JP2012166641A - ダイカストアルミ合金製クラッシュカン - Google Patents

Abstract

【課題】クラッシュカン１の衝突初期の荷重ピークを下げ、衝突時に車体ないし乗員が受ける衝撃を小さくする。
【解決手段】クラッシュカン１は、ダイカストアルミ合金製であって、車両左右を前後方向に延びるサイドフレームと車幅方向に延びるバンパレインフォースメントの端部との間に設けられる。クラッシュカン１は、車両前後方向に延びる閉断面構造の筒状部５を備え、その筒状部周壁に、車両前後方向の圧縮に対して強度が部分的に低くなるように熱処理による材質変性部１１が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は車両用のクラッシュカンに関する。

車両には、車両同士の衝突時や、運転操作ミスによる建造物への衝突時における乗員の安全確保や車体損傷の軽減を目的として衝撃吸収装置が備えられている。その代表的なものとして、車両のバンパ内側に設けられたバンパレインフォースメントと車体のサイドフレーム端部との間に設けられるクラッシュカン（「クラッシュボックス」ともいう。）がある。

上記クラッシュカンは、一般にはスチール材によって形成され、車両の正突時やオフセット衝突時に蛇腹状に座屈変形しながら車両前後方向に潰れていく過程で衝突エネルギを吸収する。そのために、従来のスチール材よりなるクラッシュカンは、車両内側と車両外側の両断面コ字形状部材を接合することにより、内部が中空になった筒状に形成されている。また、クラッシュカンの閉断面形状を十字形やダルマ形にすることや、クラッシュカンの内側壁面及び外側壁面にビードを設けることも知られている。例えば、特許文献１には、スチール材よりなる閉断面十字状のクラッシュカンが記載され、また、その前端面に凹部を設け、この凹部をバンパビーム後面の車幅方向に延びる断面コ字状凸部に嵌め合わせた状態にすることが記載されている。

また、クラッシュカンをアルミ合金製とする試みも知られている。例えば、特許文献２には、円筒状のダイカストアルミ合金製クラッシュカンにおいて、その壁厚を軸方向において連続的に又は部分的に変化させることが記載されている。また、特許文献３には、アルミ合金押出材よりなる中空矩形断面のクラッシュカンにおいて、その壁面を外側に突出させた軸方向に延びる断面コ字状の凸部を設けることが記載されている。

特開２０１０−７００３８号公報 特開２００２−３９２４５号公報 特開２００２−１２１６５号公報

車体を構成するクラッシュカンは大物部品ではないが、これを製作する材料をスチール材からアルミ合金材に代えると、強度確保のために壁厚を少し増大させる必要があるとしても、アルミ合金材の方が軽いから、車体の軽量化に有利になる。しかし、アルミ合金押出材の場合は、クラッシュカンが基本的には軸方向の全長にわたって同じ断面形状になるから、効果的な衝撃吸収性を得るべく断面形状を軸方向において変化させたり、或いは両端に接合フランジを設けたりすることが難しい。これに対して、特許文献２に記載されているダイカストアルミ合金製クラッシュカンの場合、筒状部の壁厚を変化させたりフランジ等を設けることは可能になるが、さらに効果的な衝撃吸収性を得ることが要望される。

すなわち、従来のクラッシュカンは、衝突荷重が加わった際、クラッシュカンが衝突荷重に対して突っ張るため、最初の座屈を生ずるまでは車体側が受ける荷重が高くなっていき、その後に座屈を生ずることに伴って荷重が低下する所謂初期ピークが現れる。このように座屈を生ずるまでの初期の荷重ピークが高いと、車体が受けるダメージが大きくなり易く、乗員が受ける衝撃も大きい。

そこで、本発明は、衝突エネルギの吸収性を損なうことなく、上記衝突初期の荷重ピークを下げて車体側が受ける衝撃を小さくすることを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、ダイカストアルミ合金製クラッシュカンを採用し、このクラッシュカンに圧縮方向に対する強度が部分的に低くなるように材質変性部を設けた。

すなわち、ここに開示するダイカストアルミ合金製クラッシュカンは、車両左右をそれぞれ前後方向に延びるサイドフレームと車幅方向に延びるバンパレインフォースメントの端部との間に設けられるものであって、
車両前後方向に延びる筒状部を備え、
上記筒状部の周壁に、車両前後方向の圧縮に対して強度が部分的に低くなるように材質変性部が設けられていることを特徴とする。

かかるクラッシュカンであれば、筒状部周壁の強度が部分的に低くるようにされた材質変性部が座屈誘発点となるため、衝突初期の荷重ピークが下がり、車体ないし乗員に大きな衝撃が加わることが避けられる。また、上記材質変性部は、筒状部周壁の材質を車両前後方向の圧縮に対する強度が低くなるように部分的に変化させてなるものであるから、筒状部周壁の壁厚あるいは形状を車両前後方向において部分的に変化させる場合とは違って、ダイカスト成形用の金型構造が複雑になることはない。

好ましい実施形態は、上記材質変性部は、焼きなまし処理によって軟化された部分であることを特徴とする。すなわち、ダイカスト成形されたアルミ合金製クラッシュカンを局部的に再結晶温度に加熱して保持した後、徐冷することによって軟化させることにより、上記材質変性部を形成することができる。しかも、アルミ合金製クラッシュカンは、スチール製の場合とは違って、再結晶温度が低いから、焼きなまし処理が容易であり、処理に要するエネルギも少なくて済む。

別の好ましい実施形態は、上記材質変性部は、圧縮残留応力が付与された部分であることを特徴とする。すなわち、ダイカスト成形されたアルミ合金製クラッシュカンを局部的に再溶融凝固処理すると、溶融部の凝固収縮によって圧縮残留応力が発生し、車両前後方向の圧縮に対する強度が部分的に低下する。しかも、アルミ合金製クラッシュカンは、スチール製の場合とは違って、融点が低いから、再溶融凝固処理が容易であり、処理に要するエネルギも少なくて済む。

上記筒状部の断面形状は円形及び非円形のいずれにもすることができるが、非円形状、特に凸多角形状、或いは十字形状、その他の凹多角形状、或いはダルマ形状にすることが好ましい。これにより、正面からの衝突荷重を受ける場合だけでなく、オフセット荷重を受けた場合（クラッシュカンに対して衝突荷重が上下或いは左右から斜めに加わった場合）であっても、クラッシュカンを確実に座屈変形させて、衝突エネルギを吸収する上で有利になる。

本発明によれば、クラッシュカンは車両前後方向に延びる筒状部を備え、該筒状部の周壁に、車両前後方向の圧縮に対して強度が部分的に低くなるようにされた材質変性部が設けられているから、この材質変性部が座屈誘発点となって、衝突初期の荷重ピークが下がり、車体ないし乗員に大きな衝撃が加わることが避けられる。しかも、上記材質変性部は筒状部周壁の材質を部分的に変化させてなるものであるから、筒状部周壁の壁厚あるいは形状を前後方向において部分的に変化させる場合とは違って、クラッシュカンのダイカスト成形を難しくすることもない。

本発明の実施形態に係る車両前部の車体構造を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態に係るクラッシュカンの斜視図である。 同クラッシュカンの筒状部の横断面図である。 同クラッシュカン製造用金型を模式的に示す断面図である。 同クラッシュカン筒状部の第１変形パターンを示す図である。 同クラッシュカン筒状部の第２変形パターンを示す図である。 同クラッシュカン筒状部の変形状態を示す斜視図である。 材質変性部を有する実施例及び材質変性部を有しない比較例各々のクラッシュカンの荷重−変位特性を示すグラフ図である。 別の実施形態に係るクラッシュカンの斜視図である。 リメルト処理部と内部応力分布との関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は車両前部の車体構造を示す分解斜視図である。同図において、１はダイカストアルミ合金製のクラッシュカン、２は車両左右をそれぞれ前後方向に延びるフロントサイドフレーム、３は車幅方向に延びるバンパレインフォースメント（バンパビーム）である。クラッシュカン１は左右各々の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３の両端部各々とを連結するように設けられる。

フロントサイドフレーム２は、車両前後方向に延びる閉断面構造体であって、車幅方向内側の断面ハット形インナメンバ２ａと、車幅方向外側の平板状アウタメンバ２ｂとを接合して構成されている。このフロントサイドフレーム２の前端面には板面を前方に向けた取付プレート４が固定されている。バンパレインフォースメント３は、平板状のフロントメンバ３ａと断面ハット形のリヤメンバ３ｂとを接合して構成されている。このバンパレインフォースメント３にバンパフェイス（図示省略）が取り付けられる。

クラッシュカン１は、図２に示すように、車両前後方向に延び且つ前方に向かって先細になった閉断面構造の筒状部５を備え、該筒状部５の後端に外方に張り出した接合フランジ６が設けられている。本例の筒状部５は、図３にも示すように、８つの凸角部５ａと４つの凹角部５ｂとを有する断面が十字形状の凹多角形に形成されている。筒状部５の各凸角部５ａ及び各凹角部５ｂは、後述の第１及び第２の変形パターンの変形を容易にするために、平坦部に比べて壁厚が薄くなっている。

筒状部５の前端を閉じる前壁７の中央にはクラッシュカン１の軽量化のために設けた軽量孔８が開口し、さらに前壁７の十字の四方に突出した突出部にはボルト孔９が開口している。このボルト孔９によってクラッシュカン１の前端がバンパレインフォースメント３に結合される。接合フランジ６の四隅にもボルト孔９が形成されていて、このボルト孔９によってクラッシュカン１の後端がフロントサイドフレーム２の前端の取付プレート４に結合される。

そうして、筒状部５を構成する凹多角形の筒壁には、車両前後方向の圧縮に対して強度が部分的に低くなった熱処理による材質変性部として、部分焼きなまし処理による軟化部１１が複数設けられている。各軟化部１１はいずれも筒状部５の軸方向（車両前後方向）と直交する方向に延びており、相隣る凸角部５ａ間の平坦部５ｃ、並びに凸角部５ａと凹角部５ｂとの間の平坦部５ｄ各々に、複数の軟化部１１が軸方向に間隔をおいて設けられている。平坦部５ｃの軟化部１１と、その隣りの平坦部５ｄの軟化部１１とは軸方向にずらして配置されている。

＜クラッシュカンの製法＞
クラッシュカン１の製造には型締め力５００tonの高真空ダイカスト装置を使用することが好ましい。図４はそのための金型を模式的に示す。同図において、２１は下型、２２は上型であり、この両型２１，２２によってクラッシュカン成形用キャビティ２３が形成されている。符号２４は中子可動板であり、この可動板２４に軽量孔８を形成するための中子２５及びボルト孔９を形成するための中子２６が設けられている。符号２７は溶湯注入用プランジャが進退するプランジャ孔、符号２８は湯道である。

上記クラッシュカン１の筒状部５自体は単純な先細形状であるから、図４から明らかなように、下型２１及び上型２２のいずれも割型とすることなく、単純な二方向抜きの金型として、当該クラッシュカン１を成形することができる。

鋳造用アルミ合金としては、質量％で、Ｍｎ：１．４％以上１．６％以下、Ｓｉ：０．２％以上５．０％以下、Ｃｕ：０．０５％以上０．３５％以下、Ｍｇ：０．１％以上０．３％以下、Ｆｅ：０．５％以上０．７％以下、Ｔｉ：０．１％以上０．３％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなるものを採用することが好ましい。これにより、０．２％耐力が７０ＭＰａ以上、引張強さが１２０ＭＰａ以上であり、且つ、伸びが１０％以上であるクラッシュカン１を得ることができる。

例えば、Ｍｎ：１．５６％、Ｓｉ：０．２２％、Ｃｕ：０．０５％、Ｍｇ：０．１６％、Ｆｅ：０．６５％、Ｔｉ：０．１５％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなるアルミ合金を採用し、プランジャ速度：１．５０ｍ／秒、キャビティ内真空度：９８ｋＰａ、型温１５０〜１６０℃の条件でダイカスト鋳造を行なうと、０．２％耐力が１００ＭＰａ、引張強さが２００ＭＰａ、伸びが約１８％である機械的特性を有するクラッシュカン１を得ることができる。

軟化部（材質変性部）１１を形成するための部分焼きなまし処理は、上記ダイカスト鋳造によって得たクラッシュカン１を局部的に３００±５０℃の温度に加熱して冷却するというものである。例えば、熱源としてプロパン−酸素バーナーを用い、プロパン流量は１２．５Ｌ／分、酸素流量は３．５Ｌ／分、加熱時間は２０〜３０秒とする。また、冷却には水冷を採用し、冷却水流量は１Ｌ／分、水冷時間は２０〜３０秒とする。なお、冷却には空冷を採用してもよい。この焼きなまし処理により、上記軟化部１１の耐力を非焼きなまし処理部に比べて７０〜８０％程度低下させることができる。

＜クラッシュカンの圧縮変形＞
クラッシュカン１にバンパレインフォースメント３を介して衝突荷重が加わると、その筒状部５は、図５に鎖線で示す基本断面形状「正十字形状」ＢＦから、同図に実線で示すように変形する第１変形パターンＴ１と、図６に実線で示すように変形する第２変形パターンＴ２とを車両前後方向において交互に繰り返しながら座屈変形をしていく。 図５に示す第１変形パターンＴ１は、上下の凸部３１，３２各々が幅狭になって上下方向外側に突出変位する一方、左右の凸部３３，３４各々が幅広になって左右方向内側に変位する変形パターンである。図６に示す第２変形パターンＴ２は、上下の凸部３１，３２各々が幅広になって上下方向内側に変位する一方、左右の凸部３３，３４各々が幅狭になって左右方向外側に突出変位する変形パターンである。

このように第１変形パターンＴ１と第２変形パターンＴ２とが交互に発生するのは、金属板が例えば内側に座屈したとき、その座屈部に隣接する部位には外側へ変形する力が働くことによるものである。その結果、クラッシュカン１の筒状部５は、図７に示すように車両前後方向において蛇腹状に折り畳まれていく。

上記筒状部５の断面形状は十字形であるから、正面衝突時だけでなく、衝突荷重の入力方向が上下或いは左右にオフセットしている場合でも、四方に突出した十字の凸部３１〜３４が支えとなって筒状部５の倒れ変形が防止されるから、上記第１変形パターンＴ１と第２変形パターンＴ２とを交互に生じた蛇腹状折り畳み変形を生ずる。

そうして、クラッシュカン１の筒状部５には上述の如く軟化部（材質変性部）１１が設けられているから、衝突荷重がクラッシュカン１に加わったとき、軟化部１１が上記座屈の起点となって座屈変形が誘発される。そのため、衝突初期の入力荷重に対してクラッシュカン１が強く突っ張ることが避けられる。

すなわち、図８はダイカストアルミ合金製クラッシュカンの圧縮テスト結果（荷重−圧縮変位データ）を示し、そのうちのＡは上述の材質変性部を有しない角筒状クラッシュカン（比較例）の荷重−変位特性であり、Ｂは上記軟化部１１を有するクラッシュカン１の荷重−変位特性である。

比較例Ａでは、圧縮荷重の入力初期の荷重ピークが高く、その後、荷重値が大きく下がっている。初期ピーク値が高いということは、衝突初期の入力荷重に対してクラッシュカンが強く突っ張り、そのため、車体が受ける衝撃が大きく、車両のダメージが大きくなり易いこと、そして、乗員の受ける衝撃が大きくなり易いことを意味する。これに対して、実施例Ｂでは、比較例Ａに比べて、衝突初期の荷重ピーク値が低くなっており、衝突初期に車体ないし乗員が受ける衝撃が小さいことがわかる。

また、上記軟化部１１は車両前後方向に間隔をおいて複数設けられているから、それらの各軟化部１１が上記第１変形パターンＴ１及び第２変形パターンＴ２に係る座屈変形の誘発点となり、上記蛇腹状折り畳み変形が確実に生ずることになる。すなわち、クラッシュカン１の筒状部５の全長にわたって第１変形パターンＴ１による座屈と第２変形パターンＴ２による座屈とが略一定のピッチで繰り返し生ずる。これにより、座屈変形が安定したものになり、衝突エネルギの吸収に有利になる。

＜別の実施形態＞
本実施形態は、熱処理として、部分的なリメルト処理（再溶融凝固処理）を採用することにより、車両前後方向の圧縮に対して強度が部分的に低くなった材質変性部を形成したものである。

すなわち、図９は本実施形態に係るクラッシュカン１を示す。このクラッシュカン１の断面十字形凹多角形の筒状部５における８つの凸角部５ａと４つの凹角部５ｂとに複数の軸方向に延びるリメルト処理部４１が軸方向に間隔をおいて設けられている。凸角部５ａのリメルト処理部４１と凹角部５ｂのリメルト処理部４１とは軸方向にずらして配置されている。

このリメルト処理部４１は、筒状部５の角部５ａ，５ｂに電極を近接させ、電極と角部５ａ，５ｂとの間にＴＩＧアークやプラズマアークを発生させながら軸方向に移動させて形成したものである。すなわち、リメルト処理部４１は、角部５ａ，５ｂを局部的に約７００℃の温度に加熱して所定深さで溶融し、凝固させてなるものであり、アルミ合金の凝固収縮により、車両前後方向において圧縮残留応力が発生している。図１０は平面的に描いたリメルト処理部４１を有するアルミ合金板とその内部応力分布との関係を示す。リメルト処理部４１には引張残留応力（＋６０ＭＰａ）が発生し、このリメルト処理部４１を挟んだ両側では圧縮残留応力（−３０ＭＰａ）が発生している。

リメルト処理は、例えば、熱源として純タングステン電極を用いたＴＩＧ溶接機を利用し、アシストガスとしてアルゴン（１０Ｌ／分）を採用し、電流値を２６０〜２８０Ａ、電極移動速度を０．６ｍｍ／秒として実行すればよい。

従って、本実施形態においても、筒状部５の凸角部５ａ及び凹角部５ｂのリメルト処理部４１は車両前後方向の圧縮に対して強度が低くなっているから、先の焼きなまし処理による軟化部１１の場合と同じく、クラッシュカン１に衝突荷重が加わったとき、リメルト処理部４１を挟んだ領域に圧縮残留応力が付与されていることにより該領域が座屈変形の誘発点となり、衝突初期の荷重ピーク値が低くなるとともに、筒状部５の全長にわたって第１変形パターンＴ１による座屈と第２変形パターンＴ２による座屈とが略一定のピッチで繰り返し生じ、座屈変形が安定したものになり、衝突エネルギの吸収に有利になる。

なお、軟化部１１を筒状部５の角５ａ，５ｂに設けるようにしてもよく、リメルト処理部４１を平坦部５ｃ，５ｄに設けるようにしてもよい。また、軟化部１１又はリメルト処理部４１は、角５ａ，５ｃ及び平坦部５ｃ，５ｄの双方に設けるようにしてもよい。

また、筒状部５の断面形状は、上述の十字状凹多角形に限らず、他の凹多角形、或いは凸多角形、或いはダルマ形（ひょうたん形）など、種々の断面形状にすることができる。

１ クラッシュカン
２ サイドフレーム
３ バンパレインフォースメント
５ 筒状部
５ａ 凸角部
５ｂ 凹角部
１１ 軟化部（材質変性部）
４１ リメルト処理部（材質変性部）

Claims (5)

1. 車両左右をそれぞれ前後方向に延びるサイドフレームと車幅方向に延びるバンパレインフォースメントの端部との間に設けられるダイカストアルミ合金製クラッシュカンであって、
   車両前後方向に延びる筒状部を備え、
   上記筒状部の周壁に、車両前後方向の圧縮に対して強度が部分的に低くなるように材質変性部が設けられていることを特徴とするダイカストアルミ合金製クラッシュカン。
2. 請求項１において、
   上記材質変性部は、焼きなまし処理によって軟化された部分であることを特徴とするダイカストアルミ合金製クラッシュカン。
3. 請求項１において、
   上記材質変性部は、圧縮残留応力が付与された部分であることを特徴とするダイカストアルミ合金製クラッシュカン。
4. 請求項３において、
   上記圧縮残留応力は再溶融凝固処理によって付与されていることを特徴とするダイカストアルミ合金製クラッシュカン。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
   上記筒状部は、断面非円形状であることを特徴とするダイカストアルミ合金製クラッシュカン。

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