JP2001241478A - 衝突エネルギー吸収構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 衝突時の反力が小さく、かつ部材変形時の反
力変化が小さく、衝突する方向によらず安定した性能を
発揮することができる衝突エネルギー吸収構造体を提供
すること。 【解決手段】 衝突エネルギー吸収構造体１０は、互い
に径が異なる第１および第２の筒状部材１，２が、それ
らの端部が合わされた状態で同軸的に一体化されてな
り、軸方向の変形により衝突エネルギーを吸収する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等の衝突安
全性を高めるために用いられる衝突エネルギー吸収構造
体に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車衝突安全の法規制強化を背景に車
体の安全性能の向上が大きな課題となっている。そのた
め自動車構造部材には衝突した際の衝突エネルギーを有
効に吸収することができる構造が求められている。

【０００３】自動車構造部材における衝突エネルギー吸
収構造としては、部材側面がある一定の周期で折りたた
まれる（Ｆｏｌｄｉｎｇ）ことによる素材の塑性変形に
よって衝突エネルギーを吸収するものが知られている。

【０００４】このような衝突エネルギー吸収構造では、
自動車の衝突の瞬間に、構造部材に反力が発生し、その
反力が構造部材の座屈耐力以上になると塑性変形を開始
する。その後、構造部材の変形に伴い、一定周期の反力
変化を繰り返す。この反力によって衝突エネルギーを吸
収する。これによって、他の自動車構造物の損傷を抑制
し、さらに乗員に対する衝撃度を緩和することが期待さ
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
衝突エネルギー吸収構造においては、衝突の瞬間に高い
座屈反力が発生するため、その衝撃力が他の構造物を損
傷させる危険性が高く、乗員に対する衝撃度も大きくな
ってしまう。また、部材変形時には一定周期の反力変化
を繰り返すために、乗員への衝撃力が大きい。このた
め、損傷抑制や衝撃度緩和の効果が十分とはいえない。
さらに、衝突する方向によっては性能が低下する可能性
がある。したがって、信頼性の高い車体設計が困難であ
る。

【０００６】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであって、衝突時の反力が小さく、かつ部材変形時の
反力変化が小さく、衝突する方向によらず安定した性能
を発揮することができる衝突エネルギー吸収構造体を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、互いに径が異なる第１および第２の筒状
部材が、それらの端部が合わされた状態で同軸的に一体
化されてなり、軸方向の変形により衝突エネルギーを吸
収することを特徴とする衝突エネルギー吸収構造体を提
供する。

【０００８】本発明によれば、互いに径が異なる第１お
よび第２の筒状部材が、それらの端部が合わされた状態
で同軸的に一体化された構造を有しているため、衝突し
た瞬間、第１および第２の筒状部材が合わされた段差部
が弾性変形し、それによって大きな座屈反力が発生する
ことが防止される。また、部材変形時に、その段差部に
おいて、第１および第２の筒状部材のうち小径の部材が
外側にカールし、大径の部材が内側にカールすることに
よって、連続的な塑性変形を発生させることができ、周
期的な変化のない安定した反力を発生させることができ
る。したがって、衝突の際における他の部材への損傷を
軽減することができ、かつ、乗員への衝撃力を小さくす
ることができる。また、第１および第２の筒状部材のう
ち大径の部材がガイドとして機能し、小径の部材の動き
を略軸方向のみに限定することができるため、衝突方向
が変化しても変形状態の変化が少ない。したがって、衝
突する方向によらず安定した性能を発揮することがで
き、信頼性の高い設計が可能となる。

【０００９】この場合に、第１の筒状部材の径をＤ１、
板厚をＴ１とし、第２の筒状部材の径をＤ２、板厚をＴ
２とし、さらにクリアランスＣを Ｃ＝（Ｄ２／２）−Ｔ２−（Ｄ１／２）とした場合に、 （Ｔ１＋Ｔ２）×１．２≧Ｃ＞０および Ｔ２／Ｔ１＞０．８ を満足することが好ましい。

【００１０】また、本発明の衝突エネルギー吸収構造体
は、同一素材から加工により形成してもよいし、第１の
筒状部材と第２の筒状部材とを接合して形成してもよ
い。接合により形成する場合、前記第１の筒状部材と第
２の筒状部材とは同じ材質でもよいが、異なる材質から
なることがより好ましい。また、前記第１の筒状部材と
第２の筒状部材とは、同じ板厚でもよいが、異なる板厚
であることが好ましい。

【００１１】本発明の衝突エネルギー吸収構造体を構成
する材料としては、強度レベルが２７０〜１５００ＭＰ
ａで変形時に破断しない延性を有する鋼が好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
について具体的に説明する。図１は、本発明の一実施形
態に係る衝突エネルギー吸収構造体を示す断面図であ
る。この衝突エネルギー吸収構造体１０は、小径の第１
の筒状部材１と大径の第２の筒状部材２とを有してい
る。これら第１の筒状部材１および第２の筒状部材２
は、それらの端部が合わされた状態で同軸的に一体化さ
れている。そして、第１の筒状部材１および第２の筒状
部材２との端部が合わされた部分は段差部３となってい
る。なお、第１の筒状部材１は、その径がＤ１、板厚が
Ｔ１であり、第２の筒状部材２は、その径がＤ２、板厚
がＴ２である。

【００１３】この衝突エネルギー吸収構造体は、衝突し
た際にその軸方向の変形により衝突エネルギーを吸収す
る。具体的には、衝突した瞬間、第１および第２の筒状
部材１，２が合わされた段差部３に弾性変形が生じるた
め、大きな座屈反力が発生することが防止され、また、
部材変形時には、その段差部３において、小径の第１の
筒状部材１が外側にカールし、大径の第２の部材２が内
側にカールすることによって、連続的な塑性変形を発生
させることができ、周期的な変化のない安定した反力を
発生させることができる。また、大径の第２の筒状部材
２がガイドとして機能し、小径の筒状部材１の動きを略
軸方向のみに限定することができ、衝突方向が変化して
も変形状態の変化が少ない。

【００１４】ここで、これら筒状部材１，２のクリアラ
ンスＣを Ｃ＝（Ｄ２／２）−Ｔ２−（Ｄ１／２） とした場合に、以下の（１）、（２）式を満足すること
が好ましい。 （Ｔ１＋Ｔ２）×１．２≧Ｃ＞０ ……（１） Ｔ２／Ｔ１＞０．８ ……（２）

【００１５】これらの式を満足することによって、小型
かつ軽量で理想的な変形量−反力特性（矩形型）を実現
することができる。すなわち、（１）式のように、クリ
アランスＣが０より大きい場合に、小径の第１の筒状部
材１が大径の第２の筒状部材２の内側部分に入り込んで
連続的な塑性変形をスムーズに発生させることができ、
また、クリアランスＣを（Ｔ１＋Ｔ２）×１．２以下に
することによって、図２に示す塑性変形の際の部材の曲
げ半径Ｒ１、Ｒ２が小さくなって大きな塑性変形が発生
し、それによって吸収エネルギーを向上させることがで
きる。また、（２）のようにＴ２／Ｔ１＞０．８を満た
すことにより、小径の第１の筒状部材１を優先的に変形
させることができ、衝突した瞬間の初期ピーク荷重と平
均崩壊荷重との差が小さくなって理想的な矩形波を実現
することができる。

【００１６】第１および第２の筒状部材１，２は、円筒
であることが好ましいが、断面形状が楕円や多角形のも
のであってもよい。

【００１７】衝突エネルギー吸収構造体１０は、同一素
材から機械加工により形成することができる（一体成
形）。また、第１の筒状部材１と第２の筒状部材２とを
溶接等によって接合することにより、より安価に製造す
ることができる。

【００１８】一体成形および接合の場合のいずれにおい
ても、第１の筒状部材１の板厚Ｔ１と第２の筒状部材２
の板厚Ｔ２とは、同じであってもよいが、異なっている
ことが好ましい。これら筒状部材１，２の厚さＴ１，Ｔ
２を異ならせることにより、小径の第１の筒状部材１を
優先的に変形させやすくすることができ優れた衝撃吸収
特性を得ることができる。

【００１９】衝突エネルギー吸収構造体１０を構成する
材料は特に限定されるものではないが、自動車車体用と
しては、強度レベルが２７０〜１５００ＭＰａであり、
変形時に破断しない十分な延性を有する鋼が好ましい。
また、衝突エネルギー吸収構造体１０を構成する材料と
して、残留γ鋼（例えば強度レベルが５９０ＭＰａ）を
用いた場合には、それが高い加工硬化能を有する材料で
あり、降伏強度が低く、塑性変形強度が高い材料である
ため、この材料を用いることによって、衝突初期の変形
が容易になり、初期ピーク荷重を少なくすることができ
る。変形が進むと、加工硬化により材料の強度が上昇
し、高い平均荷重を発生する。その結果、初期ピークが
低く、吸収エネルギーが高い理想的な矩形波を実現する
ことができる。さらに、残留γ鋼は高い延性を有してい
るため、変形時の材料破断の危険性を小さくすることが
できる。

【００２０】第１の筒状部材１と第２の筒状部材２とを
接合により形成する場合、第１の筒状部材１と第２の筒
状部材２とは同じ材質でもよいが、異なる材質、特に強
度レベルが異なる材質からなることが好ましい。このよ
うにこれら筒状部材１，２の材質を異ならせることによ
り、第１の筒状部材１の板厚Ｔ１および第２の筒状部材
２の板厚Ｔ２が同一であっても、小径の第１の筒状部材
１を優先的に変形させやすくすることができ、優れた衝
撃吸収特性を得ることができる。例えばＴ１＝Ｔ２と
し、小径の第１の筒状部材１の材質として強度レベル２
７０ＭＰａのＳＰＣＣ材を使用し、大径の第２の筒状部
材２の材質として強度レベル４４０ＭＰａのＳＰＦＣ４
４０を使用する。このように、強度レベルの高い鋼を使
用することで、板厚を低減することができ、部品の軽量
化を実現することができる。

【００２１】以上のような点を総合すると、第１の筒状
部材１と第２の筒状部材２とは、板厚および材質（強度
レベル）の両方が異なっていることがより好ましい。

【００２２】第１の筒状部材１および第２の筒状部材２
を接合する場合の手法としては、図３に示すように、第
１の筒状部材１と第２の筒状部材２とを作製した後にこ
れらをアーク溶接等により溶接することが挙げられる。
また、図４の（ａ）に示すように、まず素材管１１，１
２をアーク溶接等により溶接してから、（ｂ）に示すよ
うに、プレス成形やハイドロフォーム等により所定の形
状に加工して、第１の筒状部材１と第２の筒状部材２を
形成することもできる。なお、図４および図５中参照符
号５はアーク溶接部を示す。

【００２３】さらに、図５の（ａ）に示すように第１の
板材１３と第２の板材１４とを突き合わせ、（ｂ）に示
すように、第１の板材１３と第２の板材１４とを例えば
レーザー溶接機１５により溶接した後に、（ｃ）に示す
ように筒状に加工し、軸方向に例えばレーザー溶接して
（ｄ）にも示すような素管１３’および１４’の接合体
とし、さらに（ｅ）に示すようにプレス成形やハイドロ
フォーム等により所定の形状に加工して第１の筒状部材
１と第２の筒状部材２との接合体とすることもできる。
なお、図５において参照符号１６はレーザー溶接部を示
す。

【００２４】以上のような衝突エネルギー吸収構造体
は、種々の適用が考えられるが、図６に自動車車体に適
用した例を示す。図６において自動車車体２０は、フレ
ーム構造を有しており、サイドメンバー２１とバンパー
２２との間およびサイドメンバー２１の中間に、それぞ
れ本発明の衝突エネルギー吸収構造体３０および４０が
配置されている。これにより、正面衝突時の衝突エネル
ギーを効率的に吸収し、車体の損傷を可及的に防止する
とともに、乗員への衝撃度を小さくすることが可能な車
体構造を実現することができる。この場合に、衝突エネ
ルギー吸収構造体３０および４０で材料の強度レベルを
異ならしめることにより、段階的な衝突エネルギー吸収
を行うことができる。

【００２５】次に、本発明の衝突エネルギー吸収構造体
の性能を段差のない筒を用いた場合と比較してシミュレ
ーションした結果について説明する。ここでは、汎用の
有限要素解析ソフトを用いてシミュレーションを行っ
た。シミュレーションは材料の強度レベルを３００ＭＰ
ａとし、筒状部材の径および板厚を種々変化させて行っ
た。

【００２６】図７は、変形モードを示す図である。ここ
では、本発明の構造体として第１の筒状部材の径を４０
ｍｍφ、第２の筒状部材の径を４５ｍｍφ、板厚を１．
６ｍｍｔとした段付 き構造のもの、比較の構造体とし
て径を４０ｍｍφ、板厚を１．６ｍｍｔとしたストレー
ト構造のものとした。なお、図７では部材の半分のみを
示している。

【００２７】この図に示すように、本発明の構造体で
は、２つの筒状部材が合わさった段差部分のみで塑性変
形が連続的に生じていることがわかる。これに対して比
較のストレート構造では部材の両端部近傍の複数部分で
塑性変形が生じているのがわかる。

【００２８】この際の荷重ストロークと反力および吸収
エネルギーとの関係を図８に示す。図８に示すように、
トータルの吸収エネルギーは本発明と比較の場合で同等
であるものの、反力の挙動が両者で全く異なっている。
まず、比較の場合には、衝突の瞬間に大きな反力が作用
しており、その衝撃力が他の構造物を損傷させたり乗員
に衝撃を与える危険が大きい。またその後の部材変形時
にも反力が大きく振れているため、やはり乗員への衝撃
が大きくい。したがって、衝撃度を緩和する効果が小さ
いことがわかる。これに対して、本発明の場合には、衝
突の瞬間の反力が小さく、また部材変形時における反力
の変化が極めて小さい。このため、衝突の際に他の構造
物を損傷する危険性や、乗員に対する衝撃を著しく小さ
くすることができる。

【００２９】次に、第１および第２の筒状部材の径Ｄ
１，Ｄ２および板厚Ｔ１，Ｔ２を種々変化させてシミュ
レーションを行って吸収エネルギーおよび吸収エネルギ
ー／重量を求めた。そのシミュレーションの際のその結
果を表１に示し、また、図９に種々の径Ｄ１，Ｄ２およ
び板厚Ｔ１，Ｔ２の組み合わせの場合における吸収エネ
ルギー／重量の値を示す。表１中印および図９の黒丸は
上記式（１）、（２）を満たす好ましい範囲のものを示
す。この結果から上記式（１）、（２）を満たすことに
より重量あたりの吸収エネルギーが大きく、衝撃吸収部
材として優れた特性を示すことが確認された。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
互いに径が異なる第１および第２の筒状部材が、それら
の端部が合わされた状態で同軸的に一体化された構造を
有しているため、衝突した瞬間に大きな座屈反力が発生
することが防止され、また、部材変形時に、周期的な変
化のない安定した反力を発生させることができる。した
がって、衝突の際における他の部材への損傷を軽減する
ことができ、かつ、乗員への衝撃力を小さくすることが
できる。また、第１および第２の筒状部材のうち大径の
部材がガイドとして機能し、小径の部材の動きを略軸方
向のみに限定することができるため、衝突方向が変化し
ても変形状態の変化が少ない。したがって、衝突する方
向によらず安定した性能を発揮することができ、信頼性
の高い設計が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る衝突エネルギー吸収
構造体を示す断面図。

【図２】２つの筒状部材の変形状態を示す図。

【図３】第１の筒状部材と第２の筒状部材とを接合して
作製された衝突エネルギー吸収構造体の例を示す断面
図。

【図４】素材管を接合してから所定の形状に成形するこ
とにより本発明の衝突エネルギー吸収構造体を作製する
際の工程を説明するための図。

【図５】板材を接合してから筒状に加工し、その後所定
形状に成形することにより本発明の衝突エネルギー吸収
構造体を作製する際の工程を説明するための図。

【図６】本発明に係る衝突エネルギー吸収構造体を適用
した自動車車体のフレーム構造の一部を示す側面図。

【図７】本発明の衝突エネルギー吸収構造体の性能を段
差のない筒を用いた場合と比較してシミュレーションし
た際における変形モードを示す図。

【図８】図７のシミュレーションの際における荷重スト
ロークと反力および吸収エネルギーとの関係を示す図。

【図９】第１および第２の筒状部材の径Ｄ１，Ｄ２およ
び板厚Ｔ１，Ｔ２を種々変化させてシミュレーションを
行った際における吸収エネルギー／重量の値を示す図。

【符号の説明】

１；第１の筒状部材 ２；第２の筒状部材 ３；段差部 ５；アーク溶接部 １０，３０，４０；衝突エネルギー吸収構造体 ２０；自動車車体 ２１；サイドメンバー ２２；バンパー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山崎 雄司 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 Ｆターム(参考） 3J066 AA23 BA03 BB01 BC01 BF02 BG01 BG04

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに径が異なる第１および第２の筒状
   部材が、それらの端部が合わされた状態で同軸的に一体
   化されてなり、軸方向の変形により衝突エネルギーを吸
   収することを特徴とする衝突エネルギー吸収構造体。
2. 【請求項２】 第１の筒状部材の径をＤ１、板厚をＴ１
   とし、第２の筒状部材の径をＤ２、板厚をＴ２とし、さ
   らにクリアランスＣを Ｃ＝（Ｄ２／２）−Ｔ２−（Ｄ１／２）とした場合に、 （Ｔ１＋Ｔ２）×１．２≧Ｃ＞０および Ｔ２／Ｔ１＞０．８ を満足することを特徴とする請求項１に記載の衝突エネ
   ルギー吸収構造体。
3. 【請求項３】 同一素材から加工により形成されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の衝突
   エネルギー吸収構造体。
4. 【請求項４】 前記第１の筒状部材と第２の筒状部材と
   が接合されて構成されていることを特徴とする請求項１
   または請求項２に記載の衝突エネルギー吸収構造体。
5. 【請求項５】 前記第１の筒状部材と第２の筒状部材と
   は異なる材質からなることを特徴とする請求項４に記載
   の衝突エネルギー吸収構造体。
6. 【請求項６】 前記第１の筒状部材と第２の筒状部材と
   は板厚が異なることを特徴とする請求項１から請求項５
   のいずれか１項に記載の衝突エネルギー吸収構造体。
7. 【請求項７】 強度レベルが２７０〜１５００ＭＰａで
   変形時に破断しない延性を有する鋼で形成されているこ
   とを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に
   記載の衝突エネルギー吸収構造体。