JP2020040556A - 車両用骨格部材 - Google Patents

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Abstract

【課題】全体の剛性及び強度を確保しつつ、曲げ変形時に引張応力が作用する側における破断を抑制することができる車両用骨格部材を得る。【解決手段】バンパリインフォースメント10は、曲げ変形が生じた場合に圧縮応力が作用する後壁部16Aと、後壁部16Aと対向すると共に曲げ変形が生じた場合に引張応力が作用する前壁部16Bと、後壁部16A及び前壁部16Bの一端同士及び他端同士をそれぞれ連結すると共に互いに対向する上壁部16C及び下壁部16Dと、により閉断面構造とされた本体部16と、本体部16の閉断面内に設けられ、且つ本体部16の長手方向一端から他端まで一様に延在されて、後壁部16Aと、上壁部16Cと、下壁部16Dとを相互に連結するリブ部18と、を備える。【選択図】図2

Description

本発明は、車両用骨格部材に関する。
特許文献1には、略コ字形状の断面を有する部材本体における溝部中央部に、リブが配置された構造部材が開示されている。このリブは、部材本体の断面内において溝部底面から開口を越えない範囲で略垂直に立ち上がると共に、部材本体の長手方向一端から他端まで延在されて、長手方向に複数の切欠が設けられている。曲げ荷重が負荷された場合には、この切欠から折れ変形が生じることでリブの付け根や交差部への負荷が軽減され、破断が抑制されるというものである。
特開2003−301880号公報
特許文献1に開示された構造部材では、リブに切欠を設けることによりリブの付け根や交差部の負荷を軽減している。しかしながら、切欠を設けることで、構造部材全体としての剛性及び強度が低下する。
本発明は上記事実を考慮し、全体の剛性及び強度を確保しつつ、曲げ変形時に引張応力が作用する側における破断を抑制することができる車両用骨格部材を得ることを目的とする。
請求項1に記載の車両用骨格部材は、曲げ変形が生じた場合に圧縮応力が作用する圧縮側壁部と、前記圧縮側壁部と対向すると共に前記曲げ変形が生じた場合に引張応力が作用する引張側壁部と、前記圧縮側壁部及び前記引張側壁部の一端同士及び他端同士をそれぞれ連結すると共に互いに対向する第1連結壁部及び第2連結壁部と、により閉断面構造とされた本体部と、前記本体部の閉断面内に設けられ、且つ前記本体部の長手方向一端から他端まで一様に延在されて、前記圧縮側壁部と、前記第1連結壁部と、前記第2連結壁部とを相互に連結するリブ部と、を備える。
請求項1に記載の車両用骨格部材では、本体部が閉断面構造とされている。この本体部の一部を構成する圧縮側壁部は、曲げ変形が生じた場合に圧縮応力が作用する側に設けられている。また、本体部において曲げ変形が生じた場合に引張応力が作用する側には、圧縮側壁部に対向して引張側壁部が設けられている。そして、圧縮側壁部及び引張側壁部の一端同士及び他端同士が、互いに対向する第1連結壁部及び第2連結壁部によりそれぞれ連結されている。また、本体部の閉断面内に設けられたリブ部が、本体部の長手方向一端から他端まで一様に延在されている。このリブ部は、圧縮側壁部と、第1連結壁部と、第2連結壁部とを相互に連結している。
仮に、車両用骨格部材に曲げ変形が生じた場合には、閉断面構造とされた本体部の引張側(引張応力が作用する側)に配置された引張側壁部に最も大きい引張応力が作用する。また、本体部の圧縮側(圧縮応力が作用する側)に配置された圧縮側壁部に配置された圧縮側壁部に最も大きい圧縮応力が作用する。ここで、一般的に、金属に曲げ変形が発生した場合には、圧縮応力よりも引張応力による破断が生じやすいことから、仮にリブ部が引張側壁部と圧縮側壁部とに連結されている場合には、圧縮側壁部との連結部位よりも引張側壁部との連結部位において早期に破断が生じる可能性がある。
そこで、本発明の車両用骨格部材では、最も大きい引張応力が作用する引張側壁部ではなく、圧縮側壁部と第1連結壁部と第2連結壁部とにリブ部が連結されている。このため、引張側壁部にリブ部が連結される場合と比較して、曲げ変形時にリブ部と本体部との連結部位に作用する引張応力が軽減される。これにより、引張側におけるリブ部と本体部との連結部位(リブ部の付け根)の破断を抑制することができる。
また、リブ部は本体部の長手方向一端から他端まで一様に延在されていることから、リブ部に切欠を設けた場合と比較して、車両用骨格部材全体の剛性及び強度を高めることができる。したがって、全体の剛性及び強度を確保しつつ、曲げ変形時に引張応力が作用する側における破断を抑制することができる。
以上説明したように、本発明の車両用骨格部材によれば、全体の剛性及び強度を確保しつつ、曲げ変形時に引張応力が作用する側における破断を抑制することができる、という優れた効果を有する。
本実施形態に係るバンパリインフォースメントが適用された車両の後部を概略的に示す概略平面図である。 図1のバンパリインフォースメントを2−2線で切断した状態を示す縦断面図及び対応する応力分布図である。 本実施形態の第1変形例に係るバンパリインフォースメントを示す縦断面図である。 本実施形態の第2変形例に係るバンパリインフォースメントを示す縦断面図である。 比較例に係るバンパリインフォースメントを示す縦断面図及び対応する応力分布図である。
本実施形態に係る「車両用骨格部材」としてのバンパリインフォースメント10について、図面を参照して説明する。なお、各図に適宜記す矢印FR、矢印UP、矢印RHは、車両の前方向、上方向、右方向をそれぞれ示している。以下、単に前後、上下、左右の方向を用いて説明する場合は、特に断りのない限り、車両前後方向の前後、車両上下方向の上下、車幅方向の左右を示すものとする。
図1には、本実施形態に係るバンパリインフォースメント10が適用された車両12の後部が示されている。この図に示されるように、車両12の後部には、車幅方向に沿って延在されたバンパリインフォースメント10と、車両後部の両サイドにおいて車両前後方向に延在された左右一対のリアサイドメンバ14とが設けられている。左右一対のリアサイドメンバ14は、車両前後方向を軸方向とする閉断面構造の骨格部材であり、それぞれの後端が図示しないクラッシュボックスを介してバンパリインフォースメント10に連結されている。バンパリインフォースメント10の車幅方向両端部はそれぞれ、平面視で車幅方向外側に向かうにつれて車両前方側へ湾曲されており、リアサイドメンバ14よりも車幅方向外側まで延在されている。
仮に、バンパリインフォースメント10の車幅方向中央部付近に車両後方に位置する物体が衝突する後面衝突が発生した場合には、バンパリインフォースメント10に対して衝突荷重Fが入力される。衝突荷重Fにより、バンパリインフォースメント10には曲げモーメントMが発生し、衝突荷重Fが入力された点を起点として、曲げ変形が生じる。このとき、バンパリインフォースメント10において衝突荷重Fが入力される側(車両後側)は圧縮応力が作用する圧縮側、衝突荷重Fが入力されるのとは反対側(車両前側)は引張応力が作用する引張側となる。
図2には、本実施形態に係るバンパリインフォースメント10の縦断面図が示されている。縦断面図の下には、縦断面図に対応した車両前後方向の応力分布が線Sにより示されている。この縦断面図に示されるように、バンパリインフォースメント10は、略矩形の閉断面構造とされた本体部16と、本体部16の閉断面内に設けられたリブ部18と、を含んで構成されている。バンパリインフォースメント10は、例えばアルミニウム合金等の金属の押出成形によって製造される。
本体部16は、側面視で車両上下方向に延在すると共に車両後側に配置された「圧縮側壁部」としての後壁部16Aと、車両前側に後壁部16Aと対向して配置された「引張側壁部」としての前壁部16Bと、後壁部16A及び前壁部16Bの上端同士を連結し、車両前後方向に延在された「第1連結壁部」としての上壁部16Cと、後壁部16A及び前壁部16Bの下端同士を連結し、上壁部16Cに対向して配置された「第2連結壁部」としての下壁部16Dと、を含んで構成されている。
リブ部18は、後壁部16Aの車両上下方向中央部から本体部16の車両前後方向中央部まで上壁部16C及び下壁部16Dに略平行に延在された第1リブ18Aと、第1リブ18Aの車両前側端部から本体部16の上壁部16Cの下面まで斜め上向きに延在された第2リブ18Bと、第1リブ18Aの車両前側端部から本体部16の下壁部16Dの上面まで斜め下向きに延在された第3リブ18Cと、を含んで構成されている。第1リブ18A、第2リブ18B及び第3リブ18Cは、本体部16と一体に押出成形により製造され、本体部16の長手方向(押出成形時の押出方向)一端から他端まで、すなわち車幅方向の全長に亘って一様に延在されている。
バンパリインフォースメント10の後壁部16Aと前壁部16Bとの間には、車両上下方向に曲げ中立軸N(仮に後面衝突による衝突荷重Fが入力された場合に、圧縮応力も引張応力も作用しない中立面と図2に示されるバンパリインフォースメント10の断面とが交わる線)が延在している。すなわち、後壁部16A及び前壁部16Bの上端同士及び下端同士をそれぞれ連結する上壁部16C及び下壁部16Dは、圧縮側から引張側まで曲げ中立軸Nを横切って延在されている。
応力分布図に示されるように、応力分布を示す線Sは、曲げ中立軸Nとの交点が原点O(応力がゼロの点)であり、曲げ中立軸Nからの距離が大きくなるほど応力の絶対値が大きくなる。すなわち、仮に後面衝突による衝突荷重F(図1参照)が入力されてバンパリインフォースメント10に曲げ変形が生じた場合には、曲げ中立軸Nから圧縮側に最も離れた位置に配置されている後壁部16Aには、最も大きい圧縮応力(図2において「−σ」で示される)が作用する。また、曲げ中立軸Nから引張側に最も離れた位置に配置されている前壁部16Bには、最も大きい引張応力(図2において「+σ」で示される)が作用する。
第2リブ18Bと上壁部16Cとが連結される部位である連結部J1と、第3リブ18Cと下壁部16Dとが連結される部位である連結部J2とは、それぞれ曲げ中立軸Nと前壁部16Bとの間に位置している。連結部J1、J2における引張応力(図2において「+σ」で示される)は、前壁部16Bにおける引張応力(+σ)よりも小さくなっている。また、第1リブ18A、第2リブ18B、及び第3リブ18Cの連結部J3は、曲げ中立軸N上に位置している。
なお、図2においては、説明の便宜上、曲げ中立軸Nがバンパリインフォースメント10の車両前後方向中央部を通り、図心を通過するように示されているが、実際には、曲げ中立軸Nの車両前後方向の位置は、バンパリインフォースメント10の各部の板厚や、断面形状(例えば連結部J1、J2、J3の位置等)により変わるものであり、図心を通過するとは限らない。仮に、曲げ中立軸Nの位置が図2に示される位置と異なる場合でも、後壁部16Aにおいて圧縮応力が最大となること、前壁部16Bにおいて引張応力が最大となること、そして曲げ中立軸Nと前壁部16Bとの間に位置する連結部J1、J2における引張応力が前壁部16Bにおける引張応力よりも小さいこと、は変わらない。
<作用及び効果>
次に、本実施形態の作用及び効果について、図5に示す比較例と対比しつつ説明する。
図5には、比較例に係るバンパリインフォースメント100を車幅方向中央部で切断した縦断面図が示されている。縦断面図の下には、縦断面図に対応した車両前後方向の応力分布が線Sにより示されている。これらの図に示されるように、バンパリインフォースメント100は、断面が日の字形状とされている。すなわち、本体部16の閉断面内に設けられたリブ部102は、車両上下方向中央部において圧縮側の後壁部16Aと、引張側の前壁部16Bとにそれぞれ連結され、本体部16の上壁部16C及び下壁部16Dに略平行に延在されている。ここで、後壁部16A及び前壁部16Bは、それぞれ曲げ中立軸Nからの距離が最も大きい。
言い換えると、バンパリインフォースメント100に車両後方に位置する物体が衝突する後面衝突が発生して衝突荷重が入力され、バンパリインフォースメント100に曲げ変形が生じた場合には、後壁部16Aには、最も大きい圧縮応力(図5において「−σ」で示される)が作用する。また、前壁部16Bには最も大きい引張応力(図5において「+σ」で示される)が作用する。ここで、一般的に、金属に曲げ変形が発生した場合には、圧縮応力よりも引張応力による破断が生じやすい。このため、最も大きい引張応力(+σ)が作用する前壁部16Bとリブ部102との連結部J5(リブ部102の付け根)には、早期に破断が生じやすい。
これに対し、本実施形態のバンパリインフォースメント10では、図2に示されるように、本体部16の閉断面内に設けられたリブ部18を構成する第1リブ18Aが後壁部16Aに、第2リブ18Bが上壁部16Cに、そして第3リブ18Cが下壁部16Dにそれぞれ連結されている。
このように、本体部16において最も大きい引張応力(+σ)が作用する引張側の前壁部16Bではなく、前壁部16Bよりも曲げ中立軸Nとの距離が小さい上壁部16C及び下壁部16Dにリブ部が連結されることにより、図5に示される比較例のように前壁部16Bにリブ部102が連結される場合と比較して、曲げ変形時にリブ部18と本体部16との連結部J1、J2に作用する引張応力が軽減される。これにより、引張側におけるリブ部18と本体部16との連結部位(連結部J1、J2)の破断を抑制することができる。
また、リブ部18が本体部16の長手方向一端から他端まで一様に延在されていることから、リブ部18に切欠を設けた場合と比較して、バンパリインフォースメント10全体の剛性及び強度を高めることができる。したがって、バンパリインフォースメント10全体の剛性及び強度を確保しつつ、曲げ変形時に引張応力が作用する側における破断を抑制することができる。
また、本実施形態では、図2に示されるように、リブ部18が後壁部16Aと、上壁部16Cと、下壁部16Dとに連結されていることにより、本体部16の閉断面が3つの中空部20、22、24に分割されている。このため、図5に示される比較例のように断面が日の字形状の場合と比較して、各中空部の断面積がより小さく、大変形を生じる衝突の場合等にも断面崩れを抑制することができる。また、リブ部18が後壁部16Aと、上壁部16Cと、下壁部16Dとに連結されていることにより、例えば断面略コ字形状の部材本体の溝部底面にのみリブ部が固定されている場合と比較して、断面崩れを抑制する効果が得られやすい。
なお、本実施形態のバンパリインフォースメント10におけるリブ部18は、図2に示されるように第1リブ18A、第2リブ18B、及び第3リブ18Cが連結部J3で連結される構成としたが、これに限定されない。例えば、図3及び図4に示す変形例のような構成としてもよい。
(第1変形例)
図3に示されるように、第1変形例に係るバンパリインフォースメント30においては、リブ部32は、本体部16の後壁部16Aの上下方向中央部よりも上側から本体部16の車両前後方向中間部まで上壁部16Cに略平行に延在された第1リブ32Aと、第1リブ32Aの下側に第1リブ32Aと略平行に延在された第2リブ32Bとを備えている。すなわち、図2に示されるバンパリインフォースメント10におけるリブ部18では、車両前後方向に延在されるのは第1リブ18Aの1つのみであるが、図3に示される第1変形例のリブ部32では、第1リブ32A及び第2リブ32Bの2つとなっている。リブ部32はさらに、第1リブ32Aの車両前側端部に連結された第3リブ32Cと、第2リブ32Bの車両前側端部に連結された第4リブ32Dと、を備えている。
第3リブ32C及び第4リブ32Dは、それぞれ連結部J6及びJ7において第1リブ32A及び第2リブ32Bの車両前側端部に連結されている。また、第3リブ32C及び第4リブ32Dは、本体部16の図心近傍に位置する連結部J8で互いに連結されている。そして、第3リブ32Cは連結部J8から本体部16の上壁部16Cの下面まで斜め上向きに延在されて連結部J9で上壁部16Cと連結されている。同様に、第4リブ32Dは、連結部J8から本体部16の下壁部16Dの上面まで斜め下向きに延在されて連結部J10で下壁部16Dと連結されている。第1リブ32A、第2リブ32B、第3リブ32C及び第4リブ32Dは、本体部16と一体に押出成形により製造され、本体部16の長手方向(押出成形時の押出方向)一端から他端まで、すなわち車幅方向の全長に亘って一様に延在されている。
(第2変形例)
図4に示されるように、第2変形例に係るバンパリインフォースメント40においては、リブ部42は、本体部16の後壁部16Aの上下方向中央部から本体部16の上壁部16Cの下面まで斜め上向きに延在されて連結部J11において上壁部16Cと連結された第1リブ42Aと、本体部16の後壁部16Aの上下方向中央部から本体部16の下壁部16Dの上面まで斜め下向きに延在されて連結部J12において下壁部16Dと連結された第2リブ42Bと、を備えている。すなわち、リブ部42は、車両前後方向に延在される部分を含まずに、連結部J13、J11、J12においてそれぞれ後壁部16A、上壁部16C、下壁部16Dに連結されている。第1リブ42A及び第2リブ42Bは、本体部16と一体に押出成形により製造され、本体部16の長手方向(押出成形時の押出方向)一端から他端まで、すなわち車幅方向の全長に亘って一様に延在されている。
以上説明した第1変形例のバンパリインフォースメント30、及び第2変形例のバンパリインフォースメント40では、リブ部32、42が後壁部16A、上壁部16C及び下壁部16Dに連結されるので、上述した本実施形態のバンパリインフォースメント10と同様の効果を有する。すなわち、図5に示される比較例のように最も大きい引張応力が作用する前壁部16Bにリブ部102が連結される場合と比較して、曲げ変形時にリブ部32、42と本体部16との連結部J9、J10、J11、J12に作用する引張応力が軽減される。これにより、引張側におけるリブ部32、42と本体部16との連結部位(連結部J9、J10、J11、J12)の破断を抑制することができる。また、リブ部32、42に切欠を設けた場合と比較して、全体の剛性及び強度を確保しつつ、曲げ変形時に引張応力が作用する側における破断を抑制することができる。
なお、上記実施形態においては、本発明の車両用骨格部材を車両後部のバンパリインフォースメント(リアバンパリインフォースメント)に適用するものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、車両前部のフロントバンパリインフォースメントや、車両前後方向に延在するサイドシル(ロッカ)に適用してもよい。フロントバンパリインフォースメントの場合には、車両前側の壁部が圧縮側壁部に、車両後側の壁部が引張側壁部にそれぞれ相当する。また、サイドシルの場合には、車幅方向外側の壁部が圧縮側壁部に、車幅方向内側の壁部が引張側壁部にそれぞれ相当する。また、フロントサスペンションメンバ、リアサスペンションメンバ等に適用してもよい。
また、上記実施形態においては、バンパリインフォースメント10、30、40は、アルミニウム合金等の金属の押出成形によって本体部16とリブ部18、32、42が一体に形成されるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、アルミニウム合金以外の金属の鋳造により製造してもよい。この場合でも、リブ部が本体部において最も大きい引張応力を受ける引張側壁部ではなく、引張側壁部と圧縮側壁部とを連結する第1連結壁部及び第2連結壁部と、圧縮側壁部とに連結されることにより、上記実施形態と同じ作用及び効果が得られる。また、押出成形や鋳造により製造された車両用骨格部材は、閉断面とするために他の部品を必要とせず、部品点数を最小に留めるとともに、断面崩れ抑止効果を得ることができる。
また、上記実施形態においては、図2及び図3に示されるように、曲げ中立軸N上に連結部J3、J8が配置されているが、これに限定されるものではない。例えば、曲げ中立軸Nよりも圧縮側、又は引張側に連結部J3、J8が配置されてもよい。
また、上記実施形態においては、図2〜図4に示されるように、リブ部18、32、42と本体部16の上壁部16C及び下壁部16Dとの連結部J1、J2、J9、J10、J11、J12は、曲げ中立軸Nと前壁部16Bとの略中央に位置しているが、これに限定されるものではない。連結部J1、J2、J9、J10、J11、J12と曲げ中立軸Nとの距離が小さくなるほど引張応力は小さくなるため、図2〜図4に示されるよりも曲げ中立軸N寄りに連結部J1、J2、J9、J10、J11、J12が配置されてもよい。また、曲げ中立軸Nの位置によっては、曲げ中立軸Nよりも圧縮側に連結部J1、J2、J9、J10、J11、J12が配置されてもよい。ただし、連結部J1、J2、J9、J10、J11、J12が引張側の曲げ中立軸N寄りの位置や圧縮側に配置されると、引張側の中空部の断面積が大きくなるため、所謂断面崩れを抑止する効果が低下する可能性がある。したがって、車両用骨格部材に求められる剛性等を考慮しつつ連結部J1、J2、J9、J10、J11、J12の位置を決定することが好ましい。
また、図2〜図4においては、バンパリインフォースメント10、30、40を構成する各部の板厚が同一であるように示されているが、これに限定されるものではない。例えば、リブ部18、32、42の板厚を車両用骨格部材に求められる剛性及び強度に合わせて調整してもよい。特に、本体部16の上壁部16C及び下壁部16Dに連結される第2リブ18B及び第3リブ18C(図2参照)、第3リブ32C及び第4リブ32D(図3参照)、第1リブ42A及び第2リブ42B(図4参照)の板厚を、車両用骨格部材に求められる剛性及び強度に合わせて調整することにより、大幅な重量増加を伴うことなく早期破断をさらに抑制することができる。
10 バンパリインフォースメント(車両用骨格部材)
16 本体部
16A 後壁部(圧縮側壁部)
16B 前壁部(引張側壁部)
16C 上壁部(第1連結壁部)
16D 下壁部(第2連結壁部)
18 リブ部

Claims (1)

  1. 曲げ変形が生じた場合に圧縮応力が作用する圧縮側壁部と、前記圧縮側壁部と対向すると共に前記曲げ変形が生じた場合に引張応力が作用する引張側壁部と、前記圧縮側壁部及び前記引張側壁部の一端同士及び他端同士をそれぞれ連結すると共に互いに対向する第1連結壁部及び第2連結壁部と、により閉断面構造とされた本体部と、
    前記本体部の閉断面内に設けられ、且つ前記本体部の長手方向一端から他端まで一様に延在されて、前記圧縮側壁部と、前記第1連結壁部と、前記第2連結壁部とを相互に連結するリブ部と、
    を備える車両用骨格部材。
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