(57)【要約】 【課題】 製造コストの上昇を招くことなく衝撃反力を小さく抑えたうえで、衝撃エネルギ吸収性能の維持ないし向上を実現することが可能である衝撃エネルギ吸収構造部材を提供する。【解決手段】多角形断面を有する筒状を成していると共に軸方向衝撃荷重が負荷された段階で略一定の反力を維持しつつ崩壊する発泡アルミニウム７を中空部１ａに充填した角筒１Ａを備え、この角筒１Ａの軸方向衝撃荷重が負荷される側の端部３に、角部分を切除して成る切欠４を設けた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多角形断面を有する筒状を成していると共に軸方向衝撃荷重が負荷された段階で略一定の反力を維持しつつ崩壊する多孔質体を中空部に充填した外殻構造体を備え、この外殻構造体の軸方向衝撃荷重が負荷される側の端部に、角部分を切除して成る切欠を設けたことを特徴とする衝撃エネルギ吸収構造部材。
【請求項２】
切欠の隅を湾曲状に形成してある請求項１に記載の衝撃エネルギ吸収構造部材。
【請求項３】
切欠の両側に位置する辺の長さ寸法に対して、外殻構造体の軸方向に沿う切欠深さ寸法を５〜１７．５％に設定した請求項１又は２に記載の衝撃エネルギ吸収構造部材。
【請求項４】
外殻構造体の軸方向と直交する断面の面積を５０〜８０ｃｍ２とした請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の衝撃エネルギ吸収構造部材。
【請求項５】
切欠の両側に位置する辺に沿う方向の切欠幅寸法及び外殻構造体の軸方向に沿う切欠深さ寸法をいずれも５〜１５ｍｍに設定した請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の衝撃エネルギ吸収構造部材。
【請求項６】
外殻構造体を肉厚０．８〜１．６ｍｍの鋼板から形成した請求項１〜５のいずれか一つの項に記載の衝撃エネルギ吸収構造部材。
【請求項７】
密度が０．２〜１．０ｇ／ｃｍ３の発泡アルミニウムを多孔質体とした請求項１〜６のいずれか一つの項に記載の衝撃エネルギ吸収構造部材。
【請求項８】
多孔質体は、外殻構造体の中空部に圧入して固定してある請求項１〜７のいずれか一つの項に記載の衝撃エネルギ吸収構造部材。
【請求項９】
多孔質体は、外殻構造体の中空部に接着剤を用いて固定してある請求項１〜７のいずれか一つの項に記載の衝撃エネルギ吸収構造部材。
【請求項１０】
多孔質体は、外殻構造体の中空部に発泡樹脂を用いて固定してある請求項１〜７のいずれか一つの項に記載の衝撃エネルギ吸収構造部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、車両の構造部材として用いるのに好適であって、衝突時の衝撃エネルギを吸収して衝撃を和らげるのに利用される衝撃エネルギ吸収構造部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記したような衝撃エネルギ吸収構造部材は、例えば、車体のフロントサイドメンバーやバンパーステーのように、その長手方向（軸方向）の衝撃荷重を受けた際に衝撃エネルギを吸収する構造部材であって、多角形断面を有する筒状を成す外殻構造体と、この外殻構造体の中空部に充填されて軸方向衝撃荷重が負荷された段階で略一定の反力を維持しつつ崩壊する多孔質体を備えたものがある。
【０００３】
上記多孔質体としては、例えば、連通又は独立した空孔やセルを有する軽量な多孔質金属があり、この多孔質金属の代表的なものとしては発泡アルミニウムが挙げられる。この発泡アルミニウムは、衝撃荷重を受けると効率的にエネルギを吸収しながら変形すると共に、その周囲の外殻構造体の変形を抑制するので、外殻構造体の中空部にこの材料を充填することで、軽量で且つ優れた衝撃吸収性能を有する衝撃エネルギ吸収構造部材を得ることができる。
【０００４】
上記衝撃吸収性能を向上させるために、外殻構造体に高強度材料を用いることや、肉厚を大きくすることが考えられるが、この場合には、成形性が低下したり重量が増加したりするといった問題が生じるのに加えて、外殻構造体の強度を高くすると、エネルギ吸収性能は向上するものの衝撃反力も高くなってしまうという問題が生じる。
【０００５】
上記衝撃反力があまりも高いと、衝撃エネルギ吸収構造部材全体としての変形量が小さくなって、いわゆる潰れ残りができてしまい、効率よく衝撃エネルギを吸収することができない。例えば、自動車車体では、この衝撃エネルギ吸収構造部材だけで衝撃力を吸収しきれずに、衝撃力が他の構造部材にも伝わってしまい、その結果、車室内の乗員に悪影響を及ぼす恐れがあって、極めて好ましくない。
【０００６】
従来において、このような問題に対処するために、衝撃エネルギ吸収構造部材の断面積を荷重入力側に向けて徐々に小さくしたり段階的に変化させたりする手段が提案されているほか、上記したような外殻構造体の中空部に発泡アルミニウムを充填する技術が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３０６０９６号公報
【特許文献２】特開２００３−３２７０６２号公報
【特許文献３】特開２００３−０２８２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、断面積を荷重入力側に向けて変化させた衝撃エネルギ吸収構造部材の場合には、外殻構造体の成形が難しく、結局、工程数の増加及び製造コストの上昇を招いてしまうという問題があり、一方、外殻構造体の中空部に発泡アルミニウムを充填した衝撃エネルギ吸収構造部材の場合には、衝撃エネルギ吸収性能の向上には有効であるものの、衝撃反力に関してはやはり高くなってしまうという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００９】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、製造コストの上昇を招くことなく衝撃反力を小さく抑えたうえで、衝撃エネルギ吸収性能の維持ないし向上を実現することが可能である衝撃エネルギ吸収構造部材を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の衝撃エネルギ吸収構造部材は、多角形断面を有する筒状を成していると共に軸方向衝撃荷重が負荷された段階で略一定の反力を維持しつつ崩壊する多孔質体を中空部に充填した外殻構造体を備え、この外殻構造体の軸方向衝撃荷重が負荷される側の端部に、角部分を切除して成る切欠を設けた構成としたことを特徴としており、この衝撃エネルギ吸収構造部材の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の衝撃エネルギ吸収構造部材では、上記した構成としたから、例えば、自動車の構造部材として用いた場合において、衝撃吸収エネルギ性能を維持ないし向上させることができるのは勿論のこと、製造コストの増加を招くことなく潰れ変形初期のピーク反力を小さく抑えることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
断面が多角形状を成す衝撃エネルギ吸収構造部材において、外殻構造体の強度（外殻構造体の材質や板厚）及び外殻構造体の中空部に充填する多孔質体の材料が、軸方向に衝撃荷重が作用したときのエネルギ吸収性能に大きく関与するのは当然である。しかし、これらの因子は、反力が高くなって短い変位で衝撃エネルギを吸収するものであり、通常は変形初期に高いピーク反力が現れる。この高いピーク反力は前述したように自動車車体には好ましくないものである。
【００１３】
一方、このピーク反力は初期に部材が変形しようとするときの抵抗力であり、衝撃エネルギ吸収構造部材の形状によってある程度制御することができる。すなわち、これらの衝撃エネルギ吸収構造部材は、通常断面が多角形状を成しており、外殻構造体の複数の側面がそれぞれ蛇腹状に最初に変形しようとするときの抵抗において側面間の境界線が大きく寄与している。したがって、図１に示すように、外殻構造体１の境界線２の端部３を切り欠くことによって、すなわち、軸方向衝撃荷重が負荷される側の端部３の角部分を切除して切欠４を形成することによって、初期の変形に対する抵抗力を下げることができる。
【００１４】
通常の自動車車体骨格部材のなかで軸方向の衝撃を受け持つ自動車車体骨格部材、例えば、バンパーステーやフロントサイドメンバーは、鋼板を成形して組み立てる。外殻構造体１の材質及び形状は、必要な強度−重量特性や寸法の制約に応じて決定される。
【００１５】
本発明の衝撃エネルギ吸収構造部材において、外殻構造体１の断面形状が五角形以上になると成形が煩わしことから、断面形状は矩形状であることが望ましい。また、外殻構造体１の厚みは、薄過ぎると剛性が不足し厚過ぎると成形性が劣って重量が過大になるので、材質にもよるが０．８〜１．６ｍｍとすることが望ましい。さらに、外殻構造体１の軸方向（図示上下方向）と直交する断面の面積は、小さいと部材の剛性が不足し大きいと重量が増して周辺部材との干渉も起きることから、５０〜８０ｃｍ２とすることが望ましい。
【００１６】
また、本発明の衝撃エネルギ吸収構造部材において、図２にも示すように、切欠４の両側に位置する辺５の長さ寸法Ｗに対して、外殻構造体１の軸方向に沿う切欠深さ寸法Ｈを５〜１７．５％に設定することが好ましい。その理由は、切欠４の両側に位置する辺５の長さ寸法Ｗに対する切欠深さ寸法Ｈの割合が５％を下回ると、切欠４が小さ過ぎることとなってピーク反力を減少させる効果がほとんど見られず、一方、１７．５％を上回ると、ピーク反力は下がるもののこれと同時にエネルギ吸収量も大きく下がるからである。
【００１７】
さらに、本発明の衝撃エネルギ吸収構造部材において、図３に示すように、切欠４の両側に位置する辺５に沿う方向の切欠幅寸法Ａ（Ａ’）及び外殻構造体１の軸方向に沿う切欠深さ寸法Ｈをいずれも５〜１５ｍｍに設定することが好ましい。その理由は、切欠幅寸法Ａ（Ａ’）及び切欠深さ寸法Ｈがいずれも５ｍｍ以下の場合には、ピーク反力は殆ど下がらず、一方、切欠幅寸法Ａ（Ａ’）及び切欠深さ寸法Ｈがいずれも１５ｍｍを越えた場合には、ピーク反力の低下量が増えないのに加えてエネルギ吸収性能も大きく下がってしまうからであり、切欠幅寸法Ａ（Ａ’）及び切欠深さ寸法Ｈを上記範囲に設定することで、エネルギ吸収性能を低下させずにピーク反力を小さくすることができる。
【００１８】
ここで、上記範囲内であっても切欠深さ寸法Ｈを大き目に設定した場合には、衝撃力を受けて切欠４の隅４ａが裂ける恐れがないとは言えないため、図１の拡大円内に示すように、切欠４の隅４ａを湾曲状に形成することが望ましい。加えて、切欠４を構成する辺４ｂは、直線状ではなく滑らかに変化させるのが好ましく、隅４ａや辺４ｂを滑らかにすることで、側面６，６間の境界線２からクラックが発生するのを防止することができる。
【００１９】
さらにまた、本発明の衝撃エネルギ吸収構造部材において、外殻構造体１の中空部１ａに充填する多孔質体７には、連通又は独立した空孔やセルを有する軽量な多孔質金属を採用することができ、重量と強度のバランスがとれていること、低温で発泡させることができて安価であること、といった理由から、多孔質金属の中でも、発泡アルミニウムを採用することが望ましい。材質としては、純アルミニウムに限らず、ＳｉやＭｇ等を含むアルミニウム合金であってもよい。また、製法についても、粉末法によるものでも溶融法によるものでも構わない。さらに、密度については、小さ過ぎると強度が低くなって衝撃吸収能力が不十分となり、一方、大き過ぎるといわゆるプラトー現象がなくなって反力がより大きくなってしまううえ、何よりも重量が増加してしまうので好ましくなく、したがって、密度が０．２〜１．０ｇ／ｃｍ３の発泡アルミニウムを多孔質体７として用いることが望ましい。
【００２０】
さらにまた、本発明の衝撃エネルギ吸収構造部材において、その形状が単純であり、外殻構造体及び多孔質体のいずれもが精度良く形成されている場合は、特別な手段は必要なく、ただ単に多孔質体を外殻構造体の中空部に機械的に圧入して固定するだけでよい。この際、固定状態をより確実にするためには、接着剤を用いて固定すればよいが、高強度の接着剤で固定した場合には、反力が高くなる分だけ外殻構造体の厚さを小さくしたり、低強度の材料にしたりすればよい。
【００２１】
また、発泡樹脂を介して固定するようになせば、外殻構造体と多孔質体との間の隙間にある程度のばらつきがあったとしても、発泡樹脂で上記隙間を埋めることができるので、衝撃エネルギ吸収構造部材が単純形状を成しておらず、外殻構造体と多孔質体との間隔の精度が高くない場合であったとしても、確実に固定することができる。
【００２２】
加えて、自動車の構造部材として用いた場合、多孔質体を固定する接着剤や発泡樹脂は、材質を適宜選択することで、電着塗装の焼付けと同時に硬化させることができるので効率的である。したがって、衝撃エネルギ吸収構造部材の形状や重量軽減の必要度に応じて、上記手段を適宜選択すればよい。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２４】
図１に示すように、板厚１．４ｍｍの鋼板にプレス加工を施して断面ハット形の半筒１１を２個形成し、これらの半筒１１，１１を互いに対向させて各々のフランジ１１ａ，１１ａ同士をスポット溶接により接合して、８０ｍｍ角の断面を有し且つ長さが２４０ｍｍの角筒（外殻構造体）１Ａ及び１００ｍｍ×６５ｍｍの断面を有し且つ長さが２４０ｍｍの角筒（外殻構造体）１Ｂを作製した。そして、外殻構造体としての角筒１Ａ（１Ｂ）の中空部１ａには、密度が０．４ｇ／ｃｍ３の多孔質体としての発泡アルミニウム７を全長にわたって圧入・充填して、本実施例の衝撃エネルギ吸収構造部材を得た。
【００２５】
この場合、外殻構造体としての角筒１Ａ（１Ｂ）の軸方向衝撃荷重が負荷される側の端部３には、角部分を切除して成る切欠４が設けてあり、この切欠４の隅４ａは湾曲状に形成してある。
【００２６】
そこで、上記した２タイプの衝撃エネルギ吸収構造部材を切欠４を設けた側の端部３を上にしてそれぞれ定盤（図示省略）上に置き、重量５００ｋｇの重錘を３ｍの高さから落下させて、衝撃軸圧壊試験を行った。表１に切欠４の切欠幅寸法Ａ（Ａ’）及び切欠深さ寸法Ｈの６通りの仕様（Ｎｏ１〜Ｎｏ６）を記し、Ｎｏ２及びＮｏ５が本実施例の衝撃エネルギ吸収構造部材における切欠４の仕様である。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
上記衝撃軸圧壊試験の反力−変位線図から求めた変位が８０ｍｍまでのエネルギ吸収量を図４及び図５に示し、変形初期のピーク反力を図６及び図７に示す。
【００２９】
図４〜図７のグラフから判るように、本実施例（Ｎｏ２及びＮｏ５）の切欠仕様を有するの衝撃エネルギ吸収構造部材では、エネルギ吸収量を下げることなくピーク反力を低減可能であることが実証できた。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の衝撃エネルギ吸収構造部材は、バンパーステーやフロントサイドメンバーなどの自動車車体骨格部材、特に、軸方向の衝撃を受け持つ自動車車体骨格部材として用いるのが最適であるが、この用途に限定されるものではなく、例えば、建築用構造部材として用いることに何ら支障は生じない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の衝撃エネルギ吸収構造部材の一実施例を簡略的に示す全体斜視説明図である。
【図２】図１における衝撃エネルギ吸収構造部材の側面説明図である。
【図３】図１における衝撃エネルギ吸収構造部材の平面説明図である。
【図４】衝撃軸圧壊試験の反力−変位線図から求めた変位が８０ｍｍまでのエネルギ吸収量を示すグラフである。（Ｎｏ１〜Ｎｏ３）
【図５】衝撃軸圧壊試験の反力−変位線図から求めた変位が８０ｍｍまでのエネルギ吸収量を示すグラフである。（Ｎｏ４〜Ｎｏ６）
【図６】衝撃軸圧壊試験の反力−変位線図から求めた変形初期のピーク反力を示すグラフである。（Ｎｏ１〜Ｎｏ３）
【図７】衝撃軸圧壊試験の反力−変位線図から求めた変形初期のピーク反力を示すグラフである。（Ｎｏ４〜Ｎｏ６）
【符号の説明】
【００３２】
１（１Ａ，１Ｂ）   角筒（外殻構造体）
１ａ 中空部
２   境界線
３   軸方向衝撃荷重が負荷される側の端部
４   切欠
５   辺
６   側面
１   発泡アルミニウム（多孔質体）
【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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