(57)【要約】【目的】軸方向の圧縮荷重が負荷された場合、安定して座屈変形しながら確実にエネルギーを吸収することが可能な軽量のアルミニウム合金製自動車フレーム用軸圧縮エネルギー吸収部材を提供する。【構成】調質された熱処理型アルミニウム合金中空形材からなり、該中空形材の外殻部の形状は断面正方形または長方形で、中空部を含む全断面積は３０００〜８０００ｍｍ2のものであり、中空形材の断面には、それぞれ１０００〜４０００ｍｍ2の断面積を有しリブで区画された中空部が２つ以上設けられており、中空形材における各辺の平均肉厚をｔ（ｍｍ）、中空形材の外郭部とリブとの結合部のコーナー部の半径をＲ（ｍｍ）としたとき、３．２ｍｍ≧ｔ≧１．５ｍｍ、３．５≧Ｒ／ｔ≧１．５の関係を満足することを特徴とする。【選択図】        図１
2007030647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
調質された熱処理型アルミニウム合金中空形材からなり、該中空形材の外殻部の形状は断面正方形または長方形で、中空部を含む全断面積は３０００〜８０００ｍｍ2のものであり、中空形材の断面には、それぞれ１０００〜４０００ｍｍ2の断面積を有しリブで区画された中空部が２つ以上設けられており、中空形材における各辺の平均肉厚をｔ（ｍｍ）、中空形材の外郭部とリブとの結合部のコーナー部の半径をＲ（ｍｍ）としたとき、３．２ｍｍ≧ｔ≧１．５ｍｍ、３．５≧Ｒ／ｔ≧１．５の関係を満足することを特徴とするアルミニウム合金製自動車フレーム用軸圧縮エネルギー吸収部材。
【請求項２】
前記中空形材に対して軸方向の圧縮荷重を負荷したときの単位断面積当たりの平均荷重が１１０Ｎ／ｍｍ2 以上であることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金製自動車フレーム用軸圧縮エネルギー吸収部材。
【請求項３】
前記リブで区画された中空部が断面正方形または長方形であることを特徴とする請求項１または２記載のアルミニウム合金製自動車フレーム用軸圧縮エネルギー吸収部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金製自動車フレーム用軸圧縮エネルギー吸収部材、詳しくは、自動車が衝突した場合の衝突エネルギーを吸収して搭乗者の安全を確保するために、車体の上部構造などに取付けられるアルミニウム合金中空形材製の自動車フレーム用軸圧縮エネルギー吸収部材に関する。
【０００２】
従来、衝突時のエネルギーを吸収して搭乗者の保護を図るためのエネルギー吸収部材は、鋼の板材をプレス成形し、スポット溶接などにより箱形状に形成されている。この部材は、衝撃により軸方向の圧縮荷重を受けた場合、図１０の圧縮荷重−部材変位線図に示すように、最大圧縮荷重に達すると急速に荷重が減少し、部材の端部から蛇腹状に変形し、塑性座屈が進行して衝撃エネルギーを吸収する。この場合、圧縮荷重−部材変位線図における平均圧縮荷重（以下、単に平均荷重という）が高いほど、より多くのエネルギーを吸収することが可能である。
【０００３】
近年、環境問題から自動車車体重量の軽減が提唱されており、車体構成部材である衝撃エネルギー吸収部材についても、従来の鋼板製の箱形部材に代わり、さらに軽量で且つエネルギー吸収の高い部材が要求され、この要求を満たすためにアルミニウム合金の使用が試みられている。断面形状設計の自由度が高いアルミニウム合金中空形材をエネルギー吸収部材として使用する場合、軽量で且つ平均荷重が高いほど単位質量当たりのエネルギー吸収量が大きくなる。
【０００４】
一般的に、平均荷重を大きくして優れたエネルギー吸収効率を得るためには、平均荷重と中空形材の断面積の比、（平均荷重／中空形材断面積）が高い方が望ましく、中空形材の断面に２つ以上の中空部を設ける手法があり、例えば、長方形の外郭部に対して、中空部をリブで区画した日型断面形状の中空形材においては、図１１に示すように、リブを境界として外郭部が交互に蛇腹変形することにより、良好なエネルギー吸収特性を得ている（非特許文献１参照）。
【０００５】
アルミニウム合金押出角管においては、アルミニウム合金押出角管の角部の内側肉厚を辺部の肉厚より大きくして、（平均荷重／中空形材断面積）の増大、すなわち単位重量当たりの平均荷重を大きくして、エネルギー吸収特性を向上させることも提案されている（特許文献１参照）が、角管形状のものではエネルギー吸収量が小さく、十分なエネルギー吸収特性の向上を得るには限界がある。
【０００６】
また、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金からなる断面矩形状の中空押出材において、四辺の最大肉厚と最小肉厚の肉厚比を１〜１．４、幅厚比（平均肉厚／各辺の平均幅（＝長さ））を０．１以下とすることにより、軸圧壊特性に優れたエネルギー吸収部材（特許文献２参照）も提案されており、軸方向の圧縮荷重を受けたとき、圧壊割れを生じることなく蛇腹変形可能な特定組成と特定組織を有するＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金の押出材（特許文献３参照）も提案されているが、より軽量で且つより高いエネルギー吸収をそなえたメンバーに対する要請をこたえるためには、さらに改善の必要がある。
【非特許文献１】住友軽金属技報、第３７巻、第3号、第４号（１９９６年）、１９０〜２００頁
【特許文献１】特開平９−２５４８０８号公報
【特許文献２】特開平１１−１９３４３３号公報
【特許文献３】特開２００２−２８５２７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明者らは、アルミニウム合金押出形材からなるエネルギー吸収部材における上記従来の問題点を解決するために、先に、従来提案されているエネルギー吸収部材をベースとして、肉厚、各辺の長さや断面積等と吸収エネルギー、変形形態の関係について検討を加えた結果として、調質された熱処理型アルミニウム合金中空形材からなり、該中空形材は１つの中空部を有する断面正方形または長方形で、２ｍｍを越える肉厚をそなえ、中空部を除く断面積は３５０ｍｍ2 以上のものであり、中空形材の断面における各辺の平均長さをａ、コーナー部の半径をＲ、各辺の平均肉厚をｔとしたとき、０＜Ｒ／ａ≦０．２、ｔ／ａ≦０．２、Ｒ／ａ＜５×（ｔ／ａ）−０．３７の関係を満足することを特徴とするアルミニウム合金製自動車フレーム用エネルギー吸収部材を提案した（特願２００３−３５７４１６号）。
【０００８】
本発明は、上記提案のエネルギー吸収部材をさらに改良したものであり、その目的は、軸方向の圧縮荷重を受けたとき、安定して座屈変形し、さらにエネルギー吸収量を大きくすることを可能とするアルミニウム合金製自動車フレーム用軸圧縮エネルギー吸収部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための本発明の請求項１によるアルミニウム合金製自動車フレーム用軸圧縮エネルギー吸収部材は、調質された熱処理型アルミニウム合金中空形材からなり、該中空形材の外殻部の形状は断面正方形または長方形で、中空部を含む全断面積は３０００〜８０００ｍｍ2のものであり、中空形材の断面には、それぞれ１０００〜４０００ｍｍ2の断面積を有しリブで区画された中空部が２つ以上設けられており、中空形材における各辺の平均肉厚をｔ（ｍｍ）、中空形材の外郭部とリブとの結合部のコーナー部の半径をＲ（ｍｍ）としたとき、３．２ｍｍ≧ｔ≧１．５ｍｍ、３．５≧Ｒ／ｔ≧１．５の関係を満足することを特徴とする。
【００１０】
請求項２によるアルミニウム合金製自動車フレーム用軸圧縮エネルギー吸収部材は、請求項１において、前記中空形材に対して軸方向の圧縮荷重を負荷したときの単位断面積当たりの平均荷重が１１０Ｎ／ｍｍ2 以上であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３によるアルミニウム合金製自動車フレーム用軸圧縮エネルギー吸収部材は、請求項１または２において、前記リブで区画された中空部が断面正方形または長方形であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、軸方向の圧縮荷重が負荷された場合、安定して座屈変形しながら効率よくエネルギーを吸収することが可能な軽量のアルミニウム合金製自動車フレーム用軸圧縮エネルギー吸収部材が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明によるアルミニウム合金製自動車フレーム用軸圧縮エネルギー吸収部材は、調質された熱処理型アルミニウム合金中空形材からなる。熱処理型アルミニウム合金としては、例えばＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金が適用され、これらのアルミニウム合金は押出後の調質としてＴ５処理あるいはＴ６処理を施すのが好ましい。
【００１４】
図１１に示すように、中空形材１は、リブ２で区画された２つ以上（図２では２つ）の中空部３、３を有する外殻の断面形状が正方形または長方形のもので、中空形材１の中空部を含む全断面積は３０００〜８０００ｍｍ2、中空部３、３の断面積はそれぞれ１０００〜４０００ｍｍ2であり、中空形材１の各辺の平均肉厚をｔ（ｍｍ）、外殻部４とリブ２との結合部５のコーナー部の半径をＲ（ｍｍ）としたとき、３．２ｍｍ≧ｔ≧１．５ｍｍ、３．５≧Ｒ／ｔ≧１．５の関係を満足するよう設計される。
【００１５】
各辺の平均肉厚ｔが３．２ｍｍより大きいと、部材全体の重量が必要以上に増加して軽量化の妨げとなり、蛇腹変形時に中空形材に発生する応力が大きくなって割れが生じ易くなる。平均肉厚が１．５ｍｍ未満では、軸方向への圧縮変形に対して各辺が弾性座屈して平均荷重が低くなり、その結果、一般的な自動車に必要とされるエネルギー吸収特性を得ることが難しくなる。より好ましい各辺の平均肉厚は３．２ｍｍ≧ｔ≧２．４ｍｍであり、さらに効果的にエネルギーを吸収することができる。
【００１６】
外殻部４とリブ２との結合部５のコーナー部の半径Ｒと平均肉厚ｔの比は３．５≧Ｒ／ｔ≧１．５の関係を有することが好ましく、結合部５の剛性が大きくなって、蛇腹変形時の平均荷重を高くすることが可能となり、図１１に示すように、結合部５が複雑に折り畳まれながら蛇腹変形する。
【００１７】
Ｒ／ｔが３．５より大きいと、結合部５の剛性は高くなり過ぎて、リブ２を境界として外殻部４が交互に蛇腹変形することができず、安定したエネルギー吸収特性を得ることが難しくなり、Ｒ／ｔが１．５未満では、結合部５の剛性を高める効果が不十分となり、平均荷重の上昇量も少なくなる。
【００１８】
中空部３を含む全断面積が３０００ｍｍ２未満の場合、中空部３の断面積が４０００ｍｍ２を超える場合には、中空形材の実質的な断面積が小さくなって平均荷重が低くなり、その結果、一般的な自動車に必要とされるエネルギー吸収特性を得ることが難しくなる。一方、中空部３を含む全断面積が８０００ｍｍ２を超える場合、中空部３の断面積が１０００ｍｍ２を未満の場合には、部材全体の質量が必要以上に増加し、軽量化の効果が小さくなる。
【００１９】
中空形材１の中空部３は断面正方形または長方形に形成するのが好ましく、安定して蛇腹変形し、確実にエネルギーを吸収することができる。また、中空部材を自動車フレーム用エネルギー吸収部材として適用する場合には、軸方向の圧縮荷重を受けたときの単位断面積当たりの平均荷重は１１０Ｎ／ｍｍ２以上とすることが望ましい。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。なお、これらの実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２１】
表１に示す組成を有するアルミニウム合金のビレットを、図１〜８に示す形状、表２に示す寸法の日型断面形状の中空形材に押出加工し、押出加工後、Ｔ６調質して長さ３００ｍｍに切断して試験材とした。試験材は、図１のものが発明材１、図２のものが発明材２、図３のものが発明材３、図４のものが発明材４、図５のものが比較材１、図６のものが比較材２、図７のものが比較材３、図８のものが比較材４である。
【００２２】
得られた試験材について、試験速度１ｍｍ／秒で静的軸圧縮試験を行った。インストロン型万能試験機の台座に各試験材を設置して、加圧盤により圧縮荷重を負荷し、加圧盤にかかる荷重−変位線図を記録した。なお、使用する試験機は、圧縮荷重を負荷することが可能であれば、どのような試験機を使用しても同様の結果が得られること、また試験機台座と加圧盤は、試験材への接触面が平行であれば、形状にかかわらず同様な結果が得られることが確認されている。
【００２３】
試験結果を表３および図９に示す。本発明に従う試験材の発明材１〜４はいずれも、表３および図９にみられるように、安定して蛇腹変形し、単位重量当たりの平均荷重も１１０Ｎ／ｍｍ２を超える値を示しており、優れたエネルギー吸収特性を有することが確認された。なお、外殻部の断面が正方形または長方形またはこれらに近い形状であれば、外殻部のコーナーの半径Ｒの大きさにかかわらず、本発明の効果が得られること、また、押出加工後にＴ５調質した場合にも本発明の効果が得られることが確認された。
【００２４】
【表１】
2007030647.tif 000003
【００２５】
【表２】
2007030647.tif 000004
【００２６】
【表３】
2007030647.tif 000005
【００２７】
これに対して、試験材の比較材１は、軸圧縮変形中に蛇腹変形形態が乱れて横折れ変形したため、安定したエネルギー吸収特性を得ることができなかった。比較材２〜４は、安定した蛇腹変形が生じたものの、Ｒ／ｔが１．５未満であるため、外殻部４とリブ２との結合部５の剛性が十分でなく、平均荷重が低くなっており、エネルギー吸収特性が劣っている。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明によるエネルギー吸収部材の実施例を示す断面図である。
【図２】本発明によるエネルギー吸収部材の実施例を示す断面図である。
【図３】本発明によるエネルギー吸収部材の実施例を示す断面図である。
【図４】本発明によるエネルギー吸収部材の実施例を示す断面図である。
【図５】比較材を示す断面図である。
【図６】比較材を示す断面図である。
【図７】比較材を示す断面図である。
【図８】比較材を示す断面図である。
【図９】試験材の単位断面積当たりの平均荷重を示す図である。
【図１０】中空状のエネルギー吸収部材が衝撃により縦方向の圧縮荷重を受けた場合における圧縮荷重−部材変位線図である。
【図１１】本発明によるエネルギー吸収部材の概略断面と軸方向の圧縮荷重を受けた場合における変形形態を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  中空部材
２  リブ
３  中空部
４  外殻部
５  結合部
Ｒ  外殻部とリブの結合部のコーナー部の半径
【図１】
2007030647.tif 000006
【図２】
2007030647.tif 000007
【図３】
2007030647.tif 000008
【図４】
2007030647.tif 000009
【図５】
2007030647.tif 000010
【図６】
2007030647.tif 000011
【図７】
2007030647.tif 000012
【図８】
2007030647.tif 000013
【図９】
2007030647.tif 000014
【図１０】
2007030647.tif 000015
【図１１】
2007030647.tif 000016