JP2020023253A - 車両の締結構造 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の閉じ断面部材とカラーを組み合わせた締結構造において、締結強度の向上を図る。【解決手段】閉じ断面部材であるサスペンションメンバでは、対向する２面であるアッパメンバ４０とロアメンバ４２にそれぞれ挿入孔４０ａ、４２ａが形成されている。カラー５０は、円筒部５２とフランジ５４を備えており、円筒部５２は挿入孔４０ａ、４２ａを貫通して挿入されている。アッパメンバ４０の側では、円筒部５２とアッパメンバ４０とが溶接され、溶接ビード６０が形成されている。また、ロアメンバ４２の側では、フランジ５４の外周面とロアメンバ４２とが溶接され、溶接ビード６２が形成されている。これらの溶接は、ロアメンバ４２の側の方が溶接の線長が長くなるように行われている。【選択図】図２

Description

本発明は、車両における閉じ断面部材とカラーを組み合わせた締結構造に関する。

車両では、軽量化と強度確保を両立させる観点から、しばしば周囲を部材で囲まれた断面形状をもつ閉じ断面部材が用いられている。そして、閉じ断面部材と他の部材とをボルト等で締結する場合に、閉じ断面部材の強度を補うために、円筒形状のカラーと呼ばれる補強部材を利用することがある。

下記特許文献１には、閉じ断面部材によって形成されたサスペンションメンバに、カラーを用いることが記載されている。このカラーは、閉じ断面部材にスタビライザブラケットを取り付けるためのものである。並列に並べられた２つのカラーが、一端を共通の基板に溶接された上で、サスペンションメンバの内部に配置されている。そして、スタビライザブラケットを固定する２本のボルトが、それぞれサスペンションメンバの挿入孔とカラーを貫くことで、スタビライザブラケットがサスペンションメンバに固定されている。

特開２０１７−２１３９８２号公報

閉じ断面部材を他の部材と十分な強度で締結するためには、まず、閉じ断面部材とカラーとの結合強度を高める必要がある。

上記特許文献１に記載された構造では、２つのカラーを並列配置している状況での技術であるが、カラーとサスペンションメンバとはボルトで締結されているにすぎず、両者の結合強度を向上させる余地がある。

また、例えば、円筒形状のカラーを閉じ断面部材の挿入孔に貫通して挿入させた場合に、単にカラーの周囲と閉じ断面部材とを溶接したのでは、カラーの周囲長に応じた溶接強度が確保できるにすぎない。

本発明の目的は、車両の閉じ断面部材とカラーを組み合わせた締結構造において、締結強度を向上させる新たな構造を実現することにある。

本発明の車両の締結構造においては、周囲を部材で囲まれた断面形状をもつ閉じ断面部材の締結に、補強部材としてカラーが用いられる車両の締結構造において、前記閉じ断面部材の対向する第１面及び第２面に形成された挿入孔と、２つの前記挿入孔を貫通して挿入される円筒部を有した前記カラーと、を備え、前記カラーの前記円筒部と前記第１面とが溶接され、前記カラーは前記円筒部の外周側に拡がるフランジを前記第２面の外面側に有しており、当該フランジと当該第２面とが溶接され、これらの溶接は、前記第１面における溶接面積よりも前記第２面における溶接面積が広くなるように行われている、ことを特徴とする。

溶接では、カラーと第１面あるいは第２面とが、熱、圧力などによって、物理的に溶融された上で一体化される。溶接の種類は特に限定されず、アーク溶接やレーザー溶接などの融接、スポット溶接などの圧接など、様々なものを用いることが可能である。こうした溶接では、結合強度は、溶接面積（一体化された部分の境界付近における断面積）に応じて向上すると考えられる。そこで、フランジを設けた部分における結合強度、すなわち、フランジと第２面との結合強度を、円筒部と第１面との結合強度よりも高くすることとして、溶接面積を設定した。

本発明の車両の締結構造の一態様においては、前記フランジの外周は円形に形成されており、前記第２面では、前記フランジの円形の外周面と当該第２面とが溶接される、ことを特徴とする。この場合においては、溶接は、ある程度の幅を持った線的な領域に対して行われるため、閉じ断面部材とカラーとが一体化する溶接面積は溶接長に比例することになる。よって、第１面における溶接長よりも第２面における溶接長の方が長く設定される。

本発明の車両の締結構造の一態様においては、前記第２面の挿入孔は、前記第１面の挿入孔よりも大きく、かつ、前記フランジよりも小さく形成されており、前記第２面では、前記フランジと当該第２面とが面接触し、かつ、前記フランジの外周面と当該第２面とが溶接される、ことを特徴とする。

本発明によれば、カラーのフランジと閉じ断面部材とが広い溶接面積で溶接されるため、フランジを設けない場合に比べて溶接強度が向上し、その結果として締結強度を向上させることが可能となる。

実施形態にかかる車両の前部構造を示す斜視図である。 図１に示したＡＡ面におけるマウント部の断面図である。 図２のマウント部を下方からみた平面図である。 第２の実施形態にかかるマウント部の断面図である。 参考形態にかかるマウント部の断面図である。

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。説明においては、理解を容易にするため、具体的な態様について示すが、これらは実施形態を例示するものであり、他にも様々な実施形態をとることが可能である。

図１は、実施形態にかかる車両の前部の部分的構造を示す斜視図である。図示した座標系において、図中のＦは車両前方向きの軸、Ｕは上方向きの軸、Ｒは搭乗者から見て右側方向の軸を表している。図１には、サスペンションメンバ１０と、右フロントサイドメンバ３０が図示されている。

サスペンションメンバ１０は、車両の前方に設置される構造部材である。サスペンションメンバ１０は、車両の前後方向（Ｆ軸方向）にのびる左サイドレール１２（本実施形態における閉じ断面部材）及び右サイドレール１４と、これらの間を繋ぐ車両の幅方向（Ｒ軸方向）にのびるフロントクロスメンバ１６及びリアクロスメンバ１８によって、略四角形状に形成されている。左サイドレール１２及び右サイドレール１４には、図示を省略したロアアームが取り付けられる。フロントクロスメンバ１６には、エンジンマウントブラケット２０が取り付けられており、エンジンマウントブラケット２０には図示を省略したエンジンが固定される。

サスペンションメンバ１０の左前方付近にはマウント部２２が設けられ、左後方にはマウント部２４が設けられている。また、図１では、右フロントサイドメンバ３０に隠れているが、サスペンションメンバ１０の右前方及び右後方にもマウント部が設けられている。

右フロントサイドメンバ３０は、車両の右前方に配置され、車両の前後方向に長く延びる構造部材である。右フロントサイドメンバ３０は、図示していない車両左側の左フロントサイドメンバとともに車両のラダー骨格を形成している。右フロントサイドメンバ３０の下部には、２つの突出部３２、３４が設けられている。これらは、それぞれサスペンションメンバ１０の右前方に取り付けられたマウント部及び右後方に取り付けられたマウント部を利用して、サスペンションメンバ１０とボルト締結するために設けられている。

サスペンションメンバ１０では、エンジンマウントブラケット２０を通じてエンジンからの振動が入力される他、路面の凹凸にともなう振動も強く入力される。このため、サスペンションメンバ１０と右フロントサイドメンバ３０及び左フロントサイドメンバを高い強度で固定する必要がある。特に、マウント部２２、２４付近では、サスペンションメンバ１０の構造上板金パネルの平坦面が比較的広く、剛性を確保することが難しい。このため、マウント部２２、２４付近では、騒音や振動も発生しやすい（ＮＶ：Noize and Vibrationが悪い）環境にある。そこで、本実施形態では、以下に述べるように、マウント部２２、２４の構造の改善を図っている。

図２は、図１のＡＡ面に沿ったマウント部２２付近の断面図である。図１に示した左サイドレール１２は、図２に示すように、鉄などの金属製の板状部材であるアッパメンバ４０とロアメンバ４２を立体的に組み合わせて形成されている。両者は、アーク溶接によって固定されており、図２には溶接ビード４６が図示されている。この連結固定により、左サイドレール１２は、中空の内部４４をもつ閉じ断面部材として形成されている。ここで、閉じ断面部材とは、長さ方向に垂直な断面において、周囲の全周にわたって部材が配置されており、内部に閉じられた中空の空間が作られる部材をいう。長さ方向の両端側が開放されていてもよく、また、壁面にはボルト孔などが設けられていてもよい。

アッパメンバ４０には、円形の挿入孔４０ａが形成されており、挿入孔４０ａの周囲は挿入孔４０ａと同軸に２段の段差４０ｂ、４０ｃが設けられている。この段差４０ｂ、４０ｃはマウント部２２におけるアッパメンバ４０の剛性を高めるために設けられたものである。この段差４０ｂ、４０ｃを除けば、アッパメンバ４０は、マウント部２２付近において、平坦に、かつ、（車両に配置された状態で）ほぼ水平に形成されている。ロアメンバ４２は、マウント部２２付近において、平坦かつ水平に形成されている。ロアメンバ４２には、挿入孔４０ａと垂直方向に同軸となる位置に、円形の挿入孔４２ａが形成されている。

挿入孔４０ａ、４２ａには、カラー５０が挿入され、固定されている。カラー５０は、鉄などの金属で作られた部材であり、円筒部５２とフランジ５４を備えている。円筒部５２は軸方向に一様な形状に形成された（ただし、下端面５２ｃ付近では他よりも若干肉厚に形成されている）円筒形状の部位である。円筒部５２の側面は、アッパメンバ４０及びロアメンバ４２よりも肉厚に作られている。円筒部５２の内部５２ａは、ボルトが挿入される中空の円柱形状に形成されている。また、円筒部５２の上端面５２ｂと下端面５２ｃは軸方向に垂直に形成されている。フランジ５４は、円筒部５２の下端面５２ｃよりも若干上方において、円筒部５２の外周側に円環状に拡がった部位である。フランジ５４は、円筒の軸に対して垂直に拡がっており、その上面および下面は平坦に形成されている。また、フランジ５４は、アッパメンバ４０及びロアメンバ４２よりも肉厚に作られている。

カラー５０は、円筒部５２が２つの挿入孔４０ａ、４２ａに挿入され、全体として左サイドレール１２を貫通するように垂直に配置されている。挿入孔４０ａと円筒部５２の外周とは、若干の遊びがある程度で、ほぼ同じサイズに形成されている。そして、アッパメンバ４０の上面と円筒部５２の外周面とが、挿入孔４０ａの縁に沿って全周（２π）にわたってアーク溶接されている。溶接ビード６０は、この溶接痕である。このアーク溶接は、アッパメンバ４０の上面と円筒部５２の外周面が接する円に沿って線的に行われており、両者が一体化した溶接ビード６０の断面積は、この円の線長に比例する。円筒部５２の外径（外周間の直径）をｄとした場合、溶接ビード６０の線長Ｌ１は、近似的に次式で表される。
Ｌ１＝π×ｄ ・・・ （１）

他方、挿入孔４２ａの直径は、円筒部５２の外径よりも大きく、かつ、フランジ５４の外径よりも小さいサイズに作られている。このため、円筒部５２の外周と挿入孔４２ａの外縁とには大きな円環状の隙間があいている。そして、フランジ５４は、その上面かつ外周よりの部分において、ロアメンバ４２の外周と面的に接触している。図２には、面的に接触した重複部６４が図示されている。フランジ５４の外周面とロアメンバ４２の下面とは、アーク溶接によって固定されており、この付近には溶接ビード６２が形成されている。

図３は、図２を下方から（Ｕ軸の負の側から正の側に向かう方向）みた平面図である。ただし、図においては、アッパメンバ４０と溶接ビード４６は省略している。

図３に示すように、ロアメンバ４２に設けられた挿入孔４２ａには、カラー５０が挿入されている。カラー５０の円筒部５２から周囲に拡がるフランジ５４の外径は、挿入孔４２ａの直径よりも大きく、ロアメンバ４２の一部と重複して配置されている。フランジ５４の外周とロアメンバ４２とはアーク溶接によって固定されており、両者の間には、溶接ビード６２が延びている。図示したように、この溶接ビード６２は、フランジ５４の外周の一部のみに形成されている。具体的には、円筒軸を中心とする角度θａ、θｂ（ラジアン）の範囲で、２か所が溶接されている。フランジ５４の外径をＤとした場合、溶接ビードの線長Ｌ２は、近似的に次式で表される。
Ｌ２＝（θａ＋θｂ）×Ｄ／２ ・・・ （２）

図３に示した例では、フランジ５４の側の固定強度が、円筒部５２の側の固定強度を下回ることがないように溶接が行われる。溶接個所の強度は、一般に、溶接された断面積が広くなるほど向上する。そして、実施形態にかかるアーク溶接においては、溶接部分の断面積は溶接長に比例することから、式（１）で表される溶接の線長Ｌ１と式（２）で表させる溶接の線長Ｌ２は、次式の関係を満たすように設定されている。
Ｌ１ ＜ Ｌ２ ・・・ （３）

例えば、ｄ＝３５ｍｍとした場合、式（１）によれば、Ｌ１＝１１０ｍｍとなる。また、Ｄ＝８０ｍｍとし、θａ＝θｂ＝（２／３）×πとした場合（θａとθｂは１２０度である）には、式（２）からＬ２＝１６７ｍｍとなり、式（３）の条件を満たすことになる。式（３）よりもさらに厳しい条件を設定することも可能であり、例えば、式（３）に代えて、Ｌ２をＬ１の１．２倍以上、さらには１．５倍以上に設定する条件を導入してもよい。

また、フランジ５４の側では、二つの溶接ビード６２の長さをほぼ等しくし（θａ＝θｂ）、かつ、これらが円筒軸の中心に対してほぼ点対象となるように配置している。すなわち、さまざまな方向からの外力に対して高い強度を確保することができるように、溶接ビード６２の等方性を高める溶接が行われている。このように、フランジ５４の溶接を、式（３）を満たす範囲で、複数の箇所に行うようにすれば（さらに等方性を高めた形であればなおよい）、フランジ５４の側の固定強度を十分に高く設定することができる。もちろん、フランジ５４の溶接を、フランジ５４の外周全てにわたって行うようにしてもよい。しかし、フランジ５４の全周に対して行う場合には、溶接工程に要する時間とコストが高くなることから、図３に示したように、必要な強度を確保できる範囲で部分的に溶接を行うことも有効となる。

ここで、カラー５０の取り付けにかかる一連の工程について説明する。工程では、まず、鋼板を所定の形状に打ち抜いてアッパメンバ４０の原形が形成される。この際には、挿入孔４０ａの打ち抜きも行われる。同様に、挿入孔４２ａの打ち抜きを含むロアメンバ４２の打ち抜きが行われる。次に、アッパメンバ４０とロアメンバ４２が所定の形状に曲げ加工され、組み合わされて、溶接される。これにより、閉じ断面部材からなる左サイドレール１２が形成される。左サイドレール１２は、フロントクロスメンバ１６、リアクロスメンバ１８、右サイドレール１４と組み合わされて、サスペンションメンバ１０が形成される。これらの工程では、挿入孔４０ａと挿入孔４２ａは垂直方向に同軸となるように設計され、組み立てられるが、一般的には、公差の範囲で同軸からわずかにずれが生じることになる。

カラー５０は、円筒部５２の上端面５２ｂを先頭にして、ロアメンバ４２の側から挿入される。これにより、図２に示したように、円筒部５２が、挿入孔４２ａ、４０ａに挿入され、フランジ５４はロアメンバ４２と重複部６４の重複をもって面的に接触する。

この状態で、円筒部５２とアッパメンバ４０との溶接が行われる。溶接の際には、円筒部５２が、アッパメンバ４０及びロアメンバ４２に対して垂直となるように、高い精度で角度の調整が行われる。このため、挿入孔４０ａ、４２ａが垂直に配置されていない場合には、円筒部５２は、ロアメンバ４２の挿入孔４２ａの中心からずれた位置に配置される。しかし、挿入孔４２ａでは、フランジ５４とロアメンバ４２とが公差に比べて十分に広い重複部６４によって、このずれを吸収することができるため、製造及び強度上の問題は生じない。むしろ、カラー５０を垂直に精度よく設置することで、マウント部２２の強度を十分に高く設定することが可能となっている。また、重複部６４によって、ロアメンバ４２の剛性を高めNVを改善するとともに、軸方向の強度も向上させることができている。

続いて、フランジ５４とロアメンバ４２との溶接が行われる。この溶接は、式（３）に示した関係を満たす長さで行われ、両者は十分な強度で結合される。同様にして、カラー５０は、サスペンションメンバ１０の他の３隅にも取り付けられる。

その後、サスペンションメンバ１０は、図１に示した右フロントサイドメンバ３０の突出部３２、３４、及び、図示を省略した左フロントサイドメンバの２つの突出部にカラー５０を介して固定される。具体的には、カラー５０の上端面５２ｂが、突出部の下面に接するように配置される。突出部の下面には、ボルト孔が設けられており、このボルト孔とカラー５０の円筒部５２の開口が同軸となるように、位置決めが行われる。そして、ボルトが円筒部５２の下端面５２ｃから挿入される。ボルトの頭部は円筒部５２の内部５２ａよりも大きく作られており、下端面５２ｃと圧着するように締め付けられる。他方、ボルトの先端は、円筒部５２の内部５２ａを貫通し、突出部下面のボルト孔に挿入される。そして、突出部の内部にはナットが配置されており、ボルトはこのナットとねじ締結される。この工程を４つのカラー５０に対して行うことで、サスペンションメンバ１０と右フロントサイドメンバ３０及び左フロントサイドメンバとの締結が完了する。

以上の実施形態において、カラー５０の製法は特に問わない。しかし、例えば、鍛造、削り出し、鋳造などによって円筒部５２とフランジ５４とを一体的に形成した場合には、別部材を組み合わせた場合に比べて剛性を高めることが可能となる。またフランジ５４の外周の形状は円形であるとしたが、例えば、設置される部位の形状に合わせて方形や楕円形など様々な形状とすることが可能である。しかし、円形とすることで等方性を高め、全体としてカラーの剛性および組付挿入時の容易性を向上させることが期待できる。

次に、図４を参照して、第２の実施形態について説明する。図４は図２に対応する断面図であり、図２と同一または対応する部位には同一の符号を付して説明を省略ないしは簡略化する。

図４では、図２のカラー５０に代えて、カラー７０が用いられている。カラー７０は、円筒部７２とフランジ７４を備えている。カラー７０とカラー５０の違いは、カラー７０の円筒部７２の下端面７２ｃが、フランジ７４の下面と同じ位置に設定されていることである。円筒部７２の上端面７２ｂの位置は変わらないため、全体として、円筒部７２が軸方向に短く形成されている。

カラー７０は、カラー５０に比べて、若干小さく作られるため、軽量化及び低コスト化を図ることが可能となる。円筒部７２の内部７２ａに挿入されるボルトも短くすることが可能となる。また、ボルトの頭部は、円筒部７２の下端面７２ｃのみならず、フランジ７４の下面も使って広い面積で受けることが可能となるため、ボルト締結の安定度を向上させることが期待できる。

ここで、図５を参照して、参考形態について説明する。図５は、図２及び図４に対応する断面図であり、図２及び図４と同一または対応する部位には同一の符号を付して説明を省略ないしは簡略化する。

図５では、カラー１００が用いられている。このカラー１００は、円筒部１０２のみによって形成されており、フランジを有していない。このため、ロアメンバ４２には、円筒部１０２の外径よりもわずかに大きく作られた挿入孔４２ｘが設けられている。そして、挿入孔４２ｘ付近では、円筒部１０２の外周面と、ロアメンバ４２の下面とが、全周にわたってアーク溶接されて、溶接ビード１１０が形成されている。円筒部１０２の上端面１０２ｂと下端面１０２ｃの位置、及び円筒部１０２の内部１０２ａの形状は、図２に示したものと同様である。

この構成によれば、カラー１００を垂直に設置するためには、カラー１００が串刺しされる挿入孔４０ａ、４２ｘの配置を極めて精度よく設定する必要があり、時間とコストを要することになる。また、円筒部１０２の外周面とロアメンバ４２の下面との溶接長は、最長でも、円筒部１０２の外周の長さにしかならない。さらに、ロアメンバ４２の広い面における剛性の補強ができていない。これに対し、図２〜図４に示した実施形態では、上述のように、これらの点を改善することができている。

以上の説明では、サスペンションメンバ１０と右フロントサイドメンバ３０及び左フロントサイドメンバとの締結を例に挙げて説明した。しかし、本実施形態にかかる締結構造は、車両の他の箇所にも適用可能である。一例としては、上記特許文献１に記載されたサスペンションメンバとスタビライザブラケットの固定に適用する態様が挙げられる。また、別の例としては、右フロントサイドメンバ３０などの閉じ断面部材に対して、カラーを設置し、他部材と締結する態様が挙げられる。車両では、軽量化の観点から閉じ断面部材だけでは、他部材との締結において十分な強度を確保できないため、そのような様々な箇所に本実施形態を適用することが有効となる。

１０ サスペンションメンバ、１２ 左サイドレール、１４ 右サイドレール、１６ フロントクロスメンバ、１８ リアクロスメンバ、２０ エンジンマウントブラケット、２２、２４ マウント部、３０ 右フロントサイドメンバ、３２、３４ 突出部、４０ アッパメンバ、４０ａ 挿入孔、４０ｂ、４０ｃ 段差、４２ ロアメンバ、４２ａ、４２ｘ 挿入孔、４４ 内部、４６ 溶接ビード、５０、７０、１００ カラー、５２、７２、１０２ 円筒部、５２ａ、７２ａ、１０２ａ 内部、５２ｂ、７２ｂ、１０２ｂ 上端面、５２ｃ、７２ｃ、１０２ｃ 下端面、５４、７４ フランジ、６０ 溶接ビード、６２、１１０ 溶接ビード、６４ 重複部。

Claims (3)

1. 周囲を部材で囲まれた断面形状をもつ閉じ断面部材の締結に、補強部材としてカラーが用いられる車両の締結構造において、
   前記閉じ断面部材の対向する第１面及び第２面に形成された挿入孔と、
   ２つの前記挿入孔を貫通して挿入される円筒部を有した前記カラーと、
   を備え、
   前記カラーの前記円筒部と前記第１面とが溶接され、
   前記カラーは前記円筒部の外周側に拡がるフランジを前記第２面の外面側に有しており、当該フランジと当該第２面とが溶接され、
   これらの溶接は、前記第１面における溶接面積よりも前記第２面における溶接面積が広くなるように行われている、ことを特徴とする車両の締結構造。
2. 請求項１に記載の車両の締結構造において、
   前記フランジの外周は円形に形成されており、
   前記第２面では、前記フランジの円形の外周面と当該第２面とが溶接される、ことを特徴とする車両の締結構造。
3. 請求項１に記載の車両の締結構造において、
   前記第２面の挿入孔は、前記第１面の挿入孔よりも大きく、かつ、前記フランジよりも小さく形成されており、
   前記第２面では、前記フランジと当該第２面とが面接触し、かつ、前記フランジの外周面と当該第２面とが溶接される、ことを特徴とする車両の締結構造。