JP2021187335A - 車両用クラッシュボックス - Google Patents

Abstract

【課題】車両用クラッシュボックスにおいて、板厚変更を伴わずに、耐荷重性能の向上を可能とする。【解決手段】車両用クラッシュボックス１０は、基準角筒部２０及び前方角筒部３０を備えた、階段状の切頭多角錘構造に形成される。基準角筒部２０は、車両前後方向軸に直交する断面が多角形であって、当該多角形の各頂点により車両前後方向に稜線１８が形成される。前方角筒部３０は、基準角筒部２０と同軸であって基準角筒部２０から車両前後方向前方に設けられ、基準角筒部２０よりも上記多角形の断面積が小さい。さらに、基準角筒部２０及び前方角筒部３０の断面の上記多角形は凹多角形である。【選択図】図２

Description

本明細書では、車両用の衝撃吸収部材であるクラッシュボックスが開示される。

車両の前面衝突（前突）または後面衝突（後突）時に衝撃を受ける部材として、車両の前面及び後面には、バンパリーンフォースメントと呼ばれる骨格部材が車幅方向に延設される。さらに車体には、車幅方向両側に、車両前後方向に延設されるサイドメンバと呼ばれる骨格部材が設けられる。バンパリーンフォースメントとサイドメンバとの間には、クラッシュボックスと呼ばれる衝撃吸収部材が設けられる。

クラッシュボックスは、バンパリーンフォースメント及びサイドメンバよりも耐荷重性が低くなるように形成される。したがって前突又は後突時には、サイドメンバに先駆けてクラッシュボックスが潰れ変形する。

クラッシュボックスの潰れ変形により衝突エネルギが吸収される。さらに例えば軽衝突時には、サイドメンバが変形することなく、クラッシュボックスの潰れ変形（破損）で済む場合がある。サイドメンバの交換が不要となることから、修理費用を軽減できる。

このようなクラッシュボックスとして、例えば特許文献1では、サイドメンバからバンパリーンフォースメントに向かうに連れて、断面四角形の断面積が徐々に小さくなる、階段状の切頭四角錘構造のクラッシュボックスが開示される。また特許文献２では、サイドメンバからバンパリーンフォースメントに向かうに連れて、断面円形の断面積が徐々に小さくなるとともに長手方向一端から他端に向かう螺旋状の傾斜部を備えた切頭円錐構造のクラッシュボックスが開示される。

特許文献１のような段差構造のクラッシュボックスは、車両の衝突時に、先頭段がその後段に陥入する。さらに衝突が進むと、上記後段がその後段に陥入する。また特許文献２のような傾斜部が設けられたクラッシュボックスは、螺旋状の傾斜部に沿ってクラッシュボックスが捩じれるようにして変形される。このように、段差構造や傾斜部が形成されたクラッシュボックスでは、同一長で段差構造や傾斜部の無いクラッシュボックスと比較して、変形点が明確であるため、設計通りの潰れ変形が可能となる。

特開平８−１９８０３９号公報 特開２０１８−４７７８０号公報

ところで、クラッシュボックスの耐荷重性能を高める方法として、板厚を増加させることが考えられるが、例えばダイキャスト加工等の金型鋳造により肉厚のクラッシュボックスを加工しようとすると、内部に鋳巣等の不良が生じるおそれがある。そこで本明細書で開示される車両用クラッシュボックスは、板厚変更を伴わずに、耐荷重性能の向上を可能とすることを目的とする。

本明細書で開示される車両用クラッシュボックスは、一対のサイドメンバと、バンパリーンフォースメントとの間に設けられる。一対のサイドメンバは、車両幅方向両側に設けられ、それぞれ車両前後方向に延設される。バンパリーンフォースメントは、車両前面及び後面の少なくとも一方に配置され車幅方向に延設される。車両用クラッシュボックスは、基準角筒部及び前方角筒部を備えた、階段状の切頭多角錘構造に形成される。基準角筒部は、車両前後方向軸に直交する断面が多角形であって、当該多角形の各頂点により車両前後方向に稜線が形成される。前方角筒部は、基準角筒部と同軸であって基準角筒部から車両前後方向前方に設けられ、基準角筒部よりも上記多角形の断面積が小さい。さらに、基準角筒部及び前方角筒部の断面の上記多角形は凹多角形である。

車両前後方向の衝突荷重が入力されたときに、クラッシュボックスにおいて、車両前後方向に延設される稜線が主に荷重を受ける。ここで後述されるように、稜線を構成するクラッシュボックスの断面多角形の各頂点の内角又はその共役角が９０°以下であるときに、同角が鈍角であるときと比較して、稜線の耐荷重性が高くなる。断面多角形を凹多角形とすることで、すべての内角またはその共役角を９０°以下にすることが出来る。

また、上記構成において、車両用クラッシュボックスは、後方角筒部を備えてもよい。後方角筒部は、基準角筒部と同軸であって当該基準角筒部から車両前後方向後方に設けられ、基準角筒部よりも上記多角形の断面積が小さい。前方角筒部に加えて後方角筒部を備えることで、車両用クラッシュボックスは、切頭多角錘構造が車両前後方向に沿って互いに反転された、双対切頭多角錘構造に形成される。さらに、基準角筒部の車両前後方向の長さは、基準角筒部の前後の段部の車両前後方向の長さの和以上である。

上記構成によれば、車両の衝突時に、基準角筒部にその前後の段部が陥入する際に、互いの干渉を抑制可能となる。

本明細書に開示される車両用クラッシュボックスによれば、板厚変更を伴わずに、耐荷重性能が向上可能となる。

本実施形態に係る車両用クラッシュボックスを備える、車両前部の骨格構造を例示する斜視図である。 本実施形態に係る車両用クラッシュボックスを例示する単体斜視図である。 本実施形態に係る車両用クラッシュボックスの、回転荷重に対する耐荷重性能を説明する図である。 本実施形態に係る車両用クラッシュボックスの、衝突時の潰れ変形過程を説明する図である。 フロントサイドメンバに、車両前後方向軸に対して傾いた方向から衝突荷重が入力されたときの、本実施形態に係る車両用クラッシュボックスの変形過程を説明する図である。 本実施形態に係る車両用クラッシュボックスに荷重が入力されたときの様子を説明する図である。 本実施形態に係る車両用クラッシュボックスの、段差部分のうち平板部分に入力される荷重を説明する図である。 本実施形態に係る車両用クラッシュボックスの、段差部分のうち稜線部分に入力される荷重を説明する図である。 内角の異なる稜線部分を例示する図である。 稜線の内角が凹角であるときの、稜線部分に入力される荷重を説明する図である。 断面形状が凸多角形である車両用クラッシュボックスが比較例として示された図である。 本実施形態に係る車両用クラッシュボックスの別例を示す図である。

図１〜図１２には、本実施形態に係る車両用のクラッシュボックス１０が例示される。なお図１〜図１２において、車両前後方向が記号ＦＲで表される軸で示され、車幅方向が記号ＲＷで表される軸で示され、鉛直方向が記号ＵＰで表される軸で示される。記号ＦＲはＦｒｏｎｔの略であり、前後方向軸ＦＲは車両前方を正方向とする。記号ＲＷはＲｉｇｈｔ Ｗｉｄｔｈの略であり、幅方向軸ＲＷは右幅方向を正方向とする。また高さ軸ＵＰは上方向を正方向とする。

図１に示されているように、これらＦＲ軸、ＲＷ軸、ＵＰ軸は互いに直交する。以下適宜、これら３軸を基準に、本実施形態に係る車両用のクラッシュボックス１０が説明される。例えば「前端」は任意の部材のＦＲ軸正方向側の端部を指し、「後端」は任意の部材のＦＲ軸負方向側の端部を指す。「幅内側」はＲＷ軸に沿って相対的に車両の幅方向内側を指すものとし、「幅外側」はＲＷ軸に沿って相対的に車両の幅方向外側を指すものとする。さらに「上側」は相対的にＵＰ軸の正方向側を指し、「下側」は相対的にＵＰ軸の負方向側を指す。

図１には、本実施形態に係る車両用クラッシュボックス１０が設けられた、車両前部の骨格構造の斜視図が例示されている。図１に例示されている骨格構造は、いわゆる上部構造のみであって、骨格構造の下部構造であるサスペンションメンバ等は適宜図示を省略している。

車両前部の骨格構造は、一対のフロントサイドメンバ５０，５０、フロントバンパリーンフォースメント６０、クラッシュボックス１０，１０、及びブラケット７０，７０を備える。以下、フロントサイドメンバ５０は適宜「ＦＲサイドメンバ５０」と記載され、フロントバンパリーンフォースメント６０は適宜「ＦＲバンパＲ／Ｆ６０」と記載される。

ＦＲサイドメンバ５０，５０は、車両前面の、車両幅方向両側に設けられ、それぞれ前後方向に延設される一対の骨格部材である。例えばＦＲサイドメンバ５０，５０は、閉断面構造の中空部材として構成される。また、ＦＲサイドメンバ５０，５０には、折れ変形の起点（変形起点）として、折れビード５２（凹みビード）が前後方向に複数形成される。ＦＲサイドメンバ５０，５０の間には、内燃機関等の駆動源や、ラジエータやインテーク等の周辺機器が搭載される。

ＦＲバンパＲ／Ｆ６０は、車幅方向に延設され、ＦＲサイドメンバ５０の前端に、クラッシュボックス１０を介して接続される骨格部材である。図１に例示されるように、ＦＲバンパＲ／Ｆ６０は、幅方向中央部分が幅方向両端と比較して前方にせり出すような略円弧形状となっている。ＦＲバンパＲ／Ｆ６０は中空の閉断面構造となっている。

ＦＲサイドメンバ５０の前端には、ブラケット７０が締結等により固定される。ブラケット７０はＦＲサイドメンバ５０の前端から下方に延設される。例えばブラケット７０の下端には車両下方の骨格部材であるバンパリーンフォースメントロア（図示せず）が接続される。

クラッシュボックス１０は、ＦＲサイドメンバ５０とＦＲバンパＲ／Ｆ６０との間に設けられ、両者を接続する。より具体的には、クラッシュボックス１０の前端が、ＦＲバンパＲ／Ｆ６０の後端に接続される。またクラッシュボックス１０の後端が、ブラケット７０を介して、ＦＲサイドメンバ５０の前端に接続される。これらの接続は、例えばボルト・ナットを用いた締結等により行われる。

クラッシュボックス１０は、ＦＲサイドメンバ５０及びＦＲバンパＲ／Ｆ６０と比較して潰れ変形し易い構造となっている。例えばＦＲサイドメンバ５０及びＦＲバンパＲ／Ｆ６０はホットスタンプ鋼板等の高張力鋼板から構成される。一方でクラッシュボックス１０は、例えば普通鋼板の成形品から構成される。

なお、図１では、車両前部の骨格構造にクラッシュボックス１０が搭載された例が示されていたが、本実施形態に係るクラッシュボックス１０は、この形態に限られない。要するに車幅方向両側に設けられ、車両前後方向に延設される一対のサイドメンバと、車両前面及び後面の少なくとも一方に配置され、車幅方向に延設されるバンパリーンフォースとの間に、クラッシュボックス１０が設けられる。

例えば車両後部の骨格構造においては、ＦＲサイドメンバ５０に接続され車両前後方向に延設されるリアサイドメンバと、車両後面に設けられたリアバンパリーンフォースメントとの間に、クラッシュボックス１０が設けられる。なお、以下では、クラッシュボックス１０が車両前部の骨格構造に設けられた例が示されるが、車両構造の対称性から、車両後部の骨格構造にクラッシュボックス１０が設けられた場合も、下記の例と同様とされる。

＜クラッシュボックスの構造＞
図２にはクラッシュボックス１０の単体斜視図が例示される。クラッシュボックス１０は、階段状の切頭多角錘構造に形成される。特に図２では、基準角筒部２０を折り返しとして、車両前後方向に沿って切頭多角錘構造が互いに反転された、双対切頭多角錘構造を備えるクラッシュボックス１０が例示される。

すなわちクラッシュボックス１０は、基準角筒部２０、前方角筒部３０、及び後方角筒部４０を備える。基準角筒部２０は、クラッシュボックス１０の、車両前後方向中央に位置される多角形部分である。例えば基準角筒部２０は、車両前後方向軸（ＦＲ軸）に直交する断面（ＲＷ−ＵＰ断面）の形状が矩形の中空状である。

図２の例では、基準角筒部２０の断面形状は、車幅方向に一対設けられる鉛直壁１４と、車高方向に一対設けられる水平壁１２とによって規定された、断面十字型の凹多角形となっている。凹多角形とは、少なくとも一つの内角に凹角を含む多角形を指す。凹角とは角度が１８０°より大きく３６０°より小さい角を指す。この断面凹多角形であることによる耐荷重性については後述される。

また、水平壁１２及び鉛直壁１４との境界線として、車両前後方向に直線状に延設される稜線１８が形成される。言い換えると、クラッシュボックス１０の断面多角形の各頂点により、車両前後方向に稜線１８が形成される。後述されるように、ＦＲバンパＲ／Ｆ６０に衝突荷重が入力されると、クラッシュボックス１０の稜線１８が主に荷重を受ける。

なお、水平壁１２、鉛直壁１４及び後述される接続壁１６はいずれも同一板厚であってよい。また、基準角筒部２０、前方角筒部３０、及び後方角筒部４０のそれぞれの水平壁１２、鉛直壁１４及び接続壁１６は、いずれも同一板厚であってよい。

後述されるように、前方角筒部３０及び後方角筒部４０の各段部と、基準角筒部２０との、車両前後方向軸に直交する断面（ＲＷ−ＵＰ断面）の多角形形状は同軸かつ相似形状となる。また基準角筒部２０は、前方角筒部３０及び後方角筒部４０の各段部と比較して、その断面積が最大となるように形成される。言い換えると、前方角筒部３０及び後方角筒部４０の各段部のＲＷ−ＵＰ断面積は、いずれも、基準角筒部２０のＲＷ−ＵＰ断面積よりも小さい。

基準角筒部２０の車両前後方向長さＬ１は、基準角筒部２０の前段部である、前方角筒部３０の前方中間段部３４と、これと面対称構造であって基準角筒部２０の後段部である、後方角筒部４０の後方中間段部４２の、車両前後方向長さＬ２の和以上（Ｌ１≧２×Ｌ２）であってよい。言い換えると、クラッシュボックス１０の潰れ変形時における、前方中間段部３４及び後方中間段部４２の基準角筒部２０への陥入量（ストローク量）の和以上となるように、基準角筒部２０の長さＬ１が定められる。このような構成とすることで、車両衝突の際に前方中間段部３４と後方中間段部４２とがともに基準角筒部２０内に陥入するときに、両段部３４，４２の当接、言い換えると干渉が抑制される。

基準角筒部２０の前方に前方角筒部３０が接続される。前方角筒部３０はクラッシュボックス１０の前端部である先頭段部３２と、先頭段部３２と基準角筒部２０との間に設けられた前方中間段部３４とを含んで構成される。

前方中間段部３４及び先頭段部３２は、基準角筒部２０と同軸であって、断面形状は基準角筒部２０と相似の多角形形状になっている。また前方中間段部３４及び先頭段部３２の断面多角形の各頂点によって、車両前後方向に延設される稜線１８が形成される。

また前方中間段部３４は、基準角筒部２０よりも断面積が小さくなるように構成され、先頭段部３２は、前方中間段部３４よりもさらに断面積が小さくなるように構成される。つまり、前方角筒部３０は、車両前方に進むにつれて断面多角形の断面積が一段毎に小さくなる。基準角筒部２０及び前方中間段部３４、ならびに、前方中間段部３４と先頭段部３２と繋ぐ段差構造として、車両前後方向軸ＦＲに垂直な平面（ＲＷ−ＵＰ平面）に平行な接続壁１６が設けられる。

基準角筒部２０と前方中間段部３４、及び前方中間段部３４と先頭段部３２との段差高さＨ１は等しくてよい。例えば段差高さＨ１は、水平壁１２及び鉛直壁１４の板厚ｔに所定のマージンを加えた値であってよい。具体的には段差高さＨ１は水平壁１２及び鉛直壁１４の板厚ｔに対してｔ＜Ｈ１＜１０ｔの範囲の値となるように設定される。

先頭段部３２の前端はＦＲバンパＲ／Ｆ６０（図１参照）の後端に接続される。この接続がナット・ボルトによる締結である場合に、先頭段部３２の前端に、締結用のフランジが形成されてもよい。

後方角筒部４０は、前方角筒部３０と面対称であって、例えば基準角筒部２０の長さＬ１の中間点を通るＲＷ−ＵＰ平面を対称面とする構造を備える。

基準角筒部２０の後方に後方角筒部４０が接続される。後方角筒部４０はクラッシュボックス１０の後端部である後端段部４４と、後端段部４４と基準角筒部２０との間に設けられた後方中間段部４２とを含んで構成される。

後方中間段部４２及び後端段部４４は、基準角筒部２０と同軸であって、断面形状は基準角筒部２０と相似の多角形形状になっている。また後方中間段部４２及び後端段部４４の断面多角形の各頂点によって、車両前後方向に延設される稜線１８が形成される。

また後方中間段部４２は、基準角筒部２０よりも断面積が小さくなるように構成され、後端段部４４は、後方中間段部４２よりも断面積が小さくなるように構成される。つまり、後方角筒部４０は、車両後方に進むにつれて断面多角形の断面積が一段毎に小さくなる。

基準角筒部２０及び後方中間段部４２、ならびに、後方中間段部４２及び後端段部４４を繋ぐ段差構造として、接続壁１６が設けられる。基準角筒部２０と後方中間段部４２、及び後方中間段部４２と後端段部４４との段差高さは等しくてよい。例えば段差高さは、水平壁１２及び鉛直壁１４の板厚ｔに所定のマージンを加えた値であってよい。具体的には段差高さは水平壁１２及び鉛直壁１４の板厚ｔに対してｔ＜Ｈ１＜１０ｔの範囲の値となるように設定される。

後端段部４４の後端は、ブラケット７０（図１参照）を介して、ＦＲサイドメンバ５０（図１参照）の前端に接続される。ブラケット７０との接続がナット・ボルトによる締結である場合に、後端段部４４の後端に、締結用のフランジが形成されてもよい。

後端段部４４の断面積は、接続先であるＦＲサイドメンバ５０の断面積に従って定められる。例えばＦＲサイドメンバ５０は断面矩形の閉断面形状であって、この断面形状及び断面積と、後端段部４４の断面形状及び断面積は等しくされる。

＜段差構造に伴う衝撃荷重の吸収過程＞
上述したように、クラッシュボックス１０は、基準角筒部２０から前方角筒部３０が形成される階段状の切頭多角錘構造である。さらにクラッシュボックス１０は、基準角筒部２０の車両長手方向中間点を通るＲＷ−ＵＰ面を対称面とする面対称構造である。言い換えるとクラッシュボックス１０は、上記対称面を折り返しとして、車両前後方向に沿って互いに反転された、双対切頭多角錘構造を備える。

したがって、クラッシュボックス１０は、ＦＲサイドメンバ５０と断面積が略同一である後端段部４４から、前段に行くに従って断面積が増加する。さらに基準角筒部２０からは、前段に行くにしたがって断面積が低減される。ここで、前方角筒部３０と後方角筒部４０は面対称であるところ、先頭段部３２の断面積は後端段部４４の断面積と等しくなる。つまり、クラッシュボックス１０の全段を通して、その断面積を、ＦＲサイドメンバ５０の断面積以上となるように形成できる。

このように断面積が大きく採られることについての利点が、図３〜図５に示される。図３（ａ）に例示されるように、クラッシュボックス１０は、図３（ｂ）に例示されるような従来のクラッシュボックス２００と比較して、ＦＲバンパＲ／Ｆ６０の支持剛性が向上する。

例えばクラッシュボックス１０と従来のクラッシュボックス２００が同一長であるときに、クラッシュボックス１０は後端段部４４から基準角筒部２０まで拡径可能な分、各段の縮径を抑制しつつ、先頭段部３２までの段数を多くできる。つまり一段当たりの車両前後方向長さを短くできる。また上述したように、クラッシュボックス１０は、先頭段部３２の断面積をＦＲサイドメンバ５０の断面積と同等とすることが出来る。

これに対して従来のクラッシュボックス２００では、後端段部２０２の断面積がＦＲサイドメンバ５０の断面積と同等とする制約の為、段数を重ねるごとにその断面積が減少することから、段数に制限がある。その結果、従来のクラッシュボックス２００の先頭段部２０４は、クラッシュボックス１０の先頭段部３２よりも断面積が小さく、また、車両前後方向の長さも相対的に長くなる。

図３（ｂ）に例示されるように、ＦＲバンパＲ／Ｆ６０に、長手軸を回転軸とする回転荷重が入力されたときに、従来のクラッシュボックス２００の先頭段部２０４は、上述のように相対的に長細い形状であるため、回転荷重により破線で示されるように屈曲座屈されるおそれがある。

これに対して図３（ａ）に例示されるクラッシュボックス１０は、先頭段部３２の断面積をＦＲサイドメンバ５０の断面積と同等の大きさにでき、かつ一段当たりの車両前後方向長さを相対的に短くできるため、ＦＲバンパＲ／Ｆ６０に入力される回転荷重に抗して、ＦＲバンパＲ／Ｆ６０を支持可能となる。

図４には、車両の前面衝突時（前突時）のクラッシュボックス１０の変形過程が例示される。車外の障害物に車両前面が衝突すると、ＦＲバンパＲ／Ｆ６０がこの衝突を受けて後退させられる。ＦＲバンパＲ／Ｆ６０からの衝突荷重を受けてクラッシュボックス１０が車両前後方向に潰れ変形する。

この潰れ変形において、図４上段から下段への変形に見られるように、先頭段部３２が前方中間段部３４内に陥入し、前方中間段部３４が基準角筒部２０に陥入する。さらに後方中間段部４２が基準角筒部２０に陥入し、後端段部４４は後方中間段部４２に陥入する。このようにして各段部がその前段または後段の段部内に陥入されることで、所定の段部への荷重集中が避けられ、当該段部の座屈が抑制される。

図５には、前突態様として、クラッシュボックス１０の中心軸Ｃ１に対して傾斜した方向から衝突荷重が入力されたときの例が示される。このような荷重入力に応じて、ＦＲバンパＲ／Ｆ６０からクラッシュボックス１０に、当該傾斜した方向からの荷重が入力される。このとき、クラッシュボックス１０の先頭段部３２、前方中間段部３４、後方中間段部４２、及び後端段部４４がそれぞれ中心軸Ｃ１から傾くようにして前段または後段に陥入される。図５上段の例では、各段の紙面上方部分が、下方部分と比較して陥入量（ストローク量）が多くなる。

さらにＦＲバンパＲ／Ｆ６０の押し込みに応じて、クラッシュボックス１０の先頭段部３２、前方中間段部３４、後方中間段部４２、及び後端段部４４の、陥入量の少ない部分、つまり、紙面下方部分が、前段または後段に陥入される。このように、衝突荷重がクラッシュボックス１０の中心軸Ｃ１に対して偏っていた場合でも、この荷重の偏りがクラッシュボックス１０の各段に分散されるため、段単体での荷重集中は軽減される。これにより、所定段部の座屈が抑制される。その結果、中心軸Ｃ１に沿ったクラッシュボックス１０の潰れ変形が可能となる。

＜稜線の耐荷重性＞
一般的に、ある部材に荷重が入力されると、その荷重の伝達経路（ロードパス）は、その部材のうち（荷重に対して最も突っ張る）高剛性の領域上に形成される。図１を参照して、車両の前面から衝突荷重が入力されると、クラッシュボックス１０には車両前後方向の衝突荷重が入力される。このとき、その主たるロードパスは、クラッシュボックス１０において車両前後方向に延設される稜線１８（図６参照）となる。

本実施形態に係るクラッシュボックス１０では、この稜線１８を形成するクラッシュボックス１０の断面多角形の各頂点の内角またはその共役角（３６０°から内角を引いた角）が９０°以下となるように、当該断面多角形の形状を凹多角形としている。

クラッシュボックス１０に車両前後方向の荷重が入力されたときの、特に段差部分の耐荷重性が、図７、図８を用いて説明される。図７は、図６の破線部分Ａ、つまり水平壁１２Ａ，１２Ｂ及び両壁を繋ぐ接続壁１６Ａから構成される平板同士の段差構造の耐荷重性についての説明図である。図８は、図６の破線部分Ｂ、つまり稜線１８Ａとその終端に位置する接続壁１６Ａとの、段差構造の隅部の耐荷重性についての説明図である。

図７を参照して、クラッシュボックス１０に車両前後方向に衝突荷重Ｆ１が入力されると、水平壁１２Ａが後方に押される。これに伴って水平壁１２Ａの終端に接続される接続壁１６Ａは図７のように側面視Ｓ字に変形される。さらに水平壁１２Ａの後退が進むと、接続壁１６Ａの下方領域９０が湾曲形状から破線のように平板形状に展開される。一方で水平壁１２Ａの平板形状の領域８０が破線のように湾曲形状に曲げられる。

上記のように領域８０，９０を変形させる荷重Ｆ１は、以下のように求められる。なお、領域９０の曲率半径をＲで示し、領域８０の長さはπＲとする。またクラッシュボックス１０の全箇所において厚さをｔとする。領域８０に注目すると、平板形状から破線のように半円の湾曲形状となることで、表面８２の長さはπＲからπ（Ｒ−ｔ／２）に圧縮される。一方でその対向面８４の長さはπＲからπ（Ｒ＋ｔ／２）に引っ張られる。これを踏まえて、変形前後の領域８０の変位は下記数式（１）のように表される。

この変形に必要なエネルギＥ１は、降伏応力σ_ｙ、板幅ｂを用いて下記数式（２）のように表される。

なお、変位πｔ／４は、表面８２の変位と、変位０である中立面８６の平均を取ったものである。さらに数式（２）から、外部からのエネルギ＝Ｆ１×πＲなので、図７のような領域８０，９０の変形に要する力Ｆ１は、以下の数式（３）のように表される。

次に、図８を参照して、稜線１８Ａを図７と同様にＳ字に変形させるときの荷重Ｆ２が求められる。なお、図６では稜線１８Ａをはじめとする稜線が角部で示されている。しかしながら加工上、微視的に見ればこれらの稜線１８Ａは角部というより急峻なＲ形状として捉えられる。図８では稜線１８Ａは、中立面１０６までの曲率半径ｒ及び中心角９０°の曲面として記載される。

稜線１８Ａが衝突荷重を受けて後退すると、拡径されながら折り返されるように変形される。この挙動に係るエネルギが、折り返しと拡径とに分けて説明される。まず折り返しについて、変形前に外表面となっていた表面１０２が折り返しにより内表面となる。また同様にして変形前に内表面となっていた対向面１０４が折り返されて外表面となる。

この折り返しについて、拡径を無視すると、表面１０２の弧長は（π／２）×（ｒ＋ｔ／２）から（π／２）×（ｒ−ｔ／２）に変化する。同様にして対向面１０４の弧長は（π／２）×（ｒ−ｔ／２）から（π／２）×（ｒ＋ｔ／２）に変化する。両変化を加味すると、折り返しによる稜線１８Ａの変位は下記数式（４）のように表される。

長さπＲ、内角の角度９０°の稜線１８Ａを折り返すのに必要なエネルギＥ２は、下記数式（５）のように表される。

次に、変形により半径ｒの稜線１８Ａが半径ｒ＋Ｒに拡径される。このときの変形前後の変位は下記数式（６）のように表される。

またこの拡径に要するエネルギＥ３は下記数式（７）のように表される。

これらのエネルギＥ２＋Ｅ３と、変形長πＲを用いて、稜線１８Ａを折り返すのに必要な荷重Ｆ２が下記数式（８）のように表される。なおＮは、クラッシュボックス１０の車両前後方向に延設される稜線１８の数を表す。稜線１８は、この荷重Ｆ２未満であれば折り返し変形が免れるから、荷重Ｆ２は稜線１８の折り返し変形に抗する耐荷重の上限値ということが出来る。加えて、数式（３）の荷重Ｆ１及び数式（８）の荷重Ｆ２の和が、クラッシュボックス１０の耐荷重の上限値ということが出来る。

ここで、数式（４）を参照して、上述の例では、稜線１８を曲面とし、その中心角θ２が９０°とされた。図９上段を参照して、稜線１８の中心角θ２が９０°のとき、当該稜線１８を形成するクラッシュボックス１０の断面多角形の内角θ１も９０°となる。なお、図９上段のθ１，θ２以外の内角は、円の接線と直径との成す角なので９０°となる。

図９下段は、クラッシュボックス１０の断面多角形の内角θ３が鈍角である例が示される。このとき、稜線１８の中心角θ４は鋭角となり、稜線１８の弧長が図９上段と比較して短くなる。そのため、数式（４）における変位量が低減され、稜線１８Ａを折り返すのに必要なエネルギＥ２もその分低減される。また数式（６）における変形前後の変位量も低減されるため、エネルギＥ３もその分低減される。つまり稜線の折り返し変形への耐荷重性が低減される。

このように、稜線１８を構成する、クラッシュボックス１０の断面多角形の内角は、曲率半径ｒが一定であるときには、０°に近づくほど、稜線１８の中心角が大きくなるため（円弧が長くなるため）、稜線１８の折り返し変形への耐荷重性が高くなる。

また、図１０に例示されるように、稜線１８を構成する、クラッシュボックス１０の断面多角形の内角θ５が２７０°以上となってその共役角θ６（３６０°から内角を引いた角度）が９０°以下となるような場合には、荷重入力時の稜線１８の折り返しは当該共役角に基づいて生じるため、稜線１８を構成する多角形の内角が９０°以下であるときと同様の耐荷重性が得られる。

つまり、稜線１８を構成する、クラッシュボックス１０の断面多角形は、その内角または共役角が９０°以下であると、内角及び共役角が鈍角である場合と比較して、高い耐荷重性が得られる。このような特性を考慮して、本実施形態に係るクラッシュボックス１０では、車両前後方向軸に直交する断面形状を、凹多角形としている。凹多角形とすることで、車両前後方向に延設される稜線１８を構成する頂点の内角または共役角を、９０°以下とすることが出来る。

なお、この断面多角形の角数は５以上であってよい。例えば図６に例示されるクラッシュボックス１０の断面多角形は、内角が８つの直角と４つの凹角（１８０°より大きく３６０°よりも小さい角）からなる凹１２角形となっており、稜線１８を構成する内角または共役角が９０°以下となっている。

これに対して図１１には、比較例の凸１２角形として、断面が正１２角形のクラッシュボックス２００が例示される。この場合、全ての内角θ７（１５０°）と共役角θ８（２１０°）が９０°を超過しており、上記の数式（４），（５）に基づけば、稜線１８を折り返す際の耐荷重が相対的に低くなる。

＜クラッシュボックスの別例＞
図１２には、本実施形態に係るクラッシュボックス１０の別例が示される。この例では、クラッシュボックス１０の、車両前後方向軸に直交する断面形状が、凹２０角形となっている。図示されているようにこの断面形状は、内角が１２の直角と８つの凹角から構成され、稜線１８を構成する内角または共役角が９０°以下となっている。

また、上述した実施形態において、クラッシュボックス１０は車両前後方向に沿った双対の切頭多角錘構造であったが、この形態に限らない。要するに断面多角形が凹多角形であればよく、後方角筒部４０が省略され、基準角筒部２０と前方角筒部３０からクラッシュボックス１０が構成されてもよい。

１０ 車両用クラッシュボックス、１２ 水平壁、１４ 鉛直壁、１６ 接続壁、１８ 稜線、２０ 基準角筒部、３０ 前方角筒部、３２ 先頭段部、３４ 前方中間段部、４０ 後方角筒部、４２ 後方中間段部、４４ 後端段部、５０ フロントサイドメンバ、６０ フロントバンパリーンフォースメント、７０ ブラケット。

Claims (2)

1. 車幅方向両側に設けられ、それぞれ車両前後方向に延設される一対のサイドメンバと、車両前面及び後面の少なくとも一方に配置され車幅方向に延設されるバンパリーンフォースメントとの間に設けられる、車両用クラッシュボックスであって、
   車両前後方向軸に直交する断面が多角形であって、前記多角形の各頂点により車両前後方向に稜線が形成される基準角筒部と、
   前記基準角筒部と同軸であって前記基準角筒部から車両前後方向前方に設けられ、前記基準角筒部よりも前記多角形の断面積が小さい、前方角筒部と、
   を備えた、階段状の切頭多角錘構造に形成され、
   前記基準角筒部及び前記前方角筒部の断面の前記多角形は凹多角形である、車両用クラッシュボックス。
2. 請求項１に記載の車両用クラッシュボックスであって、
   前記基準角筒部と同軸であって前記基準角筒部から車両前後方向後方に設けられ、前記基準角筒部よりも前記多角形の断面積が小さい後方角筒部を備えることで、前記切頭多角錘構造が車両前後方向に沿って互いに反転された、双対切頭多角錘構造に形成され、
   前記基準角筒部の車両前後方向の長さは、前記基準角筒部の前後の段部の車両前後方向の長さの和以上である、車両用クラッシュボックス。

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