JP6112670B2 - 自動車のバンパービーム構造 - Google Patents

Description

本発明は、バンパービームの車幅方向中央部と車幅方向両端部との間に前後方向外側に突出する左右一対の荷重入力部を設けた自動車のバンパービーム構造に関する。

車幅方向に延びる曲げ担持体と、曲げ担持体の車幅方向両端部から前後方向に突出する左右一対の変形突出部とを備える自動車のバンパービーム（ショックアブソーバ）を、上下２分割したＦＲＰ製のシェルを結合して中空閉断面に構成し、左右一対の変形突出部を前後方向に延びる左右一対の前後方向担持体（サイドフレーム）の端部に接続したものが、下記特許文献１により公知である。

特許第２８２７１０５号公報

ところで上記従来のものは、前面衝突あるいは後面衝突によって曲げ担持体に衝突荷重が入力すると、左右一対の変形突出部間で曲げ担持体が曲げ変形することで衝突エネルギーを吸収するため、エネルギー吸収量を増加させるには曲げ担持体の曲げ強度を高める必要があり、そのためにバンパービームの重量が増加してＦＲＰ製としたことによる軽量化のメリットが充分に活かせなくなる問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、軽量でエネルギー吸収性能に優れたバンパービームを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、バンパービームの車幅方向中央部と車幅方向両端部との間に前後方向外側に突出する左右一対の荷重入力部を設けた自動車のバンパービーム構造であって、前記バンパービームは、前記荷重入力部を頂点として車幅方向外側に延びる左右一対の外側トラス構造要素と、前記荷重入力部を頂点として車幅方向内側に延びる左右一対の内側トラス構造要素とを備え、前記左右一対の外側トラス構造要素の車幅方向外端は前後方向に延びる左右一対の車体フレームの端部に接続され、前記左右一対の内側トラス構造要素の車幅方向内端は相互に接続され、前記バンパービームは前後方向内側に開放する開放断面の繊維強化樹脂製であり、前記繊維強化樹脂は、相互に直交する第１連続繊維および第２連続繊維と、前記第１、第２連続繊維に対して異なる方向に交差する第３、第４連続繊維とを含み、前記外側トラス構造要素および前記内側トラス構造要素は前記第１〜第４連続繊維により構成されることを特徴とする自動車のバンパービーム構造が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記バンパービームは、車幅方向両端部の前後方向幅が車幅方向中央部の前後方向幅よりも大きいことを特徴とする自動車のバンパービーム構造が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、バンパービームの車幅方向中央部と車幅方向両端部との間に前後方向外側に突出する左右一対の荷重入力部を設けた自動車のバンパービーム構造であって、前記バンパービームは、前記荷重入力部を頂点として車幅方向外側に延びる左右一対の外側トラス構造要素と、前記荷重入力部を頂点として車幅方向内側に延びる左右一対の内側トラス構造要素とを備え、前記左右一対の外側トラス構造要素の車幅方向外端は前後方向に延びる左右一対の車体フレームの端部に接続され、前記左右一対の内側トラス構造要素の車幅方向内端は相互に接続され、前記バンパービームは前後方向内側に開放する開放断面の繊維強化樹脂製であり、前記繊維強化樹脂は、相互に直交する第１連続繊維および第２連続繊維と、ランダムに配向された不連続繊維とを含み、前記外側トラス構造要素および前記内側トラス構造要素は前記第１、第２連続繊維および前記不連続繊維により構成されることを特徴とする自動車のバンパービーム構造が提案される。

尚、実施の形態のリヤサイドフレーム１１は本発明の車体フレームに対応する。

請求項１または請求項３の構成によれば、車幅方向中央部と車幅方向両端部との間に前後方向外側に突出する左右一対の荷重入力部を設けたバンパービームは、荷重入力部を頂点として車幅方向外側に延びる左右一対の外側トラス構造要素と、荷重入力部を頂点として車幅方向内側に延びる左右一対の内側トラス構造要素とを備えるので、左右一対の荷重入力部に前後方向の衝突荷重が入力したときに、外側トラス構造要素に車幅方向外向きの圧縮荷重を発生させ、内側トラス構造要素に車幅方向内向きの圧縮荷重を発生させることができる。その結果、左右一対の外側トラス構造要素が車体フレームに押し付けられて圧壊し、左右一対の内側トラス構造要素が相互に押し付け合って圧壊することで、大きなエネルギー吸収効果が発揮される。このように、バンパービームは曲げ荷重ではなく圧縮荷重で圧壊するので、バンパービームの曲げ強度を特別に高める必要がなくなり、軽量でエネルギー吸収性能の高いバンパービームを得ることができる。

特に請求項１の構成によれば、バンパービームは前後方向内側に開放する開放断面の繊維強化樹脂製であり、繊維強化樹脂は、相互に直交する第１連続繊維および第２連続繊維と、第１、第２連続繊維に対して異なる方向に交差する第３、第４連続繊維とを含み、外側トラス構造要素および内側トラス構造要素は第１〜第４連続繊維により構成されるので、外側トラス構造要素および内側トラス構造要素を備えるバンパービームを繊維強化樹脂で安価に製造できる。

また請求項２の構成によれば、バンパービームは、車幅方向両端部の前後方向幅が車幅方向中央部の前後方向幅よりも大きいので、外側トラス構造要素の前後方向幅を大きくしてエネルギー吸収量を増加させることができる。

特に請求項３の構成によれば、バンパービームは前後方向内側に開放する開放断面の繊維強化樹脂製であり、繊維強化樹脂は、相互に直交する第１連続繊維および第２連続繊維と、ランダムに配向された不連続繊維とを含み、外側トラス構造要素および内側トラス構造要素は第１、第２連続繊維および不連続繊維により構成されるので、外側トラス構造要素および内側トラス構造要素を備えるバンパービームを繊維強化樹脂で安価に製造できるだけでなく、連続繊維に対して安価で相対的に圧縮強度が高い不連続繊維を含むことで、安価に外側トラス構造要素および内側トラス構造要素の圧縮座屈によるエネルギー吸収量を増加させることができる。

リヤバンパーのバンパービームの斜視図。（第１の実施の形態） 図１の２方向矢視図。（第１の実施の形態） 図２の３Ａ−３Ａ線および３Ｂ−３Ｂ線断面図。（第１の実施の形態） 繊維強化樹脂の連続繊維の配向状態を示す図。（第１の実施の形態） 外側トラス構造要素および内側トラス構造要素の作用説明図。（第１の実施の形態） 図３（Ｂ）に対応する図。（第２の実施の形態） 繊維強化樹脂の連続繊維および不連続繊維の配向状態を示す図。（第２の実施の形態） リヤバンパーのバンパービームの斜視図。（第３の実施の形態） 図８の９方向矢視図。（第３の実施の形態）

第１の実施の形態

以下、図１〜図５に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。尚、本明細書において前後方向、左右方向（車幅方向）および上下方向とは、運転席に着座した乗員を基準として定義される。

図１〜図３に示すように、前後方向に延びる左右一対の金属製のリヤサイドフレーム１１，１１の後端に、車幅方向に延びるリヤバンパーのＧＦＲＰ（ガラス繊維強化樹脂）製のバンパービーム１２が接続される。図２から明らかなように、平面視においてバンパービーム１２は全体として弓状に湾曲し、リヤサイドフレーム１１，１１の後端に接続される車幅方向両端部に対して車幅方向中間部が後方に突出しているが、車幅方向中央部が僅かに前方に凹むことで、車幅方向中央部および車幅方向両端部間に位置する左右一対の荷重入力部Ｐ，Ｐが最も後方に突出している。従って、後方から他車が真っ直ぐ追突するようなフラットな後面衝突時に、バンパービーム１２の左右一対の荷重入力部Ｐ，Ｐに前向きの衝突荷重が分散して入力することになる。

バンパービーム１２は基本的に前方に向けて開放するコ字状の断面を有しており、側壁１２ａと、側壁１２ａの上端から前方に延びる上壁１２ｂと、側壁１２ａの下端から前方に延びる下壁１２ｃと、上壁１２ｂの前端を上向きに折り曲げた上部フランジ１２ｄと、下壁１２ｃの前端を下向きに折り曲げた下部フランジ１２ｅとを備えており、車幅方向に離間した複数個所に側壁１２ａ、上壁１２ｂおよび下壁１２ｃを接続する補強リブ１２ｆ…が形成される。また左右一対の荷重入力部Ｐ，Ｐに挟まれた部分で、側壁１２ａの下端および下壁１２ｃの後端間が傾斜壁１２ｇで斜めに接続されている。またバンパービーム１２は、車幅方向両端部の前後方向幅Ｗｏが車幅方向中央部の前後方向幅Ｗｉよりも大きくなっている。

リヤサイドフレーム１１，１１の後端に溶接された取付プレート１３，１３の前面に複数のウエルドナット１４…が設けられており、バンパービーム１２の車幅方向両端部の上部フランジ１２ｄおよび下部フランジ１２ｅを後方から前方に貫通する複数本のボルト１５…をウエルドナット１４…に螺合することで、バンパービーム１２の車幅方向両端部がリヤサイドフレーム１１，１１に固定される。このとき、テンションプレート１６およびエンドパネル１７の車幅方向両端部がバンパービーム１２の車幅方向両端部および取付プレート１３，１３間に挟まれ、ボルト１５…により供締めされる。高張力鋼板よりなるテンションプレート１６は後方に向かって窪んだ凹部１６ａを備えており、この凹部１６ａとエンドパネル１７とによって閉断面部分２４（図３（Ａ）参照）が構成される。バンパービーム１２の上壁１２ｂおよび下壁１２ｃには、ボルト１５…の軸線に沿って前後方向に延びる凹状のビード１２ｈ…が形成される。

図４に模式的に示すようにバンパービーム１２を構成するＧＦＲＰは、相互に平行に配向された第１連続繊維１８…と、相互に平行に配向されて第１連続繊維１８…に対して直交する第２連続繊維１９…と、相互に平行に配向されて第１連続繊維１８…に対して一方向に鋭角で交差する第３連続繊維２０…と、相互に平行に配向されて第１連続繊維１８…に対して他方向に鋭角で交差する第４連続繊維２１…とを、所定数の層状に積層してマトリクス樹脂で固めたもので構成される。

図５に模式的に示すように、バンパービーム１２は、荷重入力部Ｐ，Ｐを頂点として車幅方向外側に延びる仮想的な左右一対の外側トラス構造要素２２，２２と、荷重入力部Ｐ，Ｐを頂点として車幅方向内側に延びる仮想的な左右一対の内側トラス構造要素２３，２３とを備える。

外側トラス構造要素２２を構成する三角形の第１辺は、バンパービーム１２の側壁１２ａおよび上壁１２ｂ間の稜線ａ（図１〜図３参照）、あるいはバンパービーム１２の側壁１２ａおよび下壁１２ｃ間の稜線ａ（図１〜図３参照）に概ね沿っており、その方向にＧＦＲＰの第２連続繊維１９…（破線参照）が配置されている。外側トラス構造要素２２を構成する三角形の第２辺は、バンパービーム１２の上壁１２ｂおよび上部フランジ１２ｄ間の稜線ｂ（図１〜図３参照）、あるいはバンパービーム１２の下壁１２ｃおよび下部フランジ１２ｅ間の稜線ｂ（図１〜図３参照）に概ね沿っており、その方向にＧＦＲＰの第２連続繊維１９…（破線参照）が配置されている。外側トラス構造要素２２を構成する三角形の第３辺は、ＧＦＲＰの一方向に傾斜した第３連続繊維２０…（一点鎖線参照）により構成されている。

内側トラス構造要素２３を構成する三角形の第１辺は、バンパービーム１２の側壁１２ａおよび上壁１２ｂ間の稜線ｃ（図１〜図３参照）、あるいはバンパービーム１２の側壁１２ａおよび下壁１２ｃ間の稜線ｃ（図１〜図３参照）に概ね沿っており、その方向にＧＦＲＰの第２連続繊維１９…（破線参照）が配置されている。内側トラス構造要素２３を構成する三角形の第２辺はバンパービーム１２の前後方向に配置され、第１連続繊維１８…（実線参照）により構成されている。内側トラス構造要素２３を構成する三角形の第３辺は、ＧＦＲＰの他方向に傾斜した第４連続繊維２１…（二点鎖線参照）により構成されている。

そして左右一対の外側トラス構造要素２２，２２の第２辺はリヤサイドフレーム１１，１１の後端に支持され、左右一対の内側トラス構造要素２３，２３の第２辺は相互に突き合わさる。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

バンパービーム１２の骨格は、第１連続繊維１８…、第２連続繊維１９…、第３連続繊維２０…、第４連続繊維２１…あるいは稜線ａ，ｂ，ｃにより三辺が構成された左右一対の外側トラス構造要素２２，２２および左右一対内側トラス構造要素２３，２３でモデル化することができる。

図５に示すように、バンパービーム１２は左右一対の荷重入力部Ｐ，Ｐが最も後方に突出しているため、後方から追突されたような場合に荷重入力部Ｐ，Ｐにそれぞれ前向きの衝突荷重Ｆ，Ｆが入力する。衝突荷重Ｆ，Ｆは車幅方向外向きの荷重Ｆｏ，Ｆｏと、車幅方向内向きの荷重Ｆｉ，Ｆｉとに分解されるが、車幅方向外向きの衝突荷重Ｆｏ，Ｆｏは強度の高い外側トラス構造要素２２，２２によりリヤサイドフレーム１１，１１に伝達されて支持されるため、外側トラス構造要素２２，２２が軸方向に圧壊して衝突エネルギーを吸収する。

このとき左右一対のリヤサイドフレーム１１，１１が車幅方向外側に開くように変形してしまうと、外側トラス構造要素２２，２２に充分な圧縮荷重を作用させることができないが、左右一対のリヤサイドフレーム１１，１１を引張強度が高い高張力鋼板よりなるテンションプレート１６で車幅方向に接続したので、リヤサイドフレーム１１，１１が車幅方向外側に開くように変形するのを防止して外側トラス構造要素２２，２２の圧壊を促進することができる。

また車幅方向外向きの衝突荷重Ｆｉ，Ｆｉは強度の高い内側トラス構造要素２３，２３に伝達されるが、左右一対の内側トラス構造要素２３，２３は相互に突き合わされているため、右向きの衝突荷重Ｆｉと左向きの衝突荷重Ｆｉとが対向して大きな圧縮荷重が発生し、内側トラス構造要素２３，２３が軸方向に圧壊して衝突エネルギーを吸収する。

以上のように、バンパービーム１２に後面衝突の衝突荷重が入力したとき、バンパービーム１２に大きな曲げ荷重が発生することはなく、外側トラス構造要素２２，２２および内側トラス構造要素２３，２３に沿う大きな圧縮荷重が発生し、強度の高い外側トラス構造要素２２，２２および内側トラス構造要素２３，２３の圧壊により衝突エネルギーを吸収することができる。その結果、バンパービーム１２の曲げ強度を特別に高める必要がなくなり、逆に外側トラス構造要素２２，２２および内側トラス構造要素２３，２３から外れた部分（例えば、図５に斜線を施した部分）の肉厚を小さくして軽量化を図ることが可能となり、軽量でエネルギー吸収性能に優れたバンパービーム１２を得ることが可能となる。

またＧＦＲＰの連続繊維の配向方向やバンパービーム１２の稜線ａ，ｂ，ｃを利用して外側トラス構造要素２２，２２および内側トラス構造要素２３，２３を構成するので、特別の強度部材を付加する必要がなくなり、外側トラス構造要素２２，２２および内側トラス構造要素２３，２３を備えるバンパービーム１２を軽量かつ安価に製造できる。

またバンパービーム１２は、車幅方向両端部の前後方向幅Ｗｏが車幅方向中央部の前後方向幅Ｗｉよりも大きいので（図２参照）、外側トラス構造要素２２，２２の前後方向幅を大きくしてエネルギー吸収量を増加させることができる。

またバンパービーム１２は側壁１２ａ、上壁１２ｂおよび下壁１２ｃを有する略コ字状断面であり、側壁１２ａ、上壁１２ｂおよび下壁１２ｃを接続する不連続繊維の補強リブ１２ｆ…を備えるので、補強リブ１２ｆ…により開断面のバンパービーム１２が口開きするのを防止して強度を高めることができる。しかもバンパービーム１２は側壁１２ａおよび下壁１２ｃ間を斜めに接続する傾斜壁１２ｇを備えるので（図１および図３参照）、傾斜壁１２ｇによりバンパービーム１２の稜線の数を増やして外側トラス構造要素２２，２２および内側トラス構造要素２３，２３を補強することができる。

またバンパービーム１２をリヤサイドフレーム１１，１１に固定するボルト１５…の軸線に沿うように、上壁１２ｂおよび下壁１２ｃに凹状のビード１２ｈ…を形成したので、バンパービーム１２との干渉を避けてボルト１５…の締結作業を容易に行えるだけでなく、凹状のビード１２ｈ…によりバンパービーム１２の圧縮座屈強度を高めて衝突エネルギーの吸収量を増加させることができる。

またテンションプレート１６にエンドパネル１７を挟んでボルト１５…で共締めすることで、テンションプレート１６およびエンドパネル１７間に閉断面部分２４が構成されるので、大きな衝突荷重が入力して衝突エネルギーをバンパービーム１２だけでは吸収しきれない場合に、曲げ強度の高い高張力鋼板製のテンションプレート１６が曲げ変形して衝突エネルギーを吸収するとともに、テンションプレート１６およびエンドパネル１７間の閉断面部分２４の部分の圧壊により衝突エネルギーを吸収することができる。

第２の実施の形態

次に、図６および図７に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

第１の実施の形態のバンパービーム１２は連続繊維のみを含むＧＦＲＰ製であるが、第１の実施の形態のバンパービーム１２は連続繊維を含む第１層１２ＡのＧＦＲＰと、不連続繊維を含む第２層１２ＢのＧＦＲＰとの２層構造である。

第１層１２Ａは、側壁１２ａ、上壁１２ｂおよび下壁１２ｃの外側部分を構成するもので、第１の実施の形態の第１連続繊維１８…および第２連続繊維１９…と同じ第１連続繊維１８…および第２連続繊維１９…を含んでいる。一方、第２層１２Ｂは、側壁１２ａ、上壁１２ｂおよび下壁１２ｃの内側部分に加えて、上部フランジ１２ｄ、下部フランジ１２ｅおよび補強リブ１２ｆ…を構成するものであり、ランダムに配向された不連続繊維２９…を含んでいる。

第２の実施の形態のバンパービーム１２は、第１の実施の形態の傾斜した第３連続繊維２０…および第４連続繊維２１…を含まないが、ランダムに配向された不連続繊維２９…のうち、第３連続繊維２０…と略同方向に配向された不連続繊維２９…が第３連続繊維２０…の機能を分担し、第４連続繊維２１…と略同方向に配向された不連続繊維２９…が第４連続繊維２１…の機能を分担することで、第１の実施の形態と同様に仮想的な外側トラス構造要素２２，２２および内側トラス構造要素２３，２３を構成することができる。

本実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の作用効果を達成することができるが、バンパービーム１２が圧縮強度が高い不連続繊維２９…を含むことで、外側トラス構造要素２２，２２および内側トラス構造要素２３，２３の圧縮座屈によるエネルギー吸収量を更に増加させることができる。

第３の実施の形態

次に、図８および図９に基づいて本発明の第３の実施の形態を説明する。

第１、第２の実施の形態のバンパービーム１２はＧＦＲＰ製であるが、第３の実施の形態のバンパービーム１２は金属製のパイプ材を溶接して構成される。即ち、水平面内で屈曲する上下一対の第１パイプ材２５，２５と、水平面内で屈曲する上下一対の第２パイプ材２６，２６と、前後方向に配置された上下一対の直線状の第３パイプ材２７，２７と、鉛直方向に配置されて第１パイプ材２５，２５、第２パイプ材２６，２６および第３パイプ材２７，２７を連結する８本の直線状の第４パイプ材２８…とを溶接して組み立て、それを高張力鋼板よりなるテンションプレート１６の車幅方向両端部に溶接することで、外側トラス構造要素２２，２２および内側トラス構造要素２３，２３を備えるバンパービーム１２が構成される。

第３の実施の形態のバンパービーム１２は、仮想的でない現実的な外側トラス構造要素２２，２２および内側トラス構造要素２３，２３を備えるものであるが、その機能は第１、第２の実施の形態のバンパービーム１２と同様である。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態ではリヤバンパーのバンパービーム１２を例示したが、本発明はフロントバンパーのバンパービームに対しても適用可能である。

また実施の形態では左右一対の内側トラス構造要素２３，２３が直接突き合わされているが、圧縮荷重を伝達可能な部材を挟んで突き合わせても良い。

またバンパービーム１２を構成する繊維強化樹脂はＧＦＲＰに限定されず、ＣＦＲＰ（カーボン繊維強化樹脂）等の他種の繊維強化樹脂であっても良く、またオイラー座屈する前に圧壊するような材料であっても良い。

１１ リヤサイドフレーム（車体フレーム）
１２ バンパービーム
１８ 第１連続繊維
１９ 第２連続繊維
２０ 第３連続繊維
２１ 第４連続繊維
２２ 外側トラス構造要素
２３ 内側トラス構造要素
２９ 不連続繊維
Ｐ 荷重入力部
Ｗｉ バンパービームの車幅方向中央部の前後方向幅
Ｗｏ バンパービームの車幅方向両端部の前後方向幅

Claims (3)

1. バンパービーム（１２）の車幅方向中央部と車幅方向両端部との間に前後方向外側に突出する左右一対の荷重入力部（Ｐ）を設けた自動車のバンパービーム構造であって、
   前記バンパービーム（１２）は、前記荷重入力部（Ｐ）を頂点として車幅方向外側に延びる左右一対の外側トラス構造要素（２２）と、前記荷重入力部（Ｐ）を頂点として車幅方向内側に延びる左右一対の内側トラス構造要素（２３）とを備え、前記左右一対の外側トラス構造要素（２２）の車幅方向外端は前後方向に延びる左右一対の車体フレーム（１１）の端部に接続され、前記左右一対の内側トラス構造要素（２３）の車幅方向内端は相互に接続され、前記バンパービーム（１２）は前後方向内側に開放する開放断面の繊維強化樹脂製であり、前記繊維強化樹脂は、相互に直交する第１連続繊維（１８）および第２連続繊維（１９）と、前記第１、第２連続繊維（１８，１９）に対して異なる方向に交差する第３、第４連続繊維（２０，２１）とを含み、前記外側トラス構造要素（２２）および前記内側トラス構造要素（２３）は前記第１〜第４連続繊維（１８〜２１）により構成されることを特徴とする自動車のバンパービーム構造。
2. 前記バンパービーム（１２）は、車幅方向両端部の前後方向幅（Ｗｏ）が車幅方向中央部の前後方向幅（Ｗｉ）よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の自動車のバンパービーム構造。
3. バンパービーム（１２）の車幅方向中央部と車幅方向両端部との間に前後方向外側に突出する左右一対の荷重入力部（Ｐ）を設けた自動車のバンパービーム構造であって、
   前記バンパービーム（１２）は、前記荷重入力部（Ｐ）を頂点として車幅方向外側に延びる左右一対の外側トラス構造要素（２２）と、前記荷重入力部（Ｐ）を頂点として車幅方向内側に延びる左右一対の内側トラス構造要素（２３）とを備え、前記左右一対の外側トラス構造要素（２２）の車幅方向外端は前後方向に延びる左右一対の車体フレーム（１１）の端部に接続され、前記左右一対の内側トラス構造要素（２３）の車幅方向内端は相互に接続され、前記バンパービーム（１２）は前後方向内側に開放する開放断面の繊維強化樹脂製であり、前記繊維強化樹脂は、相互に直交する第１連続繊維（１８）および第２連続繊維（１９）と、ランダムに配向された不連続繊維（２９）とを含み、前記外側トラス構造要素（２２）および前記内側トラス構造要素（２３）は前記第１、第２連続繊維（１８，１９）および前記不連続繊維（２９）により構成されることを特徴とする自動車のバンパービーム構造。
   

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