JP2014168996A - 筒状構造体及び該筒状構造体を用いた自動車用フレーム構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】ロバスト性の高い筒状構造体を提供する。
【解決手段】筒状構造体１０は、連続して配置された複数の筒状の部分構造体１１〜１４を具備し、各部分構造体は、多角形状の上方端部１１ａ〜１４ａと、これと同一形状の下方端部１１ｂ〜１４ｂと、これらの間に延びる側部１１ｃ〜１４ｃとを有する。第一端部は第二端部に対して所定角度ねじれており、第一端部の各辺と、対応する第二端部の各辺との間には部分側部２１が設けられる。各部分側部には対角線上に谷折り線２３が形成され、各部分側部の両側には山折り線２２が形成される。各部分側部の山折り線と第一端部が位置する平面及び第二端部が位置する平面との間の角度はθ₁₁〜θ₁₄で同一であり、筒状構造体の一方の端部に位置する部分構造体における角度θ₁₁は、他の部分構造体における角度θ₁₂〜θ₁₄よりも小さく且つ全ての部分構造体について前記角度θは２０°以上６０°以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、筒状構造体及び該筒状構造体を用いた自動車用フレーム構造体に関する。

例えば、自動車が衝突したときに発生するようなエネルギを吸収する筒状構造体として、自動車のフロントサイドメンバや、フロントサイドメンバの前方に配置されるクラッシュボックス等が用いられる。このようなエネルギ吸収用の筒状構造体は、エネルギが負荷されたときに圧潰することにより、エネルギを吸収する。

このような筒状構造体としては、例えば、角筒状の部材であって、一定の距離間隔でビードが設けられたものが知られている（特許文献１、２等）。例えば、特許文献１、２に記載された筒状構造体では、一定間隔で角筒状部材の全周に亘って形成された環状のビードが設けられている。

特に、特許文献１に記載された筒状構造体では、ビードが角筒状部材の周方向に隣接する二つの平面部のうち一方では凹状に、他方では凸状に形成されると共に、ビードにおける断面の周長とビードが設けられていない断面の周長とがほぼ同一とされる。また、特許文献２に記載された筒状構造体では、ビードは角筒状部材の周方向に隣接する二つの平面部では凸状に形成されると共に、これら二つの平面部間の角部では凹状に形成されている。このように角筒状部材の表面にビードを設けることにより、角筒状部材にエネルギが負荷されたときに、これらビードを起点に蛇腹状に圧潰する。このため、角筒状部材の圧潰を制御することができ、その結果、角筒状部材にエネルギが負荷されたときに効果的にエネルギを吸収することができるとされている。

また、構造物を小さな荷重で荷重方向に非常に小さく折り畳むことが可能な構造として、折紙工学を利用した構造が知られている（例えば、特許文献３、４）。特に、特許文献３、４には、連続して配置された複数の筒状の部分構造体を具備する筒状構造体が開示されており、この筒状構造体では各部分構造体が互いに同一の六角形状の第一端部及び第二端部と、これら第一端部と第二端部との間に延びる側部とを有している。加えて、この筒状構造体では、第一端部が第二端部に対して所定角度ねじれており、第一端部の各辺とこの辺に対応する第二端部の各辺との間に設けられた各部分側部には対角線上に谷折り線が形成されている。特許文献３によれば、筒状構造体をこのように構成することで、エネルギ吸収量を大きく且つ反力を高めることができるとされている。

特開２００８−９４３０９号公報 特開２００８−１００５４９号公報 特開２０１１−１０４６１２号公報 特開２０１１−１０４６１２号公報

ところで、自動車が衝突するときには必ずしも前方から衝突するわけではなく、斜めに衝突する場合もある。したがって、上述したような筒状構造体を、例えば自動車のフロントサイドメンバや、フロントサイドメンバの前方に配置されるクラッシュボックスとして用いる場合、衝突荷重は必ずしも筒状構造体の軸線方向に入力されるわけではなく、軸線方向に対して傾斜した方向から入力される場合もある。

このように、軸線方向に対して傾斜した方向から荷重の入力が行われると、特許文献１〜４に記載の筒状構造体はその根本部分で折れ曲がる傾向にある。この様子を、図１に示す。図示した例では、筒状構造体１００はフロントサイドメンバ１０１の前方に配置されたクラッシュボックスとして用いられている。図１（ａ）は荷重入力前の筒状構造体１００を、図１（ｂ）は荷重入力後の筒状構造体１００をそれぞれ示している。筒状構造体１００はフロントサイドメンバ１０１の前方に固定されており、図１（ａ）に矢印Ｘで示した方向の衝突荷重が入力される。このような衝突荷重が入力されると、図１（ｂ）に示したように、筒状構造体１００は点Ｙで示した箇所にて折れ曲がる。

このように筒状構造体１００が折れ曲がってしまうと、もはや筒状構造体１００によっては十分なエネルギの吸収を行うことはできない。その結果、筒状構造体に対して傾斜した方向から荷重の入力が行われると、筒状構造体１００によって吸収されるエネルギの量は少ないものとなってしまう。このため、如何なる方向から荷重が加わっても同じように変形、圧潰する性質であるロバスト性の高い筒状構造体が必要とされている。

また、筒状構造体１００をクラッシュボックスとして用いた場合、筒状構造体１００の圧潰時における反力変動が大きくなると、フロントサイドメンバの予期せぬ変形を招くか、或いは十分なエネルギの吸収を行うことができなくなる。すなわち、筒状構造体１００の圧潰時における反力の最大値が大きくなると、クラッシュボックスに結合されたフロントサイドメンバに大きな荷重が加わってしまうことになり、フロントサイドメンバの予期せぬ変形を招くことになる。また、筒状構造体１００によって吸収されるエネルギは反力の大きさに比例することから、筒状構造体１００の圧潰時における反力の最小値が小さいと筒状構造体１００によって吸収されるエネルギも小さくなる。

そこで、上記問題に鑑みて、本発明の目的は、圧潰時における反力変動を抑制しつつロバスト性の高い筒状構造体を提供することにある。

本発明者は、筒状構造体の圧潰時における反力変動及びロバスト性に関して、種々の構成の筒状構造体について検討を行い、このうち、筒状構造体として、以下のような構成を有するものについても検討を行った。すなわち、連続して配置された複数の筒状の部分構造体を具備し、各部分構造体が互いに同一の六角形状の第一端部及び第二端部と、これら第一端部と第二端部との間に延びる側部とを有している筒状構造体であって、第一端部が第二端部に対して所定角度ねじれており、第一端部の各辺とこの辺に対応する第二端部の各辺との間に設けられた各部分側部には対角線上に谷折り線が形成されると共にこの部分側部の両側には六角形状の第一端部の角部とこの角部に対応する六角形状の第二端部の角部とを結んだ山折り線が形成されている筒状構造体について検討を行った。

その結果、各部分側部の山折り線と第一端部が位置する平面及び二端部が位置する平面との間の角度を共にほぼθで同一とすると共に、筒状構造体を構成する複数の部分構造体のうち筒状構造体の一方の端部に位置する部分構造体における角度θを適切な値とすることにより従来の筒状構造体に比べて筒状構造体の圧潰時における反力変動及びロバスト性を大幅に向上させることを見出した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
（１）連続して配置された複数の筒状の部分構造体を具備する筒状構造体において、各部分構造体は、多角形状の第一端部と、該第一端部とほぼ同一形状の多角形状であって前記第一端部の位置する平面とほぼ平行な平面上に位置する第二端部と、これら第一端部と第二端部との間に延びる側部とを有し、前記多角形状の第一端部は前記多角形状の第二端部に対して所定角度ねじれており、前記多角形状の第一端部の各辺と該第一端部の辺に対応する前記多角形状の第二端部の各辺との間には前記側部の一部である部分側部が設けられ、各部分側部には対角線上に谷折り線が形成されると共に該部分側部の両側には前記多角形状の第一端部の角部と該角部に対応する前記多角形状の第二端部の角部とを結んだ山折り線が形成され、各部分側部の山折り線と前記第一端部が位置する平面及び前記第二端部が位置する平面との間の角度は共にほぼθで同一であり、当該筒状構造体を構成する複数の部分構造体のうち当該筒状構造体の一方の端部に位置する部分構造体における角度θは、他の部分構造体における角度θよりも小さく且つ当該筒状構造体を構成する全ての部分構造体について前記角度θは２０°以上６０°以下である、筒状構造体。

（２）当該筒状構造体を構成する複数の部分構造体のうち当該筒状構造体の一方の端部に位置する部分構造体以外の部分構造体における角度θは全てほぼ同一である、上記（１）に記載の筒状構造体。

（３）当該筒状構造体を構成する複数の部分構造体のうち当該筒状構造体の一方の端部に位置する部分構造体から他方の端部に位置する部分構造体に向かうにつれて部分構造体における角度θが大きくなっていく、上記（１）に記載の筒状構造体。

（４）前記各部分側部の平面状の部分には開口部が設けられる、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の筒状構造体。

（５）主フレームと、該主フレームに結合された上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の筒状構造体を用いた自動車用フレーム構造体において、前記筒状構造体は、前記他の部分構造体よりも角度θが小さい部分構造体が設けられた筒状構造体の端部とは反対側の端部において主フレームに結合される、フレーム構造体。

（６）上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の筒状構造体を用いた自動車用フレーム構造体において、前記筒状構造体は、サイドメンバとして用いられると共に、前記他の部分構造体よりも角度θが小さい部分構造体が設けられた筒状構造体の端部が車両の外側に向くように配置される、フレーム構造体。

本発明によれば、圧潰時における反力変動を抑制しつつロバスト性の高い筒状構造体を提供することができる。

図１は、クラッシュボックスとして筒状構造体を用いた場合の衝突荷重入力時の様子を示す図である。 図２は、本発明の第一実施形態の筒状構造体の概略的な斜視図である。 図３は、第一実施形態の筒状構造体の概略的な側面図である。 図４は、筒状構造体のうち部分構造体のみを抜き出して表した図である。 図５は、筒状構造体の端部間の長さにおける変位と、筒状構造体からの単位質量あたりの反力との関係を示す図である。 図６は、筒状構造体が変形していく様子を示す図である。 図７は、筒状構造体が変形していく様子を示す図である。 図８は、筒状構造体の端部間の長さにおける変位と、筒状構造体からの単位質量あたりの反力との関係を示す図である。 図９は、本発明の第一実施形態の筒状構造体の概略的な斜視図である。 図１０は、筒状構造体を用いた自動車用フレーム構造体を概略的に示す図である。 図１１は、筒状構造体を用いた自動車用フレーム構造体を概略的に示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図２は、本発明の第一実施形態の筒状構造体の概略的な斜視図であり、図３は、本発明の筒状構造体の概略的な側面図である。本発明の筒状構造体１０は、図２及び図３に示したように、連続して配置された複数の筒状の部分構造体１１〜１４を具備する折紙構造となっている。図示した例では、筒状構造体１０は４つの部分構造体１１〜１４を有しているが、複数の部分構造体を有していればいくつ有していてもよい。

複数の部分構造体１１〜１４のうち図２及び図３において最も上方側の部分構造体１１を例にとって説明する。部分構造体１１は、それぞれ、図２及び図３において上方側に位置する上方端部１１ａと、図２及び図３において下方側に位置する下方端部１１ｂとを具備する。下方端部１１ｂは、上方端部１１ａが位置する平面とほぼ平行な平面上に位置する。図２からわかるように、本実施形態では、上方端部１１ａ及び下方端部１１ｂはいずれも六角形状であるが、これら端部は互いにほぼ同一の多角形状であれば如何なる形状であってもよい。

なお、部分構造体１２〜１４も、部分構造体１１と同様に上方端部１２ａ〜１４ａ及び下方端部１２ｂ〜１４ｂを具備する。また、隣り合う部分構造体のうち上側の部分構造体（例えば、１１）の下方端部１１ｂと、下側の部分構造体（例えば、１２）の上方端部１２ａとは互いに同一の形状であり、これら端部１１ｂ、１２ａ同士は結合されている。

また、部分構造体１１は、上方端部１１ａと下方端部１１ｂとの間に延びる筒状の側部１１ｃを具備する。側部１１ｃは、上方端部１１ａ及び下方端部１１ｂの多角形の角数と同一の数の部分側部２１を具備する。各部分側部２１は、その上方側の端部が六角形状の上方端部１１ａの一つの辺に一致し、その下方側の端部が六角形状の下方端部１１ｂの一つの辺に一致する。換言すると、側部１１ｃの一部である部分側部２１は、六角形状の上方端部１１ａの各辺と、この辺に対応する六角形状の下方端部１１ｂの各辺との間に設けられたものであるといえる。したがって、各部分側部２１は、六角形状の上方端部１１ａの各辺と、この辺に対応する六角形状の下方端部１１ｂの各辺と、これら辺の一方側に位置するする角部同士を結んだ山折り線２２と、これら辺の他方側に位置する角部同士を結んだ山折り線２２とに囲まれた領域であるといえる。

また、図２及び図３からわかるように、部分構造体１１は、上方端部１１ａに対して下方端部１１ｂが部分構造体１１の軸線回りでねじられた構造となっている。このため、各部分側部２１は、図２及び図３において鉛直に延びるのではなく、傾斜して延びている。各部分側部の両側には六角形状の上方端部１１ａの角部とこの角部に対応する六角形状の下方端部１１ｂの角部とを結んだ山折り線２２が形成されているが、部分側部２１の傾斜に伴ってこれら山折り線２２も傾斜せしめられる。加えて、各部分側部２１には長い方の対角線上に谷折り線２３が形成される。

本実施形態では、隣り合う部分構造体では、上方端部に対する下方端部のねじり方向が逆向きとされる。例えば、図２及び図３において最も上方に位置する部分構造体１１では、上方端部１１ａに対して下方端部１１ｂは下方から見て反時計回りにねじられているのに対して、部分構造体１１の下方に位置する部分構造体１２では、上方端部１２ａに対して下方端部１２ｂは下方から見て時計回りにねじられている。

ここで、再び部分構造体１１について考えると、部分構造体１１の上方端部１１ａと下方端部１１ｂとは互いにほぼ平行であることから、一つの部分側部２１を構成する上方端部１１ａの辺と山折り線２２との角度と、この側面を構成する下方端部１１ｂの辺と山折り線２２との角度とは、共に角度θ₁₁でほぼ同一である。この角度θ₁₁は、上方端部１１ａに対して下方端部１１ｂが部分構造体１１の軸線回りにねじられた角度に応じて変化する。上方端部１１ａに対する下方端部１１ｂのねじり角度が大きくなるように部分構造体１１が構成されている場合には、角度θ₁₁は小さくなり、逆に上方端部１１ａに対する下方端部１１ｂのねじり角度が小さくなるように部分構造体１１が構成されている場合には、角度θ₁₁は大きくなる。

他の部分構造体１２〜１４も同様に構成されている。特に、上から二つ目の部分構造体１２では、一つの部分側部２１を構成する上方端部１２ａの辺及び下方端部１２ｂの辺と山折り線２２との角度はθ₁₂とされる。同様に、上から三つ目の部分構造体１３及び上から四つ目の部分構造体１４における端部の辺と山折り線２２との角度は、それぞれθ₁₃、θ₁₄とされる。

図４を参照して、上述した角度θ₁₁について再度説明する。図４は、筒状構造体１０のうち部分構造体１１のみを抜き出して表した図である。特に、図４（ａ）は、上方端部１１ａに対して下方端部１１ｂがねじられていない角筒状である場合の部分構造体１１を、図４（ｂ）は、図２及び図３に示した場合と同様な部分構造体１１をそれぞれ示している。

図４（ａ）に示したように、部分構造体１１が上方端部１１ａに対して下方端部１１ｂがねじられていない角筒状である場合、各部分側部２１は矩形となっていると共に、対角線上には谷折り線は形成されていない（図４（ａ）では便宜上、線２３を図示しているが、これは単に対角線を示すものであって、谷折り線を示すものではない）。このとき、各部分側部２１を画成する一方の稜線（山折り線）２２とこの部分側部２１を形成する上方端部１１ａの辺との角度、及び各部分側部２１を画成する一方の稜線（山折り線）とこの部分側部２１を形成する下方端部１１ｂの辺との角度を、θ’（＝９０°）とする。

この状態から、上方端部１１ａの中心Ｏ回りに、図４（ａ）に矢印で示した方向に上方端部１１ａを角度αだけねじれさせると、部分構造体１１は図４（ｂ）に示した形状となる。すなわち、下方端部１１ｂに対して上方端部１１ａを角度αだけねじれされると、これに伴って、側部１１ｃの形状が変化し、よって各部分側部２１の形状が変化する。このような変化後において、図４（ａ）における角度θ’に対応するのが、角度θ₁₁である。

本実施形態では、このようにして定義される角度θ₁₁が、２０°以上６０°以下とされ、好ましくは２０°以上５５°以下とされ、より好ましくは２０°以上５０°以下とされる。加えて、本実施形態では、角度θ₁₁が角度θ₁₂〜θ₁₄よりも小さな角度とされる。

加えて、本実施形態では、他の部分構造体１２、１３、１４についても、角度θ₁₂、θ₁₃、θ₁₄が、２０°以上６０°以下とされ、好ましくは２０°以上５５°以下とされ、より好ましくは２０°以上５０°以下とされる。また、本実施形態では、角度θ₁₂、θ₁₃、θ₁₄は同一の角度とされる。

以下では、まず、角度θ₁₁〜θ₁₄を２０°以上６０°以下とすることの効果について説明する。ところで、筒状構造体１０の長手方向から筒状構造体１０に荷重が加わった場合、すなわち図２において矢印Ａの方向に荷重が加わった場合、筒状構造体１０の端部間の長さにおける変位（より詳細には、筒状構造体に荷重を加えるインパクターの変位）と、筒状構造体１０からの単位質量あたりの反力との関係は、図５の実線のようになる。図５の実線からわかるように、変位と反力との関係は一定ではなく、変位の増大に伴って反力は増減を繰り返して変化する。このうち、一定の変位内において、単位質量あたりの反力の最も大きな値をＦｍａｘ、単位質量辺りの最も小さな値をＦｍｉｎとする。

また、筒状構造体１０の長手方向に対して１０°の角度から筒状構造体１０に荷重が加わった場合、すなわち図２において矢印Ｂの方向に荷重が加わった場合、筒状構造体１０の端部間の長さにおける変位と、筒状構造体１０からの単位質量あたりの反力との関係は、図５の破線のようになる。図５の破線からわかるように、長手方向に対して角度をもって荷重が加わった場合においても、図５の実線と同様に、変位の増大に伴って反力は増減を繰り返して変化する。そして、この場合においても、一定の変位内において、単位質量あたりの反力の最も大きな値をＦｍａｘ、単位質量あたりの最も小さな値をＦｍｉｎとする。

ここで、筒状構造体１０を自動車のフロントサイドメンバやクラッシュボックスとして用いた場合、Ｆｍａｘの許容値は決まっている。例えば、筒状構造体１０をクラッシュボックスとして用いた場合、筒状構造体１０に衝突荷重が加わったときには、クラッシュボックスの後方に配置されたフロントサイドメンバに伝達される荷重の最大値はＦｍａｘとなる。このため、筒状構造体１０に衝突荷重が加わったときのＦｍａｘが許容値を超えて大きくなると、フロントサイドメンバに大きな荷重が加わってしまい、フロントサイドメンバの予期せぬ変形を招くことになる。このため、筒状構造体１０は、衝突荷重が加わった際に反力の最大値Ｆｍａｘが或る許容値以下になるように設計することが必要となる。

一方、筒状構造体１０に衝突荷重が加わったときに筒状構造体１０によって吸収されるエネルギは、単位質量あたりの反力を変位で積分した値に比例する。このため、筒状構造体１０によって吸収されるエネルギを大きくするためには、筒状構造体１０に変位が生じても単位質量あたりの反力を常に高く維持することが必要となる。

ここで、筒状構造体１０に変位が生じたときの反力変動を示す指標として、Ｆｍｉｎ／Ｆｍａｘが挙げられる。このＦｍｉｎ／Ｆｍａｘが小さいと単位質量あたりの反力は大きく変動し、その結果、単位質量あたりの反力を変位で積分した値は小さくなる。逆に、Ｆｍｉｎ／Ｆｍａｘが大きいと、単位質量あたりの反力の変動は小さく、その結果、単位質量あたりの反力を変位で積分した値は大きくなる。したがって、Ｆｍｉｎ／Ｆｍａｘが大きいほど、筒状構造体１０によって吸収されるエネルギは大きくなるといえる。

表１は、筒状構造体１０の各部分構造体１１〜１４における上方端部１１ａ〜１４ａ及び下方端部１１ｂ〜１４ｂの辺と山折り線２２との角度θ₁₁〜θ₁₄（以下、これらをまとめて「角度θ」という）と、Ｆｍａｘ、Ｆｍｉｎ及びＦｍｉｎ／Ｆｍａｘとの関係を示している。なお、表１は、筒状構造体１０の材料をＪＳＣ４４０Ｗ相当材、板厚を１．０ｍｍ、直径を約４８．６ｍｍ、軸長を２１０ｍｍとした場合を示している。

表１からわかるように、角度θが６０°よりも大きいときには、Ｆｍｉｎ／Ｆｍａｘは０．４６となっている。これに対して、角度θが４６．５°及び２７°であるときには、Ｆｍｉｎ／Ｆｍａｘは０．５以上となっている。ここで、筒状構造体１０と同一の板厚の同一の材料から六角柱を作成した場合（すなわち、本発明のように折紙構造としていない場合）、Ｆｍｉｎ／Ｆｍａｘを高める方法としては構造体の側面上に一定間隔でビードを設けることが挙げられる。このようなビードを設けた構造体では一般にＦｍｉｎ／Ｆｍａｘは０．５程度までしか高めることができない。これに対して、本発明の筒状構造体１０では、角度θを６０°以上とすることで、Ｆｍｉｎ／Ｆｍａｘを０．５以上とすることができる。したがって、本発明の筒状構造体１０では、筒状構造体１０に変位が生じたときの単位質量あたりの反力の最大値を低く維持しつつ、筒状構造体１０によって吸収されるエネルギを大きなものとすることができる。

なお、本発明の筒状構造体１０では、角度θ₁₁〜θ₁₄を２０°以上としている。これは、角度θ₁₁〜θ₁₄をこれ以上小さくすると、山折り線２２の両側に位置する面間の角度及び谷折り線２３の両側に位置する面間の角度が小さくなり、圧潰時に破断が生じる虞があるためである。このため、本発明の筒状構造体１０では、角度θ₁₁〜θ₁₄を２０°以上とすることで、破断を抑制するようにしている。

次に、部分構造体１１における角度θ₁₁を部分構造体１２〜１４における角度θ₁₂〜θ₁₄よりも小さな角度とすることの効果について説明する。上述したように、例えば、筒状構造体をクラッシュボックスとして用いた場合、自動車が衝突するときには常に衝突荷重が前方から、すなわち筒状構造体の軸線方向（図２の矢印Ａの向き）に入力されるわけではなく、傾斜した方向から、すなわち筒状構造体の軸線方向に対して傾斜した方向（例えば、図２の矢印Ｂの向き）に入力される場合もある。

筒状構造体１０の全ての部分構造体１１〜１４についてその角度θ₁₁〜θ₁₄を同一にした場合、筒状構造体１０に傾斜した方向から荷重の入力が行われると、筒状構造体１０の根本に応力が集中する。この結果、筒状構造体１０は根本で折れ曲がってしまい、結果的に十分に衝突エネルギを吸収することができなくなってしまう。

この様子を図６に示す。図６は、図１（ｂ）に示したように、全ての部分構造体１１〜１４についてその角度θ₁₁〜θ₁₄を同一にした筒状構造体１０にその軸線方向に対して傾斜した方向（図中に矢印Ｂで示した方向）に荷重を入力した場合に、筒状構造体１０が変形していく様子を解析した結果を示している。図中の最も左側には、荷重負荷による筒状構造体１０の全長における変位が３０ｍｍであるときの筒状構造体１０の様子が示されており、そこから右にいくに連れて変位が６０ｍｍ、９０ｍｍ、１２０ｍｍ、１５０ｍｍであるときの筒状構造体の様子が示されている。

図６からわかるように、矢印Ｂで示した方向に荷重を入力した場合、筒状構造体１０の両端に位置する部分構造体１１、１４は屈曲・圧潰するが、これら部分構造体１１、１４の間に位置する部分構造体１２、１３はあまり圧潰せずに残ってしまう。このため、部分構造体１２〜１４によっては十分なエネルギの吸収が行われず、結果的に、十分に衝突エネルギを吸収することができなくなってしまうことがわかる。

これに対して、図７は、部分構造体１１における角度θ₁₁を部分構造体１２〜１４における角度θ₁₂〜θ₁₄よりも小さな角度とした筒状構造体１０に、その軸線方向に対して傾斜した方向（図中に矢印Ｂで示した方向）に荷重を入力した場合に、筒状構造体１０が変形していく様子を解析した結果を示している。図６と同様に、図中の最も左側には、荷重負荷による筒状構造体１０の全長における変位が３０ｍｍであるときの筒状構造体１０の様子が示されており、そこから右にいくに連れて変位が６０ｍｍ、９０ｍｍ、１２０ｍｍ、１５０ｍｍであるときの筒状構造体の様子が示されている。

図７からわかるように、矢印Ｂで示した方向に荷重を入力した場合、他の部分構造体１２〜１４の角度θ₁₂〜θ₁₄よりも小さい角度θ₁₁を有する部分構造体１１が圧潰する（図中の、変位が３０ｍｍ及び６０ｍｍであるときを参照）。このとき、他の部分構造体１２〜１４はほとんど圧潰しない。一方の端部に配置された部分構造体１１が圧潰すると、次に、圧潰した部分構造体１１に隣接した部分構造体１２及び部分構造体１３が圧潰し始め（図中の、変位が９０ｍｍであるときを参照）、最後に、部分構造体１４が圧潰し始めることになる。

すなわち、本発明によれば、部分構造体１１における角度θ₁₁が他の部分構造体１２〜１４の角度θ₁₂〜θ₁₄よりも小さいことにより、部分構造体１１が最初に圧潰する。加えて、筒状構造体１０の一部が圧潰すると、筒状構造体１０の圧潰はそこから周りに広がっていくことから、部分構造体１２、１３、１４の順に徐々に圧潰していくことになる。これにより、本発明によれば筒状構造体１０は途中で折れてしまうことなく圧潰し、よって各部分構造体１１〜１４によって十分なエネルギの吸収が行われることになり、その結果、十分に衝突エネルギを吸収することができるようになる。

図８は、図６に示した筒状構造体の圧潰時における変位と単位質量あたりの反力との関係（図中の破線）及び図７に示した筒状構造体の圧潰時における変位と単位質量あたりの反力との関係（図中の実線）を示す図である。図８からわかるように、図中の破線（図６に示した筒状構造体）ではＦｍａｘが非常に大きく、その結果、Ｆｍｉｎ／Ｆｍａｘが大きいのに対して、図中の実線（図７に示した筒状構造体）ではＦｍａｘはそれほど大きくなく、その結果、Ｆｍｉｎ／Ｆｍａｘも比較的小さくなる。したがって、図７に示した本発明の筒状構造体によれば、図６に示した筒状構造体に対して、筒状構造体１０に変位が生じたときの単位質量あたりの反力の最大値を低く維持しつつ、筒状構造体１０によって吸収されるエネルギを大きなものとすることができるといえる。

なお、上記実施形態では、部分構造体１１についてのみ他の部分構造体１２〜１４よりも角度θ₁₁が小さいものとされており、他の部分構造体１２〜１４の角度θ₁₂〜θ₁₄は同一の角度とされている。しかしながら、他の部分構造体１１〜１４の角度θ₁₁〜θ₁₄は、角度θ₁₁から角度θ１４に向かって徐々に大きくなるようにしてもよい。換言すると、一方の端部に位置する部分構造体１１から他方の端部に位置する部分構造体１４に向かうにつれて部分構造体における角度θが大きくなっていくように構成されてもよい。

次に、図９を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態における筒状構造体３０の基本的な構成は、第一実施形態における筒状構造体の構成と同様である。ただし、本実施形態の筒状構造体３０では、各部分側部２１の平面状の部分には開口部が設けられている。

図９からわかるように、第二実施形態の筒状構造体３０も複数の筒状の部分構造体１１〜１４を具備する折紙構造となっており、各部分構造体１１〜１４は、六角形の上方端部１１ａ〜１４ａと、六角形の下方端部１１ｂ〜１４ｂと、側部１１ｃ〜１４ｃとを具備する。側部１１ｃ〜１４ｃは、複数の部分側部２１を有し、各部分側部２１の両側には山折り線２２が形成されると共に部分側部２１内には対角線上に延びる谷折り線２３が形成される。

加えて、本実施形態では、各部分側部２１の平面状の部分、すなわち各部分側部２１の山折り線２２と谷折り線２３とに囲まれた部分に開口部３１が設けられる。本実施形態では、部分側部２１の山折り線２２と谷折り線２３とに囲まれた全ての部分に開口部３１が設けられているが、必ずしも全ての部分に開口部３１が形成されている必要はない。例えば、一つの部分側部２１には一つの開口部３１が形成されるようにしてもよい。

ここで、図９に示したような折紙構造を持つ筒状構造体３０では、衝突荷重が加わったとき等におけるエネルギの吸収は主に部分側部２１の山折り線２２及び谷折り線２３近傍の領域によって行われる。換言すると、部分側部２１の山折り線２２と谷折り線２３とに囲まれた平面状の部分によってはあまりエネルギの吸収が行われない。このため、部分側部２１の平面状の部分に開口部を設けても、吸収されるエネルギに大きな変化はない。したがって、本実施形態によれば、衝突荷重が加わったとき等におけるエネルギの吸収量は維持しつつ、筒状構造体３０を軽量化することができる。

次に、このように構成された筒状構造体１０、３０の使用例について説明する。図１０は、筒状構造体１０を用いた自動車用フレーム構造体を概略的に示す図である。図１０に示した例では、自動車用フレーム構造体４０は、フロントサイドメンバ４１と、フロントサイドメンバ４１の車両後方側に位置すると共に車両の客室を画成する客室フレーム４２とを具備する主フレーム４３を備える。図１０に示した例では、筒状構造体１０、３０は、フロントサイドメンバ４１の車両前方側に結合され、クラッシュボックスとして用いられる。特に、筒状構造体１０は、他の部分構造体１２〜１４よりも角度θが小さい部分構造体１１が設けられた筒状構造体の端部とは反対側の端部において、主フレーム４３の前方、すなわちフロントサイドメンバ４１の前方に結合される。

図１１は、筒状構造体１０を用いた自動車用フレーム構造体の別の例を概略的に示す図である。図１１に示した例では、自動車用フレーム構造体４０は、フロントサイドメンバとして用いられる筒状構造体１０、３０と、筒状構造体１０、３０の車両後方側に位置すると共に車両の客室を画成する客室フレーム４２とを具備する。図１１に示した例では、筒状構造体１０、３０は、筒状構造体１０は、他の部分構造体１２〜１４よりも角度θが小さい部分構造体１１が設けられた筒状構造体の端部が車両の外側に、すなわち車両の前方側に向くように配置される。

なお、本明細書において、「ほぼ」という用語が複数用いられている。この「ほぼ」という用語は、製造誤差等により値に変動が含まれてしまう場合を含むことを意味するものである。例えば、上方端部１１ａと下方端部１１ｂとは互いにほぼ平行であって且つほぼ同一の多角形状とされているが、これは上方端部１１ａと下方端部１１ｂとを互いが平行になるように且つほぼ同一の多角形状となるように製造した際に、製造誤差によって両者が平行から僅かにずれている場合や両者の形状が僅かに異なっているような場合を含むことを意味するものである。

１０ 筒状構造体
１１、１２、１３、１４ 部分構造体
１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ 上方端部
１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ 下方端部
１１ｃ、１２ｃ、１３ｃ、１４ｃ 側部
２１ 部分側部
２２ 山折り線（稜線）
２３ 谷折り線（対角線）

Claims (6)

1. 連続して配置された複数の筒状の部分構造体を具備する筒状構造体において、
   各部分構造体は、多角形状の第一端部と、該第一端部とほぼ同一形状の多角形状であって前記第一端部の位置する平面とほぼ平行な平面上に位置する第二端部と、これら第一端部と第二端部との間に延びる側部とを有し、
   前記多角形状の第一端部は前記多角形状の第二端部に対して所定角度ねじれており、前記多角形状の第一端部の各辺と該第一端部の辺に対応する前記多角形状の第二端部の各辺との間には前記側部の一部である部分側部が設けられ、各部分側部には対角線上に谷折り線が形成されると共に該部分側部の両側には前記多角形状の第一端部の角部と該角部に対応する前記多角形状の第二端部の角部とを結んだ山折り線が形成され、
   各部分側部の山折り線と前記第一端部が位置する平面及び前記第二端部が位置する平面との間の角度は共にほぼθで同一であり、当該筒状構造体を構成する複数の部分構造体のうち当該筒状構造体の一方の端部に位置する部分構造体における角度θは、他の部分構造体における角度θよりも小さく且つ当該筒状構造体を構成する全ての部分構造体について前記角度θは２０°以上６０°以下である、筒状構造体。
2. 当該筒状構造体を構成する複数の部分構造体のうち当該筒状構造体の一方の端部に位置する部分構造体以外の部分構造体における角度θは全てほぼ同一である、請求項１に記載の筒状構造体。
3. 当該筒状構造体を構成する複数の部分構造体のうち当該筒状構造体の一方の端部に位置する部分構造体から他方の端部に位置する部分構造体に向かうにつれて部分構造体における角度θが大きくなっていく、請求項１に記載の筒状構造体。
4. 前記各部分側部の平面状の部分には開口部が設けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の筒状構造体。
5. 主フレームと、該主フレームに結合された請求項１〜４のいずれか１項に記載の筒状構造体を用いた自動車用フレーム構造体において、
   前記筒状構造体は、前記他の部分構造体よりも角度θが小さい部分構造体が設けられた筒状構造体の端部とは反対側の端部において主フレームに結合される、フレーム構造体。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の筒状構造体を用いた自動車用フレーム構造体において、
   前記筒状構造体は、サイドメンバとして用いられると共に、前記他の部分構造体よりも角度θが小さい部分構造体が設けられた筒状構造体の端部が車両の外側に向くように配置される、フレーム構造体。

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