(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの上壁部と、前記２つの上壁部とそれぞれ対向する２つの底壁部と、前記２つの上壁部および２つの底壁部の間に設けられた３つの側壁部とからなる２つの中空構造を有しており、前記上壁部に与えられる前記上壁部から前記底壁部へと向かう方向の外部からの荷重によるエネルギーを中空部分の変形により吸収するエネルギー吸収部材において、
前記底壁部と前記側壁部とが直交しており、前記上壁部のそれぞれがどの部分においても同じ曲率で中空外側に膨らむように湾曲していると共に、前記中空構造の内部にはリブが形成されていない、アルミニウム合金製の押出形材であることを特徴とするエネルギー吸収部材。
【請求項２】
前記上壁部が、前記上壁部と３つの前記側壁部のうち両端にある前記側壁部との接続個所を越えて外側に伸延して設けられていることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー吸収部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー吸収部材に関し、例えば自動車のバンパー補強材として用いられる低速衝突時のエネルギー吸収性能に優れたエネルギー吸収部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車、船舶、電車などの輸送機の外板や構造材あるいは部品用として、または家電製品の構造材あるいは部品用として、さらには屋根材などの建築構造物の部材用として、軽量化の観点からアルミニウム（Ａｌ）合金の使用が期待されている。
【０００３】
アルミニウム合金の用途の一つとして、自動車のバンパー補強（リインフォースメント）材などのエネルギー吸収部材がある。エネルギー吸収部材には断面矩形の中空形材として成形されるものがある。エネルギー吸収部材には、様々なタイプのものが存在するが、バンパー補強材などとして使われるエネルギー吸収部材は、自動車の衝突などにより外部からエネルギーが与えられたときに、その衝撃エネルギーを形材の塑性変形により吸収する。これにより、他の部材が極力破損しないようにすることが可能となる。
【０００４】
かかるエネルギー吸収部材の使用状態の一例を、図６、図７に示す。これらの図面は、自動車用バンパーの性能評価試験法の一つであり、米国ＮＨＴＳＡのPart５８１規準にその詳細が定められている試験法の様子を示した概略図である。図６、図７に示した試験法では、自動車６１の前端に存在するバンパー６２に、定められた形状および重量の振り子型の打撃子６３を一定の速度で衝突させて自動車の損傷を評価する。通常、バンパー６２はバンパーカバーに覆われおり、バンパー補強材や緩衝材が外部から見えないことが多いが、バンパーカバーを取り外すと内部にはエネルギー吸収部材としてのバンパー補強材が納められた構造になっていることが多い。この状態で打撃子６３がバンパー６２に衝突すると、バンパー補強材には、その長手方向中央部の１個所（図２（ａ）参照）或いは打撃子６３の幅に対応した２個所（図２（ｂ）参照）において塑性曲げ変形が発生する。これら部位の曲げ変形により、衝突時のエネルギーを吸収し、車体の他の部位の損傷を小さくすることが可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようなエネルギー吸収部材には、その重量を小さく維持しつつ、形材の曲げ剛性と曲げ時のエネルギー吸収量を大きくすることが求められる。断面形状の工夫によりこれらの特性を増大させる試みは、例えば特開平８−８０７８９号公報または特開平９−１０９８０５号公報に開示されている。また、エネルギー吸収部材の材質をより高強度かつねばりのあるものに変更する試みも行われている。
【０００６】
しかしながら、近年、自動車においては地球温暖化防止のための低燃費化の観点から、車体重量のより一層の軽量化が求められており、エネルギー吸収部材にもより一層の軽量化とエネルギー吸収量の増大が求められており、現状のエネルギー吸収部材は、これらの要請を十分に満足するものではない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、中空形材の断面形状をさらに見直して、より軽量であるとともに曲げ剛性および曲げ変形によるエネルギー吸収量を増大させたエネルギー吸収部材を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１のエネルギー吸収部材は、２つの上壁部と、前記２つの上壁部とそれぞれ対向する２つの底壁部と、前記２つの上壁部および２つの底壁部の間に設けられた３つの側壁部とからなる２つの中空構造を有しており、前記上壁部に与えられる前記上壁部から前記底壁部へと向かう方向の外部からの荷重によるエネルギーを中空部分の変形により吸収するエネルギー吸収部材において、前記底壁部と前記側壁部とが直交しており、前記上壁部のそれぞれがどの部分においても同じ曲率で中空外側に膨らむように湾曲していると共に、前記中空構造の内部にはリブが形成されていない、アルミニウム合金製の押出形材であることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項１によると、上壁部が中空外側に膨らむように湾曲している部分を有しているために、板厚を大きくしなくとも上壁部の曲げ剛性が向上して上壁部に大きな荷重が与えられた場合であっても衝突面となる上壁部が中空内側に座屈しにくく、エネルギー吸収部材におけるエネルギー吸収量が増加する。そのため、請求項１のエネルギー吸収部材は、軽量であってもエネルギー吸収量が多いものとなる。言い換えると、上壁部が中空外側に膨らむように湾曲している部分を有しているために、エネルギー吸収量が同じであれば、エネルギー吸収部材の変形量を小さく抑制できるという利点がある。
また、中空外側に膨らむように湾曲している２つの上壁部を有しているので、特に底壁部の幅が高さに比べて比較的大きいような断面形状を有する場合に、エネルギー吸収量が大きい。
さらに、エネルギー吸収部材がアルミニウム合金製の押出形材であることにより、部材の重量を軽量化することができるとともに、部材を比較的容易に製造することが可能となる。
【００１０】
なお、請求項１のエネルギー吸収部材は、任意の断面形状を有していてよく、略矩形の断面形状を有するものに限られるものではない。また、上壁部と底壁部は、必ずしも互いに平行に対向している必要はない。また、上壁部、底壁部および側壁部は、それぞれ必ずしも１つの面で構成されている必要はなく、複数の面（平面および曲面の両方を含む）で構成されていてよい。
【００１１】
また、請求項２のエネルギー吸収部材は、前記上壁部が、前記上壁部と３つの前記側壁部のうち両端にある前記側壁部との接続個所を越えて外側に伸延して設けられていることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２によると、上壁部と３つの側壁部のうち両端にある側壁部との接続個所を越えて上壁部が外側に伸延しているために、上壁部がその端点において側壁部と接続されている場合と比較して上壁部の曲げ剛性が向上し、衝突時に上壁部が座屈しにくく、エネルギー吸収量が増加する。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
また、本発明で用いられる材料は、アルミニウム合金としては、要求特性に応じて、ＡＡないしＪＩＳ規格による１０００系、３０００系、５０００系、６０００系または７０００系などのアルミニウム合金が適宜選択されて用いられる。特に、本発明では、軽量化のためにはＡＡないしＪＩＳ規格による７０００系アルミニウム合金板（以下、単に「７０００系Ａｌ合金板」という）であることが好ましい。また、これら高強度材料を用いることにより、バンパーなどをより薄肉化できるという効果がある。
【００１６】
７０００系アルミニウム合金の一例としての７００３アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金であって、基本的にＺｎを５．０〜６．５重量％、Ｍｇを０．５〜１．０重量％、Ｆｅを０．３５重量％、Ｍｎを０．３重量％、Ｓｉを０．３重量％、Ｃｕを０．２重量％、Ｃｒを０．２重量％、Ｔｉを０．２重量％、残部Ａｌおよび不可避的不純物を含有している。しかし、必ずしも各成分が規格通りにならずとも、適宜成分組成の変更は許容される。すなわち、上記元素の成分範囲の変更や、より具体的な用途および要求特性に応じて、他の元素を適宜含むことは許容される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の参考例に係る自動車のバンパー補強材として用いられるエネルギー吸収部材の断面図である。本参考例のエネルギー吸収部材１は、７０００系Ａｌ合金からなる押出形材であって、４つの部位に囲まれた略矩形の中空構造を有している。すなわち、エネルギー吸収部材１は、若干中空外側（すなわち上向き）に膨らむように湾曲した上壁部１１と、上壁部１１と対向する平板として形成された底壁部１２と、上壁部１１および底壁部１２の間に設けられてこれら２つの部位を連結する一対のウェブ（側壁部）１３、１４とを具備している。
【００１９】
上壁部１１は、左端部１１ａ、中央部１１ｂ、右端部１１ｃの３つの部分から構成されている。左端部１１ａと中央部１１ｂとの境界部にはウェブ１３が接続されており、中央部１１ｂと右端部１１ｃとの境界部にはウェブ１４が接続されている。つまり、上壁部１１の左端部１１ａは、上壁部１１とウェブ１３との接続個所を越えて左外側に伸延しており、上壁部１１の右端部１１ｃは、上壁部１１とウェブ１４との接続個所を越えて右外側に伸延している。
【００２０】
上壁部１１が中空外側に膨らむように湾曲している一方で、底壁部１２およびウェブ１３、１４は湾曲していない平板として形成されている。また、底壁部１２とウェブ１３、１４との接続角部は、比較的大きな曲率半径にされている。ウェブ１３、１４は、上壁部１１と１１０°程度の角度で接続されており、底壁部１２と９０°程度の角度で接続されている。
【００２１】
このように構成されたエネルギー吸収部材１が自動車のバンパー補強材として用いられる場合、例えば図２（ａ）、（ｂ）に示すように、長尺部材として成形されたエネルギー吸収部材１の底壁部１２端部近傍に２本の支持部材２１、２２が取り付けられ、上壁部１１側には発泡材からなる緩衝材２４とカバー材２５とが取り付けられる。このような状態で、図６および図７で説明したような振り子型の打撃子２３とエネルギー吸収部材１とが緩衝材２４およびカバー材２５を介して衝突して、エネルギー吸収部材１に主として曲げモーメント荷重が加えられると、主に上壁部１１に紙面垂直方向に圧縮力が、下壁部１２に同じく引張応力が作用する。すると、エネルギー吸収部材１は、図２（ａ）に示すようにその長手方向の中央部１個所で曲げ変形するか、図２（ｂ）に示すように打撃子２３の幅方向端部に対応した２個所で曲げ変形する。
【００２２】
このとき、本参考例のエネルギー吸収部材１においては、上壁部１１が中空外側に膨らむように湾曲していることにより、上壁部１１の曲げ剛性が通常の断面矩形のエネルギー吸収部材のものよりも大きく、そのため、衝突時に上壁部１１が座屈しにくいので、エネルギー吸収部材１によるエネルギー吸収量が通常の平板状の上壁部を有するものよりも大きくなる。
【００２３】
さらに、本参考例のエネルギー吸収部材１は、上壁部１１がウェブ１３、１４との接続個所を越えて外側に伸延した左端部１１ａ、右端部１１ｃを有していることから、上壁部１１がその端点においてウェブ１３、１４と接続されている場合と比較して上壁部１１の曲げ剛性が大きい。そのため、衝突時に上壁部１１が座屈しにくく、この点からもエネルギー吸収部材１によるエネルギー吸収量が大きくなる。
【００２４】
次に、本発明の実施の形態について説明する。図３は、本実施の形態に係る自動車のバンパー補強材として用いられるエネルギー吸収部材の断面図である。本実施の形態のエネルギー吸収部材３は、７０００系Ａｌ合金からなる押出形材であって、上壁領域３１と、上壁領域３１と対向する平板として形成された底壁領域３２と、上壁領域３１および底壁領域３２の間に設けられてこれら２つの領域を連結する一対のウェブ（側壁部）３３、３４と、上壁領域３１および底壁領域３２を中間において連結するリブ（側壁部）３５から構成されている。
【００２５】
上壁領域３１は、左端部３１ａ、左中央上壁部３１ｂ、右中央上壁部３１ｃ、右端部３１ｄの４つの部分から構成されている。左端部３１ａと左中央上壁部３１ｂ、および、右中央上壁部３１ｃと右端部３１ｄは、実質的に均等な大きさであってそれぞれ独立して中空外側に膨らむように湾曲しており、上壁領域３１全体としては、中空外側に膨らむように湾曲した２つの部分が接続された形状をしているので、その接続部分は中空内側に突出している。左端部３１ａと左中央上壁部３１ｂとの境界部にはウェブ３３が接続されており、左中央上壁部３１ｂと右中央上壁部３１ｃとの境界部にはリブ３５が接続されており、右中央上壁部３１ｃと右端部３１ｄとの境界部にはウェブ３４が接続されている。つまり、上壁領域３１の左端部３１ａは、上壁領域３１とウェブ３３との接続個所を越えて左外側に伸延しており、上壁領域３１の右端部１１ｄは、上壁領域３１とウェブ３４との接続個所を越えて右外側に伸延している。
【００２６】
底壁領域３２は、ともに平板状の左側底壁部３２ａと右側底壁部３２ｂとから構成されている。左側底壁部３２ａと右側底壁部３２ｂとの境界部にはリブ３５が接続されている。
【００２７】
上壁領域３１が中空外側に膨らむように湾曲している一方で、底壁領域３２、リブ３５およびウェブ３３、３４は湾曲していない平板として形成されている。また、底壁領域３２とウェブ３３、３４との接続角部は、比較的大きな曲率半径にされている。ウェブ３３、３４は、上壁領域３１と１１０°程度の角度で接続されており、底壁領域３２と９０°程度の角度で接続されている。また、リブ３５は、上壁領域３１の左中央上壁部３１ｂおよび右中央上壁部３１ｃとそれぞれ１１０°程度の角度で接続されており、底壁領域３２と９０°程度の角度で接続されている。
【００２８】
このように構成されたエネルギー吸収部材３が自動車のバンパー補強材として用いられる場合も、図２（ａ）、（ｂ）で説明したように底壁領域３２端部近傍に２本の支持部材２１、２２が取り付けられ、上壁領域３１側には発泡材からなる緩衝材２４とカバー材２５とが取り付けられる。このような状態で、図６および図７で説明したような振り子型の打撃子２３とエネルギー吸収部材３とが緩衝材２４およびカバー材２５を介して衝突して、エネルギー吸収部材３に主として曲げモーメント荷重が加えられると、エネルギー吸収部材３は、図２（ａ）または図２（ｂ）に示すように曲げ変形する。
【００２９】
このとき、本実施の形態のエネルギー吸収部材３においては、上壁領域３１が中空外側に膨らむように湾曲している２つの部分を有していることにより、上壁領域３１の曲げ剛性が通常の断面矩形のエネルギー吸収部材のものよりも大きく、そのため、衝突時に上壁領域３１が座屈しにくくので、エネルギー吸収部材３によるエネルギー吸収量が通常の平板状の上壁部を有するものよりも大きくなる。特に、本実施の形態のエネルギー吸収部材３は、上壁領域３１が中空外側に膨らむように湾曲している２つの部分に分割されていることにより、特に底壁領域３２の幅ｌ（図３参照）が高さに比べて比較的大きいような断面形状を有する場合に、エネルギー吸収量が参考例のエネルギー吸収部材１よりも大きいという利点がある。
【００３０】
さらに、本実施の形態のエネルギー吸収部材３は、上壁領域３１がウェブ３３、３４との接続個所を越えて外側に伸延した左端部３１ａ、右端部３１ｄを有していることから、上壁領域３１がその端点においてウェブ３３、３４と接続されている場合と比較して上壁領域３１の曲げ剛性が大きい。そのため、衝突時に上壁領域３１が座屈しにくく、この点からもエネルギー吸収部材３によるエネルギー吸収量が大きくなる。
【００３１】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な設計変更が可能である。例えば、上述の実施の形態では断面が略矩形のエネルギー吸収部材について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば断面が略５角形であってもよい。
【００３２】
【実施例】
次に、本発明の参考実施例について説明する。
【００３３】
図１に示したのと同様の断面形状を有するエネルギー吸収部材（上壁部幅７０ｍｍ、底壁部幅５０ｍｍ、ウェブ長さ４０ｍｍ、板厚１．５ｍｍ）について、図２（ａ）、（ｂ）で示したような振り子型の打撃子を用いた衝突試験を行い、その荷重−変位特性を調べた（参考実施例）。また、上壁部が湾曲していない点以外は参考実施例と同様であるエネルギー吸収部材（その断面形状を図４に示す）についても、同様に振り子打撃子を用いた衝突試験を行ってその荷重−変位特性を調べた（比較例）。
【００３４】
このときの試験条件は、以下のようなものである。この試験において、エネルギー吸収部材は図示しない台車の前方に支持されており、上壁部側が打撃子と対向するように設置されている。打撃子は支点を中心として揺動可能に吊り下げられている。打撃子は、その突出部の先端がエネルギー吸収部材の上壁部の上端と衝突するように調整されている。衝突試験時の打撃子の傾斜角度は、エネルギー吸収部材と打撃子との衝突速度が４．０ｋｍ／ｈとなるように調整された。このような条件で、衝突による荷重が発生してからなくなるまでのエネルギー吸収部材の底壁部中央付近における凹み変位（座屈）量と荷重との経時的な関係を調べた。その結果を図５に示す。
【００３５】
図５において、太線が参考実施例を、細線が比較例をそれぞれ示している。図５の荷重−変位特性において、参考実施例および比較例の結果を比較すると、参考実施例のエネルギー吸収部材は最大荷重が１０５０ｋｇｆ程度であるのに対して、比較例のエネルギー吸収部材は最大荷重が９５０ｋｇｆ程度である。その一方で、参考実施例のエネルギー吸収部材は最大変位が３２ｍｍ程度であるのに対して、比較例のエネルギー吸収部材は最大変位が３５ｍｍ程度である。つまり、同じ大きさのエネルギーを吸収した場合に、参考実施例のエネルギー吸収部材は比較例のものに比べて最大荷重が大きい分だけ最大変位が小さくなっている。そして、それに伴って、参考実施例のエネルギー吸収部材は永久変形量（衝突後に荷重０に戻った後の変形量）が８ｍｍ程度であり、１２ｍｍ程度である比較例のものよりも小さくなっている。なお、エネルギー吸収部材の上壁部中央付近における凹み変位量と荷重との経時的な関係も図５と同様の傾向を示すことが本発明者により確認された。
【００３６】
従って、エネルギー吸収量が同じという条件では参考実施例のものは比較例のものよりも永久変形量（または最大変位量）が小さく、言い換えると、永久変形量（または最大変位量）が同じという条件では参考実施例のものは比較例のものよりもエネルギー吸収量が大きい。よって、上壁部を中空外側に膨らむように湾曲させることによって、板厚を大きくしなくともエネルギー吸収部材によるエネルギー吸収量を増加させられること、或いは、エネルギー吸収部材の変形量を抑制できることが分かる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１によると、上壁部が中空外側に膨らむように湾曲している部分を有しているために、板厚を大きくしなくとも上壁部の曲げ剛性が向上して上壁部に大きな荷重が与えられた場合であっても衝突面となる上壁部が中空内側に座屈しづらく、エネルギー吸収部材におけるエネルギー吸収量が増加する。そのため、請求項１のエネルギー吸収部材は、軽量であってもエネルギー吸収量が多いものとなる。また、請求項１によると、上壁部が中空外側に膨らむように湾曲しているために、エネルギー吸収量が同じ場合には、エネルギー吸収部材の変形量を小さく抑制することができる。
また、中空外側に膨らむように湾曲している２つの上壁部を有しているので、特に底壁部の幅が高さに比べて比較的大きいような断面形状を有する場合に、エネルギー吸収量が大きい。
さらに、エネルギー吸収部材がアルミニウム合金製の押出形材であることにより、部材の重量を軽量化することができるとともに、部材を比較的容易に製造することが可能となる。
【００３８】
請求項２によると、上壁部と３つの側壁部のうち両端にある側壁部との接続個所を越えて上壁部が外側に伸延しているために、上壁部がその端点において側壁部と接続されている場合と比較して上壁部の曲げ剛性が向上し、衝突時に上壁部が座屈しにくく、エネルギー吸収量が増加する。
【００３９】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の参考例に係る自動車のバンパー補強材として用いられるエネルギー吸収部材の断面図である。
【図２】  図１に示したエネルギー吸収部材が自動車のバンパー補強材として用いられる場合を示す概略的な模式図である。
【図３】  本発明の実施の形態に係るエネルギー吸収部材の断面図である。
【図４】  本発明の比較例のエネルギー吸収部材の断面図である。
【図５】  本発明の参考実施例および比較例のエネルギー吸収部材における荷重−変位特性を示すグラフである。
【図６】  衝突試験の様子を示す模式的な側面図である。
【図７】  衝突試験の様子を示す模式的な平面図である。
【符号の説明】
１、エネルギー吸収部材
１１  上壁部
１２  底壁部
１３、１４  ウェブ
【図１】
0003992408.tif 000002
【図２】
0003992408.tif 000003
【図３】
0003992408.tif 000004
【図４】
0003992408.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003992408.tif 000008