JP5561691B2

JP5561691B2 - 衝撃吸収部材

Info

Publication number: JP5561691B2
Application number: JP2010043608A
Authority: JP
Inventors: 修近藤; 俊吾田中; 治郎平本; 卓角野; 義崇操上
Original assignee: JFE Steel Corp; Suzuki Motor Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; Suzuki Motor Corp
Priority date: 2010-02-27
Filing date: 2010-02-27
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2030-02-27
Also published as: JP2011179579A

Description

本発明は、自動車などに設置されて衝突時のエネルギーを吸収する衝撃吸収部材に関する。

自動車には衝突時のエネルギーを吸収する部材が搭載されており、その一つにクラッシュボックスがある。クラッシュボックスは、一般的には筒状に形成され、軸方向に衝撃荷重が付加されたときに、蛇腹状に変形して衝撃エネルギーを吸収する部材である。このようなクラッシュボックスに要求される性能としては、衝撃荷重が付加されたときに軸方向に安定して蛇腹状に変形すること及び、変形に伴うエネルギー吸収効率が高いことが挙げられる。
このクラッシュボックスに要求される性能を向上するために種々の提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。

断面四角形や六角形のクラッシュボックスでは、軸方向に伸びる稜線の数が少なく、一辺の長さが長くなるために衝撃吸収に際してエネルギー吸収効率が悪くなることから、特許文献１においては、クラッシュボックスの形状を断面八角形にすることが提案されている（特許文献１の請求項１参照）。
また、特許文献１においては、クラッシュボックスを安定して蛇腹状に変形させるために塑性変形の起点となる応力集中部（ビード形状部）を設けている（特許文献１の請求項３参照）。応力集中部（ビード形状部）はクラッシュボックスの内側に凸となるものが、軸方向で互い違いになるように設けられている（特許文献１の図２参照）。
特許文献１では、上記のようなビード形状部を設けることで、凸側への変形を誘発し、安定した蛇腹変形を行わせている。なお、特許文献１の図２では、ビード形状部を軸方向で２段設ける例が示され、同文献の図９では７段設ける例が示されている。

特開２００６−１２３８８７号公報

しかしながら、特許文献１のクラッシュボックスであっても、安定して蛇腹状に変形すること及び、変形に伴うエネルギー吸収効率が高いこと、というクラッシュボックスに要求される性能に関して十分なものであるとは言えない。
特許文献１に示されたように、断面形状を八角形としたとしても、クラッシュボックスが設置されるフロントサイドメンバの端部の形状との関係で、正八角形ではなく長八角形（対向する一対の辺部が長いもの）となる場合が多い。その場合には、長い辺部が残存することになり、軸力の低下やエネルギー吸収効率が低下するという問題がある。

また、先行文献１においては、クラッシュボックスに設けるビード形状部は、同一断面では全てのビード形状部が内側に凸となっており、同一断面で同一方向に変形を誘発するようにしている。
しかし、同一断面で同一方向への変形ではエネルギー吸収効率に限界があり、必ずしも十分なエネルギー吸収を行うことができないという問題がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、安定した蛇腹変形ができエネルギー吸収効率が高められた衝撃吸収部材を得ることを目的とするものである。

（１）本発明に係る衝撃吸収部材は、軸圧縮荷重を受けたときに蛇腹状に塑性変形することによって衝撃エネルギーを吸収する筒状の衝撃吸収部材であって、
軸方向に直交する断面形状が４個以上の頂点を有する閉断面であって、
前記頂点を直線で結ぶ輪郭線によって得られる多角形の対向する少なくとも一対の辺部に対応する部位が、前記辺部の両端頂点を基点として筒体の内方にＶ字状に凹み、かつＶ字の角度が105°以上、150°以下の溝形状になっており、
各面には蛇腹状塑性変形の起点となるビード形状部が少なくとも１段形成され、同一断面の隣接する辺に形成されたビード形状部の凹凸の向きが反対方向になるように前記ビード形状部が設けられていることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記多角形が八角形であることを特徴とするものである。

（３）また、上記（２）に記載のものにおいて、前記八角形は対向する一対の辺が他の辺よりも長い長辺を有する長八角形であり、前記溝形状は少なくとも前記長辺部の部位に設けられていることを特徴とするものである。

（４）また、上記（２）に記載のものにおいて、前記溝形状は前記八角形の一つ飛ばしの辺に設けられていることを特徴とするものである。

本発明においては、軸方向に直交する断面形状が４個以上の頂点を有する閉断面であって、各面には蛇腹状塑性変形の基点となるビード形状部が少なくとも１段形成され、同一断面の隣接する辺に形成されたビード形状部の凹凸の向きが反対方向になるように前記ビード形状部が設けられているので、各面が変形する際に変形の向きが稜線で反転し、内外反対方向に変形するので、変形に伴って吸収されるエネルギーが増し、エネルギー吸収効率が高くなる。

本発明の実施の形態１に係る衝撃吸収部材の斜視図である。本発明の実施の形態１に係る衝撃吸収部材の説明図であり、筒状の衝撃吸収部材におけるビード形状部が形成された部位の軸方向直交断面を示している。実施の形態１の効果を確認するために行なった実験結果を示すグラフである。本発明の実施の形態２に係る衝撃吸収部材の説明図であり、筒状の衝撃吸収部材におけるビード形状部が形成された部位の軸方向直交断面を示している。本発明の実施の形態２に係る衝撃吸収部材の効果を確認するための実験に用いた衝撃吸収部材の断面形状の説明図である。図５に示した衝撃吸収部材に対する実験結果を示すグラフである。図５に示した衝撃吸収部材に対する実験結果を示すグラフであり、図５（ａ）に示した部材の板厚を変更した場合である。図５に示した衝撃吸収部材に対する実験結果を示すグラフであり、図５（ａ）に示した部材の稜線の成す角度を変更した場合である。本発明の実施の形態２に係る衝撃吸収部材の他の態様の説明図である。参考例を示す図である。図１０に示した参考例に対する実験結果のグラフである。

［実施の形態１］
本発明の実施の形態１を図１、図２に基づいて説明する。
本実施の形態に係る衝撃吸収部材１は、軸圧縮荷重を受けたときに蛇腹状に塑性変形することによって衝撃エネルギーを吸収する筒状の衝撃吸収部材１であって、軸方向に直交する断面形状がＡ〜Ｈの８個の頂点を有する閉断面であって、各面には蛇腹状塑性変形の起点となるビード形状部３が１段形成されている。
以下、より詳細に説明する。

＜衝撃吸収部材の全体形状＞
衝撃吸収部材１は筒状の部材であって、軸方向に直交する断面形状がＡ〜Ｈの８個の頂点を有する閉断面になっている。図２では、ビード形状部３が形成された部位の断面を示しているが、ビード形状部３が形成されていない部位の断面は八角形になっている。
なお、本実施の形態においては、頂点の数が８個の場合を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、頂点の数が４個以上であればよい。

＜ビード形状部＞
ビード形状部３は、衝撃吸収部材１が衝撃力を受けたときに蛇腹状塑性変形の起点となる部位である。ビード形状部３は、例えばプレス成形において金型によって凹凸になるように成形される。ビード形状部３は、図２に示すように、同一の軸直交断面においては、隣接する面で凹凸の向きが反対になるように形成されている。
図１、図２においては、外向きに凸のビード形状部３を示す符号には添字oを付けて示し（「外凸ビード形状部３o」という場合あり）、内向きに凸のビード形状部を示す符号には添字iを付けて示してある（「内凸ビード形状部３i」という場合あり）。
ビード形状部３は、図１に示すように、軸圧縮荷重が入力される側の端部近傍に１段設けている。本例のように、ビード形状部３を軸方向で１段のみ設けた場合であっても、軸方向での蛇腹変形は安定して行われるが、衝撃吸収部材の全体形状や稜線の成す角度等の条件によっては、ビード形状部３を軸方向で複数段にしてもよく、そのようにした方が安定的に蛇腹変形する場合もある。

蛇腹変形する際、材料はビード形状の凸方向に移動するので（図２中の矢印参照）、変形の向きが稜線（断面では頂点）で反転し、内外反対方向に変形することになる。その結果、変形に伴って吸収されるエネルギーが増し、エネルギー効率が高くなる。

なお、本例では、ビード形状部３としてプレス加工によって凹凸面を形成する例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、蛇腹状塑性変形の方向を規定できるものであればよい。

上記のように形成された衝撃吸収部材１は、軸圧縮荷重を受けると軸方向で内外方向に材料が移動して蛇腹状になる。また、これと共に、軸直交方向断面では、各稜線で変形の向きが内外反転し、隣接する面が内外反対方向に変形する。このため、変形に伴って吸収されるエネルギーが増し、エネルギー効率が高くなる。

図３は本実施の形態の効果を確認するために行なった実験結果をグラフで示したものであり、縦軸が断面力（kN）を本例の基準断面力Ｆ（kN）で除した値（基準断面力で正規化した断面力）、横軸が圧壊距離（mm）を示している。
発明例はビード形状部３が隣接する面で内外反対方向に凹凸するものであり（図１、図２参照）、比較例は全ての面に内方向に凸のビード形状部を設けたものである。なお、ビード形状部３は発明例、比較例共に軸圧縮荷重の入力側端部側に１段のみ設けている。

発明例では、断面力は基準断面力Ｆ以下で（第２ピーク以降）、極大と極小の差ΔFが小さく吸収エネルギーが大きくなっている。吸収エネルギーは、9.16kJであった。
これに対して、比較例では断面力が基準断面力Ｆを超えており（断面力／基準断面力＞1.0）、このままでは使用できない。基準断面力を無視したとしても、吸収できるエネルギーは8.96kJであり、発明例に及ばない。なお、比較例の断面力が基準断面力Ｆ以下になるように板厚を薄くした場合には、吸収できるエネルギーが6.91kJとなり、発明例よりも大幅に小さくなった。

以上のように、本発明によれば、蛇腹変形時に生ずる断面力の極大値と極小値の差が小さくなることにより、換言すればＦＳ線図における断面力の平坦化がなされることにより、断面力を小さく抑えつつエネルギー吸収効率を高くすることができる。
エネルギー吸収効率の良い衝撃吸収部材を用いることで、クラッシュ領域の減少や、自動車構造部材であるフロントサイドメンバの強度を押さえることができ、車の軽量化に効果をもたらす。

［実施の形態２］
本発明の実施の形態２を図４に基づいて説明する。図４は、図２と同様に、筒状の衝撃吸収部材におけるビード形状部が形成された部位における軸方向直交断面を示している。
本実施の形態に係る衝撃吸収部材１１は、頂点Ａ〜Ｈを直線で結ぶ輪郭線によって得られる多角形ＡＢＣＤＥＦＧＨの対向する辺部ＡＢとＥＦ、及びＣＤとＧＨの部位をＶ字状に凹む溝形状にしたものである。
より具体的には、辺部ＡＢの部位では、頂点Ａ，Ｂを基点として内方にＶ字状に凹む溝状部ＡＩＢが形成され、同様に辺部ＣＤの部位では溝状部ＣＪＤが形成され、辺部ＥＦの部位では溝状部ＥＫＦが形成され、辺部ＨＧの部位では溝状部ＧＫＨが形成されている。

同一断面の各辺には、外凸ビード形状部３oと内凸ビード形状部３iが交互に形成され、図４に示すように、同一の軸直交断面においては、隣接する辺で凹凸の向きが反対になるようになっている。
なお、溝状部の角度は９０°以上１５０°以下に設定されている。１５０°以下にしたのは、１５０°を超えると、溝状部を構成する隣接面が衝撃力を受けて変形する際にＶ字の稜線で反転せず反対方向に変形しなくなってしまうためである。

上記のように、本実施の形態においては、隣接する各面に凹凸の向きが反対になるようにビード形状部３を設けると共に、頂点Ａ〜Ｈを直線で結ぶ輪郭線によって得られる多角形ＡＢＣＤＥＦＧＨの対向する辺部ＡＢとＥＦ、及びＣＤとＧＨの部位をＶ字状に凹む溝形状にしている。

辺部ＡＢとＥＦ、及びＣＤとＧＨの部位を溝形状にしたのは、断面力を高めるためである。この点を確認するための実験を行ったので、以下説明する。
図５は実験に用いた衝撃吸収部材の断面形状の説明図であり、図５（ａ）がＶ字状に凹む溝形状を設けたもの（以下、「稜線増形状」という）であり、図５（ｂ）は溝形状を設けていない八角形のものである。
稜線増形状のもの及び八角形のものも共に軸方向に半割りのものを形成して両者の端部を一部重ね合わせて溶接接合して形成されている。
なお、各部の寸法は以下の通りである。
ａ=90.9mm、b=104.3mm、c=42.6mm、d=30.6mm、e=23.1mm、R=5mm、α=135°

ビード形状部については、稜線増形状のもの及び八角形のもの共に隣接する面で凹凸の向きが反対方向になるように設けている。また、板厚は両者共に1.4mmに設定している。

図６は実験結果を示すグラフであり、縦軸が断面力（kN）を本例の基準断面力Ｆ（kN）で除した値（基準断面力で正規化した断面力）、横軸が圧壊距離（mm）を示している。
図６に示すように、稜線増形状の方が断面力が増加していることが分かる。また、所定の変形量（Ｓmm）圧壊時、すなわち圧壊距離Ｓmm時の吸収エネルギーは、稜線増形状が10.16kJで八角形が7.59kJであった。

なお、図６に示すように、稜線増形状は最大断面力が基準断面力Ｆを超えているので、最大断面力が基準断面力Ｆを超えないようにするため、板厚を1.2mmに変更して同様の実験を行った。
図７はこの実験結果を示すグラフである。なお、図７において破線で示す曲線は図６で示した八角形のものである。
図７に示すように、板厚を1.2mmにすることで、最大断面力が基準断面力Ｆ以内になっている。そして、圧壊距離Ｓmm時の吸収エネルギーは7.73kJであった。このように、溝形状を付加して稜線を増すことにより、同じ吸収エネルギー量であっても板厚を薄くできることが分かる。
なお、単位重量当りの吸収エネルギーは、稜線増形状が14.37(kJ/kg)で、八角形が12.9(kJ/kg)であった。

Ｖ字状に凹む溝形状の角度αと吸収エネルギーとの関係を調査する実験を行った。その結果を図８に示す。図８においては、縦軸がＳmm圧壊時の吸収エネルギーを示し、横軸がαの角度を示している。
図８に示すように、α=90°から角度を大きくするに従って吸収エネルギーが大きくなり、135°で最大になっている。そして、135°を超えると徐々に吸収エネルギーが小さくなる傾向があることが分かる。α=90°から135°までは吸収エネルギーが増しているのは、角度が大きくなるにしたがって、各面での内外への変形が軸方向でも安定してなされたことによる。そして、α=135°で各面の内外への変形が最も安定しており、吸収エネルギー量も最大となっている。αが135°を超えると各面の内外への変形が不安定化して、αが150°を超えると不安定化が大きくなり、吸収エネルギー量も小さくなった。以上の結果から、αは150°以下が望ましい。
なお、α≧90°としているのは、αが90°を超えると加工が難しくなるためである。
図８のグラフから、αは180°よりも小さく、90°以上であることが好ましい。また、より好ましくは、105°≦α≦150°である。

以上のように、本実施の形態においては、隣接する各面に凹凸の向きが反対になるようにビード形状部３を設け（構成１）、頂点Ａ〜Ｈを直線で結ぶ輪郭線によって得られる多角形ＡＢＣＤＥＦＧＨの対向する辺部ＡＢとＥＦ、及びＣＤとＧＨの部位をＶ字状に凹む溝形状にした（構成２）ことにより、構成１と構成２の相乗効果として、板厚を薄くできると共にエネルギー吸収効率を向上させることができる。

なお、上記の実施の形態２においては、頂点Ａ〜Ｈを直線で結ぶ輪郭線によって得られる多角形ＡＢＣＤＥＦＧＨの一つ飛ばしの面に溝形状を設けていたが、図９に示すように頂点を直線で結ぶ輪郭線によって得られる多角形が、対向する一対の辺の長さが他の辺よりも長い長辺ＢＣ、ＦＧを有する長八角形のような場合には、少なくとも長辺ＢＣ、ＦＧに対応する部位にはＶ字状に凹む溝形状を形成するようにするのが好ましい。

上記の実施の形態１、２においては、隣接する面に設けるビード形状部３の凹凸の向きを逆にすることを前提に説明した。しかしながら、図１０に示すように、実施の形態１、２のような凹凸ビードを設けなくても、Ｖ字状に凹む溝形状を設けることのみによっても断面力が大きくなり、エネルギー吸収効果が増すと考えられる。そこで、Ｖ字状に凹む角度αとエネルギー吸収効果との関係について実験を行ったところ、図１１の結果が得られた。図１１の結果から、図１０に示すようなＶ字状に凹む溝形状を設けた場合には、角度αが小さくなるに従って吸収エネルギーが増加する傾向にあることが確認された。

１衝撃吸収部材
３ビード形状部
３o 外凸ビード形状部
３i 内凸ビード形状部

Claims

軸圧縮荷重を受けたときに蛇腹状に塑性変形することによって衝撃エネルギーを吸収する筒状の衝撃吸収部材であって、
軸方向に直交する断面形状が８個の頂点を有する閉断面であって、
前記頂点を直線で結ぶ輪郭線によって得られる８角形の一つ飛ばしの辺部に、該辺部の両端頂点を基点として筒体の内方にＶ字状に凹み、かつＶ字の角度が105°以上、150°以下の溝形状になっており、
各面には蛇腹状塑性変形の起点となるビード形状部が少なくとも１段形成され、同一断面の隣接する辺に形成されたビード形状部の凹凸の向きが反対方向になるように前記ビード形状部が設けられていることを特徴とする衝撃吸収部材。