JP2016052829A - 車体フレーム構造 - Google Patents

Abstract

【課題】側面衝突荷重に対する衝撃エネルギー吸収性能を向上させる。
【解決手段】側面衝突荷重Ｆが加えられた場合に、先ず左サイドフレーム１４が圧壊させられるとともに、その左サイドフレーム１４の圧壊に続いて、クランク状に曲げられたクロスメンバー１６の屈曲部２２がＺ字形に座屈させられるため、それ等の変形により優れた衝撃エネルギー吸収性能が得られる。特に、左サイドフレーム１４の圧壊およびクロスメンバー１６の座屈は、変形形態が異なるため、それ等の変形強度を調整（チューニング）することにより、比較的短い変形ストロークで衝撃エネルギーを効率的に吸収できるようになる。
【選択図】図３

Description

本発明は車体フレーム構造に係り、特に、側面衝突荷重に対して優れた衝撃エネルギー吸収性能が得られる車体フレーム構造に関するものである。

(a) 車両幅方向の端部に車両前後方向に沿って配設されるサイドフレームと、(b) 車両幅方向に沿って配設され、前記サイドフレームの車両内側の側面に突き当てられて接合されるクロスメンバーと、を有する車体フレーム構造が知られている。特許文献１に記載の車体フレーム構造はその一例で、サイドフレームの車外側領域のフロア構成材に脆弱部が設けられ、側面衝突時にそのフロア構成材が圧壊変形させられることによって衝撃エネルギーを吸収するとともに、サイドフレームの変形を抑制するようになっている。

特開平７−８１６２５号公報

しかしながら、このようにサイドフレームの車外側領域に圧壊変形による衝撃エネルギーの吸収部を設けるだけでは、必ずしも十分な衝撃エネルギー吸収性能が得られない場合があった。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、側面衝突荷重に対する衝撃エネルギー吸収性能を向上させることにある。

かかる目的を達成するために、第１発明は、(a) 車両幅方向の端部に車両前後方向に沿って配設されるサイドフレームと、(b) 車両幅方向に沿って配設され、前記サイドフレームの車両内側の側面に突き当てられて接合されるクロスメンバーと、を有する車体フレーム構造において、(c) 前記サイドフレームは、側面衝突荷重が加えられた場合に圧壊させられる閉じ断面の中空構造で、(d) 前記クロスメンバーは閉じ断面の中空構造で、且つ、前記サイドフレームに接合される端部がクランク状に曲げられた屈曲部とされており、前記側面衝突荷重が加えられた場合に、前記サイドフレームの圧壊に続いて該屈曲部が座屈させられることを特徴とする。

ここで、上記サイドフレームの圧壊は、サイドフレームが軸方向と略直角方向（車両幅方向）へ潰れる変形で、屈曲部の座屈は、クロスメンバーの軸方向（車両幅方向）へＺ字形のように折れ曲がる変形である。
また、サイドフレームの圧壊に続いて屈曲部が座屈させられる具体的態様は、サイドフレームが完全に圧壊させられた後に屈曲部の座屈が開始する場合だけでなく、少なくともサイドフレームの圧壊が開始した後に屈曲部の座屈が開始すれば良く、サイドフレームの圧壊の途中から屈曲部の座屈が並行して進行する場合でも良い。

第２発明は、第１発明の車体フレーム構造において、前記サイドフレームには、圧壊を誘発する脆弱部が設けられていることを特徴とする。

第３発明は、第１発明または第２発明の車体フレーム構造において、前記クロスメンバーの前記屈曲部には、座屈を誘発する脆弱部が設けられていることを特徴とする。

第４発明は、第３発明の車体フレーム構造において、前記脆弱部は、前記クランク状の屈曲部のうち前記サイドフレームに接合される側の端部の直線部分に設けられていることを特徴とする。

第５発明は、第１発明〜第４発明の何れかの車体フレーム構造において、(a) 前記クロスメンバーの上下寸法は前記サイドフレームの上下寸法の１／２よりも小さいとともに、それ等のサイドフレームおよびクロスメンバーは、下端面が略同一の平面に位置するように配設されており、(b) 前記クロスメンバーの前記屈曲部は、前記サイドフレームの上下方向の中央部を含む中間位置に接合されるように上方へクランク状に曲げられていることを特徴とする。

第６発明は、第１発明〜第５発明の何れかの車体フレーム構造において、前記クロスメンバーの前記屈曲部は、前記サイドフレームとそのクロスメンバー上に配置される車両用機能部品の端部との間に設けられていることを特徴とする。

このような車体フレーム構造においては、側面衝突荷重が加えられた場合に、先ずサイドフレームが圧壊させられるとともに、そのサイドフレームの圧壊に続いて、クランク状に曲げられたクロスメンバーの屈曲部が座屈させられるため、それ等の変形により優れた衝撃エネルギー吸収性能が得られる。特に、サイドフレームの圧壊およびクロスメンバーの座屈は、変形形態が異なるため、それ等の変形強度を調整（チューニング）することにより、比較的短い変形ストロークで衝撃エネルギーを効率的に吸収できるようにすることができる。

第２発明では、サイドフレームに圧壊を誘発する脆弱部が設けられているため、サイドフレームが側面衝突荷重によって適切に圧壊させられるようになるとともに、その変形強度（圧壊開始荷重）や荷重−変形特性を脆弱部によって調整することができる。

第３発明では、クロスメンバーの屈曲部に座屈を誘発する脆弱部が設けられているため、クランク形状と相まってクロスメンバーが側面衝突荷重によって適切に座屈させられるようになるとともに、その変形強度（座屈開始荷重）や荷重−変形特性を脆弱部やクランク形状の曲げ角度等によって調整することができる。

第４発明では、クランク状の屈曲部のうちサイドフレームに接合される側の端部の直線部分に脆弱部が設けられているため、その脆弱部の座屈によって衝撃エネルギーが適切に吸収されるとともに、脆弱部よりも内側の高強度部分で変形ストロークが抑制されることにより車両用機能部品等の部品の損傷が適切に抑制される。

第５発明は、サイドフレームおよびクロスメンバーの下端面が略同一の平面に位置するように配設される場合で、クロスメンバーの屈曲部がサイドフレームの上下方向の中央部を含む中間位置に接合されるように上方へクランク状に曲げられているため、サイドフレームに側面衝突荷重が加えられた際に、そのクロスメンバーによってサイドフレームが車両内側から適切に支持されるようなり、サイドフレームの圧壊による衝撃エネルギー吸収性能が適切に得られる。すなわち、サイドフレームの下側部分に片寄ってクロスメンバーが接合されると、側面衝突荷重が加えられた際に、サイドフレームの上側部分が車両内方へ進入するように傾倒する可能性が高くなり、サイドフレームが適切に圧壊しなくなって衝撃エネルギー吸収性能が損なわれる場合がある。

第６発明では、クロスメンバーの屈曲部が、そのクロスメンバー上に配置される車両用機能部品とサイドフレームとの間の部分に設けられているため、側面衝突荷重が加えられた場合に車両用機能部品よりも外側の領域で変形して衝撃エネルギーが吸収されることにより、車両用機能部品が損傷することが抑制される。

本発明の一実施例を示す斜視図である。 図１におけるII−II矢視部分、すなわちサイドフレームとクロスメンバーとの接合部付近を拡大して示した断面図である。 図１の車体フレーム構造において側面衝突荷重Ｆが加えられた場合の変形態様を模式的に説明する断面図である。 図１の車体フレーム構造に衝突バリアを衝突させて荷重−変形特性を調べる側面衝突試験を説明する斜視図である。 図４の側面衝突試験によって得られた荷重−変形特性を従来品と比較して示した図である。 図５の従来品を説明する図で、図４に対応する斜視図である。 図６におけるＶII−ＶII矢視部分を拡大して示した断面図である。 図５の変形ストロークＳＴ１、ＳＴ２部分における変形状態を、本発明品および従来品について比較して示した概略図である。 本発明の他の実施例を説明する図で、図２に対応する断面図である。

本発明は、自動車の車体フレーム構造に関するもので、クロスメンバーの両端部は左右の一対のサイドフレームに接合され、その左右両方に本発明を適用することが望ましいが、左右の何れか一方に適用するだけでも良い。また、多数のクロスメンバーのうちの一部のクロスメンバーに適用するだけでも良い。サイドフレームおよびクロスメンバーは、何れも閉じ断面の中空構造で、長方形や正方形の矩形断面が望ましく、金属材料から成る中空押出形材やパイプ材が好適に用いられるが、断面円形や長円形のパイプ材等を用いることもできる。必要に応じて中空構造の内部にリブや仕切り板等の補強部を設けることも可能である。中空構造の外部にリブやフランジ等の補強部を設けることもできる。これ等のサイドフレームおよびクロスメンバーは、例えば略水平なフロアパネル上に配設されるが、フロアパネルとは別個に配設することもできる。クロスメンバーは、一般に車両前後方向に所定の間隔を隔てて複数配設されるが、単一のクロスメンバーが設けられるだけでも良い。

サイドフレームは、クロスメンバーの座屈に先立って圧壊させられるように、例えば上下の側壁に凹凸形状のビードや穴、溝、切欠等の脆弱部が長手方向、すなわち車両前後方向に沿って設けられ、車両前後方向の強度を維持しつつ側面衝突荷重が加えられた場合に車両幅方向に潰れ易くされるが、側壁の肉厚を全周に亘って薄くしたり、比較的脆弱な材質を採用したりして潰れ易くすることも可能である。クロスメンバーには、サイドフレームの圧壊に続いて座屈させられるクランク形状の屈曲部が設けられるが、この屈曲部についても必要に応じて切欠や溝等の脆弱部が設けられる。クロスメンバーが、３次元熱間曲げ焼入れによって製造される場合、例えば屈曲部以外の領域には焼入れが施されて高強度化されるが、屈曲部の全部または一部については焼入れが行われないようにして、相対的に脆弱部とすることもできる。焼入れによって高強度化されることにより、屈曲部の座屈により衝撃エネルギーを適切に吸収しつつ、その屈曲部よりも車両内側に配設される発電機等の車両用機能部品を適切に保護することができる。３次元熱間曲げ焼入れは、パイプ等の中空の鋼材を局部的に加熱して曲げ加工するとともに、水等で急冷して焼入れを行う加工技術で、加熱部位や急冷部位を制御することで焼入れ範囲を調整することができる。

クランク形状の屈曲部は、例えば第５発明のようにサイドフレームの上下方向の中央部を含む中間位置に接合されるように上方へクランク状に曲げられるが、クロスメンバーの配設位置によっては下方へクランク状に曲げることもできるし、車両前後方向へクランク状に曲げることもできるなど、種々の態様が可能である。クランク形状の屈曲部が設けられることにより、クロスメンバーの軸方向すなわちサイドフレーム側から荷重が加えられた場合にＺ字形に座屈変形し易くなるが、２箇所の曲げ角度は必ずしも直角である必要はなく、比較的大きな鈍角の曲げ角度の緩やかなクランク形状であっても良い。この曲げ角度や脆弱部の有無などで屈曲部が座屈させられる際の変形強度を調整できるが、屈曲部の変形強度は、サイドフレームの圧壊に続いて屈曲部が座屈させられるように、サイドフレームの変形強度と略同じかそれよりも高くされる。また、第５発明では、クロスメンバーの上下寸法がサイドフレームの上下寸法の１／２よりも小さいが、他の発明の実施に際してはサイドフレームの上下寸法の１／２以上であっても良いなど、種々の態様が可能である。

第６発明の車両用機能部品は、車両に元々搭載されて所定の機能を発揮する各種の部品のことで、例えばエンジンや電動モータ、発電機、バッテリー、バッテリーケース、変速機などである。発電機は、例えば駆動力源としてエンジンおよび電動モータを有するハイブリッド車両のモータジェネレータなどである。他の発明の実施に際しては、車両幅方向において車両用機能部品と屈曲部とが重なっていても良い。駆動力源としてエンジンのみを有するエンジン駆動車両など、種々の車両の車体フレーム構造に本発明は適用され得る。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施例における各部の寸法や寸法比、角度、肉厚等は必ずしも正確に表したものではない。

図１は、本発明の一実施例である車体フレーム構造１０の概略斜視図で、左側半分を示した図であり、図示しない右側半分も対称的に構成されている。この車体フレーム構造１０は、略水平なフロアパネル１２上の左端部に車両前後方向に沿って配設された長手状の左サイドフレーム１４と、同じくフロアパネル１２上に車両幅方向に沿って配設された長手状のクロスメンバー１６とを備えており、何れもフロアパネル１２に一体的に溶接されている。クロスメンバー１６は、車両前後方向に離間して複数配設されているとともに、その左端部は左サイドフレーム１４の車両内側の側面に略垂直に突き当てられて溶接により一体的に接合されている。

図２は、図１におけるII−II矢視部分、すなわち左サイドフレーム１４とクロスメンバー１６との接合部付近を拡大して示した断面図である。この図２から明らかなように、左サイドフレーム１４は長方形閉じ断面の中空構造を成しており、金属材料から成る中空押出形材やパイプ材にて構成されているとともに、長方形閉じ断面が上下方向に長い縦長の姿勢でフロアパネル１２上に配設されている。この左サイドフレーム１４の上下に位置する略水平な各側壁には、それぞれ内側へ断面Ｕ字状乃至はＶ字状に凹んだビード１８が長手方向、すなわち車両前後方向に沿って設けられており、車両前後方向の強度を維持しつつ、図３の(a) 、(b) に示すように衝突バリア２０によって側面衝突荷重Ｆが加えられた場合に、左サイドフレーム１４がビード１８を起点として車両幅方向へ潰れ易くされている。このビード１８は、側面衝突時に左サイドフレーム１４が車両幅方向に潰されて圧壊することを誘発する脆弱部に相当する。

クロスメンバー１６は、長方形閉じ断面の中空構造を成しており、金属材料から成る中空押出形材やパイプ材にて構成されているとともに、長方形閉じ断面が車両前後方向に長い横長の姿勢でフロアパネル１２上に配設されている。このクロスメンバー１６の上下寸法は左サイドフレーム１４の上下寸法の１／２よりも十分に小さく約１／４であるが、左サイドフレーム１４に接合される端部には、フロアパネル１２から上方へ離間するようにクランク状に曲げられた屈曲部２２が設けられており、左サイドフレーム１４の上下方向の中央部Ｃを含む中間位置に接合されている。この屈曲部２２は、側面衝突荷重Ｆが加えられた場合に、図３の(c) に示すように左サイドフレーム１４の圧壊に続いてクロスメンバー１６が軸方向へＺ字形に座屈させられるようにするためのもので、本実施例では２箇所の曲げ角度が比較的大きな鈍角の緩やかなクランク形状とされて、所定の変形強度すなわち衝撃エネルギー吸収性能が得られるようになっている。また、このクロスメンバー１６は、３次元熱間曲げ焼入れによって製造され、焼入れによって高強度化されるが、クランク状の屈曲部２２のうち左サイドフレーム１４に接合される側の端部の直線部分には焼入れが行われないようにして、相対的に脆弱な脆弱部２２ａが設けられており、左サイドフレーム１４の圧壊に続いて脆弱部２２ａが軸方向へ座屈させられるとともに屈曲部２２がＺ字形に座屈させられる。この脆弱部２２ａの座屈を含む屈曲部２２の変形強度は、クランク形状の曲げ角度や脆弱部２２ａの範囲等によって調整できるが、左サイドフレーム１４の圧壊に続いて座屈させられるように、左サイドフレーム１４が圧壊させられる際の変形強度よりも高くされる。

上記屈曲部２２は、クロスメンバー１６上に配設される車両用機能部品の発電機２４から車両幅方向の外側へ突き出す部分に設けられており、屈曲部２２の座屈により衝撃エネルギーを適切に吸収しつつ、焼入れにより高強度化されたクロスメンバー１６の中間領域に配設された発電機２４を適切に保護することができる。発電機２４は、例えば発電機および電動モータの両方の機能を有するモータジェネレータで、本実施例の車体フレーム構造１０は、車両用機能部品としてモータジェネレータを備えているハイブリッド車両や電気自動車に用いられる。

ここで、図４に示すように先端が半円弧形状とされた衝突バリア２０を、左サイドフレーム１４に対して略直角な真横から衝突させる側面衝突試験を行い、ＦＥＭ解析により車体フレーム構造１０の荷重−変形特性を調べた結果を説明する。比較のため、本発明品（車体フレーム構造１０）の他に、図６、図７に示す従来の車体フレーム構造３０についても同じ条件で試験を行った。車体フレーム構造３０の左サイドフレーム３２は、長方形閉じ断面の中空構造である点は本発明品と同じであるが、ビード１８が設けられていない。また、クロスメンバー３４は、皿形状（浅いＵ字形状）の開口側の両端部から外側へ向かってフランジが延び出しているハット断面形状で、そのフランジがフロアパネル１２に接する姿勢で長手方向の全長に亘ってそのフロアパネル１２に固定されており、端部は左サイドフレーム３２の下端部分に突き当てられて溶接されているとともに、その端部の上側の角部には補強ステー３６が左サイドフレーム３２とクロスメンバー３４とに跨がって固定されている。

図５は、本発明品および従来品の荷重−変形特性を比較して示した図で、本発明品では、左サイドフレーム１４の圧壊に続いてクロスメンバー１６の屈曲部２２が座屈させられることにより、荷重が高いレベルに安定して維持され、優れた衝撃エネルギー吸収性能が得られる。図５に示す荷重−変形特性のグラフにおける荷重の積分値が吸収エネルギーに相当する。これに対し、従来品は、変形初期には高い荷重を受け止めることができるものの、変形ストロークが大きくなると荷重が急激に低下して変形が容易に進行するようになり、十分な衝撃エネルギー吸収性能が得られない。

図８は、上記図５の変形ストロークＳＴ１およびＳＴ２部分における変形状態を、本発明品および従来品について比較して示した概略図であり、本発明品では左サイドフレーム１４の圧壊およびクロスメンバー１６の座屈（Ｚ折れ）により高い荷重レベルを維持しながら変形が進行する。これに対して従来品は、左サイドフレーム３２が圧壊すること無く、クロスメンバー３４の端部が折れ曲がるまでは高い荷重が得られるものの、変形ストロークＳＴ１付近でクロスメンバー３４の端部が折れ曲がると荷重が急激に低下する。また、従来品は左サイドフレーム３２の下側部分に片寄ってクロスメンバー３４が接合されているため、補強ステー３６の存在に拘らず、クロスメンバー３４の折れ曲がりに伴って左サイドフレーム３２の上側部分が車両内方へ進入するように傾倒させられ、変形ストロークＳＴ２付近では荷重が更に低下して衝撃エネルギー吸収性能が殆ど得られなくなる。本発明品は、クロスメンバー１６の屈曲部２２が上方へクランク状に曲げられて、左サイドフレーム１４の上下方向の中央部Ｃを含む中間位置に接合されているため、そのクロスメンバー１６によって左サイドフレーム１４が車両内側から適切に支持され、左サイドフレーム１４が適切に圧壊させられて衝撃エネルギーを吸収することができる。

このように、本実施例の車体フレーム構造１０においては、側面衝突荷重Ｆが加えられた場合に、先ず左サイドフレーム１４が圧壊させられるとともに、その左サイドフレーム１４の圧壊に続いて、クランク状に曲げられたクロスメンバー１６の屈曲部２２がＺ字形に座屈させられるため、それ等の変形により優れた衝撃エネルギー吸収性能が得られる。特に、左サイドフレーム１４の圧壊およびクロスメンバー１６の座屈は、変形形態が異なるため、それ等の変形強度を調整（チューニング）することにより、比較的短い変形ストロークで衝撃エネルギーを効率的に吸収できるようになる。

また、左サイドフレーム１４には、圧壊を誘発する脆弱部としてビード１８が設けられているため、左サイドフレーム１４が側面衝突荷重Ｆによって適切に圧壊させられるようになるとともに、その変形強度（圧壊開始荷重）や荷重−変形特性をビード１８の深さや幅等によって調整することができる。

また、クロスメンバー１６の屈曲部２２には、焼入れ無しで比較的低強度とされることにより座屈を誘発する脆弱部２２ａが設けられているため、クランク形状と相まってクロスメンバー１６が側面衝突荷重Ｆによって適切に座屈させられるようになるとともに、その変形強度（座屈開始荷重）や荷重−変形特性を脆弱部２２ａの範囲やクランク形状の曲げ角度等によって調整することができる。

また、クランク状の屈曲部２２のうち左サイドフレーム１４に接合される側の端部の直線部分が脆弱部２２ａとされているため、その脆弱部２２ａの座屈によって衝撃エネルギーが適切に吸収されるとともに、脆弱部２２ａよりも内側の高強度部分で変形ストロークが抑制されることにより発電機２４の損傷が適切に抑制される。

また、本実施例では左サイドフレーム１４およびクロスメンバー１６が共通のフロアパネル１２上に配設されているが、クロスメンバー１６の屈曲部２２は左サイドフレーム１４の上下方向の中央部Ｃを含む中間位置に接合されるように上方へクランク状に曲げられているため、左サイドフレーム１４に側面衝突荷重Ｆが加えられた際に、そのクロスメンバー１６によって左サイドフレーム１４が車両内側から適切に支持されるようなり、左サイドフレーム１４の圧壊による衝撃エネルギー吸収性能が適切に得られる。

また、クロスメンバー１６の屈曲部２２は、車両用機能部品である発電機２４と左サイドフレーム１４との間の部分、すなわち発電機２４から車両幅方向の外側へ突き出す部分に設けられているため、側面衝突荷重Ｆが加えられた場合に発電機２４よりも外側の領域で変形して衝撃エネルギーが吸収されることにより、発電機２４が損傷することが抑制される。特に、本実施例のクロスメンバー１６は、３次元熱間曲げ焼入れによって製造され、両端部を除いて焼入れが施されて高強度化されているため、屈曲部２２の座屈により衝撃エネルギーを適切に吸収しつつ、焼入れにより高強度化されたクロスメンバー１６の中間領域に配設された発電機２４を適切に保護することができる。

なお、上記実施例ではクランク状の屈曲部２２のうち左サイドフレーム１４に接合される側の端部の直線部分の略全域が焼入れ無しの脆弱部２２ａとされていたが、図９に示すように、焼入れ無しの脆弱部２２ａを焼入れ有りの高強度部と交互に断続的に設けても良い。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。

１０：車体フレーム構造 １４：左サイドフレーム（サイドフレーム） １６：クロスメンバー １８：ビード（脆弱部） ２２：屈曲部 ２２ａ：脆弱部 ２４：発電機（車両用機能部品） Ｆ：側面衝突荷重 Ｃ：中央部

Claims (6)

1. 車両幅方向の端部に車両前後方向に沿って配設されるサイドフレームと、
   車両幅方向に沿って配設され、前記サイドフレームの車両内側の側面に突き当てられて接合されるクロスメンバーと、
   を有する車体フレーム構造において、
   前記サイドフレームは、側面衝突荷重が加えられた場合に圧壊させられる閉じ断面の中空構造で、
   前記クロスメンバーは閉じ断面の中空構造で、且つ、前記サイドフレームに接合される端部がクランク状に曲げられた屈曲部とされており、前記側面衝突荷重が加えられた場合に、前記サイドフレームの圧壊に続いて該屈曲部が座屈させられる
   ことを特徴とする車体フレーム構造。
2. 前記サイドフレームには、圧壊を誘発する脆弱部が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の車体フレーム構造。
3. 前記クロスメンバーの前記屈曲部には、座屈を誘発する脆弱部が設けられている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の車体フレーム構造。
4. 前記脆弱部は、前記クランク状の屈曲部のうち前記サイドフレームに接合される側の端部の直線部分に設けられている
   ことを特徴とする請求項３に記載の車体フレーム構造。
5. 前記クロスメンバーの上下寸法は前記サイドフレームの上下寸法の１／２よりも小さいとともに、該サイドフレームおよび該クロスメンバーは、下端面が略同一の平面に位置するように配設されており、
   前記クロスメンバーの前記屈曲部は、前記サイドフレームの上下方向の中央部を含む中間位置に接合されるように上方へクランク状に曲げられている
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の車体フレーム構造。
6. 前記クロスメンバーの前記屈曲部は、前記サイドフレームと該クロスメンバー上に配置される車両用機能部品の端部との間に設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の車体フレーム構造。