JP2008087667A - 車両用サブフレーム構造 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な治具で複数の部材を接合することが可能であり、また部材間の接合強度および形状精度を向上させることが可能な、車両用サブフレーム構造を提供する。
【解決手段】複数のフレーム部材６５と、複数のフレーム部材６５の交差部に配置されたジョイント部材７０とを溶接して、枠状サブフレームを構成した車両用サブフレーム構造であって、フレーム部材６５は、端部に開口６６を有する中空構造であり、ジョイント部材７０は、フレーム部材６５の開口６６と嵌合する中実構造の嵌合部７６と、溶接治具９０の位置決めピン９３と嵌合し水平方向に位置決めする位置決め孔７２と、溶接治具９０の受け面９２ａと当接し高さ方向に位置決めする位置決め面７１ａとを有し、フレーム部材６５とジョイント部材７０とが、摩擦撹拌溶接で接合されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、車両用サブフレーム構造に関するものである。

車両には、車体前部から車体後部に亘り、車体骨格部材を構成する左右一対のサイドフレームが設けられている。そのサイドフレームにサブフレームが接続され、そのサブフレーム上に車両の各種装置が搭載されている。サブフレームは、複数のフレーム部材を溶接等により接続して形成されている。

近時、押出し成形されたフレーム部材を利用する技術が提案されている。
特許文献１には、前後方向に沿って連続する前側サイドメンバと後側サイドメンバの各対応端部、及び車幅方向に沿うクロスメンバの対応端部を、結合ブラケットにより結合する自動車のメンバ結合構造が記載されている。この技術は、結合ブラケットが、各メンバの対応端部内に挿入されて該対応端部の上下角部に各々内接する一対の縦フランジを３組有しており、且つ該各縦フランジの基端部付近に形成した受け面を各対応端部の側面に接合したものである。

また特許文献２には、Ａｌ基合金からなる面板間に中空部を有する被加工物（押出し材）同士が接合された鉄道車両構体が記載されている。この技術は、被加工物の各面板の接合部端部が互いに重なるように配置すると共に、重なった部分の接合部の端面同士が互いに接するように配置し、該接した部分が摩擦溶接により接合されているものである。
特開平９−３０１２１６号公報 特許第３３４１８１４号公報

特許文献１に記載された技術では、結合ブラケットにおける縦フランジの基端部付近に形成した受け面に、メンバの対応端部を当接させて溶接するので、被溶接部品である結合ブラケットおよびメンバを位置決めするための治具が複雑になる。また、溶接後の熱歪みによる変形が大きくなるという問題がある。
また特許文献２に記載された技術では、被加工物の押出し方向に対して特定の方向のみに被加工物同士の溶接が行われるので、枠状のサブフレームを形成するのが困難である。
そこで本発明は、簡単な治具で複数の部材を接合することが可能であり、また部材間の接合強度が高く、形状精度の高い車両用サブフレーム構造の提供を課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、複数のフレーム部材（例えば、実施形態におけるフレーム部材６５）と、前記複数のフレーム部材の交差部に配置されたジョイント部材（例えば、実施形態におけるジョイント部材７０）とを溶接して、枠状サブフレーム（例えば、実施形態におけるサブフレーム４０）を構成した車両用サブフレーム構造であって、前記フレーム部材は、端部に開口（例えば、実施形態における開口６６）を有し、前記ジョイント部材は、前記フレーム部材の前記開口と嵌合する中実構造の嵌合部（例えば、実施形態における嵌合部７６）と、溶接治具（例えば、実施形態における溶接治具９０）のピン（例えば、実施形態における位置決めピン９３）と嵌合し水平方向に位置決めする位置決め孔（例えば、実施形態における位置決め孔７２）と、前記溶接治具の受け面（例えば、実施形態における受け面９２ａ）と当接し高さ方向に位置決めする位置決め面とを有し、前記フレーム部材と前記ジョイント部材とが、摩擦撹拌溶接で接合されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記ジョイント部材には、前記フレーム部材の端部の受け面（例えば、実施形態における側面７７）が設けられていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、前記フレーム部材に、外部部品の取付部材（例えば、実施形態におけるブラケット８０，８５）が摩擦撹拌溶接され、前記取付部材の溶接部近傍における前記フレーム部材の内部空間の角部（例えば、実施形態における角部６８，６９）が、フィレット状に成形されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、フレーム部材の開口に嵌合させるジョイント部材の嵌合部を中実構造としたので、摩擦撹拌溶接による熱歪を減少させることができる。これにより、フレーム部材とジョイント部材との接合強度を向上させることが可能になり、サブフレームの形状精度を向上させることが可能になる。しかも、水平方向の位置決めピンおよび高さ方向の位置決め面を備えた簡単な溶接治具でフレーム部材とジョイント部材とを接合することが可能になり、製造コストを低減することができる。

請求項２に係る発明によれば、摩擦撹拌溶接時の材料逃げによる溶接不具合を防止することが可能になり、部材間の接合強度および形状精度を向上させることができる。また、溶接治具によるフレーム部材端部の受けが不要になり、溶接治具を簡略化することができる。

請求項３に係る発明によれば、取付部材の溶接部近傍におけるフレーム部材の内部空間の角部をフィレット状に成形したので、接合材料不足による溶接不具合を防止することが可能になり、部材間の接合強度および形状精度を向上させることができる。これにより、フレーム部材の壁厚みの増加が不要になり、車両重量の増加を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。本実施形態では、燃料電池自動車において燃料電池を搭載するサブフレームに、本発明に係る車両用サブフレーム構造を適用した場合を例にして説明する。
図１は車両側面の説明図であり、図２は図１のＡ−Ａ線における断面図である。図１および図２に示すように、燃料電池自動車は、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池スタック１２を車体のフロア下に搭載するもので、該燃料電池により生じた電力で駆動モータを駆動して走行する。燃料電池スタック１２は、例えば単位電池（単位燃料電池）を多数積層してなる周知の固体高分子膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、そのアノード側に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード側に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給することで、電気化学反応により電力を生成すると共に水を生成する。

図１に示すように、燃料電池自動車には、車体前部から車体後部に亘り、フロアパネル１下に車体骨格部材を形成する左右一対のサイドフレーム２が設けられている。図２に示すように、左右のサイドフレーム２の外側壁３には、アウトリガー４を介してサイドシル５が接合されている。サイドフレーム２には、車幅方向に車体骨格部材であるクロスメンバ（不図示）が接続されている。

図１に示すように、車体前部のモータルーム１０には、サイドフレーム２に対して下側からフロントサブフレーム１１が取り付けられている。このフロントサブフレーム１１には、燃料電池スタック１２に空気を送給するコンプレッサ１３と、走行用の駆動モータ１４からなるポンプモータユニット１５とが配置されている。
車体後部には、サイドフレーム２に対して下側からリヤサブフレーム１６が取り付けられている。このリヤサブフレーム１６には、車輪及びサスペンションに加えて、燃料電池スタック１２の燃料である水素を貯留する水素タンク１７及び蓄電池１８が取り付けられている。

サイドフレーム２上には、フロアパネル１が接合されている。フロアパネル１の前端部は前側に立ち上がりダッシュロア１ａへと連なり、フロアパネル１の後端部は前記リヤサブフレーム１６の水素タンク１７上部を覆う位置まで延出している。
フロアパネル１には、ダッシュロア１ａの下端部から車体後部に向かって、左右のフロントシート２０およびリヤシート２１間に、上方に膨出するフロアトンネル２２が形成されている。このフロアトンネル２２が左右のフロントシート２０，２０間において更に上方に膨出し、センターコンソール２３が形成されている。

図２に示すように、フロアトンネル２２の左右の立ち上がり部２４から、センターコンソール２３の側壁２５に至る下面部位には、三角形状の断面を形成するレインフォース２６が接合され、フロアトンネル２２及びセンターコンソール２３を補強している。レインフォース２６の下面には、車体前後方向に沿って閉断面構造のセンターフレーム２７が接合されている。またサイドフレーム２の内側壁とフロアパネル１とのコーナー部分には、車体前後方向に沿って閉断面構造の補強フレーム２８が接合されている。

これらセンターフレーム２７と補強フレーム２８との下面には、サブフレーム４０が取り付けられている。図１に示すように、サブフレーム４０には、燃料電池スタック１２及びその補機類１９が搭載されている。これら燃料電池１２及び補機類１９は、センターコンソール２３内、つまり車室外側であるフロアパネル１下に配置されている。これにより、燃料電池が乗員の居住空間とフロアパネル１（センターコンソール２３）によって隔絶されている。

（サブフレーム）
図３は、サブフレームの斜視図である。サブフレーム４０は、車両前後方向に伸びる一対のサブセンターフレーム４４，４４を備えている。このサブセンターフレーム４４，４４は、上述したセンターフレームの下側に接続される。一対のサブセンターフレーム４４，４４は、車幅方向に配置された前サブクロスフレーム４１および後サブクロスフレーム４２によって連結されている。これにより、サブフレーム４０が枠状骨格に構成されている。なお後サブクロスフレーム４２よりも後方に延出したサブセンターフレーム４４，４４の後端部は、車幅方向に配置されたエンドフレーム４５によって連結されている。
前後サブクロスフレーム４１，４２の中間において、サブセンターフレーム４４，４４から車幅方向外側に向かって、中間フレーム４７，４７が延設されている。中間フレーム４７，４７の先端部は、上述した補強フレームの下側に接続される。

サブフレーム４０を構成する各種フレームは、フレーム部材６５と、複数のフレーム部材６５の交差部に配置されたジョイント部材７０とで構成されている。なお以下には、Ｐ部におけるフレーム部材およびジョイント部材を例にして説明するが、他の部分においても同様に構成されている。
図４は、図３のＰ部の拡大分解図である。図４に示すように、フレーム部材６５は、アルミニウム等の金属材料を押出し成形することにより、矩形状の閉断面構造に形成されている。このフレーム部材６５は、端部に開口６６を有する中空構造になっている。

ジョイント部材７０も、アルミニウム等の金属材料により成形されている。ジョイント部材７０は、直方体状の本体部７１を備えている。本体部７１の略中央には、本体部７１を厚さ方向に貫通する位置決め孔７２が形成されている。この位置決め孔７２は、後述する溶接治具の位置決めピンと嵌合して、フレーム部材６５およびジョイント部材７０を水平方向に位置決めするものである。なお位置決め孔７２は、センターフレーム等に対するサブフレームの接続にも使用される。また本体部７１の上面および下面は、後述する溶接治具の受け面と当接してジョイント部を高さ方向に位置決めする受け面となっている。本体部７１の側面７７には、フレーム部材６５の開口６６と嵌合する中実構造の嵌合部７６が突出形成されている。嵌合部７６の軸直角断面形状は、フレーム部材６５の内部空間の軸直角断面形状（開口形状）に対応して形成されている。なおジョイント部材７０の側面７７は、フレーム部材６５の端面６７と当接する受け面となっている。

図５は、図４のＢ−Ｂ線に相当する部分における側面断面図である。図５に示すように、フレーム部材６５の開口６６にジョイント部材７０の嵌合部７６を嵌合させ、フレーム部材６５の端面６７をジョイント部材７０の側面７７に当接させることによって、フレーム部材６５がジョイント部材７０に対して簡単に組み付けられている。そして、フレーム部材６５とジョイント部材７０との当接部６９が、以下に詳述する摩擦撹拌溶接（Friction Stir Welding;以下「ＦＳＷ」という。）によって接合されている。

図６は、ＦＳＷの説明図である。ＦＳＷには、中心に突起１０１を備えた円柱状の撹拌ロッド１００を使用する。図６（ａ）に示すように、水平方向に隣接する部材１０２，１０４の当接部１０３に向かって、撹拌ロッド１００を押圧しつつ、中心軸の周りに回転させる。これにより、当接部１０３に摩擦熱を与え、材料に可塑化・粘性化した層を作る。その撹拌ロッド１００を当接部１０３に沿って進行させると、当接部１０３に順次可塑化が起こり、当接部１０３が固相接合される。
なお図６（ｂ）に示すように、摩擦熱による可塑化・粘性化は深さ方向にも進行するので、深さ方向に隣接する部材１０２，１０４を接合することも可能である。この場合、両部材の当接部１０３の上方に配置された部材１０２の表面に撹拌ロッド１００を押圧して回転させる。その摩擦熱による可塑化・粘性化が両部材の当接部１０３に到達して、当接部１０３が固相接合される。

ＦＳＷには、図５に示す溶接治具９０を使用する。溶接治具９０は、ベース板９１と、当接部支持板９２と、位置決めピン９３とを備えている。当接部支持板９２の平面形状は、ジョイント部材７０の平面形状と略同等に形成されている。この当接部支持板９２には、フレーム部材６５とジョイント部材７０との当接部６９の下方を支持する受け面９２ａが形成されている。位置決めピン９３は、ジョイント部材７０の位置決め孔７２と嵌合するように配設されている。

次に、ＦＳＷを実施する手順について説明する。まず図３に示すように、サブフレーム４０の全体を組み上げる。次に図５に示すように、ジョイント部材７０の位置決め孔７２を溶接治具９０の位置決めピン９３に嵌合させ、サブフレーム４０を水平方向に位置決めする。また、ジョイント部材の受け面７１ａを溶接治具９０の受け面９２ａに当接させ、サブフレームを高さ方向に位置決めする。この状態で、当接部６９に撹拌ロッド１００を進入させ、ＦＳＷを実施する。
サブフレームの上面側を溶接した後、サブフレームを上下反転させて下面側を溶接してもよい。なお溶接治具９０を左右対称に形成しておけば、サブフレームの上面側および下面側の溶接において、溶接治具９０を共用することも可能である。

本実施形態では、フレーム部材６５の開口６６をジョイント部材７０の嵌合部７６に嵌合させるので、両者を簡単に仮組みすることができる。またフレーム部材６５の開口６６に嵌合させるジョイント部材７０の嵌合部７６を中実構造としたので、ＦＳＷによる熱歪を減少させることができる。加えて、当接部６９の下方を溶接治具９０の受け面９２ａで支持したので、撹拌ロッド１００で当接部６９を押圧しても当接部６９が変形しない。これらにより、フレーム部材６５とジョイント部材７０との接合強度を向上させることが可能になり、またサブフレームの形状精度を向上させることが可能になる。しかも、当接部支持板９２および位置決めピン９３を備えた簡単な溶接治具でフレーム部材６５とジョイント部材７０とを接合することが可能になり、製造コストを低減することができる。

また、ジョイント部材７０の側面７７が、フレーム部材６５の端部の受け面とされているので、ジョイント部材７０とフレーム部材６５とを位置決めすることができる。また、ＦＳＷ溶接時の材料逃げによる溶接不具合を防止することが可能になり、部材間の接合強度および形状精度を向上させることができる。これに伴って、フレーム部材の位置精度が向上するので、フレーム部材にセンターフレーム等への取付孔を設けることも可能である。また、溶接治具によるフレーム部材端部の受けが不要になり、溶接治具を簡略化することができる。

図７（ａ）は、図３のＱ部の拡大図である。サブフレームに外部部品を取り付けるため、図７（ａ）に示すように、フレーム部材６５にブラケット（取付部材）８０を接合する場合がある。ブラケット８０の接合にも、上述したＦＳＷを利用する。
図７（ｂ）はブラケット接合の説明図であり、図７（ａ）のＤ−Ｄ線における断面図である。図７（ｂ）に示すように、ブラケット８０の接合は、上述したフレーム部材６５およびジョイント部材の接合と同時に、上述した溶接治具９０を用いて行う。溶接治具９０におけるブラケット８０の接合領域には、フレーム部材６５を支持するフレーム部材支持板９４と、ブラケット８０を支持するブラケット支持板９５とが設けられている。

上述したように、サブフレーム全体を組み上げて溶接治具９０にセットすると、フレーム部材６５およびブラケット８０がそれぞれの支持板９４，９５によって支持される。この状態で、フレーム部材６５とブラケット８０との当接部７９に撹拌ロッド１００を進入させ、ＦＳＷを実施する。
この構成によれば、当接部７９が溶接治具９０によって支持されるので、フレーム部材６５とブラケット８０とを所定位置で接合することが可能になり、接合強度および形状精度を向上させることが可能になる。

なお、フレーム部材６５とブラケット８０との溶接部（当接部７９）近傍におけるフレーム部材６５の内部空間の角部６８は、フィレット状の湾曲面に成形されている。その角部６８におけるフィレットの極率半径は、他の角部より大きくなっている。例えば、他の角部の極率半径がＲ１程度であるのに対して、角部６８におけるフィレットの極率半径はＲ８程度に成形されている。

このように、当接部７９に近接するフレーム部材６５の内部空間の角部６８をフィレット状に成形することにより、角部６８においてフレーム部材６５が厚肉化されるので、接合材料不足による溶接不具合を防止することが可能になる。また、当接部７９の溶接に伴うフレーム部材６５の変形を防止することが可能になる。したがって、部材間の接合強度および形状精度を向上させることができる。これにより、フレーム部材の壁厚みの増加や入れ子構造等が不要になり、車両重量や作業工数の増加を抑制することができる。

図８（ａ）は図３のＲ部の拡大図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＥ−Ｅ線における断面図である。図８（ａ）に示すブラケット８５のフレーム部材６５への接合構造も、上記と同様である。ただし、図８（ｂ）に示すようにブラケット８５の高さがフレーム部材６５の厚さと同等であるため、サブフレームの上面側および下面側の両方において、フレーム部材６５とブラケット８５との当接部８５ａ，８５ｂが溶接される。そのため、上面側の当接部８５ａ近傍におけるフレーム部材の内部空間の角部６８ａに加えて、下面側の当接部８５ｂ近傍における角部６８ｂにおいても、フレーム部材６５が厚肉化されてフィレット状に成形されている。また角部６８ａ，６８ｂにおけるフィレットの極率半径は、他の角部より大きくなっている。これにより、接合材料不足による溶接不具合を防止することが可能になり、部材間の接合強度および形状精度を向上させることができる。またフレーム部材６５の壁厚みの増加が不要になり、車両重量の増加を抑制することができる。

なお、この発明は上述した実施形態に限られるものではない。
例えば、実施形態では車両中央において燃料電池を搭載するサブフレームを例にして説明したが、車両前方または後方において燃料電池以外の車両装置を搭載するサブフレームに本発明を適用することも可能である。また、サブフレームの形状は上記実施形態の形状に限定されず、適宜変更が可能である。

車両側面の説明図である。 図１のＡ−Ａ線における断面図である。 サブフレームの斜視図である。 図３のＰ部の拡大分解図である。 図４のＢ−Ｂ線に相当する部分における側面断面図である。 ＦＳＷの説明図である。 （ａ）は図３のＱ部の拡大図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線における断面図である。 （ａ）は図３のＲ部の拡大図であり、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線における断面図である。

符号の説明

４０…サブフレーム ６５…フレーム部材 ６６…開口 ６８…角部 ７０…ジョイント部材 ７１ａ…位置決め面 ７２…位置決め孔 ７７…側面（受け面） ８０…ブラケット（取付部品） ９０…溶接治具 ９２ａ…受け面 ９３…位置決めピン

Claims (3)

1. 複数のフレーム部材と、前記複数のフレーム部材の交差部に配置されたジョイント部材とを溶接して、枠状サブフレームを構成した車両用サブフレーム構造であって、
   前記フレーム部材は、端部に開口を有する中空構造であり、
   前記ジョイント部材は、前記フレーム部材の前記開口と嵌合する中実構造の嵌合部と、溶接治具のピンと嵌合し水平方向に位置決めする位置決め孔と、前記溶接治具の受け面と当接し高さ方向に位置決めする位置決め面とを有し、
   前記フレーム部材と前記ジョイント部材とが、摩擦撹拌溶接で接合されていることを特徴とする車両用サブフレーム構造。
2. 前記ジョイント部材には、前記フレーム部材の端部の受け面が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の車両用サブフレーム構造。
3. 前記フレーム部材に、外部部品の取付部材が摩擦撹拌溶接で接合され、
   前記取付部材の溶接部近傍における前記フレーム部材の内部空間の角部が、フィレット状に成形されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用サブフレーム構造。

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