JP2019206246A - 自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】衝突エネルギーの吸収特性に優れた自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法を提供する。【解決手段】本発明は、天板部３ａと縦壁部３ｂとフランジ部３ｃを有する断面ハット形状の部材３と平板状の部材５とがフランジ部３ｃにおいてスポット溶接されてなる筒状部材１であって、軸方向に座屈して衝突エネルギーを吸収する自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置を決定するものにおいて、筒状部材１の軸方向長さＬを設定する軸方向長さ設定工程Ｓ１と、軸方向長さＬと天板部３ａの幅Ｗ１との比が整数となるように幅Ｗ１を決定する天板部幅決定工程Ｓ３と、筒状部材１の先端から幅Ｗ１の３／４以下の位置を第１のスポット溶接位置７ａとし、幅Ｗ１をスポット溶接間隔Ｄとして第２以降のスポット溶接位置７ｂを決定するスポット溶接位置決定工程Ｓ５と、を備えたことを特徴とするものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、車両の前方又は後方から衝突されたときに軸方向に座屈して衝突エネルギーを吸収する自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法に関する。

乗用車等の車両において衝突時に乗員の安全を確保するため、衝突エネルギーを吸収する自動車用衝突エネルギー吸収部品として、フロントサイドメンバやリアサイドメンバがある。

近年、自動車車両の衝突安全性に高い水準が要求されるようになり、自動車用衝突エネルギー吸収部品の多くは引張強度440〜780MPaの高強度の鋼板を用いて製造されている。さらに、ハイブリッド自動車の普及が進み、今後、電気自動車や燃料電池自動車が急速に普及することが予測されるが、これに伴い、大容量のバッテリーや水素タンクなどを自動車に搭載するに際してはバッテリーや水素タンクを保護するためにも、フロントサイドメンバやリアサイドメンバなどといった自動車用衝突エネルギー吸収部品に対しては、狭いスペースで衝突エネルギーを十分に吸収することが求められる。

また、自動車の燃費向上は、自動車の価値向上だけでなく、地球温暖化対策としての二酸化炭素排出量抑制につながることとして求められており、燃費向上に直結する車両の軽量化がさらに求められ、自動車用衝突エネルギー吸収部品に対しても軽量化が求められている。
このように、自動車用衝突エネルギー吸収部品においては、衝突エネルギーを十分かつ効率良く吸収することが重要であり、そのためには、軸方向に入力した衝突荷重により自動車用衝突エネルギー吸収部品を安定して蛇腹状に座屈させることが要求される。

これまでに、自動車用衝突エネルギー吸収部品に衝突荷重が入力したときに安定して座屈を発生させる技術が提案されている。

特許文献１には、車体前後方向に延びる車体補強部材の前側部分に筒状の第２多角形部材が設けられ、該第２多角形部材が前端から潰れる際の潰れ波長をλとすると、先に潰れる第２多角形断面部の前後方向長さをｎλ／２（ｎ＝１、２、３、…）とすることで、第２多角形断面部に安定して座屈を生じさせ、車体補強部材における折れを防止して効率良く衝突エネルギーを吸収する技術が開示されている。ここで、当該技術における潰れ波長λは、試行錯誤ではなく、座屈波形の解析により決定することができるとされている。
また、特許文献２には、対向する一対の平面部を有して閉断面に形成されたバンパーステイにおいて、車両前後軸の直角方向に伸びる凹ビードを相互にずらして前記一対の平面部に形成し、衝突時に前記凹ビードを起点として軸方向に圧壊させることにより、衝突荷重を効率良く吸収する技術が開示されている。

特開平９−８６４３８号公報 特開２００９−４５９４８号公報

軸方向に座屈する自動車用衝突エネルギー吸収部品においては、座屈開始以降に、蛇腹状に潰れずに折れが発生した場合、座屈する位置がばらつき、安定したエネルギー吸収能が得られない。この点、前述の特許文献１及び特許文献２に開示された技術によれば、座屈する位置を安定させて軸圧壊させることは可能である。しかしながら、特許文献１に係る技術においては、安定して座屈変形させるための形状を決定するために座屈解析を行う必要があり、また、特許文献２に係る技術にあっては、バンパーステイの作製工程において座屈の起点となる凹ビードを別途形成する必要があり、いずれの技術においてもコストと時間を要するものであった。

さらに、前述の補強部材やバンパーステイといった自動車用衝突エネルギー吸収部品として、断面ハット形状部材と平板状の部材がスポット溶接されてなる、あるいは、２つの断面ハット形状の部材がスポット溶接されてなる鋼板製の筒状部材を用いた場合、該筒状部材に衝突荷重が入力して座屈する過程において、該筒状部材に生じる座屈部位の近傍にあるスポット溶接から亀裂が発生し、これを起点に破断が発生する場合があった。そして、このような破断が発生する筒状部材では、座屈開始以降の過程で高い反力を維持することができず、衝突エネルギーを十分に吸収することができないという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、座屈開始以降の過程で安定して蛇腹状に座屈し、さらに、スポット溶接周辺で亀裂を生じることなく、高い衝突エネルギー吸収能を有する自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法を提供することを目的とする。

発明者は、上記課題を解決するため、断面ハット形状の部材と平板状の部材を、あるいは、２つの断面ハット形状の部材を突き合せてスポット溶接されてなる筒状部材に衝突体を衝突させる衝突試験を行い、該筒状部材の形状や材料特性が前記筒状部材に生じる座屈変形に及ぼす影響を検討した。その結果、衝突体が10m/s以上の高速で衝突する場合にあっては、筒状部材を構成する鋼板製の２つの部材の突き合わせ面に平行な面部（断面ハット形状の天板部）に波状のたわみが発生し、該波状のたわみが該平行な面部の座屈の起点となること、さらには当該波状のたわみの波長が突き合わせ面に平行な面部の幅にほぼ等しいことを見出した。なお、この現象は、高速で衝突させる場合に特徴的に発生し、ごく低速で衝突試験（圧壊試験）を実施した場合には観られなかった。

さらに、平行な面部に発生した波状のたわみに起因して該平行な面部が座屈する過程において、該平行な面部が凹状に変形する軸方向位置では側面となる断面ハット形状の縦壁部に凸状の変形が生じること、そして、該縦壁部が凸状に変形する位置に近接するスポット溶接周辺に亀裂が発生して破断に至る場合があることを見出した。
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、以下の構成を備えるものである。

（１）本発明に係る自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法は、天板部と縦壁部とフランジ部を有する断面ハット形状の部材と平板状の部材とが前記フランジ部においてスポット溶接されてなる筒状部材であって、車体の前部又は後部に配設されて衝突荷重が入力した際に座屈して衝突エネルギーを吸収する自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置を決定するものにおいて、前記筒状部材の軸方向長さを設定する軸方向長さ設定工程と、該軸方向長さと前記断面ハット形状の部材の天板部の幅との比が整数となるように該天板部の幅を決定する天板部幅決定工程と、前記筒状部材の先端から前記決定した天板部の幅の３／４以下の距離にある位置を第１のスポット溶接位置とし、前記決定した天板部の幅をスポット溶接間隔として、前記第１のスポット溶接位置から前記軸方向に沿って第２以降のスポット溶接位置を決定するスポット溶接位置決定工程と、を備えたことを特徴とするものである。

（２）本発明に係る自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法は、天板部と縦壁部とフランジ部を有する断面ハット形状の２つの部材が前記フランジ部においてスポット溶接されてなる筒状部材であって、車体の前部又は後部に配設されて衝突荷重が入力した際に座屈して衝突エネルギーを吸収する自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接の位置を決定するものにおいて、前記筒状部材の軸方向長さを設定する軸方向長さ設定工程と、該軸方向長さと前記２つの部材のうち一方の部材の天板部の幅との比が整数となるように該一方の部材の天板部の幅を決定し、他方の部材の天板部の幅をそれ以上になるように決定する天板部幅決定工程と、前記筒状部材の先端から前記決定した一方の天板部の幅の３／４以下の距離にある位置を第１のスポット溶接位置とし、前記決定した一方の天板部の幅をスポット溶接間隔として、前記第１のスポット溶接位置から前記軸方向に沿って第２以降のスポット溶接位置を決定するスポット溶接位置決定工程と、を備えたことを特徴とするものである。

（３）上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記スポット溶接位置決定工程は、前記決定されたスポット溶接位置の中間であって、かつ、該スポット溶接位置よりも前記フランジ部の幅方向外側の位置を追加のスポット溶接位置として決定することを特徴とするものである。

本発明においては、天板部と縦壁部とフランジ部を有する断面ハット形状の部材と平板状の部材とが、または、２つの断面ハット形状の部材が、前記フランジ部においてスポット溶接されてなる筒状部材であって、車体の前部又は後部に配設されて衝突荷重が入力した際に座屈して衝突エネルギーを吸収する自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置を決定するものにおいて、前記筒状部材の軸方向長さを設定する軸方向長さ設定工程と、該軸方向長さと前記断面ハット形状の部材の天板部の幅との比が整数となるように該天板部の幅を決定する天板部幅決定工程と、前記筒状部材の先端から前記決定した天板部の幅の３／４以下の距離にある位置を第１のスポット溶接位置とし、前記決定した天板部の幅をスポット溶接間隔として前記第１のスポット溶接位置から前記軸方向に沿って第２以降のスポット溶接位置を決定するスポット溶接位置決定工程と、を備えたことにより、筒状部材の軸方向に衝突荷重が入力したときに該筒状部材を蛇腹状に座屈させることでき、かつスポット溶接の破断を防止して効率良く衝突エネルギーを吸収することができるように自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置を決定することができる。

本発明の実施の形態に係る自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法における処理の流れを示す図である。 本実施の形態に係る自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法により形状とスポット溶接位置を決定した筒状部材の一例を示す図である。 本実施の形態に係る自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法により形状とスポット溶接位置を決定した筒状部材の他の例を示す図である。 第１のスポット溶接位置をｄ＝Ｄ（＝Ｗ１）とした筒状部材を示す図である。 座屈により天板部が凹凸状に変形した軸方向位置における変形とスポット溶接位置に作用する応力を説明する図である（比較）。 座屈により天板部が凹凸状に変形した軸方向位置における変形とスポット溶接位置に作用する応力を説明する図である（本発明）。 本実施の形態に係る筒状部材の座屈により天板部に生じる波状のたわみの発生位置を説明する図である。 本実施の形態に係る筒状部材の他の態様を説明する図である（その１）。 本実施の形態に係る筒状部材の他の態様を説明する図である（その２）。 本発明の実施例における荷重−ストローク曲線の測定結果を示すグラフである。

本発明に係る自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法について説明するに先立ち、本発明で対象とする自動車用衝突エネルギー吸収部品について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能を有するものについては同一の符号を付し、重複した説明を省略するものとする。

本発明で対象とする自動車用衝突エネルギー吸収部品は、フロントサイドメンバやリアサイドメンバなど車体の前部又は後部に配設されて衝突荷重が入力した際に座屈して軸圧壊することで衝突エネルギーを吸収するものであり、その形状としては、図２に例示する筒状部材１や、図３に例示する筒状部材１１がある。

筒状部材１は、図２に示すように、天板部３ａと縦壁部３ｂとフランジ部３ｃを有する断面ハット形状の部材３と、面部５ａ及び側端部５ｂを有する平板状の部材５とが、フランジ部３ｃと側端部５ｂを突き合わせてスポット溶接されてなるものであり、スポット溶接されたフランジ部３ｃ及び側端部５ｂに略平行な一対の平行面部として天板部３ａと面部５ａとを有する。このように、筒状部材１においては、天板部３ａの幅Ｗ１は、面部５ａの幅Ｗ２以下とする。断面ハット形状の部材は、通常、プレス成形で作製され、プレス成形後にプレス金型から前記部材を容易に取り出す都合上、天板部の幅は開口部の幅以下とするため、このような関係となる。

一方、図３に示す筒状部材１１は、天板部３ａと縦壁部３ｂとフランジ部３ｃを有する断面ハット形状の部材３と、天板部１３ａと縦壁部１３ｂとフランジ部１３ｃを有する断面ハット形状の部材１３とが、フランジ部３ｃ及びフランジ部１３ｃを突き合わせてスポット溶接されてなるものであり、スポット溶接されたフランジ部３ｃ及びフランジ部１３ｃに略平行な一対の平行面部として天板部３ａ及び天板部１３ａを有する。ここで、以下の説明では、図３に示すように天板部１３ａの幅Ｗ２に比べて天板部３ａの幅Ｗ１の方が狭いか等しいものとする。

筒状部材１及び筒状部材１１は、取り付ける車両に応じて寸法（軸方向長さＬ等）を適宜設定する。また、筒状部材１及び筒状部材１１の材質としては、鋼板等の金属板が用いられ、断面ハット形状の部材３及び部材１３は、例えばプレス成形により作製すればよい。

次に、本発明の実施の形態に係る自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法について説明する。
本実施の形態に係る自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法は、図１に示すように、軸方向長さ設定工程Ｓ１と、天板部幅決定工程Ｓ３と、スポット溶接位置決定工程Ｓ５と、を備えたものである。以下、特に断わりがない場合においては、図２に示す筒状部材１の形状とスポット溶接位置を決定する場合について、上記の各工程を説明する。

＜軸方向長さ設定工程＞
軸方向長さ設定工程Ｓ１は、筒状部材１の軸方向長さＬを設定する工程である。
筒状部材１の軸方向長さＬは、自動車用衝突エネルギー吸収部品として取り付ける車両に応じて適宜設定するとよい。

＜天板部幅決定工程＞
天板部幅決定工程Ｓ３は、軸方向長さ設定工程Ｓ１で設定した軸方向長さＬと断面ハット形状の部材３の天板部３ａの幅Ｗ１との比（＝Ｌ／Ｗ１）が整数（ｎ＝１、２、…）となるように、天板部３ａの幅Ｗ１を決定する工程である。

断面ハット形状の部材３と平板状の部材５とをスポット溶接した筒状部材１においては、天板部３ａの幅Ｗ１は、面部５ａの幅Ｗ２と等しいかこれより狭い。そのため、天板部幅決定工程Ｓ３においては、軸方向長さＬを用いて天板部３ａの幅Ｗ１を決定する。

また、図３に示すように双方とも断面ハット形状の部材３と部材１３とをスポット溶接した筒状部材１１においては、天板部幅決定工程Ｓ３は、筒状部材１１の軸方向長さＬと天板部３ａ及び天板部１３ａそれぞれの幅Ｗ１及び幅Ｗ２との比（Ｌ／Ｗ１、Ｌ／Ｗ２）のうち一方の部材３の天板部３ａの幅Ｗ１との比Ｌ／Ｗ１が整数となるように幅Ｗ１を決定し、他方の部材５の面部５ａの幅Ｗ２をそれ以上（Ｗ２≧Ｗ１）となるように幅Ｗ２を決定する。

＜スポット溶接位置決定工程＞
スポット溶接位置決定工程Ｓ５は、筒状部材１の軸方向先端から前記決定した天板部３ａの幅Ｗ１の３／４以下の距離ｄにある位置を第１のスポット溶接位置７ａとし、天板部３ａの幅Ｗ１をスポット溶接間隔Ｄとして第１のスポット溶接位置７ａから軸方向に沿って第２以降のスポット溶接位置７ｂを決定する工程である。

第１のスポット溶接位置７ａは、図２に示すように、先端から距離ｄが天板部３ａの幅Ｗ１（＝スポット溶接間隔Ｄ）の３／４以下であればよいが、幅Ｗ１の１／２とすることが好ましい。また、部材の開始端（ｄ＝０）にスポット溶接することは通常は難しいため、距離ｄは０より大きくするとよい。

本実施の形態に係る自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置を決定する方法により形状とスポット溶接位置を決定した自動車用衝突エネルギー吸収部品に衝突荷重を入力したときの作用効果を、図４および図７に例示する筒状部材２１および１を比較して以下に説明する。

図４に示す筒状部材２１は、前述の筒状部材１と異なり、天板部３ａの幅Ｗ１の３／４を超える距離Ｄ（＝Ｗ１）にある位置を第１のスポット溶接位置２３ａとし、断面ハット形状の部材３の天板部３ａの幅とフランジ部３ｃにおける第２のスポット溶接位置２３ｂが決定され、部材３と部材５とがスポット溶接位置２３（２３ａ、２３ｂ）にてスポット溶接されたものである。

筒状部材２１の軸方向先端に約10m/s以上の高速で衝突体が衝突した瞬間、筒状部材２１におけるフランジ部３ｃに平行な天板部３ａ及び面部５ａには波状のたわみが発生し、当該たわみの発生位置に凹凸が発生する。そして、筒状部材２１からの反力がピークに達した瞬間に、係る凹凸の稜線の一箇所または複数箇所に座屈が発生する。

ここで、筒状部材２１の天板部３ａは、その幅Ｗ１が軸方向長さＬとの比Ｌ／Ｗ１が整数となるように決定されているため、天板部３ａには幅Ｗ１と波長の等しい波状のたわみが発生する。これにより、筒状部材１に衝突したときに天板部３ａには蛇腹状の座屈が安定して発生する。

さらに、筒状部材２１においては、天板部３ａに発生する波状のたわみの位置に合わせてフランジ部３ｃにおけるスポット溶接位置２３（２３ａ、２３ｂ）が設定されている。そのため、衝突後に座屈して軸圧壊する過程において、天板部３ａが凹状に変形する軸方向位置２７では、図５に示すように縦壁部３ｂに凸状の変形が生じ、フランジ部３ｃには引き剥がされる変形を生じる。そのため、軸方向位置２７にあるスポット溶接位置２３に設けられたスポット溶接には引張応力が作用する。

ここで、引張強度５９０ＭＰａを超える超高張力鋼板が適用された筒状部材２１のスポット溶接では、ナゲットと熱影響部（ＨＡＺ）の軟化部との間に大きな強度差が生じる。その結果、この部位に引張応力が集中すると亀裂が生じ、破断に至ってしまう。そのため、筒状部材２１において引張応力が作用する軸方向位置２７に設けられたスポット溶接においては亀裂が発生し、破断しやすい。

一方、本実施の形態に係る方法で形状とスポット溶接位置が決定された図７に示す筒状部材１においては、筒状部材２１と同様に、天板部３ａの幅Ｗ１が、軸方向長さＬとの比Ｌ／Ｗ１が整数となるように決定されているので、衝突荷重が入力したときに天板部３ａを蛇腹状に安定して座屈させることができる。これに加え、軸方向先端から距離ｄの位置を第１のスポット溶接位置７ａとし、天板部３ａに生じる波状のたわみの波長と等しい間隔をスポット溶接間隔Ｄで軸方向に沿って第２以降のスポット溶接位置７ｂとして決定することで、図６（ｂ）に示すように、天板部３ａに凹状の変形が生じる軸方向位置２７にはスポット溶接を設けないようにしている。

そのため、本実施の形態に係る方法により形状とスポット溶接位置７が決定された筒状部材１においては、図７に示すように、フランジ部３ｃが引き剥がされるような変形が生じる軸方向位置にスポット溶接が配置されていない。
また、天板部３ａに凸状の変形が生じる軸方向位置２５では、図６（ａ）に示すように縦壁部３ｂに凹状の変形が生じ、フランジ部３ｃには押しつける変形が生じる。これにより、軸方向位置２５にあるスポット溶接位置７に設けられたスポット溶接には圧縮応力が作用するが、当該圧縮応力によってスポット溶接が破断することはない。
その結果、軸方向に衝突荷重が入力したときに、スポット溶接に亀裂を発生させることなく安定して座屈変形させることが可能となる。

さらに、筒状部材１は天板部３ａと面部５ａの幅が異なるが、本実施の形態において、幅が狭い天板部３ａの幅Ｗ１を決定し、該決定した幅Ｗ１をスポット溶接間隔Ｄとする理由については、以下のとおりである。

前述のように、筒状部材１の軸方向先端に約10m/s以上の高速で衝突体が衝突した瞬間、天板部３ａ及び面部５ａには凹凸が発生し、当該凹凸の発生位置に波状のたわみが発生する。そして、筒状部材１からの反力がピークに達した瞬間に、天板部３ａ及び面部５ａのそれぞれに発生した凹凸の稜線の一箇所または複数箇所から座屈が発生する。

このとき、面部５ａに比べて幅が狭い天板部３ａの方が衝突体の衝突により発生する波状のたわみの波長が短いために、座屈が発生するタイミングが早くなると考えられる。そのため、天板部３ａと面部５ａの双方とも座屈変形したとしても、天板部３ａに生じた座屈によって縦壁部３ｂに生じる変形の方がフランジ部３ｃにおけるスポット溶接に及ぼす影響が大きい。そのため、天板部３ａの幅Ｗ１を基準として、フランジ部３ｃにおけるスポット溶接位置７を決定することで、筒状部材１が座屈したときの変形によるスポット溶接の破断を防止することができる。

このように、幅の狭い天板部３ａの方を基準としてスポット溶接位置７を決定することは、図３に示すような、２つの断面ハット形状の部材３及び部材１３をスポット溶接してなる筒状部材１１においても同様である。すなわち、筒状部材１１においては、天板部１３ａの幅Ｗ２に比べて天板部３ａの幅Ｗ１の方が狭いため、幅の広い天板部１３ａに比べて座屈が開始するタイミングが早くなると考えられ、天板部３ａの座屈変形によるスポット溶接への影響の方が大きくなる。そのため、筒状部材１１においても、幅の狭い天板部３ａについて幅Ｗ１を決定し、スポット溶接位置を決定することで、筒状部材１１が座屈したときの変形によるスポット溶接の破断を防止することができる。

もっとも、上記の説明は、天板部３ａのみの幅Ｗ１を軸方向長さＬとの比が整数となるように決定するものであったが、本発明は、天板部３ａに比べて幅が大きい面部５ａ又は天板部１３ａについても、軸方向長さＬとの比Ｌ／Ｗ２が整数となるように決定することが望ましい。これにより、面部５ａ及び天板部１３ａにおいても蛇腹状の座屈変形を安定して起こしやすくなり、衝突エネルギー吸収能が向上することが期待できる。

さらに、上記の説明は、フランジ部３ｃにおいて軸方向に沿って第１のスポット溶接位置７ａと第２以降のスポット溶接位置７ｂを決定するものであったが、対象とする筒状部材１の軸方向長さＬが短い場合には、上記の方法で決定したスポット溶接位置の数が少なくなりすぎて筒状部材１及び筒状部材１１の強度が不十分となる場合があることが懸念される。

そのため、本実施の形態の他の態様として、スポット溶接位置決定工程Ｓ５は、図８に示すように、天板部３３ａと縦壁部３３ｂと幅広のフランジ部３３ｃを有する断面ハット形状の部材３３と平板状の部材３５とをスポット溶接してなる筒状部材３１において、第１及び第２以降のスポット溶接位置７よりもフランジ部３３ｃの幅方向外側の位置を追加のスポット溶接位置９として決定するものであってもよい。

筒状部材３１においては、追加のスポット溶接位置９を、第１及び第２のスポット溶接位置７よりも幅方向外側に決定することで、衝突したときの荷重の一部を第１及び第２のスポット溶接が受け持ち、座屈により追加のスポット溶接位置に設けられたスポット溶接に作用する引張応力が軽減され、該スポット溶接が破断することを防止することができる。

さらに、図８に示すような幅広のフランジ部３３ｃにおいては、スポット溶接位置７の幅方向外側に追加のスポット溶接位置９を決定することができるが、このようなフランジ部３３ｃが設けられた筒状部材３１は、重量の増加を招くおそれがある。そこで、図９に示すように、断面ハット形状の部材４３と平板状の部材４５とがスポット溶接されてなる筒状部材４１において、部材４３のフランジ部４３ｃを幅方向外側に突き出した突き出し面部４３ｄが設けられた形状とし、突き出し面部４３ｄの位置を追加のスポット溶接位置９として決定する。フランジ部４３ｃの形状をこのように決定することで、重量増加を最小限に抑えつつスポット溶接の点数を増して強度を確保することができ、かつ座屈するときのスポット溶接における破断を防止することができる。

なお、本発明に係る方法により形状とスポット溶接位置が決定された筒状部材を実際に製造する場合にあっては、第１のスポット溶接位置の軸方向先端からの距離ｄや、スポット溶接間隔Ｄに対して±１０％以内であれば、距離ｄとスポット溶接間隔Ｄにより決定されたスポット溶接位置からずれてスポット溶接したものであっても許容され、衝突エネルギー吸収能を向上する効果を損なうものではない。

さらに、本発明に係る方法により形状とスポット溶接位置が決定された筒状部材にあっては、２つの部材を付き合わせてスポット溶接するフランジ部を接着材によりさらに接着してもよい。これにより、衝突エネルギー吸収能を向上させることができるとともに、高い剛性を兼ね備えた自動車用衝突エネルギー吸収部品を提供することが可能となる。

本発明に係る自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法の効果を確認するための実験を行ったので、その結果について以下に説明する。

本実施例では、図２、図４、図７に示す断面ハット形状の部材３と平板状の部材５との筒状部材（形状Ａ）と、図９に示す筒状部材４１（形状Ｂ）を試験体とし、該試験体の軸方向先端に衝突体を衝突させて衝突試験を行い、各試験体の衝突エネルギー吸収特性を評価した。ここで、衝突試験に用いた試験体は鋼板製（板厚１.６ｍｍ）とし、表１に示すように、材料強度の異なる鋼板を使用した。

衝突試験においては、試験体の軸方向両端（先端及び後端）に板厚１０ｍｍのプレートをアーク溶接し、一方のプレート（後端側）を荷重ロードセルに固定し、他方のプレート（先端側）に対し、２５０ｋｇの衝突体を軸方向に初速１０ｍ／ｓで衝突させた。このとき、衝突体の初期運動エネルギーは１２．５ｋＪである。そして、荷重ロードセルで測定された荷重と衝突体の変位ストロークＳを測定することにより、荷重−ストローク曲線を作成した。さらに、作成した荷重−ストローク曲線から、試験体の反力のピーク値Ｆｍａｘと、ストローク０〜１００ｍｍまでに吸収した衝突エネルギー吸収量ＡＥと、衝突体が停止するのに要する最大ストロークＳｍａｘを求めた。

試験体に衝突体を衝突させると、試験体の衝突エネルギー吸収量ＡＥが衝突体の初期運動エネルギー（＝１２．５ｋＪ）に到達したときに衝突体の運動は停止するため（運動エネルギーゼロ）、荷重−ストローク曲線の終点が最大ストロークＳｍａｘに相当する。
表２に、衝突試験において試験体として用いた筒状部材の形状とスポット溶接位置を示す。

表１において、発明例１〜発明例３は、本発明に係る自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状及びスポット溶接位置決定方法により天板部の幅とスポット溶接位置を本発明の範囲内となるように決定したものである。

発明例１及び発明例２は、図２に示す筒状部材１を試験体として、天板部３ａの幅Ｗ１を軸方向長さＬとの比Ｌ／Ｗ１＝６で整数となるように決定し、かつ、スポット溶接位置７をスポット溶接間隔Ｄ＝Ｗ１としたものである。また、発明例１及び発明例２は、第１のスポット溶接位置７ａの先端からの距離ｄをそれぞれスポット溶接間隔Ｄの１／２及び３／４としたものである。

発明例３は、図９に示す筒状部材４１を試験体とし、第１及び第２のスポット溶接位置７（７ａ、７ｂ）の中間となる部位に突き出し面部４３ｄを設け、突き出し面部４３ｄに追加のスポット溶接位置９を設けて部材４３と部材４５とをスポット溶接したものである。なお、発明例３における天板部４３ａの幅Ｗ１と、第１及び第２のスポット溶接位置７（スポット溶接間隔Ｄ、距離ｄ）は、発明例１と同条件とした。

一方、表１に示す比較例１〜比較例３は、天板部３ａの幅Ｗ１とスポット溶接位置７が本発明の範囲外のものである。すなわち、比較例１は、軸方向長さＬと幅Ｗ１との比Ｌ／Ｗ１＝４.７で整数でないもの、比較例２は、スポット溶接間隔Ｄを天板部３ａの幅Ｗ１の３／２としたもの、比較例３は、第１のスポット溶接位置７ａを先端からの距離ｄを３／４Ｄよりも大きいｄ＝Ｄとしたものである。

衝突試験を行って得られた代表的な荷重−ストローク曲線として、図１０に比較例３と発明例１の結果を示す。なお、図１０は、表１に示す材料記号９８０の鋼板を用いたものである。

図１０に示すように、比較例３及び発明例１のいずれにおいても、衝突体が試験体の先端のプレートに衝突した直後に反力が急上昇してピーク値（Ｆｍａｘ）を示し、その後、座屈が開始して反力が急降下している。

ここで、比較例３においては、天板部３ａの座屈によって縦壁部３ｂが凸状に変形した軸方向位置におけるフランジ部３ｃのスポット溶接に亀裂が生じ、座屈の進行に伴って鋼板の破断に進展した。この破断により、座屈開始以降の反力が発明例１よりも低下し、鋼板の材料強度から期待される衝突エネルギー吸収量を得ることができなかった。

これに対して発明例１においては、座屈に伴い縦壁部３ｂが凸状に変形した軸方向位置近傍にスポット溶接がないために亀裂が発生せず、鋼板が破断せずに圧縮に伴い座屈が安定して繰り返し生じた。これにより、破断が発生した比較例１と比べると、短いストロークで衝突エネルギー吸収量を増加する結果が得られた。

表３に、発明例１〜発明例３と、比較例１〜比較例３における衝突エネルギー吸収特性の試験結果をまとめて示す。

表３より、発明例及び比較例ともに、鋼板強度が増加することで反力が増加し、これに伴い衝突エネルギー吸収量ＡＥが向上し、最大ストロークＳｍａｘが小さくなった。
しかしながら、比較例１〜比較例３においては、座屈が進行する過程において破断が生じる結果となった。これに対して発明例１〜発明例３と比較例１〜比較例３においては、座屈が進行する過程において破断することがなく、衝突エネルギー吸収量ＡＥが大きく、また、最大ストロークＳｍａｘも小さくなり、衝突エネルギー吸収特性が向上する結果となった。

特に、筒状部材４１を試験体とした発明例３は、発明例１及び発明例２に係る筒状部材１におけるスポット溶接位置７の中間位置に追加のスポット溶接位置９を設定しものであるが、筒状部材４１は、座屈に伴い縦壁部４３ｂが凸に変形した軸方向位置においてフランジ部４３ｃが外側に突き出した突き出し面部４３ｄを有し、突き出し面部４３ｄのスポット溶接が縦壁部４３ｂの裾から離れているため、スポット溶接の周辺に亀裂が発生せず、破断が発生しないことが確認された。

以上のことから、本発明により自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置を決定することにより、高速で衝突した際に座屈部周辺にあるスポット溶接に亀裂が発生することを防止し、安定して高いエネルギー吸収能を持つ自動車用衝突エネルギー吸収部品を提供することができることが示された。

１ 筒状部材
３ 断面ハット形状の部材
３ａ 天板部
３ｂ 縦壁部
３ｃ フランジ部
５ 平板状の部材
５ａ 面部
５ｂ 側端部
７ スポット溶接位置
７ａ 第１のスポット溶接位置
７ｂ 第２のスポット溶接位置
９ 追加のスポット溶接位置
１１ 筒状部材
１３ 断面ハット形状の部材
１３ａ 天板部
１３ｂ 縦壁部
１３ｃ フランジ部
２１ 筒状部材
２３ スポット溶接位置
２３ａ 第１のスポット溶接位置
２３ｂ 第２のスポット溶接位置
２５ 凸状に変形する軸方向位置
２７ 凹状に変形する軸方向位置
３１ 筒状部材
３３ 断面ハット形状の部材
３３ａ 天板部
３３ｂ 縦壁部
３３ｃ フランジ部
４１ 筒状部材
４３ 断面ハット形状の部材
４３ａ 天板部
４３ｂ 縦壁部
４３ｃ フランジ部
４３ｄ 突き出し面部
４５ 平板状の部材
４５ａ 面部
４５ｂ 側端部

Claims (3)

1. 天板部と縦壁部とフランジ部を有する断面ハット形状の部材と平板状の部材とが前記フランジ部においてスポット溶接されてなる筒状部材であって、車体の前部又は後部に配設されて衝突荷重が入力した際に座屈して衝突エネルギーを吸収する自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置を決定する方法において、
   前記筒状部材の軸方向長さを設定する軸方向長さ設定工程と、
   該軸方向長さと前記断面ハット形状の部材の天板部の幅との比が整数となるように該天板部の幅を決定する天板部幅決定工程と、
   前記筒状部材の先端から前記決定した天板部の幅の３／４以下の距離にある位置を第１のスポット溶接位置とし、前記決定した天板部の幅をスポット溶接間隔として、前記第１のスポット溶接位置から前記軸方向に沿って第２以降のスポット溶接位置を決定するスポット溶接位置決定工程と、を備えたことを特徴とする自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法。
2. 天板部と縦壁部とフランジ部を有する断面ハット形状の２つの部材が前記フランジ部においてスポット溶接されてなる筒状部材であって、車体の前部又は後部に配設されて衝突荷重が入力した際に座屈して衝突エネルギーを吸収する自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接の位置を決定する方法において、
   前記筒状部材の軸方向長さを設定する軸方向長さ設定工程と、
   該軸方向長さと前記２つの部材のうち一方の部材の天板部の幅との比が整数となるように該一方の部材の天板部の幅を決定し、他方の部材の天板部の幅をそれ以上になるように決定する天板部幅決定工程と、
   前記筒状部材の先端から前記決定した一方の天板部の幅の３／４以下の距離にある位置を第１のスポット溶接位置とし、前記決定した一方の天板部の幅をスポット溶接間隔として、前記第１のスポット溶接位置から前記軸方向に沿って第２以降のスポット溶接位置を決定するスポット溶接位置決定工程と、を備えたことを特徴とする自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法。
3. 前記スポット溶接位置決定工程は、前記決定されたスポット溶接位置の中間であって、かつ、該スポット溶接位置よりも前記フランジ部の幅方向外側の位置を追加のスポット溶接位置として決定することを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の自動車用衝突エネルギー吸収部品の形状とスポット溶接位置の決定方法。