JP2012046041A - 車両用フレーム構造 - Google Patents

Abstract

【課題】閉断面部材の断面崩れが生じることを抑制し、軽量化を図りつつ曲げ強度を向上させることができる車両用フレーム構造を提供する。
【解決手段】金属製の閉断面部材１０に樹脂製の補強部材２０を内蔵した車両用フレーム構造１において、閉断面部材は、第１面部１１ａ、第２面部１２ａ及び第３面部１１ｂを有し、補強部材は、第１面部に当接する荷重入力部と、荷重入力部に入力された荷重を、第３面部を押圧する方向の力と第２面部を押圧する方向の力に変換する荷重方向変換部と、荷重入力部より第２面部側において第３面部と第２面部に当接する押圧部とを有し、外部から所定以上の荷重が入力された場合に、荷重入力部を有する第１補強体３０と押圧部を有する第２補強体４０とに分割された状態で、第１補強体が第１面部から第２面部に向かう方向に移動し、第２補強体が第３面部及び第２面部を押圧する、ことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、自動車等の車両における車体の一部を構成する車両用フレームの構造に関し、より詳しく言えば、金属製の閉断面部材に該閉断面部材を補強するための樹脂製の補強部材が内蔵されてなる車両用フレーム構造に関する。

自動車等の車両における車体の一部を構成するサイドピラーやサイドシルなどの車両用フレーム（車体フレーム）には、車両衝突時における乗員の安全性を確保するため高強度及び高剛性が求められるとともに、燃費性能の向上を図るため軽量化が求められている。このため、車体フレームは、多くの場合、金属製の板状部材を閉断面状に形成した閉断面部材として構成されている。

また、金属製の閉断面部材に樹脂製の補強部材を内蔵させて該閉断面部材を補強するようにした車体フレームも一般に知られている。例えば特許文献１には、ピラーなどの中空構造物の中空部に樹脂製の補強部材を配設したものが開示されている。また、例えば特許文献２及び特許文献３には、金属製の閉断面部材に内蔵させる樹脂製の補強部材を複数の補強体によって構成したものが開示されている。

特開２００１−１９１９４９号公報 特開２００３−３１２４０４号公報 特開２００１−３１０７５９号公報

前記特許文献１から前記特許文献３に記載されるように、金属製の閉断面部材に樹脂製の補強部材を内蔵させることによって軽量化を図りつつ閉断面部材を補強することができるが、サイドピラーやサイドシルなどの車体フレームについては、更なる軽量化に対する改善が望まれている。その一方、車体フレームは、例えば車体側方からの衝突、所謂側突を受けた際に乗員の安全性を確保するため、車両の側突時に外部から曲げ荷重が作用しても曲げ変形しないように、車体フレームの曲げ強度を向上させることが求められている。

車体フレームとして多用されている略矩形状の閉断面部材において、外部から曲げ荷重が作用して曲げ変形される場合は、外部からの荷重が入力される第１面部が荷重の入力方向に沿って閉断面部材の内方側に押圧されることにより、第１面部と該第１面部に隣接する面部の間の稜線部が閉断面部材の内方側へ変形するとともに第１面部に隣接する面部が閉断面部材の内方側へ変形して座屈し、閉断面部材の断面崩れが生じて曲げ変形される。

図１０は、閉断面部材に外部から曲げ荷重が作用するときの変形挙動を説明するための説明図であり、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、曲げ荷重が作用する前後の状態を示している。また、図１１は、図１０における閉断面部材の長手方向中央部を示す断面図であり、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、曲げ荷重が作用する前後の状態を示している。

図１０（ａ）に示すように、第１面部２００ａと、第１面部２００ａと離間した状態で第１面部２００ａと平行に設けられる第２面部２００ｂと、第１面部２００ａに隣接する面部である第１面部２００ａと第２面部２００ｂとの間の第３面部２００ｃとを有する略断面矩形状の閉断面部材２００に、第２面部２００ｂの長手方向両端を支持した状態で第１面部２００ａの長手方向中央部に上方から圧子２０１を下降させ、外部から曲げ荷重Ｆを付加すると、図１０（ｂ）に示すように、閉断面部材２００は下側に凸状に湾曲して変形し、第１面部２００ａでは長手方向両端から圧縮方向に力が作用して圧縮応力が生じ、第２面部２００ｂでは長手方向両端から引張方向の力が作用して引張応力が生じ、閉断面部材２００の長手方向中央部から曲げ変形されることとなる。

閉断面部材２００の長手方向中央部では、第１面部２００ａが荷重Ｆの入力方向に沿って閉断面部材２００の内方側に押圧されることにより、第１面部２００ａと第３面部２００ｃとの間の角部である稜線部Ｐ１が、図１１（ｂ）に示すように、閉断面部材２００の内方側へ変形するとともに、第３面部２００ｃが閉断面部材２００の内方側へ変形して座屈し、閉断面部材２００の断面崩れが生じることとなる。

また、図１２は、閉断面部材に荷重を付加する圧子の下降ストロークと該荷重に対する反力の関係、及び圧子の下降ストロークとエネルギー吸収量の関係を示すグラフである。ここで、エネルギー吸収量ＥＡは、閉断面部材が曲げ変形することにより吸収できるエネルギーであり、荷重Ｆに対する反力Ｆ’と圧子の下降ストロークとの積で表されるものである。

図１２に示すように、圧子２０１が閉断面部材２００に接触した圧子２０１の下降ストロークがＳ０である状態から下降ストロークが大きくなるにつれて荷重Ｆに対する反力Ｆ’が大きくなり、反力Ｆ’が最大荷重Ｆ’ｍａｘとなる下降ストロークがＳ１である状態では、図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）に示すように、閉断面部材２００の断面崩れが生じて閉断面部材２００が曲げ変形される。そして、さらに下降ストロークが大きくなると、下降ストロークに伴って反力Ｆ’が小さくなり、閉断面部材２００はさらに曲げ変形されることとなる。

このようにして閉断面部材が曲げ変形されるときの変形挙動に基づいて、閉断面部材に外部から曲げ荷重が作用する場合に、第３面部が閉断面部材の内方側へ変形することを抑制し、第１面部と第３面部の間の稜線部から閉断面部材の断面崩れが生じることを抑制することができれば、閉断面部材の軽量化を図りつつ曲げ強度をさらに向上させることができると考えられる。

そこで、この発明は、金属製の閉断面部材に樹脂製の補強部材が内蔵されてなる車両用フレーム構造において、第１面部と第３面部の間の稜線部から閉断面部材の断面崩れが生じることを抑制し、軽量化を図りつつ曲げ強度を向上させることができる車両用フレーム構造を提供することを目的とする。

このため、本願の請求項１に係る発明は、金属製の閉断面部材に樹脂製の補強部材が内蔵されてなる車両用フレーム構造であって、前記閉断面部材は、外部から曲げ荷重が入力される際に、圧縮方向の力が作用する第１面部と、引張方向の力が作用する第２面部と、該第１面部と該第２面部との間の第３面部と、を有し、前記補強部材は、前記第１面部に当接し、前記第１面部を介して外部から荷重が入力される荷重入力部と、前記荷重入力部に入力された荷重を、前記第３面部を押圧する方向の力と前記第２面部を押圧する方向の力に変換する荷重方向変換部と、前記荷重入力部より第２面部側において前記第３面部と前記第２面部に当接し、前記荷重方向変換部によって変換された前記第３面部を押圧する方向の力と前記第２面部を押圧する方向の力とにより前記第３面部及び前記第２面部を押圧する押圧部と、を有し、前記荷重入力部に前記第１面部を介して外部から所定以上の荷重が入力された場合に、前記荷重方向変換部において前記荷重入力部を有する第１補強体と前記押圧部を有する第２補強体とに分割された状態で、前記第１補強体が前記第１面部から前記第２面部に向かう方向に移動し、前記第２補強体が前記第３面部及び前記第２面部を押圧する、ことを特徴としたものである。

また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記荷重方向変換部は、前記第１補強体と前記第２補強体の当接部分によって構成され、前記第１補強体の第２補強体との当接部分と前記第２補強体の第１補強体との当接部分の少なくとも一方の当接部分が傾斜面である、ことを特徴としたものである。

更に、本願の請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る発明において、前記押圧部は、前記第３面部と接合されている、ことを特徴としたものである。

また更に、本願の請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３の何れか１項に係る発明において、前記補強部材は、前記第１面部を介して外部から所定以上の荷重が入力された場合に、前記第１補強体が前記第１面部から前記第２面部に向かう方向に移動し、前記第１補強体の第１面部側の端面と前記第２補強体の第１面部側の端面とが略面一になる、ことを特徴としたものである。

本願の請求項１に係る車両用フレーム構造によれば、閉断面部材に内蔵した補強部材は、閉断面部材の第１面部に当接する荷重入力部と、荷重入力部に入力された荷重を、第３面部を押圧する方向の力と第２面部を押圧する方向の力に変換する荷重方向変換部と、荷重入力部より閉断面部材の第２面部側において閉断面部材の第３面部と第２面部に当接する押圧部とを有し、外部から所定以上の荷重が入力された場合に、前記荷重方向変換部において荷重入力部を有する第１補強体と押圧部を有する第２補強体とに分割された状態で、第１補強体が第１面部から第２面部に向かう方向に移動し、第２補強体が第３面部及び第２面部を押圧する。

これにより、閉断面部材に外部から曲げ荷重が入力される際に、補強部材は、荷重入力部に入力された荷重から第３面部を押圧する方向の力を生じさせて第３面部を外方側へ押圧することができるので、第３面部が内方側へ変形することを抑制することができるとともに第１面部を第３面部側に引っ張ることができ、第１面部と第３面部の間の稜線部から閉断面部材の断面崩れが生じることを抑制し、軽量化を図りつつ曲げ強度を向上させることができる。

また、本願の請求項２に係る発明によれば、荷重方向変換部は、第１補強体と第２補強体の当接部分によって構成され、第１補強体の第２補強体との当接部分と第２補強体の第１補強体との当接部分の少なくとも一方の当接部分が傾斜面であるので、比較的簡単な構造によって、前記効果をより具体的に実現することができる。

更に、本願の請求項３に係る発明によれば、押圧部は、第３面部と接合されていることにより、車両用フレーム構造全体の剛性を高めることができるとともに押圧部によって第３面部を確実に押圧することができ、前記効果を有効に奏することができる。

また更に、本願の請求項４に係る発明によれば、補強部材は、第１面部を介して外部から所定以上の荷重が入力された場合に、第１補強体が第１面部から第２面部に向かう方向に移動し、第１補強体の第１面部側の端面と第２補強体の第１面部側の端面とが略面一になることにより、補強部材に入力される荷重を、第１補強体の第１面部側の端面に加えて第２補強体の第１面部側の端面にも入力させることができるので、第１面部が閉断面部材の内方側へ変形することを抑制することができ、前記効果をより有効に奏することができる。

本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームを示す図である。 図１におけるＹ２ａ−Ｙ２ａ線及びＹ２ｂ−Ｙ２ｂ線に沿った車体フレームの断面図である。 前記車体フレームに用いられる第１補強体の要部を示す斜視図である。 前記車体フレームに用いられる第２補強体の要部を示す斜視図である。 前記車体フレームに外部から曲げ荷重が作用するときの状態を説明するための説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームを示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームを示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームに用いられる第２補強体を示す図である。 前記車体フレームに外部から曲げ荷重が作用するときの状態を説明するための説明図である。 閉断面部材に外部から曲げ荷重が作用するときの変形挙動を説明するための説明図である。 図１０における閉断面部材の長手方向中央部を示す断面図である。 閉断面部材に荷重を付加する圧子の下降ストロークと該荷重に対する反力の関係、及び圧子の下降ストロークとエネルギー吸収量の関係を示すグラフである。 比較例として用いる車体フレームを説明するための説明図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「右」、「左」およびそれらの用語を含む別の用語など特定の方向を意味する用語を使用するが、それらの使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームを示す図であり、図１（ａ）は、前記車体フレームの斜視図、図１（ｂ）は、前記車体フレームの正面図である。また、図２は、図１におけるＹ２ａ−Ｙ２ａ線及びＹ２ｂ−Ｙ２ｂ線に沿った車体フレームの断面図であり、図２（ａ）は、Ｙ２ａ−Ｙ２ａ線に沿った車体フレームの断面図、図２（ｂ）は、Ｙ２ｂ−Ｙ２ｂ線に沿った車体フレームの断面図である。なお、図１（ａ）では、フレーム本体に内蔵した補強部材を明瞭に図示するため、フレーム本体を一点鎖線で示し、これを透過状態で示している。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレーム１は、閉断面部材としてのフレーム本体１０と、フレーム本体１０の長手方向に沿ってフレーム本体１０の内部に取り付けられる補強部材２０と、を有している。

フレーム本体１０は、鋼板などの金属製の板状素材を断面ハット状にプレス加工して得られる第１の板状部材１１と、鋼板などの金属製の板状素材でなる第２の板状部材１２とから構成されている。第１の板状部材１１は、略平面状に形成される底面部１１ａと、底面部１１ａの両側において略垂直方向に延びる側面部１１ｂと、側面部１１ｂから略直角方向に外側に延びるフランジ部１１ｃとを備えている。一方、第２の板状部材１２は、略平面状に形成される平面部１２ａを備えている。そして、第１の板状部材１１のフランジ部１１ｃを第２の板状部材１２の平面部１２ａに当接させてスポット溶接で接合することにより、フレーム本体１０が略矩形閉断面状に形成されている。

本実施形態に係る車体フレーム１は、外部から曲げ荷重が作用することが想定される方向にフレーム本体１０の第１の板状部材１１の底面部１１ａが対向するように配置される。これにより、フレーム本体１０に外部から曲げ荷重が作用する時には、第１の板状部材１１の底面部１１ａに圧縮方向の力が作用して圧縮応力が生じ、第２の板状部材１２の平面部１２ａに引張方向の力が作用して引張応力が生じることとなる。

なお、以下では、フレーム本体１０について、外部から曲げ荷重が入力される際に、圧縮方向の力が作用する第１の板状部材１１の底面部１１ａを第１面部として表し、引張方向の力が作用する第２の板状部材１２の平面部１２ａを第２面部として表し、該底面部１１ａと該平面部１２ａとの間の第１の板状部材１１の側面部１１ｂを第３面部として表す。

フレーム本体１０を補強するためにフレーム本体１０に内蔵させる補強部材２０は、１つの第１補強体３０と、該第１補強体３０と当接して配設される２つの第２補強体４０とから構成されており、第１補強体３０と２つの第２補強体４０はそれぞれ、樹脂材料を用いて射出成形等によって成形して得ることができる。

第１補強体３０は、フレーム本体１０の長手方向に沿って延びる２つの傾斜面３１を備えており、２つの傾斜面３１は、フレーム本体１０の長手方向と直交する方向において略同一長さを有し、フレーム本体１０の長手方向と直交する方向に所定角度をなして断面Ｖ字状に形成されている。

図３は、前記車体フレームに用いられる第１補強体の要部を示す斜視図である。図３に示すように、第１補強体３０はまた、断面Ｖ字状に形成された２つの傾斜面３１の間に２つの傾斜面３１に直交する方向に延びる複数の三角形状のリブ３２を備えている。リブ３２は、２つの傾斜面３１の間に形成される空間３３をフレーム本体１０の長手方向と直交する方向に区画するように設けられ、２つの傾斜面３１の上面３１ａとリブ３２の上面３２ａとが略面一になるように形成されている。

一方、第１補強体３０と当接して配設される２つの補強体４０は、同一形状に形成され、図１及び図２に示すように、フレーム本体１０の長手方向と直交する方向に左右対称に配置されている。２つの第２補強体４０はそれぞれ、第１補強体３０の傾斜面３１と当接する傾斜面４１を備え、２つの第２補強体４０の傾斜面４１のなす角度と第１補強体３０の２つの傾斜面３１のなす角度とは略同一に形成されている。

図４は、前記車体フレームに用いられる第２補強体の要部を示す斜視図であり、図１及び図２（ａ）において、フレーム本体１０内の左側に配置される第２補強体４０の要部を示している。図４に示すように、第２補強体４０は、略平面状に形成される上面４２と、上面４２から略直角方向に延びる側面４３、４４とを備えている。フレーム本体１０内の外方側に配置される外側側面４３とフレーム本体１０内の内方側に配置される内側側面４４が平行に設けられ、傾斜面４１は、上面４２から内側側面４４に向けて下側に傾斜して延び、内側側面４４に接続されている。

また、第２補強体４０は、上面４２から略直角方向に延び、格子状に配設された板状のリブ４５を有している。リブ４５は、その先端部が、両側の側面４３、４４と略面一になるように形成されている。本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、格子状のリブ４５によって形成される開口部４６が略正方形状に形成されているが、開口部４６をその他の四角形状や三角形状、六角形状又は八角形状などその他の形状に形成することも可能である。

車体フレーム１では、第１補強体３０と２つの第２補強体４０は、図１及び図２に示すように、第１補強体３０の２つの傾斜面３１がそれぞれ２つの第２補強体４０の傾斜面４１に当接するとともに、第１補強体３０の２つの傾斜面３１の上面３１ａとリブ３２の上面３２ａがフレーム本体１０の第１面部１１ａに当接し、かつ、第２補強体４０の外側側面４３がフレーム本体１０の第３面部１１ｂに当接するようにしてフレーム本体１０内に配設される。

また、２つの第２の補強体４０はそれぞれ、上面４２から延びるリブ４５の先端部と両側の側面４３、４４の上面４２とは反対側の端部とがフレーム本体１０の第２面部１２ａと当接するとともに、第２補強体４０の上面４２がフレーム本体１０の第１面部１１ａから所定距離離間するようにして配設される。２つの第２補強体４０はまた、内側側面４３がともに当接するように配設されている。

このようにして構成される車体フレーム１は、前述したように、荷重が作用することが想定される方向に第１面部１１ａが対向するように配置され、これにより、外部から荷重が作用する時には、第１面部１１ａに圧縮方向の力が作用して圧縮応力が生じ、第２面部１２ａに引張方向の力が作用して引張応力が生じることとなる。

図５は、前記車体フレームに外部から曲げ荷重が作用するときの状態を説明するための説明図であり、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、曲げ荷重が作用する前後の状態を示している。図５（ａ）に示すように、フレーム本体１０に補強部材２０としての第１補強体３０と２つの第２補強体４０とを内蔵させた車体フレーム１に、図５（ｂ）に示すように、フレーム本体１０に外部から曲げ荷重が作用し、第１面部１１ａを介して第２補強体４０に外部から所定以上の荷重Ｆ２が作用すると、第１面部１１ａが車体フレーム１０の内方側へ移動されるとともに第１補強体３０が第１面部１１ａから第２面部１２ａに向かう方向に移動される。

第１補強体３０は、２つの傾斜面３１の上面３１ａとリブ３２の上面３２ａがフレーム本体１０の第１面部１１ａに当接して配設されているので、第１補強体３０の第１面部１１ａ側の端面３１ａ、３２ａから荷重Ｆ２が入力され、該荷重Ｆ２によって第１面部１１ａから第２面部１２ａに向かう方向に移動される。

第１補強体３０が移動される際には、第１補強体３０の傾斜面３１と第２補強体４０の傾斜面４１とが荷重Ｆ２の入力方向と所定角度傾斜した状態で当接しているので、第１補強体３０の移動に伴って第２補強体４０が移動され、第１補強体３０に入力された荷重Ｆ２は、第１補強体３０の傾斜面３１と第２補強体４０の傾斜面４１とによって第３面部１１ｂを押圧する方向の力Ｆ３３と第２面部１２ａを押圧する方向の力Ｆ３２とに変換された状態で第２補強体４０に伝達される。なお、第２補強体４０に伝達される力Ｆ３は、第３面部１１ｂを押圧する方向の力Ｆ３３と第２面部１２ａを押圧する方向の力Ｆ３２とを合成したものである。

そして、第２補強体４０は、第１面部１１ａから第２面部１２ａに向かう方向における第１補強体３０の移動に伴って、フレーム本体１０の外方側、具体的には第３面部１１ｂ側に移動され、第３面部１１ｂを押圧する方向の力Ｆ３３によって外側側面４３が第３面部１１ｂをフレーム本体１０の外方側へ押圧する。また、第２補強体４０は、第２面部１２ａを押圧する方向の力Ｆ３２によってリブ４５の先端部と両側の側面４３、４４の上面４２とは反対側の端部とが第２面部１２ａをフレーム本体１０の外方側に押圧する。

このように、補強部材２０では、第１補強体３０の第１面部１１ａ側の端面３１ａ、３２ａに入力された荷重から第３面部１１ｂを押圧する方向の力を生じさせて該第３面部１１ｂを外方側へ押圧するので、フレーム本体１０に外部から曲げ荷重が入力される際に、第３面部１１ｂが内方側へ変形することを抑制することができるとともに第１面部１１ａを第３面部１１ｂ側に引っ張ることができ、第１面部１１ａと第３面部１１ｂとの間の角部である稜線部１０ａからフレーム本体１０の断面崩れが生じることを抑制することができる。

本実施形態では、第１補強体３０の第１面部１１ａ側の端面３１ａ、３２ａと第２補強体４０の第１面部１１ａ側の端面４２がフレーム本体１０の第１面部１１ａと略平行に設けられ、第１補強体３０の端面３１ａ、３２ａが第２補強体４０の端面４２より第１面部１１ａ側に突出した状態で配設されているので、第１補強体３０が第１面部１１ａから第２面部１２ａに向かう方向に移動されると、第２補強体４０が第３面部１１ｂ側に移動され、第１補強体３０の端面３１ａ、３２ａと第２補強体４０の端面４２が略面一になるように移動される。

第１補強体３０の端面３１ａ、３２ａと第２補強体４０の端面４２とが略面一になると、補強部材２０に入力される荷重を、第１補強体３０の端面３１ａ、３２ａに加えて第２補強体４０の端面４２にも入力させることができるので、外部から曲げ荷重が入力される第１面部１１ａがフレーム本体１０の内方側へ変形することを抑制することができる。

このように、本発明の第１の実施形態に係る車体フレーム構造では、フレーム本体１０に内蔵した補強部材２０は、第１補強体３０と第２補強体４０によって構成され、第１面部１１ａに当接し、該第１面部１１ａを介して外部から荷重が入力される荷重入力部２１と、荷重入力部２１に入力された荷重Ｆ２を、第３面部１１ｂを押圧する方向の力Ｆ３３と第２面部１２ａを押圧する方向の力Ｆ３３に変換する荷重方向変換部２２と、荷重入力部２１より第２面部１２ａ側において第３面部１１ｂと第２面部１２ａに当接し、荷重方向変換部２２によって変換された第３面部１１ｂを押圧する方向の力Ｆ３３と第２面部１２ａを押圧する方向の力Ｆ３３によって第３面部１１ｂ及び第２面部１２ａを押圧する押圧部２３と、を有している。

なお、荷重入力部２１は、第１補強体３０の２つの傾斜面３１の上面３１ａとリブ３２の上面３２ａとによって構成され、荷重方向変換部２２は、第１補強体３０の第２補強体４０との当接部分である傾斜面３１と第２補強体４０の第１補強体３０との当接部分である傾斜面４１とによって構成され、押圧部２３は、第２補強体４０の外側側面４３と、リブ４５の先端部と両側の側面４３、４４の上面４２とは反対側の端部とによって構成されている。

そして、フレーム本体１０に曲げ荷重が入力され、荷重入力部２１に第１面部１１ａを介して外部から所定以上の荷重Ｆ２が入力された場合は、荷重方向変換部２２、具体的には第１補強体３０の傾斜面３１と第２補強体４０の傾斜面４１において荷重入力部２１を有する第１補強体３０と押圧部２３を有する第２補強体４０とに分割された状態で、第１補強体３０が第１面部１１ａから第２面部１２ａに向かう方向に移動し、第２補強体４０が第３面部１１ｂ及び第２面部１２ａを押圧する。

これにより、フレーム本体１０に外部から曲げ荷重が入力される際に、補強部材２０は、荷重入力部２１に入力された荷重から第３面部１１ｂを押圧する方向の力を生じさせて第３面部１１ｂを外方側へ押圧することができるので、第３面部１１ｂが内方側へ変形することを抑制することができるとともに第１面部１１ａを第３面部１１ｂ側に引っ張ることができ、第１面部１１ａと第３面部１１ｂとの間の稜線部１０ａからフレーム本体１０の断面崩れが生じることを抑制し、軽量化を図りつつ曲げ強度を向上させることができる。

また、補強部材２０に外部から所定以上の荷重が入力された場合に、第１補強体３０が第１面部１１ａから第２面部１２ａに向かう方向に移動可能であれば、第１補強体３０と第２補強体４０の当接部分である第１補強体３０の傾斜面３１と第２補強体４０の傾斜面４１とをフレーム本体１０に内蔵する前に接着剤等を用いて接着するようにしてもよい。これにより、フレーム本体１０内への補強部材２０の組付けを容易に行うことができる。

本実施形態では、フレーム本体１０の第３面部１１ｂと押圧部２３を構成する第２補強体４０の外側側面４４とを当接させるようにしているが、フレーム本体１０の第３面部１１ｂと第２補強体４０の外側側面４３とを接合させるようにしてもよい。かかる場合には、車体フレーム１全体の剛性を高めることができるとともに押圧部２３によって第３面部１１ｂを確実に押圧することができる。

前述した第１の実施形態では、補強部材２０を構成する第１補強体３０と２つの第２補強体４０とは、第１補強体３０の傾斜面３１と第２補強体４０の傾斜面４１とが当接して配設されているが、第１補強体３０と２つの第２補強体４０との当接部分の一方のみを傾斜面とするようにしてもよい。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームを示す図であり、前記車体フレームの正面図を示している。また、図６では、前記車体フレームの断面形状を破線で示している。なお、第２の実施形態において、第１の実施形態と同様の構成を備え、同様の作用をなすものについては同一符号を付して説明を省略する。

図６に示すように、第２の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレーム５１では、補強部材６０は、第１補強体７０と２つの第２補強体４０とから構成されているが、第１補強体７０は、底面７１と該底面７１から略直角方向に延びる両側の側面７２とを有するように形成されている。

また、第１補強体７０は、底面７１と両側の側面７２との間に、底面７１と両側の側面７２に直交する方向に延びる複数の矩形状のリブ７３を備え、該リブ７３は、底面７１と両側の側面７２との間に形成される空間をフレーム本体１０の長手方向と直交する方向に区画するように設けられ、側面７１の上面とリブ７３の上面とが略面一になるように形成されている。

車体フレーム５１においても、第１補強体７０の底面７１と両側の側面７２との間の角部７４がそれぞれ第２補強体４０の傾斜面４１に当接するとともに、第１補強体７０の両側の側面７２の上面とリブ７３の上面がフレーム本体１０の第１面部１１ａに当接し、かつ、第２補強体４０の外側側面４３がフレーム本体１０の第３面部１１ｂに当接するようにしてフレーム本体１０内に配設される。また、第２の補強体４０は、リブ４５の先端部と両側の側面４３、４４の上面４２とは反対側の端部とがフレーム本体１０の第２面部１２ａと当接するとともに、上面４２がフレーム本体１０の第１面部１１ａから所定距離離間するようにして配設される。

このようにして、本発明の第２の実施形態に係る車体フレーム構造においても、フレーム本体１０に内蔵した補強部材６０は、第１面部１１ａに当接し、該第１面部１１ａを介して外部から荷重が入力される荷重入力部６１と、荷重入力部６１に入力された荷重を、第３面部１１ｂを押圧する方向の力と第２面部１２ａを押圧する方向の力に変換する荷重方向変換部６２と、荷重入力部６１より第２面部１２ａ側において第３面部１１ｂと第２面部１２ａに当接し、荷重方向変換部６２によって変換された第３面部１１ｂを押圧する方向の力と第２面部１２ａを押圧する方向の力によって第３面部１１ｂ及び第２面部１２ａを押圧する押圧部６３と、を有している。

なお、荷重入力部６１は、第１補強体７０の両側の側面７２の上面とリブ７３の上面とによって構成され、荷重方向変換部６２は、第１補強体７０の第２補強体４０との当接部分である角部７４と第２補強体４０の第１補強体７０との当接部分である傾斜面４１とによって構成され、押圧部６３は、第２補強体４０の外側側面４３と、リブ４５の先端部と両側の側面４３、４４の上面４２とは反対側の端部とによって構成されている。

これにより、車体フレーム５１においても、フレーム本体１０に外部から曲げ荷重が入力される際に、補強部材６０は、荷重入力部６１に入力された荷重から第３面部１１ｂを押圧する方向の力を生じさせて第３面部１１ｂを外方側へ押圧することができるので、第３面部１１ｂが内方側へ変形することを抑制することができるとともに第１面部１１ａを第３面部１１ｂ側に引っ張ることができ、第１面部１１ａと第３面部１１ｂとの間の稜線部１０ａからフレーム本体１０の断面崩れが生じることを抑制することができる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームを示す図であり、前記車体フレームの正面図を示している。また、図７では、前記車体フレームの断面形状を破線で示している。なお、第３の実施形態において、第１の実施形態と同様の構成を備え、同様の作用をなすものについては同一符号を付して説明を省略する。

図７に示すように、第３の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレーム８１では、補強部材９０は、第１補強体３０と２つの第２補強体１００とから構成されている。第２補強体１００は、略平面状に形成される上面１０２と、上面１０２から略直角方向に延びるフレーム本体１０内の外方側に配置される外側側面１０３とフレーム本体１０内の内方側に配置される内側側面１０４と備えているが、上面１０２と内側側面１０４との間に傾斜面が設けられていない。

また、第２補強体１００は、上面１０２から略直角方向に延び、格子状に配設された板状のリブ１０５を有している。リブ１０５は、その先端部が、両側の側面１０３、１０４と略面一になるように形成され、格子状のリブ１０５によって四角形状の開口部１０６が形成されている。

車体フレーム８１においても、第１補強体３０の２つの傾斜面３１が第２補強体１００の上面１０２と内側側面１０４との間の角部１０７に当接するとともに、第１補強体３０の傾斜面３１の上面３１ａとリブ３２の上面３２ａがフレーム本体１０の第１面部１１ａに当接し、かつ、第２補強体１００の外側側面１０３がフレーム本体１０の第３面部１１ｂに当接するようにしてフレーム本体１０内に配設される。また、第２の補強体１００は、リブ１０５の先端部と両側の側面１０３、１０４の上面１０２とは反対側の端部とがフレーム本体１０の第２面部１２ａと当接するとともに、上面１０２がフレーム本体１０の第１面部１１ａから所定距離離間するようにして配設される。

このようにして、本発明の第３の実施形態に係る車体フレーム構造においても、フレーム本体１０に内蔵した補強部材９０は、第１面部１１ａに当接し、該第１面部１１ａを介して外部から荷重が入力される荷重入力部９１と、荷重入力部９１に入力された荷重を、第３面部１１ｂを押圧する方向の力と第２面部１２ａを押圧する方向の力に変換する荷重方向変換部９２と、荷重入力部９１より第２面部１２ａ側において第３面部１１ｂと第２面部１２ａに当接し、荷重方向変換部９２によって変換された第３面部１１ｂを押圧する方向の力と第２面部１２ａを押圧する方向の力によって第３面部１１ｂ及び第２面部１２ａを押圧する押圧部９３と、を有している。

なお、荷重入力部９１は、第１補強体３０の２つの傾斜面３１の上面３１ａとリブ３２の上面３２ａとによって構成され、荷重方向変換部９２は、第１補強体３０の第２補強体４０との当接部分である傾斜面３１と第２補強体１００の第１補強体３０との当接部分である上面１０２と内側側面１０４との間の角部１０７とによって構成され、押圧部６３は、第２補強体１００の外側側面１０３と、リブ１０５の先端部と両側の側面１０３、１０４の上面１０２とは反対側の端部とによって構成されている。

これにより、車体フレーム８１においても、フレーム本体１０に外部から曲げ荷重が入力される際に、補強部材９０は、荷重入力部９１に入力された荷重から第３面部１１ｂを押圧する方向の力を生じさせて第３面部１１ｂを外方側へ押圧することができるので、第３面部１１ｂが内方側へ変形することを抑制することができるとともに第１面部１１ａを第３面部１１ｂ側に引っ張ることができ、第１面部１１ａと第３面部１１ｂとの稜線部１０ａからフレーム本体１０の断面崩れが生じることを抑制することができる。

前述した第１の実施形態から第３の実施形態に係る車体フレーム構造を適用した車体フレーム１、５１、８１では、補強部材を構成する第２補強体として２つの第２補強体を用いているが、１つの第２補強体を用い、該第２補強体に所定以上の荷重が入力された場合に分割するように構成することも可能である。

図８は、本発明の第４の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームに用いる第２補強体を示す図であり、図８（ａ）は、第２補強体の要部を示す断面斜視図、図８（ｂ）は、第２補強体の底面図である。また、図９は、前記車体フレームに外部から曲げ荷重が作用するときの状態を説明するための説明図であり、図９（ａ）及び図９（ｂ）は、曲げ荷重が作用する前後の状態を示している。なお、第４の実施形態において、第１の実施形態と同様の構成を備え、同様の作用をなすものについては同一符号を付して説明を省略する。

第４の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレーム１１１では、補強部材１２０は、第１補強体３０と第２補強体１３０とから構成されているが、第２補強体１３０は、所定以上の荷重が入力される場合に２つに分割される１つの第２補強体から構成されている。

図８に示すように、第２補強体１３０は、略平面状に形成される上面１３２と、上面１３２から略直角方向に延びるフレーム本体１０内の外方側に配置される両側の側面１３３とを備えている。また、第２補強体１３０には、上面１３２に２つの傾斜面１３４によって断面Ｖ字状に窪んで形成される凹部１３５が形成され、２つの傾斜面１３４は、該２つの傾斜面１３４を接続する谷部１３６が両側の側面１３３と直交する方向において両側の側面１３３の間の略中央部になるように形成されている。なお、第２補強体１３０の２つの傾斜面１３４のなす角度は、第１補強体３０の２つの傾斜面３１のなす角度と略同一に形成されている。

第２補強体１３０はまた、上面１３２から略直角方向に延びる格子状に配設された板状のリブ１３７を有し、リブ１３７は、その先端部が、両側の側面１３３と略面一になるように形成されている。格子状に配設されたリブ１３７は、両側の側面１３３に沿って平行に延びる複数の縦リブ１３７ａと両側の側面１３３と直交する方向に延びる複数の横リブ１３７ｂとを有している。

第２補強体１３０では、複数の縦リブ１３７ａ及び複数の横リブ１３７ｂはそれぞれ平行に設けられている。縦リブ１３７ａと横リブ１３７ｂとは、互いに直角に結合され、縦リブ１３７ａは、両側の側面１３３と直交する方向において両側の側面１３３の間の略中央部に対して対称に設けられているが、両側の側面１３３の間の略中央部には設けられていない。すなわち、２つの傾斜面１３４を接続する谷部１３６から延びる縦リブは設けられていない。

これにより、第２補強体１３０では、図８（ｂ）に示すように、縦リブ１３７ａと横リブ１３７ｂとによって四角形状の開口部１３８が形成されているが、両側の側面１３３に直交する方向において両側の側面１３３の間の略中央部では略矩形状の開口部１３８が形成され、両側の側面１３３側では略正方形状の開口部１３８が形成されている。

第２補強体１３０はまた、樹脂材料を用いて射出成形によって成形されており、該射出成形時には、第２補強体１３０を成形するための成形キャビティに、両側の側面１３３に対応する部分から左右対称に樹脂材料が流れ込むようにゲートを形成した成形型を用いて成形される。

これにより、第２補強体１３０では、樹脂材料の流れが合流するウェルドラインが、図８において破線で示すように、両側の側面１３３と直交する方向の両側の側面１３３の間の略中央部における２つの傾斜面１３４の谷部１３６と横リブ１３７ｂに形成される。このようにして、第２補強体１３０では、両側の側面１３３と直交する方向における両側の側面１３３の間の略中央部に他の部分に比して脆弱な脆弱部１３９が形成される。

車体フレーム１１１においても、図９（ａ）に示すように、第１補強体３０の２つの傾斜面３１がそれぞれ第２補強体１３０の傾斜面１３４に当接するとともに、第１補強体３０の傾斜面３１の上面３１ａとリブ３２の上面３２ａがフレーム本体１０の第１面部１１ａに当接し、かつ、第２補強体１３０の外側側面１３３がフレーム本体１０の第３面部１１ｂに当接するようにしてフレーム本体１０内に配設される。また、第２の補強体１３０は、リブ１３７の先端部と両側の側面１３３の上面１３２とは反対側の端部とがフレーム本体１０の第２面部１２ａと当接するとともに、上面１３２がフレーム本体１０の第１面部１１ａから所定距離離間するようにして配設される。

このようにして、本発明の第４の実施形態に係る車体フレーム構造においても、フレーム本体１０に内蔵した補強部材１２０は、第１面部１１ａに当接し、該第１面部１１ａを介して外部から荷重が入力される荷重入力部１２１と、荷重入力部１２１に入力された荷重Ｆ２を、第３面部１１ｂを押圧する方向の力Ｆ３３と第２面部１２ａを押圧する方向の力Ｆ３３に変換する荷重方向変換部１２２と、荷重入力部１２１より第２面部１２ａ側において第３面部１１ｂと第２面部１２ａに当接し、荷重方向変換部１２２によって変換された第３面部１１ｂを押圧する方向の力Ｆ３３と第２面部１２ａを押圧する方向の力Ｆ３３によって第３面部１１ｂ及び第２面部１２ａを押圧する押圧部１２３と、を有している。

なお、荷重入力部１２１は、第１補強体３０の２つの傾斜面３１の上面３１ａとリブ３２の上面３２ａとによって構成され、荷重方向変換部１２２は、第１補強体３０の第２補強体４０との当接部分である傾斜面３１と第２補強体１３０の第１補強体３０との当接部分である傾斜面１３４とによって構成され、押圧部１２３は、第２補強体１３０の外側側面１３３と、リブ１３７の先端部と両側の側面１３３の上面１３２とは反対側の端部とによって構成されている。

そして、フレーム本体１０に曲げ荷重が入力され、荷重入力部１２２に第１面部１１ａを介して外部から所定以上の荷重Ｆ２が入力された場合は、図９（ｂ）に示すように、第２補強体１３０は脆弱部１３９によって２つに分割され、荷重入力部１２２を有する第１補強体３０と押圧部１２３を有する２つの第２補強体１３０の分割体１３０ａとに分割された状態で、第１補強体３０が第１面部１１ａから第２面部１２ａに向かう方向に移動し、第２補強体１３０の２つの分割体１３０ａがそれぞれ第３面部１１ｂ及び第２面部１２ａを押圧する。

これにより、フレーム本体１０に外部から曲げ荷重が入力される際に、補強部材１２０は、荷重入力部１２１に入力された荷重から第３面部１１ｂを押圧する方向の力を生じさせて第３面部１１ｂを外方側へ押圧することができるので、第３面部１１ｂが内方側へ変形することを抑制することができるとともに第１面部１１ａを第３面部１１ｂ側に引っ張ることができ、第１面部１１ａと第３面部１１ｂとの稜線部１０ａからフレーム本体１０の断面崩れが生じることを抑制することができる。

本実施形態ではまた、第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレーム１を実施例として、車体フレーム１に外部から曲げ荷重を作用して曲げ変形する際の変形挙動をシミュレーション解析し、車体フレーム１が曲げ変形するときの最大荷重とエネルギー吸収量を調べた。

また、比較例として、フレーム本体１０のみからなる車体フレーム（比較例１）と、フレーム本体１０に、フレーム本体１０の第１面部１１ａに沿って配設される上面と、該上面から略直角方向にフレーム本体１０の第３面部１１ｂに沿って延びる両側の側面と、該上面から略直角方向に延び格子状に配設された板状のリブとを有する補強部材を内蔵させた車体フレーム（比較例２）についても同様に、車体フレームが曲げ変形するときの最大荷重とエネルギー吸収量を調べた。

図１３は、比較例として用いる車体フレームを説明するための説明図であり、図１３（ａ）は、比較例２として用いる車体フレームの斜視図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）におけるＹ１３ｂ−Ｙ１３ｂ線に沿った車体フレームの断面図である。なお、図１３（ａ）では、フレーム本体に内蔵した補強部材を明瞭に図示するため、フレーム本体を一点鎖線で示し、これを透過状態で示している。

図１３に示すように、フレーム本体１０の第１面部１１ａに沿って配設される上面２２１と、上面２２１から略直角方向にフレーム本体１０の第３面部１１ｂに沿って延びる両側の側面２２２と、上面２２１から略直角方向に延び格子状に配設された板状のリブ２２３とを有し、リブ２２３によって正方形状の開口部２２４が形成されるとともに、リブ２２３の先端部がフレーム本体１０の第２面部１２ａと当接して両側の側面２２２と略面一になるように形成された補強部材２２０をフレーム本体１０に内蔵させた車体フレーム２１１を比較例２として用いた。

これら実施例、比較例１、比較例２の車体フレームが曲げ変形するときの最大荷重とエネルギー吸収量を調べ、車体フレームの重量に対する最大荷重の割合である最大荷重の重量効率と、車体フレームの重量に対するエネルギー吸収量の割合であるエネルギー吸収量の重量効率との解析結果を以下の表１に示す。なお、表１では、比較例１の最大荷重の重量効率とエネルギー吸収量の重量効率を基準とし、実施例及び比較例２は、比較例１に対する割合として示している。

表１に示されるように、実施例では、比較例１に対する最大荷重の重量効率が２．７であり、比較例１に対するエネルギー吸収量の重量効率が１．９であり、比較例１及び比較例２に比して最大荷重の重量効率とエネルギー吸収量の重量効率とが大きくなっている。この表１から明らかなように、本発明の実施形態に係る車体フレームでは、重量の増加を抑制しつつ車体フレームの曲げ強度を向上させることができる。

本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明は、金属製の閉断面部材に樹脂製の補強部材が内蔵されてなる車両用フレーム構造において、閉断面部材の断面崩れが生じることを抑制し、軽量化を図りつつ曲げ強度を向上させることができる車両用フレーム構造を提供することができ、例えばサイドピラーやサイドシルなどの車体の一部を構成する車体フレームに広く利用される可能性がある。

１、５１、８１、１１１ 車体フレーム
１０ フレーム本体
１１ 第１の板状部材
１１ａ 第１の板状部材の底面部（第１面部）
１１ｂ 第１の板状部材の側面部（第３面部）
１２ 第２の板状部材
１２ａ 第２の板状部材の平面部（第２面部）
２０、６０、９０、１２０ 補強部材
２１、６１、９１、１２１ 荷重入力部
２２、６２、９２、１２２ 荷重方向変換部
２３、６３、９３、１２３ 押圧部
３０、７０ 第１補強体
３１ 第１補強体の傾斜面
４０、１００、１３０ 第２補強体
４１、１３４ 第２補強体の傾斜面

Claims (4)

1. 金属製の閉断面部材に樹脂製の補強部材が内蔵されてなる車両用フレーム構造であって、
   前記閉断面部材は、外部から曲げ荷重が入力される際に、圧縮方向の力が作用する第１面部と、引張方向の力が作用する第２面部と、該第１面部と該第２面部との間の第３面部と、を有し、
   前記補強部材は、前記第１面部に当接し、前記第１面部を介して外部から荷重が入力される荷重入力部と、前記荷重入力部に入力された荷重を、前記第３面部を押圧する方向の力と前記第２面部を押圧する方向の力に変換する荷重方向変換部と、前記荷重入力部より第２面部側において前記第３面部と前記第２面部に当接し、前記荷重方向変換部によって変換された前記第３面部を押圧する方向の力と前記第２面部を押圧する方向の力とにより前記第３面部及び前記第２面部を押圧する押圧部と、を有し、
   前記荷重入力部に前記第１面部を介して外部から所定以上の荷重が入力された場合に、前記荷重方向変換部において前記荷重入力部を有する第１補強体と前記押圧部を有する第２補強体とに分割された状態で、前記第１補強体が前記第１面部から前記第２面部に向かう方向に移動し、前記第２補強体が前記第３面部及び前記第２面部を押圧する、
   ことを特徴とする車両用フレーム構造。
2. 前記荷重方向変換部は、前記第１補強体と前記第２補強体の当接部分によって構成され、
   前記第１補強体の第２補強体との当接部分と前記第２補強体の第１補強体との当接部分の少なくとも一方の当接部分が傾斜面である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用フレーム構造。
3. 前記押圧部は、前記第３面部と接合されている、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両用フレーム。
4. 前記補強部材は、前記第１面部を介して外部から所定以上の荷重が入力された場合に、前記第１補強体が前記第１面部から前記第２面部に向かう方向に移動し、前記第１補強体の第１面部側の端面と前記第２補強体の第１面部側の端面とが略面一になる、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の車両用フレーム構造。

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