JP2010249236A

JP2010249236A - エネルギー吸収部材

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Publication number: JP2010249236A
Application number: JP2009099431A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Akazaki; 圭輔赤▲崎▼; Masatoshi Yoshida; 正敏吉田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2029-04-15
Also published as: JP5179429B2

Abstract

【課題】６角形又は８角形の外周壁と前記外周壁に接続される内壁からなるアルミニウム合金押出形材製のエネルギー吸収部材の改良。従来より軽量で、多くのエネルギー量を吸収できるようにする。
【解決手段】押出方向に垂直な断面において、外辺１〜６により構成される６角形の外周壁と、外周壁の各対辺の中央部に接続しかつ互いに１箇所でクロスする３個の内辺１３〜１５を有する。このエネルギー吸収部材を軸方向に圧縮変形させると、外周壁の各頂点を挟んで隣接する２辺のうち内壁との接続箇所に挟まれた部分（隣接する結節点に挟まれた屈曲辺２２〜２７）が、それぞれ各頂点を座屈変形の「腹」として外周壁の閉断面の内側又は外側の同一方向に座屈変形する。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸方向に衝撃又は静的荷重が負荷された場合に、軸方向に変形しながらエネルギーを吸収するエネルギ吸収部材に関する。

近年、環境への負荷を低減するという目的から、自動車をはじめとして、様々な分野で軽量化ニーズが高まっている。自動車用クラッシュボックスなどのエネルギー吸収部材もそのようなニーズが高い部品の一つである。このような背景から、従来の鋼製に代わってアルミニウム合金押出形材などの軽金属製エネルギー吸収部材の適用も検討され、実際に採用されている。

アルミニウム合金押出形材からなるエネルギー吸収部材として、４角形の外周壁と２組の対辺にそれぞれ接続しかつ互いにクロスする２個の内壁からなる略田形断面のもの（特許文献１）、６角形の外周壁と対向する頂点に接続しかつ互いに１箇所でクロスする３個の内壁からなるもの（特許文献２）が、一般に知られている。この断面の押出形材に対し、軸方向に衝撃又は静的な圧縮荷重を掛けると、略田形断面では、４角形の頂点の強度が高いため各頂点を座屈変形の「節」とし、かつ内壁と外周壁との接続箇所も「節」として蛇腹状に軸方向に繰り返し変形しながらエネルギーを吸収し、６角形断面においても、頂点（外周壁と内壁との接続箇所でもある）を「節」として蛇腹状に軸方向に繰り返し変形しながらエネルギーを吸収する。また、８角形の外周壁と対向する頂点に接続しかつ互いに１箇所でクロスする複数個の内壁からなる断面が、特許文献３に記載されている。
なお、本発明において、座屈変形の「節（ｎｏｄｅ）」とは外周壁又は内壁が蛇腹状に変形する際に張り出しの基点になる箇所であり、「節」自体は張り出さず、「節」と「節」の間の壁面が張り出し変形（外周壁であれば閉断面の内側又は外側に張り出し変形）する。このように張り出し変形する部分を座屈変形の「腹（ｌｏｏｐ）」という。

特許第３５２０９５９号公報特開平１１−２０８５１９号公報特開２００４−１０６６１２号公報

しかし、軽量化ニーズの高まりの中で、この種のエネルギー吸収部材について、重量当たりのエネルギー吸収量をさらに高めて、所定のエネルギーを吸収するための重量をさらに低減することが求められている。
一方、エネルギー吸収部材が軸方向に圧縮荷重を受けて座屈変形するとき、荷重変動が大きくなるのを抑制し、エネルギー吸収性能を向上させるためには、多角形断面を構成する辺数を増やし、各辺の幅を短くすることが有効とされている。これは座屈変形の波長が短くなり、荷重変動の周期が短くなることで、荷重変動の振幅を抑える効果があるためである。また、多角形断面を構成する辺が偶数の方が、圧縮荷重を軸方向に受けたとき、蛇腹状変形の伝達の位相をそろえて変形の伝達がスムースに進行させることができる。従って、多角形断面は偶数角が望ましく、かつ４角形より６角形又は８角形が望ましい。
従って、本発明の目的は、６角形又は８角形の外周壁と前記外周壁に接続される内壁からなるアルミニウム合金押出材製のエネルギー吸収部材を改良し、従来より軽量で、多くのエネルギー量を吸収できるエネルギー吸収部材を提供することを目的とする。

本発明に係るエネルギー吸収部材は、押出方向に垂直な断面において６角形の外周壁と前記外周壁の各対辺に接続しかつ互いに１箇所でクロスする３個の内壁を有するアルミニウム合金押出材からなり、軸方向に圧縮荷重を受けて前記外周壁が座屈変形するとき、前記外周壁の各頂点を挟んで隣接する２辺のうち内壁との接続箇所に挟まれた部分が、それぞれ各頂点を座屈変形の「腹」として座屈変形することを特徴とする。
また、本発明に係るエネルギー吸収部材は、押出方向に垂直な断面において８角形の外周壁と前記外周壁の各対辺に接続しかつ互いに１箇所でクロスする４個の内壁を有するアルミニウム合金押出材からなり、軸方向に圧縮荷重を受けて前記外周壁が座屈変形するとき、前記外周壁の各頂点を挟んで隣接する２辺のうち内壁との接続箇所に挟まれた部分が、それぞれ各頂点を座屈変形の「腹」として座屈変形することを特徴とする。

アルミニウム合金押出形材が多角形の対向する頂点間を接続する内壁を有する場合、軸方向に圧縮荷重が作用すると、外周壁は頂点（外周壁と内壁との接続箇所）を座屈変形の「節」として蛇腹状に折畳まれるが、この蛇腹変形の間、「節」と「節」の間の座屈変形の「腹」になる壁面の座屈強度はそれほど高くない。一方、本発明の場合、外周壁と内壁の接続箇所が座屈変形の「節」となり、前記外周壁の各頂点を挟んで隣接する２辺のうち内壁との接続箇所に挟まれた部分（この部分を屈曲部を有する辺と見ることができる）が、それぞれ各頂点を座屈変形の「腹」として、外周壁の閉断面の内側又は外側の同一方向に座屈変形する。その結果、座屈変形の「腹」になる壁面の座屈強度が、屈曲部が無い場合に比べて高くなり、アルミニウム合金押出形材全体の平均圧壊荷重も高くなり、エネルギー吸収量が増加する。

エネルギー吸収部材（本発明モデルＡ）の断面形状を示す図である。エネルギー吸収部材（比較例モデルＡ）の断面形状を示す図である。エネルギー吸収部材（本発明モデルＢ）の断面形状を示す図である。エネルギー吸収部材（比較例モデルＢ）の断面形状を示す図である。エネルギー吸収部材（本発明モデルＡ）の斜視図（左）及び変形図（斜視図：右上、平面図：右下）である。エネルギー吸収部材（比較例モデルＡ）の斜視図（左）及び変形図（斜視図：右上、平面図：右下）である。エネルギー吸収部材（本発明モデルＢ）の斜視図（左）及び変形図（斜視図：右上、平面図：右下）である。エネルギー吸収部材（比較例モデルＢ）の斜視図（左）及び変形図（斜視図：右上、平面図：右下）である。エネルギー吸収部材（本発明モデルＡ，比較例モデルＡ）の荷重／断面積−変位曲線である。エネルギー吸収部材（本発明モデルＢ，比較例モデルＢ）の荷重／断面積−変位曲線である。

以下、本発明に係るエネルギー吸収部材（アルミニウム合金押出形材）について、図１〜図１０を参照して説明する。
まず、比較例として、図２及び図４に従来のアルミニウム合金押出形材の断面（押出方向に垂直な断面）を示す。図２に示す断面（比較例Ａ）は、６角形の外周壁（外辺１〜６）と、対向する頂点（頂点７と頂点１０，頂点８と頂点１１，頂点９と頂点１２）に接続しかつ互いに１箇所で交差する内壁（内辺１３〜１５）からなる。外周壁はちょうど正６角形を横方向に潰した形状で、全ての頂点７〜１２の内角は鈍角であり、外辺１〜６は同じ長さを有し、全体がＸ軸（横軸）及びＹ軸（縦軸）に対して面対称であり、外周壁と内壁の各辺はいずれも平板状である。
図４に示す断面（比較例Ｂ）は、８角形の外周壁（外辺３１〜３８）と、対向する頂点（頂点３９と頂点４３，頂点４０と頂点４４，頂点４１頂点４５，頂点４２と頂点４６）に接続しかつ互いに１箇所で交差する内壁（内辺４７〜５０）からなる。外周壁はちょうど正８角形を横方向に潰した形状で、全ての頂点３９〜４６の内角は鈍角であり、外辺３１〜３８は同じ長さを有し、全体がＸ軸及びＹ軸に対して面対称であり、外周壁と内壁の各辺はいずれも平板状である。

次に、本発明に係るアルミニウム押出形材の断面（押出方向に垂直な断面）を図１、図３に示す。図１に示す断面（本発明例Ａ）は、６角形の外周壁（外辺１〜６）と前記外周壁の各対辺（外辺１と外辺４，外辺２と外辺５，外辺３と外辺６）の中央部に接続しかつ互いに１箇所でクロスする３個の内壁（内辺１３〜１５）からなる。外周壁と内壁の接続箇所（結節点という）に、１６〜２１の番号を付与している。この本発明例Ａは、外周壁は図２の断面と同じであり、全体がＸ軸及びＹ軸に対して面対称であり、外周壁と内壁の各辺はいずれも平板状である。
図１において、外周壁の各頂点を挟んで隣接する２辺（例えば頂点８を挟んで隣接する２辺は外辺１と外辺２）のうち内壁との接続箇所（外辺１，２と内壁との接続箇所は結節点１６，１７）に挟まれた部分、言いかえれば隣接する２つの結節点に挟まれた部分は、折れ部を有する１つの屈曲辺（番号２２〜２７で示す）とみなすことができる。例えば隣接する結節点１６，１７に挟まれた部分が屈曲辺２２である。

図３に示す断面（本発明例Ｂ）は、８角形の外周壁（外辺３１〜３８）と前記外周壁の各対辺（外辺３１と外辺３５，外辺３２と外辺３６，外辺３３と外辺３７，外辺３４と外辺３８）の中央部に接続しかつ互いに１箇所でクロスする４個の内壁（内辺４７〜５０）からなる。外周壁と内壁の接続箇所（結節点という）に、５１〜５８の番号を付与している。この本発明例Ｂは、外周壁は図４の断面と同じであり、全体がＸ軸及びＹ軸に対して面対称であり、外周壁と内壁の各辺はいずれも平板状である。
図３において、外周壁の各頂点を挟んで隣接する２辺（例えば頂点３９を挟んで隣接する２辺は外辺３１と外辺３２）のうち内壁との接続箇所（辺３１，３２と内壁との接続箇所は結節点５１，５２）に挟まれた部分、言いかえれば隣接する２つの結節点に挟まれた部分は、折れ部を有する１つの屈曲辺（番号５９〜６６で示す）とみなすことができる。例えば隣接する結節点５１，５２に挟まれた部分が屈曲辺５９である。

なお、上記の例では、６角形又は８角形断面のＸ軸方向とＹ軸方向の幅が異なり、かつ、外周壁の各外辺１〜６，３１〜３８が同じ長さを有し、断面全体がＸ軸及びＹ軸に対して面対称となっていたが、６角形又は８角形の外周壁を有し、各対辺に接続する３個又は４個の内壁が互いに１箇所でクロスするのである限り、本発明はこのような断面に限定されない。例えば正６角形又は正８角形の外周壁を有するものも，本発明に含まれる。

図１〜図４に示す本発明モデルＡ，Ｂ及び比較例モデルＡ，Ｂについて、軸方向に圧縮変形させたときの変形形態をＦＥＭ解析して求めた。
ＦＥＭ解析の材料モデルは、０．２％耐力が２４０ＭＰａの６０００系アルミニウム合金押出形材からなるものとし、基本断面の外形寸法が１１５ｍｍ×７０ｍｍ、押出方向の長さが３００ｍｍ、肉厚が全て２．０ｍｍとした。
ＦＥＭ解析には、汎用の有限要素法解析ソフトＬＳ−ＤＹＮＡを用いた。端部の拘束条件は端板を溶接で設置する場合を想定して、圧壊方向以外の変位と回転を拘束し、剛体で押し込む態様とし、ＨＡＺの軟化は無視した。

ＦＥＭ解析の結果を図５〜８、図９，１０及び表１に示す。
図９，１０は、図１〜図４に示す本発明モデルＡ，Ｂ及び比較例モデルＡ，Ｂで得られた応力−変位曲線を対比して示すものである。モデルにより断面積が若干異なるため。断面積の差を無視するために、荷重Ｐを断面積Ａで除して、応力（単位断面積あたりの荷重）の次元で比較している。
表１は，図１〜図４に示す本発明モデルＡ，Ｂ及び比較例モデルＡ，Ｂの、断面積、変位６０ｍｍ〜１８０ｍｍの区間で求めた平均荷重及び断面積あたりの荷重を示す。
図５〜図８の変形図は，変位量１５０ｍｍにおける変形図である。

図６，８は比較例モデルＡ，Ｂの変形図である。比較例モデルＡの外周壁は、頂点７〜１２（外周壁と内壁との結節点でもある）を座屈変形の「節」（図中に□印を付与）として蛇腹状に変形し、比較例モデルＢの外周壁も同じく、頂点３９〜４６（外周壁と内壁との結節点でもある）を座屈変形の「節」（図中に□印を付与）として蛇腹状に変形する。座屈変形の「腹」になる部分は屈曲部のない外辺１〜６又は外辺３１〜３８である。なお、比較例モデルＡ，Ｂの内壁は、外周壁と内壁の接続箇所（結節点）及び内壁同士がクロスする箇所を座屈変形の「節」として変形している．

図５，図７は本発明モデルＡ，Ｂの変形図である。本発明モデルＡの外周壁は、結節点１６〜２１を座屈変形の「節」（図中に□印を付与）として蛇腹状に座屈変形し、外周壁の頂点７〜１２はこの座屈変形の「腹」となり（図中に○印で示す）、隣接する結節点に挟まれそれぞれ１つの折れ部を有する屈曲辺２２〜２７が、それぞれ１枚の板として外周壁の閉断面の内側又は外側の同一方向に変形する。
本発明モデルＢの外周壁も同様に、結節点５１〜５８を座屈変形の「節」（図中に□印を付与）として蛇腹状に座屈変形し、外周壁の頂点３９〜４６はこの座屈変形の「腹」となり（図中に○印で示す）、隣接する結節点に挟まれそれぞれ１つの折れ部を有する屈曲辺５９〜６６が、それぞれ１枚の板として外周壁の閉断面の内側又は外側の同一方向に変形する。
結節点１６〜２１，３９〜４６に挟まれた屈曲辺２２〜２７，５９〜６６は、それぞれが折れ部を有するため各辺の座屈強度が高く、その結果、断面全体の圧壊荷重が高く、エネルギー吸収量も比較例の場合よりも増加する。なお、本発明モデルＡ，Ｂの内壁は、比較例の場合と同様に、外壁との接続箇所（結節点）と内壁がクロスする箇所を「節」として座屈変形している．

図９，１０及び表１をみると、本発明例Ａ，Ｂはそれぞれ比較例Ａ，Ｂよりも断面積あたりの圧壊荷重が高くなっており、発明の効果を確認することができる。
なお、上記の実施例で、座屈変形の「腹」となる頂点７〜１２，３９〜４６はいずれも内角が鈍角とされている。そして、この内角が大きいほど、また各屈曲辺２２〜２７，５９〜６６の頂点７〜１２，３９〜４６を挟む両辺（頂点と結節点の間の辺）の幅厚比Ｌ／ｔ（Ｌは各辺の板幅、ｔは各辺の板厚・・・図１，図３に例示）が小さいほど、前記頂点が座屈変形の「腹」となりやすい。座屈変形の「腹」になり得る頂点の内角及び前記辺（頂点と結節点の間の辺）の幅厚比Ｌ／ｔは、ＦＥＭ解析又は実験的に容易に確認することができ、一般に内角を直角又は鈍角、幅厚比Ｌ／ｔを３５以下の範囲内に設定することが望ましい。

１〜６，３１〜３８外周壁を構成する外辺
７〜１２，３９〜４６頂点
１３〜１５，４７〜５０内壁を構成する内辺
１６〜２１，５１〜５８外周壁と内壁の接続箇所（結節点）
２２〜２７，５９〜６６屈曲辺（隣接する結節点に挟まれた部分）

Claims

押出方向に垂直な断面において６角形の外周壁と前記外周壁の各対辺に接続しかつ互いに１箇所でクロスする３個の内壁を有するアルミニウム合金押出材からなり、軸方向に圧縮荷重を受けて前記外周壁が座屈変形するとき、前記外周壁の各頂点を挟んで隣接する２辺のうち内壁との接続箇所に挟まれた部分が、それぞれ各頂点を座屈変形の「腹」として座屈変形することを特徴とするエネルギー吸収部材。
押出方向に垂直な断面において８角形の外周壁と前記外周壁の各対辺に接続しかつ互いに１箇所でクロスする４個の内壁を有するアルミニウム合金押出材からなり、軸方向に圧縮荷重を受けて前記外周壁が座屈変形するとき、前記外周壁の各頂点を挟んで隣接する２辺のうち内壁との接続箇所に挟まれた部分が、それぞれ各頂点を座屈変形の「腹」として座屈変形することを特徴とするエネルギー吸収部材。