JP2007015543A - エネルギ吸収部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 良好なエネルギの吸収能を有しかつ重量増加を抑制し得るエネルギ吸収部材を提供する。
【解決手段】 軸線方向Ｘを中心としてねじり回転した立体構造を有するねじれ部１２０を有する。ねじれ部１２０は、軸線方向Ｘからの荷重入力によって、圧潰される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エネルギ吸収部材およびその製造方法に関する。

エネルギ吸収部材は、軸線方向からの荷重の入力によって圧潰されることによって、エネルギを吸収する部材であり、日型や田型等のリブ構造を有するアルミニウム合金押し出し材を適用することで、エネルギ吸収の効率化を図っている（例えば、特許文献１〜３参照。）。
特開平８−９１１５４号公報 特開２０００−３１８５５２号公報 特開２００５−１４８３６号公報

しかし、リブ構造は、エネルギの吸収能を増加させるが、重量を増加させる問題を有する。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好なエネルギの吸収能を有しかつ重量増加を抑制し得るエネルギ吸収部材およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
軸線方向を中心としてねじり回転した立体構造を有するねじれ部を有し、
前記ねじれ部は、前記軸線方向からの荷重入力によって、圧潰される
ことを特徴とするエネルギ吸収部材である。

上記目的を達成するための請求項９に記載の発明は、
請求項１〜８のいずれか１項に記載のエネルギ吸収部材を製造するための製造方法であって、
前記ねじれ部に対応するキャビティを有する成形型の内部に、前記エネルギ吸収部材の管状素材を配置し、
前記管状素材の内部に、液圧を付与し、膨出変形させる
ことを特徴とする製造方法である。

請求項１に記載の発明によれば、ねじれ部の立体構造における稜線は、稜線方向のみならず稜線を折り曲げる方向にも力を受けるので、ねじれ部は、圧潰変形の際に、ねじりモーメントを発生させる。ねじりモーメントは、エネルギ吸収部材に連結される別部材に伝達され、拘束を受けるため、蛇腹状の圧潰変形を単純に生じる場合に比べ、圧潰変形開始後の荷重変動が少なく、かつ、大きなエネルギ吸収量を得ることができる。また、リブ構造を有しないため、重量を増加させない。したがって、良好なエネルギの吸収能を有しかつ重量増加を抑制し得るエネルギ吸収部材を提供することができる。

請求項９に記載の発明によれば、管状素材の外面は、膨出変形により、成形型のキャビティに当接し、キャビティに対応する形状を有することとなる。キャビティは、ねじれ部に対応する部位を有するため、ねじれ部が容易に形成される。ねじれ部は、上述のように、蛇腹状の圧潰変形を単純に生じる場合に比べ、圧潰変形開始後の荷重変動が少なく、かつ、大きなエネルギ吸収量を得ることができる。また、リブ構造を有しないため、重量を増加させない。つまり、良好なエネルギの吸収能を有しかつ重量増加を抑制し得るエネルギ吸収部材の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るエネルギ吸収部材を説明するための斜視図、図２は、図１のエネルギ吸収部材に適用される素材を説明するための斜視図である。

エネルギ吸収部材１００は、鋼材からなる管状素材１０に液圧成形を適用することで形成される長尺状の液圧成形品であり、軸線方向に対する直角方向に関し、閉断面構造を有する。管状素材１０は、例えば、押し出し材や、板材の端面を接合して形成される成形体を、利用することが可能である。

エネルギ吸収部材１００は、端部（一方および他方の端部）１１０およびねじれ部１２０を有する。ねじれ部１２０は、軸線方向Ｘを中心としてねじり回転した立体構造を有し、軸線方向Ｘからの荷重入力によって、圧潰される。端部１１０は、別部材（不図示）にそれぞれ連結される。ねじれ部１２０は、略矩形断面形状を有する。しかし、ねじれ部１２０は、他の多角形断面形状を有することも可能である。

ねじれ部１２０の立体構造における稜線は、稜線方向のみならず稜線を折り曲げる方向にも力を受けるので、ねじれ部１２０は、圧潰変形の際に、ねじりモーメントを発生させる。ねじりモーメントは、端部１１０（エネルギ吸収部材１００）に連結される別部材に伝達され、拘束を受けるため、蛇腹状の圧潰変形を単純に生じる場合に比べ、圧潰変形開始後の荷重変動が少なく、かつ、大きなエネルギ吸収量を得ることができる。また、リブ構造を有しないため、重量を増加させない。

エネルギ吸収部材１００は、エネルギ吸収能が向上しているため、管状素材１０を薄肉化し、板厚を削減しても、所定のエネルギ吸収能を確保することが可能であり、エネルギ吸収部材１００を軽量化することができる。

別部材は、エネルギ吸収部材１００とＴ字状に締結され、軸線方向Ｘからの荷重入力が加わる部材であり、例えば、バンパ骨格部材や、車体骨格部材等の自動車車体部品である。エネルギ吸収部材１００が、バンパ骨格部材と車体骨格部材との間に配置される場合、ねじれ部１２０は、パンパ骨格部材からの荷重入力によって圧潰され、車両前面からの衝突エネルギを効率的に吸収することが可能である。つまり、エネルギ吸収部材１００は、軸線方向から荷重が入力する自動車構造部材に極めて好適である。

以上のように、エネルギ吸収部材１００は、圧潰変形開始後の荷重変動が少なく、大きなエネルギ吸収量を得ることが可能であり、かつ、リブ構造を有しないため、重量を増加させない。なお、符号１２，１６は、管状素材１０の端部をそれぞれ示し、符号１４は、端部１２，１６によって挟まれる中間部を示している。

図３は、図１のエネルギ吸収部材の製造方法に適用される液圧成形装置を説明するための断面図、図４は、図３の線ＩＶ−ＩＶに関する断面図である。

液圧成形装置２００は、液圧供給手段および成形型を有する。液圧供給手段は、管状素材１０の端部１２，１６の開口部に挿入され、端部１２，１６を密閉するノズル２１０，２２０を有する。

ノズル２１０は、例えば、増圧シリンダを利用する圧力発生装置や成形媒体源から延長する配管２２５が接続される。配管２２５は、ノズル２１０の内部を延長する流路２１５に、連結されている。流路２１５は、ノズル２１０の先端に開口部２１６を有する。成形媒体は、配管２２５および流路２１５を経由し、開口部２１６から、管状素材１０の内部に導入される。成形媒体は、例えば、水である。

成形型は、上型２３０、下型２３５、側方型２４０，２４５、補助型２５０，２５５，２６０，２６５を有する。上型２３０および下型２３５は、互いに近接離間自在に配置される。側方型２４０，２４５は、互いに近接離間自在に配置される。上型２３０、下型２３５および側方型２４０，２４５は、全体として、エネルギ吸収部材１００の端部１１０に対応するキャビティおよびねじれ部１２０に対応するキャビティ（図４参照）を構成する。

補助型２５０，２５５は、管状素材１０の肉厚およびノズル２１０の外周形状を考慮した半円形状の凹部を有し、互いに近接離間自在に配置されており、ノズル２２０が挿入された管状素材１０の端部１２を上下方向から押圧し、ノズル２１０と端部１２との間の密閉を、確実とするために使用される。補助型２６０，２６５は、管状素材１０の肉厚およびノズル２２０の外周形状を考慮した半円形状の凹部を有し、互いに近接離間自在に配置されており、ノズル２２０が挿入された管状素材１０の端部１６を上下方向から押圧し、ノズル２２０と端部１６との間の密閉を、確実とするために使用される。

次に、図１のエネルギ吸収部材の製造方法を説明する。図５は、素材の設置を説明するための断面図、図６は、図５に続く、形締めを説明するための断面図、図７は、図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩに関する断面図、図８は、図６に続く、膨出変形を説明するための断面図である。

まず、管状素材１０が、下型２３５に設置される。この際、管状素材１０の中間部１４が、下型２３５におけるねじれ部１２０に対応するキャビティに位置決めされる。そして、管状素材１０の端部１２，１６の開口部に、ノズル２１０，２２０が挿入される（図５参照）。

補助型２５０，２５５は、近接することで、管状素材１０の端部１２を、上下方向から押圧し、開口部の内面と、ノズル２１０の外周との間を密着させ、補助型２６０，２６５は、同様に、端部１６の内面と、ノズル２２０の外周との間を密着させる（図６および図７参照）。この際、管状素材１０の端部１２，１６の開口部は、強制的に変形させられ、管状素材１０の機密性が確実に確保される。

その後、配管２２５および流路２１５を経由し、成形媒体が、ノズル２１０の先端の開口部２１６から、管状素材１０の内部に導入され、管状素材１０の内部に液圧が付与される。液圧が上昇し、管状素材１０の膨出が開始すると共に、側方型２４０，２４５は近接し、管状素材１０を側方向から押圧する。

続いて、上型２３０および下型２３５は、徐々に近接し、管状素材１０を上下方向から押圧する。管状素材１０の内部の液圧は、上型２３０、下型２３５および側方型２４０，２４５による押圧によって、座屈しないように、制御される。この際、管状素材１０の水平方向の側壁面には、圧縮歪は殆ど付与されないが、縦方向の側壁面には、圧縮歪が付与される。

液圧が所定の最終値に到達すると、成形媒体の供給が停止され、所定時間保持される（図８参照）。そして、除圧した後、型開し、エネルギ吸収部材１００（図１参照）が取り出される。

以上のように、本実施の形態に係る製造方法によれば、管状素材１０の外周は、膨出変形により、成形型（上型２３０、下型２３５および側方型２４０，２４５）のキャビティに当接し、キャビティに対応する形状を有することとなる。キャビティは、ねじれ部１２０に対応する部位を有するため、ねじれ部１２０が容易に形成される。ねじれ部１２０は、上述のように、蛇腹状の圧潰変形を単純に生じる場合に比べ、圧潰変形開始後の荷重変動が少なく、かつ、大きなエネルギ吸収量を得ることができる。また、リブ構造を有しないため、重量を増加させない。

なお、膨出変形により形成されるねじれ部１２０は、軸線方向を中心としてねじり回転した立体構造を有するため、全周に渡って、せん断歪が付与され、また、ねじれ部１２０の縦方向の側壁面には、圧縮歪が付与される。一方、ねじれ部１２０を有しない場合、縦壁面にのみ圧縮歪が付与され、上面には歪は殆ど付与されない。つまり、エネルギ吸収部材１００は、良好な加工硬化歪を得ることが可能である。

次に、図１のエネルギ吸収部材に適用される圧潰試験方法を説明する。図９は、テストピースの作成を説明するための斜視図、図１０は、図９のテストピースの作成における条件１〜８および比較例を説明するための図表である。

圧潰試験方法に適用されるテストピース３００は、エネルギ吸収部材１００の端部１１０を切断して、作成されたねじれ部１２０からなる。

ねじれ部１２０のねじれ角θ［度］を変更し、９種類のテストピース３００を作成した。条件１〜４は、反時計方向ＣＣＷに関し、ねじれ角θが、５，１５，２０，３０度の場合である。条件５〜８は、時計方向ＣＷに関し、ねじれ角θが、５，１５，２０，３０度の場合である。比較例は、ねじれ角θが「０」であり、ねじれ部１２０を有しない。

また、条件１および５、条件２および６、条件３および７、条件４および８、比較例の形状係数Ｆは、それぞれ、０．０８、０．２３、０．３１、０．４５、０．００である。形状係数Ｆは、軸線方向の長さＬ［ｍｍ］、ねじれ角θ［ラジアン］およびねじれ部の端面の断面面積Ｓ［ｍｍ^２］を、下記の式に代入して、得られた数値である。

図１１は、図９に続く、テストピースに対する取付け治具の固定を説明するための斜視図、図１２は、図１１に続く、取付け治具の組付けを説明するための斜視図である。

テストピース３００は、切断面からなる端面３０２，３０６を有し、固定治具３３０および湾曲部材３５０の間に配置される。端面３０２は、エネルギ吸収部材１００の軸線方向Ｘに対する横直交方向および縦直交方向によって定義される。

端面３０２の近傍の側壁には、フランジ部品３１０が溶接される。フランジ部品３１０は、通し穴３２２を有するバックプレート３２０が溶接される。固定治具３３０は、ボルト穴３３２を有する。ボルト穴３３２は、フランジ部品３１０の通し穴３２２に対応して位置決めされている。

テストピース３００の端面３０２は、ボルト３３４を、フランジ部品３１０の通し穴３２２に挿入し、固定治具３３０のボルト穴３３２に螺合させることで、固定治具３３０に固定される。

端面３０６は、湾曲部材３５０の湾曲形状に合致する形状を有し、フロントプレート３４０が溶接される。フロントプレート３４０は、ネジ山加工が施されたピン３４２が固定されている。湾曲部材３５０は、通し穴３５４が形成される端部３５２を有する。通し穴３５４は、フロントプレート３４０のピン３４２に対応して位置決めされている。

テストピース３００の端面３０６は、ピン３４２を湾曲部材３５０の通し穴３５４に、挿入し、ピン３４２の貫通先端部を、ナット３５６と螺合させることで、湾曲部材３５０の端部３５２に固定される。なお、湾曲部材３５０の他方の端部３５８には、テストピース３００と同様の形状を有するダミー部材３００Ａが、固定されている。

図１３は、図１２に続く、テストピースとストライカの衝突を説明するための側面図、図１４は、図１３の線ＸＩＶ−ＸＩＶに関する断面図である。

固定治具３３０および湾曲部材３５０の間に固定して配置されたテストピース３００に対し、テストピース３００（エネルギ吸収部材１００）の軸線方向から、ストライカ３６０を衝突させた際の反力を、計測した。ストライカ３６０の重量および速度は、５００ｋｇおよび５ｍ／秒である。

次に、圧潰試験結果を説明する。図１５は、条件１〜８および比較例の場合におけるエネルギ吸収量を説明するためのグラフ、図１６は、形状係数とエネルギ吸収量との関係を説明するためのグラフである。

エネルギ吸収能は、ストライカ３６０と湾曲部材３５０との接触後、テストピース３００が衝突方向への変位９０ｍｍを満たした時点での、エネルギ吸収量［Ｊ］によって評価した。

図１５から理解されるように、重量が略一致する比較例と比べると、ねじれ角θが１５度を超えると、反時計方向ＣＣＷおよび時計方向ＣＷに係わらず、エネルギ吸収量が明確に増加している。したがって、エネルギ吸収部材１００におけるねじれ部１２０の存在によるエネルギ吸収能の向上が、確認された。

また、図１６から理解されるように、エネルギ吸収量の明確な増加が見られる領域は、形状係数Ｆに関しては、０．２５以上である。さらに、形状係数Ｆが０．４以上である場合、比較例に比べ、エネルギ吸収量が１０％を越えて増加した。つまり、形状係数Ｆは、０．２５以上が好まく、０．４以上がさらに好ましい。

以上のように、本実施の形態は、良好なエネルギの吸収能を有しかつ重量増加を抑制し得るエネルギ吸収部材およびその製造方法を提供することが可能である。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。

例えば、エネルギ吸収部材は、自動車車体以外の製品や部品に適用することが可能であり、また、素材として、鋼材以外の金属材料を使用することも可能である。

本発明の実施の形態に係るエネルギ吸収部材を説明するための斜視図である。 図１のエネルギ吸収部材に適用される素材を説明するための斜視図である。 図１のエネルギ吸収部材の製造方法に適用される液圧成形装置を説明するための断面図である。 図３の線ＩＶ−ＩＶに関する断面図である。 図１のエネルギ吸収部材の製造方法を説明するための断面図であり、素材の設置を示している。 図５に続く、形締めを説明するための断面図である。 図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩに関する断面図である。 図６に続く、膨出変形を説明するための断面図である。 図１のエネルギ吸収部材に適用される圧潰試験方法を説明するための斜視図であり、テストピースの作成を示している。 図９のテストピースの作成における条件１〜８および比較例を説明するための図表である。 図９に続く、テストピースに対する取付け治具の固定を説明するための斜視図である。 図１１に続く、取付け治具の組付けを説明するための斜視図である。 図１２に続く、テストピースとストライカの衝突を説明するための側面図である。 図１３の線ＸＩＶ−ＸＩＶに関する断面図である。 圧潰試験結果を説明するためのグラフであり、条件１〜８および比較例の場合におけるエネルギ吸収量を示している、 圧潰試験結果を説明するためのグラフであり、形状係数とエネルギ吸収量との関係を示している。

符号の説明

１０・・管状素材、
１２，１６・・端部、
１６・・中間部、
１００・・エネルギ吸収部材、
１１０・・端部、
１２０・・ねじれ部、
２００・・液圧成形装置、
２１０，２２０・・ノズル、
２１５・・流路、
２１６・・開口部、
２２５・・配管、
２３０・・上型、
２３５・・下型、
２４０，２４５・・側方型、
２５０，２５５，２６０，２６５・・補助型、
３００・・テストピース、
３００Ａ・・ダミー部材、
３０２，３０６・・端面、
３１０・・フランジ部品、
３２０・・バックプレート、
３２２・・通し穴、
３３０・・固定治具、
３３２・・ボルト穴、
３３４・・ボルト、
３４０・・フロントプレート、
３４２・・ピン、
３５０・・湾曲部材、
３５２，３５８・・端部、
３５４・・通し穴、
３５６・・ナット、
３６０・・ストライカ、
ＣＣＷ・・反時計方向、
ＣＷ・・時計方向、
Ｆ・・形状係数、
Ｓ・・断面面積、
Ｘ・・軸線方向、
θ・・ねじれ角。

Claims (9)

1. 軸線方向を中心としてねじり回転した立体構造を有するねじれ部を有し、
   前記ねじれ部は、前記軸線方向からの荷重入力によって、圧潰される
   ことを特徴とするエネルギ吸収部材。
2. 前記エネルギ吸収部材は、前記軸線方向に対する直角方向に関し、閉断面構造を有することを特徴とする請求項１に記載のエネルギ吸収部材。
3. 前記ねじれ部は、多角形断面形状を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエネルギ吸収部材。
4. 前記ねじれ部は、略矩形断面形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエネルギ吸収部材。
5. 前記軸線方向の長さＬ［ｍｍ］、前記ねじれ部のねじれ角θ［ラジアン］および前記ねじれ部の端面の断面面積Ｓ［ｍｍ^２］が、
   

   

   の関係を満たしていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記エネルギ吸収部材。
6. 前記ねじれ部を挟んで位置する一方および他方の端部を有し、前記一方および他方の端部は、別部材にそれぞれ連結されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のエネルギ吸収部材。
7. 前記別部材は、自動車車体部品であることを特徴とする請求項６に記載のエネルギ吸収部材。
8. 前記自動車車体部品は、自動車車体のバンパ骨格部材および車体骨格部材であり、前記ねじれ部は、前記パンパ骨格部材からの荷重入力によって圧潰されることを特徴とする請求項７に記載のエネルギ吸収部材。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のエネルギ吸収部材を製造するための製造方法であって、
   前記ねじれ部に対応するキャビティを有する成形型の内部に、前記エネルギ吸収部材の管状素材を配置し、
   前記管状素材の内部に、液圧を付与し、膨出変形させる
   ことを特徴とする製造方法。

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