JP4930620B2 - 衝突エネルギー吸収構造体 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等に用いられる衝突エネルギー吸収構造体に関する。

自動車等の車体には衝突時の乗員あるいは車体への衝突を緩和するために、衝突の際に変形して衝突エネルギーを吸収する構造体が設けられる。このような衝突エネルギー吸収構造体に求められる性能として、近年の環境問題に配慮した車体軽量化の観点から、エネルギー吸収効率を高め、断面をコンパクト化する、あるいは薄肉化することが要求される。

このような衝突エネルギー吸収構造体は、エネルギー吸収効率が高い、つまり変形が開始した後も変形抵抗荷重が高位安定し、高いエネルギー吸収能を有することが求められる。衝突エネルギー吸収構造体は、衝突の際の変形が図２１（ａ）のような不安定変形では十分に衝突エネルギーを吸収できないため、図２１（ｂ）に示すように、同心円状にある大小の管状構造体からなり、軸方向の衝突荷重に対し、小径管が大径管に没入しながら塑性変形することによって、衝突エネルギーを吸収するもの（没入型；例えば特許文献１）、あるいは、図２１（ｃ）に示すように、軸方向の衝突荷重に対し、構造体が蛇腹状に塑性変形するもの（例えば特許文献２〜７）が求められる。

特許文献２〜７のうち、特許文献２は構造体の断面に凹み部を設けて多角断面とするものであり、また、特許文献３は断面中心から各コーナー部を結び放射状の中桟を有する断面形状とするものであり、特許文献４は８の字断面構造を有すものであり、いずれも断面線長や稜線の数を増加させ、エネルギー吸収効率の良好な構造体を得るものである。特許文献５は、構造体内部に充墳材を備えることで、衝突吸収性能を高めるものである。

また、特許文献６、７は、主に衝突荷重を受ける軸方向に対して、垂直方向に凹凸を設け、斜め荷重を含む、軸方向の衝撃を受けた際にも、連続的に座屈して、図２２（ｃ）に示す蛇腹状の塑性変形が生じるように変形形状を制御するものである。

特開昭４８−１６７６号公報 特開２００８−２８４９３１号公報 特開２００１−１２４１２８号公報 特開２００８−２９６７１６号公報 特開２００１−１８２７６９号公報 特開平２−１７５４５２号公報 特開２００２−１０４１０７号公報

しかしながら、上記特許文献１に示すような没入型のものは、構造が複雑になるため、成形工程の増加を招き、コストや生産性に課題がある。

上記特許文献２〜７に示す構造体が蛇腹状に塑性変形するものは、以下のような問題がある。

上記特許文献２の技術は、限られたスペースを有効活用しつつ、エネルギー吸収効率を高める手法としては有効ではあるが、斜め荷重を含む、軸方向の衝撃を受けた際に、大きく座屈し、変形荷重が安定しない場合があり、そのような場合にはエネルギー吸収効率が低下してしまう。

上記特許文献３、４に開示された技術では、断面形状が極めて複雑であり、鍛造加工をせざるを得ず、一般のプレス加工と比較して、コストの増加を招くばかりでなく、生産面でも不利である。

上記特許文献５に開示された技術では、充填材を用いることにより、構造体の重量およびコストが増加してしまう。

上記特許文献６、７に開示された技術では、軸方向に対して垂直に凹凸部を設けることにより、変形形状が安定するものの、凹凸部にて変形が促進されるため、荷重は低位安定してしまい、エネルギー吸収効率に優れる構造体を得ることは困難である。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、構造が複雑化せず、プレス加工が可能であり、軽量かつコンパクトであり、安定した変形形状が得られ、変形過程での抵抗荷重が高位安定し、エネルギー吸収効率が高い衝突エネルギー吸収構造体を提供することを課題とする。

上記課題は、以下の（１）〜（６）の発明により解決される。
（１）筒状をなし、軸方向に変形して衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収構造体であって、
軸方向に垂直な断面の断面形状が、断面の中心に対して点対称で、かつ非線対称の多角形であって、その断面の外郭を四角形としたときのアスペクト比が１．５未満であり、かつ断面を構成する多角形の辺のうち隣接する辺の長さの比が２．３以下であることを特徴とする衝突エネルギー吸収構造体。
（２）軸方向にテーパー状をなしていることを特徴とする（１）に記載の衝突エネルギー吸収構造体。
（３）先端部に、軸方向に凹む凹み部を有することを特徴とする（１）または（２）に記載の衝突エネルギー吸収構造体。
（４）金属板をプレスして成形されたプレス成形材から構成されることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の衝突エネルギー吸収構造体。
（５）少なくとも２つの前記プレス成形材を接合して構成されることを特徴とする（４）に記載の衝突エネルギー吸収構造体。
（６）前記プレス成形材を構成する前記金属板は、２７０〜１５００ＭＰａの引張強度を有する鋼板であることを特徴とする（４）または（５）に記載の衝突エネルギー吸収構造体。

本発明によれば、軸方向に垂直な断面の断面形状が、断面の中心に対して点対称で、かつ非線対称であり、断面の外郭を四角形としたときのアスペクト比が１．５未満であり、かつ断面を構成する多角形の辺のうち隣接する辺の長さの比が２．３以下であるので、安定した変形形状が得られる。そのため、エネルギー吸収効率が高い衝突エネルギー吸収構造体が生産性を阻害することなくプレス加工にて得られ、構造体のコンパクト化や軽量化が可能となる。

本発明の一実施形態に係る衝突エネルギー吸収構造体を示す斜視図および断面図である。 本発明の他の実施形態に係る衝突エネルギー吸収構造体を示す斜視図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る衝突エネルギー吸収構造体を示す斜視図である。 図１の衝突エネルギー吸収構造体の製造方法の一例を説明するための図である。 図１の衝突エネルギー吸収構造体の製造方法の他の例を説明するための図である。 本発明例１の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 本発明例２の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 本発明例３の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 本発明例４の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 本発明例５の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 本発明例６の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 本発明例７の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 比較例１の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 比較例２の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 比較例３の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 比較例４の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 比較例５の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 比較例６の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 比較例７の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 比較例８の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を示す図である。 衝突エネルギー吸収構造体の変形形態を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

＜構造体の形状＞
図１は、本発明の一実施形態に係る衝突エネルギー吸収構造体を示すものであり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。

本実施形態に係る衝突エネルギー吸収構造体は、図１の（ａ）に示すように、基本的に筒状体からなり、一方の端部（例えば上端）が衝突先端となり、その衝突先端に衝突物が衝突した際に軸Ｌの方向に変形することにより、衝突エネルギーを吸収するようになっている。

図１の（ｂ）に示すように、軸Ｌ方向に垂直な断面の形状は、断面の中心Ｏに対して点対称で、かつ非線対称の多角形からなる。図は、断面形状が凹部を含む１６角形である場合を示している。

軸Ｌに垂直な断面の形状をこのように多角形とすることにより、プレス加工で生産可能であり、断面線長を長いものとすることができるので、限られたスペースで衝突性能を向上させることができる。

また、衝突時の荷重は、例えば軸方向に入力される場合に限らず、軸方向に対して、角度を持った斜め荷重を受ける場合も想定され、このような斜め荷重を含む衝突を受けた際に、大きく座屈する、あるいは局所的な折れ曲がりにより、部材の変形が不安定化すると、変形荷重の低下が生じ、エネルギー吸収能が顕著に低下するが、筒状体の軸Ｌに垂直な断面の形状を点対称かつ非線対称とすることにより、このような斜め荷重も含め、圧潰時の変形形態を安定させ、安定した衝突性能を得ることができる。これは、点対称かつ非線対称とすることで、向かい合う辺の座屈の進行にずれが生じ、周期の大きな座屈、横倒しや折れといった大変形が生じにくくなるためと考えられる。

断面を構成する多角形の外郭をなす四角形Ｒは、アスペクト比が１．５未満である。ここでアスペクト比は長辺／短辺（図の例ではａ／ｂ）の値とする。四角形Ｒが正方形（ａ＝ｂ）の場合はアスペクト比は１であり、アスペクト比は必ず１以上となる。

断面を構成する多角形の外郭をなす四角形のアスペクト比を１．５未満に規定したのも、安定した変形を得るためであり、アスペクト比が大きくなる、つまり細長い長方形になるに従い、圧潰時に折れ曲がりが発生しやすくなるからである。

また、断面を構成する多角形の辺のうち隣接する辺の長さの比が２．３以下である。ここで隣接する辺の長さの比は、長いほうの辺／短いほうの辺の値とする。隣接する２つの辺の長さが同じ場合は、隣接する辺の長さの比が１であり、隣接する辺の長さの比は必ず１以上となる。図の例では、隣接する辺の長さの比が最大となる組み合わせは辺Ｌ１と辺Ｌ２の組み合わせ（Ｌ１＞Ｌ２）であり、Ｌ１／Ｌ２≦２．３となる。

断面を構成する多角形の辺のうち隣接する辺の長さの比を２．３以下としたのは、これにより変形形態が安定するからである。これは、おそらく、隣接する辺のうち、辺長が長いほうに大変形が起こりやすく、このような大変形を抑制するためには、隣接する辺のうち、辺長の短いほうの辺の辺長が重要であり、これら隣接する辺の間に最適な比が存在するためと考えられる。

変形形態を安定させる観点からは、図２に示すように、衝突エネルギー吸収構造体を軸方向にテーパーをつけた構造にすることが好ましい。この場合のテーパーは、図示するように、先端（衝突先端）から後端にかけて広がるように形成されていることが好ましい。これは、テーパーをつけることにより変形が開始する部位を特定することが可能となり、安定して変形が開始するためと考えられる。

図３に示すように、先端（衝突先端）に切り欠きのような凹み形状Ｎを形成することによっても、同様に変形が開始する部位を特定することが可能となり、安定して変形を開始させることができる。

なお、図２のようなテーパーをつけた構造に、図３のような凹み形状Ｎをつけてもよい。

＜構造体の適用材料＞
本実施形態の衝突エネルギー吸収構造体は、金属板をプレス成形して構成することが好ましい。適用される金属板としては、熱延鋼板、冷延鋼板、あるいは鋼板に電気亜鉛系めっきや溶融亜鉛系めっき等のめっきを施しためっき鋼板、さらにはステンレス鋼板（ＳＵＳ）を挙げることができる。溶融亜鉛系めっき鋼板の場合には、合金化処理を施してもよい。また、めっき鋼板には、めっき後、さらに有機皮膜処理を施してもよい。鋼板としては２７０〜１５００ＭＰａの引張強度を有するものが好ましい。また、金属板としては、鋼板の他、アルミニウム、マグネシウム、これらの合金等、他の金属材料を用いることもできる。

＜製造方法＞
次に、このような衝突エネルギー吸収構造体の製造方法の例について説明する。
ここでは、プレス成形により衝突エネルギー吸収体を製造する場合を示す。図４の例では、（ａ）に示すように２枚の金属板を準備し、これらをダイおよびパンチからなる金型を用いて（ｂ）に示すように成形し、（ｃ）に示すように、得られた成形品の端面同士を接合することで、（ｄ）に示す構造体を得る。具体的には、図１の構造体を製造するために、２枚の金属板からプレス成形により同じ形状の成形品を製造し、これらを接合する。図５の例では、（ａ）に示す１枚の金属板を、ダイおよびパンチからなる金型を用いて（ｂ）に示すように成形し、これを曲げ加工により閉断面化して端部同士を接合することによって（ｃ）に示す構造体を得る。プレス成形に用いる金型（ダイおよびパンチ）は、上記断面形状（断面の中心に対して点対称で、かつ非線対称の多角形であって、その断面の外郭を四角形としたときのアスペクト比が１．５未満であり、かつ断面を構成する多角形の辺のうち隣接する辺の長さの比が２．３以下）を考慮して設計されている。

図４、図５の例では、１枚ないし２枚の金属板から所定の断面形状の成形部品を製造して接合することにより構造体を製造する場合について説明したが、３枚以上の金属板を用いて各部位を成形し、これらを接合して構造体を製造することも可能である。端面同士を接合するための手法としては、スポット溶接、レーザー溶接、アーク溶接、かしめ、リベット接合、接着剤適用など、種々の手法を採用することができる。

ここでは、種々の形状の衝突エネルギー吸収構造体の特性をシミュレーションにより把握した。
シミュレーションには、汎用の動的陽解法ソフトＬＳ−ＤＹＮＡ ｖｅｒ．９７１を用いた。適用材料は、引張強度が４４０ＭＰａ、板厚が１．６ｍｍの鋼板とした。本発明の範囲内の形状を有する本発明例１〜７の構造体、および本発明の範囲から外れる比較例１〜８の構造体について、曲率のない平面状の圧子を時速１５ｋｍで衝突させた時の圧潰性能をシミュレーションした。圧潰性能は、変形開始後の変形抵抗荷重で評価するため、圧潰距離が２０ｍｍから７０ｍｍにおける荷重−ストローク曲線から平均荷重を求め、単位重量あたりの平均荷重および変形後の形状にて評価した。その結果を表１にまとめて示し、本発明例１〜７の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を図６〜１２に、比較例１〜８の構造体の断面形状、衝突前後の形状、荷重−ストローク曲線を図１３〜２０に示す。表１において、変形形状の欄は、○が連続的に蛇腹状に変形したものであり、×が折れ曲がりや周期の大きな座屈が発生したものである。また、図６〜２０において、（ａ）が断面形状、（ｂ）が衝突前後の形状、（ｃ）が荷重−ストローク曲線である。これらに示すように、本発明の範囲内である本発明例１〜７では、圧潰時に連続して安定して蛇腹状に塑性変形しており、また、圧潰時の単位重量あたりの平均荷重が高く、吸収エネルギー効率が高いことが確認された。一方、本発明の範囲から外れる比較例１〜８では、軸方向に折れ曲がりや周期の大きな座屈が生じており、変形形状が不安定で、単位重量あたりの平均荷重が低位であることが確認された。

以上から、本発明のように、軸方向に垂直な断面の断面形状が、断面の中心に対して点対称で、かつ非線対称の多角形であって、その断面の外郭を四角形としたときのアスペクト比が１．５未満であり、かつ断面を構成する多角形の辺のうち隣接する辺の長さの比が２．３以下とすることにより、安定した変形形状が得られ、抵抗荷重が高位安定となり、エネルギー吸収効率が高い衝突エネルギー吸収構造体が得られることが確認された。

Claims (6)

1. 筒状をなし、軸方向に変形して衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収構造体であって、
   軸方向に垂直な断面の断面形状が、断面の中心に対して点対称で、かつ非線対称の多角形であって、その断面の外郭を四角形としたときのアスペクト比が１．５未満であり、かつ断面を構成する多角形の辺のうち隣接する辺の長さの比が２．３以下であることを特徴とする衝突エネルギー吸収構造体。
2. 軸方向にテーパー状をなしていることを特徴とする請求項１に記載の衝突エネルギー吸収構造体。
3. 先端部に、軸方向に凹む凹み部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の衝突エネルギー吸収構造体。
4. 金属板をプレスして成形されたプレス成形材から構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の衝突エネルギー吸収構造体。
5. 少なくとも２つの前記プレス成形材を接合して構成されることを特徴とする請求項４に記載の衝突エネルギー吸収構造体。
6. 前記プレス成形材を構成する前記金属板は、２７０〜１５００ＭＰａの引張強度を有する鋼板であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の衝突エネルギー吸収構造体。