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発明の名称 エネルギ吸収部材およびその製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−15543(P2007−15543A)
公開日 平成19年1月25日(2007.1.25)
出願番号 特願2005−198852(P2005−198852)
出願日 平成17年7月7日(2005.7.7)
代理人 【識別番号】100072349
【弁理士】
【氏名又は名称】八田 幹雄
発明者 渡辺 茂雄 / 桜井 寛 / 源島 文彦
要約 課題
良好なエネルギの吸収能を有しかつ重量増加を抑制し得るエネルギ吸収部材を提供する。

解決手段
軸線方向Xを中心としてねじり回転した立体構造を有するねじれ部120を有する。ねじれ部120は、軸線方向Xからの荷重入力によって、圧潰される。
特許請求の範囲
【請求項1】
軸線方向を中心としてねじり回転した立体構造を有するねじれ部を有し、
前記ねじれ部は、前記軸線方向からの荷重入力によって、圧潰される
ことを特徴とするエネルギ吸収部材。
【請求項2】
前記エネルギ吸収部材は、前記軸線方向に対する直角方向に関し、閉断面構造を有することを特徴とする請求項1に記載のエネルギ吸収部材。
【請求項3】
前記ねじれ部は、多角形断面形状を有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のエネルギ吸収部材。
【請求項4】
前記ねじれ部は、略矩形断面形状を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のエネルギ吸収部材。
【請求項5】
前記軸線方向の長さL[mm]、前記ねじれ部のねじれ角θ[ラジアン]および前記ねじれ部の端面の断面面積S[mm]が、
【数1】


の関係を満たしていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記エネルギ吸収部材。
【請求項6】
前記ねじれ部を挟んで位置する一方および他方の端部を有し、前記一方および他方の端部は、別部材にそれぞれ連結されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のエネルギ吸収部材。
【請求項7】
前記別部材は、自動車車体部品であることを特徴とする請求項6に記載のエネルギ吸収部材。
【請求項8】
前記自動車車体部品は、自動車車体のバンパ骨格部材および車体骨格部材であり、前記ねじれ部は、前記パンパ骨格部材からの荷重入力によって圧潰されることを特徴とする請求項7に記載のエネルギ吸収部材。
【請求項9】
請求項1〜8のいずれか1項に記載のエネルギ吸収部材を製造するための製造方法であって、
前記ねじれ部に対応するキャビティを有する成形型の内部に、前記エネルギ吸収部材の管状素材を配置し、
前記管状素材の内部に、液圧を付与し、膨出変形させる
ことを特徴とする製造方法。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、エネルギ吸収部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
エネルギ吸収部材は、軸線方向からの荷重の入力によって圧潰されることによって、エネルギを吸収する部材であり、日型や田型等のリブ構造を有するアルミニウム合金押し出し材を適用することで、エネルギ吸収の効率化を図っている(例えば、特許文献1〜3参照。)。
【特許文献1】特開平8−91154号公報
【特許文献2】特開2000−318552号公報
【特許文献3】特開2005−14836号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかし、リブ構造は、エネルギの吸収能を増加させるが、重量を増加させる問題を有する。
【0004】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好なエネルギの吸収能を有しかつ重量増加を抑制し得るエネルギ吸収部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記目的を達成するための請求項1に記載の発明は、
軸線方向を中心としてねじり回転した立体構造を有するねじれ部を有し、
前記ねじれ部は、前記軸線方向からの荷重入力によって、圧潰される
ことを特徴とするエネルギ吸収部材である。
【0006】
上記目的を達成するための請求項9に記載の発明は、
請求項1〜8のいずれか1項に記載のエネルギ吸収部材を製造するための製造方法であって、
前記ねじれ部に対応するキャビティを有する成形型の内部に、前記エネルギ吸収部材の管状素材を配置し、
前記管状素材の内部に、液圧を付与し、膨出変形させる
ことを特徴とする製造方法である。
【発明の効果】
【0007】
請求項1に記載の発明によれば、ねじれ部の立体構造における稜線は、稜線方向のみならず稜線を折り曲げる方向にも力を受けるので、ねじれ部は、圧潰変形の際に、ねじりモーメントを発生させる。ねじりモーメントは、エネルギ吸収部材に連結される別部材に伝達され、拘束を受けるため、蛇腹状の圧潰変形を単純に生じる場合に比べ、圧潰変形開始後の荷重変動が少なく、かつ、大きなエネルギ吸収量を得ることができる。また、リブ構造を有しないため、重量を増加させない。したがって、良好なエネルギの吸収能を有しかつ重量増加を抑制し得るエネルギ吸収部材を提供することができる。
【0008】
請求項9に記載の発明によれば、管状素材の外面は、膨出変形により、成形型のキャビティに当接し、キャビティに対応する形状を有することとなる。キャビティは、ねじれ部に対応する部位を有するため、ねじれ部が容易に形成される。ねじれ部は、上述のように、蛇腹状の圧潰変形を単純に生じる場合に比べ、圧潰変形開始後の荷重変動が少なく、かつ、大きなエネルギ吸収量を得ることができる。また、リブ構造を有しないため、重量を増加させない。つまり、良好なエネルギの吸収能を有しかつ重量増加を抑制し得るエネルギ吸収部材の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【0010】
図1は、本発明の実施の形態に係るエネルギ吸収部材を説明するための斜視図、図2は、図1のエネルギ吸収部材に適用される素材を説明するための斜視図である。
【0011】
エネルギ吸収部材100は、鋼材からなる管状素材10に液圧成形を適用することで形成される長尺状の液圧成形品であり、軸線方向に対する直角方向に関し、閉断面構造を有する。管状素材10は、例えば、押し出し材や、板材の端面を接合して形成される成形体を、利用することが可能である。
【0012】
エネルギ吸収部材100は、端部(一方および他方の端部)110およびねじれ部120を有する。ねじれ部120は、軸線方向Xを中心としてねじり回転した立体構造を有し、軸線方向Xからの荷重入力によって、圧潰される。端部110は、別部材(不図示)にそれぞれ連結される。ねじれ部120は、略矩形断面形状を有する。しかし、ねじれ部120は、他の多角形断面形状を有することも可能である。
【0013】
ねじれ部120の立体構造における稜線は、稜線方向のみならず稜線を折り曲げる方向にも力を受けるので、ねじれ部120は、圧潰変形の際に、ねじりモーメントを発生させる。ねじりモーメントは、端部110(エネルギ吸収部材100)に連結される別部材に伝達され、拘束を受けるため、蛇腹状の圧潰変形を単純に生じる場合に比べ、圧潰変形開始後の荷重変動が少なく、かつ、大きなエネルギ吸収量を得ることができる。また、リブ構造を有しないため、重量を増加させない。
【0014】
エネルギ吸収部材100は、エネルギ吸収能が向上しているため、管状素材10を薄肉化し、板厚を削減しても、所定のエネルギ吸収能を確保することが可能であり、エネルギ吸収部材100を軽量化することができる。
【0015】
別部材は、エネルギ吸収部材100とT字状に締結され、軸線方向Xからの荷重入力が加わる部材であり、例えば、バンパ骨格部材や、車体骨格部材等の自動車車体部品である。エネルギ吸収部材100が、バンパ骨格部材と車体骨格部材との間に配置される場合、ねじれ部120は、パンパ骨格部材からの荷重入力によって圧潰され、車両前面からの衝突エネルギを効率的に吸収することが可能である。つまり、エネルギ吸収部材100は、軸線方向から荷重が入力する自動車構造部材に極めて好適である。
【0016】
以上のように、エネルギ吸収部材100は、圧潰変形開始後の荷重変動が少なく、大きなエネルギ吸収量を得ることが可能であり、かつ、リブ構造を有しないため、重量を増加させない。なお、符号12,16は、管状素材10の端部をそれぞれ示し、符号14は、端部12,16によって挟まれる中間部を示している。
【0017】
図3は、図1のエネルギ吸収部材の製造方法に適用される液圧成形装置を説明するための断面図、図4は、図3の線IV−IVに関する断面図である。
【0018】
液圧成形装置200は、液圧供給手段および成形型を有する。液圧供給手段は、管状素材10の端部12,16の開口部に挿入され、端部12,16を密閉するノズル210,220を有する。
【0019】
ノズル210は、例えば、増圧シリンダを利用する圧力発生装置や成形媒体源から延長する配管225が接続される。配管225は、ノズル210の内部を延長する流路215に、連結されている。流路215は、ノズル210の先端に開口部216を有する。成形媒体は、配管225および流路215を経由し、開口部216から、管状素材10の内部に導入される。成形媒体は、例えば、水である。
【0020】
成形型は、上型230、下型235、側方型240,245、補助型250,255,260,265を有する。上型230および下型235は、互いに近接離間自在に配置される。側方型240,245は、互いに近接離間自在に配置される。上型230、下型235および側方型240,245は、全体として、エネルギ吸収部材100の端部110に対応するキャビティおよびねじれ部120に対応するキャビティ(図4参照)を構成する。
【0021】
補助型250,255は、管状素材10の肉厚およびノズル210の外周形状を考慮した半円形状の凹部を有し、互いに近接離間自在に配置されており、ノズル220が挿入された管状素材10の端部12を上下方向から押圧し、ノズル210と端部12との間の密閉を、確実とするために使用される。補助型260,265は、管状素材10の肉厚およびノズル220の外周形状を考慮した半円形状の凹部を有し、互いに近接離間自在に配置されており、ノズル220が挿入された管状素材10の端部16を上下方向から押圧し、ノズル220と端部16との間の密閉を、確実とするために使用される。
【0022】
次に、図1のエネルギ吸収部材の製造方法を説明する。図5は、素材の設置を説明するための断面図、図6は、図5に続く、形締めを説明するための断面図、図7は、図6の線VII−VIIに関する断面図、図8は、図6に続く、膨出変形を説明するための断面図である。
【0023】
まず、管状素材10が、下型235に設置される。この際、管状素材10の中間部14が、下型235におけるねじれ部120に対応するキャビティに位置決めされる。そして、管状素材10の端部12,16の開口部に、ノズル210,220が挿入される(図5参照)。
【0024】
補助型250,255は、近接することで、管状素材10の端部12を、上下方向から押圧し、開口部の内面と、ノズル210の外周との間を密着させ、補助型260,265は、同様に、端部16の内面と、ノズル220の外周との間を密着させる(図6および図7参照)。この際、管状素材10の端部12,16の開口部は、強制的に変形させられ、管状素材10の機密性が確実に確保される。
【0025】
その後、配管225および流路215を経由し、成形媒体が、ノズル210の先端の開口部216から、管状素材10の内部に導入され、管状素材10の内部に液圧が付与される。液圧が上昇し、管状素材10の膨出が開始すると共に、側方型240,245は近接し、管状素材10を側方向から押圧する。
【0026】
続いて、上型230および下型235は、徐々に近接し、管状素材10を上下方向から押圧する。管状素材10の内部の液圧は、上型230、下型235および側方型240,245による押圧によって、座屈しないように、制御される。この際、管状素材10の水平方向の側壁面には、圧縮歪は殆ど付与されないが、縦方向の側壁面には、圧縮歪が付与される。
【0027】
液圧が所定の最終値に到達すると、成形媒体の供給が停止され、所定時間保持される(図8参照)。そして、除圧した後、型開し、エネルギ吸収部材100(図1参照)が取り出される。
【0028】
以上のように、本実施の形態に係る製造方法によれば、管状素材10の外周は、膨出変形により、成形型(上型230、下型235および側方型240,245)のキャビティに当接し、キャビティに対応する形状を有することとなる。キャビティは、ねじれ部120に対応する部位を有するため、ねじれ部120が容易に形成される。ねじれ部120は、上述のように、蛇腹状の圧潰変形を単純に生じる場合に比べ、圧潰変形開始後の荷重変動が少なく、かつ、大きなエネルギ吸収量を得ることができる。また、リブ構造を有しないため、重量を増加させない。
【0029】
なお、膨出変形により形成されるねじれ部120は、軸線方向を中心としてねじり回転した立体構造を有するため、全周に渡って、せん断歪が付与され、また、ねじれ部120の縦方向の側壁面には、圧縮歪が付与される。一方、ねじれ部120を有しない場合、縦壁面にのみ圧縮歪が付与され、上面には歪は殆ど付与されない。つまり、エネルギ吸収部材100は、良好な加工硬化歪を得ることが可能である。
【0030】
次に、図1のエネルギ吸収部材に適用される圧潰試験方法を説明する。図9は、テストピースの作成を説明するための斜視図、図10は、図9のテストピースの作成における条件1〜8および比較例を説明するための図表である。
【0031】
圧潰試験方法に適用されるテストピース300は、エネルギ吸収部材100の端部110を切断して、作成されたねじれ部120からなる。
【0032】
ねじれ部120のねじれ角θ[度]を変更し、9種類のテストピース300を作成した。条件1〜4は、反時計方向CCWに関し、ねじれ角θが、5,15,20,30度の場合である。条件5〜8は、時計方向CWに関し、ねじれ角θが、5,15,20,30度の場合である。比較例は、ねじれ角θが「0」であり、ねじれ部120を有しない。
【0033】
また、条件1および5、条件2および6、条件3および7、条件4および8、比較例の形状係数Fは、それぞれ、0.08、0.23、0.31、0.45、0.00である。形状係数Fは、軸線方向の長さL[mm]、ねじれ角θ[ラジアン]およびねじれ部の端面の断面面積S[mm]を、下記の式に代入して、得られた数値である。
【0034】
【数1】


【0035】
図11は、図9に続く、テストピースに対する取付け治具の固定を説明するための斜視図、図12は、図11に続く、取付け治具の組付けを説明するための斜視図である。
【0036】
テストピース300は、切断面からなる端面302,306を有し、固定治具330および湾曲部材350の間に配置される。端面302は、エネルギ吸収部材100の軸線方向Xに対する横直交方向および縦直交方向によって定義される。
【0037】
端面302の近傍の側壁には、フランジ部品310が溶接される。フランジ部品310は、通し穴322を有するバックプレート320が溶接される。固定治具330は、ボルト穴332を有する。ボルト穴332は、フランジ部品310の通し穴322に対応して位置決めされている。
【0038】
テストピース300の端面302は、ボルト334を、フランジ部品310の通し穴322に挿入し、固定治具330のボルト穴332に螺合させることで、固定治具330に固定される。
【0039】
端面306は、湾曲部材350の湾曲形状に合致する形状を有し、フロントプレート340が溶接される。フロントプレート340は、ネジ山加工が施されたピン342が固定されている。湾曲部材350は、通し穴354が形成される端部352を有する。通し穴354は、フロントプレート340のピン342に対応して位置決めされている。
【0040】
テストピース300の端面306は、ピン342を湾曲部材350の通し穴354に、挿入し、ピン342の貫通先端部を、ナット356と螺合させることで、湾曲部材350の端部352に固定される。なお、湾曲部材350の他方の端部358には、テストピース300と同様の形状を有するダミー部材300Aが、固定されている。
【0041】
図13は、図12に続く、テストピースとストライカの衝突を説明するための側面図、図14は、図13の線XIV−XIVに関する断面図である。
【0042】
固定治具330および湾曲部材350の間に固定して配置されたテストピース300に対し、テストピース300(エネルギ吸収部材100)の軸線方向から、ストライカ360を衝突させた際の反力を、計測した。ストライカ360の重量および速度は、500kgおよび5m/秒である。
【0043】
次に、圧潰試験結果を説明する。図15は、条件1〜8および比較例の場合におけるエネルギ吸収量を説明するためのグラフ、図16は、形状係数とエネルギ吸収量との関係を説明するためのグラフである。
【0044】
エネルギ吸収能は、ストライカ360と湾曲部材350との接触後、テストピース300が衝突方向への変位90mmを満たした時点での、エネルギ吸収量[J]によって評価した。
【0045】
図15から理解されるように、重量が略一致する比較例と比べると、ねじれ角θが15度を超えると、反時計方向CCWおよび時計方向CWに係わらず、エネルギ吸収量が明確に増加している。したがって、エネルギ吸収部材100におけるねじれ部120の存在によるエネルギ吸収能の向上が、確認された。
【0046】
また、図16から理解されるように、エネルギ吸収量の明確な増加が見られる領域は、形状係数Fに関しては、0.25以上である。さらに、形状係数Fが0.4以上である場合、比較例に比べ、エネルギ吸収量が10%を越えて増加した。つまり、形状係数Fは、0.25以上が好まく、0.4以上がさらに好ましい。
【0047】
以上のように、本実施の形態は、良好なエネルギの吸収能を有しかつ重量増加を抑制し得るエネルギ吸収部材およびその製造方法を提供することが可能である。
【0048】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。
【0049】
例えば、エネルギ吸収部材は、自動車車体以外の製品や部品に適用することが可能であり、また、素材として、鋼材以外の金属材料を使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0050】
【図1】本発明の実施の形態に係るエネルギ吸収部材を説明するための斜視図である。
【図2】図1のエネルギ吸収部材に適用される素材を説明するための斜視図である。
【図3】図1のエネルギ吸収部材の製造方法に適用される液圧成形装置を説明するための断面図である。
【図4】図3の線IV−IVに関する断面図である。
【図5】図1のエネルギ吸収部材の製造方法を説明するための断面図であり、素材の設置を示している。
【図6】図5に続く、形締めを説明するための断面図である。
【図7】図6の線VII−VIIに関する断面図である。
【図8】図6に続く、膨出変形を説明するための断面図である。
【図9】図1のエネルギ吸収部材に適用される圧潰試験方法を説明するための斜視図であり、テストピースの作成を示している。
【図10】図9のテストピースの作成における条件1〜8および比較例を説明するための図表である。
【図11】図9に続く、テストピースに対する取付け治具の固定を説明するための斜視図である。
【図12】図11に続く、取付け治具の組付けを説明するための斜視図である。
【図13】図12に続く、テストピースとストライカの衝突を説明するための側面図である。
【図14】図13の線XIV−XIVに関する断面図である。
【図15】圧潰試験結果を説明するためのグラフであり、条件1〜8および比較例の場合におけるエネルギ吸収量を示している、
【図16】圧潰試験結果を説明するためのグラフであり、形状係数とエネルギ吸収量との関係を示している。
【符号の説明】
【0051】
10・・管状素材、
12,16・・端部、
16・・中間部、
100・・エネルギ吸収部材、
110・・端部、
120・・ねじれ部、
200・・液圧成形装置、
210,220・・ノズル、
215・・流路、
216・・開口部、
225・・配管、
230・・上型、
235・・下型、
240,245・・側方型、
250,255,260,265・・補助型、
300・・テストピース、
300A・・ダミー部材、
302,306・・端面、
310・・フランジ部品、
320・・バックプレート、
322・・通し穴、
330・・固定治具、
332・・ボルト穴、
334・・ボルト、
340・・フロントプレート、
342・・ピン、
350・・湾曲部材、
352,358・・端部、
354・・通し穴、
356・・ナット、
360・・ストライカ、
CCW・・反時計方向、
CW・・時計方向、
F・・形状係数、
S・・断面面積、
X・・軸線方向、
θ・・ねじれ角。




 

 


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