JP5882020B2 - 衝撃吸収部材 - Google Patents

Description

本発明は、自動車などに設置されて衝突時のエネルギーを吸収する衝撃吸収部材に関する。

自動車には衝突時のエネルギーを吸収する部材が搭載されており、その一つにクラッシュボックスがある。クラッシュボックスは、一般的には筒状に形成され、軸方向に衝撃荷重が付加されたときに、蛇腹状に変形して衝撃エネルギーを吸収する部材である。このようなクラッシュボックスに要求される性能としては、衝撃荷重が付加されたときに軸方向に安定して蛇腹状に変形すること及び、変形に伴うエネルギー吸収効率が高いことが挙げられる。
このクラッシュボックスに要求される性能を向上するために種々の提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。

断面四角形や六角形のクラッシュボックスでは、軸方向に伸びる稜線の数が少なく、一辺の長さが長くなるために衝撃吸収に際してエネルギー吸収効率が悪くなることから、特許文献１においては、クラッシュボックスの形状を断面八角形にすることが提案されている（特許文献１の請求項１参照）。
また、特許文献１においては、クラッシュボックスを安定して蛇腹状に変形させるために塑性変形の起点となる応力集中部（ビード形状部）を設けている（特許文献１の請求項３参照）。応力集中部（ビード形状部）はクラッシュボックスの内側に凸となるものが、軸方向で互い違いになるように設けられている（特許文献１の図２参照）。
特許文献１では、上記のようなビード形状部を設けることで、凸側への変形を誘発し、安定した蛇腹変形を行わせている。なお、特許文献１の図２では、ビード形状部を軸方向で２段設ける例が示され、同文献の図９では７段設ける例が示されている。

特開２００６−１２３８８７号公報

しかしながら、特許文献１のクラッシュボックスであっても、安定して蛇腹状に変形すること及び、変形に伴うエネルギー吸収効率が高いこと、というクラッシュボックスに要求される性能に関して十分なものであるとは言えない。
特許文献１に示されたように、断面形状を八角形としたとしても、クラッシュボックスが設置されるフロントサイドメンバの端部の形状との関係で、正八角形ではなく長八角形（対向する一対の辺部が長いもの）となる場合が多い。その場合には、長い辺部が残存することになり、軸力の低下やエネルギー吸収効率が低下するという問題がある。

また、先行文献１においては、クラッシュボックスに設けるビード形状部は、同一断面では全てのビード形状部が内側に凸となっており、同一断面で同一方向に変形を誘発するようにしている。
しかし、同一断面で同一方向への変形ではエネルギー吸収効率に限界があり、必ずしも十分なエネルギー吸収を行うことができないという問題がある。

特許文献１においては、クラッシュボックスを形成する鋼板の材質について特に言及されていないが、クラッシュボックスを形成する鋼板の引張り強度が高くなると変形しづらくなるため、このような高強度鋼板を用いる場合にはそれに応じたクラッシュボックスの形状の工夫が必要になる。
しかしながら、特許文献１においては、この点について何らの検討もされておらず、高強度鋼板を用いた場合にクラッシュボックスとしての機能を適切に発揮するかは疑問である。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、高強度鋼板を用いた場合であっても安定した蛇腹変形ができエネルギー吸収効率が高められた衝撃吸収部材を得ることを目的とするものである。

（１）本発明に係る衝撃吸収部材は、軸圧縮荷重を受けたときに蛇腹状に塑性変形することによって衝撃エネルギーを吸収する筒状の衝撃吸収部材であって、
引張り強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板によって形成すると共に、
軸方向に直交する断面形状が１２個の頂点を有する略十字状の閉断面であって、前記１２個の頂点のうちの８個の頂点を直線で連結して形成される八角形が長八角形（対向する一対の辺部が長いもの）であって、該長八角形における斜辺の両端の頂点とその間にある頂点を結ぶ直線の成す角度αが１２０°≦α≦１５０°、前記断面形状のアスペクト比が１.５：１〜２：１、前記長八角形における縦辺と横辺のうちの長い方の辺の長さと斜辺の長さの比が１：１〜１.５：１に設定してなり、
筒状の各面に蛇腹状塑性変形の起点となるビード形状部が少なくとも１段形成され、同一断面の隣接する面に形成されたビード形状部の凹凸の向きが内外で反対方向になるように設けられ、前記ビード形状部を設ける位置は、衝撃吸収部材における軸圧荷重の入力側であって、入力側端部から衝撃吸収部材の全長の１/５の範囲に設定されており、
軸直交方向の断面における各稜線での変形の向きが内外反転し、隣接する面が内外反対方向に変形して安定した蛇腹変形をすることを特徴とするものである。

本発明に係る衝撃吸収部材においては、引張り強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板によって形成すると共に、軸方向に直交する断面形状が１２個の頂点を有する略十字状の閉断面であって、前記１２個の頂点のうちの８個の頂点を直線で連結して形成される八角形が長八角形（対向する一対の辺部が長いもの）であって、該長八角形における斜辺の両端の頂点とその間にある頂点を結ぶ直線の成す角度αが１２０°≦α≦１５０°、前記断面形状のアスペクト比が１.５：１〜２：１、前記長八角形における縦辺と横辺のうちの長い方の辺の長さと斜辺の長さの比が１：１〜１.５：１に設定してなり、筒状の各面に蛇腹状塑性変形の起点となるビード形状部が少なくとも１段形成され、同一断面の隣接する面に形成されたビード形状部の凹凸の向きが内外で反対方向になるように設けられ、前記ビード形状部を設ける位置は、衝撃吸収部材における軸圧荷重の入力側であって、入力側端部から衝撃吸収部材の全長の１/５の範囲に設定されており、軸直交方向の断面における各稜線での変形の向きが内外反転し、隣接する面が内外反対方向に変形して安定した蛇腹変形をするので、変形に伴って吸収されるエネルギーが増し、エネルギー吸収効率が高くなる。

本発明の実施の形態１に係る衝撃吸収部材の斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る衝撃吸収部材の軸直交方向の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る衝撃吸収部材の断面形状の説明図である。 本発明の実施の形態１に係る衝撃吸収部材の変形の態様の説明図である。 本発明の実施の形態１に係る衝撃吸収部材の性能を確認する実験に用いた形状の説明図である。 本発明の実施の形態１に係る衝撃吸収部材における傾斜面の成す角度αとエネルギー吸収効率との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る衝撃吸収部材におけるアスペクト比とエネルギー吸収効率との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る衝撃吸収部材における縦辺と斜辺の比とエネルギー吸収効率との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る衝撃吸収部材の斜視図である。

［実施の形態１］
本発明の実施の形態１を図１〜図６に基づいて説明する。
本実施の形態に係る衝撃吸収部材１は、軸圧縮荷重を受けたときに蛇腹状に塑性変形することによって衝撃エネルギーを吸収する筒状の衝撃吸収部材１であって、引張り強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板によって形成すると共に、軸方向に直交する断面形状が１２個の頂点を有する略十字状の閉断面であって、１２個の頂点のうちの８個の頂点を直線で連結して形成される八角形における斜辺の両端の頂点とその間にある頂点を結ぶ直線の成す角度αが１２０°≦α≦１５０°、前記断面形状のアスペクト比（長辺と短辺の比）が１：１〜２：１、前記八角形における縦辺と横辺のうちの長い方の辺の長さと斜辺の長さの比が１：１〜１．５：１に設定してなることを特徴とするものである。
以下、より詳細に説明する。

＜衝撃吸収部材の材質及び全体形状＞
衝撃吸収部材１は引張り強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板によって形成されている。
また、衝撃吸収部材１は筒状の部材であって、軸方向に直交する断面形状が、図３に示すように、Ａ〜Ｌの１２個の頂点を有する略十字状の閉断面になっている。
衝撃吸収部材１の断面形状を詳細に説明する。衝撃吸収部材１の断面における１２個の頂点のうち、中心寄りにある４個の頂点Ｂ、Ｅ、Ｈ、Ｋを除いた８個の頂点Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｇ、Ｉ、Ｊ、Ｌを直線で連結して形成される形状が八角形になっている。そして、八角形における斜辺ＡＣ、ＤＦ、ＧＩ、ＪＬの両端にある頂点、例えば頂点Ａ、Ｃとその間にある頂点Ｂを結ぶ直線ＡＢ、ＣＢの成す角度αが１２０°≦α≦１５０°（本例では１３５°）に設定されている。また、断面形状における縦の長さＬと横の長さＳとの比（アスペクト比）が１：１〜２：１（本例では１：１）に設定されている。さらに、縦辺と横辺のうちの長い方の辺の長さと、斜辺の長さの比が１：１〜１．５：１（本例では、縦辺と横辺の長さが同じで、かつ縦辺又は横辺と斜辺の長さの比は１：１）に設定されている。

上記のように構成された本実施の形態に係る衝撃吸収部材１においては、軸圧縮荷重を受けると軸方向で内外方向に材料が移動して蛇腹状になる。そして、軸直交方向の一つ断面に着目すると、図４に示すように、各稜線で変形の向きが内外反転し、隣接する面が内外反対方向に変形する。このため、変形に伴って吸収されるエネルギーが増し、エネルギー効率が高くなる。なお、図４における矢印の向きは凸側に変形する方向を示している。

上述のように本実施の形態の衝撃吸収部材１においては、角度αが１２０°≦α≦１５０°であり、アスペクト比が１：１〜２：１、縦辺と横辺のうちの長い方の辺と斜辺の長さの比が１：１〜１．５：１に設定されている。以下、このように設定した理由を実験データに基づいて説明する。

＜角度α＞
図５は実験に用いた衝撃吸収部材１の断面形状の説明図である。実験に用いた材料は引張り強度が５９０ＭＰａの高強度鋼板であり、各部の寸法は以下の通りである。
ａ=90.9mm、b=104.3mm、c=42.6mm、d=30.6mm、R=5mm、α=135°
図５に示した基本形状から、αを９０°、１０５°、１２０°、１３５°、１５０°、１６５°、１８０°に変化させ、それぞれの場合における衝撃吸収部材１のＳｍｍ圧潰時の吸収エネルギーを求めた。また、素材としての鋼板の板厚は圧潰時の反力が規程の耐力以下となるように調整している。図６は実験結果を示すグラフであり、横軸がαの値であり、縦軸がSｍｍ圧潰時の吸収エネルギーを示している。

図６に示すように、吸収エネルギーはα＝１３５°のときが最大となり、１２０°≦α≦１５０°の範囲で比較的大きな値を示している。
これは、αが１２０°≦α≦１５０°の範囲にあるときに、衝撃吸収部材１が安定して蛇腹状に変形していることを示している。実際、αの値が上記の範囲のときには、軸直交方向の一つ断面において、各稜線で変形の向きが内外反転して隣接する面が内外反対方向に変形することを確認している。

なお、９０°から１２０°の範囲でも前記の内外反転した変形は生じたが、鋼板の強度が高いが故に、反転部での変形に必要な力が大きくなり、その結果、変形による反力の変動が大きく、最大反力が急激に大きくなった。そのため、９０°から１２０°の範囲では板厚を調整して規程の耐力内におさめるようにしたので、図６に示すように、吸収エネルギーが低下している。

＜アスペクト比＞
アスペクト比については、図５に示した基本形状からｃ寸法を変化させることでアスペクト比（ｂ：ａ）を変化させ、それぞれの場合における衝撃吸収部材１のＳｍｍ圧潰時の吸収エネルギーを求めた。図７はこの実験結果を示すグラフであり、横軸がアスペクト比の値（ｂ/ａ）を示し、縦軸がＳｍｍ圧潰時の吸収エネルギーを示している。

図７に示されるように、アスペクト比の値は１のときが吸収エネルギーが最も大きくなっており、アスペクト比の値が１を超えると吸収エネルギーが減少しているが、アスペクト比の値が２．０までは吸収エネルギーが高い値を示している。このことは、アスペクト比が１：１〜２：１の範囲にあるときに、衝撃吸収部材１が安定して蛇腹状に変形していることを示している。実際、アスペクト比の値が上記の範囲のときには、軸直交方向の一つ断面において、各稜線で変形の向きが内外反転して隣接する面が内外反対方向に変形することを確認している。

＜縦辺と横辺のうちの長い方の辺の長さと斜辺の長さの比＞
縦辺と横辺のうちの長い方の辺の長さと斜辺の長さの比については、図５に示した基本形状からｃ寸法を変化させることで、縦辺の長さ（ｃ寸法）と斜辺の長さ（ｅ寸法）の比を変化させ、それぞれの場合における衝撃吸収部材１のＳｍｍ圧潰時の吸収エネルギーを求めた。図８はこの実験結果を示すグラフであり、横軸がｃ/ｅの値を示し、縦軸がＳｍｍ圧潰時の吸収エネルギーを示している。

図８に示されるように、縦辺の長さと斜辺の長さの比は１：１の場合（ｃ/ｅ＝１）に吸収エネルギーが比較的大きな値を示し、ｃ/ｅ＝１．１７で吸収エネルギーが最大になり、ｃ/ｅの値が大きくなるに従って吸収エネルギーの値は徐々に低下している。図８に示すグラフから、ｃ/ｅの好ましい値としては、１．０〜１．５であり、より好ましい値としては、１．０〜１．３である。このことは、縦辺と横辺のうちの長い方の辺の長さと斜辺の長さの比が１：１〜１．５：１の範囲にあるときに、衝撃吸収部材１が安定して蛇腹状に変形していることを示している。実際、縦辺と横辺のうちの長い方の辺の長さと斜辺の長さの比が上記の範囲のときには、軸直交方向の一つ断面において、各稜線で変形の向きが内外反転して隣接する面が内外反対方向に変形することを確認している。
なお、上記の説明では縦辺が横辺よりも長い場合について説明したが、横辺が縦辺よりも長い場合には、横辺と斜辺の比が１：１〜１．５：１の範囲にあるときに、引張り強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板によって形成した場合であっても衝撃吸収部材１が安定して蛇腹状に変形する。

[実施の形態２]
本発明の実施の形態２に係る衝撃吸収部材２を図９に基づいて説明する。本実施の形態の衝撃吸収部材２は、実施の形態１に示したものに、軸圧縮荷重を受けたときに蛇腹変形の起点となるビード形状部３を設けたものである。ビード形状部３は、図９に示すように、衝撃吸収部材２の一端側に１段のみ設けられている。ビード形状部３は、同一断面の各面に、外側に凸となる外凸ビード形状部３ｏと、内側に凸となる内凸ビード形状部３ｉが隣接する各面で交互になるように設けられている。

上記のようなビード形状部３を設けることにより、衝撃吸収部材２が軸圧縮荷重を受けた際に、各稜線で変形の向きが内外反転し、隣接する面が内外反対方向に変形するという変形の態様をより安定して得ることができる。つまり、鋼板の引張り強度が高くなるほど変形が不安定になる傾向があるが、ビード形状部３を設けることにより、これが変形のきっかけとして有効に機能し、変形を安定させるのである。
ビード形状部３を設ける位置は、衝撃吸収部材２における軸圧荷重の入力側であって、入力側端部から衝撃吸収部材２の全長の１/５の範囲にするのが好ましい。

なお、図９に示す例では、ビード形状部３を軸圧縮荷重が入力される側の端部近傍に１段設けている。本例のように、ビード形状部３を衝撃吸収部材２の軸方向で１段のみ設けた場合であっても、蛇腹変形は安定して行われるが、衝撃吸収部材２の全体形状や稜線の成す角度等の条件によっては、ビード形状部３を軸方向で複数段にしてもよく、そのようにした方が安定的に蛇腹変形する場合もある。

１ 衝撃吸収部材（実施の形態１）
２ 衝撃吸収部材（実施の形態２）
３ ビード形状部
３ｏ 外凸ビード形状部
３ｉ 内凸ビード形状部

Claims (1)

1. 軸圧縮荷重を受けたときに蛇腹状に塑性変形することによって衝撃エネルギーを吸収する筒状の衝撃吸収部材であって、
   引張り強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板によって形成すると共に、
   軸方向に直交する断面形状が１２個の頂点を有する略十字状の閉断面であって、前記１２個の頂点のうちの８個の頂点を直線で連結して形成される八角形が長八角形（対向する一対の辺部が長いもの）であって、該長八角形における斜辺の両端の頂点とその間にある頂点を結ぶ直線の成す角度αが１２０°≦α≦１５０°、前記断面形状のアスペクト比が１.５：１〜２：１、前記長八角形における縦辺と横辺のうちの長い方の辺の長さと斜辺の長さの比が１：１〜１.５：１に設定してなり、
   筒状の各面に蛇腹状塑性変形の起点となるビード形状部が少なくとも１段形成され、同一断面の隣接する面に形成されたビード形状部の凹凸の向きが内外で反対方向になるように設けられ、前記ビード形状部を設ける位置は、衝撃吸収部材における軸圧荷重の入力側であって、入力側端部から衝撃吸収部材の全長の１/５の範囲に設定されており、
   軸直交方向の断面における各稜線での変形の向きが内外反転し、隣接する面が内外反対方向に変形して安定した蛇腹変形をすることを特徴とする衝撃吸収部材。
   

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