JP2015199405A - 車両用フレーム構造 - Google Patents
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Description
フレームの長手方向全体を軸圧縮で圧壊させて圧縮変形させることによって、高い値の衝撃エネルギ吸収量を安定的に維持できるため、圧縮変形を用いたエネルギ吸収機構は衝撃エネルギ吸収性能の面で優れていることが知られている。
そこで、フロントサイドフレームの先端部分に軸圧縮(圧縮変形)可能なクラッシュカンを設け、フロントサイドフレームの中間部から後端部に亙って積極的に折れ変形可能な複数の衝撃吸収機構を採用することにより衝撃エネルギ吸収量を増加させて、前突時の乗員保護を図っている(特許文献1)。
特許文献2のフレーム構造は、サイドシルを構成するインナ部材とアウタ部材であって、インナ部材とアウタ部材の車幅方向縦断面が、上側接合部と、下側接合部と、両接合部の間において相手側に突出した凸部と、凸部の上下両側に設けた凹部とを有し、インナ部材とアウタ部材の上側接合部と下側接合部と凸部とを夫々接合し、凸部の上下両側に長手方向に延びる細長形状の閉断面部材を夫々形成している。
この衝撃吸収機構では、折れ変形によって吸収される衝撃荷重がエネルギ吸収量全体の大半を占めるため、折れ変形によるエネルギ吸収特性は圧縮変形によるエネルギ吸収特性よりも衝撃エネルギ吸収性能に与える影響が大きい。
つまり、折れ変形によって吸収される衝撃荷重が小さい場合、衝撃吸収のために必要なフロントサイドフレームの変形ストローク、所謂クラッシュストロークが長くなり、車体デザインの自由度が低下する虞がある。
まず、この解析の基本的な考え方について説明する。
長手方向に延びる閉断面状フレームに対して長手方向に圧縮荷重を作用させた場合、フレームは長手方向に直交する方向に向かって湾曲することから、中立面よりも湾曲中心側の面(圧縮側面)に長手直交方向から圧縮荷重が作用し、中立面よりも湾曲中心側と反対側の面(引張側面)に引張荷重が作用する状態に擬制することができる。
そこで、長手方向に延びる閉断面状フレームモデルを作成し、このフレームモデルの長手方向に延びる圧縮側面に対して長手直交方向から所定の圧縮荷重を作用させることによって、フレームモデルが支持できる荷重とフレームモデルが変形するストロークとの相関関係(以下、曲げFS特性という)について解析した。
図15に示すように、長手方向に延びる閉断面状フレームでは、所定の変形ストローク値において最大荷重が発生し、その後、急激に荷重が低下している。
即ち、荷重が作用する閉断面状フレームの特定領域のみが曲げ強度に寄与していると考えられるため、この特定領域に許容限界を越える荷重(座屈応力)が作用したとき、特定領域が座屈し、閉断面状フレーム全体が座屈変形して衝撃エネルギ吸収量が減少する。
以上のことから、曲げ強度に寄与するフレーム領域を長手方向に長く拡大し、曲げFS特性の最大荷重を一定ストロークの間維持する特性に設定することによって、クラッシュストロークを短縮化し、衝撃エネルギ吸収性能を高くできることを知見した。
しかし、閉断面状フレームの板厚を厚くする場合、車体重量やフレーム自体のコストが増加し、また、閉断面状フレームの横比を縦比よりも大きく設定する場合、エンジンルームに配置される各部材の配置スペースが不利になるため、何れの場合も現実的ではない。
しかし、細長形状部を複数連結した閉断面状フレームを1対のパネル部材で形成する場合、細長形状部と隣り合う細長形状部との間隔が狭いため、溶接装置(溶接ガン)の作業スペースを確保することができず、両細長形状部を連結する連結部を構成する一方の連結フランジ部と他方の連結フランジ部とを溶接接合することができない。
それ故、衝撃荷重が作用したとき、両方の連結フランジ部が長辺直交方向に相対移動し、結果的に、断面崩れを生じるため、最大荷重を一定ストロークの間維持するような曲げFS特性を得ることができない虞がある。また、設計条件や製造条件の観点から、両方の連結フランジ部を離隔せざるを得ない場合もあり、その場合にも、同様に溶接接合することができず、同様の問題が生じる。
これにより、荷重入力時の連結部の変形を利用して第1,第2連結フランジ部を確実に係合させることができる。
これにより、第1,第2連結フランジ部の係合機能を確保しつつ、走行振動に起因した第1,第2連結フランジ部の当接・摺動に伴う異音発生を防止できる。
以下の説明は、本発明を車両のフロントサイドフレームに適用したものを例示したものであり、本発明、その適用物、或いは、その用途を制限するものではない。
まず、フロントサイドフレームが設置された前部車体構造について簡潔に説明する。
図1,図2に示すように、車両Vは、エンジンルームEと車室Cとを上下方向および車幅方向に延びて仕切るダッシュパネル1と、このダッシュパネル1の前方位置で車体前後方向に延びるフロントサイドフレーム2と、ダッシュパネル1の下方位置で車体後方側に延びるフロアメインフレーム3と、ダッシュパネル1の上部前方に設置されるカウルボックス4と、フロントサイドフレーム2の側方位置でタワー形状に立設されるサスタワー部5と、このサスタワー部5と前述のダッシュパネル1とを上下方向および車体前後方向に延びて連結するエプロン部6と、エプロン部6上端で車体前後方向に延びるエプロンレインメンバ7と、エプロン部6下部でフロントタイヤTを収容するよう略半円状に膨出形成されたタイヤハウス8等を備えている。尚、左右対象構造であるため、主に車体右側構造について説明し、車体左側構造については説明を省略する。また、以下、車体前後方向前方を前方とし、進行方向左方を左方として説明する。
ダッシュパネル1の下部前面には、車幅方向に延びる閉断面を構成するダッシュロアクロス10を接合固定している。このダッシュロアクロス10を設けることで、ダッシュパネル1下部の剛性を高めている。
フロントサイドフレーム2の前後方向中央部には、略円柱形状のエンジンマウント11を設置して、このエンジンマウント11によってパワーユニット(図示略)を弾性支持している。また、このエンジンマウント11よりも下方のフロントサイドフレーム2内には、エンジンマウント11の取付け剛性を高めるために、マウント取付けレイン12を設置している。
また、フロントサイドフレーム2の後部上方には、エプロン部6の車幅外方側で車体上方側に延びる上部連結メンバ16を設置して、フロントピラー(図示略)とフロントサイドフレーム2の後部とを連結している。
図3に示すように、フロントサイドフレーム2は、断面略ハット形状のインナパネル21の上端フランジ部21aと下端フランジ部21bとを断面略ハット形状のアウタパネル22の上端フランジ部22aと下端フランジ部22bとに夫々接合固定することにより、上下方向に長い、所謂縦比が横比よりも大きな略長方形状の閉断面を構成している。
このフロントサイドレイン30は、正面視で視て、前後直交方向断面が細長矩形的な細長形状に形成され且つ荷重入力時の圧縮側と引張側の中間の中立面NPが長辺と直交するように上下方向に配列された4つの細長形状部40と、上下方向に隣り合う細長形状部40の互いに離隔した長辺同士を連結する3つの連結部41等を備えている。
尚、本発明における細長矩形的な細長形状の細長形状部とは、長手方向直交断面において、1対の長辺と1対の短辺とを備え且つ性能として矩形形状の基本特性を有する形状部であり、長辺又は短辺の途中部分に基本的な矩形形状の特性を阻害しない範囲の角部、湾曲部或いは屈曲部を形成した形状を含むものである。
最上端の横辺31sの車幅方向外側端部から上端フランジ部31bが鉛直上方に延び、最下端の横辺31sの車幅方向外側端部から下端フランジ部31bが鉛直下方に延びている。1対の横辺31sと縦辺31tとの連結部分は、所定の曲率を有する湾曲面によって形成されている。3つの第1連結フランジ部31cは、車幅方向内側に突出するように断面略く字状に形成され、隣り合う凸部31aの互いに離隔した横辺31sの車幅方向外側端部同士を連結している。これら第1連結フランジ部31cがインナレイン31の連結半断面部に相当する。
最上端の横辺32sの車幅方向内側端部から上端フランジ部32bが鉛直上方に延び、最下端の横辺32sの車幅方向内側端部から下端フランジ部32bが鉛直下方に延びている。1対の横辺32sと縦辺32tとの連結部分は、所定の曲率を有する湾曲面によって形成されている。3つの第2連結フランジ部32cは、車幅方向内側に突出するように断面略く字状に形成され、隣り合う凸部32aの互いに離隔した横辺32sの車幅方向内側端部同士を連結している。これら第2連結フランジ部32cがアウタレイン32の連結半断面部に相当する。
第1,第2連結フランジ部31c,32cの間隔は、所定値以上の前面衝撃荷重が作用したとき、互いが当接して係合可能な間隔に設定されている。
また第1,第2連結フランジ部31c,32cが、一定間隔離隔した状態で保持され、且つ所定値以上の前後方向荷重が作用したとき、互いが当接して係合可能な第1,第2係合部を夫々形成している。
これらの模式図において、Fはフロントサイドフレームとクラッシュボックスとからなるフロントフレーム体、Dはダッシュパネル、Mは連結補強メンバ、Iはダッシュロアクロスとトンネル部に設けたメンバ部材とからなる内側荷重伝達体、Uは上部連結メンバ、Q(ハッチング領域)はマウント取付けレイン、R(ハッチング領域)はサブフレーム取付けブラケット、Tはフロントタイヤをそれぞれ示している。
第1ポイントP1はクラッシュカン9の前端位置、第2ポイントP2はフロントサイドフレーム2の前端位置、第3ポイントP3はフロントサイドフレーム2の中間位置、第4ポイントP4はマウント取付けレイン12の後端位置、第5ポイントP5はサブフレーム取付けブラケット13の前端位置を示している。
図8に示すように、衝突体Wがフロントフレーム体Fに衝突すると、フロントフレーム体Fの第1ポイントP1と第2ポイントP2との間と、第3ポイントP3の途中までの間とに座屈変形が生じる。第3ポイントP3から第4ポイントP4の間では、マウント取付けレインQ等が存在して変形を生じさせることができないため、第2ポイントP2と第3ポイントP3との間で一旦車幅方向内側に折れ変形(内折れ変形)を生じさせ、第3ポイントP3で車幅方向外側へ折れ変形(外折れ変形)をさせるようにしている。
第5ポイントP5では、サブフレーム取付けブラケットRでサブフレームを取り付け固定し、その後方位置で荷重分散するためにフレーム剛性を高めているから、車幅方向内方側への折れ変形(内折れ変形)が生じる。
上記のように、第5ポイントP5では、荷重Zの作用によって車幅方向外側に突出するように座屈変形していることから、前面衝撃荷重を受けたとき、フロントサイドレイン30の第5ポイントP5相当部分に対して車幅方向外側に向かう荷重が作用するものと見做すことができる。そこで、4つの細長形状部を離隔状態で上下配置すると共に向かい合う長辺同士を中立面位置で連結した本実施例に相当するフロントサイドレインのモデルM1(図9(a)参照)と、4つの細長形状部を離隔状態で上下配置すると共に上下方向に隣り合う短辺を連結したフロントサイドレインのモデルM2(図9(b)参照)と、上下配置された4つの細長形状部の長辺を直接連結したフロントサイドレインのモデルM3(図9(c)参照)とを準備し、夫々のモデルM1〜M3において、図9(a)〜図9(c)に示す矢印方向から荷重fを作用させたときの変形についてCAE(Computer Aided Engineering)による第1の解析を行った。尚、モデルM1〜M3は、細長形状部の材質、前後長、形状(細長比)を同条件に設定している。
図10に示すように、モデルM2,M3は、長辺が鉛直状に配置された単一の閉断面によって構成されたフロントサイドレインに比べて座屈し難いものと推測されるが、最大荷重を持続して維持することができないため、結果的に、衝撃エネルギ吸収量が低い。
モデルM1は、モデルM2よりも最大荷重が低いものの、所定期間安定して最大荷重を維持しているため、モデルM2よりも衝撃エネルギ吸収量を高くすることができる。
図11に示すように、細長形状部の連結数が3以上のとき、細長形状部の連結数が2のときに比べてエネルギ吸収特性が飛躍的に向上することが判明した。
即ち、本実施例のように、細長形状部40の連結数を3以上にした場合、隣り合う細長形状部40同士の間隔が狭くなり、第1連結フランジ部31cと第2連結フランジ部32cとを溶接するための作業スペースを確保することができないため、前面衝撃荷重を受けたとき、各細長形状部40を構成している凸部31aと凸部32aとが上下方向に相対的に移動することから、細長形状部40に断面崩れが発生し、上記のような解析上の曲げFS特性を得ることができない。
それ故、荷重に起因した細長形状部40の断面崩れを抑制でき、曲げ強度に寄与するフレーム領域を拡大して曲げFS特性の最大荷重を一定ストロークの間維持することができることから、クラッシュストロークを短縮化しつつ衝撃エネルギ吸収性能を高くすることができる。
尚、複数の第1,第2連結フランジ部31c,32cのうち、少なくとも1つの第1,第2連結フランジ部31c,32cの構造的な係合状態を形成することで全ての細長形状部40の断面崩れを抑制することができる。
実施例1のフロントサイドレイン30は、第1,第2連結フランジ部31c,32cを所定間隔離隔させた状態で対向するように構成したのに対し、実施例2のフロントサイドレイン30Aは、第1,第2連結フランジ部31c,32cの間に緩衝部材42を介装している。尚、実施例1と同様の構成部材については、同一の符号を付している。
フロントサイドレイン30Aは、前後方向に延びるインナレイン31とアウタレイン32とによって形成され、上端フランジ部31bと上端フランジ部32b及び下端フランジ部31bと下端フランジ部32bを夫々位置決めして溶接接合されている。
第1,第2連結フランジ部31c,32cは、緩衝部材42を挟んだ状態で車幅方向内側(圧縮側)に突出するように断面略く字状に夫々形成されている。
これにより、第1,第2連結フランジ部31c,32cの係合機能を確保しつつ、走行振動に起因した第1,第2連結フランジ部31c,32cの当接・摺動に伴う異音発生を防止できる。
実施例1のフロントサイドレイン30は、第1,第2連結フランジ部31c,32cを断面略く字状に形成したのに対し、実施例3のフロントサイドレイン30Bは、第1,第2連結フランジ部31d,32dを断面略ハット状に形成している。
フロントサイドレイン30Bは、前後方向に延びるインナレイン31とアウタレイン32とによって形成され、上端フランジ部31bと上端フランジ部32b及び下端フランジ部31bと下端フランジ部32bを夫々位置決めして溶接接合されている。
1〕前記実施形態においては、フロントサイドフレームの閉断面内部に配設されるフロントサイドレインに適用した例を説明したが、フロントサイドレインではなく、フロントサイドフレーム自体(アウタパネル・インナパネル)に適用しても良い。また、リヤサイドフレーム、サスクロスメンバ、バンパビーム、センタピラー、インパクトバー等、少なくとも、圧縮荷重と引張荷重とが作用する車両用フレームであれば何れにも適用することができる。
2 フロントサイドフレーム
30,30A,30B フロントサイドレイン
31 インナレイン
31s 横辺
31c,31d 第1連結フランジ部
32 アウタレイン
32s 横辺
32c,32d 第2連結フランジ部
40 細長形状部
41,41A,41B 連結部
42 緩衝部材
Claims (3)
- 長手方向と直交する断面が細長矩形的な細長形状の複数の細長形状部を荷重入力時の圧縮側と引張側の中間の中立面が長辺と直交するように配置し、隣り合う細長形状部の互いに離隔した長辺同士を1又は複数の連結部で連結した車両用フレーム構造において、
前記複数の細長形状部と前記1又は複数の連結部の前記圧縮側の半断面を形成する第1パネル部材と、
前記複数の細長形状部と前記1又は複数の連結部の前記引張側の半断面を形成する第2パネル部材とを備え、
前記第1パネル部材の1又は複数の連結半断面部からなる1又は複数の第1連結フランジ部と前記第2パネル部材の1又は複数の連結半断面部からなる1又は複数の第2連結フランジ部とに、前記荷重入力時に互いに係合する1又は複数の第1,第2係合部を形成したことを特徴とする車両用フレーム構造。 - 前記第1,第2連結フランジ部が前記圧縮側に突出するように形成された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。
- 前記第1,第2連結フランジ部の間に緩衝部材が介装されたことを特徴とする請求項1又は2に記載の車両用フレーム構造。
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EP3431345A1 (en) * | 2017-07-20 | 2019-01-23 | Faurecia Interior Systems India Pvt. Ltd. | Impact energy absorber for a vehicle |
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JP5196067B2 (ja) * | 2010-08-26 | 2013-05-15 | トヨタ自動車株式会社 | 車体のロッカ構造 |
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