JP5085445B2

JP5085445B2 - 車両のバンパーシステム

Info

Publication number: JP5085445B2
Application number: JP2008177543A
Authority: JP
Inventors: 徹橋村; 寛哲細井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2008-07-08
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-07-08
Also published as: JP2010018047A

Description

本発明は、車幅方向に沿って配置されるバンパービームと、前記バンパービームを支持する左右のクラッシュボックスからなる車両のバンパーシステムに関する。

自動車などの車体の前端（フロント）及び後端（リア）に取り付けられているバンパーの内部には、強度補強材としてのバンパービーム（バンパーリインフォースメントあるいはバンパーアマチャアなどともいう) が設けられている。また、車体の衝突時の乗員への衝撃を緩和するために、バンパービームと車体側のサイドメンバ（サイドフレーム）との間に、塑性変形可能なクラッシュボックス（バンパーステイともいう）を介在させた例が、従来から提案されている。このクラッシュボックスは、元々バンパ補強材の後面からの支持部材 (車体連結用部材) としての役割も持つ。本発明において、このバンパービームと、バンパービームを支持する左右のクラッシュボックスからなる構造体をバンパーシステムという。

従来から、軽量化のために、鋼製に代わるアルミニウム合金押出中空形材からなるバンパービームが種々提案、採用されている。同じくアルミニウム合金押出中空形材を用いたクラッシュボックスが種々提案、採用されている。クラッシュボックスは、衝突方向に直交する断面が閉断面構造であり、圧壊変形時には縦方向にアコーディオン状に変形するため、比較的高い荷重で長いストロークの間に変形を行い、エネルギー吸収特性に比較的優れるという特性を持つ。

クラッシュボックスのエネルギー吸収効率を高めるためには、アコーディオン状に潰れる中空部材内部のリブの数を増すなどの工夫が知られている。しかしながら、中空部材内部のリブ数を増すと、一般的に押出性の限界のため、製造が困難になりやすい、あるいは大型断面が得られにくい、などの欠点があった。また、リブ数を増すと断面積が増すため、アコーディオン状に潰れていく際の荷重も増す。荷重が高くなりすぎるとクラッシュボックス後方の車体が損傷を受けるため、クラッシュボックスの外寸法を余り大きくできず、結果として比較的細長いクラッシュボックスとなり、斜め方向から荷重を受けるとクラッシュボックス全体がくの字状に折れ曲がりやすくなる。このため、近年ますます強化される衝突基準に対応して安全性を高める必要がある状況において、その良好な特性を発揮できないという課題があった。

このためクラッシュボックスとして、従来から、その断面形状を六角形、あるいは八角形などの多角形断面形状として稜線の数を増し、さらにこれらを二つ組み合わせて一体化した略８の字断面部材が提案されている（特許文献１〜４参照）。
八角形断面を縦に２つ組み合わせて一体化した前述の略８の字断面のクラッシュボックスは、従来のクラッシュボックスを改良したもので、最大荷重以降の荷重の上下動を抑制して、エネルギ吸収効率を増加させることができる。かつ、製造性（押出性）の問題もある程度クリアできる。また、内部リブ数が少ないため、余り反力荷重を高くすることなく外寸法を大きくすることが可能となる。

特開２００４−１０６６１２号公報特開２００５−１６２０４９号公報特開２００５−２２５３９４号公報特開２００６−３４７２６５号公報

一方、通常のバリア（壁）衝突などでは、車体全部が均等に圧縮されるのに対し、近年提示されているＩＩＨＳ（Insurance Institute for Highway Safety）のバリア試験では、幅方向に延在するバンパーの中央の上側に偏して打撃され荷重が加わるようなバリアとなっている。これは、ＳＵＶ（Sports Utility Vehicle）など車高の高い車が増加していることに対応している。このバリヤ試験では、バンパーシステムに上下に偏心した荷重が加わるため、バンパーシステムを車体側部からみた場合、バンパービームが捻れ、クラッシュボックスが上部に曲がるような変形を生じる。あるいは、船舶での輸送中のタイダウン（車両と甲板を繋ぐ操作）の際に、バンパーシステムに下向きに偏心した荷重が掛かり、クラッシュボックスに下部に曲がるような変形を生じる。

略８の字断面の前記クラッシュボックスの場合、八角形断面が縦に２つ組み合わせて一体化されていることから、上下に偏心した荷重に対しクラッシュボックスの曲がり変形が少なく、バンパービームの捻り変形が抑制され、バンパーシステムとしての衝突特性及びタイダウン時の耐荷重特性がある程度改善される。
しかし、単位断面として正八角形を用いることから、偏心荷重に対するバンパーシステムの衝突特性あるいはタイダウンに対する耐性を改善するため縦方向幅を大きくすると、必然的に横方向幅も大きくなり、クラッシュボックス全体が大型化して重量も増加するという問題があった。

本発明は、従来の略８の字断面のアルミニウム合金押出形材からなるクラッシュボックスを用いたバンパーシステムの問題点を解決するためになされたもので、クラッシュボックスの大型化及び重量増を抑制しつつ、前述の偏心荷重に対するバンパーシステムの衝突特性及びタイダウン時の耐荷重特性をより改善することを目的とする。

本発明に係る車両のバンパーシステムは、軸方向に衝突荷重を受けて圧縮変形し車両の衝突エネルギーを吸収するものであって、車両左右方向を押出方向とするアルミニウム合金押出中空形材からなるバンパービームと、車両前後方向を押出方向とするアルミニウム合金押出中空形材からなり、前記バンパービームを支持する左右のクラッシュボックスにより構成され、前記クラッシュボックスは、車両縦方向に偏平化した２つの略六角形断面が互いにその一辺を共有して縦方向に重なり一体化された略８の字型の断面形状を有することを特徴とする。

ここで、偏平化した六角形断面とは、正六角形断面を横幅をそのままで縦方向に拡大、偏平化した形状を意味する。また、略六角形断面とは、断面を構成する各辺の代表線（中心線）が略六角形であるものを指す。コーナー部にアールが付けられたもの、あるいはコーナー部に局部的な板厚の増減があるものなどは正確な六角形から多少ずれた形状（略六角形）となるが、これも本発明でいう略六角形断面に含まれる。
このバンパーシステムは、クラッシュボックスの後端（バンパービームの反対側端部）が自動車車体のサイドメンバ前端に取り付けられる。

本発明のバンパーシステムにおいて、クラッシュボックスは、略８の字型断面を構成する六角形が縦方向に偏平化しているため、横軸（Ｘ軸）（図７参照）回りの断面２次モーメントが、正六角形で構成された従来のクラッシュボックスに較べて大きく、横軸（Ｘ軸）回りの曲げに対する抵抗（剛性）が大きく、上下に偏心した荷重に対する耐性が強い。従って、上下に偏心した荷重に対しクラッシュボックスの曲がり変形が少なく、バンパービームの捻り変形が抑制され、クラッシュボックスの大型化及び重量増を抑制しつつ、従来のバンパーシステムに比べて、偏心荷重に対するバンパーシステムの衝突特性をより向上させることができる。同時にタイダウン時の耐荷重特性をより向上させることができる。

はじめに、本発明のバンパーシステムにおいて、クラッシュボックスの略８の字型の断面形状を構成する多角形断面として、六角形断面を選択した理由について説明する。
多角形断面を有するアルミニウム合金押出中空形材を縦（軸方向）圧壊変形させたとき、多角形の辺の数が多くなるほど、圧壊変形に伴う荷重の上下変動が小さく安定するが、逆に辺の数が多くなりすぎると、隣接する辺同士の角度が浅くなり、隣接する２辺が同時に圧壊変形し、かえって圧壊変形の安定性が損なわれる可能性がある。圧壊変形の安定性の観点から六角形又は八角形断面が適当である。また、単位質量当たりの荷重及び単位質量当たりのエネルギー吸収量が、下記表１に示すとおり、六角形断面において最も大きく、八角形断面がそれに次ぐ。

表１において、４Ｋ−１は５０ｍｍ×５０ｍｍの外形枠（四角枠）の中に収まる最大サイズの四角形（正方形）の中空形材、６Ｋ−１は同じく正六角形の中空形材、８Ｋ−１は同じく正八角形の中空形材について、縦圧縮時の特性をＦＥＭ解析により求めたものである。いずれも単位長さ当たりの質量は同程度とした。ＦＥＭ解析の条件は、アルミニウム合金で耐力３１０ＭＰａ、引張強さ３５０ＭＰａ、長さ１８０ｍｍの中空形材を１１０ｍｍまで圧縮するものとし、有限要素法解析ソフトＬＳ−ＤＹＮＡを用いて解析した。
表１に示すように、エネルギー吸収量（ＥＡ量）は六角形断面のものが最も大きい。最大荷重（Ｐ_ｍａｘ）、平均荷重、単位質量当たりのエネルギー吸収量も同様に、六角形断面のものが最も大きく、六角形断面が特性上、最も優れている。八角形断面のものがそれに次ぎ、辺数がこれより増加すると特性が低下する。
さらに、これらの多角形断面を２つ結合して略８の字型断面形状とした場合も、同様な特性の傾向が得られる。

続いて、図１〜図７（図６は参考例）を参照し、本発明に係るバンパーシステムについてより具体的に説明する。
図１，２に本発明に係るバンパーシステム１を示す。バンパーシステム１は、断面日型のアルミニウム合金押出中空形材からなるバンパービーム２と、略８の字型の断面形状を有するアルミニウム合金押出形材からなり、バンパービーム１の後壁５に固定されたクラッシュボックス３により構成される。なお、この明細書において、車両のフロント側、リア側に関わらず、衝突面側を前とし、車体側を後とする。

バンパービーム２は、衝突面側となる前壁４と、前壁４に平行な前記後壁５と、前壁４と後壁５を略垂直に連結し、前後方向を向くリブ６〜８からなり、曲げ加工を受けて両端部が車体側に傾斜している。
クラッシュボックス３は、図３に示すように、車両縦方向に偏平化した２つの六角形断面が互いにその一辺を共有して縦方向に重なり一体化されたもので、略８の字型の断面形状を有する。後端には、図示しないサイドメンバーの前端部にボルト結合されるフランジ９が、例えば全周溶接により取り付けられている。クラッシュボックス３の前端は、バンパービーム３の後壁５に例えば全周溶接により取り付けられるが、後端と同様にフランジを取り付け、このフランジを介してバンパービーム１の後壁５にボルト接合することもできる。

図４に示すように、クラッシュボックス３には、圧壊変形時の初期荷重低下のため、その側壁に押出方向に対して略直交方向に変形促進エンボス１０を形成することが望ましい。この変形促進エンボス１１は、略８の字型断面形状の輪郭を構成する１０個の側壁の全てに形成してもよいし、その一部のみに形成してもよく（図４の例では６個の側壁に形成）、全ての側壁で前後方向の同じ位置に形成してもよいし、異なる位置（例えば隣接する２つの側壁をみたとき千鳥配置）に形成してもよく、各側壁について１個だけ形成してもよいし、複数個形成してもよい。

次に、クラッシュボックス３の断面形状について、図５，６を参照して、より具体的に説明する。
クラッシュボックス３の断面は、縦方向に偏平化した２つの六角形断面が互いにその一辺を共有して縦方向に重なり一体化された略８の字型の断面形状を有する。ここで、縦方向に偏平化した六角形断面とは、先に述べたように、２つの正六角形断面を横幅をそのままで縦方向に拡大、偏平化した形状を意味し、その代表的な形状を図５に示す。

図５に例示する略８の字型断面形状において、六角形断面１１，１２はそれぞれ辺１３〜１８からなり、辺１３を共有する。図５（ａ）の六角形断面１１，１２は、左右の辺１４，１５，１７，１８を縦方向に延ばす形態で偏平化したもので、それぞれ稜角（稜を挟んで隣接する２つの辺のなす角度）が２箇所（左右の２箇所θ１，θ２）で１２０度より大きく、４箇所（θ３〜θ６）で１２０度より小さい。ここで、θ１とθ２、θ３〜θ６は互いに同一とは限らない。また、上下の辺１３，１６と左右の辺１４，１５，１７，１８の長さは同一でもよいが、上下の辺１３，１６より左右の辺１４，１５，１７，１８の方を長くすればより偏平化する。
図５（ｂ）の六角形断面１１，１２は、同じく左右の辺１４，１５，１７，１８を縦方向に伸ばす形態で偏平化したものであるが、偏平化は全ての稜角を１２０度に保ったまま（上下の辺１３，１６は短くなる）行われている。

本発明の典型的な略８の字型断面形状において、偏平化した六角形断面１１，１２は共有する辺１３と対辺１６が互いに平行とされ、かつ辺１３，１６は水平に配置される。これは圧壊変形時の挙動の安定化のためである。他の対辺（辺１４と辺１７、辺１５と辺１８）同士も互いに平行であることが望ましいが、必ずしもそれに限定されない。また、辺１３〜１８の肉厚は基本的に同一厚さでよいが、必要に応じて変えることもできる。例えば、稜を挟んで隣接する各辺に肉厚差を設けると、設けない場合に比べて中間変形領域（初期最大荷重以降の変形領域）での反力荷重の上下動を抑えることができる。

六角形断面１１，１２は偏平化されているから、各辺１３〜１８の代表線（中心線）の中点をそれぞれ１３ａ〜１８ａとし（図５（ａ）参照）、各対辺間の間隔を各対辺の中点間の間隔と定義したとき、上下の対辺間の間隔（中点１３ａと中点１６ａ間の間隔）は、左右の２組の対辺間の間隔（中点１４ａと中点１７ａ、中点１５ａと中点１８ａ間の間隔）より広くなっている。
なお、対辺同士が平行である場合、対辺間の間隔を両辺間に引いた垂線の長さで定義することもできる。偏平化した六角形断面１１，１２において、３組の対辺（辺１３と辺１６、辺１４と辺１７、辺１５と辺１８）がいずれも互いに平行であるとすれば、上下の対辺間の間隔（辺１３と辺１６に引いた垂線の長さ）は左右の２組の対辺間の間隔（辺１４と辺１７、辺１５と辺１８に引いた垂線の長さ）より広いということができる。

左右の２組の対辺（辺１４と辺１７、辺１５と辺１８）が互いに平行でない場合を含め、圧壊変形時の挙動の安定化のためには、さらに左右の２組の対辺（辺１４と辺１７、辺１５と辺１８）間の間隔が同一であることが望ましい。これに加えて各対辺（辺１３と辺１６、辺１４と辺１７、辺１５と辺１８）同士の長さが同一であることが望ましく、この場合、左右の２組の対辺（辺１４と辺１７、辺１５と辺１８）は互いに平行であり、かつ各六角形断面１，２はそれぞれ左右上下に対称である。

略８の字型断面形状を構成する２つの六角形断面１１，１２は、圧壊変形時の挙動の安定化のためには、同一形状であることが望ましい（その場合、略８の字型の断面が上下対称又は／及び１８０度回転対称となる）が、本発明にはそうでない場合（非対称）も含まれる。しかし、いずれにしても、２つの六角形断面１１，１２は、前記のとおり、それぞれ３組の対辺同士が平行で、共有する辺１３と対辺１６は水平に配置されることが望ましい。

図６に例示するクラッシュボックスの断面は、同じく略８の字型の断面形状であるが、縦方向に偏平化した２つの八角形断面が互いにその一辺を共有して縦方向に重なり一体化されている。ここで、縦方向に偏平化した八角形断面とは、先に六角形断面に関して述べたように、２つの正八角形断面を横幅をそのままで縦方向に拡大、偏平化した形状を意味し、図６はその代表的な形状を示すものである。

図６の略８の字型断面形状において、八角形断面２１，２２はそれぞれ辺２３〜３０からなり、辺２３を共有する。図６（ａ）の八角形断面２１，２２は、左右の辺２４〜２６，２８〜３０を縦方向に延ばす形態で偏平化したもので、それぞれ稜角（稜を挟んで隣接する２つの辺のなす角度）が４箇所（左右の４箇所θ１〜θ４）で１３５度より大きく、４箇所（θ５〜θ８）で１３５度より小さい。ここで、θ１〜θ４、θ５〜θ８は互いに同一とは限らない。また、上下の辺２３，２７と左右の辺２４〜２６，２８〜３０の長さは同一でもよいが、上下の辺２３，２６より左右の辺２４〜２６，２８〜３０の方を長くすればより偏平化する。
図６（ｂ）の八角形断面２１，２２は、左右の辺２５，２９のみを縦方向に伸ばす形態で偏平化したものであり、全ての稜角が１３５度に保たれている。
なお、図５を参照して偏平化した六角形断面１１，１２について説明したこと（段落００２１〜００２４参照）は、八角形断面２１，２２においても適用される。

本発明に係る略８の字型断面形状（２つの六角形断面からなる）又は参考例に係る略８の字型断面形状（２つの八角形断面からなる）において、偏平化のレベルを、２つの正六角形断面又は正八角形断面が互いにその一辺を共有して縦方向に重なり一体化された略８の字型の断面形状（基準断面形状という）を基準として、縦軸回りの断面２次モーメントの倍率で表すこともできる。本発明に係る略８の字型断面形状に対応する基準断面形状として、同じ板厚及び同じ横幅の基準断面形状が選択される。２つの六角形断面からなる略８の字断面形状について、図７（ａ）に基準断面形状、図７（ｂ）に本発明に係る略８の字型断面形状を示す。

縦軸（Ｙ軸）回りの断面２次モーメントＩ_ＹＹは、Ｙ軸（縦軸）回りの剛性を示す指標であり、一方、横軸（Ｘ軸）回りの断面２次モーメントＩ_ＸＸは、Ｘ軸（縦軸）回りの剛性を示す指標である。上下に偏心した衝突荷重及びタイダウン時の荷重に対する耐性を向上させるため、本発明に係る略８の字型断面形状又は参考例に係る略８の字型断面形状のＸ軸回りの断面２次モーメントＩ_ＸＸが、基準断面形状のＸ軸回りの断面２次モーメントより大きく、例えば１．５倍以上になるように、その断面形状を設定することが望ましい。しかし、Ｘ軸回りの断面２次モーメントＩ_ＸＸが基準断面形状のＸ軸回りの断面２次モーメントを余り大きく上回ると、相対的にＹ軸回りの剛性が小さくなり、Ｙ軸回りの曲げ変形が生じやすくなるので、Ｘ軸回りの断面２次モーメントＩ_ＹＹは基準断面形状のＸ軸回りの断面２次モーメントの４倍以下に留めることが望ましい。

本発明に係るアルミニウム合金押出中空形材は、薄肉（軽量）で、高い変形荷重を得るために、６０００系あるいは７０００系などのアルミニウム合金の内でも高強度材を用いることが望ましい。これらのアルミニウム合金は素材の耐力が高く、０．２％耐力で１９０ＭＰａ以上が得られる。

本発明に係るバンパーシステムの平面図である。同じく斜視図である。本発明に係るクラッシュボックスの斜視図である。本発明に係る別のクラッシュボックスの斜視図である。本発明に係るクラッシュボックスの略８の字型断面（２つの六角形断面により構成）を示す断面図である。参考例に係るクラッシュボックスの別の略８の字型断面（２つの八角形断面により構成）を示す断面図である。クラッシュボックスの略８の字型断面について、基本断面形状（ａ）と、本発明例（ｂ）を比較して示す図である。

符号の説明

１バンパーシステム
２バンパービーム
３クラッシュボックス
９フランジ
１０変形促進エンボス
１１，１２略８の字型断面形状を構成する六角形断面
２１，２２略８の字型断面形状を構成する八角形断面

Claims

軸方向に衝突荷重を受けて変形し車両の衝突エネルギーを吸収するバンパーシステムであって、車両左右方向を押出方向とするアルミニウム合金押出中空形材からなるバンパービームと、車両前後方向を押出方向とするアルミニウム合金押出中空形材からなり、前記バンパービームを支持する左右のクラッシュボックスにより構成され、前記クラッシュボックスは、車両縦方向に偏平化した２つの略六角形断面が互いにその一辺を共有して縦方向に重なり一体化された略８の字型の断面形状を有することを特徴とする車両のバンパーシステム。
前記クラッシュボックスの後端に、サイドメンバーの前端部に結合されるフランジが取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載された車両のバンパーシステム。
前記クラッシュボックスは、その壁部に押出方向に対して略直交方向に初期荷重低下のための変形促進エンボスを有することを特徴とする請求項１又は２に記載された車両のバンパーシステム。