JP6973646B2 - 高衝突性能を有する閉断面構造材および自動車の車体骨格 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば自動車の前面衝突時などにおいて、高いエネルギー吸収性能を発揮する閉断面構造材に関する。
自動車の衝突時において高いエネルギー吸収性能を発揮する構造の一例としてバンパー構造がある。自動車のバンパー構造はバンパービームおよびクラッシュボックスからなり、自動車の例えば前面衝突時、特に軽衝突時にはバンパービームが曲げ変形し、クラッシュボックスが圧潰変形をすることで衝撃を吸収し、自動車後部へ荷重を伝達させないようにしていた。この時、バンパービームは衝突エネルギー吸収部位としての役割を担う。
近年、世界中で燃費規制が厳格化され、自動車車体の軽量化が推し進められている。一方で、衝突安全性も厳格化され、衝突性能の向上と軽量化の両立が求められ、ボディの高強度薄肉化や電気自動車の開発が自動車メーカーにて行われている。特に電気自動車においては航続距離を高めることが求められ,フロア下に大容量のバッテリーを搭載する車体構造が開発され始めている.それによりホイールベースが長くなるため、短いフロントオーバーハングでガソリン車と同等の衝突エネルギーを吸収する必要がある。そのため、バンパービームには高い座屈耐力と吸収エネルギー性能が求められる。またガソリン自動車においても車体の軽量化が求められ、高い座屈耐力と吸収エネルギー性能を有する軽量バンパービームが求められている。
従来のバンパービームは、特許文献1、2に記載されたものがある。特許文献1には、ハット状部材の内方にさらに別のハット状部材が設けられることで、バンパービームの内方に三つの閉断面が形成された構造が開示されている。特許文献1の構造においては、二つのハット状部材のうちの外側のハット状部材の天面に凹部が形成され、当該凹部は前述の三つの領域のうちの中央の領域に位置している。特許文献2には閉断面構造材を有するバンパービームにおいて、側面と後面との間の二つの稜線部を含むように二つの閉断面空間を配置する発明が開示されている。
特開2010−120581号公報 特開2015−193383号公報
しかしながら、特許文献1においては、凹形状の付与によりバンパービームが曲げ変形を受けた時の内側のハット状部材の側面の倒れこみを抑制しているが、バンパービーム自体の座屈起点になる外側のハット状部材の側面の倒れこみを抑制することができない。このため、バンパービームの吸収エネルギー性能に関する質量効率に改善の余地がある。また、特許文献2はあえて接触面の剛性を弱くすることにより衝突荷重の増加を緩やかにしている。そのため、衝突時には早期に座屈を引き起こすことになり、吸収エネルギー性能に関する質量効率に改善の余地がある。さらに、軽衝突時に座屈を引き起こすことによりバンパービームの車体後方への後退量が増え、ラジエーターサポートコアと干渉し、車体のリペア性を著しく下げる可能性がある。
本発明は、従来の技術が有するこのような課題に鑑みてなされたものであり、衝突時における断面崩壊を抑制することで高耐力(すなわち車内側への部材の侵入量の抑制)および高吸収エネルギー性能を有する閉断面構造材を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明者は、ハット状部材とクロージングプレートからなる閉断面構造材において、ハット状部材の天面に対し、部材長手方向に垂直な方向からポールを衝突させるシミュレーションを実施した。上記条件下において閉断面構造材の断面崩壊挙動とエネルギー吸収量の関係を検討した結果、(a)閉断面構造材の一対の側壁部の倒れこみを抑制し、(b)閉断面構造材の衝突側の壁部である衝突側壁部への曲げ剛性を付与することにより、閉断面構造材が高耐力および高吸収エネルギー性能を示す、との知見を得た。この知見に基づき、本発明の完成に至った。
上記課題を解決する本発明の一態様は、閉断面構造材であって、部材長手方向を法線とする断面において、衝突側壁部と、反衝突側壁部と、第1の側壁部と、第2の側壁部と、第1の内側壁部と、第2の内側壁部と、第3の内側壁部および第4の内側壁部と、を有する中空部材を備え、前記衝突側壁部は、衝突側に位置する壁部であり、前記反衝突側壁部は、前記衝突側壁部に対向する、前記衝突側とは反対側の壁部であり、前記第1の側壁部と前記第2の側壁部は、前記衝突側壁部の端部と、前記反衝突側壁部の端部と、に繋がる一対の壁部であり、前記第1の内側壁部は、前記第1の側壁部から前記中空部材の内側に延びる壁部であり、前記第2の内側壁部は、前記第2の側壁部から前記中空部材の内側に延びる壁部であり、前記第3の内側壁部は、前記第1の内側壁部と前記衝突側壁部に繋がる壁部であり、前記第4の内側壁部は、前記第2の内側壁部と前記衝突側壁部に繋がる壁部であり、前記第3の内側壁部および前記第4の内側壁部のそれぞれの高さbと、前記反衝突側壁部から前記衝突側壁部までの長さaとの比b/aが0.15〜0.35であることを特徴としている。
別の観点による本発明の一態様は、自動車の車体骨格であって、上記の閉断面構造材を備え、前記衝突側壁部が前記反衝突側壁部に対して車外側に位置していることを特徴としている。
図1および図2は、閉断面構造材を備える車体骨格70の一例を示す図である。本発明に係る閉断面構造材は、例えば図1に示される自動車のフロントバンパービームやサイドシル、図2に示されるリアバンパービームとして適用されるが、適用対象部品はこれらに限定されることはない。また、本発明に係る“衝突側”とは、衝突時に他の車両等に接触する側であり、自動車の車外側と車内側のうち車外側のことを指す。例えば閉断面構造材がフロントバンパービームである場合は、車長方向における前側が車外側に相当するため、前側が衝突側となる。この場合、車長方向における後側が車内側に相当するため、後側が反衝突側となる。また、例えば閉断面構造材がリアバンパービームである場合には、車長方向における後側が車外側に相当するため、後側が衝突側となる。この場合、車長方向における前側が車内側に相当するため、前側が反衝突側となる。また、例えば閉断面構造材がサイドシルである場合には、車幅方向における車外側が衝突側であり、車幅方向における車内側が反衝突側である。
本発明によれば、衝突時における断面崩壊を抑制することで高耐力および高吸収エネルギー性能を有する閉断面構造材を提供することができる。
自動車の車体骨格の一例を示す図である。 自動車の車体骨格の一例を示す図である。 本発明の第1の実施形態に係るバンパービームの概略構成を示す、部材長手方向を法線とする断面図である。 従来のバンパービームの概略構成を示す、部材長手方向を法線とする断面図である。 本発明の第2の実施形態に係るバンパービームの概略構成を示す、部材長手方向を法線とする断面図である。 本発明の第3の実施形態に係るバンパービームの概略構成を示す、部材長手方向を法線とする断面図である。 本発明の第4の実施形態に係るバンパービームの概略構成を示す、部材長手方向を法線とする断面図である。 凸部が複数設けられている場合のバンパービームの一例を示す図である。 レインフォースメントの形状例を示す図である。 レインフォースメントの形状例を示す図である。 本発明に係る閉断面構造材の一例を示す図である。 本発明に係る閉断面構造材の一例を示す図である。 本発明に係る閉断面構造材の一例を示す図である。 本発明に係る閉断面構造材の一例を示す図である。 本発明に係る閉断面構造材の一例を示す図である。 比較例のバンパービームの概略構成を示す、部材長手方向を法線とする断面図である。 比較例のバンパービームの概略構成を示す、部材長手方向を法線とする断面図である。 衝突解析条件を示す図である。 従来構造および本発明に係る構造のシミュレーションにおける荷重‐ストローク線図である。 従来構造および本発明に係る構造のシミュレーションにおける荷重‐ストローク線図である。
以下、本発明の一実施形態について、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。
以下の説明においては、閉断面構造材としてバンパービームを例に挙げて説明するが、同様の閉断面構造材であれば、本実施形態で説明するような変形モードが発現し、衝突時における最大荷重と吸収エネルギーを増大させることができる。すなわち、閉断面構造材はバンパービームに限定されない。
<第1の実施形態>
図3に示す閉断面構造材は、部材長手方向Yを法線とする断面において、衝突側壁部11と、反衝突側壁部12と、第1の側壁部13と、第2の側壁部14と、第1の内側壁部15と、第2の内側壁部16と、第3の内側壁部17および第4の内側壁部18と、を有する中空部材10を備えている。衝突側壁部11は、衝突側に位置する壁部である。反衝突側壁部12は、衝突側壁部11に対向する、衝突側とは反対側の壁部である。第1の側壁部13および第2の側壁部14は、衝突側壁部11の端部と反衝突側壁部12の端部に繋がる一対の壁部である。第1の内側壁部15は、第1の側壁部13から中空部材10の内側に延びる壁部である。第2の内側壁部16は、第2の側壁部14から中空部材10の内側に延びる壁部である。第3の内側壁部17は、第1の内側壁部15と衝突側壁部11に繋がる壁部である。第4の内側壁部18は、第2の内側壁部16と衝突側壁部11に繋がる壁部である。
第1の実施形態においては、閉断面構造材の一例としてのバンパービーム1が、インナー部材2を構成するクロージングプレート25と、アウター部材3を構成する、ハット状部材30とレインフォースメント40で構成されている。なお、本明細書におけるクロージングプレートとは、ハット状部材の開口側を覆う板のことである。
ハット状部材30は、部材長手方向Y(バンパービームの場合は車幅方向)を法線とする断面において、Z方向(バンパービームの場合は車高方向)に延びる二つのフランジ30a、30bと、各フランジ30a、30bの一端からそれぞれX方向(バンパービームの場合は車長方向)の車外側に延びる一対の側面30c、30dと、当該一対の側面30c、30dの端部同士を繋ぐ天面30eと、を有している。ハット状部材30の天面30eには、X方向の車外側に突出する凸部50が形成され、凸部50は、ハット状部材30の天面30eのZ方向における中央部に位置している。また、凸部50は、ハット状部材30の天面30eに繋がる一対の側面50a、50bと、当該一対の側面50a、50bの端部同士を繋ぐ天面50cと、を有している。
なお、閉断面構造材がバンパービームの場合、X方向が車長方向、Y方向が車幅方向、Z方向が車高方向となる。このため、X方向の車外側とは、バンパービームの車長方向における車外側、すなわち衝突時の衝突側に相当する。同様に、X方向の車内側とは、バンパービームの車長方向における車内側、すなわち衝突時の反衝突側に相当する。また、例えば閉断面構造材がサイドシルの場合、X方向が車幅方向、Y方向が車長方向、Z方向が車高方向となる。したがって、閉断面構造材がサイドシルの場合における衝突時の衝突側とは、X方向の車外側、すなわちサイドシルの車幅方向における車外側である。同様に、閉断面構造材がサイドシルの場合における衝突時の反衝突側は、X方向の車内側、すなわちサイドシルの車幅方向における車内側である。以上の点を考慮すると、バンパービーム1やサイドシル等の閉断面構造材におけるハット状部材30の側面30c、30dは、部材長手方向Yを法線とする断面において、フランジ30a、30bの一端から衝突時の衝突側に延びるように形成されていると言い換えることができる。
レインフォースメント40は、部材長手方向Yを法線とする断面において、U字状であり、ハット状部材30の側面30c、30dの外面側に接する一対の側面40a、40bと、当該一対の側面40a、40bの端部同士を繋ぐ天面40cとを有している。レインフォースメント40は、ハット状部材30の天面30eと凸部50を覆うように設けられている。
クロージングプレート25とハット状部材30は、ハット状部材30のフランジ30a、30bで互いに接合されている。ハット状部材30とレインフォースメント40とは、ハット状部材30の側面30c、30dとレインフォースメント40の側面40a、40bで互いに接合されている。また、ハット状部材30の凸部50の天面50cは、レインフォースメント40の天面40cの内面側に接合されている。本実施形態においては、このようにしてインナー部材2とアウター部材3とが接合されることで中空部材10が構成されている。
第1の実施形態においては、衝突側壁部11がレインフォースメント40の天面40cとハット状部材30の凸部天面50cとで構成され、反衝突側壁部12がクロージングプレート25とハット状部材30のフランジ30a、30bとで構成され、第1の側壁部13がレインフォースメント40の側面40aとハット状部材30の側面30cとで構成され、第2の側壁部14がレインフォースメント40の側面40bとハット状部材30の側面30dとで構成されている。また、第1の実施形態において、第1の内側壁部15および第2の内側壁部16は、それぞれハット状部材30の天面30eであり、第3の内側壁部17は、ハット状部材30の凸部50の側面50aであり、第4の内側壁部18は、ハット状部材30の凸部50の側面50bである。なお、本実施形態においては、中空部材10のX方向長さa(クロージングプレート25からレインフォースメント40の天面40cまでの距離)がレインフォースメント40の幅c(側面40a、40b間の距離)よりも長くなっている。
第1の実施形態における中空部材10は、クロージングプレート25とハット状部材30で形成される閉断面Aが形成されている。換言すると、反衝突側壁部12と、第1の側壁部13の一部と、第1の内側壁部15と、第3の内側壁部17と、衝突側壁部11の一部と、第4の内側壁部18と、第2の内側壁部16と、第2の側壁部14とで囲まれた領域に一つの閉断面Aが形成されている。すなわち、このような閉断面Aを有する閉断面構造材は、ハット状部材30の天面30eに凸部50が1つだけ設けられた構造である。バンパービーム1は、上記の閉断面Aに加え、ハット状部材30とレインフォースメント40の間の空間が凸部50で区切られた二つの閉断面B、Cの計三つの閉断面A〜Cを有している。なお、各部材同士の接合方法は特に限定されないが、例えばスポット溶接、レーザー溶接およびアーク溶接等により各部材同士が接合される。第1の実施形態のバンパービーム1は以上のように構成されている。
ここで、図4に示すようなクロージングプレート25とハット状部材101からなる従来のバンパービーム100の場合、衝突時にハット状部材101の天面101e(衝突面)に荷重が入力されると、天面101eと、天面101eと一対の側面101c、101dとの間の稜線部101f、101gに圧縮応力が作用し、側面101c、101dはそれぞれ外側に倒れこむようなモーメントを受ける。そのため、ハット状部材101の天面101eと稜線部101f、101gの崩壊により、座屈耐力が低下する。さらに、ハット状部材101の側面101c、101dの外側への倒れこみによって、側面101c、101dへの荷重入力が低下する。
一方、図3に示す第1の実施形態のバンパービーム1においては、衝突時にレインフォースメント40の天面40c(衝突面)に荷重が入力された際に、レインフォースメント40の天面40cと、天面40cと側面40a、40bとの間の稜線部40d、40eに圧縮応力が作用する。また、レインフォースメント40の天面40cに接合された凸部50の天面50cにも荷重が入力され、凸部50の天面50cと、天面50cと側面50a、50bとの間の稜線部50d、50eにも圧縮応力が作用する。これらの圧縮応力により、レインフォースメント40の側面40a、40bがそれぞれ外側に倒れこもうとするモーメントを受ける一方で、ハット状部材30の側面30c、30dがそれぞれ内側に倒れこもうとするモーメントを受ける。すなわち、ハット状部材30の側面30c、30dと、レインフォースメント40の側面40a、40bには互いに反対側に倒れこむモーメントが発生し、それにより、アウター部材3としての側面が倒れこみにくくなる。その結果、長時間高い荷重を受けることができ、最大荷重および吸収エネルギーを増大させることができる。
また、図4に示す従来のバンパービーム1においては、クロージングプレート25がインナー部材であり、ハット状部材101がアウター部材であるが、図3に示す第1の実施形態のバンパービーム1においては、アウター部材3がハット状部材30と、レインフォースメント40で構成されている。すなわち、荷重が入力されるアウター部材3としての衝突面(本実施形態ではレインフォースメント40の天面40c)に繋がる側面が、ハット状部材30の側面30c、30dと、レインフォースメント40の側面40a、40bで構成されている。そのため、アウター部材3としての側面の長さ(X方向長さ)が見かけ上、従来構造と同一の長さであっても、実質的にはX方向長さの短い側面が並ぶ構成となっている。それにより、アウター部材3としての側面の面剛性が向上し、側面が倒れこみにくくなる。その結果、衝突時に長時間高い荷重を受けることができ、最大荷重および吸収エネルギーを増大させることができる。
また、衝突時に圧縮応力が作用する凸部50を利用して前述の閉断面を形成することにより、レインフォースメント40の天面40cの曲げ剛性が向上し、最大荷重が向上する。それにより座屈を抑制することができる。
上記の衝突性能向上メカニズムにおける(1)ハット状部材30の側面30c、30dの倒れこみの抑制および(2)レインフォースメント40の天面40cへの曲げ剛性の付与は、バンパービーム1の断面寸法が所定の範囲内にあるときに、最大荷重および吸収エネルギーがさらに効果的に増大する。
中空部材10のX方向長さaが一定という条件下では、凸部50の高さb(ハット状部材30の天面30eから凸部50の天面50cまでのX方向長さ)によって、凸部50の側面50a、50bの面剛性と、ハット状部材30の側面30c、30dの面剛性が変化する。後述の実施例に基づくと、凸部50の高さbと中空部材10のX方向長さaとの比(b/a)は、0.15〜0.35であることが望ましい。それにより、衝突時における最大荷重および吸収エネルギーを効果的に増大させることができる。b/aのさらに望ましい下限は0.17である。b/aのさらに望ましい上限は0.33である。
レインフォースメント40の幅cが一定という条件下では、凸部50の幅d(凸部50の側面50a、50b間の距離)によって、凸部50の天面50cの面剛性が変化する。後述の実施例に基づくと、凸部50の幅dは小さいほど望ましいが、スポット溶接、レーザー溶接およびアーク溶接等の溶接しろを十分に確保するという観点からは、凸部50の幅dは10mm以上であることが望ましい。
<第2の実施形態>
図5に示すように、第2の実施形態のバンパービーム1は、衝突側壁部11と第1の側壁部13との間に斜壁部19を有し、衝突側壁部11と第2の側壁部14との間に斜壁部20を有している。本明細書における斜壁部19とは、閉断面構造材の部材長手方向を法線とする断面において、衝突側壁部11および第1の側壁部13の各々に対して平行でない平面を有する壁部である。同様に、本明細書における斜壁部20とは、閉断面構造材の部材長手方向を法線とする断面において、衝突側壁部11および第2の側壁部14の各々に対して平行でない平面を有する壁部である。第2の実施形態における、バンパービーム1の斜壁部19、20は、レインフォースメント40の天面40cと側面40a、40bとの間に設けられた斜面40f、40gに相当する。第2の実施形態のように斜壁部19、20の一例として斜面40f、40gが設けられていることで、後述の実施例で示すように、衝突時における吸収エネルギーを増大させることができる。
第2の実施形態のバンパービーム1においては、斜壁部19、20の高さe1や幅e2、すなわちレインフォースメント40の斜面40f、40gの高さe1や幅e2を変えることで、ハット状部材30の側面30c、30dの変形モードを制御することができる。なお、本明細書における斜壁部19(20)の高さe1とは、衝突側壁部11から、斜壁部19(20)と側壁部13(14)の境界位置までのX方向長さである。また、本明細書における斜壁部19(20)の幅e2とは、側壁部13(14)から、斜壁部19(20)と衝突側壁部11の境界位置までのZ方向長さである。
例えば斜面40f、40gの高さe1が0の場合(すなわち斜壁部19、20が設けられていない場合)は、ハット状部材30の側面30c、30dは内側へ倒れこむ変形モードとなる。これは、レインフォースメント40の側面40a、40bが、ハット状部材30の側面30c、30dに対してZ方向にオフセットされていることにより、レインフォースメント40の側面40a、40bへ入力された荷重が、ハット状部材30の側面30c、30dを内側に倒れこませるモーメントを発生させるためである。一方で、斜面40f、40gの高さe1を大きくしていくと、ハット状部材30の側面30c、30dが外側に倒れこむモードが発現する。これは、斜面40f、40gに入力される荷重がハット状部材30の側面30c、30dを外側に倒れこませるモーメントを発生させ、斜面40f、40gの高さe1が大きいほどそのモーメントが大きくなるためである。
このように斜面40f、40gの高さe1を変えることで、ハット状部材30の側面30c、30dをより倒れにくい変形モードにすることができる。後述の実施例に基づくと、荷重効率と吸収エネルギー効率を高いレベルで両立させるという観点においては、斜面40f、40gの高さe1と、中空部材10のX方向長さaとの比(e1/a)は、0.05〜0.20であることが望ましい。e1/aのさらに望ましい下限は0.08である。e1/aのさらに望ましい上限は0.17である。また、斜面40f、40gの高さe1と幅e2の比(e1/e2)は、0.6〜1.5であることが好ましく、0.9〜1.1であることがより好ましい。
<第3の実施形態>
図6に示すように、第3の実施形態のバンパービーム1は、第1の内側壁部15と第3の内側壁部17との間に形成された斜壁部である内側斜壁部21を有し、第2の内側壁部16と第4の内側壁部18との間に形成された斜壁部である内側斜壁部22を有している。本明細書における内側斜壁部21とは、閉断面構造材の部材長手方向を法線とする断面において、第1の内側壁部15と第3の内側壁部17の各々に対して平行でない平面を有する壁部である。同様に、本明細書における内側斜壁部22とは、閉断面構造材の部材長手方向を法線とする断面において、第2の内側壁部16と第4の内側壁部18の各々に対して平行でない平面を有する壁部である。第3の実施形態において、内側斜壁部21、22は、ハット状部材30の天面30eと凸部50の側面50a、50bとの間に設けられた斜面50h、50iに相当する。なお、本明細書における内側斜壁部21(22)の高さf1とは、内側壁部15(16)から、内側斜壁部21(22)と内側壁部17(18)の境界位置までのX方向長さである。また、本明細書における内側斜壁部21(22)の幅f2とは、内側壁部17(18)から、内側斜壁部21(22)と内側壁部15(16)の境界位置までのZ方向長さである。
第3の実施形態のバンパービーム1においては、斜面50h、50iの高さf1や幅f2を変えることで、ハット状部材30の側面30c、30dの変形モードを制御することができる。例えば斜面50h、50iの高さf1が0の場合(すなわち内側斜壁部21、22が設けられていない場合)は、ハット状部材30の側面30c、30dは内側へ倒れこむ変形モードとなる。これは、凸部50の側面50a、50bが、ハット状部材30の側面30c、30dに対してZ方向にオフセットされていることにより、凸部50の側面50a、50bへ入力された荷重が、ハット状部材30の側面30c、30dを内側に倒れこませるモーメントを発生させるためである。一方で、斜面50h、50iの高さf1を大きくしていくと、ハット状部材30の側面30c、30dが外側に倒れこむモードが発現する。これは、斜面50h、50iに入力される荷重がハット状部材30の側面30c、30dを外側に倒れこませるモーメントを発生させ、斜面50h、50iの高さf1が大きいほどそのモーメントが大きくなるためである。
このように斜面50h、50iの高さf1を変えることで、ハット状部材30の側面30c、30dをより倒れにくい変形モードにすることができる。後述の実施例に基づくと、荷重効率と吸収エネルギー効率を高いレベルで両立させるという観点においては、斜面50h、50iの高さf1と、中空部材10のX方向長さaとの比(f1/a)は、0.05〜0.20であることが望ましい。f1/aのさらに望ましい下限は0.08である。f1/aのさらに望ましい上限は0.17である。また、荷重効率と吸収エネルギー効率を高いレベルで両立させるという観点においては、高さf1は、凸部50の高さb未満であることが望ましい。また、斜面50h、50iの高さf1と幅f2の比(f1/f2)は、0.6〜1.5であることが好ましく、0.9〜1.1であることがより好ましい。
<第4の実施形態>
図7に示すように、第4の実施形態のバンパービーム1は、図5に示す第2の実施形態のバンパービーム1と、図6に示す第3の実施形態のバンパービーム1を組み合わせた構造であり、レインフォースメント40に斜面40f、40gが形成されていると共に、凸部50に斜面50h、50iが形成されている。換言すると、第4の実施形態のバンパービーム1は、衝突側壁部11と第1の側壁部13の間に斜壁部19を有し、衝突側壁部11と第2の側壁部14との間に斜壁部20を有し、第1の内側壁部15と第3の内側壁部17との間に内側斜壁部21を有し、第2の内側壁部16と第4の内側壁部18との間に内側斜壁部22を有した構造である。このような構造のバンパービーム1においては、衝突時における吸収エネルギーをさらに増大させることができる。
以上、本発明の一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。
例えば、図8に示すように、凸部50は複数設けられていてもよく、この場合には衝突時における吸収エネルギーをさらに増大させることができる。図8に示す例では、凸部50が2つ設けられており、この場合には中空部材10が四つの閉断面で構成される。すなわち、中空部材10は凸部50の数に応じて三つ以上の閉断面で構成される。なお、図8に示す例においては、反衝突側壁部12と、第1の側壁部13の一部と、第1の内側壁部15と、第3の内側壁部17と、衝突側壁部11の一部と、第4の内側壁部18と、第2の内側壁部16と、第2の側壁部14とで囲まれた領域に閉断面が二つ形成されている。衝突時における吸収エネルギーの向上と、軽量化を高いレベルで両立させる観点においては、凸部50は一つだけ形成されていることが望ましい。すなわち、反衝突側壁部12と、第1の側壁部13の一部と、第1の内側壁部15と、第3の内側壁部17と、衝突側壁部11の一部と、第4の内側壁部18と、第2の内側壁部16と、第2の側壁部14とで囲まれた領域に閉断面空間が一つ形成されていることが望ましい。
また、レインフォースメント40は、図9のようにハット状部材30の長手方向の全長にわたって設けられていてもよいし、バンパービーム1の形状や取付位置等から衝突荷重の入力部をある程度特定することができれば、図10のように衝突荷重の入力部とその周辺に部分的に設けられているだけでもよい。このようにレインフォースメント40が部分的に設けられている場合には、衝突時における吸収エネルギーを十分に増大させることができると共に、軽量化も図ることができる。
また、上記実施形態では、バンパービーム1がクロージングプレート25と、ハット状部材30とレインフォースメント40の3部品で構成されていたが、本発明に係る閉断面構造材は上記実施形態で説明したものに限定されない。例えば閉断面構造材は図11〜図15に示すような部材であってもよい。図11〜図15に示す閉断面構造材は、例えば押し出し成形によって一体成形されていてもよいし、複数の部材が溶接等により互いに接合されることで構成されていてもよい。
このような閉断面構造材においても、上記実施形態で説明したように、中空部材10が、衝突側壁部11と、衝突側壁部11に対向する反衝突側壁部12と、衝突側壁部11の端部と反衝突側壁部12の端部とに繋がる一対の第1の側壁部13および第2の側壁部14を備えている。また、中空部材10は、第1の側壁部13から中空部材10の内側に延びる第1の内側壁部15と、第2の側壁部14から中空部材10の内側に延びる第2の内側壁部16と、第1の内側壁部15と衝突側壁部11とに繋がる第3の内側壁部17と、第2の内側壁部16と衝突側壁部11とに繋がる第4の内側壁部18と、を有している。
図11に示す例において、第1の内側壁部15は、衝突側壁部11に対して平行であり、第2の内側壁部16は、衝突側壁部11に対して平行であり、第1の内側壁部15と第2の内側壁部16のX方向上の位置は互いに同一となっている。また、図11に示す例において、第3の内側壁部17は、衝突側壁部11に対して垂直であり、第4の内側壁部18は、衝突側壁部11に対して垂直である。また、図11に示す例においては、反衝突側壁部12と、第1の側壁部13の一部と、第1の内側壁部15と、第3の内側壁部17と、衝突側壁部11の一部と、第4の内側壁部18と、第2の内側壁部16と、第2の側壁部14とで囲まれた領域に一つの閉断面Aが形成されている。また、中空部材10に閉断面Aが形成されていることにより、中空部材10には、第1の側壁部13と、衝突側壁部11と、第3の内側壁部17と、第1の内側壁部15で囲まれた閉断面Bが形成されている。同様に、中空部材10には、第2の側壁部14と、衝突側壁部11と、第4の内側壁部18と、第2の内側壁部16で囲まれた閉断面Cが形成されている。
図11に示す例における閉断面構造材の場合、衝突時に衝突側壁部11に荷重が入力された際に、衝突側壁部11と、衝突側壁部11と第1の側壁部13との間の稜線部10aと、衝突側壁部11と第2の側壁部14との間の稜線部10bと、に圧縮応力が作用する。このとき、第1の内側壁部15が第1の側壁部13に繋がり、第3の内側壁部17が衝突側壁部11に繋がった状態にあるため、第1の側壁部13の一部13b(第1の内側壁部15よりも衝突側に位置している部分)には、外側に倒れこもうとするモーメントが作用する。同様に、第2の内側壁部16が第2の側壁部14に繋がり、第4の内側壁部18が衝突側壁部11に繋がった状態にあるため、第2の側壁部14の一部14b(第2の内側壁部16よりも衝突側に位置している部分)には、外側に倒れこもうとするモーメントが作用する。一方で、第1の側壁部13の、第1の内側壁部15よりも反衝突側に位置する部分13aには、内側に倒れこもうとするモーメントが作用する。同様に、第2の側壁部14の、第2の内側壁部16よりも反衝突側に位置する部分14aには、内側に倒れこもうとするモーメントが作用する。
したがって、第1の側壁部13における部分13aと、部分13bには、互いに反対側に倒れこむモーメントが作用することになり、第1の側壁部13が倒れこみにくくなる。同様に、第2の側壁部14における部分14aと、部分14bには、互いに反対側に倒れこむモーメントが作用することにより、第2の側壁部14が倒れこみにくくなる。その結果、衝突時において、より長い時間、高い荷重を受けることができ、最大荷重および吸収エネルギーを増大させることができる。
反衝突側壁部12から衝突側壁部11までの長さaが一定という条件下では、第3の内側壁部17および第4の内側壁部18のそれぞれの高さbと、長さaとの比(b/a)は、0.15〜0.35であることが望ましい。それにより、衝突時における最大荷重および吸収エネルギーを効果的に増大させることができる。b/aのさらに望ましい下限は0.17である。b/aのさらに望ましい上限は0.33である。
図12に示す例においては、衝突側壁部11と第1の側壁部13との間に斜壁部19が形成され、衝突側壁部11と第2の側壁部14との間の斜壁部20が形成されている。この場合、図5に示す例と同様に、斜壁部19、20の高さe1と、反衝突側壁部12から衝突側壁部11までの長さaとの比(e1/a)は、0.05〜0.20であることが望ましい。e1/aのさらに望ましい下限は0.08である。e1/aのさらに望ましい上限は0.17である。また、斜壁部19、20の高さe1と幅e2の比(e1/e2)は、0.6〜1.5であることが好ましく、0.9〜1.1であることがより好ましい。
図13に示す例においては、第1の内側壁部15と第3の内側壁部17との間に内側斜壁部21が形成され、第2の内側壁部16と第4の内側壁部18との間に内側斜壁部22が形成されている。この場合、図6に示す例と同様に、内側斜壁部21、22の高さf1と、反衝突側壁部12から衝突側壁部11までの長さaとの比(f1/a)は、0.05〜0.20であることが望ましい。f1/aのさらに望ましい下限は0.08である。f1/aのさらに望ましい上限は0.17である。また、内側斜壁部21、22の高さf1と幅f2の比(f1/f2)は、0.6〜1.5であることが好ましく、0.9〜1.1であることがより好ましい。
また、閉断面構造材は、図12に示される斜壁部19および斜壁部20を有する構造と、図13に示される内側斜壁部21および内側斜壁部22を有する構造が組み合わされていてもよい。
図14に示す例においては、衝突側壁部11が、第1の側壁部13の衝突側端部と第2の側壁部14の衝突側端部とに繋がる第1の衝突側壁部11aと、第3の内側壁部17と第4の内側壁部18とに繋がる第2の衝突側壁部11bとを有している。第1の衝突側壁部11aと第2の衝突側壁部11bとは、例えば溶接されているか、一体成形されることにより互いに接合された状態となっている。このような第2の衝突側壁部11bが設けられていることにより、第1の衝突側壁部11aの曲げ剛性を高めることができ、衝突時における吸収エネルギーをさらに増大させることができる。なお、第2の衝突側壁部11bは、図3に示す例におけるハット状部材30の凸部天面50cに相当する。
図15に示す例においては、部材長手方向Yを法線とする断面で、反衝突側壁部12の一端部12aが第1の側壁部13から中空部材10の外方に突出し、他端部12bが第2の側壁部14から中空部材10の外方に突出している。
図14および図15に示す例においても、図12に示されるような斜壁部19、20が設けられていてもよいし、図13に示されるような内側斜壁部21、22が設けられていてもよい。また、各斜壁部19〜22が全て設けられていてもよい。
従来のバンパービーム、および本発明に係るバンパービームの解析モデルを作成して、ポール前面衝突を想定したバンパービームの耐荷重評価シミュレーションを実施した。
従来のバンパービームの解析モデルは、図4に示す構造100(比較例1)と、図16に示す構造200(比較例2)と、図17に示す構造300(比較例3)である。比較例1の解析モデルは、クロージングプレート25とハット状部材101からなる構造である。比較例2の解析モデルは、特許文献1の閉断面構造材を、生産性を考慮した構造に修正したものであり、ハット状部材201の天面201eの中央部に凹部が設けられ、その凹部内にレインフォースメント202が設けられた構造である。比較例3の解析モデルは、特許文献2の閉断面構造材を、生産性を考慮した構造に修正したものであり、ハット状部材301の一対の側面301c、301dの幅が一部狭くなっており、その幅が狭くなった部分を覆うようにレインフォースメント302が設けられた構造である。
本発明に係るバンパービームの解析モデルは、図3に示す上記第1の実施形態に相当する構造(実施例1〜6)と、図5に示す上記第2の実施形態に相当する構造(実施例7〜9)と、図6に示す上記第3の実施形態に相当する構造(実施例10〜12)と、図7に示す第4の実施形態に相当する構造(実施例13〜15)である。実施例1〜16の解析モデルにおいては、中空部材のX方向長さaは60mm、幅cは60mmで共通しており、後記の表1に示すように前述の比であるb/aは1/2以下、かつd/cは5/6以下の範囲内にある。また、斜壁部が設けられている解析モデルにおいては、(斜壁部の高さe1)/a、(斜壁部の高さf1)/aはともに1/4以下である。各バンパービームの部材長手方向の長さは1000mmとした。
耐荷重評価シミュレーションは、図18のようにバンパービーム1の両端部から車幅方向Yの中央に向かって100mm内側の位置に直径30mmの支持用ポール60を配置する。さらに車幅方向Yの中央に直径254mmのポール61を配置し、車長方向Xと平行に200mm移動させる。その際のポールの押込み量(ストローク量)と入力荷重を記録し、最大荷重、すなわち耐力および吸収エネルギーを計測した。なお、吸収エネルギーはポールの押し込み量が0〜100mmの間にバンパービームが吸収したエネルギーとする。
表1に、比較例1〜3および実施例1〜16における部品の材料強度、板厚、各寸法パラメータ(b/a、d/c、e1/a、e2/a、f1/a、f2/a)、およびシミュレーションにおけるバンパービームの最大荷重を質量で除した荷重効率、吸収エネルギーを質量で除した吸収エネルギー効率を示す。なお、バンパービームを構成する各部品の板厚、および強度は全て等しい。
Figure 0006973646
図19に比較例1と実施例1の荷重‐ストローク線図を示す。両条件ともに初期荷重が立ち上がり、最大荷重に到達した後、荷重が低下して推移する。比較例1は初期荷重が立ち上がるときに、ハット状部材の天面(衝突面)が内側にたわみ、一対の側面が外側にたわみ始める。その後、最大荷重到達後に車高方向に座屈し始め、ハット状部材の一対の側面が外側に倒れこみ始める。一方で、実施例1は初期荷重が立ち上げるときはレインフォースメントのみが変形し、最大荷重到達後に車高方向に座屈し始め、ハット状部材の一対の側面が内側に倒れこみ始める。また図19は比較例1より実施例1の方が最大荷重および吸収エネルギーが高いことを示す。これらの結果より、本発明に係るバンパービームは、従来のバンパービームに比べ高耐力および高吸収エネルギー性能を有することが示された。
次に、本発明に係るバンパービームの断面寸法が衝突性能に及ぼす影響を調査した。最初に、実施例1〜3を比較することで、凸部の高さbの望ましい寸法を調査した。b/aが0.17(実施例2)の場合、荷重効率が一番よく、b/aが0.33(実施例1)の場合、吸収エネルギー効率が一番高い。これらの結果より、b/aは0.15〜0.35であることが望ましいことが示された。
次に、実施例1、4〜6を比較することで、凸部の幅dの望ましい寸法を調査した。d/cが小さければ小さいほど荷重効率および吸収エネルギー効率が上がることが示された。本シミュレーションにおいては、荷重効率と吸収エネルギー効率を高いレベルで両立させるという観点で、d/cが0.20以下であることが望ましいという結果を得たが、レインフォースメントの幅cが変わることにより望ましいd/cは変わる。
次に、実施例1、7〜9を比較することにより、レインフォースメントの斜壁部の有無の効果を確認した。表1より実施例1、7〜9を比較すると、実施例7〜9の方が、吸収エネルギー効率が高いことが示される。これらの結果より、レインフォースメントに斜壁部が設けられていることにより衝突性能が向上することが示された。さらに、e1/aが0.08(実施例7)の場合、荷重効率が一番よく、e1/aが0.17(実施例8)の場合、吸収エネルギー効率が一番高い。これらの結果より、荷重効率と吸収エネルギー効率を高いレベルで両立させるという観点においては、e1/aは0.05〜0.20であることが望ましいことが示された。
次に、実施例1、10〜12を比較することにより、凸部の一対の側面と、ハット状部材の天面との間における斜壁部の有無の効果を確認した。表1より実施例1、10〜12を比較すると、斜壁部の高さによっては荷重効率および吸収エネルギー効率が高い断面寸法が存在することが示された。さらに、f1/aが0.08(実施例10)〜0.17(実施例11)の場合、荷重効率と吸収エネルギー効率の向上の効果が認められる。これらの結果より、荷重効率と吸収エネルギー効率を高いレベルで両立させるという観点においては、f1/aが0.05〜0.20であることが望ましいことが示された。
次に、実施例1、13〜15を比較することにより、レインフォースメントの斜壁部と、凸部の一対の側面とハット状部材の天面との間の斜壁部との相乗効果を確認した。e1/aを0.08と固定し、f1/aが及ぼす影響を確認した。吸収エネルギー効率はどの条件でも実施例1を上回り、f1/aが0.17(実施例14)の時、最大値を示した。これらの結果によれば、図7のようにレインフォースメントの斜壁部、および凸部の一対の側面とハット状部材の天面との間の斜壁部によって相乗効果が生じ、衝突性能がさらに向上することが示された。
なお、実施例16の解析モデルは、レインフォースメントの斜壁部の高さe1と幅e2が異なる構造のモデルであり、高さe1よりも幅e2の方が長くなっている。表1に示されるように、実施例16においても比較例1に対しては荷重効率と吸収エネルギー効率が向上している。
図20に比較例2、3と実施例14の荷重‐ストローク線図を示す。図20は比較例2、3に比べ実施例14の方が最大荷重および吸収エネルギーが高いことを示す。これらの結果より、本発明に係るバンパービームは、特許文献1および特許文献2のバンパービームに比べ高耐力および高吸収エネルギー性能を有することが示された。
本発明は、自動車等の車両に取り付けられるフロントバンパービーム、リアバンパービーム、サイドシルなどの曲げ変形を受ける閉断面構造材として利用することができる。
1 バンパービーム
2 インナー部材
3 アウター部材
10 中空部材
11 衝突側壁部
11a 第1の衝突側壁部
11b 第2の衝突側壁部
12 反衝突側壁部
13 第1の側壁部
14 第2の側壁部
15 第1の内側壁部
16 第2の内側壁部
17 第3の内側壁部
18 第4の内側壁部
19 斜壁部
20 斜壁部
21 内側斜壁部
22 内側斜壁部
25 クロージングプレート
30 ハット状部材
30a、30b ハット状部材のフランジ
30c、30d ハット状部材の側面
30e ハット状部材の天面
40 レインフォースメント
40a、40b レインフォースメントの側面
40c レインフォースメントの天面
40d、40e レインフォースメントの天面と側面との間の稜線部
40f、40g レインフォースメントの斜面
50 凸部
50a、50b 凸部の側面
50c 凸部の天面
50d、50e 凸部の天面と側面との間の稜線部
50f、50g 凸部の側面とハット状部材の天面との間の稜線部
50h、50i 凸部の側面とハット状部材の天面との間の斜面
60 支持用ポール
61 ポール
70 車体骨格
100 従来のバンパービーム
101 ハット状部材
101a、101b ハット状部材のフランジ
101c、101d ハット状部材の側面
101e ハット状部材の天面
101f、101g ハット状部材の天面と側面との間の稜線部
200 従来のバンパービーム
201 ハット状部材
201a、201b ハット状部材のフランジ
201c、201d ハット状部材の側面
201e ハット状部材の天面
202 レインフォースメント
300 従来のバンパービーム
301 ハット状部材
301a、301b ハット状部材のフランジ
301c、301d ハット状部材の側面
301e ハット状部材の天面
302 レインフォースメント
A〜C 閉断面
a アウター部材の高さ
b 凸部の高さ
c アウター部材の幅
d 凸部の幅
e1 斜面の高さ
e2 斜面の幅
f1 斜面の高さ
f2 斜面の幅

Claims (10)

  1. 閉断面構造材であって、
    部材長手方向を法線とする断面において、衝突側壁部と、反衝突側壁部と、第1の側壁部と、第2の側壁部と、第1の内側壁部と、第2の内側壁部と、第3の内側壁部および第4の内側壁部と、を有する中空部材を備え、
    前記衝突側壁部は、衝突側に位置する壁部であり、
    前記反衝突側壁部は、前記衝突側壁部に対向する、前記衝突側とは反対側の壁部であり、
    前記第1の側壁部と前記第2の側壁部は、前記衝突側壁部の端部と、前記反衝突側壁部の端部と、に繋がる一対の壁部であり、
    前記第1の内側壁部は、前記第1の側壁部から前記中空部材の内側に延びる壁部であり、
    前記第2の内側壁部は、前記第2の側壁部から前記中空部材の内側に延びる壁部であり、
    前記第3の内側壁部は、前記第1の内側壁部と前記衝突側壁部に繋がる壁部であり、
    前記第4の内側壁部は、前記第2の内側壁部と前記衝突側壁部に繋がる壁部であり、
    前記第3の内側壁部および前記第4の内側壁部のそれぞれの高さbと、前記反衝突側壁部から前記衝突側壁部までの長さaとの比b/aが0.15〜0.35である。
  2. 請求項1に記載の閉断面構造材であって、
    前記衝突側壁部は、第1の衝突側壁部と、第2の衝突側壁部と、を有し、
    前記第1の衝突側壁部は、前記第1の側壁部の衝突側端部と、前記第2の側壁部の衝突側端部と、に繋がり、
    前記第2の衝突側壁部は、前記第3の内側壁部の衝突側端部と、前記第4の内側壁部の衝突側端部と、に繋がり、
    前記第1の衝突側壁部と、前記第2の衝突側壁部と、が接合されている。
  3. 請求項1または2に記載の閉断面構造材であって、
    前記反衝突側壁部と、前記第1の側壁部の一部と、前記第1の内側壁部と、前記第3の内側壁部と、前記衝突側壁部の一部と、前記第4の内側壁部と、前記第2の内側壁部と、前記第2の側壁部の一部とに囲まれた領域に閉断面空間が一つ形成されている。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の閉断面構造材であって、
    前記衝突側壁部と前記第1の側壁部との間、および前記衝突側壁部と前記第2の側壁部との間にそれぞれ形成された斜壁部を有している。
  5. 請求項4に記載の閉断面構造材であって、
    前記斜壁部の高さe1と、前記反衝突側壁部から前記衝突側壁部までの長さaとの比が0.05〜0.20である。
  6. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の閉断面構造材であって、
    前記第1の内側壁部と前記第3の内側壁部との間、および前記第2の内側壁部と前記第4の内側壁部との間にそれぞれ形成された内側斜壁部を有している。
  7. 請求項6に記載の閉断面構造材であって、
    前記内側斜壁部の高さf1と、前記反衝突側壁部から前記衝突側壁部までの長さaとの比が0.05〜0.20である。
  8. 請求項1〜7のいずれか一項に記載の閉断面構造材であって、
    部材長手方向を法線とする断面において、前記反衝突側壁部の一端部は、前記第1の側壁部から前記中空部材の外方に突出し、該反衝突側壁部の他端部は、前記第2の側壁部から前記中空部材の外方に突出している。
  9. 請求項1〜8のいずれか一項に記載の閉断面構造材であって、
    クロージングプレートと、ハット状部材と、レインフォースメントと、を備え、
    前記クロージングプレートは、反衝突側に位置し、
    前記ハット状部材は、前記クロージングプレートに接合された二つのフランジと、前記フランジから衝突側に延びる一対の側面と、前記一対の側面に繋がる天面と、前記天面に設けられた、衝突側に突出する凸部と、を有し、
    前記レインフォースメントは、前記ハット状部材に接合された一対の側面と、該一対の側面に繋がる天面と、を有し、
    前記反衝突側壁部は、前記クロージングプレートと、前記ハット状部材の前記フランジと、で構成され、
    前記第1の側壁部および前記第2の側壁部は、前記ハット状部材の前記一対の側面と、前記レインフォースメントの前記一対の側面と、で構成され、
    前記衝突側壁部は、前記ハット状部材の前記凸部と、前記レインフォースメントの前記天面と、で構成されている。
  10. 自動車の車体骨格であって、
    請求項1〜9のいずれか一項に記載の閉断面構造材を備え、
    前記衝突側壁部は、前記反衝突側壁部に対して車外側に位置している。
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