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JP4542602B2 - 曲げ強度部材およびバンパーリーンフォースメント - Google Patents

曲げ強度部材およびバンパーリーンフォースメント Download PDF

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JP4542602B2 JP2009041613A JP2009041613A JP4542602B2 JP 4542602 B2 JP4542602 B2 JP 4542602B2 JP 2009041613 A JP2009041613 A JP 2009041613A JP 2009041613 A JP2009041613 A JP 2009041613A JP 4542602 B2 JP4542602 B2 JP 4542602B2
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Description

本発明は、外力による曲げ荷重が作用する曲げ強度部材およびバンパーリーンフォースメントに関する。
従来、自動車の車体に取り付けられるバンパーリーンフォースメントは、薄肉材料で構成され、外力による曲げ荷重が作用する曲げ強度部材の一例であり、このようなバンパーリーンフォースメントの多くは、980MPa級の鋼板を用いて、B型断面や日型断面に成型することにより形成されている。
バンパーリーンフォースメントの主たる役割は、衝突時に変形してエネルギーを吸収するとともに、衝撃荷重を左右のサイドメンバに伝達し、サイドメンバを変形させることで、衝突時のエネルギーを吸収させることである。即ち、サイドメンバを変形させて、エネルギーを吸収させることにより、設計通り自動車のキャビンの変形を抑制して、乗員を衝撃から守っている。
特許文献1には、中空矩形断面を構成するウエブの曲げ中立軸より圧縮フランジ側の肉厚を引張フランジ側の肉厚より厚肉とすることによって、曲げ強度を高めた自動車用バンパーリーンフォースメントが開示されている。また、特許文献2には、バンパリィンフォースの3本のリブのうち、中間リブの板厚を他のリブよりも厚くすることにより、3本のリブが座屈した際のエネルギー吸収能力の低下を防止する車両用バンパ装置が開示されている。
また、特許文献3には、曲げ荷重が作用するフランジ側と反対側のフランジ面にFRP材を設けるとともに、圧縮側のフランジの幅と厚みとの比を12以下とすることによって、エネルギー吸収量を高めた曲げ強度部材が開示されている。また、特許文献4には、鋼管の内壁に沿う外側形状で、内部にリブを形成した補強菅を挿入することにより、強度を確保させた車両の複合構造部材が開示されている。
また、特許文献5には、エネルギー吸収性能に富む充填材を中空部材の内部に挿入して中空部材に固定させることにより、耐食性を確保させた充填構造体が開示されている。また、特許文献6には、ねじれモーメントが発生するように、強度の異なる複数の部材で構成して、曲げ荷重を他部材に分散させることにより、エネルギー吸収効率を向上させた車体構造部材が開示されている。
また、特許文献7には、バンパー補強材の中空部内に潰れ防止体を配置することにより、座屈変形による衝撃エネルギーの吸収能力を向上させたバンパー構造が開示されている。また、特許文献8には、荷重の負荷方向に対して垂直でない面に、補強材の中心方向に向かって凹型に設けられたRを設けることで、座屈の限界荷重を向上させた自動車バンパー補強材が開示されている。
特開平11−059296号公報 特開2004−148915号公報 特開2003−129611号公報 特開2003−312404号公報 特開2005−088651号公報 特開2006−248336号公報 特開2000−052897号公報 特開平6−199193号公報
ところで、バンパーリーンフォースメントのような中空断面の曲げ強度部材において、理論断面性能を発揮させるためには、衝突荷重を受けた際に、フランジが全断面塑性化する前に、ウェブに座屈を発生させないことが必須の条件となる。
ウェブの座屈を先行させないためには、ウェブの肉厚を増加させることが効果的である。しかし、ウェブの肉厚増加は重量アップを招くため、重量当たりの性能がそれほど向上しない。また、ウェブの肉厚増加はそのまま重量の増加を招くのに対し、今日ではCO2削減のために車両の軽量化が要求されているという背景がある。
また、バンパーリーンフォースメントの断面内部に付加物を取り付けるのは、製造上の困難が大きく、また、大きな付加物を取り付けると重量増加が著しくなる。また、FRPによって圧縮座屈を防止することはほとんど望めない。また、これらの付加物を用いる場合、コストアップが著しいという問題点もある。
本発明の目的は、重量増加を最小限に留めつつ曲げ強度を向上させることが可能な曲げ強度部材およびバンパーリーンフォースメントを提供することである。
課題を解決するための手段及び効果
発明の曲げ強度部材は、荷重が付加される荷重付加方向に対向配置され、それぞれが前記荷重付加方向に直交する一対のフランジと、前記一対のフランジ間において前記荷重付加方向に平行に配置されており、一端から他端にわたって肉厚が一定にされた定断面ウェブと、前記一対のフランジ間において、それぞれが前記荷重付加方向に平行に配置されており、前記定断面ウェブと断面積が同一であって、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされた一対の変断面ウェブと、を有し、各変断面ウェブは、これら変断面ウェブ同士が対向する一方面から中心面までの肉厚が、他方面から前記中心面までの肉厚よりも厚肉にされているとともに、肉厚が最も厚肉な最厚部の前記他方面側に切欠部を有していることを特徴とする。
上記の構成によれば、一対のフランジ間に配置された一対の変断面ウェブは、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされているから、この変断面ウェブと断面積が同一であり、一端から他端にわたって肉厚が一定な定断面ウェブよりも、座屈強度が向上されている。したがって、ウェブの肉厚を一端から他端にわたって一様に増加させなくても、両端の肉厚よりも内側の肉厚を厚肉にすることによって、ウェブの座屈強度を向上させることができるから、ウェブの厚肉化による重量増加を最小限に留めつつ、曲げ強度を向上させることができる。
また、各変断面ウェブは、これら変断面ウェブ同士が対向する一方面から中心面までの肉厚が、他方面から中心面までの肉厚よりも厚肉にされているから、一対の変断面ウェブの各々が座屈した際に、これら変断面ウェブ同士が対向する方向に各変断面ウェブを座屈させることができる。これにより、一対のフランジと各変断面ウェブとで形成された中空部を、座屈した各変断面ウェブで埋めることができるから、ウェブ座屈後の靭性(粘り強さ)を向上させることができる。
なお、中心面とは、ウェブの一端の厚み方向の中央点と、他端の厚み方向の中央点とを結ぶ仮想断面のことである。
また、最厚部の他方面側に切欠部を設けることによって、変断面ウェブ同士が対向する方向に各変断面ウェブを座屈させやすくすることができる。これにより、一対のフランジと各変断面ウェブとで形成された中空部を、座屈した各変断面ウェブで埋めやすくすることができるから、ウェブ座屈後の靭性(粘り強さ)をさらに向上させることができる。
また、本発明の曲げ強度部材においては、前記変断面ウェブにおいて、端部の肉厚をt1、前記最厚部の肉厚をt2、前記切欠部の深さをcとしたときに、1.1≦(t2−c)/t1≦1.4の関係を満足していてよい。上記の構成によれば、変断面ウェブの端部の肉厚と、最厚部の肉厚と、切欠部の深さとが所定の関係を満足しているので、重量増加を最小限に留めつつ曲げ強度を好適に向上させることができる。
また、本発明の曲げ強度部材においては、前記変断面ウェブにおいて、端部の肉厚をt1、肉厚が最も厚肉な最厚部の肉厚をt2としたときに、1.1≦t2/t1≦1.4の関係を満足していてよい。上記の構成によれば、変断面ウェブの端部の肉厚と最厚部の肉厚とが所定の関係を満足しているので、重量増加を最小限に留めつつ曲げ強度を好適に向上させることができる。
また、本発明のバンパーリーンフォースメントは、上記の曲げ強度部材からなることを特徴とする。上記の構成によれば、自動車の車体に取り付けられることによって、車両の軽量化に貢献させながら乗員の安全性を向上させることができる。
バンパーリーンフォースメントの模式図。 バンパーリーンフォースメントの断面図。 バンパーリーンフォースメントの断面図。 シミュレーション結果を表わすグラフ。 バンパーリーンフォースメントの断面図。 シミュレーション結果を表わすグラフ。 バンパーリーンフォースメントの断面図。 バンパーリーンフォースメントの断面図。 変断面ウェブの断面図。 シミュレーション結果を表わすグラフ。 バンパーリーンフォースメントの断面図。 バンパーリーンフォースメントの断面図。 バンパーリーンフォースメントの断面図。 バンパーリーンフォースメントの断面図。
以下、図面に基づいて、本発明に係る曲げ強度部材について説明する。なお、自動車の車体に取り付けられるバンパーリーンフォースメントを曲げ強度部材として説明するが、曲げ強度部材はバンパーリーンフォースメントに限定されない。
[第1の実施の形態]
本発明の第1の実施の形態におけるバンパーリーンフォースメント(曲げ強度部材)1について、図1ないし図4を用いて説明する。
(バンパーリーンフォースメント1の構成)
本実施の形態におけるバンパーリーンフォースメント1は、アルミニウムや鋼などの金属材料を一体成型することにより形成されており、図1に示すように、長手方向が、矢印で示す衝突方向(荷重が付加される荷重付加方向)に直交するように、自動車の車体100の前方に取り付けられる。また、バンパーリーンフォースメント1は、衝突方向に直交する方向に所定の間隔を開けて設けられた一対のステイ8,8によって支持されている。
図1のA−A断面図である図2に示すように、バンパーリーンフォースメント1は、断面が日の字形に形成されており、衝突方向に対向配置され、それぞれが衝突方向に直交する一対のフランジ2,3と、一対のフランジ2,3間において衝突方向に平行に配置された3つのウェブ4,4,5と、を有している。なお、ウェブの数は3つに限定されない。
一対のフランジ2,3は、矢印で示す衝突方向の上流側に位置する前側フランジ2と、前側フランジ2よりも衝突方向の下流側に位置する後側フランジ3とで構成されており、前側フランジ2と後側フランジ3とは、3つのウェブ4,4,5によって接続されている。
3つのウェブ4,4,5は、一対のフランジ2,3の端部間にそれぞれ配置された一対の端部側のウェブ4,4と、一対のフランジ2,3の長手方向中央部間に配置された内部側のウェブ5とで構成されている。一対の端部側のウェブ4,4の各々は、その肉厚が一端から他端にわたって一定にされている。このようなウェブを定断面ウェブという。一方、内部側のウェブ5は、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされている。このようなウェブを変断面ウェブという。そして、定断面ウェブ4と変断面ウェブ5とは、断面積が同一にされている。
図2(a)に示すように、定断面ウェブ4は、衝突方向に平行な長さがLであり、一端から他端にわたって肉厚t3が一定にされている。そして、定断面ウェブ4の断面形状は、長方形にされている。一方、変断面ウェブ5は、衝突方向に平行な長さがLであり、両端部の肉厚がt1で、両端部からL/2の距離である中央部が、肉厚が最も厚肉な最厚部であって、その肉厚がt2にされている。そして、変断面ウェブ5の断面形状は、衝突方向に直交する方向を左右とした場合に、左右対称であって、中央部の肉厚が最も厚肉な最厚部となるように、両端部から中央部に向かって肉厚が連続的に増加していくような形状にされている。
一方、図3(a)に示すように、従来のバンパーリーンフォースメント31においては、3つのウェブのすべてが、肉厚が一定(端部の肉厚t3、中央部の肉厚t3)な定断面ウェブ14,14,15で構成されている。これら定断面ウェブ14,14,15の各々は、図2(a)に示した定断面ウェブ4と同一である。
つまり、従来のバンパーリーンフォースメント31は、一対のフランジ2,3の長手方向中央部間に、肉厚が一定な定断面ウェブ15を有しているのに対して、本実施の形態のバンパーリーンフォースメント1は、一対のフランジ2,3の長手方向中央部間に、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされた変断面ウェブ5を有している。そして、変断面ウェブ5は、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされることによって、断面積が同一な定断面ウェブ15よりも座屈強度が向上されている。
ここで、変断面ウェブ5において、両端部の肉厚t1と、最厚部の肉厚t2とは、以下の式1を満足している。言い換えれば、式1を満足するように、変断面ウェブ5の両端部の肉厚t1と最厚部の肉厚t2とが設定されている。これにより、重量増加を最小限に留めつつ曲げ強度が好適に向上される。
1.1≦t2/t1≦1.4 ・・・(式1)
(バンパーリーンフォースメント1の動作)
次に、バンパーリーンフォースメント1の動作について、図2、図3を用いて説明する。
図2(a)に示すように、本実施の形態のバンパーリーンフォースメント1において、矢印で示す衝突方向に荷重が付加されると、図2(b)に示すように、一対の端部側の定断面ウェブ4,4は、これら定断面ウェブ4,4同士が対向する方向とは逆の方向に座屈し始めるが、内部側の変断面ウェブ5は、定断面ウェブ4,4よりも座屈強度が向上されているために、座屈を開始しない。このため、内部側の変断面ウェブ5が座屈する前に、後側フランジ3が「く」の字に塑性化し始め、これに伴い、ステイ8にも変形が生じる。
さらに荷重が付加されると、図2(c)に示すように、一対の端部側の定断面ウェブ4,4の座屈が一層進行するとともに、内部側の変断面ウェブ5が座屈し始める。また、後側フランジ3およびステイ8の変形が一層進行する。このように、後側フランジ3が全断面塑性化する前に、変断面ウェブ5に座屈を発生させないように、バンパーリーンフォースメント1の曲げ強度が向上されている。
一方、図3(a)に示すように、従来のバンパーリーンフォースメント31において、矢印で示す衝突方向に荷重が付加されると、図3(b)に示すように、一対の端部側の定断面ウェブ14,14は、これら定断面ウェブ14,14同士が対向する方向とは逆の方向に座屈し始めるとともに、内部側の定断面ウェブ15も座屈し始める。そして、各定断面ウェブ14,14,15が座屈した後は断面形状を保持する力が無くなって、図3(c)に示すように、バンパーリーンフォースメント31の崩壊が急速に進むこととなる。
(座屈強度のシミュレーション結果)
次に、図2に示したバンパーリーンフォースメント1を用いて、日型断面の中央に配置された変断面ウェブ5の座屈強度を算出した。ここで、座屈強度の算出は、変断面ウェブ5の断面積を一定にして行った。
図4は、座屈強度のシミュレーション結果を示すグラフであり、縦軸がPcrとPcr0との比(Pcr/Pcr0)、横軸が最厚部の肉厚t2と両端部の肉厚t1との比(t2/t1)である。ここで、Pcrは座屈荷重であり、Pcr0はt2/t1=1の時の座屈荷重である。また、全ての計算において、ウェブの断面積は同一である。
図4のグラフから、変断面ウェブ5の断面積を一定値にした場合、変断面ウェブ5の座屈強度は、図3に示した肉厚が一定(t3/t3=1)である定断面ウェブ15に比べて、最大で1.4倍(t2/t1=1.3)になることがわかる。また、変断面ウェブ5の座屈強度が20%以上になる、1.1≦t2/t1≦1.4の範囲であれば、バンパーリーンフォースメント1の重量増加を最小限に留めつつ、バンパーリーンフォースメント1の曲げ強度を向上させることができることがわかる。
このように、一対のフランジ2,3間に配置された変断面ウェブ5は、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされているから、変断面ウェブ5と断面積が同一であり、一端から他端にわたって肉厚が一定な定断面ウェブ15よりも、座屈強度が向上されている。したがって、ウェブの肉厚を一端から他端にわたって一様に増加させなくても、両端の肉厚よりも内側の肉厚を厚肉にすることによって、ウェブの座屈強度を向上させることができるから、ウェブの厚肉化による重量増加を最小限に留めつつ、曲げ強度を向上させることができる。
また、変断面ウェブ5の端部の肉厚t1と最厚部の肉厚t2とが式1の関係を満足しているので、重量増加を最小限に留めつつ曲げ強度を好適に向上させることができる。
また、変断面ウェブ5を有するバンパーリーンフォースメント1が自動車の車体100に取り付けられることによって、車両の軽量化に貢献させながら乗員の安全性を向上させることができる。
(本実施の形態の概要)
以上のように、本実施の形態の曲げ強度部材(バンパーリーンフォースメント)1は、荷重が付加される荷重付加方向に対向配置され、それぞれが荷重付加方向に直交する一対のフランジ2,3と、一対のフランジ2,3間において荷重付加方向に平行に配置され、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされたウェブ(変断面ウェブ5)と、を有する構成にされている。
上記の構成によれば、一対のフランジ2,3間に配置されたウェブは、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされているから、このウェブと断面積が同一であり、一端から他端にわたって肉厚が一定なウェブよりも、座屈強度が向上されている。したがって、ウェブの肉厚を一端から他端にわたって一様に増加させなくても、両端の肉厚よりも内側の肉厚を厚肉にすることによって、ウェブの座屈強度を向上させることができるから、ウェブの厚肉化による重量増加を最小限に留めつつ、曲げ強度を向上させることができる。
また、本実施の形態の曲げ強度部材1においては、ウェブにおいて、端部の肉厚をt1、肉厚が最も厚肉な最厚部の肉厚をt2としたときに、1.1≦t2/t1≦1.4の関係を満足している構成にされている。上記の構成によれば、ウェブの端部の肉厚と最厚部の肉厚とが所定の関係を満足しているので、重量増加を最小限に留めつつ曲げ強度を好適に向上させることができる。
また、本実施の形態のバンパーリーンフォースメント1は、上記の曲げ強度部材1からなる。上記の構成によれば、自動車の車体100に取り付けられることによって、車両の軽量化に貢献させながら乗員の安全性を向上させることができる。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態におけるバンパーリーンフォースメント(曲げ強度部材)21について、図5ないし図6を用いて説明する。
(バンパーリーンフォースメント21の構成)
本実施の形態におけるバンパーリーンフォースメント21は、アルミニウムや鋼などの金属材料を一体成型することにより形成されており、図1に示すように、一対のステイ8,8によって支持されて、自動車の車体100の前方に取り付けられている。
図1のA−A断面図である図5に示すように、バンパーリーンフォースメント21は、断面が日の字形に形成されており、衝突方向に対向配置され、それぞれが衝突方向に直交する一対のフランジ2,3と、一対のフランジ2,3間において衝突方向に平行に配置された3つのウェブ4,6,6と、を有している。なお、ウェブの数は3つに限定されない。
一対のフランジ2,3は、矢印で示す衝突方向の上流側に位置する前側フランジ2と、前側フランジ2よりも衝突方向の下流側に位置する後側フランジ3とで構成されており、前側フランジ2と後側フランジ3とは、3つのウェブ4,6,6によって接続されている。
3つのウェブ4,6,6は、一対のフランジ2,3の端部間にそれぞれ配置された一対の端部側のウェブ6,6と、一対のフランジ2,3の長手方向中央部間に配置された内部側のウェブ4とで構成されている。一対の端部側のウェブ6,6の各々は、変断面ウェブであって、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされている。一方、内部側のウェブ4は、定断面ウェブであって、その肉厚が一端から他端にわたって一定にされている。
図5(a)に示すように、定断面ウェブ4は、衝突方向に平行な長さがLであり、一端から他端にわたって肉厚t3が一定にされている。そして、定断面ウェブ4の断面形状は、長方形にされている。一方、変断面ウェブ6は、衝突方向に平行な長さがLであり、両端部の肉厚がt1で、両端部からL/2の距離である中央部が、肉厚が最も厚肉な最厚部であって、その肉厚がt2にされている。また、各変断面ウェブ6は、これら変断面ウェブ6,6同士が対向する一方面6aから中心面6cまでの肉厚が、他方面6bから中心面6cまでの肉厚よりも厚肉にされている。ここで、中心面6cとは、変断面ウェブ6の一端の厚み方向の中央点と、他端の厚み方向の中央点とを結ぶ仮想断面のことである。
そして、変断面ウェブ6の断面形状は、衝突方向に直交する方向を左右とした場合に、左右非対称であって、一方面6aから中心面6cまでの肉厚が厚くなるように、一方面6aが凸面にされているとともに、他方面6bから中心面6cまでの肉厚が薄くなるように、他方面6bが平面にされている。また、変断面ウェブ6の断面形状は、中央部の肉厚が最も厚肉な最厚部となるように、両端部から中央部に向かって肉厚が連続的に増加していくような形状にされている。
一方、図3(a)に示すように、従来のバンパーリーンフォースメント31においては、3つのウェブのすべてが、肉厚が一定(端部の肉厚t3、中央部の肉厚t3)な定断面ウェブ14,14,15で構成されている。つまり、従来のバンパーリーンフォースメント31は、一対のフランジ2,3の端部間に、肉厚が一定な一対の定断面ウェブ14,14を有しているのに対して、本実施の形態のバンパーリーンフォースメント1は、一対のフランジ2,3の端部間に、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされた変断面ウェブ6,6を有している。そして、変断面ウェブ6,6は、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされることによって、断面積が同一な定断面ウェブ14,14よりも座屈強度が向上されているとともに、一方面6aから中心面6cまでの肉厚が、他方面6bから中心面6cまでの肉厚よりも厚肉にされることによって、座屈した際に、変断面ウェブ6,6同士が対向する方向に座屈するようにされている。
ここで、変断面ウェブ6において、両端部の肉厚t1と、最厚部の肉厚t2とは、上記の式1を満足している。言い換えれば、式1を満足するように、変断面ウェブ6の両端部の肉厚t1と最厚部の肉厚t2とが設定されている。これにより、重量増加を最小限に留めつつ曲げ強度を好適に向上させることができる。
また、上述したように、変断面ウェブ6は、座屈した際に、変断面ウェブ6,6同士が対向する方向に座屈するようにされている。これにより、図5(c)に示すように、変断面ウェブ6,6が座屈すると、一対のフランジ2,3と各ウェブ4,6とで形成された中空部が、座屈した変断面ウェブ6で埋められることとなり、ウェブ座屈後の靭性(粘り強さ)が向上される。
(バンパーリーンフォースメント21の動作)
次に、バンパーリーンフォースメント21の動作について、図5を用いて説明する。
図5(a)に示すように、矢印で示す衝突方向に荷重が付加されると、図5(b)に示すように、内部側の定断面ウェブ4は座屈し始めるが、一対の端部側の変断面ウェブ6,6は、定断面ウェブ4よりも座屈強度が向上されているために、座屈を開始しない。このため、一対の端部側の変断面ウェブ6,6が座屈する前に、前側フランジ2および後側フランジ3が「く」の字に塑性化し始め、これに伴い、ステイ8にも変形が生じる。
さらに荷重が付加されると、図5(c)に示すように、内部側の定断面ウェブ4の座屈が一層進行するとともに、一対の端部側の変断面ウェブ6,6が、変断面ウェブ6,6同士が対向する方向に座屈し始める。これにより、一対のフランジ2,3とウェブ4,6とで形成された中空部が、座屈した変断面ウェブ6で埋められ、ウェブ座屈後の靭性(粘り強さ)が向上される。また、一対のフランジ2,3およびステイ8の変形が一層進行する。このように、一対のフランジ2,3が全断面塑性化する前に、変断面ウェブ6に座屈を発生させないように、バンパーリーンフォースメント21の曲げ強度が向上されている。
(曲げ強度のシミュレーション結果)
次に、図5に示した本実施の形態のバンパーリーンフォースメント21と、図3に示した従来のバンパーリーンフォースメント31とを用いて、3点曲げ解析により、バンパーリーンフォースメントの曲げ強度を算出した。なお、3点曲げ解析は、前側フランジ2の中央を載荷点とし、載荷点に左右対称な後側フランジ3の2箇所を支点として行った。
ここで、バンパーリーンフォースメントの前側フランジ2は、両端付近で支持された梁とみなすことができる。このため、衝突時にバンパーリーンフォースメントが受けた荷重に対し、前側フランジ2は曲げ支配で抵抗する。よって、バンパーリーンフォースメントが負担することが可能な曲げモーメントが大きいほど、曲げ強度が高いことになる。
図6は曲げ強度のシミュレーション結果を示すグラフであり、縦軸が曲げモーメント(kN・m)、横軸が押込み変位量(mm)である。図6のグラフから、曲げモーメントがピークに達した後の曲げ強度の低下は、変断面ウェブ6を有するバンパーリーンフォースメント21の方が、変断面ウェブ6を有しないバンパーリーンフォースメント31よりも小さいことがわかる。即ち、変断面ウェブ6を有するバンパーリーンフォースメント21においては、各変断面ウェブ6が、変断面ウェブ6,6同士が対向する方向に座屈することによって、ウェブ座屈後の靭性(粘り強さ)が向上されていることがわかる。これにより、変断面ウェブ6を有するバンパーリーンフォースメント21の方が、変断面ウェブ6を有しないバンパーリーンフォースメント31よりも、エネルギー吸収性能が高いことがわかる。
このように、一対のフランジ2,3間に配置された一対の変断面ウェブ6,6は、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされているから、変断面ウェブ6と断面積が同一であり、一端から他端にわたって肉厚が一定な定断面ウェブ14よりも、座屈強度が向上されている。したがって、ウェブの肉厚を一端から他端にわたって一様に増加させなくても、両端の肉厚よりも内側の肉厚を厚肉にすることによって、ウェブの座屈強度を向上させることができるから、ウェブの厚肉化による重量増加を最小限に留めつつ、曲げ強度を向上させることができる。
また、各変断面ウェブ6,6は、これら変断面ウェブ6,6同士が対向する一方面6aから中心面6cまでの肉厚が、他方面6bから中心面6cまでの肉厚よりも厚肉にされているから、一対の変断面ウェブ6,6の各々が座屈した際に、これら変断面ウェブ6,6同士が対向する方向に各変断面ウェブ6,6を座屈させることができる。これにより、一対のフランジ2,3と各ウェブ4,6とで形成された中空部を、座屈した各変断面ウェブ6,6で埋めることができるから、ウェブ座屈後の靭性(粘り強さ)を向上させることができる。
(本実施の形態の概要)
以上のように、本実施の形態の曲げ強度部材(バンパーリーンフォースメント)21は、荷重が付加される荷重付加方向に対向配置され、それぞれが荷重付加方向に直交する一対のフランジ2,3と、一対のフランジ2,3間において、それぞれが荷重付加方向に平行に配置され、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされた一対のウェブ(変断面ウェブ6,6)と、を有し、各ウェブは、これらウェブ同士が対向する一方面6aから中心面6cまでの肉厚が、他方面6bから中心面6cまでの肉厚よりも厚肉にされている構成にされている。
上記の構成によれば、一対のフランジ2,3間に配置された一対のウェブは、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされているから、このウェブと断面積が同一であり、一端から他端にわたって肉厚が一定なウェブよりも、座屈強度が向上されている。したがって、ウェブの肉厚を一端から他端にわたって一様に増加させなくても、両端の肉厚よりも内側の肉厚を厚肉にすることによって、ウェブの座屈強度を向上させることができるから、ウェブの厚肉化による重量増加を最小限に留めつつ、曲げ強度を向上させることができる。
また、各ウェブは、これらウェブ同士が対向する一方面6aから中心面6cまでの肉厚が、他方面6bから中心面6cまでの肉厚よりも厚肉にされているから、一対のウェブの各々が座屈した際に、これらウェブ同士が対向する方向に各ウェブを座屈させることができる。これにより、一対のフランジ2,3と各ウェブとで形成された中空部を、座屈した各ウェブで埋めることができるから、ウェブ座屈後の靭性(粘り強さ)を向上させることができる。
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態におけるバンパーリーンフォースメント(曲げ強度部材)41について、図7を用いて説明する。
(バンパーリーンフォースメント41の構成)
本実施の形態におけるバンパーリーンフォースメント41は、アルミニウムや鋼などの金属材料を一体成型することにより形成されており、図1に示すように、一対のステイ8,8によって支持されて、自動車の車体100の前方に取り付けられている。
図1のA−A断面図である図7に示すように、バンパーリーンフォースメント41は、断面が日の字形に形成されており、衝突方向に対向配置され、それぞれが衝突方向に直交する一対のフランジ2,3と、一対のフランジ2,3間において衝突方向に平行に配置された3つのウェブ5,6,6と、を有している。なお、ウェブの数は3つに限定されない。
一対のフランジ2,3は、矢印で示す衝突方向の上流側に位置する前側フランジ2と、前側フランジ2よりも衝突方向の下流側に位置する後側フランジ3とで構成されており、前側フランジ2と後側フランジ3とは、3つのウェブ5,6,6によって接続されている。
3つのウェブ5,6,6は、一対のフランジ2,3の端部間にそれぞれ配置された一対の端部側のウェブ6,6と、一対のフランジ2,3の長手方向中央部間に配置された内部側のウェブ5とで構成されている。一対の端部側のウェブ6,6の各々は、第2の実施の形態において説明した変断面ウェブであり、内部側のウェブ5は、第1の実施の形態において説明した変断面ウェブである。
以上のように、本実施の形態におけるバンパーリーンフォースメント41は、第1の実施の形態において説明した変断面ウェブ5と、第2の実施の形態において説明した変断面ウェブ6,6とを有する構成にされている。よって、その他の構成は第1の実施の形態および第2の実施の形態と同じであるため、その説明を省略する。
(本実施の形態の概要)
以上のように、本実施の形態の曲げ強度部材(バンパーリーンフォースメント)41は、荷重が付加される荷重付加方向に対向配置され、それぞれが荷重付加方向に直交する一対のフランジ2,3と、一対のフランジ2,3の内部側間において荷重付加方向に平行に配置され、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされた1以上の内部側のウェブ(変断面ウェブ5)と、一対のフランジ2,3の端部間において、それぞれが荷重付加方向に平行に配置され、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされた一対の端部側のウェブ(変断面ウェブ6,6)と、を有し、各端部側のウェブは、これら端部側のウェブ同士が対向する一方面6aから中心面6cまでの肉厚が、他方面6bから中心面6cまでの肉厚よりも厚肉にされている構成にされている。
上記の構成によれば、一対のフランジ2,3間に配置された各ウェブは、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされているから、このウェブと断面積が同一であり、一端から他端にわたって肉厚が一定なウェブよりも、座屈強度が向上されている。したがって、ウェブの肉厚を一端から他端にわたって一様に増加させなくても、両端の肉厚よりも内側の肉厚を厚肉にすることによって、ウェブの座屈強度を向上させることができるから、ウェブの厚肉化による重量増加を最小限に留めつつ、曲げ強度を向上させることができる。
また、各端部側のウェブは、これら端部側のウェブ同士が対向する一方面6aから中心面6cまでの肉厚が、他方面6bから中心面6cまでの肉厚よりも厚肉にされているから、一対の端部側のウェブの各々が座屈した際に、これら端部側のウェブ同士が対向する方向に各端部側のウェブを座屈させることができる。これにより、一対のフランジ2,3と各ウェブとで形成された中空部を、座屈した各端部側のウェブで埋めることができるから、ウェブ座屈後の靭性(粘り強さ)を向上させることができる。
[第4の実施の形態]
次に、本発明の第4の実施の形態におけるバンパーリーンフォースメント(曲げ強度部材)121について、図8ないし図10を用いて説明する。
(バンパーリーンフォースメント121の構成)
本実施の形態におけるバンパーリーンフォースメント121は、アルミニウムや鋼などの金属材料を一体成型することにより形成されており、図1に示すように、一対のステイ8,8によって支持されて、自動車の車体100の前方に取り付けられている。
図1のA−A断面図である図8に示すように、バンパーリーンフォースメント121は、断面が日の字形に形成されており、衝突方向に対向配置され、それぞれが衝突方向に直交する一対のフランジ2,3と、一対のフランジ2,3間において衝突方向に平行に配置された3つのウェブ4,11,11と、を有している。なお、ウェブの数は3つに限定されない。
一対のフランジ2,3は、矢印で示す衝突方向の上流側に位置する前側フランジ2と、前側フランジ2よりも衝突方向の下流側に位置する後側フランジ3とで構成されており、前側フランジ2と後側フランジ3とは、3つのウェブ4,11,11によって接続されている。
3つのウェブ4,11,11は、一対のフランジ2,3の端部間にそれぞれ配置された一対の端部側のウェブ11,11と、一対のフランジ2,3の長手方向中央部間に配置された内部側のウェブ4とで構成されている。一対の端部側のウェブ11,11の各々は、変断面ウェブであって、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされている。一方、内部側のウェブ4は、第1の実施の形態において説明した定断面ウェブであって、その肉厚が一端から他端にわたって一定にされている。
図8に示すように、定断面ウェブ4は、衝突方向に平行な長さがLであり、一端から他端にわたって肉厚t3が一定にされている。そして、定断面ウェブ4の断面形状は、長方形にされている。一方、変断面ウェブ11は、衝突方向に平行な長さがLであり、両端部の肉厚がt1で、両端部からL/2の距離である中央部が、肉厚が最も厚肉な最厚部であり、その肉厚がt2にされている。なお、最厚部の肉厚t2は、後述する切欠部11dの深さcを含んでいる。
また、各変断面ウェブ11は、これら変断面ウェブ11,11同士が対向する一方面11aから中心面11cまでの肉厚が、他方面11bから中心面11cまでの肉厚よりも厚肉にされている。ここで、中心面11cとは、変断面ウェブ11の一端の厚み方向の中央点と、他端の厚み方向の中央点とを結ぶ仮想断面のことである。
そして、変断面ウェブ11の断面形状は、衝突方向に直交する方向を左右とした場合に、左右非対称であって、一方面11aから中心面11cまでの肉厚が厚くなるように、一方面11aが凸面にされているとともに、他方面11bから中心面11cまでの肉厚が薄くなるように、他方面11bが平面にされている。また、変断面ウェブ11の断面形状は、中央部の肉厚が最も厚肉な最厚部となるように、両端部から中央部に向かって肉厚が連続的に増加していくような形状にされている。
また、変断面ウェブ11は、最厚部の他方面11b側に切欠部11dを有している。図9(a)に示すように、切欠部11dの深さはcで、切欠部11dの深さcを除いた最厚部の肉厚はt4である。変断面ウェブ11は、図9(b)に示す変断面ウェブ6に対して、切欠部11dを有している点で異なっている。
ここで、変断面ウェブ11において、両端部の肉厚t1と、切欠部11dの深さcを含んだ最厚部の肉厚t2と、切欠部11dの深さcとは、以下の式2を満足している。言い換えれば、式2を満足するように、変断面ウェブ11の両端部の肉厚t1と、最厚部の肉厚t2と、切欠部11dの深さcとが設定されている。これにより、重量増加を最小限に留めつつ曲げ強度が好適に向上される。
1.1≦(t2−c)/t1≦1.4 ・・・(式2)
そして、切欠部11dの深さcを含んだ最厚部の肉厚t2は、上記の式1を満足している。
このように、変断面ウェブ11,11は、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされることによって、断面積が同一な定断面ウェブ14,14(図3(a)参照)よりも座屈強度が向上されているとともに、一方面11aから中心面11cまでの肉厚が、他方面11bから中心面11cまでの肉厚よりも厚肉にされることによって、座屈した際に、変断面ウェブ11,11同士が対向する方向に座屈するようにされている。これにより、変断面ウェブ11,11が座屈すると、一対のフランジ2,3と各ウェブ4,11とで形成された中空部が、座屈した各変断面ウェブ11で埋められることとなり、ウェブ座屈後の靭性(粘り強さ)が向上される。
さらに、変断面ウェブ11,11は、他方面11b側に切欠部11dを有している。これにより、変断面ウェブ11,11同士が対向する方向に各変断面ウェブ11,11が座屈しやすいから、ウェブ座屈後の靭性(粘り強さ)がさらに向上される。
(変位量のシミュレーション結果)
次に、図8に示した本実施の形態のバンパーリーンフォースメント121と、図5に示したバンパーリーンフォースメント21とを用いて、切欠部11dの深さcと、ウェブ同士が対向する方向に変形する変位量との関係を算出した。
図10は変位量のシミュレーション結果を示すグラフであり、縦軸のU/U0は、切欠部11dを有する本実施の形態のバンパーリーンフォースメント121の変位量U(図9(a)参照)を、切欠部を有しないバンパーリーンフォースメント21の変位量U0(図9(b)参照)で除した値である。横軸は、切欠部11dの深さcを、切欠部11dの深さcを含んだ最厚部の肉厚t2で除した値である。
図10のグラフから、切欠部11dの深さcが僅かであっても、ウェブ同士が対向する方向に変形する変位量が大きく増加することがわかる。具体的には、c/t2の値が0.15のとき、切欠部11dを有する変断面ウェブ11を有するバンパーリーンフォースメント121の変位量Uは、切欠部を有しない変断面ウェブ6を有するバンパーリーンフォースメント21の変位量U0の1.6倍である。
即ち、切欠部11dを有する変断面ウェブ11を有するバンパーリーンフォースメント121においては、各変断面ウェブ11が、変断面ウェブ11,11同士が対向する方向に座屈しやすくなっていることがわかる。これにより、切欠部11dを有する変断面ウェブ11を有するバンパーリーンフォースメント121の方が、切欠部を有しない変断面ウェブ6を有するバンパーリーンフォースメント21よりも、ウェブ座屈後の靭性(粘り強さ)が向上されることがわかる。
このように、一対のフランジ2,3間に配置された一対の変断面ウェブ11,11は、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされているから、変断面ウェブ11と断面積が同一であり、一端から他端にわたって肉厚が一定な定断面ウェブ14(図3(a)参照)よりも、座屈強度が向上されている。したがって、ウェブの肉厚を一端から他端にわたって一様に増加させなくても、両端の肉厚よりも内側の肉厚を厚肉にすることによって、ウェブの座屈強度を向上させることができるから、ウェブの厚肉化による重量増加を最小限に留めつつ、曲げ強度を向上させることができる。
また、各変断面ウェブ11,11は、これら変断面ウェブ11,11同士が対向する一方面11aから中心面11cまでの肉厚が、他方面11bから中心面11cまでの肉厚よりも厚肉にされているから、一対の変断面ウェブ11,11の各々が座屈した際に、これら変断面ウェブ11,11同士が対向する方向に各変断面ウェブ11,11を座屈させることができる。これにより、一対のフランジ2,3と各ウェブとで形成された中空部を、座屈した各変断面ウェブ11,11で埋めることができるから、ウェブ座屈後の靭性(粘り強さ)を向上させることができる。
また、各変断面ウェブ11,11の最厚部の他方面11b側に切欠部11dを設けることによって、変断面ウェブ11,11同士が対向する方向に各変断面ウェブ11,11を座屈させやすくすることができる。これにより、一対のフランジ2,3と各ウェブ4,11とで形成された中空部を、座屈した各変断面ウェブ11,11で埋めやすくすることができるから、ウェブ座屈後の靭性(粘り強さ)をさらに向上させることができる。
また、変断面ウェブ11の端部の肉厚t1と、最厚部の肉厚t2と、切欠部11dの深さcとが式2の関係を満足しているので、重量増加を最小限に留めつつ曲げ強度を好適に向上させることができる。
その他の構成は第2の実施の形態と同じであるため、その説明を省略する。
(本実施の形態の概要)
以上のように、本実施の形態の曲げ強度部材(バンパーリーンフォースメント)121において、各ウェブ(変断面ウェブ11)は、肉厚が最も厚肉な最厚部の他方面11b側に切欠部11dを有している構成にされている。上記の構成によれば、最厚部の他方面11b側に切欠部11dを設けることによって、ウェブ同士が対向する方向に各ウェブを座屈させやすくすることができる。これにより、一対のフランジ2,3と各ウェブとで形成された中空部を、座屈した各ウェブで埋めやすくすることができるから、ウェブ座屈後の靭性(粘り強さ)をさらに向上させることができる。
また、ウェブにおいて、端部の肉厚をt1、最厚部の肉厚をt2、切欠部11dの深さをcとしたときに、1.1≦(t2−c)/t1≦1.4の関係を満足している構成にされている。上記の構成によれば、ウェブの端部の肉厚t1と、最厚部の肉厚t2と、切欠部11dの深さcとが所定の関係を満足しているので、重量増加を最小限に留めつつ曲げ強度を好適に向上させることができる。
(変形例)
以上、本発明の実施例を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
例えば、各実施の形態において、バンパーリーンフォースメント1,21,41,121の断面形状が日型である構成にされているが、この構成に限定されるものではなく、バンパーリーンフォースメント1,21,41,121の断面形状はB型、E型、目型、ロ型等である構成にされていてもよい。
また、図11(a)に示すように、第1の実施の形態のバンパーリーンフォースメント1における変断面ウェブ5を、第2の実施の形態の変断面ウェブ6に置き換えた構成にされていてもよい。このような構成のバンパーリーンフォースメント51においても、ウェブの厚肉化による重量増加を最小限に留めつつ、曲げ強度を向上させることができる。
また、図11(b)に示すように、第1の実施の形態のバンパーリーンフォースメント1における変断面ウェブ5を、変断面ウェブ7に置き換えた構成にされていてもよい。この変断面ウェブ7は、衝突方向に平行な長さがLであり、両端部の肉厚がt1で、一端部からL/4の距離に位置する部分が、肉厚が最も厚肉な最厚部であって、その肉厚がt2にされている。そして、変断面ウェブ7の断面形状は、衝突方向に直交する方向を左右とした場合に、左右対称であって、中心部の肉厚が最も厚肉となるように、両端部から中心部に向かって肉厚が連続的に増加していくような形状にされている。このような構成のバンパーリーンフォースメント61においても、ウェブの厚肉化による重量増加を最小限に留めつつ、曲げ強度を向上させることができる。
また、図12(a)に示すように、断面形状が目型のバンパーリーンフォースメント71であって、一対のフランジ2,3の端部間に、定断面ウェブ4,4がそれぞれ配置され、一対のフランジ2,3の内部側間に、断面形状が左右対称な変断面ウェブ5,5が2つ配置された構成にされていてもよい。このような構成のバンパーリーンフォースメント71においても、ウェブの厚肉化による重量増加を最小限に留めつつ、曲げ強度を向上させることができる。
また、図12(b)、(c)に示すように、断面形状が目型のバンパーリーンフォースメント81,91であって、一対のフランジ2,3の端部間に、定断面ウェブ4,4がそれぞれ配置され、一対のフランジ2,3の内部側間に、断面形状が左右非対称な変断面ウェブ6,6が2つ配置された構成にされていてもよい。このような構成のバンパーリーンフォースメント81,91においても、ウェブの厚肉化による重量増加を最小限に留めつつ、曲げ強度を向上させることができるとともに、ウェブ座屈後の靭性を向上させることができる。
また、図13(a)に示すように、第1の実施の形態のバンパーリーンフォースメント1における変断面ウェブ5を、変断面ウェブ9に置き換えた構成にされていてもよい。この変断面ウェブ9は、衝突方向に平行な長さがLであり、両端部の肉厚がt1で、両端部からL/2の距離である中央部が、肉厚が最も厚肉な最厚部であって、その肉厚がt2にされている。そして、変断面ウェブ9の断面形状は、衝突方向に直交する方向を左右とした場合に、左右対称であって、両端部から所定の距離(例えば、L/3)に位置する部分(境界部)9aまでは、肉厚がt1で一定であり、2つの境界部9aに挟まれた部分において、中央部の肉厚が最も厚肉な最厚部となるように、各境界部9aから中央部に向かって肉厚が連続的に増加していくような形状にされている。このような構成のバンパーリーンフォースメント101においても、ウェブの厚肉化による重量増加を最小限に留めつつ、曲げ強度を向上させることができる。
また、図13(b)に示すように、第1の実施の形態のバンパーリーンフォースメント1における変断面ウェブ5を、変断面ウェブ10に置き換えた構成にされていてもよい。この変断面ウェブ10は、衝突方向に平行な長さがLであり、両端部の肉厚がt1で、両端部からL/2の距離である中央部が、肉厚が最も厚肉な最厚部であって、その肉厚がt2にされている。そして、変断面ウェブ10の断面形状は、衝突方向に直交する方向を左右とした場合に、左右対称であって、両端部から所定の距離(例えば、L/3)に位置する部分(境界部)10aまでは、肉厚がt1で一定であり、2つの境界部10aに挟まれた部分において、肉厚がt2で一定な2段形状にされている。このような構成のバンパーリーンフォースメント111においても、ウェブの厚肉化による重量増加を最小限に留めつつ、曲げ強度を向上させることができる。
また、図14に示すように、第4の実施の形態のバンパーリーンフォースメント121における定断面ウェブ4を、第1の実施の形態の変断面ウェブ5に置き換えた構成にされていてもよい。このような構成のバンパーリーンフォースメント131においても、変断面ウェブ11,11同士が対向する方向に各変断面ウェブ11,11を座屈させやすくすることができる。
また、各バンパーリーンフォースメントにおいて、一対のフランジ2,3とウェブとが一体成型された構成にされているが、別体であってもよい。
1,21,41,121 バンパーリーンフォースメント(曲げ強度部材)
2 前側フランジ
3 後側フランジ
4 定断面ウェブ
5,6,11 変断面ウェブ
6a,11a 一方面
6b,11b 他方面
6c,11c 中心面
8 ステイ
11d 切欠部
100 車体

Claims (4)

  1. 荷重が付加される荷重付加方向に対向配置され、それぞれが前記荷重付加方向に直交する一対のフランジと、
    前記一対のフランジ間において前記荷重付加方向に平行に配置されており、一端から他端にわたって肉厚が一定にされた定断面ウェブと、
    記一対のフランジ間において、それぞれが前記荷重付加方向に平行に配置されており、前記定断面ウェブと断面積が同一であって、両端の肉厚よりも内側の肉厚が厚肉にされた一対の変断面ウェブと、
    を有し、
    各変断面ウェブは、これら変断面ウェブ同士が対向する一方面から中心面までの肉厚が、他方面から前記中心面までの肉厚よりも厚肉にされているとともに、肉厚が最も厚肉な最厚部の前記他方面側に切欠部を有していることを特徴とする曲げ強度部材。
  2. 前記変断面ウェブにおいて、端部の肉厚をt1、前記最厚部の肉厚をt2、前記切欠部の深さをcとしたときに、1.1≦(t2−c)/t1≦1.4の関係を満足していることを特徴とする請求項に記載の曲げ強度部材。
  3. 前記変断面ウェブにおいて、端部の肉厚をt1、肉厚が最も厚肉な最厚部の肉厚をt2としたときに、1.1≦t2/t1≦1.4の関係を満足していることを特徴とする請求項1又は2に記載の曲げ強度部材。
  4. 請求項1乃至のいずれかに記載の曲げ強度部材からなることを特徴とするバンパーリーンフォースメント。
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