JP2010031936A - 衝撃エネルギ吸収部材 - Google Patents

Abstract

【課題】部材の拡径・縮径変形を利用した衝撃吸収を行うにあたり、衝突後の安定した拡径・縮径変形を継続して得ることが可能な衝撃エネルギ吸収部材を提供する。
【解決手段】筒状のエネルギ吸収部材の本体Ｅは筒軸方向の断面が波形形状の高剛性部５が金属母材部４内に一体的に埋設されて形成されている。衝撃荷重ＩＮが軸心方向から入力されたとき、高剛性部５は、波形形状の山部と谷部とを基点として折り畳まれるように塑性変形していく。一方、金属母材部４は、折り畳まれる高剛性部５によって、軸心に対して垂直となる径方向に押出され、拡径・縮径変形し、高剛性部５から内側の部分は内径方向、外側の部分は外径方向に移動することでエネルギ吸収を行っている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、衝撃エネルギ吸収部材に関し、特に、圧縮荷重が入力されたときに塑性変形を行うことでエネルギを吸収する衝撃エネルギ吸収部材に関するものである。

従来、自動車の車体構造には、衝突時の乗員の安全性を確保するために、クラッシュカン等座屈変形を利用した衝撃吸収装置が採用されている。この衝撃吸収装置は、一定値を超える衝撃荷重が作用すると自ら座屈変形することで衝撃エネルギを吸収するものである。
このような衝撃吸収装置の構成としては、蛇腹状の筒状体、或いはハニカム部材が用いられている。

座屈変形や亀裂進展による不安定な現象を利用する衝撃吸収装置では、僅かな製造上の誤差により変形モードが変化する可能性があり、特に、座屈変形を利用する衝撃吸収では、衝撃吸収のメカニズムの観点から、長い衝撃吸収部材を必要とする。このような諸状況に鑑み、座屈変形に代わる衝撃吸収形態として、衝撃吸収部材を拡径・縮径変形させる衝撃吸収部材が提案されている。

特許文献１は、短筒形状の第１の部材と同心軸上に積み重ねられた短筒形状の第２の部材とからなり、接着剤、或いはロウ付け等で接合された両部材の接続部分が同心軸に対して傾斜するように構成されている。この構成により、軸心方向の衝撃荷重を受けたとき、第１の部材は拡径後塑性変形し、第２の部材は縮径後塑性変形する、所謂軸心方向の衝撃荷重を径方向に分散することになり、座屈変形を利用することなく、部材全体で衝撃荷重を吸収することができる。

ＷＯ２００６／０２５５５９ Ａ１

特許文献１では、拡径・縮径現象を利用するため、座屈変形を利用するものに比べてエネルギ吸収効率の高い衝撃吸収装置を得ることができる。この拡径・縮径現象を安定して得るには、第１の部材と第２の部材との軸心の位置を、変形の開始から終了までに亙り同位置に維持することが前提条件として不可欠である。

また、実際の衝撃荷重は常に正面から入力されるとは限らず、軸心に対してある程度ばらつきを持った角度で衝撃荷重が入力することが殆どである。このような場合、衝撃によって、第１の部材と第２の部材との軸心位置にずれが生じることが推測され、拡径・縮径現象の進行に支障をきたすことになる。つまり、製造時の軸心位置の精度は必要であるが、これと同様に、衝突荷重の入力によって拡径・縮径現象が開始された後の軸心位置の精度がなければ、安定した衝撃吸収は困難である。

本発明の目的は、部材の拡径・縮径変形を利用した衝撃吸収を行うにあたり、衝突後の安定した拡径・縮径変形を継続して得ることが可能な衝撃エネルギ吸収部材を提供することである。

請求項１の発明は、筒状の本体を有する衝撃エネルギ吸収部材において、本体は、金属母材部と、この金属母材部よりも強度が高く且つこの金属母材部内に略同心状に一体化されると共に筒軸を含む平面における断面が波形形状とされる筒状の高剛性部とから構成され、高剛性部は、本体に筒軸方向の圧縮荷重が入力したとき、筒軸方向に折り畳み変形すると共に、金属母材部を拡径変形及び縮径変形させることを特徴とする。

請求項１の発明では、筒状の高剛性部の断面が波形形状であるため、衝撃荷重を効果的に径方向に分散することができる。また、高剛性部の存在により、衝撃荷重の入力角度に拘らず、衝撃荷重を金属母材部の拡径・縮径変形に変換することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、金属母材部はＡｌ合金製鋳物であり、高剛性部は筒状の強化繊維成形体の空隙にＡｌ合金材料を充填して形成されたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、金属母材部はＡｌ合金製鋳物であり、高剛性部はＡｌ合金製鋳物で鋳ぐるまれた筒状の鋼板であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２又は３の発明において、金属母材部は、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｍｇ系合金製鋳物であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、衝撃エネルギ吸収部材は、車両のフロントフレーム、又はクラッシュカンであることを特徴とする。

請求項１の衝撃エネルギ吸収部材によれば、本体は、金属母材部と、この金属母材部よりも強度が高く且つこの金属母材部内に略同心状に一体化されると共に筒軸を含む平面における断面が波形形状とされる筒状の高剛性部とから構成され、高剛性部は、本体に筒軸方向の圧縮荷重が入力したとき、筒軸方向に折り畳み変形すると共に、金属母材部を拡径変形及び縮径変形させるため、部材の拡径・縮径変形を利用した衝撃吸収を行うにあたり、衝突後の安定した拡径・縮径変形を継続して得ることができる。

つまり、衝撃荷重の入力角度に拘らず、高剛性部が折り畳み変形して金属母材部が拡径変形及び縮径変形し、衝撃エネルギ吸収部材全体で変形開始から終了に亙って安定したエネルギ吸収効果を得ることができる。しかも、高剛性部を金属母材部内に同心状に一体化するため、生産性も優れている。

請求項２の衝撃エネルギ吸収部材によれば、金属母材部はＡｌ合金製鋳物であり、高剛性部は筒状の強化繊維成形体の空隙にＡｌ合金材料を充填して形成されるため、軽量で且つ製造が容易となる。

請求項３の衝撃エネルギ吸収部材によれば、金属母材部はＡｌ合金製鋳物であり、高剛性部はＡｌ合金製鋳物で鋳ぐるまれた筒状の鋼板であるため、製造が容易となる。

請求項４の衝撃エネルギ吸収部材によれば、金属母材部は、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｍｇ系合金製鋳物であるため、延性、耐力、引張り強度、及び金型への焼付性に優れた衝撃エネルギ吸収部材を得ることができる。

請求項５の衝撃エネルギ吸収部材によれば、衝撃エネルギ吸収部材は、車両のフロントフレーム、又はクラッシュカンであるため、エネルギ吸収効率の高いフロントフレーム、又はクラッシュカンを得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図２は、本発明の実施例１に係るエネルギ吸収部材の本体Ｅを示しており、このエネルギ吸収部材の本体Ｅは、図１に示すように、例えば車両１前部における車幅方向の両側位置で車両前後方向に夫々延びるフロントサイドフレーム２の前端部分や、フロントサイドフレーム２の前端とバンパレインフォースメントとの間に介在されるクラッシュカン３として、単独、或いは各部材に組込まれて用いられる。

図２に示すように、クラッシュカン３に適用される本体Ｅは、筒状の金属母材部４と、この金属母材部４内に一体的に埋設された高剛性部５によって構成されている。寸法範囲は、直径４０〜１００ｍｍ、肉厚２〜８ｍｍ、長さ８０〜１５０ｍｍである。

金属母材部４は、エネルギ吸収に必要な延性に優れたＡｌ合金製鋳物で構成される。本実施例の金属母材部４では、Ｍｎ：０．５〜２．５重量％，Ｆｅ：０．１〜１．５重量％，Ｍｇ：０．０１〜１．２重量％，Ａｌ：残部とされ、Ｔｉ：０．１〜０．２重量％，Ｂ：０．０１〜０．１重量％，Ｂｅ：０．０１〜０．２重量％のうち少なくとも１つの添加剤が添加された高延性のＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｍｇ系合金材料を用いている。

高剛性部５は、平均繊維径３〜５μｍ、繊維長さ５〜１０ｃｍ、体積率Ｖ_ｆ＝２５％とされ、アルミナ繊維とシリカ繊維との混合による波形形状の予備成形体６（以下、プリフォームと示す）の空隙に金属母材部４のＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｍｇ系合金材料が充填されて構成されている。また、高剛性部５の軸心Ｃ５は金属母材部４の軸心Ｃ４と同一直線となっている。

図３に基づいて、プリフォーム６の成形工程を説明する。
平均繊維径３〜５μｍ、繊維長さ５〜１０ｃｍとされるアルミナ繊維とシリカ繊維との混合繊維材料Ｍを準備する。繊維材料としては、シリコンカーバイト繊維、スチールワイヤ、ニッケルセルメット等を用いることも可能である。シリコンカーバイト繊維の場合、平均繊維径１０〜１５μｍ、繊維長さ５〜１０ｃｍ、スチールワイヤの場合、平均繊維径８〜１２μｍ、繊維長さ数ｃｍとする。

攪拌工程では、前記繊維材料Ｍと水に添加剤を加えた溶液Ｓとを混ぜて攪拌する。
添加剤は、図４に示すように、プリフォーム強化剤、付着促進剤及び分散剤で構成される。プリフォーム強化剤はプリフォームの強度の確保、付着促進剤はアルミナゾルの付着促進、分散剤は繊維の分散性向上を目的としており、夫々の薬品例として、粉状アルミナゾル、硫酸アンモン及びポリアミドが挙げられる。

吸引・脱水工程では、溶液Ｓに溶解されている繊維材料Ｍを脱水装置１０に移し替えた後、排水口１１から水分を吸引することで、繊維材料Ｍから水分を排出する。

水分調整工程では、脱水装置１０内に移された繊維材料Ｍの水分割合を調整するため、プレス手段１２で繊維材料Ｍを圧縮する。プレス手段１２は、体積率Ｖ_ｆが２５％となるように圧縮力が調整され、発生した水分は排水口１１から排出される。

体積率Ｖ_ｆは２０〜３０％の範囲で設定されている。体積率Ｖ_ｆが２０％未満では、金型鋳造時、プリフォーム６の内部まで金属母材部４が侵入してしまい、内部の強度が向上すると共に金属母材部４と高剛性部５との分離性を確保できない。また、３０％を超えると、金属母材部４の侵入が不十分となり、プリフォーム６表面の強度が不足する。

型成形工程では、波形状の成形面を有する成形型１３により、水分調整が完了した繊維材料Ｍを波形状に型成形する。型成形工程後の繊維材料Ｍは、断面が波形となった板状となっている。

筒状体成形工程では、板状の繊維材料Ｍを筒軸を含む平面における断面が波形形状となるように筒状体に形成している。この筒状の繊維材料Ｍを乾燥させた後、６４０〜８４０℃で１．５時間焼結させてプリフォーム６が成形する。

図５〜図７に基づき、プリフォーム６を金属母材部４内に一体的に鋳ぐるむ金型鋳造工程について説明する。図５に示すように、溶融されたＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｍｇ系合金材料Ｍｔを注入装置１４に注湯する。

金型１５の上型１６を型開きした後、下型１７の所定の配置位置にプリフォーム成形工程で成形したプリフォーム６を配置し、図６に示すように、上型１６を下降させて下型１７に型合わせする。下型１７には、注入装置１４が最終段階で設置される開口部１８、この開口部１８から成形空間１９までの溶湯の経路を形成する湯道２０が設けられている。
成形空間１９内には、本体Ｅの内部空間を形成すると共に、プリフォーム６を下型１７に位置決めする中子２１が配置されている。

図７に示すように、プリフォーム６が配置された下型１７の開口部１８に、溶融されたＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｍｇ系合金材料Ｍｔを収容した注入装置１４を設置後、注入装置１４を作動させて成形空間１９内に湯道２０を経由して合金材料Ｍｔを充填する。
成形空間１９内に充填された合金材料Ｍｔは、プリフォーム６の繊維間の空隙に充填された後硬化することで高剛性部５を形成し、エネルギ吸収部材の本体Ｅが完成する。

図８及び図９に基づいて、エネルギ吸収部材のエネルギ吸収作用について説明する。
図８ａは衝突前のエネルギ吸収部材の本体Ｅの状態、図８ｂは拡径・縮径変形途中の状態、図８ｃは拡径・縮径変形後の状態を示す。図９は図８ａの要部拡大図を示す。

図８ａに示すように、筒状の本体Ｅは筒軸方向の断面が波形形状の高剛性部５が金属母材部４内に一体的に埋設されて形成されている。衝撃荷重が入力される前における本体Ｅの外周の半径はＬａ、内周の半径はｌａである。

図８ｂに示すように、衝撃荷重ＩＮが軸心方向上方から入力されたとき、高剛性部５は、波形形状の山部５ｍと谷部５ｌとを基点として折り畳まれるように図面上、上方から下方に向かって塑性変形していく。一方、金属母材部４は、折り畳まれる高剛性部５によって、軸心に対して垂直となる径方向に押出され、拡径・縮径変形する。これにより、高剛性部５から内側の金属母材部分は内径方向、外側の金属母材部分は外径方向に移動する。このとき、内周及び外周夫々の半径は、ｌｂ＜ｌａ及びＬａ＜Ｌｂとなっている。

更に、高剛性部５の折り畳みに伴い金属母材部４の拡径・縮径変形が進行し、衝撃荷重ＩＮのエネルギ吸収が完了する。図８ｃに示すように、内周及び外周夫々の半径は、ｌｃ＜ｌｂ＜ｌａ及びＬａ＜Ｌｂ＜Ｌｃとなっている。つまり、衝撃荷重ＩＮの入力が大きい程、金属母材部４の内周面は内径方向に突出、所謂縮径変形し、金属母材部４の外周面は外径方向に突出、所謂拡径変形することでエネルギ吸収を行っている。

前記衝撃吸収のメカニズムを、図９により、更に詳細に説明する。尚、便宜上、高剛性部５の所定領域における山部５ｍと谷部５ｌとの間を夫々５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとする。更に、５ａと５ｂとに挟まれる金属母材部４の内径側所定部位Ａ、５ｂと５ｃとに挟まれる金属母材部４の外径側所定部位Ｂ、５ｃと５ｄとに挟まれる金属母材部４の内径側所定部位Ｃとし、衝撃荷重ＩＮは上方から入力されるものとする。

プリフォーム６の体積率Ｖ_ｆが２５％の範囲で設定されているため、金属母材部４はプリフォーム６の表面近傍部分に侵入しており、高剛性部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは表面部分の強度は高く、その内部は表面部分に比べて強度が低くなっている。尚、体積率Ｖ_ｆが３０％を超えない範囲とされているため、高剛性部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの表面部は充分な強度を確保している。

高剛性部５は本体Ｅの一端から他端に亙って、金属母材部４と同様に連続して設けられているため、一端に入力された衝撃荷重ＩＮは高剛性部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ等を折り畳み変形させながら伝播して他端に伝達される。荷重が伝達される際、山部５ｍが存在するため、高剛性部５ａ，５ｂは山部５ｍを基点として両者が形成する角度が減少、所謂高剛性部５ａ，５ｂが形成する空間を閉じる状態となる。

衝撃荷重ＩＮの入力前は、高剛性部５ａ，５ｂの表面と部位Ａの表面とは、金属母材部４がプリフォーム６の空隙に充填されているため、所定の結合力で結合している。荷重の入力による高剛性部５ａ，５ｂの変形によって、高剛性部５ａ，５ｂの表面と部位Ａの表面との間に剪断力が発生する。この剪断力が金属母材部４とプリフォーム６との結合力を超えると共に高剛性部５ａ，５ｂの圧縮力が金属母材部４の強度よりも大きくなったとき、矢印で示すように部位Ａが内径方向に向かって縮径変形を開始する。

同様に、高剛性部５ｂ，５ｃが谷部５ｌを基点として変形を開始し、一定の変形量を超えたとき、部位Ｂの外径方向への拡径変形が生じる。部位Ｃも同様である。（図９の矢印参照）以上の説明のように、高剛性部５によって、一端に入力された衝撃荷重ＩＮを他端まで伝達することができ、この伝達を利用して高剛性部５の拡径・縮径変形を生じさせている。つまり、衝撃荷重ＩＮの入力角度に拘らず、入力荷重は本体Ｅ全体に亙って伝達され、金属母材部４の径方向の塑性変形を生じさせることができる。

図１０に基づいて、実施例２に係るエネルギ吸収部材の本体Ｅ２について説明する。尚、実施例１と同様の部材は同様の符号を付している。実施例１との相違点は、実施例１では高剛性部５をプリフォーム６の空隙に金属母材部４を充填したのに対し、本実施例２では鋼板を用いている点である。

図１０に示すように、本体Ｅ２は、筒状の金属母材部４と、この金属母材部４内に一体的に埋設された高剛性部２２によって構成されている。

金属母材部４は、エネルギ吸収に必要な延性に優れたＡｌ合金製鋳物で構成される。高剛性部２２は、筒状体で、筒軸を含む平面における断面形状が波形形状の鋼板で構成されている。
また、高剛性部２２の軸心Ｃ２２は金属母材部４の軸心Ｃ４と同一直線となっている。

高剛性部２２は、鋼板を波形状の成形面を有するプレス型によって断面波形形状とされ、この波形鋼板を筒軸方向の断面が波形形状となるように筒状体に形成することで構成されている。この筒状体を実施例１と同様の金型を用いて、金属母材部４内に一体的に鋳ぐるむことで本体Ｅ２は構成されている。

以上の構成により、鋼板をプレス成形し、これを金型鋳造することでエネルギ吸収部材の本体Ｅ２を得ることができ、エネルギ吸収特性を容易に製造することができる。また、鋼板に、低融点金属めっきを行い、エネルギ吸収特性を更に向上させることも可能である。めっきの種類として、亜鉛めっき、Ｚｎ−Ａｌ，Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ，Ｓｎ−Ｚｎ等の亜鉛合金めっきが適している。

当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

本発明の実施形態に係るエネルギ吸収部材が適用されるフロントフレームを示す一部破断の側面図である。 実施例１に係るエネルギ吸収部材の断面図である。 実施例１に係るプリフォームの成形工程を示す説明図である。 繊維材料の攪拌工程における添加剤を示す図表である。 金型鋳造工程の注入装置の説明図である。 金型鋳造工程のプリフォーム配置時の金型図である。 金型鋳造工程の注湯前の金型図である。 実施例１に係るエネルギ吸収部材の作用説明図であって、（ａ）は衝突前の状態、（ｂ）は拡径・縮径変形途中の状態、（ｃ）は拡径・縮径変形後の状態を示す図である。 図８ａの要部拡大図である。 実施例２に係るエネルギ吸収部材の断面図である。

符号の説明

１ 車両
２ フロントフレーム
３ クラッシュカン
４ 金属母材
５，２２ 高剛性部
６ プリフォーム
Ｅ，Ｅ２ （エネルギ吸収部材の）本体

Claims (5)

1. 筒状の本体を有する衝撃エネルギ吸収部材において、
   前記本体は、金属母材部と、この金属母材部よりも強度が高く且つこの金属母材部内に略同心状に一体化されると共に筒軸を含む平面における断面が波形形状とされる筒状の高剛性部とから構成され、
   前記高剛性部は、前記本体に筒軸方向の圧縮荷重が入力したとき、筒軸方向に折り畳み変形すると共に、前記金属母材部を拡径変形及び縮径変形させることを特徴とする衝撃エネルギ吸収部材。
2. 前記金属母材部はＡｌ合金製鋳物であり、前記高剛性部は筒状の強化繊維成形体の空隙にＡｌ合金材料を充填して形成されたことを特徴とする請求項１に記載の衝撃エネルギ吸収部材。
3. 前記金属母材部はＡｌ合金製鋳物であり、前記高剛性部は前記Ａｌ合金製鋳物で鋳ぐるまれた筒状の鋼板であることを特徴とする請求項１に記載の衝撃エネルギ吸収部材。
4. 前記金属母材部は、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｍｇ系合金製鋳物であることを特徴とする請求項２又は３に記載の衝撃エネルギ吸収部材。
5. 衝撃エネルギ吸収部材は、車両のフロントフレーム、又はクラッシュカンであることを特徴とする請求項１に記載の衝撃エネルギ吸収部材。