(57)【要約】【課題】衝撃エネルギーの吸収性能を高めることができる衝撃吸収装置を提供する。【解決手段】衝撃からの保護対象となる構造体Ａに接合する仕切り部材１と、仕切り部材１に基端部を接合した外筒部材２と、仕切り部材１に基端部を接合するとともに外筒部材２の先端部分に内接し且つ先端部が外筒部材２から突出した内筒部材３を備え、内筒部材３は、軸方向圧縮強度が低い基端側の低強度部３Ａと、軸方向圧縮強度が高い先端側の高強度部３Ｂを同軸状に突合せ接合して一体化してあり、外筒部材２と高強度部３Ｂとの重合部分を周方向の線状溶接により接合した構成とし、衝撃吸収性能の向上を実現した。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
衝撃からの保護対象となる構造体に接合する仕切り部材と、仕切り部材に基端部を接合した外筒部材と、仕切り部材に基端部を接合するとともに外筒部材の先端部分に内接し且つ先端部が外筒部材から突出した内筒部材を備え、内筒部材は、外筒部材よりも軸方向圧縮強度が低い基端側の低強度部と、低強度部よりも軸方向圧縮強度が高い先端側の高強度部を備えると共に、低強度部と高強度部を同軸状に突合せ接合して一体化してあり、外筒部材とこれに内接する内筒部材の高強度部との重合部分を周方向の線状溶接により接合したことを特徴とする衝撃吸収装置。
【請求項２】
内筒部材の基端部から軸方向長さの１／３〜１／２の範囲において、内筒部材の断面積に対して、外筒部材の断面積を１．５〜２倍にしたことを特徴とする請求項１に記載の衝撃吸収装置。
【請求項３】
内筒部材において、低強度部の降伏点強度と板厚の積に対して、高強度部の降伏点強度と板厚の積の比を１．２５以上にしたことを特徴とする請求項１または２に記載の衝撃吸収装置。
【請求項４】
内筒部材における高強度部の降伏点強度と板厚の積に対して、外筒部材の降伏点強度と板厚の積の比を１以上にしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の衝撃吸収装置。
【請求項５】
外筒部材と内筒部材の高強度部との重合部分が、周方向の線状溶接として重ね溶接により接合してあることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の衝撃吸収装置。
【請求項６】
内筒部材の板厚に対して、外筒部材と内筒部材の高強度部とを接合する溶接幅の比を０．４〜０．８にしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の衝撃吸収装置。
【請求項７】
外筒部材と内筒部材の高強度部との重合部分が、周方向の線状溶接としてレーザビーム、プラズマおよび電子ビームのいずれかを用いた溶接により接合してあることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の衝撃吸収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、衝撃入力に対してそのエネルギーを吸収するのに用いられる衝撃吸収装置に関し、例えば、自動車の構造部材として用いられる衝撃吸収装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の衝撃吸収装置としては、衝撃エネルギーを吸収する材料として弾性率の高い材料を用いたものがある。しかし、弾性率の高い材料は、高荷重を支持しつつ一定形状を保つことが難しい場合があり、例えば自動車のフロントメンバーのように、エンジン等の重量物を支持する構造体には不向きである。このフロントメンバーの衝撃吸収装置としては、車内側に高強度材を配置すると共に、その前方部に低強度の鋼板を配置し、前方向からの衝撃入力に対して、低強度鋼板を座屈もしくは変形させることで衝撃エネルギーを吸収し、車内側の高強度材で車体骨格を保護するようにしたものがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の衝撃吸収装置にあっては、鋼板等の材料そのものの高強度化には限界があり、しかも、材料の高強度化に伴って加工性が困難になることが予想されるほか、低強度材料の材料特性によって衝撃入力時の初期の反力が決まることから、材料の選択だけでは衝撃エネルギーの吸収性能を高めることが困難であった。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、衝撃エネルギーの吸収性能を高めることができる衝撃吸収装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる衝撃吸収装置は、衝撃からの保護対象となる構造体に接合する仕切り部材と、仕切り部材に基端部を接合した外筒部材と、仕切り部材に基端部を接合するとともに外筒部材の先端部分に内接し且つ先端部が外筒部材から突出した内筒部材を備え、内筒部材は、外筒部材よりも軸方向圧縮強度が低い基端側の低強度部と、低強度部よりも軸方向圧縮強度が高い先端側の高強度部を備えると共に、低強度部と高強度部を同軸状に突合せ接合して一体化してあり、外筒部材とこれに内接する内筒部材の高強度部との重合部分を周方向の線状溶接により接合したことを特徴とする衝撃吸収装置。
【０００６】
【発明の作用】
本発明に係わる衝撃吸収装置では、衝撃からの保護対象となる構造体に、例えば板状の仕切り部材を接合し、この仕切り部材に対して、例えば断面矩形の外筒部材と同じく断面矩形の内筒部材が軸方向を垂直にして同軸状態で設けてあり、外筒部材から突出した内筒部材の先端部で衝撃を受けるものとなっている。
【０００７】
この衝撃吸収装置は、内筒部材の先端部に衝撃が加わると、反力が増大した後、外筒部材と内筒部材との重合部分を接合している溶接部が破断する。ここで、内筒部材は、外筒部材よりも軸方向圧縮強度が低い基端側の低強度部と、低強度部よりも軸方向圧縮強度が高い先端側の高強度部を備えると共に、これらを同軸状に突合せて溶接等により接合して一体化してあるので、先の溶接部の破断に続いて内筒部材の低強度部が座屈し、これにより反力が減少する。つまり、衝撃エネルギーを吸収する。このとき、内筒部材は、高強度部が外筒部材の先端部分に内接しているので、低強度部の座屈に伴って外筒部材に案内されつつ軸方向に収縮する。
【０００８】
そして、収縮した内筒部材の先端部が外筒部材の先端部に達した後には、外筒部材と内筒部材の高強度部で形状を維持することにより再び反力が増大する。さらに、衝撃入力が大きい場合には、内筒部材の先端部が外筒部材の先端部に達した後、内筒部材の高強度部と外筒部材が座屈して衝撃エネルギーを吸収する。当該衝撃吸収装置は、上記のように衝撃エネルギーを吸収する一方で、外筒部材および内筒部材の各基端部と保護対象である構造体との間に設けた仕切り部材により、構造体を保護する。
【０００９】
【発明の効果】
本発明に係わる衝撃吸収装置によれば、仕切り部材、外筒部材、および高強度部と低強度部から成る内筒部材を備えた簡単な構造で、衝撃エネルギーの吸収性能を高めることができると共に、初期の反力を高めることも可能であり、衝撃から構造体を確実に保護することができる。
【００１０】
【実施例】
図１は本発明に係わる衝撃吸収装置の一実施例を説明する図である。図示の衝撃吸収装置は、例えば自動車の前部または後部に設けるものであって、衝撃からの保護対象となる箱状の構造体（例えば車体キャビン）Ａに対して、同構造体Ａに接合する板状の仕切り部材１と、断面矩形の外筒部材２と、同じく断面矩形の内筒部材３を備えている。これらの部材１〜３は例えば鋼板製である。
【００１１】
外筒部材２は、図中で右側となる基端部から所定の長さＬｂにわたって大断面部２Ａを備えると共に、大断面部の先端にテーパ部２Ｂを介して小断面部２Ｃを連続的に備えており、仕切り部材１に基端部を溶接により接合してある。この外筒部材２は、塑性加工により全体を一体成形したものや、各部２Ａ〜２Ｃを個別に成形して溶接により順次接合したものとすることができる。
【００１２】
内筒部材３は、外筒部材２の小断面部２Ｃの内側空間に対応した断面形状を軸方向全体にわたって有している。この内筒部材３は、外筒部材２よりも軸方向圧縮強度が低い基端側の低強度部３Ａと、低強度部３Ａよりも軸方向圧縮強度が高い先端側の高強度部３Ｂを備えると共に、低強度部３Ａと高強度部３Ｂを同軸状に突合せて溶接することで一体化してある。
【００１３】
内筒部材３は、外筒部材２の内側に挿入して、仕切り部材１に基端部を溶接により接合してあり、この際、外筒部材２の先端部分である小断面部２Ｃに高強度部３Ｂが内接し、外筒部材２から先端部が突出した状態になっている。そして、外筒部材２とこれに内接する内筒部材３の高強度部３Ｂとの重合部分を周方向の線状溶接（溶接部Ｗ）により接合してある。なお、図面上では、内筒部材３における低強度部３Ａと高強度部３Ｂの長さをほぼ等しく示しているが、これに限定されることはない。
【００１４】
ここで、外筒部材２の大断面部２Ａは、内筒部材３の軸方向の長さＬａに対して、同内筒部材３の基端部から軸方向長さの１／３〜１／２の範囲（Ｌｂ）に設けてあり、且つ軸線に直交する断面の面積を内筒部材３の断面積の１．５〜２倍としている。
【００１５】
また、内筒部材３において、低強度部３Ａの降伏点強度と板厚の積に対して、高強度部３Ｂの降伏点強度と板厚の積の比を１．２５以上とし、内筒部材３における高強度部３Ｂの降伏点強度と板厚の積に対して、外筒部材２の降伏点強度と板厚の積の比を１以上としている。
【００１６】
さらに、外筒部材２と内筒部材３の高強度部３Ｂとの重合部分は、周方向の線状溶接として、ＣＯ２レーザやＹＡＧレーザ等のビーム、プラズマおよび電子ビームのいずれかを用いた重ね溶接により接合してあり、内筒部材３の板厚に対して、外筒部材２と内筒部材３の高強度部３Ｂとを接合する溶接幅の比を０．４〜０．８としている。
【００１７】
より具体的な例として、外筒部材２は、降伏点強度２９０Ｍｐａ、板厚１．８ｍｍの鋼板を使用し、軸方向の長さが６００ｍｍであり、大断面部２Ａの外形が１３０ｍｍ×１３０ｍｍであり、小断面部２Ｃの内形が１００ｍｍ×１００ｍｍである。この外筒部材２は、アーク溶接により仕切り部材１に接合してある。なお、仕切り部材１は、外筒部材２と同様の材料を使用し、アーク溶接により構造体Ａに接合してある。
【００１８】
内筒部材３における低強度部３Ａは、降伏点強度１６０Ｍｐａ、板厚１．６ｍｍの鋼板を使用し、軸方向の長さが４００ｍｍであり、外形が１００ｍｍ×１００ｍｍである。他方、高強度部３Ｂは、降伏点強度２９０Ｍｐａ、板厚１．６ｍｍの鋼板を使用し、軸方向の長さが４００ｍｍであり、外形が１００ｍｍ×１００ｍｍである。低強度部３Ａと高強度部３Ｂは、最大出力５ｋＷのＣＯ２レーザにより突合せ溶接してあり、低強度部３Ａの基端部をアーク溶接により仕切り部材１に接合してある。
【００１９】
そして、外筒部材２とこれに内接する内筒部材３の高強度部３Ｂとの重合部分において、外筒部材２の先端部から１０ｍｍの位置をＣＯ２レーザにより周方向に重ね溶接し、この際、レーザ出力と加工速度を調整して溶接部Ｗの溶接幅を１０ｍｍにした。
【００２０】
上記構成を備えた衝撃吸収装置は、内筒部材３の先端部に衝撃が加わると、反力が増大した後、外筒部材２と内筒部材３との溶接部Ｗが破断し、これに続いて内筒部材３の低強度部３Ａが座屈し、これにより反力が減少する。つまり、衝撃エネルギーを吸収する。このとき、内筒部材３は、低強度部３Ａの座屈に伴って、高強度部３Ｂが外筒部材２に案内されつつ軸方向に収縮する。
【００２１】
そして、収縮した内筒部材３の先端部が外筒部材２の先端部に達した後には、外筒部材２と高強度部３Ｂで形状を維持することにより再び反力が増大し、さらに衝撃入力が大きい場合には、内筒部材３の高強度部３Ｂと外筒部材２が座屈して衝撃エネルギーを吸収する。この間、当該衝撃吸収装置では、上記のように衝撃エネルギーを吸収する一方で、仕切り部材１により構造体Ａを保護する。
【００２２】
このように、上記構成を備えた衝撃吸収装置は、仕切り部材１、外筒部材２、および高強度部３Ｂと低強度部３Ａから成る内筒部材３を備えた簡単な構造により、高い衝撃吸収性能を発揮することができ、衝撃から構造体Ａを確実に保護し得るものとなる。
【００２３】
図３は、上記実施例で説明した衝撃吸収装置と、図２に示す比較例としての衝撃吸収装置を用いた落下衝撃試験の結果を示すグラフである。比較例の衝撃吸収装置は、図中で右側である先端側の低強度部１３Ａと基端側の高強度部１３Ｂから成る筒体１３を備えたものである。
【００２４】
低強度部１３Ａは、降伏点強度１６０Ｍｐａ、板厚１．６ｍｍの鋼板を使用し、軸方向の長さが４００ｍｍであり、外形が１００ｍｍ×１００ｍｍである。他方、高強度部１３Ｂは、降伏点強度２９０Ｍｐａ、板厚２．０ｍｍの鋼板を使用し、軸方向の長さが４００ｍｍであり、外形が１００ｍｍ×１００ｍｍである。そして、低強度部１３Ａと高強度部１３Ｂは、レーザビームにより突合せ溶接してあり、高強度部１３Ｂの基端部を構造体Ａに直接接合してある。
【００２５】
そして、実施例の衝撃吸収装置と比較例の衝撃吸収装置をその先端部が上向きとなるように垂直に設置し、これに対して、重量が５００ｋｇｗで且つ装置先端部との接触面が平面である錘を高さ３ｍから落下させ、錘に接続したトルク計により反力を測定した。また、装置の変位は光学式の変位測定装置で測定した。
【００２６】
図３に示すグラフから明らかなように、比較例の衝撃吸収装置では、反力が増大した後、低強度部１３Ａと高強度部１３Ｂが連続的に座屈して反力に１つのピークしか表れない。これに対して、実施例の衝撃吸収装置では、反力が増大して溶接部Ｗが破断した後、低強度部３Ａの座屈により反力が減少し、さらに、外筒部材２と高強度部３Ｂにより再び反力が増大した後、筒部材２と高強度部３Ｂの座屈により再び反力が減少しており、反力に２つのピークが表れている。具体的には、実施例の衝撃吸収装置では、変位量が１２ｍｍ程度で反力が最大になると共に、従来の衝撃吸収装置に対して反力が約３０Ｍｐａ増加しており、高い衝撃吸収性能が得ることが可能である。
【００２７】
ここで、実施例１，２および比較例１〜３として、外筒部材２における大断面部２Ａの断面積と軸方向の長さＬｂを変えたものを用意し、落下衝撃試験により内筒部材３の低強度部３Ａを座屈させて外筒部材２の変形の有無を確認した。その結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
表１から明らかなように、実施例１，２では、外筒部材２の変形は発生しなかったが、比較例１では、大断面部２Ａの断面積が不充分であったため、内筒部材３の低強度部３Ａが座屈により外筒部材２に接触して負荷を与え、外筒部材２の一部に亀裂が発生した。また、比較例２，３では、大断面部２Ａの断面積不足あるいは軸方向長さ不足により、外筒部材２に変形が発生した。
【００３０】
次に、実施例３〜５および比較例４〜９として、内筒部材３における低強度部３Ａおよび高強度部３Ａの条件、外筒部材２の条件、溶接部Ｗの溶接幅を変えたものを用意し、落下衝撃試験により内筒部材３の低強度部３Ａを座屈させて、最大反力と部材の変形状態を確認した。その結果を表２に示す。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
表２から明らかなように、実施例３〜５では、１４０〜１６０ｋＮの最大反力が得られ、部材の変形状態も良好であった。これに対して、比較例４〜９では、いずれも最大反力が実施例よりも小さく、比較例８を除いて部材の変形に異常が生じた。以上の結果から、実施例の衝撃吸収装置は、初期の最大反力の向上と変位−反力変化から、衝撃入力に対して優れた衝撃吸収性能を有することを確認した。
【００３３】
なお、上記実施例で説明したように、内筒部材３の基端部から軸方向長さの１／３〜１／２の範囲Ｌｂにおいて、内筒部材３の断面積に対して、外筒部材２の断面積を１．５〜２倍としたこと、換言すれば、外筒部材２の大断面部２Ａの軸方向の長さＬｂと断面積の大きさを設定したことにより、内筒部材３との間に低強度部３Ａが座屈する空間を確保することができ、この際、外筒部材２の外形を過大にせずに、且つ座屈した低強度部３Ａが外筒部材２に接触することの無い空間を確保することができ、衝撃吸収と外筒部材２の形状保持を両立させることができる。
【００３４】
また、内筒部材３において、低強度部３Ａの降伏点強度と板厚の積に対して、高強度部３Ｂの降伏点強度と板厚の積の比を１．２５以上にしたことにより、衝撃入力に対して低強度部３Ａが必ず先に座屈変形することとなり、高い衝撃吸収効果を得ることができる。
【００３５】
さらに、内筒部材３における高強度部３Ｂの降伏点強度と板厚の積に対して、外筒部材２の降伏点強度と板厚の積の比を１以上にしたことにより、内筒部材３よりも先に外筒部材２が変形するような事態を未然に防止することができ、高い衝撃吸収効果を得ることができる。
【００３６】
さらに、外筒部材２と内筒部材３の高強度部３Ｂとの重合部分を、周方向の線状溶接として重ね溶接により接合したことにより、衝撃入力で溶接部Ｗを先に破断させるにあたって、溶接強度を制御することが容易になり、外筒部材２や内筒部材３の変形よりも先に溶接部Ｗを確実に破断させることができ、高い衝撃吸収効果を得ることができる。
【００３７】
さらに、内筒部材３の板厚に対して、外筒部材２と内筒部材３の高強度部３Ｂとを接合する溶接幅の比を０．４〜０．８にしたことにより、各部材そのものの形状を保持し得る溶接強度を確保することができると共に、先に溶接部Ｗを確実に破断させることができ、高い衝撃吸収効果を得ることができる。
【００３８】
さらに、外筒部材２と内筒部材３の高強度部３Ｂとの重合部分を、周方向の線状溶接としてレーザビーム、プラズマおよび電子ビームのいずれかを用いた溶接により接合したことにより、外筒部材２の外側からのみの溶接が可能であって、溶接部近傍の熱影響による軟化部位を最小限に抑えることができると共に、衝撃入力時における溶接部近傍の変形を抑制することができ、これにより、溶接部Ｗを確実に破断させて高い衝撃吸収効果を得ることができる。
【００３９】
なお、上記実施例の外筒部材２と内筒部材３の関係とは逆に、外筒部材を低強度部と高強度部で形成し、内筒部材の全体が低強度部よりも高強度である構成にすることも可能であるが、上記実施例で説明した構成にすれば、常態において最も弱い低強度部３Ａを外筒部材２で保護することができると共に、内筒部材３の軸方向の座屈変形がより円滑なものになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる衝撃吸収装置の一実施例を説明する正面図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図２】比較例としての衝撃吸収装置を説明する正面図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図３】実施例と比較例の衝撃吸収装置を用いた落下衝撃試験の結果として反力と変位の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ　　　構造体
Ｗ　　　溶接部
１　　　仕切り部材
２　　　外筒部材
３　　　内筒部材
３Ａ　　低強度部
３Ｂ　　高強度部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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