JP6485606B1 - バンパービーム及び車両 - Google Patents

Abstract

軽量で強度の高い車両用バンパービームを提供する。車両用バンパービーム（１）は、第１部材（２）と、第２部材（３）と、を備える。第１部材（２）は、第１天板部（５）、２つの第１縦壁部（６）、及び２つの第１フランジ部（７）を含む。第１天板部（５）は、長手方向に垂直な断面において平坦である。第２部材（３）は、第２天板部（４）、２つの第２縦壁部（８）、及び２つの第２フランジ部（９ａ、９ｂ）を含む。第２天板部（４）は、第１天板部（５）と反対側に向かい突出する凸部（２０）を有する。２つの第２縦壁部（８）は、第２天板部（４）の両側部（４ａ、４ｂ）のそれぞれに繋がる。２つの第２縦壁部（８）は、第１縦壁部（６）それぞれに第１部材（２）の内側で近接して対向配置される。２つの第２フランジ部（９ａ、９ｂ）は、２つの第２縦壁部（８）それぞれに繋がり第１フランジ部（７）それぞれに接合して配置される。

Description

本発明は、車両用バンパービーム及びそのバンパービームが搭載された車両に関する。さらに詳しくは、自動車用のバンパービーム及びそのバンパービームが搭載された自動車に関する。

車両のバンパーの内側には、バンパービームが設けられる。衝突時の衝突荷重をバンパービームに負担させ、車両の安全性を確保するためである。近年、ＣＯ₂の削減及び燃費の向上の観点から、バンパービームを軽量化することが求められている。バンパービームの軽量化を実現するためには、バンパービームの板厚を薄くしつつ、バンパービームの強度を向上させる必要がある。

高強度のバンパービームはたとえば、特開平７−３０９１８４号公報（特許文献１）、特開平６−３２８９８８号公報（特許文献２）、特開平６−１７１４４１号公報（特許文献３）及び特開２０１１−１１１０７４号公報（特許文献４）に開示される。

特許文献１に開示されたバンパービームでは、接合された複数の部材によって形成される箱形の空間に、補強部材が配置される。補強部材は、車両の前後方向に沿う。これにより、従来のバンパービームと比べてバンパービームの強度は同等であり、且つ、軽量化及び低コストを実現することができる、と特許文献１には記載されている。

特許文献２に開示されたバンパービームは、箱形断面を形成し、その箱形断面の内側に補強部材を有する。補強部材は、車両の上下方向に沿う。したがって、車両の前後方向に荷重が加わったとき、上壁部及び下壁部の外側への変形が抑制される。これにより、バンパービームの強度が向上する、と特許文献２には記載されている。

特許文献３に開示されたバンパービームは、ハット形のプレス成形品を組み合わせて箱形の断面を形成し、その内部空間に補強部材を有する。補強部材は、車両の上下方向に沿う。これにより、バンパービームの強度が向上し、且つ、バンパービームの変形が抑制される、と特許文献３には記載されている。

特許文献４に開示されたバンパービームは、前部補強材と、後部補強材とを備える。前部補強材は、バンパービームの前面側から背面側に向けて凹んだ前部溝を含む。後部補強材は、バンパービームの前面側から背面側に向けて凹んだ後部溝を含む。前部溝は、後部溝に嵌合される。これにより、バンパービームのエネルギー吸収特性が向上する、と特許文献４には記載されている。

特開平７−３０９１８４号公報 特開平６−３２８９８８号公報 特開平６−１７１４４１号公報 特開２０１１−１１１０７４号公報

しかしながら、特許文献１〜３のバンパービームは、車両の安全性を確保するため、補強部材を備える。そのため、特許文献１〜３のバンパービームは重い。特許文献４のバンパービームの後部補強材は後部溝を含む。そのため、後部溝の壁の分、特許文献４のバンパービームは重い。

本発明の目的は、軽量で強度の高い車両用バンパービームを提供することである。

本発明の実施形態による車両用バンパービームは、第１部材と、第２部材と、を備える。第１部材は、第１天板部、２つの第１縦壁部、及び２つの第１フランジ部を含む。第１天板部は、第１部材の長手方向に垂直な断面において平坦である。２つの第１縦壁部は、第１天板部の両側部のそれぞれに繋がる。２つの第１フランジ部は、２つの第１縦壁部それぞれに繋がる。第２部材は、第２天板部、２つの第２縦壁部、及び２つの第２フランジ部を含む。第２天板部は、第１天板部と反対側に向かい突出する凸部を有する。２つの第２縦壁部は、第２天板部の両側部のそれぞれに繋がる。２つの第２縦壁部は、第１縦壁部それぞれに第１部材の内側で近接して対向配置される。２つの第２フランジ部は、２つの第２縦壁部それぞれに繋がり第１フランジ部それぞれに接合して配置される。

本発明によるバンパービームは、軽量で強度が高い。

図１は、本実施形態のバンパービームの断面図である。 図２は、ケース１のバンパービームの断面図である。 図３は、ケース２のバンパービームの断面図である。 図４は、ケース１のバンパービームの変形挙動を示す図であって、初期状態を示す図である。 図５は、図４に示す状態から変形が進行した状態を示す図である。 図６は、図５に示す状態から更に変形が進行した状態を示す図である。 図７は、ケース１及びケース２の荷重−たわみ線図である。 図８は、バンパービームの変形挙動を模式的に示す図である。 図９は、バンパービームの平面図である。 図１０は、本発明例１のバンパービームを示す図である。 図１１は、参考例のバンパービームを示す図である。 図１２は、比較例１のバンパービームを示す図である。 図１３は、実施例１の各バンパービームの荷重−たわみ曲線である。 図１４は、実施例５のバンパービームの凸部の角度を示す図である。 図１５は、比較例２〜５のバンパービームを示す図である。

本明細書において、バンパービームを構成する部材の「長手方向」とは、バンパービームが車両の前部又は後部に取り付けられた場合の車幅方向を意味する。本明細書において、バンパービームを構成する部材に関する「長さ」とは、対象部材の長手方向の距離を意味する。本明細書において、バンパービームを構成する部材に関する「幅」とは、バンパービームが車両の前部又は後部に取り付けられた場合の車高方向の距離を意味する。本明細書において、バンパービームを構成する部材に関する「高さ」とは、バンパービームが車両の前部又は後部に取り付けられた場合の車長方向の距離を意味する。

本明細書において、「最大許容荷重」とは、バンパービームが座屈したときにバンパービームに負荷されている最大荷重を意味する。

（１）本実施形態による車両用バンパービームは、第１部材と、第２部材と、を備える。第１部材は、第１天板部、２つの第１縦壁部、及び２つの第１フランジ部を含む。第１天板部は、長手方向に垂直な断面において平坦である。２つの第１縦壁部は、第１天板部の両側部のそれぞれに繋がる。２つの第１フランジ部は、２つの第１縦壁部それぞれに繋がる。第２部材は、第２天板部、２つの第２縦壁部、及び２つの第２フランジ部を含む。第２天板部は、第１天板部と反対側に向かい突出する凸部を有する。２つの第２縦壁部は、第２天板部の両側部のそれぞれに繋がる。２つの第２縦壁部は、第１縦壁部それぞれに第１部材の内側で近接して対向配置される。２つの第２フランジ部は、２つの第２縦壁部それぞれに繋がり第１フランジ部それぞれに接合して配置される。

本実施形態のバンパービームでは、第２部材の第２縦壁部が第１部材の第１縦壁部に対向配置される。この場合、バンパービームに衝突荷重が負荷されると、第１部材の変形を第２部材が抑制する。また、第２天板部が凸部を有するため、バンパービームに衝突荷重が負荷されると、第２天板部の凸部以外の領域は、変形し第１縦壁部に向かって移動する。そのため、第１縦壁部のバンパービーム内側への変形は抑制される。これにより、本実施形態のバンパービームの強度は、補強部材の追加がなくても高い。したがって、本実施形態のバンパービームは軽量で強度が高い。

（２）上記（１）に記載のバンパービームにおいて、第２縦壁部の高さｈ１と第１縦壁部の高さＨとの比ｈ１／Ｈは、０．１以上、０．５以下であるのが好ましい。

（３）上記（１）又は（２）に記載のバンパービームにおいて、第１縦壁部と第２縦壁部との隙間は、０ｍｍ以上、１０ｍｍ以下であるのが好ましい。

（４）上記（１）〜（３）に記載のバンパービームにおいて、第２天板部の凸部の幅ｗ１と第１天板部の幅Ｗとの比ｗ１／Ｗは、０．１以上、０．７以下であり、第２天板部の凸部の高さｈ２と第２部材の第２縦壁部の高さｈ１との比ｈ２／ｈ１は、０．５以上、１．１以下であるのが好ましい。

（５）上記（１）〜（４）に記載のバンパービームにおいて、第１フランジ部と第２フランジ部とが溶接、接着、リベット、又はこれらの併用によって接合されているのが好ましい。

（６）上記（１）〜（５）に記載のバンパービームにおいて、第１部材及び第２部材は鋼板からなり、鋼板の引張強度が１ＧＰａ以上であるのが好ましい。

（７）上記（１）〜（６）に記載のバンパービームの第１フランジ部と第２フランジ部の接合部は、第１フランジ部の第１縦壁部側の縁から１５ｍｍ以内の領域に設けられるのが好ましい。接合部が第１縦壁部から離れるほど、第２部材が面外変形しやすくなり、第１縦壁部の変形を抑止する効果が落ちるからである。

（８）上記（１）〜（７）に記載のバンパービームの長手方向に垂直な断面において、第１天板部の全部は第１縦壁部の２等分点同士を結ぶ直線より第２部材と反対側に位置するのが好ましい。

（９）上記（１）〜（８）に記載のバンパービームが配置される車両は、上記（１）〜（８）に記載のバンパービームを車両の前部又は後部に備える。この場合、バンパービームの第２部材が車両の外側になるよう配置される。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。また、以下では例として、本実施形態のバンパービームを自動車のフロントバンパーに適用する場合を説明する。

図１は、本実施形態のバンパービームの断面図である。図１では、バンパービームの長手方向に垂直な断面を示す。図１を参照して、バンパービーム１は、車両のバンパー１０の内側に配置される。バンパービーム１は、第１部材２及び第２部材３を備える。バンパービーム１は、図１に示す断面形状を有し、車幅方向に延在する。

［第１部材］
第１部材２は、第１天板部５、２つの第１縦壁部６ａ、６ｂ及び２つの第１フランジ部７ａ、７ｂを含む。第１天板部５は、バンパービーム１の長手方向に垂直な断面において、平坦である。ここで、平坦とは、第１天板部５が厳密に平坦であり、一切の凹凸及び湾曲がないことのみを意味するものではない。本明細書において、平坦とは、バンパービーム１の長手方向に垂直な断面において、第１天板部５の全部が一方の第１縦壁部６ａの車長方向の２等分点と、他方の第１縦壁部６ｂの車長方向の２等分点とを結ぶ直線より第２部材３と反対側（車長方向の後方）に位置することを含む。

第２部材３から第１部材２に向かう荷重によりバンパービーム１が変形する際、第１天板部５の長手方向に引張力が生じる。第１天板部５に生じる引張力は、第１天板部５の断面積及び第１天板部５に生じる引張応力に依存する。詳細は実施例７で述べるが、特許文献４のバンパービームの第１天板部５の断面積は小さい（図１５参照）。そのため、特許文献４の第１天板部５に生じる引張力は小さい。また、板厚が同じであれば、特許文献４のバンパービームの質量は、第１天板部５の凸部４０（図１５参照）の分、重い。したがって、特許文献４のバンパービームの構成では、単位質量当たりの最大許容荷重をより高くすることは困難である。一方、本実施形態のバンパービーム１の第１天板部５は平坦であるため、単位質量当たりの最大許容荷重をより高くすることができる。

２つの第１縦壁部６ａ、６ｂそれぞれの一端は第１天板部５の両側部５ａ、５ｂのそれぞれに繋がる。第１縦壁部６ａ、６ｂの他端は第１フランジ部７ａ、７ｂそれぞれに繋がる。第１部材２の断面形状は、ハット形の開断面である。すなわち、２つのフランジ部７ａ、７ｂ同士の間は、開放している。第１部材２は例えば、金属板をプレス成形したものである。これに限らず、第１部材２は他の素材でもよい。例えばＣＦＲＰ等の金属以外の素材でもよい。

［第２部材］
第２部材３は、第２天板部４、２つの第２縦壁部８ａ、８ｂ及び２つの第２フランジ部９ａ、９ｂを含む。第２天板部４は、第１天板部５と反対側に向かい突出する凸部２０を有する。２つの第２縦壁部８ａ、８ｂは、第２天板部４の両側部４ａ、４ｂのそれぞれに繋がる。第１部材２と第２部材３とでバンパービーム１を構成した場合の配置は次のとおりである。第２縦壁部８ａ、８ｂは、第１縦壁部６ａ、６ｂそれぞれに対向配置される。第２縦壁部８ａ、８ｂは、第１縦壁部６ａ、６ｂに近接する。第２縦壁部８ａ、８ｂと第１縦壁部６ａ、６ｂとの間には僅かな隙間ｄがあってもよい。第２縦壁部８ａ、８ｂは、第１部材２の内側に配置される。すなわち、第２縦壁部８ａ、８ｂは、第１縦壁部６ａ、６ｂ同士の間に配置される。

２つの第２フランジ部９ａ、９ｂは、第２縦壁部８ａ、８ｂそれぞれに繋がる。第２部材３と第１部材２との間には接合部５１が設けられる。具体的には、第２フランジ部９ａ、９ｂはそれぞれ、第１フランジ部７ａ、７ｂに接合される。第２部材３は、第１フランジ部７ａ、７ｂ同士を連結する。すなわち、互いに接合された第１部材２及び第２部材３は、閉断面を形成する。第２部材３は例えば、金属板をプレス成形したものである。これに限らず、第２部材３は他の素材でもよい。例えばＣＦＲＰ等の金属以外の素材でもよい。

このようなバンパービーム１は、第２部材３を車両の外側になるよう配置される。バンパービーム１の第２部材３が車両の外側になるよう配置されるとは、第２部材３の配置の向きを意味する。バンパービーム１の第２部材３が車両の外側に露出していることを意味しない。例えば、バンパービーム１が車両のフロントバンパーのバンパービームとして適用される場合、第２部材３は車両の前方側になるよう配置される。この場合、第１部材２が車両の後方側になるよう配置される。バンパービーム１が車両に搭載された状態では、第１部材２の第１天板部５及び第２部材３の第２天板部４の垂線は概ね車長方向に沿う。第１部材２の第１縦壁部６ａ、６ｂの垂線は、それぞれ概ね車高方向に沿う。これにより、バンパービーム１は車長方向の衝突に対し高いエネルギー吸収効率を有する。ここで、エネルギー吸収効率は、衝突荷重が負荷されたときにバンパービームが吸収するエネルギーをバンパービームの質量で除した値である。すなわち、エネルギー吸収効率が高いバンパービームは、軽量で強度が高い。以下、この点について詳述する。

［第２部材の位置による効果］
図２及び図３は、補強部材を備えない一般的なバンパービームの断面図である。図２に示すように、バンパービーム１００の第２部材１０２は、単なる平板状の部材である。すなわち、第２部材１０２は、図１に示す本実施形態の第２部材３のように、第２縦壁部８ａ、８ｂ（以下、総称して第２縦壁部８とも称する。）及び第２天板部４を有さない。

バンパービームの車両への配置は、２通りある。１つ目は、図２に示すように、第２部材１０２を車両の外側になるよう配置する場合（以下、ケース１と称する。）である。２つ目は、図３に示すように、第１部材１０１を車両の外側になるよう配置する場合（以下、ケース２と称する。）である。本発明者らは、バンパービームの基本的な特性を把握するため、ケース１及びケース２に関し、動的３点曲げシミュレーションによってエネルギー吸収効率を調査した。

ケース１では第２部材１０２の長手方向の中央に車高方向の全域にわたり天板部１０５に向かう方向の荷重Ｐを負荷した。ケース２では天板部１０５の長手方向の中央に車高方向の全域にわたり第２部材１０２に向かう方向の荷重Ｐを負荷した。そして、バンパービームの変形挙動を調査した。その際、各バンパービームについて、荷重Ｐとたわみ量との関係を調べた。ここで、たわみ量は、荷重Ｐを負荷した部分のたわみ量をいう。動的３点曲げシミュレーションでは、荷重負荷速度を９ｋｍ／ｈとし、支点間距離を８００ｍｍとした。その結果を図４〜図７に示す。

図４〜図６は、ケース１のバンパービームの変形挙動を示す図である。バンパービームの変形は図４、図５及び図６に示す順に進行する。図４〜図６を参照して、第２部材１０２に荷重Ｐが負荷されると、縦壁部１０６の端部Ｘ近傍にバンパービームの長手方向（車幅方向）に沿って圧縮力が作用する。ここで、圧縮力は２つの縦壁部１０６それぞれをバンパービームの長手方向に縮ませようとする力をいう。この圧縮力の作用により、縦壁部１０６の第２部材１０２側の端部Ｘは、車高方向の中央に向けて移動する。その結果、縦壁部１０６は変形し、終には座屈する。縦壁部１０６が座屈すると、長手方向に垂直な断面において、バンパービームの高さが大きく低下する。

図７は、ケース１及びケース２のバンパービームに関する荷重−たわみ線図である。縦軸は荷重を示し、横軸はたわみ量を示す。図７中、実線はケース１のバンパービームの結果を示し、破線はケース２のバンパービームの結果を示す。図７に示す荷重−たわみ線図から次のことが示される。ケース１では、たわみ量が約３８ｍｍのとき、最大許容荷重となる。最大許容荷重は約６２ｋＮである。たわみ量が約３８ｍｍよりも大きくなると、縦壁部１０６が座屈する。ケース２では、たわみ量が約４２ｍｍのとき、最大許容荷重となる。最大許容荷重は約５０ｋＮである。たわみ量が約４２ｍｍよりも大きくなると、縦壁部１０６が座屈する。これより、ケース１の最大許容荷重はケース２の最大許容荷重と比べて高いことがわかる。

ケース１のバンパービームでは、図４〜図６に示すように、縦壁部１０６に作用する圧縮力により、端部Ｘが早期にバンパービームの車高方向の中央に向けて移動するため縦壁部１０６が変形し座屈する。つまり、端部Ｘの移動を抑制すれば、縦壁部１０６が早期に座屈することを抑制することができる。そこで、図１に示すように、本実施形態のバンパービーム１では第１部材２の第１縦壁部６同士の間（第１部材２の内部）に、第２部材３の第２縦壁部８及び第２天板部４が配置される。

［第２縦壁部による効果］
図１を参照して、バンパービームに衝突荷重が負荷されるとバンパービームは曲げ変形する。このとき、上述したように第１縦壁部６の端部Ｘは、車高方向のバンパービーム中央に向けて移動する。本実施形態のバンパービームでは、第１縦壁部６の内側には第２部材３の第２縦壁部８が存在する。そのため、第１縦壁部６の端部Ｘが移動すると、端部Ｘは第２縦壁部８と接触する。これにより、第１縦壁部６の端部Ｘの内側への変形は抑制される。その結果、第１縦壁部６の座屈が抑制され、バンパービームの最大許容荷重が高くなる。

後述する実施例２に基づき、第２縦壁部８の高さｈ１と第１縦壁部６の高さＨとの比ｈ１／Ｈは、０．１以上、０．５以下であるのが好ましい。ここで、第１縦壁部６の高さＨは、第１天板部５と第１フランジ部７との間の距離をいう。また、第２縦壁部８の高さｈ１は、第２天板部４と第２フランジ部９ａ、９ｂとの間の距離をいう。

比ｈ１／Ｈが小さいと、衝突荷重が付加された際に、第１縦壁部６の端部Ｘとその周囲が接触する第２縦壁部８の領域が小さい。そのため、第１縦壁部６の変形を抑制しにくい。したがって、バンパービームの最大許容荷重は十分に高くなりにくい。したがって、比ｈ１／Ｈの下限は、好ましくは、０．１である。より好ましくは、比ｈ１／Ｈの下限は０．２である。

第１縦壁部６の端部Ｘは、第２縦壁部８の第２天板部４に近い領域と接触するのが好ましい。第２天板部４の反力によって第１縦壁部６の端部Ｘのバンパービーム中央（内側）への移動が抑制されるからである。比ｈ１／Ｈが大きいと、第２天板部４と第１縦壁部６の端部Ｘとの距離が遠い。第１縦壁部６の端部Ｘが第２縦壁部８に接触しても、第１縦壁部６の端部Ｘが第２天板部４から受ける反力は小さい。そのため、第１縦壁部６の変形を抑制しにくく、バンパービームの最大許容荷重は十分に高くなりにくい。したがって、比ｈ１／Ｈの上限は、好ましくは、０．５である。より好ましくは、比ｈ１／Ｈの上限は０．４である。

第２縦壁部８は第１縦壁部６に近接して対向配置される。第１縦壁部６と第２縦壁部８との間には隙間ｄがあってもよい。後述する実施例３に基づき、この隙間ｄは、０ｍｍ以上、１０ｍｍ以下であるのが好ましい。隙間ｄが０、すなわち隙間が無い状態が最もバンパービームの最大許容荷重が高い。その反面、隙間を無くして第１部材２と第２部材３を製造すれば、それぞれの部材に要求される寸法精度が厳しくなる。生産性を考慮して多少の隙間ｄは容認される。逆に、隙間ｄが大きすぎれば、第１縦壁部６が座屈した後に第１縦壁部６の端部Ｘが第２縦壁部８に接触する。すなわち、第１縦壁部６が第２縦壁部８と離れすぎているため、第１縦壁部６の端部Ｘの内側への移動が第２縦壁部８によって抑制されない。すなわち、バンパービームの最大許容荷重は高くなりにくい。したがって、隙間ｄの上限は、好ましくは、１０ｍｍである。より好ましくは、隙間ｄの上限は、９ｍｍである。

第２フランジ部９ａ、９ｂは、第１縦壁部６ａ、６ｂと近い位置で第１フランジ部７ａ、７ｂと接合されることが好ましい。第２天板部４は、曲げ変形時に長手方向に圧縮力を受け、車長方向に面外変形する。この結果、第２天板部４が車長方向前方に面外変形した場合、第１縦壁部６ａ、６ｂと第２縦壁部８ａ、８ｂが接触しにくくなり、第１縦壁部６ａ、６ｂが内側に変形することを抑制する効果が得にくくなる。この第２天板部４の車長方向前方への面外変形は、車高方向における接合部５１間の距離に依存し、接合部５１間の距離が長いほど面外変形しやすくなる。したがって、第１縦壁部６ａ、６ｂがバンパービーム中央側（内側）に変形することを抑制する効果を最大限発揮させるためには、第２フランジ部９ａ、９ｂ（以下、総称して第２フランジ部９とも称する。）は、第１縦壁部６ａ、６ｂと近い位置で第１フランジ部７ａ、７ｂと接合されることが好ましい。接合部５１は、第１フランジ部７ａ、７ｂの第１縦壁部６ａ、６ｂ側の端部から１５ｍｍ以内の領域に設けられることが望ましい。

［凸部の効果］
図１に示すように、第２天板部３の凸部２０は、平坦部２１及び壁部２２ａ、２２ｂを有する。図１では、壁部２２ａ、２２ｂは第２縦壁部８と平行である場合を示す。しかしながら、壁部２２ａ、２２ｂは第２縦壁部８と平行でなくてもよい。凸部２０は、第１部材２の第１天板部５と反対側に向かい突出する。すなわち、バンパービーム１を車両に取り付けた場合、凸部２０は車両の外側に向かい突出する。

図８は、バンパービームの変形挙動を模式的に示す図である。バンパービームに衝突荷重が負荷されると、凸部２０の平坦部２１は車長方向の後方に向かう方向に変形する（図８中の白抜き矢印参照）。このとき、車高方向の中央を挟んで、車両上側の壁部２２ａは車高方向上方に変形し、車両下側の壁部２２ｂは車高方向下方に変形する（図８中の実線矢印参照）。これにより、第２天板部４の凸部２０以外の領域（第２天板部４の底面２３）は、変形し第１縦壁部６に向かって移動する。そのため、第１縦壁部６のバンパービーム内側への変形は抑制される。これにより、第１縦壁部６は座屈が抑制されるため、バンパービームの最大許容荷重はさらに高くなる。

後述する実施例４に基づき、図１に示す凸部２０の幅ｗ１と第１天板部５の幅Ｗとの比ｗ１／Ｗは、０．１以上、０．７以下であるのが好ましい。ここで、第１天板部５の幅Ｗは、第１縦壁部６同士の間の距離をいう。凸部２０の幅ｗ１は、凸部２０の壁部２２ａ、２２ｂの間の距離をいう。なお、壁部２２ａ、２２ｂが第２縦壁部８と平行でない場合、凸部２０の幅ｗ１は、壁部２２ａ、２２ｂの平坦部２１と反対側（すなわち、凸部２０の開口部側）の端部同士の間の距離をいう。

比ｗ１／Ｗが小さいことは、凸部２０の車高方向の幅に比べ、第２天板部４の底面２３の車高方向の幅が大きいことを意味する。比ｗ１／Ｗが小さすぎると、第２天板部４の底面２３が衝突荷重方向にたわみやすく、第１縦壁部６の座屈を十分に抑制しにくい。したがって、比ｗ１／Ｗの下限は、好ましくは、０．１である。より好ましくは、比ｗ１／Ｗの下限は０．２である。

比ｗ１／Ｗが大きすぎれば、凸部２０の車高方向の幅が大きいため、凸部２０の平坦部２１が衝突荷重方向にたわみやすく、第１縦壁部６の座屈を十分に抑制しにくい。したがって、比ｗ１／Ｗの上限は、好ましくは、０．７である。より好ましくは、比ｗ１／Ｗの上限は０．６である。

後述する実施例６に基づき、図１に示す凸部２０の高さｈ２と第２部材３の第２縦壁部８の高さｈ１との比ｈ２／ｈ１は、０．５以上、１．１以下であるのが好ましい。ここで、凸部２０の高さｈ２は、凸部２０の平坦部２１と第２天板部４の底面２３との間の距離をいう。

比ｈ２／ｈ１が小さいと、凸部２０の高さが小さいため、凸部２０の壁部２２ａ、２２ｂが変形しにくい。そのため、バンパービームに衝突荷重が負荷されても、凸部２０が変形しにくく、第１縦壁部１６の変形を抑制しにくい。したがって、比ｈ２／ｈ１の下限は、好ましくは、０．５である。より好ましくは、比ｈ２／ｈ１の下限は０．６である。

比ｈ２／ｈ１が１．０の場合、衝突の最も初期から凸部２０が変形し始めるので、最も望ましい。また、比ｈ２／ｈ１が１．０より多少大きいのも許容する。比ｈ２／ｈ１が１．０より大きい場合、バンパービーム本体が衝突するより前に凸部２０が変形し始める。比ｈ２／ｈ１が１．０より大きいのは、第１縦壁部６と第２縦壁部８の間に隙間がある場合、特に推奨できる。なぜなら、バンパービーム本体が衝突したときには第１縦壁部６に向かって第２縦壁部８が接近しているからである。比ｈ２／ｈ１の１．０を超える量は、第１縦壁部６と第２縦壁部８の間の隙間の大きさに応じて決めればよい。例えば比ｈ２／ｈ１の上限は１．１を許容する。

ところで、第１フランジ部７と第２フランジ部９（図１参照）との接合は、例えば溶接がある。溶接方法は、例えば、スポット溶接、プラグ溶接、アーク溶接、レーザ溶接等である。しかしながら、第１フランジ部７と第２フランジ部９との接合は、溶接に限定されない。第１フランジ部７と第２フランジ部９との接合は、機械接合でもよい。機械接合は、例えば、リベット、ボルト及びナット、ねじ等である。また、第１フランジ部７と第２フランジ部９との接合は、接着剤でもよい。さらには、第１フランジ部７と第２フランジ部９との接合は、溶接、機械接合及び接着の併用でもよい。

上述したように、本実施形態のバンパービームでは、第２部材３を車両の外側になるよう配置される。例えば、図９に示すように、バンパービーム１は長手方向に湾曲している。この場合、湾曲しているバンパービーム１の外側の弧（図９中の第２部材３側）が、車両の外側に突出して配置される。また、バンパービーム１は、車両内側に配置されるクラッシュボックス、フロントサイドメンバー３０等に取り付けられる。そのため、バンパービーム１の車両内側の面（例えば第１天板部５）には、取り付け穴等が設けられる。要するに、バンパービーム１が車両に取り付けられなくても、バンパービーム１の第１部材２又は第２部材３のどちらの部品が、車両外側になるよう配置されるか判別できる。

上述の実施形態では、バンパービームが金属板からなる場合を説明した。金属板は、例えば、鋼板、アルミニウム板、チタン板、マグネシウム板、銅板、ニッケル板又はこれらの合金板、複層金属板等である。本発明はバンパービームの形状に関するものであるから、バンパービームに必要な強度さえ満たせばＣＦＲＰ等の金属以外を素材としてもよい。

本実施形態のバンパービームを自動車に適用する場合、第１部材及び第２部材は、引張強度が１ＧＰａ以上の鋼板からなるのが好ましい。この場合、バンパービームの質量を増大させることなく強度をより高くすることができ、車体の安全性がさらに向上し、かつ、車体の軽量化が図れる。

上述の実施形態では、車両がバンパービームを前部に備える場合を説明した。すなわち、本実施形態のバンパービームを自動車のフロントバンパーのバンパービームとして適用する場合を説明した。しかしながら、本実施形態のバンパービームはフロントバンパーのバンパービームに限定されない。本実施形態のバンパービームは、車両の後部に配置されてもよい。すなわち、本実施形態のバンパービームは、リアバンパー等に適用することもできる。いずれの場合であっても、バンパービームの第２部材が車両の外側になるよう配置される。

第２部材の形状が異なるバンパービームについて荷重負荷シミュレーションを行い、最大許容荷重及びエネルギー吸収効率を調べた。

図１０〜図１２は、実施例１の検討に用いたバンパービームのモデルを示す。図１０は、本発明例１のバンパービームを示す。図１１は、参考例のバンパービームを示す。図１２は、比較例１のバンパービームを示す。これらのバンパービームの諸寸法について、第１部材の縦壁部の高さＨは６０ｍｍ、第１天板部の幅Ｗは８０ｍｍ、第２部材の幅Ｗ２は１２０ｍｍとした。本発明例１及び参考例において、第１縦壁部と第２縦壁部との隙間ｄは０ｍｍ、第２縦壁部の高さｈ１は１５ｍｍとした。本発明例１において、凸部の高さｈ２は１５ｍｍ、凸部の幅ｗ１は３０ｍｍとした。本発明例１、参考例及び比較例１において、荷重Ｐは第２部材の中央に第１部材に向けて負荷した。第１部材及び第２部材は、引張強度が１３１０ＭＰａ、板厚が１．４ｍｍの鋼板を想定した。また、接合はスポット溶接をモデル化し、第１フランジ部７ａ、７ｂの第１縦壁部６ａ、６ｂ側の端部から１０ｍｍの領域に設けた。スポット溶接径を４．７ｍｍ、スポット溶接の中心間の間隔を３０ｍｍピッチとした。

図１３は、実施例１の各バンパービームに関する荷重−たわみ曲線である。図１３中、実線は本発明例１の結果を示し、破線は参考例を示し、１点鎖線は比較例１を示す。図１３に示す通り、本発明例１の最大許容荷重は５９．２ｋＮであった。参考例の最大許容荷重は５１．５ｋＮであった。比較例１の最大許容荷重は３４．１ｋＮであった。

実施例１のシミュレーション結果に基づき、各バンパービームの単位質量当たりの最大許容荷重及びたわみ量が６０ｍｍまでの各バンパービームのエネルギー吸収効率を算出した。その結果を表１に示す。なお、エネルギー吸収効率は、たわみ量が６０ｍｍまでのエネルギーに基づいて計算した。

表１に示すように、本発明例１の最大許容荷重は、比較例１の最大許容荷重よりも高かった。更に、本発明例１のエネルギー吸収効率は、比較例１のエネルギー吸収効率よりも高かった。

実施例２では、実施例１と同じ図１０に示す本発明例のモデルを用いて、第２縦壁部の高さｈ１を種々変更し、最大許容荷重を調べた。シミュレーションは、第２縦壁部の高さｈ１と第１部材の高さＨとの比ｈ１／Ｈ＝０．１７、０．２５、０．５０の３パターンについて行った。その結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例２で用いたバンパービームの最大許容荷重はいずれも、表１に示す比較例１のバンパービームの最大許容荷重３４．１ｋＮよりも高かった。更に、実施例２で用いたバンパービームの単位質量当たりの最大許容荷重はいずれも、表１に示す比較例１のバンパービームの単位質量当たりの最大許容荷重９．０ｋＮ／ｋｇよりも高かった。

実施例３では、実施例１と同じ図１０に示す本発明例のモデルを用いて、第１縦壁部と第２縦壁部との隙間ｄを種々変更し、最大許容荷重を調べた。隙間ｄは、ｄ＝０、５、１０ｍｍの２パターンについて行った。その結果を表３に示す。

表３に示すように、実施例３で用いたバンパービームの最大許容荷重はいずれも、表１に示す比較例１のバンパービームの最大許容荷重３４．１ｋＮよりも高かった。

実施例４では、実施例１と同じ図１０に示す本発明例のモデルを用いて、第２部材の凸部の幅ｗ１を種々変更し、最大許容荷重を調べた。シミュレーションは、凸部の幅ｗ１と第１天板部の幅Ｗとの比ｗ１／Ｗ＝０．５９、０．４１、０．１９の３パターンについて行った。その結果を表４に示す。

表４に示すように、実施例４で用いたバンパービームの最大許容荷重はいずれも、表１に示す比較例１のバンパービームの最大許容荷重３４．１ｋＮよりも高かった。更に、実施例４で用いたバンパービームの単位質量当たりの最大許容荷重はいずれも、表１に示す比較例１のバンパービームの単位質量当たりの最大許容荷重９．０ｋＮ／ｋｇよりも高かった。

実施例５では、実施例１と同じ図１０に示す本発明例のモデルを用いて、第２部材の凸部の角度θを種々変更し、最大許容荷重を調べた。ここで、凸部の角度θは、凸部の平坦部２１と凸部の壁部２２ａ、２２ｂとのなす角のうち、鋭角の方の角度をいう（図１４参照）。角度θは、θ＝９０、６０、４５°の３パターンについて行った。その結果を表５に示す。

表５に示すように、実施例５で用いたバンパービームの最大許容荷重はいずれも、表１に示す比較例１のバンパービームの最大許容荷重３４．１ｋＮよりも高かった。

実施例６では、実施例１と同じ図１０に示す本発明例のモデルを用いて、第２部材の凸部の高さｈ２を種々変更し、最大許容荷重を調べた。シミュレーションは、凸部の高さｈ２と第２縦壁部の高さｈ１との比ｈ２／ｈ１＝０．６７、１．０の２パターンについて行った。その結果を表６に示す。

表６に示すように、実施例６で用いたバンパービームの最大許容荷重はいずれも、表１に示す比較例１のバンパービームの最大許容荷重３４．１ｋＮよりも高かった。更に、実施例６で用いたバンパービームの単位質量当たりの最大許容荷重はいずれも、表１に示す比較例１のバンパービームの単位質量当たりの最大許容荷重９．０ｋＮ／ｋｇよりも高かった。なお、第１縦壁部と第２縦壁部との隙間ｄが０より大の場合、比ｈ２／ｈ１が１．０より多少大きいのも許容する。実施例３の結果から、隙間ｄは０に近いほど有利である。隙間ｄが０より大の場合、比ｈ２／ｈ１が１．０より大きいと、バンパービーム本体が衝突したときには第１縦壁部６に向かって第２縦壁部８が接近しているため有利である。例えば比ｈ２／ｈ１の上限は１．１を許容する。

実施例７では、実施例１と同じ図１０に示す本発明例のモデルと、特許文献４に示すバンパービームと同様の形状の比較例のモデルと、の最大許容荷重及び単位質量当たりの最大許容荷重を比較した。実施例７では、第１縦壁部の高さＨ＝４０、６０ｍｍの２パターンについてシミュレーションを行った。

図１５は、比較例２〜５のバンパービームを示す図である。図１５に示す通り、比較例２〜５のバンパービームの第１天板部５は、第２部材３側に向かって突出する凸部４０を含む。比較例２及び３のバンパービームでは、第１天板部５の凸部４０は、第２天板部４の凸部２０と接合された。比較例４及び５のバンパービームでは、第１天板部５の凸部４０は、第２天板部４の凸部２０と接合されなかった。実施例７では、本発明例と比較例の全てのモデルの引張強度は、９８０ＭＰａと想定した。本発明例２、比較例２及び比較例４では、各モデルの板厚を変更して、バンパービームの質量を極力同じにした。本発明例３、比較例３及び比較例５においても、同様にした。実施例７の結果を表７に示す。

表７に示すように、本発明例２のバンパービームの単位質量当たりの最大許容荷重は、本発明例２と同じ高さＨの比較例２及び４のバンパービームの単位質量当たりの最大許容荷重よりも高かった。同様に、本発明例３のバンパービームの単位質量当たりの最大許容荷重は、本発明例３と同じ高さＨの比較例３及び５のバンパービームの単位質量当たりの最大許容荷重よりも高かった。これは、以下の理由によるものと推定される。

図１５を参照して、バンパービームが変形する際、第１天板部５は長手方向に引き伸ばされる。すなわち、第１天板部５の長手方向に引張力が生じる。第１天板部５の各所に生じる引張の応力は、バンパービームの曲げの中立面Ｎからの距離に依存する。なぜなら、バンパービームの曲げの中立面Ｎから第１天板部５側に離れるほど変形量が大きくなり、引張の応力が増加するからである。バンパービームの曲げの中立面Ｎは、概ね第１縦壁部６の２等分点同士を結ぶ直線で定義される面と同じ位置になる。完全に一致しないのは、バンパービームを構成する板材の板厚が不均一等の条件により、中立面Ｎの位置が多少ずれることがあるからである。

特許文献４のバンパービームの第１天板部５は、バンパービームの内部に向かう凸部４０を有する。凸部４０が大きくなるほど凸部４０の断面積は大きくなる。すなわち、バンパービームの質量が増大する。一方、凸部４０のうち中立面Ｎに近い位置ほど、当該位置に生じる引張応力は小さくなる。部材に生じる引張力は、引張応力を断面積で積分して求めることができる。バンパービームに衝突荷重が付与された際に最も大きな引張応力が生じるのは第１天板部５である。特許文献４のバンパービームは凸部４０の分だけ第１天板部５が狭い。すなわち、特許文献４のバンパービームは、バンパービームのうち最も大きな引張張力が生じる領域が狭い。また、特許文献４のバンパービームには、バンパービームが変形する際に生じる引張応力の低い箇所（凸部４０）がある。このため本実施形態に比べ、特許文献４のバンパービームの単位質量当たりの最大許容荷重は低い。一方、凸部４０のうち、バンパービームの曲げの中立面Ｎを超えた箇所は逆に圧縮変形する。この場合、凸部４０のうち、平端部４１は面外変形するため、凸部４０の稜線部４２のみに圧縮応力が生じる。つまり、圧縮応力が生じる領域が小さく、凸部４０に生じる圧縮力は小さい。この結果、凸部４０のうち、バンパービームの曲げの中立面Ｎを超えた箇所は最大許容荷重の増加に貢献しづらい。

故に、本実施形態のバンパービームでは、第１天板部５にバンパービームの内部に向かう凸部があったとしても、その凸部はバンパービームの曲げの中立面Ｎを超えない。バンパービームの曲げの中立面Ｎとは、おおよそ一方の第１縦壁部６ａの車長方向の２等分点と、他方の第１縦壁部６ｂの車長方向の２等分点とを結ぶ直線により形成される（図１参照）。更に望ましくは、バンパービームの内部に向かう凸部があったとしても、第１縦壁部６ａの車長方向の５等分点のうち最も第１天板部５側の点と、他方の第１縦壁部６ｂの車長方向の５等分点のうち最も第１天板部５側の点とを結ぶ直線と第１天板部５の凸部は接触しない。

要するに、比較例のバンパービームは質量が大きく、第１天板部のうち引張力が発生する部分の面積が大きいこと及びバンパービームの質量が小さいことにより、本発明例のバンパービームの単位質量当たりの最大許容荷重は、比較例のバンパービームの単位質量当たりの最大許容荷重よりも大きくなった。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

１ バンパービーム
２ 第１部材
３ 第２部材
４ 第２天板部
５ 第１天板部
６ 第１縦壁部
７ 第１フランジ部
８ 第２縦壁部
９ 第２フランジ部
１０ バンパー
２０ 凸部
２１ 凸部の平坦部
２２ａ、２２ｂ 凸部の壁部
ｄ 第１縦壁部と第２縦壁部との隙間
Ｈ 第１縦壁部の高さ
ｈ１ 第２縦壁部の高さ
ｈ２ 凸部の高さ
Ｗ 第１天板部の幅
ｗ１ 凸部の幅
Ｐ 衝突荷重
Ｘ 第１縦壁部の端部

Claims (8)

1. 長手方向に垂直な断面において、平坦な第１天板部、前記第１天板部の両側部のそれぞれに繋がる２つの第１縦壁部、及び前記２つの第１縦壁部それぞれに繋がる２つの第１フランジ部を含む第１部材と、
   前記第１天板部と反対側に向かい突出する凸部を有する第２天板部、前記第２天板部の両側部のそれぞれに繋がり前記第１縦壁部それぞれに前記第１部材の内側で対向配置される２つの第２縦壁部、及び前記２つの第２縦壁部それぞれに繋がり前記第１フランジ部それぞれに接合して配置される２つの第２フランジ部を含む第２部材と、を備え、
   前記第１縦壁部と前記第２縦壁部との隙間は、０ｍｍ以上、１０ｍｍ以下である、車両用バンパービーム。
2. 請求項１に記載の車両用バンパービームであって、
   前記第２縦壁部の高さｈ１と前記第１縦壁部の高さＨとの比ｈ１／Ｈは、０．１以上、０．５以下である、車両用バンパービーム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の車両用バンパービームであって、
   前記第２天板部の前記凸部の幅ｗ１と前記第１天板部の幅Ｗとの比ｗ１／Ｗは、０．１以上、０．７以下であり、
   前記第２天板部の前記凸部の高さｈ２と前記第２部材の前記第２縦壁部の高さｈ１との比ｈ２／ｈ１は、０．５以上、１．１以下である、車両用バンパービーム。
4. 請求項１、請求項２又は請求項４に記載の車両用バンパービームであって、
   前記第１フランジ部と前記第２フランジ部とが溶接、接着、リベット、又はこれらの併用によって接合されている、車両用バンパービーム。
5. 請求項１、請求項２、請求項４又は請求項５に記載の車両用バンパービームであって、
   前記第１部材及び前記第２部材は鋼板からなり、前記鋼板の引張強度が１ＧＰａ以上である、車両用バンパービーム。
6. 請求項１、請求項２、請求項４、請求項５又は請求項６に記載の車両用バンパービームであって、
   前記第１フランジ部と前記第２フランジ部の接合部は、前記第１縦壁部側の縁から１５ｍｍ以内の領域に設けられる、車両用バンパービーム。
7. 請求項１、請求項２、請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７に記載の車両用バンパービームであって、
   前記長手方向に垂直な断面において、前記第１天板部の全部は前記第１縦壁部の２等分点同士を結ぶ直線より前記第２部材と反対側に位置する、車両用バンパービーム。
8. 請求項１、請求項２、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７又は請求項８に記載の車両用バンパービームを前部又は後部に備え、
   前記バンパービームの前記第２部材が車両の外側になるよう配置される、車両。

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