JP6747928B2 - 衝撃吸収部材 - Google Patents

Description

本発明は、衝突吸収部材に関する。

主に自動車には前部、後部には衝突時の衝撃を可及的に吸収するためのバンパー装置が装備されている。バンパー装置には、衝撃エネルギーを自身の変形で吸収する、バンパーリーンフォースメントと呼ばれる衝撃吸収部材が適用されている。

衝撃吸収部材は、一般的に、衝撃を受ける側の正面板と、車体取付側の背面板とを所定の距離を隔てて略平行に対向配置し、上記正面板と背面板とを連結する複数の連結板からなる構造を有している。衝撃吸収部材の横断面形状は、「ロ」字状の形状を呈している。そして、正面板に衝撃が加わると、荷重は正面板から連結板、そして背面板へ荷重伝播し、荷重が増加するにつれて連結板が座屈して、車体側へ加わる衝撃を緩和させるものである。

衝撃吸収部材は、近年、車両の軽量化等の観点から、その材料としてアルミニウム合金の押出形材が使用される傾向である。アルミニウム合金の押出形材は、バンパーリーンフォースメントとして用いるべく、その衝撃吸収性の向上や軽量化させる技術として報告されている（特許文献１、２）。

例えば、特許文献１には、「目」字状の横断面形状で正面板の外側面と背面板の外側面との間の距離をＨ（ｍｍ）とし、断面一次モーメントが０となる衝撃吸収部材の厚さ方向における中立軸と正面板の外側面との最短距離をｈとすると、０．２５≦ｈ／Ｈ≦０．４５という関係を満足するような構成にすることで単位質量当たりの最大曲げモーメントが大きくなり、断面剛性を十分に高めることが開示されている。

また、特許文献２には、「日」字状の横断面形状で正面板の幅方向一方の端部側に設けられたフランジ部において、その先端部分の厚さが正面板の厚さより厚く構成されることで断面２次モーメントが向上し、断面剛性を向上させることが開示されている。

特開２０１１−１５２８５８号公報 特開２０１２−０８１８６１号公報

上記のような車体正面から衝撃荷重を受ける形態の他、車体の側方から衝撃荷重を受ける場合もある。このような場合にも、車両に必要とされる衝撃吸収性能を確保することが強く求められる。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、車体正面において優れた衝撃吸収性能を有するとともに、側面からの衝撃に対して剛性に優れた、衝撃吸収部材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る衝撃吸収部材は、
正面板と、
前記正面板と略平行に配置された背面板と、
前記正面板及び前記背面板を所定の間隔で連結する複数の連結板と、を備え、
前記連結板の長手方向と垂直の断面において、
前記正面板は、前記連結板との接続位置の外側に延びるフランジ部と、前記フランジ部の端部から前記背面板に向かって延びるリブを備え、
前記背面板は、前記背面板の幅の中央部に設けられた最大厚さとなる背面肉厚部と、前記背面肉厚部以外の領域に設けられ最小厚さとなる背面肉薄部と、を備え、前記背面肉厚部の板厚は、前記背面肉薄部より厚くなる、
ことを特徴とする。

前記リブにおけるリブ辺長Ｌｒ（ｍｍ）と板厚ｗ１（ｍｍ）との関係が７５（ｍｍ^２）≦（Ｌｒ×ｗ１）≦１７５（ｍｍ^２）になるような形状である、
こととしてもよい。

前記正面板は、前記正面板の幅の中央部に設けられた最小厚さとなる正面肉薄部と、前記正面肉薄部以外の領域に設けられ最大厚さとなる正面肉厚部と、を備え、前記正面肉厚部の板厚は、前記正面肉薄部より厚くなる、
こととしてもよい。

前記リブの板厚ｗ１（ｍｍ）は、３．０≦ｗ１≦６．５である、
こととしてもよい。

前記リブ辺長Ｌｒ（ｍｍ）と、前記正面板と前記背面板とを両端とする高さＨと、の関係が４０（％）≦Ｌｒ／Ｈである、
こととしてもよい。

本発明によれば、車体正面において優れた衝撃吸収性能を有するとともに、側面からの衝撃に対して剛性に優れた、衝撃吸収部材が得られる。

本発明に係るバンパーリーンフォースメントを備える衝撃吸収装置を示す斜視図である。 衝撃吸収装置について、（ａ）は車体上方から見た図であり、（ｂ）は車体前方から見た図であり、（ｃ）は車体側方から見た図である。 バンパーリーンフォースメントを示す断面図である。 バンパーリーンフォースメントの変位量、荷重及び衝撃吸収量（ＥＡ量）の関係を示すグラフである。 バンパーリーンフォースメントの断面の模式図である。 バンパーリーンフォースメントのリブ板厚と座屈応力との関係を示すグラフである。 バンパーリーンフォースメントの（リブ辺長／高さ）と座屈応力との関係を示すグラフである。 バンパーリーンフォースメントのリブ断面積と座屈応力との関係を示すグラフである。 バンパーリーンフォースメントのリブ断面積が占める割合と座屈応力との関係を示すグラフである。 バンパーリーンフォースメントの断面２次モーメントと座屈応力との関係を示すグラフである。 バンパーリーンフォースメントの断面積と断面係数との関係を示すグラフである。 バンパーリーンフォースメントの断面２次モーメントと断面係数との関係を示すグラフである。 バンパーリーンフォースメントのリブ辺長と座屈応力との関係を示すグラフである。

本発明に係る衝撃吸収部材（バンパーリーンフォースメント１００）は、車両（又は後方）の外側に向けて配置された正面板と、前記正面板に対して距離を隔てて略平行に対向配置された背面板と、前記正面板と前記背面板との間に配置された両者を連結する２枚の連結板と、を備える衝撃吸収部材であって、前記連結板は、前記正面板に直交する対称軸に関して１枚ずつ線対称に配置されており、かつ該対称軸に対して傾斜した配置となっている。前記正面板の幅方向における両端のすべてには、前記連結板との交点部よりも外側に延長されたフランジ部を有しており、前記フランジ部の端部より車両後方に延長したリブを有することを特徴とする。

以下、本発明に係るバンパーリーンフォースメント１００を備える衝撃吸収装置３００の構造について、図１及び図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。

図１に示すように、衝撃吸収装置３００は、バンパーリーンフォースメント１００と、２個のクラッシュカン２００と、を備える。なお、図１及び後述の図３において、上方Ｕｐと後方Ｒｒとが矢印によって示されている。ここで、本明細書では後方Ｒｒとしているが、後方Ｒｒは、相手側からの衝撃荷重を受けるバンパーリーンフォースメント１００側（前方）に対しての後方、即ち車体取付側の意味である。

バンパーリーンフォースメント１００は、ほぼ一定の幅及び厚さを有するアルミニウム合金の押出材から形成されており、前方にやや凸となるように湾曲した形状を有する。

クラッシュカン２００は、アルミニウム合金の押出材から形成されており、前後方向に１つ以上の中空体の構造を有する。また、クラッシュカン２００は、側部に凹部を設けるなどして、車両衝突時に衝撃エネルギーを吸収するため前後方向に制御された座屈を起こすような構造が採用されている。

図示された２個のクラッシュカン２００は、それぞれの前方の端面がバンパーリーンフォースメント１００の端面に接しており、溶接等の方法によってバンパーリーンフォースメント１００と接合している。

バンパーリーンフォースメント１００の押出方向に垂直な断面を図３に示す。

バンパーリーンフォースメント１００は、厚さ方向に荷重入力を受ける正面板３と、正面板３に対して距離を隔てて略平行に対向配置された背面板４と、正面板３と背面板４との間に配置され両者を連結する２枚の連結板６と、を備える。

前方に位置する正面板３は、厚さｔ２の正面肉厚部３ａを有するが、上下方向中央部（Ｌ／２付近の位置）には厚さｔ３の正面肉薄部３ｂが設けられている。正面肉厚部３ａの厚さｔ２が、寸法ｗ１の両端部に相当する位置から厚さｔ３まで傾斜して肉薄になっており、一様な所定の幅の厚さｔ３の正面肉薄部３ｂが設けられている。正面板３と連結板６とは、厚さｔ２の領域の２箇所の交点部７においてそれぞれ接続されている。

正面板３は、交点部７より外側において、それぞれ幅がＬｆの２つのフランジ部５を備える。また、正面板３は、２つのフランジ部５の上下方向の端部１において、それぞれ後方に長さＬｒで突出するリブ２を備える。リブ２のリブ辺長はＬｒであり、厚さはｗ１である。

後方に位置する背面板４は、２箇所の交点部８において連結板６と接続されている。これにより、バンパーリーンフォースメント１００の図示の断面において正面板３及び背面板４を両端部とする厚さはＨとなる。前方の交点部７、７の間隔は、後方の交点部８、８の間隔よりも狭い。従って、正面板３、背面板４及び連結板６で形成される中空部は前方が狭い台形状になっている。

背面板４は、上下方向中央部（Ｌ’／２付近の位置）には厚さｔ５の背面肉厚部４ａを有するが、背面肉厚部４ａの上下側であって交点部８よりも内側に厚さｔ４の背面肉薄部４ｂが設けられている。背面肉薄部４ｂの厚さｔ４が、寸法ｗ２の両端部に相当する位置から厚さｔ３まで傾斜して肉厚になっており、一様な所定の幅の厚さｔ５の背面肉厚部４ａとなっている。

背面板４の交点部８より外側はそれぞれ幅がＬｂのフランジ部１０が設けられている。幅Ｌｆは幅Ｌｂより広くなっている。また、正面板３の全幅Ｌは、背面板４の全幅Ｌ’より広くなっている。

なお、アルミニウム合金の押出材ゆえ、交点部７又は８での接続部などの隅の部分には、所定の丸みが設けられている。

このようなリブ２を有する構造とすることで、バンパーリーンフォースメント１００は、図３の断面において特に座屈応力、換言すれば座屈強度を高くすることができる。

図４にバンパーリーンフォースメント１００の変位量を横軸にし荷重を縦軸としたグラフを示す。図４に実曲線で示すように、荷重の増加とともに変位量が増加していく。また、変位量がある点まで増加すると、それ以降は荷重が減少しても変位量が増加していき設定された変位量（グラフの一点鎖線）に到達する。このときの衝撃吸収量（ＥＡ量）が右肩上がりの細い斜線で示された領域（積分値）である。

図４のグラフにおいて、座屈の有無（タイミング）によってＥＡ量（黒斜線部）が変わる。本実施形態に係るバンパーリーンフォースメント１００では、矢印で示された荷重（座屈強度）において座屈が始まり、以降は実線の実曲線ではなく破線のようにより低い荷重で変位が進行していく。この場合、右肩下がりの細い斜線で示された領域の面積分のＥＡ量が不足することになる。また、荷重が低下するため、後方のクラッシュカン２００への荷重伝播性が悪化することとなる。これらの理由から、バンパーリーンフォースメント１００の座屈応力（座屈強度）を高くすることが望ましい。

上述した構造のバンパーリーンフォースメント１００において、リブ２におけるリブ辺長Ｌｒ（ｍｍ）とリブ板厚ｗ１（ｍｍ）との関係が７５（ｍｍ^２）≦（Ｌｒ×ｗ１）≦１７５（ｍｍ^２）になるような形状であることが好ましい。

本発明のように延伸したリブを設けることにより、前面からの衝撃に対して適切に衝撃吸収する機能を有しながら、さらに、側面からの衝撃に対しては、剛性を有することにより、ボディの変形を防ぐ。

また、正面肉厚部３ａの最大厚さは、正面肉薄部３ｂより厚くなることが好ましい。厚くなることで正面板３に衝撃が加わった際の正面板３に生じる圧縮応力に対して正面肉厚部３ａが座屈するのを緩和できる。

これについて、簡略化した図５の模式図を用いて説明する。図５において、Ｈは高さであり、Ｏは中立軸であり、ｅｘ１は中立軸Ｏから背面板の外面までの距離であり、ｅｘ２は中立軸Ｏから正面板の外面までの距離であり、ｔｒは背面板の板厚であり、ｔｆは正面板の板厚である。また、中立軸とは、断面の図心（重心）を通る軸のことである。

正面肉厚部の板厚が厚い（ｔｆが厚くなる）ことにより厚み方向の中立軸Ｏが背面側へ寄っていく方向に移動する（ｅｘ１が小さくなりｅｘ２が大きくなる）。さらに厚くしていくことで、かかる中立軸Ｏの位置が更に背面側へ移動する。同様に、リブＬｒが車両後方へ伸びていくことによりかかる中立軸Ｏの位置が背面側へ寄っていく方向に移動する。

また、背面肉厚部４ａの最大厚さは、背面肉薄部４ｂより厚くなることが好ましい。厚くなることで正面板３に衝撃が加わった際の背面板４に生じる引張応力に対して背面肉厚部４ａが破断するのを緩和できる。

背面肉厚部の板厚が厚い（ｔｒが厚くなる）ことにより、厚み方向の中立軸Ｏの位置が正面板側へ寄っていく方向に移動する（ｅｘ１が大きくなりｅｘ２が小さくなる）。さらに厚くしていくことで、かかる中立軸Ｏの位置が更に正面板側へ移動する。

このような結果から、正面板及び背面板の板厚、リブ辺長Ｌｒを変化させることにより厚み方向の中立軸Ｏの位置を有利に制御することが出来る。また、かかる中立軸Ｏの位置は、正面板及び背面板の双方からの距離が中立に近くなるほど曲げ剛性が高くなるが、その上昇幅は徐々に小さくなり中立近傍では飽和するようになると考えられる。

座屈荷重は、梁の曲げ剛性（ヤング率Ｅ×断面２次モーメントＩ）と座屈長さ（支持スパン）で大小が決まるため、曲げ剛性が高くなることは座屈しにくくなると考えられる。

また、リブ２の板厚ｗ１（ｍｍ）は、３．０≦ｗ１≦６．５であることが好ましい。

また、リブ辺長Ｌｒ（ｍｍ）は、正面板３と背面板４とを両端とする高さＨの割合が４０（％）≦Ｌｒ／Ｈであることが好ましい。

加えて、図３の断面図において、正面板３が上下方向中央部に正面肉薄部３ｂを備え、背面板４が上下方向中央部に背面肉厚部４ａを備えることで、座屈応力を高くできるとともに、バンパーリーンフォースメント１００が座屈する際に前記正面肉厚部３ａが座屈するのを緩和することが容易となる。

続いて、バンパーリーンフォースメント１００のいくつかの寸法パラメータを異ならせた例を表１に示す。寸法パラメータは、フランジ辺長Ｌｆ（ｍｍ）、リブ辺長Ｌｒ（ｍｍ）、高さＨ（ｍｍ）、リブ板厚ｗ１（ｍｍ）である。表１にはそれらの寸法パラメータに基づく、リブ断面積Ｌｒ＊ｗ１（ｍｍ^２）、断面積Ａ（ｍｍ^２）、断面係数Ｚｘ１、Ｚｘ２、Ｚｙ１、Ｚｙ２（ｍｍ^３）、断面２次モーメントＩｘ、Ｉｙ（ｍｍ^２）、座屈荷重Ｐｃｒ（Ｎ）、及び、座屈応力σｃｒ（Ｎ／ｍｍ^２）を列挙した。

また、表１の結果に対応するグラフを図６〜図１３に示す。なお、図において単位のべき乗を例えば「ｍｍ＾２」のように表す。

Ｎｏ．１〜４は、フランジ辺長Ｌｆを互いに異なる値とした例である。

Ｎｏ．５〜１０は、リブ辺長Ｌｒを互いに異なる値とした例である。なお、Ｎｏ．４についても、Ｎｏ．５〜１０とはリブ辺長Ｌｒが異なるのみである。

Ｎｏ．１１〜１４は、高さＨを互いに異なる値とした例である。

Ｎｏ．２０〜２９は、リブ板厚ｗ１を互いに異なる値とした例である。

図６にＮｏ．２０〜２９によるリブ板厚ｗ１と座屈応力σｃｒとの関係を示す。図６に示すように、リブ板厚ｗ１がおよそ３．０〜６．５ｍｍの範囲において座屈応力σｃｒが高い結果となった。

図７にＮｏ．１〜２９による（リブ辺長Ｌｒ／高さＨ）と座屈応力σｃｒとの関係を示す。図７に示すように、（リブ辺長Ｌｒ／高さＨ）がおよそ４０％以上（およそ４０〜９０％）の場合に座屈応力σｃｒが高い結果となった。

図８にＮｏ．１〜２９によるリブ断面積Ｌｒ＊ｗ１と座屈応力σｃｒとの関係を示す。図８に示すように、リブ断面積Ｌｒ＊ｗ１がおよそ７５〜１７５ｍｍ^２の範囲において座屈応力σｃｒが高い結果となった。

図９に、図８に関連してリブ断面積Ｌｒ＊ｗ１が占める割合と座屈応力σｃｒとの関係を示す。図９に示すように、リブ断面積Ｌｒ＊ｗ１が占める割合がおよそ８〜１０％範囲において座屈応力σｃｒが高い結果となった。

図１０にＮｏ．４〜１０による断面２次モーメントＩｘと座屈応力σｃｒとの関係を示す。図１０に示すように、断面２次モーメントＩｘがおよそ３．５×１０^５ｍｍ^４の場合において座屈応力σｃｒが高い結果となった。

図１１にＮｏ．４〜１０による断面積Ａと断面係数Ｚｘ１との関係を示す。図１１に示すように、断面積Ａがおよそ１２００〜１４００ｍｍ^２の範囲において断面係数Ｚｘ１が高い結果となった。

図１２にＮｏ．４〜１０による断面２次モーメントＩｘと断面係数Ｚｘ１との関係を示す。図１２に示すように、断面２次モーメントＩｘがおよそ３．４×１０^５〜３．５×１０^５ｍｍ^４の範囲において断面係数Ｚｘ１が高い結果となった。

図１３にＮｏ．４〜１０によるリブ辺長Ｌｒと座屈応力σｃｒとの関係を示す。図１３に示すように、リブ辺長Ｌｒがおよそ２０〜３５ｍｍ、より好ましくはおよそ２５〜３０ｍｍの範囲において座屈応力σｃｒが高い結果となった。

１ 端部
２ リブ
３ 正面板
３ａ 正面肉厚部
３ｂ 正面肉薄部
４ 背面板
４ａ 背面肉厚部
４ｂ 背面肉薄部
５ フランジ部
６ 連結板
７ 交点部
８ 交点部
１０ フランジ部
１００ バンパーリーンフォースメント
２００ クラッシュカン
３００ 衝撃吸収装置

Claims (5)

1. 正面板と、
   前記正面板と略平行に配置された背面板と、
   前記正面板及び前記背面板を所定の間隔で連結する複数の連結板と、を備え、
   前記連結板の長手方向と垂直の断面において、
   前記正面板は、前記連結板との接続位置の外側に延びるフランジ部と、前記フランジ部の端部から前記背面板に向かって延びるリブを備え、
   前記背面板は、前記背面板の幅の中央部に設けられた最大厚さとなる背面肉厚部と、前記背面肉厚部以外の領域に設けられ最小厚さとなる背面肉薄部と、を備え、前記背面肉厚部の板厚は、前記背面肉薄部より厚くなる、
   ことを特徴とする衝撃吸収部材。
2. 前記リブにおけるリブ辺長Ｌｒ（ｍｍ）と板厚ｗ１（ｍｍ）との関係が７５（ｍｍ^２）≦（Ｌｒ×ｗ１）≦１７５（ｍｍ^２）になるような形状である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の衝撃吸収部材。
3. 前記正面板は、前記正面板の幅の中央部に設けられた最小厚さとなる正面肉薄部と、前記正面肉薄部以外の領域に設けられ最大厚さとなる正面肉厚部と、を備え、前記正面肉厚部の板厚は、前記正面肉薄部より厚くなる、
   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。
4. 前記リブの板厚ｗ１（ｍｍ）は、３．０≦ｗ１≦６．５である、
   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。
5. 前記リブ辺長Ｌｒ（ｍｍ）と、前記正面板と前記背面板とを両端とする高さＨと、の関係が４０（％）≦Ｌｒ／Ｈである、
   ことを特徴とする請求項２に記載の衝撃吸収部材。