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エネルギー吸収部材
説明

エネルギー吸収部材

【課題】周壁に多数のエンボスが形成された円管からなるエネルギー吸収部材。側壁に特定の幾何形状のエンボスを所定の分布形態で設けることにより、衝突時の荷重特性を平坦とし、かつエネルギー吸収効率を向上させる。
【解決手段】各エンボスは全て同形状で略長方形の輪郭を有する。全てのエンボスは円管1の軸方向に沿って一定間隔dで配列したm列の周方向エンボス列4のいずれかに属し、各周方向エンボス列4は周方向に沿って等角度間隔δで配置されたn個のエンボスにより構成される。同時に全てのエンボスは円管1の周方向に沿って等角度間隔δ/2で配列した2×n列の軸方向エンボス列のいずれかに属し、各軸方向エンボス列は前記円管の軸方向に沿って等間隔で配置された複数個のエンボスにより構成される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、自動車の衝突時に衝突エネルギーを吸収するバンパーステイとして用いられる円管状のエネルギー吸収部材に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、自動車などの車両の分野で、さらなる衝突安全性への要求が高まっている。例えば乗用車の安全基準を例にとれば、これまで主流のバリア(壁)衝突試験などでは、車体全部が均等に圧縮されるのに対し、IIHS(Insurance Institute of Highway Safety(米国高速道路安全保険機構))やECから近年提唱されているオフセットバリア試験では、車両の幅方向の片側に偏して(オフセットして)衝突を受け、荷重が加わるような試験方法となっている。これは、衝突事故の実態を考慮したためであるが、このオフセットバリア試験に対応するためには、衝突部のバンパーを支持する後方部材であるバンパーステイに高性能なエネルギー吸収機構を設け、より車両の安全性を高める必要がある。すなわち、バンパーステイが圧縮力を受けて変形を生じる際に、反力荷重を安定して発生させ、かつ軽量なものにする必要がある。
【0003】
この要求に対し、円管又は多角形断面の中空部材の軸方向圧壊特性を利用したバンパーステイ(特許文献1〜6)が提案されている。これらのバンパーステイは、断面に対する垂線と車両の進行方向が一致するように配置されているため、中空断面の端部に端板やフランジを設け、該端板やフランジを介してバンパー及び車体と締結されている。
軸方向圧壊特性を利用したバンパーステイにおいて、多角形断面の中空部材を用いる場合、断面形状を工夫し、あるいは側壁に圧壊の起点となるクラッシュビード(エンボス)を設けるなどにより、圧壊特性が調整されている。円管を用いる場合も、例えば特許文献2に記載されているように、側壁に圧壊の起点となるエンボスを設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第3217060号公報
【特許文献2】特開2004−189063号公報
【特許文献3】特開2008−308170号公報
【特許文献4】特開2008−132988号公報
【特許文献5】特許第4036234号公報
【特許文献6】特開2008−296716号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
軸方向圧壊特性を利用したバンパーステイの素材として円管を用いる場合、素管に近い形状のままでは多角形断面のものに比べて軸方向圧壊時の荷重変動が大きい。このため、衝突時の荷重特性を平坦にし、かつエネルギー吸収効率を向上させるには、多角形断面のものと同じではなく、特に円管に適する幾何形状及び分布形態のエンボスを設ける必要があると考えられるが、そのための指針が明確ではなかった。
従って、本発明は、周壁に多数のエンボスが形成された円管からなるエネルギー吸収部材において、側壁に特定の幾何形状のエンボスを特定の分布形態で設けることにより、衝突時の荷重特性を平坦とし、かつエネルギー吸収効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、自動車の衝突時に衝突エネルギーを吸収するバンパーステイとして用いられ、周壁に衝突時に圧壊の起点となる多数の凹状のエンボスが形成された円管からなるエネルギー吸収部材において、各エンボスは全て同形状で前記円管の周方向に長い略長方形の輪郭を有し、全てのエンボスは前記円管の軸方向に沿って一定間隔で配列したm列の周方向エンボス列のいずれかに属し、各周方向エンボス列は前記円管の周方向に沿って等間隔で配置されたn個のエンボスにより構成され、同時に全てのエンボスは前記円管の周方向に沿って等間隔で配列した2×n列の軸方向エンボス列のいずれかに属し、各軸方向エンボス列は前記円管の軸方向に沿って等間隔で配置された複数個のエンボスにより構成され、隣接する周方向エンボス列に属するエンボスは同じ軸方向エンボス列に属さないことを特徴とする。なお、mは4以上の整数、nは2以上の整数である。
前記エンボスは、電磁成形(特許文献2参照)又はプレス成形により成形することができる。
【0007】
上記エネルギー吸収部材において、円管の外直径をgとし、各エンボスの幾何形状について、エンボスの深さをh、エンボスの軸方向に沿った高さをt、1つのエンボスの円周方向両端と円管の中心がなす角度をθとしたとき、前記g,h,t,θがそれぞれ次式のいずれかを満たす円管からなるか、又は前記g,h,t,θがこれと相似形状を有する円管からなることが望ましい。
(g,h,t,θ)=(55mm,1mm,6mm,15°)
(g,h,t,θ)=(55mm,1mm,8mm,20°)
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、円管の周壁に多数の凹状エンボスを特定の幾何形状で、かつ特定の分布形態で形成することにより、前記円管を用いたエネルギー吸収部材の座屈圧壊時の座屈モードを変化させ、衝突時の荷重変動を抑えつつ、エネルギー吸収効率を向上させることができる。また、バンパーステイ単体のエネルギー吸収特性を改善することで、このバンパーステイを含むバンパーシステム全体の特性を向上させ、近年の衝突安全基準の強化に対応した高性能、かつ軽量なバンパーシステムを提供することができる。
なお、本発明に係るエネルギー吸収部材は、乗用車やトラック等、自動車のバンパーステイへの適用を考慮したものであるが、列車や航空宇宙等の移動体の安全部材として応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明に係る円管の平面図(a)及び正面図(b)である。
【図2】本発明に係る円管の軸方向に垂直な面でのエンボスの断面図である。
【図3】本発明に係る円管を電磁成形する際に用いる金型の内周面の平面視形状(a)及び正面視形状(b)を示す図である。
【図4】FEM解析で電磁成形を模した成形解析を行って得た円管を、さらにFEM解析で圧壊変形を模した成形解析を行って得た荷重−変位曲線である。
【図5】FEM解析で電磁成形を模した成形解析を行って得た円管を、さらにFEM解析で圧壊変形を模した成形解析を行って得た荷重−変位曲線である。
【図6】FEM解析で電磁成形を模した成形解析を行って得た円管を、さらにFEM解析で圧壊変形を模した成形解析を行って得た荷重−変位曲線である。
【図7】FEM解析で電磁成形を模した成形解析を行って得た円管を、さらにFEM解析で圧壊変形を模した成形解析を行って得た荷重−変位曲線である。
【図8】FEM解析で電磁成形を模した成形解析を行って得た円管を、さらにFEM解析で圧壊変形を模した成形解析を行って得た荷重−変位曲線である。
【図9】FEM解析で電磁成形を模した成形解析を行って得た円管を、さらにFEM解析で圧壊変形を模した成形解析を行って得た荷重−変位曲線である。
【図10】実際に電磁成形で得た円管を圧壊変形させたときの荷重−変位曲線である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図1〜図10を参照し、本発明に係るエネルギー吸収部材についてより具体的に説明する。
図1,2に示すエネルギー吸収部材は、適当な長さ、外直径g、肉厚を有する円管1からなり、円管1の周壁2に多数の凹状のエンボス3が形成されている。エンボス3は全て同形状で、円管1の周方向に沿って湾曲した長辺3aと、円管1の軸方向に沿った短辺3bからなる略長方形の輪郭を有する。そのほか、エンボス3の幾何形状は、エンボスの深さh(図2参照)、エンボスの軸方向高さt(図1(b)参照)、1つのエンボスの周方向両端と円管の中心Oがなす角度(周方向角度)θ(図2参照)で表される。
【0011】
多数のエンボス3は、円管1の周壁2上において次のような分布形態をとる。
全てのエンボスは、円管1の軸方向に沿って一定間隔dで配列したm(この例ではm=6)列の周方向エンボス列4,4,・・のいずれかに属する。各周方向エンボス列4は円管1の周方向に沿って等角度間隔δ(この例ではδ=60°)で配置されたn(この例ではn=6)個のエンボス3により構成され、各周方向エンボス列4に属するn個のエンボス3は、いずれも円管1の軸方向に垂直な面に沿って、円管1の周壁2の周方向に一列に揃って配置されている。なお、周方向エンボス列4同士の間隔dは、軸方向圧壊時の円管1の折り畳み幅となる。
【0012】
また、全てのエンボスは、円管1の周方向に沿って等角度間隔(δ/2)で配列した2×n列の軸方向エンボス列5,5,・・のいずれかに属する。各軸方向エンボス列5は円管1の軸方向に沿って等間隔(2×d)で配置された複数個(この例では3個)のエンボス3により構成され、各軸方向エンボス列5に属するエンボスは、円管1の軸方向に一列に揃って配置されている。隣接する周方向エンボス列4,4に属するエンボスは同じ軸方向エンボス列に属さない。また、隣接する軸方向エンボス列5,5に属するエンボスを見ると、軸方向にいわゆる千鳥足状の配置となっている。
エンボス3の上記分布形態において、mは4以上の整数、nは2以上の整数であり、これらの数値は円管の長さや外直径、エンボスの幾何形状、あるいは圧壊時の変形挙動を調整するために適宜設定される。
【0013】
図1(a),(b)に示す円管1は、例えば電磁成形により形成することができる。円管1を電磁成形するための金型6の内周面6aの形状が図3(a),(b)に示されている。金型6は組み合わせたとき中心部に内直径Gの円筒形の内周面6aが構成される複数の分割金型からなり、前記内周面6aには多数の突起7が形成されている。
円管1の外周形状は、電磁成形により金型6の内周面6aの形状が転写されて形成されるものであるから、内周面6aの内直径Gは円管1の外直径gと実質的に一致し、また、内周面6aにおける突起7の幾何形状及び分布形態は、円管1の凹状のエンボス3の幾何形状及び分布形態と実質的に一致する。
【0014】
より具体的にいえば、突起7は全て同形状で略長方形の輪郭を有し、内周面6aからの突出高さH、軸方向高さT、及び1つの突起の周方向両端と前記内周面6aの中心Oがなす角度(周方向角度)Θで表され(図3(a)参照)、突起7のH,T,Θは、それぞれ実質的にエンボス3のh,t,θに等しい。
また、多数の突起7は、金型6の内周面6aにおいて次のような分布形態をとる。
全ての突起は、前記内周面6aの軸方向に沿って一定間隔Dで配列したM(この例ではM=6)列の周方向突起列8のいずれかに属する。各周方向突起列8は金型6の内周面6aに等角度間隔Δ(この例ではΔ=60°)で配置されたN(この例ではN=6)個の突起7により構成されている。M,N,D,Δはそれぞれ円管1におけるm,n,d,δに等しい。
さらに、全ての突起は、金型6の内周面6aに等角度間隔(Δ/2)で配列した2×N列の軸方向突起列9のいずれかに属する。各軸方向突起列9は内周面6aの軸方向に沿って等間隔(2×D)で配置された複数個(この例では3個)の突起7により構成されている。隣接する周方向突起列8に属する突起7は同じ軸方向突起列9に属さない。
【0015】
電磁成形に際しては、好ましくはアルミニウム合金押出材製の円形断面の素管を用い、この素管を金型6の内周面に挿入し、素管の内側に電磁成形用コイルを挿入し、前記コイルに通電する。その通電により前記素管が極めて短時間で拡管して金型6の内周面6aに打ち当たり、該内周面6aに沿った外周形状の円管1が成形され、その際、円管1に突起7の形状に対応して凹状のエンボス3が転写される。
なお、アルミニウム合金としては、JIS6000系又は7000系が好適である。
【実施例】
【0016】
(FEM解析)
FEM解析の第1ステップとして、電磁成形を模した成形解析を実施し、円形断面の素管をエンボス付円管(一部はエンボスなしの円管)に成形した。次いで、第2ステップとして、第1ステップの解析で得られたエンボス付き円管(一部はエンボスなしの円管)を、軸方向に圧縮して圧壊変形させる解析を実施し、荷重−変位曲線を得た。なお、FEM解析で得たエンボス付き円管は、先に説明した本発明に係る円管に対応する。
素管の材料モデルとしてアルミニウム合金押出形材(JIS6063−T5)を想定し、その0.2%耐力を150MPa、弾性率68.5GPa、密度2700Kg/m、ポアソン比0.3に設定した。
【0017】
第1ステップにおいて、素管の形状を外直径51mm、長さ100mm、肉厚2mmに設定した。また、電磁成形に使用する金型モデルとして、基本的に図3(a),(b)に示すものを用いた。金型モデルについて図3(a),(b)を参照して説明すると、金型モデルの基本構造として、周方向突起列の数を6、各周方向突起列に含まれる突起の数を6、金型の長さLを100mm、内周面の直径Gを55mm、周方向突起列同士の間隔Dを10mmに設定し、さらに金型の下端から最も近い周方向突起列までの距離E(図3(b)参照)を20mmに設定した。この基本構造の下、突起の突出高さH、突起の軸方向高さT、及び突起の周方向角度Θをパラメーター(変数)とした。解析に用いたパラメーターH,T,Θの組み合わせを表1に示す。
【0018】
【表1】

【0019】
第1ステップのFEM解析では、前記金型モデルの内側に前記素管を配置し、前記素管の上面と下面の上下方向の変位を拘束し、電磁成形を模して素管の内側に3GPaの圧力を掛ける態様とした。FEM解析の結果、素管は拡管して金型モデルの内周面に沿った形状に変形し、金型の突起の幾何形状及びその分布形態がそのまま円管に転写され、多数の凹状のエンボスを有するエンボス付き円管(No.1はエンボスなしの円管)が形成された。エンボス付円管は、外直径(g)が金型モデルの内周面の内直径(D)と等しく55mm、周方向エンボス列の軸方向間隔(d)が金型モデルの周方向突起列同士の間隔(D)と等しく10mmで、エンボスの深さ(h)、エンボスの軸方向高さ(t)、及びエンボスの周方向角度(θ)が、金型モデルのパラメータ(H,T,Θ)の数値と一致している。一方、エンボス付円管の内周側では、エンボスの輪郭付近(図2の矢印a参照)が滑らかな曲面となっていた。FEM解析で得たエンボス付円管の以上の形状は、実際に電磁成形で成形される形状に極めて近い。
【0020】
第2ステップのFEM解析では、エンボス付き円管の下端を剛体壁の上に乗せ、上方から別の剛体壁を下降させエンボス付き円管を準静的な速度で圧縮する態様とした。解析の結果得られた荷重−変位曲線を図4〜9に示す。
続いて、図4〜9の荷重−変位曲線を基に、No.1〜6の円管のエネルギー吸収特性の評価を行った。評価の対象は全長の7割までの圧壊(変位:70mm)とし、評価指標は、荷重変動を表す荷重変動係数φα、平均荷重と最大荷重の比を表すφβ、エネルギー吸収効率を表すφχ、及びこれらを総合したφとした。
φα,φβ,φχ,φは次式で表される。
【0021】
【数1】

【0022】
No.1〜6について、評価指標φα,φβ,φχ,φの値を表2に示す。評価指標φα,φβ,φχ,φの値が大きいほど、エネルギー吸収特性が優れている。
【0023】
【表2】

【0024】
図4〜9及び表2から、No.2〜6の全てのエンボス付き円管において、エンボスなしの円管であるNo.1に比べて明らかに荷重変動が抑制され、かつ全ての評価指標においてNo.1より優れていることが分かる。
このうちNo.3は、No.1に比べて評価指標が大幅に改善されている。No.4はNo.3と同様の変形挙動を示し、同じくNo.1に比べて評価指標が大幅に改善されているが、No.3に比べるとやや改善の度合いが小さい。No.2は、評価指標の改善の度合いがNo.4に次ぐ。また、No.5,6はNo.2と同様の変形挙動を示すが、No.2に比べて評価指標の改善の度合いが小さい。
これらの結果から、エネルギー吸収特性の評価指標φα,φβ,φχ,φを改善するには、前記基本構造において、エンボスの幾何形状(エンボスの深さ(h)、エンボスの軸方向高さ(t),エンボスの周方向角度(θ))を、(1mm,6mm,15°)、又は(1mm,8mm,20°)に調整することが望ましいことが分かる。
【0025】
(実施例)
外直径が91mm、肉厚3.5mmのアルミニウム合金押出材(JIS6063−T5)を切断して、長さ145mmの素管を得た。この素管を実際に電磁成形して、エンボス付き円管(No.7)を成形した。No.7は、外直径(g)が98mm、エンボスの深さ(h)が1.78mm、軸方向高さ(t)が10.7mm、周方向角度(θ)が15°、及び周方向エンボス列の軸方向間隔(d)が17.8mmであり、前記No.3(H1T6−15)とは外直径、エンボスの幾何形状及び分布形態が相似形(相似比:約1.78倍)となっている。
また、同じアルミニウム合金押出形材からなる素管を実際に電磁成形して、外直径が98mmのエンボスなしの円管(No.8)を成形した。No.8は、外直径(g)が98mmである。
【0026】
続いてNo.7,8の円管に対し、軸方向に準静的な圧縮荷重を掛けて圧壊変形し、荷重−変位曲線を求めた。その結果を図10に示す。
図10に示すように、No.8では変位に伴う荷重変動の大きい荷重−変位曲線が得られ、一方、No.7では吸収エネルギーの低下を生じることなく荷重変動が抑制された荷重−変位曲線が得られた。No.7の荷重−変位曲線は、FEM解析で得られたNo.3の荷重−変位曲線と近似し、No.8の荷重−変位曲線は、FEM解析で得られたNo.1の荷重−変位曲線と近似していた。このように、No.3と外直径及びエンボスの幾何形状(h,t,θ)が相似形のエンボス付円管でも、エネルギー吸収特性が大幅に改善されることが分かる。
【符号の説明】
【0027】
1 円管(エンボス付き)
2 円管の周壁
3 凹状のエンボス
4 周方向エンボス列
5 軸方向エンボス列
6 電磁成形用の金型
6a 金型の内周面
7 突起
8 周方向突起列
9 軸方向突起列
g 円管の外直径
h エンボスの深さ
t エンボスの軸方向高さ
θ エンボスの周方向角度
d 周方向エンボス列の軸方向間隔
δ 軸方向エンボス列の周方向角度間隔

【特許請求の範囲】
【請求項1】
自動車の衝突時に衝突エネルギーを吸収するバンパーステイとして用いられ、周壁に衝突時に圧壊の起点となる多数の凹状のエンボスが形成された円管からなるエネルギー吸収部材において、各エンボスは全て同形状で前記円管の周方向に長い略長方形の輪郭を有し、全てのエンボスは前記円管の軸方向に沿って一定間隔で配列したm列の周方向エンボス列のいずれかに属し、各周方向エンボス列は前記円管の周方向に沿って等間隔で配置されたn個のエンボスにより構成され、同時に全てのエンボスは前記円管の周方向に沿って等間隔で配列した2×n列の軸方向エンボス列のいずれかに属し、各軸方向エンボス列は前記円管の軸方向に沿って等間隔で配置された複数個のエンボスにより構成され、隣接する周方向エンボス列に属するエンボスは同じ軸方向エンボス列に属さないことを特徴とするエネルギー吸収部材。
【請求項2】
前記円管の外直径をg、前記エンボスの深さをh、前記エンボスの軸方向に沿った高さをt、1つのエンボスの円周方向両端と前記円管の中心がなす角度をθとしたとき、前記g,h,t,θがそれぞれ次式のいずれかを満たす円管からなるか、又は前記g,h,t,θがこれと相似形状を有する円管からなることを特徴とする請求項1に記載されたエネルギー吸収部材。
(g,h,t,θ)=(55mm,1mm,6mm,15°)
(g,h,t,θ)=(55mm,1mm,8mm,20°)
【請求項3】
前記エンボスが電磁成形又はプレス成形により成形されたことを特徴とする請求項1又は2に記載されたエネルギー吸収部材。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2013−10392(P2013−10392A)
【公開日】平成25年1月17日(2013.1.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−143353(P2011−143353)
【出願日】平成23年6月28日(2011.6.28)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 平成23年2月7日 国立大学法人東京工業大学主催の「国立大学法人東京工業大学大学院 理工学研究科機械物理工学専攻 平成22年度修士論文発表会」において文書をもって発表
【出願人】(000001199)株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】(304021417)国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Fターム(参考)】