JP6285217B2 - 自動車のバンパービーム - Google Patents

Description

本発明は、乗用車、トラック等の自動車のバンパーの補強材として使用されるアルミニウム合金押出形材からなるバンパービームに関する。

特許文献１に、アルミニウム合金中空押出形材からなるバンパービームが記載されている。アルミニウム合金押出形材は、衝突側フランジ、車体側フランジ、及び両フランジをつなぐ複数のウェブにより構成された略矩形輪郭の断面形状を有し、衝突側フランジが断面外側に凸湾曲している。バンパービームは両方の端部が車体側に曲げられ（衝突側フランジを曲げの外側にして曲げ加工され）、前記端部の所定位置にバンパーステイの取付部が設定されている。

特許文献２，３に、同じくアルミニウム合金中空押出形材からなるバンパービームが記載されている。アルミニウム合金押出形材は、いずれも平板状の衝突側フランジ、車体側フランジ、及び両フランジをつなぐ複数のウェブにより構成された矩形輪郭の断面形状を有する。バンパービームは、両方の端部が車体側に曲げられ、前記端部がいずれも車体側から衝突側に向けて潰し加工され、前記端部の所定位置にバンパーステイの取付部が設定されている。
特許文献２に記載されたバンパービームは、前記端部が完全に潰し加工され、衝突側フランジと車体側フランジがほぼ密着している。一方、特許文献３に記載されたバンパービームは、前記端部が途中まで潰し加工され、潰し加工された箇所の断面が中空で、衝突側フランジと車体側フランジが互いに所定の間隔を保っている。

特開２００２−２２５６５２号公報（図３） 特開２０１１−１３１６４７号公報（図１，４） 特開２０１３−１０３５５６号公報（図１０，１５）

特許文献１に記載されたバンパービームは、同文献の実施例をみると、従来のバンパービーム（衝突側フランジが平板状のもの）に比べ、オフセットバリア衝突時の初期荷重のピークが小さい。これは、特許文献１に記載されたバンパービームは、オフセットバリア衝突の初期に、凸状に湾曲した衝突側フランジを平坦化する変形が生じたためと推測される。また、特許文献１には、オフセットバリア衝突時及びフラットバリア衝突時のエネルギー吸収量が増大すると記載されている。
一方、凸状に湾曲した衝突側フランジは、通常の平板状フランジに比べて断面積が増え、重量が増加するという問題がある。

特許文献１に記載されたバンパービームは、バンパーステイが車体側に傾斜した端部の車体側フランジに取り付けられる。従って、オフセットバリア衝突に際し、バンパービームからバンパーステイに伝達される荷重の方向が、バンパーステイの軸方向（車体前後方向）に対し傾斜し、バンパーステイの正常な圧壊が妨げられることがある。具体的には、バンパーステイが縦圧壊型（軸圧壊型）の場合、バンパーステイの規則的な圧壊が妨げられて、圧壊時の荷重変動の振幅が大きくなりやすい。一方、バンパーステイが横圧壊型の場合、バンパーステイが横倒れするのを防止する対策が必要であり、それがバンパーステイの重量増加につながる。なお、縦圧壊型及び横圧壊型バンパーステイについては、例えば特開２００５−１４８３６号公報の段落０００３及び図５に説明されている。

特許文献２，３に記載されたバンパービームは、両端部が車体側から衝突側に向けて潰し加工されているため、バンパービームの後方（車体側）のスペースが増大する。このため、車体デザイン上の制約により、通常であればバンパービームとサイドメンバーの間にバンパーステイを設けるスペースが十分とれない場合においても、衝突時のエネルギー吸収に必要なバンパーステイの圧壊ストロークを確保することができる。また、特許文献３に記載されたバンパービームでは、潰し加工後の断面が中空で、ウェブが途中まで曲げ変形した状態であるたため、オフセットバリア衝突において衝突初期に断面が潰れやすく、初期荷重のピークが小さくなり、衝突時の荷重変動が低減されるという利点もある。
一方、このバンパービームにおいても、バンパーステイが車体側に傾斜した端部に取り付けられる。このため、特許文献１に記載されたバンパービームと同様に、オフセットバリア衝突に際し、バンパービームからバンパーステイに伝達される荷重の方向が、バンパーステイの軸方向に対し傾斜するという問題を有する。

本発明は、特許文献２，３に記載されたタイプのバンパービームにおいて、オフセット衝突時にバンパービームからバンパーステイに伝達される荷重の方向をバンパーステイの軸方向に近づけ又は方向差をなくして、バンパーステイの正常な圧壊が安定して生じるようにし、同時に初期荷重のピークを小さくして、バンパーステイのエネルギー吸収性能を向上させることを目的とする。

本発明に係るバンパービームは、いずれも平板状の衝突側フランジ、車体側フランジ、及び両フランジをつなぐ複数のウェブにより構成された矩形輪郭の断面を有するアルミニウム合金中空押出形材からなる。このアルミニウム合金中空押出形材は、両方の端部が車体側に曲げられ、前記端部の車体側フランジの所定位置にバンパーステイの取付部を有する。前記端部のうち少なくとも前記取付部を含む領域が車体側から衝突側に向けて途中まで潰し加工されていて、前記領域の断面において前記ウェブが曲げ変形しかつ衝突側フランジが断面外側に湾曲変形し、前記領域において前記衝突側フランジと車体側フランジの間隔が端に近いほど狭まり、これにより前記取付部において車体幅方向に対する車体側フランジの傾斜が減少している。

上記バンパービームにおいて、アルミニウム合金中空押出形材は両方の端部のみが車体側に曲げられていてもよいし、全長にわたり衝突側フランジを曲げの外側にして曲げ加工されていてもよい。後者の場合、両方の端部は当然車体側に曲げられていることになる。
上記バンパービームの車体側フランジは、前記取付部において車体幅方向に対し略平行であることが好ましい。また、潰し加工された領域の断面は、前記ウェブが中空部の断面内側に曲げ変形していることが好ましい。

本発明に係るバンパービームは、両方の端部のうち少なくともバンパーステイの取付部を含む領域が、車体側から衝突側に向けて潰し加工されていて、前記領域において車体幅方向に対する車体側フランジの傾斜が減少している。このため、オフセットバリア衝突時にバンパービームからバンパーステイに伝達される荷重の方向がバンパーステイの軸方向に近づき又は方向差がなくなり、バンパーステイの正常な圧壊が安定して生じるようになる。その結果、バンパーステイが縦圧壊型の場合、バンパーステイの規則的な圧壊が生じやすくなり、圧壊時の荷重変動の振幅が小さくなる。また、バンパーステイが横圧壊型の場合、バンパーステイが横倒れしにくく、それに伴い重量増加を抑えることができる。

本発明に係るバンパービームは、取付部を含む領域が途中まで潰し加工されていて、潰し加工された領域において、ウェブが曲げ変形しかつ衝突側フランジが断面外側に湾曲変形している。このため、オフセットバリア衝突の初期に、湾曲した衝突側フランジを平坦化する変形が生じ、かつウェブは曲げ変形しやすく、初期荷重のピークが小さくなる。
本発明に係るバンパービームは、潰し加工された領域において、衝突側フランジが断面外側に凸状に湾曲しているが、これはもともと平板状のフランジが潰し加工に伴って湾曲したもので、バンパービームの重量増には結びつかない。
なお、本発明に係るバンパービームは、潰し加工されていない箇所（主として両端部の間）の衝突側フランジは平坦であり、フラットバリア衝突に対し、従来のバンパービームと同レベルのエネルギー吸収特性が確保できる。

本発明に係るバンパービームの平面図（実線）であり、バンパービームの端部にバンパーステイを取り付けている。破線は潰し加工前の端部の平面視形状を示す。 図１のＩ−Ｉ断面図（実線）である。破線は潰し加工前の端部のＩ−Ｉ断面図である。 本発明に係るバンパービームの端部を潰し加工する方法を説明する一部断面図である。実線は潰し加工後の端部の断面形状であり、車体側フランジに取り付けられるバンパーステイが２点鎖線で示されている。破線は潰し加工前の端部の断面形状を示す。 実施例のオフセットバリア衝突試験を説明する図である。 実施例のオフセットバリア衝突試験に基づくエネルギー吸収曲線の概念図である。

以下、図１〜５を参照して、本発明に係るバンパービームについて詳細に説明する。
図１に示すバンパービーム１はアルミニウム合金押出形材を所定長さに切断し、両方の端部のみを車体側に曲げた後、潰し加工を行ったものである。図２に破線で示すように、アルミニウム合金押出形材の当初断面は、互いに平行な衝突側フランジ２ａと車体側フランジ３ａ、及び両フランジを垂直に連結しかつ互いに平行な上ウェブ４ａ、下ウェブ５ａ、及び中間ウェブ６ａからなり、矩形輪郭を有する。これらのフランジ及びウェブはいずれも平板状である。

アルミニウム合金押出形材は、長手方向の所定箇所が、衝突側フランジ２ａを曲げの外側にして曲げ加工され、両方の端部７，７が車体側に曲げられる。曲げ加工後のアルミニウム合金押出形材の端部の形状が、図１に破線で示されている。
次いで、端部７，７のうちバンパーステイ８の取付部を含む領域Ａが、車体側から衝突側に向けて途中まで潰し加工される。図２に実線で示すように、潰し加工後のアルミニウム合金押出形材（バンパービーム１）では、上ウェブ４、下ウェブ５及び中間ウェブ６は曲げ変形している。また、衝突側フランジ２は断面外側（衝突側）に湾曲変形し、車体側フランジ３は元の平坦な形状を保ったまま衝突側フランジ２側に寄り、両者の間隔が狭められている。
なお、潰し加工前の各フランジ及びウェブと、潰し加工後の各フランジ及びウェブを区別するため、潰し加工前の各フランジ及びウェブに対しては番号のあとに符号ａを付与することとする。

図１に実線で示す端部７の形状から分かるように、領域Ａにおいて、車体側フランジ３と衝突側フランジ２の間隔は、バンパービーム１の端に近いほど狭められている。このため、上ウェブ４、下ウェブ５及び中間ウェブ６は、いずれもバンパービーム１の端に近いほど潰し加工の程度が大きい。ただし、完全に潰れている部分はない。領域Ａにおいて、車体側フランジ３と衝突側フランジ２の間隔は、バンパービーム１の端に近いほど狭められているから、車体側フランジ３は車体幅方向に対する傾斜が減少し、この例では車体幅方向に対し略平行とされている。
図１において、バンパービーム１の領域Ａ内に設定された取付部にバンパーステイ８が取り付けられている。バンパーステイ８の軸方向は車体前後方向に設定されるが、同方向は前記取付部における車体側フランジ３に対しほぼ垂直である。

端部７の潰し加工は、端部７を図３に示す上下の金型１１，１２で挟み、両金型の間隔を狭めることにより行う。上金型１１の加圧面は、曲げ加工後のアルミニウム合金押出形材の長手方向に沿って凹湾曲した一対の溝１３，１４を有する。下金型１２の加圧面は平面である。下金型１１上の所定位置に曲げ加工後のアルミニウム合金押出形材（図３に破線で示す）の端部を設置し、両金型１１，１２の間隔を狭め、両金型１１，１２で端部を挟み、潰し加工する。潰し加工により、上ウェブ４、下ウェブ５及び中間ウェブ６が曲げ変形し、衝突側フランジ２が断面外側に湾曲変形して前記溝１３，１４内に入る。一方、車体側フランジ３は金型１２に押さえられ、平坦を保つ。

上ウェブ４と下ウェブ５は断面内側に曲げ変形させることが望ましい。中間ウエブはどちらでもよい。上ウェブ４と下ウェブ５は断面内側に曲げ変形させる方法の一例が、例えば特許文献３の図９に記載されている。潰し加工に伴い、上ウェブ４と下ウェブ５が断面内側に曲げ変形する一方で、衝突側フランジ２と車体側フランジ３は共に断面外側に湾曲変形しようとする。参考のため、図３に湾曲変形しようとする車体側フランジを点線３Ａで示す。潰し加工後、衝突側フランジ２は前記溝１３，１４内で押さえられ所定形状に湾曲変形し、車体側フランジ３は平坦な金型１２の加圧面に押さえられ、点線３Ａで示すようには変形せず、平坦を保つ。バンパーステイ８は平坦な車体側フランジ３に取り付けられる。

本発明に係るバンパービーム用アルミニウム合金押出形材の断面は、衝突側フランジ、車体側フランジ、及び両フランジをつなぐ複数のウェブにより構成される。フランジの数は衝突側フランジと車体側フランジの２つだが、ウェブの数は図２等に示すように３つでも、２つ（特許文献２参照）でも、あるいは４つ以上（特許文献１の図４参照）でもよい。ウェブの数が２つ又は４つ以上の場合でも、潰し加工時、上ウェブ（上端のウェブ）と下ウェブ（下端のウェブ）を断面内側に曲げ変形させることにより、衝突側フランジと車体側フランジを共に断面外側に湾曲変形させることができる。

本発明に係るバンパービーム用アルミニウム合金押出形材の材料は、特に限定されないが、６０００（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ（−Ｃｕ））系又は７０００（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ（−Ｃｕ））系の熱処理型アルミニウム合金が好ましい。このアルミニウム合金を所定の断面形状に押出成形した後、例えば次の工程によりバンパービームを作製する。アルミニウム合金押出形材を所定長さに切断し、両方の端部を車体側に曲げる。このとき、両方の端部のみを車体側に曲げる場合と、長さ全体にわたり衝突側フランジを曲げの外側にして曲げ加工する場合があり得る。後者の場合、結果的に両方の端部は車体側に曲げられた形となる。前者の場合、図１に示すように端部のほぼ全体が直線的となるように曲げる場合と、端部全体を湾曲させる場合があり得る。
次に、必要に応じて（材料が自然時効硬化している場合）、復元処理（通常の時効硬化処理温度より高い温度に加熱して材料を軟化させる処理）を施して成形性を向上させ、続いて潰し加工を行う。潰し加工後、時効硬化処理を施す。ステイの取り付けは時効硬化処理の前後いずれかに行う。

７０００系アルミニウム合金を押出成形して、衝突側フランジ、車体側フランジ、及び両フランジをつなぐ３つのウェブにより構成された矩形断面のアルミニウム合金押出形材（図２参照）を得た。断面の輪郭は６０ｍｍ×１２０ｍｍで肉厚が２ｍｍ、中間ウェブも肉厚が２ｍｍである。アルミニウム合金押出形材を所定長さに切断し、両方の端部を図１に示すように車体側に曲げた。端部の傾斜角度は車体幅方向に対し１０°とした。次いで、このアルミニウム合金押出形材の端部に復元処理を施した後、図３に示す方法で潰し加工を行い、さらに時効硬化処理を行って、実施例のバンパービームを製作した。潰し加工した端部のウェブは断面内側に曲げ変形し、衝突側フランジは断面外側に湾曲変形し、車体側フランジは平坦で車体幅方向に対し略平行であった（いずれも図２参照）。なお、バンパービームは前後方向の幅が６０ｍｍ、上下方向の幅が１２０ｍｍである。

続いて、図４に示すように、車体側フランジに縦圧壊型バンパーステイを接合した。バンパーステイの前フランジはバンパーステイの軸に対し垂直とし、車体幅方向の幅を７０ｍｍとし、この前フランジをバンパービームの車体側フランジにボルト締結した。
比較例として、復元処理と潰し加工を行わない点のみが実施例のバンパービームと異なるバンパービームを製作した。端部の傾斜角度は車体幅方向に対し１０°であり、バンパーステイは傾斜した車体側フランジに接合した。バンパーステイの前フランジはバンパーステイの軸に垂直な面に対し１０°傾斜させ、車体幅方向の幅を７０ｍｍとし、この前フランジをバンパービームの傾斜した車体側フランジにボルト締結した。実施例と比較例のバンパーステイは、同材質かつ同断面形状のアルミニウム合金押出管からなる。

図４に実施例のバンパー構造体（バンパーステイを取り付けたバンパービーム）を実線で示し、比較例のバンパービーム（端部の形状のみ異なる）を破線で示す。実施例のバンパーステイの軸方向長さを比較例のものより前後方向にやや長くし、バンパー構造体の前後方向高さＨ（図４参照）を、実施例と比較例で同一とした。
実施例と比較例のバンパー構造体を用いて、図４に示すように、低速度衝突を模したオフセットバリア衝突試験を行った。バリア１５は前面が１０°傾斜し、バンパービームの端部の衝突側フランジと平行である。オフセットバリア衝突試験の結果から、エネルギー吸収曲線（荷重−変形量）を求めた。

図５は、オフセットバリア衝突試験で実際に得られたエネルギー吸収曲線に基づいて描いた概念図である。実線は実施例、破線は比較例であり、いずれもバンパーステイが潰れ切り、荷重が急激に立ち上がり始めるまでのエネルギー吸収曲線である。
実施例では、潰し加工を受けたバンパービームが先に変形を始め、続いてバンパーステイが縦に潰れ始め、潰れ切ったところで荷重が急激に立ち上がる。一方、比較例では、バンパーステイが先に潰れ始め、潰れ切ったところで荷重が急激に立ち上がり、その後、バンパービームが圧壊する。その結果、実施例は比較例に比べて初期ピーク荷重が低く、圧壊の進行に伴う荷重の落ち込みが小さい。また、実施例は荷重が急激に立ち上がり始めるまでのストローク（有効ストローク）が長く、有効ストローク内のエネルギー吸収量が比較例より大きい。

１ バンパービーム
２ 衝突側フランジ
３ 車体側フランジ
４ 上ウェブ
５ 下ウェブ
６ 中間ウェブ
Ａ 潰し加工を行った領域

Claims (4)

1. いずれも平板状の衝突側フランジ、車体側フランジ、及び両フランジをつなぐ複数のウェブにより構成された矩形輪郭の断面を有するアルミニウム合金中空押出形材からなり、前記アルミニウム合金中空押出形材の両方の端部が車体側に曲げられ、前記端部の車体側フランジの所定位置にバンパーステイの取付部を有するバンパービームにおいて、前記端部のうち少なくとも前記取付部を含む領域が車体側から衝突側に向けて途中まで潰し加工されていて、前記領域の断面において前記ウェブが曲げ変形しかつ衝突側フランジが断面外側に湾曲変形し、前記領域において前記衝突側フランジと車体側フランジの間隔が端に近いほど狭まり、これにより前記取付部において車体幅方向に対する車体側フランジの傾斜が減少していることを特徴とする自動車のバンパービーム。
2. 前記取付部において車体側フランジが車体幅方向に対し略平行であることを特徴とする請求項１に記載された自動車のバンパービーム。
3. 前記アルミニウム合金中空押出形材が全長にわたり衝突側フランジを曲げの外側にして曲げ加工されていることを特徴とする請求項１又は２に記載された自動車のバンパービーム。
4. 前記領域の断面において前記ウェブが中空部の断面内側に曲げ変形してい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自動車のバンパービーム。

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