JP2005082071A - 曲げ衝撃吸収部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ない質量増で曲げ衝撃エネルギ吸収能力を向上させる。
【解決手段】 閉断面構造を有する部材の内部に、外力が作用する位置を中心に支点間距離の２０〜５０％の位置に亘って多孔質金属が充填、固定されてなることを特徴とする、曲げ衝撃吸収部材。
【選択図】 図５

Description

本発明は、内部に多孔質金属を充填した閉断面構造部材であって、曲げ衝撃を受ける部材に関する。

多孔質金属とは、連通または独立した空孔・セルを有する金属部材のことで発泡アルミまたは発泡アルミニウムがその代表的なものである。この多孔質金属は衝撃荷重を受けると効率的にエネルギを吸収しながら変形が進行することから、閉断面部材の内部にこの材料を充填することにより、衝撃吸収部材が得られる。

また、発泡アルミを角筒に接着することなく充填して静的な曲げ試験が行われた例がある（例えば、非特許文献１参照。）。
「Ｂｅｎｄｉｎｇ Ｃｒｕｓｈ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｐａｒｔｉａｌｌｙ Ｆｏａｍ−Ｆｉｌｌｅｄ Ｓｅｃｔｉｏｎａｌｓ」Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２０００、２、Ｎｏ ４

この衝撃吸収特性を向上させるには、閉断面を構成する部材として高強度部材を使用するかあるいは肉厚を厚くするといったことが有効なのは当然である。しかし、高強度材は一般に成形性が劣るため、厳しい形状の成形ができないとか、成形性の良い低強度材を使用する場合には、成形後に部分的に熱処理して高強度化しなければならず、歪を生じたりコスト高なったりという問題がある。また、肉厚を厚くするということも、やはり成形性の低下につながり、何より部材の質量が増すといった問題点がある。

また、発泡アルミを単に角筒に充填しただけでは、曲げ衝撃に対する吸収が十分ではないという問題点がある。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたもので、その目的は多孔質金属を効率的に充填することにより、さらには接着固定することにより、少ない質量増で曲げ衝撃エネルギ吸収能力を向上させることにある。

本発明は、閉断面構造を有する部材の内部に、外力が作用する位置を中心に支点間距離の２０〜５０％の位置に亘って多孔質金属が充填、固定されてなることを特徴とする、曲げ衝撃吸収部材に関する。

本発明の曲げ衝撃吸収部材は、閉断面構造を有する部材の内部に、外力が作用する位置を中心に支点間距離の２０〜５０％の位置に亘って多孔質金属が充填、固定されてなることを特徴とするので、エネルギ吸収能力を質量、コストの点から効率的に向上させることができる。

本発明の曲げ衝撃吸収部材は、閉断面構造を有する部材の内部に、外力が作用する位置を中心に支点間距離の２０〜５０％の位置に亘って多孔質金属が充填、固定されてなることを特徴とする。ここで、「曲げ衝撃吸収部材」とは、例えば自動車のピラーなどのように外部から衝撃的な曲げ荷重が作用したときに、小さな変形量でそのエネルギを吸収することが可能な部材のことをいう。「閉断面構造」とは、少なくとも多孔質金属が充填されている部分の断面形状が閉構造であることをいう。代表例として、角筒などの筒状物が挙げられる。断面とは、閉断面構造を有する部材の長手方向に対する断面ではなくて、長手方向に対して垂直方向の断面をいう。衝撃荷重が作用して変形するときに閉断面でない個所があると、そこから多孔質金属が漏れ出すような形になって、エネルギの吸収が安定しなくなるからである。「外力が作用する位置」とは、曲げ衝撃吸収部材が最も衝撃を受ける確率が高い位置をいう。例えば、曲げ衝撃吸収部材がセンターピラーの場合には、側面衝突の際に外力を受ける。この部材はストレート形状ではなく、外に向かって湾曲した形状となっているため、その最も外側に膨らんだ位置が最初に外力が作用する位置であり、この位置が最も衝撃を受けることから、外力が作用する位置という。曲げ衝撃吸収部材をその他の部材として用いた場合にも、最も衝撃を受ける確率の高い位置を求め、その位置を外力が作用する位置とする。「支点」とは、曲げ衝撃吸収部材の長手方向の両端部が周囲の部材と結合している、それぞれの結合部をいう。「支点間距離」とは、曲げ衝撃吸収部材の長手方向において、その結合部の間隔をいう。次に、図面に基づいて、外力が作用する位置及び支点間距離を示す。図１は自動車のボディを示す概略側面図である。図２は図１のＡ部を抜き出した図面である。図１において、１がセンターピラーである。図２において、センターピラー１では、ｐが外力の作用する位置を、ｄが支点間距離を示す。

閉断面構造を有する部材としては、アルミ押し出し材を使用してもよいが、押し出し材では断面形状が一定の直線部材に限られることから、部位・形状が限定され現実的ではない。アルミ板材を成形、溶接して組み立ててもよいが、アルミは鋼に比べ成形性が劣り、複雑または厳しい形状にするのは困難でやはり現実的でない。鋼板をハット形状に成形し、内部に発泡アルミを充填・固定した後、プレート材で覆い、溶接する方法が、形状自由度や材料コストの面からも好ましい。

また、連通または独立した空孔・セルからなる多孔質金属の成形体を用いる特徴の１つに、軽量でエネルギ吸収性能が優れることが挙げられる。この成形体を閉断面構造部材中に充填することにより、例えば自動車のメンバーやピラー部材のようなエネルギ吸収部材への応用が可能である。ここで、ピラーのような曲げ衝撃吸収部材の場合には、通常は許容される変形量が小さく、小さな変位で大きなエネルギを吸収しなければならない。

さらに、支点間のスパンが長い場合にその充填の仕方が適切でないと、質量が増す割にエネルギ吸収の効果が小さいとか、高価な多孔質金属の使用量が増して部材のコスト高を招くという問題がある。多孔質金属の充填量が多くなると、当然エネルギ吸収性能は高くなる、一方で当然ながら部材の質量も増していく。充填量が２０％未満および５０％を超える場合には部材単位質量当たりのエネルギ吸収量は低く、２０〜５０％の範囲にあるときに質量的に最も効率的なエネルギ吸収能力を示すことが分かった。すなわち、２０％未満であるとエネルギ吸収性能はそれほど大きくない。一方、５０％を超えてもエネルギ吸収の向上は殆ど変わりなく、質量だけが増していくことになる。コストからみても、部品の単価当たりの効果も当然この範囲にある場合が最もよいことになる。

上記曲げ衝撃吸収部材において、多孔質金属の種類としては、特に限定されるものではないが、その質量と強度とのバランスや成形のし易さからいわゆる発泡アルミまたはアルミを主成分としＺｎ、Ｔｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｃｕなどを含む合金である発泡アルミ合金などの発泡金属が挙げられるが、中でも発泡アルミが望ましい。発泡アルミのなかには、表面にスキン層という中実のアルミ層を有するものと、スキン層を有しないものがあるが、いずれも使用可能である。発泡アルミは、公知の方法で製造することができる。例えば、溶融アルミにＴｉＨ_２などの発泡剤を添加して発泡させる方法、アルミ粉と発泡剤を塑性加工してプリカーサを作成し、それを加熱溶融させて発泡する方法、溶融アルミにガスを吹き込んで発泡させる方法を挙げることができる。発泡アルミは、例えば、神鋼鋼線工業（株）、アルライト社、サイマット社から市販されている。以下の説明においては、発泡アルミを多孔質金属の代表例として説明する。

上記曲げ衝撃吸収部材において、前記発泡アルミの見かけ密度が０．２〜１．０ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。その密度範囲も小さいものでは強度が低く、エネルギ吸収向上効果が不十分で、大きすぎると質量が増して単位質量当たりの効果が下がるとともに反力が高くなり好ましくない。従って、０．２〜１．０ｇ／ｃｍ^３のものが望ましい。閉断面構造を有する部材の強度や充填長さに応じてこの範囲から選ぶことができる。

上記曲げ衝撃吸収部材において、前記固定は接着剤で行われてなることが好ましい。発泡アルミを閉断面構造部材中に固定する方法としては、圧入や溶接、機械的締結等があるが、圧入の場合には寸法精度の厳しい管理が要求され、場合によっては発泡アルミを仕上げ加工せねばならない。溶接は可能ではあるが、溶接金属は鋼とアルミの合金になり、アルミの含有量が高いと割れが発生するため、溶け込み形状を厳しく管理しなければならない。機械的締結は確実な接合法であるが、２次加工が必要でコスト高になる。ところで、自動車の車体部材でも使用環境が高温でなければ接着による固定が可能である。後工程である塗装後の焼付け時の加熱において、接着材も硬化させることができ、工程増はなく、接着工程も自動化が簡単で生産的な方法である。また、加熱による歪もない。接着剤としては、ナイロン１１または１２、エポキシ樹脂反応型アクリル、シリコーン、付加型ポリイミド、二トリルゴム、フェノーリック−ポリビニルホルマール、フェノリック−ニトリルゴム、ナイロン−エポキシなどが挙げられる。接着剤の種類にもよるが、いわゆる構造用接着剤は面積が大きいとかなりの接着力を示し、閉断面構造部材の変形抵抗に十分寄与し、内部に充填した発泡アルミの効果をより大きくすることができる。構造用接着剤としては、エポキシ系または合成ゴム系が好ましい。エポキシ系接着剤の具体例にはサンダイン２４０３（アサヒコーポレーション（株））、合成ゴム系接着剤の具体例にはサンダイン１２５３Ｗ（アサヒコーポレーション（株））が挙げられる。

上記曲げ衝撃吸収部材において、前記発泡アルミは前記閉断面構造を有する部材との接触面積のうち接着されている面積の割合が２０〜７０％であることが好ましい。ここで、「接着されている面積」とは、例えば、表面にスキン層を有する場合には、接着面積は文字通り接着されている面積を意味し、一方、寸法精度を出すために表面を除去加工したといった理由などで表面に発泡セルがある場合には、実接着面積ではなくて、見かけの面積をいう。通常、見かけの面積は、四角形であれば（縦×横）で計算する。ここで、図面を用いて接着面積を示す。図３はスキン層有り無しの場合における閉断面部材と発泡アルミとの接着表面を示す断面図面である。図３において、（ａ）がスキン層なしの場合を示し、３ａが発泡アルミを、５ａが閉断面部材を、７ａが接触面積を示し、一方、（ｂ）がスキン層有りの場合を示し、３ｂが発泡アルミを、５ｂが閉断面部材を、７ｂが接触面積を、９がスキン層を示す。発泡アルミと閉断面構造部材とを構造用接着剤で接着する面積が大きすぎると、衝撃荷重を受けたときに、発泡アルミ充填部全体が変形しにくくなり、充填部分と非充填部分との境界部に荷重が伝わり、そこに変形が集中するため、かえってエネルギを吸収しなくなってしまう。また、逆に、接着面積が小さすぎると当然充填部分の変形抵抗の向上効果はない。したがって、接着面積は２０〜７０％が好ましい。接着剤の種類や部材形状に依存するけれども、この範囲で選ぶことができる。

上記曲げ衝撃吸収部材において、前記発泡アルミの断面、例えば閉断面部材の長手方向に垂直な断面は４角形であって、そのうちの対向する２面が前記閉断面構造を有する部材と接着固定または接着剤で固定されてなることが好ましい。通常の閉断面構造部材は、ハット形状に成形した鋼板に板状のままの鋼板を溶接して形成するため、断面形状は４角形である。内部に充填する発泡アルミの断面も当然４角形で、接着する場合も前述したように全面に接着するのでなく部分的に接着するのがよい。４面のうち１面だけでもよいが２面を接着すればより効果がある。３面以上接着すると接着面積が大きすぎて先に述べたように逆効果になる。２面を接着する場合は、隣り合った２面を接着するよりも対向する２面を接着したほうが強度面でバランスがよい。

上記曲げ衝撃吸収部材において、荷重負荷方向と同方向の２側面が接着固定されてなることが好ましい。対向する２面のうち衝撃荷重の負荷方向に対し直角方向、すなわち荷重を直接受ける面と底面を接着する場合には、荷重を受けた部分の部材が変形するときに内部の発泡アルミとの接着面に剥離方向の力が集中して作用し、接着面の局部剥離が起こる。それに対し、衝撃荷重負荷方向と同方向の２面、すなわち両側面を接着した場合には、接着面には主に剪断力が作用するが、この力に対しては接着面の破断抵抗があることから、部材全体の強度が高く、エネルギ吸収性能がより高い。

以下、実施例に基づいて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

図４は曲げ衝撃吸収部材に関する評価装置の概観を示す。図４において、符号１１は充填発泡アルミ、１３は閉断面構造を有する部材、１５は支点、１７は衝撃重錘を示す。

（実施例１〜２及び比較例１〜３）
板厚１．４ｍｍの鋼板をプレス成形してハット形状とし、内部に密度が０．４ｇ／ｃｍ^３の発泡アルミ（スキン層あり）を充填した。この場合、外力の作用する位置は、部材の長手方向の中央とした。発泡アルミの荷重負荷方向と同方向の２側面全部を接着剤（サンダイン１２５３Ｗ（アサヒコーポレーション（株）製）で固定した。その後、スポット溶接して高さ１００ｍｍ、幅９０ｍｍの断面を持つ９００ｍｍ長さの角筒を作製した。

この部材をスパン７００ｍｍの支点上におき、質量５００ｋｇの重錘を３ｍの高さから中央に落下させて衝撃３点曲げ試験を行った。このときの変位が１５０ｍｍまでの吸収エネルギを計測した結果を図５に示す。なお、発泡アルミ充填率が、８％（比較例１）、１５％（比較例２）、２９％（実施例１）、４３％（実施例２）、５８％（比較例３）について、各充填率について２サンプルについて評価した。図５から明らかなように、本発明例の発泡アルミの充填範囲が２０〜５０％の場合に最もエネルギ吸収効率が高かった。

（実施例３〜６及び比較例４）
板厚１．４ｍｍの鋼板をプレス成形してハット形状とし、内部に密度が０．４ｇ／ｃｍ^３の発泡アルミ（スキン層有り）を充填した。発泡アルミの充填範囲を３００ｍｍ一定にし、他は同様の条件とし発泡アルミの接着の仕方を変えて試験を行った。この場合、外力の作用する位置は、部材の長手方向の中央とした。接着剤としては、サンダイン２４０３（アサヒコーポレーション（株）製）を用いた。その後、スポット溶接して高さ１００ｍｍ、幅９０ｍｍの断面を持つ９００ｍｍ長さの角筒を作製した。

この部材をスパン７００ｍｍの支点上におき、質量５００ｋｇの重錘を３ｍの高さから中央に落下させて衝撃３点曲げ試験を行った。結果を図６に示す。図６において、（ａ）は接着なし（比較例４）、（ｂ）は４面接着（接着面積率１０％）（実施例３）、（ｃ）は４面全面接着（接着面積率１００％）（実施例４）、（ｄ）は２面接着（上面、底面）接着（接着面積率４７％）（実施例５）、（ｅ）２面（両側面）接着（接着面積率５３％）（実施例６）を示す。図６から明らかなように、本発明例である２面を接着して固定すると、接着しない場合よりさらにエネルギ吸収性能が向上している。

また、図７は充填発泡アルミの接着パターンの概観を示す。図７において、（ａ）〜（ｅ）は図６と同じ内容を示す。

本発明の曲げ衝撃吸収部材は、自動車のピラーなどのように外部から衝撃的な曲げ荷重が作用する個所に用いて、かかる荷重を吸収し、自動車全体への影響を緩和することに活用できる。

は自動車のボディを示す概略側面図である。 は図１のＡ部を抜き出した図面である。 はスキン層有り無しの場合における接着表面を示す断面図面である。 は実施例及び比較例で行った曲げ衝撃試験材の概観を示す図面である。 は実施例１〜２及び比較例１〜３での曲げ衝撃試験の結果を示すグラフである。 は実施例３〜６及び比較例４での曲げ衝撃試験の結果を示すグラフである。 は実施例３〜６及び比較例４で用いた充填発泡アルミの接着パターンを示す図面である。

符号の説明

１ センターピラー
３ａ，ｂ発泡アルミ
５ａ，ｂ閉断面部材
７ａ，ｂ接触面積
９ スキン層
１１ 充填発泡アルミ
１３ 閉断面構造を有する部材
１５ 支点
１７ 衝撃重錘

Claims (7)

1. 閉断面構造を有する部材の内部に、外力が作用する位置を中心に支点間距離の２０〜５０％の位置に亘って多孔質金属が充填、固定されてなることを特徴とする、曲げ衝撃吸収部材。
2. 前記多孔質金属が発泡アルミまたは発泡アルミ合金であることを特徴とする、請求項１記載の曲げ衝撃吸収部材。
3. 前記発泡アルミまたは発泡アルミ合金の見かけ密度が０．２〜１．０ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする、請求項２記載の曲げ衝撃吸収部材。
4. 前記固定は接着剤を用いて行われてなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の曲げ衝撃吸収部材。
5. 前記発泡アルミまたは発泡アルミ合金は前記閉断面構造を有する部材との接触面積のうち接着されている面積の割合が２０〜７０％であることを特徴とする、請求項４記載の曲げ衝撃吸収部材。
6. 前記発泡アルミまたは発泡アルミ合金の断面は４角形であって、そのうちの対向する２面が前記閉断面構造を有する部材と接着固定されてなることを特徴とする、請求項４記載の曲げ衝撃吸収部材。
7. 荷重負荷方向と同方向の２側面が接着固定されてなることを特徴とする、請求項６記載の曲げ衝撃吸収部材。

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