JP5094544B2 - バンパー構造体 - Google Patents

Description

本発明は、バンパーリインフォースとバンパーステイを一体化した自動車のバンパ構造体に関する。

乗用車やトラック等の自動車車体の前端（フロント）及び後端（リア）に設置されるバンパー内部には、補強部材としてバンパーリインフォースが設けられている。バンパーリインフォースは一般に荷重方向に略垂直に向く前壁と後壁、及びそれらを連結する複数の横壁を有する断面中空の部材であり、両端部を一対のバンパーステイにより支持され、各ステイは後端がサイドメンバ（フロント又はリア）の前端に固定されている。
なお、本件明細書において、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。

このようなバンパーリインフォースとバンパーステイからなるバンパー構造体において、バンパーリインフォースの両端部に前壁と後壁を車体前後方向に貫通する穴を形成し、この穴にアルミニウム合金製の筒状軸部材を嵌入し、電磁成形により前記軸部材を拡管させて前記穴の内周面に密着させ、かつ前記前壁と後壁の間で外径方向に張り出させ、これによりバンパーリインフォースと軸部材（バンパーステイ）を固定したバンパー構造体が、例えば特許文献１〜３により公知である。

特開２００４−２３７８１８号公報 特開２００７−２８４０３９号公報 特開２００８−３７２２０号公報

このバンパー構造体は、バンパーリインフォースとバンパーステイが強固に接合され、前面からの衝突時に蛇腹状に変形するバンパーステイの軸方向長さを長くとれるため、エネルギー吸収性に優れるという利点を有する。
一方、電磁成形により軸部材を拡管し、バンパーリインフォースに形成した穴の内周面に密着させ、かつ前壁と後壁の間で外径方向に張り出させるには、軸部材は電磁成形による成形性に優れることが望ましい。具体的には、導電性が高く、余り強度の高くない軸部材（材料強度が低い、あるいは肉厚が小さい）が望ましいが、それでは強度が不足して強い衝突荷重に対応できず、エネルギー吸収性も小さい場合がある。特に近年提示されているＩＩＨＳ（Insurance Institute of Highway Safety）のバリア試験では、ＳＵＶなど車高の高い車に対応して、幅方向に長いバンパーの中央の上側に偏した打撃が加わるバリアとなっており、このとき加わる偏心荷重に対して必要強度を満たすのが困難である。逆に必要強度を満たすため強度の高い軸部材を用いると、電磁成形による拡管が不十分となり、バンパーリインフォースとの接合に問題が生じる可能性がある。

本発明は、バンパーリインフォースの前後壁に形成した穴に軸部材を嵌入して、電磁成形により軸部材を拡管し、これによりバンパーリインフォースと軸部材（バンパーステイ）を固定してバンパー構造体を得る場合に、両者を固定する上で電磁成形上の問題がなく、同時に強い衝突荷重に対応する強度を持ち必要なエネルギー吸収量も確保できるバンパー構造体を得ることを目的とする。

本発明に係るバンパー構造体は、中空断面を有する金属形材からなるバンパーリインフォースと、アルミニウム合金製で前記バンパーリインフォースの両端部に固定されたバンパーステイにより構成され、前記バンパーリインフォースが前壁と後壁及びそれらを連結する複数の横壁を有し、前記前壁及び後壁を前後に貫通する穴が両端部に形成され、前記バンパーステイは外周側に第１段差部を有する筒状の軸部材を有し、前記第１段差部の前方側が後方側より薄肉とされて前記バンパーリインフォースの穴に嵌入し、前記軸部材が電磁成形により拡管して前記バンパーリインフォースの前壁及び後壁の穴の内周面に密着固定されていることを特徴とする。なお、第１段差部の「第１」は、後述する第２段差部と区別するために付与したもので、それ以外の意味はない。
このバンパー構造体において、典型的な形態として、前記軸部材の第１段差部がバンパーリインフォースの後壁に当接し、あるいは第１段差部の前方側の薄肉とされた部分がバンパーリインフォースの後壁と前記第１段差部の間で外径方向に張り出していることが挙げられる。

上記バンパーステイは一般に、その後端に車体フレームのサイドメンバー先端に固定するための取付用フランジを有する。この取付用フランジは前記軸部材自体の後端部を成形したものでもよいが、別部材を軸部材の後端に固定したものでもよい。
前者の場合、軸部材の後端部を必要により薄肉化し、例えば電磁成形により拡管（拡開）することにより取付用フランジを成形する。

後者の場合、別部材とは、穴が形成された板状の取付用フランジ部材であり、バンパーステイは軸部材と取付用フランジ部材からなる。軸部材が後端部近傍の外周側に第２段差部を有し、前記第２段差部の後方側が前方側より薄肉とされて前記取付用フランジ部材の穴に嵌入し、電磁成形により拡管し前記穴の内周面に密着固定されている。この穴は単なる打抜き穴でもよいが、例えばバーリング加工により形成された筒状の穴フランジの穴（バーリング穴）であることが内周面の面積が大きく望ましい。穴フランジは前方に突出している（後方側からバーリング加工されたもの）。
前記穴が単なる穴の場合も穴フランジの場合も、典型的な形態として、軸部材の第２段差部が前記取付用フランジ部材の穴の周辺（又は穴フランジの前端）に当接しているか、前記第２段差部の後方側の薄肉とされた部分が取付用フランジ部材の穴と前記段差部の間で外径方向に張り出していることが挙げられる。

上記バンパー構造体において、軸部材の第１段差部の後方側の外周側又は／及び内周側に、所定幅の溝を周方向に沿って形成してその部分を薄肉化することもできる。この溝は衝突時に蛇腹状変形する際のイニシエータとして機能する。

本発明によれば、バンパーリインフォースの前後壁に形成した穴に軸部材を嵌入して、電磁成形により軸部材を拡管し、これによりバンパーリインフォースと軸部材（バンパーステイ）を固定してバンパー構造体を得る場合に、軸部材のバンパーリインフォースや取付用フランジ部材との接合箇所を比較的薄肉とし、軸部材の他の部分を比較的厚肉とすることにより、軸部材とバンパーリインフォース、及び軸部材と取付用フランジ部材を固定する上で電磁成形上の問題がなく、同時に強い衝突荷重に対応する強度を持ち必要なエネルギー吸収量も確保できるバンパー構造体を得ることができる。

以下、図１〜図８を参照し、本発明に係るバンパー構造体についてより詳細に説明する。
図１は、本発明に係るバンパー構造体１の全体を示す斜視図である。このバンパー構造体１は、中空断面を有するアルミニウム合金押出形材を曲げ加工し、両端部を車体側に傾斜させたバンパーリインフォース２と、アルミニウム合金製でバンパーリインフォースの両端部（傾斜した箇所）に軸方向を車体前後方向に向けて固定された筒状のバンパーステイ３により構成される。
バンパーリインフォース２は、図２に示すように、車体前後方向に対し略垂直な前壁４と後壁５及びそれらを連結し車体前後方向を向く上下の横壁６，７を有し、前壁４、後壁５及び横壁６，７により中空の矩形断面が構成されている。前壁４は、前記矩形断面の部分が後退して段差を有し、前記段差の部分から上向き及び下向きに突出するフランジ４ａ，４ｂを有し、これが衝突面Ａとなっている。前壁４及び後壁５に前後に貫通する穴８，９が形成されている。

図３に示すように、バンパーステイ３は、前方部分がバンパーリインフォース２の穴８，９に嵌入する筒状の軸部材１１と、軸部材１１の後端に配置された取付用フランジ部材１２からなり、これらは後述するように電磁成形による軸部材１１の拡管によって互いに固定され、かつ軸部材１１はバンパーリインフォース２と固定されている。
取付用フランジ部材１２は、アルミニウム合金板にバーリング加工により筒状の穴フランジ１３を形成したもので、穴フランジ１３の周囲は板フランジ１４からなり、この板フランジ１４が図示しないサイドメンバーの前端にボルト等により固定される。穴フランジ１３は板フランジ１４から前方に突出し、前方側の小径部１５とそれに続く後方側の大径部１６からなり、両者の間に段部が形成されている。

軸部材１１は、電磁成形前の素材（軸素材）の段階では、円筒形のアルミニウム合金押出形材の一端を垂直に切断し、他端をバンパーリーンフォース２の両端部の傾斜に合わせて斜めに切断し、さらに切削加工を加えて成形したものである。そして、図２に示すように、この軸素材１１Ａは、バンパーステイ２の穴８，９に嵌入する前方側の部分（薄肉部１７Ａ）と、取付用フランジ部材１２の穴フランジ１３に嵌入する後端部分（薄肉部１８Ａ）と、その間の厚肉部１９Ａからなり、薄肉部１７Ａ，１８Ａは肉厚分だけ厚肉部１９Ａより小径とされ、薄肉部１７Ａと厚肉部１９Ａの間及び厚肉部１９Ａと薄肉部１８Ａの間に傾斜した第１段差部２１Ａ，第２段差部２２Ａが形成されている。薄肉部１７Ａ，１８Ａ及び段差部２１Ａ，２２Ａが切削加工を加えた箇所であり、薄肉部１７Ａの外径は穴８，９の内径より若干小さく，薄肉部１８Ａの外径は穴フランジ１３の小径部１５の内径より若干小さく形成されている。なお、このような薄肉化（小径化）はスウェージング加工で行うこともできる。

電磁成形に際し、図２に示すように、軸素材１１Ａの薄肉部１７Ａをバンパーリーンフォース２の前壁４及び後壁５に形成した穴８，９に嵌入し、第１段差部２１Ａを後壁５の背面に当接させ、取付用フランジ部材１２の穴フランジ１３を軸素材１１Ａの薄肉部１８Ａに嵌め、穴フランジ１３の前端を第２段差部２２Ａに当接させる。軸素材１１Ａの薄肉部１７Ａは、前端が穴８から少し突出し、薄肉部１８Ａは、後端が取付用フランジ部材１２の穴フランジ１３の前記段部を越え、かつ穴フランジ１３の後端から突出しないように、それぞれの長さが設定されている。

電磁成形により前記軸素材１１Ａを拡管すると、図３に示すように、前記軸素材１１Ａは拡管して軸部材１１となる。この拡管により、軸部材１１の薄肉部１７（元の薄肉部１７Ａ）は、バンパーリーンフォース２の前壁４及び後壁５に形成した穴８，９の内周面に密着し、前壁４から前方に突出した前端部が外径方向に拡開し、前壁４と後壁５の間で外径方向に張り出す。軸部材１１の前端は、衝突面Ａと同一面上又は衝突面Ａより後方側に位置する。軸部材１１の薄肉部１８（軸素材１１Ａの薄肉部１８Ａに相当）は、取付用フランジ部材１２の穴フランジ１３の内周面に密着し、かつ該内周面に沿って外径方向に拡開している。軸部材１１の厚肉部１９（軸素材１１Ａの厚肉部１９Ａに相当）は、負荷される電磁成形力に応じて拡管し多少外径方向に張り出すか、又は実質的に拡管されない。軸部材１１の厚肉部１９は拡管する必要がないから、特に電磁成形力を負荷する必要もない。

この電磁成形により軸部材１１は拡管し、バンパーリインフォース２に対して固定され、かつ取付用フランジ部材１２が軸部材１１に連結されてバンパーステイ３となり、バンパー構造体１が構成される。より具体的にいえば、軸部材１１がバンパーリーンフォース２の前壁４及び後壁５に形成した穴８，９の内周面に密着し、前壁４の前後及び後壁５の前で外径方向に張り出し、かつ後壁５が第１段差部２１（軸素材１１Ａの第１段差部２１Ａに相当）に当接していることにより、軸部材１１がバンパーリインフォース２に対して固定されている。また、軸部材１１が取付用フランジ部材１２の穴フランジ１３の内周面に密着し、穴フランジ１３の薄肉部１５の後方側で外径方向に張り出し、かつ穴フランジ１３の前端が第２段差部２２（軸素材１１Ａの第１段差部２２Ａに相当）に当接していることにより、取付用フランジ部材１２が軸部材１１に固定されている。
なお、軸部材１１とバンパーレインフォース２、軸部材１１と取付用フランジ部材１２を溶接等により補助的に接合することもできる。

上記バンパー構造体１は、軸部材１１のバンパーリインフォース２と取付用フランジ部材１２の間に挟まれた厚肉部１９が肉厚であるから、バンパーステイ３として必要な強度及び吸収エネルギー量を満たす。
また、軸部材１１の薄肉部１７，１８は適度に薄肉化されているから、軸部材１１が高強度材からなる場合でも、電磁成形による拡管が不足なく行われ、その結果、軸部材１１のバンパーリインフォース２に対する接合、及び取付用フランジ部材１２と軸部材１１との接合が確実に行われ、また電磁成形用コイルに印加する電力を低減でき、電磁成形用コイルの長寿命化も可能となる。
なお、従来のバンパー構造体では、軸部材の肉厚が軸方向に一定であったから、衝突時の必要強度及び吸収エネルギー量を満たそうとした場合、電磁成形性の低下に伴う接合の不確実性、あるいは電磁成形用コイルの短命化が生じる可能性があった。

上記バンパーステイ３はいわゆる縦圧壊型ステイであり、バンパーリインフォース２の衝突面Ａに大きい衝突荷重を受けると、軸部材１１が縦圧壊し、衝突エネルギーを吸収する。このとき、第１段差部２１は、衝突時にバンパーリインフォース２から軸部材１１に伝達される荷重を受け止め、第２段差部２２は、軸部材１１から取付用フランジ部材１２に伝達される荷重を受け止める役割をもつ。

続いて、図４〜図８を参照して、図３に示したバンパー構造体１の変形例を説明する。図４〜８において、図３に示すバンパー構造体１と実質的に同じ部位には同じ番号を付与している。
図４に示すバンパー構造体１Ａでは、軸部材１１の段差部２１，２２が軸方向に対して略垂直に形成され、第１段差部２１の端面にバンパーリインフォース２の後壁５が面接触で当接し、第２段差部２２の端面に取付用フランジ部材１２の穴フランジ１３の前端が面接触で当接している。段差部２１，２２がこの形態を取り、そこに後壁５の背面及び穴フランジ１３の前端が面接触することにより、衝突時に負荷される荷重をより確実に受け止めることができる。ただし、図３に示すバンパー構造体１における段差部のように、肉厚が徐変した方が応力集中を緩和する意味では望ましい。

図５に示すバンパー構造体１Ｂでは、取付用フランジ部材１２の穴フランジ１３の前端が斜めになっていて、軸部材１１の第２段差部２２と面接触で当接している。穴フランジをバーリング加工により形成すると、図５に示すように、穴フランジ１３の先は一般に斜めに形成される。この穴フランジ１３の先を例えば切削することで、図３に示すバンパー構造体１の取付用フランジ部材の穴フランジのように、前端を平らに成形することができる。

図６に示すバンパー構造体１Ｃでは、電磁成形により、軸部材１１の薄肉部１７の一部がバンパーリインフォース２の後壁５と厚肉部１９の間で、薄肉部１８の一部が厚肉部１９と取付用フランジ部材１２の穴フランジ１３の間で外径方向に張り出し、ひも出し加工の形態を有する第１，第２張り出し部２４，２５が形成されている。この張り出し部２４，２５は、衝突時に潰れて負荷される荷重を確実に受け止めることができ、また衝突時に圧壊の起点となり初期ピーク荷重を低減させる（初期ピーク荷重については後述するバンパー構造体１Ｄの説明参照）機能も有する。
この張り出し部２４，２５を形成するには、軸素材をバンパーリインフォース２に嵌めたとき、薄肉部１７の一部がバンパーリインフォース２の後壁５の後方側に存在し、取付用フランジ部材１２を軸素材に嵌めたとき、薄肉部１８の一部が取付用フランジ部材１２の穴フランジ１３の前端の前方側に存在するように、軸素材、バンパーリインフォース２及び取付用フランジ部材１２をセットして、電磁成形を行うようにする。

図７に示すバンパー構造体１Ｄでは、軸部材１１の厚肉部１９の外周側に所定幅の溝１９ａが周方向に沿って形成され、その部分が薄肉化されている。この溝１９ａは、衝突時に圧壊の起点（初期不正）となり、初期ピーク荷重を低減させて圧壊時の荷重−変位曲線を矩形波に近い形状とし、エネルギー吸収効率を向上させる機能を有する。溝１９ａは切削により形成することができ、外周側ではなく内周側に形成することもできる。また、その溝幅及び断面形状は任意に設定できる。

図８に示すバンパー構造体１Ｅでは、取付用フランジ部材が存在せず、バンパーステイ３は軸部材１１のみからなり、軸部材１１の後端に取付用フランジ（薄肉部１８）が一体成形されている。軸部材１１の第１段差部２１は、図４に示すバンパー構造体１Ａの軸部材と同じ形態を有する。バンパー構造体１Ｅにおいて、電磁成形前の軸素材（図２の軸部材１１Ａ参照）は、内周面側（軸部材１１Ａでは外周面側）に傾斜した第２段差部を有し、第２段差部より後方側が薄肉部となっている筒状体であり、前記薄肉部が電磁成形時に拡開して、バンパーステイ２との接合と前記取付用フランジ（薄肉部１８）の成形が同時に行われる。
このバンパー構造体１Ｅは、軸部材１１の後端に取付用フランジを一体成形するため、一般に大きいフランジ面積を得るのが難しいが、部品点数が少ないという利点がある。

なお、本発明に係るバンパー構造体は、図１〜図８に説明した例以外に、次に例示するような種々の形態を含み得る。
（１）上記の例では、対歩行者安全を考慮して、バンパーリインフォースの前壁４に段差を設け、前壁４から少し突出する軸部材１１の前端を衝突面Ａと同一面上又は衝突面Ａより後方側に位置させたが、前壁４に段差を設けず軸部材１１の前端が衝突面から突出するタイプ、前壁４に段差を設けず軸部材１１の前端を穴８から前方に突出させないタイプ、段差を設けても軸部材１１の前端が衝突面Ａから前方側に突出しているタイプも考えられる。

（２）上記の例では、１つのバンパー構造体において、前後の段差部２１，２２の形態を同じとし（図３のバンパー構造体１ではいずれも肉厚を徐変させ、図４のバンパー構造体１Ａではいずれも急変させた）、あるいは、図６のバンパー構造体１Ｃでは、バンパーリインフォース２側と取付用フランジ部材１２側の両方に張り出し部２４，２５を設けたが、片方ずつ異なる形態の段差部とすることもできるし、一方にのみ張り出し部を設けることもできる。
（３）上記の例では、サイドメンバーへの取付用として、バーリング加工による筒状の穴フランジ１３を形成した取付用フランジ部材１２を用いたが、筒状の穴フランジが形成されたものであれば、バーリング加工で形成したものでなくてもよいし、また穴フランジ１３が段部を有する（小径部１５と大径部１６からなる）ことも必須ではない。さらに、穴フランジ１３の代わりに単なる打抜き穴が形成された取付用フランジ部材を用いることもできる（例えば特開平２００６-１１０６０９号公報参照）。

本発明に係るバンパー構造体の全体斜視図である。 そのバンパー構造体のバンパーステイ部分の電磁成形前の断面図である。 同じく電磁成形後の断面図である。 本発明に係る他のバンパー構造体のバンパーステイ部分の断面図である。 本発明に係る他のバンパー構造体のバンパーステイ部分の断面図である。 本発明に係る他のバンパー構造体のバンパーステイ部分の断面図である。 本発明に係る他のバンパー構造体のバンパーステイ部分の断面図である。 本発明に係る他のバンパー構造体のバンパーステイ部分の断面図である。

符号の説明

１ バンパー構造体
２ バンパーレインフォース
３ バンパーステイ
４ 前壁
５ 後壁
８，９ 穴
１１ 軸部材
１２ 取付用フランジ部材
１３ 穴フランジ
２１ 第１段差部
２２ 第２段差部
２４，２５ 張り出し部

Claims (11)

1. 中空断面を有する金属形材からなるバンパーリインフォースと、アルミニウム合金製で前記バンパーリインフォースの両端部に固定されたバンパーステイにより構成され、前記バンパーリインフォースが前壁と後壁及びそれらを連結する複数の横壁を有し、前記前壁及び後壁を前後に貫通する穴が両端部に形成され、前記バンパーステイは外周側に第１段差部を有する筒状の軸部材を有し、前記第１段差部の前方側が後方側より薄肉とされて前記バンパーリインフォースの穴に嵌入し、前記軸部材が電磁成形により拡管して前記バンパーリインフォースの前壁及び後壁の穴の内周面に密着固定されていることを特徴とするバンパー構造体。
2. 前記軸部材の第１段差部が前記バンパーリインフォースの後壁に当接していることを特徴とする請求項１に記載されたバンパー構造体。
3. 前記第１段差部の前方側の薄肉とされた部分が前記バンパーリインフォースの後壁と前記第１段差部の間で外径方向に張り出していることを特徴とする請求項１に記載されたバンパー構造体。
4. 前記バンパーステイが前記軸部材と板状の取付用フランジ部材からなり、前記取付用フランジ部材に穴が形成され、前記軸部材が後端部近傍の外周側に第２段差部を有し、前記第２段差部の後方側が前方側より薄肉とされて前記取付用フランジ部材の穴に嵌入し、電磁成形により前記穴の内周面に密着固定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたバンパー構造体。
5. 前記軸部材の第２段差部が前記取付用フランジ部材の穴の周辺に当接していることを特徴とする請求項４に記載されたバンパー構造体。
6. 前記第２段差部の後方側の薄肉とされた部分が前記取付用フランジ部材の穴と前記第２段差部の間で外径方向に張り出していることを特徴とする請求項４に記載されたバンパー構造体。
7. 前記バンパーステイが前記軸部材と板状の取付用フランジ部材からなり、前記取付用フランジ部材に前方に突出する筒状の穴フランジが形成され、前記軸部材が後端部近傍の外周側に第２段差部を有し、前記第２段差部の後方側が前方側より薄肉とされて前記取付用フランジ部材の穴に嵌入し、電磁成形により拡管して前記穴フランジの内周面に密着固定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたバンパー構造体。
8. 前記穴フランジがバーリング加工により形成されたものであることを特徴とする請求項７に記載されたバンパー構造体。
9. 前記軸部材の第２段差部が前記取付用フランジ部材の穴フランジの前端に当接していることを特徴とする請求項７又は８に記載されたバンパー構造体。
10. 前記第２段差部の後方側の薄肉とされた部分が前記取付用フランジ部材の穴と前記第２段差部の間で外径方向に張り出していることを特徴とする請求項７又は８に記載されたバンパー構造体。
11. 前記第１段差部の後方側の外周側又は／及び内周側に所定幅の溝が周方向に沿って形成され、その部分が薄肉化されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載されたバンパー構造体。

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