JP4974350B2 - 自動車乗員保護用エネルギー吸収部材 - Google Patents

Description

本発明は、自動車乗員保護用エネルギー吸収部材、詳しくは自動車が衝突した場合に乗員の安全を確保するため、車体のインストルメントパネル内部などに取付けられるアルミニウム合金の中空押出形材製エネルギー吸収部材に関する。

自動車の衝突時、衝突時の慣性力により搭乗者の膝が車体に衝突した場合、衝撃エネルギーを除々に吸収して搭乗者の保護を図ることが必要である。エネルギーを吸収する方法の一つとして、車体のインストルメントパネル内部にエネルギー吸収部材（ニーガードと称する）を装着する手法が挙げられる。ニーガードには、膝が車体に衝突した衝撃により斜め下方からの圧縮荷重を受けた際、除々に衝撃エネルギーを吸収することが要求され、圧縮荷重―変位線図における平均荷重が高いほど多くの衝撃エネルギーを吸収することが可能となる。

圧縮荷重―変位線図における初期ピーク荷重が高すぎると、乗員の膝にダメージを与えてしまうこととなり、また一方、平均荷重が低すぎると衝撃エネルギーを吸収しきれないことから、乗員の膝にダメージを与えてしまうこととなる。図1４は圧縮荷重―変位線図における初期ピーク荷重と平均荷重を示す図であるが、初期ピーク荷重／平均荷重の比が１．０に近いほどニーガードとして優れた特性を持つことになり、逆に初期ピーク荷重／平均荷重の比が大きくなるほどニーガードとして好ましくない。

また、車種によっては、衝突初期の段階では、膝が接触する部品（例えばグローブボックス）とニーガードの両方でエネルギーを吸収し、衝突による変形の後半では、ニーガードのみでエネルギーを吸収する場合がある。このようなケースにおいては、ニーガード単体の衝突特性として、変形の後半に荷重が上昇することが好ましい。これは、初期ピーク荷重／平均荷重の比が１．０より小さくなることを意味する。

近年、環境問題から自動車車体重量の軽減が提唱されており、ニーガードについてもアルミニウム押出形材の使用が検討されている。アルミ合金押出形材を使用したニーガード例として、平行に設けられた前面フランジおよび後面フランジと、該フランジ間をつなぐ略平行に設けた左右のウェブから構成され、ウェブがそれぞれ外側に向かって湾曲している断面形状のものが提案されており（特許文献１参照）、また、上記のものを２段重ねに連結させた断面形状のものも提案されている（特許文献２参照）。

上記提案のものは、平行に設けられたフランジをつなぐウェブが外側に向かって湾曲させることにより平均荷重／最大荷重の比を調整しようとするものであるが、図１５に示すように、乗員の膝が斜め下方から衝突することを考慮し、衝突方向に対してフランジが垂直となるように取り付けると、インストルメントパネル内の余剰スペースが小さくなるという難点がある。さらに、初期ピーク荷重／平均荷重の比を１．０に近くすることは可能であるものの、初期ピーク荷重／平均荷重の比を１．０より小さくすることができない、すなわち、初期荷重の発生後に荷重を再上昇させることができない。
特開２００４−０９０９１０号公報 特開２００５−０５３４３７号公報

自動車乗員保護用エネルギー吸収部材においては、初期ピーク荷重／平均荷重の比を１．０より小さくすることが最も望ましいとされ、また軽量化に対する要求もますます厳しくなっており、軽量で且つエネルギー吸収特性に優れたアルミニウム合金製自動車用エネルギー吸収部材が要請されている。

本発明は、上記の要請にこたえるためになされたものであり、その目的は、インストルメントパネル内の余剰スペースが確保され、初期ピーク荷重／平均荷重の比を１．０、もしくは１．０より小さくすることを可能とする断面形状をそなえたアルミニウム合金の中空押出形材からなる衝撃エネルギー吸収特性に優れた自動車乗員保護用エネルギー吸収部材を提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１による自動車乗員保護用エネルギー吸収部材は、アルミニウム合金の中空押出形材からなり、仕切壁２により仕切られた取付部Ａとエネルギー吸収部Ｂとから構成されるエネルギー吸収部材ＳＡであって、取付部Ａは外側に開口した開断面形材からなり、エネルギー吸収部Ｂは前記仕切壁２に並設された上部壁３および下部壁７と、上部壁３に連続して形成されたＬ形の凹部と、該凹部を構成する縦部壁４と横部壁５と、凹部の横部壁５と下部壁７とを連結し横部壁５と鋭角をなして斜め下方に延びる荷重負荷壁６とからなり、また前記上部壁３および縦部壁４の肉厚を、前記エネルギー吸収部材ＳＡのその他の壁よりも厚くし、前記荷重負荷壁６に衝撃荷重が負荷された場合、凹部を構成する縦部壁４と横部壁５とが接触するとともに、縦部壁４と横部壁５とが交差する凹部の角部４５と下部壁７とが接触して、荷重の低下を防止するよう構成されたことを特徴とする。

請求項２による自動車乗員保護用エネルギー吸収部材は、請求項１において、前記仕切壁２は前記上部壁３と鋭角をなして前記荷重負荷壁６と同じく斜め下方に延び、前記外側に開口した開断面形材からなる取付部Ａが、自動車インストルメントパネル内の部材を挟持し、該部材が前記仕切壁２に当接するよう取り付けられ、自動車乗員の膝がダッシュボードに衝突した際のエネルギーを吸収するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、インストルメントパネル内の余剰スペースが確保され、初期ピーク荷重／平均荷重の比を１．０、もしくは１．０より小さくすることを可能とする断面形状をそなえたアルミニウム合金の中空押出形材からなる衝撃エネルギー吸収特性に優れた自動車乗員保護用エネルギー吸収部材が提供される。また本発明によれば、断面形状設計の自由度が高く、車種により外寸や肉厚を調製することが可能となる。

本発明の自動車乗員保護用エネルギー吸収部材は、調質された熱処理型アルミニウム合金の中空押出形材、例えば、押出後、Ｔ５処理、Ｔ６処理されたＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系（７０００系）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（６０００系）アルミニウム合金の中空押出形材からなる。アルミニウム合金の中空押出形材からなる本発明の自動車乗員保護用エネルギー吸収部材は、特定個所の壁部の肉厚をその他の壁部よりも厚くすることを構成上の特徴とするものであるが、その基本的な形およびエネルギー吸収部材に衝撃荷重が負荷された場合の変形形態を、エネルギー吸収部材の各壁部の肉厚が同じものとして以下に説明する。

図１〜２に示すように、本発明の自動車乗員保護エネルギー吸収部材ＳＡは、仕切壁２により仕切られた取付部Ａとエネルギー吸収部Ｂとから構成され、取付部Ａは外側に開口した開断面形材からなり、図３に示すように、挟持壁１、１でインストルメントパネル内のビームなどを挟持することにより、エネルギー吸収部材ＳＡをニーガードとして取り付ける。

エネルギー吸収部Ｂは、Ｌ形の凹部をそなえた閉断面形材からなり、エネルギー吸収部材に衝撃荷重が負荷された場合、図１１に示すように、凹部を形成する壁４、５（図２）同士が接触するよう変形して荷重の低下を防止するよう構成されている。

好ましい実施形態としては、図２に示すように、エネルギー吸収部材が、仕切壁２と、仕切壁２に並設された上部壁３および下部壁７と、上部壁３に連続して形成されたＬ形の凹部と、凹部を構成する縦部壁４と横部壁５と、凹部の横部壁５と下部壁７とを連結し横部壁５と鋭角をなして斜め下方に延びる（下部壁７と９０°より大きい鈍角をなして斜め上方に延びる）荷重負荷壁６とからなり、荷重負荷壁６に衝撃荷重が負荷された場合、図１１に示すように、凹部を構成する縦部壁４と横部壁５とが接触するとともに、縦部壁４と横部壁５とが交差する凹部の角部４５と下部壁７とが接触して、荷重の低下を防止するよう構成される。

本発明の自動車乗員保護用エネルギー吸収部材ＳＡは、図３に示すように、外側に開口した開断面形材からなる取付部Ａの挟持壁１、１で、自動車インストルメントパネル内のビームを挟持し、ビームが仕切壁２に当接するよう取り付けられることを特徴とし、自動車乗員の膝がダッシュボードに衝突した際のエネルギーを吸収する。

エネルギー吸収部Ｂは、衝撃荷重が負荷される荷重負荷壁６、初期に変形する壁（横部壁５、下部壁７）および後期に変形する壁（上部壁３、縦部壁４）により構成され、衝突初期に変形する壁（横部壁５）と衝突後期に変形する壁（縦部壁４）を接触させ、且つ角部４５と下部壁７を接触させることにより荷重低下を防止する。取付部Ａとエネルギー吸収部Ｂを仕切る仕切壁２を設けることにより、エネルギー吸収部材において変形する領域を小さくし、具体的には上部壁３、下部壁７が仕切壁２に支持されることにより拘束が増えることで、全体的な荷重を底上げしている。本発明の自動車乗員保護用エネルギー吸収部材ＳＡは、変形後半に荷重を再上昇させるために、図７に示すように、変形後半の荷重に影響を与える壁（上部壁３、縦部壁４）の肉厚をその他の壁よりも厚くすることを特徴とする。

衝撃荷重が負荷される荷重負荷壁６を斜め下方からの衝突方向に対して略垂直となるように設け、且つ、衝突初期に変形する横部壁５と衝突後期に変形する縦部壁４のなす角度を略９０°となるように形材の断面形状を設計することによって、変形中に壁同士がきれいに接触し、荷重の低下を防止することが可能となる。

本発明のエネルギー吸収部材ＳＡは、下部壁７が車体の水平方向となるように、インストルメントパネル内のメインビームに装着する（図３）。本発明のエネルギー吸収部材ＳＡにおいては、従来のエネルギー吸収部材と異なり、メインビーム下方のスペースを有効に利用することができ、例えばグローブボックスの収納スペース拡大などが可能となる。

本発明のエネルギー吸収部材ＳＡは、例えば、乗員の両膝の間に１個、あるいは両膝の前に１個づつ、インストルメントパネル内のメインビームに装着する。この場合、エネルギー吸収部材ＳＡは、長さ５０〜１５０ｍｍ程度に切断して使用される。長さが５０ｍｍよりも短いと、膝が衝突する位置が車体左右方向にずれた場合に、エネルギー吸収特性が低下し易くなる。長さが１５０ｍｍより大きいと、重量が増加してエネルギー吸収部材に軽量のアルミニウム中空形材を使用するメリットが小さくなる。

本発明のエネルギー吸収部材ＳＡの形状は、図４〜５に示すように、取付部Ａの挟持壁１、１間の間隔ｂ２、挟持壁１、１の厚さｔ１、仕切壁２の厚さｔ２、仕切壁２の傾斜角θ１、上部壁３の長さａ３、厚さｔ３、縦部壁４の長さｂ１、厚さｔ４、横部壁５の長さａ４、厚さｔ５、荷重負荷壁６の厚さｔ６、荷重負荷壁６と下部壁７とのなす角θ２、荷重負荷壁６の上端と下端との水平距離ａ２、下部壁７の長さａ１、厚さｔ７を特定することにより決定されるが、上部壁３の厚さｔ３および縦部壁４の厚さｔ４を、仕切壁２の厚さｔ２、横部壁５の厚さｔ５、荷重負荷壁６の厚さｔ６、下部壁７の厚さｔ７よりも厚くすることが本発明の必須の構成要件である。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、その効果を実証する。これらの実施例は本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例、比較例
図６（参考例１）、図７（実施例１）、図８（比較例１）、図９（比較例２）に示す形状の６０６３合金の中空押出形材（調質：Ｔ５）を作製し、これらをニーガード用のエネルギー吸収部材として評価を行った。評価方法は以下のとおりである。

図１０に示すように、上記のニーガード用エネルギー吸収部材の取付部を固定用冶具（インストルメントパネル内のメインビームを模擬している）にボルトで固定し、斜め下方から加圧盤により強制変位を与え、加圧盤に負荷される圧縮荷重、加圧盤の変位による圧縮荷重―変位線図を評価した。評価はコンピューターによるシミュレーションにて実施した。具体的には、汎用のＦＥＭ解析ソフトである商用ソフトＭＡＲＣを使用した。ニーガード用エネルギー吸収部材の長さは１００ｍｍとし、材料特性は一般的な６０００系アルミニウム合金の値を入力した。初期ピーク荷重、平均荷重、初期ピーク荷重／平均荷重の値を表１に示す。参考例１の変形形態を図１１に、比較例１の変形形態を図１２に示し、参考例１、実施例１、比較例１〜２の荷重―変位線図を図１３に示す。

参考例１
図１１、図１３にみられるように、初期ピーク荷重が発生したのち荷重が低下した。さらに変位が進むと、エネルギー吸収部の縦部壁４と横部壁５同士、および角部４５と下部壁７が接触することにより荷重が再上昇した。表１に示すように、初期ピーク荷重／平均荷重の値は１．２３であり優れた特性を示した。

実施例１
図１３にみられるように、初期ピーク荷重が発生したのち荷重が低下した。さらに変位が進むと、エネルギー吸収部の縦部壁４と横部壁５同士、および角部４５と下部壁７が接触することにより荷重が再上昇し、再上昇した荷重は、初期ピーク荷重より大きな値となった。その際、壁３と壁４の肉厚が参考例１よりも厚いため、荷重の上昇量は参考例１よりも大きくなっていた。表１に示すように、初期ピーク荷重／平均荷重の値は０．８６であり、さらに優れた特性を示した。壁３と壁４の肉厚は必要とされる平均荷重に応じて調整することが可能である。

比較例１
図１２、図１３に示すように、初期ピーク荷重が発生したのち荷重が低下し続けた。表１に示すように、初期ピーク荷重／平均荷重の値は２．２７であり、特性が劣っていた。

比較例２
図１３に示すように、初期ピーク荷重が発生したのち荷重が低下し続けた。表１に示すように、初期ピーク荷重／平均荷重の値は２．３７であり、特性が劣っていた。

自動車乗員保護用エネルギー吸収部材の断面図である。 自動車乗員保護用エネルギー吸収部材の断面図である。 エネルギー吸収部材の取付け例を示す図である。 エネルギー吸収部材の形状、寸法を決定するための断面図である。 エネルギー吸収部材の形状、寸法を決定するための断面図である。 参考例１のエネルギー吸収部材の断面図である。 実施例１のエネルギー吸収部材の断面図である。 比較例１のエネルギー吸収部材の断面図である。 比較例２のエネルギー吸収部材の断面図である。 エネルギー吸収部材の評価試験方法を示す図である。 参考例１の変形形態を示す図である。 比較例１の変形形態を示す図である。 比較例１の初期ピーク荷重を１．００とした場合における参考例１、実施例１、比較例１〜２の圧縮荷重―変位線図である。 エネルギー吸収部材の圧縮荷重―変位線図である。 従来のエネルギー吸収部材の取付け例を示す図である。

符号の説明

１ 挟持壁
２ 仕切壁
３ 上部壁
４ 縦部壁
５ 横部壁
６ 荷重負荷壁
７ 下部壁
４５ 角部
Ａ 取付部
Ｂ エネルギー吸収部
ＳＡ エネルギー吸収部材

Claims (2)

1. アルミニウム合金の中空押出形材からなり、仕切壁（２）により仕切られた取付部（Ａ）とエネルギー吸収部（Ｂ）とから構成されるエネルギー吸収部材（ＳＡ）であって、取付部（Ａ）は外側に開口した開断面形材からなり、エネルギー吸収部（Ｂ）は前記仕切壁（２）に並設された上部壁（３）および下部壁（７）と、上部壁（３）に連続して形成されたＬ形の凹部と、該凹部を構成する縦部壁（４）と横部壁（５）と、凹部の横部壁（５）と下部壁（７）とを連結し横部壁（５）と鋭角をなして斜め下方に延びる荷重負荷壁（６）とからなり、また前記上部壁（３）および縦部壁（４）の肉厚を、前記エネルギー吸収部材（ＳＡ）のその他の壁よりも厚くし、前記荷重負荷壁（６）に衝撃荷重が負荷された場合、凹部を構成する縦部壁（４）と横部壁（５）とが接触するとともに、縦部壁（４）と横部壁（５）とが交差する凹部の角部（４５）と下部壁（７）とが接触して、荷重の低下を防止するよう構成されたことを特徴とする自動車乗員保護用エネルギー吸収部材。
2. 前記仕切壁（２）は前記上部壁（３）と鋭角をなして前記荷重負荷壁（６）と同じく斜め下方に延び、前記外側に開口した開断面形材からなる取付部（Ａ）が、自動車インストルメントパネル内の部材を挟持し、該部材が前記仕切壁（２）に当接するよう取り付けられ、自動車乗員の膝がダッシュボードに衝突した際のエネルギーを吸収するようにしたことを特徴とする請求項１記載の自動車乗員保護用エネルギー吸収部材。

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