JP3897542B2 - エネルギー吸収部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のフロント部のサイドメンバのように、軸方向から加えられる衝撃荷重を変形エネルギーに変換することにより構体全体の破壊を防ぐエネルギー吸収部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のフロント部分のエネルギー吸収部材には、図６に示すようにバンパー１、フロントサイドメンバ（以下、サイドメンバ）２等があるが、高速で大きな衝撃を受けた場合にそのエネルギーを吸収するのは主としてサイドメンバ２である。そのため、サイドメンバ２には限られたスペースでより多くのエネルギーを吸収することが求められている。
【０００３】
自動車のサイドメンバは鋼板プレス製の矩形断面角材が使用されることが多かったが、最近の軽量化要求からより軽量化が見込めるアルミ合金などの軽合金を使用したものも考えられるようになってきた。これらのサイドメンバは全体に中空の柱状をしており、図７に模式的に示すように、軸方向に圧縮されたときに壁面が蛇腹状になりながら変形して、衝撃エネルギーを金属の塑性変形エネルギーに変換することによりエネルギーを吸収している。なお、アルミ合金の場合、鋼に比べて強度も剛性も低いことから塑性崩壊しやすく、良好なエネルギー吸収能力を有している。
【０００４】
従来のサイドメンバなどに使われるエネルギー吸収部材は、特開平４−５００８３号公報又は特開平０２−１７５４５２号公報のように、軸方向に圧縮力を受けて塑性崩壊する際にいかにうまく蛇腹状に圧壊させるかということに主眼がおかれている。すなわち、故意に蛇腹状に崩壊させることによりオイラー座屈（サイドメンバそのものが折れる）を防ぎ、安定したエネルギー吸収を得ようというものである。
しかし、これらの技術ではエネルギー吸収を安定化させることはできてもエネルギー吸収量そのものを増加させることはできず、これを増加させるためには断面の大径化、厚肉化は避けられない。従って、自動車のように限られたスペース、限られた重量の中でより多くのエネルギー吸収量を確保するためには、これらの従来技術だけでは不十分となっている。
【０００５】
軽量化を図る場合、アルミなどの軽金属の使用が考えられるがアルミ合金を中心とする軽金属は鋼に比べて伸びが少なく、わずかな変形量でも割れが入ってしまうなどの欠点もある。特に、少ないボリュームで多くのエネルギー吸収能力を持たせようとした場合、熱処理や合金成分の調整などで材料強度を高める処理を行うがこのような処置を行うと材料の延性（伸び）が失われてしまう場合が多く、圧壊時に材料が割れてエネルギーを効果的に吸収できない恐れがある。また、高強度材を用いない場合はエネルギー吸収部材の肉厚を増してやる必要があり、圧壊時に形材壁面が蛇腹状に変形する際、厚肉化のため壁面表面のひずみが大きくなりすぎ、割れが入ることによりエネルギー吸収能力が落ちてしまうという欠点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
アルミニウム合金押出形材を用いることにより軽量化と良好なエネルギー吸収能力を得ることができるが、上記のように大きなエネルギー吸収能力を持たせようとした場合、材料が割れて所定のエネルギー吸収能力を得ることができない恐れがある。
本発明は上記従来技術の欠点を解消しようとするもので、その目的は、アルミニウム合金押出形材からなるエネルギー吸収部材において、限られたスペース、重量の中で高いエネルギー吸収能力を持つエネルギー吸収部材を得ることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るエネルギー吸収部材は、中空矩形断面を有するアルミニウム合金押出形材にあって、壁面部の外側に矩形断面の凸部が設けられていることを特徴とするエネルギー吸収部材である（図１参照）。ここで、矩形断面の形材とは外形が長方形又は正方形断面の形材をいう。これには断面口形のほか、目形、日形、田形等の内部にウエブを有する形材も含まれる。この形材の場合、向かい合う壁面部の外側に凸部が設けられていることが好ましい。
このエネルギー吸収部材はアルミニウム合金押出形材を用いて形成され、特に自動車のサイドメンバのように軸方向から加えられる衝撃荷重を変形エネルギーに変換することにより構体全体の破壊を防ぐ用途に適用される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図５を参照して、本発明に係るエネルギー吸収部材の構成及び作用についてより具体的に説明する。
【０００９】
図１に示すのは、中空矩形断面の形材において、壁面部の外側に高さαｔ、幅（Ｂ／β）の矩形断面の凸部を設けたものである。同図（ａ）は壁面部の１つに凸部を設けた例、（ｂ）は向かい合う２つの壁面部に凸部を設けた例、（ｃ）は３つの壁面部に、（ｄ）は４つの壁面部に凸部を設けた例であるが、圧壊時に形材が受ける荷重分布のバランスの点から、向かい合う壁面部の外側に凸部が設けられている（ｂ）又は（ｄ）がより好ましい。
【００１０】
従来の矩形断面を有する形材を軸方向に圧壊するときは、図２に示すコーナー部（円で囲んだ箇所）での塑性ヒンジラインの移動によるエネルギー吸収が多くを占めており、壁面部（コーナー部に挟まれた部分）が蛇腹状に折り畳まれるときに消費される曲げ変形エネルギーの大きさはそれ程大きくないことが知られている。このことは、コーナー部を増やしてやることによりエネルギー吸収量が増えることを示している。
つまり、このエネルギー吸収部材では、従来エネルギー吸収に余り貢献していなかった壁面部に凸状のコーナー部を設けることにより、そこで塑性ヒンジラインが形成され、このヒンジラインの移動によって衝撃エネルギーを吸収するようになっているので、大幅な重量増を招くことなく、単純な矩形断面部材よりも多くの衝撃エネルギーを吸収することができる。
【００１１】
（実施例）次に、このタイプのエネルギー吸収部材の作用効果をシュミレーション解析結果に基づいてより具体的に説明する。
図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、断面Ｂ×Ｈ、板厚ｔ、高さｈ（＝１８０ｍｍ）のアルミ押出形材について、壁面部の外側に高さαｔ、幅（Ｂ／β）の矩形断面の凸部を設けたものを、それぞれ軸方向に１ｍｍ／ｓの速度で高さｈの８０％圧縮し、図３及び図４に示すエネルギー吸収量と凸部高さパラメータα又は凸部幅パラメータβの関係図を得た。図３及び図４の縦軸は本発明型（図１（ａ）〜（ｄ））のエネルギー吸収量Ｅ_２と従来型（凸部のないもの）のエネルギー吸収量Ｅ_１の比であり、また、図３では凸部幅パラメータβ＝３と設定し、図４では凸部高さパラメータα＝５と設定した。
なお、アルミ押出形材は６Ｎ０１−Ｔ５とした。
【００１２】
図３及び図４に示すように、本発明型の形材（ａ）〜（ｄ）は、壁面部に凸部を設けることによりα、βの全ての領域で従来型よりエネルギー吸収量が増大している。
また、図５はエネルギー吸収量の比（Ｅ_２／Ｅ_１）と、本発明型の形材の断面積Ａ_２と従来型の形材の断面積のＡ_１の比（Ａ_２／Ａ_１）の関係を示すもので、本発明型の形材は、凸部の面積が増大する以上の割合で実際のエネルギー吸収量が増加していることがわかる。つまり、少ない重量増加でより大きなエネルギー吸収量の増大を図ることができる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、中空矩形断面のアルミニウム合金押出形材の壁面部の外側に矩形断面の凸部を設けることにより、少ない重量増加でより大きなエネルギー吸収量の増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わる矩形断面のエネルギー吸収部材の断面形状の種々の形態を示す図である。
【図２】従来の矩形断面のエネルギー吸収部材の断面形状を示す図である。
【図３】そのエネルギー吸収量と凸部高さパラメータαの関係を示す図である。
【図４】同じくエネルギー吸収量と凸部幅パラメータβの関係を示す図である。
【図５】同じく吸収エネルギー比（Ｅ_２／Ｅ_１）と断面積比（Ａ_２／Ａ_１）の関係を示す図である。
【図６】自動車のフロント部の構造を示す図である。
【図７】矩形断面形材の軸圧縮変形の模式図である。
【符号の説明】
１ バンパーリインホースメント
２ フロントサイドメンバ

Claims (3)

1. 中空矩形断面を有するアルミニウム合金押出形材にあって、壁面部の外側に矩形断面の凸部が設けられていることを特徴とする軸方向から加えられる衝撃荷重により蛇腹状に圧壊してエネルギーを吸収するエネルギー吸収部材。
2. 向かい合う壁面部の外側に凸部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー吸収部材。
3. 自動車のサイドメンバに用いられ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。

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