JP2003137129A

JP2003137129A - 衝突エネルギー吸収部材

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Publication number: JP2003137129A
Application number: JP2001334025A
Authority: JP
Inventors: Yoshikiyo Tamai; 良清玉井; Jiro Hiramoto; 治郎平本; Takaaki Hira; 隆明比良
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2003-05-14
Anticipated expiration: 2021-10-31
Also published as: JP4039032B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型軽量でかつ衝撃吸収エネルギー量が大
きく、しかも安価で生産性に優れた自動車用の衝突エネ
ルギー吸収部材を提供する。【解決手段】円管１（または角管２）の内部に挿入さ
れた一または複数の円管１ａおよび／または角管２ａで
隔壁を形成された閉断面形状を有する衝突エネルギー吸
収部材であり、また、該部材11と円管10（または角管）
とを管軸方向に連結し、あるいは該部材11，11ａ同士を
管軸方向に連結してなる衝突エネルギー吸収部材であ
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、衝突エネルギー吸
収部材に関し、詳しくは、金属製の自動車車体フレーム
構造部材のうち自動車衝突時の衝突エネルギーを吸収す
る衝突エネルギー吸収部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車車体のフレーム構造部品のなか
で、図６に示すようなフロントサイドフレームや車両後
方に配置されるリヤサイドフレームなどは、自動車衝突
時のエネルギー吸収部材として重要な役割を有してい
る。自動車が衝突した際に、前記フロントまたはリアの
サイドフレームは、これらが適度に蛇腹状に潰れること
により衝突時のエネルギーを吸収し、キャビン内の乗員
生存空間を確保するような構造とするのが一般的であ
る。例えば図６に示したフロントサイドフレーム20で
は、前方での衝突時に入力される衝突荷重（エネルギ
ー）22が、バンパ21を介してフロントサイドフレーム20
へと伝達され、このときにフロントサイドフレームが適
切に潰れエネルギーを吸収できなかった場合には、衝突
荷重がさらに後方のキャビンに伝達され、乗員に損傷を
与えることになる。

【０００３】このような背景のもと、フロントサイドフ
レーム等の衝突エネルギー吸収部材には、エネルギー吸
収能の高い部材が要望されている。このような要望に対
し、例えば、特開平４−310477号公報には、軽金属によ
り閉断面構造に押し出し成形された基本メンバとこの基
本メンバ内に嵌合し略同じ長さの、少なくとも先端に圧
縮変形促進部、好ましくは切欠き、を設けた補強メンバ
とで二重構造を形成した部材が提案されている。また、
特開平11−29064 号公報、特開平11−208519号公報に
は、同じく軽金属材料の押し出し加工により、中空材の
中心軸を通る面上に、中空材の内面に接続するリブを設
けたことを特徴とする自動車車体のフレーム構造が提案
されている。

【０００４】これらの従来技術は何れも、アルミニウム
に代表される軽金属材料の押し出し加工部品を製造する
ものであるため、部品自体が高価であるという問題点
や、隣接する部品との連結方法も煩雑になるという問題
点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記した従
来技術の問題点を解決し、小型軽量でかつ衝撃吸収エネ
ルギー量が大きく、しかも安価で生産性に優れた自動車
用の衝突エネルギー吸収部材を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決するため、次のように考えた。衝突時のエネルギ
ー吸収量を大きくするためには、部材を構成する材料の
厚みを厚くすることが有効である。しかしながら、部材
の厚みを厚くすることは、車体重量を増加させ燃費の悪
化に直接的に結びつくことになり、地球環境保全の観点
から全世界規模で展開されているCO₂排出量削減活動、
すなわち自動車の軽量化の観点からは好ましくない。

【０００７】エネルギー吸収量を増加させるもう一つの
方法として、部材の断面形状を最適化する方法がある。
断面形状の最適化は、部材の厚みを増加させることな
く、部材の単位重量あたりのエネルギー吸収量を増加さ
せる点で、自動車の軽量化の趨勢に沿うものである。前
記従来の提案に係るアルミニウムに代表される軽金属材
料の押し出し加工によるフロントサイドメンバなどのよ
うな、押し出し加工により成形された隔壁を有する閉断
面構造の部材は、当該隔壁の無い単純な閉断面構造部材
に比べ、エネルギー吸収量が増加するとともに、座屈形
状が安定することによりエネルギー吸収量および変形時
の座屈荷重も安定するという利点がある。しかしなが
ら、アルミニウム材の押し出し加工は、材料および製造
コストが高く、生産性が悪いという問題がある。

【０００８】また、自動車車体用フレーム材として最も
一般的に使用されている鉄鋼材料（例えば薄鋼板）など
を用いて、公知の方法（例えば板金加工等）により隔壁
を有する閉断面構造部材を製造することは可能である
が、加工が煩雑であり多くの工程を必要とするなどの理
由から、製造技術的にもコスト的にも問題がある。そこ
で、本発明者らは、これらの問題を解決するために検討
を重ね、その結果、金属製中空部材とくに円管（断面形
状が円形の金属管）、角管（断面形状が多角形の金属
管）を入れ子状に組み合わせることにより、容易にかつ
安価に製造可能な内部隔壁を有する閉断面構造部材が得
られることを見出して、以下に要旨を記載される本発明
をなすに至った。

【０００９】（１）金属製の自動車車体フレーム構造部
材のうち自動車衝突時の衝突エネルギーを吸収する衝突
エネルギー吸収部材において、円管の内部に挿入された
一または複数の円管および／または角管で隔壁を形成さ
れた閉断面形状を有することを特徴とする衝突エネルギ
ー吸収部材（：第１の発明部材）。（２）金属製の自動車車体フレーム構造部材のうち自動
車衝突時の衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸
収部材において、角管の内部に挿入された一または複数
の円管および／または角管で隔壁を形成された閉断面形
状を有することを特徴とする衝突エネルギー吸収部
材（：第２の発明部材）。

【００１０】（３）金属製の自動車車体フレーム構造部
材のうち自動車衝突時の衝突エネルギーを吸収する衝突
エネルギー吸収部材において、（１）または（２）に記
載の閉断面形状を有する部材と、円管または角管とを、
管軸方向に連結してなることを特徴とする衝突エネルギ
ー吸収部材（：第３の発明部材）。（４）金属製の自動車車体フレーム構造部材のうち自動
車衝突時の衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸
収部材において、（１）または（２）に記載の閉断面形
状を有する部材を複数相互に管軸方向に連結してなるこ
とを特徴とする衝突エネルギー吸収部材（：第４の発明
部材）。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、第１の発明部材の例を示
す断面図である。同図において、（ａ）は外管としての
円管１の内部（中空部の意、以下同じ）に円管１ａを３
本、（ｂ）は４本挿入したものである。また円管１の内
部には（ｃ）、（ｅ）に示すように角管２ａを挿入して
もよく、また（ｄ）に示すように角管２ａと円管１ａを
組み合わせたものを挿入してもよい。これにより、円管
１の内部に、円管１ａおよび／または角管１ａの管壁か
らなる隔壁が形成されるから、従来の押し出し加工や煩
雑な加工方法を用いることなく、容易に隔壁を有する閉
断面形状の部材を製造することができる。この部材は、
内部に隔壁を形成された閉断面形状を有するものである
から、衝突エネルギー吸収能が高いことに加え、横方向
の曲げ剛性が強く、それゆえ衝突荷重入力時に横方向に
オイラー座屈が発生し難く、軸方向に安定的に座屈する
という利点も併せ持っている。

【００１２】外管に挿入する円管または角管は、外管と
レーザ溶接などにより溶接してもよいし、圧入すること
により固定してもよい。次に、図２は、第２の発明部材
の例を示す断面図である。これは、第１の発明部材にお
いて外管として円管１の代わりに角管２を用いたもので
あり、第１の発明部材と同様、衝突時に大量のエネルギ
ーを吸収するとともに軸方向に安定的に座屈する。

【００１３】本発明部材（：第１〜第４の発明部材）
は、用いる管の本数や形状種（：円管、角管）の組み合
わせに左右されるものではなく、図示されたもの以外の
組み合わせであっても、内部に隔壁を形成された閉断面
形状を有するものであれば、同様の効果が期待できる。
用いる管の本数や形状種（円管、角管）の組み合わせ
は、必要とするエネルギー吸収量および部材の重量など
を考慮して決定すればよい。なお、角管は、製造のしや
すさの観点からその断面形状が四角形のものが好ましい
が、それに限定されるものではない。

【００１４】また、本発明部材は、図３に第１の発明部
材について例示するように、端部にフランジ３を設ける
ことにより、他フレーム部品または車両本体への接続
（溶接またはボルト締結）を容易化しうる。このフラン
ジは、円管または角管を挿入される前の外管の端部に予
め形成しておくことが好ましい。一方、自動車衝突時の
エネルギー吸収に対する考え方の一つに、衝突の程度に
よって座屈させる部分（エネルギーを吸収させる部分）
を制御するという考え方がある。この考え方の要点は、
例えば図６のフロントサイドフレームでいえば、低速で
の衝突の場合は、部材の先端（車両先頭側）部分のみを
積極的に潰してエネルギーを吸収し、その後方のエンジ
ンルームを保護して修理にかかるコストを極力低減し、
また高速での衝突の場合には、部材全体を潰して大きな
衝突エネルギーを吸収し、キャビンと接続する部分のみ
は強固なものとして乗員の生存空間を保持するというも
のであり、それを具現するためには、部材内で衝突速度
（衝突時のエネルギー）に応じて圧潰される部分の位置
を制御する必要がある。

【００１５】このような部材内での圧潰部位制御を行う
に相応しい部材として、第３及び第４の発明部材が提供
される。図４は、第３の発明部材の例を示す側面図であ
り、この例は、図１（ａ）に示した形態（内部挿入管
数：３本）の第１の発明部材11と、内部に隔壁のない
（したがって比較的低強度の）円管10とを連結要素部材
とし、これらを管軸方向に連結して構成された。第１の
発明部材11と円管10とは、それぞれの端部に設けたフラ
ンジ３同士をあて板４を介して溶接またはボルト締結す
ることにより連結された。車両内での配置は、円管10の
部分を車両先端側（バンパ側）とした。

【００１６】これによれば、衝突荷重22の入力速度が比
較的低速のときは、バンパ側に配置された円管10からな
る比較的低強度の部分が優先的に圧潰され、後続の第１
の発明部材11は変形せずにエンジンルームを保護するこ
とができる。衝突荷重22の入力速度が比較的高速のとき
は、後続の第１の発明部材11からなる部分も圧潰され、
この部分で大きな衝突エネルギーを吸収することがで
き、キャビンの変形が抑制される。

【００１７】また、図５は、第４の発明部材の例を示す
側面図であり、この例は、図１（ａ）に示した形態（内
部挿入管数：３本）の第１の発明部材11と図１（ｂ）に
示した形態（内部挿入管数：４本）の第１の発明部材11
ａとを連結要素部材とし、これらを管軸方向に連結して
構成された。第１の発明部材11と11ａとは、それぞれの
端部に設けたフランジ３同士をあて板４を介して溶接ま
たはボルト締結することにより連結された。車両内での
配置は、内部挿入管数の少ない（したがって比較的低強
度の）第１の発明部材11の部分を車両先端側（バンパ
側）とした。この第４の発明部材によっても、第３の発
明部材と同様、衝突の程度に応じた圧潰部位制御が可能
である。なお、第４の発明部材では、内部挿入管の本
数、肉厚、材料強度などを変更することにより、部材内
の各部位のエネルギー吸収量を精細に調整することがで
きる。

【００１８】

【実施例】（実施例１）図７に示す部材Ａ〜Ｄを作製し
た。用いた鋼管の素材は、板厚1.2mm 、引張り強さ440M
Paの熱延鋼板とした。作製した各部材の衝突荷重入力方
向の長さは300mm とした。部材Ａは直径100mm の円管で
あって内部隔壁をもたない比較例である。部材Ｂ〜Ｄは
外管としての円管に別の円管または角管を一又は複数挿
入したものでこれら挿入管により内部隔壁を形成された
閉断面形状を有する本発明例（第１の発明部材の例）で
ある。挿入管の挿入は圧入によって行い、外管との溶接
は行っていない。部材Ｂ〜Ｄをなす外管及び挿入管の周
長は、部材Ａと同じ重量が得られるように設定した。

【００１９】これらの部材について、時速50kmの速さで
錘を衝突させ、衝突時に発生する荷重をロードセルで計
測し、錘に直撃される部材端部の変位をレーザ変位計で
計測し、得られた荷重−変位曲線を用いて荷重を変位で
積分することにより、変形が150mmに達するまでのエネ
ルギー吸収量を算出した。部材Ａ〜Ｄのエネルギー吸収
量比（：部材Ａに対する相対値）を図７に示す。Ａ＜Ｂ
＜Ｃ＜Ｄの順にエネルギー吸収量が大きくなっており、
第１の発明部材のエネルギー吸収能が高いことがわか
る。（実施例２）図８に示す部材Ｅ〜Ｇを作製した。用いた
鋼管の素材および作製した各部材の衝突荷重入力方向の
長さは実施例１と同じとした。部材Ｅは一辺100mm の正
方形断面を有する角管であって内部隔壁をもたない比較
例である。部材Ｆ，Ｇは外管としての正方形断面を有す
る角管に円管一又は複数挿入したものでこれら挿入管に
より内部隔壁を形成された閉断面形状を有する本発明例
（第２の発明部材の例）である。挿入管の挿入は圧入に
よって行い、外管との溶接は行っていない。部材Ｆ，Ｇ
をなす外管及び挿入管の周長は、部材Ｅと同じ重量が得
られるように設定した。

【００２０】これらの部材について、実施例１と同じ方
法で、変形が 150mmに達するまでのエネルギー吸収量を
算出した。部材Ｅ〜Ｇのエネルギー吸収量比（：部材Ｅ
に対する相対値）を図８に示す。Ｅ＜Ｆ＜Ｇの順にエネ
ルギー吸収量が大きくなっており、第２の発明部材のエ
ネルギー吸収能が高いことがわかる。（実施例３）表１に示す部材組み合わせ条件で第３又は
第４の発明部材に相当する連結部材を作製した。用いた
鋼管の素材は、板厚1.2mm 、引張り強さ440MPaの熱延鋼
板とした。連結要素部材は、何れも外管寸法を直径：80
mm、長さ：300mm とし、その両端部には図３に示したよ
うにフランジを設けた。連結にあたっては、連結要素部
材間に図４または図５に示したようにあて板（引張強さ
440MPaの熱延鋼板、板厚２mm）を挟み、両フランジをス
ポット溶接にて接合した。

【００２１】これらの連結部材について、表１に示す衝
突速度で錘を衝突させ、座屈が発生する部位とその変形
ストロークを調査した。その結果を表１に示す。同表よ
り、衝突速度に応じて各連結部材の軸方向（衝突荷重入
力方向）における変形量の分布が変化しており、このこ
とから、第３，第４の発明部材によれば、連結要素部材
の断面形状を適切に設定することにより、衝突速度（衝
突時のエネルギー）に応じた圧潰部位および変形量の制
御が可能であることがわかる。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、容易にかつ低コストで
自動車衝突時のエネルギー吸収能が高い部材を製造する
ことが可能であり、乗員の安全はもとより、車両の軽量
化を図ることができるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明部材の例を示す断面図である。

【図２】第２の発明部材の例を示す断面図である。

【図３】端部に他部材等接続用フランジを設けた本発明
部材の例を示す模式図である。

【図４】第３の発明部材の例を示す側面図である。

【図５】第４の発明部材の例を示す側面図である。

【図６】フロントサイドフレームへの衝突荷重のかかり
方を示す説明図である。

【図７】部材Ａ〜Ｄのエネルギー吸収量比を示すグラフ
である。

【図８】部材Ｅ〜Ｇのエネルギー吸収量比を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１，１ａ，10 円管２，２ａ角管３フランジ４あて板 11，11ａ第１の発明部材 20 フロントサイドフレーム 21 バンパ 22 衝突荷重（エネルギー）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者比良隆明千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属製の自動車車体フレーム構造部材の
うち自動車衝突時の衝突エネルギーを吸収する衝突エネ
ルギー吸収部材において、円管の内部に挿入された一ま
たは複数の円管および／または角管で隔壁を形成された
閉断面形状を有することを特徴とする衝突エネルギー吸
収部材。
【請求項２】金属製の自動車車体フレーム構造部材の
うち自動車衝突時の衝突エネルギーを吸収する衝突エネ
ルギー吸収部材において、角管の内部に挿入された一ま
たは複数の円管および／または角管で隔壁を形成された
閉断面形状を有することを特徴とする衝突エネルギー吸
収部材。
【請求項３】金属製の自動車車体フレーム構造部材の
うち自動車衝突時の衝突エネルギーを吸収する衝突エネ
ルギー吸収部材において、請求項１または２に記載の閉
断面形状を有する部材と、円管または角管とを、管軸方
向に連結してなることを特徴とする衝突エネルギー吸収
部材。
【請求項４】金属製の自動車車体フレーム構造部材の
うち自動車衝突時の衝突エネルギーを吸収する衝突エネ
ルギー吸収部材において、請求項１または２に記載の閉
断面形状を有する部材を複数相互に管軸方向に連結して
なることを特徴とする衝突エネルギー吸収部材。