JP2005247183A - 自動車用フレーム材の結合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 衝突時の衝撃吸収を軸方向についての塑性変形で行う多角形フレーム材において、軸線方向と異なる横向きの外力に対する強度低下を招くことなく、結合相手のフレーム構成材と嵌合する領域を有効なエネルギ吸収ストロークとして機能させることができるものとする。
【解決手段】 多角形フレーム材２の結合相手となるフレーム構成材３に多角形フレーム材２が嵌入する筒状の嵌合部３３を設け、この嵌合部３３に、その内面から径方向内向きに突出して、多角形フレーム材２の頂角部２２に対して径方向外側から当接する突出部３４を設け、多角形フレーム材の座屈変形の際に外板部２１の径方向外向きの変形を許容する空間Ａが嵌合部の内面と外板部との間に画成されるようにする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、衝突時の衝撃エネルギを圧縮変形によって吸収する自動車用フレーム材の結合構造に関するものである。

従来、自動車の車体フレームにおいて、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変形によって衝突時の衝撃エネルギを吸収するようにしたものが知られている。このような衝撃吸収フレーム材として、本出願と同一出願人は、アルミニウム合金の押出成型により、押し出し方向に直交する断面の外形輪郭が略正多角形状をなし、その多角形の辺に相当する複数の外板部と、多角形の頂点に相当する複数の頂角部へ向けて中心部から径方向に延出された複数の内板部とを有する多角形フレーム材を既に提案している（特許文献１・２・３参照。）。
特開平１１−２０８５１９号公報 特開２００３−７２５８７号公報 特開２００３−７２５８８号公報

しかるに、前記のような多角形フレーム材においては、他のフレーム構成材と結合するにあたり、印籠嵌合で差し込み式に結合する構成が考えられるが、このような構成では、多角形フレーム材が結合相手のフレーム構成材と嵌合する領域内において、そのフレーム構成材により多角形フレーム材が拘束されて、多角形フレーム材の面外方向の座屈変形が妨げられることから、有効なエネルギ吸収ストロークとして機能しなくなる不都合が生じる。他方、他のフレーム構成材との嵌合によるエネルギ吸収ストロークへの影響を小さく抑えるため、嵌合寸法を短くする構成も考えられるが、このようにすると、多角形フレーム材の軸線方向と異なる横向きの外力に対する強度低下を招くことから、所要の強度を実現するためにフレーム材の断面寸法や長さなどの設計事項に制約を与える不都合が生じる。

本発明は、このような発明者の知見に基づき案出されたものであり、その主な目的は、衝突時の衝撃吸収を軸方向についての塑性変形で行う多角形フレーム材において、軸線方向と異なる横向きの外力に対する強度低下を招くことなく、結合相手のフレーム構成材と嵌合する領域を有効なエネルギ吸収ストロークとして機能させることができるように構成された自動車用フレーム材の結合構造を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明においては、断面の外形輪郭が略正多角形状をなし、その多角形の辺に相当する複数の外板部（２１）と、多角形の頂点に相当する複数の頂角部（２２）へ向けて中心部（２３）から放射状に延出された複数の内板部（２４）とを有する多角形フレーム材（２）と、その結合相手となる他のフレーム構成材（３・４）とを結合する自動車用フレーム材の結合構造において、前記結合相手となるフレーム構成材が、前記多角形フレーム材が嵌入する筒状の嵌合部（３３・４１）に、その内面から径方向内向きに突出して、前記多角形フレーム材の頂角部に対して径方向外側から当接する突出部（３４・４４）を有し、前記多角形フレーム材の圧縮変形の際に前記外板部の径方向外向きの変形を許容する空間（Ａ・Ｂ）が、前記嵌合部の内面と前記外板部との間に画成されるようにしたものとした。

これによると、多角形フレーム材が結合相手となるフレーム構成材の嵌合部に差し込まれた領域内で円滑に座屈変形を起こすことができるため、多角形フレーム材の嵌合領域を有効なエネルギ吸収ストロークとして機能させることができ、これによりエネルギ吸収ストロークを大きく確保してエネルギ吸収量を増大することができる。その上、多角形フレーム材の軸線方向と異なる横向きの外力に対しては、内板部の面方向に生じる応力が、この内板部と整合する位置にある突出部に作用するため、大きな耐力を確保することができ、横向きの外力による多角形フレーム材の変形を抑制することができる。

この場合、前記突出部は、多角形フレーム材に対する当接面を略円弧状断面に形成された構成とすると良い。これによると、多角形フレーム材における突出部が当接する頂角部の周方向の変形を過度に拘束しないため、多角形フレーム材の座屈変形をより一層円滑化することができる。

また、前記嵌合部は、多角形フレーム材の軸線方向の端面が突き当てられる規制部を一端に備え、前記多角形フレーム材は、外板部の軸線方向の端部を規制部と溶接接合して結合相手となるフレーム構成材に対して固定された構成とすると良い。これによると、外板部は、変形の自由度が比較的高いため、衝突荷重の負担が小さいので、ここを溶接することにより、溶接の熱影響部による耐荷重の低下を小さく抑えることができる。

このように本発明によれば、多角形フレーム材が結合相手となるフレーム構成材の嵌合部に差し込まれた嵌合領域内でも円滑に座屈変形を起こすため、嵌合領域が有効なエネルギ吸収ストロークとして機能するようになり、エネルギ吸収ストロークを大きく確保してエネルギ吸収量を増大する上に多大な効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明が適用されたバンパビームアセンブリを示す斜視図である。図２は、図１に示したバンパビームアセンブリの上面図である。このバンパビームアセンブリでは、車体前部のフロントバンパフェイスに沿って設けられるバンパビーム１が、軸線方向の圧潰変形によって衝突時の衝撃エネルギを吸収する多角形フレーム２で左右両側を支持され、この左右の多角形フレーム２の前端は、左右のバンパエクステンション３を介してバンパビーム１に結合され、多角形フレーム２の後端は、ブラケット４を介してサイドフレーム５に結合される。

多角形フレーム２及びバンパビーム１は、アルミニウム合金にて押出成型されたものであり、バンパエクステンション３及びブラケット４は、アルミニウム合金にて鋳造成型されたものである。多角形フレーム２は、バンパエクステンション３及びブラケット４に対して溶接により一体化され、バンパエクステンション３は、バンパビーム１に対してボルト締結により一体化される。

これらバンパビーム１、多角形フレーム２、バンパエクステンション３、及びブラケット４からなるバンパビームアセンブリは、ブラケット４をボルト７によりサイドフレーム５に締結することでサイドフレーム５に取り付けられる。

図３は、図１に示した多角形フレーム及びバンパエクステンションを示す斜視図である。図４は、図１に示した多角形フレーム及びバンパエクステンションを多角形フレームの軸線に直交する平面で切断した断面図である。多角形フレーム２は、断面の外形輪郭が実質的な正多角形状をなし、その多角形の辺に相当する複数の外板部２１と、多角形の頂点に相当する複数の頂角部２２へ向けて中心部２３から放射状に延出された複数の内板部２４とからなっている。特にここでは、多角形フレーム２は、外板部２１及び内板部２４をそれぞれ６つずつ有する正六角形状をなしている。

バンパエクステンション３は、車体幅方向に延在して一端にバンパビーム１に対する連結部３１を備えた本体部３２と、多角形フレーム２を取り囲む態様で本体部３２から車体前方に突出した筒状の嵌合部３３とを有しており、この嵌合部３３の内面には、径方向内向きに突出して多角形フレーム２の頂角部２２に対して径方向外側から当接する複数の突出部３４が設けられており、多角形フレーム２の座屈変形の際に外板部２１の径方向外向きの変形を許容する空間Ａが嵌合部３３と外板部２１との間に画成されるようになっている。

軸方向の衝突荷重により多角形フレーム２が座屈変形する際には、頂角部２２は、内板部２４により径方向の変形を規制されるものの周方向に変形可能であり、また外板部２１は、径方向の内外に変形可能であるため、多角形フレーム２が円滑に座屈変形を起こすが、多角形フレーム２がバンパエクステンション３の嵌合部３３内に差し込まれた嵌合領域内でも、嵌合部３３に設けられた突出部３４が頂角部２２の周方向の変形を拘束せず、また空間Ａにより外板部２１の径方向外向きの変形が許容されるため、多角形フレーム２は嵌合領域外と略同様にして円滑に座屈変形を起こすことができる。

またこの多角形フレーム２では、軸線方向と異なる横向きの外力が作用すると、その分力が内板部２４に面方向の応力を発生させるが、この応力は、頂角部２２に当接して内板部２４と整合する位置にある突出部３４を介して嵌合部３３に作用し、変形自由度が高く変形し易い外板部２１には大きな荷重が作用しない。このため、多角形フレーム２は軸線方向と異なる横向きの外力に対して大きな耐力を有しており、横向きの外力による多角形フレーム２の変形を抑制することができる。

バンパエクステンション３の嵌合部３３に設けられた突出部３４は、多角形フレーム２に対する当接面を略円弧状断面に形成されている。また、多角形フレーム２の頂角部２２は、正六角形の頂角を切除した態様で径方向内向きに僅かに凹となっており、その凹部２５は、その中心を内板部２４の中心に整合させた位置に形成され、この凹部２５に当接する突出部３４が頂角部２２の周方向の変形を適度に拘束し、突出部３４を内板部２４と整合する位置に保持するようになっている。

図５は、図１に示した多角形フレーム及びブラケットを多角形フレームの軸線に直交する平面で切断した断面図である。ブラケット４は、多角形フレーム２の端部が差し込まれる有底筒状の嵌合部４１と、この嵌合部４１の外周から外向きに延出されたフランジ部４２とからなっており、フランジ部４２を貫通するボルト７によりサイドフレーム５に対して締結固定される。

ブラケット４の嵌合部４１の内面には、前記バンパエクステンション３の嵌合部３３と同様、径方向内向きに突出して多角形フレーム２の頂角部２２に対して径方向外側から当接する複数の突出部４４が設けられており、多角形フレーム２の座屈変形の際に外板部２１の径方向外向きの変形を許容する空間Ｂが嵌合部４１と外板部２１との間に画成されるようになっている。突出部４４は、多角形フレーム２に対する当接面を略円弧状断面に形成されている。

図６は、図５に示したVI−VI線で切断した断面図である。バンパエクステンション３の嵌合部３３には、その略全長に渡って突出部３４が軸線方向に延設され、多角形フレーム２の頂角部２２に当接している。またブラケット４の嵌合部４１は、有底筒状に形成され、その側壁４１ｂには、その略全長に渡って突出部４４が軸線方向に延設され、多角形フレーム２の頂角部２２に当接している。

図７は、図５に示したVII−VII線で切断した断面図である。バンパエクステンション３の嵌合部３３と多角形フレーム２の外板部２１との間には、外板部２１の径方向外向きの変形を許容する空間Ａが画成されており、またブラケット４の嵌合部４１と多角形フレーム２の外板部２１との間にも、同様に外板部２１の径方向外向きの変形を許容する空間Ｂが画成されており、多角形フレーム２は、バンパエクステンション３及びブラケット４の各々と嵌合する領域内で円滑に座屈変形を起こし、その全長に渡って有効なエネルギ吸収ストロークとして機能する。なお、座屈変形時の外板部２１の変形を許容する空間Ａ・Ｂは、座屈振幅の半分以上の間隙寸法に設定すると良い。

バンパエクステンション３の嵌合部３３には、多角形フレーム２の軸線方向の端面が突き当てられる内向きフランジ部３５を一端に備え、多角形フレーム２は、外板部２１の軸線方向の端部を内向きフランジ部３５と溶接接合され、例えば突合せ溶接による溶接ビード３６によりバンパエクステンション３に対して固定される。またブラケット４の嵌合部４１は、有底筒状に形成され、その底壁４１ａに多角形フレーム２の軸線方向の端面が突き当てられ、多角形フレーム２は、外板部２１の軸線方向の端部を底壁４１ａと溶接接合され、例えばすみ肉溶接による溶接ビード４６によりブラケット４に対して固定される。このため、衝突荷重の負担が小さい外板部２１に溶接の熱影響が限定されるため、溶接による耐荷重の低下を小さく抑えることができる。

図８は、図５に示したフレーム材の結合構造の別の例を示す断面図である。この多角形フレーム８１では、耐荷重を増大するため、前記図５に示した例における頂角部２２の凹部２５が廃止され、頂角部８２が径方向外向きに凸となっており、この凸部にブラケットの嵌合部９１に設けられた突出部９２が当接している。

図９は、図４・図５に示したフレーム材の結合構造における軸方向の荷重とストロークとの相関関係を示している。多角形フレーム２の頂角部２２を拘束せずに外板部２１を面拘束した構成（比較例）では、軸方向の荷重が入力されることで生じる変形量（stroke）が、嵌合部３３・４１に差し込まれた領域（拘束部）内に及ぶと、急激な荷重（force）の上昇が生じるのに対し、図４・図５に示したように、突出部３４・４４により頂角部２２を拘束した構成（実施例）では、嵌合領域（拘束部）内で座屈変形が進行することから、急激な荷重の上昇までの変形量、すなわちエネルギ吸収ストロークが大きくなっており、軸方向の衝突荷重に関する本発明の有効性を確認することができる。

図１０は、図４・図５に示したフレーム材の結合構造における横方向の外力が入力されたときの荷重特性図である。図４・図５に示したように嵌合部３３・４１内面の突出部３４・４４により多角形フレーム２の頂角部２２を拘束した構成（実施例）では、頂角部２２を拘束しない構成（比較例）に比較して、横方向（フレームの軸線に対して直交する方向）の外力が入力したときの変形量（Stroke）に対する発生荷重（Load）が大きくなっており、これにより横方向の外力に対する剛性及び強度が大幅に向上していることが認められ、横方向の外力に関する本発明の有効性を確認することができる。

なお、本実施形態においては、バンパビームシステムの例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、多角形フレーム材を他の様々なフレーム構成材に結合する構成に広く適用することができる。

本発明にかかる自動車用フレーム材の結合構造は、衝突時のエネルギ吸収ストロークを大きく確保してエネルギ吸収量を増大する効果を有し、衝突時の衝撃エネルギを圧縮変形によって吸収するために車体端部のサイドフレームに設けられる自動車用フレーム材の結合構造などとして有用である。

本発明が適用されたバンパビームアセンブリを示す斜視図である。 図１に示したバンパビームアセンブリの上面図である。 図１に示した多角形フレーム及びバンパエクステンションを示す斜視図である。 図１に示した多角形フレーム及びバンパエクステンションを多角形フレームの軸線に直交する平面で切断した断面図である。 図１に示した多角形フレーム及びブラケットを多角形フレームの軸線に直交する平面で切断した断面図である。 図５に示したVI−VI線で切断した断面図である。 図５に示したVII−VII線で切断した断面図である。 図５に示したフレーム材の結合構造の別の例を示す断面図である。 図４・図５に示したフレーム材の結合構造における軸方向の荷重とストロークとの相関関係を示す図である。 図４・図５に示したフレーム材の結合構造における横方向の外力が入力されたときの荷重特性図である。

符号の説明

１ バンパビーム
２・８１ 多角形フレーム
３ バンパエクステンション
４ ブラケット
５ サイドフレーム
２１ 外板部
２２・８２ 頂角部
２３ 中心部
２４ 内板部
２５ 凹部
３３・４１・９１ 嵌合部
３４・４４・９２ 突出部

Claims (1)

1. 断面の外形輪郭が略正多角形状をなし、その多角形の辺に相当する複数の外板部と、多角形の頂点に相当する複数の頂角部へ向けて中心部から放射状に延出された複数の内板部とを有する多角形フレーム材と、その結合相手となるフレーム構成材とを結合する自動車用フレーム材の結合構造であって、
   前記結合相手となるフレーム構成材が、前記多角形フレーム材が嵌入する筒状の嵌合部に、その内面から径方向内向きに突出して、前記多角形フレーム材の頂角部に対して径方向外側から当接する突出部を有し、前記多角形フレーム材の圧縮変形の際に前記外板部の径方向外向きの変形を許容する空間が、前記嵌合部の内面と前記外板部との間に画成されるようにしたことを特徴とする自動車用フレーム材の結合構造。

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