JP4395964B2

JP4395964B2 - 衝突エネルギー吸収構造体

Info

Publication number: JP4395964B2
Application number: JP2000053731A
Authority: JP
Inventors: 健太郎佐藤; 明英吉武; 雄司山崎
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2020-02-29
Also published as: JP2001241478A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の衝突安全性を高めるために用いられる衝突エネルギー吸収構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車衝突安全の法規制強化を背景に車体の安全性能の向上が大きな課題となっている。そのため自動車構造部材には衝突した際の衝突エネルギーを有効に吸収することができる構造が求められている。
【０００３】
自動車構造部材における衝突エネルギー吸収構造としては、部材側面がある一定の周期で折りたたまれる（Ｆｏｌｄｉｎｇ）ことによる素材の塑性変形によって衝突エネルギーを吸収するものが知られている。
【０００４】
このような衝突エネルギー吸収構造では、自動車の衝突の瞬間に、構造部材に反力が発生し、その反力が構造部材の座屈耐力以上になると塑性変形を開始する。その後、構造部材の変形に伴い、一定周期の反力変化を繰り返す。この反力によって衝突エネルギーを吸収する。これによって、他の自動車構造物の損傷を抑制し、さらに乗員に対する衝撃度を緩和することが期待されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の衝突エネルギー吸収構造においては、衝突の瞬間に高い座屈反力が発生するため、その衝撃力が他の構造物を損傷させる危険性が高く、乗員に対する衝撃度も大きくなってしまう。また、部材変形時には一定周期の反力変化を繰り返すために、乗員への衝撃力が大きい。このため、損傷抑制や衝撃度緩和の効果が十分とはいえない。さらに、衝突する方向によっては性能が低下する可能性がある。したがって、信頼性の高い車体設計が困難である。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、衝突時の反力が小さく、かつ部材変形時の反力変化が小さく、衝突する方向によらず安定した性能を発揮することができる衝突エネルギー吸収構造体を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、小径の第１の筒状部材および大径の第２の筒状部材が、それらの端部が合わされた状態で同軸的に一体化されてなり、軸方向の変形により衝突エネルギーを吸収し、
第１の筒状部材の径をＤ１、板厚をＴ１とし、第２の筒状部材の径をＤ２、板厚をＴ２とし、さらにクリアランスＣを
Ｃ＝（Ｄ２／２）−Ｔ２−（Ｄ１／２）とした場合に、
（Ｔ１＋Ｔ２）×１．２≧Ｃ＞０および
１≧Ｔ２／Ｔ１＞０．８（ただし、Ｔ２／Ｔ１＝１の場合を除く）
を満足し、
前記第１の筒状部材と前記第２の筒状部材とは異なる材質からなり、かつ互いに接合され、前記第１の筒状部材よりも前記第２の筒状部材のほうが強度レベルが高いことを特徴とする衝突エネルギー吸収構造体を提供する。
【０００８】
本発明によれば、互いに径が異なる第１および第２の筒状部材が、それらの端部が合わされた状態で同軸的に一体化された構造を有しているため、衝突した瞬間、第１および第２の筒状部材が合わされた段差部が弾性変形し、それによって大きな座屈反力が発生することが防止される。また、部材変形時に、その段差部において、第１および第２の筒状部材のうち小径の部材が外側にカールし、大径の部材が内側にカールすることによって、連続的な塑性変形を発生させることができ、周期的な変化のない安定した反力を発生させることができる。したがって、衝突の際における他の部材への損傷を軽減することができ、かつ、乗員への衝撃力を小さくすることができる。また、第１および第２の筒状部材のうち大径の部材がガイドとして機能し、小径の部材の動きを略軸方向のみに限定することができるため、衝突方向が変化しても変形状態の変化が少ない。したがって、衝突する方向によらず安定した性能を発揮することができ、信頼性の高い設計が可能となる。
【００１１】
本発明の衝突エネルギー吸収構造体を構成する材料としては、強度レベルが２７０〜１５００ＭＰａで変形時に破断しない延性を有する鋼が好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明について具体的に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る衝突エネルギー吸収構造体を示す断面図である。この衝突エネルギー吸収構造体１０は、小径の第１の筒状部材１と大径の第２の筒状部材２とを有している。これら第１の筒状部材１および第２の筒状部材２は、それらの端部が合わされた状態で同軸的に一体化されている。そして、第１の筒状部材１および第２の筒状部材２との端部が合わされた部分は段差部３となっている。なお、第１の筒状部材１は、その径がＤ１、板厚がＴ１であり、第２の筒状部材２は、その径がＤ２、板厚がＴ２である。
【００１３】
この衝突エネルギー吸収構造体は、衝突した際にその軸方向の変形により衝突エネルギーを吸収する。具体的には、衝突した瞬間、第１および第２の筒状部材１，２が合わされた段差部３に弾性変形が生じるため、大きな座屈反力が発生することが防止され、また、部材変形時には、その段差部３において、小径の第１の筒状部材１が外側にカールし、大径の第２の部材２が内側にカールすることによって、連続的な塑性変形を発生させることができ、周期的な変化のない安定した反力を発生させることができる。また、大径の第２の筒状部材２がガイドとして機能し、小径の筒状部材１の動きを略軸方向のみに限定することができ、衝突方向が変化しても変形状態の変化が少ない。
【００１４】
ここで、これら筒状部材１，２のクリアランスＣを
Ｃ＝（Ｄ２／２）−Ｔ２−（Ｄ１／２）
とした場合に、以下の（１）、（２）式を満足することが好ましい。
（Ｔ１＋Ｔ２）×１．２≧Ｃ＞０ ……（１）
Ｔ２／Ｔ１＞０．８ ……（２）
【００１５】
これらの式を満足することによって、小型かつ軽量で理想的な変形量−反力特性（矩形型）を実現することができる。すなわち、（１）式のように、クリアランスＣが０より大きい場合に、小径の第１の筒状部材１が大径の第２の筒状部材２の内側部分に入り込んで連続的な塑性変形をスムーズに発生させることができ、また、クリアランスＣを（Ｔ１＋Ｔ２）×１．２以下にすることによって、図２に示す塑性変形の際の部材の曲げ半径Ｒ１、Ｒ２が小さくなって大きな塑性変形が発生し、それによって吸収エネルギーを向上させることができる。また、（２）のようにＴ２／Ｔ１＞０．８を満たすことにより、小径の第１の筒状部材１を優先的に変形させることができ、衝突した瞬間の初期ピーク荷重と平均崩壊荷重との差が小さくなって理想的な矩形波を実現することができる。
【００１６】
第１および第２の筒状部材１，２は、円筒であることが好ましいが、断面形状が楕円や多角形のものであってもよい。
【００１７】
衝突エネルギー吸収構造体１０は、同一素材から機械加工により形成することができる（一体成形）。また、第１の筒状部材１と第２の筒状部材２とを溶接等によって接合することにより、より安価に製造することができる。
【００１８】
一体成形および接合の場合のいずれにおいても、第１の筒状部材１の板厚Ｔ１と第２の筒状部材２の板厚Ｔ２とは、同じであってもよいが、異なっていることが好ましい。これら筒状部材１，２の厚さＴ１，Ｔ２を異ならせることにより、小径の第１の筒状部材１を優先的に変形させやすくすることができ優れた衝撃吸収特性を得ることができる。
【００１９】
衝突エネルギー吸収構造体１０を構成する材料は特に限定されるものではないが、自動車車体用としては、強度レベルが２７０〜１５００ＭＰａであり、変形時に破断しない十分な延性を有する鋼が好ましい。また、衝突エネルギー吸収構造体１０を構成する材料として、残留γ鋼（例えば強度レベルが５９０ＭＰａ）を用いた場合には、それが高い加工硬化能を有する材料であり、降伏強度が低く、塑性変形強度が高い材料であるため、この材料を用いることによって、衝突初期の変形が容易になり、初期ピーク荷重を少なくすることができる。変形が進むと、加工硬化により材料の強度が上昇し、高い平均荷重を発生する。その結果、初期ピークが低く、吸収エネルギーが高い理想的な矩形波を実現することができる。さらに、残留γ鋼は高い延性を有しているため、変形時の材料破断の危険性を小さくすることができる。
【００２０】
第１の筒状部材１と第２の筒状部材２とを接合により形成する場合、第１の筒状部材１と第２の筒状部材２とは同じ材質でもよいが、異なる材質、特に強度レベルが異なる材質からなることが好ましい。このようにこれら筒状部材１，２の材質を異ならせることにより、第１の筒状部材１の板厚Ｔ１および第２の筒状部材２の板厚Ｔ２が同一であっても、小径の第１の筒状部材１を優先的に変形させやすくすることができ、優れた衝撃吸収特性を得ることができる。例えばＴ１＝Ｔ２とし、小径の第１の筒状部材１の材質として強度レベル２７０ＭＰａのＳＰＣＣ材を使用し、大径の第２の筒状部材２の材質として強度レベル４４０ＭＰａのＳＰＦＣ４４０を使用する。このように、強度レベルの高い鋼を使用することで、板厚を低減することができ、部品の軽量化を実現することができる。
【００２１】
以上のような点を総合すると、第１の筒状部材１と第２の筒状部材２とは、板厚および材質（強度レベル）の両方が異なっていることがより好ましい。
【００２２】
第１の筒状部材１および第２の筒状部材２を接合する場合の手法としては、図３に示すように、第１の筒状部材１と第２の筒状部材２とを作製した後にこれらをアーク溶接等により溶接することが挙げられる。また、図４の（ａ）に示すように、まず素材管１１，１２をアーク溶接等により溶接してから、（ｂ）に示すように、プレス成形やハイドロフォーム等により所定の形状に加工して、第１の筒状部材１と第２の筒状部材２を形成することもできる。なお、図４および図５中参照符号５はアーク溶接部を示す。
【００２３】
さらに、図５の（ａ）に示すように第１の板材１３と第２の板材１４とを突き合わせ、（ｂ）に示すように、第１の板材１３と第２の板材１４とを例えばレーザー溶接機１５により溶接した後に、（ｃ）に示すように筒状に加工し、軸方向に例えばレーザー溶接して（ｄ）にも示すような素管１３’および１４’の接合体とし、さらに（ｅ）に示すようにプレス成形やハイドロフォーム等により所定の形状に加工して第１の筒状部材１と第２の筒状部材２との接合体とすることもできる。なお、図５において参照符号１６はレーザー溶接部を示す。
【００２４】
以上のような衝突エネルギー吸収構造体は、種々の適用が考えられるが、図６に自動車車体に適用した例を示す。図６において自動車車体２０は、フレーム構造を有しており、サイドメンバー２１とバンパー２２との間およびサイドメンバー２１の中間に、それぞれ本発明の衝突エネルギー吸収構造体３０および４０が配置されている。これにより、正面衝突時の衝突エネルギーを効率的に吸収し、車体の損傷を可及的に防止するとともに、乗員への衝撃度を小さくすることが可能な車体構造を実現することができる。この場合に、衝突エネルギー吸収構造体３０および４０で材料の強度レベルを異ならしめることにより、段階的な衝突エネルギー吸収を行うことができる。
【００２５】
次に、本発明の衝突エネルギー吸収構造体の性能を段差のない筒を用いた場合と比較してシミュレーションした結果について説明する。ここでは、汎用の有限要素解析ソフトを用いてシミュレーションを行った。シミュレーションは材料の強度レベルを３００ＭＰａとし、筒状部材の径および板厚を種々変化させて行った。
【００２６】
図７は、変形モードを示す図である。ここでは、本発明の構造体として第１の筒状部材の径を４０ｍｍφ、第２の筒状部材の径を４５ｍｍφ、板厚を１．６ｍｍｔとした段付き構造のもの、比較の構造体として径を４０ｍｍφ、板厚を１．６ｍｍｔとしたストレート構造のものとした。なお、図７では部材の半分のみを示している。
【００２７】
この図に示すように、本発明の構造体では、２つの筒状部材が合わさった段差部分のみで塑性変形が連続的に生じていることがわかる。これに対して比較のストレート構造では部材の両端部近傍の複数部分で塑性変形が生じているのがわかる。
【００２８】
この際の荷重ストロークと反力および吸収エネルギーとの関係を図８に示す。図８に示すように、トータルの吸収エネルギーは本発明と比較の場合で同等であるものの、反力の挙動が両者で全く異なっている。まず、比較の場合には、衝突の瞬間に大きな反力が作用しており、その衝撃力が他の構造物を損傷させたり乗員に衝撃を与える危険が大きい。またその後の部材変形時にも反力が大きく振れているため、やはり乗員への衝撃が大きくい。したがって、衝撃度を緩和する効果が小さいことがわかる。これに対して、本発明の場合には、衝突の瞬間の反力が小さく、また部材変形時における反力の変化が極めて小さい。このため、衝突の際に他の構造物を損傷する危険性や、乗員に対する衝撃を著しく小さくすることができる。
【００２９】
次に、第１および第２の筒状部材の径Ｄ１，Ｄ２および板厚Ｔ１，Ｔ２を種々変化させてシミュレーションを行って吸収エネルギーおよび吸収エネルギー／重量を求めた。そのシミュレーションの際のその結果を表１に示し、また、図９に種々の径Ｄ１，Ｄ２および板厚Ｔ１，Ｔ２の組み合わせの場合における吸収エネルギー／重量の値を示す。表１中◯印および図９の黒丸は上記式（１）、（２）を満たす好ましい範囲のものを示す。この結果から上記式（１）、（２）を満たすことにより重量あたりの吸収エネルギーが大きく、衝撃吸収部材として優れた特性を示すことが確認された。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、互いに径が異なる第１および第２の筒状部材が、それらの端部が合わされた状態で同軸的に一体化された構造を有しているため、衝突した瞬間に大きな座屈反力が発生することが防止され、また、部材変形時に、周期的な変化のない安定した反力を発生させることができる。したがって、衝突の際における他の部材への損傷を軽減することができ、かつ、乗員への衝撃力を小さくすることができる。また、第１および第２の筒状部材のうち大径の部材がガイドとして機能し、小径の部材の動きを略軸方向のみに限定することができるため、衝突方向が変化しても変形状態の変化が少ない。したがって、衝突する方向によらず安定した性能を発揮することができ、信頼性の高い設計が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る衝突エネルギー吸収構造体を示す断面図。
【図２】２つの筒状部材の変形状態を示す図。
【図３】第１の筒状部材と第２の筒状部材とを接合して作製された衝突エネルギー吸収構造体の例を示す断面図。
【図４】素材管を接合してから所定の形状に成形することにより本発明の衝突エネルギー吸収構造体を作製する際の工程を説明するための図。
【図５】板材を接合してから筒状に加工し、その後所定形状に成形することにより本発明の衝突エネルギー吸収構造体を作製する際の工程を説明するための図。
【図６】本発明に係る衝突エネルギー吸収構造体を適用した自動車車体のフレーム構造の一部を示す側面図。
【図７】本発明の衝突エネルギー吸収構造体の性能を段差のない筒を用いた場合と比較してシミュレーションした際における変形モードを示す図。
【図８】図７のシミュレーションの際における荷重ストロークと反力および吸収エネルギーとの関係を示す図。
【図９】第１および第２の筒状部材の径Ｄ１，Ｄ２および板厚Ｔ１，Ｔ２を種々変化させてシミュレーションを行った際における吸収エネルギー／重量の値を示す図。
【符号の説明】
１；第１の筒状部材
２；第２の筒状部材
３；段差部
５；アーク溶接部
１０，３０，４０；衝突エネルギー吸収構造体
２０；自動車車体
２１；サイドメンバー
２２；バンパー

Claims

小径の第１の筒状部材および大径の第２の筒状部材が、それらの端部が合わされた状態で同軸的に一体化されてなり、軸方向の変形により衝突エネルギーを吸収し、
第１の筒状部材の径をＤ１、板厚をＴ１とし、第２の筒状部材の径をＤ２、板厚をＴ２とし、さらにクリアランスＣを
Ｃ＝（Ｄ２／２）−Ｔ２−（Ｄ１／２）とした場合に、
（Ｔ１＋Ｔ２）×１．２≧Ｃ＞０および
１≧Ｔ２／Ｔ１＞０．８（ただし、Ｔ２／Ｔ１＝１の場合を除く）
を満足し、
前記第１の筒状部材と前記第２の筒状部材とは異なる材質からなり、かつ互いに接合され、前記第１の筒状部材よりも前記第２の筒状部材のほうが強度レベルが高いことを特徴とする衝突エネルギー吸収構造体。
強度レベルが２７０〜１５００ＭＰａで変形時に破断しない延性を有する鋼で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の衝突エネルギー吸収構造体。