JP2009220635A - 自動車用補強部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、軸圧縮と曲げの複合変形を受ける部材に対してその衝撃吸収特性を高めるための補強部材構造を提供するものである
【解決手段】 縦壁部２ａ、斜壁部２ｂ、横壁部２ｃで構成される補強部材２を本体部材１の内部に配置することを特徴とする補強部材構造。軸圧縮と曲げが重畳する変形において本体部材１と補強部材２が変形を補償し合う事により、局所的な変形の集中を防止し、特に大変形での衝撃吸収特性を大幅に改善する。軸圧縮と曲げの重畳する変形の生じる領域に部分的に配置しても効果が高い。
【選択図】 図２

Description

本発明は、衝撃荷重を受けて座屈変形することによりエネルギを吸収する主に自動車用の補強部材に関する。

近年、自動車業界では、衝突時の乗員への傷害を低減しうる車体構造の開発が急務の課題となっている。また、一方で燃費改善のために車体の軽量化も重要である。そのためには衝突時のエネルギを効率的に吸収する構造とする必要がある。車体の各部位毎に荷重入力方向やその大きさは異なるが、大部分は軸圧縮と曲げおよびそれらの複合入力であり、それぞれに相応しい部材構造を検討する必要がある。

断面形状そのものを工夫する試みはこれまでにも様々に検討されている。特許文献１には中空のアルミ押し出し材の上面（荷重入力方向に近い面）を凸状に形成する方法が開示されている。これは主にバンパー補強材を想定した曲げによる荷重入力を念頭に置いたものであるが、さらに特許文献２には軸圧縮と曲げが複合した条件でも凸状の形状が有効であることが開示されている。また上面ではなく側面の形状としては特許文献３にＳ字状の形状とすることが曲げに対する抵抗を高めることが開示されている。しかしながら、自動車車体骨格構造への適用を考えると、特殊な断面形状の配置は他部材との接合に問題があることや部材長手方向で必ずしも同一断面形状とできないことなどを考慮すると難しい。

既存の部品形状を大きく変更することなく効率的にエネルギ吸収特性を向上させる方法として、部材内部に補強部材を配置する方法がある。自動車用の部材は通常内側と外側の部材をスポット溶接等の手段で接合し閉断面を形成するがその内側に別部材を配置するというものである。特許文献４には重量増を最小限に抑えるためにアルミの中空部材を配置して曲げ変形時の衝撃吸収能を上げる方法が開示されている。外側の部品の変形に伴い、この補強部材にも変形が生じることで変形荷重が高まるが、鋼製の部材とアルミ補強部材との接合はスポット溶接が難しいことから生産技術上の課題があり、かつこの方法は主に曲げの入力に対する対策となってしまっている。特許文献５には軸方向の荷重を受ける部材（サイドメンバ）において、中央部に凸状の形状を持つ補強部材を配置することが示されている。また、特許文献６には同様にサイドメンバに対して穴を空けた補強部材を配置することが示されている。前者においては凸形状が座屈荷重を増加させる方向に働く点が重要であり、また後者に関してはこの穴が座屈を誘発することで本体部材の座屈形態を制御しようとするものである。これらはいずれも軸圧縮方向に入力を受ける部材に関するものであり、軸圧縮と曲げが重畳する場合の最適構造とは言えない。

特開２００１−１１４０４４号公報 特開２００５−１８６７７７号公報 特開２００４−２４９８６８号公報 特開２００６−２６４４７６号公報 特開平１１−３１０１５２号公報 特開２００６−６２５５８号公報

本発明は、軸圧縮と曲げとの複合変形を受ける部材に対してその衝撃吸収特性を高めるための自動車用補強部材を提供するものである。

本発明者らは、軸圧縮と曲げの両方が作用する衝撃吸収部材に対してその変形挙動を詳細に観察し、従来の構造では早期の変形集中により変形荷重が低下していたのに対して、補強部材の追加により被補強部材の初期変形を補償して打ち消すことで、変形集中を遅らせることのできる補強部材構造を見出した。このような補強部材構造を用いることにより大きな変形が加わった場合の衝撃吸収エネルギを大幅に増加させることができた。本発明の要旨とするところは以下の通りである。

（１）軸圧縮および曲げの複合変形を受ける部材１の内側に、縦壁部２ａ、斜壁部２ｂ、横壁部２ｃで構成される部材２を配置したことを特徴とする自動車用補強部材。

（２）縦壁部２ａの高さＨと横壁部２ｃの幅Ｗが、部材１の上辺幅Ｗ０と高さＨ０に対して、０．２＜Ｈ／Ｈ０＜０．８、０．１＜Ｗ／Ｗ０＜０．９、を満たすことを特徴とする前記（１）に記載の自動車用補強部材。

（３）縦壁部２ａあるいは斜壁部２ｂのいずれか一方あるいは両方が部材長手方向と略垂直な凹状または凸状のビードを有することを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の自動車用補強部材。

（４）前記部材１の長手方向の一部に前記部材２を配置したことを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の自動車用補強部材。

本発明に基づいた補強部材構造を用いることにより、衝撃吸収エネルギを向上させることができる。それにより衝突安全性の向上が可能となり、また同等な衝撃吸収特性とする場合には軽量化が達成できる。それらを通じて製造コストの低減につながる。

自動車の骨格構造は多数の部品から構成される。また、骨格構造に求められる性能としても衝撃吸収特性だけではなく、剛性、強度耐久性、耐食性等様々な条件を満足することが必要とされる。従って、衝撃吸収特性の向上を考える場合に既存の構造からかけ離れたものとした場合には他部材との結合方法の大幅な見直しや、他の性能とのバランスの見極めなど設計に関わる作業工数が大幅に増加し、また生産技術上も新たな課題が発生する可能性があり、総合的な性能の優れたものを低コストで生産できない恐れがある。従って、新しい衝撃吸収構造を考える場合にも既存構造からの乖離ができるだけ小さいことが好ましい。

本発明者らは車体骨格の衝撃吸収性能に着目して検討してきたが、その結果大部分のエネルギが軸圧縮と曲げの複合変形にて吸収されることを見出した。ほぼ純粋な軸圧縮は衝突初期の特定の部材、例えばフロントやリアのサイドメンバの先端部に限られている。また曲げが主体の変形はバンパー補強部材や、ドア内部に配置されたインパクトビームなどに見られるのみである。これらの純粋な荷重条件での変形に対しては先に特許文献を例に挙げて示したとおり様々な手法が考案されているが、それらが重畳した変形で効果があるかどうかは未知数であった。

自動車用の実部材では長手方向に鉛直であるものは少なく、それに起因して軸圧縮のみの荷重入力であっても長手方向で形状が変化している箇所（屈曲部）では軸圧縮から曲げに変形が遷移していく。この際の問題は軸圧縮で高い変形抵抗を示す断面形状であっても、曲げに遷移すると急激に変形抵抗が減少し、従って衝撃吸収能が低下してしまうということであった。本発明者らの検討では特許文献５に開示されているような軸方向圧縮での変形抵抗を増大させる構造は曲げ変形に以降した時の荷重低下が激しく、複合変形での衝撃吸収能が著しく低下してしまうことが分かった。

従って、既存の部材構造を大きく変化させることなく、かつ軸圧縮と曲げの両方が作用する場合に高い衝撃吸収能を示す構造を見出すことが課題となった。本発明者らは特許文献５や特許文献６に開示されているような補強部材を有効に活用することに思い至った。このような補強部材の配置はそれを囲む本体部材の存在のために他部材との接合の際の問題が小さい。また既存構造をそのまま活用でき、かつ、長手方向で必要な部位（例えば屈曲部）のみに補強部材を配置すれば高い質量効率で衝撃吸収能を向上させることができる。

本発明者らは軸圧縮と曲げとの両方が作用する部材の崩壊挙動を詳細に観察した。軸圧縮のみが作用する場合には特許文献６に示されているように先行する部位での座屈が後続の座屈を誘発しており、それらの座屈モードが部材の中である一定の幾何学的関係を満たす場合にはいわゆるコンパクトモードと言われる座屈形態が生じ、衝撃吸収能が低下することなく高い効率が期待できる。しかしながら、曲げへの遷移が起こると曲げの変形が後続の座屈を誘発できずに曲げが生じた部位のみに変形が集中するため荷重が急速に低下してしまうことが分かった。従ってこのような曲げへの遷移時に変形集中を緩和すれば高い衝撃吸収能が期待できる。そこで補強部材による変形集中の抑制を試みた。その要旨は本体部材と補強部材の長手方向の自然座屈波長を断面形状の工夫により異なったものとすることである。

一般に長方形断面の部材を軸圧潰させた場合には長辺と短辺の平均値がほぼ長手方向の自然座屈波長となる（半波長分）。また多角形部材の場合は隣り合う辺の長さの平均が基本的な自然座屈波長となり、断面内の辺長のバランスによって実際の座屈波長が決まってくる。本発明者らは本体部材に対して多角形化させた補強部材を配置させることにより補強部材の平均辺長が小さくなることを利用することに思い至った。これにより本体部材に比べて補強部材の座屈波長を短くすることができる。

すなわち軸圧縮から曲げへの遷移が起こる場合に本体部材はその座屈波長に対応した位置に変形集中が生じ始めるが、一方補強部材は長手方向でそれとは異なる位置に変形が生じ始める。このように異なる位置に変形が生じた場合にはお互いにその変形を抑制し合い、結果として双方の箇所ともに変形集中が緩和されることが分かった。この補償作用により、さらに変形が進行した場合でも曲げ変形が一部の箇所に集中することがなく、従って高い衝撃吸収能が得られることが分かった。

図１に補強部材構造の典型的な例を示すが、部材（本体部材）１に対して部材（補強部材）２をオフセットさせ、さらに斜壁部２ｂを設け補強部材２を多角形化することが要点である。ここでは最も基本となるハット形状について主に検討したが斜壁部を設け多角形化することで本体部材との間に空隙のある状態で補強部材を配置し座屈波長の違いを利用するという構造は任意の多角形断面の本体部材に対して成立する。

先に述べた本体部材と補強部材の補償作用を確実に得るためには縦壁部２ａの高さＨと横壁部２ｃの幅Ｗが本体部材１ａの高さＨ０と上辺幅Ｗ０との間に０．２＜Ｈ／Ｈ０＜０．８、０．１＜Ｗ／Ｗ０＜０．９の関係が成立していることが好ましい。これにより斜壁部２ｂと縦壁部２ａ、横壁部２ｃとの寸法関係が規定されることになり、これらの関係を満たす場合に十分な斜壁部２ｂが形成でき本体部材１と補強部材２とが補償作用を持ちながら軸圧縮と曲げの複合変形に対して高い衝撃吸収能を持つことができる。

部材（本体部材）１と部材（補強部材）２との接合はスポット溶接により行うことができる。この際溶接性から双方ともに鋼製の部材とすることが好ましい。補強部材２は側壁部２ａにて本体部材ハット部１ａに接合する。さらに接合強度を高めるためには横壁部２ｃの部位でも接合を行うとより衝撃吸収能が高まる。また接合方法としては目的に応じレーザ溶接、リベット等の機械的接合も用いることができる。

ここでは代表的な例として本体部材１はハット部１ａとプレート部１ｂからなる比較的単純な形状を考えたがプレート部１ｂが平板でなく１ａと同様にハット形状であるようないわゆる両ハット形状の部材でも本補強部材構造は有効である。その際には１ｂ側にも補強部材２と同様なものを配置しても良い。基本的には本補強部材構造は軸圧縮から曲げに遷移する際に圧縮が加わる側（曲げ内側）に配置するのがより有効であるが、引張側に配置しても良い。

また補強部材２の変形時の抵抗を上げるために縦壁部２ａや斜壁部２ｂに凹状または凸状のビードを配置して局所剛性を上げることも有効であり好ましい。

実部材での本補強部材構造への配置を考えた場合には長手方向の一部に補強部材を配置することが質量効率上望ましい。特に長手方向に屈曲部が存在する場合にはその部位に補強部材を配置することが有効である。実際のフロントサイドメンバでは前端部での軸圧潰とその後端部（ダッシュパネル近傍）での軸圧縮と曲げの重畳が起こるが、そのタイミングを制御するために前側に板厚小または強度小の材料、後側に板厚大または強度大の材料をテイラードブランクの手法により配置することが行われる。本発明の補強部材は後端の屈曲部の強化に有効でありその部位のみに配置することでテイラードブランク等を用いることなく変形タイミングの制御も可能である。

［実施例１］
以下に実例を挙げながら、本発明の技術内容について説明する。

まず基本的な性能を把握するために図１に示したハット形状の閉断面部材を用いて補強部材構造を検討した。用いた部材の長さは３００ｍｍで、ハット部１ａの上辺幅Ｗ０は８０ｍｍ、高さＨ０は５０ｍｍ、角Ｒ寸法は５ｍｍ、スポット溶接用のフランジ幅２０ｍｍとした。またプレート部１ｂの幅は１３５ｍｍであり、１ａ、１ｂともに長手方向で断面形状は均一とした。本体部材１に用いた材料は板厚１．６ｍｍのＪＳＣ５９０Ｙ材（降伏強さ３７０ＭＰａ、引張強さ６２３ＭＰａ、伸び３４％）である。補強部材２には板厚１．０ｍｍのＪＳＣ５９０Ｙ材（降伏強さ３８１ＭＰａ、引張強さ６３５ＭＰａ、伸び３２％）を用いた。この部材に軸圧縮と曲げの複合変形を与えるためにハット部１ａ側が曲げの内側となるように１５°傾けた状態で試験機に設置し、上方鉛直方向から質量３００ｋｇの重錘を速度３０ｋｍ／ｈで衝突させた。評価項目としては時間に対して試験体下部に設置したロードセルを用いて変形反力を計測し、０ｍｓｅｃから５ｍｓｅｃまでの平均反力（平均反力１）と０ｍｓｅｃから１０ｍｓｅｃまでの平均反力（平均反力２）を求めた。表１にその結果のまとめを示す。

Ｎｏ．１は補強部材２のない部材での試験結果である。図２に反力−時間特性を示す。約２ｍｓｅｃ時点で反力にピークを示した後に再びそのピークを越えることなく反力は低下していった。変形挙動を詳細に観察したところ一旦生じた曲げ変形部位がその位置を変えることなく継続して変形するために反力が減少していったものと解釈できる。その結果平均反力（１）は６３．６ｋＮ、平均反力（２）は５３．５ｋＮとなり、その比は０．８４で曲げへの遷移後の吸収能が低いことが分かった。一方、Ｈ／Ｈ０が０．５、Ｗ／Ｗ０が０．３３とした補強部材２を部材１の全長に渡って追加したのがＮｏ．７である。同じく図２にその反力特性を示すが、初期のピークを示す時間はほぼ同等であるもののＮｏ．１と異なりその後約８ｍｓｅｃで再び初期ピークと同等以上の反力を示した。詳細に観察した結果補強部材２の効果により変形の一箇所への集中を緩和しており本発明の補強部材構造が高い効果を示すことが分かった。

さらに一般的に使用されている補強部材形状についてもその効果を検討した。Ｎｏ．２〜４は斜壁部２ｂを持たない場合であり、特にＮｏ．２は本体部材１ａをそのまま板厚分オフセットしたものであり実際にもよく使用されている。Ｎｏ．３は部材２がハット形状で高さが１ａの高さＨ０の５０％、Ｎｏ．４は８０％の場合である。補強部材を用いることによりピーク反力の上昇が起こるために平均反力（１）は上昇するが座屈形態自体はＮｏ．１と大差なく初期ピーク後に反力は低下してしまった。従って平均反力（２）は低いものとなり大変形を考えた時の衝撃吸収特性としては好ましくないものとなってしまうことが分かった。本発明の補強部材構造はある程度の大変形が加わる場合にその有効性が高まることが分かった。

Ｎｏ．５からＮｏ．１３はＨ／Ｈ０とＷ／Ｗ０の比率を種々変化させたものである。それぞれ優れた特性を示したが、Ｈ／Ｈ０が０．２を下回るか、０．８を上回った場合と、Ｗ／Ｗ０が０．１を下回るか、０．９を上回った場合には平均反力（２）と平均反力（１）との比が小さくなることが分かった。これは斜壁部２ｂを十分に確保することが本体部材１と補強部材２との補償作用を得るために重要であることを示していると考えられる。
［実施例２］
次に、ビードを付与した場合について説明する。表２に示すように、Ｎｏ．７はビードを付与しない例で、Ｎｏ．１４から１６は補強部材２にビードを配置したものである。

使用している材料や基本断面寸法、試験条件はすべて実施例１と同じであり、本体部材には板厚１．６ｍｍの材料を、補強部材には板厚１．０ｍｍの材料を用いた。ビードは幅１２．５ｍｍで最大深さが２．５ｍｍものを補強部材２の全体に形成した。Ｎｏ．１４は縦壁２ａにビードを配置したものである。図３（ａ）にそのビード形状の概略を示す。この部位に配置した場合には平均反力（１）を増加させるとともに平均反力（２）と平均反力（１）との比も高い値を示しており、縦壁部２ａへのビード配置が効果的であることが分かった。図３（ｂ）にはＮｏ．１５の部材において斜壁部２ｂに配置したビードの形状を示す。この場合は平均反力（２）と平均反力（１）との比が若干低下した。またＮｏ．１６は縦壁部２ａ、斜壁部２ｂともにビードを配置した場合であるが、その結果も同様であった。従って衝撃吸収能の最大化を考えてビードを配置する場合には縦壁部２ａへの配置が効果的であると考えられる。一方、座屈形態の制御や調整を行う際には補強部材２の斜壁部２ｂの一部へのビード配置も一案であると考えられる。また、ビードは壁部の内側或いは外側に突出するように設けることができる。

［実施例３］
これまでの実施例では鉛直部材を用いた場合であったが屈曲部を持つ部材についても検討した。図４にその部材形状を示す。全高８００ｍｍとし、中央部に１２５ｍｍの遷移領域を設けその領域で断面中心を２５ｍｍオフセットさせたＳ字状の部材とした。断面形状および使用した材料は実施例１で用いたものと同じである。試験は３００ｋｇの重錘を速度３０ｋｍ／ｈで鉛直に保持した部材に衝突させて実施例１と同様に反力を測定し、０ｍｓｅｃから５ｍｓｅｃまでの平均反力（平均反力（１））と０ｍｓｅｃから１０ｍｓｅｃまでの平均反力（平均反力（２））とを評価した。その結果を表３に示す。

Ｎｏ．１７は比較例で補強部材を用いない場合であるが、平均反力（１）に比べて平均反力（２）が小さくなっており大変形の衝撃吸収特性としては優れないことが分かった。Ｎｏ．１８は全長に渡ってＨ／Ｈ０が０．５、Ｗ／Ｗ０が０．３３とした補強部材２を部材１の全長に渡って配置したものである。この部材を配置することにより平均反力（１）と平均反力（２）およびそれらの比も高い値を示しており優れた衝撃吸収能を示すことが分かった。さらにＮｏ．１９は１２５ｍｍの屈曲部を中心にして高さ３００ｍｍの部分にＮｏ．１８と同じ断面形状を持つ補強部材を配置した場合である（図４の４にて示す位置）。この場合補強部材を配置していない領域の座屈により決まる平均反力（１）はＮｏ．１７とほぼ同等であるが、屈曲部での変形が問題となる平均反力（２）が高くなり、結果として大変形域での衝撃吸収特性に優れることが分かった。本部材の場合屈曲部が軸圧縮と曲げの重畳する領域であり、この部位に部分的に本発明の補強部材構造を配置することが有効であることが分かった。

本発明に関わる補強部材構造の概念図である。 本発明及び比較例の反力−時間特性を示す図である。 ビード形状の概略を示す図で、（ａ）は縦壁部２ａへのビード配置の概略を示す図、（ｂ）は斜壁部２ｂへのビード配置の概略を示す図である。 実施例３で用いた屈曲部を持つ部材を示す図である。

符号の説明

１ 部材（本体部材）
１ａ 本体ハット部
１ｂ 本体プレート部
２ 部材（補強部材）
２ａ 補強部材縦壁部
２ｂ 補強部材斜壁部
２ｃ 補強部材横壁部
３ 屈曲部を持つ部材（本体部材）
４ 屈曲部を持つ部材（本体部材）に配置した部材（補強部材）
５ ビード

Claims (4)

1. 軸圧縮および曲げの複合変形を受ける部材１の内側に、縦壁部２ａ、斜壁部２ｂ、横壁部２ｃで構成される部材２を配置したことを特徴とする自動車用補強部材。
2. 縦壁部２ａの高さＨと横壁部２ｃの幅Ｗが、部材１の上辺幅Ｗ０と高さＨ０に対して、０．２＜Ｈ／Ｈ０＜０．８、０．１＜Ｗ／Ｗ０＜０．９、を満たすことを特徴とする請求項１に記載の自動車用補強部材。
3. 縦壁部２ａあるいは斜壁部２ｂのいずれか一方あるいは両方が部材長手方向と略垂直な凹状または凸状のビードを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の自動車用補強部材。
4. 前記部材１の長手方向の一部に前記部材２を配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の自動車用補強部材。

Images