JP5167823B2

JP5167823B2 - 衝撃吸収部材

Info

Publication number: JP5167823B2
Application number: JP2008006066A
Authority: JP
Inventors: 正俊阿部; 直哉小坂
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-15
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2028-01-15
Also published as: JP2009168115A

Description

本発明は、例えば車両の衝突時に車両に入力される衝撃荷重を吸収するための衝撃吸収部材に関するものである。

従来の衝撃吸収部材としては、例えば特許文献１に記載されているように、扁平な略八角形の部材横断面を有し、互いに対向する２つの長辺部の一部に台形状の溝部が設けられているクラッシュボックスが知られている。
特許第３９１２４２２号

しかしながら、上記従来技術の衝撃吸収部材においては、部材横断面を形成する稜線の各辺の長さや形状が一定ではないため、衝突により衝撃荷重を受けたときの圧潰状況が各面で異なり、各面同士の圧潰干渉が生じる。従って、安定した荷重特性が得られなくなるため、衝撃吸収性の悪化につながる。

本発明の目的は、衝突時の衝撃吸収性を向上させることができる衝撃吸収部材を提供することである。

本発明は、衝突時に発生する衝撃荷重を吸収するための衝撃吸収部材において、凹凸状に形成された部材横断面を有し、部材横断面を形成する稜線が全て直線で形成されていると共に、稜線の各辺の長さが全て実質的に等しくなっており、稜線の凸状角部の角度が全て鋭角となっていることを特徴とするものである。

このような本発明の衝撃吸収部材においては、部材横断面を形成する稜線を全て直線で形成することに加え、当該稜線の各辺の長さを全て実質的に等しくすることにより、衝突により衝撃荷重を受けたときの圧潰挙動が各面で等しくなるため、各面同士の圧潰干渉の発生が防止されるようになる。また、部材横断面の形状を凹凸状とすることにより、部材横断面を形成する稜線の各辺の長さが短くなるため、１回の圧潰による座屈波長が短くなる。以上により、衝撃吸収部材の荷重特性の安定性が良くなるため、衝突時における衝撃吸収部材の衝撃吸収性を向上させることができる。

また、稜線の凸状角部の角度が全て鋭角となっていることにより、衝撃吸収部材の圧潰荷重が十分高くなるため、衝撃吸収部材の荷重特性の安定性が更に良くなる。これにより、衝突時における衝撃吸収部材の衝撃吸収性を一層向上させることができる。

好ましくは、部材横断面が全体にわたって凹凸状に形成されている。この場合には、衝撃吸収部材の局部剛性が強くなるため、衝撃吸収部材が折れにくくなる。
また、好ましくは、部材横断面の形状がスター形である。

本発明の衝撃吸収部材によれば、衝突時の衝撃吸収性を向上させ、衝撃エネルギーの吸収を効率良く行うことができる。

以下、本発明に係わる衝撃吸収部材の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる衝撃吸収部材の一実施形態を示す斜視図（一部断面を含む）であり、図２は、図１に示した衝撃吸収部材の横断面図である。同図において、本実施形態の衝撃吸収部材１は、車両の衝突時に車両に生じる衝撃荷重を吸収するための部材であり、例えば車両の前部に設けられたバンパーのクラッシュボックスとして使用されるものである。この場合、衝撃吸収部材１は、車両のフロントサイドメンバの前端面に接合されることになる。

衝撃吸収部材１は、両端が開放された中空部材であり、鉄やアルミニウム等で形成されている。衝撃吸収部材１は、例えば押し出し加工により一体成形したり、複数枚の平板を溶接して作ることができる。

衝撃吸収部材１の横断面（衝撃吸収部材１の長手方向に直交する断面）の形状は、略ダブル十字形となっている。つまり、衝撃吸収部材１の横断面は、縦横両方向に対して矩形状の凸部２が複数形成された凹凸形状をなしている。このように衝撃吸収部材１の横断面の形状を全体にわたって凹凸状とすることにより、衝撃吸収部材１の局部剛性が高くなり、衝撃吸収部材１が折れにくくなる。

衝撃吸収部材１の横断面（以下、部材横断面ということがある）を形成する稜線３は、全て直線で形成されている。ここでいう「直線」とは、見た目上で直線ということであり、例えば肉眼では分からない微小な凹凸や曲線については直線とみなすこととする。

部材横断面を形成する稜線３の各外辺（外側の辺）３ａ及び各内辺（内側の辺）３ｂの長さは、全て実質的に等しくなっている。ここでいう「実質的に等しい」とは、必ずしも完全に等しいものだけに限られるものではなく、僅かな誤差（例えば数ｍｍ程度の誤差）でしかないものも含んでいる。

また、部材横断面を形成する稜線３における凸部２の両側の角部（凸状角部）４の角度は、全て９０度となっている。

車両の衝突時には車両に衝撃荷重が入力されるが、その衝撃荷重を衝撃吸収部材１が軸方向の圧潰荷重（軸圧縮荷重）として受け、その軸圧縮荷重により衝撃吸収部材１が座屈変形することで、衝撃エネルギーが緩和されることになる。

このとき、衝撃吸収部材１に求められる性能としては、限られたスペース及び荷重上限内で可能な限り衝撃吸収量を稼ぐことが重要である。そのためには、衝撃吸収部材１において質量効率の良い圧潰荷重を得ることにより、衝撃吸収部材１の荷重特性（図３及び図４参照）を向上させる必要がある。

質量効率の良い圧潰荷重を得るためには、第１に、圧潰荷重の波形における山谷のレベル差を小さくすることで、平均圧潰荷重を高くする必要がある。例えば図３に示す荷重特性では、圧潰荷重Ａの波形（破線参照）及び圧潰荷重Ｂの波形（実線参照）の山（荷重ピーク）の大きさが一定であるが、圧潰荷重Ａの波形における山谷のレベル差が圧潰荷重Ｂの波形における山谷のレベル差よりも小さいため、圧潰荷重Ａの平均値Ａ_aveが圧潰荷重Ｂの平均値B_aveよりも高くなる。

第２に、衝撃吸収部材１全体にわたって軸圧潰（軸圧縮）を安定して起こす必要がある。具体的には、図３に示すように、圧潰荷重の波形における山（荷重ピーク）の大きさがほぼ一定になるようにし、更に圧潰荷重の波形における波長（座屈波長）がほぼ一定になるようにする。例えば図４に示すように、衝撃吸収部材１の圧潰途中から、圧潰荷重の波形における荷重ピーク及び座屈波長が不安定になると、これに伴って平均圧潰荷重も下がるため、質量効率が悪くなってしまう。

また、衝撃吸収部材１の圧潰荷重は、部材横断面を形成する稜線３の凸状角部４の角度に応じて変化する。

ここで、図５に示すように、断面山形状の板材６の折れ角θを９０〜１５０度の範囲内で変えた時の破壊荷重をＣＡＥ解析により評価した。その評価結果を図６に示す。図６から分かるように、板材６の折れ角θが小さくなるほど破壊荷重が上がるようになる。これにより、衝撃吸収部材１の横断面を形成する稜線３の凸状角部４の角度が小さくなるほど、衝撃吸収部材１の圧潰荷重が高くなると言える。

ところで、衝撃吸収部材に曲面部が存在している、つまり衝撃吸収部材の横断面を形成する稜線に曲線部分が含まれていると、以下の不具合が生じる。即ち、曲面部での圧潰荷重は、平面部での圧潰荷重よりも低くなる。このため、曲面部では、平面部に比し、狙いの圧潰荷重を出すための質量がかかることになり、質量効率が悪化する。また、衝撃吸収部材に平面部と曲面部とが混在していると、平面部及び曲面部での圧潰状況が異なるため、それらの圧潰干渉が生じ、圧潰荷重の波形における山谷間の距離が長くなってしまう。さらに、軸圧潰以外の入力（曲げ等）に対しては、曲面部の局部剛性が平面部の局部剛性に比べて弱くなってしまう。

また、衝撃吸収部材の横断面を形成する稜線の各辺の長さが異なっていても、圧潰状況の違いによる圧潰干渉が生じるため、上記と同様に圧潰荷重の波形における山谷間の距離が長くなるという問題が発生する。

これに対し、本実施形態の衝撃吸収部材１においては、部材横断面を形成する稜線３の各辺３ａ，３ｂが全て直線で形成されており、しかも各辺３ａの長さが全て実質的に等しくなり、各辺３ｂの長さが全て実質的に等しくなっている。このため、衝撃吸収部材１の各面での軸圧潰挙動が等しくなるため、各面同士の圧潰干渉の発生が防止される。従って、圧潰荷重の波形における山谷間の距離が短くなるため、平均圧潰荷重が高くなる。また、圧潰荷重の波形における座屈波長が一定になりやすくなるため、軸圧潰が安定して起きるようになる。

また、衝撃吸収部材１の横断面形状は全体的に凹凸状となっているので、衝撃吸収部材１の横断面を形成する稜線３の一辺長が短くなる。このため、限られた断面サイズ（図２の破線参照）内において稜線３の線長全体が増えることになるため、平均圧潰荷重が高くなる。また、部材横断面を形成する稜線３の一辺長が短くなることで、一回の圧潰挙動がコンパクトになるため、圧潰荷重の波形における座屈波長が短くなり、この点でも軸圧潰が安定して起きるようになる。

また、衝撃吸収部材１の横断面を形成する稜線３の凸状角部４の角度が全て９０度となっているため、衝撃吸収部材１の圧潰荷重自体が高くなり、結果的に平均圧潰荷重が高くなる。

このように衝撃吸収部材１の平均圧潰荷重が高くなると共に、衝撃吸収部材１の軸圧潰が安定して起きるようになるので、質量効率の良い十分な圧潰荷重を得ることができる。これにより、車両の衝突時に衝撃吸収部材１に必要な衝撃吸収能力を向上させることが可能となる。

図７は、図１に示した衝撃吸収部材１の変形例を示す斜視図（一部断面を含む）である。本変形例における衝撃吸収部材１１の横断面の形状は、スター形となっている。つまり、衝撃吸収部材１１の横断面は、四方に対して山形状の凸部１２が複数形成された凹凸形状をなしている。

衝撃吸収部材１１の横断面（以下、部材横断面ということがある）を形成する稜線１３は、全て直線で形成されている。また、部材横断面を形成する稜線１３の各外辺１３ａ及び各内辺１３ｂの長さは、全て実質的に等しくなっている。さらに、部材横断面を形成する稜線１３の凸状角部１４の角度は、全て鋭角となっている。

このように部材横断面を形成する稜線１３が全て直線で形成されており、しかも稜線１３の各辺１３ａ，１３ｂの長さが全て実質的に等しくなっているため、衝撃吸収部材１１の各面での軸圧潰挙動が等しくなり、各面同士の圧潰干渉の発生が防止される。従って、圧潰荷重の波形における山谷間の距離が短くなるため、平均圧潰荷重が高くなり、軸圧潰が安定して起きるようになる。

また、衝撃吸収部材１１の横断面が全体的に凹凸形状をなしているので、部材横断面を形成する稜線１３の一辺長が短くなる。このため、圧潰荷重の波形における座屈波長が短くなると共に、衝撃吸収部材１１の局部剛性が高くなる。

さらに、部材横断面を形成する稜線１３の凸状角部１４の角度が全て鋭角となっているため、衝撃吸収部材１１の圧潰荷重が十分高くなる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、衝撃吸収部材の横断面形状は、上記の略ダブル十字形及びスター形に限られず、種々変形可能である。このとき、衝撃吸収部材の横断面を形成する稜線の少なくとも一部において凸状角部の角度が９０度以下であるのが好ましい。

本発明に係わる衝撃吸収部材の一実施形態を示す斜視図（一部断面を含む）である。図１に示した衝撃吸収部材の横断面図である。衝撃吸収部材の荷重特性の一例を示すグラフである。衝撃吸収部材の荷重特性の他の例を示すグラフである。断面山形状の板材の折れ角を変えた時の破壊荷重の評価方法を示す図である。図５に示した評価方法により破壊荷重を評価した結果を示すグラフである。図１に示した衝撃吸収部材の変形例を示す斜視図（一部断面を含む）である。

符号の説明

１…衝撃吸収部材、３…稜線、３ａ…外辺、３ｂ…内辺、４…凸状角部、１１…衝撃吸収部材、１３…稜線、１３ａ…外辺、１３ｂ…内辺、１４…凸状角部。

Claims

衝突時に発生する衝撃荷重を吸収するための衝撃吸収部材において、
凹凸状に形成された部材横断面を有し、
前記部材横断面を形成する稜線が全て直線で形成されていると共に、前記稜線の各辺の長さが全て実質的に等しくなっており、
前記稜線の凸状角部の角度が全て鋭角となっていることを特徴とする衝撃吸収部材。
前記部材横断面が全体にわたって凹凸状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の衝撃吸収部材。
前記部材横断面の形状がスター形であることを特徴とする請求項１または２記載の衝撃吸収部材。