JPH06101732A - 複合構造の衝撃吸収用部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 塑性変形による衝撃エレルギ吸収と、全体の
変形量を小さく抑えると言う相反する二つの機能を充分
に満足させ、かつ、軽量化を達成すること。 【構成】 複合構造の衝撃吸収用部材1 は、ビーム状の
部材であって、該部材の衝撃荷重が作用する側が塑性変
形容易な衝撃吸収材2 で形成され、前記衝撃荷重が作用
する側とは反対側が高強度軽量材3 で形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車用のドア・サイ
ドビームやバンパービーム等に使用される複合構造の衝
撃吸収用部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用のドア・サイドビームやバンパ
ービーム等として使用される衝撃吸収用部材は、軽量化
の観点から、同じ重量で大きな断面二次モーメントを得
るために、中空構造が採用されている。このような中空
断面を有するビーム状の衝撃吸収用部材は、押出成形に
より生産されていた。

【０００３】従って、ビーム状の衝撃吸収用部材は単一
の材料から形成され、その断面肉厚は、長手方向に一定
であった。この種の衝撃吸収用部材に要求される機能
は、外部から大きな衝撃荷重を受けた場合、自らが塑性
変形することで衝撃エネルギを吸収し、且つ、一定の荷
重では破断せず、その変形量を小さくして内部構造、車
内の人員を保護することである。

【０００４】即ち、塑性変形して衝撃エネルギを吸収す
る機能と、変形量を小さくしなければならないと言う機
能とが要求されるものであった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の長手方向一
定肉厚の単一材料からなる衝撃吸収用部材、例えば、自
動車のバンパにおいて、最も一般的な一側面に等分布荷
重が作用する場合（自動車が正面衝突する場合）を考え
ると、単純な３点曲げのような状態になり、衝撃吸収用
部材の長手方向中央部の荷重作用面側には圧縮応力が、
反対側の表面には引っ張り応力が発生し、いずれも長手
方向中央部付近で曲げモーメントが最大、即ち、応力が
最大になる。

【０００６】このような応力状態におかれる衝撃吸収用
部材において、その断面構造を高剛性断面にすれば、負
荷が増大しても断面形状が保たれるため、前記中央部付
近の最大応力は、負荷荷重と共に直線的に増大する。し
かもその変形量は小さく抑えられるので、あたかも剛体
の如く機能し、衝撃吸収機能は極めて小さくなり、衝撃
吸収用部材としては有効に機能しなくなる。

【０００７】即ち、変形量を小さくすれば、衝撃吸収能
力が低下すると言う問題があった。一方、衝撃エネルギ
の吸収は、一般的に金属の塑性変形により行われるの
で、アルミ合金等の軟質材を使用すれば、その衝撃吸収
機能は大きくなる。しかし、アルミのように降伏点後の
加工硬化が小さい材料を使用すれば、最大応力点で降伏
強度に達した後も変形抵抗が増えないため、その部分で
塑性変形が続けて発生、進行し、中央で折れ曲がるよう
になり、最大変位量が大きくなる。

【０００８】従って、アルミ材から形成された衝撃吸収
用部材では、衝撃吸収機能は向上するが、変形量を小さ
くすることが出来ないと言う問題があった。即ち、衝撃
吸収機能と変形抑制機能とは相反する機能であり、単一
部材でこれら二つの相反する機能を充分に満たすように
するには、基本的に限界があった。一方、前記問題点の
改善の一手段として、引っ張り側では塑性変形や破断が
起きないようにし、圧縮側では積極的に塑性変形を起こ
させる方法が考えられる。

【０００９】しかし、従来の単一材料を押出成形するも
のでこれを実現させようとすれば、圧縮側と引っ張り側
の肉厚にかなりの差を設けることになる。衝撃吸収用部
材の総重量を増やさないで、肉厚に差を設けようとすれ
ば、圧縮側の肉厚を薄くせざるを得ず、この部分の塑性
変形によるエネルギ吸収量が低下する。また、引っ張り
側では塑性変形が起きないので、総エネルギ吸収量は従
来の肉厚のものに比べ小さくなる。

【００１０】従って、従来の重量と同じ重量とすれば、
ネルギ吸収能力を向上させることは出来ず、重量を増や
せば軽量化に反することになる。そこで、本発明は、前
記相反する二つの機能を充分に満足させることができ、
かつ、軽量化を達成することができる複合構造の衝撃吸
収用部材を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は次の手段を講じた。即ち、本発明の複合構
造の衝撃吸収用部材の特徴とするところは、ビーム状の
部材であって、該部材の衝撃荷重が作用する側が塑性変
形容易な衝撃吸収材で形成され、前記衝撃荷重が作用す
る側とは反対側が高強度軽量材で形成されている点にあ
る。

【００１２】尚、本発明においては、前記衝撃吸収材を
アルミニュム合金とし、前記高強度軽量材を繊維強化プ
ラスチックとするのが合目的である。

【００１３】

【作用】本発明によれば、ビーム状の部材の衝撃荷重が
作用する側が塑性変形容易な衝撃吸収材で形成され、前
記衝撃荷重が作用する側とは反対側が高強度軽量材で形
成されているので、衝撃荷重が作用すると、衝撃吸収材
は大きく塑性変形するが、高強度軽量材はさほど大きく
変形しない。

【００１４】従って、衝撃吸収材および高強度軽量材の
強度を適切に選定することにより、重量を増加させるこ
となく、衝撃エネルギ吸収機能と変形阻止機能との相反
する二つの機能を充分に満足させることができる。即
ち、本発明によれば、衝撃エネルギを吸収する部分と、
荷重を受け持つ（変形量を抑える）部分とに分け、かつ
それらの部分を、負荷荷重の方向に対して特定の相対的
位置関係に配置してあるので、各部分の機能を有効に発
揮させることができる。

【００１５】前記衝撃吸収材としてアルミニュム合金
を、高強度軽量材として繊維強化プラスチックを用いる
ことによ、軽量化を図ることができ、かつ、前記二つの
機能を充分に発揮させることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。図１において、本発明の複合構造の衝撃吸収用部材
1 は、ビーム状の部材であって、該部材1 の衝撃荷重が
作用する側が塑性変形容易な衝撃吸収材2 で形成され、
前記衝撃荷重が作用する側とは反対側が高強度軽量材3
で形成されている。

【００１７】前記衝撃吸収材2 はアルミニュム合金から
なり、押出成形されたものである。その断面形状は、上
下のフランジ部4 と該フランジ部4 を連結する左右一対
のウエブ5 とからなる中空断面とされている。前記高強
度軽量材3 は、プルトルージョンで成形した繊維強化プ
ラスチックからなる板材である。

【００１８】前記高強度軽量材3 は、前記衝撃吸収材2
の一方のフランジ部4 の表面に適宜の手段により接合さ
れる。前記複合構造の衝撃吸収用部材2 は、自動車のバ
ンパやサイドビームとして使用される。この使用に際し
ては、衝撃吸収部材2 が、衝撃荷重を受ける側になるよ
う配置される。このとき、衝撃吸収部材2 と高強度軽量
材3 は、最初から一体不可分に接合されている必要はな
く、組立状態において分離しないように接合されておれ
ばよい。

【００１９】図２に示すものは、本発明品の負荷に伴う
変形状態を示す説明図である。同図において、（ａ）は
無負荷状態を示し、（ｂ）から（ｄ）に至るに従い衝撃
負荷が増加している。衝撃荷重が衝撃吸収材2 に作用す
ると、衝撃吸収材2 の表面側に圧縮応力が発生し、高強
度軽量材3 の表面に引っ張り応力が発生する。負荷が増
加するにつれ、衝撃吸収材2 は塑性変形（潰れる）が大
きくなるが、高強度軽量材3 はその引っ張り応力に対抗
し、その変形量を小さく抑えている。

【００２０】従って、本発明によれば、衝撃エネルギ
は、衝撃吸収材2 の塑性変形により吸収され、全体の変
形は高強度軽量材3 によって防止されるので、両部材2,
3 の強度を適宜選定することにより、衝撃エネルギ吸収
量は大きく、全体の変形量は小さくすることができる。
図３及び図４は、本発明品と従来品との性能比較実験結
果を示すグラフである。

【００２１】この実験に使用された本発明品の衝撃吸収
材2 は、ＪＩＳ５０５３アルミニュム合金を押出成形し
てなるもので、その断面肉厚は１ｍｍで、全長は８００
ｍｍ、全重量は４３０ｇである。前記高強度軽量材3
は、プルトルージョンで成形した繊維強化プラスチック
からなる板材である。この繊維強化プラスチックは、Ｅ
ガラス繊維・エポキシ樹脂からなり、厚み５ｍｍ，幅５
０ｍｍ、繊維の含有率は５０％で、曲げ強度は１３０ｋ
ｇ／ｍｍ² 、剛性は５０００ｋｇ／ｍｍ² 、重量は６０
０ｇである。前記繊維は長手方向一方に配向されてい
る。

【００２２】前記高強度軽量材3 は、前記衝撃吸収材2
の一方のフランジ部4 の表面にボルトにて接合されて複
合構造の衝撃吸収部材1 を構成し、その全体形状は前記
図１に示すものと同様である。この衝撃吸収部材1 の総
重量は１，０３０ｇである。従来品は、材質……を押出
成形してなる単一材料からなるもので、その断面形状
は、本発明の衝撃吸収部材と同様のもので、その肉厚は
３ｍｍで、総重量は１，３００ｇである。

【００２３】前記テストピースの両端部を支持台にボル
トで固定し、３点曲げ試験を実施した。（引っ張り側の
最大撓み量が４０ｍｍになるまで負荷）図３は、長手方
向中央部の変位−荷重曲線であり、本発明品において
は、衝撃吸収材2 （図中、Ｄ1 点でしめす) と高強度軽
量材3 ( 図中、Ｄ2 点で示す) の変位を分けて測定して
いる。

【００２４】この図から高強度軽量材3 は弾性的に変形
しているが、衝撃吸収材2 は大きく組成変形（座屈）し
ていることが確認できる。吸収エネルギは衝撃吸収材側
の斜線で示した部分の面積で表せる。高強度軽量材3 の
耐荷重性は高く、２，０００ｋｇを越えており、従来品
に比べると顕著に大きくなっていることが分かる。図４
は、部材1 の長手方向の（１／２）Ｌ（中央）、（３／
８）Ｌ、（１／４）Ｌの位置における変位量と各部位に
おける応力の関係を示すグラフである。各部位における
吸収エネルギは斜線で示す領域（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）で
示される。部材1 全体の吸収エネルギは、測定部位を細
かく測定して総和を取る必要があるが、ここでは便宜的
に３ヵ所の和Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３で評価すると、本発
明品の吸収エネルギは、従来品の約３．５倍に増大して
いることが確認された。

【００２５】以上の説明から明らかなように、前記実施
例の衝撃吸収部材1 は、引っ張り応力の作用する場所と
応力の方向が決まっているので、その場所と方向のみを
強化するように繊維を極めて効果的に配向することがで
きる。繊維強化プラスチックは金属ライナ素材より軽い
ので、全体の重量の制限を受けにくく、引っ張り側面の
強度は自由に設計できる。そして、特定の荷重までは引
っ張り面で破断が起きないように設計すれば、中央部が
折れ曲がる従来部材に比べて引っ張り面側での総変形量
を著しく小さく抑えることができる。

【００２６】一方、最大変形量は引っ張り側で受け持つ
ことにより、圧縮側は積極的に塑性変形が進むような構
造を採用することができるので、衝撃エネルギの吸収は
確保できる。ここで、引っ張り側の剛性（弾性率）を適
当に低くすれば、全体の撓み制限の範囲内において大き
くできるので、圧縮側での塑性変形量を充分確保するこ
とができる。そして、従来のものでは塑性変形が中央部
付近だけであったのが、本発明では、前記の如く全体の
撓みを大きくすることにより、塑性変形も全体的に生じ
るので、衝撃エネルギ吸収量は従来のものに比べて著し
く大きくなる。

【００２７】本実施例では、引っ張り側は主としてＦＲ
Ｐで荷重を負担するため、その分の素材重量を圧縮側に
配分することができ、圧縮側の構造に対し、総塑性変形
量、即ち、エネルギ吸収量を最大にするための設計の自
由度が増える。尚、本発明においては、引っ張り側面の
塑性変形は小さい方が良いが、弾性変形は適当に大きい
方が良い。何故なら、その分だけ圧縮側の塑性変形が増
えるからである。（高強度軽量材の弾性率があまり大き
いと、衝撃吸収材を剛体に直接設置したと同じになり、
衝撃力が強く伝播することになる。）従って、高強度軽
量材は、弾性率の極めて高い炭素繊維よりは、衝撃吸収
材と同程度の弾性率を有するガラス繊維等が望ましい。

【００２８】なお、本発明は、前記実施例に限定される
ものではない。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、塑性変形による衝撃エ
レルギ吸収と、全体の変形量を小さく抑えると言う相反
する二つの機能を充分に満足させることができ、かつ、
軽量化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す斜視図である。

【図２】本発明実施例の衝撃吸収部材の負荷に伴う変形
状態を示す説明図である。

【図３】変形量と荷重の関係を示すグラフである。

【図４】衝撃吸収部材の各部位における応力−変形量の
関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 衝撃吸収用部材 ２ 衝撃吸収材 ３ 高強度軽量材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ビーム状の部材であって、該部材の衝撃
   荷重が作用する側が塑性変形容易な衝撃吸収材で形成さ
   れ、 前記衝撃荷重が作用する側とは反対側が高強度軽量材で
   形成されていることを特徴とする複合構造の衝撃吸収用
   部材。
2. 【請求項２】 前記衝撃吸収材は、アルミニュム合金で
   あり、前記高強度軽量材は、繊維強化プラスチックであ
   ることを特徴とする請求項１記載の複合構造の衝撃吸収
   用部材。