JP6625545B2 - 衝撃吸収部材 - Google Patents

Description

本発明は、軸方向に負荷される衝撃荷重を周期的な座屈によって吸収する衝撃吸収部材に関する。

自動車や鉄道、船舶等の輸送機械では、衝撃吸収部材が用いられる。その衝撃吸収部材は、衝突時に衝撃荷重を受けて変形することによって衝突のエネルギーを吸収でき、これに伴って乗員の安全を確保できる。このような衝撃吸収部材として、例えば、自動車の骨格部材やクラッシュボックスがある。

図１は、自動車における骨格部材およびクラッシュボックスの配置を模式的に示す斜視図である。同図に示すように、自動車の側部には、フロントサイドメンバー２、リアサイドメンバー３及びサイドシル７が配置されている。これらの部材は、いずれも、自動車の前後方向に沿って設けられる。フロントサイドメンバー２は自動車の側部のうちの前部に、リアサイドメンバー３は自動車の側部のうちの後部に、サイドシル７は自動車の側部のうちの中間部に配置される。

自動車の前後方向の中間部には、床（フロア）が設けられる。そのフロアには、フロアクロスメンバー（４、４’）が配置され、フロアクロスメンバー（４、４’）は自動車の幅方向に延びる。

クラッシュボックス（１ａ、１ｂ）は、上述の骨格部材で構成されるフレームの先端に配置される。より具体的には、第１のクラッシュボックス１ａがフロントサイドメンバー２の前端に設けられ、第２のクラッシュボックス１ｂがリアサイドメンバー３の後端に設けられる。

これらのフロントサイドメンバー２、リアサイドメンバー３、サイドシル７及びフロアクロスメンバー（４、４’）といった骨格部材、並びに、クラッシュボックス（１ａ、１ｂ）は、衝突時にそれらの軸方向に負荷される場合がある。この場合、それらの部材が軸方向に蛇腹状に縮むように座屈変形することにより、衝撃荷重を吸収する。

このような衝撃吸収部材は、材料である金属板を曲げや重ね合わせ溶接することによって作製できる。金属板から作製される衝撃吸収部材は、筒状である。すなわち、軸方向と垂直な断面での形状が閉じている。このため、衝撃吸収部材は、その内部が中空である。

衝撃荷重を周期的な座屈によって吸収する衝撃吸収部材に関し、従来から種々の提案がなされている。

特許文献１には、クラッシュボックスが記載されている。そのクラッシュボックスは、中空断面を形成する部材に加え、中空断面の上下方向の中央付近で中空領域を上下に仕切るように水平状に延びた中板を備える。中板を備えることにより、クラッシュボックスが衝突時に座屈して潰れずに、折れ曲がるのが抑制されるとしている。その構成例では、中空断面を形成する部材（第１の部材、第２の部材）および中板を構成する第３の部材は、それらの金属板の板厚がいずれも同じである。

特許文献２にも、クラッシュボックスが記載されている。そのクラッシュボックスは、フロントサイドメンバーとその車両前方側のバンパメンバーとの間に配置される。また、クラッシュボックスは、筒状のボックス本体と、ボックス本体の互いに対向した一対の対向壁部を連結するリンフォースとを備える。このようにボックス本体の中空部にリンフォースを設ければ、クラッシュボックスの性能を目標とする性能に設定する場合、リンフォースの形状や大きさによって所望の性能に設定できるとしている。この特許文献２では、ボックス本体及びリンフォースに用いられる金属板の板厚について、何ら検討されていない。

特許４７６６４２２号公報 特許５１６８４７７号公報

衝撃吸収部材は、前述のとおり、金属板から作製される場合がある。この場合、軸方向と垂直な断面での形状は、閉じており、例えば、多角形状である。このため、衝撃吸収部材は、その内部が中空である。

このような金属板から作製される衝撃吸収部材において、軸圧潰性能を確保する方法として、断面形状が矩形状であれば、短辺の直線部の幅Ｗｐ（後述の図２（ｂ）参照、単位：ｍｍ）と板厚ｔ（ｍｍ）との比（Ｗｐ／ｔ）を小さくする方法を採用できる。この方法では、Ｗｐ／ｔを小さくすることによって座屈波長が短くなり、衝撃吸収部材の吸収エネルギーを増加させることができる。

また、辺と辺とを繋ぐ稜線部の断面積の合計を増加させる方法も採用できる。この方法では、座屈荷重が高くなるとともに座屈挙動が安定し、衝撃吸収部材の吸収エネルギーを増加させることができる。

一方、特許文献１及び２には、中空部に軸方向に沿って、中板やリンフォースといった金属板材を設けることが記載されている。以下では、中空部を形成する金属板材を「本体」ともいい、中空部に軸方向に沿って設けられる金属板材を「中板」ともいう。

このように、衝撃吸収部材を本体及び中板で構成すれば、本体によるエネルギーの吸収を中板が補助することが可能となる。このため、衝撃吸収部材の吸収エネルギーを大きくすることができ、例えば、大型車の衝撃吸収部材において有効である。

衝撃吸収部材を本体及び中板で構成する場合、エネルギーの吸収を主に本体が担い、補助的に中板が担う。このため、中板の板厚は、本体の板厚より薄い。あるいは、特許文献１の構成例で示されるように、中板の板厚は、本体の板厚と同じである。

ところで、自動車では、燃費向上の観点から、部品の軽量化が要求されている。このため、衝撃吸収部材では、吸収エネルギーを確保しつつ軽量化することが要求されている。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、吸収エネルギーを確保しつつ軽量化できる衝撃吸収部材を提供することを目的とする。

本発明者らは、衝撃吸収部材を、吸収エネルギーを確保しつつ軽量化する方法について、鋭意検討した。

衝撃吸収部材を軽量化するためには、本体の板厚を薄くすることが考えられる。しかしながら、一般的に本体の板厚を薄くすれば、衝撃吸収部材が衝撃荷重を受けた場合、変形は面外変形（閉じた断面の外側に向かう変形）に支配され、衝撃吸収エネルギーは小さくなる。

本発明者らの検討の結果、衝撃吸収部材の中板を適切に設計すれば、中板の両側で位相が異なる座屈変形を発生させ、変形の振幅を小さく、波長を短くできることが可能であることを見出した。これにより、衝撃吸収部材が衝撃荷重を受けた場合の変形は座屈が支配的となり、その結果、衝撃吸収部材の吸収エネルギーが増加するのみならず、単位質量当たりの吸収エネルギーを増加させることができる。したがって、本体の板厚を薄くした場合でも、吸収エネルギーを確保することができ、吸収エネルギーを確保しつつ軽量化を行うことが可能となることが分かった。

本発明は上記の知見に基きなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。

［１］軸方向に負荷される衝撃荷重を吸収する衝撃吸収部材あって、上記衝撃吸収部材は、金属板から構成され、上記軸方向と垂直な断面での形状が多角形状である本体と、金属板から構成され、上記本体内の中空部に前記軸方向に沿って設けられる中板とを備え、上記本体の上記多角形状は、互いに対向する一対の長辺を有し、上記中板は、上記本体の上記多角形状の各長辺に接合され、上記本体の板厚が２ｍｍ以下であり、上記中板の板厚が上記本体の板厚よりも厚いことを特徴とする衝撃吸収部材。

［２］前記本体の板厚が２．３ｍｍ以下であることを特徴とする前記［１］の衝撃吸収部材。

［３］前記本体の板厚ｔ１（ｍｍ）、前記中板の板厚ｔ２（ｍｍ）が下記（１）式を満足することを特徴とする前記［１］又は［２］の衝撃吸収部材。
１．３×ｔ１≦ｔ２ ・・・（１）

［４］前記一対の長辺は、いずれも、前記長辺の幅Ｗ１（ｍｍ）が下記（２）式を満足することを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれかの衝撃吸収部材。
Ｗ１／ｔ１≧２０ ・・・（２）

［５］前記本体は、１枚の金属板からなり、前記中板は、前記本体の前記多角形状の各長辺に重ね合わせ溶接によって接合され、前記一対の長辺は、いずれも、前記中板の幅方向の中央位置における前記中板の板厚中心から前記長辺の両端点までの前記長辺の幅方向に沿う距離ｄ１ａ（ｍｍ）及びｄ１ｂ（ｍｍ）が下記（３）式を満足することを特徴とする前記［１］〜［４］のいずれかの衝撃吸収部材。
０．５≦ｄ１ａ／ｄ１ｂ≦２ ・・・（３）

［６］前記本体は、前記多角形状の一部となる第１の金属板、及び、前記多角形状の残部となる第２の金属板から構成され、前記第１の金属板及び前記第２の金属板は、前記多角形状の各長辺で前記中板とともに重ね合わせ溶接によって接合され、前記一対の長辺は、いずれも、前記中板の幅方向の中央位置における前記中板の板厚中心から前記第１の金属板における前記長辺の端点までの前記長辺の幅方向に沿う距離ｄ３ａ（ｍｍ）、及び、前記中板の幅方向の中央位置における前記中板の板厚中心から前記第２の金属板における前記長辺の端点までの前記長辺の幅方向に沿う距離ｄ３ｂ（ｍｍ）が下記（４）式を満足することを特徴とする前記［１］〜［５］のいずれかの衝撃吸収部材。
０．５≦（ｄ３ａ／ｔ１ａ）／（ｄ３ｂ／ｔ１ｂ）≦２ ・・・（４）
ただし、ｔ１ａ（ｍｍ）は第１の金属板の板厚、ｔ１ｂ（ｍｍ）は第２の金属板の板厚である。

［７］前記本体を構成する金属板は、引張強度７８０ＭＰａ以上の鋼板であることを特徴とする前記［１］〜［６］のいずれかの衝撃吸収部材。

［８］前記中板を構成する金属板のヤング率が１８０ＧＰａ以上であることを特徴とする前記［１］〜［７］のいずれかの衝撃吸収部材。

［９］自動車のクラシュボックス、又はフロントサイドメンバー、リアサイドメンバー、サイドシル、若しくはフロアクロスメンバーであることを特徴とする前記［１］〜［８］のいずれかの衝撃吸収部材。

本発明の衝撃吸収部材は、中板の両側で位相が異なる座屈変形が発生し、その変形の振幅が小さくなるとともに波長が短くなる。これにより、衝撃吸収部材の吸収エネルギーが増加するのみならず、単位質量当たりの吸収エネルギーを増加させることができる。したがって、本体の板厚を薄くした場合でも、吸収エネルギーを確保することができ、吸収エネルギーを確保しつつ軽量化を行うことが可能となる。

図１は、自動車における骨格部材及びクラッシュボックスの配置を模式的に示す斜視図である。 図２は、本発明の衝撃吸収部材の構成例を示す模式図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 図３は、中板の板厚を変化させた場合の本体の板厚と単位質量当たりの吸収エネルギーとの関係を示す図である。 図４は、本体が１枚の金属板からなる場合の別の構成例を示す断面図であり、同図（ａ）は、中板の直線状部が本体の長辺に対して非垂直である構成例を示し、同図（ｂ）は、本体が台形状である構成例を示す。 図５は、本体が２枚の金属板からなる場合の構成例を模式的に示す断面図である。 図６は、実施例の荷重と変位（軸方向変位）との関係を示す図である。 図７は、比較例１及び比較例２における衝撃吸収部材の長辺面におけるＸ方向の変位を示す図である。 図８は、本発明例１及び比較例２における衝撃吸収部材の長辺面におけるＸ方向の変位を示す図である。

以下に、本実施形態の衝撃吸収部材について、図面を参照しながら説明する。

図２は、本発明の衝撃吸収部材の構成例を示す模式図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。図２に示す衝撃吸収部材１０は、本体２０と、中板３０とを備える。

本体２０は、軸方向と垂直な断面での形状が多角形状である。図２（ｂ）に示す本体２０は、断面形状が四角形状である。本体２０は断面形状が閉じており、筒状である。

多角形状の各辺は、直線状であり、隣り合う辺と円弧で接続されている。また、多角形状は、互いに対向する一対の長辺を有する。ここで、長辺とは、多角形状の各辺のうち、最も長い辺のことをいう。図２（ｂ）に示す本体２０の多角形状では、第１長辺２０ａ及び第２長辺２０ｂが一対の長辺に該当する。第１長辺２０ａ及び第２長辺２０ｂは、それら以外の辺と比べ、長い。

長辺において、金属板は連続している必要はなく、途中に接続部を含んでもよい。図２（ｂ）では、第２長辺２０ｂは連続した金属板からなるが、第１長辺２０ａは、金属板が長辺上で連続しておらず、途中に接続部を含む。本発明の多角形状は、このような構成でもかまわない。

中板３０は、本体２０内の中空部に軸方向に沿って設けられる。その中板３０は、本体２０と接合される２箇所の縁部と、それらの両縁部間に設けられる直線状部とを有し、両縁部と直線状部とは、それぞれ円弧で接続される。

また、中板３０は、本体の多角形状の各長辺（２０ａ、２０ｂ）に接合される。具体的には、本体２０が形成する多角形状の第１長辺２０ａの中間から第２長辺２０ｂの中間に至るように設けられる。図２（ｂ）に示す衝撃吸収部材では、中板３０の両縁部が、多角形状の第１長辺２０ａの中間及び多角形状の第２長辺２０ｂの中間で、本体２０と重ね合わされて溶接される。

このような構成例を採用できる本実施形態の衝撃吸収部材では、本体２０の板厚は２．３ｍｍ以下であり、中板３０の板厚は、本体２０の板厚より厚い。

中板３０の板厚を本体２０の板厚より厚くすることにより、衝撃吸収部材に衝撃荷重が加わった際の本体の面外変形を抑え、連続的な座屈変形を生じさせることができるので、本体２０の板厚を薄くしても、吸収エネルギーを大きくすることができる。

図３は、中板の板厚を変化させた場合の本体の板厚と単位質量当たりの吸収エネルギーとの関係を示す図である。図３における中板の板厚が２ｍｍの場合は、その試験を後述の実施例の本発明例に準拠して行った。また、中板の板厚が１ｍｍの場合は、その試験を後述の実施例の比較例１に準拠して行った。中板なしの場合は、その試験を、中板を設けることなく、後述の実施例の比較例２に準拠して行った。いずれの場合でも、本体の板厚を０．８〜２．０ｍｍの範囲で変化させた。図３に示す単位質量当たりの吸収エネルギー（単位なし）は、単位質量当たりの吸収エネルギー（ｋJ／ｋｇ）を、本体の板厚を０．８ｍｍとし、中板を設けない場合の単位質量当たりの吸収エネルギー（ｋＪ／ｋｇ）で除したものである。すなわち、本体の板厚を０．８ｍｍとし、中板を設けない場合の単位質量当たりの吸収エネルギーを基準とし、相対値で示す。

図３から、単位質量当たりの吸収エネルギーは、中板の板厚によって変化することが分かる。具体的には、中板の板厚が厚いほど、単位質量当たりの吸収エネルギーが大きくなる。すなわち、中板の板厚を増加させれば、単位質量当たりの吸収エネルギーを向上させることができる。

しかしながら、中板の板厚が増加すると衝撃吸収部材の質量が大きくなるので、質量の増加と吸収エネルギーの向上のバランスを考慮して本体と中板の板厚を決めればよい。質量の増加と吸収エネルギーの向上のバランスを考慮すると、本体の板厚ｔ１、中板の板厚ｔ２が、下記（１）式を満足することが好ましい。

１．３×ｔ１≦ｔ２ ・・・（１）

続いて、本実施形態の衝撃吸収部材の変形挙動を、従来の衝撃吸収部材の変形挙動と対比しつつ説明する。

本実施形態の衝撃吸収部材は、軸方向に蛇腹状に縮むような周期的な座屈変形により、衝撃荷重を吸収する。具体的には、図２に示す衝撃吸収部材であれば、中板との接合部（重ね合わせ溶接部）を含む本体の長辺（面、符号：２０ａ、２０ｂ）が、その長辺（面）と垂直な方向（図２のＸ方向）に変位が生じるように変形することにより、蛇腹状に変形する。

図７は、従来の衝撃吸収部材の長辺面におけるＸ方向の変位を示す図であり、後述の比較例１の試験結果を示す図である。比較例１では、本体の板厚を０．８ｍｍ、中板の板厚を１．０ｍｍと、本体の板厚と中板の板厚とを同程度とした。図７には、比較例２の試験結果を併せて示している。比較例２は、中板を設けなかった例である。図７に示すＸ方向変位は、長辺面における変位であり、その長辺面のうちで中板の両側（図２（ａ）のＰ１及びＰ２）についてそれぞれ示している。

図７に示すように、従来の衝撃吸収部材（比較例１）では、変位による波形（座屈の周期）が中板の両側（Ｐ１、Ｐ２）で同位相となる。ここで、従来の衝撃吸収部材では、中板の板厚が本体の板厚より、薄い又は同程度である。このため、中板の剛性が本体の剛性と比べて低くなり、その結果、変位による波形が中板の両側で同位相となる。

また、中板は、本体の長辺面に追従するように変形する。このため、従来の衝撃吸収部材では、中板を設けていない場合（図７の比較例２）と、波長が同程度となる。その結果、中板を設けることにより吸収エネルギーは増加するが、単位質量当たりの吸収エネルギーは概ね変化しない。

なお、比較例１は、本体の板厚が０．８ｍｍ、中板の板厚が１．０ｍｍであり、厳密には、中板の板厚は、本体の板厚と比べて僅かに厚い。このように中板の板厚が本体の板厚と同程度の場合の変形挙動は、試験結果を省略するが、従来の衝撃吸収部材、すなわち、中板の板厚が本体の板厚と比べて薄い場合及び中板の板厚が本体の板厚と同じである場合と同様である。

図８は、本発明に係る衝撃吸収部材におけるＸ方向の変位を示す図であり、後述の本発明例１の試験結果を示す図である。本発明例１では、本体の板厚を０．８ｍｍ、中板の板厚を２．０ｍｍと、中板の板厚を本体より厚くした。図８には、比較例２の試験結果を併せて示している。比較例２は、中板を設けなかった例である。図８に示すＸ方向変位は、本体の長辺面における変位であり、その長辺面のうちで中板の両側（図２（ａ）のＰ１及びＰ２）についてそれぞれ示している。

図８に示すように、本実施形態の衝撃吸収部材では、変位による波形の一部が中板の両側で逆位相となる。これは、本実施形態の衝撃吸収部材では、中板の板厚が本体の板厚より厚いことから、中板の剛性が高いことによる。

このため、中板は、本体の長辺面に追従するように変形するが、その変形は大幅に低減される。この場合、本体の長辺面は、中板の両側でそれぞれ独立して変形することが可能となる。その結果、本体の長辺面の一部は、中板の両側で逆位相となるように変形する。また、中板を設けていない場合（図８の比較例２）と比べ、変位による波形の振幅が小さくなるとともに波長が短くなる。これらから、本実施形態の衝撃吸収部材は、吸収エネルギーが増加するのみならず、単位質量当たりの吸収エネルギーを増加させることができる。

このように、本実施形態の衝撃吸収部材は、単位質量当たりの吸収エネルギーも増加させることができるので、本体の板厚を薄くした場合でも、吸収エネルギーを確保することができる。このため、吸収エネルギーを確保しつつ軽量化を行うことが可能となる。

本体２０の板厚ｔ１及び中板３０の板厚ｔ２が前記（１）式を満足すれば、すなわち、板厚ｔ２が（１．３×ｔ１）以上であれば、本体に対する中板の剛性を確保できる。このため、図８を参照しながら説明したような変形挙動が発生し、吸収エネルギーが増加するのみならず、単位質量当たりの吸収エネルギーも増加させることができる。この単位質量当たりの吸収エネルギーを増加させる効果を向上させる観点から、板厚ｔ２は（１．４×ｔ１）以上とするのが好ましく、（１．５×ｔ１）以上とするのがより好ましい。

一方、中板の板厚を厚くすることによる効果は、板厚ｔ２が（８×ｔ１）を超えると飽和する傾向を有する。このため、板厚ｔ２は（８×ｔ１）以下とするのが好ましく、（５×ｔ１）以下とするのがより好ましい。

図３を用いて説明したとおり、本体の板厚が薄いほど、中板の板厚増加によって単位質量当たりの吸収エネルギーが向上する効果が大きい。部品の軽量化の観点から、本体の板厚は、２．３ｍｍ以下が好ましく、２．０ｍｍ以下がより好ましく、１．６ｍｍ以下がさらに好ましい。

本体は、軸方向と垂直な断面での形状が多角形状である。例えば、前述の構成例のように四角形状とすることができる。四角形状とする場合、矩形状や台形状、平行四辺形状としてもよい。また、四角形状以外の多角形状とすることができ、例えば、六角形状としてもよい。

一対の長辺（２０ａ、２０ｂ）は、いずれも、長辺の幅Ｗ１（ｍｍ）が下記（２）式を満足するのが好ましい（図２（ｂ）参照）。本実施形態において、「長辺の幅Ｗ１」は、稜線部を除いた直線状の部分の長さを意味する。

Ｗ１／ｔ１≧２０ ・・・（２）

本体の一対の長辺は、いずれも、中板が接合される。それらの長辺の幅Ｗ１が、いずれも、本体の板厚ｔ１に対する割合（Ｗ１／ｔ１）で２０以上であれば、本体の長辺面が変形する際に中板の両側でそれぞれ独立して変形するための幅が十分に確保できる。このため、本実施形態による単位質量当たりの吸収エネルギーを増加させる効果が安定する。その効果をより安定させる観点から、Ｗ１／ｔ１は、２５以上とするのがより好ましい。

一方、Ｗ１／ｔ１は、２００を超えると、単位質量当たりの吸収エネルギーを増加させる効果が飽和する。このため、Ｗ１／ｔ１は、２００以下とするのが好ましい。

本体と中板との接合は、衝突時に本体と中板とが分離することなく、一体で変形できる限り、種々の方法により行うことができ、例えば、重ね合わせ溶接を採用できる。この場合、例えば、連続溶接や所定ピッチでのスポット溶接を採用できる。

本体は、例えば、単一の金属板から作製することができる。この場合、金属板を断面が多角形状になるように折り曲げ、前記図２に示すように、その両端を中板とともに重ね合わせ溶接すればよい。

このように本体２０が一枚の金属板からなるとともに、重ね合わせ溶接で接合する場合、一対の長辺（２０ａ、２０ｂ）は、いずれも、中板３０の幅方向の中央位置における中板３０の板厚中心Ｃから長辺（２０ａ、２０ｂ）の両端点までの長辺（２０ａ、２０ｂ）の幅方向に沿う距離ｄ１ａ（ｍｍ）及びｄ１ｂ（ｍｍ）が下記（３）式を満足するのが好ましい。

０．５≦ｄ１ａ／ｄ１ｂ≦２ ・・・（３）

ｄ１ａ（ｍｍ）及びｄ１ｂ（ｍｍ）について、中板の直線状部が本体の長辺に対して非垂直である構成例や本体が台形状である構成例を参照しながら説明する。

図４は、本体が１枚の金属板からなる場合の別の構成例を示す断面図であり、（ａ）は、中板の直線状部が本体の長辺に対して非垂直である構成例、（ｂ）は、本体が台形状である構成例である。（ａ）に示す構成例では、本体２０の断面形状が矩形状である。一方、中板３０は、その直線状部が本体の長辺に対して非垂直である。（ｂ）に示す構成例では、本体が台形状であり、中板３０が、その直線状部が本体の長辺に対して非垂直である。

図２（ｂ）、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、距離ｄ１ａ及び距離ｄ１ｂは、中板３０の幅方向の中央位置における中板３０の板厚中心Ｃから長辺（２０ａ、２０ｂ）の両端点までの距離である。このような距離ｄ１ａ及び距離ｄ１ｂは、いずれも、長辺（２０ａ、２０ｂ）の幅方向の距離である。換言すると、距離ｄ１ａ及び距離ｄ１ｂは、中板３０の幅方向の中央位置における中板３０の板厚中心Ｃから長辺（２０ａ、２０ｂ）の板厚中心線へ垂線を下ろし、その垂線と長辺（２０ａ、２０ｂ）の板厚中心線との交点から長辺（２０ａ、２０ｂ）の両端点までの直線距離である。

本実施形態において、「中板の幅方向の中央位置」は、中板のうちで直線状部の幅方向の中央位置を意味する。また、本実施形態において、「長辺の端点」は、稜線部を除いた直線状の部分の端点を意味する。

（３）式を満足することにより、本体の長辺に関する距離（ｄ１ａ、ｄ１ｂ）がいずれも好適となり、本体の長辺面が変形する際に中板の両側でそれぞれ独立して変形するための幅が十分に確保できる。このため、本実施形態による単位質量当たりの吸収エネルギーを増加させる効果が安定する。

本体は、２枚の金属板を重ね合わせ溶接することによって作製することもでき、この場合、２枚の金属板の板厚が異なってもよい。

図５は、本体が２枚の金属板からなる場合の構成例を模式的に示す断面図である。図５に示す本体２０は、第１の金属板２１と第２の金属板２２とからなる。第１の金属板２１は、多角形状の一部となり、第２の金属板２２は、多角形状の残部となる。換言すると、本体２０は、各長辺（２０ａ、２０ｂ）の中間で、すなわち、中板３０が溶接される部位で、第１の金属板２１と第２の金属板２２の２つに分割される。このため、重ね合わせ溶接される部位では、本体の第１の金属板２１および第２の金属板２２が、中板３０とともに重ね合わせられた状態で溶接される。

このように本体が重ね合わせ溶接された２枚の金属板からなり、かつ、２枚の金属板の板厚が異なる場合、前述の本実施形態の変形挙動を得るために、２枚の金属板のいずれの板厚も（１）式を満足する必要がある。また、中板の板厚ｔ２は、本体の２枚の金属板のいずれに対しても、（１.４×ｔ１）以上であるのが好ましく、（１.５×ｔ１）以上であるのがより好ましい。一方、中板の板厚ｔ２は、本体の２枚の金属板のいずれに対しても、（８×ｔ１）以下であるのが好ましく、（５×ｔ１）以下であるのがより好ましい。さらに、本体は、２枚の金属板のいずれの板厚も、２．３ｍｍ以下であるのが好ましく、１．６ｍｍ以下であるのがより好ましい。

本体が重ね合わせ溶接された２枚の金属板からなる場合、一対の長辺（２０ａ、２０ｂ）は、いずれも、距離ｄ３ａ（ｍｍ）及び距離ｄ３ｂ（ｍｍ）が下記（４）式を満足するのが好ましい。ここで、距離ｄ３ａは、中板３０の幅方向の中央位置における中板３０の板厚中心から第１の金属板２１における長辺（２０ａ、２０ｂ）の端点までの距離である。また、距離ｄ３ｂは、中板３０の幅方向の中央位置における中板３０の板厚中心から第２の金属板２２における長辺（２０ａ、２０ｂ）の端点までの距離である。これら距離ｄ３ａおよび距離ｄ３ｂは、いずれも、長辺（２０ａ、２０ｂ）の幅方向の距離である（図５参照）。

０．５≦（ｄ３ａ／ｔ１ａ）／（ｄ３ｂ／ｔ１ｂ）≦２ ・・・（４）

（４）式を満足することにより、本体の長辺に関する距離（ｄ３ａ、ｄ３ｂ）がいずれも好適となり、本体の長辺面が変形する際に中板の両側でそれぞれ独立して変形するための幅が十分に確保できる。このため、本実施形態による単位質量当たりの吸収エネルギーを増加させる効果が安定する。

本体に使用される金属板は、特に限定されるものではない。本体として引張強度７８０ＭＰａ以上の鋼板を使用すると、自動車用の衝撃吸収部材として用いる場合に、強度面から有利であり、引張強度９８０ＭＰａ以上の鋼板を用いると、さらに有利である。

中板に使用される金属板は、特に限定されるものではない。中板としてヤング率１８０ＧＰａ以上の金属板を使用すると、本体の面外変形を抑制する上で好ましい。

本実施形態の衝撃吸収部材は、自動車や鉄道、船舶等の輸送機械における衝撃吸収部材として用いることができる。より具体的には、自動車の衝撃吸収部材として用いる場合であれば、クラッシュボックス又は骨格部材に用いることができる。骨格部材の場合、フロントサイドメンバー、リアサイドメンバー、サイドシル又はフロアクロスメンバーに用いることができる。

本実施形態の衝撃吸収部材による効果を確認するため、衝撃試験を行った。

本試験では、落錘式衝撃試験を模擬した解析を行った。具体的には、図２に示す形状の衝撃吸収部材を、その軸方向を鉛直方向に沿って配置した状態で、質量７００ｋｇの衝突体を高さ１３．８ｍから落下させることにより、衝撃吸収部材の一端に衝突させた。その際、衝突体の軸方向の荷重と軸方向の変位とを算出し、荷重と変位との関係を求めた。また、衝撃試験後の衝撃吸収部材の長辺面うちの一方について、その溶接部を含む面と垂直な方向（Ｘ方向）の変位を求めた。Ｘ方向の変位は、中板の両側、具体的には、図２（ａ）のＰ１及びＰ２位置で求めた。

衝撃吸収部材１０は、軸方向の長さを３００ｍｍとした。本体２０は、断面形状が矩形状であった。一対の長辺（２０ａ、２０ｂ）は、いずれも、Ｗ１が１２８ｍｍ、ｄ１ａが５６．６ｍｍ、ｄ１ｂが８３．４ｍｍ、対向する長辺間の距離を７０ｍｍとした。また、矩形状の長辺と短辺とを繋ぐ稜線部はいずれも半径６ｍｍの円弧とした。中板３０は、そのうちの本体２０の短辺と平行に配置される部分が、対向する短辺の中央に位置するように設けた。本体２０及び中板３０は、いずれも、引張強度が９８０ＭＰａ級の鋼板を用いた。

本体２０と中板３０との溶接部は、スポット溶接を模擬した境界条件を設定し、より具体的には、直径５ｍｍのスポット溶接を４５ｍｍピッチで行った場合を模擬して境界条件を設定した。

本発明例では、本体２０の板厚を０．８ｍｍ、中板３０の板厚を２ｍｍとした。比較例１では、本体２０の板厚を０．８ｍｍ、中板３０の板厚を１ｍｍとした。比較例２では、中板３０を設けることなく、本体２０の板厚を０．８ｍｍとした。

図６は、実施例の荷重と変位（軸方向変位）との関係を示す図である。図６では、荷重（ｋＮ）を単位質量当たりの荷重（ｋＮ／ｋｇ）で示す。図６に示すように、変形初期で変位が１０ｍｍ程度未満の場合は、本発明例及び比較例で荷重が同程度であるが、変位が１０ｍｍ以上の場合は、本発明例の荷重が、比較例１及び２よりも大部分で高い。すなわち、本実施形態の衝撃吸収部材は、エネルギー吸収効率に優れることが明らかになった。

図７は、比較例１及び比較例２における衝撃吸収部材の長辺面におけるＸ方向の変位を示す図である。図７より、比較例１では、変位による波形は、中板の両側で同位相であった。また、比較例１では、中板を設けない比較例２と、波長が同程度となった。

図８は、本発明例１及び比較例２における衝撃吸収部材の長辺面におけるＸ方向の変位を示す図である。図８より、本発明例では、変位による波形の一部が、中板の両側で逆位相となった。また、中板を設けていない場合（図８の比較例２）と比べ、振幅が小さくなるとともに波長が短くなった。

このように、本実施形態の衝撃吸収部材は、中板の両側で位相が異なる座屈変形が発生し、その変形の振幅が小さくなるとともに波長が短くなった。これにより、本実施形態の衝撃吸収部材は、エネルギー吸収効率が優れることが確認できた。

本発明の衝撃吸収部材は、吸収エネルギーを確保しつつ軽量化できる。このため、自動車のクラッシュボックスや骨格部材に適用すれば、燃費の向上に大きく寄与することができる。

１ａ、１ｂ クラッシュボックス
２ フロントサイドメンバー
３ リアサイドメンバー
４、４’ フロアクロスメンバー
５ バンパーリインフォースメント
６ センターピラー
７ サイドシル
１０ 衝撃吸収部材
１０ａ 溶接位置
２０ 本体
２０ａ 第１長辺
２０ｂ 第２長辺
２１ 第１の金属板
２２ 第２の金属板
３０ 中板

Claims (8)

1. 軸方向に負荷される衝撃荷重を吸収する衝撃吸収部材あって、
   上記衝撃吸収部材は、
   金属板から構成され、上記軸方向と垂直な断面での形状が多角形状である本体と、
   金属板から構成され、上記本体内の中空部に前記軸方向に沿って設けられる中板と
   を備え、
   上記本体の上記多角形状は、互いに対向する一対の長辺を有し、
   上記中板は、上記本体の上記多角形状の各長辺に接合され、
   上記本体の板厚ｔ１（ｍｍ）、上記中板の板厚ｔ２（ｍｍ）が下記（１）式を満足することを特徴とする衝撃吸収部材。
   １．３×ｔ１≦ｔ２ ・・・（１）
2. 前記本体の板厚が２．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の衝撃吸収部材。
3. 前記一対の長辺は、いずれも、前記長辺の幅Ｗ１（ｍｍ）が下記（２）式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の衝撃吸収部材。
   Ｗ１／ｔ１≧２０ ・・・（２）
4. 前記本体は、１枚の金属板からなり、
   前記中板は、前記本体の前記多角形状の各長辺に重ね合わせ溶接によって接合され、
   前記一対の長辺は、いずれも、前記中板の幅方向の中央位置における前記中板の板厚中心から前記長辺の両端点までの前記長辺の幅方向に沿う距離ｄ１ａ（ｍｍ）及びｄ１ｂ
   （ｍｍ）が下記（３）式を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の衝撃吸収部材。
   ０．５≦ｄ１ａ／ｄ１ｂ≦２ ・・・（３）
5. 前記本体は、前記多角形状の一部となる第１の金属板、及び、前記多角形状の残部となる第２の金属板から構成され、
   前記第１の金属板及び前記第２の金属板は、前記多角形状の各長辺で前記中板とともに重ね合わせ溶接によって接合され、
   前記一対の長辺は、いずれも、前記中板の幅方向の中央位置における前記中板の板厚中心から前記第１の金属板における前記長辺の端点までの前記長辺の幅方向に沿う距離ｄ３ａ（ｍｍ）、及び、前記中板の幅方向の中央位置における前記中板の板厚中心から前記第２の金属板における前記長辺の端点までの前記長辺の幅方向に沿う距離ｄ３ｂ（ｍｍ）が下記（４）式を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の衝撃吸収部材。
   ０．５≦（ｄ３ａ／ｔ１ａ）／（ｄ３ｂ／ｔ１ｂ）≦２ ・・・（４）
   ただし、ｔ１ａ（ｍｍ）は第１の金属板の板厚、ｔ１ｂ（ｍｍ）は第２の金属板の板厚である。
6. 前記本体を構成する金属板は、引張強度７８０ＭＰａ以上の鋼板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項の衝撃吸収部材。
7. 前記中板を構成する金属板のヤング率が１８０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項の衝撃吸収部材。
8. 自動車のクラシュボックス、又はフロントサイドメンバー、リアサイドメンバー、サイドシル、若しくはフロアクロスメンバーであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項の衝撃吸収部材。

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