JP2022500294A - 車両シャーシ - Google Patents

Abstract

複数の管状部分を含む相互接続されたフレームワークと、フレームワークに結合された少なくとも１つのシートとを含み、管状部分が非鉄金属組成物である車両用シャーシを開示する。非鉄管状部分は非常に薄い壁を有し、一般に、これらの部分は押出成形によって作られ、押出成形は現在、約２．５ｍｍ以下の壁厚を可能にする。壁厚はほぼこのレベル、理想的には３ｍｍ以下であることが好ましい。このような薄肉管は通常、座屈に対する抵抗が低いことを意味するが、上記で定義した構造要素の一部として、管は座屈せず、実際には他の代替手段よりも優れた衝撃応答を有することが分かった。したがって、管状部分は、部分の支持されていない長さの２乗に対するその断面の最小断面二次モーメントの比が２ｍｍ2以下であるプロファイルを有することが好ましい。このアプローチを表現するもう１つの方法は、管状部分のアスペクト比、すなわち、管状部分の長さの管状部分の壁厚に対する比を考慮することである。アスペクト比が高い部分は座屈を起こしやすくなる。アルミニウムの低い弾性率を考えると、低いアスペクト比が好ましかったが、本発明によれば、約１００又は１５０を超える高いアスペクト比が実現可能である。

Description

本発明は、車両用シャーシに関する。

過去１１０年ほどの間、量産車のシャーシ構造は標準的な成形金属を用いて作られてきた。２０世紀初頭には、これは別個のフレームとボディの設計だったが、過去６０年ほどの間、フレームとボディを組み込んだ単体構造が採用されてきた。

自動車の大量生産の歴史の大部分において、選択された材料は鋼であった。過去２０年間に、より軽量のホワイトボディ（ＢＩＷ）アセンブリで車両全体の重量を減らす試みでアルミニウム構造への動きがあった。

しかしながら、アルミニウムは単純な解決策ではない。鋼と比べて（原材料製造プロセスに関して）９倍の内包エネルギーを有するため、自動車の設計者は一般にできるだけ使用するアルミニウムを少なくしようにしている。また、アルミニウムの密度は鋼の約３分の１であるが、ヤング率は鋼の約３分の１である（すなわち、アルミニウムの剛性は鋼の約３分の１である）。これにより、同じ機械的強度を示すために、アルミニウム部分は同等の鋼部分よりもはるかに大きくなり、壁がより厚くなる。大きくて重い部分は主に、衝突荷重下での座屈での破損又はねじり負荷荷重下での過度の撓みを回避するために使用される。

現在の自動車の車体設計の慣例は、撓んでいるか又は破損している部分を安定させるために、より大きいアルミニウム部分を導入することである。これにより、使用されるアルミニウムの量が大幅に増加し、アルミニウムの重量の利点の大部分が打ち消され、ＢＩＷ構造の軽量化が予想よりもはるかに小さくなる。しかしながら、原材料の追加の内包エネルギーと追加の材料費は、依然として負担しなければならない。

ベースアルミニウムは鋼よりも３倍高価であるが、自動車のＢＩＷ構造で使用される場合、（アルミニウム部品の選択と接合方法に応じて）６０％〜８０％高価になる。

自動車用アルミニウム一次構造の設計上及びコスト上の別の問題は、使用する必要がある接合技術が、プレス鋼のＢＩＷ構造を接合するために使用できる単純なスポット溶接プロセスに比べて、はるかに複雑で、困難で、高価であることである。構造要素の接合部（節点）における高レベルの応力は、疲労破壊の可能性を低減するために複雑な鋳造又は複数要素の設計を必要とすることが多く、アルミニウムシートの接合部は通常、接着及びリベット接合されている。

アルミニウム構造の騒音、振動、及びハーシュネス（ＮＶＨ）の質も通常は鋼ほど良好ではないため、アルミニウム構造にＮＶＨ材料を追加すると、車両構造全体にコストと重量が追加される。

アルミニウムＢＩＷ構造の別の問題は、ベースアルミニウムが軟鋼ほど強くないため（典型的には鋼の降伏強度の４０％）、高強度アルミニウム合金が通常指定されており、これによりコストと接合部の選択にさらなる問題が生じることである。高強度合金では、溶接された接合部による熱影響部は多くの場合、何らかの溶接後処理を必要とする。

接合部溶接アルミニウム構造のもう１つの問題は、溶接された接合部又は接点の領域の疲労に対する耐性である。この複雑さを克服するために、ＢＩＷ構造に重量とコストを追加する、重くて高価な節点接合部が使用される。

すべての金属製の打ち抜きされた金属又はスペースフレームで衝突の痕跡（クラッシュシグネチャ）と衝突の修理が問題である。典型的には、比較的小さな事故による衝突の痕跡はフレーム全体に伝わり、支持されていない要素の局部的な座屈が発生し、これにより衝突の修理が困難になるか、最悪の場合は不可能になる。アルミニウム構造は、材料弾性率の値が非常に低いため、鋼構造よりも局所的な変形及び損傷を受けやすい。

したがって、アルミニウムは、非構造的又は半構造的な外側車体パネルのための非常に良好な材料の選択肢であるが、最新の金属製ＢＩＷ構造は、外側パネルの一部を構造部品として使用する。

結果として、我々の以前の出願、特許文献１において、三角形分割を提供するようにフレームワークに取り付けられた複合パネル部材を有する、金属管状部材の三次元フレームワークを提案した。結果として得られたシャーシは、三角形分割により優れた剛性を提供し、全体重量が非常に低く、製造のエネルギーコストが低くなった。実際には、特許文献１の発明に基づく設計は、部分的にはコストを低減するために、部分的には大きな断面寸法に頼ることなく必要な座屈抵抗を提供するために鋼管を使用した。

国際公開第２００９／１２２１７８号

その後、我々は、複合パネル補強材が管状部材に座屈に対する有意な抵抗を提供できることを見出した。結果として、アルミニウム製シャーシ構造に関連する大きな断面は実際には必要ない。実際には、アルミニウム（又は他の軽量合金）のより小さい断面の管状部材を使用することが可能であり、この管状部材は、それ自体では座屈に対する抵抗が不十分であるが、複合パネルで補強された構造の一部として、必要な剛性と（例えば）衝突荷重下での変形に対する抵抗の両方を提供することができる。

また、鋼構造と複合パネルで強化された軽量合金構造の比較試験は、それらの全体的な強度（すなわち、つぶれ始めるのに必要な力）が同等になるようにこれらの構造が設計されている場合でも、変形下で、軽量合金構造が対応する鋼構造よりも多くのエネルギーを吸収することを示している。

したがって、我々は、非鉄、すなわち軽量合金断面のフレームを支持するための軽量で低コストの複合サンドイッチパネルの使用を提案する。パネルは、低弾性率接着剤を用いてフレームに接着することができる。低コスト、低エネルギーの複合パネルがＢＩＷの剛性と構造の耐衝突性の大部分をもたらすので、使用されるアルミニウム又は他の合金の量を最小限に抑えることができる。

したがって、本発明は、複数の管状部分を含む相互接続されたフレームワークと、フレームワークに結合された少なくとも１枚のシートとを含み、管状部分が非鉄金属組成物のものである車両用シャーシを提供する。

非鉄管状部分は非常に薄い壁を有することが望ましい。一般に、これらの部分は押出成形によって作られ、このプロセスは現在、約１．６ｍｍ以上の壁厚を可能にする。壁厚は、ほぼこのレベル、例えば約１．５〜２ｍｍなど、理想的には３ｍｍ以下であることが好ましい。

このような薄肉管は通常、座屈に対する抵抗が低いことを意味する。しかしながら、上記で定義した構造要素の一部として、管は座屈せず、実際には、他の代替手段よりも優れた衝撃応答を有することが分かった。したがって、管状部分は、部分の支持されていない長さの２乗に対するその断面の最小断面二次モーメントの比が２ｍｍ²以下であるプロファイルを有することが好ましい。これは、管のみの部分の座屈に対する抵抗が低いことを意味するが、構造全体としては十分な抵抗性があることが分かった。

このアプローチを表現するもう１つの方法は、管状部分のアスペクト比、すなわち、管状部分の長さの管状部分の壁厚に対する比を考慮することである。アスペクト比が高い部分は座屈を起こしやすくなる。アルミニウムの低い弾性率を考えると、低いアスペクト比が好ましかったが、本発明によれば、約１００又は１５０を超える高いアスペクト比が実現可能である。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態を例として説明する。
様々な試験片の衝撃試験の結果を示す。 図１で使用した試験片の幾何学的設計を示す。 図１に使用したアルミニウム試験片の断面を示す。

図１は、図２に示す一般的な幾何学的レイアウトに従って様々な試験片に行った衝撃試験の結果を示す。このレイアウトは、フラットパネル１４によって結合された１対の平行な管状部分１０、１２を含む。この配置は、固体表面１８に取り付けられたベースプレート１６に垂直に取り付けられている。管１０、１２は、それらの端部に、破砕開始因子として作用しかつ変形が制御されることを確実にする、ノッチ２０のパターンを有する。

鋼管は長さ４９８ｍｍ、外径６３．５ｍｍの円形断面管であった。アルミニウム管は、６３．５ｍｍの短径２２、８３．５ｍｍの長径２４を有する、図３に示す長さ５０８ｍｍの楕円形のプロファイルであった。この違いは、円形断面の代わりに楕円形を画定するための２０ｍｍ幅の平坦部分２６によって得られる。

質量７８０ｋｇのスレッド２８を管状部材１０、１２と平行な方向に直線的に試験片に衝突させて試験片を固体表面に押し付ける。スレッドは、９．５ｍｓ^-1の速度で発射され、３５．２ｋＪの衝撃エネルギーを与える。これは、５０ｋｐｈフルフロンタルバリア（ＦＦＢ）フルビークル衝突試験をシミュレートする。図１は、次の４つのシナリオの結果を示している。

図１のｘ軸は、スレッド２８の変位をｍｍで示し、ｙ軸は、加えられた力の合計をｋＮで示している。スレッドにはそれぞれ同じ衝撃エネルギーが与えられているので、４つのトレースの囲まれた面積の合計は同じであるが、プロファイルは異なる。特に、炭素繊維補強された試験片は、支持されていない鋼管３０及び鋼製パネルを有する鋼管３２の両方よりも高い破砕力を示した。鋼管に鋼製パネルを追加しても、ほとんど違いはないように見える。

第二に、炭素繊維パネルで補強されたアルミニウム管は、約１８５ｋＮの同じ初期衝撃力を示したが、炭素繊維パネルで補強された鋼管に比べて、より一貫して、はるかに長い間、その力を衝撃に維持した。後者の線３６は、約１４０〜１５０ｋＮまで急速に減衰するが、アルミニウム管試験片は、１７０〜１９０ｋＮの範囲にずっと長く留まる。このことは、アルミニウム管状部分と補強パネルは、鋼管状部分がそうでない方法で、変形下で共働していることを示唆している。

アルミニウム管状部分のオイラー座屈荷重は鋼管状部分のオイラー座屈荷重よりもかなり低いことも注目すべきである。軸荷重下での柱の崩壊について、よく知られているオイラー方程式、

ここで、
Ｐ_cr＝オイラーの臨界荷重（柱の縦圧縮荷重）
Ｅ＝柱材料の弾性係数
Ｉ＝柱の断面の最小断面二次モーメント
Ｌ＝支持されていない柱の長さ
Ｋ＝柱の境界条件を反映した柱の有効長さ係数
を使用し、アルミニウム管を外径６３．５ｍｍ、壁厚２．５ｍｍの円形断面と近似すると、当該管状部分は以下の座屈特性を有する。

計算は、１つの固定端と１つの自由端に対応するＫが２であることに基づいている。

したがって、アルミニウム管は、適切な安全マージンを確保した後、鋼よりもかなり低く、試験片の破壊強度に対して名目上不十分な座屈強度を有する。アルミニウム管の座屈強度を鋼管の座屈強度に一致するように高めるには、壁厚を５．５ｍｍに増大させる必要がある。これらの管の設計を比較する。

記載されている幾何学的比は、管形状の座屈性能への影響を反映することを意図している。これは、管の支持されていない長さの２乗に対する管の断面の最小断面二次モーメントの比である。図から分かるように、薄肉アルミニウム管の試験片は、２ｍｍ²未満の比を有し、鋼管の座屈強度に一致するように設計されたアルミニウム管の比よりも鋼管の比に近い。同様に、実際に特定するのがかなり容易な管のアスペクト比は、鋼管と機械的強度が同等になるように設計されたアルミニウム管の１００未満のレベルをはるかに超えており、明らかに１５０を超えている。アルミニウムの弾性率が鋼の２．８５分の１であることを考慮すると、アスペクト比がわずか１．６分の１、幾何学的比がわずか１．５倍の管で構成された試験片が同じ降伏力とより優れた衝撃吸収プロファイルを達成するという事実は、この文脈において薄肉アルミニウム管状部分の選択に有用な効果が存在することを示している。

したがって、支持複合パネルと組み合わせると、アルミニウム部分は、座屈に対する抵抗を考慮して、明らかに必要とされるよりもかなり薄い壁を備えることができる。これにより、材料の使用量が節約され、車両の環境影響が低減され、車両の重量が低減され、材料コストが削減される。

当然ながら、本発明の範囲から逸脱することなく、上述の実施形態に多くの変更を行うことができることが理解されるであろう。

Claims (7)

1. 複数の管状部分を含む相互接続されたフレームワークと、前記フレームワークに結合された少なくとも１つのシートとを含み、前記管状部分は非鉄金属組成物である、車両用シャーシ。
2. 前記非鉄管状部分は３ｍｍ以下の壁厚を有する、請求項１に記載のシャーシ。
3. 前記非鉄管状部分は、前記部分の支持されていない長さの２乗に対するその断面の最小断面二次モーメントの比が２ｍｍ²未満であるプロファイルを有する、請求項１に記載のシャーシ。
4. 前記非鉄管状部分は約１００を超えるアスペクト比を有する、請求項１に記載のシャーシ。
5. 前記非鉄管状部分は約１５０を超えるアスペクト比を有する、請求項１に記載のシャーシ。
6. 前記シートは複合材料のものである、請求項１から５のいずれか一項に記載のシャーシ。
7. 前記シートは炭素繊維複合物である、請求項６に記載のシャーシ。

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