JP4216065B2 - 自動車用バンパービーム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のバンパーを補強するバンパービームに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車のバンパーは、車体に連結されるとともにバンパーの強度を保つバンパービームと、このバンパービームに取り付けられて車体の外観を整える樹脂製の表皮材とから概略構成されている。そして、このバンパービームは燃費低減のために軽量化が図られており、近年では軽合金製とする例が多くなってきている。例えば、図５に断面図として示すバンパービーム３０は、アルミ合金材で押し出し成形されたバンパービームの一例で、“日の字型”断面に押し出し成形された中空構造を有している。すなわち、互いに平行な上壁部３１と底壁部３２、及びこれらと直角方向に互いに平行な側壁部３３，３４と、上壁部３１と底壁部３２と平行して、側壁部３３，３４を２分するように中央に設けられた連結リブ３５から構成されている。
【０００３】
バンパービーム３０は、実際にはサイドメンバー１６を介して車両１７の前面または後面に取り付けられ、衝突の際には衝突面側の側壁部３３が図の左方矢印の方向からの衝撃力Ｆを受け止める面となる。従って“日の字型”断面構造の部材の内でも側壁部３３が最も厚さが厚く作られている。また、図５の例では上壁部３１及び底壁部３２と連結リブ３５は同じ厚さに作られており、図の左方からの衝撃力を均等に受け止めて衝撃力をやわらげる構造となっている。
このようなバンパービームは軽量化を目的として７０００番系高力アルミニウム合金等で作成される。通常、バンパービームには発泡材等からなる緩衝材が取り付けられ、表面はバンパーカバーで覆われている。
【０００４】
バンパービームは自動車の衝突等により外部から衝撃力が加わった時に、その衝撃エネルギーをバンパービーム材料の塑性変形により吸収し、他の部材の損傷を回避すると同時に人体の安全を確保するための重要な部材である。
ところで、自動車の衝突の形態には壁状障害物がバンパービームの壁面の全面に比較的に高速で衝突する形態と、柱状障害物がバンパービームの壁面の一部に比較的に低速で衝突する形態とがある。
前者の衝突形態では、衝突による衝突エネルギーは乗員の負傷やバンパービーム取り付け部材の座屈損傷を招くような大きなものであることが多く、バンパービームに対しては徐々に変形崩壊して大量の衝突エネルギーを吸収できるものであることが望まれている。
一方、後者の衝突形態では、乗員の負傷や取り付け部材の損傷を招くような大きな衝突エネルギーを有する場合は少なく、バンパービームに対しては変形崩壊して衝突エネルギーを吸収するよりも、衝突荷重で変形し難い剛性に富んだものであることが望まれている。
【０００５】
バンパービームには、軽量化を図りつつも形材の曲げ剛性と曲がる時のエネルギー吸収量を大きくすることが求められている。断面形状の改良によりこれらの特性を改良する提案が開示されている（例えば、特許情報１参照。）。
ここでは、長さ方向に一様な矩形断面形状のアルミ合金形材からなり、衝突方向に対して垂直な壁面を有するように車体側に位置する壁面の両端部が車体に取り付けられるバンパービームであり、上記アルミ合金形材の車体側に位置する角隅部が板厚の２．５倍以上の半径Ｒで湾曲をなしているバンパービームが開示されている。
具体的には図６に示すように、バンパービーム４０は、バンパーカバー内に設けられたアルミ合金形材からなっており、車体４２側に位置する壁面４１ａがサイドメンバー４４を介して車体４２に支持されている。上記のアルミ合金形材は、長さ方向に一様な例えば“日”字形の矩形断面形状に形成されており、一対の横設リブ４１ｂ，４１ｂと、両横設リブ４１ｂ，４１ｂの両端に接続された縦設リブ４１ａ，４１ａと、縦設リブ４１ａ，４１ａ間に接続された補強リブ４１ｃとからなっている。
【０００６】
上記のバンパービーム４０は、縦設リブ４１ａ，４１ａが衝突方向に対して垂直となると共に、横設リブ４１ｂ，４１ｂが衝突方向に対して平行となるように設けられている。そして、車体４２側の角隅部４１ｄ，４１ｄは、縦設リブ４１ａ，４１ａの長さの１／６以下の範囲において板厚の２．５倍以上の半径Ｒで湾曲されている。一方、バンパービーム４０の衝突側の角隅部４１ｅ，４１ｅは、板厚程度の半径ｒで略直角に曲折されている。これにより、バリアー衝突時においては、湾曲された角隅部４１ｄ，４１ｄを座屈の起点に位置させることによって、発生荷重を抑制しながら座屈を促進し、衝突エネルギーを効率良く吸収するようになっている。また、ポール衝突時においては、湾曲された角隅部４１ｄ，４１ｄを座屈の起点の反対側に位置させることによって、大きな発生荷重を生じさせるようになっている。尚、半径Ｒを縦設リブ４１ａ，４１ａの長さの１／６以下に制限した理由は、１／６を越えるとサイドメンバ４４への取り付けが困難になると共に吸収エネルギーが低下するからであるとされている。
この構造によれば、上記の二つの衝突形態に対応できるような、徐々に変形崩壊して大量の衝突エネルギーを吸収できる特性と、衝突荷重で変形し難い剛性に富んだ特性とを兼ね備えることができるとされている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−８０８７９号公報 （第５頁、図２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バンパービームがあまり強すぎると、バンパービームの座屈と共に車体の取り付け金具であるサイドメンバーを損傷させてしまうことになる。サイドメンバーは衝突の瞬間に発生する最大荷重によって損傷する。
例えば、図５に断面で示すような全角隅部が直角に曲折されたバンパービームでは、図７に示すように衝突によりバンパービームが３．５〜４．５ｍｍ塑性変形する間の平均荷重は５０ｋＮ程度であるのに対して、衝突直後のバンパービームの変位量が１ｍｍに達する以前の０．５ｍｍ程度塑性変形する間に、最大２５０ｋＮもの最大荷重が発生し、２ｍｍ程度変位した後はほぼ一定の平均潰し荷重で変形していく。この場合には最大荷重は平均荷重の５．８８倍にも達する。
この最大荷重を低くすることができれば、サイドメンバーを損傷させることなくバンパービームの変形崩壊のみで衝突エネルギーを吸収することができる。
従来はバンパービームが３．５〜４．５ｍｍ塑性変形する間の、発生荷重が大幅な変動を伴わない場合の最大荷重と吸収エネルギーの関係を問題としており、衝突の瞬間に発生する最大荷重を下げる試みはなされていなかった。
人身の安全を確保するためにも、衝突の瞬間に発生するこの最大荷重のピークをできる限り低くすることが重要である。
本発明の目的は、上記衝突の瞬間に発生するこの最大荷重のピークをできる限り低くし、バンパービームの取付け金具であるサイドメンバーの損傷を防ぐことのできるバンパービームの構造を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため普通乗用車のバンパービームの断面形状を種々検討した結果、サイドメンバーが損傷するのは、長さ１００ｍｍのバンパービーム試片に荷重を加えた場合に瞬間的に発生する高い荷重が車体を潰す荷重を越える場合である。衝突の瞬間に発生する最大荷重をこの車体を潰す荷重と同等にすることで、バンパービームの塑性変形により、サイドメンバーを損傷させることなく衝突エネルギーを吸収できることが判明した。バンパービームの構造を、従来と同様として最大荷重を低くすると、衝突の後半に発生する衝撃荷重が低くなり過ぎる構造となってしまい、バンパービームとしてのエネルギー吸収能が低下してしまうことも判明した。
従って、図７に示す潰し変位量−潰し荷重曲線において、最大ピークのみを引き下げて波形をより矩形波形に近づけることができれば、サイドメンバーを損傷させることなくバンパービームの塑性変形により衝突エネルギーを吸収できることになり、エネルギー吸収材として安定した性能を有するバンパービームとすることができると考えた。そこでバンパービームの断面形状を種々検討した結果、衝撃を受ける面の部材の厚さを厚くし、衝撃を受ける面と直角をなす部材の厚さを変化させ、かつ衝撃を受ける部材面の両端に特定の曲率半径を付与させることにより、上記目的を達成できることを見い出し本発明に至った。
【００１０】
すなわち、本発明のバンパービームは、自動車の車体に取り付けられるとともにバンパーの強度を保つ自動車用バンパービームであって、上壁部と、前記上壁部に対向する底壁部と、前記上壁部及び前記底壁部の両端部を連結する一対の側壁部と、前記上壁部及び前記底壁部の中間に設けられて前記一対の側壁部を連結する連結リブとから構成されるアルミニウム合金製の押し出し中空部材からなり、前記中空部材は、前記車体に取り付けられる車体取付け面とは反対側に位置する衝突面側の側壁部の厚さｔ３が前記車体取付け面側の側壁部の厚さｔ４よりも厚く、前記上壁部の厚さｔ１、前記連結リブの厚さｔ５、及び前記底壁部の厚さｔ２がこの順で厚く、もしくは薄くなるように形成されており、なおかつ前記衝突面側の側壁部の幅方向の両側に位置する角隅部が前記一対の側壁部側の幅寸法Ｌ１に対して０．０５〜０．３倍の長さの曲率半径Ｒで湾曲した形状を有することを特徴とする。
【００１１】
前記上壁部の厚さｔ１は前記底壁部の厚さｔ２の０．８倍以上０．９倍未満とすることが好ましい。また、前記連結リブの厚さｔ５は前記底壁部の厚さｔ２の０．９倍以上１．０倍未満とすることが好ましい。
連結リブをこのように構成することにより、高い剛性を有すると同時に、衝突時に発生する最大ピーク荷重を飛躍的に低減させることができるようになり、サイドメンバーを損傷することなしに、衝突エネルギーをバンパービームで吸収し、乗員に与える損傷を飛躍的に少なくすることができるようになる。
【００１２】
本発明においては、前記連結リブの取り付け位置を前記側壁部の中央よりも底壁部寄りに設けることができるし、あるいは前記側壁部の中央よりも上壁部寄りに設けることもできる。
このように連結リブの位置をずらすことにより、自動車のデザイン上バンパービームの中心線とサイドメンバーの中心線が一致せず、バンパービームの中心線がサイドメンバーの中心線よりも高い位置又は低い位置にきた場合でも、強い衝撃エネルギーを受けるバンパービーム断面の底部を強化することが可能となる。
前記連結リブの取り付け位置を前記側壁部の中央よりも底壁部寄りに設けた場合には、上壁部の厚さｔ１、連結リブの厚さｔ５、及び底壁部の厚さｔ２をこの順に次第に厚くなるように構成する。
反対に前記連結リブの取り付け位置を前記側壁部の中央よりも上壁部寄りに設けた場合には、上壁部の厚さｔ１、連結リブの厚さｔ５、及び底壁部の厚さｔ２をこの順に次第に薄くなるように構成する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて本発明を具体的に説明する。なお、以下の図面においては判り易く説明するため、各部の縮尺は必ずしも正確には描かれていない。
（第１の実施形態）
図１は本発明のバンパービームの第１の実施形態を示す断面図である。図に示すように本発明のバンパービーム１０は、断面形状が上壁部１と、上壁部１と対向する底壁部２と、上壁部１および底壁部２の両端部を連結する一対の側壁部３、４と、上壁部１および底壁部２の中央に設けられてこれら２つの部位を連結する連結リブ５とからなる“日の字型”を呈するように構成して剛性を確保するようにしてある。このバンパービーム１０は、紙面左側の側壁部３が衝突面側の側壁部であり、矢印Ｆで示す衝突の際の衝撃力が加わる。紙面右側の側壁部４が車体取付け面側の側壁部であり、サイドメンバー６を介して車体７に取り付けられる。
【００１４】
本発明のバンパービームは、衝突面側の側壁部３の厚さｔ３が車体取付け面側の側壁部４の厚さｔ４よりも厚く、かつ前記上壁部１と連結リブ５及び底壁部２の厚さｔ１，ｔ５，ｔ２が、この順に次第に厚くなるように構成されている。すなわち、図１においてｔ４＜ｔ３であり、ｔ１＜ｔ５＜ｔ２である。
この場合、底壁部２の厚さｔ２を基準として、上壁部１の厚さｔ１ は底壁部２の厚さｔ２の０．８０倍以上０．９倍未満、連結リブ５の厚さｔ５は底壁部２の厚さｔ２の０．９０以上１．０倍未満とするのが好ましい。すなわち、
０．８×ｔ２≦ｔ１＜０．９×ｔ２ ・・・・・（１）
０．９×ｔ２≦ｔ５＜１．０×ｔ２ ・・・・・（２）
程度とするのが好ましい。
これは自動車のデザイン上バンパービームの中心線とサイドメンバーの中心線が必ずしも一致しておらず、バンパービームの中心線がサイドメンバーの中心線よりも高い位置にくることが多いからである。このような場合には、バンパービームの断面の底部ほど強い衝撃エネルギーを受けるので、底部を強化しておくことが有効となる。
【００１５】
さらに衝突面側の側壁部３の両角隅部は、一対の側壁部３、４側の幅寸法Ｌ１の０．０５〜０．３倍の長さの曲率半径Ｒで湾曲させておく。すなわち、
Ｒ＝（０．０５〜０．３）×Ｌ１ ・・・・・（３）
とする。
また、車体取付け面側の側壁部４の両角隅部の曲率半径ｒは、直接衝撃を受けないので材料の加工精度も配慮して、ノッチ効果による脆弱化を避けるため、側壁部４の板厚程度に僅かな曲率半径ｒを与えておけば良い。すなわち、
ｒ＝（０．２〜０．４）×ｔ４ ・・・・・・（４）
としておけば良い。
【００１６】
バンパービームを上記のように構成すれば衝突した瞬間に発生する最大荷重のピークを効果的に低下させることができ、サイドメンバーを損傷することなしに衝突エネルギーをバンパービームで吸収し、乗員に与える損傷を飛躍的に少なくすることができるようになる。
【００１７】
図２は、図１に示す断面形状のバンパ−ビームの衝突実験におけるバンパービームの変位量と潰し荷重の関係を模式的に示したものである。図に示すように衝突直後の変位量が１ｍｍに達する以前に最大荷重が発生し、その後はほぼ一定の潰し荷重で変形していく。図２の太線で示した曲線ｊは図７と同様に、“日の字型”バンパービームの衝突面側の側壁部両端の曲率半径Ｒを０（曲率半径ナシ）にした場合の変位量曲線であって、変位量が約０．５ｍｍ程度の時に２５０ｋＮの最大荷重が発生している。これに対して細線で示した本発明に係わる曲線ａは、曲率半径Ｒを１０ｍｍとした場合であって、変位量１ｍｍ前後の時に最大荷重が約１５０ｋＮ前後と大幅に低下して発生し、曲線はより矩形波に近づいている。
このように“日の字型”バンパービームの衝突面側の側壁部両端に曲率半径Ｒを付与することにより衝突時に発生する最大荷重を大幅に低減させることができ、サイドメンバーを損傷することなくバンパービームで衝突エネルギーを有効に吸収することができるので、乗員の安全確保に極めて有効となる。
【００１８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態としてバンパービームの中心線とサイドメンバーの中心線が一致しておらず、バンパービームの中心線がサイドメンバーの中心線よりも低い位置にくる場合の例を図３に示す。
この場合には、衝突面側の側壁部３の厚さｔ３が車体取付け面側の側壁部４の厚さｔ４よりも厚く、かつ前記上壁部１と連結リブ５及び底壁部２の厚さｔ１，ｔ５，ｔ２が、この順に次第に薄くなるように構成する。すなわち、図３においてｔ４＜ｔ３でありｔ２＜ｔ５＜ｔ１である。中間リブ５の厚さｔ５は基準となる上壁部１の厚さｔ１の０．９倍以上１．０倍未満、底壁部２の厚さｔ２は基準となる上壁部１の厚さｔ１の０．８倍以上０．９倍未満とするのが好ましい。
すなわち、
０．９×ｔ１≦ｔ５＜１．０×ｔ１ ・・・・・（５）
０．８×ｔ１≦ｔ２＜０．９×ｔ１ ・・・・・（６）
また、前記第１の実施形態の場合と同様に、衝突側の側壁部両端隅部は、一対の側壁部３、４側の幅寸法Ｌ１の０．０５〜０．３倍の長さの曲率半径Ｒで湾曲させる。また、車体取付け面側の側壁部４の両角隅部は、該車体取付け面側の側壁部４の厚さｔ４の０．２〜０．４倍の長さの曲率半径ｒで湾曲させるのが好ましい。
バンパービームを上記のように構成することにより、バンパービームの衝突側の側壁部両端隅部に設けた曲率半径Ｒの効果により、衝突時に発生する最大荷重を大幅に引き下げることができる。
【００１９】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態としてバンパービームの中心線とサイドメンバーの中心線が一致しておらず、バンパービームの中心線がサイドメンバーの中心線よりも高い位置にくる場合の例を図４に示す。バンパービームの断面の底部を強化する対策として、図４に示すように、連結リブの取付け位置を相対向する衝突側の側壁部及び車体取り付け側の側壁部の中央よりも、底壁部側に設ける。バンパービームの中心線とサイドメンバーの中心線のズレの量、並びにバンパービームの強度を考慮すれば、連結リブの取付け位置は衝突側の側壁部及び車体取り付け側の側壁部の下から三分の一前後を目安とする。
この場合においても、先の第１及び第２の実施形態と同様に、衝突面側の側壁部３の厚さｔ３が車体取付け面側の側壁部４の厚さｔ４よりも厚く、かつ前記上壁部１と連結リブ５及び底壁部２の厚さｔ１，ｔ５，ｔ２が、この順に次第に厚くなるように構成する。また、衝突側の側壁部両端隅部は、一対の側壁部３、４側の幅寸法Ｌ１の０．０５〜０．３倍の長さの曲率半径Ｒで湾曲させる。また、車体取付け面側の側壁部４の両角隅部は、該車体取付け面側の側壁部４の厚さｔ４の０．２〜０．４倍の長さの曲率半径ｒで湾曲させるのが好ましい。
バンパービームを上記のように構成することにより、バンパービームの衝突側の側壁部両端隅部に設けた曲率半径Ｒの効果により、衝突時に発生する最大荷重を大幅に引き下げることができる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、バンパービームの断面形状を詳細に検討した結果、衝撃を受ける面の厚さを厚くして剛性を高め、衝撃を受ける面の両端に曲率半径Ｒを付与した形状にしたので、衝突の際バンパービームの変形直後に発生する最大荷重が低くなり、乗員の受ける身体的損傷を少なくすることができるようになる。
本発明のバンパービームを装着した車両は、より安全性の高い車両といえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の自動車用バンパービームの第１の実施形態の断面形状を示す図である。
【図２】 本発明の自動車用バンパービームの変位量と潰し荷重との関係を模式的に示す図である。
【図３】 本発明の自動車用バンパービームの第２の実施形態の断面形状を示す図である。
【図４】 本発明の自動車用バンパービームの第３の実施形態の断面形状を示す図である。
【図５】 従来の自動車用バンパービームの断面形状の一例を示す図である。
【図６】 従来の自動車用バンパービームの断面形状の他の例を示す図である。
【図７】 従来の自動車用バンパービームの変位量と荷重の関係を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・・・上壁部、２・・・・・・底壁部、３・・・・・・衝突面側の側壁部、４・・・・・・車体取付け面側の側壁部、５・・・・・・連結リブ、１０，１１，３０，４０・・・・・・バンパービーム

Claims (3)

1. 自動車の車体に取り付けられるとともにバンパーの強度を保つ自動車用バンパービームであって、上壁部と、前記上壁部に対向する底壁部と、前記上壁部及び前記底壁部の両端部を連結する一対の側壁部と、前記上壁部及び前記底壁部の中間に設けられて前記一対の側壁部を連結する連結リブとから構成されるアルミニウム合金製の押し出し中空部材からなり、
   前記中空部材は、前記車体に取り付けられる車体取付け面とは反対側に位置する衝突面側の側壁部の厚さｔ３が前記車体取付け面側の側壁部の厚さｔ４よりも厚く、前記上壁部の厚さｔ１、前記連結リブの厚さｔ５、及び前記底壁部の厚さｔ２がこの順で厚く、もしくは薄くなるように形成されており、なおかつ前記衝突面側の側壁部の幅方向の両側に位置する角隅部が前記一対の側壁部側の幅寸法Ｌ１に対して０．０５〜０．３倍の長さの曲率半径Ｒで湾曲した形状を有することを特徴とする自動車用バンパービーム。
2. 前記上壁部の厚さｔ１が前記底壁部の厚さｔ２の０．８倍以上０．９倍未満であり、かつ前記連結リブの厚さｔ５が前記底壁部の厚さｔ２の０．９倍以上１．０倍未満であることを特徴とする請求項１に記載の自動車用バンパービーム。
3. 前記底壁部の厚さｔ２が前記上壁部の厚さｔ１の０．８倍以上０．９倍未満であり、かつ前記連結リブの厚さｔ５が前記上壁部の厚さｔ１の０．９倍以上１．０倍未満であることを特徴とする請求項１に記載の自動車用バンパービーム。

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