JP2020083149A - 車両の荷重支持構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】車両と外部の物体との近接方向の相対移動が進んだときに、相対移動の後期に大きなエネルギー吸収効果を得ることができる車両の荷重支持構造体を提供する。【解決手段】荷重支持構造体は、荷重受け部材２と、荷重支持部材４と、を備える。荷重受け部材は、中空構造で、車両の一方向に延びる。荷重支持部材は、荷重受け部材と交差する方向に延び、荷重受け部材の延び方向に離間した複数個所に結合される。荷重受け部材には、当該荷重受け部材の車外側の壁の曲げ強度を高める曲げ補強部材１２が設けられる。曲げ補強部材を含む車外側の壁部分から各荷重支持部材への荷重伝達経路にはエネルギー吸収部材１３が設けられる。隣り合うエネルギー吸収部材の総耐荷重は、曲げ補強部材を含む車外側の壁部分２Ａの曲げに対する耐荷重よりも小さく設定される。【選択図】図３

Description

本発明は、車両のサイドシル等の荷重支持構造体に関するものである。

車両の側部下方に配置されるサイドシルは、車幅方向に沿って配置される複数のクロスメンバの端部に結合されている。このような構造を持つ車両では、車外の物体からサイドシルに荷重が入力されると、入力荷重がサイドシルから複数のクロスメンバに伝達されるとともに、サイドシルの変形によって入力荷重のエネルギーが吸収される。

上記の荷重支持構造体は、中空構造の荷重受け部材（サイドシル）が、複数の荷重支持部材（クロスメンバ）に結合された構造である。この種の荷重支持構造体では、外部の物体から荷重受け部材に荷重が入力されたときに、荷重受け部材が早期に過大変形しないことが望まれる。この対策として、中空構造の荷重受け部材の壁を繊維強化樹脂等の補強部材に補強したものがある（例えば、特許文献１参照）。

欧州特許第２４２７３６２号明細書

しかし、補強部材で荷重受け部材の壁を補強した荷重支持構造体は、荷重受け部材の最大耐荷重が増大するものの、車外の物体からの入力荷重が早い段階で最大耐荷重を超えると、その後に急激にエネルギー吸収効果が低下することが懸念される。

そこで本発明は、車両と外部の物体との近接方向の相対移動が進んだときに、相対移動の後期に大きなエネルギー吸収効果を得ることができる車両の荷重支持構造体を提供しようとするものである。

本発明に係る車両の荷重支持構造体は、上記課題を解決するために、以下の構成を採用した。
即ち、本発明に係る車両の荷重支持構造体は、車両の一方向に延びる中空構造の荷重受け部材（例えば、実施形態のサイドシル２）と、前記荷重受け部材の延び方向と交差する方向に延び、前記荷重受け部材の延び方向に離間した複数個所に結合される荷重支持部材（例えば、実施形態のクロスメンバ４）と、を備え、前記荷重受け部材の車外側から入力された荷重を複数の前記荷重支持部材で支持する車両の荷重支持構造体において、前記荷重受け部材には、当該荷重受け部材の車外側の壁（例えば、実施形態のサイドシルアウタ２Ａ）の曲げ強度を高める曲げ補強部材（例えば、実施形態の曲げ補強部材１２）が設けられ、前記曲げ補強部材を含む前記車外側の壁部分から各前記荷重支持部材への荷重伝達経路にはエネルギー吸収部材（例えば、実施形態の板状構造体１３）が設けられ、隣り合う前記エネルギー吸収部材の総耐荷重は、前記曲げ補強部材を含む前記車外側の壁部分の曲げに対する耐荷重よりも小さく設定されていることを特徴とする。

上記の構成において、車両と外部の物体との近接方向の相対移動に伴って、外部の物体から荷重受け部材に荷重が入力されると、エネルギー吸収部材が先に変形を開始し、エネルギー吸収部材の変形がある程度進んだ時点で荷重受け部材の車外側の壁部分（曲げ補強部材を含む。）の曲げ変形が開始する。これにより、前記相対移動の前期には、エネルギー吸収部材が入力荷重のエネルギーを吸収し、前記相対移動の後期には、曲げ補強部材を含む車外側の壁が入力荷重のエネルギーを主に吸収することになる。

前記曲げ補強部材は、繊維補強樹脂によって構成されることが望ましい。
この場合、軽量で、かつ成形性の良い構造でありながら、荷重受け部材の曲げ強度を効率良く高めることができる。

前記荷重受け部材は、当該荷重受け部材の延び方向と略直交する断面内に配置された隔壁（例えば、実施形態のスチフナ２Ｃ）によって車外側の空間部（例えば、実施形態の空間部１０）と車内側の空間部（例えば、実施形態の空間部１１）とに仕切られ、前記曲げ補強部材は、前記車外側の空間部の内部において前記車外側の壁に接合され、前記エネルギー吸収部材は、前記車内側の空間部に配置されるようにしても良い。
この場合、曲げ補強部材による車外側の壁の補強機能部と、エネルギー吸収部材によるエネルギー吸収機能部とが荷重受け部材の内部に集約して配置されることになる。したがって、本構成を採用することにより、荷重支持構造体のコンパクト化と外観の向上を図ることができる。

前記エネルギー吸収部材は、前記隔壁と前記荷重受け部材の車内側の壁の内面とに当接し、前記荷重支持部材は、荷重受け部材の車内側の壁の外面に結合されるようにしても良い。
この場合、エネルギー吸収部材が、荷重受け部材内の隔壁と荷重支持部材の間に直列に配置されるため、車体外部からの荷重の入力時にエネルギー吸収部材を効率良く変形させることができる。したがって、本構成を採用することにより、エネルギー吸収部材による第１段階のエネルギー吸収と、荷重受け部材の車外側の壁部分による第２段階のエネルギー吸収を確実に実行させることができる。

前記車外側の壁、または、前記曲げ補強部材には、前記隔壁の中央領域に向かって突出する突部（例えば、実施形態の突部１２ｂ）が設けられるようにしても良い。
この場合、外部からの荷重入力時に突部によってエネルギー吸収部材の中央領域に荷重を効率良く伝達することができる。

本発明によれば、外部から荷重受け部材に荷重が入力されたときに、第１段階としてエネルギー吸収部材が変形し、その後に曲げ補強部材を含む荷重受け部材の外側の壁が第２段階として変形するため、車両と外部の物体との近接方向の相対移動が進んだときに、相対移動の前期に車外側の壁部分が過大に曲げ変形するのを防止することができる。したがって、本発明によれば、前記相対移動の後期に大きなエネルギー吸収効果を得ることができる。

実施形態の車両の骨格部を示す斜視図である。 実施形態の荷重支持構造体を示す斜視図である。 実施形態の荷重支持構造体の図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 実施形態の荷重支持構造体の変形挙動を模式的に示す説明図である。 実施形態の荷重支持構造体と比較例の荷重−変位特性図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図面において、矢印ＦＲは車両の前方を指し、矢印ＵＰは車両の上方を指し、矢印ＬＨは車両の左側方を指すものとする。

図１は、本実施形態の車両１の骨格部を後部左斜め上方から見た図である。
本実施形態の車両１は、車体の左右の側部の下方に、車体前後方向に略沿って延びる一対のサイドシル２が配置されている。左右のサイドシル２にはフロアパネル３が架設されている。また、フロアパネル３の上面側と下面側には、車幅方向に略沿って延出して両端部が左右のサイドシル２に連結される複数のクロスメンバ４が配置されている。クロスメンバ４は、サイドシル２と交差する方向に延び、サイドシル２の延び方向に離間した複数個所に結合されている。なお、図１中の符号５は、車室内に配置された運転席側と助手席側のシートである。
本実施形態の荷重支持構造体は、サイドシル２とクロスメンバ４を主な要素して構成されている。本実施形態では、サイドシル２が荷重受け部材を構成し、クロスメンバ４が荷重支持部材を構成している。

図２は、サイドシル２とクロスメンバ４の結合部を示す斜視図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
図２，図３に示すように、サイドシル２は、略ハット状断面のサイドシルアウタ２Ａと、サイドシルインナ２Ｂとが、平板状のスチフナ２Ｃを挟んで相互に接合されている。サイドシル２は、車体前後方向に略沿うように内部が中空構造とされている。また、サイドシル２の内部は、鉛直方向に垂立するスチフナ２Ｃによって車外側の空間部１０と車内側の空間部１１とに隔成されている。
本実施形態では、サイドシルアウタ２Ａが、荷重受け部材の車外側の壁を構成し、サイドシルインナ２Ｂが、荷重受け部材の車内側の壁を構成している。また、スチフナ２Ｃは、隔壁を構成している。

サイドシルアウタ２Ａは、スチフナ２Ｃとサイドシルインナ２Ｂに接合される上下の接合フランジ２Ａｆと、最も車両外側位置にて垂立して配置される外壁２Ａｏと、外壁２Ａｏと上下の各接合フランジ２Ａｆを接続する上壁２Ａｕ、及び、下壁２Ａｌと、を有している。

また、サイドシルインナ２Ｂは、スチフナ２Ｃとサイドシルアウタ２Ａに接合される上下の接合フランジ２Ｂｆと、最も車両内側位置にて垂立して配置される内壁２Ｂｉと、内壁２Ｂｉと上下の各接合フランジ２Ｂｆを接続する上壁２Ｂｕ、及び、下壁２Ｂｌと、を有している。

サイドシルアウタ２Ａの車外側の空間部１０に臨む内面には、サイドシルアウタ２Ａの壁の曲げ強度を高める曲げ補強部材１２が接合されている。曲げ補強部材１２は、鋼材等から成るサイドシルアウタ２Ａよりも曲げ強度の高い材料によって形成されている。本実施形態では、曲げ補強部材１２として、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）等の繊維強化樹脂が用いられている。

曲げ補強部材１２は、サイドシルアウタ２Ａの上壁２Ａｕと外壁２Ａｏの上部領域に亘る範囲と、サイドシルアウタ２Ａの下壁２Ａｌと外壁２Ａｏの下部領域に亘る範囲とに接着等によって接合されている。曲げ補強部材１２は、サイドシルアウタ２Ａに接合されるベース部１２ａと、ベース部１２ａからスチフナ２Ｃの上下方向の略中央領域に向かって突出する突部１２ｂと、を有している。本実施形態の場合、曲げ補強部材１２は、図３に示すように、断面略Ｍ字状に形成されている。曲げ補強部材１２の突部１２ｂの端面は、スチフナ２Ｃの車外側の面の中央領域に当接している。

サイドシルインナ２Ｂの上壁２Ｂｕと下壁２Ｂｌと内壁２Ｂｉの各外側面にはクロスメンバ４の端部が溶接等によって結合されている。また、サイドシルインナ２Ｂの内部のうちの、クロスメンバ４の延び方向の延長位置には、断面略コ字状、若しくは、ボックス状の板状構造体１３が接合されている。板状構造体１３は、鋼材等の金属材料から成り、車外側の端面がスチフナ２Ｃの車内側の面に当接している。板状構造体１３は、スチフナ２Ｃの車内側の面に溶接しても良い。
本実施形態では、板状構造体１３がエネルギー吸収部材を構成している。

ここで、サイドシルインナ２Ｂの内部には、結合されるクロスメンバ４と同数の板状構造体１３がクロスメンバ４と対応する位置に取り付けられている。サイドシルインナ２Ｂの内部で隣り合う二つの板状構造体１３の総耐荷重（二つの板状構造体１３の耐荷重を合算した耐荷重）は、曲げ補強部材１２を含むサイドシルアウタ２Ａの曲げ（略水平方向の曲げ）に対する耐荷重よりも小さく設定されている。つまり、サイドシル２のうちの、一の板状構造体１３の配置される位置と、それに隣接する板状構造体１３の配置される位置との間の領域に外部から大荷重が入力されたときに、サイドシルアウタ２Ａの曲げ変形の開始よりも先に、二つの板状構造体１３が変形を開始するように設定されている。

図４は、サイドシル２が外部から荷重を受けたときのサイドシル２の変形挙動を（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）で順に示した模式的な説明図である。なお、図４中の符号５０は、サイドシル２に向かって移動してくる外部の物体である。また、図５は、サイドシル２が外部から荷重を受けたときにおけるサイドシル２の車内側への変位と、サイドシル２で受け止める荷重の関係を示す特性図である。なお、図５中のＡは、本実施形態の特性を示し、Ｂは、板状構造体１３（エネルギー吸収部材）を持たない比較例の荷重支持構造体の特性を示す。
図４（Ａ）に示すように、物体５０がサイドシル２に近づいてくると、最初に物体５０がサイドシルアウタ２Ａの車外側面に当接する。このとき、サイドシルアウタ２Ａには、長手方向に関して圧縮方向の荷重が作用し、サイドシルインナ２Ｂには、長手方向に関して伸長方向の荷重が作用する。

こうして、物体５０からの荷重入力が進むと、図中５のＰ１の変位位置に達するまで板状構造体１３の弾性的な変形が進行し、図５中のＰ１の変位位置に達すると、図４（Ｂ）に示すように、板状構造体１３が塑性変形（潰れ変形）を開始する。板状構造体１３の塑性変形は、図５中のＰ２の変位位置に達するまで続く。

そして、この状態から物体５０からの荷重入力がさらに進行すると、曲げ補強部材１２によって補強されたサイドシルアウタ２Ａが、図４（Ｃ）に示すように曲げ変形を開始する。サイドシルアウタ２Ａの曲げ変形が開始されると、変位の進行とともにサイドシルアウタ２Ａの反力（荷重）が増大する。サイドシルアウタ２Ａの反力（荷重）の増大は、入力荷重がサイドシルアウタ２Ａの最大耐荷重（図５中のピーク点）に達するまで継続する。

図５中から明らかなように、特性Ｂの比較例では、位置Ｐ１とＰ２の間の変位範囲でサイドシルアウタ２Ａに作用する荷重が最大耐荷重（ピーク点）となるが、本実施形態の構造では、位置Ｐ２を超えた変位範囲でサイドシルアウタ２Ａに作用する荷重が最大耐荷重（ピーク点）となる。したがって、本実施形態の構造を採用した場合には、位置Ｐ２を超える変位範囲において、大きなエネルギー吸収効果を得ることができる。

以上のように、本実施形態の荷重支持構造体では、サイドシル２（荷重受け部材）に外部から荷重が入力されると、エネルギー吸収部材である板状構造体１３が第１段階として変形し、その後に曲げ補強部材１２によって補強されたサイドシルアウタ２Ａが第２段階として変形する。このため、車両と外部の物体との近接方向の相対移動が進んだときに、相対移動の前期にサイドシルアウタ２Ａが過大に曲げ変形するのを防止することができる。したがって、本実施形態の荷重支持構造体を採用した場合には、車両と外部の物体との近接方向の相対移動の後期に大きなエネルギー吸収効果を得ることができる。

特に、本実施形態の荷重支持構造体においては、曲げ補強部材１２として繊維補強樹脂を採用しているため、曲げ補強部材１２を軽量で、成形性の良い構造としつつも、サイドシルアウタ２Ａの曲げ強度を効率良く高めることができる。

また、本実施形態の荷重支持構造体は、サイドシル２の内部がスチフナ２Ｃ（隔壁）によって車外側の空間部１０と車内側の空間部１１とに仕切られ、曲げ補強部材１２が車外側の空間部１０内でサイドシルアウタ２Ａに接合され、板状構造体１３が車内側の空間部１１内に配置されている。このため、曲げ補強部材１２によるサイドシルアウタ２Ａの補強機能部と、板状構造体１３によるエネルギー吸収機能部とがサイドシル２の内部に集約して配置される。したがって、本実施形態の構成を採用した場合には、荷重支持構造体をコンパクト化でき、外観の低下を防ぐことができる。

さらに、本実施形態の荷重支持構造体では、板状構造体１３がスチフナ２Ｃとサイドシルインナ２Ｂの内面とに当接し、クロスメンバ４がサイドシルインナ２Ｂの外側面に結合されている。このため、エネルギー吸収部材である板状構造体１３がスチフナ２Ｃとクロスメンバ４の間に直列に配置され、その結果、荷重入力時に板状構造体１３を効率良く変形させることが可能になる。したがって、本実施形態の構成を採用した場合には、板状構造体１３による第１段階のエネルギー吸収と、補強されたサイドシルアウタ２Ａによる第２段階のエネルギー吸収を確実に実行させることができる。

また、本実施形態の荷重支持構造体では、スチフナ２Ｃの中央領域に向かって突出する突部１２ｂが曲げ補強部材１２に設けられているため、荷重入力時に突部１２ｂによって板状構造体１３の中央領域に荷重を効率良く伝達することができる。突部は、サイドシルアウタ２Ａに形成することも可能である。しかし、本実施形態のように曲げ補強部材１２に設けた場合には、突部１２ｂの成形が容易になるとともに、高い剛性をもって板状構造体１３の中央領域に荷重を伝達することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば、上記の実施形態では、本発明の荷重支持構造体をサイドシルとクロスメンバの連結部分に採用したが、本発明の荷重支持構造体は、フロントやリヤのサイドメンバとバンパビームとの連結部分等、車両上の他の部位にも適用可能である。

１…車両
２…サイドシル（荷重受け部材）
２Ａ…サイドシルアウタ（車外側の壁）
２Ｂ…サイドシルインナ（車内側の壁）
２Ｃ…スチフナ（隔壁）
４…クロスメンバ（荷重支持部材）
１２…曲げ補強部材
１２ｂ…突部
１３…板状構造体（エネルギー吸収部材）

Claims (5)

1. 車両の一方向に延びる中空構造の荷重受け部材と、
   前記荷重受け部材の延び方向と交差する方向に延び、前記荷重受け部材の延び方向に離間した複数個所に結合される荷重支持部材と、を備え、
   前記荷重受け部材の車外側から入力された荷重を複数の前記荷重支持部材で支持する車両の荷重支持構造体において、
   前記荷重受け部材には、当該荷重受け部材の車外側の壁の曲げ強度を高める曲げ補強部材が設けられ、
   前記曲げ補強部材を含む前記車外側の壁部分から各前記荷重支持部材への荷重伝達経路にはエネルギー吸収部材が設けられ、
   隣り合う前記エネルギー吸収部材の総耐荷重は、前記曲げ補強部材を含む前記車外側の壁部分の曲げに対する耐荷重よりも小さく設定されていることを特徴とする車両の荷重支持構造体。
2. 前記曲げ補強部材は、繊維補強樹脂によって構成されていることを特徴とする車両の荷重支持構造体。
3. 前記荷重受け部材は、当該荷重受け部材の延び方向と略直交する断面内に配置された隔壁によって車外側の空間部と車内側の空間部とに仕切られ、
   前記曲げ補強部材は、前記車外側の空間部の内部において前記車外側の壁に接合され、
   前記エネルギー吸収部材は、前記車内側の空間部に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の車両の荷重支持構造体。
4. 前記エネルギー吸収部材は、前記隔壁と前記荷重受け部材の車内側の壁の内面とに当接し、
   前記荷重支持部材は、荷重受け部材の車内側の壁の外面に結合されていることを特徴とする請求項３に記載の車両の荷重支持構造体。
5. 前記車外側の壁、または、前記曲げ補強部材には、前記隔壁の中央領域に向かって突出する突部が設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の車両の荷重支持構造体。

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