JP4386036B2 - クラッシュボックス - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、クラッシュボックスに関する。具体的には、本発明は、例えば自動車等の車両の衝突時に発生する衝撃エネルギを吸収することができるクラッシュボックスに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、現在の多くの自動車の車体は、軽量化と高剛性とを両立するために、フレームと一体化したボディ全体により荷重を支えるモノコックボディによって構成される。自動車の車体は、車両の衝突時には、車両の機能の損傷を抑制し、かつキャビン内の乗員の生命を守る機能を有さなければならない。車両の衝突時の衝突エネルギを吸収してキャビンへの衝撃力を緩和することによってキャビンの損傷をできるだけ低減するためには、例えばエンジンルームやトランクルームといったキャビン以外のスペースを優先的に潰すことが有効である。
【０００３】
このような安全上の要請から、車体の前部、後部あるいは側部等の適宜箇所には、衝突時の衝撃荷重が負荷されると圧壊することによって衝突エネルギを積極的に吸収するための衝撃吸収部材が設けられている。これまでにも、このような衝撃吸収部材として、フロントサイドメンバ、サイドシルさらにはリアサイドメンバ等が知られている。
【０００４】
近年には、クラッシュボックスといわれる衝撃吸収部材をフロントサイドメンバの先端に例えば締結や溶接等の適宜手段によって装着することによって、車体の安全性の向上と、軽衝突による車体の損傷を略解消することによる修理費の低減とをともに図ることが、行われるようになってきた。クラッシュボックスとは、軸方向へ負荷される衝撃荷重によって軸方向へ蛇腹状（アコーデオン状）に優先的に座屈することにより衝突エネルギを吸収する部材である。
【０００５】
この衝撃吸収部材の衝撃吸収性能を向上させるための材質や形状がこれまでにも種々開発されている。衝撃吸収部材に要求される衝撃吸収性能とは、具体的には、衝撃荷重が軸方向へ負荷されると軸方向へ繰り返し安定して座屈することにより蛇腹状に変形すること、衝撃吸収部材の圧壊時の平均荷重が高いこと、さらには、衝撃吸収部材の圧壊の際に発生する最大反力がこの衝撃吸収部材の近傍に配置された他の部材を破壊しない範囲にあることである。
【０００６】
これまでに一般的に用いられてきた衝撃吸収部材は、例えば特許文献１に開示されるような、ハット形の横断面形状の部材に設けられたフランジを介して裏板を溶接して箱状部材としたものである。なお、本明細書において「フランジ」とは、横断面における輪郭から外部へ向けて突出して設けられた縁部を意味する。
【０００７】
これに対し、特許文献２には、一端から他端へ向けての横断面形状が四角形以上の多角形からこの多角形よりも辺の数が多い他の多角形へと連続的に変化する閉断面構造を有することによって、衝突の初期の荷重を低減しながら衝撃吸収量を向上させた衝撃吸収部材に係る発明が開示されている。
【０００８】
特許文献３には、内部に隔壁を有する多角形の閉断面形状を有する衝撃吸収部材に係る発明が開示されている。
【０００９】
特許文献４には、四角形の横断面を有する素材の４つの頂点を含む領域に、内部へ向けた略直角三角形状の凹み部を形成することによって強度を確保した衝撃吸収部材に係る発明が開示されている。
【００１０】
さらに、特許文献５には、フランジを有するハット形の断面形状のフロントサイドフレームの側面に軸方向へ延在するビードを形成することにより、衝撃荷重が負荷された際のフロントサイドフレームの折れ曲がりを抑制する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】
特開平８−１２８４８７号公報
【特許文献２】
特開平９−２７７９５３号公報
【特許文献３】
特開２００３−４８５６９号公報
【特許文献４】
特開２００２−２８４０３３号公報
【特許文献５】
特開平８−１０８８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、これらの従来のいずれの発明によっても、隔壁の追加や板厚の増加による重量の増加を招くことなく、安定して軸方向へ座屈することにより所定の衝撃吸収量を確保することができる衝撃吸収部材を提供することはできない。
【００１３】
すなわち、自動車の車体に用いられる衝撃吸収部材の横断面形状は、殆どの場合、扁平である。このため、特許文献２により開示されたような単純な正多角形等の多角形の横断面形状を有する衝撃吸収部材を用いることは難しい。また、特許文献２により開示された発明では、衝撃吸収部材の横断面形状が略全長に渡って徐々に変化する。このため、軸方向の位置によっては、衝撃吸収部材の横断面形状が不可避的に安定した座屈には適さない形状になるおそれがある。したがって、この衝撃吸収部材は、衝撃荷重が軸方向へ負荷されると、軸方向へ繰り返し安定して座屈することができず、蛇腹状に変形しないおそれがある。
【００１４】
特許文献３により開示された発明では、隔壁を設けられた部分の強度が過剰に上昇するおそれがある。このため、この発明では、座屈が不安定となってかえって衝撃吸収量が不足するおそれがあるとともに、圧壊の特に初期に衝撃吸収部材に生じる最大反力が他の部材の強度を超え、衝撃吸収部材が圧壊される前に他の部材が先に圧壊されるおそれもある。さらに、この発明では、内部に隔壁を設ける分だけ衝撃吸収部材の重量が不可避的に増加する。このため、この発明は近年特に強く要請されている車体の軽量化に逆行する。
【００１５】
特許文献４により開示された発明では、もともと強度が高いコーナー部にさらに加工を行って凹み部を設けるため、この凹み部の強度が過剰に上昇するおそれがある。したがって、この発明では、特許文献３により開示された発明と同様に、衝撃吸収量が不足するおそれがあるとともに、この衝撃吸収部材が圧壊される前に他の部材が先に圧壊してしまうおそれがある。
【００１６】
さらに、特許文献５により開示された発明では、衝撃吸収部材がフランジを有するハット形の横断面形状を有する。このため、この発明によれば、負荷された衝撃荷重による折れ曲がりを抑制することは確かに可能になると考えられる。しかし、この発明によっては、衝撃荷重を負荷されても、軸方向へ蛇腹状に安定して圧壊することはできない。
【００１７】
本発明の目的は、隔壁の追加や板厚の増加による重量の増加や、軸方向への屈曲を招くことなく、衝撃荷重を負荷されると、軸方向へ安定して蛇腹状に座屈することによって所定の衝撃吸収量を確保できるクラッシュボックスを提供することである。
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、軸方向の一方の端部からこの軸方向へ向けて衝撃荷重を負荷されて座屈することにより衝撃エネルギを吸収する筒体を備える衝撃吸収部材であって、この筒体の軸方向の横断面形状が筒体の軸方向の全領域において多角形であり、この多角形を構成する少なくとも一辺に隣接する二つの辺がなす角度をαとすると、一辺の長さＬ１と、二辺の端部のうちで前記一辺と交差しない二つの端部の間の距離Ｌ２との関係が筒体の軸方向の全領域において下式を満足するとともに、多角形を構成する辺のうちで一辺と、他の一辺とは距離（Ｌ４）だけ離れて略平行に配置され、距離（Ｌ４）に対する距離（Ｌ２）の比（Ｌ２／Ｌ４）が筒体の軸方向の全領域において１．３以上２．０以下であり、さらに角度αが筒体の軸方向の全領域において９７°以上１５０°以下であることを特徴とするクラッシュボックスである。
【００１９】
０＜Ｌ１／Ｌ２＜１／｛２×ｓｉｎ（α／２）＋１｝
これらの本発明に係るクラッシュボックスでは、多角形が八角形であることが例示される。
【００２０】
これらの本発明に係るクラッシュボックスでは、筒体がその内部に単一の空間を備えることが望ましい。
さらに、これらの本発明に係るクラッシュボックスでは、多角形を構成する辺の数が筒体の全長にわたり同数であることが望ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、隔壁の追加や板厚の増加による重量の増加や、軸方向への屈曲を招くことなく、衝撃荷重を負荷されると、軸方向へ安定して蛇腹状に座屈することによって所定の衝撃吸収量を確保できるクラッシュボックスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、扁平な八角形からなる横断面形状を有する筒体の横断面の模式的説明図である。
【図２】図２は、扁平な八角形からなる横断面形状を有する筒体の横断面の模式的説明図である。
【図３】図３は、角度αが１３５°である場合のＬ１とＬ２との比の臨界性を示すグラフである。
【図４】図４は、角度αが１５０°である場合のＬ１とＬ２との比の臨界性を示すグラフである。
【図５】図５は、角度αの臨界性を示すグラフである。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｃ）は、いずれも、八角形以外の他の多角形の横断面形状を有するクラッシュボックスの代表的な横断面形状例を示す説明図である。
【図７】図７は、実施例のクラッシュボックスの横断面形状の模式的説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を、その作用効果とともに具体的に説明する。
実際にクラッシュボックスに適用される任意の扁平な断面形状に関して、隔壁の追加や板厚の増加による重量の増加を伴うことなく、安定して軸方向へ蛇腹状に座屈することにより衝撃吸収量を確保できるクラッシュボックスの断面形状が存在する。
【００２４】
すなわち、本発明者らは、ＦＥＭ数値解析を駆使して熟慮を重ねた結果、以下に列記する事項（１）〜（３）を知見した。
（１）図１は、横断面形状が多角形である筒体からなるクラッシュボックス１０の断面を示す模式的説明図である。
【００２５】
図１において、角度αが９０°である正八角形１２の辺１の長さを拡張して扁平形状とすると、扁平の程度が大きくなるほど座屈が不安定となる。さらに、角度αを９０°より小さくすると、一層、座屈が不安定となる。したがって、角度αは少なくとも９０°より大きくすべきである。
【００２６】
ここで、「座屈が安定する」とは、繰り返し座屈して蛇腹状に圧壊することを意味する。また、「座屈が不安定になる」とは、圧壊の途中で折れ曲がり等を生じることにより座屈の繰り返しが寸断され、蛇腹状に圧壊しないことを意味する。
【００２７】
（２）図２は、図１と同様の断面を示す模式的説明図である。この図２に示すように、扁平な八角形１４の辺１に隣り合う辺２、３の辺１と交差する側の端部を近接させて全体の外形を八角形から菱形に近付けると、座屈が安定することがある。
【００２８】
（３）図２における辺１、４それぞれの長さＬ１，Ｌ３がいずれも０である菱形にすると、座屈が不安定になる。
【００２９】
本発明者らは、これらの事項（１）〜（３）に基づいて、一辺の長さが３５ｍｍ、板厚が１．６ｍｍである正八角形の対向する一組の２辺の長さを拡大して１１９．５ｍｍとし、扁平率が２．０である八角形の断面形状を基準に、角度αとＬ１，Ｌ２との関係について鋭意検討した。なお、「扁平率」は、クラッシュボックスの横断面における輪郭に外接する長方形の長辺及び短辺それぞれの長さの比によって規定される。例えば、図１に示す八角形１２の扁平率は、（Ｌ２／Ｌ４）として求められる。
【００３０】
すなわち、この検討では、図１に示す八角形１２の辺１の長さを縮め、図２に示す１つの辺１の両側の辺２、３のなす角度αと、辺１の長さＬ１とをいずれも種々変更した。
【００３１】
なお、辺２、３の辺１と交差しない両端間の距離Ｌ２は１６９ｍｍで固定した。また、本例では、クラッシュボックスの軸方向長さを２００ｍｍとし、これを軸方向に圧壊したときのクラッシュボックス１４の長手方向の圧壊吸収エネルギを比較した。
【００３２】
結果を図３、図４にグラフで示す。なお、図３、４における縦軸Ａは、軸方向への圧壊量を１３０ｍｍとしたときの単位周長当たりの圧壊吸収エネルギ（ｋＪ／ｍｍ）を示す。
【００３３】
図３、４のグラフからも理解されるように、例えば角度αが１３５°、１５０°のいずれの場合においても、Ｌ１、Ｌ２の比（Ｌ１／Ｌ２）が下記条件を満たす範囲の長さとすることによって、十分な吸収エネルギ量を確保できる。
【００３４】
図３、４のグラフにおける一点鎖線が表す横軸（Ｌ１／Ｌ２）の値は、辺１の長さＬ１が辺２，３の長さに等しくなる値である。（Ｌ１／Ｌ２）の値がこの一点鎖線で示す値よりも小さくなること、すなわち辺１の長さＬ１を短くすることによって、吸収エネルギー量が確保できる。この理由は以下のように説明される。
【００３５】
一般に、横断面形状が多角形であるクラッシュボックスを長手方向へ圧壊する場合には、一つの辺の長さが長くなるほど、この辺は座屈の際に折れ曲がりを生じ易くなり、不安定な挙動を示す。
【００３６】
一方、この多角形を形成する内角のうち一部の内角が大きくなる程、座屈が不安定になる。
このような不安定な座屈を生じると、座屈が安定した場合よりも、部材の圧壊荷重が著しく低下する。これにより、所定の圧壊量までに得られる吸収エネルギ量が減少する。
【００３７】
図２に示すように、クラッシュボックスの横断面形状が扁平な多角形である場合には、辺１及び辺２により形成された内角θ１は、辺２及び辺５により形成された内角θ２や、辺３及び辺４により形成された内角θ３に比較して大きい。
【００３８】
したがって、辺２、３は辺１よりも座屈が安定する。換言すれば、辺１の座屈安定性を辺２、３の座屈安定性と同等程度に高めることによりクラッシュボックス全体の座屈安定性を確保するには、図３、４にグラフで示す結果により裏付けられているように、辺１の長さが辺２、３の長さよりも小さくなる関係とすることが好適である。
【００３９】
この関係は、Ｌ１、Ｌ２及び角度αを用いて、０＜Ｌ１／Ｌ２＜１／｛２×ｓｉｎ（α／２）＋１｝と表される。
【００４０】
一方、現実に使用されるクラッシュボックスの扁平率は、部品毎に種々に異なる。そこで、角度αの好適な下限値を解明するため、扁平率が１．３と比較的小さいラッシュボックスについて、角度αを９５°以上の範囲で変更することによって、角度αの座屈の安定挙動に及ぼす影響を検討した。なお、検討では、Ｌ２は１６９ｍｍとし、Ｌ１はいずれの角度αであっても上記式により規定される関係を満足する５０．７ｍｍとした。このとき、（Ｌ１／Ｌ２）の値は０．３であった。
【００４１】
結果を図５にグラフで示す。なお、図５における縦軸Ａは、図３、４における縦軸Ａと同様に、圧壊量を１３０ｍｍとしたときの単位周長あたりの圧壊吸収エネルギ（ｋＪ／ｍｍ）を示す。
【００４２】
図５にグラフで示すように、角度αが、１００°を下回ると吸収エネルギは急速に減少し始め、特に９７°未満になると吸収エネルギーが極端に小さくなり、実用性がなくなる。これは、角度αが９７°よりも小さくなると、図２における辺１の両端の稜線部が折れ曲がる挙動を示し、座屈が不安定となるためである。
【００４３】
このように、角度αが９７°以上１５０°以下の範囲にあることにより、高い吸収エネルギーが得られる。より好ましくは、角度αは１００°以上１４０°以下である。これにより、高い吸収エネルギを安定して確保できる。
【００４４】
また、角度αが９７°以上１５０°以下の範囲にある場合であっても、比（Ｌ１／Ｌ２）が上記範囲を満足する値よりも大きいときには、この辺１の強度が弱くなり、座屈時に大きな曲がりを生じる。
【００４５】
ここで、好ましくは、比（Ｌ１／Ｌ２）は［１／｛２×ｓｉｎ（α／２）＋１｝］の２０％以上、より好ましくは［１／｛２×ｓｉｎ（α／２）＋１｝］の５０％以上である。
【００４６】
本発明を用いれば、さらに扁平率が大きな横断面形状を有するクラッシュボックスの座屈をも安定化することができる。すなわち、図１〜５を参照しながら上述した、辺１を挟む両側の辺２、３のなす角度αと、Ｌ１、Ｌ２との関係［０＜（Ｌ１／Ｌ２）＜１／｛２×ｓｉｎ（α／２）＋１｝］は、図１〜５により例示した八角形の横断面形状を有するクラッシュボックスへの適用に限定されるものではなく、任意の扁平率を有する八角形以外の他の多角形の横断面形状を有するクラッシュボックスに対しても、同様に適用される。
【００４７】
図６（ａ）、図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、八角形以外の他の多角形の横断面形状を有するクラッシュボックス２０〜２２の代表的な横断面形状例を示す説明図である。
図６（ａ）は四角形２０ａである場合を示し、図６（ｂ）は五角形２１ａである場合を示し、さらに、図６（ｃ）は六角形２２ａである場合を示す。
【００４８】
クラッシュボックスを車体の構成部材として設置する場合には、エンジンコンパートメント等の設置空間による設置スペースの制約により、クラッシュボックスの横断面形状を図６（ｂ）に示すように非対称な形状にせざるを得ない場合があり、このような場合には本発明の効果が特に発揮される。
【００４９】
なお、クラッシュボックスは、通常、車体の幅方向の対称な位置に二つ設けられる。このため、これら二つのクラッシュボックスそれぞれの横断面形状は同じであることが望ましい。ただし、オフセット衝突の場合には、これら二つのクラッシュボックスそれぞれに作用する衝撃力の大きさが大きく異なるため、衝突の態様等を勘案して、これら二つのクラッシュボックスそれぞれの横断面形状を異なる形状としてもよい。
【００５０】
このように、例えば扁平率が２．０である多角形からなる横断面形状を有するクラッシュボックスの場合には、図２における辺１の長さＬ１を零としたときには、座屈が不安定となって潰れるために衝突時の衝撃エネルギを充分に吸収できない。
【００５１】
これに対し、本発明のように、図２における辺１を存在させると、座屈が安定し吸収エネルギーを確保し易くなる。しかし、比（Ｌ１／Ｌ２）を大きく設定し過ぎると、座屈時に大きな屈曲変形を生じ易い。
【００５２】
したがって、比（Ｌ１／Ｌ２）を所定の範囲に規定することにより、安定した座屈を実現することができる。なお、角度αを上述した所定範囲内とすることにより、さらに座屈が安定する。
【００５３】
さらに、本発明に係るクラッシュボックスは、その横断面における輪郭の外部へ向けて突出して設けられるフランジを具備しないことが望ましい。フランジを具備すると、軸方向への圧壊中にこのフランジが屈曲変形に対する抵抗、いわばつっかえ棒として作用し、圧壊の途中でクラッシュボックスが長手方向へ屈曲する原因となることがある。このため、クラッシュボックスがフランジを具備すると、フランジを具備しない場合に比較して、衝突時の衝撃エネルギーの吸収量が著しく低下する。
【００５４】
本発明に係るクラッシュボックスは、いかなる方法により製造してもよく、特定の製造方法には限定されない。例えば、押出成形によって製造してもよく、あるいは、所定厚さの鋼板を素材としてプレス成形加工により多角形の横断面形状を有する筒体の素材とし、この素材の縁部を、例えば溶接等の適宜手段により接合することによって製造してもよい。
【００５５】
本発明に係るクラッシュボックスは、閉断面形状を有する筒体として構成される。
以上説明したように、本発明によれば、隔壁の追加や板厚の増加による重量の増加や、軸方向での屈曲を招くことなく、衝撃荷重を負荷されると、軸方向へ安定して蛇腹状に座屈することによって所定の衝撃吸収量を確保できるクラッシュボックスを提供できた。
【実施例１】
【００５６】
さらに、本発明を、実施例を参照しながら詳細に説明する。
本発明の効果を検証するため、下記の衝突試験を行った。
本発明に係るクラッシュボックスの素材として、５９０ＭＰａ級かつ板厚１．６ｍｍの高張力鋼板を用い、この素材にプレス成形及び溶接を行うことにより、部材長さが２００ｍｍであって横断面形状が六角形又は八角形の筒体を有するクラッシュボックスとした。
【００５７】
このクラッシュボックスを垂直に配置し、その上方１１．９ｍの高さから２００ｋｇｆの重量の錘を自由落下させ、５５ｋｍ／ｈの速度でクラッシュボックスの軸方向へ衝突させた。そして、軸方向への圧壊量を１３０ｍｍとしたときの吸収エネルギを比較した。試験結果を表１にまとめて示す。
【００５８】
【表１】

【００５９】
表１における例Ｎｏ．１〜４では、扁平率を２．０とし、図２に示すＬ２を１６９ｍｍとした。
特に、例Ｎｏ．１では、比（Ｌ１／Ｌ２）を０．３とし、角度αを１３５°とした。
例Ｎｏ．２では、比（Ｌ１／Ｌ２）を０として六角形の横断面形状とし、角度αを１４７．５°とした。
【００６０】
例Ｎｏ．３では、角度αを１５０°とし、比（Ｌ１／Ｌ２）を０．４として、１／［２×ｓｉｎ（１５０°／２）＋１］よりも大きいものとした。
例Ｎｏ．４では、図７に示す六角形の横断面形状とし、比（Ｌ１／Ｌ２）を０．３５、角度αを１０４．９°とした。
【００６１】
例Ｎｏ．５及び例Ｎｏ．６では、扁平率を１．３とし、Ｌ２を１６９ｍｍとした。
例Ｎｏ．５では、比（Ｌ１／Ｌ２）を０．３５とし、角度αを１２０°とした。
例Ｎｏ．６では、比（Ｌ１／Ｌ２）を例Ｎｏ．５と同様に０．３５とし、角度αを９５°とした。
【００６２】
例Ｎｏ．７では、一辺の長さが３５ｍｍである正八角形のうち、図１に示す対向する一組の２辺１、１の長さを１１９．５ｍｍに拡大して、扁平率を２．０とした。
表１にまとめて示すように、比（Ｌ１／Ｌ２）と角度αとの関係に適正な範囲を適用することにより扁平な多角形断面形状のクラッシュボックスにおいても高い吸収エネルギを安定して確保することが可能となった。
【産業上の利用の可能性】
【００６３】
本発明により、隔壁の追加や板厚の増加による重量の増加や、軸方向への屈曲を招くことなく、衝撃荷重を負荷されると、軸方向へ安定して蛇腹状に座屈することによって所定の衝撃吸収量を確保できるクラッシュボックスを提供できた。
【００６４】
これにより、特に、クラッシュボックスの扁平率が大きい場合であっても、衝撃吸収時の座屈が安定し、衝撃吸収量を十分に確保することができる。

Claims (4)

1. 軸方向の一方の端部から該軸方向へ向けて衝撃荷重を負荷されて座屈することにより衝撃エネルギを吸収する筒体を備えるクラッシュボックスであって、
   該筒体の軸方向の横断面形状が該筒体の軸方向の全領域において多角形であり、
   該多角形を構成する少なくとも一辺に隣接する二つの辺がなす角度をαとすると、前記一辺の長さ（Ｌ１）と、前記二辺の端部のうちで前記一辺と交差しない二つの端部の間の距離（Ｌ２）との関係が該筒体の軸方向の全領域において下式を満足するとともに、
   前記多角形を構成する辺のうちで前記一辺と、他の一辺とは距離（Ｌ４）だけ離れて略平行に配置され、距離（Ｌ４）に対する距離（Ｌ２）の比（Ｌ２／Ｌ４）が該筒体の軸方向の全領域において１．３以上２．０以下であり、さらに
   前記角度αが該筒体の軸方向の全領域において９７°以上１５０°以下であること
   を特徴とするクラッシュボックス。
   ０＜Ｌ１／Ｌ２＜１／｛２×ｓｉｎ（α／２）＋１｝
2. 前記多角形は八角形である請求項１に記載のクラッシュボックス。
3. 前記筒体がその内部に単一の空間を備える請求項１又は請求項２に記載のクラッシュボックス。
4. 前記多角形を構成する辺の数は前記筒体の全長にわたり同数である請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のクラッシュボックス。

Images