JP4078516B2

JP4078516B2 - 衝突エネルギー吸収部材およびそれを用いた自動車のサイドメンバー

Info

Publication number: JP4078516B2
Application number: JP2001334024A
Authority: JP
Inventors: 貴朗井口; 裕二橋本; 治園部
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2021-10-31
Also published as: JP2003139179A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車車両の衝突エネルギー吸収部材に関し、特に衝突時のエネルギー吸収量の大きな衝突エネルギー吸収部材およびそれを用いた自動車のサイドメンバー（すなわちフロントサイドメンバー，リアサイドメンバー）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両を構成するフロントサイドメンバーやリヤサイドメンバーなどは、車両衝突時に適度に潰れて衝突時のエネルギーを吸収し、キャビンの変形を抑制する衝突エネルギー吸収部材として重要な役割を有している。
図２に自動車のバンパー21に直結されたフロントサイドメンバー20の一例を示す。例えば、前面からの衝突で、衝突荷重22がバンパー21からフロントサイドメンバー20の軸方向に伝達される。この荷重負荷により、フロントサイドメンバー20は蛇腹状に潰れ、潰れる際に衝突エネルギーを吸収する。
【０００３】
車両衝突時の乗員の安全性向上のため、フロントサイドメンバー等の衝突エネルギー吸収部材には、エネルギー吸収能が高い部材が求められている。
このような要望に対し、例えば、特開平４−310477号公報には、軽金属により閉断面構造に押し出し成形された基本メンバーとこの基本メンバー内に嵌合し略同じ長さの、少なくとも先端に圧縮変形促進部、好ましくは切欠き、を設けた補強メンバーとで二重構造を形成した車両のサイドメンバーが提案されている。特開平４−310477号公報に記載されたサイドメンバーによれば、曲げ剛性、捩り剛性、潰れ変形がスチール製のサイドメンバーと同等もしくはそれ以上の特性を満足させることができるとしている。しかし、特開平４−310477号公報に記載されたサイドメンバーは、基本メンバーが軽金属製の押し出し成形材で高価なうえ、補強メンバーの構造が複雑なため、製造コストが高価となるという問題があった。
【０００４】
また、特開平11−208519号公報には、軸方向の塑性変形で衝突時の衝撃吸収を行う部材を中空材で形成し、該中空材の中心軸を通る面上に該中空材の内面に接するリブを設けたことを特徴とする軽金属材料で形成した自動車の車体フレーム構造が提案されている。特開平11−208519号公報に記載された車体フレーム構造は、軽金属材料を使用し、好ましくは押し出し成形で製造され、衝突時の衝撃エネルギー吸収特性が優れているとされる。しかし、アルミニウム等の軽金属材料の押し出し成形材は高価であるという問題があった。なお、衝突エネルギー吸収部材に軽金属材料を用いると、隣接する鋼板でできた部材との接合に制約をうけるという問題もあった。
【０００５】
また、特開2000−254997号公報には、エポキシアクリレート樹脂とポリイソシアネート化合物とを適正量配合してなるシートモールディングコンパウンド成形品と、鋼材とを組合わせて、好ましくはハット状断面とした衝撃エネルギー吸収部材が提案されている。特開2000−254997号公報に記載された衝撃エネルギー吸収部材は、軽量であり、かつ圧縮変形する際の最大荷重、平均荷重を鋼材、シートモールディングコンパウンド成形品の組み合わせにより容易に調整可能とされる。しかし、この部材は、シートモールディングコンパウンド成形品の成形や、鋼材とシートモールディングコンパウンド成形品との接合といった工程を要し、製造コストが高いという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来技術の問題を解決し、軽量で生産性に優れ、圧縮変形する際の変形エネルギーが高く、しかも安価な、自動車用衝突エネルギー吸収部材およびそれを用いた自動車のサイドメンバー（すなわちフロントサイドメンバー，リアサイドメンバー）を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を解決するため、鋭意研究した。
部材の衝突時のエネルギー吸収能を高めるためには、板厚を厚くする、あるいは部材断面形状の最適化を図る、等の対策が考えられる。
板厚を厚くすることは、比較的容易に実現可能である。しかし、最近、地球環境保全の観点から、自動車からの排出CO₂を削減することが求められ、そのため車体の軽量化が指向されている。したがって、車体の重量増につながる板厚の増加は好ましくない。
【０００８】
一方、部材断面形状の最適化を図ることは、部材単位重量当りの吸収エネルギー量を高くできる点で有利である。そこで、本発明者らは、部材断面形状の最適化を図る対策について、さらに研究を進めた。
まず、断面形状の最適化のために、種々の形状の閉断面構造を有する部材を作製した。これら部材について、軸方向に一定長さの試験材を採取し、高速で圧潰変形させた。圧潰変形時に得られた荷重と変位の関係から、その部材が圧潰変形時に吸収した吸収エネルギーを算出した．その結果、閉断面構造の場合、中に隔壁がある断面形状の部材が、中に隔壁がない場合に比べ、高速圧潰変形時の吸収エネルギーが非常に大きいことがわかった。
【０００９】
上記知見を得るに至った実験結果について説明する。
フロントサイドメンバーによく用いられている厚さの、板厚：1.2 〜1.6mm の薄鋼板を用い、曲げ加工と接合により、基本的な断面形状を四角、六角の閉断面形状とする衝突エネルギー吸収部材（長さ：300mm ）を作製した。なお、一部は、閉断面形状の内部に隔壁を有する部材（Ａタイプ、Ｃタイプ、Ｅタイプ）とした。また、使用した薄鋼板は、ＴＳ（引張り強さ）：440MPaの高強度鋼板である。
【００１０】
これら部材に、時速50kmで錘を衝突させ、この衝突変形の際に得られた変位−荷重曲線を積分することにより、150mm 変形した時の吸収エネルギーを求め、図３に示す。
図３から、隔壁がある断面形状（Ａタイプ、Ｃタイプ、Ｅタイプ）を有する部材は、隔壁のない断面形状（Ｂタイプ、Ｄタイプ）を有する部材に比べ、衝突変形時の吸収エネルギーが大きいことがわかる。
【００１１】
このような隔壁を有する閉断面構造の部材を製造する方法としては、従来から多用されているアルミニウム等の軽金属材料では押し出し成形によるのが一般的である。しかし、アルミニウム合金より安価な、鋼材にこの押し出し成形法を適用することは、極めて困難であり、また製造コスト面でも不利である。また、鋼板を板金加工する製造法も考えられるが、形状が複雑な場合は工数がかかって、軽金属材料を用いた押し出し成形法よりもコストが高くなる憂いがある。
【００１２】
そこで、本発明者らは、鋼管を用い異形加工により、この隔壁を有する閉断面構造の部材を製造する方法について検討した。その結果、鋼管の周方向部分を凹加工して断面形状を凹凸にした異形管を、もう１つの鋼管に挿入して二重管とし、両鋼管の接触部分をスポット溶接、アーク溶接等により接合することにより、隔壁を有する閉断面構造の部材が容易に製造可能であることを突き止めた。
【００１３】
また、さらに上記二重管に、プレス、曲げ、液圧加工、補助部品の接合などを施すことによって、自動車のフロントサイドメンバーのような衝撃吸収部品を、最適な構造で、かつ安価、容易に製造できることを見出した。
本発明は、上記した知見に基づいて、完成されたものであり、その要旨は以下のとおりである。
【００１４】
（１）断面形状を管全長にわたって一様に凹凸にした異形形状を有する金属管からなる内管が、円形または多角形の断面形状を有する金属管からなる外管に、該外管の内面と前記内管の最外周部とが接触するように、挿入されてなる二重管構造を有することを特徴とする衝突エネルギー吸収部材。
（２）（１）に記載された衝突エネルギー吸収部材を変形加工してなることを特徴とする自動車のフロントサイドメンバーまたはリアサイドメンバー。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る衝突エネルギー吸収部材の一例を示す構成図である。図１において、１は断面形状を管全長にわたって一様に凹凸にした異形形状を有する金属管（異形管）からなる内管であり、２は基本的に円形（または多角形でもよい）の断面形状を有する金属管からなる外管である。図示のように、本発明に係る衝突エネルギー吸収部材は、内管１が外管２内に挿入されてなる二重管構造を有する。内管１と外管２のサイズは、内管を外管に挿入したとき、内管１の最外周部11と外管２の内面とが接触するように設定されている。
【００１６】
内管１と外管２とは、挿入後の相互の相対位置関係を固定するために、前記接触した部分を例えばスポット溶接等で溶接することにより、接合されていることが望ましい。
また、内管の複数の凹部は、例えば図１に示すように、隣り合うもの同士が内管中心付近で接触して形成された凹部相互接触部12を有することが望ましい。このような凹部相互接触部12を形成することにより、図４（ａ）に示すような、概略六角形の略対角線上に隔壁を有する断面構造になり、図３のＡタイプの構造を近似的に実現することができる。
【００１７】
この凹部相互接触部12は、接合されているいないにかかわらず、衝突時には互いに押し合うように変形して吸収エネルギーを大きくするので、衝突吸収エネルギーを増大させる効果を得る観点からは、接合されていてもいなくてもよい。ただし、部材をさらに加工して自動車の部品とする際に、その加工変形による凹部同士の離間を避けたい等の場合は、凹部相互接触部12を溶接により接合しておくことが望ましい。
【００１８】
図４（ａ）〜（ｇ）は、本発明の種々の実施形態を示すものである。
図４（ａ）の断面形状は、上記したように、図３のＡタイプ（六角隔壁型）を近似した近似六角隔壁型である。この近似六角隔壁型は、例えば図４（ｂ）に示すような、内管の凹部同士が離間した、凹部相互接触部のない形態であってもよい。この形態では図４（ａ）のものに比べて衝突吸収エネルギーは若干小さくなるが、断面２次モーメントが大きくなり、曲げ剛性が高くなるという別の利点がある。
【００１９】
図４（ｃ）、（ｄ）の断面形状は、図３のＣタイプ（四角隔壁型）を近似した近似四角隔壁型であり、（ｃ）は凹部相互接触部をもつ形態、（ｄ）は凹部相互接触部をもたない形態である。凹部相互接触部の有無による特性の違いは近似六角型の場合と同様である。
図４（ｅ）、（ｆ）の断面形状は、八角形の対角線上に隔壁を有する八角隔壁型を近似した近似八角隔壁型であり、（ｅ）は凹部相互接触部をもつ形態、（ｆ）は凹部相互接触部をもたない形態である。凹部相互接触部の有無による特性の違いは近似六角隔壁型の場合と同様である。近似八角隔壁型では、近似六角隔壁型や近似四角隔壁型に比べ耐衝撃性に優れる。
【００２０】
図４（ｇ）、（ｈ）（なお、この（ｈ）は参考例である）の断面形状は、図３のＥタイプ（三角隔壁型）を近似した近似三角隔壁型であり、双方とも凹部相互接触部をもたないが、（ｇ）は凹部の凹み（内管の最大半径と最小半径の差）が比較的大きい形態、（ｈ）はそれが比較的小さい形態である。（ｇ）と（ｈ）とを比べると、衝突エネルギー吸収能の面では前者が若干優勢、曲げ剛性の面では後者が若干優勢である。
【００２１】
このように、本発明では、その要旨を逸脱しない範囲で多種多様な実施形態をとることができるから、それらのうちから必要強度、コストなどを勘案して最適なものを選択すればよい。
次に、本発明に係る衝突エネルギー吸収部材の製造方法について、図４（ａ）の近似六角隔壁型（凹部相互接触部有り）の部材を製造する場合を例にとって述べる。素材としては普通に市販されている円管を用いる。まず、１次加工として、図５（ａ）に示すように、素材の周方向３箇所を３本のローラ３、３ａ、３ｂで圧下・縮径して当該３箇所に凹部を形成する。これにより、図４（ｂ）の形態の、断面形状が凹凸状で凹部相互接触部無しの異形管１が得られる。さらに、２次加工として、図５（ｂ）に示すように、１次加工後の異形管１の凸部を別の３本のローラ４、４ａ、４ｂで圧下・縮径する。縮径量は、２次加工後の異形管の凸部外径が外管の内径に等しくなるように設定する。これにより、図４（ａ）の形態の、断面形状が凹凸状で凹部相互接触部有りの異形管１が得られる。望ましくは、次に、図５（ｃ）に示すように、２次加工後の異形管を内管１として円管からなる外管２内に挿入し、二重管構造を形成する。望ましくは、さらに、図５（ｄ）に示すように、例えば片面スポット溶接機５を用いて内外管の相互接触部をスポット溶接することにより、内管１と外管２を接合する。
【００２２】
このように、本発明の衝突エネルギー吸収部材は、内管にする円管（多角管でもよい）をロール加工（１次あるいはさらに２次）→内管を外管へ挿入→必要に応じて内外管を接合、という簡単な工程により、容易に製造することができる。
なお、図４（ｂ）〜（ｇ）の形態およびその他の本発明要旨を満たす形態の衝突エネルギー吸収部材を製造するにあたっては、図５に示したローラの本数や形状を適宜変更すれば、同様の方法で容易に製造することができる。
【００２３】
また、上記のようにして製造した二重管構造の衝突エネルギー吸収部材は、これをさらにプレス、曲げ、液圧加工、および補助部品の接合等といった従来法により加工することで、フロントサイドメンバーのような、自動車の衝撃吸収部品とすることができる。当該部品は、衝撃吸収部品としての特性が良好で、しかも安価かつ容易に製造できる。
【００２４】
【実施例】
断面形状、素材、製造方法を表１に示すように種々変えて、長さ300mm の衝突エネルギー吸収部材を作製した。素材は鋼板およびアルミニウム合金とした。
鋼板製部材は、ＴＳ：780MPa級の高強度鋼板（板厚：1.2mm ）を通常の電縫造管法により造管加工して得られた電縫管を、上述のロール加工等（ロール加工→挿入→スポット溶接）により二重管構造の部材にした本発明例（１〜７）と参考例（８）、および、前記電縫管を単に切断して無隔壁単管構造の部材にした比較例（９、10）、および、前記高強度鋼板を板金加工により断面形状が四角形（図３のＤタイプ）の部材にした比較例（11）である。これらは、重量が何れも同じになるように、断面線長の総和を同じにした。なお、電縫管を用いた製造方法を表１では鋼管加工と記した。
【００２５】
また、アルミニウム合金製部材は、ＴＳ：280MPaのアルミニウム合金素材を六角隔壁型（図３のＡタイプ）に押し出し成形し、その際成形後の部材の外周および隔壁の厚さが2.0mm となるようにして重量を鋼板製部材に合わせた比較例（12）である。
これら部材について、時速50kmで錘を衝突させ、150mm 変形したときの吸収エネルギーを、衝突変形の際に得られた変位−荷重曲線を積分することにより求めた。その結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
比較例（９，10，11）は構造が単純で製造コストが安価であるが、重量あたりの吸収エネルギーが低い。一方、比較例（12）は重量あたりの吸収エネルギーは高いが、素材がアルミニウム合金であるため非常に高価である。
これに対し、本発明例（１〜７）では、近似三角隔壁型（７）、近似四角隔壁型（３，４）、近似六角隔壁型（１，２）、近似八角隔壁型（５，６）の順に重量あたりの吸収エネルギーが高くなる。同じタイプの中では凹部相互接触部有りのもの（１，３，５）が無しのもの（２，４，６）よりも吸収エネルギーが高いが大差ない。アルミニウム合金製六角隔壁型（12）と比べると、近似六角隔壁型（１）および近似八角隔壁型（５，６）では比較例（12）を超える吸収エネルギーが得られる。ただし、三角から八角へと角数が増えるにつれ若干コスト増があるので、設計の条件に応じて最適なものを選べばよい。しかし何れを選んだにせよ、アルミニウム合金製六角隔壁型（12）よりは格段に安いコストで製造することができる。
【００２８】
次に、本発明に係る自動車の衝撃吸収部品の一例を図６に示す。この部品は、図１に示した部材を、プレス加工後、ハイドロフォーミング加工（軸押し付き液圧成形加工）することにより製造したものである。この部品は、図２に示したフロントサイドメンバーとして用いられ、軽量でかつ高い衝突エネルギー吸収能を有する優れた部品である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、衝突エネルギー吸収能に優れた衝突エネルギー吸収部材およびそれを用いた自動車のサイドメンバーを容易にしかも安価に提供でき、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る衝突吸収エネルギー部材の一例を示す立体図である。
【図２】フロントサイドメンバーへの衝突荷重のかかり方を示す説明図である。
【図３】断面形状と衝突時の吸収エネルギーの関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る衝突吸収エネルギー部材の種々の構造例を示す断面図（ただし（ｈ）は参考例）である。
【図５】本発明に係る衝突吸収エネルギー部材の製造工程の一例を示す説明図である。
【図６】本発明に係る自動車の衝撃吸収部品の一例を示す立体図である。
【符号の説明】
１内管（異形管）
２外管
３、３ａ、３ｂローラ（１次加工用）
４、４ａ、４ｂローラ（２次加工用）
５片面スポット溶接機
11 内管の最外周部
12 凹部相互接触部
20 フロントサイドメンバー
21 バンパー
22 衝突荷重

Claims

断面形状を管全長にわたって一様に凹凸にした異形形状を有する金属管からなる内管が、円形または多角形の断面形状を有する金属管からなる外管に、該外管の内面と前記内管の最外周部とが接触するように、挿入されてなる二重管構造を有することを特徴とする衝突エネルギー吸収部材。
請求項１に記載された衝突エネルギー吸収部材を変形加工してなることを特徴とする自動車のフロントサイドメンバーまたはリアサイドメンバー。