JP5228819B2 - 衝突エネルギ吸収部材 - Google Patents

Description

この発明は、少なくとも３本以上の直線状の略同径の円管が束ねられ、軸方向の端部から入力された荷重により軸方向に塑性変形して圧縮される金属製の衝突エネルギ吸収部材に関する。

従来、金属製の衝突エネルギ吸収部材としては、例えば、特許文献１に開示された構造がある。
すなわち、自動車衝突時の衝突エネルギを吸収する衝突エネルギ吸収部材において、プレス加工された薄鋼板を閉断面形状に組合わせ溶接してなる外枠部材（いわゆるフレーム）内に、円管（丸パイプ）または角管（角パイプ）からなる第１種の内挿部材またはプレス加工された薄鋼板を閉断面形状に組合わせ溶接してなる第２種の内挿部材を一または複数個収納し、該内挿部材からなる隔壁を形成してなる部材であって、この衝突エネルギ吸収部材は、主に、車体の前端または後端に取付けられて、クラッシュカンとして用いられる。

従来のこの衝突エネルギ吸収部材は、このように、矩形閉断面のフレーム内に、複数のパイプ部材などを収納して構成されたものである。
この従来構造によると、衝突荷重を受けた際に、フレーム内のパイプ部材もフレームと同様に、軸方向に座屈変形するため、衝突エネルギの吸収量が増加する。特に、フレーム内にパイプ部材が収納されていることから、座屈変形の際には、パイプ部材が相互に干渉し合うことになり、衝突エネルギの吸収量がさらに増加する。

ところで、衝突エネルギの吸収性能を安定して高めるためには、常にエネルギ吸収部材を軸方向に座屈変形させる必要がある。
この点、上記従来の衝突エネルギ吸収部材では、大型断面のフレームと小型断面のパイプ部材を同時に座屈変形させることになるが、座屈変形は、断面を囲む辺の長さや直径の大きさ等によって、潰れ周期（潰れ変形の山折れと谷折れの繰返し周期）が変化するため、フレームとパイプ部材との間で、潰れ周期が異なり、変形の位相がズレるといった現象が生じる。

このように、フレームとパイプ部材との間で潰れ周期が異なり、変形位相がズレると、お互いの変形挙動を阻害し合うことになり、エネルギ吸収部材を、確実に軸方向に座屈変形させることができず、横折れ変形等が生じるおそれがある。

一方、本発明者等は、形状の異なる四角筒、六角筒、八角筒、変形多角筒（異形の１６角筒）のパイプ部材や、少なくとも３本以上の円管を組合せた集合円筒のパイプ部材について、座屈変形の検証を行なうため、ＣＡＥ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ−ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）にて変形モードを確認すると共に、変位に対する荷重／断面積特性を検証した。この結果を図２０に示す。なお、各パイプ部材としては、板厚１．００ｍｍ^ｔ、全長１５０ｍｍのものを用いた。

図２０の特性図から明らかなように、コーナの数が最も少ない四角筒の特性が最も悪く、コーナの数が増加するにつれて特性が向上し、特に、円管を５本組合せた集合円筒については、他の形状のものと比較して全体的に荷重が高く、かつ荷重変動が小さく、潰れ周期が短いことが判明し、したがって、同じ座屈モードを安定して繰返していることが検証でき、エネルギ吸収効率が極めて高くなることが実証できた。

ここで、少なくとも３本以上の直線状の略同径の円管を用いて、各円管が、これらのうちの３つの円管に周囲三方を囲まれた狭窄空間を形成するよう、互いに軸方向が平行に隣接して配置され、各円管が、隣接する円管と最も近接する部位の近傍で円管の軸方向に連続する板状の短絡連結部で連結されて一体となされた衝突エネルギ吸収部材を構成する場合、鋼材に代えて、ＡｌまたはＡｌ合金の押し出し成形品を用いると、円管相互の関係を自由に設定することができる。

そこで、本発明者等は、各種の実験を繰返した結果、円管に軸方向の力がかかって、該円管が変形する時、円管は安定した面を形成しようとする傾向があり、その最小単位としての三角形に変形することが解った。
また、円管の軸方向に交互に三角形を形成するためには、隣接する円管相互を接続する短絡連結部が必要であって、この短絡連結部の配置や肉厚により連続した三角形に変形することが判明した。
特開２００３−３１２５３５号公報

そこで、この発明は、一つの円管について隣接する他の二つの円管に対する一対の短絡連結部が、その円管中心部に対して鋭角を成すよう円管外周上の位置に形成されることで、一つの円管の軸圧縮方向の潰れが、閉断面方向に関して、短絡連結部を通じて周囲の２つの円管を押したり引いたりして（つまり、一方を押し、他方が押されるよう）互いに作用し合い、それぞれが略正三角形の閉断面を成すよう、この円管集合体を塑性変形させるにあたり、上記短絡連結部を正三角形が形成されやすい方向に配置し、この変形を安定的に生起させることができる衝突エネルギ吸収部材の提供を目的とする。

この発明による衝突エネルギ吸収部材は、少なくとも３本以上の直線状の略同径の円管が、これらのうちの３つの円管に周囲三方を囲まれた狭窄空間を形成するよう、互いに軸方向が平行に隣接して配置され、各円管は、隣接する円管と最も近接する部位の近傍で円管の軸方向に連続する板状の短絡連結部で連結されて一体となされ、軸方向の端部から入力された荷重により軸方向に塑性変形して圧縮される金属製の衝突エネルギ吸収部材であって、一つの円管についての隣接する他の二つの円管に対する一対の上記短絡連結部は、これら円管が車両前後方向の荷重を受けて座屈変形する場合に、一つの円管の軸方向の圧縮潰れが、閉断面方向に関して、上記一方の短絡連結部を押し、上記他方の短絡連結部を引いて互いに作用し合い、各円管がそれぞれ略正三角形の閉断面を成すよう、これら円管の集合体を塑性変形させるために、その円管中心部に対して鋭角を成すよう円管外周上の位置に形成されたものである。

上記構成によれば、一つの円管の軸圧縮方向の潰れが、閉断面方向に関して、短絡連結部を通じて周囲の２つの円管を押したり引いたりして（つまり、一方を押し、他方が押されるよう）互いに作用し合い、それぞれが略三角形の閉断面を成すよう、この円管集合体を塑性変形させるにあたり、上記短絡連結部を正三角形が形成されやすい方向に配置したので、（円管中心部に対して鋭角、好ましくは６０度を成すよう円管外周上の位置に形成したので、）、この変形を安定的に生起させることができる。

この発明の一実施態様においては、上記衝突エネルギ吸収部材は５本であって、中央に位置する中央管としての中央パイプの上側に２個の略同径の周辺パイプが配置されるとともに、該中央パイプの下側に２個の略同径の周辺パイプが配置され、上記中央パイプと上側２個の周辺パイプ、並びに、上記中央パイプと下側２個の周辺パイプは、短絡連結部で上下方向に連結され、上記中央パイプの上側および下側において隣接する各２個の周辺パイプ同士が、短絡連結部で横方向に連結され、これら中央パイプおよび上下の周辺パイプが車両前後方向の荷重を受けて座屈変形する場合に、各パイプの短絡連結部による短絡連結状態を維持した状態で、各パイプの集合体の座屈変形を許容すべく、上記中央パイプと上側２個の周辺パイプとの間に略正三角形の狭窄空間が形成されると共に、上記中央パイプと下側２個の周辺パイプとの間に、上記略正三角形の狭窄空間と上下対称となる逆向きの略正三角形の狭窄空間が形成されたものである。

この発明の一実施態様においては、上記短絡連結部は、隣接する円管の中心相互を結ぶ中心線より外側の厚さを、円管外径で除した値が０．４３以下に設定されたものである。
上記構成によれば、数値シミュレーションの結果、上記外側の厚さの安定範囲を見出して、この厚さを、円管外径で除した値が０．４３以下となるように設定したので、隣接する円管との変形の連携が強くなって安定して、連続変形が生ずる。なお、上記外側の厚さが過大になると、正三角形断面の生起が阻害される。

この発明の一実施態様においては、上記短絡連結部は、隣接する円管の中心相互を結ぶ中心線より内側の厚さを、円管外径で除した値が０．１３以下に設定されたものである。
上記構成によれば、数値シミュレーションにより内側の厚さの限界数値を求め、この内側の厚さを、円管外径で除した値が０．１３以下となるように設定したので、隣接する円管との変形の連携が強くなって安定して、連続変形が生ずる。因に、上記内側の厚さが過大になり、狭窄空間側への厚みを所定値以上に増すと、正三角形断面の生成が阻害される。

この発明の一実施態様においては、上記短絡連結部の円管連結方向の長さを、上記円管外径の１／７以下の長さに設定したものである。
上記構成によれば、短絡連結部の上記長さを、円管外径の１／７以下の長さに設定したので、隣接する円管への荷重伝達を確実に行なうことができる。因に、短絡連結部の上記長さが、この数値以上に長くなると、隣接する円管への荷重伝達が不充分かつ不安定となる。

この発明の一実施態様においては、上記短絡連結部は、隣接する両円管との結合部から該短絡連結部の円管連結方向中央部に向けて、その厚さが連続的に小さくなるように設定されたものである。
換言すれば、上記短絡連結部にアールを形成したものである。

上記構成によれば、円管の軸方向への塑性変形時において、三角形頂点が隣接する円管を押す力が中央に集中して、隣の円管の狭い範囲を押して、狙い通りの変形を安定して生起させることができる。
また、ＡｌまたはＡｌ合金の熱間押し出し成形により衝突エネルギ吸収部材を形成する場合、上記アールがないと、押し出し成形時に面圧が高くなり、ＡｌまたはＡｌ合金が押し出し成形用の金型に凝着するが、上述の如くアールを設けているので、押し出し成形時の良好な成形性を確保することができる。

この発明によれば、一つの円管について隣接する他の二つの円管に対する一対の短絡連結部が、その円管中心部に対して鋭角を成すよう円管外周上の位置に形成されているので、一つの円管の軸圧縮方向の潰れが、閉断面方向に関して、短絡連結部を通じて周囲の２つの円管を押したり引いたりして（つまり、一方を押し、他方が押されるよう）互いに作用し合い、それぞれが略正三角形の閉断面を成すよう、この円管集合体を塑性変形させるにあたり、上記短絡連結部を正三角形が形成されやすい方向に配置し、この変形を安定的に生起させることができる効果がある。

軸方向端部から入力された車両前後方向の荷重により各円管が略正三角形の閉断面を成して、安定的に塑性変形し、大きい衝撃吸収エネルギ効果を発揮するという目的を、少なくとも３本以上の直線状の略同径の円管が、これらのうちの３つの円管に周囲三方を囲まれた狭窄空間を形成するよう、互いに軸方向が平行に隣接して配置され、各円管は、隣接する円管と最も近接する部位の近傍で円管の軸方向に連続する板状の短絡連結部で連結されて一体となされ、軸方向の端部から入力された荷重により軸方向に塑性変形して圧縮される金属製の衝突エネルギ吸収部材であって、一つの円管についての隣接する他の二つの円管に対する一対の上記短絡連結部は、これら円管が車両前後方向の荷重を受けて座屈変形する場合に、一つの円管の軸方向の圧縮潰れが、閉断面方向に関して、上記一方の短絡連結部を押し、上記他方の短絡連結部を引いて互いに作用し合い、各円管がそれぞれ略正三角形の閉断面を成すよう、これら円管の集合体を塑性変形させるために、その円管中心部に対して鋭角を成すよう円管外周上の位置に形成されるという構成にて実現した。

この発明の一実施例を以下図面に基づいて詳述する。
図面は衝突エネルギ吸収部材を示し、図１は該衝突エネルギ吸収部材を車両のクラッシュカンとして使用した車体前部構造を示す斜視図、図２は図１の要部拡大斜視図、図３はクラッシュカンの正面図である。

図１に示すように、車体前部にはエンジンルーム１の左右両サイドにおいて車両の前後方向に延びる閉断面構造のフロントサイドフレーム２，２を設けている。これら左右一対のフロントサイドフレーム２，２の前端部にはフランジ部材３，３が取付けられると共に、フランジ部材３とフロントサイドフレーム２との間には、ガセット４が設けられている。

上述のフロントサイドフレーム２，２前端のフランジ部材３には、平板状のセットプレート６を介して車両の前後方向に延びるクラッシュカン７を設けており、左右のクラッシュカン７，７の前端相互間には、車幅方向に延びるバンパレインフォースメント８を取付けている。

図２、図３に示すように、上述のクラッシュカン７（衝突エネルギ吸収部材）は、円管としての複数の略同径の円筒パイプ（以下単にパイプと略記する）９…が複数個束ねられて構成されており、図３に正面図で示すように、複数個のパイプ９…は車両正面視で互いに隣接して所定方向としての上下方向に長く配列されている。なお、クラッシュカン７をフロント側に設ける場合には、上下方向に長く配列されるが、該クラッシュカン７をリヤ側に設ける場合には、車幅方向に長く配列させてもよい。
また、上述の各パイプ９…を合計５本集合させた集合パイプ体の四隅部分には、パイプ先端部への衝突荷重入力時に、所定方向としての上下方向に対して交差する左右方向に、パイプ９の基端部が曲がるのを抑止する曲げ抑止手段としてのリブ５…が一体的に設けられている。

これら複数個のパイプ９は、図３に正面図で示すように、中央に位置する中央管としての中央パイプ９Ａの上側に２個の略同径の周辺パイプ（周辺管）９Ｂ，９Ｃが配置されると共に、中央パイプ９Ａの下側に２個の略同径の周辺パイプ（周辺管）９Ｄ，９Ｅが配置され、合計５個のパイプ９Ａ〜９Ｅから構成され、中央パイプ９Ａと上下側のそれぞれ２個の周辺パイプ９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ，９Ｅは、これらの間に狭窄空間１０を形成するよう各パイプ９Ａ〜９Ｅの最も近接する部位の近傍でパイプ９Ａ〜９Ｅの軸方向に連結する板状の短絡連結部１１〜１６で連結されて一体と成されている。ここで、上述の狭窄空間１０は３つのパイプ９Ａ，９Ｂ，９Ｃまたはパイプ９Ａ，９Ｄ，９Ｅに周囲三方を囲まれている。

上述の各パイプ９Ａ〜９Ｅおよび短絡連結部１１〜１６は、具体的には、アルミニウムまたはアルミニウム合金の熱間押し出し成形により形成され、例えば、直径（外径）Ｄ＝３４ｍｍφに、肉厚ｔ＝１ｍｍに形成されている。

このように、上述のクラッシュカン７は、複数のパイプ９…を集合させて結合した、いわゆる『集合パイプ体』で構成されており、このクラッシュカン７は、車両の前後方向の衝突荷重が作用すると、軸方向に座屈変形して、衝突エネルギを吸収するように構成している。
特に、このクラッシュカン７は、５本のパイプ９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ，９Ｅを同時に座屈変形させるため、衝突荷重の吸収量を従前のクラッシュカンに対して大幅に高めることができ、エネルギ吸収量を多くすることができる。

図２に示すように、集合パイプ体の前端から後方側へ距離Ｌ１（例えば、約１５ｍｍ）の位置には、衝突荷重が作用した時、クラッシュカン７の潰れ形状を規定する変形促進部としての横ビード１７…を設けている。ここで、上述の距離Ｌ１はパイプ９の潰れ周期のピッチによって任意に設定することができ、熱間押し出し成形品に対して後加工することにより形成される。

図３に示すように、上述の横ビード１７は、全てのパイプ９に、約１２０度の間隔で設けた内凹形状で構成されており、この横ビード１７は、クラッシュカン７が座屈変形する際、該座屈変形の切っ掛けを与える要素である。
一方、クラッシュカン７には、図３に示すように隣り合うパイプ９，９同士を短絡連結する複数の短絡連結部１１〜１６が設けられている。

図３から明らかなように、短絡連結部１１はパイプ９Ｂ，９Ｃ間を横方向に短絡連結し、短絡連結部１２はパイプ９Ｂ，９Ａ間を上下方向に短絡連結し、短路連結部１３はパイプ９Ｃ，９Ａ間を上下方向に短絡連結して、パイプ９Ｂ，９Ｃ，９Ａ間に略正三角形の狭窄空間１０を形成すべく構成している。
また、短絡連結部１４はパイプ９Ａ，９Ｄ間を上下方向に短絡連結し、短絡連結部１５はパイプ９Ａ，９Ｅ間を上下方向に短絡連結し、短絡連結部１６はパイプ９Ｄ，９Ｅ間を横方向に短絡連結して、パイプ９Ａ，９Ｄ，９Ｅ間に逆向き略正三角形の狭窄空間１０を形成すべく構成している。

ここで、図３におけるパイプ９Ｂ，９Ｃ，９Ａ間の略正三角形の狭窄空間１０と、パイプ９Ａ，９Ｄ，９Ｅ間の逆向き略正三角形の狭窄空間１０とは、中央パイプ９Ａを挟んで上下対称となるように形成される。
この対称構造は、パイプ９の座屈変形時の変形挙動を考慮して、このように設定するものである。

図４は、パイプ９の座屈変形時の断面形状の変形状態を示す模式図であって、（ａ）は座屈変形前のパイプの側面図と、Ａ−Ａ線矢視断面図であり、（ｂ）は座屈変形後のパイプの側面図と、Ｂ−Ｂ線矢視断面図、Ｃ−Ｃ線矢視断面図である。

図４の（ａ）に示すように、パイプ９は、座屈変形前には真円形状の円筒断面を有している。
このパイプ９が車両前後方向の衝突荷重を受けて座屈変形する場合には、同図の（ｂ）に示すように、座屈変形の潰れ周期の半ピッチ毎に、断面形状が『略正三角形』と『逆向きの略正三角形』を繰返して変形する。

これは、『面』を構成する最小の多角形が三角形であるため、軸方向の圧縮力を受けて円筒断面が外周側に拡張しようとする際、局所的に三点に応力集中が生じて『略正三角形』の断面と、『逆向きの略正三角形』の断面と周期的に繰返して、座屈変形していくものと推考される。
このように、断面形状が『略正三角形』と『逆向きの略正三角形』とを繰返しながら変形していくため、パイプ９における短絡連結部１１〜１６の位置は、この繰返し変形を阻害しないように設定される。

そこで、この実施例では、図５、図６に示すように変形状態を考慮して、短絡連結部１１〜１６の形成位置を設定している。図５はクラッシュカン７の正面図に右側を頂点とする三角形の変形モデルを加えた図であり、図６はクラッシュカン７の正面図に左側を頂点とする三角形に変形モデルを加えた図である。

図５に示すように、断面形状が右側を頂点とする三角形に変形する場合、パイプ９Ｂにおいては、短絡連結部１１が右方に移動して、隣接するパイプ９Ｃの一部を押して、該パイプ９Ｃに三角形の一辺を形成し、短絡連結部１２の左斜め上方への移動により、パイプ９Ｂの一部が押されてパイプ９Ｂに三角形の一辺を形成し、パイプ９Ｂの他の一部ａ，ｂが三角形の頂点を形成する方向に押されるので、パイプ９Ｂは略三角形状となる。

パイプ９Ｃにおいては、短絡連結部１３が左斜め下方に移動して、隣接するパイプ９Ａの一部を押して、該パイプ９Ａに三角形の一辺を形成し、短絡連結部１１の右方への移動により、パイプ９Ｃの一部が押されてパイプ９Ｃに三角形の一辺を形成し、パイプ９Ｃの他の一部ｃ，ｄが三角形の頂点を形成する方向に押されるので、パイプ９Ｃは略三角形状となる。

パイプ９Ａにおいては、短絡連結部１３，１５で該パイプ９Ａが押されて三角形の二辺を形成し、短絡連結部１２，１４が隣接する上下のパイプ９Ｂ，９Ｄの一部を押して、これら各パイプ９Ｂ，９Ｄに三角形の一辺を形成すると共に、当該パイプ９Ａに三角形の頂点を形成し、パイプ９Ａの他の一部ｅが三角形の頂点を形成する方向に押されるので、パイプ９Ａは略三角形状になる。

パイプ９Ｄにおいては、短絡連結部１６が右方に移動して、隣接するパイプ９Ｅの一部を押して、該パイプ９Ｅに三角形の一辺を形成し、短絡連結部１４の左斜め下方への移動により、パイプ９Ｄの一部が押されてパイプ９Ｄに三角形の一辺を形成し、パイプ９Ｄの他の一部ｆ，ｇが三角形の頂点を形成する方向に押されるので、パイプ９Ｄは略三角形状となる。

パイプ９Ｅにおいては、短絡連結部１５が左斜め上方に移動して、隣接するパイプ９Ａの一部を押して、該パイプ９Ａに三角形の一辺を形成し、短絡連結部１６の右方への移動により、パイプ９Ｅの一部が押されてパイプ９Ｅに三角形の一辺を形成し、パイプ９Ｅの他の一部ｈ，ｊが三角形の頂点を形成する方向に押されるので、パイプ９Ｅは略三角形状となる。

図６に示すように、断面形状が左側を頂点とする三角形に変形する場合、パイプ９Ｃにおいては、短絡連結部１１が左方に移動して、隣接するパイプ９Ｂの一部を押して、該パイプ９Ｂに三角形の一辺を形成し、短絡連結部１３の右斜め上方への移動により、パイプ９Ｃの一部が押されてパイプ９Ｃに三角形の一辺を形成し、パイプ９Ｃの他の一部ｊ，ｋが三角形の頂点を形成する方向に押されるので、パイプ９Ｃは略三角形状となる。

パイプ９Ｂにおいては、短絡連結部１２が右斜め下方に移動して、隣接するパイプ９Ａの一部を押して、該パイプ９Ａに三角形の一辺を形成し、短絡連結部１１の左方への移動により、パイプ９Ｂの一部が押されてパイプ９Ｂに三角形の一辺を形成し、パイプ９Ｂの他の一部ｌ，ｍが三角形の頂点を形成する方向に押されるので、パイプ９Ｂは略三角形状となる。

パイプ９Ａにおいては、短絡連結部１２，１４で該パイプ９Ａが押されて三角形の二辺を形成し、短絡連結部１３，１５が隣接する上下のパイプ９Ｃ，９Ｅの一部を押して、これら各パイプ９Ｃ，９Ｅに三角形の一辺を形成すると共に、当該パイプ９Ａに三角形の頂点を形成し、パイプ９Ａの他の一部ｎが三角形の頂点を形成する方向に押されるので、パイプ９Ａは略三角形状になる。

パイプ９Ｅにおいては、短絡連結部１６が左方に移動して、隣接するパイプ９Ｄの一部を押して、該パイプ９Ｄに三角形の一辺を形成し、短絡連結部１５の右斜め下方への移動により、パイプ９Ｅの一部が押されてパイプ９Ｅに三角形の一辺を形成し、パイプ９Ｅの他の一部ｐ，ｑが三角形の頂点を形成する方向に押されるので、パイプ９Ｅは略三角形状となる。

パイプ９Ｄにおいては、短絡連結部１４が右斜め上方に移動して、隣接するパイプ９Ａの一部を押して、該パイプ９Ａに三角形の一辺を形成し、短絡連結部１６の左方への移動により、パイプ９Ｄの一部が押されてパイプ９Ｄに三角形の一辺を形成し、パイプ９Ｄの他の一部ｒ，ｓが三角形の頂点を形成する方向に押されるので、パイプ９Ｄは略三角形状となる。
このように、上述の各短絡連結部１１〜１６は、パイプ９の断面形状の繰返し変形に対応して往復移動することになる。

また、図５、図６で示したように、三角形の頂点に相当する短絡連結部１１〜１６が、対面する三角形の辺中央を押す相互関係が成立し、パイプ９は半周期ごとに『左向きの略正三角形断面』と『右向きの略正三角形断面』とを繰返して、座屈変形することになる。
ここで、上述の短絡連結部１１〜１６の移動は、パイプ９の変形を阻害することなく、また、パイプ９，９間の連結状態も維持することができるように設定される。

上述の短絡連結部１１〜１６により、『略正三角形』と『逆向きの略正三角形』の狭窄空間１０，１０を形成するように設定しているので、各パイプ９間の短絡連結状態を維持した状態で、クラッシュカン７の座屈変形を許容することができる。
このように、各短絡連結部１１〜１６がクラッシュカン７の座屈変形を阻害しないように設定すると、図示実施例のクラッシュカン７では、全てのパイプ９が完全に座屈変形して、衝突エネルギを確実に吸収することができる。

図３で示した集合パイプ体の車幅方向の幅（Ｗ）を５０ｍｍに設定し、高さ（Ｈ）を６９．０３ｍｍに設定し、各パイプ９の直径（外径）Ｄを２４ｍｍφに設定し、パイプ９の肉厚ｔを１．８ｍｍに設定したクラッシュカン７を設け、全てのパイプ９が完全に座屈変形することを裏付けるために、該クラッシュカン７を図７の（ａ）に示すベース部材１８に取付け、加圧ブロック１９で０〜１８０ＫＮの荷重を付加した図を、図７の（ａ）〜（ｇ）に示す。

但し、この場合、各パイプ９…はアルミニウム合金Ａ６０６３Ｓ−Ｔ５を用いた。このＡｌ合金は、Ｃｕが０．１０ｗｔ％以下、Ｓｉが０．２０〜０．６ｗｔ％、Ｆｅが０．３５ｗｔ％以下、Ｍｎが０．１０ｗｔ％以下、Ｍｇが０．４５〜０．９ｗｔ％、Ｚｎが０．１０ｗｔ％以下、Ｃｒが０．１０ｗｔ％、Ｔｉが０．１０ｗｔ％、残部がＡｌの合金である。

図７の（ａ）は、クラッシュカン７をベース部材１８上面に取付け、加圧ブロック１９をセットした無負荷時の状態を示し、図７の（ｂ）〜図７の（ｇ）は加圧ブロック１９で１８０ＫＮまで順次荷重を付加した状態を時系列に示すものである。
図７の（ｂ）に示す荷重入力初期から各パイプ９は順次座屈変形し、図７の（ｃ）〜（ｅ）に示す荷重入力中期にかけて各パイプ９はさらに座屈変形が進み、図７の（ｆ）に示す荷重入力終期を経て、図７の（ｇ）に示す荷重入力完了最終期には、同図に示すように、全てのパイプ９が規則的かつ完全に座屈変形した。

図８は、短絡連結部の開角条件を示す説明図である。
すなわち、一つのパイプ９Ａについて隣接する他の２つのパイプ９Ｂ，９Ｃに対する一対の短絡連結部１２，１３は、そのパイプ９Ａの中心部Ｚに対して鋭角、望ましくは６０度の角度θ２を成すようパイプ９Ａ外周上の位置に形成されている。

図５、図６で示したように、各パイプ９…を『左向きの略正三角形』と『右向きの略正三角形』とに交互に座屈変形させるので、上記角度θ２は鋭角、特に６０度が望ましい。
この角度θ２の関係は、他の一対の短絡連結部１１〜１６についても同様であって、１つのパイプ９の軸圧縮方向の潰れが、閉断面方向に関して、短絡連結部１１〜１６を通じて周囲の２つのパイプ９を押したり引いたりして（つまり、一方を押し、他方が押されるよう）互いに作用し合い、それぞれが略正三角形の閉断面を成すよう、この集合パイプ体（円管集合体）を塑性変形させるにあたり、上述の短絡連結部を正三角形が形成されやすい方向に配置したので、斯る変形を安定的に生起させることができる。

図９は短絡連結部１１〜１６（但し、図９では、一例として短絡連結部１１を示す）の正面から見た形状の条件を示す部分拡大説明図である。
すなわち、この短絡連結部１１は、隣接する両パイプ９Ｂ，９Ｃとの結合部から該短絡連結部１１のパイプ連結方向中央部に向けて、その厚さが連続的に小さくなるように設定されている。

換言すれば、この短絡連結部１１はそのパイプ連結方向の両側が共に、半径＝Ｒのアール形状に形成されている。
この短絡連結部１１のアール形状の構成については、他の短絡連結部１２〜１６についても同様に形成されるものである。

このように、各短絡連結部１１をアール形状に構成すると、パイプ９を軸方向へ塑性変形させる時、三角形の頂点が隣接するパイプ９Ｃを図９に示すように押す場合、パイプ９Ｃを押す力が図９に矢印で示すように三角形の一辺と成る中央部分に集中して、隣のパイプ９Ｃを狭い範囲で押圧し（可及的ピンポイントで押圧することが望ましい）、狙い通りの変形を安定して生起させることができる。

また、ＡｌまたはＡｌ合金の熱間押し出し成形により衝突エネルギ吸収部材（クラッシュカン７参照）を形成する場合、上記アールが存在しないと、押し出し成形時に面圧が高くなり、ＡｌまたはＡｌ合金が押し出し成形用の金型に凝着するが、図９で示したように各短絡連結部１１〜１６にはアールを設けているので、押し出し成形時の良好な成形性を確保することができる。さらに、アールが１ｍｍ未満になると、上記金型の構成も困難となる関係上、上記アールの形状は、Ｒ≧１ｍｍが望ましい。

図１０は短絡連結部１３の外側の厚さ（Ｌｏｕｔ）を示す説明図で、この短絡連結部１３の外側の厚さ（Ｌｏｕｔ）は、隣接するパイプ９Ａ，９Ｃの中心Ｚ，Ｚ相互を結ぶ中心線ＣＬより外側の厚さであり、数値シミュレーションの結果、該外側の厚さ（Ｌｏｕｔ）を、パイプ外径Ｄで除した値、つまりＬｏｕｔ／Ｄの値が０．４３以下に設定されている。なお、この点に関しては、他の短絡連結部１１，１２，１４〜１６についても同様である。

図１２〜図１６は円筒間距離（パイプ外径間の距離）Ｘを１ｍｍ（図１２）、２ｍｍ（図１３）、３ｍｍ（図１４）、４ｍｍ（図１５）、５ｍｍ（図１６）にそれぞれ変化させると共に、各短絡連結部１１〜１６の外側の厚さ（Ｌｏｕｔ）をＬｏｕｔ＝４．８ｍｍ、Ｌｏｕｔ＝８．５ｍｍ、Ｌｏｕｔ＝１２ｍｍ、Ｌｏｕｔ＝１４．７ｍｍに変化させて、この厚さ（Ｌｏｕｔ）に対する平均荷重／重量の特性をシミュレーションした結果を示す。ここで、図１２〜図１６はそれぞれ横軸に上記外側の厚さ（Ｌｏｕｔ）を取り、縦軸に平均荷重／重量つまり質量効率を取った特性図である。

図１２〜図１６から明らかなように、Ｘ＝１ｍｍ〜Ｘ５ｍｍのそれぞれの特性図において、Ｌｏｕｔ＝１２ｍｍまでの範囲においては安定して荷重特性が右上がりとなることが判明した。

また、図１４〜図１６に示すように、Ｘ＝３ｍｍ、Ｘ＝４ｍｍ、Ｘ＝５ｍｍの条件下においては、Ｌｏｕｔ＝１４．７ｍｍに設定した時、荷重特性の悪化（質量効率の低下）が認められた。この悪化は厚さ（Ｌｏｕｔ）が増加して、パイプ９変形の拘束面が増加することに起因する。

但し、Ｘ＝２ｍｍ以下の図１２、図１３の特性においてはＬｏｕｔ＝１４．７ｍｍであっても安定した荷重特性を得ることが判明した。
この場合、Ｌｏｕｔ＝１４．７ｍｍ、パイプ外径Ｄ＝３４ｍｍであるので、Ｌｏｕｔ／Ｄ＝１４．７／３４＝０．４３２となり、余裕をもって条件設定するためにＬｏｕｔ／Ｄ≦０．４３としたものである。

このように、厚さ（Ｌｏｕｔ）を、パイプ外径Ｄで除した値が０．４３以下となるように設定したので、隣接するパイプ９との変形の連携が強くなって安定して、連続変形が生ずる。なお、この外側の厚さ（Ｌｏｕｔ）が０．４３を超過すると、パイプ９変形時の拘束面が増加して、略正三角形断面の生起が阻害されるため、好ましくない。

図１１は短絡連結部１１の内側の厚さ（Ｌｉｎ）を示す説明図で、この短絡連結部１１の内側の厚さ（Ｌｉｎ）は、隣接するパイプ９Ｂ，９Ｃの中心Ｚ，Ｚ相互を結ぶ中心線ＣＬより内側の厚さであり、数値シミュレーションにより内側の厚さ（Ｌｉｎ）の限界数値を求め、この内側の厚さ（Ｌｉｎ）を、パイプ外径Ｄで除した値、つまり、Ｌｉｎ／Ｄの値を０．１３以下に設定している。なお、他の短絡連結部１２〜１６についても同様である。

図１１はＬｉｎ＝４．３ｍ、Ｄ＝３４ｍｍの図面であって、この図１１の状態下において狭窄空間１０を三方から囲繞して、該狭窄空間１０を略正三角形状と成す各パイプ９Ａ，９Ｂ，９Ｃの円弧部（狭窄空間１０側へ反った反り面部）が残っている。

この狭窄空間１０は各パイプ９を略正三角形状に座屈変形させる上で必須となるものであり、この狭窄空間１０がこれ以上過度に狭小になると、上記反り面部が僅少となり、かつ狭窄空間１０の形状は略六角形に変化するため、パイプ先端からの略正三角形状に座屈変形するというメカニズムが崩壊する。

また、図１１の短絡連結部１２，１１について見ると、図５、図６に矢印で示したように、短絡連結部１２，１１に対しては、それぞれ異なる方向の力が作用するが、内側の厚さ（Ｌｉｎ）を過大と成すと、これら短絡連結部１２，１１が過度に近接して、上記異なる方向の充分な力が作用しなくなり、三角形の頂点部で隣接するパイプ９の三角形の辺部を押すことが困難となる。
このように、パイプ９を略正三角形状に断面変形させるためには、狭窄空間１０として略正三角形の充分な空間を確保し、ある程度の変形自由度をもたせておく必要がある。

この場合、Ｌｉｎ＝４．３ｍｍ、パイプ外径Ｄ＝３４ｍｍであるので、Ｌｉｎ／Ｄ＝４．３／３４＝０．１２６となり、これを基に、Ｌｉｎ／Ｄ≦０．１３としたものである。
換言すれば、１つのパイプ９Ａについて隣接する他の２つのパイプ９Ｂ，９Ｃに対する一対の短絡連結部１２，１３の狭窄空間１０に対面する側の部分が、そのパイプ９Ａの中心部Ｚに対して所定角度θ１を成すようパイプ９Ａの外周上の位置に形成されたもので、Ｌｉｎ／Ｄ≦０．１３を満たす所定角度θ１は３２度以上となる。

このため、図８で示した短絡連結部の開角条件θ２と狭窄空間１０の確保との両条件を考慮すると、１つのパイプ９Ａについて隣接する他の２つのパイプ９Ｂ，９Ｃに対する一対の短絡連結部１２，１３が、そのパイプ９Ａの中心部Ｚに対して成す角度θ２は３２度以上、９０度未満の範囲が好ましい。

このように、数値シミュレーションにより内側の厚さ（Ｌｉｎ）の限界数値を求め、この内側の厚さ（Ｌｉｎ）を、パイプ外径Ｄで除した値が０．１３以下となるように設定したので、隣接するパイプ９との変形の連携が強くなって安定して、連続変形が生ずる。
なお、上述の内側の厚さ（Ｌｉｎ）が過大になり、狭窄空間１０側への厚みが所定値以上に増加すると、狭窄空間１０が過度に小さくなって、パイプ９の正三角形断面の生成が阻害されるものである。

一方、図８において、各短絡連結部１１〜１６のパイプ連結方向の長さ、換言すれば、円筒間距離（各パイプ９の外径間の距離）Ｘは、パイプ外径Ｄの１／７以下の長さに設定されている。

Ｘ／Ｄ≦１／７を検証するため、図１２〜図１６のシミュレーション結果に加えて、図１７〜図１９に示すシミュレーションを行なった。
図１７〜図１９は円筒間距離（パイプ外径間の距離）Ｘを７ｍｍ（図１７）、１１ｍｍ（図１８）、１５ｍｍ（図１９）にそれぞれ変化させると共に、各短絡連結部１１〜１６の外側の厚さ（Ｌｏｕｔ）を、Ｌｏｕｔ＝４．８ｍｍ、Ｌｏｕｔ＝８．５ｍｍ、Ｌｏｕｔ＝１２ｍｍ、Ｌｏｕｔ＝１４．７ｍｍに変化させて、この厚さ（Ｌｏｕｔ）に対する平均荷重／重量の特性をシミュレーションした比較例の結果を示す。

短絡連結部１１〜１６の外側の厚さが広いＬｏｕｔ＝１４．７ｍｍの場合、円管間距離Ｘが１〜４ｍｍで軸圧縮し、Ｘ＝５ｍｍ〜１５ｍｍで集合パイプ体に根元倒れが認められた。一方、外側の厚さが狭いＬｏｕｔ＝４．８ｍｍの場合には、円筒間距離Ｘ＝１ｍｍ〜１５ｍｍのそれぞれにおいて安定してパイプ９が変形する傾向にある。

各円筒間距離Ｘでの質量効率ピークを検討すると、Ｘ＝７ｍｍ以上になると、全体の質量効率それ自体が最大でも約３００ＫＮ／ｋｇ以下に低下していることが判断でき、これらから円筒間距離Ｘの上限は約５ｍｍであると判断することができる。
以上の結果により、Ｘ／Ｄ＝５／３４＝０．１４７となるため、円筒間距離Ｘの目安はパイプ外径Ｄの１／７以下となる。

このように、短絡連結部１１〜１６の長さ、換言すれば、円筒間距離Ｘをパイプ外径Ｄの１／７以下の長さに設定したので、隣接するパイプ９への荷重伝達を確実に行なうことができる。因に、短絡連結部１１〜１６の上記長さ（円筒間距離Ｘに相当）が、この数値以上に長くなると、図１７〜図１９に比較例として示したように、隣接するパイプ９への荷重伝達が不充分かつ不安定となり、質量効率が低下する。これは短絡連結部１１〜１６それ自体が座屈変形等することにより、三角形の頂点部に相当する短絡連結部１１〜１６で、隣の三角形の辺部を押すことができない距離になるためであると推考される。

このように、上記実施例の衝突エネルギ吸収部材（クラッシュカン７参照）は、少なくとも３本以上の直線状の略同径の円管（パイプ９参照）が、これらのうちの３つの円管（パイプ９）に周囲三方を囲まれた狭窄空間１０を形成するよう、互いに軸方向が平行に隣接して配置され、各円管（パイプ９）は、隣接する円管（パイプ９）と最も近接する部位の近傍で円管（パイプ９）の軸方向に連続する板状の短絡連結部１１〜１６で連結されて一体となされ、軸方向の端部から入力された荷重により軸方向に塑性変形して圧縮される金属製の衝突エネルギ吸収部材であって、一つの円管（パイプ９）についての隣接する他の二つの円管（パイプ９）に対する一対の上記短絡連結部１１〜１６は、その円管中心部Ｚに対して鋭角θ２を成すよう円管外周上の位置に形成されたものである（図８参照）。

この構成によれば、一つの円管（パイプ９）の軸圧縮方向の潰れが、閉断面方向に関して、短絡連結部１１〜１６を通じて周囲の２つの円管（パイプ９）を押したり引いたりして（つまり、一方を押し、他方が押されるよう）互いに作用し合い、それぞれが略三角形の閉断面を成すよう、この円管集合体を塑性変形させるにあたり、上記短絡連結部１１〜１６を正三角形が形成されやすい方向に配置したので、（円管中心部Ｚに対して鋭角θ２、好ましくは６０度を成すよう円管外周上の位置に形成したので、）、この変形を安定的に生起させることができる。

また、上記短絡連結部１１〜１６は、隣接する円管（パイプ９）の中心Ｚ，Ｚ相互を結ぶ中心線ＣＬより外側の厚さ（Ｌｏｕｔ）を、円管外径Ｄで除した値が０．４３以下に設定されたものである（図１０参照）。
この構成によれば、数値シミュレーションの結果、上記外側の厚さ（Ｌｏｕｔ）の安定範囲を見出して、この厚さ（Ｌｏｕｔ）を、円管外径Ｄで除した値が０．４３以下となるように設定したので、隣接する円管との変形の連携が強くなって安定して、連続変形が生ずる。なお、上記外側の厚さ（Ｌｏｕｔ）が過大になると、正三角形断面の生起が阻害される。

さらに、上記短絡連結部１１〜１６は、隣接する円管（パイプ９）の中心Ｚ，Ｚ相互を結ぶ中心線ＣＬより内側の厚さ（Ｌｉｎ）を、円管外径Ｄで除した値が０．１３以下に設定されたものである（図１１参照）。
この構成によれば、数値シミュレーションにより内側の厚さ（Ｌｉｎ）の限界数値を求め、この内側の厚さ（Ｌｉｎ）を、円管外径Ｄで除した値が０．１３以下となるように設定したので、隣接する円管（パイプ９）との変形の連携が強くなって安定して、連続変形が生ずる。因に、上記内側の厚さ（Ｌｉｎ）が過大になり、狭窄空間１０側への厚みを所定値以上に増すと、正三角形断面の生成が阻害される。

加えて、上記短絡連結部１１〜１６の円管連結方向の長さ（円筒間距離Ｘに相当）を、上記円管外径Ｄの１／７以下の長さに設定したものである（図８、図１２〜図１６参照）。
この構成によれば、短絡連結部１１〜１６の上記長さ（円筒間距離Ｘ参照）を円管外径Ｄの１／７以下の長さに設定したので、隣接する円管（パイプ９）への荷重伝達を確実に行なうことができる。因に、短絡連結部１１〜１６の上記長さ（円筒間距離Ｘ参照）が、この数値以上に長くなると、隣接する円管（パイプ９）への荷重伝達が不充分かつ不安定となる。

また、上記短絡連結部１１〜１６は、隣接する両円管（パイプ９）との結合部から該短絡連結部１１〜１６の円管連結方向中央部に向けて、その厚さが連続的に小さくなるように設定されたものである（図９参照）。
換言すれば、上記短絡連結部１１〜１６にアールを形成したものである。

この構成によれば、円管（パイプ９）の軸方向への塑性変形時において、三角形頂点が隣接する円管（パイプ９）を押す力が図９に矢印で示すように、中央に集中して、隣の円管（パイプ９）の狭い範囲を押して、狙い通りの変形を安定して生起させることができる。
また、ＡｌまたはＡｌ合金の熱間押し出し成形により衝突エネルギ吸収部材（クラッシュカン７参照）を形成する場合、上記アールがないと、押し出し成形時に面圧が高くなり、ＡｌまたはＡｌ合金が押し出し成形用の金型に凝着するが、上述の如くアールを設けているので、押し出し成形時の良好な成形性を確保することができる。

この発明の構成と、上述の実施例との対応において、
この発明の衝突エネルギ吸収部材は、実施例のクラッシュカン７に対応し、
以下同様に、
円管は、パイプ９，９Ａ〜９Ｅに対応し、
短絡連結部の円管連結方向の長さは、円筒間距離Ｘに相当するも、
この発明は、上述の実施例の構成のみに限定されるものではない。

本発明の衝突エネルギ吸収部材をクラッシュカンとして使用した車体前部構造を示す斜視図 図１の要部拡大斜視図 クラッシュカンの正面図 パイプの座屈変形時の断面形状の変形状態を示した模式図で、（ａ）は座屈変形前のパイプの側面図とＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は座屈変形後のパイプの側面図とＢ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図。 クラッシュカンの正面図に右側を頂点とする三角形の変形モデルを加えた図 クラッシュカンの正面図に左側を頂点とする三角形の変形モデルを加えた図 クラッシュカンの変形状態を時系列に示す説明図 一対の短絡連結部の円管中心部に対する開角条件を示す説明図 短絡連結部のアール形状を示す部分拡大図 外側の厚さを示す説明図 内側の厚さを示す説明図 Ｘ＝１ｍｍの荷重特性図 Ｘ＝２ｍｍの荷重特性図 Ｘ＝３ｍｍの荷重特性図 Ｘ＝４ｍｍの荷重特性図 Ｘ＝５ｍｍの荷重特性図 Ｘ＝７ｍｍの荷重特性図 Ｘ＝１１ｍｍの荷重特性図 Ｘ＝１５ｍｍの荷重特性図 異なる形状のパイプ部材における変位に対する荷重／断面積特性を示す特性図

７…クラッシュカン（衝突エネルギ吸収部材）
９…パイプ（円管）
９Ａ…中央パイプ（中央管）
９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ，９Ｅ…周辺パイプ（周辺管）
１０…狭窄空間
１１〜１６…短絡連結部
Ｄ…外径
ＣＬ…中心線
Ｌｏｕｔ…外側の厚さ
Ｌｉｎ…内側の厚さ
Ｘ…円筒間距離（短絡連結部の円管連結方向の長さ）
Ｚ…中心部

Claims (6)

1. 少なくとも３本以上の直線状の略同径の円管が、これらのうちの３つの円管に周囲三方を囲まれた狭窄空間を形成するよう、互いに軸方向が平行に隣接して配置され、
   各円管は、隣接する円管と最も近接する部位の近傍で円管の軸方向に連続する板状の短絡連結部で連結されて一体となされ、
   軸方向の端部から入力された荷重により軸方向に塑性変形して圧縮される金属製の衝突エネルギ吸収部材であって、
   一つの円管についての隣接する他の二つの円管に対する一対の上記短絡連結部は、
   これら円管が車両前後方向の荷重を受けて座屈変形する場合に、一つの円管の軸方向の圧縮潰れが、閉断面方向に関して、上記一方の短絡連結部を押し、上記他方の短絡連結部を引いて互いに作用し合い、各円管がそれぞれ略正三角形の閉断面を成すよう、これら円管の集合体を塑性変形させるために、
   その円管中心部に対して鋭角を成すよう円管外周上の位置に形成された
   衝突エネルギ吸収部材。
2. 上記衝突エネルギ吸収部材は５本であって、
   中央に位置する中央管としての中央パイプの上側に２個の略同径の周辺パイプが配置されるとともに、該中央パイプの下側に２個の略同径の周辺パイプが配置され、
   上記中央パイプと上側２個の周辺パイプ、並びに、上記中央パイプと下側２個の周辺パイプは、短絡連結部で上下方向に連結され、
   上記中央パイプの上側および下側において隣接する各２個の周辺パイプ同士が、短絡連結部で横方向に連結され、
   これら中央パイプおよび上下の周辺パイプが車両前後方向の荷重を受けて座屈変形する場合に、
   各パイプの短絡連結部による短絡連結状態を維持した状態で、各パイプの集合体の座屈変形を許容すべく、上記中央パイプと上側２個の周辺パイプとの間に略正三角形の狭窄空間が形成されると共に、上記中央パイプと下側２個の周辺パイプとの間に、上記略正三角形の狭窄空間と上下対称となる逆向きの略正三角形の狭窄空間が形成された
   請求項１記載の衝突エネルギ吸収部材。
3. 上記短絡連結部は、隣接する円管の中心相互を結ぶ中心線より外側の厚さを、
   円管外径で除した値が０．４３以下に設定された
   請求項１または２に記載の衝突エネルギ吸収部材。
4. 上記短絡連結部は、隣接する円管の中心相互を結ぶ中心線より内側の厚さを、
   円管外径で除した値が０．１３以下に設定された
   請求項１〜３の何れか１項に記載の衝突エネルギ吸収部材。
5. 上記短絡連結部の円管連結方向の長さを、上記円管外径の１／７以下の長さに設定した
   請求項１〜４の何れか１項に記載の衝突エネルギ吸収部材。
6. 上記短絡連結部は、隣接する両円管との結合部から該短絡連結部の円管連結方向中央部に向けて、その厚さが連続的に小さくなるように設定された
   請求項１〜５の何れか１項に記載の衝突エネルギ吸収部材。

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