JP6838432B2 - 自動車の耐衝撃部材 - Google Patents

Description

本発明は、耐衝撃部材に関し、具体的には、自動車の衝突の際の車体の変形を抑制する耐衝撃部材に関する。

自動車車体の主流は、モノコック構造である。モノコック構造は、通常、鋼板がハット部品と呼ばれる、フランジ部を有する部品にプレス成形され、ハット部品のフランジ部同士がスポット溶接により結合されて箱状の部品とされた後、複数の箱状部品が結合されることで構成される。自動車車体を構成する、例えばサイドメンバーの構造部材は、衝突時に衝撃を吸収する性能、いわゆる衝撃吸収性能を有すること、および、衝撃時に室内の変形を抑制する性能、いわゆる耐衝撃性能を有することが必要とされる。

上述のサイドメンバーは、図１のような車体のフロント端に配置されたフロントサイドメンバー１００、図２のような車体のリア端に配置されたリアサイドメンバーの２００いずれにあっても、車長方向に長尺な部品である。これらの部材のうち、フロントサイドメンバーフロント１０１には前面衝突の際に車長方向の前方から衝撃荷重が入力され、リアサイドメンバーリア２０１には後面衝突の際に車長方向の後方から衝撃荷重が入力される。このとき、フロントサイドメンバーフロント１０１やリアサイドメンバーリア２０１に軸圧潰変形や曲げ変形が発生することにより衝撃が吸収される。一方、フロントサイドメンバーリア１０２やリアサイドメンバーフロント２０２は十分な耐力でもって入力荷重に対して大変形せず室内の変形を抑制する。本明細書では、フロントサイドメンバーリア１０２やリアサイドメンバーフロント２０２のような衝撃荷重入力時に室内の変形を抑制する機能を有する部材を総称して“耐衝撃部材”という。

図３はフロントサイドメンバーリア１０２のような車両のフロント側に設けられる従来の耐衝撃部材２０である。耐衝撃部材２０は車長方向Ｌに延びており、屈曲部１ａにより車長方向後方から車長方向前方にかけて車高方向Ｖの上方に向かって傾斜するように形成されている。すなわち、耐衝撃部材２０の屈曲部１ａの曲率中心１ｂは、屈曲部１ａよりも車高方向Ｖの上方に位置している。

図４に示すように耐衝撃部材２０は、車長方向Ｌに垂直な断面において、車高方向Ｖの下向きに凸のハットチャンネル部材２と板状部材３からなる。ハットチャンネル部材２は、下面部２ａと、下面部２ａに接続し車高方向Ｖの上方に延伸する側壁部２ｂと、側壁部２ｂに接続し車幅方向Ｗに延伸するフランジ部２ｃからなり、フランジ部２ｃにて板状部材３と接合されている。

このような耐衝撃部材２０に車長方向前方から衝撃荷重が入力されると、変形に伴い荷重が増大するが、あるところで最大荷重を迎える。このとき、耐衝撃部材２０は、図５のようにフランジ部２ｃ近傍の側壁部２ｂが断面内側へ変形し、その後、図３に示す屈曲部１ａにおいて座屈する。

図６は別の形態の従来の耐衝撃部材３０である。図７に示すように耐衝撃部材３０は上記の耐衝撃部材２０に対し、車高方向Ｖの上向きに凸のハットチャンネル形状の補強部材４０が加えられたものである。補強部材４０は、フランジ部にて板状部材３およびハットチャンネル部材２に接合されている。

このような耐衝撃部材３０に車長方向前方から衝撃荷重が入力されると、変形に伴い荷重が増大するが、あるところで最大荷重を迎える。このとき、上記の耐衝撃部材２０と同様に屈曲部１ａで座屈するが、座屈直前におけるフランジ部２ｃ近傍の側壁部２ｂの断面内側への変形量は耐衝撃部材２０に対して変化が小さい。すなわち、耐衝撃部材３０の衝撃荷重入力時の最大荷重は、耐衝撃部材２０に比べると大きくなり、耐衝撃部材２０に対して室内の変形を抑制することができる。しかしながら、耐衝撃部材３０の補強部材４０は車高方向Ｖの上向きに凸のハットチャンネル形状であるため、室内空間を狭めることになってしまう。

従来の耐衝撃部材としては、特許文献１に記載されたものもある。特許文献１には、自動車のフロントサイドメンバーリアの閉断面構造を構成するフロントサイドメンバーとフロアパネルの内、フロアパネルを凸形状とすることで、耐力を高めた発明が開示されている。

特開２００９−１６６７１８号公報

耐衝撃部材には室内空間を狭めることなく、耐力を向上させることが求められる。しかしながら、特許文献１の耐衝撃部材は車高方向上向きの凸形状を有しており、室内空間を狭める問題がある。また、曲率中心が車高方向の上方に存在する屈曲部において、フランジ近傍の断面内側への変形の抑制の効果が十分でないため、耐力を十分に高めることができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、（ａ）車長方向に沿って延び、かつ途中から車高方向に傾斜するように屈曲部が形成され、その屈曲部の曲率中心が該屈曲部に対し車高方向上方に存在する耐衝撃部材に対して衝撃荷重が入力された場合において、（ｂ）室内空間を狭めることなく、（ｃ）屈曲部の断面変形を抑制することで、耐力を高めることを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決するため、屈曲部の断面変形の発生状況を鋭意検討した結果、ハットチャンネル部材と板状部材で形成される閉断面空間に凸形状の補強部材を配置することが有効であるといった知見を得て本発明を完成した。

すなわち、本発明は以下に列記の通りである。
（１）自動車の車長方向に延び、かつ途中から車高方向に傾斜するように屈曲部が形成され、前記屈曲部の曲率中心が該屈曲部よりも車高方向上方に存在する自動車の耐衝撃部材であって、車高方向下向きに凸のハットチャンネル部材と、前記ハットチャンネル部材のフランジ部に接合され、車長方向に垂直な断面において該ハットチャンネル部材と閉断面を形成する板状部材と、前記板状部材の形状に追従するように車長方向に延びる上面部、および前記上面部の両端から車高方向下方に延びる側壁部を有する補強部材とを備え、前記補強部材は、前記閉断面の空間内に設けられ、該補強部材の側壁部と前記ハットチャンネル部材の側壁部が互いに接合され、前記補強部材は、前記屈曲部に設けられ、かつ、該補強部材の曲部の曲げ内側の周方向長さＬ１と、前記曲部の曲率止まりから該補強部材の直線部の端までの長さＬ２との関係が０．２７≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６７を満たすように形成されている、自動車の耐衝撃部材。
（２）前記補強部材の側壁部の部材長手方向の端から該部材長手方向に延伸する接合部が形成され、前記接合部と前記ハットチャンネル部材の側壁部とが互いに接合されている、（１）に記載された自動車の耐衝撃部材。
（３）フロントサイドメンバーに用いられる、（１）又は２に記載された自動車の耐衝撃部材。
（４）リアサイドメンバーに用いられる、（１）又は２に記載された自動車の耐衝撃部材。

本発明によれば、自動車の耐衝撃部材の耐力を向上させることができる。

自動車のフロントサイドメンバーの例を示す図である。 自動車のリアサイドメンバーの例を示す図である。 従来の耐衝撃部材の概略形状を示す側面図である。 図３中のＡ−Ａ断面図である。 従来の耐衝撃部材の変形状態を示す断面図である。 従来の別の耐衝撃部材の概略形状を示す断面図である。 図６中のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第１実施形態に係る耐衝撃部材の概略形状を示す側面図である。 図８中のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の第１実施形態に係る補強部材の概略形状を示す側面図である。 本発明の第２実施形態に係る耐衝撃部材の概略形状を示す側面図である。 本発明の第２実施形態に係る補強部材の概略形状を示す側面図である。 本発明の第３実施形態に係る補強部材の概略形状を示す斜視図である。 従来の耐衝撃部材と本発明に係る耐衝撃部材の荷重特性を比較した図である。 本発明に係る耐衝撃部材の補強部材曲部の曲率止まりから直線部の端までの長さＬ２と、補強部材曲部の曲げ内側の周方向長さＬ１との比（Ｌ２／Ｌ１）と、最大荷重／部材重量との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、以降の説明では、車体のフロントに配置された耐衝撃部材を例に挙げて説明するが、以降の説明では“前方”を“後方”、“後方”を“前方”と読み替えることで、車体のリアに配置された耐衝撃部材を構成することができる。

＜第１実施形態＞
図８に示すように第１実施形態に係る耐衝撃部材１は、車長方向Ｌに延びており、屈曲部１ａにより車長方向Ｌの後方から前方にかけて車高方向Ｖの上方に向かって傾斜するように形成されている。すなわち、耐衝撃部材１は、車長方向Ｌに長尺で、かつ途中から車高方向に傾斜するように屈曲部１ａが形成され、屈曲部１ａの曲率中心１ｂは、その屈曲部１ａよりも車高方向Ｖの上方に位置している。

耐衝撃部材１は、図９のような車長方向Ｌに対する垂直な断面において、車高方向Ｖの下向きに凸のハットチャンネル部材２と、板状部材３からなる。ハットチャンネル部材２は、プレス加工により成形されており、下面部２ａと、下面部２ａに接続し車高方向Ｖの上方に延伸する側壁部２ｂと、側壁部２ｂに接続し車幅方向Ｗに延伸するフランジ部２ｃを有している。ハットチャンネル部材２と板状部材３はフランジ部２ｃにて接合され、これにより閉断面が形成される。なお、フランジ部２ｃと板状部材３との接合はレーザー溶接、アーク溶接、スポット溶接のいずれを用いてもよいが、通常スポット溶接が用いられる。

図９のようにハットチャンネル部材２と板状部材３で形成される閉断面空間５には補強部材４が設けられている。補強部材４は、板状部材３の形状に追従するように車長方向に延びる上面部４ａと、上面部４ａの両端から車高方向Ｖの下方に延びる側壁部４ｂとを有している。補強部材４は、図１０のように全体として耐衝撃部材１の部材長手方向に沿うように形成され、耐衝撃部材１の屈曲部１ａの曲率中心１ｂと同じ位置を曲率中心とする曲部４ｃと、曲部４ｃから部材長手方向に直線状に延びる直線部４ｄとを有している。なお、本明細書における“部材長手方向”とは、車長方向Ｌに垂直な断面である耐衝撃部材１の微小断面の重心（図心）位置を耐衝撃部材１の車長方向Ｌの一端から他端まで結ぶことで得られる線の方向である。また、本明細書における補強部材４の“直線状”の文言には厳密な直線状だけでなく、略直線状の概念も含まれる。

図９のように補強部材４は、側壁部４ｂとハットチャンネル部材２の側壁部２ｂとが互いに接合されることで固定されている。なお、ハットチャンネル部材２の側壁部２ｂと、補強部材４の側壁部４ｂとの接合は、レーザー溶接、アーク溶接、スポット溶接のいずれを用いてもよいが、通常スポット溶接が用いられる

第１実施形態の耐衝撃部材１は以上のようにして構成される。このような耐衝撃部材１の車長方向端部に衝撃荷重が入力されると、図５のようにフランジ部２ｃ近傍の側壁部２ｂが断面内側へ変形しようとしても、フランジ部２ｃ近傍の側壁部２ｂに配置された補強部材４によりその変形が抑制され、耐力を向上させることができる。すなわち、衝撃荷重負荷時の最大入力荷重を高めることができる。また、補強部材４が閉断面空間５に配置されているため、図７に示す耐衝撃部材３０のように室内空間を狭めることもない。したがって、耐衝撃部材１によれば、室内空間を狭めることなく、耐力を向上させることが可能となる。

＜第２実施形態＞
図１１に示すように第２実施形態の耐衝撃部材１は、第１実施形態と異なり、補強部材４が部材長手方向全域ではなく、屈曲部１ａ近傍にのみ設けられている。補強部材４は、部材長手方向の屈曲部以外の部分に設けても耐力を向上させることは可能であるが、図５のようなハットチャンネル部材２の側壁部２ｂの断面内側への変形は、屈曲部１ａ近傍で顕著に発生することから、補強部材４は少なくとも屈曲部１ａに設けられることが好ましい。これにより、効果的に耐力を向上させることができる。特に、第２実施形態のように屈曲部１ａ近傍にのみ補強部材４を設ける構成であれば、軽量化を図りつつ、耐力を向上させることができる。

耐衝撃部材１に入力される最大荷重に対する質量効率の観点から言えば、後述する実施例で示される通り、図１２に示す補強部材４の曲部４ｃの曲げ内側の周方向長さＬ１と、曲部４ｃの曲率止まり１ｃから直線部４ｄの端までの長さＬ２との関係が、０．２７≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６７を満たすことが好ましい。これにより補強部材４を設ける際の重量増加に対する耐力向上の効果を効率良く得ることができる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態では、補強部材４が図１３のような形状を有している。具体的には、補強部材４の側壁部４ｂの部材長手方向の端、すなわち直線部４ｄの端から部材長手方向に延伸する接合部４ｅが形成されている。補強部材４にこのような接合部４ｅが設けられていることにより、接合部４ｅとハットチャンネル部材２の側壁部２ｂとをスポット溶接する際に、スポット溶接の電極による挟み込みが容易となり、スポット溶接組み立てが容易となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

従来の耐衝撃部材と本発明に係る耐衝撃部材のモデルを作成し、耐衝撃部材の車長方向端部から衝撃荷重を入力するシミュレーションを実施した。

シミュレーションで使用された従来の耐衝撃部材は、図４に示すようなハットチャンネル部材と板状部材で閉断面が形成された構造のもの（比較例１）と、図７に示すようなハットチャンネル部材と板状部材で閉断面が形成され、さらに板状部材の上方に車高方向上向きに凸の補強部材が設けられた構造のものである（比較例２）。比較例１、２のハットチャンネル部材は９８０ＭＰａ級で板厚２．０ｍｍ、板状部材は２７０ＭＰａ級で板厚１．２ｍｍである。また、比較例２の補強部材は５９０ＭＰａ級で板厚１．２ｍｍである。

シミュレーションで使用された本発明に係る耐衝撃部材は、図９に示すようなハットチャンネル部材、板状部材で閉断面が形成され、閉断面空間に補強部材が設けられた構造である（実施例１）。実施例１も比較例と同様、ハットチャンネル部材は９８０ＭＰａ級で板厚２．０ｍｍ、板状部材は２７０ＭＰａ級で板厚１．２ｍｍ、補強部材は５９０ＭＰａ級で板厚１．２ｍｍである。

衝撃荷重の負荷は耐衝撃部材の車長方向の一端部（衝撃荷重入力側端部）に剛体壁を当て、その後剛体壁を車長方向の他端部（客室側端部）に向けて移動させることで行う。そして、その際の剛体壁の変位量と入力荷重を計測する。

図１４に剛体壁の変位と荷重の関係を比較した図を示す。図中の縦軸は計測した荷重を比較例１の最大荷重で除した荷重比を示す。どの水準も変形開始から荷重が上昇し、あるところで最大荷重を迎える傾向であることがわかる。最大荷重は比較例１に比べ、比較例２の方が高い。ただし、比較例２は比較例１に比べ、室内空間を狭める欠点がある。一方、実施例１は比較例２に比べ、さらに最大荷重が高い。これに加え、実施例１は比較例２に比べ室内空間を狭めることがない。以上より、本発明に係る耐衝撃部材によれば、室内空間を狭めることなく、最大荷重すなわち耐力を高めることができる。

下記表１に最大荷重直前のフランジ部近傍におけるハットチャンネル部材側壁部の断面内側への変形量を示す。変形量は、対向する側壁部間の幅の変化ΔＷで表す。なお、表中の数値は比較例１のΔＷで除したΔＷ比である。

ΔＷ比は実施例１が最も小さい。このことより本発明に係る耐衝撃部材によりフランジ部近傍でのハットチャンネル部材側壁部の断面内側への変形が抑制されることが示された。以上より、本発明により、フランジ部近傍でのハットチャンネル部材側壁部の断面内側への変形が抑制され、最大荷重すなわち耐力を高めることが示された。

次に、本発明に係る耐衝撃部材として、図１１に示すような屈曲部の近傍にのみ補強部材が設けられる構造のモデルを作成し、図１２に示す補強部材曲部の曲率止まりから直線部の端まで長さＬ２を変化させるシミュレーションを実施した。ハットチャンネル部材、板状部材、補強部材の材質および板厚は実施例１と同条件である。

図１５の縦軸は、耐衝撃部材に入力する最大荷重を重量で除した、最大荷重に対する質量効率であり、比較例１の値で規格化している。図１５の横軸は、補強部材曲部の曲率止まりから衝撃荷重入力側に延びる直線部の端までの長さＬ２と、補強部材曲部の曲げ内側の周方向長さＬ１との比である。なお、本シミュレーションでは、もう一方の、補強部材曲部の曲率止まりから客室側に延びる直線部の端までの長さもＬ２としている。

図１５に示すようにＬ２／Ｌ１が０から０．２７にかけては質量効率の値が増加する。Ｌ２／Ｌ１が０．２７から０．６７にかけては質量効率の変化がほとんどなく、それ以降は低下していることがわかる。このことから最大荷重に対する質量効率の観点においては、補強部材曲部の曲率止まりから直線部の端までの長さＬ２と、補強部材曲部の曲げ内側の周方向長さＬ１との比は、０．２７≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６７を満たすことが好ましい。それを満たすように補強部材を設ければ、重量増加に対する耐力向上の効果を効率良く得ることができる。

次に、本発明に係る耐衝撃部材として、図１３に示すような補強部材にスポット溶接用の接合部を設けた構造のモデル（実施例２）と、従来の耐衝撃部材として図７に示す構造のモデル（比較例３）を作成し、衝撃荷重を負荷するシミュレーションを実施した。実施例２および比較例３のハットチャンネル部材、板状部材、補強部材の材質および板厚は前述のシミュレーションと同条件である。

また、従来の耐衝撃部材として比較例１に対して、ハットチャンネル部材を９８０ＭＰａ級、板厚２．３ｍｍにした耐衝撃部材（比較例４）、および比較例１に対して、板状部材を２７０ＭＰａ級、板厚１．８ｍｍにした耐衝撃部材（比較例５）のモデルを作成し、衝撃荷重を負荷するシミュレーションを実施した。

その際の最大荷重と重量を比較した結果を下記表２に示す。なお、それぞれ比較例１の値で規格化している。

最大荷重比は実施例２で最も高く、重量比は実施例２で最も小さい。このことから、本発明により軽量かつ最大荷重すなわち耐力を高めることができることが示された。

本実施例の結果によれば、車長方向に沿って延び、かつ途中から車高方向に傾斜するように屈曲部が形成され、その屈曲部の曲率中心が該屈曲部に対し車高方向上方に存在する耐衝撃部材に対して衝撃荷重が入力された場合において、室内空間を狭めることなく、屈曲部の断面変形を抑制することで、耐力が向上することが示される。

本発明は、車長方向に沿って延び、かつ途中から車高方向に傾斜するように屈曲部が形成され、その屈曲部の曲率中心が該屈曲部に対し車高方向上方に存在する耐衝撃部材に適用できる。

１ 耐衝撃部材
１ａ 屈曲部
１ｂ 屈曲部の曲率中心
１ｃ 屈曲部の曲率止まり
２ ハットチャンネル部材
２ａ 下面部
２ｂ 側壁部
２ｃ フランジ部
３ 板状部材
４ 補強部材
４ａ 上面部
４ｂ 側壁部
４ｃ 曲部
４ｄ 直線部
４ｅ 接合部
５ 閉断面空間
２０ 従来の耐衝撃部材
３０ 従来の耐衝撃部材
４０ 従来の補強部材
１００ フロントサイドメンバー
１０１ フロントサイドメンバーフロント
１０２ フロントサイドメンバーリア
２００ リアサイドメンバー
２０１ リアサイドメンバーリア
２０２ リアサイドメンバーフロント
Ｌ 車長方向
Ｌ１ 補強部材曲部の曲げ内側の周方向長さ
Ｌ２ 補強部材曲部の曲率止まりから直線部の端までの長さ
Ｖ 車高方向
Ｗ 車幅方向

Claims (4)

1. 自動車の車長方向に延び、かつ途中から車高方向に傾斜するように屈曲部が形成され、前記屈曲部の曲率中心が該屈曲部よりも車高方向上方に存在する自動車の耐衝撃部材であって、
   車高方向下向きに凸のハットチャンネル部材と、
   前記ハットチャンネル部材のフランジ部に接合され、車長方向に垂直な断面において該ハットチャンネル部材と閉断面を形成する板状部材と、
   前記板状部材の形状に追従するように車長方向に延びる上面部、および前記上面部の両端から車高方向下方に延びる側壁部を有する補強部材とを備え、
   前記補強部材は、前記閉断面の空間内に設けられ、該補強部材の側壁部と前記ハットチャンネル部材の側壁部が互いに接合され、
   前記補強部材は、前記屈曲部に設けられ、かつ、該補強部材の曲部の曲げ内側の周方向長さＬ１と、前記曲部の曲率止まりから該補強部材の直線部の端までの長さＬ２との関係が０．２７≦Ｌ２／Ｌ１≦０．６７を満たすように形成されていることを特徴とする、自動車の耐衝撃部材。
2. 前記補強部材の側壁部の部材長手方向の端から該部材長手方向に延伸する接合部が形成され、前記接合部と前記ハットチャンネル部材の側壁部とが互いに接合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耐衝撃部材。
3. フロントサイドメンバーに用いられることを特徴とする、請求項１又は２に記載された自動車の耐衝撃部材。
4. リアサイドメンバーに用いられることを特徴とする、請求項１又は２に記載された自動車の耐衝撃部材。

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