JP4759871B2

JP4759871B2 - 衝突エネルギー吸収部材

Info

Publication number: JP4759871B2
Application number: JP2001234383A
Authority: JP
Inventors: 治郎平本; 隆明比良; 良清玉井; 英夫阿部
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2021-08-02
Also published as: JP2003048569A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車車両の衝突エネルギー吸収部材に係り、特に衝突時のエネルギー吸収量の大きな衝突エネルギー吸収部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両を構成するフロントサイドメンバーやリヤサイドメンバーなどは、車両衝突時に適度に潰れて衝突時のエネルギーを吸収し、キャビンの変形を抑制する衝突エネルギー吸収部材として重要な役割を有している。
自動車のバンパーに直結されたフロントサイドメンバーの一例を図６に示す。例えば、前面からの衝突で、衝突荷重（矢印）がバンパーからフロントサイドメンバーの軸方向に伝達される。この荷重負荷により、フロントサイドメンバーは蛇腹状に潰れ、潰れる際に衝突エネルギーを吸収する。
【０００３】
しかし、フロントサイドメンバーのエネルギー吸収能が低い場合は、乗員に損傷を与える重大災害に繋がる。このため、フロントサイドメンバー等の衝突エネルギー吸収部材には、エネルギー吸収能が高い部材が求められている。
このような要望に対し、例えば、特開平4-310477号公報には、軽金属により閉断面構造に押し出し成形された基本メンバーとこの基本メンバー内に嵌合し略同じ長さの、少なくとも先端に圧縮変形促進部、好ましくは切欠き、を設けた補強メンバーとで二重構造を形成した車両のサイドメンバーが提案されている。特開平4-310477号公報に記載されたサイドメンバーによれば、曲げ剛性、捩り剛性、潰れ変形がスチール製のサイドメンバーと同等もしくはそれ以上の特性を満足させることができるとしている。しかし、特開平4-310477号公報に記載されたサイドメンバーは、基本メンバーが軽金属製の押し出し成形材で高価なうえ、補強メンバーの構造が複雑なため、製造コストが高価となるという問題があった。
【０００４】
また、特開平11-208519 号公報には、軸方向の塑性変形で衝突時の衝撃吸収を行う部材を中空材で形成し、該中空材の中心軸を通る面上に該中空材の内面に接続するリブを設けたことを特徴とする軽金属材料で形成した自動車の車体フレーム構造が提案されている。特開平11-208519 号公報に記載された車体フレーム構造は、軽金属材料を使用し、好ましくは押し出し成形で製造され、衝突時の衝撃エネルギー吸収特性が優れているとされる。しかし、アルミニウム等の軽金属材料の押し出し成形材は高価であるという問題があった。なお、衝突エネルギー吸収部材に軽金属材料を用いると、隣接する鋼板でできた部材との接合に制約をうけるという問題もあった。
【０００５】
また、特開2000-254997 号公報には、エポキシアクリレート樹脂とポリイソシアネート化合物とを適正量配合してなるシートモールディングコンパウンド成形品と、鋼材とを組み合わせて、好ましくはハット形状断面とした衝撃エネルギー吸収部材が提案されている。特開2000-254997 号公報に記載された衝撃エネルギー吸収部材は、軽量であり、かつ圧縮変形する際の最大荷重、平均荷重を鋼材、シートモールディングコンパウンド成形品の組み合わせにより容易に調整可能とされる。しかし、この部材は、シートモールディングコンパウンド成形品の成形や、鋼材とシートモールディングコンパウンド成形品との接合といった工程を要し、製造コストが高いという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来技術の問題を解決し、軽量で生産性に優れ、圧縮変形する際の変形エネルギーが高く、しかも安価な、自動車用衝突エネルギー吸収部材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】
本発明者らは、上記した課題を達成するため、鋭意研究した。
部材の衝突時のエネルギー吸収能を高めるためには、
（１）板厚を厚くする、
（２）部材断面形状の最適化を図る、
等の対策が考えられる。
【０００８】
板厚を厚くすることは、比較的容易に実現可能である。しかし、最近、地球環境保全の観点から、自動車からの排出CO₂を削減することが求められ、そのため車体の軽量化が指向されている。したがって、車体の重量増につながる板厚の増加は好ましくない。
一方、部材断面形状の最適化を図ることは、部材単位重量当りの吸収エネルギー量を高くできる点で有利である。そこで、本発明者らは、部材断面形状の最適化を図る対策について、さらに研究を進めた。
【０００９】
まず、断面形状の最適化のために、種々の形状の閉断面構造を有する部材を作製した。そして、これら部材について、軸方向に一定長さの試験材を採取し、高速で圧潰変形させた。圧潰変形時に得られた荷重と変位の関係から、その部材が圧潰変形時に吸収した吸収エネルギーを算出した。その結果、閉断面構造の場合、中に隔壁がある断面形状の部材が、中に隔壁がない場合にくらべ、高速圧潰変形時の吸収エネルギーが非常に大きいことがわかった。
【００１０】
このような隔壁を有する閉断面構造の部材を製造する方法としては、従来から多用されているアルミニウム等の軽金属材料では押し出し成形法によるのが一般的である。しかし、アルミニウム合金より安価な、鋼材にこの押し出し成形法を適用することは、極めて困難である。
そこで、本発明者らは、薄鋼板を用い板金加工により、この隔壁を有する閉断面構造の部材を製造する方法について検討した。その結果、２枚以下の曲げ加工された鋼板をスポット溶接、アーク溶接等により接合することにより、隔壁を有する閉断面構造の部材が容易に製造可能であることを突き止めた。
【００１１】
まず、本発明者らが行った実験結果について、説明する。
フロントサイドメンバーに良く用いられている厚さの、板厚：1.2 〜1.6mm の薄鋼板を用い、曲げ加工と接合により、基本的な断面形状を四角、六角の閉断面形状とする衝突エネルギー吸収部材（長さ：300 mm）を作製した。なお、一部は、閉断面形状の内部に隔壁を有する部材（Ａタイプ、Ｃタイプ、Ｅタイプ）とした。また、使用した薄鋼板は、引張強さ：440 MPa の高強度鋼板である。
【００１２】
これら部材に、時速50kmで錘を衝突させ、この衝突変形の際に得られた変位−荷重曲線を積分することにより、 150mm変形した時の吸収エネルギー（Ｊ）を求め、各板厚において隔壁のない四角断面（Ｄタイプ）を基準として、各形状の吸収エネルギーを基準に対する吸収エネルギー比としてあらわし、図４に示す。
図４から、隔壁がある断面形状（Ａタイプ、Ｃタイプ、Ｅタイプ）を有する部材は、隔壁のない断面形状（Ｂタイプ、Ｄタイプ）を有する部材にくらべ、衝突変形時の吸収エネルギーが大きいことがわかる。中でも、六角形を基本とした断面形状（Ａタイプ，Ｅタイプ）の部材の吸収エネルギーが大きい。
【００１３】
このように、断面形状の最適化技術と、鋼板加工の最適化技術を組み合わせることにより、生産性に優れ、圧縮変形する際の変形エネルギーが高い衝突エネルギー吸収部材を容易にしかも安価に達成できることがわかった。
本発明は、上記した知見に基づいて、完成されたものである。
すなわち、本発明は、鋼板を組み合わせて構成され、軸方向の圧潰変形によっ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材であって、前記鋼板を２枚以下の曲げ加工された薄鋼板とし、該２枚以下の曲げ加工された薄鋼板を組合わせて接合し、内部に隔壁を有する多角形閉断面形状に構成したことを特徴とする自動車用衝突エネルギー吸収部材であり、また、本発明では、前記隔壁が、多角形閉断面内で該多角形閉断面に垂直な軸まわりに複数形成されてなることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の自動車用衝突エネルギー吸収部材は、鋼板を組み合わせて構成された自動車用衝突エネルギー吸収部材であり、内部に隔壁を有する多角形閉断面形状に構成される。なお、多角形閉断面内で内部に形成される隔壁は、多角形閉断面に垂直な軸まわりに複数形成されることが好ましい。
【００１５】
内部に隔壁を有する多角形閉断面形状の部材は、２枚以下の薄鋼板を使用し、板金加工による曲げ加工と、レーザ溶接、アーク溶接等の接合とを組み合わせて構成される。
内部に隔壁を有する多角形閉断面形状としては、例えば、図１に示すようなＡタイプ（六角断面）、Ｃタイプ（四角断面）、Ｅタイプ（六角断面）の基本断面形状が例示される。これらの内部に隔壁を有する多角形閉断面形状の部材は、１枚または２枚の薄鋼板を用いて、曲げ加工および接合により製造できる。
【００１６】
以下、本発明部材の製造方法について、Ｅタイプ（六角断面）を例にとり、説明する。図２に、その概要を示す。
図２（ａ）では、２枚の鋼板 (素材１、素材２）を使用する。まず、素材１のＢ’，Ａ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ａ’部をプレスブレーキもしくはロール成形によって曲げる。つぎに、素材１のＡ部とＡ’部をスポット溶接、レーザ溶接、アーク溶接等により接合する。ついで、素材２のＤ’，Ｃ，Ｂ，Ｇ，Ｆ’部をプレスブレーキもしくはロール成形によって曲げる。ついで、素材１のＢ’部と素材２のＢ部とをレーザ溶接等により接合する。これはスポット溶接がしにくいため、素材（鋼板）を重ねたのち外部からレーザ溶接する方が好適である。ついで、素材１のＤ部と素材２のＤ’部、素材１のＦ部と素材２のＦ’部をレーザ溶接、アーク溶接等により接合する。このような手順により、Ｅタイプの内部に隔壁を有する多角形閉断面形状の部材を製造することができる。
【００１７】
図２（ｂ）では、図２（ａ）と同様に、２枚の鋼板 (素材１、素材２）を使用する。素材１のＤ’，Ｃ，Ｂ，Ａ，Ｄ，Ｅ，Ｆ、Ａ’部をプレスブレーキもしくはロール成形によって曲げる。この際、Ｂ部の曲げは小さめにしておくことが、その後のＡ部での接合をしやすく観点から、好ましい。ついで、素材１のＡ部とＡ’部をスポット溶接、レーザ溶接、アーク溶接等により接合する。接合後、素材１のＢ部を所定の最終形状まで曲げる。ついで、素材２のＢ’，Ｇ，Ｆ’部をプレスブレーキもしくはロール成形によって曲げる。ついで、素材１のＤ部と素材２のＤ’部、素材１のＢ部と素材２のＢ’部、および素材１のＦ部と素材２のＦ’部、をレーザ溶接、アーク溶接等により接合する。このような手順によっても、Ｅタイプの、内部に隔壁を有する多角形閉断面形状の部材を製造することができる。
【００１８】
図２（ｃ）では、１枚の鋼板 (素材１）を使用する。素材１のＤ’，Ｃ，Ｂ，Ａ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ａ’，Ｂ’，Ｇ，Ｆ’部をプレスブレーキもしくはロール成形によって曲げる。この時Ｂ、Ｂ’部の曲げは小さめにしておき、Ａ，Ａ’部の接合をしやすくすることが好ましい。ついで、Ａ部とＡ’部とをスポット溶接、レーザ溶接、アーク溶接等により接合する。ついで、Ｂ部とＢ’部、Ｄ’部とＤ部，Ｆ部とＦ’部をレーザ溶接、アーク溶接等により接合する。図２（ｃ）の場合には、一部素材が重なる部分が生じるため、重量増となる。
【００１９】
このような板金加工と接合により製造する方法では、押し出し成形に比べて部材にフランジが自由に付けやすく、車体組立て上、別部品との接合自由度が大きいという利点もある。図３に、部材端面にフランジを付けた場合について例示する。部材端面にフランジを付けるには、部材形状に加工する前のエネルギーの吸収部材作製用の鋼板（素材）にフランジ用の形状をつけ加えておき、これを曲げ加工すればよい。
【００２０】
また、Ａタイプの断面形状を有する部材および、Ｃタイプの断面形状を有する部材は、同様に、２枚の薄鋼板を用いて、板金加工 (曲げ加工）と接合を組み合わせることにより、図５に示すように、製造できる。
なお、本発明の部材の製造方法は、上記した製造方法に限定されないことはいうまでもない。
【００２１】
【実施例】
本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明する。
１枚または２枚の薄鋼板（板厚：1.2 mm）を素材として、図２（ａ）または図４に示すように、ロールによる曲げ加工 (ロール成形）と、レーザ溶接、アーク溶接またはスポット溶接による接合を組み合わせて、図１に示す、隔壁を有する六角形または四角形の閉断面形状の衝突エネルギー吸収部材 (長さ：300mm ）を作製し、本発明例とした。なお、重量が何れも同じになるように、断面線長の総和を同一とした。また、素材として使用した薄鋼板は、780 MPa 級高強度鋼板、または980 MPa 級の高強度鋼板とした。
【００２２】
なお、本発明例と同様の薄鋼板を用い、曲げ加工 (ロール成形）と、レーザ溶接、アーク溶接またはスポット溶接による接合を組み合わせて、隔壁のない六角形または四角形の閉断面形状の衝突エネルギー吸収部材を作製し、比較例とした。また、押し出し成形により、Ａタイプの断面形状を有するアルミニウム合金製部材を作製し、従来例とした。なお、従来例では隔壁の肉厚は２mmとした。
【００２３】
これら部材について、時速50kmで錘を衝突させ、150mm 変形した時の吸収エネルギー（Ｊ）を衝突変形の際に得られた変位−荷重曲線を積分することにより求めた。その結果を、表１に示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
本発明例は、いずれも高い吸収エネルギーを示し、優れた衝撃エネルギー吸収能を有している。なお、板厚が同じであれば素材の引張強さ（ＴＳ）が大きい方が吸収エネルギーは大きくなる。さらに、本発明例は、簡単な板金加工と簡単な溶接により製造できるため、製造コストは安価である。これに対し、隔壁のない断面形状を有する比較例（部材No.1,No.2,No.7,No.8 ）では、本発明例にくらべ、吸収エネルギーが低く、衝撃エネルギー吸収能が低下している。また、アルミニウム合金製部材である従来例は、高い吸収エネルギーを示すが、アルミニウム合金製押し出し材が高価なため、製造コストは非常に高くなる。
【００２６】
このように、本発明によれば、高い吸収エネルギーと安い製造コストをあわせ持つ衝突エネルギー吸収部材を安易に提供できる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、衝突エネルギー吸収能に優れた衝突エネルギー吸収部材を容易にしかも安価に提供でき、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明部材の基本的断面状の１例を示す説明図である。
【図２】本発明の衝突エネルギー吸収部材の製造方法の１例を示す説明図である。
【図３】本発明の衝突エネルギー吸収部材の１例を模式的に示す斜視図である。
【図４】断面形状と衝突変形における吸収エネルギーの関係を示すグラフである。
【図５】本発明の衝突エネルギー吸収部材の製造方法の１例を示す説明図である。
【図６】フロントサイドメンバーの１例を模式的に示す説明図である。

Claims

鋼板を組み合わせて構成され、軸方向の圧潰変形によっ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材であって、前記鋼板を２枚以下の曲げ加工された薄鋼板とし、該２枚以下の曲げ加工された薄鋼板を組合わせて接合し、内部に隔壁を有する多角形閉断面形状に構成したことを特徴とする自動車用衝突エネルギー吸収部材。
前記隔壁が、多角形閉断面内で該多角形閉断面に垂直な軸まわりに複数形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の自動車用衝突エネルギー吸収部材。