JP2009227113A - 自動車のフレーム構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】厚肉部20は、横ビード12の円筒パイプ11軸方向の延長上に設けられた三つの厚肉部(第一厚肉部)20Aと、その間に設けられた三つの厚肉部(第二厚肉部)20Bで、60度間隔で、六つ形成しており、円筒パイプ11の内周面11aから内方側に突出して、円筒パイプ11の後端位置まで(詳細には図示しない)延設している。
【選択図】図4
Description
このため、自動車のフレーム構造では、衝突エネルギーの吸収性能が高いフレーム構造が求められる。
このフレーム構造によると、エネルギー吸収量が増加するとともに、座屈形状が安定するため、エネルギー吸収量及び変形時の座屈変形が安定するという効果が得られる。
しかし、この押し出し成形のフレーム構造によると、被加工材料及び製造コストが高く、生産性等が悪化するという問題がある。
このフレーム構造によると、衝突荷重を受けた際に、フレーム内のパイプ部材もフレームと同様に、軸方向に座屈変形するため、衝突エネルギーの吸収量が増加する。特に、フレーム内にパイプ部材が充填されていることから、座屈変形の際には、パイプ部材が相互に干渉し合うことになり、衝突エネルギーの吸収量がさらに増大する旨が記載されている。
このため、円筒パイプが座屈変形していく際に、最も変形荷重が作用する断面形状の頂点の強度が高まるため、円筒パイプの板厚を薄くしつつも、変形荷重を増加させることができ、衝突エネルギー吸収量を高めることができる。
なお、このパイプ部材を構成する金属材料は、軸方向に座屈変形するものであればどのようなものであってもよい。一般的な鋼材だけでなく、アルミ材等の軽金属であってもよい。
上記構成によれば、高強度部を変形周期単位(変形ピッチ)に合わせた間隔で形成することにより、より変形荷重が作用する部分だけを高強度部とすることで、衝突エネルギーの吸収量を確保しながら、軽量化を図ることができる。
よって、フレーム構造の軽量化をより図りつつ、衝突エネルギーの吸収量を高めることができる。
そして、その結合部を含んだ120度間隔で軸方向の延長線上に高強度部を形成することで、規定された断面形状の三角形の頂点(稜線)となる部分の強度が、確実に高まることになり、衝突エネルギー吸収量を高めることができる。
よって、複数の円筒パイプを結合したフレーム構造で、軽量化を図りつつ、衝突エネルギーの吸収量を増加させることができる。
上記構成によれば、脆弱部を設けたことで、複数の円筒パイプを結合した場合における、座屈変形時の断面形状の三角形の変形パターンの軸方向位置を規定することができる。また、高強度部を、座屈変形の変形周期単位に合わせた間隔で形成することで、より変形荷重が作用する部分だけを、高強度部とすることで、衝突エネルギーの吸収量を確保しながら、より軽量化を図ることができる。
よって、複数の円筒パイプを集合して結合したフレーム構造で、フレーム構造の軽量化をより図りつつ、衝突エネルギーの吸収量を高めることができる。
上記構成によれば、第二の高強度部を形成したことで、座屈変形時の断面形状の三角形の変形パターンが反転して逆三角形となる位置においても、逆三角形の頂点(稜線)となる部分の強度を高めることができる。
よって、座屈変形時に逆三角形の頂点となる部分の衝突エネルギー吸収量を高めることができ、さらに、衝突エネルギーの吸収量を高めることができる。
なお、この第二の高強度部を形成したものでは、各高強度部の間隔が周方向に60度間隔で設定されることになる。
上記構成によれば、高強度部を、厚肉部で構成したことで、円筒パイプの厚肉化によって、安定して衝突エネルギー吸収量を高めることができる。
よって、確実に衝突エネルギーの吸収量を増大させることができる。
上記構成によれば、高強度部を、焼入れ部で構成したことで、円筒パイプの重量を増加させることなく、衝突エネルギー吸収量を高めることができる。
よって、フレーム構造の軽量化をより図りつつ、衝突エネルギーの吸収量を増大させることができる。
上記構成によれば、高強度部を、鍛造部で構成したことで、円筒パイプの重量を増加させることなく、衝突エネルギー吸収量を高めることができる。
よって、フレーム構造の軽量化をより図りつつ、衝突エネルギーの吸収量を増大させることができる。
上記構成によれば、高強度部を、ショットピーニング部で構成したことで、円筒パイプの重量を増加させることなく、衝突エネルギー吸収量を高めることができる。
よって、フレーム構造の軽量化をより図りつつ、衝突エネルギーの吸収量を増大させることができる。
よって、軸方向に延びる円筒パイプを備える自動車のフレーム構造において、フレーム構造の軽量化を図りつつ、衝突エネルギーの吸収量を増加させることができる。
まず、第一実施形態について説明する。図1は本発明の自動車のフレーム構造をクラッシュカンとして使用した車体前部構造の前方斜視図、図2はクラッシュカンの全体斜視図、図3はクラッシュカンの前端部の斜視図、図4はクラッシュカンの正面図である。なお、本実施形態では、右側前部の車体構造だけを示している。
具体的に、この接合部位は、上部二本11A,11Bの間に最上部接合部位13を設定し、上部二本11A、11Bと中央一本11Cの間に上側部接合部位を二箇所14,15設定して、そして、下部二本11D,11Eと中央一本11Cの間に下側部接合部位を二箇所16,17設定し、さらに、下部二本11D,11Eの間に最下部接合部位18を設定している。
また、図5に示すように、円筒パイプ11の内周面には、前述した厚肉部20(第一厚肉部20A、第二厚肉部20B)を、60度間隔で六つ設けている。
座屈変形時には、(b)に示すように、第一厚肉部20Aが正三角形の頂点に位置して、第二厚肉部20Bが逆正三角形の頂点に位置することで、断面形状の変形に対応して各厚肉部20A,20Bが折り曲げられることになる。
この横ビード12は、円筒パイプ11の断面形状が「三角形」に変形する際に、「三角形」の「辺」になるように設定している。すなわち、この横ビード12を設けることで、横ビード12を設けていない円周部19の強度が相対的に高まるため、圧縮荷重を受けた際に、この円周部19に応力が集中して三角形の頂点となるような変形が生じ、結果的に、横ビード12が「辺」となるような変形が生じるのである。
これは、前述したように、潰れ周期が小さい小径の円筒パイプという質量効率の高い衝撃吸収体を、接合部位を介して五本同時に同調して座屈変形させているためである。
図16は、前後方向の長さが約150mmの円筒パイプの板厚と直径を変化させてクラッシュカンを座屈変形させた場合のグラフを示した図である。このグラフでは、縦軸を円筒パイプの直径d、横軸を円筒パイプの板厚tで示している。
こうしたことから、本発明を効果的に実施するためには、このグラフの密なドット領域の板厚tと直径dで円筒パイプを設計して、クラッシュカン3を構成することが望ましいことが分かる。
以上の製造工程によって、本実施形態の円筒パイプ11を成形することができる。
この実施形態のフレーム構造は、クラッシュカン3を、軸方向に延びる円筒パイプ11を複数結合することで構成して、この円筒パイプ11の先端周面に、座屈変形時の起点となる横ビード12を三箇所に形成し、この横ビード12の円筒パイプ11軸方向の延長線上に、厚肉部20(第一厚肉部20A)を形成している。
このため、円筒パイプ11が座屈変形していく際に、最も変形荷重が作用する三角形の頂点の強度が高まるため、円筒パイプ11全体の板厚を厚くしなくても、変形荷重を増加させることができ、衝突エネルギー吸収量を高めることができる。
よって、軸方向に延びる円筒パイプ11を備えるクラッシュカン3構造において、クラッシュカン3の軽量化を図りつつ、衝突エネルギーの吸収量を増加させることができる。
これにより、接合部位で規定される座屈変形時の断面形状の三角形のパターンを利用して、軸方向に延びる厚肉部20Aを120度間隔で形成することで、三角形の頂点(稜線)となる部分の強度を、確実に高めることができる。
よって、複数の円筒パイプ11を結合したクラッシュカン3で、軽量化を図りつつ、衝突エネルギーの吸収量を増加させることができる。
これにより、座屈変形時に断面形状が逆正方形になる位置においても、逆三角形の頂点となる部分の強度を高めることができる。
よって、座屈変形時の逆正三角形の頂点となる部分の衝突エネルギー吸収量を高めることができ、さらに衝突エネルギーの吸収量を高めることができる。
これにより、円筒パイプ11の厚肉化によって、安定して衝突エネルギー吸収量を高めることができる。
よって、確実に衝突エネルギーの吸収量を増大させることができる。
具体的には、座屈変形時に正三角形と逆正三角形の頂点となる部分のみに厚肉部60を設け、その他の部分については、厚肉部を設けないように構成することで、円筒パイプ51を軽量化したものである。
次に、ステップ2(S2)で、円筒パイプの内周面の凸部を、先端部分から所定長さ切削加工する。この切削加工によって、円筒パイプの先端部分には、厚肉部を設けない部分が設定される。
さらに、ステップ3(S3)で、円筒パイプの厚肉部を設けない部分の外周面に、横ビードを形成する。この横ビードは、内周面の凸部の三つに対応するように120度間隔で形成され、前述のように、潰れ周期の起点となる。
そして最後に、ステップ4(S4)で、内周面の凸部を、変形周期のピッチに合致する位置を残して、その他の部分を切削加工する。この切削加工によって、座屈変形する部分以外の不要な凸部が、円筒パイプから除去される。
以上の工程を経て、本実施形態の円筒パイプが製造される。
この実施形態では、各円筒パイプ51の周面に、120度間隔で座屈変形時に起点となる横ビード12を形成し、この横ビード12の円筒パイプ51の軸方向延長線上に、且つ座屈変形の変形周期単位に合わせた間隔で、厚肉部60(第一厚肉部60A)を形成している。
これにより、横ビード12で座屈変形時の断面形状の三角形の変形パターンの位置を規定して、この座屈変形の変形周期単位(変形ピッチ)に合わせた間隔で、厚肉部60Aが形成される。このため、変形荷重が最も作用する部分だけを強度を高めて、衝突エネルギーの吸収量を確保しながら、軽量化を図ることができる。
よって、複数の円筒パイプ51を集合して結合したクラッシュカンで、より軽量化を図りつつ、衝突エネルギーの吸収量を高めることができる。
これにより、座屈変形時の断面形状の三角形の変形パターンが反転する位置においても、逆三角形の頂点(稜線)となる部分の強度を高めることができる。
よって、座屈変形の反転時の衝突エネルギー吸収量を高めることができ、さらに、衝突エネルギーの吸収量を高めることができる。
このように焼入れ部80を設けることで、円筒パイプ71は、焼入れ部80の硬度が高まるため、この部分が強靭化して、変形しにくくなる。
よって、この実施形態でも、座屈変形時には、焼入れ部が「正三角形」と「逆正三角形」の頂点となって変形するため、円筒パイプ71が座屈変形しにくくなり、円筒パイプ71の衝突エネルギー吸収量を増加させることができる。
これにより、円筒パイプ71に厚肉部を設けることなく、衝突エネルギー吸収量を高めることができる。
よって、本実施形態によると、クラッシュカンの軽量化をより図りつつ、衝突エネルギーの吸収量を増大させることができる。
このように鍛造部100を設けることで、この実施形態の円筒パイプ91でも、鍛造部100の硬度が高まるため、この部分が強靭化して、変形しにくくなる。
よって、この実施形態でも、円筒パイプ91が座屈変形しにくくなり、円筒パイプ91の衝突エネルギー吸収量を増加させることができる。
これにより、円筒パイプ91に厚肉部を設けることなく、衝突エネルギー吸収量を高めることができる。
よって、本実施形態によると、クラッシュカンの軽量化をより図りつつ、衝突エネルギーの吸収量を増大させることができる。
このように、ショットピーニング部120を設けることで、この実施形態でも、円筒パイプ111は、ショットピーニング部120の硬度が高まるため、この部分が強靭化して、変形しにくくなる。
よって、この実施形態でも、円筒パイプ111が座屈変形しにくくなり、円筒パイプ111の衝突エネルギー吸収量を増加させることができる。
これにより、円筒パイプ111に厚肉部を設けることなく、衝突エネルギー吸収量を高めることができる。
よって、クラッシュカンの軽量化をより図りつつ、衝突エネルギーの吸収量を増大させることができる。
すなわち、例えば、特開2007−268586公報等に記載された強化繊維で成形したプリフォームを、鋳型内にセットしておき、そのプリフォームを金属の母材で鋳込むことで、円筒パイプを成形するものである。
まず、初めに(a)に示すように、等間隔で厚肉部192…を有するシート状のプリフォーム191を成形する。このプリフォーム191は、前述したように強化繊維によって成形する。
なお、型を用いて(b)の形状を初めから作ってもよい。
この発明のフレーム構造は、実施形態のクラッシュカン3に対応し、
以下、同様に、
脆弱部は、横ビード12に対応し、
高強度部は、厚肉部20、厚肉部60、焼入れ部80、鍛造部100、ショットピーニング部120に対応し、
結合部は、接合部位13,14,15,16,17,18に対応するも、
この発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、あらゆる自動車のフレーム構造に適用する実施形態を含むものである。
11…円筒パイプ
12…横ビード
13,14,15,16,17,18…接合部位
20…厚肉部
20A…第一厚肉部
20B…第二厚肉部
51…円筒パイプ
60…厚肉部
60A…第一厚肉部
60B…第二厚肉部
71…円筒パイプ
80…焼入れ部
91…円筒パイプ
100…鍛造部
111…円筒パイプ
120…ショットピーニング部
Claims (9)
- 軸方向に延びる円筒パイプを備える自動車のフレーム構造であって、
前記円筒パイプの先端周面に、座屈変形時の起点となる脆弱部を所定箇所に形成し、
該脆弱部の円筒パイプの軸方向の延長線上に、高強度部を形成した
自動車のフレーム構造。 - 前記高強度部を、座屈変形の変形周期単位に合わせた間隔で形成した
請求項1記載の自動車のフレーム構造。 - 軸方向に延びる複数の円筒パイプを備える自動車のフレーム構造であって、
前記複数の円筒パイプを、隣り合う円筒パイプ同士で結合して、
該各円筒パイプに、他の円筒パイプとの結合部を一箇所含んで120度間隔で、円筒パイプの軸方向の延長線上に高強度部を形成した
自動車のフレーム構造。 - 前記各円筒パイプの先端周面に、他の円筒パイプとの結合部を、一箇所含んで120度間隔で座屈変形時に起点となる脆弱部を形成し、
前記高強度部を、該脆弱部の円筒パイプの軸方向の延長線上で、且つ座屈変形の変形周期単位に合わせた間隔で形成した
請求項3記載の自動車のフレーム構造。 - 前記円筒パイプに、前記高強度部を形成した位置と径方向で対向する位置で、且つ座屈変形の変形周期単位の半周期ずれた位置に、第二の高強度部を形成した
請求項1〜4いずれか記載の自動車のフレーム構造。 - 前記高強度部を、板厚を厚くした厚肉部で構成した
請求項1〜5いずれか記載の自動車のフレーム構造。 - 前記高強度部を、加熱加工した焼入れ部で構成した
請求項1〜5いずれか記載の自動車のフレーム構造。 - 前記高強度部を、鍛造加工した鍛造部で構成した
請求項1〜5いずれか記載の自動車のフレーム構造。 - 前記高強度部を、ショットピーニング加工したショットピーニング部で構成した
請求項1〜5いずれか記載の自動車のフレーム構造。
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