JP5237241B2 - 自動車のバンパー構造体 - Google Patents

Description

本発明は、 主ビーム（バンパーリインフォース）と歩行者保護用の補助ビーム（補助バンパーリインフォース）を有する自動車のバンパー構造体に関する。

例えば特許文献１に記載されているように、歩行者保護のため、主ビームの下方に支持アームを介して補助ビームを設置することが知られている。主ビームだけを設置した通常のバンパーの場合、車方向に向いた歩行者に衝突したとき、主ビームが歩行者のひざ関節付近を正面から打撃し、ひざ関節を逆に折り曲げるなど大きいダメージを与える可能性があるが、主ビームの下方に補助ビームを設置し、その衝突面を主ビームより前方に位置させたバンパーの場合、補助ビームが主ビームより先に歩行者のすね付近に当たってひざ関節を正常方向（内側）に曲げた後、主ビームがひざ関節を打撃するので、ひざ関節へのダメージを軽減できるという利点がある。また、補助ビームは衝突した歩行者が車体の下に潜り込まないようにする機能も有している。

また、特許文献２に記載されたバンパー構造体は、主ビーム、補助ビーム及び支持アームがいずれもアルミニウム合金押出形材からなり、図７に示すように、補助ビーム２が主ビーム１に対し略平行に、かつ車幅方向全長にわたって補助ビーム２の衝突面が主ビーム１の衝突面より前方に配置されている。また、支持アーム３は押出方向に垂直な面内で切断され、押出方向が主ビーム１及び補助ビーム２の長手方向に対し平行に配置されている。なお、４はバンパーステイである。

特開２００５−３０６１６１号公報 特開２００９−２５５７０８号公報

主ビームによる打撃を軽減して歩行者を保護するためには、補助ビームでのエネルギー吸収量を大きくすることが有効である。その場合、まず、補助ビームを全体的に主ビームからより前方に配置し（図７の仮想線参照）、歩行者が主ビームと衝突する前の補助ビーム変形のストロークを確保することが考えられる。
しかし、支持アームが設置されるバンパーの端部付近（補助ビームの取付位置）は、他の部品（ランプ等）が配置されることが多く、また外観設計との関係でスペース的制約を受けることも多く、この部分で補助ビームを図７の仮想線に示す形態で主ビームの前方に配置することは、一般に困難である。

一方、図８に示すバンパー構造体のように、補助ビーム２の中央部を単純に湾曲した曲げ形状とすると、バンパー端部付近で補助アーム２を前方に配置しなくても、補助ビーム２の特に中央部がより前方に配置され、変形のストロークを比較的大きく確保することができる。しかし、このバンパー構造体（補助ビーム２）にも次のような問題がある。
（１）補助ビームへの衝突時の荷重−変位曲線図において、初期最大荷重が大きく、かつその後の荷重変動（荷重低下）が大きく、エネルギー吸収効率の改善が強く望まれる。
（２）バンパーフェイシャーと補助ビーム２の間にスペース的余裕がある場合でも、この湾曲形状では、補助ビーム２をこれ以上前方に突出させることができず、主ビームと衝突する前の補助ビーム変形のストロークが十分確保できない。

（３）支持アーム３が、主ビーム１の曲げ角度の分だけ、衝突方向（車体前後方向）から車幅方向外向きに傾いて設置されていることから、衝突時に、支持アーム２に対し主ビーム１との接合箇所を支点として回転する力が加わりやすい。これにより補助ビーム２と支持アーム３の接合がはがされる方向に力が作用し、補助ビーム２による衝突時の荷重レベルが全体的に低下し、あるいはエネルギー吸収効率が低下する可能性がある。

本発明は、これまで提案されたバンパー構造体（特に補助ビーム）の上記問題点に鑑みてなされたもので、歩行者との衝突時における補助ビームのエネルギー吸収効率を改善することを主たる目的とする。また、バンパーフェイシャーと補助ビームの間にスペース的余裕がある場合に、主ビームと衝突する前の補助ビーム変形のストロークをより多く確保することを他の目的とし、支持アームの設置構造に基づく荷重レベルの低下及びエネルギー吸収効率の低下を防止することをさらに他の目的とする。
なお、歩行者保護のためバンパー構造体に補助ビームを設置することは、ＥＣ域ではすでに法制化され、日本、米国においても法制化の動きがある。このため、歩行者保護性能に優れた補助ビーム付きバンパー構造体を得ることは当技術分野において急務といえる。

本発明は、 主ビームと、上端部が前記主ビームの両端部に固定された左右の支持アームと、前記支持アームの下端部に固定され、前記主ビームの下方に位置する補助ビームからなり、かつ前記主ビーム、補助ビーム及び支持アームがいずれもアルミニウム合金押出形材からなり、前記補助ビームの衝突面が車幅方向全幅にわたって前記主ビームの衝突面より前方に位置する自動車のバンパー構造体に関し、前記補助ビームが、前記支持アームへの固定箇所を含む両端部と、その車幅方向内側において前記主ビームとの車体前後方向の間隔が前記両端部より広く設定された張出部からなり、前記張出部は、前記両端部に隣接する領域が後方側に凸の湾曲形状をなし、続いてその車幅方向内側において前方側に凸の湾曲形状に変化し、前記両湾曲形状の間に変曲点を有することを特徴とする。
なお、本件明細書において、自動車のフロント側、リア側に関わらず、衝突面側を前とし、車体側を後とする。

前記バンパー構造体は、例えば下記のような具体的構成をとることが望ましい。
（１）前記補助ビームは、前記両端部が前記主ビームの両端部と略平行に設置されていること。
（２）上記（１）の場合に前記主ビームの両端部が後方に傾斜していること。
（３）上記（１），（２）の場合に、前記支持アームの押出方向が前記主ビーム及び補助ビームの両端部と平行で、かつ両切断端面が車体前後方向に平行に配置されていること。
（４）前記支持アームは断面が中空であり、前記断面の中空の輪郭より上に突出する外リブを有し、前記外リブが前記主ビームの前面又は背面若しくはその両面に接合されていること。

本発明では、補助ビームの両端部に挟まれた張出部のうち、両端部に隣接する領域を後方側に凸の湾曲形状とし、その内側を前方側に凸の湾曲形状に変化させている。このことは、湾曲形状を有する前記張出部を１つの曲線とみなしたとき、前記張出部に湾曲形状の曲率のプラス・マイナスが変化する変曲点が形成されていることを意味する。これにより、図８に示す単純な湾曲形状より、衝突時の初期荷重が抑制されて歩行者脚部への衝撃を緩和することができ、また初期荷重後の荷重変動が緩和され、補助ビーム変形時に全体的に安定した荷重を維持でき、補助ビームによる効率的なエネルギー吸収（エネルギー吸収効率の改善）が行える。

本発明によれば、特にバンパーフェイシャーとの間にスペース的余裕がある場合に、図８に示す単純な湾曲形状に比べて、補助ビームを前方に向けてより大きく、しかも車幅方向のより広い範囲で突出配置することができる。このため、主ビームと衝突する前の補助ビーム変形のストロークをより多く確保でき、車幅方向により広い範囲で、衝突時のエネルギー吸収量を増大させることができる。

本発明において、補助ビームの両端部が主ビームの両端部と略平行に設置されている場合に、好ましくは、支持アームの押出方向が主ビームの両端部と平行で、かつ両切断端面が車体前後方向に平行に配置される。この配置により、主ビームの両端部が後方に傾斜している場合でも、支持アームが衝突方向（車体前後方向）に平行に設置されることになり、衝突時に補助ビームからの荷重が支持アームに対し真っ直ぐ伝わりやすく（回転する力が加わりにくい）、これにより、衝突時の荷重レベルの全体的な低下、エネルギー吸収効率の低下が防止できる。

本発明に係るバンパー構造体の平面図である。 本発明に係るバンパー構造体の正面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明に係る補助ビームの製造工程を示す平面図である。 本発明に係る別のバンパー構造体の平面図である。 ＦＥＭ解析の結果得られた荷重−変位曲線、及びＥ／Ａ−変位曲線である。 従来のバンパー構造体の平面図である。 比較例のバンパー構造体の平面図である。

以下、図１〜図４を参照して、本発明に係るバンパー構造体について説明する。
図１〜３に示すバンパー構造体は、主ビーム１と、補助ビーム２と、左右一対の支持アーム３からなり、支持アーム３は上端部が主ビーム１に固定され、補助ビーム２は前記支持アーム３の下端部に固定され、衝突面２ａが主ビーム１の下方かつ主ビームの衝突面１ａより前方側に位置する。
主ビーム１は中空断面のアルミニウム合金押出形材からなり、その断面は衝突時の荷重方向に対し略垂直な前壁５及び後壁６、前壁５と後壁６を略垂直に接続する横壁７〜９からなる。前壁５は前面中央部に凹部を有し、前壁５の前面が前記衝突面１ａである。主ビーム１は平面視形状で左右対称に曲げ加工され、車幅方向に平行な中央部１１と、後方側（車体側）に傾斜した両端の傾斜部（両端部）１２からなる。なお、図１において、４は主ビーム１の傾斜部１２の背面側に設置されたバンパーステイである。

補助ビーム２は中空断面のアルミニウム合金押出形材からなり、その断面は衝突時の荷重方向に対し略垂直な前壁１３及び後壁１４、略水平な横壁１５，１６、及び前壁１３と横壁１５を斜めに接続する傾斜壁１７からなる。前壁１３の前面が前記衝突面２ａである。補助ビーム２は平面視形状で左右対称に曲げ加工され、前方側に張り出す湾曲形状の領域（張出部１８）と、真直形状の両端部１９からなる。

補助ビーム２の両端部１９は主ビーム１の傾斜部１２に近接し、かつ傾斜部１２と平行に配置されている。補助ビーム２の張出部１８は、特に図４（ｃ）に明確に示すように、両端部１９に隣接する領域（隣接領域２１）が後方側に凸の湾曲形状をなし、続いてその内側において前方側に凸の湾曲形状に変化している。隣接領域２１に挟まれた中央の内側領域２２は、全長が前方側に凸の湾曲形状をなす。
隣接領域２１の湾曲形状を示す円弧状の曲線２１Ａ、及び内側領域２２の湾曲形状を示す円弧状の曲線２２Ａがそれぞれ一点鎖線で示され、両曲線２１Ａ，２２Ａは接点２３で接している。このことから、補助ビーム２の張出部１８（隣接領域２１，内側領域２２）を１つの曲線とみたとき、接点２３の位置はその変曲点ということができる。湾曲した張出部１８が変曲点（接点２３）を有することにより、補助ビーム２は、図８の例に比べ、張出部１８のほぼ全領域にわたって、前方により突出した形状となっている。

このような平面視形状を有する補助ビーム２は、例えば図４（ａ）〜（ｃ）に示す工程で成形することができる。すなわち、図４（ａ）に示す真直形状のアルミニウム合金押出形材を、両端部は真直形状のままで、中央部を図４（ｂ）に示すように円弧状に湾曲する（中央部の湾曲形状を一点鎖線で示す）。続いて、真直形状の両端部と円弧状に湾曲した中央部の境界領域（矢印２４で指し示す辺り）を反対方向に曲げ加工し、図４（ｃ）に示す形状とする。

上記の平面視形状を有する補助ビーム２の場合、先に述べたように、衝突時の初期荷重が抑制されて歩行者脚部への衝撃を緩和することができ、また初期荷重後の荷重変動が緩和され高いエネルギー吸収効率が得られる。その理由は現時点で必ずしも明確ではないが、ＦＥＭ解析の結果等からみて、補助ビーム２の湾曲した張出部１８の左右部位に変曲点（接点２３）が形成されていることにより、支点（支持アーム３）に対する荷重の伝達が、変曲点のない場合（図８参照）に比べて直接的でなくなって衝突初期の荷重値の増加が抑制され、また、その後の補助ビーム２の変形が、支持アーム３から前記変曲点までの変形と、前記変曲点から車幅方向中央部までの変形に分割され、これにより三点曲げの支点間距離が短縮された形になり（左右の変曲点が擬似的に三点曲げの支点のように作用する）、補助ビーム２が座屈しにくくなるためではないかと推測される。

支持アーム３は中空断面のアルミニウム合金押出形材を押出方向に対し傾斜して切断したものである。図１に示すバンパー構造体において、支持アーム３は主ビーム１の傾斜部１２に配置され、その押出方向が主ビーム１の傾斜部１２及び補助ビーム２の両端部１９と平行で、かつ両切断端面が車体前後方向に平行に配置されている。これにより支持アーム３は車体前後方向に平行に配置されることになり、衝突時に補助ビーム２からの荷重が支持アーム３に真っ直ぐ伝わりやすくなり、図８に示すバンパー構造体においてみられるような支持アーム３の回転による衝突時の荷重レベルの全体的な低下、エネルギー吸収効率の低下が防止できる

支持アーム３の断面形状は、図３に示すように、中空断面の輪郭（中空輪郭）２０を構成する前壁２５、後壁２６、上壁２７及び下壁２８と、中空輪郭２０の内部に形成された複数個の内リブ２９と、前壁２５の上端から中空輪郭２４の上方に突出する外リブ３１、上壁２７の後端から中空輪郭２４の背後に突出する外リブ３２、下壁２８から中空輪郭２４の前方に突出する外リブ３３からなる。外リブ３１は屈曲して、主ビーム１の前壁５の前面に沿い、ポップナット３４により前壁５の凹部に締結され、外リブ３２は主ビーム１の横壁９の下面に沿い、横壁９の下面に溶接されている。また、補助ビーム２が外リブ３３上に置かれ、補助ビーム２の横壁１６が外リブ３３に溶接され、横壁１５と後壁１４のコーナー部が前壁２５に溶接されている。

なお、図３の例では、中空輪郭２４から上方に突出する外リブ３１による支持アーム３と主ビーム１の接合は、主ビーム１の前面側で行われている（前壁４に接合されている）が、前面側で接合する代わりに、中空輪郭２４から上方に突出する別の外リブを形成し、該外リブにより主ビーム１の背面側で接合し（後壁５に接合）、あるいは前面側及び背面側の両方で接合することも可能である。
また、主ビーム１と支持アーム３の接合において、ボルト締結は、ボルトを通す穴がレイアウト上設定できれば自在に取付が可能であるという利点があり、一方、溶接接合は、ボルト締結に比べて結合力が高く（溶接線長を長く取れる断面形状が望ましい）、支持アーム３と主ビーム１、支持アーム３と補助ビーム２の接合を堅固にして、衝突時の荷重レベルを比較的高くできるという利点がある。

図５に、本発明に係る他のバンパー構造体を示す。
このバンパー構造体では、補助ビーム２の張出部１８の内側領域２２が、前方に凸の湾曲形状を有する領域２２ａと、領域２２ａに挟まれた真直状の領域２２ｂからなる点でのみ、図１に記載したバンパー構造体と異なる。この補助ビーム２でも、両端部１９に隣接する領域（隣接領域２１）は後方側に凸の湾曲形状をなし、続いてその内側において前方側に凸の湾曲形状に変化している。

図５において、補助ビーム２の隣接領域２１の湾曲形状を示す円弧状の曲線２１Ａ、及び内側領域２２（領域２２ａ）の湾曲形状を示す円弧状の曲線２２Ａが一点鎖線で示され、両曲線２１Ａ，２２Ａは接点２３で接している。つまり、この補助ビーム２において、補助ビーム２の張出部１８（隣接領域２１，内側領域２２のうち特に領域２２ａ）を１つの曲線とみたとき、接点２３の位置はその変曲点ということができる。張出部１８が変曲点（接点２３）を有することにより、補助ビーム２は、図７の例に比べて車幅方向に広い範囲で、前方に突出した形状となっている。

主ビーム１、補助ビーム２及び支持アーム３として、各種アルミニウム合金を用いることができるが、なかでも主ビーム１として比較的高強度のＪＩＳ７０００系アルミニウム合金が、支持アーム２、補助ビーム３及びブラケット２２として、例えばＪＩＳ６０６３等の６０００系アルミニウム合金が好適である。

本発明例のバンパー構造体（図１参照）と、比較例のバンパー構造体（図８参照）について、補助ビームの車幅方向中央部に後方側（車体側）に向く衝突荷重が負荷されたときの荷重−変位（押し込み量）を、有限要素法（ＦＥＭ）により解析した。ＦＥＭ解析には汎用の動的陽解法ソフトＬＳ−ＤＹＮＡを用いた。その解析条件として、補助ビームの材質はＪＩＳ６Ｎ０１アルミニウム合金のＴ５処理材を想定し、断面形状はいずれも図３に示す形状（車体前後方向幅３０ｍｍ×車体上下方向高さ１８ｍｍ）とした。主ビーム及び支持アームは剛体として解析を実施した。補助ビームの平面視形状は、いずれも真直形状の両端部の間に前方側に湾曲した張出部を有する形状であり、両端部の傾斜角度は車幅方向に対し２０°、車幅方向全幅は１３１８ｍｍとした。

本発明例の補助ビームは張出部が変曲点を有し（両端部に隣接する領域が後方側に凸の湾曲形状、その間が前方側に凸の湾曲形状をなす）、比較例は張出部が単純な大Ｒ形状を有する。本発明例の補助ビームは、両端部１９の長さを１６５．３ｍｍ、隣接領域２１の長さを５３．２ｍｍ、その内側領域２２の曲率半径を１０３０ｍｍとし、比較例の補助ビームは、両端部の長さを３８０ｍｍ、中央部の曲率半径を９０５ｍｍとした。また、本発明例及び比較例とも、両端から６１．６ｍｍの位置を支持アームで支持した。

図６に本発明例及び比較例の荷重−変位曲線及びＥ／Ａ−変位曲線を示す。なお、Ｅ／Ａとは、補助ビームの吸収エネルギー量である。
図６に示すように、比較例では、衝突時の初期最重が高く出て、その後の荷重変動も大きい。一方、本発明例では、初期荷重が抑制され、その後の荷重変動も抑制され、荷重が全体的にフラットであり、高いエネルギー吸収効率が得られる。

１ 主ビーム
２ 補助ビーム
３ 支持アーム
１１ 主ビームの中央部
１２ 主ビームの傾斜部（両端部）
１８ 張出部
１９ 両端部
２１ 隣接領域（張出部の一部、両端部に隣接する領域）
２２ 内側領域（張出部の一部、隣接領域に挟まれた領域）
２１Ａ，２２Ａ 円弧状の曲線
２３ 接点（変曲点）

Claims (5)

1. 主ビームと、上端部が前記主ビームの両端部に固定された左右の支持アームと、前記支持アームの下端部に固定され、前記主ビームの下方に位置する補助ビームからなり、かつ前記主ビーム、補助ビーム及び支持アームがいずれもアルミニウム合金押出形材からなり、前記補助ビームの衝突面が車幅方向全幅にわたって前記主ビームの衝突面より前方に位置する自動車のバンパー構造体であり、前記補助ビームが、前記支持アームへの固定箇所を含む両端部と、その車幅方向内側において前記主ビームとの車体前後方向の間隔が前記両端部より広く設定された張出部からなり、前記張出部は、前記両端部に隣接する領域が後方側に凸の湾曲形状をなし、続いてその車幅方向内側において前方側に凸の湾曲形状に変化し、前記両湾曲形状の間に変曲点を有することを特徴とする自動車のバンパー構造体。
2. 前記補助ビームは、前記両端部が前記主ビームの両端部と略平行に設置されていることを特徴とする請求項１に記載された自動車のバンパー構造体。
3. 前記主ビームの両端部が後方に傾斜していることを特徴とする請求項２に記載された自動車のバンパー構造体。
4. 前記支持アームの押出方向が前記主ビーム及び補助ビームの両端部と略平行で、かつ両切断端面が車体前後方向に平行に配置されていることを特徴とする請求項２又は３に記載された自動車のバンパー構造体。
5. 前記支持アームは断面が中空であり、前記断面の中空の輪郭より上に突出する外リブを有し、前記外リブが前記主ビームの前面又は背面若しくはその両面に接合されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載された自動車のバンパー構造体。

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