JP4286884B2 - 自動車の車体構造 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の車体構造に係り、軽量化を図りながら、正面衝突に対する強度の向上を実現する技術に関する。

モノコック構造の自動車（以下、モノコック車と記す）は、薄鋼板をプレス成型することで多数のボディパネルや骨格部材を製造した後、これらをスポット溶接等により接合することでボディが製造される（特許文献１参照）。従来のボディ構造では、自動車が他の車両や建造物等に正面衝突した場合、フロントバンパから左右のフロントサイドフレームに入力した衝突荷重は、アウトリガーを介してサイドシルインナにその一部が伝達される他、左右のフロアフレームを介して大部分がミドルクロスメンバに伝達される。なお、特許文献１のボディ構造では、フロアパネルの中央を上方に膨出させてその下部にフュエルタンクを設置するとともに、このフュエルタンクをフロントクロスメンバとミドルクロスメンバとフロアフレームとによって画成された空間に収容している。また、フロアパネルの上面にはシートフレームの前後脚が締結されており、そのシートフレームの上部にシートが支持されている。
特開２００２−３０２０７１号公報

上述したボディ構造では、フロントサイドフレームからの衝突荷重は、その大部分がフロアフレームに入力する。そのため、このボディ構造を採用した場合、フロアフレームとして板厚や横断面積の大きい大重量のものが必要なり、自動車の車体重量が増大することが避けられなかった。車体重量の増大は、走行燃費の悪化や運動性能の低下をもたらすことから、できる限り抑制することが望ましい。そのため、フロアフレームの薄肉化等を実現すべく、フロントサイドフレームから入力した衝突荷重をフロアフレーム以外の骨格部材に効果的に分散する構造が望まれていた。また、このボディ構造では、車室前部に側方から他車が衝突した場合にサイドシルインナからの衝突荷重がフロントクロスメンバに作用するため、フュエルタンクの保護を図る観点から、フロントクロスメンバの板厚等も大きくする必要等があり、このことも車体重量を増大させる要因となっていた。更に、正面衝突時において、シートベルトに拘束された乗員が慣性によって前方に移動すると、シートの前部に下向きの大きな荷重が作用することでシートフレームの前脚が締結されたフロアパネルが下方に変形し、シートフレーム（すなわち、シート）が前のめりに傾いて乗員がダッシュボードに接近する虞がある。このような事態を防止するためには、フロアパネルとして板厚や断面係数の大きなものが必要となり、車体重量の増大がもたらされたり、プレス成形が困難になったりする問題があった。

本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、軽量化を図りながら、正面衝突に対する強度の向上を実現した自動車の車体構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、自動車の車体構造において、車体前部に配置され、前後方向に延びる左右一対のフロントサイドフレームと、前記フロントサイドフレームの後端にそれぞれ接合され、後方に延びる左右一対のフロアフレームと、前記左右フロントサイドフレームの後部にその両端がそれぞれ接合された第１クロスメンバと、前記第１クロスメンバの後方に配置され、前記左右フロアフレームが接合された第２クロスメンバと、車幅方向中央に配置され、前記第１クロスメンバと前記第２クロスメンバとが接合された第１トンネルフレームとを備え、前記第１クロスメンバが、前記フロアフレームとの接合部から車幅方向中央へ向けて前縁が後退するアーチ形状を呈するように構成する。

また、上記構成を備えた自動車の車体構造において、車室の床部分を形成するフロアパネルの左右端に接合された左右一対のサイドシルと、前記サイドシルの前端と前記フロントサイドフレームとが接合された左右一対のアウトリガーとを更に備えるように構成するとよい。また、前記第１クロスメンバの前方に配置され、車室とエンジンルームとを画成するダッシュボードロアパネルと、車幅方向中央に配置され、前記ダッシュボードロアパネルと前記第１クロスメンバとが接合された第２トンネルフレームとを備えるようにするとよい。この場合、前記第１および第２トンネルフレームを、下側が開いたコ字状断面に成形するとよく、前記第１クロスメンバの車幅方向中央部に、前後方向に延在するスチフナを設けるとよい。更に、いずれの構成においても、前記第１クロスメンバを上側が開いたコ字状断面に成形するとともに、その後部上端にシート取付座を有するフランジを設けるとよい。

本発明によれば、フロントサイドフレームから入力した衝突荷重は、直接後方に接合されたフロアフレームのみならず、第１クロスメンバを介して第１トンネルフレームに効果的に伝達される。そのため、フロアフレームとして比較的低強度の軽量なものを採用することが可能となり、車体重量の軽減を実現できる。また、第１クロスメンバによって車室前部の車幅方向の変形が抑制されるため、側面衝突時における乗員の安全性が向上する。そして、車体下部に第１，第２クロスメンバとフロアフレームとによって囲まれた変形し難い空間が形成されるため、その空間にフュエルタンク等を設置することで衝突時の安全性を向上させることができる。

また、衝突荷重がサイドシルにも伝達されるようにすることにより、衝突荷重の分散が効果的に行われるとともに、左右いずれの方向の斜め衝突に対してもフレームの剛性が確保される。また、ダッシュボードロアパネルが第２トンネルフレームに接合されることにより、正面衝突などでエンジンが車室側へ後退してきた場合であっても、衝突荷重が第２トンネルフレームに伝達されることによって、ダッシュボードロアパネルの破損が防止される。更に、トンネルフレームをコ字状断面とすることにより、座屈強度が高められ、第１クロスメンバの中央部にスチフナを設けることにより、衝突荷重による第１クロスメンバの変形が防止される。また、第１クロスメンバの後部上端、即ち縦部材の上端にシートを取付けることにより、フロアパネルの変形が防止されるため、車体構造の更なる軽量化等を実現できる。

以下、図面を参照して、本発明を適用した自動車用車体構造の一実施形態を詳細に説明する。図１は実施形態に係る車体骨格構造を示す斜視図であり、図２は実施形態に係る車体骨格構造の要部を示す上面図であり、図３は図２中のIII−III矢視図であり、図４は図２中のIＶ−IＶ矢視図である。

≪実施形態の構成≫
本実施形態は、ハッチバック乗用車用のボディに本発明を適用したものである。
図１〜図３に示すように、実施形態のボディ１は、ボディパネルとして、車室の前端部分とエンジンルーム２の後端部とを画成するダッシュボードロアパネル３や、車室の床面を構成する前後フロアパネル６ａ，６ｂ等を有し、骨格部材として、左右フロントサイドフレーム４，５や左右サイドシルインナ（サイドシル）７，８、左右フロアフレーム９，１０、左右アウトリガー１１，１２、フロントクロスメンバ（第１クロスメンバ）１３、ミドルクロスメンバ（第２クロスメンバ）１４、フロアトンネルフレーム（第１トンネルフレーム）１５、ダッシュボードロアトンネルフレーム（第２トンネルフレーム）１６等を有している。なお、図１中に符号１７で示す部材は、フロントサイドフレーム４，５の前端に締結されたバンパビームである。また、図２中に符号１８で示す部材は、ボディ１の中央下部に設置されたフュエルタンクであり、フロント，ミドルクロスメンバ１３，１４とフロアフレーム９，１０とによって画成された空間２０に収容されている。

フロントサイドフレーム４，５は、エンジンルーム２から前部フロアパネル６ａ（図１には示さず）に向けて前後方向に延設されている。サイドシルインナ７，８は、前後フロアパネル６ａ，６ｂ（図１には示さず）の左右端に接合され、車室の床面を構成している。フロアフレーム９，１０は、フロントサイドフレーム４，５の後端にそれぞれ接合されるとともに、後部フロアパネル６ｂの下面に接合されている。アウトリガー１１，１２は、いわゆる閉断面構造体であり、フロントサイドフレーム４，５とサイドシルインナ７，８の前端とに接合されている。

フロントクロスメンバ１３は、左右フロントサイドフレーム４，５の後端における車幅方向内側に接合されるとともに、フロントサイドフレーム４，５との接合部から車幅方向中央側に向けて前端１３ａが後退するアーチ形状を呈している。ミドルクロスメンバ１４は、フロントクロスメンバ１３の後方に配置され、その両端がサイドシルインナ７，８に接合されるとともに、フロアフレーム９，１０の後端が接合されている。

フロアトンネルフレーム１６は、後端がミドルクロスメンバ１４の車幅方向中央部に接合され、前端がダッシュボードロアトンネルフレーム１６に接合されることにより、フロント，ミドルクロスメンバ１３，１４の車幅方向中央部を連結している。ダッシュボードロアトンネルフレーム１６は、フロントクロスメンバ１３の車幅方向中央の上面に接合されるとともに、その上面後端にはフロアトンネルフレーム１５の前端が接合されている。また、ダッシュボードロアトンネルフレーム１６は、フロントクロスメンバ１３から前方へ延出してダッシュボートロアパネル３に沿って立ち上がり、その前面から下面がダッシュボートロアパネル３に接合されている。

図３に示すように、フロントクロスメンバ１３は、上側が開口した略コ字状断面を有しており、その中央部分において、前端では前部フロアパネル６ａを介して、後端では後部フロアパネル６ｂを介してダッシュボードロアトンネルフレーム１６が接合されている。そして、ダッシュボードロアトンネルフレーム１６は、左右の縦壁と天板とからなる下側が開口したコ字状断面を有しており（図１参照）、フロントクロスメンバ１３内部の前記左右縦壁に整合する位置には、上縁にフランジが形成された２枚のスチフナ２１が車体前後方向に延在するように接合されている。また、図３，４に示すように、フロントクロスメンバ１３は、その側方部分における後部縦壁の上端に、後方へ向けて水平に延設されたフランジが形成されており、後部フロアパネル６ｂの前端を介してシートフレーム２２の前端が固定される。なお、シートフレーム２２は、フロントクロスメンバ１３の後端下面に溶接されたウエルドナット１９にボルト締結される。

≪実施形態の作用効果≫
次に、本実施形態のボディ１における作用効果について図５を参照しながら説明する。自動車の走行時あるいは停車時において、ボディ１の前面に車両や障害物が衝突する（すなわち、正面衝突が起きる）ことがある。本実施形態の場合、図５中に黒塗りの矢印で示すように、正面衝突によってバンパビーム１７からフロントサイドフレーム４，５に入力した衝突荷重は、その一部がアウトリガー１１，１２を介してサイドシルインナ７，８に伝達されるとともに、後端に直接接合されたフロアフレーム９，１０に伝達される他、フロントクロスメンバ１３を介してフロアトンネルフレーム１５にも伝達される。この際、フロアトンネルフレーム１５はフロントサイドフレーム４，５に対して車幅方向内側に偏心しているが、上述したように、フロントクロスメンバ１３がアーチ形状を呈しているため、衝突荷重はフロアトンネルフレーム１５へも効率的に伝達される。

また、走行時にスリップ等してボディ１が進行方向に対して斜めになった状態で衝突（すなわち、斜め衝突）が起こった場合においても、フロントサイドフレーム４，５の一方のみに生じた衝突荷重がフロントクロスメンバ１３に効果的に伝達されるため、センターのフロアトンネルフレーム１５だけでなく、他方の側に位置するフロアフレーム９，１０へも伝達荷重が分散される。

このようにしてフロアトンネルフレーム１５に伝達された衝突荷重は、フロアトンネルフレーム１５がコ字状断面を有しているため、フロアトンネルフレーム１５を座屈させることなく、主にその上側または下側の稜線を経由して確実にミドルクロスメンバ１４へと伝達される。

また、高速運転時に正面衝突等を起こした場合、エンジンルーム２が潰れてエンジンが車室側へ移動してくることがあるが、ダッシュボードロアクロスメンバ１６がダッシュボードロアパネル３に接合されているため、後退するエンジンの荷重（車両の慣性力）が、ダッシュボードロアパネル３とダッシュボードロアクロスメンバ１６とを経由して、フロントクロスメンバ１３およびフロアトンネルフレーム１５に伝達される。そのため、エンジンがダッシュボードロアパネル３に衝突するような事故が起こったとしても、車室空間が維持され乗員の安全が確保される。ダッシュボードロアクロスメンバ１６の断面形状がコ字状であることにより、座屈することなく荷重が伝達される点は、フロアトンネルフレーム１５と同様である。

そして、ダッシュボードロアトンネルフレーム１６の下側稜線の直下にスチフナ２１を設けていることにより、このような大きな荷重が発生した場合であっても、フロントクロスメンバ１３の変形も防止されている。

一方、上述した正面衝突をはじめ、ボディ１の前方側面への他車等の衝突（すなわち、側面衝突）等が起こった場合においても、フュエルタンク１８は、フロント，ミドルクロスメンバ１３，１４とフロアフレーム９，１０とによって画成された堅固な空間２０に収容されているため、変形や破損等を受けることが殆ど無く高い安全性が確保される。なお、本実施形態の場合、空間２０にフュエルタンク１８を収容するようにしたが、電気自動車や燃料電池自動車ではバッテリーや燃料電池等を収容してもよく、その場合にもそれらの機器がフュエルタンク１８と同様に保護される。

一方、正面衝突が起きると、シートベルトによって拘束された乗員が慣性によって前方に移動してシートの前部に下向きの大きな荷重が作用する。ところが、本実施形態では、前述したように、フロントクロスメンバ１３をコ字状断面に形成するとともに、その後部上端にシート取付座としてフランジを設け、その下面にシートフレーム締結用のウエルドナット１９を設置したため、シートフレーム２２の変位が起こり難くなり、シートの変形や移動（前のめりに傾むくこと等）によって乗員がダッシュボードに接近する虞が少なくなる。

本実施形態では、上述した構成を採ったことにより、ボディ１の強度や剛性を確保しながら、フロアフレーム９，１０やフロントクロスメンバ１３の素材に比較的軽量な薄鋼板等を使用することができるようになり、車体重量の軽減やＮＶＨ（ノイズ、バイブレーション、ハーシュネス）性能の向上を実現できた。また、フロアパネル６を、フロントクロスメンバ１３を境に前部フロアパネル６ａと後部フロアパネル６ｂとに分割したため、必要に応じて板厚や材質（通常の鋼板と高張力鋼板）を使い分けることが可能となり、成型性や生産性の向上が可能である。また、フロントクロスメンバ１３やフロアトンネルフレーム１５、ダッシュボードロアトンネルフレーム１６によって車室前部の強度や剛性が十分に確保されるため、ボディ１の軽量化を図りながら、正面衝突や側面衝突に対する強度の向上を実現できた。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態は本発明をセダン型４ドア乗用車に適用したものであるが、２ドア自動車等、他の自動車に本発明を適用してもよい。また、フロアフレームや第１，第２クロスメンバ、第１，第２トンネルフレームフロアパネル等の具体的形状や接合形態等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

実施形態に係る車体骨格構造を示す斜視図 実施形態に係る車体骨格構造の要部を示す上面図 図２中のIII−III矢視図 図２中のIＶ−IＶ矢視図 実施形態の作用説明図

符号の説明

１ ボディ
４ フロントサイドフレーム
５ フロントサイドフレーム
６ａ 前部フロアパネル
６ｂ 後部フロアパネル
７ サイドシルインナ（サイドシル）
８ サイドシルインナ（サイドシル）
９ フロアフレーム
１０ フロアフレーム
１１ アウトリガー
１２ アウトリガー
１３ フロントクロスメンバ（第１クロスメンバ）
１４ ミドルクロスメンバ（第２クロスメンバ）
１５ フロアトンネルフレーム（第１トンネルフレーム）
１６ ダッシュボードロアトンネルフレーム（第２トンネルフレーム）
２１ スチフナ

Claims (6)

1. 車体前部に配置され、前後方向に延びる左右一対のフロントサイドフレームと、
   前記フロントサイドフレームの後端にそれぞれ接合され、後方に延びる左右一対のフロアフレームと、
   前記左右フロントサイドフレームの後部にその両端がそれぞれ接合された第１クロスメンバと、
   前記第１クロスメンバの後方に配置され、前記左右フロアフレームが接合された第２クロスメンバと、
   車幅方向中央に配置され、前記第１クロスメンバと前記第２クロスメンバとが接合された第１トンネルフレームと
   を備え、
   前記第１クロスメンバは、前記フロアフレームとの接合部から車幅方向中央へ向けて前縁が後退するアーチ形状を呈することを特徴とする自動車の車体構造。
2. 車室の床部分を形成するフロアパネルの左右端に接合された左右一対のサイドシルと、
   前記サイドシルの前端と前記フロントサイドフレームとが接合された左右一対のアウトリガーと
   を更に備えたことを特徴とする、請求項１に記載された自動車の車体構造。
3. 前記第１クロスメンバの前方に配置され、車室とエンジンルームとを画成するダッシュボードロアパネルと、
   車幅方向中央に配置され、前記ダッシュボードロアパネルと前記第１クロスメンバとが接合された第２トンネルフレームと
   を更に備えたことを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれかに記載された自動車の車体構造。
4. 前記第１および第２トンネルフレームは、下側が開いたコ字状断面を有することを特徴とする、請求項３に記載の自動車の車体構造。
5. 前記第１クロスメンバの車幅方向中央部に、前後方向に延在するスチフナが形成されたことを特徴とする、請求項３または請求項４に記載された自動車の車体構造。
6. 前記第１クロスメンバは上側が開いたコ字状断面を有するとともに、その後部上端にシート取付座を有するフランジが形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載された自動車の車体構造。

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