JP2003220976A - 車体フレーム構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮変形時に圧縮荷重と曲げモーメント
とが同時に発生し得るフレーム部材における曲げ強度を
高めて圧縮時の座屈荷重の変化を安定させる。 【解決手段】 衝突時に座屈変形することにより衝撃エ
ネルギを吸収するフレーム部材としてのフロントサイド
フレームの直線フレーム部２ｂが車幅方向に傾いて設け
られた配置構造において、その直線フレーム部を多角形
断面形状の中空部材として形成し、その断面における傾
く側の領域Ａ１の各角部１２ａの厚肉部１４を、粉状の
合金化元素を添加して半導体レーザにて帯状に熱を加え
て高強度化する。フレーム部材の断面における傾く側の
領域の強度を高めることから、フレーム部材の車幅方向
の傾きにより発生するモーメントを抑制することができ
るため、フレーム部材の曲げ強度が高まり、フレーム部
材を安定的に座屈させることができ、衝突エネルギの吸
収効率を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車体フレーム構造
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車の衝突時の衝突エネルギを
吸収するための車体フレーム構造にあっては、車体前部
に設けられたフロントサイドフレームの軸線方向圧縮座
屈変形により衝突エネルギを吸収するようにしたものが
ある。例えば同一出願人の特開平１１−２０８５１９号
に開示されているように、アルミニウム押し出し型材で
中空部材を形成し、その中空部材の断面形状を、６角形
断面形状とし、その中心部から放射状に延出して各角部
に至る６本のリブを設けた断面構造とすると良い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記フロン
トサイドフレームにあっては、車体の左右から車体前部
に向けて延出する左右一対となるように配設されている
ものがある。図１０に示されるように、フロントダッシ
ュボード３１の下部に結合された一対のフロントサイド
フレーム３２が車体前部へ向けて延出するように設けら
れている。さらに、エンジンサイズやサスペンションの
スペースの確保などとの両立を図るため、両サイドフレ
ーム３２は、車体前部に向けて延出されるに連れて拡開
するように設けられる場合がある。

【０００４】なお、圧縮変形の効率的な設計を容易にす
るために、フロントサイドフレーム３２を、車体後部側
では車軸などを開扉するべく上下方向に湾曲する湾曲フ
レーム部３２ａと、車体前部側で略前後方向に直線的に
なる直線フレーム部３２ｂとを結合して構成すると良
い。この場合には、圧縮変形による衝突エネルギの吸収
を直線フレーム部３２ｂで主に行うことになり、座屈荷
重の設計が容易である。

【０００５】上記したようなフロントサイドフレーム３
２の中心軸は車体前後方向軸に対して車幅方向に傾いて
いる（図のθ）ことになる。このような配置構造の場合
には、前方衝突時のフロントサイドフレーム３２の圧縮
変形時に、図に示されるように圧縮荷重Ｆとモーメント
Ｍｚとが同時に作用する。この場合には、上記モーメン
トＭｚが直線フレーム部３２ｂの湾曲フレーム部３２ａ
との取り付け点に発生し、上記圧縮荷重Ｆとモーメント
Ｍｚとが同時に作用する場合には、フロントバンパー３
３側のフレーム先端から直線フレーム部３２ｂの座屈変
形が発生することが望ましい。そのため、座屈荷重に対
するフロントサイドフレーム３２の曲げ強度のより一層
の向上が望まれる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るべく、圧縮変形時に圧縮荷重と曲げモーメントとが同
時に発生する場合でも曲げ強度を高めて圧縮時の座屈荷
重の変化を安定させることを実現するために、本発明に
於いては、衝突時の衝撃吸収を軸方向についての塑性変
形で行うフレーム部材（２ｂ）が車幅方向に傾いて設け
られた車体フレーム構造であって、前記フレーム部材
（２ｂ）が、その中心軸に直交する断面において、前記
傾く側の領域（Ａ１）の強度が相反する側の領域（Ａ
２）の強度よりも大きくなるように形成されているもの
とした。

【０００７】これによれば、フレーム部材が車幅方向に
傾いて設けられている配置構造において衝突によるフレ
ーム部材の圧縮変形時に圧縮荷重と曲げモーメントとが
同時に発生する場合でも、その曲げモーメントを抑制す
ることができる。フレーム部材が傾けられている場合に
は、その傾けられた側に曲がる変形が生じ易くなるた
め、フレーム部材の断面における傾く側の領域の強度を
高めることにより、フレーム部材の車幅方向の傾きによ
る影響を抑えることができる。これにより、フレーム部
材を安定的に座屈させることができ、衝突エネルギの吸
収効率を高めることができる。

【０００８】また、前記フレーム部材（２ｂ）が前記車
幅方向について略左右対称の多角形断面形状に形成され
ていると共に、前記多角形断面形状における各角部（１
２ａ）の強度が前記各領域（Ａ１・Ａ２）に対応して変
えられていると良い。これによれば、多角形断面形状の
角部の剛性をフレーム部材の傾きに応じて変えることに
なり、多角形断面形状の角部は圧縮荷重に対する座屈強
度に大きく寄与するため、微小部分に対する強度向上で
曲げ強度を大きくすることができる。

【０００９】特に、前記強度の違いが断面積の違いから
なると良い。また、多角形断面形状における前記各角部
（１２ａ）に設けられた補強部材（２３ａ・２３ｂ・２
３ｃ）の断面形状の違いからなると良い。これによれ
ば、座屈荷重の違いに対する設計変更を容易に行うこと
ができ、汎用性が高い。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に添付の図面に示された具体
例に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明す
る。

【００１１】図１は、本発明が適用された自動車の車体
フレームのフロント部分を示している。この車体フレー
ムは、鋼板で形成された種々の部材を互いに結合するこ
とで組み立てられている。図では、フロントダッシュボ
ード１の前方部分（エンジンルーム）が示されており、
そのフロントダッシュボード１の下部には一対のフレー
ム部材としてのサイドフレーム２の後端が結合されてい
る。両サイドフレーム２の各前端は車体前部へ向けて延
出し、両サイドフレーム２の前端部間にはフロントバル
クヘッド３が結合されている。

【００１２】図におけるサイドフレーム２は、多角形
（図示例では六角形）の断面形状をなし、図示されない
前車軸回りとの干渉を避けるために、その長手方向中間
部から車体後方側にて下向きに凹となるように適宜な曲
率で湾曲している湾曲フレーム部２ａと、その湾曲フレ
ーム部２ａに取り付けられ車体前方側に延出する直線フ
レーム部２ｂとからなる。なお、サイドフレーム２の適
所には、エンジンマウントブラケット４やダンパーベー
ス５などが結合されている。またその前端には、図１に
は示されていないがフロントバンパーが取り付けられる
ようになっている。

【００１３】フロントバルクヘッド３は、プレス成型さ
れたアッパ部材６と、一対のサイド部材７と、ロワ部材
８とからなる。ロワ部材８の左右各端と両サイド部材７
の各下端とが溶接結合されていると共に、両サイド部材
７の各上端とアッパ部材６とが図示されていないボルト
を用いて結合されて、フロントバルクヘッド３がサブア
センブリ化されている。またアッパ部材６とロワ部材８
との両左右方向中間部同士が、プレス成型された縦部材
９で連結されている。このようにして構成されたフロン
トバルクヘッド３は、サイドフレーム２に対して所望に
応じて反復着脱が可能なように、両サイド部材７の上下
方向中間部をサイドフレーム２にボルトを用いて結合さ
れている。

【００１４】図２（ａ）は、本発明が適用された車体フ
レーム構造の第１の実施形態に於ける基本的断面形状を
示している。この車体フレーム構造は、例えば上記サイ
ドフレーム２に用いられ、図の表裏方向に向いた中心軸
Ｏに直交する断面（紙面に平行する面）の外形輪郭形状
が六角形をなす中空部材からなる。図示例では、６枚形
状の板状外周部１１により六角形の外周部が形成され、
その中空内には、サイドフレーム２の中心軸Ｏ（断面の
中心）から各角部１２に向けて放射状に延出する６枚形
状の板状中リブ部１３が形成されている。

【００１５】サイドフレーム２の断面形状は、中心軸Ｏ
を通る対称軸Ｃに対して車幅方向について略左右対称の
多角形断面形状に形成されている。そして、対称軸Ｃに
対して傾く側の領域Ａ１に配置される各角部１２ａに対
して、例えば図２（ｂ）のクロスハッチングで示される
厚肉部分１４に対して、粉状の合金化元素として例えば
ＭｎやＣｕやＣｒを添加し、半導体レーザにて帯状に熱
を加える。これにより、厚肉部分１４が溶融し、その部
分が、合金化されるため母材に対して高強度化され、傾
く側の領域Ａ１の強度が相反する側の領域Ａ２の強度よ
りも大きくなる。そのため、フレームの圧縮変形時に中
心軸Ｏに対する左右での強度の差によるモーメントを発
生することが可能になる。

【００１６】なお、集光部の幅が広い半導体レーザのビ
ームを用いて溶融することにより、作業時間の短縮を図
ることができる。また、図２（ｂ）に示されるように、
レーザガン１６をフレーム部材（直線フレーム部２ｂ）
の外方に配置して、フレーム部材の表面のみからの角部
１２ａに対する溶融処理が可能である。これにより、断
面形状を変更することなく強度向上加工ができるため、
押し出し成型の型の設計変更をする必要が無いことか
ら、従来のフレーム部材に対しても適用可能である。

【００１７】図３に、車両の衝突時のフレームに作用す
る力の状態を示す。図３に示されるサブフレーム２は、
従来例と同様に、直線フレーム部２ｂを有し、車軸に対
して角度θだけ車幅方向外側に傾いて設けられているも
のとする。この場合の直線フレーム部２ｂの湾曲フレー
ム部２ａとの結合部（フレーム取り付け点）からフロン
トバンパーのバンパービーム１５の前端に至る長さをＬ
ｆ、バンパービーム１５に作用するフレーム圧縮荷重を
Ｆ、バンパービーム１５からの荷重をＦｍ、バンパービ
ーム１５の荷重点から車幅方向中心点までの長さをＬm
1、バンパービーム１５の荷重点からフレーム荷重点ま
での長さをＬm2、両長さＬm1・Ｌm2の和をＬｍ、エンジ
ンマウント取り付け点に作用するエンジン前後慣性力を
Ｆｅ、フレーム取り付け点からエンジンマウント取り付
け点までの長さをＬｅ、バンパービーム１５による横力
をＦｙとすると、フレーム取り付け点に加わるモーメン
トＭｚは、 Ｍｚ＝Ｆ×（Ｌｆtanθ）＋Ｆｅ×Ｌｅ＋Ｆｙ×Ｌｆ＋
Ｆｍ（Ｌｍ−Ｌm1）＋Ｆｍ（Ｌｍ^３−Ｌm1^３）／３Ｌｍ
^２ として表される。なお、右回りを正とする。

【００１８】図３に示されるようにフロントサイドフレ
ーム２に角度θがついた状態でフレーム取り付け点にモ
ーメントＭｚが作用する。モーメントＭｚがフロントサ
イドフレーム２の曲げモーメントの許容値を超えた場合
には、フロントサイドフレーム２が曲げられてしまうた
め、十分な衝突エネルギの吸収を行うことができなくな
る。

【００１９】それに対して、図２（ｂ）のクロスハッチ
ングで示される厚肉部分１４を上記したようにして合金
化して高強度化することにより、フレーム取り付け点に
作用するモーメントＭｚとに対して反対向きのモーメン
トを発生させることができる。これにより、補強板など
を使用することなく、フレームレイアウト上での曲げ強
度を高めることができるため、簡単な構造で十分な衝突
エネルギの吸収を行うことができる。

【００２０】図４に第２の実施の形態を示す。なお、図
２（ａ）と同様の部分については同一の符号を付してそ
の詳しい説明を省略する。この例では、傾く側の領域Ａ
１に配置される各角部１２ａの断面積が、相反する側の
領域Ａ２に配置される各角部１２ｂの断面積よりも大き
くされている。この形状は、アルミ押し出し成型により
簡単に加工することができる。このようにしても、上記
第１の実施の形態と同様の作用効果を奏し得る。

【００２１】図５に第３の実施の形態を示す。なお、図
２（ａ）と同様の部分については同一の符号を付してそ
の詳しい説明を省略する。この例では、６枚の外周部板
材２１により六角形の外形を形成し、３枚の板状中リブ
部２２により対角線を形成し、補強部材としての大小各
６枚ずつの連結用板材２３ａ・２３ｂにより各角部にお
ける外周部板材２１及び板状中リブ部２２を連結して、
中空部材を形成している。

【００２２】なお、板状中リブ部２２は、２枚のＶ字形
断面形状の曲折板材と１枚の平板材とを組み合わせてな
る。図５に示されるように、２枚の曲折板材の曲折部同
士を平板材の中間部を挟んで対向させるように配置し、
それら３部材の接合点をレーザ溶接することにより、６
０度ピッチの６枚形状の板状中リブ部２２が形成されて
いる。各部材の結合も上記実施の形態と同じくレーザ溶
接による。このレーザ溶接にあっては、一方の側から１
回の溶接作業で接合可能であることから、裏側すなわち
中空部材の中空内に溶接ガンを入れる必要が無く、内部
の空間が狭い断面の小さなフレームも製作可能である。
これにより、座屈荷重の設定範囲が広がり、設計自由度
が増大する。

【００２３】また、板材を組み合わせて中空部材を形成
する構造により、厚肉部分１４を薄板の組み合わせで構
成することができ、同じ圧縮荷重を発生し得るものであ
ればフレームを軽量化し得る。さらに、角部１２ａ・１
２ｂにおける座屈変形が図６に示されるように波形にな
り得る。角から連結用板材２３ａ・２３ｂの結合点まで
の距離を短くすることにより、座屈変形時の座屈波長を
短くすることができる。ここで、座屈波長とは、図６に
示されるように、圧縮荷重Ｐによる圧縮変形時の座屈に
より生じた波形における高さＮである。この座屈波長が
短くなるということは、波の数がより多くなることにな
り、１つの波を形成する荷重が同じであれば全体の荷重
が増加する。したがって、座屈波長を短くすることによ
り、圧縮変形時の重量当たりの圧縮荷重を上げることが
できると共に、座屈荷重の変動が抑えられ、安定した座
屈変形が得られ、設計が容易になる。

【００２４】このようにして構成した第３の実施の形態
にあっては、傾く側の領域Ａ１に配置される各角部１２
ａにおける連結用板材２３ａの長さ（外周部板材２１と
板状中リブ部２２とに対する結合点間の長さ）が、相反
する側の領域Ａ２に配置される各角部１２ｂにおける連
結用板材２３ｂの長さよりも長くされている。これによ
り、領域Ａ１における各角部１２ａの強度を領域Ａ２側
よりも高めることができるため、上記第１の実施の形態
と同様の作用効果を奏し得る。さらに、連結用板材２３
ａ・２３ｂの長さ違いのものを容易に製作することがで
き、座屈荷重の変更に対する設計自由度が大きく、汎用
性が高い。

【００２５】図７は第４の実施の形態を示す図５と同様
の図である。なお、図５と同様の部分については同一の
符号を付してその詳しい説明を省略する。この例では、
各連結用板材２３ｂに同一のものを用いている。そし
て、傾く側の領域Ａ１に配置される各角部１２ａにおけ
る連結用板材２３ｂにより囲まれた三角形断面の各空間
に充填材２４が充填されている。充填材２４としては、
例えば硬質ウレタンが良いが、それに限定されるもので
はなく、強度を高め得る材質のものであれば良い。

【００２６】相反する側の領域Ａ２に配置される各角部
１２ｂにおける連結用板材２３ｂにより囲まれた三角形
断面の各空間はそのままにされている。これにより、領
域Ａ１における各角部１２ａの強度を領域Ａ２側よりも
高めることができるため、上記第１の実施の形態と同様
の作用効果を奏し得る。また、連結用板材２３ｂの形状
を全て同じにすることができると共に、充填作業を比較
的簡単に行うことができるため、製造コストを低廉化し
得る。

【００２７】図８は第５の実施の形態を示す図５と同様
の図である。なお、図５と同様の部分については同一の
符号を付してその詳しい説明を省略する。この例では、
同一長さの連結用板材２３ｂ・２３ｃを用いている。そ
して、傾く側の領域Ａ１に配置される各角部１２ａにお
ける連結用板材２３ｃの板厚が、相反する側の領域Ａ２
に配置される各角部１２ｂにおける連結用板材２３ｂの
板厚よりも厚くされている。これにより、領域Ａ１にお
ける各角部１２ａの強度を領域Ａ２側よりも高めること
ができるため、上記第１の実施の形態と同様の作用効果
を奏し得る。また、第３の実施の形態と同様に、連結用
板材２３ｂ・２３ｃの板厚違いのものを容易に製作する
ことができ、座屈荷重の変更に対する設計自由度が大き
く、汎用性が高い。

【００２８】図９は第６の実施の形態を示す図５と同様
の図である。なお、図５と同様の部分については同一の
符号を付してその詳しい説明を省略する。この例では、
同一長さの連結用板材２３ｂ・２３ｄを用いている。そ
して、傾く側の領域Ａ１に配置される各角部１２ａにお
ける連結用板材２３ｄには焼き入れ処理したものを用い
ている。相反する側の領域Ａ２に配置される各角部１２
ｂにおける連結用板材２３ｂは焼き入れ処理をしていな
い。これにより、領域Ａ１における各角部１２ａの強度
を領域Ａ２側よりも高めることができるため、上記第１
の実施の形態と同様の作用効果を奏し得る。特に、焼き
入れにより、その強度を著しく高めることができるた
め、同一座屈強度の場合には軽量化し得る。また、第３
の実施の形態と同様に、連結用板材２３ｄの焼き入れ条
件を変えたものを容易に製作することができ、座屈荷重
の変更に対する設計自由度が大きく、汎用性が高い。

【００２９】なお、図２においてフロントサイドフレー
ム２が前方に延出するに連れて車幅方向に拡開する例に
ついて示したが、反対に狭まるものにも本発明を適用す
ることができる。そのような場合には、フレームの断面
形状において強度を高める領域を、上記図示例における
車幅方向外側に対して車幅方向内側にすれば良い。ま
た、本発明によるフレーム部材にあっては、上記した実
施の形態のように車体前部のフロントサイドフレームに
限定されるものではなく、車体後部のリアサイドフレー
ムにも適用可能である。

【００３０】また、図示例では正六角形断面形状の例を
示したが、正六角形に限られるものではない。なお、正
多角形の場合には左右略対称形になり得るため、設計が
容易である。また、外周部を円形に形成しても良く、直
径方向の板状中リブ部を設けることで上記各図示例と同
様に構成し得る。

【００３１】

【発明の効果】このように本発明によれば、フレーム部
材が傾けられている場合に対して、フレーム部材の断面
における傾く側の領域の強度を高めることから、フレー
ム部材の車幅方向の傾きにより発生するモーメントを抑
制することができるため、フレーム部材の曲げ強度が高
まり、フレーム部材を安定的に座屈させることができ、
衝突エネルギの吸収効率を高めることができる。

【００３２】また、フレーム部材を多角形断面形状に形
成した場合に、多角形断面形状の角部の強度をフレーム
部材の傾きに応じて変えることにより、多角形断面形状
の角部は圧縮荷重に対する座屈強度に大きく寄与するた
め、微小部分に対する強度向上で曲げ強度を大きくする
ことができる。

【００３３】また、強度の違いをフレーム部材の断面積
を変えたり、多角形断面形状における各角部に設けられ
た補強部材の断面形状を変えたりすると良い。これによ
れば、座屈荷重の違いに対する設計変更を容易に行うこ
とができ、汎用性を高め得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された自動車の車体フレームのフ
ロント部分を示す斜視図。

【図２】（ａ）は本発明が適用されたフロントサイドフ
レームの断面形状を示す図であり、（ｂ）はその要部拡
大説明図。

【図３】傾けて設けられたフロントサイドフレームにお
けるモーメントの算出式を求めるための説明図。

【図４】第２の実施の形態を示す図２（ａ）に対応する
図。

【図５】第３の実施の形態を示す図２（ａ）に対応する
図。

【図６】座屈波長の説明図。

【図７】第４の実施の形態を示す図５に対応する図。

【図８】第５の実施の形態を示す図５に対応する図。

【図９】第６の実施の形態を示す図５に対応する図。

【図１０】傾けて設けられたフロントサイドフレームに
おける荷重及びモーメントを示す説明図。

【符号の説明】

２ｂ 直線フレーム部（フレーム部材） １２ａ 角部 ２３ａ・２３ｂ・２３ｃ 連結用板材（補強部材） Ａ１ 傾く側の領域 Ａ２ 相反する側の領域

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【手続補正書】

【提出日】平成１４年２月８日（２００２．２．８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 衝突時の衝撃吸収を軸方向についての塑
   性変形で行うフレーム部材が車幅方向に傾いて設けられ
   た車体フレーム構造であって、 前記フレーム部材が、その中心軸に直交する断面におい
   て、前記傾く側の領域の強度が相反する側の領域の強度
   よりも大きくなるように形成されていることを特徴とす
   る車体フレーム構造。
2. 【請求項２】 前記フレーム部材が前記車幅方向につい
   て略左右対称の多角形断面形状に形成されていると共
   に、前記多角形断面形状における各角部の強度が前記各
   領域に対応して変えられていることを特徴とする請求項
   １に記載の車体フレーム構造。
3. 【請求項３】 前記強度の違いが断面積の違いからなる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車体
   フレーム構造。
4. 【請求項４】 前記強度の違いが、前記各角部に設けら
   れた補強部材の断面形状の違いからなることを特徴とす
   る請求項２に記載の車体フレーム構造。