JP2011126490A - バンパー構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】バリヤ衝突に際して発生するバンパーリインフォースの引張荷重による溶接部の割れを防止し、あるいは仮に溶接部に割れが生じてもその伝播を抑え、溶接部の剥がれが生じないようにして、衝突エネルギー吸収性能の低下を防止する。
【解決手段】バンパーリインフォース１とバンパーステイ２の間に中空断面のアルミニウム押出材からなる天板３を、押出方向を車体上下方向に向けて配置し、バンパーリインフォース１とバンパーステイ２に対し溶接接合する。天板３の前側フランジがバンパーリインフォース１の端部真直部６に溶接される。
【選択図】図１

Description

本発明は、両端部が車体後方側に曲げられたアルミニウム押出材製のバンパーリインフォースの背面側に、一対のアルミニウム押出材製のバンパーステイが配置されたバンパー構造体の改良に関する。

バンパーリインフォースの背面側に一対のバンパーステイが接合したバンパー構造体において、バンパーリインフォースの中央部に衝突荷重が掛かると、接合部の車幅方向外側の部分に引張荷重が掛かる（特許文献１参照）。特にバンパーリインフォースの両端部が車体後方側に曲げられ、該両端部にバンパーステイが接合している場合、衝突荷重によりバンパーリインフォースの前記両端部が曲げ戻され、その曲げ戻し力により車幅方向外側の接合部に強い引張荷重が掛かる。このため、バンパーリインフォースとバンパーステイが溶接接合されている場合、溶接部の車幅方向外側の部分に溶接割れが生じ、さらにその割れが伝播して、バンパーリインフォースがバンパーステイの前面から剥がれて浮き上がるという事態が生じ得る。

図１２はその状態を模式的に示すもので、バリヤ衝突時にバンパーリインフォース１が矢印方向に曲げ戻され（曲げ戻されたバンパーリインフォース１を一点鎖線で示す）、バンパーリインフォース１とバンパーステイ２の車幅方向外側の溶接部が剥がれ、バンパーリインフォース１がバンパーステイ２から浮き上る。なお、曲げ戻し力程度ではバンパーステイ２は塑性変形しない。
また、この種のバンパー構造体において、溶接精度向上のため、図１３に示すように、バンパーステイ２とバンパーリインフォース１の間に板状の天板３が設けられることがある（特許文献２参照）。しかし、天板３には曲げ戻し力を吸収する効果がないため、図１２の直付けと同じく、曲げ戻し力が主として車幅方向外側の溶接部に直接及び、当該溶接部が剥がれ、バンパーリインフォース１がバンパーステイ２から浮き上がる。

このように、衝突時にバンパーリインフォースとバンパーステイの溶接部が剥がれ、バンパーリインフォースがバンパーステイの前面から浮き上がると、バンパーリインフォース及びバンパーステイの反力が低下し、座屈が急速に進行して変位が拡大し、その結果、バンパー構造体としての衝突エネルギー吸収性能（エネルギー吸収量及びエネルギー吸収効率）が低下する。特に新ＩＩＨＳ（Insurance Institute for Highway Safety）のバリア衝突条件では、バンパーリインフォースに対し衝突時の曲げ戻し力が大きく作用し、バンパーリインフォースとバンパーステイの溶接部で溶接割れ、及び溶接部の剥がれが生じる可能性が高まる。

特開２００４−２５５９９１号公報（段落０００５〜０００６，図１１） 特開２００５−７４７５号公報（図４１（ａ））

従って、本発明は、バンパーステイがバンパーリインフォースの背面側に溶接接合されたバンパー構造体において、バリヤ衝突に際して発生する引張荷重による溶接部の割れを防止し、あるいは仮に溶接部に割れが生じてもその伝播を抑え、溶接部の剥がれが生じないようにし、衝突エネルギー吸収性能の低下を防止できるようにすることを目的とする。

本発明は、両端部が車体後方側に曲げられたアルミニウム押出材製のバンパーリインフォースの背面側に、一対のアルミニウム押出材製のバンパーステイが配置されたバンパー構造体に関し、前記バンパーリインフォースとバンパーステイの間に中空断面のアルミニウム押出材からなる天板が押出方向を車体上下方向に向けて配置され、前記バンパーリインフォースと天板及び前記バンパーステイと天板がそれぞれ溶接され、前記バンパーリインフォースと天板の溶接部の車幅方向外側端が、前記バンパーリインフォースの内側曲げ開始位置より車幅方向外側に位置している。
なお、本明細書において、車両のフロント側、リア側に関わらず、衝突面側が前、車体側が後である。

上記バンパー構造体において、バンパーリインフォースの内側曲げ開始位置とは、バンパーリインフォースの中央真直部の両端位置、すなわち曲げが始まる位置を意味する。バンパーリインフォースと天板の溶接部の車幅方向外側端が、この内側曲げ開始位置より車幅方向外側に位置するとき、バリヤ衝突に際して溶接部の車幅方向外側端に作用する引張荷重が大きくなり、また、バンパーリインフォースと天板の溶接部の車幅方向外側端がより車幅方向外側に位置するほど、該溶接部に作用する引張荷重が大きくなる。従って、本発明の効果も大きくなる。

上記バンパー構造体は、例えば次のような好ましい具体的形態をとることができる。
（１）バンパーリインフォースと天板の溶接部の車幅方向内側端がバンパーリインフォースの内側曲げ開始位置より車幅方向外側に位置していること。
（２）天板が、バンパーリインフォースに溶接される前側フランジと、バンパーステイに溶接される後側フランジと、前後のフランジをつなぐ車幅方向内側の内側リブ及び車幅方向外側の外側リブを有すること。このとき、内側リブと外側リブの間に中リブが存在してもよい。

（３）上記（２）において、前側フランジの車幅方向内側端が前記バンパーリインフォースの内側曲げ開始位置より車幅方向外側に位置していること。
（４）上記（２）において、前記前側フランジが前記内側リブ及び外側リブより車幅方向内側及び外側に突出する突出フランジ部を有すること。
（５）前側フランジの前記外側リブより車幅方向外側に突出する突出フランジ部の突出長さが、内側リブと外側リブの間隔の１／４より大きく、かつその端部がバンパーリインフォースに溶接されていること。
（６）上記（３）〜（５）において、外側リブが湾曲形状を有すること。

本発明のバンパー構造体によれば、バンパーリインフォースとバンパーステイの間に中空断面の天板が配置されたことにより、前面衝突時に、前記天板が圧壊変形して溶接部の車幅方向外側部分に掛かる引張荷重を吸収する。特にバンパーリインフォースの曲げ戻しが生じた場合に、前記天板が圧壊変形して曲げ戻しの変形を吸収し、曲げ戻し力（溶接部の車幅方向外側部分に対し引張荷重となる）を軽減して、これにより溶接割れを防止する。また、仮に溶接割れが完全に防止できない場合でも、溶接割れの進行を抑え、溶接部の剥がれを抑える効果がある。
これにより、溶接構造のバンパー構造体において、前面衝突時における衝突エネルギー吸収性能の低下を防止することができる。

本発明に係るバンパー構造体の平面図である。 実施例に用いたバンパーステイ（ａ）及びバンパーリインフォース（ｂ）の断面図である。 本発明に係る天板の断面図である。 本発明に係るバンパー構造体の背面側斜視図（ａ）及び前面側斜視図（ｂ）である。 前面衝突時における天板の変形形態を説明する平面図である。 本発明に係る他の天板の断面図である。 本発明に係るさらに他の天板の断面図である。 本発明に係るさらに他の天板の断面図である。 前面衝突時における他の天板の変形形態を説明する平面図である。 実施例のバリア衝突試験の説明図である。 実施例で得られたバリア衝突試験の荷重−変位曲線である。 前面衝突時における従来のバンパー構造体の溶接部の割れを説明する平面図である。 前面衝突時における従来のバンパー構造体の溶接部の割れを説明する平面図である。

以下、図１〜１１を参照し、本発明に係るバンパー構造体の構造及び作用について具体的に説明する。
本発明に係るバンパー構造体は、図１に示すように、バンパーリインフォース１、バンパーステイ２、及びバンパーリインフォース１とバンパーステイ２の間に配置された天板３からなる。４はサイドフレームである。バンパーリインフォース１、バンパーステイ２、及び天板３はいずれもアルミニウム押出材製（純アルミニウム及びアルミニウム合金を含む）である。

このバンパー構造体において、バンパーリインフォース１及びバンパーステイ２は、例えば図２（ａ），（ｂ）に示す断面形状を有する。
バンパーリインフォース１は、両端部が車体側に曲げ加工され、中央真直部５、端部真直部６，６及び曲げ加工部７，７（両矢印で示す範囲）からなり、中央真直部５と曲げ加工部７の境界が内側曲げ開始位置７ａである。バンパーリインフォース１の断面は、衝突面側の前壁８、車体側の後壁９、両壁８，９を接続する上壁１１、中壁１２及び下壁１３からなる、いわゆる日形断面を有する（図中のサイズは後述する実施例のもの）。
バンパーステイ２は、押出方向が車体前後方向を向いて配置され、断面は、長方形の輪郭１４（上下壁１５，１６及び側壁１７，１８）と、十字形に交差する２つのリブ１９，２１からなる、いわゆる田形断面を有する（図中のサイズは後述する実施例のもの）。

天板３は、図３に示すように中空断面を有し、バンパーリインフォース１の端部真直部６の背面（後壁９）に接合される前側フランジ２２（前記端部真直部６と同じ角度で傾斜）、バンパーステイ２の前端に接合される後側フランジ２３、両フランジ２２，２３を接続する車幅方向内側の内側リブ２４及び車幅方向外側の外側リブ２５からなる。前側フランジ２２は、車幅方向内外に内側突出フランジ部２２ａと外側突出フランジ部２２ｂを有し、後側フランジ２３は内側突出フランジ部２３ａと外側突出フランジ部２３ｂを有する。内側リブ２４は車体前後方向を向く平板であり、外側リブ２５は同じく車体前後方向を向くが、車体幅方向内向きに湾曲部を有する。天板３は、押出方向が車体上下方向を向いて配置される。

このバンパー構造体において、天板３の前側フランジ２２がバンパーリインフォース１の端部真直部６の背面に密着し、後側フランジ２３がバンパーステイ２の前端（切断端面）に密着して、それぞれ溶接接合される。その接合形態の一例を図４（ａ），（ｂ）に示す。
図４（ａ），（ｂ）に示すように、天板３の前側フランジ２２は、内側突出フランジ部２２ａ及び外側突出フランジ部２２ｂの各端面とバンパーリインフォース１の後壁９の背面がそれぞれ重ね隅肉溶接され（溶接部ａ，ｂ）、かつ内側リブ２４と外側リブ２５の間において前側フランジ２２の前面とバンパーリインフォース１の上壁１１の上面及び下壁１２の下面（図示せず）がそれぞれ隅肉溶接されている（溶接部ｃ）。また、後側フランジ２３は、その背面とバンパーステイ２の輪郭１４（上下壁１５，１６及び側壁１７，１８）の壁面が全周隅肉溶接されている。

このバンパー構造体において、バンパーリインフォース１、バンパーステイ２及び天板３の圧壊荷重（それぞれの部材を車体前後方向に圧縮し座屈させたときの初期最大荷重）は、バンパーリインフォース１≦天板３＜バンパーステイ２、の関係で設定される。なお、バンパーリインフォース１の曲げ戻し荷重（曲げ戻しが生じる荷重）は、バンパーリインフォース１の圧壊荷重より小さい。圧壊荷重に関する上記関係は衝突面側から順に座屈変形させるという考え方に基づくもので、従来技術においても常套手段としてバンパーリインフォースの圧壊荷重はバンパーステイより小さく設定され、バンパーリインフォースの曲げ戻し荷重はその圧壊荷重より小さい。

このバンパー構造体におけるバリヤ衝突時の天板３の変形形態（軽衝突又は衝突初期を想定）の一例を図５に示す。図５において、実線は天板３の変形前の形状（バンパーリインフォース１の変形前の形状は図示省略）、一点鎖線はバリア衝突により曲げ戻しされたバンパーリインフォース１と天板３の形状を示す。以下の３つの要因により、バリア衝突時における溶接部の割れを防止又は抑制することができる。
（１）天板３が中空である（衝突方向に変形するリブ２４，２５が存在する）ので、バリア衝突時にバンパーリインフォース１に曲げ戻しが生じても、リブ２４，２５が変形して曲げ戻し力を吸収する。仮に溶接部ｂ（大きい引張荷重が掛かる）に溶接割れが生じても、バンパーリインフォース１により天板３がさらに押し込まれたとき、リブ２４，２５が座屈変形して曲げ戻し力が吸収され、引張荷重が低減し、溶接割れの伝播が止められる。

（２）バリヤ衝突時、バンパーリインフォース１が曲げ戻されると、車幅方向に対する傾斜角度が小さくなって、バンパーリインフォース１は衝突面側に持ち上げられる。このとき予め曲げられていた天板３の外側リブ２５が延び（湾曲している分、延び代がある）、バンパーリインフォース１の曲げ戻し力を吸収する。これにより、溶接部（特に溶接部ｂ）に付加される引張荷重が低減し、該溶接部の割れが防止される。

（３）バリヤ衝突時、バンパーリインフォース１が曲げ戻されると、車幅方向に対する傾斜角度が小さくなって、バンパーリインフォース１は衝突面側に（矢印方向）持ち上げられる。一方、前側フランジ２２の突出フランジ部２２ｂが車幅方向に長く、外側リブ２５と端面の間の範囲（範囲Ｈ）が溶接されていないことから、バンパーリインフォース１が衝突面側に持ち上げられたとき、同範囲において外側突出フランジ部２２ｂがバンパーリインフォース１の後壁９から離れる方向に変形し、これによってもバンパーリインフォース１の曲げ戻し力が吸収される。曲げ戻し力が吸収されることにより、溶接部（特に溶接部ｂ）に付加される引張荷重が低減し、該溶接部ｂの割れが防止される。なお、この作用を得るためには、前側フランジ２２の外側突出フランジ部２２ｂの幅Ｗ_１は大きい方が望ましく、両リブ２４，２５間の幅をＷ_０としたとき、Ｗ_１／Ｗ_０≧１／４（０．２５）、さらにＷ_１／Ｗ_０≧１／３（０．３３）とすることが望ましい（Ｗ_１，Ｗ_０については図３参照）。

なお、上記の例では、バンパーリインフォース１として、日形断面のアルミニウム押出材を用いたが、背面に天板３を密着させ得るのであれば、他の矩形輪郭、その他の形状が適宜選択し得る。また、バンパーステイ２として、田形断面のアルミニウム押出材を縦圧壊型ステイとして用いたが、他の断面形状が適宜選択でき、横圧壊型ステイも適用可能である。
さらに、上記の例では、溶接部ｃの範囲を内側リブ２４と外側リブ２５の間としたが、突出フランジ部２２ａの端面まで適宜の範囲で延長することができ、突出フランジ部２２ｂの端面に向けて適宜の範囲で延長することもできる。また、前記（３）の作用を得るには、前記範囲Ｈの部分をバンパーリインフォース１と溶接しない（変形代として確保する）ことが望ましいが、溶接部ｂの補強のため、溶接部ｂの上端及び／又は下端から続いて前面側に所定範囲回し込み溶接（前側フランジ２２の前面とバンパーリインフォース１の上壁１１の上面及び下壁１２の下面を隅肉溶接）することもできる。回し込み溶接する部分を図４（ｂ）に範囲ｄで例示する。

図６に本発明に係る他の天板３Ａを示す。この天板３Ａは、外側リブ２５が内側リブ２４と同様に平板状である点でのみ、図３に示す天板３と異なる。天板３Ａの場合、天板３に関して述べた前記要因の（１）、（３）に基づいて、バリア衝突時における溶接部の割れを防止又は抑制することができる。溶接箇所は天板３と同じでよい。
図７に本発明に係る他の天板３Ｂを示す。この天板３Ｂは、前側フランジ２２の外側の突出フランジ部２２ｂが短い点でのみ、図３に示す天板３と異なる。天板３Ａの場合、天板３に関して述べた前記要因の（１）、（２）に基づいて、バリア衝突時における溶接部の割れを防止又は抑制することができる。溶接箇所は天板３と同じでよい。

図８に本発明に係る他の天板３Ｃを示す。この天板３Ｃは、外側リブ２５が内側リブ２４と同様に平板状である点、及び前側フランジ２２の外側の突出フランジ部２２ｂが短い点でのみ、図３に示す天板３と異なる。溶接箇所は天板３と同じでよい。
天板３Ｃを用いたバンパー構造体におけるバリヤ衝突時の天板３Ｃの変形形態の一例を図９に示す。図９において、実線は天板３Ｃの変形前の形状（バンパーリインフォース１の変形前の形状は図示省略）、一点鎖線はバリア衝突により曲げ戻しされ、かつ押し込まれたバンパーリインフォース１と天板３Ｃの形状を示す。

この天板３Ｃは中空である（衝突方向に変形するリブ２４，２５が存在する）ので、バリア衝突時にバンパーリインフォース１に曲げ戻しが生じても、リブ２４，２５が変形して曲げ戻し力を吸収する。仮に溶接部ｂに溶接割れが生じても、図９に示すようにバンパーリインフォース１により天板３がさらに押し込まれたとき、リブ２４，２５が座屈変形して曲げ戻し力が吸収され、溶接割れの伝播が止められる。これによりバンパーリインフォース１と天板３Ｃの間の溶接部が維持され、さらにバンパーリインフォース１が押し込まれた場合に、バンパーステイ２によるエネルギー吸収が期待できる。なお、バンパーリインフォース１と天板３Ｃの間の溶接部が維持されないと、バンパーステイ２によるエネルギー吸収が阻害される。

なお、以上説明した天板３，３Ａ〜３Ｃにおいて、外側リブ２５は内向きに湾曲していたが、これはバリア衝突時にバンパーリインフォース１が衝突面側に持ち上げられたときの外側リブ２５の全長を長くして延び代を確保するためであるので、外向きあるいはＳ字形等の湾曲、さらにはくの字形の屈曲でもよい。また、内側リブ２４についても予め曲げておくことができる。内側リブ２４が平板状だと衝突時に急激に座屈して、急激な荷重低下が生じる可能性があるが、内側リブ２４を曲げておくことで急激な荷重低下が抑制される。

バンパーリインフォース及びバンパーステイに、種々の断面形状の天板を溶接してバンパー構造体（実施例１〜５、比較例１〜２）を製造した。これらの部材いずれもアルミニウム押出材（ＪＩＳ７００３−Ｔ５）からなる。
バンパーリインフォースは、図１に示す平面視形状、及び図２（ａ）に示す断面形状及びサイズ（単位：ｍｍ）を有し、車幅方向長さが１３００ｍｍ、曲げ加工部の内側曲げ半径（後壁側の曲げ半径）が２００ｍｍ、曲げ角度が１５°、車幅方向中央からバンパーステイまでの距離が４１５ｍｍ、前壁（衝突面側）の板厚が３ｍｍ、後壁の板厚が２．５ｍｍ、上下壁及び中壁の板厚が２ｍｍとされ、天板又はバンパーステイは端部真直部に接合されている。

バンパーステイは、図２（ｂ）に示す断面形状及びサイズ（単位：ｍｍ）を有し、板厚が全て２ｍｍ、車体前後方向長さが２２０ｍ、矩形断面輪郭の幅広側が上下壁となるように設置されている。
実施例１〜５及び比較例１〜２において、バンパーリインフォース及びバンパーステイは共通の断面形状及びサイズを有する。

実施例１〜５において、天板は次の形状及びサイズを有する。なお、天板とバンパーリインフォースの溶接、及び天板とバンパーステイの溶接は、図４を参照して説明したように行われている。
実施例１；図３に示す断面形状及びサイズを有する。板厚は全て３ｍｍ、前側フランジの車幅方向に対する傾斜角度が１５°、前側フランジの両リブ間の幅が８０ｍｍ、前側フランジの内側突出フランジ部の幅が１０ｍｍ、前側フランジの外側突出フランジ部の幅が３０ｍｍ、後側フランジの幅が２００ｍｍ、内側リブの前後方向高さが６０ｍｍ、外側リブの曲げ半径が４０ｍｍ、天板の車体上下方向高さが１２５ｍｍである。

実施例２；図６に示す断面形状を有する。外側リブが曲げられていない点でのみ、実施例１と異なる。
実施例３；図７に示す断面形状を有する。前側フランジの外側突出フランジ部の幅が５ｍｍである点でのみ、実施例１と異なる。
実施例４；図８に示す断面形状を有する。外側リブが曲げられていない点と前側フランジの外側突出フランジ部の外幅が５ｍｍである点でのみ、実施例１と異なる。
実施例５；実施例２に類似するが、内側リブが車幅方向外向きに半径４０ｍｍで曲げられている点で、実施例２と異なる。

比較例１，２については次のとおり。
比較例１；天板を有しない（図１２参照）。バンパーステイとバンパーリインフォースの溶接は全周溶接とした。
比較例２；天板が単なる板である（図１３参照）。天板とバンパーリインフォースの溶接、天板とバンパーステイの溶接はいずれも全周溶接とした。

実施例１〜５及び比較例１，２のバンパー構造体を図１０に示すように、取り付け治具２６に水平に固定し、押し治具（バリア）２７に対し速度３０ｍｍ／ｍｉｎで衝突させる、静的バリア試験を行った。その結果を表１及び図１１に示す。

表１に示すように、実施例１〜３，５では、天板とバンパーリインフォースとの溶接部に割れが発生せず、当然溶接部の剥がれもなかった。実施例４では、天板の前側フランジの外側端面とバンパーリインフォースの溶接部に割れが発生したが、その割れが伝播せず、溶接部の剥がれが生じなかった。
一方、比較例１では、図１２，１３を参照して説明したような溶接割れ及び溶接部の剥がれが生じた。
また、図１１をみると、実施例１〜４は、従来例である比較例１，２に比べて、圧縮荷重が大きく、圧縮荷重の変動が小さい。実施例５は実施例２よりさらに荷重ピークが低く荷重落ち込みも少ない。このように、実施例１〜５は比較例１，２に比べて衝突エネルギー吸収性能が高くなっている。

１ バンパーリインフォース
２ バンパーステイ
３ 天板
２２ 前側フランジ
２３ 後側フランジ
２４ 内側リブ
２５ 外側リブ
２２ａ，２３ａ 内側突出フランジ部
２２ｂ，２３ｂ 外側突出フランジ部

Claims (7)

1. 両端部が車体後方側に曲げられたアルミニウム押出材製のバンパーリインフォースの背面側に、一対のアルミニウム押出材製のバンパーステイが配置されたバンパー構造体であって、前記バンパーリインフォースとバンパーステイの間に中空断面のアルミニウム押出材からなる天板が押出方向を車体上下方向に向けて配置され、前記バンパーリインフォースと天板及び前記バンパーステイと天板がそれぞれ溶接され、前記バンパーリインフォースと天板の溶接部の車幅方向外側端が前記バンパーリインフォースの内側曲げ開始位置より車幅方向外側に位置していることを特徴とするバンパー構造体。
2. 前記バンパーリインフォースと天板の溶接部の車幅方向内側端が前記バンパーリインフォースの内側曲げ開始位置より車幅方向外側に位置していることを特徴とする請求項１に記載されたバンパー構造体。
3. 前記天板は、前記バンパーリインフォースに溶接される前側フランジと、前記バンパーステイに溶接される後側フランジと、前記両フランジをつなぐ車幅方向内側の内側リブ及び車幅方向外側の外側リブを有することを特徴とする請求項１又は２に記載されたバンパー構造体。
4. 前記前側フランジの車幅方向内側端が前記バンパーリインフォースの内側曲げ開始位置より車幅方向外側に位置していることを特徴とする請求項３に記載されたバンパー構造体。
5. 前記前側フランジが前記内側リブ及び外側リブより車幅方向内側及び外側に突出する突出フランジ部を有することを特徴とする請求項３又は４に記載されたバンパー構造体。
6. 前記前側フランジの前記外側リブより車幅方向外側に突出する突出フランジ部の突出長さが前記内側リブと外側リブの間隔の１／４より大きく、かつその端部が前記バンパーリインフォースに溶接されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載されたバンパー構造体。
7. 前記外側リブが湾曲形状を有することを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載されたバンパー構造体。

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