JP4083880B2 - 車体フレームの変形制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の車体フレームに生じる変形を制御する車体フレームの変形制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フレームの剛性や破壊特性といった物理的強度は、材料自体の応力歪み特性の他に、断面二次モーメントに代表される断面形状や、フレーム中立軸に代表されるフレーム長手方向の形状等に左右される。さらに、フレームに入力される外力の大きさや向きによってフレームの変形状態が異なり、この変形状態に応じてフレームの強度も大きく変化する。例えば、フレームに曲げモーメントを発生させるような方向の外力では、多くの場合、圧縮強度に比して曲げ強度が不足して、フレームが座屈を起こすことから、軸方向の外力の場合に比較して大幅に強度が低下する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、所要の剛性や破壊特性を得るには、形状設計にあたり、想定される外力の大きさや方向に応じたフレームの変形状態を考慮する必要がある。これには、シミュレーションによる予測や実験によりある程度の最適化は可能であるが、実際には、製造コスト、スペース並びに重量の面での制約から、最適な形状並びに変形状態を実現するのは極めて困難である。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するために案出されたものであり、その主な目的は、フレームの変形状態を制御することで、形状に依存することなく所要の強度特性を得ることの可能なフレームの変形制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明においては、車体フレームの変形制御装置の構成を、自動車の車体を構成するフレーム材１の変形を拘束する向き、あるいは助長する向きの荷重を発生するアクチュエータ２と、フレーム材に入力される外力を検出する外力検出センサ３と、この外力検出センサの出力信号に基づいてアクチュエータの動作を制御するコントローラ４とを有し、フレーム材において周辺部分より大きな変形が予測される部分６に対応してアクチュエータを配置して、車体衝突時に、外力検出センサの出力から得られた外力の大きさ並びに方向に基づいて、フレーム材の変形の抑制、あるいは予め設定された形状への誘導がなされるものとした。
【０００６】
これによると、外力の大きさ並びに方向に基づいてアクチュエータを動作させて、フレーム材の変形を抑制したり、あるいはフレーム材を予め設定された形状へ誘導したりしてフレームの変形状態を制御することにより、形状によって定まる破壊特性や振動特性等の各種の強度特性を任意に変化させることが可能となる。
【０００７】
前記のフレーム材において周辺部分より大きな変形が予測される部分とは、スペースや重量面での制約等から周辺部分よりも脆弱になった部分の他に、周辺部分よりも特に脆弱でないものの、フレームの断面形状、中立軸の形態並びに補強材の配置状況等によって変形応力が集中するために周辺部分よりも大きな変形が生じる部分等をも指しており、やむを得ず生じるものの他、意図的に設けられるものであっても良い。
【０００８】
このようなフレーム材の大変形が予測される部分に対応して所要の位置にアクチュエータを配置することで、フレームの強度特性を効率的に制御することが可能となる。特に脆弱部分では、アクチュエータの発生荷重に対するフレーム材の変形量を増大させて、フレームの変形制御を比較的小出力のアクチュエータで実現可能となる利点が得られる。実際にアクチュエータを配置すべき大変形部分の特定や、アクチュエータの配置態様並びにコントローラでの制御方法の設定は、想定される外力の大きさ及び方向等の諸条件を勘案した実験やシミュレーション結果に基づいて行われる。
【０００９】
前記のアクチュエータは、振動外力等の比較的小さな外力に対応してフレームの弾性変形領域での変形制御を行うものにあっては、外力がなくなると初期状態に復元する特性を必要とする。このような復元性を有するものとしては、磁界の強度に応じた荷重を発生する磁歪素子が好適である。また、印加電圧に応じた荷重を発生する圧電素子も可能である。
【００１０】
これに対して、フレームの塑性変形領域を対象とするアクチュエータは、想定される外力に対抗可能な出力を有するものであれば良く、前記のような復元性は問われない。このようなアクチュエータとしては、前記の磁歪素子からなるものも可能であるが、特に、予め圧縮変形された形状記憶合金と、前記コントローラからの動作信号に応じて形状記憶合金を加熱する電熱体とからなるものであると良い。これによると、電熱体により加熱された形状記憶合金の復元応力で、フレームの変形を拘束・助長する荷重を得ることができる。
【００１１】
前記の外力検出センサとしては、当該フレーム材自体あるいはこれに結合された他の部材に生じる歪みを検出する歪みセンサを挙げることができる。また、車体フレームにおいて衝突外力に対応するものとしては、衝突時に車体に発生する加速度を検出する加速度センサが望ましく、これによると、歪みセンサに比較して早期に外力の入力を検出して所要の制御を開始し得る。この他、部材の変形に伴う適所に定めた測点の変位を検出する変位センサも可能である。なお、外力の方向の検出については、単一方向の外力の大きさのみを検出可能な外力検出センサでも、これを複数配置して検出外力の大きさを相互に比較することにより判定可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明の構成を詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明が適用されたフレームの変形制御装置の第１の実施形態を示している。このフレームの変形制御装置は、角筒状のフレーム１の外面に配置された複数の形状記憶合金アクチュエータ２と、フレーム１に入力される外力を検出する複数の歪みセンサ３と、歪みセンサ３からの信号に基づいて制御信号を出力するコントローラ４と、コントローラ４からの制御信号に応じて形状記憶合金アクチュエータ２に駆動電流を供給する給電部５とを有している。
【００１４】
フレーム１には、周壁の一部を全周に渡って内側に凹設して周辺部分よりも脆弱になった大変形部６が設けられている。この大変形部６は、その前後の部分に比較して断面二次モーメントが小さく、比較的小さな軸方向荷重並びに曲げモーメントにより大きな変形を起こす。この大変形部６に掛け渡された態様で形状記憶合金アクチュエータ２が大変形部６の前後の外壁面に密着固定された一対の取付部材７間に挟設されている。
【００１５】
歪みセンサ３は、フレーム１の外壁面に密着固定されている。この歪みセンサ３は、一方向、例えばフレーム１の軸方向の歪み量を検出可能なものであるが、複数の歪みセンサ３で検出された歪み量を相互に比較することにより、外力の方向を判定することができる。なお、図１の如く一対の歪みセンサ３をフレーム１の一面に設けた構成では、外力の方向を平面的にしか判定し得ないが、３個以上の歪みセンサ３をフレーム１の複数の面に配置すれば、外力の方向を立体的に判定することが可能となる。
【００１６】
形状記憶合金アクチュエータ２は、図２に詳しく示すように、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ系等の形状記憶合金材からなる形状記憶合金ロッド１１と、形状記憶合金ロッド１１に外装されたヒータ１２とからなっている。ヒータ１２は、発熱コイル１３と、熱電対１４と、これらを覆うセラミック製被覆体１５とからなっている。形状記憶合金ロッド１１には予め軸線方向の圧縮変形が加えられており、給電部５からの通電によるヒータ１２の発熱によって加熱されることで軸線方向の伸長荷重を発生する。
【００１７】
形状記憶合金アクチュエータ２は、図３に併せて示すように、フレーム１の相反する二面に１組ずつ配置されており、これらの形状記憶合金アクチュエータ２は、互いに独立して制御可能になっている。全ての形状記憶合金アクチュエータ２を均等に動作させれば、フレーム１の軸方向の伸長力が得られ、他方、各形状記憶合金アクチュエータ２を不均等に動作させると、軸方向の伸長力に加えて所要の方向の曲げモーメントが得られる。なお、形状記憶合金アクチュエータ２の設置個数並びに位置は、前記の構成に限定されるものではなく、想定される外力の方向を勘案して所要の軸方向力並びに曲げモーメントが得られるように適宜設定される。
【００１８】
フレーム１の軸線方向の外力に対してフレーム１の変形を抑制するには、フレーム１に生じる軸方向応力に抗するため、全ての形状記憶合金アクチュエータ２を均等に動作させれば良く、他方、フレーム１の軸線に対して傾斜した方向の外力に対しては、フレーム１に生じる軸方向力並びに曲げモーメントに抗するため、外力の大きさ並びに方向に応じて各形状記憶合金アクチュエータ２を所要の比率で動作させれば良い。さらに、外力並びに大変形部６の変形抵抗力を越える出力をもって各形状記憶合金アクチュエータ２を所要の比率で動作させることで、大変形部６を屈曲させて任意の変形状態に誘導することができる。
【００１９】
図４乃至図６は、形状記憶合金アクチュエータ２の変形形態を示している。図４に示す形状記憶合金アクチュエータ２１は、前記の形状記憶合金アクチュエータ２と同様に、フレーム１の外壁面に固着された取付部材２２間に挟設されているが、大変形部６の外面に沿うように湾曲した形状に形成されている。この形状記憶合金アクチュエータ２１は、加熱によって真直な形状へ復元するようになっており、その際に両端の取付部材２２を押し広げる荷重を発生してフレーム１に所要の伸長荷重を加える。図５では、フレーム１の内部を仕切るように設けられた取付部材２３間に真直な形状記憶合金アクチュエータ２４が挟設されている。この場合、形状記憶合金アクチュエータ２４をフレーム１の中心軸からずらして配置することで所要の曲げモーメントを得ることができる。図６では、円弧状に湾曲形成された一対の形状記憶合金アクチュエータ２５が、フレーム１の内壁面に固着された取付部材２６に両端を固定されると共に、中心部の対向面を互いに当接させた態様で配置されている。この場合、中心部を互いに規制された一対の形状記憶合金アクチュエータ２５の各々が伸長復元する際の発生荷重によりフレーム１に伸長荷重を作用させる。
【００２０】
以上、形状記憶合金アクチュエータを用いた例を示したが、これに代えて、図７及び図８に示すような磁歪素子アクチュエータ３１・３２を用いることも可能である。前記の形状記憶合金アクチュエータは復元性がないために比較的大きな外力による塑性変形を対象とする場合に限定されるが、磁歪素子アクチュエータ３１・３２は復元性を有するために振動外力等の比較的小さな外力による弾性変形にも対応可能である。
【００２１】
図７に示す磁歪素子アクチュエータ３１は、磁界の強度に応じた荷重を発生する磁歪素子ロッド３３と、磁歪素子ロッド３３の外周にこれに磁界を加えるための励磁コイル３４を同軸的に設けたものである。磁歪素子ロッド３３は、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ合金等の周知の超磁歪材料からなるものである。図８に示す磁歪素子アクチュエータ３２は、励磁コイル３５の発生磁界を誘磁部材３６で磁歪素子ロッド３７に誘導するようにしたものである。誘磁部材３６は、電磁鋼等の軟磁性材料で形成されている。これらの磁歪素子アクチュエータ３１・３２は、前記の形状記憶合金アクチュエータと同様に、フレーム１の周壁表面に密着固定される取付部材７を介して、あるいは誘磁部材３６を取付部材に兼用する態様でフレーム１に配置される。
【００２２】
これらの磁歪素子アクチュエータ３１・３２は、前記の形状記憶合金アクチュエータ２・２１・２４・２５と併用することも可能であり、例えば、図２に示した形状記憶合金アクチュエータ２と図７に示した磁歪素子アクチュエータ３１とを組み合わせた場合の制御方法の一例を以下に示す。
【００２３】
まず、歪みセンサ３で検出されたフレーム１の歪み量に基づいてコントローラ４にてフレーム１の内部応力が算出され、この内部応力が基準応力値（概ね１００Ｍｐａ乃至２００Ｍｐａ）を越えると塑性変形と判定されて、塑性変形に対応した形状記憶合金アクチュエータ２を動作させる。このとき同時に磁歪素子アクチュエータ３１を動作させることも可能である。これにより、フレーム１の破壊強度が高められる。
【００２４】
一方、これとは別に、常時、歪みセンサ３の出力に応じてフレーム１の歪みを拘束・助長する所要の向きに磁歪素子アクチュエータ３１を動作させて、フレーム１の変形を抑制したり振動特性を変化させたりする。これによりフレーム１の高剛性化や振動・騒音の低減が可能となる。
【００２５】
図９は、本発明によるフレームの変形制御装置の第２の実施形態を示している。ここでは、全体的に湾曲した形状に形成された角筒状のフレーム４１に、複数の形状記憶合金アクチュエータ４２が一対ずつ直列に並んだ態様で設けられている。これらの形状記憶合金アクチュエータ４２は、前記の形状記憶合金アクチュエータ２と同様に復元応力により伸張荷重を発生するものであり、フレーム４１の曲げの内側の外壁面に密着固定された取付部材４３間に挟設されている。この他、前記の実施形態と同様、フレーム１に入力される外力を検出する歪みセンサ３と、歪みセンサ３からの信号に基づいて制御信号を出力するコントローラ４と、コントローラ４からの制御信号に応じて形状記憶合金アクチュエータ４２に駆動電流を供給する給電部５とが設けられている。
【００２６】
図９に矢印で示すように、フレーム４１に圧縮荷重が加えられると、フレーム４１に軸方向応力並びに曲げモーメントが生じるが、この曲げモーメントによって生起される座屈がフレーム４１の強度を大きく左右する。これに対して、形状記憶合金アクチュエータ４２の伸長荷重により、外力による曲げモーメントに対抗する曲げモーメントがフレーム４１に作用し、フレーム４１の座屈を防止することができる。
【００２７】
なお、この実施形態では湾曲したフレーム４１全体が本発明における大変形が予測される部分に相当し、他方、前記の実施形態（図１参照）では大変形部６がこれにあたるが、本発明はこのような形態に限定されるものではなく、この他にも種々の形態が考えられる。例えば、フレームの一部が周囲よりも薄くなる等して周辺部分よりも脆弱になった態様も可能である。また、フレームの変形を拘束するバルクヘッド等の補強材に近接する部分、あるいは湾曲したフレームにおける中立軸の形態によって変形応力が集中する部分等も大きな変形を生じることから変形制御を行うのに好適である。
【００２８】
【実施例】
本発明が適用された前記第２の実施形態（図９参照）で示したフレーム４１を実際に製作して圧縮強度試験を行った結果を図１０に示す。これによると、形状記憶合金アクチュエータ４２による変形制御を行わない非制御時には、圧縮量が１００ｍｍを越えたところでエネルギー吸収量が横這いとなっており、図１０中の点Ａで座屈を起こしたのに対して、制御時では、座屈を起こすことなくエネルギー吸収量の上昇が持続している。これは、同一断面の真直なフレームと殆ど差がなく、十分な変形制御能力を有することが判明した。
【００２９】
【発明の効果】
このように本発明によれば、外力の大きさ並びに方向に基づいてアクチュエータを動作させてフレームの変形状態を制御することにより、形状によって定まる破壊特性や振動特性等の各種の強度特性を任意に変化させることが可能となる。これにより、例えば車体フレームにおいては、車両衝突時におけるフレームの適切な変形がなされ、乗員の保護能力を高めることができる。さらに、振動特性を変えることにより振動・騒音の低減が可能となり、また、高剛性化により走行安定性の向上等を図ることができる。その上、各種の強度特性の形状への依存度が低くなることから、フレームの設計自由度が増す利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフレームの変形制御装置の第１の実施形態を示す斜視図。
【図２】形状記憶合金アクチュエータを示す正面図。
【図３】図１に示したフレームの上面図。
【図４】形状記憶合金アクチュエータの他の装着形態を示す図３と同様の上面図。
【図５】同じく形状記憶合金アクチュエータの他の装着形態を示す断面図。
【図６】同じく形状記憶合金アクチュエータの他の装着形態を示す断面図。
【図７】磁歪素子アクチュエータを示す正面図。
【図８】磁歪素子アクチュエータの他の形態を示す図７と同様の正面図。
【図９】本発明によるフレームの変形制御装置の第２の実施形態を示す斜視図。
【図１０】圧縮試験結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１ フレーム
２ 形状記憶合金アクチュエータ
３ 歪みセンサ
４ コントローラ
５ 給電部
６ 大変形部
７ 取付部材
１１ 形状記憶合金ロッド
１２ ヒータ
１３ 発熱コイル
１４ 熱電対
１５ 被覆体
２１、２４、２５ 形状記憶合金アクチュエータ
２２、２３、２６ 取付部材
３１・３２ 磁歪素子アクチュエータ
３３、３７ 磁歪素子ロッド
３４、３５ 励磁コイル
３６ 誘磁部材
４１ フレーム
４２ 形状記憶合金アクチュエータ
４３ 取付部材

Claims (2)

1. 自動車の車体を構成するフレーム材の変形を拘束する向き、あるいは助長する向きの荷重を発生するアクチュエータと、前記フレーム材に入力される外力を検出する外力検出センサと、該外力検出センサの出力信号に基づいて前記アクチュエータの動作を制御するコントローラとを有し、
   前記フレーム材において周辺部分より大きな変形が予測される部分に対応して前記アクチュエータを配置して、車体衝突時に、前記外力検出センサの出力から得られた外力の大きさ並びに方向に基づいて、前記フレーム材の変形の抑制、あるいは予め設定された形状への誘導がなされるようにすることを特徴とする車体フレームの変形制御装置。
2. 前記アクチュエータは、予め圧縮変形された形状記憶合金と、前記コントローラからの制御信号に応じて前記形状記憶合金を加熱する電熱体とからなることを特徴とする請求項１に記載の車体フレームの変形制御装置。

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