JPWO2005010397A1 - 衝撃吸収部材 - Google Patents
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Abstract
Description
このような安全上の要請から、車体の前部、後部あるいは側部等の適宜箇所には、衝突時の衝撃荷重が負荷されると圧壊することによって衝突エネルギを積極的に吸収するための衝撃吸収部材が設けられている。これまでにも、このような衝撃吸収部材として、フロントサイドメンバ、サイドシルさらにはリアサイドメンバ等が知られている。
近年には、クラッシュボックスといわれる衝撃吸収部材をフロントサイドメンバの先端に例えば締結や溶接等の適宜手段によって装着することによって、車体の安全性の向上と、軽衝突による車体の損傷を略解消することによる修理費の低減とをともに図ることが、行われるようになってきた。クラッシュボックスとは、軸方向へ負荷される衝撃荷重によって軸方向へ蛇腹状(アコーデオン状)に優先的に座屈することにより衝突エネルギを吸収する部材である。
この衝撃吸収部材の衝撃吸収性能を向上させるための材質や形状がこれまでにも種々開発されている。衝撃吸収部材に要求される衝撃吸収性能とは、具体的には、衝撃荷重が軸方向へ負荷されると軸方向へ繰り返し安定して座屈することにより蛇腹状に変形すること、衝撃吸収部材の圧壊時の平均荷重が高いこと、さらには、衝撃吸収部材の圧壊の際に発生する最大反力がこの衝撃吸収部材の近傍に配置された他の部材を破壊しない範囲にあることである。
これまでに一般的に用いられてきた衝撃吸収部材は、例えば特開平8−128487号公報に開示されるような、ハット形の横断面形状の部材に設けられたフランジを介して裏板を溶接して箱状部材としたものである。なお、本明細書において「フランジ」とは、横断面における輪郭から外部へ向けて突出して設けられた縁部を意味する。
これに対し、特開平9−277953号公報には、一端から他端へ向けての横断面形状が四角形以上の多角形からこの多角形よりも辺の数が多い他の多角形へと連続的に変化する閉断面構造を有することによって、衝突の初期の荷重を低減しながら衝撃吸収量を向上させた衝撃吸収部材に係る発明が開示されている。なお、この特開平9−277953号公報には、衝撃吸収部材の横断面形状を単に多角形化したのでは初期荷重が高くなり過ぎる旨、記載されている。
また、特開2002−316642号公報には、4つの平面部を有する角筒状の衝撃吸収部材の前端部の左右両側のうちの一方、又は上下両側のうち一方に切欠き部を設けた衝撃吸収部材に係る発明が開示されている。
また、特開2002−139086号公報には、潰れビードを設けることにより最大荷重を低減した衝撃吸収部材に係る発明が開示されている。
一方、近年の自動車の多くに乗員保護装置として搭載されるエアバッグは、衝突による乗員の損傷を低減するためには、衝突後に極めて微少な時間が経過したタイミングで正確に起動しなければならない。このエアバッグは、例えばフロントサイドメンバ等の衝撃吸収部材に装着された加速度センサが衝突時に検知する衝撃荷重の変化量に基づいて出力される信号によって、起動する。このため、衝突時の衝撃吸収部材に作用する衝撃荷重の変化量が安定的に得られないと、この信号の出力タイミングも変動し、エアバッグを所望のタイミングで正確に起動させることができなくなる。
そこで、特開平5−139242号公報には、衝撃吸収部材の前部及び後部の間に板厚差を設けること、衝撃吸収部材の前部及び後部の間に段部を設けて断面積差を付与すること、又は、この段部の後部に補強材を付与することによって、衝撃吸収部材に吸収される衝撃荷重が2段階となるようにして衝撃荷重を制御することにより、衝突エネルギを充分に吸収しながら、設定した加速度に近い値で確実に加速度センサを作動させることができる衝撃吸収部材に係る発明が開示されている。
特開平9−277953号公報により開示された発明では、衝撃吸収部材の横断面形状が略全長に渡って徐々に変化する。このため、この発明によれば、確かに初期荷重を低減することは可能になると考えられる。しかし、衝撃吸収部材の軸方向への位置によっては、衝撃吸収部材の横断面形状が不可避的に安定した座屈には適さない形状になるおそれがある。したがって、この衝撃吸収部材は、衝撃荷重が軸方向へ負荷されると、軸方向へ繰り返し安定して座屈することができず、蛇腹状に変形しないおそれがある。
特開2002−316642号公報により開示された発明では、部材の前端部が非対称形状となる。このため、この衝撃吸収部材単体での圧壊挙動も非対称となり、圧壊の際に曲がり等が発生して安定して座屈できない恐れがある。
特開2002−139086号公報により開示された発明において潰れビードを設ける適正な位置は、衝撃吸収部材の形状、寸法さらには材質等によって、変動する。このため、この発明において潰れビードを設ける位置を決定するためには、実際に潰れビードを様々な位置に設けた衝撃吸収部材を試作して相当数の確認実験を行う必要があり、現実には容易に実施できない。
一方、特開平5−139242号公報により開示された発明は、衝撃吸収部材の各部位に板厚差や段差を設けて断面積差を付与することにより、荷重を制御する。このため、この発明では、板厚差や断面積差を設けられた各部位が座屈する際の変形挙動の影響を大きく受け、生成する荷重差やこの荷重差が発生するストローク量が変動し易い。このため、この発明では、衝突時の衝撃吸収部材に吸収される衝撃荷重が2段階になるようにして衝撃荷重を確実かつ安定的に制御することは、容易ではない。
また、この発明では、不可避的に衝撃吸収部材の重量の増加を招くため、車体の軽量化の要請に反するとともに、衝撃吸収部材のコストが上昇する。
本発明の目的は、隔壁の追加や板厚の増加による重量の増加や、軸方向での屈曲を招くことなく、衝撃荷重を負荷されると、軸方向へ安定して蛇腹状に座屈することによって所定の衝撃吸収量を確保できる衝撃吸収部材を提供することである。
また、本発明の目的は、衝撃吸収部材の重量の増加を招くことなく、衝突時の衝撃吸収部材に吸収される衝撃荷重が2段階となるようにして衝撃荷重を確実かつ安定的に制御することができる衝撃吸収部材を提供することである。
本発明者らは、上述した従来の技術が有する課題に鑑み、種々検討を重ねた結果、衝撃吸収部材の形状を特定の形状とすることにより、潰れビードを設けなくとも、初期荷重の上昇を抑制できるとともに安定した座屈挙動を示すことから、設計目標通りの衝撃吸収量を確保できるようになることを知見した。ここで、初期荷重とは、圧壊初期に生じる荷重の最初の極大値を意味する。
すなわち、本発明者らはFEMにより衝撃吸収部材の軸圧壊の解析を行った。その結果、衝撃吸収部材の断面形状を四角形、六角形さらには八角形と、多角形の横断面形状の角数を増加するに伴って、荷重及び吸収エネルギEAがともに上昇することを確認した。
図1(a)は変位量が0〜150mmの範囲における荷重を示すグラフであり、図1(b)は図1(a)における変位量が0〜15mmの範囲を拡大して示すグラフである。
図1(a)及び図1(b)における縦軸Aは荷重を示し、縦軸Bは吸収エネルギを示し、さらに横軸Cは変位量を示す。また、図1(a)及び図1(b)のグラフにおける指示線を伴った4、6、8の各数字は、それぞれ、四角形、六角形、八角形であることを示す。さらに、図1(a)及び図1(b)のグラフにおける指示線を伴った符号Aは荷重のグラフであることを示し、指示線を伴った符号Bは吸収エネルギのグラフであることを示す。
図1(a)及び図1(b)に示すグラフから、所定の衝撃吸収量を確保するためには、衝撃吸収部材の横断面形状を六角形以上の多角形とすることが望ましいことが分かる。
ところがこのグラフから理解されるように、衝撃吸収部材の横断面形状が四角形、六角形さらには八角形と角数が増えると、初期荷重が大きくなるという問題がある。
したがって、六角形以上の多角形の横断面形状を有する衝撃吸収部材を実際に用いることができるようにするためには、衝撃吸収部材の本来の座屈挙動を維持したままで、初期荷重のみ低減することが重要である。一般に、軸方向へ圧壊される衝撃吸収部材に負荷される初期荷重は、初期座屈が発生する軸方向の位置における衝撃吸収部材の断面積と、衝撃吸収部材を構成する材料の降伏耐力との積に比例する。
このため、同一の材料により衝撃吸収部材を構成した場合に初期荷重を低減するためには、初期座屈の発生時における衝撃吸収部材の横断面積を小さくすることが有効である。
本発明者らは、これらの知見に基づいてさらに検討を重ねた結果、衝撃荷重が入力される側の衝撃吸収部材の筒体の一部に好ましくは対称に切欠き部を形成することによって、衝撃吸収部材が有する座屈挙動の安定性を維持したまま、初期荷重を低減できることを知見した。
さらに、本発明者らは、この切欠き部の形状を最適に設定すれば、衝突時の衝撃吸収部材に吸収される衝撃荷重の段階的な制御を確実かつ安定的に実現でき、これにより、上述した加速度センサを確実に作動させることができるのではと考え、さらに検討を重ねた。
その結果、以下に列記する内容の知見を得た。
(a)切欠き部により稜線の一部が切り欠かれた衝撃吸収部材の軸圧壊における変位(ストローク)と荷重との関係の一例を、図2にグラフで示す。図2における縦軸Aは荷重を示し、横軸Cは変位量を示す。
図2のグラフにおいて実線で示すように、切欠き部を設けることにより稜線の一部を切り欠くと、切欠き部を設けない場合(破線で示す)に比較して、第1段のピーク荷重F1と第2段のピーク荷重F2とを明瞭に有する2段階の荷重特性が得られる。これら二つのピーク荷重F1、F2を利用することにより、衝突時の衝撃吸収部材に吸収される衝撃荷重が2段階となるようにして衝撃荷重を確実かつ安定的に制御でき、これにより、加速度センサを確実に作動させることができる。
(b)衝撃吸収部材が、2n本(nは3以上の自然数)の稜線と、これら2n本の稜線により区画される2n個の面とを備えることにより2n角形の横断面形状を有し、軸方向の長さがLであり、さらに、2n本の稜線のうち一部の稜線を含む領域は、衝撃荷重が入力される一方の端部から軸方向への距離がhとなる位置から他方の端部の間にのみ存在するとともに、長さがLの切り欠かれない稜線の数をmとする。
図2のグラフにおける第1段のピーク荷重F1と、第2段のピーク荷重F2との荷重差ΔFは、切り欠かれる稜線の数(2n−m)又は切り欠かれない稜線の数(m)によって変化する。したがって、切欠き部により切り欠かれる稜線の数(2n−m)又は切り欠かれない稜線の数(m)を制御することにより、荷重差ΔFを対象車の車格(車重、荷重特性さらには加速度特性等)に応じて最適値に制御することができ、これにより、対象車の加速度センサの感度に適合させた最適なチューニングを容易に行うことができる。
(c)また、切欠き部の深さhを、筒体周方向の位置に応じて変化させること、すなわち、異なる深さhの切欠き部を複数種形成することにより、図2のグラフにおいて一点鎖線で示すように、上述したのと同様に複数段階のピーク荷重の特性が容易に得られ、エアーバッグの加速度センサのみならず、例えばサイドエアバッグやプリテンショナーシートベルトのように複雑化する車両システムに用いられる各種センサの作動制御に極めて有効に活用することができる。
すなわち、この切欠き部を設けることによる荷重特性は、補強材等の新たな部材を一切追加することなく、切欠き部の形成条件のみによって、制御することができる。このため、切欠き部を設ける条件により、重量増加を生じることなく、決定された荷重差を発揮することができる衝撃吸収部材を確実に得られる。
また、その荷重差を付与することにより衝撃吸収部材の吸収エネルギが低下する。しかし、本発明では、この段階的な荷重変化を変形の初期に発生させるために、全変形領域で吸収されるエネルギへの影響が小さく、特開平5−139242号公報に開示された例に比べ飛躍的に優れた衝突性能を有する。
本発明は、衝撃吸収部材に関するこれらの新規かつ重要な知見に基づいてなされたものである。
本発明は、2n本(nは3以上の自然数)の稜線と、これら2n本の稜線により区画される2n個の面とを備えることにより2n角形の横断面形状を有し、軸方向の一方の端部から他方の端部へ向けて衝撃荷重を負荷されて座屈することにより衝撃エネルギを吸収する、長さがLの筒体から構成される衝撃吸収部材であって、2n本の稜線のうち一部の稜線を含む領域は、一方の端部から軸方向への距離がhとなる位置から他方の端部までの間にのみ存在するとともに、長さがLの稜線の数をmとしたときに、
h≦L×0.30 ・・・・・(1)
4≦m≦2×(n−1) ・・・・・(2)
を満足することを特徴とする衝撃吸収部材である。
この本発明に係る衝撃吸収部材は、(i)h≧L×0.03、(ii)0.30≦m/2n≦0.70、(iii)2n本の稜線のうち一部の稜線を含む領域が、軸方向に2段以上の段差状に形成されること、又は(iv)筒体が、筒体の中心軸に対称な形状を有することが、それぞれ望ましい。
図2は、切欠き部により稜線の一部が切り欠かれた衝撃吸収部材の軸圧壊における変位(ストローク)と荷重との関係の一例を示すグラフである。
図3(a)及び図3(b)は、それぞれ、八角形の横断面形状を有するとともに部材長がLである本実施の形態の衝撃吸収部材を示す略式斜視図である。
図4(a)及び図4(b)は、それぞれ、八角形以外の他の横断面形状を有する本実施の形態の衝撃吸収部材を示す略式斜視図である。
図5は、板厚が1.6mmである590MPa級鋼板を素材として、外接円の直径が120mmである正八角形の横断面形状を有する、部材長が220mmの衝撃吸収部材について、衝撃荷重が負荷される端部側に設ける切欠き部によって切り欠かれる稜線の数を適宜変更して、FEMにより軸圧壊の解析を行った際の、第1段目のピーク荷重比(切欠きを施さない場合の第1段目のピーク荷重によって、各切欠き条件での第1段目のピーク荷重を除した値)に及ぼす比(m/2n)の影響を示すグラフである。
図6は、横断面が十角形である筒体の一方の端部側に、段差状に切欠き部を設けたものを示す説明図である。
図7は、本実施例の例1について、切欠き部の長さhと部材長さLとの比(h/L)を種々変更し、そのときの初期荷重A1と、圧壊量が140mmの吸収エネルギEAとをプロットして得たグラフである。
図8は、性能評価用の衝撃吸収部材のベース形状を示す説明図である。
図3(a)及び図3(b)は、それぞれ、八角形の横断面形状を有するとともに部材長がLである本実施の形態の衝撃吸収部材1−1、1−2を示す略式斜視図である。
図3(a)及び図3(b)に示すように、本実施の形態の衝撃吸収部材1−1、1−2は、いずれも、長さがLの筒体6−1、6−2により構成される。
筒体6−1、6−2は、いずれも、2n本(図示例はn=4であるから8本)の稜線2と、これら8本の稜線2により区画される8個の平面3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g及び3hとを備えることにより、八角形の横断面形状を有する。
本発明において筒体6−1、6−2の横断面形状を六角形以上の2n角形とすることにより、図1のグラフを参照しながら説明したように十分な吸収エネルギ量を確保するとともに、筒体6−1、6−2の対称性を容易に確保し、これにより、安定した座屈を確保する。
また、筒体6−1、6−2は、いずれも、軸方向(図3(a)又は図3(b)における上下方向)の一方の端部4から距離Lだけ離れた他方の端部5へ向けて、白抜き矢印で示す衝撃荷重Wを負荷されると、軸方向へ蛇腹状に座屈することによって衝撃エネルギを吸収する。
図3(a)に示す衝撃吸収部材1−1では、8本の稜線のうち一部の稜線を含む領域、すなわち面3b、3c、3d、3f、3g、3hの全部又は一部の領域は衝撃荷重Wが負荷される一方の端部4から軸方向への距離がhとなる位置から他方の端部5までの間にのみ存在する。これにより、この筒体6−1の一方の端部4の側には、最大深さがhの略矩形の切欠き部7が二つ形成される。
一方、図3(b)に示す衝撃吸収部材1−2では、面3b、3c、3f、3gのそれぞれの軸方向の長さが周方向でLから(L−h)までの範囲で変化する。これにより、この筒体6−2の一方の端部4の側には、最大深さがhの半円状の切欠き部8が二つ形成される。
そして、本実施の形態では、筒体6−1、6−2において、長さがLである稜線、つまり形成された切欠き部7、8により除去されない稜線の数をmとしたとき、
h≦L×0.30 ・・・・・(1)
4≦m≦2×(n−1) ・・・・・(2)
h≧L×0.03 ・・・・・(3)
の関係が満足される。以下、これらの関係について説明する。
本実施の形態において、切欠き部7、8を設ける理由は、衝突の初期荷重を低下させることであるため、筒体6−1、6−2の稜線2の一部を含むように切欠き部7、8を設ける。
ここで、図3(a)及び図3(b)に示す例とは異なり、例えば図4(a)及び図4(b)に示す切欠き部9、10を、図示する位置に設けてもよい。
図4(a)は、稜線2と稜線2との間の面3b、3eの一部を切り欠いて切欠き部9を形成した場合を示す。また、図4(b)は、一つの稜線2を挟む二つの面3a、3b及び3d、3eの一部を切り欠いて切欠き部10を形成した場合を示す。なお、図4(a)及び図4(b)では、切欠き部9、10はハッチングを付して示す。
図3(a)に示す例や、図4(a)及び図4(b)に示す例は、いずれも、切欠き部7、9、10を筒体6−1、6−3、6−4の軸方向と平行な方向に設けたものであり、切欠き部7、9、10の底部も直線状に形成している。しかし、図3(b)に示すように、切欠き部8を筒体6−2の軸方向と平行な方向に設ける点は同じであるが、切欠き部8の底部を曲線状に形成してもよい。
なお、切欠き部の形状には、これら以外にも多数の変更例が考えられるが、衝突時の初期荷重を低減できる形状である限り、それらの変形例も本発明の範囲に包含される。
本実施の形態の衝撃吸収部材1−1、1−2では、第一に、筒体6−1、6−2の一方の端部4側の一部に切欠き部7、8を設けることによって、衝突時における初期荷重を大幅に低減する。また、本実施の形態の衝撃吸収部材1−1、1−2では、第二に、切欠き部7、8の軸方向への長さhを特定の範囲に制限することにより、衝撃吸収エネルギ量を確保する。
本実施の形態において、切欠き部7、8の形状を上述したように規定するのは、初期荷重の低減と圧壊挙動の安定化とをともに両立するためである。
すなわち、衝撃荷重Wが負荷される一方の端部4から軸方向へ向けての距離hが0<h≦(L×0.30)である領域において、m(4≦m≦{2×(n−1)})本の稜線2は長さLのままとし、これら以外の他の稜線2の長さは、切欠き部7、8を設けることにより、(L−h)とする。
mが4本未満であると、初期荷重は小さく抑制されるものの、2回目の座屈発生時の荷重が高まり、全圧壊変位中における最大荷重の低減効果が得られない。
また、切欠き部7、8の軸方向への長さhが(L×0.30)を超えると、切除しない残余部分の圧壊時の変形で曲がりを生じ、衝撃吸収部材全体の座屈挙動が不安定になる。
一方、切欠き部7、8の軸方向への長さhは(L×0.03)以上であることが望ましい。長さhが(L×0.03)未満であると、初期荷重の低減効果が薄れるからである。同様の観点から、長さhは、(L×0.05)以上(L×0.20)以下であることがさらに望ましい。
なお、長さLのままで残存するm本の稜線2は、筒体6−1、6−2の周方向へ、隣接して連続的に位置してもよく、又は、隣接せずに断続的に位置していてもよい。
また、本実施の形態の衝撃吸収部材1−1、1−2では、0.30≦m/2n≦0.70の関係が満足される。このように全稜線の数2nに対する、長さLのままで残存する稜線の数m(換言すると切り欠く稜線の数2n−m)の比を0.30以上0.70以下と制限することにより、エアバッグに起動信号を出力するための加速度センサに適した荷重差を容易に得られるとともに、衝突エネルギ吸収量を高めることができる。
図5は、板厚が1.6mmである590MPa級の鋼板を素材として、外接円の直径が120mmである正八角形の横断面形状を有する、部材長が220mmの衝撃吸収部材について、衝撃荷重が負荷される端部側に設ける切欠き部によって除去される稜線の数を適宜変更して、FEMにより軸圧壊の解析を行った際の、第1段目のピーク荷重比(切欠きを施さない場合の第1段目のピーク荷重によって、各切欠き条件での第1段目のピーク荷重を除した値)に及ぼす比(m/2n)の影響を示すグラフである。なお、図5のグラフにおける縦軸Dは第1段目のピーク荷重比を示す。
図5にグラフで示すように、第1段目のピーク荷重は、切欠き部を設けても長さLのままでなお残存する稜線の数mに依存する。また、第2段目のピーク荷重は、衝撃吸収部材の全ての稜線の数2nに依存しており、それぞれ稜線数の増加とともに、変形荷重は高まる。
このため、図2のグラフにおける加速度センサの起動を決定する荷重差ΔFは、(m/2n)に依存することがわかる。
ここで、比(m/2n)が0.70を超えるとΔFが小さくなるため、軽衝突であるためにエアバッグを作動させる必要がないような場合にもエアバッグを作動させてしまうといった誤信号が出力される可能性がある。一方、比(m/2n)が0.30未満であるとΔFが大きくなるため、衝撃吸収部材全体で吸収可能なエネルギを低下させてしまう。
つまり、エアバッグを適正に作動させるための最適なΔFの付与と、従来には見られない高い衝突エネルギ吸収量とをいずれも実現するには、本実施の形態のように、切欠き部7、8を設けるとともに、切欠き部7、8によって切り欠かれる稜線2についての条件を、上述した(1)〜(3)式により規定される条件とすることが、重要である。
また、切欠き部を、切り欠く稜線2毎に切り欠く長さhが異なるように、設けてもよい。例えば、図6は、横断面が十角形である筒体6−5の一方の端部4側に、軸方向へ向けて段差状に切欠き部11を設けたものである。10個の面3a〜3jのうち一部の面3a〜3d,3f〜3iにおける筒体周方向への領域が、軸方向へ2段の段差状に形成される。
図6に示すように、切欠き部11の形状を、稜線2を複数段(図示例は2段)に分けて切り欠く形状とすることによって、発生するピーク荷重を複数段で徐々に高めるようにすることができる。
ここで、既に参照した図2のグラフを再度参照しながら、切欠き部の長さと荷重との関係について説明する。
衝撃吸収部材に軸方向への衝撃荷重が作用すると、衝撃吸収部材には、変形の開始とともに弾性座屈による断面の広がり(面外変形)と塑性降伏とを生じ、これにより、ピーク荷重が出現する。
上述した切欠き部が存在しないときには、図2のグラフで破線で示すように、第1ピークP1が第2ピークP2よりもかなり高い値を示す。このため、この衝撃吸収部材につながる他部材の損傷や、乗員に対する過剰な加速度変化を与えてしまい、傷害値の増大を招いてしまう。
これに対し、衝撃吸収部材に深さがhで一定の切欠き部を設けると、入力される衝撃荷重を受け持つ筒体の周方向の長さが短くなる。このため、切欠き部を設けない場合に比較すると、弾性座屈及び塑性降伏を生じる領域が小さくなり、衝撃荷重を負担する筒体の周方向の長さが短くなる。したがって、図2のグラフで実線で示すように、第1ピーク荷重P1の値が顕著に低下する。このため、この衝撃吸収部材につながる他部材の損傷や、乗員に対する過剰な加速度変化を防止でき、傷害値の増大を防ぐことができる。
さらに、切欠き部の軸方向への形状が2段以上の段差状となるように切欠き部を形成すれば、図2のグラフで一点鎖線で示すように、このような現象が複数回発生し、設けた切欠き部の段差の数に応じた分の荷重変化が段階的に得られるようになる。
さらに、図3に示す本実施の形態の衝撃吸収部材1−1、1−2では、筒体6−1、6−2が、切欠き部7、8を対称な位置に有することにより、筒体6−1、6−2の中心軸に対称な形状を有する。具体的には、筒体6−1、6−2の中心軸について対向する位置に存在する稜線2同士の一部がともに切欠き部7、8により除去されるが、又はともに除去されずに残しておくことが、望ましい。切欠き部7、8が対称な位置に存在しないと、衝撃荷重が負荷されて軸方向へ圧壊される際に曲がり等を生じ、安定した座屈が実現されなくなるからである。
ただし、オフセット衝突では、衝撃吸収部材に対する衝撃力が非対称に入力される。このため、オフセット衝突を想定する場合には、切欠き部7、8の形状を非対称形状としてもよい。オフセット衝突では、衝撃吸収部材1−1、1−2に対して圧壊力の他に曲げ応力も作用することがあり、この曲げ応力を吸収するためには衝撃吸収部材が非対称形状であるほうが好ましいことも考えられるからである。
この衝撃吸収部材1−1、1−2の筒体6−1、6−2は、押出成形によって製造してもよく、あるいは素材である鋼板にプレス成形加工を行って所定の横断面形状を構成するようにしてもよい。また、筒体6−1、6−2の周囲又は内部にフランジを設けてもよい。
なお、切欠き部7、8の形成は、例えば、筒体6−1、6−2の成形の前に予め該当部分を切除することによってもよく、また、上述した筒体6−1、6−2の成形の各段階で行ってもよく、さらには、筒体6−1、6−2の成形後に適宜手段により行ってもよい。
本実施の形態の衝撃吸収部材1−1、1−2は、横断面形状が六角形以上の2n個の辺で形成される多角形であり、その向かい合う稜線2の位置に所定数だけ切欠き部7、8を設けるため、初期荷重を低減でき、かつその後はエネルギ吸収量を高い値で確保できる。
このように、本実施の形態の衝撃吸収部材1−1、1−2によれば、隔壁の追加や板厚の増加による重量の増加や、軸方向への屈曲を招くことなく、衝撃荷重を負荷されると、軸方向へ安定して蛇腹状に座屈することによって所定の衝撃吸収量を確保できる。また、本実施の形態の衝撃吸収部材1−1、1−2によれば、その重量の増加を招くことなく、衝突時の衝撃吸収部材に吸収される衝撃荷重が2段階となるようにして衝撃荷重を確実かつ安定的に制御できる。
次に、本発明を実施例を参照しながらさらに具体的に説明する。
板厚が1.6mmの590MPa級の高張力鋼板を素材とし、これにプレス成形を行い、溶接することによって、後述する八角形、六角形又は四角形の横断面形状を有する筒体からなる衝撃吸収部材を製造した。
そして、この衝撃吸収部材を垂直に立てた状態で、200kgfの重量の錘を11.9mの上方からこの衝撃吸収部材へ向けて自由落下させ、55km/hの速度でこの衝撃吸収部材に衝突させた。
衝撃吸収部材の軸方向長さは、いずれも220mmとし、軸方向への座屈によって軸方向の長さが80mmになるまで圧壊した。
切欠き部の効果を検証するために、(1)切欠きを有さない基本の多角形からなる部材に対する各種の切欠きを設けた部材の最大荷重の低減効果を調査するとともに、(2)切欠きを有さない基本の多角形からなる部材に対する各種の切欠きを設けた部材の吸収エネルギの性能(衝撃吸収性能%)を調査した。
なお、最大荷重の評価基準は他部材の損傷を抑制するという観点から200kNを上限とし、吸収エネルギの評価基準は高い衝突性能を確保するという観点から84.0%を下限とした。
<例1>
直径120mmの外接円を有する正八角形の横断面形状を有し、部材全長に渡って切欠き部を有さない形状とした。
<例2>
直径120mmの外接円を有する正八角形の横断面形状を有し、衝撃荷重が入力される側の端部から30mmの範囲に切欠き部を設けることにより、連続する3つの稜線と、これらと対称な位置にある3つの稜線の合計6つの稜線を残し、他の稜線の一部を除去した。
<例3>
直径120mmの外接円を有する正八角形の横断面形状を有し、衝撃荷重が入力される側の端部から30mmの範囲に切欠き部を設けることにより、連続する2つの稜線と、これらと対称な位置にある2つの稜線の合計4つの稜線をそのまま残すとともに、他の稜線の一部を除去した。
<例4>
直径120mmの外接円を有する正八角形の横断面形状を有し、衝撃荷重が入力される側の端部から30mmの範囲に切欠き部を設けることにより、対向する一組の稜線の合計2本の稜線のみを残し、他の稜線の一部を除去した。
<例5>
直径120mmの外接円を有する正八角形の横断面形状を有し、衝撃荷重が入力される側の端部から70mmの範囲に切欠き部を設けることにより、連続する2つの稜線と、これらと対称な位置にある2つの稜線の合計4つの稜線を残し、他の稜線の一部を除去した。
<例6>
直径120mmの外接円を有する正八角形の横断面形状を有し、衝撃荷重が入力される側の端部から30mmの範囲に切欠き部を設けることにより、連続する4つの稜線を残し、他の稜線の一部を除去した。
<例7>
直径120mmの外接円を有する正六角形の横断面形状を有し、部材全長に渡って切欠き部を有さない形状とした。
<例8>
直径120mmの外接円を有する正六角形の横断面形状を有し、衝撃荷重が入力される側の端部から30mmの範囲に切欠き部を設けることにより、連続する2つの稜線と、これらと対称な位置にある2つの稜線の合計4つの稜線を残し、他の稜線の一部を除去した。
試験結果を表1にまとめて示す。
衝突時の変形である軸圧壊変形は、稜線における塑性座屈変形と、稜線間の平面部における曲げ変形とが複合した形で発生しながら、衝撃エネルギを吸収する。換言すると、塑性不安定問題である塑性座屈を、繰り返しながら衝撃吸収部材の軸方向の全域で発生することが、理想である。
この表1の「圧壊状況」の欄では、
(i)「安定して座屈」とは、この塑性座屈が衝撃吸収部材の軸方向の全域で繰り返し発生することを示しており、圧壊後に残存するしわの形態は、細かい座屈しわが多数重なっていること、
(ii)「不安定な座屈」とは、塑性座屈の回数が少なく、かつ衝突後に残存するしわ一つ当たりのサイズが大きく、これにより、上記(i)項の場合に比較して、荷重変動が大きく、エネルギ吸収効率が低いこと、さらに
(iii)「曲がり発生」とは、衝撃吸収部材の軸方向の全域で曲がり及びストロークロスが発生するため、上記の塑性座屈の回数が上記(ii)項の場合よりも少なく、エネルギ吸収効率が最も低い状態であることを、それぞれ示す。
この表1に示す結果から、切欠き部を対称に配置すると座屈挙動は安定することが分かる。
表1に示すように、基本の多角形を八角形又は六角形とした衝撃吸収部材は、いずれも、切欠き部を配置することにより、初期荷重が低下することがわかる。また、No.1〜3の結果にみられるように、切り欠く稜線の数の増加に伴い、初期荷重は低下する。しかしながら、残余の稜線の数が2と本発明の範囲から外れるNo.4は、初期荷重は低減されたものの、切欠き部が圧壊した後に発生する2番目のピーク荷重が高くなる現象を示し、また、衝撃吸収能も低下し、十分な衝突性能を確保できない。
さらに、切欠き部の長さが70mmと本発明の範囲を外れるNo.5は、初期荷重は低いものの、切欠き部に大きな曲がりが発生し、衝撃吸収性能が切欠き部を有さない場合の71.3%に低下した。
また、切欠き部を非対称に配置したNo.6では、圧壊時に曲がりが発生したため、衝撃吸収部材単体の性能を確保するためには、望ましくないことがわかった。ただし、上述したように、オフセット衝突を想定した場合には、衝撃吸収部材に対する衝撃力の入力も非対称となるため、切欠き部の形状を積極的に非対称形状としてもよい。
さらに、基本の多角形を六角形としたNo.7及びNo.8においても、基本の多角形を八角形とした場合と同様に、切欠き部の条件が本発明で規定する条件を満足する場合には、初期荷重の低減効果とともに衝撃吸収能においても良好な結果が得られた。
図7は、本実施例の例1について、切欠き部の長さhと部材長さLとの比(h/L)を種々変更し、そのときの初期荷重A1と、140mm圧壊吸収エネルギEAとをプロットして得たグラフである。
図7に示すグラフから、比(h/L)が0.30以下であることが望ましく、また0.03以上であることが望ましいことがわかる。同様の観点から、比(h/L)が0.05以上0.20以下であることがさらに望ましいこともわかる。
板厚が1.6mmである590MPa級の鋼板を素材として用い、この鋼板にプレス成形を行って、図8に示す、Xが160mmであるとともにYが80mmである横断面形状を有する衝撃吸収部材12を製作した。
この衝撃吸収部材12は、二つのプレス成形品13、14を、図中に三角印で示す位置でスポット溶接することによって接合することにより、組み立てた。
この図8に示す横断面形状を有する衝撃吸収部材12を性能評価用のベースとし、稜線15a〜15xを対称に4、8、12、16、20本の稜線を切除することにより、切欠き部を設けた。そして、第1ピーク荷重及び第2ピーク荷重それぞれの荷重特性と、吸収エネルギとを調査した。
稜線15a〜15xは、断面中心付近の稜線から対称に外側に向けて、h=20mmの条件で切除し、所定の個数だけ切除した。16本の稜線を切除した条件は、横断面形状の四隅に位置する稜線15a,15j,15m,15vを残存したままの断面形状である。また、この衝撃吸収部材12の長さは200mmであり、吸収エネルギEAは、衝撃吸収部材12が全体の70%の長さまで変形して変位するまでに吸収するエネルギにより、評価した。
そして、この衝撃吸収部材12を鉛直上方へ向けて垂直に配置し、重量200kgfの錘体を11.9mの高さから自由落下させ、55km/hの速度でこの衝撃吸収部材に衝突させる衝撃試験を行った。試験結果を表2にまとめて示す。
切欠き部を設けて稜線を切除することにより、第1ピーク荷重は低下し、No.3C、4C、5Cで加速度センサの作動に必要な荷重差が得られた。
No.1C、2Cは、第2ピーク荷重に比較して第1ピーク荷重のほうが高く、狙いの荷重制御を実現できなかった。
また、No.6Cは荷重差ΔFが大きいものの、吸収エネルギEAが小さく、高い衝撃吸収エネルギが得られなかった。
つまり、No.3C、4C、5Cで加速度センサの適正な作動に好適な荷重差ΔFと高いエネルギ吸収とを実現できた。
産業上の利用の可能性
本発明により、潰れビードを具備せずに、初期荷重を低減でき、かつ座屈挙動が安定して衝撃吸収量を確保できる衝撃吸収部材が提供される。
いてなされたものである。
本発明は、2n本(nは3以上の自然数)の稜線と、これら2n本の稜線により区画される2n個の面とを備えることにより2n角形の横断面形状を有し、軸方向の一方の端部から他方の端部へ向けて衝撃荷重を負荷されて座屈することにより衝撃エネルギを吸収する、長さがLの筒体から構成される衝撃吸収部材であって、2n本の稜線のうち一部の稜線を含む領域は、一方の端部から軸方向への距離がhとなる位置から他方の端部までの間にのみ存在するとともに、長さがLの稜線の数をmとしたときに、
h≦L×0.30 ・・・・・(1)
4≦m≦2×(n−1) ・・・・・(2)
を満足することを特徴とする衝撃吸収部材である。
この本発明に係る衝撃吸収部材は、(i)h≧L×0.03、(ii)0.30≦m/2n≦0.70、(iii)2n本の稜線のうち一部の稜線を含む領域が、軸方向に2段以上の段差状に形成されること、又は(iv)筒体が、筒体の中心軸に対称な形状を有することが、それぞれ望ましい。
【図面の簡単な説明】
図1(a)は変位量が0〜150mmの範囲における荷重を示すグラフであり、図1(b)は図1(a)における変位量が0〜15mmの範囲を拡大して示すグラフである。
図2は、切欠き部により稜線の一部が切り欠かれた衝撃吸収部材の軸圧壊における変位(ストローク)と荷重との関係の一例を示すグラフである。
図3(a)及び図3(b)は、それぞれ、八角形の横断面形状を有するとともに部材長がLである本実施の形態の衝撃吸収部材を示す略式斜視図である。
図4は、八角形以外の他の横断面形
に示す切欠き部10を、図示する位置に設けてもよい。
図4は、一つの稜線2を挟む二つの面3a、3b及び3d、3eの一部を切り欠いて切欠き部10を形成した場合を示す。なお、図4では、切欠き部10はハッチングを付して示す。
図3(a)に示す例や、図4に示す例は、いずれも、切欠き部7、10を筒体6−1、6−4の軸方向と平行な方向に設けたものであり、切欠き部7、10の底部も直線状に形成している。しかし、図3(b)に示すように、切欠き部8を筒体6−2の軸方向と平行な方向に設ける点は同じであるが、切欠き部8の底部を曲線状に形成してもよい。
なお、切欠き部の形状には、これら以外にも多数の変更例が考えられるが、衝突時の初期荷重を低減できる形状である限り、それらの変形例も本発明の範囲に包含される。
本実施の形態の衝撃吸収部材1−1、1−2では、第一に、筒体6−1、6−2の一方の端部4側の一部に切欠き部7、8を設けることによって、衝突時における初期荷重を大幅に低減する。また、本実施の形態の衝撃吸収部材1−1、1−2では、第二に、切欠き部7、8の軸方向への長さhを特定の範囲に制限することにより、衝撃吸収エネルギ量を確保する。
本実施の形態において、切欠き部7、8の形状を上述したように規定するのは、初期荷重の低減と圧壊挙動の安定化とをともに両立するためである。
すなわち、衝撃荷重Wが負荷される一方の端部4から軸方向へ向けての距離hが0<h≦(L×0.30)である領域において、m(4≦m≦{2×(n−1)})本の稜線2は長さLのままとし、これら以外の他の稜線2の長さは、切欠き部7、8を設けることにより、(L−h)とす
の稜線を切除することにより、切欠き部を設けた。そして、第1ピーク荷重及び第2ピーク荷重それぞれの荷重特性と、吸収エネルギとを調査した。
稜線15a〜15xは、断面中心付近の稜線から対称に外側に向けて、h=20mmの条件で切除し、所定の個数だけ切除した。20本の稜線を切除した条件は、横断面形状の四隅に位置する稜線15a,15j,15m,15vを残存したままの断面形状である。また、この衝撃吸収部材12の長さは200mmであり、吸収エネルギEAは、衝撃吸収部材12が全体の70%の長さまで変形して変位するまでに吸収するエネルギにより、評価した。
そして、この衝撃吸収部材12を鉛直上方へ向けて垂直に配置し、重量200kgfの錘体を11.9mの高さから自由落下させ、55km/hの速度でこの衝撃吸収部材に衝突させる衝撃試験を行った。試験結果を表2にまとめて示す。
切欠き部を設けて稜線を切除することにより、第1ピーク荷重は低下し、No.3C、4C、5Cで加速度センサの作動に必要な荷重差が得られた。
No.1C、2Cは、第2ピーク荷重に比較して第1ピーク荷重のほうが高く、狙いの荷重制御を実現できなかった。
また、No.6Cは荷重差ΔFが大きいものの、吸収エネルギEAが
Claims (5)
- 2n本(nは3以上の自然数)の稜線と、該2n本の稜線により区画される2n個の面とを備えることにより2n角形の横断面形状を有し、軸方向の一方の端部から他方の端部へ向けて衝撃荷重を負荷されて座屈することにより衝撃エネルギを吸収する、長さがLの筒体から構成される衝撃吸収部材であって、前記2n本の稜線のうち一部の稜線を含む領域は、前記一方の端部から前記軸方向への距離がhとなる位置から他方の端部までの間にのみ存在するとともに、長さが前記Lの稜線の数をmとしたときに、
h≦L×0.30 ・・・・・(1)
4≦m≦2×(n−1) ・・・・・(2)
を満足すること
を特徴とする衝撃吸収部材。 - 下記(3)式を満足する請求項1に記載された衝撃吸収部材。
h≧L×0.03 ・・・・・(3) - 下記(4)式を満足する請求項1又は請求項2に記載された衝撃吸収部材。
0.30≦m/2n≦0.70 ・・・・・(4) - 前記領域は、前記軸方向に2段以上の段差状に形成される請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載された衝撃吸収部材。
- 前記筒体は、該筒体の中心軸に対称な形状を有する請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載された衝撃吸収部材。
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