(57)【要約】  【課題】  衝突の際の吸収エネルギの量が大きくかつ荷重変動の小さい、吸収エネルギ効率の高い断面形状を有する衝撃吸収部材を、製造条件の変動による衝撃吸収性能のばらつきを抑制しながら、安定して提供する。  【解決手段】  長手方向へ伸びる複数の稜線部と該稜線部以外の他の部分とを備え、衝撃荷重を受けて長手方向に座屈することにより衝突エネルギを吸収する衝撃吸収部材であって、稜線部と他の部分との板厚比率（（稜線部の板厚／他の部分の板厚）×１００）が７８％以上９７％以下であることを特徴とする衝撃吸収部材である。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向へ伸びる複数の稜線部と該稜線部以外の他の部分とを備える筒体からなり、衝撃荷重を受けて長手方向に座屈することにより衝突エネルギを吸収する衝撃吸収部材であって、前記稜線部と該他の部分との板厚比率である（該稜線部の板厚／該他の部分の板厚）×１００（％）が７８％以上９７％以下であることを特徴とする衝撃吸収部材。
【請求項２】
前記他の部分は平面部である請求項１記載の衝撃吸収部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衝撃吸収部材に関する。具体的には、本発明は、例えば自動車等の車両の衝突時に発生する衝撃エネルギを吸収することができる衝撃吸収部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、現在の多くの自動車の車体は、軽量化及び高剛性を両立するために、フレームと一体化したボディ全体によって荷重を支えるモノコックボディにより、構成される。自動車の車体は、車両の衝突時には、車両としての機能損傷を抑制するとともにキャビン内の乗員の生命を守る機能を有さなければならない。車両の衝突時の衝突エネルギを吸収してキャビン内への衝撃力を緩和することによってキャビンの損傷をできるだけ低減するためには、例えばエンジンルームやトランクルームといったキャビン以外のスペースを優先的に潰すことが有効である。このような安全上の要請から、車体の前部、後部あるいは側部等の適宜箇所には、衝突時に衝撃荷重が負荷されると圧壊することによって衝突エネルギを積極的に吸収するための衝撃吸収部材が設けられてきた。これまでにも、このような衝撃吸収部材として、フロントサイドメンバ、サイドシルさらにはリアサイドメンバ等が知られている。
【０００３】
近年、クラッシュボックスといわれる衝撃吸収部材をフロントサイドメンバの先端に、例えば締結や溶接等の適宜手段によって装着することによって、車体の安全性の向上と、軽衝突による車体の損傷を略解消することによる修理費の低減とをともに図ることも行われるようになってきている。クラッシュボックスとは、負荷された衝撃荷重によって長手方向に蛇腹状に優先的に圧潰することによって衝突エネルギの吸収量（本明細書では「吸収エネルギの量」ともいう）を多くするための部材である。
【０００４】
フロントサイドメンバ等やこのクラッシュボックスといった衝撃吸収部材に要求される衝撃吸収性能を具体的に説明すると、（ａ）衝撃荷重が軸方向に負荷されるとその負荷方向へ繰り返し安定して座屈することにより蛇腹状に変形すること、（ｂ）衝撃吸収部材の圧壊時の平均荷重が高いこと、さらには、（ｃ）衝撃吸収部材の圧壊の際に発生する最大反力がこの衝撃吸収部材の近傍に配置された他の部材を破壊しない範囲に抑制されることの三点である。
【０００５】
つまり、軸方向へ衝撃荷重が負荷された衝撃吸収部材が、その圧壊時に、蛇腹状の変形を継続することができずに断続的に折れ曲がり変形を伴ってしまうと、荷重の山および谷が繰り返し発生する荷重変動が発生する。この折れ曲がり変形を生じる間は軸圧壊荷重が急激に低下するため、衝撃吸収部材の吸収エネルギの量が大幅に低下する。このような軸圧壊荷重の急激な低下を防止するには、衝撃吸収部材の板厚を増加することが最も簡単であるが、これでは、自動車車体に強く要求される軽量化に著しく反してしまう。したがって、この衝撃吸収部材の近傍に存在する他の自動車車体構成部材を破壊しない限界の荷重レベルまで衝撃吸収部材の形状および材料仕様を調整するためには、衝撃荷重を負荷された衝撃吸収部材が、折れ曲がり変形を伴うことなく、確実に蛇腹状に圧潰して安定した軸圧壊変形を生じることが、不可欠となる。
【０００６】
このように、最も効率的に衝撃エネルギを吸収して高衝突性能を得るために、軸方向へ衝撃荷重が負荷された衝撃吸収部材の座屈時に発生する荷重変動を小さくすること、つまり圧壊中の衝撃吸収部材に対する荷重をできるだけ一定に推移させることが望まれている。
【０００７】
このような背景下にあって、衝撃吸収部材の衝撃吸収性能を向上させるための材質や形状がこれまでにも積極的に開発されてきた。
フロントサイドメンバ等の一般的に用いられてきた衝撃吸収部材は、例えば特許文献１に開示されるような、ハット形の断面形状の部材に設けられたフランジを介して裏板を溶接した箱状部材からなるものである。
【０００８】
これに対し、特許文献２には、一端から他端へ向けての横断面形状が四角形以上の多角形からこの多角形よりも辺の数が多い他の多角形へと連続的に変化する閉断面構造とすることによって、衝突初期の荷重を低減しながら吸収エネルギの量を増加させた衝撃吸収部材に係る発明が開示されている。
【０００９】
特許文献３には、内部に隔壁を有する多角形の閉断面形状を有する衝撃吸収部材に係る発明が開示されている。
さらに、特許文献４には、軽量で高性能を示すアルミ等の押し出し部材において吸収エネルギの量を高めるために、稜線の曲線部分（Ｒ部分）の板厚が、加工前の元の板厚よりも薄く形成したエネルギ吸収部材に係る発明が開示されている。この発明は、アルミ押し出し部材は、板厚が厚いとともに延性が低いことに起因して、圧壊時に稜線部に表面割れが発生して荷重が低下し、エネルギ吸収能が劣化することの対策として、稜線の曲線部分（Ｒ部分）の板厚を薄くすることにより、座屈時のしわ表面部に発生する塑性ひずみの絶対値を小さくし、これにより、表面割れの発生を抑制しようとするものである。
【特許文献１】特開平８−１２８４８７号公報
【特許文献２】特開平９−２７７９５３号公報
【特許文献３】特開２００３−４８５６９号公報
【特許文献４】特開平１０−４５０２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これらの従来の発明は、いずれも、吸収エネルギの量を高めるための手段としては高荷重化に主眼をおいている。衝突安全に対する法規制の強化が進む中、衝撃吸収部材にはさらなる高荷重化が求められるが、従来のこれらの発明では、高い平均圧潰荷重を有し、蛇腹状に確実に変形することにより吸収エネルギが高いことから、他部材の損傷を抑制する範囲内で高荷重を安定して維持することができる衝撃吸収部材を提供することは、できない。
【００１１】
すなわち、自動車の車体に用いられる衝撃吸収部材の横断面形状は、殆どの場合、矩形等の扁平形状である。このため、特許文献２により開示されたような単純な正多角形等の多角形の横断面形状を有する衝撃吸収部材を用いることは難しい。また、特許文献２により開示された発明では、衝撃吸収部材の略全長に渡って横断面形状が徐々に変化するため、軸方向の位置によっては不可避的に安定した座屈には適さない横断面形状になってしまう。したがって、この衝撃吸収部材は、衝撃荷重が軸方向に負荷されると、衝撃荷重の負荷方向へ繰り返し安定して座屈することができず、蛇腹状に変形しないおそれがある。
【００１２】
特許文献３により開示された発明では、隔壁を設けられた部分の強度が過剰に上昇するおそれがある。このため、この発明では、座屈が不安定となってかえって吸収エネルギの量が不足するおそれがあるとともに、圧壊の特に初期に衝撃吸収部材に生じる最大反力が他の部材の強度を超え、衝撃吸収部材が圧壊される前に他の部材が先に圧壊してしまうおそれもある。また、この発明では、内部に隔壁を設ける分だけ衝撃吸収部材の重量が不可避的に増加する。このため、この発明では近年特に強く要請されている車体の軽量化に逆行する。
【００１３】
さらに、特許文献４により開示された発明では、稜線部の板厚が過剰に低下するため、衝撃荷重を負荷された際、軸方向に蛇腹状に安定して圧壊しないおそれがあり、さらに、押し出し加工以外の方法では製造できないという問題もある。
【００１４】
さらに、これらの特許文献１〜４により開示された衝撃吸収部材を実際に製造しようとすると、これらの衝撃吸収部材は複雑な形状であることから、製作方法ならび製作時の製造条件バラツキによる微小な形状の違いによって、性能が顕著に変化してしまい、安定して製造することができないという問題もある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、長手方向へ伸びる複数の稜線部と該稜線部以外の他の部分とを備え、衝撃荷重を受けて長手方向に座屈することにより衝突エネルギを吸収する衝撃吸収部材であって、稜線部と他の部分との板厚比率（（稜線部の板厚／他の部分の板厚）×１００）が７８％以上９７％以下であることを特徴とする衝撃吸収部材である。
【００１６】
この本発明に係る衝撃吸収部材では、他の部分が平面部であることが望ましい。この場合に、この衝撃吸収部材が、複数の稜線部を頂点とするとともに他の部分を辺とする、閉断面の多角形の横断面を有することが望ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、衝突の際の吸収エネルギの量が大きくかつ荷重変動の小さい、吸収エネルギ効率の高い断面形状を有する衝撃吸収部材を、製造条件の変動による衝撃吸収性能のばらつきを抑制しながら、安定して提供することができる。
【００１８】
このため、本発明によれば、任意の横断面形状に対してもその横断面形状が有する衝撃吸収性能を効果的に発揮させることができ、高い衝突性能が得られ、自動車の衝突安全性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る衝撃吸収部材を実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。まず、本発明の基となった基礎的知見事項について説明する。
長手方向へ延びた複数の稜線部と、これらの稜線部の間に平面部とを備える衝撃吸収部材を用いて衝突試験を行うことにより、以下に列記する知見（ｉ）〜（ｖｉ）を得た。
【００２０】
（ｉ）稜線部は座屈の発生の起点となり、一方、平面部は座屈しわが発生して成長する際の曲げ変形を支配する。稜線部と平面部とは、板厚の影響が異なる。すなわち、板厚は、稜線部では座屈のし易さならびに変形荷重に影響を及ぼし、平面部では座屈しわの成長時（曲げ変形時）の荷重に影響を及ぼす。
【００２１】
（ｉｉ）衝撃荷重を負荷されることにより、稜線部には圧縮のひずみが蓄積し、稜線部の座屈が発生するまでは荷重が上昇するが、その後に座屈開始および座屈しわの成長を経るに伴って荷重が低下する。その後、次の座屈へ移行する。
【００２２】
（ｉｉｉ）衝撃荷重のフラット化を促進するためには、短時間で座屈を発生させ、かつ座屈しわを小さくすることが有効である。
（ｉｖ）稜線部の板厚が平面部の板厚よりも薄いと、座屈の起点となる稜線部に効果的に圧縮のひずみを蓄積させることができ、短時間で座屈を誘発させることができる。しかし、極端に薄いと、座屈時に変形荷重が小さくなるばかりか、稜線部の剛性が過度に低下して衝撃吸収部材の断面の広がりを誘発し、圧縮ひずみを効果的に蓄積できなくなるために、狙いとする短時間での座屈の発生が抑制されてしまう。
【００２３】
（ｖ）平面部の板厚が大きいと、座屈しわの成長の際の変形抵抗が高くなり、荷重の谷を底上げすることが可能となる。
（ｖｉ）以上の結果より、座屈の発生の起点となる稜線部、および座屈しわを形成する平坦部の板厚分布を制御することによって、高い荷重を維持しながら、短時間での座屈を発生を容易にし、荷重変動が小さい優れた荷重特性を得ることができる。
【００２４】
このような基礎的知見に基づいて、高荷重と低荷重変動を両立することができる、稜線部および稜線部以外の部分（稜線間一般平面部）の板厚のバランスを、ＦＥＭ解析を行うことによって検討した。
【００２５】
剛体壁が１７．７ｍ／ｓｅｃの速度で直径１２０ｍｍの円に内接する閉断面の正１２角形の横断面形状を有する衝撃吸収部材（以下、単に「正１２角形部材」という）についてＦＥＭ解析を行った。図１は、このＦＥＭ解析による正１２角形部材の変形を示す説明図である。
【００２６】
この衝撃吸収部材の長さは２２０ｍｍである。また、解析に用いた材料は５９０ＭＰａ高張力鋼板であり、ひずみ速度依存性はＣｏｗｐｅｒ−Ｓｙｍｏｎｄｓ則により考慮した。検討に用いた稜線部の曲率半径Ｒは４ｍｍである。
【００２７】
このＦＥＭ解析では、稜線間一般平面部の板厚を１．６ｍｍとするとともに、座屈挙動を支配する稜線部の板厚を１．２０、１．２８、１．４４、１．５２及び１．６０ｍｍと変化させて、変位と荷重との関係（荷重曲線）を求め、この荷重曲線から変位が１２５ｍｍとなるまでのエネルギ吸収量（ＥＡ量）と、変位が１５〜１２５ｍｍである間における損失エネルギ量（損失ＥＡ量）とを求めた。
【００２８】
平均荷重に対する荷重フラット性の優劣を評価するために、図２にグラフで示すように、得られた荷重曲線と変位が１５〜１２５ｍｍである間における平均荷重に対する荷重変動分の面積を加算し、フラット荷重（平均荷重）に対して損失した損失ＥＡ量とした。
【００２９】
そして、板厚比率が１００％である場合、すなわち稜線部と稜線間一般平面部とが同じ板厚である場合のＥＡ量と、損失ＥＡ量とを基準として、それぞれＥＡ性能比（ＥＡ量／板厚比率１００％時のＥＡ量）、フラットネス性能比（損失ＥＡ量／板厚比率１００％時のＥＡ量）として評価し、相対比較した。図３には、各種部材のＥＡ性能比、およびフラットネス性能比をグラフで示す。
【００３０】
図３にグラフで示すように、稜線部と稜線間一般平面部との板厚比率によって、ＥＡ性能比およびフラットネス性能比が変化する。
図３にグラフで示すように、ＥＡ性能（ＥＡ量）は、稜線部の板厚を稜線間一般平面部よりもやや薄くすることにより増大するものの、板厚比率が０．７８よりも小さくなると低下する。
【００３１】
一方、フラットネス性能（フラットネス性能比）は、ＥＡ性能と同様に、稜線部の板厚を稜線間一般平面部よりもやや薄くすることにより小さい値を示し荷重変動がなく良好な性能を示した。しかしながら、板厚比率が０．７８よりも小さくなると、フラットネス性能比も上昇する。
【００３２】
これは、稜線部の板厚を稜線間一般平面部よりもやや薄くすることにより、軸方向荷重が付与されると、弾性変形内での断面の広がりが抑制され、効果的に稜線部に圧縮のひずみが付与され、稜線の座屈が発生し易くなる。これにより、稜線部において座屈が短周期で繰り返し発生し、ＥＡ量の増大と、荷重のフラット化とが促進される。
【００３３】
以上の検討は、閉断面の正１２角形部材について行ったが、作用が同様であることから、正１２角形部材以外の他の閉断面の多角形部材についても同様に成り立つものである。すなわち、４つ以上のコーナ部を有する板材で製作された部材において、コーナ部は断面内の他の部位に対し、剛性が高く、まず圧縮のひずみが蓄積され、その後コーナ部から座屈変形が発生する。コーナ部が軸方向の衝撃荷重が作用した際に圧壊変形（塑性座屈）の起点となり、コーナ部と他の部分との板厚のバランスにより圧壊変形の挙動が変化する。この現象は、正１２角形部材以外の他の多角形断面部材においても同様である。
【００３４】
したがって、正１２角形部材のみならず、他の閉断面の多角形部材についても、平面部の板厚に対して、稜線部の板厚を比率で７８％以上９７％以下とすることにより、衝突時のエネルギ吸収能は向上し、理想とするフラット荷重に近づく。
【００３５】
つまり、衝撃吸収部材を製造する段階で、稜線部および稜線間一般平面部の板厚比率を７８％以上９７％以下に制御することが重要である。板厚比率が７８％未満である場合は、稜線部の強度低下が大きく変形荷重が小さくなり高いＥＡ性能が得られないとともに，荷重変動も大きくなる。また、板厚比率が９７％超であると、荷重のフラット化および高いＥＡ性能が得られない。同様の観点から、板厚比率は、８０％以上９５％以下であることが望ましい。
【００３６】
このように、稜線部および稜線間一般平面部の板厚比率を７８％以上９７％以下に制御するには、衝撃吸収部材の成形時に、稜線に相当する部位に変形を集中させることにより、板厚の減少を局所的に促進させればよい。このため、本実施の形態の衝撃吸収部材は、予成形とリストライク成形とを組み合わせることや、または、平板の段階で板厚差を事前に付与しておくために、差厚鋼板の適用や、ビード（エンボス）での成形による板厚の制御、圧延による部分的な板厚の調整、ハイドロフォーム成形での雌型のＲ形状と内圧の最適化、さらには板厚が異なる鋼板をテーラードブランクにより溶接すること等により製造することが例示される。
【００３７】
なお、以上の説明では、稜線部間が稜線間一般平面部により構成される衝撃吸収部材の場合を示したが、これに限定されず、稜線部間が稜線部の剛性より小さい剛性を有する曲面部により構成される衝撃吸収部材に対しても同様に適用できる。
【００３８】
すなわち、稜線部の剛性より小さい剛性を有する曲面部を有する衝撃吸収部材では、軸方向に衝撃荷重が作用した際に、剛性が高い稜線部が圧壊変形の起点となる。したがって、稜線部とその他の部分の板厚バランスによって座屈の形態を制御する技術思想は、稜線部間が曲面部であっても適用できる。
【００３９】
このように、本実施の形態により、衝突の際の吸収エネルギの量が大きくかつ荷重変動の小さい、吸収エネルギ効率の高い断面形状を有する衝撃吸収部材を、製造条件の変動による衝撃吸収性能のばらつきを抑制しながら、安定して提供することができる。
【実施例】
【００４０】
さらに、本発明に係る衝撃吸収部材の効果を検証するため、下記の衝突試験を行った。
５９０ＭＰａ級、板厚１．０ｍｍ、１．６ｍｍの高張力鋼板を使用し、図４に示す部材長さ３００ｍｍの典型的なハット断面形状の部材Ａと、正１２角形の横断面形状の部材長さ１８０ｍｍの部材Ｂを用い、稜線部および稜線間一般平面部の板厚を、部材Ａ，Ｂの製作工程で変化させた。
【００４１】
すなわち、部材Ａは、板厚比率が８０％まではプレス成形において、第１回目の成形としてパンチＲ、ダイＲともに１５ｍｍでしわ押さえ力を付与して成形し、その後リストライクとして、所定の形状になるように２回、３回の成形によりパンチＲ、ダイＲを小さくして形状を整え、パンチ肩部稜線Ｒ＝５ｍｍ、ダイ肩部稜線Ｒ＝５ｍｍの所定の形状のハット部材を製作した。その後、底部に同一材料仕様の平板、衝突試験用として、衝突軸方向に端板を取り付けて、部材Ａを完成させた。また，板厚比率がさらに薄い部材は、稜線部に該当する部位を成形する前の段階、すなわち平板の段階で、事前に所定の形状と同一の稜線のＲ形状の金型により圧縮成形を行い、板厚を薄くしてからハット成形を行い、ハット部分の部材を製作した。その後の平板および端板の取り付けは、同様の手法を用いた。
【００４２】
ハット部と底部の平板部の溶接は、スポット溶接により、スポット打点間ピッチ３０ｍｍでナゲット径４．５√ｔにより溶接した。端板と評価部材との取り付けは、ＭＡＧにより溶接し、取り付けた。
【００４３】
一方，部材Ｂは、はじめに稜線に相当する部分を曲率半径Ｒ＝１０ｍｍのビードにより成形を行い、その後曲げ成形にて所定形状である曲率半径Ｒ＝４ｍｍに仕上げた。部材間の溶接および評価のための端板取り付けは、すべてＭＡＧにより溶接した。
【００４４】
成形後の板厚はマイクロメータにて稜線部、平坦部の板厚を測定し、板厚比率を算出した。
そして、２００ｋｇｆの重量の錘を１１．９ｍの高さから自由落下させ、５５ｋｍ／ｈの衝突速度で部材Ａ，Ｂの軸方向へ向けて衝突させた。
【００４５】
性能の評価は、部材Ａは２００ｍｍ変位までの吸収エネルギ量（ＥＡ２００）と１７〜２００ｍｍ変位での平均荷重に対する該当変位での損失ＥＡ量により行った。また、部材Ｂは、１２０ｍｍ変位までの吸収エネルギ量（ＥＡ１２０）と１７〜１２５ｍｍ変位での平均荷重の対する該当変位での損失ＥＡ量を用いた。
【００４６】
表１には、試験に供した部材Ａ，Ｂの諸元と試験結果とをまとめて示す。なお、ＥＡ性能比およびフラットネス性能比は、部材Ａの場合は供試材の基準板厚毎に比較例３、比較例６を相対評価の基準とした。また、部材Ｂの場合は、比較例２を相対評価の基準とした。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
部材Ａ、Ｂともに、板厚比率が７８％以上９７％未満を満足するものが比較例に対して良好な性能を示すことが確認できた。板厚比率が７８％未満であるか、または９７％超であるものは、ＥＡ性能比率が低く、フラットネス比率も増大しており，不芳な結果となった。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】ＦＥＭ解析による正１２角形部材の変形を示す説明図である。
【図２】得られた荷重曲線を示すグラフである。
【図３】各種部材のＥＡ性能比、およびフラットネス性能比を示すグラフである。
【図４】衝突試験に用いた部材Ａの横断面形状を示す説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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