JP7453538B2

JP7453538B2 - 柱状部材

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Publication number: JP7453538B2
Application number: JP2020085424A
Authority: JP
Inventors: 智史広瀬
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2020-05-14
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2040-05-14
Also published as: JP2021178592A

Description

本発明は、柱状部材に関する。

自動車は、車両の軽量化と高剛性化のために、薄板を断面が所謂ハット形になるように塑性変形させて形成された柱状部材を互いに溶接して車体を形成している。また、自動車の衝突事故に際して客室の生存空間を確保するため、こうした柱状部材は、曲げ変形時の最大反力と吸収エネルギーを高めることが求められている。

例えば、特許文献１には、所定の主軸線に沿って延設された上壁と、該上壁の両側縁に沿って延設された側壁と、該側壁において上壁とは反対側の縁部に沿って延設されたフランジ部とを有して、前記軸線に垂直な断面が略ハット形を呈する柱状部材において、前記上壁および前記主軸線に対して垂直な平面と前記側壁表面との交線により規定される軸線を挟んで線対称に配置された少なくとも一対のビード部が前記側壁に形成され、該ビード部は、前記軸線に対して前記側壁の表面内で２０～７５ °の角度を以って傾斜した中心軸線に沿って延設されている柱状部材が開示されている。

特許第６４４５２３０号公報

車両の要求される衝突安全性確保と軽量化の両立のため、車両に適用する材料のみならず、設計に関しても様々な工夫が求められている。中でも衝突時のエネルギー吸収を主に担うフロントサイドメンバー、リアサイドメンバー、またはセンターピラーなどの部材のコンパクト化と高効率化が強く要求されている。これらの部材は、曲げ変形により衝撃吸収を行うが、曲げ変形に伴い急激に部材が弱化してしまう。このため、これらの部材に補強部材を追加することが多く検討されているが、補強部材の追加は重量増となってしまう。また、補強部材により補強部が強くなりすぎ，想定される変形モードにならず，逆に大きく衝撃吸収性能を劣化させる問題がある。

また、近時において、自動車の駆動源は従前の内燃機関から電動機（モータ）などより小型の駆動源へシフトしつつある。自動車の駆動源が小型化されると、内燃機関の存在により制約が生じていた車体構造の自由度が高まる。例えば、内燃機関が存在していたスペースを客室のスペースとして利用できるようになり、客室をより広くしたいといったユーザのニーズに応えた車両設計が可能とされる。

一方、内燃機関が存在するスペースは、衝突時に潰れたとしても客室内の乗員に影響を及ぼすことがないため、衝突安全性を確保するために利用されていた。このため、内燃機関が存在していたスペースを客室として利用すると、衝突時に生じる車体の潰れが直接的に客室内の乗員に影響を及ぼす可能性があり、衝突時の安全性が確保できなくなる問題がある。

以上のように、内燃機関が存在していたスペースを利用して客室を広くした場合、元々は衝突安全性を確保するために利用されていたスペースが減少するため、より狭いスペースで衝突エネルギーを吸収することが望まれる。

特許文献１に記載された技術は、簡単な構成で曲げ変形に対する最大応力および吸収エネルギー量を高めたハット形断面を有した柱状部材を提供するものであるが、より狭いスペースで衝突エネルギーを吸収することを想定した場合、更なる改良の余地がある。

そこで、本発明は、重量増を伴うことなく、より多くの衝突時のエネルギー吸収を行うことが可能な柱状部材を提供することを目的とする。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）主軸線に沿って延設された上壁と、前記上壁の両側縁に沿って延設された縦壁と、前記縦壁において前記上壁とは反対側の縁部に沿って延設されたフランジ部と、を有し、前記主軸線に垂直な断面が略ハット形を呈するハット形状部材を備える柱状部材であって、前記上壁に設けられ、前記主軸線の方向に圧縮負荷を受けた際に、前記柱状部材の曲げの起点となる曲げ誘起部と、前記縦壁上において、前記主軸線の方向で前記曲げ誘起部に対応する位置に設けられ、前記曲げ誘起部に向けて広がる形状の２本のビードからなるビード部と、を有する、柱状部材。

（２）前記ビード部は、前記縦壁の外側に突出している、上記（１）に記載の柱状部材。

（３）前記ビード部の前記主軸線に沿った方向の長さは、前記縦壁の高さの０．５倍未満である、上記（２）に記載の柱状部材。

（４）前記ビード部の高さは、前記縦壁の高さの０．７５倍未満である、上記（２）又は（３）に記載の柱状部材。

（５）前記ビード部の上端の位置は、前記上壁と前記縦壁とを接続するＲ部よりも下に位置する、上記（１）～（４）のいずれかに記載の柱状部材。

（６）前記曲げ誘起部は、前記上壁に設けられ、前記主軸線と直交する方向に延在する凹部又は孔から構成される、上記（１）～（５）のいずれかに記載の柱状部材。

（７）車両のフロントサイドメンバー又はリアサイドメンバーを構成する、上記（１）～（６）のいずれかに記載の柱状部材。

本発明によれば、重量増を伴うことなく、より多くの衝突時のエネルギー吸収を行うことが可能な柱状部材が提供される。

本実施形態に係る自動車の車体フロアの構造を説明するための模式図であって、車体フロアを上方から見た平面図である。車体フロアを下方から見た図である。本発明の一実施形態に係る柱状部材の構成を示す斜視図である。折れ誘発ビード位置で、柱状部材の主軸線の方向である長手方向に対して垂直な平面で切断した断面（横断面）を示す断面図である。ビード部が設けられていないベース部材モデルの柱状部材の構成を示す斜視図である。柱状部材に主軸線の方向に圧縮負荷が加わった場合に、柱状部材の曲げ変形が進む様子を時系列に示す模式図である。柱状部材に主軸線の方向に圧縮負荷が加わった場合に、柱状部材の曲げ変形が進む様子を時系列に示す模式図である。柱状部材に主軸線の方向に圧縮負荷が加わった場合に、柱状部材の曲げ変形が進む様子を時系列に示す模式図である。図６Ｃに示すタイミングで、柱状部材の上壁の折れ誘発ビードの近辺を上から見た状態を示す模式図である。縦壁にビード部が設けられた本実施形態の柱状部材に対し、図６Ａ～図６Ｃと同一条件で圧縮負荷を加えた場合に、図６Ｃと同じタイミングにて、柱状部材の上壁の折れ誘発ビードの近辺を上から見た状態を示す模式図である。本実施形態に係る柱状部材とベース部材モデルの柱状部材に対し、主軸線Ｏmの方向に圧縮負荷を加えた場合に、ストローク（横軸）と反力（縦軸）との関係を示す特性図である。図９に示すストロークと反力の特性において、ストロークがＳ１，Ｓ２，Ｓ３のそれぞれのタイミングにおける、柱状部材の曲げ変形の状態を示す図である。図９に示すストロークと反力の特性において、ストロークがＳ１，Ｓ２，Ｓ３のそれぞれのタイミングにおける、柱状部材の曲げ変形の状態を示す図である。図９に示すストロークと反力の特性において、ストロークがＳ１，Ｓ２，Ｓ３のそれぞれのタイミングにおける、柱状部材の曲げ変形の状態を示す図である。図９に示すストロークと反力の特性において、ストロークがＳ１，Ｓ２，Ｓ３のそれぞれのタイミングにおける、柱状部材の曲げ変形の状態を示す図である。図９に示すストロークと反力の特性において、ストロークがＳ１，Ｓ２，Ｓ３のそれぞれのタイミングにおける、柱状部材の曲げ変形の状態を示す図である。縦壁１４に設けられたビード部１４ｂを詳細に示す模式図である。主軸線の方向から柱状部材を見た場合に、ビード部を詳細に示す模式図である。ビード部の形状のバリエーション毎に、ストロークと反力との関係を示す特性図である。ビード部の長さＩとエネルギー吸収量比の関係を示す特性図である。ビード部の高さｈとエネルギー吸収量比の関係を示す特性図である。縦壁角度とエネルギー吸収量比の関係を示す特性図である。図１２と同様に、縦壁に設けられたビード部を詳細に示す模式図であって、ビード部の上端の位置とＲ部の下端の位置との間に間隔を設けた例を示す図である。図１４と同様に柱状部材のストロークと反力との関係を示す特性図であって、図１４の特性Ｃ１、特性Ｃ２とともに、図１６に示す間隔ｓを５ｍｍとした柱状部材における特性を示す特性図である。曲げ誘起部が上壁に設けられた孔から構成された例を示す斜視図である。曲げ誘起部が主軸線の方向に延在する４本の凹状のビードから構成された例を示す斜視図である。柱状部材が、２つのハット形状部材から構成された例を示す模式図であって、柱状部材の主軸線の方向と直交する方向に沿った断面を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る柱状部材について説明する。最初に、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態に係る柱状部材が適用される自動車の車体フロア１１０の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る自動車の車体フロア１１０の構造を説明するための模式図であって、車体フロア１１０を上方から見た平面図である。図２は、車体フロア１１０を下方から見た図である。

図１に示すように、車体フロア１１０は、フロアパネル１１２、フロアクロスメンバー１１４ａ～１１４ｆ、フロントバンパー１１５、フロントサイドメンバー１１６ａ，１１６ｂ、リアサイドメンバー１１７ａ，１１７ｂ、リアバンパー１１９、サイドシル１２０、を有している。

サイドシル１２０は、自動車の左右の側面に沿って、自動車の前後方向（車長方向）に延在している。フロアクロスメンバー１１４ａ～１１４ｆは、自動車の左右方向（車幅方向）に延在している。フロアクロスメンバー１１４ａ～１４ｆのそれぞれは、両端部において、左右のサイドシル１２０のそれぞれと、溶接、リベット止め、ボルト締結等（以下、溶接等という）により接合されている。

フロアクロスメンバー１１４ｂ～１１４ｅは、左右のサイドシル１２０、フロアクロスメンバー１１４ａ、及びフロアクロスメンバー１１４ｆで囲まれた領域内で、車幅方向に延在して配置されている。

フロアクロスメンバー１１４ｂ～１１４ｅの下には、フロアパネル１１２が配置されている。フロアパネル１１２は、フロアクロスメンバー１１４ａ～１１４ｆ、サイドシル１２０に対して、溶接等により固定されている。

フロアクロスメンバー１１４ａ～１１４ｆはいずれもハット材（断面ハット形状部材）から構成されてもよい。また、フロアクロスメンバー１１４ａ～１１４ｆは、中空の管状の部材から構成されていてもよく、長手方向と直交する断面が矩形形状であってもよい。

サイドシル１２０よりも車幅方向の内側には、車長方向に２つのフロントサイドメンバー１１６ａ，１１６ｂが延在している。フロントサイドメンバー１１６ａ，１１６ｂの後側の端部は、フロアクロスメンバー１１４ｆに当接し、溶接等によりフロアクロスメンバー１１４ｆに対して固定されている。

フロントサイドメンバー１１６ａ，１１６ｂの上面は、フロアパネル１１２に当接してもよく、フロアパネル１１２に対して溶接等により固定されていてもよい。

フロアクロスメンバー１１４ｆの後側には、車長方向に２つのリアサイドメンバー１１７ａ，１１７ｂが延在している。リアサイドメンバー１１７ａ，１１７ｂの前側の端部は、溶接等によりフロアクロスメンバー１１４ｆに固定されている。リアサイドメンバー１１７ａ，１１７ｂの後側の端部には、リアバンパー１１９が固定されている。また、リアサイドメンバー１１７ａ，１１７ｂの前後方向の中間には、リアサイドメンバー１１７ａとリアサイドメンバー１１７ｂを結合するクロスメンバー１１７ｃが配置されている。クロスメンバー１１７ｃの端部は、溶接等によりリアサイドメンバー１１７ａ及びリアサイドメンバー１１７ｂのそれぞれに固定されている。

前述のように、衝突時のエネルギー吸収を主に担うフロントサイドメンバー１１６ａ，１１６ｂ、リアサイドメンバー１１７ａ，１１７ｂ、またはセンターピラーなどの部材は、車両が衝突した場合に、衝突時のエネルギー吸収を主に担う部材であり、コンパクト化と高効率化が強く要求されている。

本発明者らは曲げ変形に伴い部材が弱化することの解消と、重量増回避を両立するため、これらの部材の曲げ誘起部に近い部位に比較的小さなビード部を設置することを見出した。本発明により補強部材の追加をせずに曲げ変形に伴うこれらの部材の弱化を軽減することができる．

図３は、本発明の一実施形態に係る柱状部材１００の構成を示す斜視図である。柱状部材１００は、車体フロア１１０を構成する部材のうち、特にフロントサイドメンバー１１６ａ，１１６ｂ、またはリアサイドメンバー１１７ａ，１１７ｂに適用して好適である。なお、柱状部材１００は、フロアクロスメンバー１１４ａ～１１４ｆ、またはサイドシル１２０など、図１に示す車体フロア１１０の他の構成要素に適用されてもよい。更には、柱状部材１００は、車両のセンターピラー、Ａピラー、Ｂピラーなどの車体フロア１１０以外の構成要素に適用されてもよい。

図３に示すように、柱状部材１００は、ハット形状部材１０と、プレート形状部材３０とを有する。ハット形状部材１０およびプレート形状部材３０は、例えば鋼板から形成される。

ハット形状部材１０は、直線状の主軸線Ｏmに沿って延びる平板状の上壁１２と、該上壁１２の両側縁部１２ａ、１２ｂに沿って延設された縦壁１４、１６と、各縦壁１４、１６の反対側の縁部１４ａ、１６ａに沿って延設されたフランジ部１８、２０とを具備している。

ハット形状部材１０の上壁１２には、曲げ誘起部２２が形成されている。また、縦壁１４には、ビード部１４ｂが形成されている。同様に、縦壁１６には、ビード部１６ｂが形成されている。曲げ誘起部２２とビード部１４ｂ、１６ｂは、主軸線Ｏmに沿う方向で同じ位置に形成されている。

図４は、曲げ誘起部２２の位置で、柱状部材１００の主軸線Ｏmの方向である長手方向に対して垂直な平面で切断した断面（横断面）を示す断面図である。より詳細には、図４は、図３に示す一点鎖線ＩＩ－ＩＩ’に沿った断面を示しており、後述するビード部１４ｂ、１６ｂの位置では、ビード部１４ｂ、１６ｂの長手方向に沿った断面を示している。図４に示すように、ハット形状部材１０の横断面は、概ねハット形となっている。プレート形状部材３０は、ハット形状部材１０のフランジ部１８、２０に対して、点溶接、線溶接などにより接合されている。

曲げ誘起部２２は、上壁１２の表側（図１で上壁１２の上側）が凹となる折れ誘発ビード（凹部）から構成されている。曲げ誘起部２２は、ハット形状部材１０の母材である鋼板をプレス加工することにより形成されている。曲げ誘起部２２は、鋼板を折り曲げてハット形状部材１０をプレス成形するプレス加工の際に、ハット形状部材１０の成形と同時に形成されてもよい。

車体フロア１１０を構成するフロントサイドメンバー１１６ａ，１１６ｂ、またはリアサイドメンバー１１７ａ，１１７ｂは、自動車が衝突した場合に、車長方向に大きな衝撃力を受け、圧縮変形する。柱状部材１００がフロントサイドメンバー１１６ａ，１１６ｂ、またはリアサイドメンバー１１７ａ，１１７ｂに適用された場合に、衝突により車長方向に大きな衝撃力が加わると、柱状部材１００の主軸線Ｏmの方向に圧縮負荷がかかり、柱状部材１００が曲げ変形する。柱状部材１００が曲げ変形することで、衝突のエネルギーが吸収される。

曲げ誘起部２２は、柱状部材１００に折れ易い箇所を設けるために形成されており、柱状部材１００が主軸線Ｏｍの方向に圧縮負荷を受けた際に、柱状部材１００の曲げの起点となる。これにより、柱状部材１００に圧縮負荷が加わった際に、予め想定された一定の変形モードで柱状部材１００が曲げ変形する。したがって、柱状部材１００に圧縮負荷が加わった際に、柱状部材１００が想定外に変形することが抑制され、安全性が確保される。

ビード部１４ｂ、１６ｂは、縦壁１４，１６の表側が凸となるように形成され、周囲の縦壁１４、１６の面よりも凸状に突出している。また、ビード部１４ｂの平面形状はＶ字形状を成し、曲げ誘起部２２に向けて末広がりの形状とされている。

ビード部１４ｂ、１６ｂは、ハット形状部材１０の母材である鋼板をプレス加工することにより形成されている。ビード部１４ｂは、プレス加工により鋼板を裏側から打ち出すようにして形成されることから、縦壁１４、１６の裏側から見ると、ビード部１４ｂ、１６ｂの裏側は凹部となっている。ビード部１４ｂ、１６ｂは、鋼板を折り曲げてハット形状部材１０をプレス成形するプレス加工の際に、ハット形状部材１０の成形と同時に形成されてもよい。

曲げ誘起部２２を設けたことにより、柱状部材１００に主軸線Ｏmの方向に圧縮負荷が加わった際に、曲げ誘起部２２の位置で柱状部材１００に曲げ変形が生じ、曲げ誘起部２２の位置で柱状部材１００が屈曲する。圧縮負荷が加わった際の柱状部材１００の主軸線Ｏmの方向の反力は、柱状部材１００が曲げ変形により屈曲するまでは増加し、柱状部材１００が屈曲すると減少する。

柱状部材１００が屈曲する際には、曲げ誘起部２２の位置で、上壁１２に主軸線Ｏmと直交する方向の溝状の凹みが形成される。柱状部材１００の変形が進み、屈曲が大きくなるほど、溝状の凹みの幅は狭くなり、溝状の凹みの向かい合う内壁の距離が近くなる。そして、溝状の凹みの向かい合う内壁が衝突すると、柱状部材１００の屈曲が一時的に止まり、減少していた反力は増加に転じる。

縦壁１４．１６に設けられたビード部１４ｂ、１６ｂは、柱状部材１００が屈曲して変形する過程で、溝状の凹みを段階的で生じさせ、曲げ変形の早期に溝状の凹みの向かい合う内壁を衝突させ、曲げ変形の早期から反力を高めるように設けられている。ビード部１４ｂ、１６ｂが設けられることで、柱状部材１００が曲げ誘起部２２の位置で曲げ変形した後、溝状の凹みの向かいうあう内壁が段階的に衝突することにより、反力の低下が抑制され、衝突エネルギーの吸収量が増大する。

ビード部１４ｂ、１６ｂの有無による反力の違いを説明するため、ビード部１４ｂ、１６ｂが設けられていないベース部材モデルの柱状部材１０２と、ビード部１４ｂ、１６ｂが設けられた本実施形態に係る柱状部材１００とを比較して説明する。図５は、ビード部１４ｂ、１６ｂが設けられていないベース部材モデルの柱状部材１０２の構成を示す斜視図である。図５に示す柱状部材１０２の構成は、ビード部１４ｂ、１６ｂが設けられていない点以外は、図３に示した本実施形態に係る柱状部材１００と同一である。

図６Ａ～図６Ｃは、ベース部材モデルの柱状部材１０２を側面から見た状態を示しており、柱状部材１０２に主軸線Ｏmの方向に圧縮負荷が加わった場合に、柱状部材１０２の曲げ変形が進む様子を時系列に示す模式図である。なお、図６Ａ～図６Ｃにおいて、一点鎖線の位置は曲げ誘起部２２の位置を示している。

図６Ａには、柱状部材１０２に圧縮負荷を与えるための治具４０が示されている。柱状部材１０２に曲げ変形が進む様子を解析するため、柱状部材１０２の両端の治具４０の孔４２に回転軸が挿入され、回転軸を互いに近づけた場合の変形が解析される。

図６Ａは、柱状部材１０２の長手方向に圧縮負荷を加え始めた状態を示している。この状態では、柱状部材１０２は未だ屈曲していない。

次に、図６Ｂに示すように、孔４２に挿入された回転軸が互いに近づくことで柱状部材１０２の長手方向に圧縮負荷が加わり、曲げ誘起部２２の位置で柱状部材１０２が屈曲し始めると、縦壁１４、１６に皺状の膨らみ１４ｃ、１６ｃが生じ、曲げ誘起部２２の位置で上壁１２に凹み１３ａが生じる。

次に、図６Ｃに示すように、孔４２に挿入された回転軸が更に近づくと、柱状部材１０２が更に屈曲し、凹み１３ａが溝状になる。なお、図６Ｃに示すタイミングは、図６Ａから一定時間Ｔが経過したタイミングである。図６Ｃに示す状態から柱状部材１０２が更に屈曲すると、溝状の凹み１３ａの向かい合う内壁が衝突する。

図７は、図６Ｃに示すタイミングで、柱状部材１０２の上壁１２の曲げ誘起部２２の近辺を上から見た状態を示す模式図である。図７に示すように、上壁１２には、幅ｄ２の溝状の凹み１３ａが形成されている。図７に示す状態の後、柱状部材１０２が更に屈曲すると、溝状の凹み１３ａの向かい合う内壁１３ｂ同士が衝突する。

ビード部１４ｂ、１６ｂが設けられた本実施形態の柱状部材１００に対し、図６Ａ～図６Ｃと同一条件で圧縮負荷を加えると、柱状部材１００は、基本的にはベース部材モデルの柱状部材１０２と同様に曲げ変形する。しかし、本実施形態の柱状部材１００では、ビード部１４ｂ、１６ｂの作用により、曲げ変形の早期に溝状の凹みの向かい合う内壁が衝突するため、反力の低下が抑制される。

図８は、縦壁１４、１６にビード部１４ｂ、１６ｂが設けられた本実施形態の柱状部材１００に対し、図６Ａ～図６Ｃと同一条件で圧縮負荷を加えた場合に、図６Ｃと同じタイミング（圧縮負荷を加え始めてから一定時間Ｔの経過後）にて、柱状部材１００の上壁１２の曲げ誘起部２２の近辺を上から見た状態を示す模式図である。

本実施形態の柱状部材１００では、曲げ誘起部２２の位置で柱状部材１００が屈曲し始めると、ビード部１４ｂ、１６ｂが形成されていることにより、縦壁１４、１６が外側に変形し易くなる。このため、ベース部材モデルの柱状部材１０２よりも早い段階で、縦壁１４、１６に膨らみ１４ｄ、１６ｄが生じ、上壁１２に凹み１３ｄが生じる。

より詳細には、ビード部１４ｂ、１６ｂは、膨らみ１４ｄ、１６ｄが形成される輪郭に沿って、膨らみ１４ｄ、１６ｄが形成される予想位置に設けられている。ビード部１４ｂ、１６ｂが膨らみ１４ｄ、１６ｄが形成される位置に予め設けられると、柱状部材１００が屈曲した際に、２箇所のビード部１４ｂ、１６ｂの位置で座屈がそれぞれ発生するため、図８中に二点鎖線Ｅ２で示すように縦壁１４、１６に鋭角状の膨らみ１４ｄ、１６ｄが生じ、縦壁１４、１６への膨らみ１４ｄ、１６ｄの形成が助長される。一方、図７に示すように、ベース部材モデルの柱状部材１０２では、ビード部１４ｂ、１６ｂによる座屈が生じないため、膨らみ１４ｃ、１６ｃは二点鎖線Ｅ１で示すように円弧状であり、本実施形態の柱状部材１００ほど顕著に膨らみ１４ｃ、１６ｃは生じない。したがって、本実施形態の柱状部材１００では、ベース部材モデルの柱状部材１０２に比べて、縦壁１４、１６に早期に膨らみ１４ｄ、１６ｄが生じ、早期に上壁１２に凹み１３ｄが形成される。

このため、図７及び図８に示すように、本実施形態の柱状部材１００の上壁１２に形成される溝状の凹み１３ｄの幅ｄ１は、同じタイミングでベース部材モデルの柱状部材１０２に形成される溝状の凹み１３ａの幅よりも狭くなる。したがって、ビード部１４ｂ、１６ｂを設けた場合は、ビード部１４ｂ、１６ｂを設けない場合に比べて、溝状の凹み１３ｄの向かい合う内壁１３ｅがより早い段階で衝突する。

図９は、本実施形態に係る柱状部材１００とベース部材モデルの柱状部材１０２に対し、主軸線Ｏmの方向に圧縮負荷を加えた場合に、ストローク（横軸）と反力（縦軸）との関係を示す特性図である。図９において、実線で示す特性Ｃ１は、縦壁１４，１６にビード部１４ｂ、１６ｂが設けられた本実施形態の柱状部材１００における、ストロークと反力の特性を示している。また、破線で示す特性Ｃ２は、ベース部材モデルの柱状部材１０２における、ストロークと反力の特性を示している。

また、図１０Ａ及び図１０Ｂ、図１１Ａ～図１１Ｃは、図９に示すストロークと反力の特性において、ストロークがＳ１，Ｓ２，Ｓ３のそれぞれのタイミングにおける、柱状部材１００，１０２の曲げ変形の状態を示す図である。図１０Ａ及び図１０Ｂは、本実施形態の柱状部材１００の曲げ変形の状態を示している。また、図１１Ａ～図１１Ｃは、ベース部材モデルの柱状部材１０２の曲げ変形の状態を示している。図１０Ａ及び図１０Ｂ、図１１Ａ～図１１Ｃは、それぞれのタイミングにおいて、図３及び図５に示す一点鎖線Ｉ－Ｉ’に沿って柱状部材１００を破断した状態を示している。

図１０Ａ及び図１１Ａは、図９に示すストロークＳ１のタイミングでの柱状部材１００，１０２の曲げ変形の状態を示している。また、図１０Ｂ及び図１１Ｂは、図９に示すストロークＳ２のタイミングでの柱状部材１００，１０２の曲げ変形の状態を示している。また、図１１Ｃは、図９に示すストロークＳ３のタイミングでの柱状部材１０２の曲げ変形の状態を示している。

図９に示すように、柱状部材１００，１０２に主軸線Ｏmの方向に圧縮負荷を加えると、ストロークがＳ０に到達するまでは、ストロークの増加に伴い反力が増加する。ストロークがＳ０に到達すると、柱状部材１００，１０２が曲げ誘起部２２の位置で屈曲する。

ストロークＳ０以降は、柱状部材１００の曲げ変形が進行し、ストロークの増加に伴い、反力は低下する。また、本実施形態の柱状部材１００では上壁１２に溝状の凹み１３ｄが形成され、ベース部材モデルの柱状部材１０２では上壁１２に溝状の凹み１３ａが形成される。ストロークがＳ１に到達するまでは、特性Ｃ１と特性Ｃ２との間に大きな相違は見られない。

ストロークがＳ１に到達すると、本実施形態の柱状部材１００では、図１０Ａに示すように、溝状の凹み１３ｄの向かい合う内壁１３ｅが衝突する（第１衝突）。これにより、図９に示す実線の特性Ｃ１では、ストロークＳ１以降に反力が一時的に増加する。その後、ストロークＳ２までの間に、特性Ｃ１の反力は緩やかに減少する。

一方、ベース部材モデルの柱状部材１００では、図１１Ａに示すように、ストロークがＳ１に到達しても、溝状の凹み１３ａの向かい合う内壁１３ｂは衝突せず、向かい合う内壁１３ｂの間には比較的大きな空間が存在している。このため、図９に示す破線の特性Ｃ２では、ストロークＳ１以降も反力は減少し続ける。

ストロークがＳ２に到達すると、本実施形態の柱状部材１００では、図１０Ｂに示すように、ストロークＳ１で衝突した内壁１３ｅの上で、溝状の凹み１３ｄの向かい合う内壁１３ｅが再び衝突する（第２衝突）。これにより、図９に示す実線の特性Ｃ１では、ストロークＳ２以降に反力が一時的に増加する。その後、特性Ｃ１の反力は、ストロークが増加してもほぼ一定値となる。

一方、ベース部材モデルの柱状部材１０２では、図１１Ｂに示すように、ストロークがＳ２に到達しても、溝状の凹み１３ａの向かい合う内壁１３ｂは依然として衝突せず、向かい合う内壁１３ｂの間には空間が存在している。このため、図９に示す破線の特性Ｃ２では、ストロークＳ２以降も反力は減少し続ける。

ストロークがＳ３に到達すると、ベース部材モデルの柱状部材１０２では、図１１Ｃに示すように、溝状の凹み１３ａの向かい合う内壁１３ｂがようやく衝突する。これにより、図８に示す破線の特性Ｃ２では、ストロークＳ３以降に反力が増加し、その後は実線の特性Ｃ１と同様に、反力はストロークが増加してもほぼ一定値となる。

以上のように、本実施形態に係る柱状部材１００の特性Ｃ１では、ストロークＳ１とストロークＳ２のタイミングで合計２回の内壁１３ｅの衝突が生じるため、ストロークＳ１以降の反力の減少が抑制される。これにより、小さいストロークで大きな反力を生じさせることができるため、より少ないスペースで衝突時のエネルギー吸収を行うことが可能となる。

一方、ベース部材モデルの柱状部材１０２では、ストロークＳ３に到達するまでの間は、向かい合う内壁１３ｂが衝突しないため、内壁１３ｂが衝突するまでの間は反力が減少し続ける。したがって、ベース部材モデルの柱状部材１０２では、本実施形態の柱状部材１００に比べて、同じストローク時に発生する反力がより低下しまい、本実施形態の柱状部材１００と同じ衝突エネルギーを吸収するに当たり、より大きなスペースが必要になる。

特性Ｃ１または特性Ｃ２と横軸とによって囲まれた領域の面積は、柱状部材１００が曲げ変形することによって吸収される衝突エネルギーの大きさを示している。縦壁１４，１６にビード部１４ｂ、１６ｂが設けられた本実施形態の柱状部材１００の特性Ｃ１によれば、縦壁１４，１６にビード部１４ｂ、１６ｂが設けられていないベース部材モデルの柱状部材１０２の特性Ｃ２に比べて、ハッチングで示した面積の分だけより大きな衝突エネルギーが吸収される。

なお、上述した実施形態では、ビード部１４ｂ，１６ｂとして、縦壁１４の外側に向かって凸状のものを示したが、ビード部１４ｂ，１６ｂは、縦壁１４の内側に向かって凸状であってもよい。

また、上述した実施形態では、凹状のビードからなる曲げ誘起部２２を示したが、曲げ誘起部２２は、柱状部材１００の曲げの起点となる部位であればよく、上壁１２に設けられた凸部、孔、または柱状部材１００の曲率の変化点から構成されていてもよい。また、曲げ誘起部２２は、柱状部材１００の材料強度が局所的に低下する部位から構成されていてもよい。

例えば、図１８は、曲げ誘起部２２が上壁１２に設けられた孔から構成された例を示す斜視図である。また、図１９は、曲げ誘起部２２が主軸線Ｏmの方向に延在する４本の凹状のビードから構成された例を示す斜視図である。柱状部材１００の曲げ剛性は主軸線Ｏmと直交する断面の形状で定まる。曲げ変形は断面２次モーメントの変化点で生じ易く、図１８及び図１９のいずれの例においても、曲げ誘起部２２を設けたことにより、主軸線Ｏmと直交する断面の断面２次モーメントが曲げ誘起部２２の位置で変化するため、柱状部材１００の主軸線Ｏmの方向に圧縮負荷が加わった場合に、曲げ誘起部２２が曲げの起点となる。図１８は曲げ誘起部２２で断面２次モーメントが高く変化する例であり、図１９は曲げ誘起部２２で断面２次モーメントが低く変化する例である。

また、上述した実施形態では、曲げ誘起部２２が上壁１２に設けられた例を示したが、曲げ誘起部２２は、上壁１２の反対側のプレート形状部材３０に設けられていてもよい。この場合、ビード部１４ｂ，１６ｂは、プレート形状部材３０に設けられた曲げ誘起部２２に向かって広がる逆Ｖ字形状となる。

また、上述した実施形態では、柱状部材１００がハット形状部材１０とプレート形状部材３０とから構成される例を示したが、柱状部材１００は２つのハット形状部材から構成されてもよい。図２０は、柱状部材１００が、ハット形状部材１０とハット形状部材５０とから構成された例を示す模式図であって、柱状部材１００の主軸線Ｏmの方向と直交する方向に沿った断面を示す模式図である。図２０に示す柱状部材１００では、ハット形状部材１０のフランジ部１８、２０に対して、プレート形状部材５０のフランジ部５２、５４が点溶接、線溶接などにより接合される。プレート形状部材５０の上壁５６は、ハット形状部材１０側に位置してもよいし、ハット形状部材１０とは反対側に位置していてもよい。なお、図２０では、主軸線Ｏmの方向において、凹部、または孔が設けられていない位置の断面を示している。

以上説明したように本実施形態によれば、曲げ誘起部２２の位置で縦壁１４にビード部１４ｂ，１６ｂを設け、ビード部１４ｂ，１６ｂの形状を曲げ誘起部２２に向かって広がる形状としたことにより、柱状部材１００に圧縮負荷が加えられた場合に、曲げ変形による反力の低下が抑制される。これにより、重量を増加させることなく柱状部材１００の衝撃吸収性能が向上される。

以下、本実施形態の具体的な実施例について説明する。

柱状部材１００は、曲げ誘起部２２およびビード部１４ｂ、１６ｂを含むハット形状部材１０と、プレート形状部材３０とをフランジ部１８、２０にて点溶接した構造体とした。ハット形状部材１０は引張強度１１８０ＭＰａ級の板厚１．６ｍｍの鋼板から構成し、プレート形状部材３０は引張強度９８０ＭＰａ級の板厚１．２ｍｍの鋼板から構成した。

点溶接ピッチは３０ｍｍとし、スポット溶接の溶接径は６ｍｍとした。また、部材長（図６Ａに示すＬ１）は３４０ｍｍ、ハット形状部材１０の高さ（図４に示すＨ）は７２ｍｍ、プレート形状部材３０の幅（図４に示すＷ）は１６０ｍｍとし、全ての柱状部材１００およびベース部材モデルの柱状部材１０２で共通とした。

本発明者らが鋭意検討した結果、ビード部１４ｂ、１６ｂの形状と縦壁１４，１６の角度（図４に示すθ）に応じて、ベース部材モデルに対する反力とエネルギー吸収量が異なることが判明した。

図１２は、縦壁１４に設けられたビード部１４ｂを詳細に示す模式図である。また、図１３は、主軸線Ｏmの方向から柱状部材１００を見た場合に、ビード部１４ｂを詳細に示す模式図である。図１２及び図１３において、ｈ１は上壁１２の表面から、上壁１２と縦壁１４、１６との境界に形成されるＲ部１５の下端までの距離を示している。ビード部１４ｂ、１６ｂの上端の位置は、上壁１２からｈ１の距離であるＲ部１５の下端の位置とほぼ一致している。図１２において、ビード部１６ｂの形状は、主軸線Ｏmの方向の長さＩ［ｍｍ］と高さｈ［ｍｍ］により定まる。ビード部１４ｂは、縦壁１４の表面から少しでも突出していれば、上述の効果が得られる。好ましくは、図１３に示す縦壁１４の表面からのビード部１４ｂの突出量ｓは、ハット形状部材１０の板厚以上である。

（ビード部の形状と反力との関係）
先ず、長さＩおよび高さｈに応じたビード部１４ｂ、１６ｂの形状のバリエーションと、反力との関係について検討した結果を示す。図５に示したような、ウェブ面の長手方向中央に曲げ誘起部２２を形成したベース部材モデルの柱状部材１０２を基準として、図３に示した本発明例の柱状部材１００との反力の比較をＣＡＥにて実施した。

反力の検討では、図１２に示すビード部１４ｂ、１６ｂの主軸線Ｏmの方向の長さＩ［ｍｍ］、ビード部１４ｂ、１６ｂの高さｈ［ｍｍ］について複数のバリエーションを用意し、ビード部１４ｂ、１６ｂのサイズのバリエーション毎に、図９と同様のストロークと反力との関係を示す特性を得た。

この際、図６Ａと同様に、柱状部材１０２の両端の治具４０の孔４２に挿入された回転軸を互いに近づけた場合の変形を解析した。図６Ａにおいて、柱状部材１０２の長手方向で端部からＬ２＝６７ｍｍ、高さ方向で上壁１２からＬ３＝１５ｍｍ、の位置に設けられた孔４２に対し、柱状部材１０２の幅方向を軸とする回転軸が挿入され、これらの回転軸を５００ｍｍ／ｓの速度で互いに近づけることで強制変位を付与し、柱状部材１００，１０２の曲げ変形を解析した。

図１４は、ビード部１４ｂ、１６ｂの形状のバリエーション毎に、ストロークと反力との関係を示す特性図である。ビード部１４ｂ、１６ｂの形状のバリエーションとして、主軸線Ｏmの方向の長さＩ［ｍｍ］、高さｈ［ｍｍ］が異なるものを複数用意し、図１４に示すストロークと反力の特性Ｃ１～Ｃ４を測定した。特性Ｃ１～Ｃ４において、長さＩ［ｍｍ］、高さｈ［ｍｍ］の高さＨに対する比率は、以下の通りである。なお、図１４に示す特性Ｃ１、特性Ｃ２は、図８に示した特性Ｃ１、特性Ｃ２と同一である。

図１４に示すように、ベース部材モデル（特性Ｃ２）に対する比較では、特性Ｃ１の反力が最も大きく、次いで特性Ｃ３、特性Ｃ４の順で反力が大きかった。

（エネルギー吸収量）
また、上記と同じ条件で柱状部材１００に強制変位を付与し、ビード部１４ｂ、１６ｂのサイズ（長さＩ、高さｈ）と柱状部材１００のエネルギー吸収性能の関係を、ベース部材モデルにおけるエネルギー吸収量と比較することで検討した。また、柱状部材１００の縦壁１４，１６の角度θとエネルギー吸収性能の関係も同様に導出した。

上記と同様、ビード部１４ｂ、１６ｂのサイズは、縦壁１４，１６の高さＨに対する比率で表し、長さＩと高さｈのそれぞれについて、比率０．１, ０．２, ０．２５, ０．３３, ０．４, ０．５, ０．７５, １．０のバリエーションを準備した。縦壁角度のバリエーションは、５０［ｄｅｇ］，６０［ｄｅｇ］，７０［ｄｅｇ］, ８０［ｄｅｇ］の４種類とした。

長さＩを検討する場合は、高さＨに対する高さｈの比率を０．３３とし、縦壁角度を８０［ｄｅｇ］とした。高さｈを検討する場合は、高さＨに対する長さＩの比率を０．３３とし、縦壁角度を８０［ｄｅｇ］とした。縦壁角度を検討する場合は、高さＨに対する高さｈの比率を０．３３とし、高さＨに対する長さＩの比率を０．３３とした。それぞれの水準を以下の表２に示す。

図１５Ａ～図１５Ｃに検討結果を示す。図１５Ａ～図１５Ｃでは、縦軸にベース部材モデルにおけるエネルギー吸収量に対する、検討対象の柱状部材１００のエネルギー吸収量の比率（エネルギー吸収量比）を示している。この比率が１より大きい場合、ベース部材モデルよりもエネルギー吸収量が大きくなる。

図１５Ａは、ビード部１４ｂ、１６ｂの長さＩとエネルギー吸収量比の関係を示している。図１５Ａにおいて、横軸は、長さＩ［ｍｍ］の高さＨに対する比率Ｉ／Ｈを示している。図１５Ａに示すように、Ｉ／Ｈが０．５未満であれば、ベース部材に対するエネルギー吸収量比が１よりも大きかった。

図１５Ｂは、ビード部１４ｂ、１６ｂの高さｈとエネルギー吸収量比の関係を示している。図１５Ａにおいて、横軸は、高さｈ［ｍｍ］の高さＨに対する比率ｈ／Ｈを示している。図１５Ｂに示すように、ｈ／Ｈが０．７５未満であれば、ベース部材に対するエネルギー吸収量比が１よりも大きかった。

図１５Ｃは、縦壁角度とエネルギー吸収量比の関係を示している。図１５Ｃにおいて、横軸は縦壁角度を示している。図１５Ｃに示すように、縦壁角度が５０［ｄｅｇ］を超えていれば、ベース部材モデルに対するエネルギー吸収量比が１よりも大きかった。

なお、図１５Ａ、図１５Ｂにおいて、横軸の比率（Ｉ／Ｈ，ｈ／Ｈ）が０．０の場合のエネルギー吸収量比のデータは、ビード部１４ｂ、１６ｂが設けられていないベース部材での結果を示している。

（Ｒ部からビード部の上端までの距離）
柱状部材１００が主軸線Ｏmの方向に圧縮負荷を受けると、Ｒ部１５で比較的大きな反力が生じる。このため、ビード部１４ｂ、１６ｂがＲ部１５まで侵入していると、Ｒ部１５で発生する反力が減少してしまい、柱状部材１００の衝突エネルギー吸収能力が低下する。このため、ビード部１４ｂ、１６ｂの上端の位置は、Ｒ部１５よりも下に位置していることが好ましい。

より好ましくは、ビード部１４ｂ、１６ｂの上端の位置は、上壁１２からｈ１の距離であるＲ部１５の下端の位置と一致していることが好ましい。この構成によれば、柱状部材１００に圧縮負荷が加えられた場合に、Ｒ部１５で大きな反力を生じさせるとともに、早期に凹み１３ｄの向かい合う内壁１３ｅを衝突させることができる。

一方、ビード部１４ｂ、１６ｂの上端の位置が、Ｒ部１５の下端の位置よりも下に位置している場合であっても、ベース部材モデルに対する反力を高めることは可能である。

図１６は、図１２と同様に、縦壁１４に設けられたビード部１４ｂを詳細に示す模式図であって、ビード部１４ｂ、１６ｂの上端の位置とR部１５の下端の位置との間に間隔ｓを設けた例を示している。

図１７は、図１４と同様に柱状部材１００，１０２のストロークと反力との関係を示す特性図であって、図１４の特性Ｃ１、特性Ｃ２とともに、図１６に示す間隔ｓを５ｍｍとした柱状部材１００における特性Ｃ５を示している。

図１７に示すように、ビード部１４ｂ、１６ｂの上端の位置とR部１５の下端の位置との間に５ｍｍの間隔を設けた柱状部材１００の特性Ｃ５は、特性Ｃ１に比べると反力は低下するものの、ベース部材モデルの特性Ｃ２よりも反力は大きく上回っている。したがって、図１６に示したように、ビード部１４ｂ、１６ｂの上端の位置とＲ部１５の下端の位置との間に間隔ｓを設けてもよい。この場合、ビード部１４ｂ、１６ｂの上端の位置とＲ部１５の下端の位置を必ずしも一致させなくてもよいことから、ビード部１４ｂ、１６ｂの設計の自由度が大きくなり、且つ製造コストの低減が見込まれる。

１０，５０ハット形状部材
１２，５６上壁
１２ａ側縁部
１３ａ、１３ｄ凹み
１３ｂ，１３ｅ内壁
１４縦壁
１４ａ，１６ａ縁部
１４ｂ，１６ｂビード部
１５Ｒ部
１６縦壁
１８，２０，５２，５４フランジ部
２２曲げ誘起部
３０プレート形状部材
４０治具
４２孔
１００，１０２柱状部材
１１０車体フロア

Claims

主軸線に沿って延設された上壁と、
前記上壁の両側縁に沿って延設された縦壁と、
前記縦壁において前記上壁とは反対側の縁部に沿って延設されたフランジ部と、
を有し、前記主軸線に垂直な断面が略ハット形を呈するハット形状部材を備える柱状部材であって、
前記上壁に設けられ、前記主軸線の方向に圧縮負荷を受けた際に、前記柱状部材の曲げの起点となる曲げ誘起部と、
前記縦壁上において、前記主軸線の方向で前記曲げ誘起部に対応する位置に設けられ、前記曲げ誘起部に向けて広がる形状の２本のビードからなるビード部と、
を有する、柱状部材。
前記ビード部は、前記縦壁の外側に突出している、請求項１に記載の柱状部材。
前記ビード部の前記主軸線に沿った方向の長さは、前記縦壁の高さの０．５倍未満である、請求項２に記載の柱状部材。
前記ビード部の高さは、前記縦壁の高さの０．７５倍未満である、請求項２又は３に記載の柱状部材。
前記ビード部の上端の位置は、前記上壁と前記縦壁とを接続するＲ部よりも下に位置する、請求項１～４のいずれか１項に記載の柱状部材。
前記曲げ誘起部は、前記上壁に設けられ、前記主軸線と直交する方向に延在する凹部又は孔から構成される、請求項１～５のいずれか１項に記載の柱状部材。
車両のフロントサイドメンバー又はリアサイドメンバーを構成する、請求項１～６のいずれか１項に記載の柱状部材。