JP5549783B2

JP5549783B2 - 衝撃吸収部材

Info

Publication number: JP5549783B2
Application number: JP2013528035A
Authority: JP
Inventors: 智史広瀬
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2032-08-07
Also published as: WO2013021996A1; KR101779568B1; KR20160043127A; CN103717938A; KR20140013103A; CN103717938B; TWI518261B; US20140174867A1; US9228629B2; JPWO2013021996A1; TW201319425A

Description

本発明は、外部から加わる衝撃エネルギーを座屈変形しながら吸収する衝撃吸収部材に関する。

近年、自動車などの分野では、燃費や運動性能の向上を図る一方、更なる衝突安全性の向上が求められている。自動車の車体は、軽量化と高剛性化を両立させるため、モノコックボディと呼ばれるフレームとボディとを一体化した車体構造が一般的に採用されている。また、自動車の車体には、衝突時に運転手および同乗者の生存空間を確保するため、例えばエンジンルールやトランクルームなどの客室以外の空間を優先的に潰しながら、客室に加わる衝撃をできるだけ緩和し、客室の変形を最小限に留める、いわゆる衝撃吸収構造が広く採用されている。

従って、衝突安全性に優れた車体構造とするためには、衝突時の衝撃エネルギーを如何に有効に吸収させるかが重要な課題となる。このため、衝突時の衝撃エネルギーを効率良く吸収させるための衝撃吸収部材の開発が積極的に進められている（例えば、特許文献１〜１６を参照。）。

一般に、衝撃吸収部材には、鋼板をプレス成形したものを溶接等で接合し、中空柱状に成形した薄肉構造体（中空柱状部材）が用いられる。また、衝撃吸収部材は、上述した軽量化と高剛性化を両立させるため、例えば四角形や六角形などの多角形状の断面を有た中空部材より成る。このような衝撃吸収部材は、例えば車体のフロントサイドメンバーなどに使用されており、衝突時にその一端側から衝撃荷重を受けたときに、軸線方向に座屈変形（軸圧潰）することで衝撃エネルギーを吸収する。従って、衝撃吸収性能を高めるためには、このような座屈変形を効率良く生じさせることと、その座屈荷重を高めることの２つが重要となる。

従来、このような課題に対する材料面からの対策として、衝撃吸収部材板を製造するために、比較的厚い鋼板や、比較的強度の高い高強度鋼板を用いたりして、座屈荷重を高めることが行われている。一方、構造面からの対策としては、ビードと呼ばれる座屈変形の端緒を与える窪み（ビード部）を設けて、効率良く座屈変形を生じさせることが行われている。また、中空の衝撃吸収部材の断面を多角形状とすることで、座屈荷重を高めることが行われている。

然しながら、上述した衝撃吸収部材の板厚を厚くすることは、部材の重量増加につながるため、この衝撃吸収部材を採用する車体の重量増加を招き、その結果として自動車の燃費や走行性能を悪化させることになる。また、高強度鋼板は、その強度に反比例して伸び率が低下するのが一般的である。このため、成形性も悪化し、現状では衝撃吸収部材用鋼板の高強度化には自ずと限界がある。

ところで、単に衝撃吸収部材の座屈荷重を増加させることは、座屈を生じさせる最低衝撃荷重の増大につながる。この場合、衝撃吸収部材に加わる衝撃荷重が衝撃吸収部材の変形によって吸収されることなく、そのまま客室などの他の構造部分へと伝わることになる。また、本来は変形すべきでない箇所に座屈変形が生じたり、客室の変形により運転手および同乗者の生存空間を確保することが困難となったり、大きな加速度変化が運転手および同乗者に加わったりすることで、運転手および同乗者への傷害の危険性が高まることになる。

このため、衝撃吸収部材では、例えば、座屈の開始端から断面形状を極力一定に保ちながら、座屈による変形量を確保するために、衝撃吸収部材を直線化する設計がなされている。また、衝撃吸収部材に加わる初期衝撃荷重を低下させるために、上述したビードの配置によって衝突時に蛇腹状の座屈変形を安定して生じさせることが行われている。

然しながら、上述したビードの配置については、それを求める確固とした理論はなく、衝撃吸収部材に対する座屈試験やコンピューターシミュレーションなどを多数繰り返すことによって求めているのが現状である。このため、各種の車両毎に上記実験やシミュレーションを繰り返す必要があり、設計効率が悪いだけでなく、実際の衝突時に予想される様々な荷重条件や座屈モードに対応することができないために、そのような手法を用いてビードの配置を最適化することは非常に困難である。

特開２００９−２８６２２１号公報特開２００９−２８５６６８号公報特開２００９−１６８１１５号公報特開２００９−１５４５８７号公報特開２００９−１１３５９６号公報特開２００８−０１８７９２号公報特開２００７−０３０７２５号公報特開２００６−２０７７２６号公報特開２００６−２０７７２４号公報特開２００５−２２５３９４号公報特開２００５−１５３５６７号公報特開２００５−００１４６２号公報特開平１０−１３８９５０号公報特開平０９−２７７９５４号公報特開平０９−２７７９５３号公報特開平２０１１−５６９９７号公報

ところで、上述した衝撃吸収部材を蛇腹状に座屈変形させる座屈モード（Compact-mode）の中には、「凹凸混合モード」と呼ばれるものと、「凹凸独立モード」と呼ばれるものがある。このうち、凹凸混合モードは、衝撃荷重を加えることによって蛇腹状に座屈変形した中空柱状の衝撃吸収部材の任意の横断面において、蛇腹の谷部（凹部）と山部（凸部）が混在する変形モードである。一方、凹凸独立モードは、同じく任意の横断面において、凹部または凸部のみが存在する変形モードである。この場合、凹凸独立モードは、凹凸混合モードよりも部材全体に対する変形部分の割合が大きくなるため、その変形量（潰れ量）に対する衝撃エネルギーの吸収量が高く、優れた衝撃吸収性能を発揮することが可能となる。

然しながら、従来の衝撃吸収部材では、軸線方向に蛇腹状に座屈変形させながら、その衝撃エネルギーの吸収量を高めることについて様々な工夫がなされているものの、上述した凹凸独立モードを意図的に誘発させることについては全く考慮されていなかった。すなわち、従来の衝撃吸収部材による座屈モードは、凹凸混合モードが主であり、凹凸独立モードを発生させるメカニズムまでは解明されていなかった。

そこで、本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、衝撃吸収特性に優れた衝撃吸収部材、特に、凹凸独立モードを意図的に誘発させることを可能とした衝撃吸収部材を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明によれば、軸線と、該軸線に対して平行に延びる複数の矩形状壁部と、前記軸線に対して垂直な多角形断面とを有し、外部から加わる衝撃エネルギーを前記軸線方向に座屈変形しながら吸収する、前記軸線方向に延びる中空柱状の衝撃吸収部材において、前記複数の壁部のうち少なくとも二組の隣接する壁部によって形成される少なくとも２つの角部から突出する少なくとも２つのフランジ部を具備し、該少なくとも２つのフランジ部は、その前記角部から突出する方向が周方向において同じ方向を向くように配置されている衝撃吸収部材が提供される。

前記衝撃吸収部材は、少なくとも１つの壁部にビード部を設けることができる。ビード部は、該衝撃吸収部材の外表面から凹んだディンプルまたは外表面から突出した膨隆とすることができる。ディンプルは、周方向においてフランジ部が突出する方向とは逆方向に位置する角部側に偏倚させて配置され、膨隆は、周方向においてフランジ部が突出する方向に位置する角部側に偏倚させて配置されることが好ましい。

さらに、前記壁部および／または角部に、軸線方向に座屈変形するときに各角部の稜線が周方向において同じ方向に倒れ込みながら座屈し始めるように、その方向を決定するための座屈誘発部を設けることによって、上記凹凸独立モードを意図的に誘発させることができる。

以上のように、本発明によれば、衝撃吸収特性に優れた衝撃吸収部材を提供することが可能であり、特に、上記凹凸独立モードを意図的に誘発させることによって、軸線方向に効率良く座屈変形を生じさせることができ、その結果、外部から加わる衝撃エネルギーの吸収量を高めて、優れた衝撃吸収性能を発揮することが可能となる。

正方形状の断面を有した中空柱状部材に、その一端側から軸線方向に衝撃荷重を加えたときに、中空柱状部材に生じる変形をＦＥＭ数値解析により求めた斜視図であり、局所的な座屈によって折れ曲がった状態を示す図である。図１Ａと同様の中空柱状部材に生じる変形をＦＥＭ数値解析により求めた斜視図であり、軸線方向に不規則に座屈変形した非コンパクトモードを示している。図１Ａと同様の中空柱状部材に生じる変形をＦＥＭ数値解析により求めた斜視図であり、軸線方向に蛇腹状に座屈変形するコンパクトモードのうち凹凸混合モードを示す図である。図１Ａと同様の中空柱状部材に生じる変形をＦＥＭ数値解析により求めた斜視図であり、軸線方向に蛇腹状に座屈変形するコンパクトモードのうち凹凸独立モードを示す図である。凹凸混合モードにおける中空柱状部材の軸線に対して垂直な任意の横断面を例示する模式図である。凹凸混合モードにおける中空柱状部材の軸線に対して垂直な図２Ａとは異なる他の横断面を例示する模式図である。凹凸独立モードにおける中空柱状部材の軸線に対して垂直な任意の横断面を示す模式図である。凹凸独立モードにおける中空柱状部材の軸線に対して垂直な図３Ａとは異なる他の横断面を例示する模式図である。フランジ部が突出する方向を説明するための断面模式図であり、フランジ部が一方の壁部に沿って延長された構成を示す図である。フランジ部が突出する方向を説明するための断面模式図であり、フランジ部が一方およ他方の壁をそれぞれ異なる角度で折り曲げることによって形成されている構成を示す図である。本発明による衝撃吸収部材の１つの実施の形態における座屈変形を説明するための断面模式図である。本発明による衝撃吸収部材の他の実施の形態における座屈変形を説明するための断面模式図である。本発明による衝撃吸収部材の更に別の実施の形態における座屈変形を説明するための断面模式図である。本発明による衝撃吸収部材の更に別の実施の形態における座屈変形を説明するための断面模式図である。本発明による衝撃吸収部材の更に別の実施の形態における座屈変形を説明するための断面模式図である。本発明による衝撃吸収部材の更に別の実施の形態を示す斜視図である。本発明による衝撃吸収部材の更に別の実施の形態を示す斜視図である。本発明による衝撃吸収部材の更に別の実施の形態を示す斜視図である。本発明による衝撃吸収部材の更に別の実施の形態を示す斜視図である。本発明による衝撃吸収部材の更に別の実施の形態を示す斜視図である。比較例１の各衝撃吸収部材について衝撃荷重を加える前の状態を示す斜視図である。実施例１の各衝撃吸収部材について衝撃荷重を加える前の状態を示す斜視図である。実施例２の各衝撃吸収部材について衝撃荷重を加える前の状態を示す斜視図である。実施例３の各衝撃吸収部材について衝撃荷重を加える前の状態を示す斜視図である。実施例４の各衝撃吸収部材について衝撃荷重を加える前の状態を示す斜視図である。比較例１の衝撃吸収部材に衝撃荷重を加えたときの変形状態をＦＥＭ数値解析により求めた斜視図である。実施例１の衝撃吸収部材に衝撃荷重を加えたときの変形状態をＦＥＭ数値解析により求めた斜視図である。実施例２の衝撃吸収部材に衝撃荷重を加えたときの変形状態をＦＥＭ数値解析により求めた斜視図である。実施例３の衝撃吸収部材に衝撃荷重を加えたときの変形状態をＦＥＭ数値解析により求めた斜視図である。実施例４の衝撃吸収部材に衝撃荷重を加えたときの変形状態をＦＥＭ数値解析により求めた斜視図である。実施例１と比較例１の衝撃吸収部材に衝撃荷重を加えたときの衝撃吸収部材からの反力と変形量（潰れ量）との関係を測定したグラフである。実施例２と比較例１の衝撃吸収部材に衝撃荷重を加えたときの衝撃吸収部材からの反力と変形量（潰れ量）との関係を測定したグラフである。実施例３と比較例１の衝撃吸収部材に衝撃荷重を加えたときの衝撃吸収部材からの反力と変形量（潰れ量）との関係を測定したグラフである。実施例４と比較例１の衝撃吸収部材に衝撃荷重を加えたときの衝撃吸収部材からの反力と変形量（潰れ量）との関係を測定したグラフである。実施例１と比較例１の衝撃吸収部材に衝撃荷重を加えたときの変形量（潰れ量）と吸収したエネルギー量との関係を測定したグラフである。実施例２と比較例１の衝撃吸収部材に衝撃荷重を加えたときの変形量（潰れ量）と吸収したエネルギー量との関係を測定したグラフである。実施例３と比較例１の衝撃吸収部材に衝撃荷重を加えたときの変形量（潰れ量）と吸収したエネルギー量との関係を測定したグラフである。実施例４と比較例１の衝撃吸収部材に衝撃荷重を加えたときの変形量（潰れ量）と吸収したエネルギー量との関係を測定したグラフである。

以下、本発明を適用した衝撃吸収部材について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明による衝撃吸収部材は、軸線と、該軸線に対して平行に延びる複数の矩形状壁部と、前記軸線に対して垂直な多角形断面とを有し、外部から加わる衝撃エネルギーを前記軸線方向に座屈変形しながら吸収する前記軸線方向に延びる中空柱状の衝撃吸収部材である。前記複数の壁部のうち少なくとも二組の隣接する壁部によって形成される少なくとも２つの角部から少なくとも２つのフランジ部が突出しており、該少なくとも２つのフランジ部は、その前記角部から突出する方向が周方向において同じ方向を向くように配置されている。

さらに、該衝撃吸収部材は、少なくとも１つの壁部にビード部を設けることができる。ビード部は、該衝撃吸収部材の外表面から凹んだディンプルまたは外表面から突出した膨隆とすることができる。ディンプルは、周方向においてフランジ部が突出する方向とは逆方向に位置する角部側に偏倚させて配置され、膨隆は、周方向においてフランジ部が突出する方向に位置する角部側に偏倚させて配置されることが好ましい。

以下、本発明を適用した衝撃吸収部材について、図面を参照して詳細に説明する。
図１Ａ〜図１Ｄを参照すると、正方形状の断面を有する直線状の中空柱状部材に対して、その一端側から軸線方向に衝撃荷重を加えたときに、この中空柱状部材に生じる各種の変形モードが示されている。図１Ａ〜図１Ｄに示す変形モードは、これらの中空柱状部材に衝撃荷重を加えたときの変形状態をＦＥＭ(Finite Element Method)数値解析（コンピューターシミュレーション）により求めたものである。

図１Ａは、局所的な座屈によって折れ曲がった状態を表している。一方、図１Ｂは、軸線方向に不規則に座屈変形した非コンパクトモードを表している。図１Ｃ、１Ｄは、軸線方向に蛇腹状に座屈変形するモード、すなわち軸線方向において山部と谷部とを交互に繰り返しながら圧潰するコンパクトモードを表している。特に、図１Ｃは、コンパクトモードのうち凹凸混合モードを表している。この凹凸混合モードは、図２Ａ、２Ｂに模式的に例示する中空柱状部材の任意の横断面において、蛇腹の谷部（凹部）と山部（凸部）が混在して表れるモードである。これに対して、図１Ｄは、コンパクトモードのうち凹凸独立モードを表している。この凹凸独立モードは、図３Ａ、３Ｂに模式的に示す中空柱状部材の任意の横断面において、蛇腹の谷部（凹部）または山部（凸部）のみが表れるモードである。「凹凸独立モード」および「凹凸混合モード」との用語は、「拡張モード(extension mode)」および「不拡張モード(inextension mode)」とも称されることがある。

この場合、図１Ａに示す変形モードから図１Ｄに示す変形モードに向かうに従って、部材全体に対する変形部分の割合が大きくなる。従って、部材の変形量（潰れ量）に対する衝撃エネルギーの吸収量が最も高いのは、図１Ｄに示す凹凸独立モードである。すなわち、この凹凸独立モードは、軸線方向に最も効率良く座屈変形を生じさせることができるため、非常に優れた衝撃吸収性能を示すことになる。

上述したように、本発明を適用した衝撃吸収部材では、少なくとも２つの角部にフランジ部が設けられており、該フランジ部は、角部から突出する方向が周方向において同じ方向を向くように配置されている。これにより、上記凹凸独立モードを意図的に誘発させることが可能である。

ここで、フランジ部が突出する方向とは、例えば図４Ａに模式的に示すフランジ部１００Ａのように、このフランジ部１００Ａを構成する一方の壁部１０１と当該フランジ部１００Ａとの為す角αと、他方の壁部１０２と当該フランジ部１００Ａとの為す角βとのうち、その開き角が小さくなる側の壁部（本図では、β＜αにより他方の壁部１０２）が位置する方向を言い、この方向（向き）を衝撃吸収部材の周方向におけるフランジ部１００Ａが突出する方向としている。

また、図４Ａでは、このフランジ部１００Ａが一方の壁部１０１に沿って延長された構成（β＜α＝１８０゜）となっているが、フランジ部は、このような構成に必ずしも限定されるものではなく、例えば図４Ｂに模式的に示すフランジ部１００Ｂのように、一方の壁部１０１および他方の壁１０２をそれぞれ異なる角度で折り曲げてフランジ部１００Ｂを構成（β＜α＜１８０゜）することも可能であり、場合によっては、β＜１８０゜＜αとなるフランジ部（図示せず。）を構成することも可能である。

例えば図５Ａに示す正方形状の断面を有する中空部材より成る衝撃吸収部材１Ａは、中心軸線Ｏと、該中心軸線Ｏの周囲に配置された４つの壁部１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄとを有しており、該４つの壁部１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの各間を接合することによって、４つの角部１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈからフランジ部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが形成される。各フランジ部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、その角部１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈから突出する方向Ｘが、軸線Ｏを中心とした周方向において同じ方向Ｙを向くように配置されている。

この場合、衝撃吸収部材１の一端側から軸線方向に衝撃荷重を加えることによって、各角部１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈの稜線が軸線Ｏを中心とした周方向において同じ方向Ｙ、すなわち各フランジ部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに対する開き角が小さくなる側の壁部１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが位置する方向Ｘに倒れ込みながら座屈し始める。これにより、上記凹凸独立モードを意図的に誘発させることができる。

また、図５Ｂに示す正方形状の断面を有する衝撃吸収部材１Ｂのように、壁部１ａ、１ｄからなるパネルと、壁部１ｂ、１ｃからなるパネルとを壁部１ａ、１ｂの間と壁部１ｃ、１ｄの間で接合することによって、２つの角部１ｅ、１ｇからフランジ部２が突出して設けられた場合、各フランジ部２は、その角部１ｅ、１ｇから突出する方向Ｘが軸線Ｏを中心とした周方向において同じ方向Ｙを向くように配置する。

さらに、この衝撃吸収部材１Ｂにおいて、フランジ部２が設けられた角部１ｅ、１ｇとは異なる角部１ｆ、１ｈを挟んで隣接する一方の壁部１ａ、１ｃに、外表面から凹んだディンプル３を設けた場合、各ディンプル３は、当該壁部１ａ、１ｃの中央部に対して、軸線Ｏを中心とした周方向においてフランジ部２が突出する方向Ｘとは逆方向に位置する角部１ｆ、１ｈ側に偏倚させて配置する。

この場合、衝撃吸収部材１Ｂの一端側から軸線方向に衝撃荷重を加えることによって、角部１ｅ、１ｇの稜線が軸線Ｏを中心とした周方向において同じ方向Ｙ、すなわち各フランジ部２に対する開き角が小さくなる側の壁部１ｂ、１ｄが位置する方向Ｘに倒れ込みながら座屈し始める。また、角部１ｆ、１ｈの稜線が軸線Ｏを中心とした周方向において同じ方向Ｙ、すなわちディンプル３を設けた側（Ｘ方向）に倒れ込みながら座屈し始める。これにより、上記凹凸独立モードを意図的に誘発させることができる。

また、図５Ｃに示す正方形状の断面を有する衝撃吸収部材１Ｃのように、壁部１ａ′、１ｄ′からなるパネルと、壁部１ｂ′、１ｃ′からなるパネルとを壁部１ａ′、１ｂ′の間と壁部１ｃ′、１ｄ′の間で接合することによって、２つの角部１ｅ′、１ｇ′からフランジ部２′が突出して設けられた場合、各フランジ部２′は、角部１ｅ′、１ｇ′から突出する方向Ｘ′が軸線Ｏを中心とした周方向において同じ方向Ｙ′を向くように配置する。

さらに、この衝撃吸収部材１Ｃにおいて、フランジ部２′が設けられた角部１ｅ′、１ｇ′とは異なる角部１ｆ′、１ｈ′を挟んで隣接する一方の壁部１ａ′、１ｃ′に、その外表面から突出した膨隆３′を設けた場合、各膨隆３′は、当該壁部１ａ′、１ｃ′の中央部に対して、軸線Ｏを中心とした周方向においてフランジ部２′が突出する方向Ｘ′に位置する角部１ｆ′、１ｈ′側に偏倚させて配置する。

この場合、衝撃吸収部材１Ｃの一端側から軸線方向に衝撃荷重を加えることによって、角部１ｅ′、１ｇ′の稜線が軸線Ｏを中心とした周方向において同じ方向Ｙ′、すなわち各フランジ部２′に対する開き角が小さくなる側の壁部１ａ′、１ｃ′が位置する方向Ｘ′に倒れ込みながら座屈し始める。また、角部１ｆ′、１ｈ′の稜線が軸線Ｏを中心とした周方向において同じ方向Ｙ、すなわち膨隆３′を設けた側とは反対側（Ｘ′方向）に倒れ込みながら座屈し始める。これにより、上記凹凸独立モードを意図的に誘発させることができる。

本発明を適用した別の衝撃吸収部材では、上述したように１つの角部にフランジ部を設けると共に、少なくとも１つの壁部に衝撃吸収部材の外表面から凹んだディンプルまたは外表面から突出した膨隆を設る。ディンプルを設ける場合、該ディンプルは、軸線Ｏを中心とした周方向においてフランジ部が突出する方向とは逆方向に位置する角部側に偏倚させて配置する。膨隆を設ける場合、該膨隆は、軸線Ｏを中心とした周方向においてフランジ部が突出する方向に位置する角部側に偏倚させて配置する。これにより、上記凹凸独立モードを意図的に誘発させることが可能である。

例えば図６Ａに示す正方形状の断面を有する衝撃吸収部材１Ｄのように、壁部１ａ、１ｄ、１ｃ、１ｂからなるパネルを壁部１ａ、１ｂの間で接合することによって、１つの角部１ｅからフランジ部２が突出して設けられた場合、このフランジ部２が設けられた角部１ｅとは異なる角部１ｆ、１ｇ、１ｈを挟んで隣接する一方の壁部１ａ、１ｃ、１ｄに、衝撃吸収部材１Ｄの外表面から凹んだディンプル３を設け、かつ、各ディンプル３を、当該壁部１ａ、１ｃ、１ｄの中央部に対して、軸線Ｏを中心とした周方向においてフランジ部２が突出する方向Ｘとは逆方向に位置する角部１ｆ、１ｈ、１ｇ側に偏倚させて配置する。

この場合、衝撃吸収部材１Ｄの一端側から軸線方向に衝撃荷重を加えることによって、角部１ｅの稜線が軸線Ｏを中心とした周方向において同じ方向Ｙ、すなわち各フランジ部２に対する開き角が小さくなる側の壁部１ｂが位置する方向Ｘに向かって倒れ込みながら座屈し始める。また、それ以外の角部１ｆ、１ｇ、１ｈの稜線が軸線Ｏを中心とした周方向において同じ方向Ｙ、すなわちディンプル３を設けた側（Ｘ方向）に倒れ込みながら座屈し始める。これにより、上記凹凸独立モードを意図的に誘発させることができる。

また、図６Ｂに示す正方形状の断面を有する衝撃吸収部材１Ｅのように、壁部１ａ′、１ｄ′、１ｃ′、１ｂ′からなるパネルを壁部１ａ′、１ｂ′の間で接合することによって、１つの角部１ｅからフランジ部２′が突出して設けられた場合、このフランジ部２７が設けられた角部１ｅ′とは異なる角部１ｆ′、１ｇ′、１ｈ′を挟んで隣接する一方の壁部１ａ′、１ｃ′、１ｄ′に、衝撃吸収部材１Ｅの外表面から突出した膨隆３′を設け、かつ、各膨隆部３′を、当該壁部１ａ′、１ｃ′、１ｄ′の中央部に対して、軸線Ｏを中心とした周方向においてフランジ部２が突出する方向Ｘ′に位置する角部１ｆ′、１ｈ′、１ｇ′側に偏倚させて配置する。

この場合、衝撃吸収部材１Ｅの一端側から軸線方向に衝撃荷重を加えることによって、角部１ｅ′の稜線が軸線Ｏを中心とした周方向において同じ方向Ｙ′、すなわち各フランジ部２′に対する開き角が小さくなる側の壁部１ａ′が位置する方向Ｘに倒れ込みながら座屈し始める。また、それ以外の角部１ｆ′、１ｇ′、１ｈ′の稜線が軸線Ｏを中心とした周方向において同じ方向Ｙ′、すなわち膨隆３′を設けた側とは反対側（Ｘ′方向）に倒れ込みながら座屈し始める。これにより、上記凹凸独立モードを意図的に誘発させることができる。

以上のように、本発明のフランジ部およびビード部は、上記凹凸独立モードを意図的に誘発させる座屈誘発部として、衝撃吸収部材が軸線方向に座屈変形するときに、各角部の稜線が軸線Ｏを中心とした周方向において同じ方向に倒れ込みながら座屈し始めるように、その方向を決定する機能を有する。また、本発明のビード部は、上記従来のビード部のように座屈変形の端緒を与える機能とは異なり、直接的に座屈変形の端緒とはならず、むしろ角部の稜線が倒れ込んだ後（座屈後）に、凹凸独立モードへと速やかに移行させる機能を有する。

したがって、本発明を適用した衝撃吸収部材では、上記凹凸独立モードを意図的に誘発させることによって、軸線方向に効率良く座屈変形を生じさせることができ、その結果、外部から加わる衝撃エネルギーの吸収量を高めて、優れた衝撃吸収性能を発揮することが+可能となる。

そして、自動車等の車体において、このような衝撃吸収部材を採用した場合には、車体の軽量化と高剛性化を両立させながら、燃費および運動性能の向上を図りつつ、衝突安全性に優れた車体構造とすることが可能である。

本実施形態では、図５Ａ〜図５Ｃおよび図６Ａ、６Ｂに示す衝撃吸収部材１Ａ〜１Ｅを例示したが、本発明を適用した衝撃吸収部材については、このような形態に限らず、種々の形態をとることが可能である。すなわち、本発明は、多角形状の断面を有して、外部から加わる衝撃エネルギーを軸線方向に座屈変形（軸圧潰）しながら吸収する中空柱状の衝撃吸収部材に対して幅広く適用することが可能である。

具体的に、衝撃吸収部材としては、例えば、鋼板をプレス成形したものを溶接等で接合することによってフランジ部が形成された中空柱状の薄肉構造体（中空柱状部材）からなるものを挙げることができる。ビード部は、この中空柱状部材を接合する前後にプレス加工等により設けることができる。

なお、衝撃吸収部材の材質については、上述した鋼板からなるものに限らず、例えば、鉄、アルミニウム、銅、またはそれらの合金などの金属材料や、ＦＲＰなどの樹脂材料等、外部から加わる衝撃エネルギーを軸線方向に座屈変形（軸圧潰）しながら吸収可能なものであればよい。また、溶接等により接合したものに限らず、押出成形等により中空柱状に成形されたものであってもよい。この場合、ビード部は、成形後にプレス加工等により設けることができる。

また、衝撃吸収部材は、軽量化と高剛性化を両立させるため、例えば四角形や六角形など四〜八角形状の断面を有することが好ましい。この場合、例えば図７Ａ〜図７Ｃに示す六角形状の断面を有する衝撃吸収部材においても、フランジ部２の突出する方向が軸線Ｏを中心とした周方向において同じ方向を向くように当該フランジ部２を配置することで、上記凹凸独立モードを意図的に誘発させることが可能である。

また、図８Ａ、８Ｂに示すように、ディンプル３は、衝撃吸収部材の座屈の開始端側から軸線方向に並べて配置することができる。この場合、ディンプル３は、壁部の一辺の長さピッチで配置することが好ましい。さらに、最も開始端側に位置するディンプル３は、この開始端から壁部の一辺の長さの１／２以上離れた位置に配置することが好ましい。これにより、蛇腹状の座屈変形を安定して生じさせることができる。

また、ビード部の形状については、上記本発明のビード部の機能を発揮するものであれば、既述した球面の一部を有した形状のディンプルや膨隆に限定されず、例えばＶ字状やＵ字状等の断面形状を有していてもよい。図８Ａ、８Ｂに示すディンプル３は、衝撃吸収部材１の軸線方向と直交する方向（横断面方向）に延びるトラフ形の凹所より成る。この場合、上記本発明のビード部としての機能を更に高めることができる。トラフ形のディンプル３の衝撃吸収部材１の軸線Ｏに垂直な方向の長さＬ₁は、好ましくは1/10Ｗ≦Ｌ₁≦3/4Ｗ（Ｗ：壁部の幅であり衝撃吸収部材１の稜線間の距離）とする。トラフ形のディンプル３の衝撃吸収部材１の軸線Ｏの方向の長さＬ₂は、好ましくは1/20Ｌ₁≦Ｌ₂≦Ｌ₁とする。更に、ディンプル３と稜線との間の距離Ｌ₃は、好ましくはＴ≦Ｌ₃≦1/5Ｔ（Ｔ：板厚）とする。

本発明によれば、衝撃吸収部材の少なくとも１つの壁部において一方の角部に偏倚させてビード部を配置することによって、上記凹凸独立モードを意図的に誘発させることが可能である。すなわち、本発明では、少なくとも１つの壁部に偏倚して設けられたビード部を起点にして、該ビード部が偏倚した側にある角部の稜線が倒れ込む方向が決まるため、その他の角部の稜線についても、その起点となった角部の稜線と同一方向に倒れ込みを誘発させることができる。

然しながら、このような角部の同一方向への倒れ込みを安定化させるためには、２つの壁部にビード部を角部側に偏倚させて配置することがより好ましく、更に、全ての壁部にビード部を角部側に偏倚させて配置することが最も好ましい。すなわち、ビード部を付与した部分は、座屈変形後に衝撃吸収部材の断面内で蛇腹の谷部（凹部）となる。このため、全ての壁部にビード部を配置した場合には、その横断面においてビード部が付与されていない角部が座屈変形後に蛇腹の山部（凸部）となるといったことを未然に防ぐことが可能である。なお、複数の壁部にビード部を角部側に偏倚させて配置する場合は、多角形状の断面の対角を為す壁部から順に配置していくことが、ビード部の配置のバランスを考える上で好ましい。

また、本発明において、ビード部を角部側に偏倚させて配置するとは、ビード部が壁部の中央部にかからない（中央部を変形させない）程度に角部側にずらして配置することを言う。さらに、ビード部は、周方向において同じ方向に位置する角部の近傍に配置することが好ましい。ここで、角部の近傍とは、角部の稜線にかからない（角部を変形させない）程度に角部に近づけた位置をいい、ビード部の中心を壁部の幅に対して１／４以下ほど角部側に近づけた位置を言う。本発明では、ビード部を角部の近傍に配置することで、上記角部の稜線の倒れ込みを安定して行わせることができる。

一方、角部にビード部が形成されると、座屈は安定するものの、角部が支える荷重が低下するために、その結果として座屈変形によるエネルギー吸収量が低下することになる。但し、フランジ部がある角部は、この角部を挟んで隣接する壁部の接合部分であるため、変形抵抗が高く、荷重の低下が少ない。したがって、座屈安定性を求める場合には、フランジ部や、このフランジ部が設けられた角部にビード部を設けることも可能であり、また、フランジ部と壁部との間でビード部を細長く形成してもよい。

また、本発明では、ビード部を偏倚させる方向を衝撃吸収部材に加わる捻れ方向の荷重の向きと一致させることで、この捻れ荷重に対しても有効に衝撃吸収性能を発揮させることができる。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

本実施例では、先ず、実施例１〜４および比較例１の衝撃吸収部材に対して、その一端側から軸線方向に衝撃荷重を加えたときの変形状態をＦＥＭ数値解析（コンピュータシミュレーション）により求めた。なお、このＦＥＭ数値解析による解析条件は、板厚１．４ｍｍ、一辺が５０ｍｍ、長さが３００ｍｍの四角形状の断面を有する直線状の中空柱状部材をモデルとした。このモデルの材料定数は、下記表１のとおりである。

そして、この中空柱状部材の一端（上端）側に１０００ｋｇの剛体壁を４．４４ｍ／ｓで落下させたときの変形状態を求めた。なお、このＦＥＭ数値解析で使用する構成方程式は、下記に示すＳｗｉｆｔ＋Ｃｏｗｐｅｒ−Ｓｙｍｏｎｄｓの式である。また、解析時間は５０ｍｓとした。

（比較例１）
比較例１は、図９Ａに示すように、いわゆるハット型の中空柱状部材であり、２つのフランジ部が周方向において異なる方向を向くように配置された場合である。なお、このハット型の中空柱状部材の寸法は、図９Ａに示すとおりである。この場合、図１０に示すように、座屈変形の初期段階から凹凸混合モードで座屈変形が進むことがわかる。

（実施例１）
実施例１は、図９Ｂに示すように、上記中空柱状部材の対角を為す２つの角部にフランジ部（突出量２０ｍｍ）が設けられ、これら２つのフランジ部が周方向において同じ方向を向くように配置された場合である。この場合、図１１に示すように、座屈変形の初期段階から凹凸独立モードで座屈変形が進むことがわかる。

（実施例２）
実施例２は、図９Ｃに示すように、上記実施例１の構成に、更にフランジ部が設けられた角部とは異なる２つの角部を挟んで隣接する壁部の一方に、衝撃吸収部材の外表面ｋら凹んだディンプルを設け、かつ、このディンプルを、当該壁部の中央部に対して、周方向においてフランジ部が突出する方向とは逆方向に位置する角部側に偏倚させて配置した場合である。この場合、図１２に示すように、座屈変形の初期段階から凹凸独立モードで座屈変形が進むことがわかる。

（実施例３）
実施例３は、図９Ｄに示すように、上記実施例２の構成に、更にフランジ部が設けられた２つの角部を挟んで隣接する壁部の一方に、衝撃吸収部材の外表面から凹んだディンプルが設け、かつ、このディンプルを、当該壁部の中央部に対して、周方向においてフランジ部が突出する方向とは逆方向に位置する角部側に偏倚させて配置した場合である。この場合、図１３に示すように、座屈変形の初期段階から凹凸独立モードで座屈変形が進むことがわかる。

（実施例４）
実施例４は、図９Ｅに示すように、実施例２の衝撃吸収部材において、更にフランジ部にディンプルを設けた例である。この場合、図１４に示すように、座屈変形の初期段階から凹凸独立モードで座屈変形が進むことがわかる。

次に、実施例１〜４および比較例１の衝撃吸収部材に対して、その一端側から軸線方向に衝撃荷重を加えたときに、衝撃吸収部材からの反力（衝撃エネルギーに対する部材の抵抗力）と変形量（潰れ量）との関係を測定した結果を図１５Ａ〜図１５Ｄに示す。図１５Ａ〜図１５Ｄにおいて、図１５Ａのグラフは実施例１の場合、図１５Ｂのグラフは実施例２の場合、図１４Ｃのグラフは実施例３の場合、図１４Ｄのグラフは実施例４の場合であり、各グラフは比較例１との比較で表している。なお、衝撃吸収部材からの反力と潰れ量との積が吸収したエネルギー量に相当するため、反力が高いほど優れた衝撃吸収性能を有することになる。

また、実施例１〜４および比較例１の衝撃吸収部材に対して、その一端側から軸線方向に衝撃荷重を加えたときに、変形量（潰れ量）と吸収したエネルギー量との関係を測定した結果を図１６Ａ〜図１６Ｄに示す。図１６Ａ〜図１６Ｄにおいて、図１６Ａのグラフは実施例１の場合、図１６Ｂのグラフは実施例２の場合、図１６Ｃのグラフは実施例３の場合、図１５Ｄのグラフは実施例４の場合であり、各グラフは比較例１との比較で表している。

図１５Ａ〜図１５Ｄおよび図１６Ａ〜図１６Ｄに示すように、実施例１〜３の衝撃吸収部材では、凹凸独立モードを誘発させることによって、比較例１の凹凸混合モードよりも変形量（潰れ量）に対する衝撃エネルギーの吸収量の割合が高くなっており、優れた衝撃吸収性能を発揮していることがわかる。

１Ａ衝撃吸収部材
１Ｂ衝撃吸収部材
１Ｃ衝撃吸収部材
１Ｄ衝撃吸収部材
１Ｅ衝撃吸収部材
１ａ壁部
１ｂ壁部
１ｃ壁部
１ｄ壁部
１ａ′ 壁部
１ｂ′ 壁部
１ｃ′ 壁部
１ｄ′ 壁部
１ｅ角部
１ｆ角部
１ｇ角部
１ｈ角部
１ｅ′ 角部
１ｆ′ 角部
１ｇ′ 角部
１ｈ′ 角部
２ａフランジ部
２ｂフランジ部
２ｃフランジ部
２ｄフランジ部
２ａ′ フランジ部
２ｂ′ フランジ部
２ｃ′ フランジ部
２ｄ′ フランジ部
３ディンプル
３′ 膨隆

Claims

軸線と、該軸線に対して平行に延びる複数の矩形状壁部と、前記軸線に対して垂直な多角形断面とを有し、外部から加わる衝撃エネルギーを前記軸線方向に座屈変形しながら吸収する、前記軸線方向に延びる中空形状の衝撃吸収部材において、
前記複数の壁部のうち少なくとも二組の隣接する壁部によって形成される少なくとも２つの角部から突出する少なくとも２つのフランジ部を具備し、
該少なくとも２つのフランジ部は、その前記角部から突出する方向が周方向において同じ方向を向くように配置されている衝撃吸収部材。
前記複数の壁部のうちの少なくとも１つにビード部が設けられており、該ビード部は、前記衝撃吸収部材の外表面から凹んだディンプルまたは外表面から突出した膨隆であって、前記ディンプルは、周方向において前記フランジ部が突出する方向とは逆方向に位置する角部側に偏倚させて配置され、前記膨隆は、周方向において前記フランジ部が突出する方向に位置する角部側に偏倚させて配置されている請求項１に記載の衝撃吸収部材。
前記ビード部は、前記フランジ部が突出する方向とは逆方向に位置する角部の近傍に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の衝撃吸収部材。
前記ビード部は、前記軸線方向と直交する方向に延びるトラフ形に形成されたディンプルである請求項２または３に記載の衝撃吸収部材。
前記ビード部は、前記座屈の開始端側から軸線方向に並んで配置されている請求項２〜４の何れか一項に記載の衝撃吸収部材。
多角形状の断面を有して、外部から加わる衝撃エネルギーを軸線方向に座屈変形しながら吸収する中空形状の衝撃吸収部材であって、
前記衝撃吸収部材の壁部および角部に、前記軸線方向に座屈変形するときに各角部の稜線が周方向において同じ方向に倒れ込みながら座屈し始めるように、その方向を決定するための座屈誘発部が設けられ、
前記座屈誘発部は、１つの角部から突出するフランジ部と、該フランジ部が設けられた角部とは異なる角部を挟んで隣接する壁部の一方に、前記衝撃吸収部材の外表面から凹んだディンプルまたは該外表面から突出する膨隆とを有し、
前記ディンプルは、該ディンプルが設けられている壁部の中央部に対して、前記軸線を中心とした周方向において前記フランジ部が突出する方向とは逆方向に位置する角部側に偏倚させて配置されており、
前記膨隆は、該膨隆が設けられている壁部の中央部に対して、前記軸線を中心とした周方向において前記フランジ部が突出する方向に位置する角部側に偏倚させて配置されていることを特徴とする衝撃吸収部材。