JP2020083018A - 自動車のサブフレーム構造、該自動車のサブフレーム構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】重量を必要以上に増加させずに効率的に剛性を向上させた自動車のサブフレーム構造、該自動車のサブフレーム構造の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る自動車のサブフレーム構造１は、車両前後方向に延在する中空の部材からなる左右一対の車両前後方向部材３と、一対の車両前後方向部材３における車両前方側と車両後方側のそれぞれに接続されて車両左右方向に延在する中空の部材からなる前後一対の車両左右方向部材５と、で井桁状に形成されてなるものであって、車両前後方向部材３と前記車両左右方向部材５との接続部７における車両前後方向部材３及び車両左右方向部材５それぞれの内部に上面側と下面側とを繋ぐ筒状部材９が設置されていることを特徴とするものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車のサブフレーム構造、該自動車のサブフレーム構造の製造方法に関する。

自動車の車体下部には、サスペンションアームを取り付けるためのサブフレームが設置されている。そして、サブフレームは、井桁状の構造をなす部品であり、サスペンションを介して車体とタイヤとを繋ぐものであるために高い剛性を有する構造であることが重要である。

これまでに、高剛性なサブフレーム構造に関して様々な技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、サスペンションのリンク構造部材の取り付け部分に設けられた切欠部の周縁部分を補剛する支持部材を備えた車両のサブフレーム構造が開示されている。
また、特許文献２には、車体幅方向に延在する後フレームメンバと、該後フレームメンバと離間して車体幅方向に延在する縦フレームメンバと、該縦フレームメンバが結合されて中空断面構造の前フレームメンバとを備えたサブフレームを備え、前記前フレームメンバにおいては中央部範囲に発泡材が充填されるとともに側端部範囲に金属球が充填されているサブフレームが開示されている。

特開２００３−２２２９号公報 特開２０１１−１８９７８１号公報

特許文献１及び特許文献２に開示されている技術は、剛性確保のために金属製の支持部材を結合あるいは発泡材及び金属球を充填するものであるため、重量増加を要するものである。しかし、これらの技術においては、重量増加を抑えつつ十分な剛性を確保することについては何ら検討されていない。

自動車の走行時における車体運動を考えた場合、サブフレームは重心位置から遠いため大きな慣性力が働き、レーンチェンジなどの動きに影響を及ぼすため、出来るだけ軽量であることが必要である。さらに、車両重量が増加することにより燃費の悪化を招くことから、近年の自動車産業においては環境問題に起因した車両の軽量化が進められている。
そのため、自動車のサブフレーム構造においては、可能な限り重量を増加させずに必要な剛性を満たすことが求められていた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、可能な限り重量を増加させずに効率的に剛性を向上させた自動車のサブフレーム構造、該自動車のサブフレーム構造の製造方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る自動車のサブフレーム構造は、車両前後方向に延在する中空の部材からなる左右一対の車両前後方向部材と、該一対の車両前後方向部材における車両前方側と車両後方側のそれぞれに接続されて車両左右方向に延在する中空の部材からなる前後一対の車両左右方向部材と、で井桁状に形成されてなるものであって、前記車両前後方向部材と前記車両左右方向部材との接続部における該車両前後方向部材及び該車両左右方向部材それぞれの内部に上面側と下面側とを繋ぐ筒状部材が設置されていることを特徴とするものである。

（２）本発明に係る自動車のサブフレーム構造は、車両前後方向に延在する中空の部材からなる左右一対の車両前後方向部材と、該一対の車両前後方向部材における車両前方側と車両後方側のそれぞれに接続されて車両左右方向に延在する中空の部材からなる前後一対の車両左右方向部材と、で井桁状に形成されてなるものであって、前記車両前後方向部材及び車両左右方向部材それぞれの内面を繋ぐように設置された筒状部材を有し、該筒状部材の設置位置は、前記車両前後方向部材及び前記車両左右方向部材の内部に設置されて補剛する補剛部材の形状最適化解析方法による解析結果に基づいて設定されていることを特徴とするものである。

（３）本発明に係る自動車のサブフレーム構造の製造方法は、車両前後方向に延在する中空の部材からなる左右一対の車両前後方向部材と、該一対の車両前後方向部材における車両前方側と車両後方側のそれぞれに接続されて車両左右方向に延在する中空の部材からなる前後一対の車両左右方向部材と、で井桁状に形成されてなり、内部に補剛部材を有する自動車のサブフレーム構造を製造するものであって、前記補剛部材をモデル化した補剛部材モデルの形状最適化解析を行い、該形状最適化解析の解析結果に基づいて、前記車両前後方向部材及び前記車両左右方向部材それぞれの内面を繋ぐように前記補剛部材モデルが柱状に残存した部位を前記補剛部材を設置する補剛部材設置位置として決定し、該補剛部材設置位置に前記車両前後方向部材及び前記車両左右方向部材の壁部を貫通する貫通穴を形成し、該形成した貫通穴に前記補剛部材としての筒状部材を挿通して、該筒状部材と前記車両前後方向部材及び前記車両左右方向部材それぞれの壁部とを接合する、ことを特徴とするものである。

本発明に係る自動車のサブフレーム構造によれば、車両前後方向に延在する中空の部材からなる左右一対の車両前後方向部材と、該一対の車両前後方向部材における車両前方側と車両後方側のそれぞれに接続されて車両左右方向に延在する中空の部材からなる前後一対の車両左右方向部材と、で井桁状に形成されてなるものであって、前記車両前後方向部材と前記車両左右方向部材との接続部における該車両前後方向部材及び該車両左右方向部材それぞれの内部に上面側と下面側とを繋ぐ筒状部材が配設されていることにより、荷重またはトルクが作用したときに前記接続部における車両前後方向部材及び前記車両左右方向部材の変形を抑制し、重量を必要以上に増加させずに効率的に剛性を向上させることができる。
さらに、本発明に係る自動車のサブフレーム構造の製造方法によれば、重量を必要以上に増加させずに効率的に剛性を向上させた自動車のサブフレーム構造を、容易かつ簡便に製造することができる。

本発明の実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造を説明する図である（（ａ）斜視図、（ｂ）接合部の拡大図、（ｃ）接合部の断面図）。 本発明で対象とする自動車のサブフレームと、該サブフレームを構成する車両前後方向部材及び車両左右方向部材を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造において、筒状部材を設置する位置の決定に用いる形状最適化解析方法の処理の流れを示すフローチャート図である。 本実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造において、車両前後方向部材及び車両左右方向部材の内部に形状最適化解析の対象となる補剛部材モデルを設定した状態を示す図である。 本実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造において、補剛部材の形状最適化解析における荷重・拘束条件を示す図である（その１）。 本実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造において、補剛部材の形状最適化解析におけるトルク・拘束条件を示す図である（その２）。 本実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造において、補剛部材の形状最適化解析の対象とするサブフレームに荷重・拘束条件を与えたときの変形挙動を示す図である（その１）。 本実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造において、補剛部材の形状最適化解析の対象とするサブフレームにトルク・拘束条件を与えたときの変形挙動を示す図である（その２）。 本実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造において、形状最適化解析により求められた最適形状補剛部材モデルを示す図である（（ａ）形状最適化解析前の補剛部材モデル、（ｂ）剛性Ａ〜剛性Ｃについての最適形状補剛部材モデル、（ｃ）剛性Ｄについての最適形状補剛部材モデル、（ｄ）複合最適化解析による最適形状補剛部材モデル）。 本実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造において、形状最適化解析により求められた最適形状補剛部材モデルにおいて柱状に残存した柱状部を示す図である。 本実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造において、補剛部材の形状最適化解析により求められた最適形状補剛部材モデルと筒状部材を設置する位置との関係の説明に用いる図である。 本発明の実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造において、荷重が作用したときの断面形状を示す図である（その１）。 本発明の実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造において、荷重が作用したときの断面形状を示す図である（その２）。 本発明の実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造の製造方法の各工程を示す図である。 実施例において、比較対象とした自動車のサブフレーム構造を示す図である。 実施例において、従来例として補剛をしていない自動車のサブフレームに荷重を与えたときの応力分布を示す図である。 実施例において、発明例に係る自動車のサブフレーム構造の剛性向上率の結果を示すグラフである。 実施例において、比較対象とした自動車のサブフレーム構造の剛性向上率の結果を示すグラフである。 実施例において、従来の自動車のサブフレームを基準としたときの剛性向上についての質量効率を示すグラフである。 実施例において、固有値解析により求めた各固有モードにおけるサブフレーム構造の変形形態と固有値の結果を示す図である。

＜自動車のサブフレーム構造＞
本発明の実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造１（以下、単に「サブフレーム構造１」という。）は、図１に一例として示すように、左右一対の車両前後方向部材３と前後一対の車両左右方向部材５とで井桁状に形成されてなるものであって、車両前後方向部材３と車両左右方向部材５とが接続されている接続部７に筒状部材９が設置されているものである。
以下、上記の各構成について説明する。なお、本願の図面に示されている座標軸は、サブフレーム構造１が車両に取り付けられているときの配置を示すものであり、Ｘ軸は車両前後方向（正：車両後方側）、Ｙ軸は車両左右方向（正：車両右方側）、Ｚ軸は車両上下方向（正：車両上方側）を示す。

車両前後方向部材３は、車両の前後方向に延在する中空の部材からなる左右一対のものである。本実施の形態において、車両前後方向部材３は、図１（ｃ）及び図２に示すように、コの字型の断面形状を有する車両下方側の車両前後方向部材（ロア）３ａと車両上方側の車両前後方向部材（アッパ）３ｂそれぞれの開口側を対向させて接合することで中空状に形成したものである。

車両左右方向部材５は、左右一対の車両前後方向部材３における車両前方側と車両後方側のそれぞれに接続されて車両左右方向に延在する中空の部材からなる前後一対のものであり、左右一対の車両前後方向部材３の間に離間して配置されている。本実施の形態において、車両左右方向部材５は、図１（ｃ）及び図２に示すように、コの字型の断面形状を有する車両左右方向部材（リア側リア）５ａと車両左右方向部材（リア側フロント）５ｂ、又は、車両左右方向部材（フロント側ロア）５ｃと車両左右方向部材（フロント側アッパ）５ｄそれぞれの開口側を対向させて接合することで中空状に形成したものである。

図１に示すサブフレーム構造１において、車両左右方向部材５の両端は、車両前後方向部材３における車両左右方向内側の側壁面に接続されている。これにより、車両前後方向部材３と車両左右方向部材５との各接続部７において、その内部は車両前後方向部材３の側壁面によって車両前後方向部材３側と車両左右方向部材５側とに区分けされている。

筒状部材９は、車両前後方向部材３と前記車両左右方向部材５との接続部７における車両前後方向部材３及び車両左右方向部材５それぞれの内部にて上面側と下面側とを繋ぐように設置されている（図１（ｂ）、（ｃ）参照）。

筒状部材９の材質は金属製とし、その寸法については、重量の増加を可能な限り抑制しつつ効率的に剛性を向上させるといった観点から、肉厚を1.0〜2.0mm、外径はφ10mm程度とすることが好ましい。

前述のとおり、図１に示す筒状部材９は、後述する形状最適化解析により得られた解析結果に基づいて設置する位置を決定したものである。このように、本発明に係るサブフレーム構造は、形状最適化解析の解析結果に基づいて筒状部材９の設置位置を決定すればよい。
もっとも、本発明において、車両前後方向部材と車両左右方向部材との接続部に筒状部材を有するものであれば、形状最適化解析を行わずに筒状部材の設置位置を適宜決定したものであってもよい。
なお、筒状部材は、車両前後方向部材及び車両左右方向部材の壁面に接合されており、接合としては、溶接を適用することができる。

さらに、本発明に係るサブフレーム構造は、接続部７にのみ筒状部材９が設置されたものに限られるものではなく、図１に示すように、車両前後方向部材３や車両左右方向部材におけるサスペンションアーム１７（後述する図５及び図６参照）が接続する部位の内面側を柱状に繋ぐように筒状部材９ａがさらに設置されたものであってもよい。

＜形状最適化解析方法＞
次に、筒状部材９の設置位置を決定する形状最適化解析方法について説明する。
形状最適化解析方法とは、予め所定の形状を想定し、該所定の形状を前提として最適な形状を求めるものではなく、所定の形状を想定することなく、与えられた解析条件を満たす最適な形状をトポロジー最適化等により求めるものである。

また、トポロジー最適化とは、ある程度の大きさの設計空間を設け、当該設計空間に立体要素を組み込み、与えられた解析条件を満たしつつ必要最小限の立体要素を残すことで当該解析条件を満たす最適形状を得るという方法である。トポロジー最適化においては、設計空間をなす立体要素に直接拘束を行い、直接荷重を加えるという方法が用いられる。

本発明の実施の形態においては、車両前後方向部材３及び車両左右方向部材５それぞれの内部を補剛部材で埋めたものを解析対象として形状最適化解析を行い、その最適化解析により前記補剛部材のうち不要な部分を取り除いた解析結果に基づいて筒状部材９の設置位置を決定する。

形状最適化解析は、図３に示すステップＳ１からステップＳ９を実行することにより行うことができる。以下、図３に示す各ステップにおける処理について説明する。なお、ステップＳ１からステップＳ９は、コンピュータ上で実行することができる。

≪構造体モデル取得ステップ≫
構造体モデル取得ステップＳ１は、平面要素及び／又は立体要素を用いて構造体をモデル化した構造体モデルを取得するステップである。
本実施の形態において、構造体モデルは、左右一対の車両前後方向部材３と前後一対の車両左右方向部材５とが井桁状に形成されてなるサブフレーム１１（図２参照）を対象としたものである。

≪補剛部材モデル生成ステップ≫
補剛部材モデル生成ステップＳ３は、立体要素からなり前記構造体モデルと結合する補剛部材モデル１３（図４参照）を生成するステップである。

本実施の形態において、補剛部材モデル１３は、車両前後方向部材３及び車両左右方向部材５それぞれの内部の空間を埋めるように複数の立体要素を生成したものとする。ここで、立体要素の生成においては、車両前後方向部材３及び車両左右方向部材５の内部に設計空間を設定し、該設計空間に立体要素を組み混むようにすればよい。

このように生成された補剛部材モデル１３は、後述する最適化解析モデル生成ステップＳ７における最適化解析の対象となるものであり、最適化解析の過程において、補剛に不要な部位に位置する立体要素は消去され、補剛に必要となる部位に位置する立体要素が残存する。

≪材料特性設定ステップ≫
材料特性設定ステップＳ５は、補剛部材モデル生成ステップＳ３において生成した補剛部材モデル１３の材料特性を設定するステップである。
本発明では、金属製の筒状部材９を設置する位置を対象としているため、材料特性設定ステップＳ５において補剛部材モデル１３に設定する材料特性としては、金属のヤング率、ポアソン比および比重などが挙げられる。

≪最適化解析モデル生成ステップ≫
最適化解析モデル生成ステップＳ７は、補剛部材モデル生成ステップＳ３において生成した補剛部材モデル１３を構造体モデルであるサブフレーム１１に結合し、図４に例示する最適化解析モデル１５を生成するものである。

サブフレーム１１と補剛部材モデル１３との結合は、例えば、サブフレーム１１が平面要素でモデル化したものである場合、補剛部材モデル１３を構成する立体要素のノード（節点）とサブフレームの平面要素のノードとを共有することにより行うことができる。

もっとも、最適化解析モデル生成ステップＳ７において、構造体モデルと補剛部材モデルとの結合は、上記のノード共有に限るものではなく、剛体要素、梁要素、平面要素などを介して構造体モデルと補剛部材モデルとを結合するものであってもよく、いずれにおいても、形状最適化解析において構造体モデルと補剛部材モデルとの間で荷重が伝達されるように結合するものであればよい。

≪最適化解析ステップ≫
最適化解析ステップＳ９は、最適化解析モデル生成ステップＳ７において生成した最適化解析モデル１５に解析条件を与え、補剛部材モデル１３を対象として最適化解析を行い、補剛部材モデル１３の最適形状を求めるステップである。

最適化解析ステップＳ９における最適化解析には、トポロジー最適化を適用することができる。さらに、トポロジー最適化において密度法を適用する場合、要素のペナルティ係数を2以上に設定して離散化を行うようにすることが好ましい。

もっとも、最適化解析ステップＳ９における最適化解析には、他の計算方式により最適化の解析処理を適用することができる。最適化の解析処理を行うものとしては、例えば、市販されている有限要素を用いた解析ソフトを使用することができる。

最適化解析ステップＳ９において最適化解析モデル１５に与える解析条件としては、荷重を与える位置や拘束位置を与える荷重・拘束条件または、トルクを与える位置や拘束位置を与えるトルク・拘束条件と、最適化解析の目的に応じて設定する目的条件および制約条件がある。

目的条件であるサブフレーム構造の剛性を評価するためには、いくつもの荷重またはトルクの入力条件が考えられる。本実施の形態では、最適化解析ステップＳ９において、図５に示す荷重・拘束条件および図６に示すトルク・拘束条件を与え、以下に示す剛性Ａ、剛性Ｂ、剛性Ｃおよび剛性Ｄの４種類の剛性を評価した。なお、図５及び図６は、補剛部材モデルの表示を省略したものであり、図中の△印は、荷重の入力点Ｐ、トルクの入力点Ｔ及び拘束点Ｑを示す。

剛性Ａ、剛性Ｂ及び剛性Ｃは、図５に示すように、サスペンションアーム１７の荷重の入力点Ｐに対してＹ軸方向に荷重を入力したときの荷重の入力点Ｐの変位により算出されるものである。剛性Ａは、荷重をＹ軸方向の並進による変位で除した値、剛性Ｂは、Ｘ軸周りの回転角を荷重で除した値、剛性Ｃは、Ｚ軸周りの回転角を荷重で除した値で表される。

剛性Ｄは、図６に示すように、サスペンションアーム１７のトルクの入力点Ｔに対してＺ軸周りにトルクを与えたときの回転角により算出したものであり、Ｚ軸周りの回転角をトルクで除した値で表される。

さらに本実施の形態では、最適化解析の目的条件として、剛性Ａ〜剛性Ｄのそれぞれについて剛性値を最大、制約条件として補剛部材モデルの体積制約率を与えた。なお、補剛部材モデルによる重量の増加を考慮して、体積制約率は20%以下とした。
このように、解析条件として荷重・拘束条件またはトルク・拘束条件と目的条件および制約条件とを与えて最適化解析を行うことにより、補剛部材モデルの最適な形状（最適形状補剛部材モデル）が解析結果として得られる。

図７に、図５に示す荷重・拘束条件をサブフレーム１１に与えたときの変形を、図８に、図６に示すトルク・拘束条件をサブフレーム１１に与えたときの変形を示す。また、表１に剛性Ａ〜剛性Ｄの評価に用いた変位及び回転角の結果を、表２に剛性Ａ〜剛性Ｄの評価値を示す。

図７及び図８より、サブフレーム１１の変形箇所は、２つの剛性モード（剛性Ａ〜剛性Ｃ、剛性Ｄ）で異なることが分かる。そのため、様々な剛性モードに対して最適な形状の補剛部材モデルを得るためには、複合最適化解析を要する場合がある。複合最適化解析とは、異なる荷重・拘束条件およびトルク・拘束条件を与えた最適化解析を重み付けをして総合することにより最適な形状を求める最適化解析である。

図９に、最適化解析を行うために車両前後方向部材３と車両左右方向部材５の内部に設定した補剛部材モデル１３（図９（ａ）、黒色部分）と、異なる荷重・拘束条件およびトルク・拘束条件を与えて最適化解析を行って得られた最適形状補剛部材モデル（図９（ｂ）〜（ｄ）、黒色部分）と、を比較して示す。

図９（ｂ）に示す最適形状補剛部材モデル２１は、図５に示す荷重・拘束条件を与えて剛性Ａ、剛性Ｂ及び剛性Ｃについて最適化解析を行って得られたものである。
図９（ｃ）に示す最適形状補剛部材モデル２３は、図６に示すトルク・拘束条件を与えて剛性Ｄについて最適化解析を行って得られたものである。
図９（ｄ）に示す最適形状補剛部材モデル２５は、図５に示す荷重・拘束条件を与えたときの剛性Ａ、剛性Ｂ及び剛性Ｃと、図６に示すトルク・拘束条件を与えたときの剛性Ｄとの複合最適化解析を行って得られたものであり、図５に示す荷重・拘束条件と図６に示すトルク・拘束条件の重み付けを1：100とした結果である。

図９に示すように、荷重・拘束条件およびトルク・拘束条件の違いにより、最適化解析で残存する最適形状補剛部材モデル２１、２３及び２５の形状と立体要素が残存する位置に差異が見られる。もっとも、いずれの荷重・拘束条件およびトルク・拘束条件においても、車両前後方向部材３と車両左右方向部材５との接続部７に補剛部材モデル１３を構成する立体要素が残存し、かつ、図１０に一例として示すように、各接続部７においては車両前後方向部材３側と車両左右方向部材５側の内部に上面側と下面側とを繋ぐ柱状部２１ａを有する結果となった。

このように、本実施の形態に係るサブフレーム構造１においては、図１１に示すように、形状最適化解析により求められた最適形状補剛部材モデルのうち、各接続部７の車両前後方向部材３側と車両左右方向部材５側の内部に上面側と下面側とを繋ぐように柱状部２１ａが残存した位置に筒状部材９が設置されたものとすればよい。

本実施の形態に係るサブフレーム構造の作用効果は以下のとおりである。
図１２及び図１３に、本実施の形態に係る筒状部材９を設置したサブフレーム構造１に図５に示す荷重・拘束条件を与えて剛性解析を行ったときの変形の様子を示す。また、比較対象として、筒状部材が設置されていないサブフレーム１１の変形の様子を示す。
筒状部材が設置されていないサブフレーム１１においては、図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）に示すように、車両前後方向部材３の断面が崩れるような変形が生じている。
これに対し、筒状部材９が設置されているサブフレーム構造１においては、図１２（ｃ）及び図１３（ｃ）に示すように、車両前後方向部材３の断面が崩れずに形状が保たれている。

以上、本実施の形態に係るサブフレーム構造１においては、各接続部７に柱状部２１ａが存在することで、荷重またはトルクが作用したときに車両前後方向部材３と車両左右方向部材５の断面が崩れるような変形が生じることを防ぐことでき、筒状部材９の設置による重量の増加を抑えつつ効率的に剛性を向上させることができる。
なお、本発明に係るサブフレーム構造における剛性の向上と重量増加に関しては、後述する実施例にて具体的に示す。

＜自動車のサブフレーム構造の製造方法＞
次に、本発明の実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造の製造方法について説明する。

本実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造の製造方法は、図１に示すように、車両前後方向に延在する中空の部材からなる左右一対の車両前後方向部材３と、該一対の車両前後方向部材３における車両前方側と車両後方側のそれぞれに接続されて車両左右方向に延在する中空の部材からなる前後一対の車両左右方向部材５と、で井桁状に形成されてなり、内部に補剛部材を有する自動車のサブフレーム構造１を製造するものであり、図１４に示すように、Ｓ１１〜Ｓ１５の各工程を備えたものである。以下、Ｓ１１〜Ｓ１５の各工程について説明する。

まず、車両前後方向部材３及び前記車両左右方向部材５の内部に設置されて補剛する補剛部材をモデル化した補剛部材モデル１３（図９（ａ）参照）の最適な形状を求める形状最適化解析を行う（Ｓ１１）。

形状最適化解析には、前述の形状最適化解析方法を適用することができ、図４に示すステップＳ１からステップＳ９まで実行することにより、補剛部材モデル１３の最適な形状である最適形状補剛部材モデル（図１０参照）が求められる。

次いで、該形状最適化解析の解析結果に基づいて、図１０及び図１１に示すように、車両前後方向部材３及び車両左右方向部材５の接続部７において、車両前後方向部材３及び車両左右方向部材５それぞれの内面を繋ぐように補剛部材モデル１３が柱状に残存した部位（図１０中の柱状部２１ａ）を、補剛部材を設置する補剛部材設置位置として決定する（Ｓ１３）。

そして、該補剛部材設置位置に車両前後方向部材３及び車両左右方向部材５の壁部を貫通する貫通穴を形成し、該形成した貫通穴に前記補剛部材としての筒状部材９を挿通して、筒状部材９と車両前後方向部材３及び前記車両左右方向部材５それぞれの壁部を接合する（Ｓ１５）。

ここで、筒状部材９と車両前後方向部材３及び前記車両左右方向部材５それぞれの壁部を接合するには溶接を用いることができる。また、筒状部材９の本数や間隔は、形状最適化解析において残存した最適形状補剛部材モデルの柱状部の形状や大きさ、さらには、設置する筒状部材による重量増加を考慮して、適宜設定すればよい。

以上、本実施の形態に係る自動車のサブフレーム構造の製造方法によれば、荷重またはトルクを負荷したときの車両前後方向部材と車両左右方向部材との接続部における変形を低減させ、重量の増加を抑えて効率的に剛性を向上させたサブフレーム構造を容易かつ簡便に製造することができる。

本発明に係る自動車のサブフレーム構造により、剛性の向上と重量増加との関係を検証する実験を行ったので、以下、これについて説明する。

本実施例では、図１に示すように、左右一対の車両前後方向部材３と前後一対の車両左右方向部材５とで井桁状に形成され、車両前後方向部材３と車両左右方向部材５とが接続されている接続部７に金属製（鋼製）の筒状部材９が設置されているサブフレーム構造１を発明例とし、筒状部材９による剛性向上と重量増加を評価した。

ここで、車両前後方向部材３と車両左右方向部材５は鋼板製であり、各車両左右方向部材５の両端が車両前後方向部材３の側壁面に溶接されている。車両前後方向部材３と車両左右方向部材５を構成する各部品の板厚と質量は表３に示すものであり、筒状部材９を除いたサブフレーム構造１の総質量は16.84kgである。

また、筒状部材９の設置位置は、前述の実施の形態で述べた形状最適化解析方法（図４参照）により得られた最適な形状の補剛部材モデルに基づいて決定した。表４に、形状最適化解析において、車両前後方向部材３及び車両左右方向部材５に用いた鋼板と、補剛部材モデル１３に用いた補剛部材（鋼）の材料特性を示す。

形状最適化解析における荷重・拘束条件は、前述の図５に示すＹ軸方向に荷重1000Nを入力した荷重・拘束条件を与えて剛性Ａ、剛性Ｂ及び剛性Ｃについて補剛部材モデル１３を最適化した最適形状補剛部材モデル２１（図９（ｂ））と、図６に示すＺ軸回りにトルク1000Nmmを入力したトルク・拘束条件を与えて剛性Ｄについて補剛部材モデル１３を最適化した最適形状補剛部材モデル２３（図９（ｃ））と、剛性Ａ、剛性Ｂ及び剛性Ｃと剛性Ｄとで補剛部材モデル１３を複合最適化した最適形状補剛部材モデル２５（図９（ｄ））をそれぞれ求めた。

そして、最適形状補剛部材モデル２１に基づいて筒状部材９を設置する位置を決定したものを発明例１、最適形状補剛部材モデル２３に基づいて筒状部材９を設置する位置を決定したものを発明例２、最適形状補剛部材モデル２５に基づいて筒状部材９を設置する位置を決定したものを発明例３、とし、筒状部材９の設置による剛性向上と重量増加を評価した。

なお、本実施例では、形状最適化解析の解析手法にはトポロジー最適化を用い、最適化解析における目的関数をひずみエネルギー総和の最小化、制約条件を体積制約率20%以下とした。

また、図１５に示すように接続部７における車両前後方向部材３と車両左右方向部材５にバルクヘッド３３が設けられているサブフレーム構造３１を比較例とし、発明例と同様に剛性向上と重量増加を評価した。
比較例に係るサブフレーム構造３１においては、車両前後方向部材３と車両左右方向部材５の接続部７における車両前後方向部材３の壁部など、荷重が作用したときに応力が高くなる部位にバルクヘッド３３が接合されたものとした。そして、バルクヘッド３３には鋼板を用い、その板厚を1.2mm（比較例１）又は1.6mm（比較例２）とした。

さらに、本実施例では、筒状部材９が設置されていないサブフレーム１１（図２）を従来例とし、サブフレーム構造の剛性向上と重量増加の評価基準とした。従来例に係るサブフレーム１１の剛性向上と重量増加の具体的な評価基準は以下のとおりである。

まず、サブフレーム１１における各部品（表３参照）の板厚を2.3mmとし、図５に示す荷重・拘束条件および図６に示すトルク・拘束条件を与えたときの剛性Ａ〜剛性Ｄと、サブフレーム１１の重量を求めた。

図１６に、従来例に係るサブフレーム１１に図５に示す荷重・拘束条件を与えたときの応力分布を示す。図１６より、車両前後方向部材３と車両左右方向部材５との接続部７及びサスペンションアーム１７（図５参照）が接続する接続部位８（図１６中の破線楕円で囲んだ部位）の応力が高い値を示していることが分かる。

表５に、従来例（補剛部材なし）、発明例１（最適形状補剛部材モデル２１、図９（ｂ））及び発明例２（最適形状補剛部材モデル２３、図９（ｃ））のそれぞれについて評価した剛性Ａ〜剛性Ｄの剛性値と、サブフレーム構造全体の重量及び従来例を基準としたときの増加重量の結果を示す。また、剛性向上率を平均し、増加重量で除した質量効率の結果を示す。さらに図１７に、発明例１及び発明例２における剛性Ａ〜剛性Ｄのそれぞれに対する剛性向上率のグラフを示す。

表５及び図１７の結果より、発明例１及び発明例２に係るサブフレーム構造１においては、いずれの剛性値は向上する結果となり、平均して5.2%（発明例１）及び5.6%（発明例２）の平均剛性向上率が得られた。また、発明例１及び発明例２における増加重量は、それぞれ0.31(Δkg)及び0.43(Δkg)であった。さらに、質量効率は、発明例１で16.8%／(Δkg)、発明例２で13.0%／(Δkg)であった。

表６に、従来例、比較例１（バルクヘッド、板厚1.2mm）及び比較例２（バルクヘッド、板厚1.6mm）のそれぞれにおいて評価した剛性Ａ〜剛性Ｄの剛性値と、サブフレーム構造全体の重量及び従来例を基準とする増加重量の結果を示す。また、質量効率の結果を示す。
さらに、図１８に、比較例１及び比較例２について評価対象とした剛性Ａ〜剛性Ｄのそれぞれに対する剛性向上率の結果を示す。

比較例１及び比較例２に係るサブフレーム構造３１においても、いずれの剛性値は向上する結果であったが、平均して0.8%（比較例１）及び1.3%（比較例２）の平均剛性向上率が得られた。また、比較例１及び比較例２における増加重量は、それぞれ0.36kg及び0.48kgであった。さらに、質量効率は、比較例１で2.3%／(Δkg)、比較例２で2.7%／(Δkg)であった。

また、比較例３として、板厚2.3mmを基準としてサブフレーム１１の板厚を１ゲージアップし2.6mmとしたときの剛性Ａ〜剛性Ｄそれぞれの剛性向上率を平均すると11.3%向上していた。
サブフレーム１１の重量については、板厚2.3mmのときの重量は16.84kgであるのに対し、板厚2.6mmのときの重量は18.58kgであり、板厚を１ゲージアップすることにより重量は18.58kg−16.84kg＝1.74(Δkg)増加した。
これより、板厚を１ゲージアップしたときの質量効率は、11.3%／1.74(Δkg)＝6.5%／(Δkg)であった。

図１９に、従来例、発明例１、発明例２、比較例１、比較例２及び比較例３のそれぞれについて、平均剛性向上率を増加重量で除した質量効率の結果をまとめて示す。
比較例１及び比較例２における質量効率はそれぞれ2.3%／(Δkg)及び2.7%／(Δkg)であるのに対し、発明例１及び発明例２における質量効率はそれぞれ16.8%／(Δkg)及び13.0%／(Δkg)であり、比較例に比べて良好な結果であった。

さらに、発明例１及び発明例２における質量効率は、サブフレーム１１全体の板厚を１ゲージアップした比較例３の質量効率6.5%／(Δkg)に比べても大幅に高い値であった。

図２０に、従来例に係るサブフレーム１１、発明例１に係るサブフレーム構造１及び比較例１に係るサブフレーム構造３１のそれぞれについて固有値解析を行って求めたねじれモードと曲げモードの各振動モードにおける固有振動数の結果を示す。図２０には、各振動モードにおいて振動する方向を示す左右一対の黒塗り及び白塗り矢印が示されている。該黒塗り及び白塗り矢印は、黒塗り矢印同士の方向または白塗り矢印同士の方向に同時に振動することを示す。

図２０より、従来例と比較例１においては、ねじれモード（固有振動数195Hz）及び曲げモード（固有振動数379Hz）ともに固有振動数は等しい結果であった。これに対し、発明例１においては、ねじれモードの固有振動数は201Hz、曲げモードの固有振動数は383Hzと従来例及び比較例１より増加する結果となった。そして、固有振動数の増加は、該サブフレーム構造の剛性が高くなり、動的な剛性が向上していることを示唆するものである。

以上より、本発明に係るサブフレーム構造においては、重量の増加を抑えて効率的に剛性が高くなり、動的な剛性についても向上することが実証された。

１ 自動車のサブフレーム構造
３ 車両前後方向部材
５ 車両左右方向部材
７ 接続部
８ サスペンションアームの接続部位
９ 筒状部材
９ａ 筒状部材
１１ サブフレーム
１３ 補剛部材モデル
１５ 最適化解析モデル
１７ サスペンションアーム
２１ 最適形状補剛部材モデル
２１ａ 柱状部
２３ 最適形状補剛部材モデル
２５ 最適形状補剛部材モデル
３１ 自動車のサブフレーム構造（比較例）
３３ バルクヘッド

Claims (3)

1. 車両前後方向に延在する中空の部材からなる左右一対の車両前後方向部材と、該一対の車両前後方向部材における車両前方側と車両後方側のそれぞれに接続されて車両左右方向に延在する中空の部材からなる前後一対の車両左右方向部材と、で井桁状に形成されてなる自動車のサブフレーム構造であって、
   前記車両前後方向部材と前記車両左右方向部材との接続部における該車両前後方向部材及び該車両左右方向部材それぞれの内部に上面側と下面側とを繋ぐ筒状部材が設置されていることを特徴とする自動車のサブフレーム構造。
2. 車両前後方向に延在する中空の部材からなる左右一対の車両前後方向部材と、該一対の車両前後方向部材における車両前方側と車両後方側のそれぞれに接続されて車両左右方向に延在する中空の部材からなる前後一対の車両左右方向部材と、で井桁状に形成されてなる自動車のサブフレーム構造であって、
   前記車両前後方向部材及び車両左右方向部材それぞれの内面を繋ぐように設置された筒状部材を有し、
   該筒状部材の設置位置は、前記車両前後方向部材及び前記車両左右方向部材の内部に設置されて補剛する補剛部材の形状最適化解析方法による解析結果に基づいて設定されていることを特徴とする自動車のサブフレーム構造。
3. 車両前後方向に延在する中空の部材からなる左右一対の車両前後方向部材と、該一対の車両前後方向部材における車両前方側と車両後方側のそれぞれに接続されて車両左右方向に延在する中空の部材からなる前後一対の車両左右方向部材と、で井桁状に形成されてなり、内部に補剛部材を有する自動車のサブフレーム構造を製造する自動車のサブフレーム構造の製造方法であって、
   前記補剛部材をモデル化した補剛部材モデルの形状最適化解析を行い、
   該形状最適化解析の解析結果に基づいて、前記車両前後方向部材及び前記車両左右方向部材それぞれの内面を繋ぐように前記補剛部材モデルが柱状に残存した部位を前記補剛部材を設置する補剛部材設置位置として決定し、
   該補剛部材設置位置に前記車両前後方向部材及び前記車両左右方向部材の壁部を貫通する貫通穴を形成し、該形成した貫通穴に前記補剛部材としての筒状部材を挿通して、該筒状部材と前記車両前後方向部材及び前記車両左右方向部材それぞれの壁部とを接合する、ことを特徴とする自動車のサブフレーム構造の製造方法。