(57)【要約】【課題】閉断面形状の改良と軸長方向に対するテーパー付与といった工夫を凝らすことにより、衝突角度の変動にも対応した、軸圧潰方向の衝撃吸収特性に優れる、低コストで軽量な鋼板製クラッシュボックスを提供する。【解決手段】ハット型に曲げ加工されたハット型部材とクロージングプレートの曲げ剛性の異なる部材を重ね合わせて閉断面構造にし、前記閉断面の輪郭から外側に突出したフランジの重ね合わせ部位を接合したハット型閉断面構造の鋼板製クラッシュボックスにおいて、ハット型部材のウェブ部と、その背後に当る方向のクロージングプレートの中央部領域に、前記閉断面の内側方向にＶ字状の凹みを形成するとともに、その断面形状を軸長方向に衝突面側から後方に向かって断面積を漸増した形状とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハット型に曲げ加工されたハット型部材とクロージングプレートの曲げ剛性の異なる部材を重ね合わせて閉断面構造にし、前記閉断面の輪郭から外側に突出したフランジの重ね合わせ部位を接合したハット型閉断面構造の鋼板製クラッシュボックスであって、ハット型部材のウェブ部と、その背後に当る方向のクロージングプレートの中央部領域に対して、輪郭となる閉断面の内側方向にＶ字状の凹みを有し、かつ軸長方向に衝突面側から後方に向かって断面積を漸増させて末拡がりのテーパーを形成させることを特徴とする鋼板製クラッシュボックス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車フレーム、特にフロントフレームやリアフレームの先端に配置された、衝突時のエネルギーを効率良く吸収するための鋼板製クラッシュボックスに関する。
【背景技術】
【０００２】
低速での衝突に際しては、クラッシュボックスのみが変形してエネルギーを吸収することにより、車体やその他の車輌部品に損傷を与えず、クラッシュボックスとバンパー補強部材の交換のみで補修が完了して修理費を軽減させることを目的として設置した緩衝部材が、クラッシュボックスである。したがって、クラッシュボックスとしては、それを構成する構造部材で衝撃エネルギーをいかに有効に吸収させるかが重要になる。
クラッシュボックスは、一般にモナカ構造の閉断面を有する鋼板プレス品が主流であり、軸長方向（長手方向）に衝撃荷重を受けたとき、蛇腹状に座屈変形することで衝撃エネルギーを吸収するように設計されている。この際、衝撃吸収特性を高めるため、第一番目の座屈の起りにくさに直結するピーク荷重を下げるとともに、外乱となる変動要因に左右されず、規則正しく蛇腹状に座屈変形を生じさせて衝撃エネルギーを安定的に効率良く吸収することが重要である。
【０００３】
例えば、自動車の先頭に配置されたクラッシュボックスは基端部をフロントフレームと、また先端部はバンパー補強部材と、ボルト等で固着させた状態でフェンダーパネルと平行して配置されている。衝突事故時に自動車が正面衝突した場合、このクラッシュボックスの先端部に衝撃荷重が加わって軸長方向に座屈変形を起こすが、衝突初期の荷重は比較的大きくなる傾向がある。また正面衝突時は運転手が身の危険性を感じて反射的にハンドルをきるため、衝突角度は斜めになる可能性が高い。
【０００４】
そこで、15km／h以下の軽衝突時には、座屈初期のピーク荷重を下げてフロントフレームを含むキャビン等の後方に配置された別の構造部材が最初に損傷することを防止し（以下、本明細書ではこの要求性能を「ダメージャビリティ」と記す）、さらには±10°以内の衝突角度変動を生じた場合でも、衝突面側からフロントフレーム側に向けて順次に塑性変形が進行するよう規則正しく蛇腹状に座屈変形させ（以下、本明細書ではこの要求性能を「ロバスト性」と記す）、衝突に伴う衝撃エネルギーのほぼすべてをクラッシュボックスのみで吸収できる（以下、本明細書ではこの要求性能を「衝撃吸収能」と記す）ようにすることが要求される。言い換えれば、クラッシュボックスは、車輌損傷を最小限に抑えるため、変動要因も考慮に入れて緩衝部材として衝突性能が発現できるよう設計する必要がある。
【０００５】
従来、上記課題を解決するため、例えば特許文献１に見られるように、潰れビードと呼ばれる変形の起点を与える窪みを配置する対策が取られてきた。特許文献１で提案された構造部材は、構造面で弱い潰れビードを、部材の軸長方向に対して等間隔に、かつ、その向きが軸長方向に対して直交するよう複数配置することにより、その部位を優先的に塑性変形させ、より低い荷重で対象とする部材の初期座屈を誘発させて、かつ、衝突面側から規則正しく蛇腹状に座屈変形させるように設計されたものである。
【０００６】
また特許文献２にみられるように、衝突面側である前方から後方に向かって肉厚を漸増させることにより衝突初期のピーク荷重の低減を図るとともに、鋼板に比べて比強度（材料の単位密度に対する引張強さの比率）が高い繊維強化樹脂を材料として使用することで、部材単位質量当りの衝撃吸収能の大幅な向上を図ることを可能にした円筒状の構造部材も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５５−１３６６６０号公報
【特許文献２】特開平６−２６４９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１で提案された、いわゆる潰れビードを配置する対策では、座屈変形の再現性や安定化には非常に有効である反面、部材全体で吸収できる衝撃エネルギーを、潰れビードを配置しない場合に比べて大きく低下させてしまう。そのため、所望の衝撃吸収能が得られない場合は、部材板厚を上げて対処する必要があり、部材の質量増加を招くといった欠点がある。
また衝撃吸収能を確保するには、高張力普通鋼板への材料置換という手段もあるが、鋼板が高強度化すると材料費の上昇に繋がる。さらに、鋼板自体の伸び等のプレス成形性も低下することから、プレス成形で複数の潰れビードを設ける際に材料が割れたり、自動車衝突による座屈変形時に潰れビードを形成した箇所やスポット溶接箇所から割れを生じ易くなったりするといった欠点もあった。
【０００９】
一方、特許文献２に開示された肉厚を漸増させ、かつ繊維強化樹脂を材料に使用した構造部材は、鋼板の単純な薄肉高強度化では難しい、ダメージャビリティと部材単位質量当りの衝撃吸収能といった二つの衝突性能の向上の両立が比較的容易に達成できる点で非常に優れているが、材料費や製造に要する時間等の面で課題も多く、その適用はスポーツカー等、少量生産の高級車種に限定されるといった点で問題がある。
本発明は、これらの現状に鑑みて発明されたものであり、その閉断面形状の改良と軸長方向に対するテーパー付与といった工夫を凝らすことにより、自動車衝突時における衝突初期のピーク荷重が小さく、かつ部材単位質量当りの衝撃吸収能が高めるとともに、衝突角度の変動にも対応した、低コストで軽量な鋼板製クラッシュボックスを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の鋼板製クラッシュボックスは、その目的を達成するため、ハット形状に曲げ加工されたハット型部材とクロージングプレートの曲げ剛性の異なる部材を重ね合わせて閉断面構造にし、前記閉断面の輪郭から外側に突出したフランジの重ね合わせ部位を接合したハット型閉断面構造の鋼板製クラッシュボックスであって、ハット型部材のウェブ部と、その背後に当る方向のクロージングプレートの中央部領域に対して、輪郭となる閉断面の内側方向にＶ字状の凹みを有し、かつ軸長方向に衝突面側から後方に向かって断面積を漸増させて末拡がりのテーパーを形成させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ハット型閉断面構造を有する構造部材において、その閉断面形状をハット型部材のウェブ部と、その背後に当る方向のクロージングプレートの中央部領域に対して、閉断面の内側方向にＶ字状の凹みを設けた形状にするとともに、閉断面形状サイズを衝突面側から後方に向かって軸長方向にテーパー状にすることで断面積を漸増させている。このような形状にすることにより、衝突角度の変動にも対応した、軸圧潰方向の衝撃吸収特性に優れる軽量な鋼板製クラッシュボックスを低コストで提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】供試体として用いた各種クラッシュボックスのハット型閉断面形状の説明図
【図２】異なる断面形状を有する各種クラッシュボックスの座屈形態の違いの説明図
【図３】テーパーを付与したダブル凹断面を有するクラッシュボックスの輪郭概略図
【図４】本明細書の範囲内での落錘試験の方法を説明する概念図
【図５】落錘試験で得られた荷重−変位曲線を概念的に示す図
【図６】供試体の座屈変形を示した模式図（条件４、衝突角度＝０°）
【図７】落錘試験と同一条件の軸圧潰FEM解析で得られた座屈変形の推移図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者等は、高い衝撃吸収特性等が要求されるクラッシュボックスの高性能化について種々検討を重ねてきた。その過程で、その断面形状をいわゆるハット型閉断面にするとともに、その断面形状や部分焼入れ方法に工夫を凝らすことにより、軸圧潰強度を高めて衝撃吸収特性を向上させたクラッシュボックスが低コストで得られることがわかった。これらの知見は特開２０１１−１７８１７９号公報で提案している。
【００１４】
ところで、自動車が他の物体に衝突する場合、クラッシュボックスの軸長方向に真っ直ぐに衝撃荷重が加わることは少ない。すなわち、正面衝突して自動車の先頭に配置された両サイドのクラッシュボックスが同時に潰れる場合よりも、部分的に衝突して片方のクラッシュボックスから潰れ始めて、さらにもう片方も時間差をもって順次潰れる場合の方が多い。この場合には、クラッシュボックスは軸長方向に真っ直ぐに衝撃荷重を受けるのではなく、わずかな角度が付加された向きに対して衝撃荷重を受けることになる。このように、種々変わった角度で衝突した場合であっても、安定した衝撃吸収特性を備えておくことが要求される。
そこで、本発明者等は、断面形状がハット型閉断面の鋼板製クラッシュボックスにおいて、前記優れたダメージャビリティの他に、衝突角度に変動を生じた場合でも衝撃吸収能に対しては変動を生じにくく影響されない、高いロバスト性と衝撃吸収能を発揮し得る断面形状について検討し、本発明に到達した。
【００１５】
以下に、検討の経緯から説明する。
本発明者等は前記特開２０１１−１７８１７９号公報において、ハット型閉断面の鋼板製クラッシュボックスでは、例えば図１（ａ）に示すような単純な□形断面の鋼板製クラッシュボックスに比べて、図１（ｂ）に示すようなウェブ部に閉断面の内側方向にＶ字状の凹みを設けたシングル凹断面の鋼板製クラッシュボックスの方が優れた性能を有している旨を報告している。
【００１６】
シングル凹断面形状にすることにより性能アップが可能なので、図１（ｃ）に示すようにハット型閉断面のクロージングプレートの中央部領域にも閉断面の内側方向に窪むＶ字状の凹みを設けて、いわゆるダブル凹断面形状にしてみることにした。
さらに、ダブル凹断面の柱状クラッシュボックスを、衝突端の断面が小さく、車本側の端部に向かって断面積が徐々に大きくなるようなテーパー状にしてみることにした。
なお、各種形状の鋼板製クラッシュボックスは、ハット形状に曲げ加工されたハット型断面形状鋼板とクロージングプレートを構成する鋼板の重ね合わされたフランジ部をスポット溶接やレーザー溶接によって溶融接合したものである。
【００１７】
これら各種の形状の鋼板製クラッシュボックスについて、衝突角度を種々変更して衝撃吸収能を調べてみた。
詳細は、後記の実施例に譲るが、ハット型部材とクロージングプレートとで閉断面構造にした鋼板製クラッシュボックスにあっては、ハット型部材ウェブ部の他に、その背後に当る方向のクロージングプレートの中央部領域にも、閉断面の内側方向にＶ字状の凹みを形成し、かつ断面形状が軸長方向に衝突面側から後方に向かって断面積を漸増させることで末拡がりのテーパー状に大きくなった形状のものが、初期ピーク荷重を低減しつつ、衝撃吸収能が衝突角度変動といった外乱要因に影響されずに再現性を持って高レベルを発揮し得ることがわかり、本発明に到達したものである。すなわち、本発明により、優れたダメージャビリティの他に、高いロバスト性と衝撃吸収能を有する鋼板製クラッシュボックスを提供することができたものである。
【００１８】
ハット型部材ウェブ部の他に、その背後に当る方向のクロージングプレートの中央部領域にも閉断面の内側方向にＶ字状の凹みを形成した、いわゆるダブル凹断面形状にしたクラッシュボックスが、衝撃吸収能が向上する理由としては、次のように考えられる。
すなわち、ハット型部材ウェブ部の中央にＶ字状の凹み形成した凹断面形状を有するもの（図２（ｂ））とすると、単なる□形断面（図２（ａ））に比べて湾曲面が多く、稜線領域が４箇所から７箇所へと増加する。さらにクロージングプレートの中央部領域にもＶ字状の凹みを形成したダブル凹断面形状にしたもの（図２（ｃ））とすると、稜線領域が１０箇所へと大幅に増加する。
【００１９】
また、衝撃エネルギーを主に吸収する部位、すなわち大きな塑性ひずみを発生する部位は、図２（ａ）の一点破線の楕円中に示した平坦部の二次元的な曲げ変形部位よりも、同図中に矢印で示したように、三次元的な複雑な曲げ変形を誘発する、いわゆるコーナーＲ部等、二つの平坦部が交差する湾曲面に位置する。さらに付帯効果として、塑性ひずみが高い部位は、単位時間当りの塑性ひずみの増加割合も大きいことから、塑性ひずみ速度も当然大きくなる。稜線領域の増加により、上記の効果が複合的に作用して軸圧潰強度を大幅に増大させ、高い衝撃吸収能（衝撃吸収エネルギー）が得られたものと考えられる。
【００２０】
ところで、ダメージャビリティなる性能に直結する座屈の初期ピーク荷重は、クラッシュボックス断面のサイズ・板厚（すなわち断面積）と材料特性によって決まってくる。低速での自動車衝突に伴う最初の損傷がフロントフレーム等の後方に配置された構造部材で生じさせないようにダメージャビリティを向上させるためには、初期ピーク荷重を低減させることが有効ではあるが、板厚を薄くすること、或いは強度の低い材料の使用は、クラッシュボックスの衝撃吸収能を低下させることになるので好ましくなかった。
しかし、本発明の上記稜線領域を増加させる発想により、初期ピーク荷重を低減したものであっても高い衝撃吸収能が得られるクラッシュボックスを提供できることになる。
【００２１】
次に、柱状のクラッシュボックスにあって、その断面形状が軸長方向に衝突面側から後方に向かって末拡がりのテーパー状に大きくなった形状のものの優位性に関しては、詳細はこれも実施例の記載に譲るが、テーパー状に大きくしたことにより、断面の小さい衝突面側から断面の大きい後方に向かって順次蛇腹状に折り畳まれた状態で座屈変形が規則正しく進行することになる。この結果、衝突角度が種々変わったとしても座屈変形が規則正しく進行し、バラツキのない安定した衝撃吸収能を呈すること、すなわちロバスト性が向上することになると考えられる。
【実施例】
【００２２】
各供試体を製造した素材鋼板としては、板厚１.０ｍｍ、或いは板厚１.４ｍｍであって、４４０ＭＰａ級及び９８０ＭＰａ級の引張強さを有する自動車用加工性冷間圧延高張力鋼板を用いた。
上記素材鋼板を、表１に示す仕様、形状で供試用のクラッシュボックスを作製し、落錘試験を行ってみた。
なお、表１中、軸長方向の断面形状を末拡がりとしたダブル凹断面を有する供試体は、図３に示す形状、サイズとしている。各種供試体は、フランジ部において25mm間隔ごとにスポット溶接で接合している。各種供試体の軸長方向（長手方向）の長さは、いずれも135mmである。
【００２３】
表１中には高速引張試験機とJIS７号試験片を用いて引張試験を実施して得られた材料の動的降伏強さを示す。引張試験条件は、自動車衝突時のひずみ速度と同等レベルを想定し、試験速度は２４.６ｍ／ｓ（相当塑性ひずみ速度≒１０−３／ｓ）とした。
また、落錘試験で得られる初期ピーク荷重の大略の値をあらかじめ把握するため、供試体の動的な耐座屈強さＢＳｄを次式により算出したので、この値も表中に併記する。
ＢＳｄ＝（ＹＳｄ÷１０００）×Ａ＝（ＹＳｄ÷１０００）×｛Ｗ÷（ρ×Ｈ）｝…（１）
ここで、ＹＳｄ：材料の動的降伏強さ（ＭＰａ）、Ａ：供試体断面の平均的な断面積（ｍｍ３）、Ｗ：供試体の質量（ｋｇ）、ρ：鋼の密度（＝７．８４×１０−６ｋｇ／ｍｍ３）、Ｈ：供試体の軸長方向の長さ（ｍｍ）である。
【００２４】
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【００２５】
落錘試験は、図４に示すような態様で行った。なお、図４に示す落錘試験方法における、供試体１１と上下２個のくさび状当て板１２は、アーク溶接により連続接合している。
落錘試験は、角度−10°、0°、＋10°で衝突した場合を想定して、頂角を調整したくさび状当て板１２を用いて３態様で行った。落錘条件は、錘の質量を６４０ｋｇとし、錘の落下高さを供試体への衝突初速度が１５ｋｍ／ｈとなるように設定した。
このような落錘試験を行い、各種供試体ごとに、図５に示すような荷重−変位曲線を得るとともに、座屈の発生状況を観察した。
また、荷重−変位曲線をもとに各供試体の初期ピーク値と衝撃吸収エネルギーを算出した。ここで、任意の変位ごとに荷重を積分して得られる図５中に記載の荷重−変位曲線内に囲まれた面積が、７０ｍｍまで圧潰した際に供試体が吸収した衝撃エネルギー（または衝撃吸収能）であると定義した。得られた結果を表２にまとめて示す。
【００２６】
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【００２７】
表２に記載された初期ピーク荷重の平均値は、事前に試算した供試体の動的耐座屈強さ（すなわち、自動車衝突に相当する速度で供試体を軸圧潰した際に塑性変形を生じさせるために最低必要な力）と近い値であることから、前述したように、初期ピーク荷重が供試体断面の平均的な断面積と材料特性によってほぼ定まることは明白である。そして、クラッシュボックス以外の構造部材を最初に座屈させないように初期ピーク荷重を２２０ｋＮ以下に抑えるためには、供試体の動的耐座屈強さも２２０ｋＮ以下にする必要があることがわかった。
【００２８】
一方、表２に示す結果から明らかなように、ダブル凹断面とした条件（条件３〜７）では、稜線領域を増やしたために衝撃吸収エネルギーが飛躍的に増大する。例えば、同じ鋼板を用いた条件２，３，９では、稜線領域は、それぞれ４，１０，７となっている。つまり、初期ピーク荷重の平均値にはそれぞれ大きな差はないが、稜線領域を増やすことで衝撃吸収エネルギーは大幅に増大させることができることになる。
【００２９】
以上より、上記の手順に従えば、初期ピーク荷重と衝撃吸収能の二つの特性を、ある程度は独立した状態で、個別に所望する特性となるよう設計できるわけである。
さらには、末拡がりのテーパーを有する提案構造（条件４〜７）は、テーパーを形成していない条件３に比べると、衝撃吸収能はやや低いが、テーパー付与は座屈変形の再現性と安定化に有効であることから、衝突角度変動に起因した各特性値のばらつきの抑制に対して有効で、すなわちロバスト性に優れることがわかる。
【００３０】
テーパーを付与した供試体における座屈変形の経時的変化の一例を図６に示す。表１中の条件４で示した供試体について、衝突角度０°で落錘試験を実施した際に高速ビデオにて観察された座屈変形の状況を模式的に示したものである。衝突面側から順次蛇腹状に座屈変形していくことがわかる。
また、図７にはFEM解析で得られたクラッシュボックスの座屈変形の経時的変化を、供試体へのテーパー付与の影響が比較できるよう、以下４条件の解析結果を並べて示す。図７中の（ａ）は、テーパーを付与していない条件３の供試体を衝突角度０°の条件下で圧潰した場合であり、（ｂ）は同一の供試体に対して衝突角度を＋１０°に変更した場合の解析結果である。また、図７の（ｃ）は、テーパーを付与した条件４の供試体を衝突角度０°の条件下で圧潰した場合であり、（ｄ）は同一の供試体に対して衝突角度を＋１０°に変更した場合の解析結果である。
ハット型閉断面の断面積を軸長方向で一定にした条件３は、第一番目の座屈発生箇所が定まっておらず再現性に欠けるが、条件４の場合には、テーパーの付与により、座屈変形が周長の短い衝突面側から周長の長い後方へと順次蛇腹状に折り畳まれた状態で規則正しく進行していることがわかる。
【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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