衝撃吸収性能に優れた構造部材
【目的】 衝撃エネルギー吸収性能に優れた構造部材を得る。
【構成】 この構造部材は、偶数の面Ｌ1 〜Ｌ4 で構成され、内部が空洞となった多角形断面をもつ。多角形断面を周回する幅方向に、座屈開始部が設けられている。座屈開始部は、相対向する側面Ｌ1 ，Ｌ3 に形成された凸部ｎ1 ，ｎ3 と他の側面Ｌ2 ，Ｌ4 に形成された凹部ｎ2 ，ｎ4 で構成される。凸部ｎ1 ，ｎ3又は凹部ｎ2 ，ｎ4 は、何れか一方を省略できる。
【効果】 側面Ｌ1 ，Ｌ3 と側面Ｌ2 ，Ｌ4 とで半周期ずれた張出し変形及び引き込み変形が繰返されるため、構造部材の長手方向に沿って規則的な座屈変形が連続化し、衝撃エネルギーを効率よく吸収する。
【構成】 この構造部材は、偶数の面Ｌ1 〜Ｌ4 で構成され、内部が空洞となった多角形断面をもつ。多角形断面を周回する幅方向に、座屈開始部が設けられている。座屈開始部は、相対向する側面Ｌ1 ，Ｌ3 に形成された凸部ｎ1 ，ｎ3 と他の側面Ｌ2 ，Ｌ4 に形成された凹部ｎ2 ，ｎ4 で構成される。凸部ｎ1 ，ｎ3又は凹部ｎ2 ，ｎ4 は、何れか一方を省略できる。
【効果】 側面Ｌ1 ，Ｌ3 と側面Ｌ2 ，Ｌ4 とで半周期ずれた張出し変形及び引き込み変形が繰返されるため、構造部材の長手方向に沿って規則的な座屈変形が連続化し、衝撃エネルギーを効率よく吸収する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、各種車両のフロントサイドフレーム，リアサイドフレーム等のフレーム材として使用され、軸線方向の塑性変形で衝突時等の衝撃を効率よく吸収し、運転手や同乗者を保護するアルミニウム押出し形材製の衝撃吸収フレームに関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車には、他の自動車や物体に衝突又は接触した際の衝撃を緩和させる各種の衝撃吸収部材が組み込まれている。衝撃の吸収形態には、バンパー等の構造材に液体ダンパー等を組み込む方式，構造材自体をエネルギー吸収体として使用する方式，構造体と車体との間にバネを介在させる方式等がある。なかでも、構造材の塑性変形によって衝突エネルギーを吸収する方式は、多量のエネルギーを吸収できることから、衝撃吸収部材としての展開が期待されている。たとえば、特開平６−２４７３３７号公報では、この種の衝撃吸収部材として、衝突時のエネルギーで圧潰が生じる起点となるように、圧縮加工又は張り出し加工によって脆弱部を設けることが開示されている。衝撃吸収性能を向上させた構造材は、たとえば図１にペリメタフレームの概略図で示すように、フロントサイドフレーム３又はリアサイドフレーム３’として使用される。フロントサイドフレーム３又はリアサイドフレーム３’には座屈変形の起点となる変形開始部４，４’が設けられており、連結部材２，２’には衝撃分散部５，５’が設けられている。車両の衝突等によりバンパー１に前方から衝撃が加わったとき、或いはリアバンパー１’に後方から衝撃が加わったとき、衝撃吸収フレーム３，３’は、図２で模式的に示すように、折り畳まれるように連続的に座屈変形し、加えられた衝撃を吸収する。その結果、中間部フレームＭに伝えられる衝撃が少なくなり、乗員の保護が図られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】塑性変形により衝撃エネルギーを吸収する構造材では、加えられた衝撃が構造材を座屈変形させる。この座屈が連続的に進行すると、大きな衝撃エネルギーが個々の座屈変形に分散されて吸収されるため、乗員に対する衝撃が少なくなる。衝撃エネルギーを塑性変形で吸収させる場合、塑性変形が一旦開始されると衝撃エネルギーの吸収が進行するが、塑性変形を開始させるには大きな荷重が必要になる。そのため、塑性変形の開始までに加えられる衝撃が乗員に伝えられる。そこで、塑性変形を開始するまでの衝撃を小さくするため、また折り畳まれるように連続的な座屈変形を生じさせるために、構造材の塑性変形し易い形状について種々の改良が必要とされる。しかし、特開平６−２４７３３７号公報に記載されているように、塑性変形の開始点となる脆弱部を設けても、依然として初期加重が高いレベルにある。また、一様な脆弱部を断面に設けた場合、規則的な座屈変形が生じない虞れがある。本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、構造部材につける座屈開始部の凹凸を規則化させることにより衝突初期に受ける衝撃を少なくし、且つ規則的及び連続的な座屈変形によって衝撃エネルギーを効率よく吸収する構造部材を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の構造部材は、その目的を達成するため、偶数の面で構成され内部が空洞となった多角形断面をもち、該多角形断面を周回する幅方向に座屈開始部が設けられており、前記座屈開始部は、隣り合う側面ごとに繰り返される凹部及び凸部として形成されていることを特徴とする。また、座屈開始部は、凹部及び凸部の双方を設けることなく、一つおきの側面ごとに凹部又は凸部として形成してもよい。多角形断面の代表的なものに矩形断面があり、矩形断面の相対向する辺の内側表面に延びるリブによって矩形の内部空間を複数に分割することもできる。リブが設けられる場合、リブで区画された側面部分及びリブが設けられていない側面ごとに繰り返される凹凸、或いは側面部分及び側面の一つおきに設けた凹部又は凸部で座屈開始部が形成される。
【０００５】
【作用】衝撃エネルギーは、座屈変形を規則的に且つ連続的に行わせることによって効率よく吸収される。本発明者等は、座屈変形の規則化及び連続化に与える座屈開始部の影響を調査した。その結果、構造部材の一つの断面で凹凸のつじつまを合わせるとき、座屈変形が規則化及び連続化することを見い出した。凹凸のつじつまが座屈変形に与える影響は、次のように推察される。たとえば、矩形断面をもつ構造部材においては、図３（ａ）に示すように側面Ｌ1 に凸部ｎ1 を、側面Ｌ2 に凹部ｎ2 を、側面Ｌ3 に凸部ｎ3 を、側面Ｌ4 に凹部ｎ4 を形成し、凸部ｎ1 ，ｎ3 及び凹部ｎ2 ，ｎ4 で矩形断面を周回する座屈開始部を形成する。このように座屈開始部を設けた構造部材に矢印方向の衝撃Ｆが加わると、側面Ｌ1 ，Ｌ3 は外側に変形し、側面Ｌ2 ，Ｌ4 は内側に変形する。側面Ｌ1 〜Ｌ4 の変形は、図３（ａ）の奥行方向に沿った波形状変形として構造部材の内部に伝播される。
【０００６】側面Ｌ1 ，Ｌ3 を伝播する波形状変形は、側面Ｌ2 ，Ｌ4 を伝播する波形状変形に対し半周期ずれている。その結果、座屈変形によって側面Ｌ1 ，Ｌ3 が外側に張り出した部分では側面Ｌ2 ，Ｌ4 が内側に折れ込み、側面Ｌ2 ，Ｌ4 が外側に張り出した部分では側面Ｌ1 ，Ｌ3 が内側に折れ込み、メタルフローが全体としてバランスされ、加えられた衝撃の大きさに応じて図３（ａ）の奥行方向に座屈変形が繰り返される。凹部及び凸部は、その何れか一方を側面の一つおきに形成してもよい。図３（ｂ）は、その一例を示すものであり、相対向する側面Ｌ2 ，Ｌ4 に凹部ｎ2 ，ｎ4 を形成し、残り二つの側面Ｌ1 ，Ｌ3 を平坦面としている。この形状をもつ構造部材に衝撃が加わると、側面Ｌ2 ，Ｌ4 は、座屈開始部で凹部ｎ2 ，ｎ4 に誘導されて優先的に内側に折れ込む。この反動で、側面Ｌ1 ，Ｌ3 が外側に張り出す。そして、同様に半周期ずれた波形状変形が側面Ｌ1 ，Ｌ3 及び側面Ｌ2 ，Ｌ4 に沿って奥行方向に伝播され、規則的な座屈変形が連続する。
【０００７】構造部材には、内部空間を分割するリブを備えたものもある。この場合、図３（ｃ）に示すように、座屈開始点で側面Ｌ1 が外側に張り出すような凸部をつけるとき、リブＬ5 で区画された側面部分Ｌ21には内側に折れ込む凹部をつけ、他の側面部分Ｌ22には外側に張り出す凸部をつける。また、側面Ｌ3 を内側に、側面部分Ｌ41を外側に、側面部分Ｌ42を内側に、リブＬ5 を左方向に変形させる座屈開始部とする。これによって、一つの断面内で張出し及び折れ込みのバランスがとれ、座屈変形を規則化及び連続化させる。内部空間を複数のリブＬ5 ，Ｌ6 で分割した構造部材でも、図３（ｄ）に示すように一つおきの側面部Ｌ1 ，Ｌ22，Ｌ3 ，Ｌ42に凹部ｎ1 〜ｎ4 を形成し、残りの側面部Ｌ21，Ｌ23，Ｌ41，Ｌ43を平坦にする。側面部Ｌ21，Ｌ23，Ｌ41，Ｌ43には、凸部を形成しても良い。また、リブＬ5 には側面部Ｌ1 側に向かった凹部を、リブＬ6 には側面部Ｌ3 側に向かった凹部を形成することもできる。これら凹部ｎ1 〜ｎ4 が座屈開始部となり、規則的な座屈変形を連続化させる。
【０００８】規則的な座屈変形が連続化するためには、隣り合う側面で張出し及び折れ込みが交互に生じることが必要である。たとえば、三角形断面をもつ構造部材では、一つの断面に関して張出し及び折れ込みを繰り返すことができず、図４に示すように側面Ｌ1 とＬ3 との変形が相互に干渉する。その結果、構造部材は、座屈変形が不規則化し、全体座屈となる場合もある。本発明の構造部材として使用される材料には、ＪＩＳ ５０００系，６０００系，７０００系等のアルミニウム押出し形材がある。座屈開始部は、構造部材のサイズや肉厚等にもよるが、車体の構造を考慮して、規則的な座屈変形を生じて衝撃エネルギーを吸収し易く、他の部品に重大な損傷を与えないような位置及び形状に設けることが好ましい。また、凸部の高さや凹部の深さは、構造部材のサイズや肉厚等によって異なるが、構造部材としての強度を損なうことなく乗員に与える衝撃を軽減するために、３〜１５ｍｍの範囲に設定することが好ましい。
【０００９】凹部又は凸部の形成手段は、特に本発明を拘束するものではないが、たとえば図５に示す方法が採用される。図５（ａ）に示すように構造部材１０の中空部に中子１１を挿入し、凹部を形成しようとする面側からポンチ１２，１３によって加圧力Ｐを加える。ポンチ１２，１３は、図５（ａ）のＩ−Ｉ線断面を示した図５（ｂ）にみられるように、形成しようとする凹部の形状に対応する突起１４，１５を備えている。中子１１は、可撓性のある下型部１６をプラグ部１７で装着している。中子１１と構造部材１０の内面との間に、成形空間１８，１９が形成される。構造部材１０の側壁を挟んで成形空間１８，１９にポンチ１２，１３の突起１４，１５を押し込むとき、突起１４，１５の形状に対応した凹部が構造部材１０の幅方向に形成される。成形後、プラグ部１７を図５（ｂ）の右側に一旦移動させると、可撓性のある下型部１６が縮径する。この状態でプラグ部１７を左側に移動させることにより、中子１１は、構造部材１０の中空部から引き出される。
【００１０】
【実施例】
実施例１：アルミニウム合金ＪＩＳ Ａ６０６３を使用して、図３（ａ）に示すように凸部ｎ1 ，ｎ3 及び凹部ｎ2 ，ｎ4 を相対向する側面Ｌ1 ，Ｌ3 及びＬ2 ，Ｌ4 につけた構造部材を作製した。側面Ｌ1 ，Ｌ3 は幅５０ｍｍ及び板厚３ｍｍに、側面Ｌ2 ，Ｌ4 は幅５０ｍｍ及び板厚１．５ｍｍに設計した。また、凸部ｎ1 ，ｎ3 及び凹部ｎ2 ，ｎ4 からなる座屈開始部は、構造部材の端面から２５ｍｍの位置に設定した。そして、高さ３ｍｍ及び幅５０ｍｍの凸部ｎ1 ，ｎ3 及び深さ５ｍｍ及び幅５０ｍｍの凹部ｎ2 ，ｎ4 を、治具を使用したプレスによって成形加工した。座屈開始部が付けられた構造部材各押出し形材から長さ４００ｍｍの試験片を切り出し、４．８ＫＮの錘りを落下させる落槌試験により軸方向圧縮荷重を加え、荷重と変位量との関係を調査した。また、比較のため、全周にわたり同じサイズの凸部をつけた構造部材（比較例１）及び全周にわたり同じサイズの凹部を付けた構造部材（比較例２）についても、同様に荷重と変位量との関係を調査した。
【００１１】調査結果を示す図６にみられるように、本発明に従った実施例１では、変位量−荷重の関係が周期的なサイクルで変化している。また、初期荷重も、約２６ＫＮと低い値を示した。座屈変形後の構造部材では、図７に示すように、長手方向に関して張出し及び折れ込みが周期的に繰り返され、張出し及び折れ込みの周期は側面Ｌ1 ，Ｌ3 と側面Ｌ2 ，Ｌ4 とで半周期ずれていた。これに対し、比較例１では初期荷重が３２ＫＮ，比較例２では初期荷重が３４ＫＮと大きな値を示した。何れの比較例でも、規則的座屈を生じることなく、全体座屈が発生した。しかも、ピーク値以降は極めて低い加重で全体座屈が瞬時に発生した。比較例１及び２の総吸収エネルギー量は、図６において比較例１又は２の点線より下の累積面積で表されるが、実施例１の総吸収エネルギー量に比較して極めて小さいなものであった。この対比から明らかなように、凹部及び凸部を側面ごとに繰り返した本実施例の座屈開始部は、座屈変形を規則化及び連続化させる上で有効なことが判る。しかも、初期荷重が低いことから、変形開始もスムーズに行われ、車両等の衝撃吸収部材として有用なものである。
【００１２】実施例２：実施例１と同じアルミニウム合金ＪＩＳ Ａ６０６３を使用し、図３（ｂ）に示すように凹部ｎ2 ，ｎ4 を相対向する側面Ｌ2 ，Ｌ4 につけた構造部材を作製した。側面Ｌ1 ，Ｌ3 は幅５０ｍｍ及び板厚１．５ｍｍに、側面Ｌ2 ，Ｌ4 は幅５０ｍｍ及び板厚３ｍｍに設計した。座屈開始部として、深さ５ｍｍ及び幅５０ｍｍの凹部ｎ2 ，ｎ4 を構造部材の端面から２５ｍｍの位置に設定した。なお、は、凹部ｎ2 ，ｎ4 は、治具を使用したプレスによって成形加工した。座屈開始部が付けられた構造部材各押出し形材から長さ４００ｍｍの試験片を切り出し、４．８ＫＮの錘りを落下させる落槌試験により軸方向圧縮荷重を加え、荷重と変位量との関係を調査した。調査結果を示す図８にみられるように、本発明に従った実施例２では、変位量−荷重の関係が周期的なサイクルで変化している。また、初期荷重も、約２９ＫＮと低い値を示した。座屈変形後の構造部材では、図７と同様に、長手方向に関して張出し及び折れ込みが周期的に繰り返され、張出し及び折れ込みの周期は側面Ｌ1 ，Ｌ3 と側面Ｌ2 ，Ｌ4 とで半周期ずれていた。このことから、凹部ｎ2 ，ｎ4 を形成したＬ2 ，Ｌ4 と凹部を形成しない側面Ｌ1 ，Ｌ3 を交互に繰り返した座屈開始部をつけた場合でも、構造部材は、実施例１と同様に規則的で連続的に座屈変形し、優れた衝撃吸収能を呈することが判った。
【００１３】実施例３：アルミニウム合金ＪＩＳ Ａ６０６１を使用し、図３（ｄ）に示すように凹部ｎ1 〜ｎ4 を相対向する側面Ｌ1 ，Ｌ3 及びＬ22，Ｌ42につけた構造部材を作製した。側面Ｌ1 ，Ｌ3 は幅７０ｍｍ及び板厚１．８ｍｍに、側面Ｌ21〜Ｌ23及びＬ41〜Ｌ43は幅３３ｍｍ及び板厚２．１ｍｍに、中壁Ｌ5 ，Ｌ6 は板厚１．５ｍｍに設計した。座屈開始部として、深さ５ｍｍ，幅７０ｍｍの凹部ｎ1 ，ｎ3 及び深さ５ｍｍ，幅３３ｍｍの凹部ｎ2 ，ｎ4 を構造部材の端面から２０ｍｍの位置に設定した。なお、凹部ｎ1 〜ｎ4 は、治具を使用したプレスによって成形加工した。座屈開始部が付けられた構造部材各押出し形材から長さ５００ｍｍの試験片を切り出し、４．８ＫＮの錘りを落下させる落槌試験により軸方向圧縮荷重を加え、荷重と変位量との関係を調査した。調査結果を示す図９にみられるように、本発明に従った実施例３では、変位量−荷重の関係が周期的なサイクルで変化している。また、初期荷重も、約９０ＫＮと低い値を示した。座屈変形後の構造部材では、図１０１０に示すように、長手方向に関して張出し及び折れ込みが周期的に繰り返され、張出し及び折れ込みの周期は側面Ｌ1 ，Ｌ22，Ｌ3 ，Ｌ42と側面Ｌ21，Ｌ23，Ｌ41，Ｌ43とで半周期ずれていた。このことから、中壁Ｌ5 ，Ｌ6 で内部が区切られた構造部材にあっても、凹部を形成した側面部と凹部を形成しない側面部を交互に繰り返した座屈開始部を設けることにより、構造部材が規則的で連続的に座屈変形し、優れた衝撃吸収能を呈することが判った。
【００１４】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の構造部材は、隣り合う側面或いは側面部分ごとに逆向きの変形ぐせをつける座屈開始部を設けることによって、構造部材の長手方向に関する座屈変形を規則化及び連続化させている。この構造部材を衝撃吸収用の構造体として車両に組み込んだ場合、衝突，接触等の際に加えられる衝撃が座屈変形として効率よく吸収される。また、変形初期の衝撃も小さくなる。そのため、衝撃が緩和され、乗員の保護が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 衝撃吸収フレームをフロントサイドフレーム又はリアサイドフレームに取り付けた衝撃吸収フレームをペリメタフレームに利用した概略斜視図バンパーをシャーシ側の連結部材に連結する衝撃吸収フレーム
【図２】 衝撃によって座屈変形した衝撃吸収フレーム
【図３】 本発明に従って座屈開始部を付けた構造部材の数例
【図４】 奇数辺の断面をもつ構造部材では規則的且つ連続的な座屈変形が生じないことを説明するための図
【図５】 座屈開始部となる凹部を形成する装置の正面図（ａ）及びＩ−Ｉ断面図（ｂ）
【図６】 本発明の実施例１で使用した構造部材の変位量−加重曲線を比較例と対比したグラフ
【図７】 実施例１で使用した構造部材が座屈変形した状態を示す斜視図
【図８】 実施例２で使用した構造部材の変位量−加重曲線を示すグラフ
【図９】 実施例３で使用した構造部材の変位量−加重曲線を示すグラフ
【図１０】 実施例３で使用した構造部材が座屈変形した状態を示す斜視図
【符号の説明】
１：バンパー １’：リアダンパー ２，２’：連結部材 ３：フロントサイドフレーム ３’：リアサイドフレーム ４，４’：変形開始部 ５，５’：衝撃分散部 １０：構造部材 １１：中子 １２，１３：ポンチ
１４，１５：突起 １６：下型部 １７：プラグ部 １８，１９：成形空間
Ｌ1 ，Ｌ21〜Ｌ23，Ｌ3 ，Ｌ41〜Ｌ43：側面部 Ｌ5 ，Ｌ6 ：中壁
ｎ1 〜ｎ4 ：座屈開始部となる凹部や凸部 Ｆ：衝撃
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、各種車両のフロントサイドフレーム，リアサイドフレーム等のフレーム材として使用され、軸線方向の塑性変形で衝突時等の衝撃を効率よく吸収し、運転手や同乗者を保護するアルミニウム押出し形材製の衝撃吸収フレームに関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車には、他の自動車や物体に衝突又は接触した際の衝撃を緩和させる各種の衝撃吸収部材が組み込まれている。衝撃の吸収形態には、バンパー等の構造材に液体ダンパー等を組み込む方式，構造材自体をエネルギー吸収体として使用する方式，構造体と車体との間にバネを介在させる方式等がある。なかでも、構造材の塑性変形によって衝突エネルギーを吸収する方式は、多量のエネルギーを吸収できることから、衝撃吸収部材としての展開が期待されている。たとえば、特開平６−２４７３３７号公報では、この種の衝撃吸収部材として、衝突時のエネルギーで圧潰が生じる起点となるように、圧縮加工又は張り出し加工によって脆弱部を設けることが開示されている。衝撃吸収性能を向上させた構造材は、たとえば図１にペリメタフレームの概略図で示すように、フロントサイドフレーム３又はリアサイドフレーム３’として使用される。フロントサイドフレーム３又はリアサイドフレーム３’には座屈変形の起点となる変形開始部４，４’が設けられており、連結部材２，２’には衝撃分散部５，５’が設けられている。車両の衝突等によりバンパー１に前方から衝撃が加わったとき、或いはリアバンパー１’に後方から衝撃が加わったとき、衝撃吸収フレーム３，３’は、図２で模式的に示すように、折り畳まれるように連続的に座屈変形し、加えられた衝撃を吸収する。その結果、中間部フレームＭに伝えられる衝撃が少なくなり、乗員の保護が図られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】塑性変形により衝撃エネルギーを吸収する構造材では、加えられた衝撃が構造材を座屈変形させる。この座屈が連続的に進行すると、大きな衝撃エネルギーが個々の座屈変形に分散されて吸収されるため、乗員に対する衝撃が少なくなる。衝撃エネルギーを塑性変形で吸収させる場合、塑性変形が一旦開始されると衝撃エネルギーの吸収が進行するが、塑性変形を開始させるには大きな荷重が必要になる。そのため、塑性変形の開始までに加えられる衝撃が乗員に伝えられる。そこで、塑性変形を開始するまでの衝撃を小さくするため、また折り畳まれるように連続的な座屈変形を生じさせるために、構造材の塑性変形し易い形状について種々の改良が必要とされる。しかし、特開平６−２４７３３７号公報に記載されているように、塑性変形の開始点となる脆弱部を設けても、依然として初期加重が高いレベルにある。また、一様な脆弱部を断面に設けた場合、規則的な座屈変形が生じない虞れがある。本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、構造部材につける座屈開始部の凹凸を規則化させることにより衝突初期に受ける衝撃を少なくし、且つ規則的及び連続的な座屈変形によって衝撃エネルギーを効率よく吸収する構造部材を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の構造部材は、その目的を達成するため、偶数の面で構成され内部が空洞となった多角形断面をもち、該多角形断面を周回する幅方向に座屈開始部が設けられており、前記座屈開始部は、隣り合う側面ごとに繰り返される凹部及び凸部として形成されていることを特徴とする。また、座屈開始部は、凹部及び凸部の双方を設けることなく、一つおきの側面ごとに凹部又は凸部として形成してもよい。多角形断面の代表的なものに矩形断面があり、矩形断面の相対向する辺の内側表面に延びるリブによって矩形の内部空間を複数に分割することもできる。リブが設けられる場合、リブで区画された側面部分及びリブが設けられていない側面ごとに繰り返される凹凸、或いは側面部分及び側面の一つおきに設けた凹部又は凸部で座屈開始部が形成される。
【０００５】
【作用】衝撃エネルギーは、座屈変形を規則的に且つ連続的に行わせることによって効率よく吸収される。本発明者等は、座屈変形の規則化及び連続化に与える座屈開始部の影響を調査した。その結果、構造部材の一つの断面で凹凸のつじつまを合わせるとき、座屈変形が規則化及び連続化することを見い出した。凹凸のつじつまが座屈変形に与える影響は、次のように推察される。たとえば、矩形断面をもつ構造部材においては、図３（ａ）に示すように側面Ｌ1 に凸部ｎ1 を、側面Ｌ2 に凹部ｎ2 を、側面Ｌ3 に凸部ｎ3 を、側面Ｌ4 に凹部ｎ4 を形成し、凸部ｎ1 ，ｎ3 及び凹部ｎ2 ，ｎ4 で矩形断面を周回する座屈開始部を形成する。このように座屈開始部を設けた構造部材に矢印方向の衝撃Ｆが加わると、側面Ｌ1 ，Ｌ3 は外側に変形し、側面Ｌ2 ，Ｌ4 は内側に変形する。側面Ｌ1 〜Ｌ4 の変形は、図３（ａ）の奥行方向に沿った波形状変形として構造部材の内部に伝播される。
【０００６】側面Ｌ1 ，Ｌ3 を伝播する波形状変形は、側面Ｌ2 ，Ｌ4 を伝播する波形状変形に対し半周期ずれている。その結果、座屈変形によって側面Ｌ1 ，Ｌ3 が外側に張り出した部分では側面Ｌ2 ，Ｌ4 が内側に折れ込み、側面Ｌ2 ，Ｌ4 が外側に張り出した部分では側面Ｌ1 ，Ｌ3 が内側に折れ込み、メタルフローが全体としてバランスされ、加えられた衝撃の大きさに応じて図３（ａ）の奥行方向に座屈変形が繰り返される。凹部及び凸部は、その何れか一方を側面の一つおきに形成してもよい。図３（ｂ）は、その一例を示すものであり、相対向する側面Ｌ2 ，Ｌ4 に凹部ｎ2 ，ｎ4 を形成し、残り二つの側面Ｌ1 ，Ｌ3 を平坦面としている。この形状をもつ構造部材に衝撃が加わると、側面Ｌ2 ，Ｌ4 は、座屈開始部で凹部ｎ2 ，ｎ4 に誘導されて優先的に内側に折れ込む。この反動で、側面Ｌ1 ，Ｌ3 が外側に張り出す。そして、同様に半周期ずれた波形状変形が側面Ｌ1 ，Ｌ3 及び側面Ｌ2 ，Ｌ4 に沿って奥行方向に伝播され、規則的な座屈変形が連続する。
【０００７】構造部材には、内部空間を分割するリブを備えたものもある。この場合、図３（ｃ）に示すように、座屈開始点で側面Ｌ1 が外側に張り出すような凸部をつけるとき、リブＬ5 で区画された側面部分Ｌ21には内側に折れ込む凹部をつけ、他の側面部分Ｌ22には外側に張り出す凸部をつける。また、側面Ｌ3 を内側に、側面部分Ｌ41を外側に、側面部分Ｌ42を内側に、リブＬ5 を左方向に変形させる座屈開始部とする。これによって、一つの断面内で張出し及び折れ込みのバランスがとれ、座屈変形を規則化及び連続化させる。内部空間を複数のリブＬ5 ，Ｌ6 で分割した構造部材でも、図３（ｄ）に示すように一つおきの側面部Ｌ1 ，Ｌ22，Ｌ3 ，Ｌ42に凹部ｎ1 〜ｎ4 を形成し、残りの側面部Ｌ21，Ｌ23，Ｌ41，Ｌ43を平坦にする。側面部Ｌ21，Ｌ23，Ｌ41，Ｌ43には、凸部を形成しても良い。また、リブＬ5 には側面部Ｌ1 側に向かった凹部を、リブＬ6 には側面部Ｌ3 側に向かった凹部を形成することもできる。これら凹部ｎ1 〜ｎ4 が座屈開始部となり、規則的な座屈変形を連続化させる。
【０００８】規則的な座屈変形が連続化するためには、隣り合う側面で張出し及び折れ込みが交互に生じることが必要である。たとえば、三角形断面をもつ構造部材では、一つの断面に関して張出し及び折れ込みを繰り返すことができず、図４に示すように側面Ｌ1 とＬ3 との変形が相互に干渉する。その結果、構造部材は、座屈変形が不規則化し、全体座屈となる場合もある。本発明の構造部材として使用される材料には、ＪＩＳ ５０００系，６０００系，７０００系等のアルミニウム押出し形材がある。座屈開始部は、構造部材のサイズや肉厚等にもよるが、車体の構造を考慮して、規則的な座屈変形を生じて衝撃エネルギーを吸収し易く、他の部品に重大な損傷を与えないような位置及び形状に設けることが好ましい。また、凸部の高さや凹部の深さは、構造部材のサイズや肉厚等によって異なるが、構造部材としての強度を損なうことなく乗員に与える衝撃を軽減するために、３〜１５ｍｍの範囲に設定することが好ましい。
【０００９】凹部又は凸部の形成手段は、特に本発明を拘束するものではないが、たとえば図５に示す方法が採用される。図５（ａ）に示すように構造部材１０の中空部に中子１１を挿入し、凹部を形成しようとする面側からポンチ１２，１３によって加圧力Ｐを加える。ポンチ１２，１３は、図５（ａ）のＩ−Ｉ線断面を示した図５（ｂ）にみられるように、形成しようとする凹部の形状に対応する突起１４，１５を備えている。中子１１は、可撓性のある下型部１６をプラグ部１７で装着している。中子１１と構造部材１０の内面との間に、成形空間１８，１９が形成される。構造部材１０の側壁を挟んで成形空間１８，１９にポンチ１２，１３の突起１４，１５を押し込むとき、突起１４，１５の形状に対応した凹部が構造部材１０の幅方向に形成される。成形後、プラグ部１７を図５（ｂ）の右側に一旦移動させると、可撓性のある下型部１６が縮径する。この状態でプラグ部１７を左側に移動させることにより、中子１１は、構造部材１０の中空部から引き出される。
【００１０】
【実施例】
実施例１：アルミニウム合金ＪＩＳ Ａ６０６３を使用して、図３（ａ）に示すように凸部ｎ1 ，ｎ3 及び凹部ｎ2 ，ｎ4 を相対向する側面Ｌ1 ，Ｌ3 及びＬ2 ，Ｌ4 につけた構造部材を作製した。側面Ｌ1 ，Ｌ3 は幅５０ｍｍ及び板厚３ｍｍに、側面Ｌ2 ，Ｌ4 は幅５０ｍｍ及び板厚１．５ｍｍに設計した。また、凸部ｎ1 ，ｎ3 及び凹部ｎ2 ，ｎ4 からなる座屈開始部は、構造部材の端面から２５ｍｍの位置に設定した。そして、高さ３ｍｍ及び幅５０ｍｍの凸部ｎ1 ，ｎ3 及び深さ５ｍｍ及び幅５０ｍｍの凹部ｎ2 ，ｎ4 を、治具を使用したプレスによって成形加工した。座屈開始部が付けられた構造部材各押出し形材から長さ４００ｍｍの試験片を切り出し、４．８ＫＮの錘りを落下させる落槌試験により軸方向圧縮荷重を加え、荷重と変位量との関係を調査した。また、比較のため、全周にわたり同じサイズの凸部をつけた構造部材（比較例１）及び全周にわたり同じサイズの凹部を付けた構造部材（比較例２）についても、同様に荷重と変位量との関係を調査した。
【００１１】調査結果を示す図６にみられるように、本発明に従った実施例１では、変位量−荷重の関係が周期的なサイクルで変化している。また、初期荷重も、約２６ＫＮと低い値を示した。座屈変形後の構造部材では、図７に示すように、長手方向に関して張出し及び折れ込みが周期的に繰り返され、張出し及び折れ込みの周期は側面Ｌ1 ，Ｌ3 と側面Ｌ2 ，Ｌ4 とで半周期ずれていた。これに対し、比較例１では初期荷重が３２ＫＮ，比較例２では初期荷重が３４ＫＮと大きな値を示した。何れの比較例でも、規則的座屈を生じることなく、全体座屈が発生した。しかも、ピーク値以降は極めて低い加重で全体座屈が瞬時に発生した。比較例１及び２の総吸収エネルギー量は、図６において比較例１又は２の点線より下の累積面積で表されるが、実施例１の総吸収エネルギー量に比較して極めて小さいなものであった。この対比から明らかなように、凹部及び凸部を側面ごとに繰り返した本実施例の座屈開始部は、座屈変形を規則化及び連続化させる上で有効なことが判る。しかも、初期荷重が低いことから、変形開始もスムーズに行われ、車両等の衝撃吸収部材として有用なものである。
【００１２】実施例２：実施例１と同じアルミニウム合金ＪＩＳ Ａ６０６３を使用し、図３（ｂ）に示すように凹部ｎ2 ，ｎ4 を相対向する側面Ｌ2 ，Ｌ4 につけた構造部材を作製した。側面Ｌ1 ，Ｌ3 は幅５０ｍｍ及び板厚１．５ｍｍに、側面Ｌ2 ，Ｌ4 は幅５０ｍｍ及び板厚３ｍｍに設計した。座屈開始部として、深さ５ｍｍ及び幅５０ｍｍの凹部ｎ2 ，ｎ4 を構造部材の端面から２５ｍｍの位置に設定した。なお、は、凹部ｎ2 ，ｎ4 は、治具を使用したプレスによって成形加工した。座屈開始部が付けられた構造部材各押出し形材から長さ４００ｍｍの試験片を切り出し、４．８ＫＮの錘りを落下させる落槌試験により軸方向圧縮荷重を加え、荷重と変位量との関係を調査した。調査結果を示す図８にみられるように、本発明に従った実施例２では、変位量−荷重の関係が周期的なサイクルで変化している。また、初期荷重も、約２９ＫＮと低い値を示した。座屈変形後の構造部材では、図７と同様に、長手方向に関して張出し及び折れ込みが周期的に繰り返され、張出し及び折れ込みの周期は側面Ｌ1 ，Ｌ3 と側面Ｌ2 ，Ｌ4 とで半周期ずれていた。このことから、凹部ｎ2 ，ｎ4 を形成したＬ2 ，Ｌ4 と凹部を形成しない側面Ｌ1 ，Ｌ3 を交互に繰り返した座屈開始部をつけた場合でも、構造部材は、実施例１と同様に規則的で連続的に座屈変形し、優れた衝撃吸収能を呈することが判った。
【００１３】実施例３：アルミニウム合金ＪＩＳ Ａ６０６１を使用し、図３（ｄ）に示すように凹部ｎ1 〜ｎ4 を相対向する側面Ｌ1 ，Ｌ3 及びＬ22，Ｌ42につけた構造部材を作製した。側面Ｌ1 ，Ｌ3 は幅７０ｍｍ及び板厚１．８ｍｍに、側面Ｌ21〜Ｌ23及びＬ41〜Ｌ43は幅３３ｍｍ及び板厚２．１ｍｍに、中壁Ｌ5 ，Ｌ6 は板厚１．５ｍｍに設計した。座屈開始部として、深さ５ｍｍ，幅７０ｍｍの凹部ｎ1 ，ｎ3 及び深さ５ｍｍ，幅３３ｍｍの凹部ｎ2 ，ｎ4 を構造部材の端面から２０ｍｍの位置に設定した。なお、凹部ｎ1 〜ｎ4 は、治具を使用したプレスによって成形加工した。座屈開始部が付けられた構造部材各押出し形材から長さ５００ｍｍの試験片を切り出し、４．８ＫＮの錘りを落下させる落槌試験により軸方向圧縮荷重を加え、荷重と変位量との関係を調査した。調査結果を示す図９にみられるように、本発明に従った実施例３では、変位量−荷重の関係が周期的なサイクルで変化している。また、初期荷重も、約９０ＫＮと低い値を示した。座屈変形後の構造部材では、図１０１０に示すように、長手方向に関して張出し及び折れ込みが周期的に繰り返され、張出し及び折れ込みの周期は側面Ｌ1 ，Ｌ22，Ｌ3 ，Ｌ42と側面Ｌ21，Ｌ23，Ｌ41，Ｌ43とで半周期ずれていた。このことから、中壁Ｌ5 ，Ｌ6 で内部が区切られた構造部材にあっても、凹部を形成した側面部と凹部を形成しない側面部を交互に繰り返した座屈開始部を設けることにより、構造部材が規則的で連続的に座屈変形し、優れた衝撃吸収能を呈することが判った。
【００１４】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の構造部材は、隣り合う側面或いは側面部分ごとに逆向きの変形ぐせをつける座屈開始部を設けることによって、構造部材の長手方向に関する座屈変形を規則化及び連続化させている。この構造部材を衝撃吸収用の構造体として車両に組み込んだ場合、衝突，接触等の際に加えられる衝撃が座屈変形として効率よく吸収される。また、変形初期の衝撃も小さくなる。そのため、衝撃が緩和され、乗員の保護が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 衝撃吸収フレームをフロントサイドフレーム又はリアサイドフレームに取り付けた衝撃吸収フレームをペリメタフレームに利用した概略斜視図バンパーをシャーシ側の連結部材に連結する衝撃吸収フレーム
【図２】 衝撃によって座屈変形した衝撃吸収フレーム
【図３】 本発明に従って座屈開始部を付けた構造部材の数例
【図４】 奇数辺の断面をもつ構造部材では規則的且つ連続的な座屈変形が生じないことを説明するための図
【図５】 座屈開始部となる凹部を形成する装置の正面図（ａ）及びＩ−Ｉ断面図（ｂ）
【図６】 本発明の実施例１で使用した構造部材の変位量−加重曲線を比較例と対比したグラフ
【図７】 実施例１で使用した構造部材が座屈変形した状態を示す斜視図
【図８】 実施例２で使用した構造部材の変位量−加重曲線を示すグラフ
【図９】 実施例３で使用した構造部材の変位量−加重曲線を示すグラフ
【図１０】 実施例３で使用した構造部材が座屈変形した状態を示す斜視図
【符号の説明】
１：バンパー １’：リアダンパー ２，２’：連結部材 ３：フロントサイドフレーム ３’：リアサイドフレーム ４，４’：変形開始部 ５，５’：衝撃分散部 １０：構造部材 １１：中子 １２，１３：ポンチ
１４，１５：突起 １６：下型部 １７：プラグ部 １８，１９：成形空間
Ｌ1 ，Ｌ21〜Ｌ23，Ｌ3 ，Ｌ41〜Ｌ43：側面部 Ｌ5 ，Ｌ6 ：中壁
ｎ1 〜ｎ4 ：座屈開始部となる凹部や凸部 Ｆ：衝撃
【特許請求の範囲】
【請求項１】 偶数の面で構成され内部が空洞となった多角形断面をもち、該多角形断面を周回する幅方向に座屈開始部が設けられており、前記座屈開始部は、隣り合う側面ごとに繰り返される凹部及び凸部として形成されている衝撃吸収性能に優れた構造部材。
【請求項２】 偶数の面で構成され内部が空洞となった多角形断面をもち、該多角形断面を周回する幅方向に座屈開始部が設けられており、前記座屈開始部は、一つおきの側面ごとに凹部又は凸部として形成されている衝撃吸収性能に優れた構造部材。
【請求項３】 請求項１又は２記載の多角形断面が矩形断面である衝撃吸収性能に優れた構造部材。
【請求項４】 内部が空洞となった矩形断面をもち、内部空洞を複数に分割するリブが相対向する辺の内側表面に延び、前記矩形断面を周回する幅方向に座屈開始部が設けられ、前記リブで区画された側面部分及びリブが設けられていない側面ごとに繰り返される凹凸で前記座屈開始部が形成されている衝撃吸収性能に優れた構造部材。
【請求項５】 内部が空洞となった矩形断面をもち、内部空洞を複数に分割するリブが相対向する辺の内側表面に延び、前記矩形断面を周回する幅方向に座屈開始部が設けられ、前記座屈開始部は、前記リブで区画された側面部分及びリブが設けられていない側面の一つおきに凹部又は凸部として形成されている衝撃吸収性能に優れた構造部材。
【請求項１】 偶数の面で構成され内部が空洞となった多角形断面をもち、該多角形断面を周回する幅方向に座屈開始部が設けられており、前記座屈開始部は、隣り合う側面ごとに繰り返される凹部及び凸部として形成されている衝撃吸収性能に優れた構造部材。
【請求項２】 偶数の面で構成され内部が空洞となった多角形断面をもち、該多角形断面を周回する幅方向に座屈開始部が設けられており、前記座屈開始部は、一つおきの側面ごとに凹部又は凸部として形成されている衝撃吸収性能に優れた構造部材。
【請求項３】 請求項１又は２記載の多角形断面が矩形断面である衝撃吸収性能に優れた構造部材。
【請求項４】 内部が空洞となった矩形断面をもち、内部空洞を複数に分割するリブが相対向する辺の内側表面に延び、前記矩形断面を周回する幅方向に座屈開始部が設けられ、前記リブで区画された側面部分及びリブが設けられていない側面ごとに繰り返される凹凸で前記座屈開始部が形成されている衝撃吸収性能に優れた構造部材。
【請求項５】 内部が空洞となった矩形断面をもち、内部空洞を複数に分割するリブが相対向する辺の内側表面に延び、前記矩形断面を周回する幅方向に座屈開始部が設けられ、前記座屈開始部は、前記リブで区画された側面部分及びリブが設けられていない側面の一つおきに凹部又は凸部として形成されている衝撃吸収性能に優れた構造部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開平８−２１６９１７
【公開日】平成８年（１９９６）８月２７日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平７−５０５７６
【出願日】平成７年（１９９５）２月１５日
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【公開日】平成８年（１９９６）８月２７日
【国際特許分類】
【出願日】平成７年（１９９５）２月１５日
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
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