エネルギー吸収部材及びエネルギー吸収構造体

【課題】断面内部に中リブを設けたエネルギー吸収部材において、中リブを効率的に配置することにより、従来技術に比べさらに衝突圧壊時の荷重変動が少なく、かつ、重量あたりのエネルギー吸収性に優れたエネルギー吸収部材を提供する。
【解決手段】押出方向に垂直な断面において外形が凸５角形又は凸６角形の閉断面形状をなすとともに、その内部に３本の中リブ２〜４を有し、各中リブは一方の端部が前記外形を構成する相異なる辺１ａ〜１ｃに連結され、他方の端部が互いに連結されている。各中リブの一方の端部は辺１ａ〜１ｃの中央に連結されることが望ましく、他方の端部は連結点５〜７を結ぶ三角形の重心で連結されていることが望ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両のバンパ補強材の背面側に設けられるバンパステイ、クラッシュボックス、サイドメンバなどのエネルギー吸収部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの車体の前端（フロント）及び後端（リア）に取り付けられているバンパの背面には、強度補強材としてのバンパ補強材（バンパリインフォースメントあるいはバンパアマチャアなどともいう）が設けられている。車両衝突時の乗員への衝撃を緩和及びバンパ補強材を支持する目的で、このバンパ補強材の背面側にはバンパステイ、クラッシュボックス、サイドメンバ（サイドフレームともいう）が設けられる。これらの部材は、中高速衝突時にバンパ補強材単体で衝突エネルギーを吸収しきれない場合、塑性変形することでエネルギーを吸収することが求められる。
【０００３】
近年、地球環境の問題から、自動車車両の軽量化が必要になってきており、これらのエネルギー吸収部材に対しても軽量化が求められている。つまり、エネルギー吸収部材の性能は、部品重量に対するエネルギー吸収量の大きさで評価されるようになってきた。
また、これらのエネルギー吸収部材は、その衝突背面側に位置する部品を変形させないように、最大荷重が規定され、その制限の中で、効率よくエネルギー吸収を行うことも求められる。つまり圧壊変形時の荷重変動が少なく、エネルギー吸収効率に優れることも要求される。
このようなエネルギー吸収部材には、従来から、軽量化のために、鋼製に代わるアルミニウム合金製品が提案されている。特に車体前後方向を押出方向とするアルミニウム合金押出形材は、衝突方向に直交する断面を予め閉断面構造にすることが可能であるため、溶接によるコスト増加、熱影響などによる強度低下もなく、軽量化効果が大きいことが知られている。
【０００４】
このような縦圧壊型のエネルギー吸収部材については、これまでに様々な断面形状のものが提案されている。
まず、エネルギー吸収効率を高めることを目的に提案されている構造について示す。荷重変動を抑制し、エネルギー吸収性能を向上させるためには、断面を構成する稜線を増やし、断面を構成する各辺の幅を短くすることが有効とされている。これは圧壊変形時に生じる座屈の波長が短くなり、荷重変動の周期が短くなることで、荷重変動の振幅を抑える効果があるためである。このため、断面の外寸を多角形にする形状案が、種々提案、実用化されている。例えば、一般的な４角形状断面に対して、５角形、６角形、８角形、さらにはそれ以上の多角形の断面形状を持つクラッシュボックスあるいはサイドメンバが提案、実用化されている（特許文献１〜３参照）。
さらに、断面を構成する直線を非直線にすることで、エネルギー吸収性能向上を図る例も報告されているが（特許文献４参照）、この場合には、他部品と接合するための平面が確保できないという問題が懸念される。
【０００５】
次に、エネルギー吸収量自体を大きくすることを目的とした構造案について示す。エネルギー吸収量を大きくするためには、受圧面積を大きくする必要があるため、断面を構成する肉厚を増加するか、形状制約が満足できる場合には、断面外寸を大きくすることが必要となる。なお、肉厚の増加は、圧壊変形時の座屈波長の増加につながり、荷重変動が激しくなるという問題がある。また、単純に断面の幅を広くし、外形を大きくした場合にも、座屈波長が長くなり、荷重変動が激しくなるという問題があった。これを防止するために、多角形断面のフレームを２つつなげた断面形状にすることで、稜線と辺数を増やし、辺の幅を短くすることでエネルギー吸収率を高める構造案が提案されている（特許文献５〜８参照）。
【０００６】
さらに、形状制約が厳しく、断面を大きくできない場合には、断面内部に中リブを設け、断面外寸を大きくせずに、辺数を増やし、エネルギー吸収量を高くすることも一般的に行われている。特に前記した多角形断面の場合には、頂点と断面中心を結ぶように中リブを設けることで、エネルギー吸収量を高めることが提案されている（特許文献９〜１１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−００６８４０号公報
【特許文献２】特開２００２−１７３０４８号公報
【特許文献３】特許３３８１４７７号公報
【特許文献４】特開２００６−２０７７２５号公報
【特許文献５】特開２００５−１６２０４９号公報
【特許文献６】特開２００６−２０７７２４号公報
【特許文献７】特開２００６−２０７７２６号公報
【特許文献８】特開２００７−１７００３号公報
【特許文献９】特開２００４−１８２０８８号公報
【特許文献１０】特開２００４−１０６６１２号公報
【特許文献１１】特開２００１−１２４１２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
中リブを設けたエネルギー吸収部材に関しこれまでに提案されている断面形状は、多角形状断面の頂点を結ぶように中リブを設けたものであり、中リブにより、断面外形を構成する各辺を強固に支持することで、各辺を独立的に座屈させ、圧壊時の荷重変動を抑えてエネルギー吸収を行うものである。このような中リブの追加は、当然部品重量増加につながるため、エネルギー吸収効率及び重量比でのエネルギー吸収量を高めることができるような中リブの配置が重要といえる。
【０００９】
本発明は、このように形状制約を満足するために断面内部に中リブを設けたエネルギー吸収部材において、中リブを効率的に配置することにより、従来技術に比べさらに衝突圧壊時の荷重変動が少なく、かつ、重量あたりのエネルギー吸収性に優れたエネルギー吸収部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、車両のバンパ補強材の背面側に設けられ、車両前後方向と押出方向が略平行となるアルミニウム合金押出形材製のエネルギー吸収部材において、押出方向に垂直な断面において外形が凸５角形又は凸６角形の閉断面形状をなすとともに、その内部に３本の中リブを有し、各中リブは一方の端部が前記外形を構成する相異なる辺に連結され、他方の端部が互いに連結されていることを特徴とする。なお、凸多角形とは、全ての内角が１８０°未満の多角形を意味する。
【００１１】
望ましい実施の形態として、前記外形が６角形であり、各中リブの一方の端部が前記外形を構成する互いに隣り合わない辺に連結されていること（請求項２）、各中リブの一方の端部が前記外形を構成する辺の中央部に連結されていること（請求項３）、各中リブの他方の端部が、前記一方の端部と前記外形を構成する辺の連結点を結ぶ３角形の重心において互いに連結されていること（請求項４）等が挙げられる。このエネルギー吸収部材は、自動車用バンパ補強材のステイ、クラッシュボックス、サイドメンバのいずれかとして用いるのに好適である。また、このエネルギー吸収部材をアルミニウム合金押出形材製バンパ補強材と組み合わせることで、さらに軽量化効果に優れたエネルギー吸収構造体を得ることができる。
なお、前記中リブは押出形材の製造時に同時に閉断面形状をなす外形と一体成形することが望ましいが、前記外形と中リブを別々に押出形材として製造した後、中リブを前記外形の内部に接合してもよい。その場合、前記中リブは前記外形の押出方向全長にわたり接合することもでき、あるいは外形より短い中リブを外形の押出方向の一部長さ範囲にのみ接合することもできる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、断面内部に中リブを設けたエネルギー吸収部材において、衝突圧壊時の荷重変動が少なく、かつ、重量あたりのエネルギー吸収性に優れたエネルギー吸収部材を得ることができる。
また、アルミ押出形材製バンパー補強材と組み合わせることにより、軽量、かつエネルギー吸収性能に優れたバンパシステムを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係るエネルギー吸収部材は、アルミニウム合金押出形材からなり、押出方向に対して垂直な断面をみると、断面外形が凸５角形又は凸６角形の閉断面形状をなすとともに、その内部に３本の中リブを有し、各中リブは一方の端部が前記外形を構成する相異なる辺に連結され、他方の端部が前記外形内の一点で互いに連結されている。
図１，２は本発明に係るアルミニウム合金押出形材の断面を例示するもので、図１は６角形断面の例、図２は５角形断面の例である。
【００１４】
図１（ａ）の断面は、正６角形の外形１の中に３本の中リブ２〜４が形成されたもので、中リブ２〜４の一方の端部が外形１を構成する互いに隣り合わない辺１ａ〜１ｃの中央に連結され、他方の端部が前記一方の端部と外形１を構成する辺１ａ〜１ｃとの連結点５〜７を結ぶ３角形の重心Ｇにおいて互いに連結されている。この断面が最も望ましい。
図１（ｂ）の断面は、正６角形の外形１の中に３本の中リブ２〜４が形成されたもので、中リブ２〜４の一方の端部が外形１を構成する互いに隣り合わない辺１ａ〜１ｃの中央に連結され、他方の端部が中リブ３，４の前記一方の端部と辺１ｂ，１ｃの連結点６，７を結ぶ線分の中心Ｃにおいて互いに連結されている。
【００１５】
図１（ｃ）の断面は、正６角形の外形１の中に３本の中リブ２〜４が形成されたもので、中リブ２〜４の一方の端部が外形１を構成する互いに隣り合わない辺１ａ〜１ｃの中心よりやや頂点に近い箇所に連結され、他方の端部が前記一方の端部と辺１ａ〜１ｃの連結点５〜７を結ぶ３角形の重心Ｇにおいて互いに連結されている。
図１（ｄ）の断面は、全ての内角が１２０°で、１組の対辺１ａ，１ｄが他の２組の対辺と異なる長さを有する外形１と、その中に形成された３本の中リブ２〜４からなり、中リブ２〜４の一方の端部が外形１を構成する互いに隣り合わない辺１ａ〜１ｃの中央に連結され、他方の端部が前記一方の端部と辺１ａ〜１ｃの連結点５〜７を結ぶ３角形の重心Ｇにおいて互いに連結されている。
【００１６】
図２（ａ）の断面は、正５角形の外形１１の中に３本の中リブ１２〜１４が形成されたもので、中リブ１２の一方の端部が辺１１ｃの中央に連結され、他の中リブ１３，１４の一方の端部が辺１１ｃに隣り合わない辺１１ｄ，１１ｅの中央にそれぞれ連結され、中リブ１２〜１４の他方の端部が前記一方の端部と辺１１ｃ〜１１ｅとの連結点１５〜１７を結ぶ３角形の重心Ｇにおいて互いに連結されている。両側の辺１１ａ，１１ｂには中リブ１２〜１４は連結されていない。
図２（ｂ）の断面は、互いに平行で同一長さの２辺１１ａ，１１ｂと，辺１１ａ，１１ｂの一端に垂直に連結する辺１１ｃと、辺１１ａ，１１ｂの他端に連結する同一長さの２辺１１ｄ，１１ｅ（辺１１ａ，１１ｂと同じ長さ）により構成される５角形の外形１１と、その中に形成された３本の中リブ１２〜１４からなり、中リブ１２〜１４の一方の端部が辺１１ｃと該辺１１ｃに隣り合わない辺１１ｄ，１１ｅの中央に連結され、他方の端部が前記一方の端部と辺１ｃ〜１ｅの連結点１５〜１７を結ぶ３角形の重心Ｇにおいて互いに連結されている。
図２（ｃ）の断面は、互いに平行で同一長さの辺１１ａ，１１ｂの一端に垂直に連結する辺１１ｃの長さが、該辺１１ａ，１１ｂと同じ長さである点のみで、図２（ａ）の断面と異なる。
【００１７】
押出方向に衝突荷重を受ける多角形断面のエネルギー吸収部材において、座屈強度は断面を構成する各辺の幅厚比（板幅／板厚）に依存し、幅厚比が大きくなると座屈強度も低下する。また、荷重変動は座屈の波長に依存し、これらは各辺の板幅に比例することが知られている。断面形状が６角形状までの場合、稜線部（断面の頂点）が断面を構成する各辺を拘束することで各辺は独立的に座屈し、前記板幅は、稜線間の距離と等しくなる。しかし、多角形断面の角数をこれ以上大きくすると、稜線部の各辺に対する支持効果が小さくなるため、各辺は独立的に座屈しにくくなり、稜線をまたいで構成される折れ曲がった板の座屈というべき変形が生じる。これにより、座屈強度は低下し、かつ、座屈波長が大きくなることによる荷重変動の増大が問題になる。このため、本発明ではアルミニウム合金押出形材の断面外形は６角形以下の多角形とした。そして、一般的な４角形断面(いわゆる田の字断面）に比べて角数が多く、辺の幅を短くすることができる５，６角形断面形状を対象にした。なお、５，６角形断面を比較すると、角数の多い６角形状断面がより好ましい。
【００１８】
本発明は、自動車用ステイ、クラッシュボックス、サイドメンバなどのエネルギー吸収部材を想定したもので、これらの衝突荷重は、必ずしも正面から入力されるだけではなく、車体左右方向に荷重方向がずれる場合を想定する必要がある。このような衝突の際にエネルギー吸収部材が倒れ変形しないように、断面外形は線対称（車体左右方向に対して対称形状になるように配置できる）であることが好ましい。先に説明した図１，２の例では、全てそのようになっている。また、中リブの連結の有無により各辺の座屈強度に差異が確実に生じるように、外形を構成する各辺の幅がほぼ等しいこと（正５角形、正６角形又はそれに近い形状）がより好ましい。
さらに、他の部品と接合する場合を想定すると、これらの接合が容易なように、断面外形の左右両側に車体上下方向に向く互いに平行な２辺が存在し、かつそのうち一方又は両方の辺に中リブが連結されていないことが望ましい。このような辺では、他部品接合に要する領域を確保するため辺幅を他の辺より大きくしてもよい。

【００１９】
本発明では、特許文献９〜１１に見られるように、中リブを多角形断面の頂点部に連結するのではなく、辺の中間部（隣接する２つの頂点の間）に連結している。先に述べたように、本発明では、断面外形を６角形又は５角形に規定していることで、中リブを頂点部に連結しなくても、稜線部が断面外形を構成する各辺を十分に保持できているが、さらに中リブを辺の中間部に連結することで、該辺は中リブと稜線によって保持されることになる。これにより、中リブを連結した辺では、座屈時の辺幅（幅厚比の板幅）は中リブ連結部と稜線間の距離となり、中リブを設けない構造に比べて辺幅を短くすることができる。これにより、中リブの連結された辺の座屈強度増加と、座屈波長の減少、つまり荷重変動の低減が実現できる。
【００２０】
本発明構造では中リブが３本であるから、少なくとも２辺以上、中リブの連結されていない辺が存在する。しかし、中リブを連結した座屈強度の高い辺が、中リブの連結されていない辺の変形を拘束することにより、部品重量の増加を最小限に抑えて部品としての座屈強度が向上する。つまり、全ての辺に中リブを連結する構造に比べて、部品重量あたりのエネルギ吸収量が向上する。なお、中リブを連結した辺の座屈強度を最も高くするという目的からは、中リブは、辺の中央に連結することが望ましい。
また、中リブ及び稜線（断面の頂点）により支持される辺の座屈時の辺幅が一律にならないことで、辺ごとに座屈波長が異なる。この効果により、外形を構成する各辺によって荷重振幅の発生タイミングが分散し、荷重変動の振幅自体を小さくするという効果も得られる。
【００２１】
自動車用の縦圧壊エネルギー吸収部材としては、圧壊時に荷重方向に平行につぶれ、圧壊途中で倒れ変形やクの字型のオイラー座屈などが生じないことが望ましい。このため、中リブは、左右及び上下方向への倒れ変形防止のためには、３本以上設けることが望ましく、前記のとおり部品重量の増加を最小限に抑えるとの観点から最少の３本とする。３本の中リブは、断面の５角形又は６角形の外形の中で、Ｙの字又はＴの字を構成するように設けることが望ましい。いいかえれば、各中リブの一方の端部と外形を構成する辺の連結点を結ぶ３角形に、各中リブの他方の端部同士の連結点が含まれるということである。先に説明した図１，２の例では、全てそのようになっている。特に圧壊時のバランスを確保するという観点からは、中リブを互いに連結する位置は、３本の中リブと断面外形を構成する辺との連結点を結ぶ３角形の重心であることが望ましい。また、同様の観点から、前記外形が６角形の場合、各中リブの一方の端部が前記外形を構成する互いに隣り合わない辺に連結されていることが望ましく、前記外形が５角形の場合、各中リブの一方の端部が１つの辺と該辺に隣り合わない２辺に連結されていることが望ましい。
【００２２】
本発明構造では、少なくとも２辺の中リブが連結されてない辺（図１に示す例では辺１ｄ〜１ｅ、図２に示す例では辺１１ａ，１１ｂ）が存在する。このため、これらの辺に他部品を接合することで、必要となるボルトスペースを確保することが可能となり、他部品との構造を簡単に行うことができるという利点がある。
また、断面内部の中リブ本数が断面外形の辺の数に比べて少ないことは、部品としての軽量効果とともに、押出加工時の抵抗も減少することから、ダイスの長寿命化、押出速度の増加など、生産性向上に対する効果をも得ることが可能である。
なお、この中リブは素材押出加工時に外形と同時に一体成形することが望ましいが、別部品として製造した後、閉断面形材からなる外形の長手方向で必要な部分のみに接合してもよい。
【００２３】
本発明の効果を検討するために、ＦＥＭ解析を用いて縦圧壊時の荷重−変位曲線の解析を行った。解析条件は，図３に示すように、長さ１５０ｍｍの供試材１８の上面に板厚４ｍｍのフランジ１９を置き、これを定盤２１の上に垂直に置き押圧板２２を介して軸方向に圧縮するものとし、供試材として、図４に示す応力（σ）−歪み（εｐ）関係（耐力σｙ：１５４ＭＰａ）を持つ一般的な６０００系アルミニウム合金押出形材６０６３−Ｔ５材を想定し、部品肉厚（全断面で一定とした）をパラメータにして解析した。ＦＥＭ解析には汎用の動的陽解法ソフトＬＳ−ＤＹＮＡを用いた。供試材の断面形状（肉厚中心形状）は、６０×６０ｍｍの正方形スペース内に配置できることを前提条件に図５のように仮定した。
【００２４】
図５においてＣａｓｅ１は一般的な田型形状（４角形：中リブ付き）であり、中リブの一方の端が外形を構成する辺の中央に連結し、他方の端が外形の重心において互いに連結している。Ｃａｓｅ２，Ｃａｓｅ３は断面外形が正６角形で、中リブの一方の端が頂点に連結し、中リブの他方の端が外形の重心において互いに連結している。Ｃａｓｅ４は断面外形が正６角形で、３本の中リブの一方の端が外形を構成する辺の中央に連結し、他方の端が前記一方の端と外形を構成する辺の連結点を結ぶ３角形の重心において互いに連結されている。Ｃａｓｅ１〜３が従来例構造、Ｃａｓｅ４が本発明構造に相当する。
各断面構造の解析条件を表１に示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
縦圧壊変形における初期荷重ピークについては、通常エンボス付与などの対策により低減することが可能である。そこで、初期荷重ピーク終了後のストローク２０〜８０ｍｍ区間における荷重−変位関係を評価することとした。エネルギ吸収性能の評価は、以下の２つの評価指標で行った。この評価指標の説明を図６に示す。図６に示すように、ストローク２０ｍｍ〜８０ｍｍ区間における最大荷重がＰｍａｘ、最小荷重がＰｍｉｎ、平均荷重がＰａｖｅ．である。供試材の断面積はＡとした。
（１）平均荷重Ｐａｖｅ．／断面積Ａ
（２）平均荷重Ｐａｖｅ．／最大荷重Ｐｍａｘ
なお、上記（１）の値が大きいほど、重量あたりのエネルギ吸収量が大きいことを示す。また、（２）の値が１に近いほど、荷重−変位曲線は矩形波に近くなり、エネルギ吸収効率が良いことを示す。
【００２７】
図５のＣａｓｅ１〜４の各構造について、解析で得られた荷重−変位関係を、図７に示す。図７に示す荷重−変位関係を、上記（１），（２）の評価指標で整理した結果を図８，９及び表１に示す。
図８，９及び表１に示すように、本発明の構造は、従来構造に比べて、重量当たりのエネルギー吸収量が大きく（平均荷重Ｐａｖｅ．／断面積Ａが大きい）、同時にエネルギー吸収効率が優れる（平均荷重Ｐａｖｅ．／最大荷重Ｐｍａｘが大きい）といえる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係るアルミニウム合金押出形材の断面形状（６角形断面の例）である。
【図２】本発明に係るアルミニウム合金押出形材の断面形状（５角形断面の例）である
【図３】ＦＥＭ解析条件を説明する図である。
【図４】ＦＥＭ解析に用いた供試材の応力（σ）−歪み（εｐ）曲線である。
【図５】ＦＥＭ解析に用いた供試材の断面形状（肉厚中心形状）である。
【図６】ＦＥＭ解析の結果得られた荷重−変位曲線に基づくエネルギ吸収性能の評価指標を説明する図である。
【図７】ＦＥＭ解析の結果得られた荷重−変位曲線である。
【図８】ＦＥＭ解析の結果得られた荷重−変位曲線から求めたＰａｖｅ．−Ａ関係図である。
【図９】ＦＥＭ解析の結果得られた荷重−変位曲線から求めたＰａｖｅ．／Ａ−Ｐａｖｅ．／Ｐｍａｘ関係図である。
【符号の説明】
【００２９】
１，１１閉鎖断面の外形
１ａ〜１ｄ，１１ａ〜１１ｅ外形を構成する辺
２〜４，１２〜１４中リブ
５〜７，１５〜１７外形を構成する辺と中リブの連結点

【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両のバンパ補強材の背面側に設けられ、車両前後方向と押出方向が略平行となるアルミニウム合金押出形材製のエネルギー吸収部材であって、押出方向に垂直な断面において外形が凸５角形又は凸６角形の閉断面形状をなすとともに、前記外形の内部に３本の中リブを有し、各中リブは一方の端部が前記外形を構成する相異なる辺に連結され、他方の端部が互いに連結されていることを特徴とするエネルギー吸収部材。
【請求項２】
前記外形が６角形であり、各中リブの一方の端部が前記外形を構成する互いに隣り合わない辺に連結されていることを特徴とする請求項１に記載のエネルギ−吸収部材。
【請求項３】
各中リブの一方の端部が前記外形を構成する辺の中央部に連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギー吸収部材。
【請求項４】
各中リブの他方の端部が、前記一方の端部と前記外形を構成する辺の連結点を結ぶ３角形の重心において互いに連結されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエネルギー吸収部材。
【請求項５】
前記アルミニウム合金押出形材が、いずれも押出形材からなる外形と中リブを接合してなり、前記中リブが前記外形の全長にわたり又は一部長さ範囲に接合されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエネルギー吸収部材。
【請求項６】
自動車用バンパ補強材のステイ、クラッシュボックス、サイドメンバのいずれかであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のエネルギー吸収部材。
【請求項７】
アルミニウム合金押出形材製バンパ補強材と、その背面に直接又はステイを介して固定された請求項１〜５のいずれかに記載のエネルギー吸収部材からなるエネルギー吸収構造体。

【図１】