JP2012111356A - エネルギー吸収構造体の製造方法及びエネルギー吸収構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】生産コストを抑えた、初期荷重と平均荷重との差が小さいエネルギー吸収構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】バンパーリインフォースメント１２と、軸方向に垂直な断面において閉断面形状を成す外壁部を有し軸方向の塑性変形でエネルギーを吸収する一対のエネルギー吸収部材２及び一対のステイ１４とを準備する準備工程と、前記バンパーリインフォースメント１２の左右それぞれの端部に前記一対のエネルギー吸収部材２のそれぞれを金型拡管接合する第１金型拡管接合工程と、前記一対のエネルギー吸収部材２のそれぞれの他方の端部に前記一対のステイ１４のそれぞれを接合する接合工程とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両などに用いられるエネルギー吸収構造体の製造方法及びエネルギー吸収構造体に関するものである。

従来、自動車などの車両において、バンパーリインフォースメントと車両の幅方向両側に配置されて前後方向に伸びる一対のサイドメンバーとの間には、蛇腹状に連続的に塑性変形を繰り返すことで衝撃エネルギーを吸収するクラッシュボックスが配置されている。近年、燃費低減や車両の運動性能の向上の観点から車体の軽量化が要望されている。アルミニウム合金押出材は、押出方向に直交する断面を閉断面にすることができ軽量効果が大きいことからクラッシュボックス等のエネルギー吸収部材にもアルミニウム中空押出材が用いられている。

クラッシュボックス等のエネルギー吸収部材に対して軸方向の荷重を負荷して塑性変形させた場合に、初期荷重が過度に高いと車両の衝突などによる衝撃エネルギーをエネルギー吸収部材の塑性変形により吸収できず、サイドメンバーなどの他の部材が破損する場合がある。

従って、塑性変形の起点となる弱部を設けることにより初期荷重が過度に高くならないようにしたエネルギー吸収部材が存在する。即ち、特許文献1には、中空形材の壁面を外面または内面に屈曲させて形材の蛇腹状変形の起点となる凹凸部が形成されたエネルギー吸収部材が開示されている。また特許文献２には、中空形材の壁面を局部加熱することにより形材の蛇腹状変形の起点となる軟質部が形成されたエネルギー吸収部材が開示されている。また特許文献３には、中空形材の壁面に１または２以上の部分的な切抜きを形成したエネルギー吸収部材が開示されている。なお、特許文献４には、管状のアルミニウム合金押し出し材を電磁成形により拡径してバンパーリインフォースに固定するバンパー構造体の製造方法が開示されている。

特開２００５−２９０６４号公報 特開平７−１４５８４３号公報 特開２００５−１６２０６１号公報 特開２００８−３０８１７０号公報

しかしながら、上述の各特許文献に記載されたエネルギー吸収部材を、車両に用いられるバンパーを構成するバンパーリインフォースメントに接合するためには、塑性変形の起点となる弱部を設ける工程とは別の接合工程が必要となり生産コストが高くなっていた。

本発明の目的は、生産コストを抑えた、初期荷重と平均荷重との差が小さいエネルギー吸収構造体の製造方法及びエネルギー吸収構造体を提供することである。

本発明は以下のような解決手段により上記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施の形態に対応する符号を付して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

請求項１記載のエネルギー吸収構造体の製造方法は、バンパーリインフォースメント１２と、軸方向に垂直な断面において閉断面形状を成す外壁部を有し軸方向の塑性変形でエネルギーを吸収する一対のエネルギー吸収部材２及び一対のステイ１４とを準備する準備工程と、前記バンパーリインフォースメント１２の左右それぞれの端部に前記一対のエネルギー吸収部材２のそれぞれを金型拡管接合する第１金型拡管接合工程と、前記一対のエネルギー吸収部材２のそれぞれの他方の端部に前記一対のステイ１４のそれぞれを接合する接合工程とを含むことを特徴とする。

また、請求項２記載のエネルギー吸収構造体の製造方法は、請求項１記載のエネルギー吸収構造体の製造方法において、前記接合工程が前記一対のエネルギー吸収部材２のそれぞれの他方の端部に金型拡管接合により前記一対のステイ１４のそれぞれを接合する第２金型拡管接合工程であることを特徴とする。

また、請求項３記載のエネルギー吸収構造体の製造方法は、請求項２記載のエネルギー吸収構造体の製造方法において、前記第１金型拡管接合工程及び前記第２金型拡管接合工程が同一工程であることを特徴とする。

また、請求項４記載のエネルギー吸収構造体の製造方法は、請求項１〜３の何れか一項に記載のエネルギー吸収構造体の製造方法において、前記エネルギー吸収部材２の前記外壁部４が軸方向に垂直な断面において外形が多角形の閉断面形状を成し、前記外壁部の内部に前記多角形を構成する辺の数と同数の中リブ６を有し、前記中リブのそれぞれは、一方の端部が前記外壁部を構成する各壁部４ａの略中央部に連結され、他方の端部が前記外壁部内の中央部において互いに連結されていることを特徴とする。

また、請求項５記載のエネルギー吸収構造体の製造方法は、請求項２〜４の何れか一項に記載のエネルギー吸収構造体の製造方法において、前記第１金型拡管接合工程及び前記第２金型拡管接合工程において形成される拡管部８が前記外壁部４を構成する２つの前記壁部４ａにより形成される稜線部４ｂを含む領域に形成されていることを特徴とする。

また、請求項６記載のエネルギー吸収構造体の製造方法は、請求項４または５に記載のエネルギー吸収構造体の製造方法において、前記多角形が五角形、六角形、七角形及び八角形の中の何れかであることを特徴とする。

また、請求項７記載のエネルギー吸収構造体は、バンパーリインフォースメント１２と、軸方向に垂直な断面において閉断面形状を成す外壁部を有し、軸方向の塑性変形でエネルギーを吸収し、前記外壁部に前記バンパーリインフォースメントの左右それぞれの端部に一方の端部を接合する金型拡管接合部８を有する一対のエネルギー吸収部材２と、前記一対のエネルギー吸収部材のそれぞれの他方の端部に接合された一対のステイ１４とを備えることを特徴とする。

また、請求項８記載のエネルギー吸収構造体は、請求項７記載のエネルギー吸収構造体において、前記一対のエネルギー吸収部材２のそれぞれが、他方の端部に前記ステイ１４を接合するための金型拡管接合部８を有することを特徴とする。

また、請求項９記載のエネルギー吸収構造体は、請求項７または８記載のエネルギー吸収構造体において、前記エネルギー吸収部材２の前記外壁部４は、軸方向に垂直な断面において外形が多角形の閉断面形状を成し、前記外壁部の内部に設けられた前記多角形を構成する辺の数と同数の中リブ６を有し、前記中リブのそれぞれは、一方の端部が前記外壁部を構成する各壁部４ａの略中央部に連結され、他方の端部が前記外壁部内の中央部において互いに連結されていることを特徴とする。

また、請求項１０記載のエネルギー吸収構造体は、請求項７〜９の何れか一項に記載のエネルギー吸収構造体において、前記金型拡管接合部８が前記外壁部４を構成する２つの前記壁部４ａにより形成される稜線部４ｂを含む領域に形成されていることを特徴とする。

また、請求項１１記載のエネルギー吸収構造体は、請求項９または１０に記載のエネルギー吸収構造体において、前記多角形が五角形、六角形、七角形及び八角形の中の何れかであることを特徴とする。

本発明によれば、生産コストを抑えた、初期荷重と平均荷重との差が小さいエネルギー吸収構造体の製造方法及びエネルギー吸収構造体を提供することができる。

実施の形態に係るクラッシュボックスの斜視図である。 実施の形態に係るクラッシュボックスの平面図である。 実施の形態に係るバンパービームの斜視図である。 実施の形態に係るバンパービームの背面図、平面図及び正面図である。 実施の形態に係るマンドレルによる金型拡管を説明するための図である。 実施の形態に係るクラッシュボックスのバンパーリインフォースメントへの接合状態を示す断面図（図４（Ｃ）のＡ−Ａ断面図）である。 実施の形態に係る軸方向に荷重を負荷して塑性変形させた場合のクラッシュボックスの平面図である。 実施の形態に係るクラッシュボックスを軸方向に塑性変形させた場合の荷重−変位線図である。 理想のエネルギー吸収量（理想ＥＡ量）を説明するための図である。 実施の形態に係るクラッシュボックスの他の断面形状を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係るエネルギー吸収構造体であるバンパービームの製造方法について説明する。図１は実施の形態に係るバンパービームを構成するクラッシュボックスの斜視図、図２は実施の形態に係るクラッシュボックスの平面図である。

図１及び図２に示すクラッシュボックス２は、車両前後方向と押出方向とが略平行となる所定の長さを有するアルミニウム合金押出材により形成される。クラッシュボックス２は押出方向に垂直な断面において外形が正六角形の閉断面形状を成す外壁部４と、外壁部４の内部に設けられた正六角形を構成する辺の数と同数である６つの中リブ６とを備えている。ここで各中リブ６は一方の端部が外壁部４を構成する６つの壁部４ａの内面幅方向の略中央部に長手方向に沿ってそれぞれ連結され、他方の端部が外壁部４内の中央部において互いに連結されている。外壁部４を構成する壁部４ａの外面の中リブ６が連結されている位置に対応する位置には、中リブ６が連結されている連結部４ｃにおける壁部４ａの厚さを一定にしてクラッシュボックス２の軽量化を図るために壁部４ａの長手方向に伸びる凹部が形成されている。

クラッシュボックス２の外壁部４には、外壁部４を構成する２つの壁部４ａにより形成される稜線部４ｂを含む領域に拡管部８が設けられる。拡管部８は、後述するように車両のバンパー内に配設されるバンパービーム１０（図３参照）の製造時にバンパーリインフォースメント１２にクラッシュボックス２を金型拡管接合する際に形成される。ここで拡管部８は軸方向の締結強度、即ちバンパーリインフォースメント１２にクラッシュボックス２を金型拡管接合する際の軸方向の締結強度の高い、２つの壁部４ａにより形成される稜線部４ｂを含む領域にそれぞれ設けられる。即ち、外壁部４の周方向に６つの拡管部８が設けられる。なお、拡管部８は、軸方向に荷重を負荷してクラッシュボックス２を塑性変形させる場合に弱部として機能し、拡管部８が起点となってクラッシュボックス２が塑性変形する。また稜線部４ｂは拡管部８が形成される際の成形性を向上させ、拡管部８の形成時における稜線部４ｂの破断を防止するために所定の曲面で構成されている。

図３は実施の形態に係るエネルギー吸収構造体であるバンパービームの斜視図、図４は実施の形態に係るバンパービームの構成を示す図（背面図（ａ）、平面図（ｂ）及び正面図（ｃ））である。バンパービーム１０は、バンパー内に配設されるバンパーリインフォースメント１２と、その左右のそれぞれの端部において一方の端部が接合された一対のクラッシュボックス２（図１及び図２参照）と、それぞれのクラッシュボックス２の他方の端部に接合されたステイ１４とを備えている。後述のようにクラッシュボックス２には、バンパーリインフォースメント１２を接合する金型拡管接合部８とステイ１４を接合する金型拡管接合部８が設けられている。バンパービーム１０は、ステイ１４を介して車両の幅方向両側に配置されて前後方向に伸びるサイドメンバー（図示せず）の先端部に接合される。

ここでバンパービーム１０の製造方法について説明する。先ず、バンパー内に配設されるバンパーリインフォースメント１２、一対のクラッシュボックス２及び一対のステイ１４を準備する。次に、バンパーリインフォースメント１２の左右の端部に設けられた、バンパーリインフォースメント１２の前面から背面に貫通する貫通穴のそれぞれにクラッシュボックス２の一方の端部を挿入し、一方の端部をバンパーリインフォースメント１２の前面から所定の長さ露出させる。また、ステイ１４の中央部に設けられた穴にクラッシュボックス２の他方の端部を挿入し、他方の端部をステイ１４から所定の長さ露出させる。

この状態で、図５（ａ）に示すように、拡管部８の形状に対応する形状を有する型２０と、楔部を有するマンドレル２２を用いてクラッシュボックス２の外壁部４に拡管部８を形成する。即ち、クラッシュボックス２の外壁部４と中リブ６とにより形成される６つの空間のそれぞれに型２０を配置すると共に、マンドレル２２の楔部を配置する。そして図５（ｂ）に示すように、マンドレル２２をクラッシュボックス２の軸方向（図５の左方向）に移動させることにより、型２０を外壁部４の方向へ移動させる。これにより図６の断面図に示すように、バンパーリインフォースメント１２の前面に接する位置と背面に接する位置に拡管部（金型拡管接合部）８を形成して、バンパーリインフォースメント１２にクラッシュボックス２を金型拡管接合する。また、ステイ１４の前面に接する位置と背面に接する位置に拡管部（金型拡管接合部）８を形成して、クラッシュボックス２にステイ１４を金型拡管接合する。このようにバンパーリインフォースメント１２に、クラッシュボックス２とステイ１４を金型拡管接合する際に、塑性変形の弱部として機能する拡管部８が形成されるため、クラッシュボックス２に弱部を形成するための特別な工程を設ける必要がなくバンパービーム１０の製造コストを低減することができる。

なお、図１はクラッシュボックス２の外壁部４の上端近傍（当り面近傍）に形成された６つ拡管部８のみを示しているが、クラッシュボックス２にバンパーリインフォースメント１２及びステイ１４を金型拡管接合する際には、図６に示すそれぞれの位置に同時に金型拡管部８が形成され、クラッシュボックス２とバンパーリインフォースメント１２及びステイ１４が金型拡管接合される。

ここで特許文献４に開示されているアルミニウム合金押し出し材の電磁成形による拡径においては、アルミニウム合金押し出し材の内に電磁成形用コイル体を挿入し、電磁成形用コイル体に瞬間大電流を流すことにより拡径している。従って、この電磁成形による拡径は、クラッシュボックス２のように外壁部４内にリブ６が設けられているような場合には用いることができない。これに対して上述のように金型拡管接合は、クラッシュボックス２の外壁部４内にリブ６が設けられているような場合においても用いることができる。

図７は、軸方向に荷重を負荷してクラッシュボックス２を塑性変形させた場合のクラッシュボックス２の平面図である。図７に示すようにクラッシュボックス２は、稜線部４ｂと中リブ６が連結されている連結部４ｃ間を一辺として、潰れた辺の隣の辺は膨らみその隣の辺は潰れるというように、１２の辺が潰れたり膨らんだりして断面が蛇腹状に塑性変形を繰り返している。従って、クラッシュボックス２は、塑性変形する際の辺数が多く一辺の長さが短いことから円滑に規則的な形状で蛇腹状に塑性変形する。

図８は、ＦＥＭ解析を用いてクラッシュボックス２が軸方向に塑性変形する際の解析を行い、その結果から得られた荷重−変位線図である。この荷重−変位線図に示すようにクラッシュボックス２の荷重−変位曲線は、初期荷重の立ち上がりが早く、初期荷重の値と荷重−変位曲線の２山目以降の平均荷重の値との差が小さい。

図９は、実際のエネルギー吸収量（ＥＡ量）と理想のエネルギー吸収量（理想ＥＡ量）を説明するための図である。理想ＥＡ量は図においてハッチングで示す面積で表され、ＥＡ量はハッチングで示される領域の中の荷重−変位曲線の下側の面積で表される。

表１は、クラッシュボックス２のＥＡ量、理想ＥＡ量、対理想ＥＡ値（ＥＡ量／理想ＥＡ量）、単位重量当たりの対理想ＥＡ値、荷重−変位曲線の２山目〜変位が６０ｍｍの間における荷重変動の標準偏差（以下、荷重変動の標準偏差という。）、及び荷重−変位曲線の２山目〜変位が６０ｍｍの間における平均荷重（以下、平均荷重という。）を示す。なお、表１に示す値は、図８に示すクラッシュボックス２の荷重−変位曲線に基づき算出したものである。

表１に示すように、クラッシュボックス２の対理想ＥＡ値は８５．２％であり理想ＥＡ量に近い値であることから極めて優れたエネルギー吸収特性を有する。また、クラッシュボックス２の荷重変動の標準偏差は２．８８であることからも明らかなように初期荷重以降の荷重の変動が小さく荷重安定性に優れる。

また、クラッシュボックス２の外壁部４が周方向に設けられた拡管部８を備えており、この拡管部８が起点となりクラッシュボックス２が蛇腹状に塑性変形するため、初期荷重が過度に高くならず初期荷重の値と平均荷重の値との差が小さい。即ち、図８及び表１に示すクラッシュボックス２の平均荷重である９３．９ｋNから明らかなように、クラッシュボックス２は、初期荷重の値と平均荷重の値との差が小さい。また、クラッシュボックス２の単位重量当たりの対理想ＥＡ値が２．１９６であることから、クラッシュボックス２は、極めて優れたエネルギー吸収特性を有する。

また、この実施の形態に係るクラッシュボックス２は、外壁部４が押出方向に垂直な断面において正六角形の閉断面形状を成し、正六角形を構成する辺の数と同数の６つの中リブ６を備えている。従って、外壁部４と中リブ６とで形成される空間が大きいため、バンパービーム１０として組み立てる際に良好な作業性を得ることができる。

この実施の形態に係るバンパービームにおいては、クラッシュボックス２に塑性変形の起点になる弱部を設けるための特別な工程を設ける必要がなく製造コストの低減が図られている。また、バンパービーム１０のバンパーリインフォースメント１２にクラッシュボックス２を接合する金型拡管接合部が塑性変形の起点となる弱部として機能するため、バンパービーム１０のクラッシュボックス２が塑性変形する際の初期荷重と平均荷重との差を小さくすることができる。また、バンパーリインフォースメントにクラッシュボックスを溶接により接合する場合のように熱の影響を受けることがない。またバンパーリインフォースメントにクラッシュボックスをボルトとナットにより締結する場合のようにデットストロークの発生もない。

また、この実施の形態に係るバンパービームの製造方法においては、バンパービーム１０のバンパーリインフォースメント１２にクラッシュボックス２を接合する拡管部８が塑性変形の起点となる弱部として機能するため、クラッシュボックス２に塑性変形の起点になる弱部を設けるための特別な工程を設ける必要がなく製造コストの低減を図ることができ、バンパービーム１０のクラッシュボックス２が塑性変形する際の初期荷重と平均荷重との差を小さいバンパービーム１０を製造することができる。

なお、上述の実施の形態に係るバンパービームの製造方法においては、バンパーリインフォースメント１２にステイ１４を接合する場合に金型拡管接合を用いているが、バンパーリインフォースメントにステイを溶接により接合し、またはバンパーリインフォースメントにステイをボルトとナットにより締結してもよい。

また、上述の実施の形態に係るクラッシュボックス２は、正六角形の断面形状を有しているが、これに限らず図１０に示すように、正五角形、正七角形及び正八角形の中の何れかの断面形状であってもよい。即ち図１０（ａ）に示すように、正五角形の閉断面形状を成す外壁部と外壁部の内部に設けられた５つのリブとを備え、各中リブは一方の端部が外壁部を構成する各壁部の略中央部に連結され他方の端部が外壁部内の中央部において互いに連結される構成、図１０（ｂ）に示すように、正七角形の閉断面形状を成す外壁部と外壁部の内部に設けられた７つのリブとを備え、各中リブは一方の端部が外壁部を構成する各壁部の略中央部に連結され他方の端部が外壁部内の中央部において互いに連結される構成、または図１０（ｃ）に示すように、正八角形の閉断面形状を成す外壁部と外壁部の内部に設けられた８つのリブとを備え、各中リブは一方の端部が外壁部を構成する各壁部の略中央部に連結され他方の端部が外壁部内の中央部において互いに連結される構成であってもよい。

また、正五角形、正六角形、正七角形及び正八角形の断面形状に限らず、辺の長さが均等でない五角形、六角形、七角形及び八角形の断面形状であってもよい。

また、上述の実施の形態においては、外壁部４及び中リブ６を有するエネルギー吸収部材にアルミニウム押出材を用いているが、外壁部と中リブを別々にアルミニウム押出しにより形成しその後外壁部内に中リブを配置して接合したエネルギー吸収部材を用いてもよく、また金属板を折り曲げて外壁部及び中リブを形成したエネルギー吸収部材を用いてもよい。

２…クラッシュボックス、４…外壁部、４ａ…壁部、４ｂ…稜線部、４ｃ…連結部、６…中リブ、８…拡管部、１０…バンパービーム、１２…バンパーリインフォースメント、１４…ステイ、２０…型、２２…マンドレル

Claims (11)

1. バンパーリインフォースメントと、軸方向に垂直な断面において閉断面形状を成す外壁部を有し軸方向の塑性変形でエネルギーを吸収する一対のエネルギー吸収部材及び一対のステイとを準備する準備工程と、
   前記バンパーリインフォースメントの左右それぞれの端部に前記一対のエネルギー吸収部材のそれぞれを金型拡管接合する第１金型拡管接合工程と、
   前記一対のエネルギー吸収部材のそれぞれの他方の端部に前記一対のステイのそれぞれを接合する接合工程と、
   を含むことを特徴とするエネルギー吸収構造体の製造方法。
2. 前記接合工程は、前記一対のエネルギー吸収部材のそれぞれの他方の端部に金型拡管接合により前記一対のステイのそれぞれを接合する第２金型拡管接合工程であることを特徴とする請求項１記載のエネルギー吸収構造体の製造方法。
3. 前記第１金型拡管接合工程及び前記第２金型拡管接合工程は、同一工程であることを特徴とする請求項２記載のエネルギー吸収構造体の製造方法。
4. 前記エネルギー吸収部材の前記外壁部は、軸方向に垂直な断面において外形が多角形の閉断面形状を成し、
   前記外壁部の内部に前記多角形を構成する辺の数と同数の中リブを有し、
   前記中リブのそれぞれは、一方の端部が前記外壁部を構成する各壁部の略中央部に連結され、他方の端部が前記外壁部内の中央部において互いに連結されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のエネルギー吸収構造体の製造方法。
5. 前記第１金型拡管接合工程及び前記第２金型拡管接合工程において形成される拡管部は、前記外壁部を構成する２つの前記壁部により形成される稜線部を含む領域に形成されていることを特徴とする請求項２〜４の何れか一項に記載のエネルギー吸収構造体の製造方法。
6. 前記多角形は、五角形、六角形、七角形及び八角形の中の何れかであることを特徴とする請求項４または５に記載のエネルギー吸収構造体の製造方法。
7. バンパーリインフォースメントと、
   軸方向に垂直な断面において閉断面形状を成す外壁部を有し、軸方向の塑性変形でエネルギーを吸収し、前記外壁部に前記バンパーリインフォースメントの左右それぞれの端部に一方の端部を接合する金型拡管接合部を有する一対のエネルギー吸収部材と、
   前記一対のエネルギー吸収部材のそれぞれの他方の端部に接合された一対のステイと、
   を備えることを特徴とするエネルギー吸収構造体。
8. 前記一対のエネルギー吸収部材のそれぞれは、他方の端部に前記ステイを接合する金型拡管接合部を有することを特徴とする請求項７記載のエネルギー吸収構造体。
9. 前記エネルギー吸収部材の前記外壁部は、軸方向に垂直な断面において外形が多角形の閉断面形状を成し、
   前記外壁部の内部に前記多角形を構成する辺の数と同数の中リブを有し、
   前記中リブのそれぞれは、一方の端部が前記外壁部を構成する各壁部の略中央部に連結され、他方の端部が前記外壁部内の中央部において互いに連結されていることを特徴とする請求項７または８記載のエネルギー吸収構造体。
10. 前記金型拡管接合部は、前記外壁部を構成する２つの前記壁部により形成される稜線部を含む領域に形成されていることを特徴とする請求項７〜９の何れか一項に記載のエネルギー吸収構造体。
11. 前記多角形は、五角形、六角形、七角形及び八角形の中の何れかであることを特徴とする請求項９または１０に記載のエネルギー吸収構造体。

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