JP5311762B2 - エネルギー吸収部材 - Google Patents

Description

本発明は、軸方向に衝突荷重を受けて圧縮変形し車両の衝突エネルギーを吸収するエネルギー吸収部材に関し、特にアルミニウム合金押出中空形材からなり、主として自動車車体のバンパ補強材とサイドメンバとの間に配置されるエネルギー吸収部材（バンパステイ用クラッシュボックス）に関する。

自動車などの車体の前端 (フロント) 及び後端 (リア) に取り付けられているバンパの内部には、強度補強材としてのバンパ補強材 (バンパリインフォースメントあるいはバンパアマチャアなどともいう) が設けられている。また、車体の衝突時の乗員への衝撃を緩和するために、車体のバンパ補強材と車体側のサイドメンバ（サイドフレーム）との間に、塑性変形可能な衝撃エネルギー吸収部材（クラッシュボックス又はバンパステイともいう）を介在させた例が、従来から提案されている。このクラッシュボックス（バンパステイ）は、元々バンパ補強材の後面からの支持部材 (車体連結用部材) としての役割も持つ。

従来から、軽量化のために、鋼製に代わるアルミニウム合金製ステイとして、押出中空形材などを用いたステイが種々提案、採用されている。このアルミニウム合金押出中空形材からなるステイ（以下、単にアルミステイとも言う）は、以下の二つのタイプに大別される。
（１）車体前後方向（車体長手方向）を押出方向とし、押出形材の押出方向に縦圧壊するステイ（以下、縦圧壊型ステイという）
（２）車体左右方向（車体幅方向）あるいは車体上下方向を押出方向とし、押出形材の断面方向に横圧壊するステイ（以下、横圧壊型ステイという）

上記横圧壊型ステイは、取り付け面に合わせたフランジをステイ本体の形材とともに、予め一体に押出して形成することができる。また、バンパ端部の湾曲面や、後面のサイドメンバ形状などに合わせた形状を、押出にて一体に形成できる。そして、この押出された形材を長手方向に一定長さに切断することで、所定のステイ形状を得ることが可能である、などの特徴がある。しかし、下記縦圧壊型ステイに較べて、圧壊時の変形荷重が比較的低いという問題がある。
一方、上記縦圧壊型ステイは、衝突方向に直交する断面を閉断面構造にすることが可能であり、圧壊変形時には縦方向にアコーディオン状に変形を行うため、比較的高い荷重で長いストロークの間に変形を行い、エネルギー吸収特性に比較的優れるという特性を持ち、横圧壊型ステイに比べて軽量化が可能である。

縦圧壊型ステイのエネルギー吸収効率を高めるためには、アコーディオン状に潰れる中空部材内部のリブの数を増すなどの工夫が知られている。しかしながら、中空部材内部のリブ数を増すと、一般的に押出性の限界のため、製造が困難になりやすい、あるいは大型断面が得られにくい、などの欠点があった。このため、近年ますます強化される衝突基準に対応して安全性を高める必要がある状況において、その良好な特性を発揮できないという課題があった。
このため上記縦圧壊型ステイ（クラッシュボックス）として、従来から、その断面形状を六角形、あるいは八角形などの多角形断面形状として稜線の数を増し、さらにこれらを二つ組み合わせて一体化した略８の字断面部材が提案されている（特許文献１〜４参照）。

特開２００６−３４７２６５号公報 特開２００５−１６２０４９号公報 特開２００５−２２５３９４号公報 特開２００１−１３０４４４号公報

近年、衝突安全基準の強化に従い、自動車用バンパステイにも、高いエネルギ吸収性能が要求されるようになってきた。特に、オフセットバリア衝突では、バンパ乃至バンパ補強材の片側に偏心して衝突荷重が加わる。このため、バンパ補強材の裏面（背面）に取り付けられた各々片側のアルミステイについても、オフセットバリア衝突に対応しうるの強度やエネルギ吸収などの特性の調整が必要となる。この強度特性の調整とは、所定の荷重制限以下で変形し、かつ、限られた変形ストロークの中で効率よく衝突エネルギを吸収することである。即ち、最も理想的にエネルギを吸収する構造体として、圧壊時の最大荷重が、目標要件を超過せず、かつ、荷重変動が無く（荷重が低下せずに）圧壊変形が進行することが求められている。

なお、クラッシュボックス（ステイ）の変形荷重が荷重制限を超過した場合（圧壊時の最大荷重が高過ぎる場合）には、ステイよりも車体を構成するサイドメンバなどの部品が先に変形する。限られたストローク内でエネルギを吸収できない場合にも、当然その後方に位置するサイドメンバ、ラジエータ、エンジンなどの部品が破損するという問題が生じる。また、通常クラッシュボックス（ステイ）やその後方にはエアバックの作動センサーが備えられているため、軽微な衝突時にも大きな荷重が発生すると、エアバック誤動作の原因となる。

一方、自動車などの輸送機材では、地球環境保護の観点からより軽量な部品が望まれる。このため、アルミステイについても、より薄肉（軽量）で、高い変形荷重を得るために、６０００系あるいは７０００系などのアルミニウム合金の内でも高強度材が用いられる。なお、これらの材料は素材の耐力は高いが、塑性域での加工硬化量は小さい。
八角形断面を二つ組み合わせて一体化した前述の略８の字断面のアルミステイは、従来の縦圧壊型ステイを改良したもので、最大荷重以降の荷重の上下動を抑制して、エネルギ吸収効率を増加させることができる。かつ、製造性（押出性）の問題もある程度クリアできる。しかしながら、このアルミステイは、八角形断面が縦方向に２つ並べて配置されていることにより横方向の断面剛性が低下し、そのため圧壊変形時に不安定であり、特に押出方向に長くした場合に圧壊変形時に折れ易く、エネルギー吸収効率が低下するというデメリットがあった。

本発明は、従来の略８の字断面のアルミニウム合金押出形材からなるエネルギー吸収部材（ステイ）の問題点を解決するためになされたもので、圧壊変形時に安定してアコーディオン状に潰れ、強化された衝突基準に対応し得るエネルギー吸収効率に優れたエネルギー吸収部材を提供することを目的とする。

本発明に係るエネルギー吸収部材は、軸方向に衝突荷重を受けて圧縮変形し車両の衝突エネルギーを吸収するもので、車両前後方向を押出方向とするアルミニウム合金押出中空形材からなり、前記押出中空形材は、横方向に偏平化した２つの略六角形断面が互いにその一辺を共有して縦方向に重なり一体化された略８の字型の断面形状を有することを特徴とする。
ここで、偏平化した六角形断面とは正六角形断面を高さをそのままで横方向に拡大、偏平化した形状を意味する。また、略六角形断面とは、断面を構成する各辺の代表線（中心線）が略六角形であるものを指す。コーナー部にアールが付けられたもの、あるいはコーナー部に局部的な板厚の増減があるものなどは正確な六角形から多少ずれた形状（略六角形）となるが、これも本発明でいう略六角形断面に含まれる。
このエネルギー吸収部材は、例えばバンパステイ（クラッシュボックス）として、自動車車体のバンパ補強材とサイドメンバとの間に配置される。

本発明のエネルギー吸収部材は、略８の字型断面を構成する六角形が偏平化しているため、縦軸回りの断面２次モーメント（図２参照）が、正六角形で構成されたものに較べて大きく、縦軸回りの曲げに対する抵抗（剛性）が大きい。従って、圧壊変形時に横倒れに対する耐性が強く、圧縮方向長さが比較的長い場合でも横倒れすることなく安定してアコーディオン状に潰れ、結果として総エネルギー吸収量が大きく、エネルギー吸収部材として性能向上が望める。

はじめに、本発明のエネルギー吸収部材において、略８の字型の断面形状を構成する多角形断面として六角形断面を選択した理由について説明する。
多角形断面を有するアルミニウム合金押出中空形材を縦（軸方向）圧壊変形させたとき、多角形の辺の数が多くなるほど、圧壊変形に伴う荷重の上下変動が小さく安定するが、逆に辺の数が多くなりすぎると、隣接する辺同士の角度が浅くなり、隣接する２辺が同時に圧壊変形し、かえって圧壊変形の安定性が損なわれる可能性がある。圧壊変形の安定性の観点から六角形断面が適当である。また、単位質量当たりの荷重及び単位質量当たりのエネルギー吸収量が、下記表１に示すとおり、六角形断面において最も大きい。

表１において、４Ｋ−１は５０ｍｍ×５０ｍｍの外形枠（四角枠）の中に収まる最大サイズの四角形（正方形）の中空形材、６Ｋ−１は同じく正六角形の中空形材、８Ｋ−１は同じく正八角形の中空形材について、縦圧縮時の特性をＦＥＭ解析により求めたものである。いずれも単位長さ当たりの質量は同程度とした。ＦＥＭ解析の条件は、アルミニウム合金で耐力３１０ＭＰａ、引張強さ３５０ＭＰａ、長さ１８０ｍｍの中空形材を１１０ｍｍまで圧縮するものとし、有限要素法解析ソフトＬＳ−ＤＹＮＡを用いて解析した。
表１に示すように、エネルギー吸収量（ＥＡ量）は六角形断面のものが最も大きい。最大荷重（Ｐ_ｍａｘ）、平均荷重、単位質量当たりのエネルギー吸収量も同様に、六角形断面のものが最も大きく、六角形断面が特性上、最も優れている。
さらに、これらの多角形断面を２つ結合して略８の字型断面形状とした場合も、同様な特性の傾向が得られる。

続いて、図１〜図５を参照し、本発明に係るエネルギー吸収部材についてより具体的に説明する。
本発明に係るアルミニウム合金押出中空形材は、横方向に偏平化した２つの六角形断面が互いにその一辺を共有して縦方向に重なり一体化された略８の字型の断面形状を有する。ここで、横方向に偏平化した六角形断面とは、先に述べたように、２つの正六角形断面を高さをそのままで横方向に拡大、偏平化した形状を意味し、その代表的な形状を図１に示す。
図１に例示する略８の字型断面形状において、六角形断面１，２はそれぞれ辺３〜８からなり、辺３を共有する。図１（ａ）の六角形断面１，２は、左右の辺４，５，７，８を横方向に延ばす形態で偏平化したもので、それぞれ稜角（稜を挟んで隣接する２つの辺のなす角度）が２箇所（左右の２箇所θ１，θ２）で１２０度より小さく、４箇所（θ３〜θ６）で１２０度より大きい。ここで、θ１とθ２、θ３〜θ６は互いに同一とは限らない。また、上下の辺３，６より左右の辺４，５，７，８の方が長い。図１（ｂ）の六角形断面１，２は、上下の辺３，６を横方向に延ばす形態で偏平化したもので、上下の辺３，６の方が左右の辺４，５，７，８より長い。ここで、稜角の全てが１２０度とは限らない。

本発明の典型的な略８の字型断面形状において、偏平化した六角形断面１，２は共有する辺３と対辺６が互いに平行とされ、かつ辺３，６は水平に配置される。これは圧壊変形時の挙動の安定化のためである。他の対辺（辺４と辺７、辺５と辺８）同士も互いに平行であることが望ましいが、必ずしもそれに限定されない。また、辺３〜８の肉厚は基本的に同一厚さでよいが、必要に応じて変える（例えば長くなった辺を厚くするなど）こともできる。
六角形断面１，２は偏平化されているから、各辺３〜８の代表線（中心線）の中点をそれぞれ３ａ〜８ａとし、各対辺間の間隔を各対辺の中点間の間隔と定義したとき、上下の対辺間の間隔（中点３ａと中点６ａ間の間隔）は、左右の２組の対辺間の間隔（中点４ａと中点７ａ、中点５ａと中点８ａ間の間隔）より狭くなっている。
なお、対辺同士が平行である場合、対辺間の間隔を両辺間に引いた垂線の長さで定義することもできる。偏平化した六角形断面１，２において、３組の対辺（辺３と辺６、辺４と辺７、辺５と辺８）がいずれも互いに平行であるとすれば、上下の対辺間の間隔（辺３と辺６に引いた垂線の長さ）は左右の２組の対辺間の間隔（辺４と辺７、辺５と辺８に引いた垂線の長さ）より狭いということができる。
左右の２組の対辺（辺４と辺７、辺５と辺８）が互いに平行でない場合を含め、圧壊変形時の挙動の安定化のためには、さらに左右の２組の対辺（辺４と辺７、辺５と辺８）間の間隔が同一であることが望ましい。これに加えて各対辺（辺３と辺６、辺４と辺７、辺５と辺８）同士の長さが同一であることが望ましく、この場合、左右の２組の対辺（辺４と辺７、辺５と辺８）は互いに平行であり、かつ各六角形断面１，２はそれぞれ左右上下に対称である。

略８の字型断面形状を構成する２つの六角形断面１，２は、圧壊変形時の挙動の安定化のためには、同一形状であることが望ましい（その場合、略８の字型の断面が上下対称又は／及び１８０度回転対称となる）が、本発明にはそうでない場合（非対称）も含まれる。しかし、いずれにしても、２つの六角形断面１，２は、前記のとおり、それぞれ３組の対辺同士が平行で、共有する辺３と対辺６は水平に配置されることが望ましい。

本発明に係る略８の字型断面形状において、偏平化のレベルを、２つの正六角形断面が互いにその一辺を共有して縦方向に重なり一体化された略８の字型の断面形状（基準断面形状という）を基準として、縦軸回りの断面２次モーメントの倍率で表すことができる。本発明に係る略８の字型断面形状に対応する基準断面形状として、同じ板厚及び同じ高さの基準断面形状が選択される（図２（ａ），（ｂ）参照）。
縦軸（Ｙ軸）回りの断面２次モーメントＩ_ＹＹは、Ｙ軸（縦軸）回りの剛性を示す指標であり、一方、横軸（Ｘ軸）回りの断面２次モーメントＩ_ＸＸは、Ｘ軸（縦軸）回りの剛性を示す指標である。圧壊変形時の横倒れに対する耐性を向上させるため、本発明に係る略８の字型断面形状の縦軸回りの断面２次モーメントＩ_ＹＹが、基準断面形状の縦軸回りの断面２次モーメントの１．５倍以上になるように、その断面形状を設定することが望ましい。しかし、Ｙ軸回りの断面２次モーメントＩ_ＹＹが自身のＸ軸回りの断面２次モーメントＩ_ＸＸを大きく上回ると、今度はＸ軸回りの剛性がＹ軸回りのそれよりも小さくなり、Ｘ軸回りの曲げ変形が生じやすくなるので、Ｙ軸回りの断面２次モーメントＩ_ＹＹは自身のＸ軸回りの断面２次モーメントＩ_ＸＸより大きくしないことが望ましい。

本発明に係るエネルギー吸収部材は、圧壊変形時の初期荷重低下のため、その側壁に押出方向に対して略直交方向に初期荷重低下のための変形促進エンボスを形成することが望ましい。この変形促進エンボスは、略８の字型断面形状の輪郭を構成する１０個の側壁の全てに形成してもよいし、その一部のみに形成してもよく、全ての側壁で前後方向の同じ位置に形成してもよいし、異なる位置（例えば隣接する２つの側壁をみたとき千鳥配置）に形成してもよく、各側壁について１個だけ形成してもよいし、複数個形成してもよい。

本発明に係るアルミニウム合金押出中空形材は、薄肉（軽量）で、高い変形荷重を得るために、６０００系あるいは７０００系などのアルミニウム合金の内でも高強度材を用いることが望ましい。これらのアルミニウム合金は素材の耐力が高く、０．２％耐力で１９０ＭＰａ以上が得られる。

続いて、２つの正六角形断面が一体化された略８の字型断面形状のアルミニウム合金押出中空形材（比較例）と、２つの偏平な六角形断面が一体化された略８の字型断面形状のアルミニウム合金押出中空形材（本発明例）について、ＦＥＭ解析の結果得られた縦（軸方向）圧縮時の荷重−変位曲線と、変形形状について説明する。
図２（ａ）は比較例の断面形状を示すもので、各辺の板厚２ｍｍ、一辺の長さ１２．２７ｍｍの２つの正六角形が一体化された形状を有する。図２（ｂ）は本発明例の断面形状を示し、各辺の板厚、全体の高さ、及び共有の辺を含む水平の辺の長さはそのままで、左右の４つの辺のみを横方向に拡大、偏平化した形態を有する。比較例である図２（ａ）の断面形状は、本発明例である図２（ｂ）の断面形状の基本断面形状ということができる。
本発明例の偏平化率（本発明例の断面幅／比較例の断面幅）は１２８％である。偏平化のレベルをこの偏平化率で表現することもできる。また、２つの六角形の形状は同じで、各六角形において前記４つの辺の対辺同士は互いに平行、かつ各対辺間の間隔及び各対辺同士の長さは同一とされている。

比較例の断面形状から、断面積＝２４８ｍｍ^２、Ｉ_ＸＸ＝４３９５８ｍｍ^４、Ｉ_ＹＹ＝１３７４３ｍｍ^４が計算され、本発明例の断面形状から、断面積＝２７９ｍｍ^２（１１２．５％）、Ｉ_ＸＸ＝４８６１７ｍｍ^４（１１０．５％）、Ｉ_ＹＹ＝２３１５８ｍｍ^４（１６８．５％）が計算される。なお、カッコ内の数値は比較例と較べたときの倍率である。
断面積とＸ軸（水平軸）回りの剛性を示す指標であるＩ_ＸＸの値は両者とも大きい違いはない。しかし、Ｙ軸（縦軸）回りの断面２次モーメントＩ_ＹＹの値は、本発明例の方が比較例より１．７倍程度大きく、Ｙ軸（縦軸）回りの曲げに対する抵抗（剛性）が大きいことがわかる。

ＦＥＭ解析の解析条件は、アルミニウム合金で耐力３１０ＭＰａ、引張強さ３５０ＭＰａ、押出形材の長さ１２０ｍｍ、略８の字型断面形状の輪郭を構成する１０個の側壁の全てについて上から１５ｍｍの位置に深さ２ｍｍ、幅４ｍｍの変形促進エンボス形成（図３参照）、押出形材の下部を剛体上に載せ、上部を一様に強制圧縮するものとし、有限要素法解析ソフトＬＳ−ＤＹＮＡを用いて解析した。ＦＥＭ解析の結果を図４及び図５に示す。
図４（ａ）から、正六角形で構成された略８の字型断面の比較例は、圧壊時に次第にＹ軸回りに外側に折れ曲がっている様子がわかる。また、図５から、外側に折れ曲がることにより変形途中で荷重が低下する傾向がわかる。一方、偏平化した六角形で構成された略８の字型断面の本発明例は、Ｙ軸まわりの剛性が高いため、折れ曲がるような現象は生じず、比較的安定した荷重−変位曲線となり、エネルギー吸収量も大きくアップしている。

エネルギー吸収部材の略８の字型断面形状について、本発明の代表例を示す図である。 エネルギー吸収部材の略８の字型断面について、基本断面形状（ａ）と、本発明例（ｂ）を比較して示す図である。 エネルギー吸収特性の解析に用いたエネルギー吸収部材（本発明例）の斜視図である。 略８の字型断面のエネルギー吸収部材（基本断面形状と本発明例）を縦圧縮して得られた荷重−変位曲線である。 略８の字型断面のエネルギー吸収部材（基本断面形状と本発明例）を縦圧縮したときの変形状態（斜視図及び平面図）を示すもので、（ａ）が基本断面形状のもの、（ｂ）が本発明例のものである。

符号の説明

１，２ 略８の字型断面形状を構成する六角形断面
３ 六角形断面の共有する辺
４〜８ 六角形断面のその他の辺

Claims (4)

1. 軸方向に衝突荷重を受けて圧縮変形し車両の衝突エネルギーを吸収するエネルギー吸収部材であって、車両前後方向を押出方向とするアルミニウム合金押出中空形材からなり、前記押出中空形材は、横方向に偏平化した２つの略六角形断面が互いにその一辺を共有して縦方向に重なり一体化された略８の字型の断面形状を有することを特徴とするエネルギー吸収部材。
2. 前記エネルギー吸収部材は、その壁部に押出方向に対して略直交方向に初期荷重低下のための変形促進エンボスを有することを特徴とする請求項１に記載されたエネルギー吸収部材。
3. 前記アルミニウム合金押出中空形材は、０．２％耐力が１９０ＭＰａ以上である６０００系又は７０００系アルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載されたエネルギー吸収部材。
4. 自動車車体のバンパ補強材とサイドメンバとの間に配置され、両者の結合の用途を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたエネルギー吸収部材。

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