WO2010131722A1 - バンパー構造 - Google Patents

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WO2010131722A1
WO2010131722A1 PCT/JP2010/058137 JP2010058137W WO2010131722A1 WO 2010131722 A1 WO2010131722 A1 WO 2010131722A1 JP 2010058137 W JP2010058137 W JP 2010058137W WO 2010131722 A1 WO2010131722 A1 WO 2010131722A1
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web
bumper
flange
front flange
thickness
Prior art date
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PCT/JP2010/058137
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English (en)
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杵渕　雅男
知和 中川
山口　拓則
美枝 橘
渡辺　憲一
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株式会社神戸製鋼所
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    • Y10T292/0922—Operating means
    • Y10T292/0925—Rigid

Definitions

  • the present invention relates to a bumper structure having a box shape that encloses a hollow space.
  • a bumper attached to a car body or the like of an automobile is an example of a bending member to which a bending load due to an external force acts, and is made of a thin material.
  • a bumper is formed by molding using, for example, a 980 MPa grade steel plate.
  • the main role of the bumper is to absorb the energy at the time of collision by deforming and absorbing energy at the time of collision, and transmitting the impact load to the left and right side members and deforming the side members. That is, by deforming the side member to absorb energy, deformation of the cabin of the automobile is suppressed as designed, and the occupant is protected from impact.
  • Patent Document 1 discloses a bumper reinforcement for automobiles in which the thickness of the portion on the compression flange side from the bending neutral axis of the web constituting the hollow rectangular cross section is thicker than the thickness of the portion on the tension flange side. Has been.
  • Patent Document 2 among the three ribs of the bumper reinforcement, the intermediate rib is made thicker than the other ribs to prevent a decrease in energy absorption capability when the three ribs buckle.
  • a vehicle bumper device is disclosed.
  • Patent Document 3 discloses that a bumper having a “day” -shaped cross section is integrally formed by folding back one original plate.
  • Patent Document 4 an FRP (Fiber Reinforced Plastics) material is provided on the flange surface opposite to the flange side on which a bending load acts, and the ratio of the width and thickness of the compression side flange is set to 12 or less.
  • Patent Document 5 discloses a composite structural member for a vehicle that has an outer shape along an inner wall of a steel pipe and can secure strength by inserting a reinforcing rod having a rib formed therein.
  • Patent Document 6 discloses a filling structure in which a filler rich in energy absorption performance is inserted into a hollow member and fixed to the hollow member in order to ensure corrosion resistance.
  • Patent Document 7 discloses a vehicle body structural member composed of a plurality of members having different strengths so that a torsional moment is generated in order to improve energy absorption efficiency by dispersing a bending load to other members.
  • Patent Document 8 discloses a bumper structure in which a crush prevention body is disposed in a hollow portion of a bumper reinforcement plate in order to improve the ability to absorb impact energy due to buckling deformation.
  • the cross-sectional performance cannot be sufficiently exhibited and the strength against bending is reduced.
  • the strength of the web against buckling is proportional to the Young's modulus of the material constituting the web and the cube of the web thickness. For this reason, in order to suppress buckling, there is also one aspect that it is more efficient to increase the plate thickness than to use a material having high strength.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 simply increasing the thickness as in Patent Document 1 and Patent Document 2 may increase the weight.
  • a steel bumper is often formed by roll foam, and in this case, the entire bumper has the same thickness. Therefore, if the plate thickness is increased in order to suppress the buckling of the web, the overall weight increases in proportion to the increase, so the durability performance per weight against buckling is not so improved.
  • Patent Documents 5 to 8 it is difficult to manufacture an attachment with a relatively complicated structure inside the bumper. Further, when a large appendage is attached, an increase in weight becomes a problem. In FRP like patent document 4, it can hardly be expected to prevent buckling due to compression. Furthermore, when these adducts are used, there is a problem that the cost increase becomes excessive.
  • Patent Document 3 one using a closed cross-section structure utilizing a roll foam has been proposed. If such a closed cross section is used, the bending strength (total plastic moment) can be improved theoretically. However, an effective strength improvement is required separately for the buckling of the web.
  • An object of the present invention is to provide a bumper structure capable of suppressing the overall weight and ensuring the bending strength.
  • the present invention relates to a bumper structure having a box shape that encloses a hollow space.
  • the front and rear flanges made of metal that form the front and back surfaces of the bumper, and the upper and lower webs made of metal that form the upper and lower surfaces of the bumper have the box shape.
  • the metal intermediate web is connected to the front flange and the rear flange between the upper web and the lower web so that the hollow spaces are vertically divided.
  • the front flange, the rear flange, the upper web, the lower web, and the intermediate web at least one of the upper web, the lower web, and the intermediate web is made of the second material, and the rest is made of the first material.
  • the Young's modulus of the first material is E 1
  • the density is ⁇ 1
  • the Young's modulus of the second material is E 2
  • the density is ⁇ 2
  • E 1 / ⁇ 1 3 ⁇ E 2 / ⁇ 2 3 is satisfied.
  • At least one of the three webs is constituted by the second material that satisfies E 1 / ⁇ 1 3 ⁇ E 2 / ⁇ 2 3 .
  • Such a material is a material that can easily ensure strength per weight against buckling as compared with the first material. For this reason, while suppressing the weight of the whole bumper, the bumper structure which can ensure the buckling strength of a web is implement
  • the intermediate web is made of the second material. Therefore, since the web located in the middle of the up-and-down direction is comprised with the 2nd material, the balance of intensity can be secured as a whole.
  • the upper web, the lower web and the intermediate web are composed of the second material. According to this, the whole weight can be reduced while securing the strength per weight against buckling.
  • the intermediate web is made of the second material, and is formed by the front surface of the corner formed by the front flange and the upper web, and the front flange and the lower web. It is preferable that a metal reinforcing plate bent in a saddle shape along the corner is fixed to each surface of the corner. According to this, strength against bending can be ensured.
  • the front flange, the rear flange, the upper web, of the lower web and the intermediate webs, with the thickness of the web formed from the second material is t 2, from said first material
  • t 2 ⁇ ( ⁇ 1 / ⁇ 2 ) ⁇ t 1 is satisfied. According to this, compared with the case where the whole is comprised with a 1st material, it can be reduced in weight, maintaining the buckling strength of a web.
  • the front flange, the rear flange, the upper web, of the lower web and the intermediate webs, with the thickness of the web formed from the second material is t 2, from said first material
  • the thickness of the configured part is t 1
  • the yield stress of the first material is ⁇ y 1
  • the yield stress of the second material is ⁇ y 2
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1 according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1 according to a third embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1 according to a fourth embodiment.
  • (A) is a longitudinal cross-sectional view of the bumper which concerns on a 1st comparative example
  • (b) is a longitudinal cross-sectional view of the bumper which concerns on a 2nd comparative example.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a bumper 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the present embodiment includes first to fourth examples as specific examples of the bumper 1, and FIG. 1 shows a common configuration thereof.
  • 2 to 5 show first to fourth embodiments as schematic cross-sectional views taken along the line AA of the bumper 1 shown in FIG.
  • This AA cross section corresponds to a cross section of a plane perpendicular to the longitudinal direction of the bumper 1.
  • the direction indicated by arrow X in FIG. 1 is the vehicle width direction
  • the direction indicated by arrow Y is the vehicle front-rear direction (Y1: forward, Y2: rearward)
  • the direction indicated by arrow Z is the vehicle vertical direction (Z1: upward).
  • Z2 downward).
  • the bumper 1 is a box-shaped member that extends in the vehicle width direction, and is attached to a front end portion of a side member 10 that extends in the front-rear direction of the vehicle.
  • the bumper 1 connects a front flange 2 positioned in front of the vehicle, a rear flange 3 positioned in the rear of the vehicle relative to the front flange 2, and the front flange 2 and the rear flange 3. 3 webs (upper web 4, lower web 5, intermediate web 6). Each of these flanges and webs is formed in a plate shape.
  • the front flange 2 is a plate-like part that forms the front surface of the bumper 1.
  • the rear flange 3 is a plate-like portion that forms the rear surface of the bumper 1 and is disposed so as to face the front flange 2 substantially in parallel.
  • the rear flange 3 is fixed to the front end of the side member 10.
  • the front flange 2 and the rear flange 3 are formed as slightly curved plates, but are not limited to this case, and may be flat plates or the like.
  • the upper web 4 is a plate-like portion that forms the upper surface of the bumper 1, and connects the upper end of the front flange 2 and the upper end of the rear flange 3.
  • the lower web 5 is a plate-like portion that forms the lower surface of the bumper 1, and connects the lower end of the front flange 2 and the lower end of the rear flange 3.
  • the front flange 2, the rear flange 3, the upper web 4, and the lower web 5 form a box-shaped outer shape of the bumper 1.
  • the intermediate web 6 is a plate-like portion provided in a space enclosed by the bumper 1, and connects the vertical center of the front flange 2 and the vertical center of the rear flange 3.
  • the intermediate web 6 divides the space enclosed by the bumper 1 into upper and lower parts, thereby forming two hollow spaces 7 and 8.
  • the webs 4 to 6 are all arranged so as to be substantially orthogonal to the front flange 2 and the rear flange 3, and have the same length in the Y direction.
  • bumpers 1 in the first to fourth embodiments are referred to as “bumper 1a” to “bumper 1d”, respectively, and are described separately.
  • the bumper 1a of the first embodiment has an outer member 11 and an intermediate member 12 as shown in FIG.
  • the outer member 11 is a member that forms the outer shape of the bumper 1a in the first embodiment, and includes a front flange 2, a rear flange 3, an upper web 4, and a lower web 5.
  • the outer shape member 11 is produced by molding an original plate made of a steel material (first material).
  • first material a steel material having a Young's modulus of 21000 MPa and a density of 7874 kg / m 3 is used.
  • the intermediate member 12 is a member having an intermediate web 6 and joining plates 12a and 14 connected to both ends of the intermediate web 6, and having an “H” -shaped cross-sectional shape.
  • the intermediate member 12 is disposed in the middle of the bumper 1a in the vertical direction.
  • the intermediate web 6 passes through the through hole 2 a formed in the front flange 2 and protrudes forward from the inside of the outer shape member 11, and is connected to the joining plate 12 a in front of the front flange 2.
  • the joining plate 12 a extends along the front flange 2 and is joined to the front surface of the front flange 2.
  • the joining plate 12 b extends along the rear flange 3 and is joined to the front surface of the rear flange 3.
  • the intermediate member 12 is made of a metal material (second material) different from the outer shape member 11 such as an aluminum alloy.
  • the Young's modulus of the material constituting the outer member 11 is E 1
  • the density is ⁇ 1
  • the Young's modulus of the material constituting the intermediate member 12 is E 2
  • the density is ⁇ 2 .
  • the material constituting the intermediate member 12 is selected from materials that satisfy the following relationship (Formula 1).
  • the bumper 1b of the second embodiment has a front flange 2, a rear flange 3, an upper member 21, a lower member 22, and an intermediate member 12, as shown in FIG.
  • the intermediate member 12 in the second embodiment has the same configuration as the intermediate member 12 in the first embodiment, and is similarly joined to the front flange 2 and the rear flange 3.
  • the upper member 21 in the second embodiment has the upper web 4 and the joining plates 21a and 21b connected to both ends of the upper web 4, and has a “U” -shaped cross-sectional shape opened downward.
  • the joining plate 21 a extends along the front flange 2 and is joined to the front surface of the front flange 2.
  • the joining plate 21 b extends along the rear flange 3 and is joined to the front surface of the rear flange 3.
  • the lower member 22 has a lower web 5 and joining plates 22a and 22b connected to both ends of the lower web 5, and has a “U” -shaped cross-sectional shape opened upward.
  • the joining plate 22 a extends along the front flange 2 and is joined to the front surface of the front flange 2.
  • the joining plate 22 b extends along the rear flange 3 and is joined to the front surface of the rear flange 3.
  • the front flange 2 and the rear flange 3 are made of steel
  • the upper member 21 and the lower member 22 are made of a metal material such as an aluminum alloy, like the intermediate member 12.
  • the Young's modulus of the material constituting the front flange 2 and the like is E 1
  • the density is ⁇ 1
  • the Young's modulus of the material constituting the upper member 21 and the like is E 2
  • the density is ⁇ 2
  • the first implementation Similar to the example, the above relationship (Formula 1) is satisfied.
  • the bumper 1c of the third embodiment is provided with reinforcing plates 31 and 32 in addition to the bumper 1a of the first embodiment.
  • the reinforcing plate 31 is provided at a corner portion 51 formed at a connection portion between the front flange 2 and the upper web 4, and has a shape bent into a saddle shape along the corner portion 51.
  • a portion along the front flange 2 of the reinforcing plate 31 is joined to the front surface of the front flange 2, and a portion along the upper web 4 of the reinforcing plate 31 is joined to the upper surface of the upper web 4.
  • the reinforcing plate 32 is provided at a corner portion 52 formed at a connection portion between the front flange 2 and the lower web 5, and has a shape bent into a saddle shape along the corner portion 52. A portion along the front flange 2 of the reinforcing plate 32 is joined to the front surface of the front flange 2, and a portion along the lower web 5 of the reinforcing plate 32 is joined to the lower surface of the lower web 5.
  • the reinforcing plates 31 and 32 are made of a metal material such as an aluminum alloy, like the intermediate member 12.
  • the Young's modulus of the steel material constituting the front flange 2 and the like is E 1
  • the density is ⁇ 1
  • the Young's modulus of the material constituting the reinforcing plate 31 and the like is E 2
  • the density is ⁇ 2
  • the first implementation Similar to the example, the above relationship (Formula 1) is satisfied.
  • the bumper 1d of the fourth embodiment has a reinforcing plate 41 in which the intermediate member 12 and the reinforcing plates 31 and 32 of the third embodiment are integrated.
  • the reinforcing plate 41 has a joining plate 41 a joined to the front surface of the front flange 2.
  • the joining plate 41 a extends from the upper end to the lower end of the front flange 2.
  • a bent portion 41b that is bent in a hook shape in a direction along the upper web 4 from a portion along the front flange 2 is formed at the upper end portion of the joining plate 41a.
  • the bent portion 41 b is joined to the upper surface of the upper web 4.
  • a bent portion 41c that is bent in a hook shape in a direction along the lower web 5 from a portion along the front flange 2 is formed at the lower end portion of the joining plate 41a.
  • the bent portion 41 c is joined to the lower surface of the lower web 5.
  • the corners 51 and 52 of the outer member 11 are reinforced by these bent portions 41b and 41c.
  • the intermediate web 6 protrudes forward from the through hole 2a formed in the front flange 2 and is connected to the joining plate 41a to constitute a part of the reinforcing plate 41.
  • a joining plate 41 d is connected to the rear end of the intermediate web 6. The joining plate 41d is joined to the front surface of the rear flange 3.
  • the reinforcing plate 41 is made of a metal material such as an aluminum alloy.
  • the Young's modulus of the steel material constituting the front flange 2 and the like is E 1
  • the density is ⁇ 1
  • the Young's modulus of the material constituting the reinforcing plate 41 and the like is E 2
  • the density is ⁇ 2
  • the first implementation Similar to the example, the above relationship (Formula 1) is satisfied.
  • the bumpers according to the first to fourth embodiments are provided with a portion made of steel and a portion made of a material other than steel such as an aluminum alloy.
  • a portion made of a material other than the steel material the strength can be efficiently ensured by suppressing the weight and securing the same strength as the steel material.
  • the upper web 4, the lower web 5, and the intermediate web 6 may be buckled due to compression in the Y direction.
  • the web buckling load Pcr satisfies the following relationship (Equation 2).
  • the length regarding the Y direction equivalent to buckling length shall be equal between webs.
  • the buckling load is proportional to the Young's modulus and the cube of the plate thickness. Therefore, when the relationship of the following formula 3 is satisfied, the strength of the web made of a material other than steel can be improved.
  • the Young's modulus of the steel material is E 1
  • the thickness of the portion made of the steel material is t 1
  • the Young's modulus of the material constituting the portion made of a material other than the steel material is E 2
  • the thickness of the portion is t 2 .
  • the weight W of the web is expressed by the following formula 4 when the size other than the plate thickness does not change.
  • Formula 5 is derived in order to obtain the same weight as in the case where the web is made of a material other than steel, even when the web is made of steel.
  • Equation 1 the strength can be reliably improved if the web is formed to have a thickness that has the same weight, so that the buckling load per weight ( It can be seen that (P cr / W) can be improved efficiently.
  • the Young's modulus of the steel material is 21000 MPa, and the density is 7874 kg / m 3 .
  • an aluminum alloy having a Young's modulus of 6900 MPa and a density of 2700 kg / m 3 is used as a material other than steel.
  • equation 6 is derived from equation 5 in order to reduce the weight as compared with the case where steel is used. Therefore, in order to reduce the weight, it is preferable to set the material and the plate thickness so as to satisfy Expression 6.
  • the A value is as shown in the following formula 7. Defined. ⁇ y 1 is the yield stress of the steel material, and ⁇ y 2 is the yield stress of the material other than the steel material. In order for a portion using a material other than steel to have sufficient strength, the A value needs to be a predetermined value or more. Specific conditions for the A value will be described later.
  • the bumpers 100 and 200 shown in FIGS. 6A and 6B are the first and second comparative examples.
  • the entire bumper 100 according to the first comparative example is made of steel. Further, as shown in FIG. 6A, in the bumper 100 according to the first comparative example, the basic shape of the cross section is different from that of the first to fourth embodiments.
  • the bumper 100 has a box-like schematic shape with an overall height of 150 mm and a width of 65 mm.
  • the bumper 100 has a convex portion 111 formed by bending a portion connected to the upper end of the front flange 102 backward, and a convex portion 112 formed by bending a portion connected to the lower end of the front flange 102 backward. And have. Both of the convex portions 111 and 112 have a rectangular cross-sectional shape. The portion bent rearward from the front flange 102 is joined to the back surface of the front flange 102 at an intermediate portion 113 located between the convex portion 111 and the convex portion 112. The height of the convex portions 111 and 112 is 52 mm as shown in FIG.
  • the whole is made of steel as in the first comparative example.
  • the cross-sectional shape of the bumper 200 is substantially the same as that of the bumper 1a of the first embodiment, but the intermediate member 206 having the “H” -shaped cross-sectional shape penetrates the front flange 202 and also the rear flange 203. This is different from the first embodiment.
  • the bumper 200 has a height of 150 mm and a width of 65 mm. In this analysis, as shown in Table 3 below, each value in each comparative example was calculated when the steel plate thickness was 1.4 mm and 2.0 mm.
  • the dimensions H1 to H3, W1 and W2 of each part of the first to fourth examples used in this analysis are as shown in Tables 1 and 2 below. Further, as shown in Table 4, in this analysis, the plate thickness of the steel material portion is 1.4 mm for the first to fourth examples. In the first embodiment, each value is calculated for each case where the plate thickness of the aluminum alloy web is 2.0 mm, 3.0 mm, and 3.6 mm. In the second to fourth embodiments, Each value was calculated when the plate thickness of the aluminum alloy web was 3.6 mm. In the first example, when the thickness of the web made of an aluminum alloy is 3.6 mm, each value is calculated for each of the case where the aluminum alloy is 7000 series and the case where the aluminum alloy is 6000 series.
  • the thickness of the reinforcing plates 31 and 32 is 3.0 mm.
  • each value was calculated for each of the case where the thickness of the joining plate 41a and the bent portions 41b and 41c is 3.0 mm and 2.0 mm.
  • the strength against bending in the bumpers 1a to 1d according to the first to fourth examples, and the first and second comparative examples was calculated.
  • the bumper 1 is simply supported from the rear flange 3 side by the support portions ⁇ at both ends, and the arc surface of the indenter ⁇ abuts from the front flange 2 side at the center of the two support portions ⁇ , The indenter was pressed in the direction perpendicular to the longitudinal direction (the arrow direction in FIG. 7).
  • the entire cross section of the bumper 1 yields due to bending, or buckling occurs in any of the cross sections.
  • the load immediately before such yielding or buckling occurs is the maximum load due to the indenter ⁇ .
  • the bending moment at the contact position of the indenter ⁇ at which the bending moment becomes maximum when such a maximum load is applied is referred to as “final moment”.
  • the ultimate moment was calculated based on the measured maximum load.
  • Table 3 shows the results of the main analysis for the first and second comparative examples
  • Table 4 shows the results of the main analysis for the first to fourth examples.
  • the A value indicates the value of (t 2 ⁇ ⁇ y 2 ) / (t 1 ⁇ ⁇ y 1 ).
  • ⁇ y 1 represents the yield stress of the steel material
  • ⁇ y 2 represents the yield stress of the aluminum alloy.
  • the “weight ratio” shown in Table 3 and Table 4 is the weight of each comparative example and example when the weight of the first comparative example when the plate thickness of the steel part is 1.4 mm is 1.00. Ratio.
  • the “ultimate moment ratio” shown in Tables 3 and 4 is based on the calculation result of the above three-point bending test, and the first ultimate moment when the thickness of the steel part is 1.4 mm is 1.00. Is the ratio of the final moments of the comparative examples and examples.
  • FIG. 8 is a graph showing the analysis results of the first and second comparative examples and the first and second examples based on Tables 3 and 4.
  • FIG. 9 is a graph showing the analysis results of the first and second comparative examples and the third and fourth examples based on Tables 3 and 4.
  • the ultimate moment ratio per weight ratio is improved as compared with the first comparative example.
  • the ultimate moment ratio per weight ratio is improved as compared with the first and second comparative examples. That is, in the first embodiment, when a 7000 series aluminum alloy is used for the intermediate web 6 and the thickness of the intermediate web 6 is 3.0 mm or 3.6 mm, the bending strength per weight is efficiently improved. is doing. Further, in the second embodiment in which a 7000 series aluminum alloy is used for all the webs (upper web 4, lower web 5, intermediate web 6), the bending strength per weight is most improved.
  • the ultimate moment ratio was less than 1.0. That is, in the first embodiment, a 7000 series aluminum alloy is used for the intermediate web 6 and the thickness of the intermediate web 6 is 2.0 mm, and a 6000 series aluminum alloy is used for the intermediate web 6. When the thickness of the intermediate web 6 was 3.6 mm, it was shown that the bending strength could not be improved even if the weight could be reduced compared to the first and second comparative examples.
  • the ultimate moment ratio per weight ratio is improved as compared with the first and second comparative examples. That is, it is shown that the strength per weight is efficiently improved in the third and fourth embodiments.
  • the density of the 6000 series or 7000 series aluminum alloy is 2700 kg / m 3 to 2800 kg / m 3 . Therefore, as compared with the case where the entire bumper is made of a steel material having a thickness of 1.4 mm, in each example, the value on the right side of Equation 6 is about 4.1.
  • the thickness of the aluminum web is smaller than about 4.1 mm, and Equation 6 is satisfied.
  • the weight ratio of each example is suppressed to about 1 or less.
  • FIG. 10 is a plot of the final moment ratio against the A value for each example based on Table 4.
  • a value is less than 0.5 in the first embodiment, that is, 7000 series aluminum alloy is used for the intermediate web 6 and the thickness of the intermediate web 6 is 2.0 mm.
  • the ultimate moment ratio is less than 1. That is, in these cases, sufficient strength cannot be secured. For this reason, when using a material other than steel, it is preferable to select a material having an A value of 0.5 or more.
  • the bumper 1 (bumpers 1a to 1d) of this embodiment includes the metal front flange 2 and the rear flange 3 that form the front surface and the back surface, and the metal upper web 4 that forms the top surface and the bottom surface. And the lower web 5.
  • a metal intermediate web 6 is disposed between the upper web 4 and the lower web 5, and two hollow spaces 7 and 8 are formed in the bumper 1 by the intermediate web 6.
  • at least one of the upper web 4, the lower web 5, and the intermediate web 6 is made of a material other than steel. As the material, a material satisfying the above-described formula 1 is selected. Accordingly, at least one of the webs is made of a material that can easily ensure a buckling strength per weight.
  • the intermediate web 6 is made of a material other than steel. Since the intermediate web 6 is disposed in the middle of the web, the balance of strength is maintained as a whole bumper by configuring the intermediate web 6 with a material other than steel.
  • the upper web 4, the lower web 5 and the intermediate web 6 are all made of a material other than steel. Therefore, the overall weight can be further reduced.
  • reinforcing plates 31, 32, and 41 that reinforce corner portions of the outer shape member 11 are provided. As a result, the durability of the entire bumper against bending can be improved.
  • the material other than the steel material is selected so as to satisfy the formula 6, it is possible to reduce the weight of the bumper as compared with the case where the entire bumper is configured with the steel material.
  • the durability against bending can be ensured by selecting a material other than steel so that the A value defined by Equation 7 is 0.5 or more.
  • the web is made of an aluminum alloy, but may be made of another metal material.
  • the joining method is not particularly defined, but a method having sufficient joining strength such as welding, adhesion, and bolt can be employed.
  • the present invention can be used as a bumper structure attached to the body of an automobile.

Abstract

　本発明は、全体の重量を抑制すると共に座屈に対する強度を確保できるバンパー構造に関する。本発明に係るバンパー構造は、鋼材からなる前フランジ２、後フランジ３、上ウェブ４、及び下ウェブ５からなる箱状の外形形状を有している。上ウェブ４及び下ウェブ５の間には、鋼材以外の材料からなる中間ウェブ６が配置されている。ここで、鋼材のヤング率をＥ１、密度をρ１とし、中間ウェブ６を構成する材料のヤング率をＥ２、密度をρ２とするとき、Ｅ１／ρ１ ３＜Ｅ２／ρ２ ３を満たしている。

Description

バンパー構造
　本発明は、中空の空間を内包する箱形状を有するバンパー構造に関する。
　従来、自動車の車体等に取り付けられるバンパーは、外力による曲げ荷重が作用する曲げ部材の一例であり、薄肉材料により構成される。このようなバンパーは、例えば９８０ＭＰａ級の鋼板を用いて成型することにより形成されている。
　バンパーの主たる役割は、衝突時に変形してエネルギーを吸収するとともに、衝撃荷重を左右のサイドメンバに伝達し、サイドメンバを変形させることによって衝突時のエネルギーを吸収させることである。即ち、サイドメンバを変形させてエネルギーを吸収させることにより、自動車のキャビンの変形が設計通りに抑制され、乗員が衝撃から守られている。
　特許文献１には、中空矩形断面を構成するウェブの曲げ中立軸より圧縮フランジ側の部分の肉厚が、引張フランジ側の部分の肉厚よりも厚く形成されている自動車用バンパーリインフォースメントが開示されている。特許文献２には、バンパーリインフォースの３本のリブのうち、中間リブの板厚を他のリブよりも厚くすることにより、３本のリブが座屈した際のエネルギー吸収能力の低下を防止する車両用バンパー装置が開示されている。特許文献３では、１枚の原板を折り返すことによって、断面が「日」字型のバンパーを一体に形成することが開示されている。
　また、特許文献４には、曲げ荷重が作用するフランジ側と反対側のフランジ面にＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）材が設けられると共に、圧縮側のフランジの幅と厚みとの比を１２以下とすることによって、エネルギー吸収量が高められた曲げ強度部材が開示されている。特許文献５には、鋼管の内壁に沿う外側形状を有すると共に、内部にリブが形成された補強菅を挿入することにより強度を確保できる車両の複合構造部材が開示されている。
　また、特許文献６には、耐食性を確保するために、エネルギー吸収性能に富む充填材が中空部材の内部に挿入されると共に中空部材に固定されている充填構造体が開示されている。特許文献７には、曲げ荷重を他部材に分散させることによりエネルギー吸収効率を向上するために、ねじれモーメントが発生するように、強度の異なる複数の部材により構成されている車体構造部材が開示されている。特許文献８には、座屈変形による衝撃エネルギーの吸収能力を向上するために、バンパー補強板の中空部内に潰れ防止体を配置したバンパー構造が開示されている。
日本国特開平１１－５９２９６号公報 日本国特開２００４－１４８９１５号公報 日本国特開平１１－１７０９３４号公報 日本国特開２００３－１２９６１１号公報 日本国特開２００３－３１２４０４号公報 日本国特開２００５－８８６５１号公報 日本国特開２００６－２４８３３６号公報 日本国特開２０００－５２８９７号公報
　バンパー構造において、ウェブ（前後に延びる壁部）の圧縮座屈が発生すると、断面性能が十分に発揮できず、曲げに対する強度が低下するという問題がある。座屈に対するウェブの強度は、ウェブを構成する材料のヤング率とウェブの板厚の３乗とに比例する。このため、座屈を抑制するためには、強度の高い材料を使用することよりも、板厚を増加させた方が効率的であるという一面もある。
　しかし、特許文献１や特許文献２のように単純に板厚を増加させるのみでは、重量が過大になるおそれがある。特に、鋼製のバンパーはロールフォームにより成型されることが多く、この場合にはバンパー全体が同じ板厚を有する。したがって、ウェブの座屈を抑制するために板厚を増大すると、その増大分に比例して全体重量が増加するため、座屈に対する重量当たりの耐久性能はそれほど向上しない。
　また、特許文献５～８のように、バンパーの内部に比較的複雑な構造の付加物を取り付けるには、製造上の困難が大きい。また、大きな付加物が取り付けられる場合には、重量の増加が問題になる。特許文献４のようなＦＲＰでは、圧縮による座屈を防止することはほとんど期待できない。さらに、これらの付加物を用いる場合には、コストアップが過大になるという問題もある。
　一方、特許文献３のように、ロールフォームを活用した閉断面構造を用いるものも提案されている。このような閉断面を用いると、理論上は曲げ強度（全塑性モーメント）を向上できる。しかし、ウェブの座屈に対しては別途、効率的な強度向上が必要となる。
　本発明の目的は、全体の重量を抑制すると共に曲げ強度を確保できるバンパー構造を提供することである。
　本発明は、中空の空間を内包する箱形状を有するバンパー構造に関する。そして、本発明は、前記バンパーの前面及び背面を形成する金属製の前フランジ及び後フランジと、前記バンパーの上面及び下面を形成する金属製の上ウェブ及び下ウェブと、が、前記箱形状を形成するように互いに連結されており、前記中空の空間が上下に分断されるように、前記上ウェブ及び下ウェブの間において、金属製の中間ウェブが前記前フランジ及び後フランジと連結されており、前記前フランジ、後フランジ、上ウェブ、下ウェブ及び中間ウェブのうち、前記上ウェブ、下ウェブ、及び中間ウェブの少なくとも一つが第２の材料から構成されると共に、残りが第１の材料から構成され、前記第１の材料のヤング率をＥ１、密度をρ１とし、前記第２の材料のヤング率をＥ２、密度をρ２とするとき、Ｅ１／ρ１ ３＜Ｅ２／ρ２ ３を満たしている。
　本発明のバンパー構造によると、３つのウェブの少なくとも一つがＥ１／ρ１ ３＜Ｅ２／ρ２ ３を満たす第２の材料によって構成されている。このような材料は、第１の材料に比べて座屈に対する重量当たりの強度を確保しやすい材料である。このため、バンパー全体の重量を抑制すると共に、ウェブの座屈強度を確保できるバンパー構造が実現される。
　また、本発明においては、前記中間ウェブが、前記第２の材料から構成されていることが好ましい。これにより、上下方向の中間に位置するウェブが第２の材料で構成されるため、全体として強度のバランスを確保することができる。
　また、本発明においては、前記上ウェブ、下ウェブ及び中間ウェブの全てが前記第２の材料から構成されていることが好ましい。これによると、座屈に対する重量当たりの強度を確保しながら、全体の重量を軽量化することができる。
　また、本発明においては、前記中間ウェブが、前記第２の材料から構成されており、前記前フランジ及び前記上ウェブにより形成される角部の表面と、前記前フランジ及び前記下ウェブにより形成される角部の表面のそれぞれに、前記角部に沿って鉤型に曲げられた金属製の補強板が固定されていることが好ましい。これによると、曲げに対する強度を確保することができる。
　また、本発明においては、前記前フランジ、後フランジ、上ウェブ、下ウェブ及び中間ウェブのうち、前記第２の材料から構成されるウェブの厚みがｔ２であると共に、前記第１の材料から構成される部分の厚みがｔ１であるとき、ｔ２≦（ρ１／ρ２）・ｔ１を満たしていることが好ましい。これによると、全体を第１の材料で構成する場合と比べて、ウェブの座屈強度を保ちながら軽量化することができる。
　また、本発明においては、前記前フランジ、後フランジ、上ウェブ、下ウェブ及び中間ウェブのうち、前記第２の材料から構成されるウェブの厚みがｔ２であると共に、前記第１の材料から構成される部分の厚みがｔ１であり、前記第１の材料の降伏応力がσｙ１であると共に、前記第２の材料の降伏応力がσｙ２であるとき、（ｔ２・σｙ２）／（ｔ１・σｙ１）≧０．５を満たしていることが好ましい。これによると、さらに曲げに対する強度を確保することができる。
本発明の一実施形態に係るバンパーを示す模式的な斜視図である。 第１の実施例に係る図１のＡ－Ａ線断面図である。 第２の実施例に係る図１のＡ－Ａ線断面図である。 第３の実施例に係る図１のＡ－Ａ線断面図である。 第４の実施例に係る図１のＡ－Ａ線断面図である。 （ａ）は第１の比較例に係るバンパーの縦断面図であり、（ｂ）は第２の比較例に係るバンパーの縦断面図である。 バンパーの強度解析に用いた３点曲げ試験の説明図である。 第１及び第２の実施例、第１及び第２の比較例の解析結果をプロットしたグラフである。 第３及び第４の実施例、第１及び第２の比較例の解析結果をプロットしたグラフである。 各実施例に関してＡ値に対する終局モーメントをプロットしたものである。
　以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係るバンパー１を示す模式的な斜視図である。本実施形態は、バンパー１の具体例として第１～第４の実施例を含んでおり、図１はこれらの共通の構成を示す。図２～図５はそれぞれ、第１～４の実施例を、図１に示すバンパー１のＡ－Ａ断面模式図として示す。このＡ－Ａ断面は、バンパー１の長手方向と垂直な面による断面に相当する。以下、図１における矢印Ｘで示す方向を車両の幅方向、矢印Ｙで示す方向を車両の前後方向（Ｙ１：前方、Ｙ２：後方）、矢印Ｚで示す方向を車両の上下方向（Ｚ１：上方、Ｚ２：下方）として説明する。
（バンパー１の概略）
　まず、本実施形態において第１～第４の実施例のいずれにも共通の構成について説明する。図１に示すように、本実施形態に係るバンパー１は、車両の幅方向に延びる箱形状の部材であり、車両の前後方向に延在するサイドメンバ１０の前方端部に取り付けられる。
　図１～図５に示すように、バンパー１は、車両前方に位置する前フランジ２と、前フランジ２よりも車両後方に位置する後フランジ３と、前フランジ２と後フランジ３とを連結する３つのウェブ（上ウェブ４、下ウェブ５、中間ウェブ６）と、を備えている。これらのフランジ及びウェブは、それぞれ板状に形成されている。
　前フランジ２は、バンパー１の前面を形成する板状部である。後フランジ３は、バンパー１の後面を形成する板状部であり、前フランジ２と略平行に対向するように配置されている。後フランジ３は、サイドメンバ１０の前端に固定される。図１に示すように、本実施形態においては、前フランジ２及び後フランジ３はやや湾曲した板として形成されているが、この場合に限られず、平板等であってもよい。
　上ウェブ４は、バンパー１の上面を形成する板状部であり、前フランジ２の上端と後フランジ３の上端とを連結している。下ウェブ５は、バンパー１の下面を形成する板状部であり、前フランジ２の下端と後フランジ３の下端とを連結している。これらの前フランジ２、後フランジ３、上ウェブ４、及び下ウェブ５によって、バンパー１の箱形状の外形が形成されている。中間ウェブ６は、バンパー１が内包する空間内に設けられた板状部であり、前フランジ２の上下方向中央部と後フランジ３の上下方向中央部とを連結している。中間ウェブ６は、バンパー１が内包する空間を上下に分割しており、これによって、中空の２つの空間７及び８が形成されている。ウェブ４～６は、いずれも前フランジ２及び後フランジ３とほぼ直交するように配置されており、Ｙ方向に関する長さが互いに等しい。
（各実施例の構成）
　次に、第１～第４の実施例についてより詳細に説明する。以下、第１～第４の実施例におけるバンパー１をそれぞれ「バンパー１ａ」～「バンパー１ｄ」と呼び、互いに区別して記載する。
　第１の実施例のバンパー１ａは、図２に示すように外形部材１１及び中間部材１２を有している。外形部材１１は、第１の実施例におけるバンパー１ａの外形を形成する部材であり、前フランジ２、後フランジ３、上ウェブ４、及び下ウェブ５を有する。外形部材１１は、鋼材（第１の材料）製の原板を成型することにより作製されている。なお、本実施形態においては、ヤング率が２１０００ＭＰａであり、密度が７８７４ｋｇ／ｍ３である鋼材が使用されている。
　中間部材１２は、中間ウェブ６と、中間ウェブ６の両端に連結された接合板１２ａ及び１４と、を有し、「Ｈ」型の断面形状を有する部材である。中間部材１２は、バンパー１ａの上下方向の中間に配置されている。中間ウェブ６は、前フランジ２に形成された貫通孔２ａを貫通して外形部材１１の内部から前方へと飛び出しており、前フランジ２の前方で接合板１２ａと連結されている。接合板１２ａは、前フランジ２に沿って延びると共に前フランジ２の前面に接合されている。接合板１２ｂは、後フランジ３に沿って延びると共に後フランジ３の前面に接合されている。
　中間部材１２は、アルミニウム合金など、外形部材１１とは異なる金属材料（第２の材料）から構成されている。ここで、外形部材１１を構成する材料のヤング率をＥ１、密度をρ１とし、中間部材１２を構成する材料のヤング率をＥ２、密度をρ２とする。中間部材１２を構成する材料は、以下の関係（式１）を満たす材料から選択される。
（式１）
　Ｅ１／ρ１ ３＜Ｅ２／ρ２ ３
　第２の実施例のバンパー１ｂは、図３に示すように、前フランジ２、後フランジ３、上部材２１、下部材２２、及び中間部材１２を有している。このうち、第２の実施例における中間部材１２は、第１の実施例における中間部材１２と同様の構成を有しており、前フランジ２及び後フランジ３に対して同様に接合されている。
　第２の実施例における上部材２１は、上ウェブ４と、上ウェブ４の両端に連結した接合板２１ａ及び２１ｂと、を有しており、下方に開口した「コ」字型の断面形状を有している。接合板２１ａは、前フランジ２に沿って延びると共に前フランジ２の前面に接合されている。接合板２１ｂは、後フランジ３に沿って延びると共に後フランジ３の前面に接合されている。
　下部材２２は、下ウェブ５と、下ウェブ５の両端に連結した接合板２２ａ及び２２ｂとを有しており、上方に開口した「コ」字型の断面形状を有している。接合板２２ａは、前フランジ２に沿って延びると共に前フランジ２の前面に接合されている。接合板２２ｂは、後フランジ３に沿って延びると共に後フランジ３の前面に接合されている。
　前フランジ２及び後フランジ３は鋼製であるのに対して、上部材２１及び下部材２２は、中間部材１２と同様に、アルミニウム合金などの金属材料から構成されている。ここで、前フランジ２等を構成する材料のヤング率をＥ１、密度をρ１とし、上部材２１等を構成する材料のヤング率をＥ２、密度をρ２とすると、第１の実施例と同様に、上記関係（式１）が満たされている。
　図４に示すように、第３の実施例のバンパー１ｃには、第１の実施例のバンパー１ａに加えて、補強板３１及び３２が設けられている。補強板３１は、前フランジ２と上ウェブ４との連結部分に形成された角部５１に設けられており、角部５１に沿って鉤型に曲げられた形状を有している。補強板３１の前フランジ２に沿った部分は、前フランジ２の前面に接合されており、補強板３１の上ウェブ４に沿った部分は、上ウェブ４の上面に接合されている。
　補強板３２は、前フランジ２と下ウェブ５との連結部分に形成された角部５２に設けられており、角部５２に沿って鉤型に曲げられた形状を有している。補強板３２の前フランジ２に沿った部分は、前フランジ２の前面に接合されており、補強板３２の下ウェブ５に沿った部分は、下ウェブ５の下面に接合されている。
　補強板３１及び３２は、中間部材１２と同様に、アルミニウム合金などの金属材料から構成されている。ここで、前フランジ２等を構成する鋼材のヤング率をＥ１、密度をρ１とし、補強板３１等を構成する材料のヤング率をＥ２、密度をρ２とすると、第１の実施例と同様に、上記関係（式１）が満たされている。
　図５に示すように、第４の実施例のバンパー１ｄは、第３の実施例における中間部材１２と補強板３１及び３２が一体化された、補強板４１を有している。補強板４１は、前フランジ２の前面に接合された接合板４１ａを有している。接合板４１ａは、前フランジ２の上端から下端まで延びている。接合板４１ａの上端部分には、前フランジ２に沿った部分から上ウェブ４に沿った方向に鉤型に曲げられた曲折部４１ｂが形成されている。曲折部４１ｂは上ウェブ４の上面に接合されている。接合板４１ａの下端部分には、前フランジ２に沿った部分から下ウェブ５に沿った方向に鉤型に曲げられた曲折部４１ｃが形成されている。曲折部４１ｃは下ウェブ５の下面に接合されている。これらの曲折部４１ｂ及び４１ｃにより、外形部材１１の角部５１及び５２が補強されている。
　中間ウェブ６は、前フランジ２に形成された貫通孔２ａから前方へと飛び出すと共に接合板４１ａに連結され、補強板４１の一部を構成している。中間ウェブ６の後端には、接合板４１ｄが連結されている。接合板４１ｄは後フランジ３の前面に接合されている。
　補強板４１は、アルミニウム合金などの金属材料から構成されている。ここで、前フランジ２等を構成する鋼材のヤング率をＥ１、密度をρ１とし、補強板４１等を構成する材料のヤング率をＥ２、密度をρ２とすると、第１の実施例と同様に、上記関係（式１）が満たされている。
（材料の選択）
　上記した通り、第１～第４の実施例に係るバンパーにおいては、鋼材からなる部分と、アルミニウム合金など、鋼材以外の材料からなる部分と、が設けられている。鋼材以外の材料からなる部分においては、重量を抑制すると共に鋼材と同程度の強度を確保することにより、強度を効率的に確保することができる。上記の式１を満たす材料が選択される場合には、以下のとおり、ウェブの座屈に対する強度を効率的に確保しやすい。
　第１～第４の実施例に係るバンパー１ａに対して、図２～図５の白抜き矢印に沿った曲げ荷重が発生したとする。このとき、上ウェブ４、下ウェブ５、中間ウェブ６には、Ｙ方向の圧縮による座屈が発生するおそれが生じる。ここで、ウェブの板厚をｔ、ウェブを構成する材料のヤング率をＥとすると、ウェブの座屈荷重Ｐｃｒは、下記の関係（式２）を満たす。なお、座屈長さに相当するＹ方向に関する長さは、ウェブ同士で等しいものとする。
（式２）
　Ｐｃｒ ∝Ｅ・ｔ３
　式２より、座屈荷重はヤング率と、板厚の３乗と、に比例することが分かる。したがって、以下の式３の関係を満足した場合に、鋼材以外の材料からなるウェブの強度が向上可能である。なお、鋼材のヤング率をＥ１、鋼材からなる部分の板厚をｔ１とし、鋼材以外の材料からなる部分を構成する材料のヤング率をＥ２、その部分の板厚をｔ２とする。
（式３）
　Ｅ１・ｔ１ ３＜Ｅ２・ｔ２ ３
　一方、ウェブの密度をρとすると、板厚以外の大きさが変わらないとき、ウェブの重量Ｗは下記の式４で表される。
（式４）
　Ｗ∝ρ・ｔ
　したがって、鋼材以外の材料でウェブを構成する際にも鋼材で構成する場合と同じ重量を得るために、式５が導かれる。
（式５）
　ρ１・ｔ１＝ρ２・ｔ２
　上記の式５及び式３から、上述した式１の関係が導き出される。従って、式１を満足するような材料が選択された場合、ウェブが同程度の重量を有するような厚みとなるように形成されれば確実に強度を向上できるので、重量当たりの座屈荷重（Ｐｃｒ／Ｗ）を効率的に向上できることが分かる。
　例えば、上述の通り、鋼材のヤング率は２１０００ＭＰａであり、密度は７８７４ｋｇ／ｍ３である。このとき、式１の左辺は、２１０００／７８７４３＝４．３０２×１０－８となる。一方、例えば、鋼材以外の材料として、ヤング率が６９００ＭＰａであり、密度が２７００ｋｇ／ｍ３であるアルミニウム合金を使用したとする。このとき、式１の右辺は、６９００／２７００３＝３．５０６×１０－７となる。従って、上記の式１が満たされているため、効率の良い強度向上が期待できる。７０００系のアルミニウム合金によっても式１を満たすことができるため、座屈に対して効率の良い強度向上が期待できる。
　また、鋼材以外の材料を使用した際、鋼材を使用した場合と比較して軽量化するためには、式５から以下の式６が導かれる。したがって、軽量化のためには、式６を満たすように材料及び板厚を設定することが好ましい。
（式６）
　ｔ２≦（ρ１／ρ２）・ｔ１
　また、バンパーに対して、図２～図５の白抜き矢印に沿った曲げ荷重がかかった場合、ウェブが受け持つ圧縮力に対してウェブが降伏してしまうと、荷重に対して抵抗できなくなってしまう。これを防ぐため、材料を鋼材から変更した場合にもウェブの強度を必要以上に低下させないように、降伏に十分耐え得る強度を確保するための基準として、以下の式７のようにＡ値が定義される。なお、σｙ１は鋼材の降伏応力であり、σｙ２は鋼材以外の材料の降伏応力である。鋼材以外の材料を使用した部分が十分な強度となるためには、このようなＡ値が所定値以上である必要がある。Ａ値の具体的な条件については後述する。
（式７）
Ａ＝（ｔ２・σｙ２）／（ｔ１・σｙ１）
（曲げモーメントのシミュレーション結果）
　次に、上述の第１～第４の実施例について、曲げに対する強度を解析した結果について説明する。本解析では、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されたバンパー１００及び２００が、第１及び第２の比較例である。
　第１の比較例に係るバンパー１００においては、第１～第４の実施例と異なり、全体が鋼材から構成されている。また、図６（ａ）に示すように、第１の比較例に係るバンパー１００においては、断面の基本形状が、第１～第４の実施例とは異なっている。バンパー１００は、全体の高さが１５０ｍｍ、幅が６５ｍｍである箱型の概略形状を有している。
　バンパー１００は、前フランジ１０２の上端と連結した部分が後方へと折り曲げられて形成された凸部１１１と、前フランジ１０２の下端と連結した部分が後方へと折り曲げられて形成された凸部１１２とを有している。凸部１１１及び１１２は、いずれも長方形の断面形状を有している。前フランジ１０２から後方へと折り曲げられた部分は、凸部１１１と凸部１１２との間に位置する中間部分１１３において、前フランジ１０２の背面と接合されている。凸部１１１及び１１２の高さは、図６（ａ）に示されているようにそれぞれ５２ｍｍである。
　第２の比較例に係るバンパー２００については、第１の比較例と同様に、全体が鋼材から構成されている。バンパー２００の断面形状は、第１の実施例のバンパー１ａとほぼ同様であるが、「Ｈ」型の断面形状を有する中間部材２０６が、前フランジ２０２を貫通すると共に後フランジ２０３をも貫通している点において第１の実施例と異なる。バンパー２００の高さは１５０ｍｍであり、幅は６５ｍｍである。本解析においては、下記の表３に示されるように、各比較例において鋼材の板厚が１．４ｍｍの場合と２．０ｍｍの場合の各値を算出した。
　本解析において使用された第１～第４の実施例の各部の寸法Ｈ１～Ｈ３、Ｗ１、Ｗ２は、下記の表１及び表２のとおりである。また、表４に示されるように、本解析において、第１～第４の実施例について、鋼材部分の板厚は１．４ｍｍである。第１の実施例においては、アルミニウム合金製のウェブの板厚が２．０ｍｍ、３．０ｍｍ、３．６ｍｍのそれぞれの場合について各値を算出し、第２～第４の実施例においては、アルミニウム合金製のウェブの板厚が３．６ｍｍの場合について各値を算出した。第１の実施例において、アルミニウム合金製のウェブの板厚が３．６ｍｍである場合については、アルミニウム合金が７０００系である場合と、６０００系である場合のそれぞれについて各値を算出した。第３の実施例において、補強板３１及び３２の板厚は３．０ｍｍである。第４の実施例においては、接合板４１ａ、曲折部４１ｂ、４１ｃの板厚が３．０ｍｍの場合と２．０ｍｍの場合のそれぞれについて、各値を算出した。
　以上の条件に基づき、図７に示すように３点曲げ試験を行うことにより、第１～第４の実施例に係るバンパー１ａ～１ｄにおける曲げに対する強度と、第１及び第２の比較例における曲げに対する強度とを算出した。図７において、バンパー１は、両端で支持部αにより後フランジ３側から単純支持されており、２つの支持部αの中央で圧子βの円弧面を前フランジ２側から当接させ、バンパビームの長手方向と直交する方向（図７における矢印方向）に圧子を押さえ付けた。そして、圧子βによる荷重を大きくするに伴って荷重がある大きさに達したとき、曲げによってバンパー１の断面全体が降伏したり、断面のいずれかに座屈が生じたりした。このような降伏や座屈が生じる直前の荷重が、圧子βによる最大荷重である。以下では、このような最大荷重がかかったときに曲げモーメントが最大となる圧子βの当接位置での曲げモーメントを「終局モーメント」と呼称する。終局モーメントは、測定された最大荷重に基づいて算出された。
　表３は、第１及び第２の比較例についての本解析の結果、表４は第１～第４の実施例についての本解析の結果を示している。表４において、Ａ値は（ｔ２・σｙ２）／（ｔ１・σｙ１）の値を示している。ここで、σｙ１は鋼材の降伏応力を、σｙ２はアルミニウム合金の降伏応力を示す。
　表３及び表４に示される「重量比」は、鋼材部分の板厚が１．４ｍｍのときの第１の比較例の重量を１．００とした場合の、各比較例、実施例の重量の比である。また、表３及び表４に示される「終局モーメント比」は、上記の３点曲げ試験による算出結果に基づき、鋼材部分の板厚が１．４ｍｍのときの第１の終局モーメントを１．００とした場合の、各比較例、実施例の終局モーメントの比である。
　また、表４において、「第４（３．０）」は接合板４１ａ、曲折部４１ｂ、４１ｃの厚みが３．０ｍｍの場合の第４の実施例を示す。また、「第４（２．０）」は接合板４１ａ、曲折部４１ｂ、４１ｃの厚みが２．０ｍｍの場合の第４の実施例を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
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　図８は、表３及び表４に基づき、第１及び第２の比較例と第１及び第２の実施例の解析結果をグラフで示す。図９は、表３及び表４に基づき、第１及び第２の比較例と第３及び第４の実施例の解析結果をグラフで示す。
　図８に示されるように、第２の比較例では、重量比当たりの終局モーメント比が第１の比較例より向上している。
　また、図８に示されるように、一点鎖線ｇ１に囲まれる実施例については、第１及び第２の比較例に対して、重量比当たりの終局モーメント比が向上している。つまり、第１の実施例において、中間ウェブ６に７０００系のアルミニウム合金が用いられると共に中間ウェブ６の板厚が３．０ｍｍ又は３．６ｍｍの場合には、重量当たりの曲げ強度が効率よく向上している。また、７０００系のアルミニウム合金が全てのウェブ（上ウェブ４、下ウェブ５、中間ウェブ６）に用いられている第２の実施例において、重量当たりの曲げ強度が最もよく向上している。
　一方、一点鎖線ｇ２に囲まれる実施例については、終局モーメント比が１．０を下回っていた。つまり、第１の実施例において、中間ウェブ６に７０００系のアルミニウム合金が用いられると共に中間ウェブ６の板厚が２．０ｍｍである場合と、中間ウェブ６に６０００系のアルミニウム合金が用いられると共に中間ウェブ６の板厚が３．６ｍｍである場合とでは、第１及び第２の比較例に対して軽量化できても、曲げ強度を向上することができないことが示された。
　また、図９に示されるように、第３及び第４の実施例については、第１及び第２の比較例に対して、重量比当たりの終局モーメント比が向上している。つまり、第３及び第４の実施例において、重量当たりの強度が効率よく向上していることが示されている。
　また、６０００系又は７０００系のアルミニウム合金の密度は２７００ｋｇ／ｍ３～２８００ｋｇ／ｍ３である。従って、バンパー全体を板厚１．４ｍｍの鋼材で構成する場合と比較すると、各実施例において、式６の右辺の値はいずれも約４．１程度となる。
　表４より、第１～第４の実施例はいずれもアルミウェブの板厚が約４．１ｍｍよりも小さい値であり、式６が満たされていることが分かる。実際、表４にも示されるように、各実施例の重量比は１程度かそれ未満に抑えられている。
　図１０は、表４に基づいて、各実施例に関してＡ値に対する終局モーメント比をプロットしたものである。表４及び図１０によると、第１の実施例においてＡ値が０．５を下回る場合、すなわち、中間ウェブ６に７０００系のアルミニウム合金が用いられると共に中間ウェブ６の板厚が２．０ｍｍである場合と、中間ウェブ６に６０００系のアルミニウム合金が用いられると共に中間ウェブ６の板厚が３．６ｍｍである場合とでは、終局モーメント比が１を下回っている。つまり、これらの場合には、十分な強度が確保できていない。このことから、鋼材以外の材料を使用する場合は、Ａ値が０．５以上となるような材料を選択することが好ましい。
（本実施形態の概要）
　以上説明したように、本実施形態のバンパー１（バンパー１ａ～１ｄ）は、前面及び背面を形成する金属製の前フランジ２及び後フランジ３と、上面及び下面を形成する金属製の上ウェブ４及び下ウェブ５とを有している。そして、上ウェブ４と下ウェブ５の間には金属製の中間ウェブ６が配置されており、この中間ウェブ６によって、バンパー１内に２つの中空の空間７及び８が形成されている。さらに、上ウェブ４、下ウェブ５及び中間ウェブ６のうちの少なくとも１つは鋼材以外の材料から構成される。その材料として、上述の式１を満たすような材料が選定されている。従って、ウェブのうち少なくとも１つは、重量当たりの座屈強度を確保しやすい材料によって構成されている。
　また、第１～第４の実施例に係るバンパー１ａ～１ｄのいずれにおいても、中間ウェブ６は鋼材以外の材料から構成されている。中間ウェブ６はウェブの中でも中間に配置されているため、鋼材以外の材料で中間ウェブ６を構成することによってバンパー全体として強度のバランスが保たれる。
　また、第２の実施例に係るバンパー１ｂにおいては、上ウェブ４、下ウェブ５及び中間ウェブ６が、いずれも鋼材以外の材料から構成されている。したがって、全体の重量がより軽量化できる。
　また、第３又は第４の実施例に係るバンパー１ｃ又は１ｄにおいては、外形部材１１の角部を補強する補強板３１、３２、４１が設けられている。これらにより、バンパー全体の曲げに対する耐久性が向上できる。
　また、本実施形態においては、鋼材以外の材料が、式６を満たすように選定されていることにより、バンパー全体を鋼材で構成するよりも軽量化することが可能となる。
　また、本実施形態においては、式７で定義されるＡ値が０．５以上となるように鋼材以外の材料が選定されていることにより、曲げに対する耐久性が確保可能である。
（その他の変形例）
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、前記した記載の範囲内において様々に変更して実施することができるものである。
　例えば、上述の実施形態では、ウェブはアルミニウム合金により構成されているが、その他の金属材料により構成されていてもよい。 
　また、上述の実施形態では、接合方法は特に規定されていないが、溶接、接着、ボルトなど、十分な接合強度を有する方法が採用可能である。
　本出願は２００９年５月１４日出願の日本特許出願（特願２００９－１１７８１４）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明は、自動車の車体に取り付けられるバンパー構造として利用することができる。
１，１ａ-１ｄ バンパー
２ 前フランジ
３ 後フランジ
４ 上ウェブ
５ 下ウェブ
６ 中間ウェブ
３１，３２，４１ 補強板

Claims (6)

  1. 　中空の空間を内包する箱形状を有するバンパー構造であって、
    　前記バンパーの前面及び背面を形成する金属製の前フランジ及び後フランジと、前記バンパーの上面及び下面を形成する金属製の上ウェブ及び下ウェブと、が、前記箱形状を形成するように互いに連結されており、
    　前記中空の空間が上下に分断されるように、前記上ウェブ及び下ウェブの間において、金属製の中間ウェブが前記前フランジ及び後フランジと連結されており、
    　前記前フランジ、後フランジ、上ウェブ、下ウェブ及び中間ウェブのうち、前記上ウェブ、下ウェブ、及び中間ウェブの少なくとも一つが第２の材料から構成されると共に、残りが第１の材料から構成され、
    　前記第１の材料のヤング率をＥ１、密度をρ１とし、前記第２の材料のヤング率をＥ２、密度をρ２とするとき、Ｅ１／ρ１ ３＜Ｅ２／ρ２ ３を満たしていることを特徴とするバンパー構造。
  2. 　前記中間ウェブが、前記第２の材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載のバンパー構造。
  3. 　前記上ウェブ、下ウェブ及び中間ウェブの全てが前記第２の材料から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のバンパー構造。
  4. 　前記中間ウェブが、前記第２の材料から構成されており、
    　前記前フランジ及び前記上ウェブにより形成される角部の表面と、前記前フランジ及び前記下ウェブにより形成される角部の表面のそれぞれに、前記角部に沿って鉤型に曲げられた金属製の補強板が固定されていることを特徴とする請求項１に記載のバンパー構造。
  5. 　前記前フランジ、後フランジ、上ウェブ、下ウェブ及び中間ウェブのうち、前記第２の材料から構成されるウェブの厚みがｔ２であると共に、前記第１の材料から構成される部分の厚みがｔ１であるとき、ｔ２≦（ρ１／ρ２）・ｔ１を満たしていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のバンパー構造。
  6. 　前記前フランジ、後フランジ、上ウェブ、下ウェブ及び中間ウェブのうち、前記第２の材料から構成されるウェブの厚みがｔ２であると共に、前記第１の材料から構成される部分の厚みがｔ１であり、前記第１の材料の降伏応力がσｙ１であると共に、前記第２の材料の降伏応力がσｙ２であるとき、（ｔ２・σｙ２）／（ｔ１・σｙ１）≧０．５を満たしていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のバンパー構造。
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