(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料で構成される自動車の車体フレーム構造部材のうち、部材軸方向の座屈によって自動車衝突時の衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収部材において、プレス加工された薄鋼板を閉断面形状に組合わせ溶接してなる外枠部材内に、円管または角管からなる第１種の内挿部材を圧入することにより複数個充填挿入し、該内挿部材からなる隔壁を形成してなることを特徴とする衝突エネルギー吸収部材。
【請求項２】
前記円管または角管からなる第１種に代えて、プレス加工された薄鋼板を閉断面形状に組合わせ溶接してなる第２種としたことを特徴とする請求項１記載の衝突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、衝突エネルギー吸収部材に関し、詳しくは、金属材料で構成された自動車の車体フレーム構造の一部をなして自動車衝突時の衝突エネルギーを部材軸方向の座屈によって吸収する衝突エネルギー吸収部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車車体のフレーム構造部品のなかで、図５に示すようなフロントサイドフレーム１や、車両後部に配置されるリヤサイドフレーム（図示省略）などは、自動車の衝突時のエネルギー吸収部材として重要な役割を果たしている。自動車が衝突した際に、前記サイドフレームが適度に潰れることにより衝突時のエネルギーを吸収し、キャビン内の乗員生存空間を確保するような構造とするのが一般的である。例えば図５に示したフロントサイドフレーム１では前方での衝突時に矢示方向に入力される荷重（衝突荷重）２がバンパを介してフロントサイドフレーム１へと伝達され、このときにフロントサイドフレーム１が適切に潰れずエネルギーを吸収できなかった場合には、衝突時の荷重２がさらに後方のキャビンに伝達され、乗員に損傷を与えることになる。それゆえ、フロントサイドフレーム等の衝突エネルギー吸収部材には、エネルギー吸収能の高い部材が望まれている。
【０００３】
このような要望に対し、例えば、特開平4-310477号公報には、軽金属により閉断面構造に押し出し成形された基本メンバとこの基本メンバ内に嵌合し略同じ長さの、少なくとも先端に圧縮変形促進部、好ましくは切欠を設けた補強メンバとで２重構造を形成した部材が提案されている。また、特開平11-29064号、特開平11-208519 号公報には、同じく軽金属材料の押し出し加工により、中空材の中心軸を通る面上に、中空材の内面に接するリブを設けたことを特徴とする自動車車体のフレーム構造が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
衝突時のエネルギー吸収量を大きくするためには、部材を構成する材料の板厚を厚くすることが有効である。しかしながら、部材の板厚を厚くすることは車体重量を増加させ燃費の悪化に直接結びつくことになり、地球環境保全の観点から全世界規模で展開されているＣＯ2 排出量削減活動すなわち自動車の軽量化の観点からは好ましくない。
【０００５】
エネルギー吸収量を増加させるもう一つの方法として、部材の断面形状を最適化する方法がある。断面形状の最適化は、部材の板厚を増加させることなく、部材の単位重量当りのエネルギー吸収量を増加させることができる点で有効である。
このような背景のもと、従来は前記したようなアルミニウムに代表される軽金属材料の押し出し加工によるフロントサイドフレームなどが提案されてきた。これによれば、押し出し加工により成形された隔壁を有する閉断面構造の部材は、それ以前の隔壁のない単純な閉断面構造の部材に比べエネルギー吸収量が増加するとともに、座屈形状が安定することによりエネルギー吸収量および変形時の座屈荷重も安定するという利点を有する。
【０００６】
しかしながら、アルミニウムに代表される軽金属材料の押し出し加工部品では、被加工材料および製造コストが高く、生産性が悪いことから、部品自体が高価であるという問題点や、隣接する部品との締結方法も煩雑になるという問題点があった。
また、自動車車体用フレーム材として最も一般的に使用されている鉄鋼材料などでは、公知の方法（例えば板金加工等）により隔壁を有する断面構造部材を製造することは可能であるが、加工が煩雑であり、複数の工程を必要とするなどの理由から、製造技術的にもコスト的にも問題点があった。
【０００７】
本発明は、これらの問題点を解決し、小型軽量でかつ部材軸方向の座屈による衝撃吸収エネルギー量が大きく、しかも安価で生産性に優れた自動車用衝突エネルギー吸収部材を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するために、容易にかつ安価に製造可能な隔壁を有する閉断面形状の構造部材について検討を重ね、以下の要旨になる本発明をなすに至った。
（１）金属材料で構成される自動車の車体フレーム構造部材のうち、部材軸方向の座屈によって自動車衝突時の衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収部材において、プレス加工された薄鋼板を閉断面形状に組合わせ溶接してなる外枠部材内に、円管または角管からなる第１種の内挿部材を圧入することにより複数個充填挿入し、該内挿部材からなる隔壁を形成してなることを特徴とする衝突エネルギー吸収部材。
（２）前記円管または角管からなる第１種に代えて、プレス加工された薄鋼板を閉断面形状に組合わせ溶接してなる第２種としたことを特徴とする（１）記載の衝突エネルギー吸収部材。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の衝突エネルギー吸収部材（本発明部材）は、自動車衝突時の衝突エネルギーを部材軸方向の座屈によって吸収するものであって、例えば図１に示すように、薄鋼板を断面ハット形状（図１:a-f、ただしaは参考例）または断面半円形状（図１:g,h）にプレス加工してなるプレス成形品３を複数個（この例では２個）、閉断面形状となるように組合わせ、好ましくはフランジ部４のところで、溶接９して外枠部材５となし、同部材内に、円管６または角管７からなる第１種の内挿部材を複数個充填挿入し、該内挿部材からなる隔壁（内部隔壁）８を形成してなる部材である。
【００１０】
本発明でいうところの充填挿入とは、複数個の内挿部材を外枠部材内へ挿入するにあたり、内挿部材が外枠部材に内接および／または同外枠部材内の他の内挿部材に外接して挿入方向以外の方向の平行移動を阻止された状態となるように挿入することを意味する。プレス成形品３同士を溶接９する方法は、スポット溶接、レーザ溶接、アーク溶接など、どのような溶接方法でもよい。
【００１１】
これにより、薄鋼板をプレス加工後溶接してなる外枠部材内に円管または角管の管壁からなる隔壁が形成されるから、従来の押し出し加工や煩雑な加工方法を用いることなく、容易に内部隔壁を有する部材を製造することができる。これらの部材は、内部隔壁により横方向の曲げ剛性が強くなっているから、衝突荷重入力時に横方向にオイラー座屈が発生し難く、軸方向に安定的に座屈させうるという利点も併せ持っている。
【００１２】
また、上記のように部材の横方向の曲げ剛性が強くなることから、自動車の側面衝突時または正面衝突時に曲げ変形を生じるような、サイドシル、センターピラー、フロントピラー、ルーフレールなどの自動車部品に本発明を適用しても、フロントサイドフレームの場合と同じく、衝突時のエネルギーを良好に吸収することができ、衝突時の乗員安全性を向上させる効果が得られる。
【００１３】
さらに、外枠部材内に円管または角管を充填挿入して内部隔壁を形成することにより、当該部材を上記のように軸方向に安定的に座屈させうるのみならず、図２に示すように、衝突時に部材が圧潰されて潰れていく間のエネルギー吸収量を増大させうることが本発明者らの実験で判明した。
図２は、本発明例(#1)および比較例(#2),(#3),(#4)を部材軸方向に圧潰した際の荷重- 変位曲線を示す特性図である。ここで、本発明例(#1)は図１(c) と同一形態のもの、比較例(#2)は通常の断面ハット形状のプレス成形品３を組合わせ溶接９したもの、比較例(#3)は比較例(#2)に通常の断面ハット形状のプレス成形品からなる補強材10を組合わせて溶接９したもの、比較例(#4)は比較例(#2)に円管６を単に挿入（非充填挿入）して溶接９したものである。なお、ここで用いた被圧潰部材の構成要素（外枠部材、補強材、円管）の厚みはいずれも同じとし、各例はいずれも同一重量となるようそれぞれの構成要素の周長（部材軸方向に垂直な断面内での肉厚中心線長）を設定した。
【００１４】
図２に示されるように、軸方向圧潰時の荷重特性は、本発明例、比較例とも、衝突直後に初期ピーク荷重Ｐまで上昇した荷重が、座屈変形の開始とともに低下したのち、座屈変形の蛇腹状進展に伴い微小な増減を繰返す様相を呈し、初期ピーク荷重Ｐはいずれの例でも略同等レベルになる。しかし、本発明例では、座屈変形の蛇腹状進展に伴い微小な増減を繰返す時期に比較例よりも高い荷重レベルが得られ、荷重の変位積分で評価される変形時のエネルギー吸収量が大きいことがわかる。
【００１５】
この理由は次のように考えられる。すなわち、本発明例では円管等の内挿部材を充填挿入してなる内部隔壁の個々が部材軸方向に蛇腹状に座屈変形する際に相互に干渉し合うのに対し、比較例(#2)では内部隔壁がないからそのような相互干渉は起こらず、また、比較例(#3),(#4) では隔壁相当部材はあるが他の要素部材との接触箇所が少ないため、相互干渉が起こったにしても本発明例ほど大きなものにはならない。また(#4)のように内挿部材が外枠部材の片側に寄っている場合は、断面形状の対称性が悪く安定して圧潰されず、横方向に折れ曲がりやすい。それゆえ本発明例では座屈変形の蛇腹状進展段階において比較例よりも高い荷重レベルに到達する。
【００１６】
また、本発明では、例えば図３に示すように、円管または角管からなる第１種の内挿部材の代わりに、プレス加工された薄鋼板（プレス成形品）を閉断面形状に組合わせ溶接９してなる第２種の内挿部材5Aを用いても同様の効果が得られる。
なお、第２種の内挿部材は、四角形状の場合、溶接フランジが挿入時に外枠部材または内挿部材と干渉することになるため、図３に示すように断面円形状に構成したものが好ましい。またプレス成形品の組合わせ個数は、複数であれば特に限定されないが、プレス工数や溶接工数を節減する観点からは２個が好ましい。この点に関しては外枠部材でも同様である。
【００１７】
一方、外枠部材の断面形状は、図１に示したような、ハット状を合わせた略四角形状や、半円弧状を合わせた略円形状に限定されるものではなく、他の形状（例えば多角形状、楕円形状など）であっても同様の効果が得られる。内挿部材は、外枠部材とレーザ溶接などにより溶接してもよいが、本発明では圧入することにより固定する（種別によらない）。
【００１８】
また、内挿部材の充填挿入個数が１個の場合、衝突時にこの１個と外枠部材とで変形同士の干渉が起こるが、複数個の場合、これら内挿部材の変形同士、すなわち各隔壁の座屈変形同士の干渉も加わるため、エネルギー吸収量がさらに大きくなる。したがって、本発明では内挿部材の充填挿入個数は複数個とする（種別によらない）。
【００１９】
また、本発明は、内挿部材の種別、個数、断面形状および外枠部材の断面形状等の組合わせに左右されるものではなく、図１、図３に例示されない組合わせであっても、同様の効果が期待できる。どのような組合わせとするかは、必要とするエネルギー吸収量や部材重量などを考慮して適宜決定すればよい。
【００２０】
【実施例】
1.2mm 厚で引張強さ440MPaの熱延鋼板を素材として図４に部材軸方向に垂直な断面形状を示す部材Ａ〜Ｄを作製した。各部材の軸方向長さは300mm とした。
部材Ａは、前記素材を断面ハット状にプレス成形したものを２個閉断面形状に組合わせてスポット溶接した部材であって、内部隔壁のない比較例である。この部材Ａの断面寸法は、矩形部縦横各120mm 、溶接用フランジ部長さ20mmに設定した。
【００２１】
部材Ｂ〜Ｄは、素材を断面ハット状にプレス成形したものを２個閉断面形状に組合わせ、スポット溶接して外枠部材となし、該外枠部材内に前記素材を電縫溶接造管法にて造管してなる円管からなる第１種の内挿部材を充填挿入し、該内挿部材により隔壁を形成してなる本発明例（ただし部材Ｂは参考例）である。内挿部材の外枠部材への挿入は圧入によって行い、両者の溶接は行っていない。部材Ｂ〜Ｄをなす断面ハット状部材および挿入管の周長は、部材Ｂ〜Ｄがそれぞれ部材Ａと同一重量となるように計算して設定した。
【００２２】
これらの部材の軸方向の一端面に錘を時速50kmの速さで正面衝突させ、発生する荷重をロードセルで計測するとともに衝突端の変位をレーザ変位計で計測して荷重- 変位曲線を求め、該曲線を用いて変位０〜150mm の範囲の荷重を変位で積分することにより、変形（軸方向の圧潰長さ）が150mm に達するまでに部材に吸収されたエネルギー量を算出した。
【００２３】
図４に、部材Ａに対する各部材のエネルギー吸収量比を示す。Ａ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄの順にエネルギー吸収量が大きくなっており、本発明部材のエネルギー吸収能が高いことが検証された。
次に、前述と同じ1.2mm 厚で引張強さ440MPaの熱延鋼板を素材として、図６に部材軸方向に垂直な断面形状を示す部材Ｅ〜Ｇを作製した。各部材の軸方向長さは300mm とした。
【００２４】
部材Ｅは、図４で説明した部材Ａと同じく前記素材を断面ハット状にプレス成形したものを２個閉断面形状に組合わせてスポット溶接した部材であって、内部隔壁のない比較例である。この部材Ｅの断面寸法は、図４の部材Ａと同じく矩形部縦横各120mm 、溶接用フランジ部長さ20mmに設定した。
部材Ｆ，Ｇは、素材を断面ハット状にプレス成形したものを２個閉断面形状に組合わせ、スポット溶接して外枠部材となし、該外枠部材内に、前記素材を断面半円形状にプレス成形したものを２個閉断面形状に組合わせてスポット溶接してなる第２種の内挿部材を充填挿入し、該内挿部材により隔壁を形成してなる本発明例（ただし部材Ｆは参考例）である。内挿部材の外枠部材への挿入は圧入によって行い、両者の溶接は行っていない。部材Ｆ，Ｇをなす断面ハット状部材および挿入部材の周長は、部材Ｆ，Ｇがそれぞれ部材Ｅと同一重量となるように計算して設定した。
【００２５】
これら部材の軸方向の一端面に錘を時速50kmの速さで正面衝突させ、前述の方法で荷重- 変位曲線を求め、変形が150mm に達するまでに部材が吸収したエネルギー量を算出した。
図６に、部材Ｅに対する各部材のエネルギー吸収量比を示す。Ｅ＜Ｆ＜Ｇの順にエネルギー吸収量が大きくなっており、本発明部材のエネルギー吸収能が高いことが検証された。
【００２６】
【発明の効果】
かくして本発明によれば、容易にかつ低コストで自動車衝突時のエネルギー吸収能が高い部材を製造することができて、乗員の安全性の確保はもとより、さらなる車両軽量化を図ることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１種の内挿部材からなる隔壁を有する本発明例（ただし(a)は参考例）を示す断面図である。
【図２】  本発明例(#1)および比較例(#2,#3,#4)を部材軸方向に圧潰した際の荷重- 変位曲線を示す特性図である。
【図３】  第２種の内挿部材からなる隔壁を有する本発明例(a)および参考例(b)を示す断面図である。
【図４】  参考例Ｂ, 本発明例Ｃ, Ｄおよび比較例Ａの衝突時エネルギー吸収量比を示すグラフである。
【図５】  フロントサイドフレームの１例を示す説明図である。
【図６】  参考例Ｆ，本発明例Ｇおよび比較例Ｅの衝突時エネルギー吸収量比を示すグラフである。
【符号の説明】
１ フロントサイドフレーム
２ 荷重（衝突荷重）
３ プレス成形品（プレス加工された薄鋼板）
４ フランジ部
５ 外枠部材
5A 第２種の内挿部材
６ 円管（第１種の内挿部材）
７ 角管（第１種の内挿部材）
８ 隔壁（内部隔壁）
９ 溶接
10 補強材
【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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