JP2012166642A - ダイカストアルミ合金製クラッシュカン及びその取付構造 - 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、車両前後方向に延びる閉断面構造の筒状部５を備える。筒状部５のバンパレインフォースメント３側は該バンパレインフォースメント３に結合されるフランジ６が設けられている。フランジ６の筒状部５側の面には、車幅方向から視て、中央部がバンパレインフォースメント３側に向かって凹んだ断面形状の凹部１１が形成され、該凹部１１において、筒状部５が上記凹部１１に対応する凸部となってフランジ６と一体化している。
【選択図】図４

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では、衝突荷重が加わった場合、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。このような座屈を生ずるまでの初期の荷重ピークが高いクラッシュカンでは、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の筒状部の一端に該筒状部の座屈変形を誘発するフランジを設けた。

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、
上記筒状部の少なくとも一端には上記サイドフレーム又は上記バンパレインフォースメントに締結されるフランジが設けられており、
上記フランジの上記筒状部側の面には、車両前後方向と直交する方向から視て、中央部が凹んだ断面形状の凹部が形成され、
上記凹部において、上記筒状部の一端が、上記凹部に対応する凸部となって上記フランジと一体化していることを特徴とする。

従って、クラッシュカンに衝突荷重が加わると、フランジの筒状部側の面は中央部が凹んだ凹形状になっているから、該フランジには凹部の外側が凹部の内側に向かって曲がる曲げモーメントが働く。これに伴って、筒状部においても、衝突荷重は、筒状部軸方向への純粋圧縮荷重ではなく、凹部両外側寄りの壁部に対しては曲げ荷重として加わる。その結果、筒状部のフランジ近傍に局部的な曲げ変形を生じ易くなる。この曲げ変形が起点となって、フランジ近傍に局部的な座屈を生ずる。

このように、クラッシュカンに衝突荷重が加わった初期において、筒状部のフランジ近傍で局部的な曲げ変形を生じ易いから、本発明によれば、衝突初期の座屈に係る荷重ピークを下げることが容易になり、車体のダメージや乗員が受ける衝撃が小さくなる。そうして、衝突初期に筒状部のフランジ近傍が局部的に座屈するから、筒状部がその中間部寄りで大きく座屈する場合とは違って、最初の座屈による筒状部の潰れ量（後方への圧縮変位量）は少なく、その最初の座屈後も比較的長い未座屈部分が残る（筒状部の座屈を生じ得る長さが実質的に増大する。）。よって、その後も筒状部には座屈が引き続いて繰り返し生ずることになり、座屈による衝突エネルギの吸収量の増大に有利になる。

好ましい実施形態では、上記フランジと上記サイドフレーム又は上記バンパレインフォースメントとが当該アルミ合金よりもヤング率が低いスペーサを介して結合される。これにより、衝突初期にヤング率が低いスペーサが圧縮されるため、初期荷重ピークが急激に立ち上がることが避けられ、車体のダメージや乗員が受ける衝撃が小さくなる。

また、好ましい実施形態では、上記フランジには、上記凹部の両外側に、上記サイドフレーム又は上記バンパレインフォースメントと締結する締結部が設けられ、該締結部には上記サイドフレーム側又は上記バンパレインフォースメント側に突出した突出部が設けられ、該突出部において上記フランジと上記サイドフレーム又は上記バンパレインフォースメントとが結合される。

従って、フランジには突出部を介して凹部の両外側の部位に衝突荷重が集中することになるため、フランジに働く上記曲げモーメントが大きくなり、筒状部の局部的な座屈変形を生じ易くなる。

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及びその少なくとも一端に設けられたフランジを備え、該フランジの筒状部側の面には、車両前後方向と直交する方向から視て、中央部が凹んだ断面形状の凹部が形成され、該凹部において、筒状部の一端が上記凹部に対応する凸部となって上記フランジと一体化しているから、クラッシュカンに衝突荷重が加わったとき、筒状部のフランジ近傍に局部的な座屈変形を生じ易くなり、衝突エネルギの吸収性を損なうことなく、衝突初期の荷重ピークを下げて、車体のダメージないし乗員が受ける衝撃を小さくすることができる。

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。 同クラッシュカンの取付構造を示す一部断面にした側面図である。 実施例及び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。 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。 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。

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の前端及び後端に外方に張り出した前フランジ６及び後フランジ７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。前フランジ６の四隅にはボルト孔９が開口し、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。後フランジ７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、上記前フランジ６の後面（筒状部５側の面）には、車両前後方向と直交する方向から視て、すなわち、本例の場合は車幅方向から視て、中央部が前方に凹んだ断面円弧形状の凹部１１が形成されている。この凹部１１において、筒状部５の前端が、凹部１１に対応する円弧状凸部となって当該前フランジ６と一体化している。凹部１１は、その周囲が閉じられたものではなく、車幅方向の両側に開口している。また、凹部１１の両外側、すなわち、前フランジ６の上端部と下端部がバンパレインフォースメント３に対する締結部１２になっており、この締結部１２に上記ボルト孔９が開口している。

図４にクラッシュカン１のバンパレインフォースメント３に対する取付構造を示すように、前フランジ６の締結部１２の前面（バンパレインフォースメント３側の面）には、４箇所のボルト孔９配設部位に突出部１３が形成されており、ボルト孔９は突出部１３の中央を前後に貫通するように設けられている。そうして、前フランジ６とバンパレインフォースメント３とは、両者間に突出部１３を覆うスペーサ１４を介してボルト１５によって結合されている。スペーサ１４は、クラッシュカン１を形成するアルミ合金よりもヤング率が低い合成樹脂（又はゴム）によって形成されていて、電気絶縁性を有する。

＜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、前フランジ６の後面は中央部が凹んだ凹形状になっているから、図４に示すように、前フランジ６には凹部１１の上下両外側の締結部１２が凹部１１の内側に向かって曲がる曲げモーメントＭが働く。これに伴って、筒状部５においても、衝突荷重は、筒状部５の軸方向への純粋圧縮荷重ではなく、上側及び下側の筒壁に対しては曲げ荷重として加わる。しかも、本実施形態では、前フランジ６の締結部１２の前面に突出部１３が設けられていて、該突出部１３を介して締結部１２に衝突荷重が集中するから、上記曲げモーメントＭ及び上記曲げ荷重が大きくなる。その結果、筒状部５の前フランジ６の近傍に局部的な曲げ変形を生じ易くなり、この曲げ変形が起点となって前フランジ６の近傍に局部的な座屈を生ずる（図４では、座屈部を５´と附した）。

このように、クラッシュカン１に衝突荷重が加わった初期において、筒状部５の前フランジ６近傍で局部的な座屈を生じ易いから、衝突初期の荷重ピークが低くなる。図５は上記凹部１１が形成された前フランジ６を有する実施例クラッシュカンと、前フランジに凹部及び突出部が形成されていない比較例クラッシュカンの圧縮テスト結果（荷重−圧縮変位データ）を示す。比較例では、衝突初期の荷重ピークが大きく立ち上がっているが、実施例では衝突初期の荷重ピークが低く、車体側が受ける衝撃が小さいことがわかる。

また、本実施形態では、前フランジ６とバンパレインフォースメント３との間にヤング率が低いスペーサ１４が介在しているから、このスペーサ１４が衝突初期に圧縮される。そのため、衝突初期の荷重ピークの立上り角度も小さくなる。このことも、衝突初期に車体側が受ける衝撃を小さくする。

また、衝突初期に筒状部５の前フランジ６の近傍が局部的に座屈するから、最初の座屈による筒状部５の潰れ量は少ない。つまり、最初の座屈による筒状部５の後方への圧縮変位量は少なく、その最初の座屈後も比較的長い未座屈部分が残る。よって、その後も筒状部５では座屈が引き続いて繰り返し生ずることになる。

本実施形態の筒状部５は、断面十字状の凹多角形であるから、図６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７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ことになる。 図６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７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８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。

図５において、実施例の荷重−変位特性線がジグザグに上下しているのは、繰り返して座屈を生じていることを意味する。最初の座屈後も比較的長い範囲にわたって座屈が繰り返し生じ、その個々の座屈によって、衝突エネルギが吸収されていくから、単に初期の荷重ピークが低くなるだけでなく、衝突エネルギの吸収性も良い。

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。

また、アルミ合金製クラッシュカン１をスチール製のバンパレインフォースメント３に直接結合すると、両者のイオン化傾向の違いにより異種金属接触腐食を招きやすいが、上述の如く絶縁性のスペーサ１４が両者に介装されていると、異種金属接触腐食も防止される。

＜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９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、２２ａ，２２ｂは上型であり、この両型２１，２２ａ，２２ｂ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。キャビティ２３において、２３ａは筒状部５の成形部、２３ｂは前フランジ６の成形部、２３ｃは後フランジ７の成形部である。

上記クラッシュカン１では、前フランジ６と後フランジ７との間がアンダカット部になるため、上型は、下型２１の型抜き方向に対して直交する方向にスライドする分割型２２ａ，２２ｂによって構成している。また、分割型２２ａ，２２ｂのスライド方向は、前フランジ６の凹部１１が車幅方向両側に開口していることを踏まえて、該凹部１１の開口している方向に一致させている。

符号２４は中子可動板であり、この可動板２４に前フランジ６のボルト孔９を形成するための中子２５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り、また、前フランジ６の凹部１１は車幅方向に開口しているから、図９から明らかなように、下型２１及び単純な分割型２２ａ，２２ｂによって、金型構造を複雑にすることなく、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。

なお、上記実施形態では、前フランジ６側に凹部１１、突出部１３及びスペーサ１４を設けたが、それらは後フランジ７側に設けてもよい。

また、凹部１１は、上記実施形態の断面円弧状の凹部に限る必要はなく、断面三角形の溝型凹部であってもよい。

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 凹部
１２ 締結部
１３ 突出部
１４ スペーサ

Claims (4)

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、
   上記筒状部の少なくとも一端には上記サイドフレーム又は上記バンパレインフォースメントに締結されるフランジが設けられており、
   上記フランジの上記筒状部側の面には、車両前後方向と直交する方向から視て、中央部が凹んだ断面形状の凹部が形成され、
   上記凹部において、上記筒状部の一端が、上記凹部に対応する凸部となって上記フランジと一体化し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。
3. 請求項１又は請求項２に記載されたダイカストアルミ合金製クラッシュカンの取付構造であって、
   上記フランジと上記サイドフレーム又は上記バンパレインフォースメントとが当該アルミ合金よりもヤング率が低いスペーサを介して結合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の取付構造。
4. 請求項１又は請求項２に記載されたダイカストアルミ合金製クラッシュカンの取付構造であって、
   上記フランジには、上記凹部の両外側に、上記サイドフレーム又は上記バンパレインフォースメントと締結する締結部が設けられ、
   上記締結部には上記サイドフレーム側又は上記バンパレインフォースメント側に突出した突出部が設けられ、該突出部において上記フランジと上記サイドフレーム又は上記バンパレインフォースメントとが結合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の取付構造。

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