つのロアーパネル２２１，２２２間にゲル２２３を充填した構造をしている。参照番号２２４はロアーパネル２２２に開けたオリフィスであり、２２５は該オリフィス２２４を塞ぐキャップである。
例えば、車両衝突等でゲル２２３に過大な圧力が発生したとき、その圧力でキャップ２２５が外れ、ゲル２２３を外部に噴出させることで衝撃エネルギーを吸収する。
以下に、骨格構造部材に荷重を加えて強制的に崩壊させる圧潰試験の方法及びこの方法で図１３〜図１５に示した従来の骨格構造部材の圧潰試験を行った結果を示す。
図１６及び図１７は、従来の骨格構造部材の圧潰試験の内容を示し、図１６は圧潰状態を示し、図１７は圧潰試験の結果を示したグラフである。
図１６の（ａ）において、中空の四角形断面とした骨格部材２３１に粉粒体を充填した骨格構造部材２３２に矢印で示すように長手方向に圧縮荷重、即ち荷重Ｆを加えて強制的に変形させる。
図１６の（ｂ）において、骨格構造部材２３２の変位量、詳しくは、荷重を加えるために骨格構造部材２３２の端部の変位量をλとすると、変位量λが大きくなるにつれて、骨格構造部材２３２は蛇腹状に座屈変形するか、図に示したようなＺ字状、又はドッグレッグ状に屈曲変形する。
図１７は、図１６の（ｂ）のように変形させたときの骨格構造部材の荷重Ｆと変位量λとの関係を示したグラフであり、縦軸は荷重Ｆ、横軸は変位量λを表す。試料としては、内部に充填材を充填せずに骨格部材のみにした比較例１（未充填）、図１３に示した粉粒体をバインダで結合した比較例２（粉粒体バインダ結合）、図１４に示した小球体を接着剤で結合した比較例３（小球体接着剤結合）、これらの比較例２及び比較例３よりも低強度の粉粒体を充填した比較例４（低強度粉粒体）の４種である。
比較例１では、荷重Ｆは小さいが、骨格部材が蛇腹状に潰れるために変位量λは大きい。このときの変位量ｄ１は、骨格部材が潰れ切ったときの変位量であり、外部から加えたエネルギーを有効に吸収できる有効ストローク（即ち、ゼロからｄ１までの変位量λ）である。この有効ストローク後は荷重Ｆが急激に増加する。
比較例２〜比較例４については有効ストロークまでを示している。
比較例１の線と横軸とで挟まれる部分の有効ストローク範囲における面積は、比較例１の骨格構造部材の吸収エネルギー量を表し、この吸収エネルギー量を有効ストロークで割った値が図中の荷重ｆ１となる。即ち、この荷重ｆ１は比較例１の平均荷重である。
このことから、骨格構造部材の吸収エネルギー量をより増加させるには、高い平均荷重と長い有効ストロークが必要である。
比較例２（図１３で説明した粉粒体バインダ結合）では、平均荷重は非常に大きくなるが変位量λはそれほど大きくならない。これは、粉粒体の結合が極めて強固であるために、変形の初期に、骨格構造の内部圧力が過度に上昇してＺ字状又はドッグレッグ状に屈曲し、その後は荷重が急激に減少したことによる。従って、吸収エネルギー量は比較例１に対してそれほど増加しない。
比較例３（図１４で説明した小球体接着剤結合）では、比較例２と同様の理由で、平均荷重は大きくなるが変位量λはそれほど大きくならず、吸収エネルギー量は比較例１に対してあまり増加しない。
比較例４（低強度粉粒体）では、粉粒体自体が潰れやすいために、骨格構造部材の内部圧力の上昇はそれほど急激ではなく、前述したＺ字状又はドッグレッグ状に屈曲することがないため、変位量λは比較例２及び比較例３よりも大きくなるが、粉粒体が骨格構造部材内に止まるために比較例１よりも変形量λは小さくなる。また、平均荷重は小さく、結果として、吸収エネルギー量は小さくなる。
以上の結果より、骨格構造部材の平均荷重を高め、これと同時に有効ストロークを伸ばすことは難しい。
図１５に示した骨格構造部材２２０では、内部にゲル２２３を充填するため、骨格構造部材２２０に荷重が作用した場合に、ゲル２２３が円滑に流動してオリフィスから噴出するため、骨格構造部材２２０の変形中は内部圧力はほぼ一定に保たれる。従って、局部的な変形は発生しないので、比較的大きな荷重を大きな変位量まで維持することが可能になる。
しかし、骨格構造部材内に粉粒体を充填した場合は、粉粒体同士の摩擦力のために粉粒体の流動は上記ゲル２２３の流動に比べてスムーズに行われないから、内部圧力を一定に保つことは難しい。
この内容を以下の図１８〜図２０で詳細に説明する。
図１８は、図１５に示した骨格構造部材２２０と同様にドレイン穴を１つ設けて粉粒体を排出する構造にした骨格構造部材の変形状態を示している。
図１８の（ａ）に示すように骨格構造部材２４０は、骨格部材２４１と、この骨格部材２４１内に充填した複数の粉粒体２４２と、これら粉粒体２４２を排出するために骨格部材２４１に形成したドレイン穴２４３を塞ぐキャップ２４４とからなる。
図１８の（ｂ）に示すように、骨格構造部材２４０に矢印で示すように軸長手方向の圧縮荷重、即ち荷重Ｆを加える。これにより、骨格部材２４１の内部圧力が急激に増加し、前記粉粒体２４２は（ａ）に示したキャップ２４４を押し退け、ドレイン穴２４３から外部に噴出する。
図１８の（ｃ）に示すように、前記粉粒体２４２が噴出した部分の近傍の粉粒体２４２の内部圧力が低下して、骨格構造部材２４０のドレイン穴２４３に近い部分の強度が小さくなり、この部分を起点にして全体が屈曲する。これにより、骨格構造部材２４０で支えられる荷重は非常に小さくなる。従って、骨格構造部材２４０の吸収エネルギー量は少ない。
図１９は、図１８と同様なドレイン穴を複数個設けた骨格構造部材の変形状態を示している。
図１９の（ａ）に示した骨格構造部材２５０は、骨格部材２５１と、この骨格部材２５１内に充填した複数の粉粒体２４２と、骨格部材２５１に形成され、粉粒体２４２が流出する複数のドレイン穴２５２，２５３をそれぞれ塞ぐキャップ２５４，２５６とからなる。
図１９の（ｂ）に示すように、骨格構造部材２５０に矢印で示すように軸長手方向の圧縮荷重、即ち荷重Ｆを加える。これにより、骨格部材２５１の上部の内部圧力が急激に増加し、粉粒体２４２が（ａ）で示した上方のキャップ２５４を押し退け、ドレイン穴２５２から外部に噴出する。
図１９の（ｃ）に示すように、前記粉粒体２４２が噴出した部分の近傍の粉粒体２４２の内部圧力が低下し、骨格構造部材２５０のドレイン穴２５２に近い部分の強度が小さくなって、この部分を起点にして全体が屈曲する。
更に荷重Ｆが加わると、骨格部材２５１の下部の内部圧力が増加して、粉粒体２４２が（ｂ）に示した下方のキャップ２５６を押し退け、ドレイン穴２５３から外部に噴出するため、（ｄ）に示すように、ドレイン穴２５３に近い部分を起点にして屈曲する。
このように、ドレイン穴２５３に近い部分で屈曲が発生し、全体が折れ曲がるため、荷重が著しく変動し、結果的に吸収エネルギー量は増加しない。
図２０は、図１８及び図１９に示した骨格構造部材２４０，２５０の圧潰試験を示したグラフである。
ドレイン穴を１ヶ所設けた比較例５（骨格構造部材２４０）では、荷重Ｆは小さく、変位量λの最大値も小さいため、吸収エネルギー量は少ない。
ドレイン穴を複数ヶ所設けた比較例６（骨格構造部材２５０）では、荷重Ｆが大きく変動しながら比較的大きな変位量ｄ２まで変位する。
グラフ中のｆ２は比較例２の平均荷重であり、それほど大きくないために、結果として吸収エネルギー量はさほど多くならない。
そこで、輸送機械用骨格構造部材の吸収エネルギー量をより増大する技術が望まれる。
【発明の開示】
本発明においては、輸送機械の骨格部材内の空間及び／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が充填された骨格構造部材であって、前記空間の内部圧力が増大したとき、該内部圧力が過渡に上昇するの抑制するため、前記複数の粉粒体が移動可能な粉粒体流動許容部が該粉粒体に近接して設けられたことを特徴とする輸送機械用骨格構造部材が提供される。
このように、骨格部材の内部圧力が増加したとき、粉粒体が移動可能な粉粒体流動許容部を粉粒体に近接して設け、骨格部材の内部圧力が過度に上昇するのを抑えるようにしたので、骨格構造部材に外部から荷重が働き、粉粒体を充填した空間の内部圧力が増大しても、その圧力の増大に伴って粉粒体は粉粒体流動許容部へ移動する。このため、空間の内部圧力が過度に上昇せず、骨格構造部材が折れ曲がるなどの局部的な変形が発生するのを防止することができ、大きな変位量まで大きな荷重を支えることができる。その結果、本発明の骨格構造部材の吸収エネルギー量はより増大する。
本発明における前記粉粒体流動許容部は、好適には、前記骨格部材の内部に設けられ、中空部を有する中空部形成部材で形成される。該中空部形成部材は、例えば実施の例によると、断面閉空間を有する。前記中空部形成部材は、蛇腹形状をした部材であってもよい。さらに、前記中空部形成部材は、前記骨格構造部材に荷重が掛かる端部から他端部に向けて拡開する壁部を有する部材であってもよい。
さらに、本発明の粉粒体流動許容部は、前記骨格部材の内部に設けられた発泡材から構成するようにしてもよく、また、前記複数の粉粒体よりも強度の弱い粉粒体から構成するようにしもよい。
さらにまた、上記粉粒体流動許容部としては、前記骨格部材の内部に設けられた長さが異なる複数の許容部から構成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１実施例に係る骨格構造部材の斜視図である。
図２は、図１の２−２線に沿った断面図である。
図３は、図１の３−３線に沿った断面図である。
図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、第１実施例の骨格構造部材の圧潰試験時の変形を示した図である。
図５Ａ図５Ｂは、第１実施例の骨格構造部材の変形の原理を説明するため、比較例と、実施例とを比較した図である。
図６は、第１実施例の骨格構造部材の圧潰試験を行ったときの荷重と変位量との関係を示したグラフである。
図７Ａ〜図７Ｄは、本発明の第２実施例に係る骨格構造部材の構成図、圧潰試験の状態図、及び変形時の荷重と変位量との関係を示したグラフである。
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第３実施例に係る骨格構造部材と、その変形例を示した断面図である。
図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の第４実施例に係る骨格構造部材の断面図である。
図１０及び図１０Ｂは、本発明の第５実施例に係る骨格構造部材とその変形例を示した断面図である。
図１１は、本発明の第６実施例に係る骨格構造部材の断面図である。
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の第７実施例に係る骨格構造部材とその変形例を示した断面図である。
図１３は、第１の従来の骨格構造部材を示した断面図である。
図１４は、第２の従来の骨格構造部材を示した断面図である。
図１５は、第３の従来の骨格構造部材を示した断面図である。
図１６は、従来の骨格構造部材の変形状態を示した図である。
図１７は、図１６で示した骨格構造部材が変形した際の荷重と変位量との関係を示したグラフである。
図１８は、粉粒体が流通するためのドレインを骨格構造部材に１つ形成したときの変形状態を示した図である。
図１９は、粉粒体が流通するためのドレイン穴を骨格構造部材に複数形成したときの変形状態を示した図である。
図２０は、図１８及び図１９で示した骨格構造部材の圧潰するときの荷重と変位量との関係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、図２及び図３は、本発明の第１実施例に係る骨格構造部材を示している。図１に示すように、第１実施例の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。）は、中空状の骨格部材１１内に複数の粉粒体を充填した構造をしている。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。
前記骨格構造部材１２は、図２に示すように、空間１６に複数の粉粒体１７が充填された骨格部材１１と、該骨格部材１１の内部に配置された粉粒体流動許容部１４とからなる。
この粉粒体流動許容部１４は、第１実施例においては中空部形成部材１５からなる。該中空形成部材１５は中空部１８を有する。
図３に示すように、骨格部材１１は、断面Ｕ字状の２つの骨格半体２１，２１と、その周縁に一体に形成されたフランジ２１ａ，２１ａとからなる。２つの骨格半体２１，２１は、断面閉空間となるよう互いに合わせて、フランジ２１ａ，２１ａで中空部形成部材１５と共に接合される。
中空部形成部材１５は、断面Ｕ字状の２つの形成部材半体２２，２２と、その周縁に一体に形成されたフランジ２２ａ，２２ａとからなる。２つの形成部材半体２２，２２は、断面閉空間を形成するよう互いに会わされてフランジ２２ａ，２２ａで骨格部材２１のフランジ２１ａ，２１ａに接合される。
形成部材半体２２は、骨格半体２１よりも強度を小さくした、例えば、板厚を小さくすることで変形し易くした部材である。
図４Ａ〜図４Ｃは、第１実施例の骨格構造部材の圧潰試験時の変形状態を示している。
図４Ａに示すように、骨格構造部材１２の軸長手方向に圧縮荷重としての荷重Ｆを加える。このときに荷重を加えるための押圧部材（図示せず）のストローク、即ち押圧部材の下方への変位量をλとする。
図４Ｂに示すように、骨格構造部材１２に荷重Ｆが作用すると、粉粒体１７が充填されている骨格構造部材１２の上部空間１６に内部圧力が発生する。これは、空間１６内に粉粒体１７が詰められているためである。
図４Ｃに示すように、骨格構造部材１２が変位量λ１だけ変位すると、荷重を加えた方向に直交する方向の荷重が大きくなり、矢印で示すように複数の粉粒体１７が中空部形成部材１５を押圧して該形成部材１５の上部内側、つまり中空部１８側に変形させ、複数の粉粒体１７は中空部１８側に移動する。中空部形成部材１５ほどではないが、骨格部材１１も外方に変形する。
従って、空間１６の内部圧力は過度に上昇せず、ほぼ所定の内部圧力を維持するから、中空部形成部材１５及び骨格部材１１は局部的に変形せず、屈曲することはない。
この後、内部圧力の大きくなる部分は次第に骨格構造部材１２の下方に徐々に移り、骨格部材１１及び中空部形成部材１５は上述と同様に変形を続け、エネルギーを吸収する。
外部から作用する荷重が大きくて、空間１６の内部圧力が更に大きくなれば、中空部形成部材１５は破損、例えば該形成部材１５に亀裂が発生し、その裂け目から前記粉粒体１７が中空部１８内に流れ込み、空間１６の内部圧力の過度の上昇を防止する。
図５Ａ及び図５Ｂは、第１実施例の骨格構造部材の変形原理を説明するため、比較例と対比して示している。
図５Ａは比較例であり、粉粒体２６１を空間２６２に充填した骨格構造部材２６３と、粉粒体圧力Ｐ（即ち、骨格構造部材２６３に軸圧縮荷重Ｆを加えたときに、軸圧縮荷重Ｆの向きに直交する方向の粉粒体２６１同士に作用する圧力であり、空間２６２の内部圧力である。）と距離Ｌ（空間２６２の上端位置から下端位置側への距離）との関係を表したグラフとを示している。
比較例の骨格構造部材２６３に軸圧縮荷重Ｆを加えると、空間２６２の内部圧力が増加する。即ち、骨格構造部材２６３の荷重Ｆを加えた点を加重点２６４とすると、この加重点２６４に近い粉粒体２６１の圧力Ｐは非常に大きく、距離Ｌが増すにつれて、粉粒体圧力Ｐは小さくなる。これは、気体あるいは液体と違って、粉粒体２６１では、隣り合う粉粒体２６１同士の間、及び粉粒体２６１と骨格構造部材２６３の壁面との間に大きな摩擦力が発生するためであり、粉粒体圧力Ｐは骨格構造部材２６３内で一様にならず、加重点２６４から離れると急激に低下する。
これに対して、本実施例では、図５Ｂに示すように、骨格構造部材１２に軸圧縮荷重Ｆを加えると、中空部形成部材１５が矢印で示すように中空部１８側に変形するために粉粒体圧力Ｐは過度に上昇せず、加重点２４に近い空間１６の端部に発生する最大の粉粒体圧力ｐ２は、比較例の最大の粉粒体圧力ｐ１よりもΔｐだけ低下する。即ち、粉粒体圧力Ｐは距離Ｌが大きくなるにつれて減少するものの、比較例よりも一定になろうとする。
このように、骨格構造部材１２に、中空部形成部材１５のような低剛性部あるいは脆弱部と、該中空部形成部材１５の変形を許容する中空部１８、即ち、中空部形成部材１５の壁面及び粉粒体１７が移動できる中空部１８（中空部形成部材１５が破損したときは粉粒体１７が流入する中空部１８）を設けておけば、粉粒体圧力Ｐが上昇しようとするときに空間１６内の過度の圧力上昇を防止することができる。
図６は、第１実施例の骨格構造部材の圧潰試験を行ったときの荷重Ｆと変位量λとの関係を示したグラフである。
粉粒体が移動可能な中空部（移動可能空間）を設けた実施例１では、その平均荷重をｆ３とすると、この平均荷重ｆ３は、比較例６（ドレイン穴複数ヶ所）の平均荷重ｆ２よりも大きく、しかも、実施例１の変位量λの最大が大きい、即ち有効ストロークが長いため、各比較例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。
なお、本実施例では、図３に示したように、骨格部材１１として断面Ｕ字状の２つの半体を合わせて断面閉空間を形成する四角形状の部材を示しているが、本発明においてはこれに限らず、例えば断面Ｕ字状の開放部分を有する骨格部材と、開放部分を閉鎖する骨格部材周辺のパネル部材とで閉空間を形成するようにしてもよい。すなわち、本発明においては、骨格部材内の空間及び／又は骨格部材とその周辺のパネル部材とで囲まれる空間に複数の粉粒体を充填する。
図５Ａ及び図５Ｂで説明したように、本発明は、輸送機械の骨格部材１１内の空間及び／又は骨格部材１１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１７を充填した骨格構造部材１２であって、前記空間１６の内部圧力が増加したときに、前記粉粒体１７が流動可能な粉粒体流動許容部１４を前記空間１６内の前記粉粒体１７に近接して設けることで、前記空間１６の内部圧力が過度に上昇するのを抑えたことを特徴とする。
空間１６の内部圧力が増加したときに粉粒体１７が移動可能な中空部１８を前記空間１６に近傍して設けることにより、例えば、骨格構造部材１２に外部から軸圧縮荷重が作用したとき、粉粒体１７を充填した空間１６の内部圧力が増加しても、その圧力の増加に伴って粉粒体１７は中空部１８側へ移動するため、空間１６の内部圧力が過度に上昇せず、骨格構造部材１２が折れ曲がるなどの局部的な変形が発生するのを防止することができ、大きな変位量まで大きな荷重を支えることができて、従来に比較して、骨格構造部材１２の吸収エネルギー量をより増加させることができる。
従って、例えば、車両衝突時の衝撃エネルギーを骨格構造部材１２で効果的に吸収することができる。
図７Ａ〜図７Ｄは、本発明の第２実施例に係る骨格構造部材、及び圧潰試験の状態を示している。
図７Ａは、骨格部材３１の内部に粉粒体流動許容部１４である中空部形成部材３２を取付け、これらの骨格部材３１と中空部形成部材３２との間の空間３３に複数の粉粒体１７を充填し、中空部形成部材３２に中空部３４を設けた骨格構造部材３５を示す。
図７Ｂにおいて、骨格部材３１単体に軸圧縮荷重Ｆを加えて骨格部材３１を強制的に変形させる。λは変位量である。
図７Ｃにおいて、中空部形成部材３２単体に軸圧縮荷重Ｆを加えて中空部形成部材３２を強制的に変形させる。
図７Ｄは、図７Ｂ及び図７Ｃで変形させたときの荷重Ｆと変位量λとの関係を示したグラフである。
グラフ中の実線が骨格部材、破線が中空部形成部材の結果である。例えば、骨格部材への荷重Ｆの２番目のピーク（即ち、極大値）が発生する変位量λをｄ５とし、骨格部材の波長をＷとしたときに、中空部形成部材への荷重Ｆの２番目のピーク（即ち、極大値）が発生する変位量λを、骨格部材の変位量ｄ５からＷ／２だけ大きな変位量であるｄ６となるように位相がずれるように設定にすれば、骨格部材への荷重と中空部形成部材への荷重とを加えたときに、一点鎖線に示した荷重Ｆと変位量λとの関係が得られる。即ち、この線が図７Ａに示した第２実施例の骨格構造部材３５の特性であり、荷重変動は小さくなる。
上記のような位相差を持たせる手段としては、（１）中空部形成部材の断面寸法を骨格部材の１／２にする方法、（２）中空部形成部材にビード（ｂｅａｄ：溶着金属の層）やノッチ（ｎｏｔｃｈ：Ｖ字状の切込み）を設ける方法、（３）骨格部材と中空部形成部材とのそれぞれの先端（即ち、荷重が作用する端部）をずらして組み立てる方法がある。
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第３実施例に係る骨格構造部材を示している。
図８Ａに示した第３実施例の骨格構造部材４０は、骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部に設けた粉粒体流動許容部４２とからなる。骨格部材１１と粉粒体流動許容部４２との間の空間４３、つまり骨格部材１１の空間４３には複数の粉粒体１７が充填される。前記粉粒体流動許容部４２は発泡部材４５からなる。
発泡部材４５としては、ポリウレタン、発泡アルミニウム等からなる。該発泡部材４５は、例えばフィルム状の収納部材に収納される。
骨格構造部材４０に軸圧縮荷重を加えると、空間４３の内部圧力が増加し、粉粒体１７は発泡部材４５の壁面を押圧し、該発泡部材４５による反力に抗して該発泡部材４５の壁面を内側へ変形させる。その結果、空間４３の内部圧力はほぼ一定になる。
このとき骨格構造部材４０に作用する軸圧縮荷重が大きければ、空間４３の内部圧力が更に大きくなり、発泡部材４５の壁面に亀裂が発生して、その裂け目から粉粒体１７が発泡部材４５中に流れ込み、前記空間４３内の過度の圧力上昇を防止する。
図８Ｂに示した骨格構造部材５０は、図８Ａに示した骨格構造部材４０の変形例であり、骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部に設けた粉粒体流動許容部４２とからなる。骨格部材１１と粉粒体流動許容部４２間には粉粒体１７が充填される。粉粒体流動許容部４２は中空粉粒体５１からなる。
中空粉粒体５１は、例えば、低沸点の炭化水素からなる芯物質（液体又は固体）を微粒化し、この芯物質を熱可塑性樹脂製の被膜で被覆した（即ち、殻で包み込んだ）、いわゆる「マイクロカプセル」を加熱することにより、芯物質を気化させ被膜（即ち、殻）を軟化させ膨張させて造る。上記中空粉粒体５１は、例えばフィルム状の収納部材に充填される。
骨格構造部材５０に軸圧縮荷重を加えると、空間４３の内部圧力が増加し、粉粒体１７は粉粒体流動許容部４２の壁面を押圧し、中空粉粒体５１による反力に抗して粉粒体流動許容部４２の壁面を内側へ変形させる。
このとき、粉粒体流動許容部４２内に初めに充填する膨張前のマイクロカプセルの量を調整すれば、加熱してマイクロカプセルが膨張した後の粉粒体流動許容部４２の内部圧力を調整することができる。従って、粉粒体１７による押圧力に抗する中空粉粒体５１の反力は変更可能となり、空間４３の内部圧力を調整することができる。
このように、上記粉粒体流動許容部４２に、粉粒体１７よりも圧縮されやすい粉粒体を充填しておけば、空間４３の内部圧力が上昇したとき、粉粒体流動許容部４２の壁面は、圧縮されやすい前記粉粒体側に変形される。
図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の第４実施例に係る骨格構造部材を示している。
図９Ａにおいて、第４実施例の骨格構造部材６０は、空間６３に充填された複数の粉粒体１７を有する骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部設けられた粉粒体流動許容部６１とからなる。この実施例の粉粒体流動許容部６１は、縦断面が蛇腹状の中空部形成部材６２からなる。この中空部形成部材６２は中空部６４を有する。
蛇腹状中空部形成部材６２は、軸圧縮荷重を加えたときの変形の周波（即ち、周期的に繰り返される同じ波形）の形状に予め形成された部材である。
骨格構造部材６０に軸圧縮荷重Ｆを加えると、空間６３の内部圧力が増加し、図９Ｂに示したように、変位量がλ２になると、粉粒体１７は中空部形成部材６２の壁面を押圧する。蛇腹状中空部形成部材６２は変形の周波に形成してあるから、該中空部形成部材６２の壁面はスムーズに周波の振幅が大きくなるよう中空部６４側へ変形する。
これに伴って、骨格部材１１も蛇腹状中空部形成部材６２とほぼ同様の形状に変形する。この結果、骨格構造部材６０の変形中は粉粒体１７の圧力がほぼ一定に保たれ、且つ荷重の変動も小さく、大きな荷重を大きな変位量まで維持し、骨格構造部材６０の吸収エネルギー量が増す。
図１０Ａ及び図１０Ｂは、本発明の第５実施例に係る骨格構造部材を示している。
図１０Ａに示す第５実施例の骨格構造部材７０は、空間７３に充填された複数の粉粒体１７を有する骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部に設けられた粉粒体流動許容部７１とからなる。粉粒体流動許容部７１は、中空部７４を有する中空部形成部材７２からなる。該中空部形成部材７２は、縦断面がテーパ状となっている。
ここで、図２で示した骨格部材１１の端部閉塞部材１３，１３を、荷重を作用させる側の端部閉塞部材１３ａ及び他方の端部閉塞部材１３ｂとすると、テーパ状中空部形成部材７２は、端部閉塞部材１３ａ側から端部閉塞部材１３ｂに至る方向へ拡開したテーパ壁７６，７６を有する。
図５Ｂで説明したように、粉粒体圧力Ｐは加重点２４から遠ざかるにつれて低下するから、図１０Ａにおいて、例えば、端部閉塞部材１３ａに軸圧縮荷重を加えたとき、空間７３の内部圧力は、端部閉塞部材１３ａ側から端部閉塞部材１３ｂ側へ次第に小さくなる。このため、複数の粉粒体１７が充填された空間７３の横断面の面積を端部閉塞部材１３ａ側から端部閉塞部材１３ｂ側へ向かうに従って徐々に小さくすれば、空間７３の内部圧力、即ち上記した粉粒体１７同士に作用する圧力（即ち、粉粒体圧力）を一定にすることができる。
図１０Ｂに示した骨格構造部材８０は、図１０Ａに示した第５実施例に係る骨格構造部材７０の変形例を示している。この変形例の骨格構造部材８０は、縦断面をテーパ状とした骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部に設けられた粉粒体流動許容部８１とからなる。骨格構造部材８０の空間８３には複数の粉粒体１７が充填されている。粉粒体流動許容部８１は、内部に中空部８４を有する中空部形成部材８２からなる。
骨格部材１１は、両端部を塞ぐ端部閉塞部材８６，８７を有し、荷重を加える側の一方の端部閉塞部材８６側から他方の端部閉塞部材８７に至る方向に向けて狭くなるよう形成されたテーパ壁８８，８８を有する。この骨格構造部材８０の内部に働く圧力は、図１０Ａに示した骨格構造部材７０と同じである。
図１１は、本発明の第６実施例に係る骨格構造部材を示している。
骨格構造部材９０は、空間９３内に充填された複数の粉粒体１７を有する骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部に設けられた粉粒体流動許容部９２とかなる。
粉粒体流動許容部９２は、骨格部材１１の長手方向において長さが異なる中央の第１許容部９５と、第１許容部９５の両側に配置された第２許容部９６，９６と、第２許容部９６，９６の外側に配置された第３許容部９７，９７からなる。
これら第１許容部９５、第２許容部９６，９６、及び第３許容部９７，９７は、例えば膜部材或いはフィルムで形成された空間である。
骨格部材１１の端部閉塞部材１３，１３（図２参照）を、荷重を作用させる側の端部閉塞部材１３ａとし、他方の端部閉塞部材１３ｂとすると、第１許容部９５、第２許容部９６，９６、及び第３許容部９７，９７は、それぞれ端部閉塞部材１３ｂ側で端部の位置が揃っている。
これらの第１許容部９５、第２許容部９６，９６、第３許容部９７，９７のそれぞれの長さをＬ１，Ｌ２，Ｌ３とすると、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３であり、それぞれの横断面積は同一である。
例えば、端部閉塞部材１３Ａに軸圧縮荷重を加えたときに、空間９３の内部圧力は、端部閉塞部材１３ａ側から端部閉塞部材１３ｂ側へ向けて次第に小さくなるため、粉粒体１７を充填した空間９３の横断面の面積を、前記複数の許容部９５，９６，９６，９７，９７を配置することで端部閉塞部材１３ａ側から端部閉塞部材１３ｂ側へ向けて段階的に小さくすることで、空間９３の内部圧力、即ち上記した粉粒体１７同士に作用する圧力はほぼ一定になる。
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の第７実施例に係る骨格構造部材を示している。
図１２Ａに示した第７実施例の骨格構造部材１１０は、骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部に設けられた粉粒体充填部材１１２とからなる。粉粒体充填部材１１２は断面矩形状の壁部１１２ａで囲繞された閉空間１１３を有し、該空間１１３内に複数の粉粒体１７が充填されている。
骨格部材１１と粉粒体充填部材１１２との間には、空間からなる粉粒体流動許容部１１４が形成される。
骨格構造部材１１０の端部に軸圧縮荷重が加わると、粉粒体充填部材１１２の閉空間１１３に複数の粉粒体１７が詰まっているため、粉粒体充填部材１１２の内部圧力が高くなる。そして、粉粒体１７が粉粒体充填部材１１２の壁部１１２ａを押圧して該壁部１１２ａを外側、即ち空間からなる粉粒体流動許容部１１４側に変形させて破壊し、粉粒体１７は粉粒体流動許容部１１４に流動する。結果として骨格構造部材１１０全体の内部圧力は一定に保たれ、吸収エネルギーは増大する。
図１２Ｂに示す骨格構造部材１２０は、図１２Ａに示した第７実施例の骨格構造部材１１０の変形例を示している。
この変形例の骨格構造部材１２０は、骨格部材１１と、この骨格部材１１の内部に設けられた粉粒体充填部材１２２とからなる。この粉粒体充填部材１２２は、四隅部分が切り欠かれた断面クロス状の壁部１２２ａで囲繞された閉空間１２３を有し、該空間１２３内に複数の粉粒体１７が充填されている。
骨格部材１１と粉粒体充填部材１２２との間、つまり該粉粒体充填部材１２２が切り欠かれた四隅部分には、空間からなる粉粒体流動許容部１２４が形成される。
上記変形例の骨格構造部材１２０の作用は、図１２Ａに示した骨格構造部材１１０と同様である。
本実施例では、（１）骨格部材と粉粒体流動許容部とで囲まれる空間、あるいは粉粒体充填部材内の空間に粉粒体を充填した例を示したが、本発明は、これに限らず、（２）骨格部材とその周囲のパネル部材とで囲まれる空間に粉粒体を充填するようにしてもよく、上記の（１），（２）の両方の空間に粉粒体を充填するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
本発明の骨格構造部材は、骨格構造部材の吸収エネルギー量が増大するため、鉄道車両、産業車両、船舶、航空機、自動車、自動二輪車などの輸送機械に用いられる骨格構造部材に適している。
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
輸送機械の骨格部材内の空間及び／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が充填された骨格構造部材であって、
前記空間の内部圧力が増加したとき、該内部圧力が過渡に上昇するのを抑制するため、前記複数の粉粒体が移動可能な粉粒体流動許容部が該粉粒体に近接して設けられたことを特徴とする輸送機械用骨格構造部材。
【請求項２】
前記粉粒体流動許容部は、前記骨格部材の内部に設けられ、中空部を有する中空部形成部材からなることを特徴とする請求項１に記載の骨格構造部材。
【請求項３】
前記中空部形成部材は、蛇腹形状をしていることを特徴する請求項２に記載の骨格構造部材。
【請求項４】
前記中空部形成部材は、前記骨格構造部材に荷重が掛かる端部から他端部に向けて拡開する壁部を有することを特徴とする請求項２に記載の骨格構造部材。
【請求項５】
前記粉粒体流動許容部は、前記骨格部材の内部に設けられた発泡材からなることを特徴とする請求項１に記載の骨格構造部材。
【請求項６】
前記粉粒体流動許容部は、前記骨格部材の内部に設けられ、前記複数の粉粒体よりも強度の弱い粉粒体からなることを特徴とする請求項１に記載の骨格構造部材。
【請求項７】
前記粉粒体流動許容部は、前記骨格部材の内部に設けられた長さが異なる複数の許容部からなることを特徴とする請求項１に記載の骨格構造部材。
【請求項１】
輸送機械の骨格部材内の空間及び／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が充填された骨格構造部材であって、
前記空間の内部圧力が増加したとき、該内部圧力が過渡に上昇するのを抑制するため、前記複数の粉粒体が移動可能な粉粒体流動許容部が該粉粒体に近接して設けられたことを特徴とする輸送機械用骨格構造部材。
【請求項２】
前記粉粒体流動許容部は、前記骨格部材の内部に設けられ、中空部を有する中空部形成部材からなることを特徴とする請求項１に記載の骨格構造部材。
【請求項３】
前記中空部形成部材は、蛇腹形状をしていることを特徴する請求項２に記載の骨格構造部材。
【請求項４】
前記中空部形成部材は、前記骨格構造部材に荷重が掛かる端部から他端部に向けて拡開する壁部を有することを特徴とする請求項２に記載の骨格構造部材。
【請求項５】
前記粉粒体流動許容部は、前記骨格部材の内部に設けられた発泡材からなることを特徴とする請求項１に記載の骨格構造部材。
【請求項６】
前記粉粒体流動許容部は、前記骨格部材の内部に設けられ、前記複数の粉粒体よりも強度の弱い粉粒体からなることを特徴とする請求項１に記載の骨格構造部材。
【請求項７】
前記粉粒体流動許容部は、前記骨格部材の内部に設けられた長さが異なる複数の許容部からなることを特徴とする請求項１に記載の骨格構造部材。
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００３５８８
【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１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１１３４２（Ｐ２００５−５１１３４２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００９２０８
【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１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００９２０８
【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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