JP4413029B2 - 車体フレーム構造 - Google Patents

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本発明は、車体フレーム構造に関し、特にフレーム部材を連結して構成された車体フレーム構造に関する。
自動車のサイドフレーム等の車体フレームとして、軽量で、かつ衝突や接触した際に塑性変形により効率的に衝撃吸収が得られるアルミニウム系材料の車体フレームが種々提案されている(例えば、特許文献1)。
しかし、アルミニウム系材料は、鉄系材料に比べ強度、成形性、溶接性及びコストなどの点で劣るため、全ての車体フレームをアルミニウム系材料に置き換えることは困難である。また、鉄系材料とアルミニウム系材料を抵抗溶接すると、異種金属材料が接触することによるイオン化傾向の相違による電気化学的腐食、いわゆる電食が発生することが懸念される。
そこで、溶接結合によらず、アダプタを介在させて鉄系材料のフレーム部材とアルミニウム系材料のフレーム部材をボルト結合して車体フレームを形成することが考えられる。
例えば、図6に要部分解斜視図を示すように、筒状体を半割状に形成した鉄系材料からなるアウタパネル112とインナパネル113によって形成された後部フレーム部材111と、筒状に押出成形されたアルミニウム系材料からなる前部フレーム部材115を連結するにあたり、後部フレーム部材111と前部フレーム部材115との間に介在する板状の基部121の一端面から筒状に突出する後部側接合部122及び基部121の他端面から前部フレーム部材115の端部内周に嵌合可能に突出する一対の前部側接合部123、124を備えたアルミニウム系材料のアダプタ120を準備する。
そして、アダプタ120の後部側接合部122の外周に、アウタパネル112の端部112aと、インナパネル113の端部113aを嵌合させて、互いに嵌合するアダプタ120の後部側接合部122とアウタパネル112の端部112a及び後部側接合部122とインナパネル113の端部113aをボルト125によって結合すると共に、一対の前部側接合部123、124に前部フレーム部材115の端部115aを嵌合させ、互いに嵌合する前部フレーム部材115の端部115aと前部側接合部123、124をボルト125によって結合する。
特開平8−216916号公報
しかし、図6に示す車体フレーム構造によると、後部フレーム部材111と前部フレーム部材115を連結するアダプタ120はアルミニウム系材料で基部121から後部側接合部122及び前部側接合部123、124が突出する複雑な形状に一体成形されたブロック状であることからその製品コストの増大が懸念されると共に、構成部品点数が多くなり、かつ後部フレーム部材111とアダプタ120をボルト125により結合し、更にアダプタ120と前部フレーム部材115とをボルト125により結合することからその結合作業が複雑になり製造コストの増大を招くことが懸念される。
そこで、アルミニウム系材料によって押出成形されたアルミニウム系材料の前部フレームとアダプタを予め一体結合して構成部品の削減を図ることが考えられる。例えば、図7(a)に図6と対応する部分に同一符号を示すように前部フレーム部材115の外周に嵌合可能な矩形の開口部132を有するアルミニウム系材料のプレート131及び後部フレーム部材111に結合されるべき矩形筒状の結合部材133を備え、図7(b)に示すように前後フレーム部材115の基端部115aをプレート131の開口部132内に嵌入する。そして、図7(c)に示すように前部フレーム部材115の外周に沿って前部フレーム部材115とプレート131を溶接結合する。
更に、前部フレーム部材115の端面と結合部材133の端面133bを突き合わせて、内周側より前部フレーム部材115の端面と結合部材113の端面133bとの当接部分を溶接結合する。
しかし、前部フレーム部材115とプレート133を溶接結合する際、前部フレーム部材115の外周に沿ってプレート131の先端側面131aから前部フレーム部材115とプレート131を溶接結合することから、溶接部135から前部フレーム部材115の広範囲が溶接熱及び冷却速度などの影響によって熱影響部が形成されて、該部が軟化すると共に剛性強度が低下することが懸念される。
ここで、衝突等によって前部フレーム部材115に軸方向の衝撃荷重等の外力が作用すると、前部フレーム部材115に結合されたプレート131が後部フレーム部材111の端縁によって受け止められ、前部フレーム部材115の溶接部135付近に形成された熱影響部から圧壊が始まり前部フレーム部材115が湾曲或いは折曲して前部フレーム部材115の先端側から漸次連続的に座屈変形して衝撃荷重を吸収する軸圧破壊が阻害されて効率的な衝撃荷重の吸収特性が妨げられることが懸念される。
従って、かかる点に鑑みなされた本発明の目的は、効率的な衝撃荷重の吸収特性が得られる車体フレーム構造を提供することにある。
上記目的を達する請求項1に記載の車体フレーム構造の発明は、中空部を有する閉断面形状の第2フレーム部材の基端部外周にプレートの開口部に嵌挿して互いに溶接結合すると共に、上記第2フレーム部材の基端部の端面に結合部材を結合し、該結合部材を上記第2フレーム部材とは異種の金属材料によって形成される第1フレーム部材の中空部に嵌挿して上記プレートの基端側面と第1フレーム部材の端縁を対向或いは当接した状態で上記結合部材と第1フレーム部材とを結合して第1フレーム部材と第2フレーム部材を連結する車体フレーム構造において、互いに嵌合した上記第2フレーム部材の基端部の外周面と上記プレートの開口部の内周面とを第2フレーム部材の基端部端面側から溶接結合したことを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1の車体フレーム構造において、上記第2フレーム部材とプレートとの溶接結合に伴う第2フレーム部材に形成される熱影響部の範囲が、該第2フレーム部材の端面から上記プレートの厚さ範囲内であることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2の車体フレーム構造において上記プレート及び結合部材は第2フレーム部材と同一金属系材料によって形成されたことを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項3の車体フレーム構造において、上記第1フレーム部材は、鉄系材料で形成され、第2フレーム部材、プレート及び結合部材がアルミニウム系材料によって形成されたことを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれかの上記結合部材は、端面が上記第2フレーム部材の端面に当接する中空部を有する閉断面形状であって、互いに当接する第2フレーム部材の端面と結合部材の端面が溶接結合されたことを特徴とする。
上記請求項1の発明によると、上記第2フレーム部材とは異種の金属材料によって形成される第1フレーム部材と第2フレーム部材を連結して車体フレームを形成するにあたり、予め第1フレーム部材にプレート及び結合部材を一体的に結合することによって、構成部品点数の削減が得られると共に結合部材と第1フレーム部材を結合することによって、第1フレーム部材と第2フレーム部材が連結でき、その連結作業の簡素化されて製造コストの削減が期待できる。
更に、第2フレーム部材とプレートを溶接結合にあたり、互いに嵌合した第2フレーム部材の基端部の外周面とプレートの開口部の内周面とを第2フレーム部材の端面側から溶接結合することによって、溶接結合に伴って形成される剛性強度の低下する範囲がプレートによって補剛されて実質的に第2フレーム部材の全範囲に亘って剛性低下の発生が阻止できる。従って、衝突等によって第2フレーム部材に衝撃荷重等の外力が軸方向に作用したときには、第2フレーム部材に結合されたプレートの基端側面が第1フレーム部材に当接して強固に受け止められて支持され、第2フレーム部材の湾曲或いは折曲変形が回避乃至抑制されて第2フレーム部材の先端側から漸次連続的に座屈変形して効率的に衝撃荷重を吸収する軸圧破壊が確保でき、効率的な衝撃荷重の吸収特性が得られる。
請求項2の発明によると、第2フレーム部材とプレートとの溶接結合に伴う第2フレーム部材に形成される熱影響部の範囲を第2部材の端面からプレートの厚さ範囲内に設定することでより確実に熱影響部によって剛性強度の低下する範囲がプレートによって補剛される。
請求項3の発明によると、第1フレーム部材と第2フレーム部材を異種金属材料によって形成する車体フレームにおいて、第2フレーム部材とプレートと結合部材を同一金属系材料によって形成することによって、第2フレーム部材、プレート、結合部材の溶接性が確保できる。
請求項4の発明によると、強度、成形性、溶接性及びコストに優れた鉄系材料で第1フレーム部材を形成し、軽量で塑性変形による衝撃吸収性に優れたアルミニウム系材料によって第2フレーム部材を形成することによって、衝突や接触時の衝撃吸収特性に優れ、軽量で製造コストが抑制できる車体フレームが得られる。
請求項5の発明によると、第2フレーム部材の端面と結合部材の端面を当接して、互いに当接する端面を溶接結合することによって、溶接結合に伴う剛性強度が低下する範囲がプレートによって補剛される範囲とすることができる。
以下本発明による車体フレーム構造の実施の形態を、フロントサイドフレームを例に図を参照して説明する。
図1は自動車の車体前部の概要を示す斜視図であり、図2は図1のA部分解斜視図である。
車体1の前部分は、図1に要部を示すように車幅方向に延在するトーボード2によって車室RとエンジンルームEとに区画され、後部がトーボード2の下部から図示しないフロアパネルの下面に亘って取り付けられてエンジンルームEの両側に沿って車体前方方向Fに延在する左右一対の車体フレームであるフロントサイドフレーム10と、トーボード2の上部から車体前方方向Fに延在する左右一対のフロントアッパフレーム3を備え、フロントサイドフレーム10とフロントアッパフレーム3との間にフロントサスペンション用のストラットタワー5が組み付けられている。
フロントサイドフレーム10は、図2に図1のA部の拡大分解斜視図を示すように、後部がトーボード2の下部からフロアパネルの下面に亘って取り付けられて車体前方方向Fに延在する鉄系材料の第1フレーム部材である後部フレーム部材11と、この後部フレーム部材11の端部に連結されて車体前方方向Fに延在するアルミニウム系材料の第2フレーム部材である前部フレーム部材21によって構成されている。
後部フレーム部材11は、図2に示すように内側壁13の上縁及び下縁からそれぞれ車幅方向外方に上側壁14と下側壁15が折曲形成された断面略コ字状で車体前後方向に連続するインナパネル12と、外側壁17の上縁及び下縁からそれぞれ車幅方向内方に上側壁18と下側壁19が折曲形成された断面略コ字状で車体前後方向に連続するアウタパネル16を有し、インナパネル12及びアウタパネル16の各上側壁14及び18の縁部に形成された上側フランジ14aと18aを結合すると共に各下側壁15、19の縁部に形成された下側フランジ15aと19aが結合されて車体前後方向に延在する中空部20を有する矩形の閉断面形状に形成されている。
更に、インナパネル12の内側壁13の前端部に一対の取付孔13aと13bが上下に離間して穿設されている。同様に、この取付孔13a及び13bに対向してアウタパネル16の外側壁17の前端部に一対の取付孔17aと17bが穿設されている。
一方、前部フレーム部材21は、図2に示すように、対向する内側壁22と外側壁23、及び内側壁22と外側壁23の上端及び下端をそれぞれ連結する上側壁24と下側壁25を有する断面略矩形で、かつ内部を内側壁22と外側壁23の中央部間を連結する隔壁26によって上部空間部27と下部空間部28に区画し車体前後方向に延在する断面略日字状の押出材によって形成されている。
前部フレーム部材21の基端部に、アルミニウム系材料のプレート31が嵌合してフランジ状に溶接結合されると共に、後部フレーム部材11の中空部20に嵌入してボルト40によって結合され結合部材35が結合されている。
図3は、前部フレーム部材21とプレート31及び結合部材35の結合工程の説明図である。
図3(a)に示すようにプレート31は、先端側面32及び基端側面33を有して厚さtが例えば6〜7mmの矩形板状で、その中央部に前部フレーム部材21の基端部における内側壁22、上側壁24、外側壁23及び下側壁25の各外面22a、24a、23a、25aに当接する内周面34a、34b、34c、34dを有する略矩形の開口部34が開口している。
結合部材35は、内側壁36、外側壁37、内側壁36と外側壁37の上端間及び下端間に掛け渡された上側壁38及び下側壁39によって形成された車体前後方向に延在する矩形の閉断面形状に形成されている。さらに、内側壁36及び外側壁37には後部フレーム部材11の内側壁13及び外側壁17に穿設された取付孔13a、13bと17a、17bにそれぞれ対応するねじ孔36a、36bと37a、37bが穿設されている。
更に、結合部材35の内側壁36、外側壁37、上側壁38、下側壁39の端面36c、37c、38c、39cがそれぞれ、前部フレーム部材21の内側壁22、外側壁23、上側壁24、下側壁25の端面22c、23c、24c、25cに当接可能に形成されている。
このように形成された前部フレーム部材21とプレート31は、図3(b)に示すように、前部フレーム部材21の基端部をプレート31の開口部34に、内側壁22の端面22c、外側壁23の端面23c、上側壁24の端面24c、下側壁25の端面25cがそれぞれプレート31の基端側面33と同一位置、即ち面一になるまで挿入する。この挿入によって、前部フレーム部材21の内側壁22、上側壁24、外側壁23、下側壁25の各外周面22a、24a、23a、25aがそれぞれプレート31の内周面34a、34b、34c、34dが互いに当接して前部フレーム部材21の基端部とプレート31が嵌合する。
互いに嵌合した前部フレーム部材21とプレート31は、図3(c)及び図4に断面図を示し、かつ図3(c)及び図4に矢印で示すようにプレート31の基端側面33及び前部フレーム部材21の端面22c、23c、24c、25c側から、互いに当接する前部フレーム部材21の内側壁22の外周面22aとプレート31の内周面34aと間を溶接結合する。同様に、上側壁24の外周面24aと内周面34bの間、外側壁23の外面23aと内周面34cの間、下側壁25の外周面25aと内周面34dとの間を互いに溶接結合して前部フレーム部材21にプレート31を結合する。
この前部フレーム部材21とプレート31の溶接結合は、前部フレーム部材21の端面22c、23c、24c、25c側、即ちプレート31の基端側面33側から溶接結合することによって、溶接熱及び冷却速度などの影響によって前部フレーム部材21に形成される熱影響部の範囲L1は、図4に示すように端面22c、23c、24c、25cからプレート31の厚さtの範囲内に設定される。しかもこの熱影響部によって軟化して剛性強度の低下する範囲はプレート31によって補剛されて実質的に前部フレーム部材21の全範囲に亘って剛性低下が阻止される。
更に、プレート31が結合された前部フレーム部材21の前部フレーム部材21の内側壁22、外側壁23、上側壁24、外側壁25の端面22c、23c、24c、25cに、それぞれ結合部材36の内側壁36、外側壁37、上側壁38及び外側壁37の端面36c、37c、38c、39cを当接させて、この互いに当接する端面22cと36c、23cと37c、24cと38c、25cと29cを前部フレーム部材21及び結合部材36の内周側から溶接結合する。
この溶接結合においても前部フレーム部材21と結合部材36との溶接結合は、図5に要部断面図を示すように前端フレーム部材21と結合部材36の各端面22cと36c、23cと37c、24cと38c、25cと29c間を溶接結合することから、この溶接結合よる熱影響部の範囲L2は前部フレーム部材21から結合部材35に亘るが、前部フレーム部材21においてはプレート31の厚さtの範囲に設定される。一方、結合部材36における熱的影響部の範囲は後述するが後部フレーム部材11の中空部20内に嵌入されて後部フレーム部材11によって補剛されて実質的に前部フレーム部材21の剛性に影響することはない。
更に、前部フレーム部材21、プレート31及び結合部材36の表面に電着塗装等により絶縁被膜を形成する等の絶縁処理を施して、後部フレーム部材11等の鉄系材料との間で発生することが懸念される電気化学的腐食、いわゆる電食の発生を抑制することが好ましい。
プレート31及び結合部材35が結合された前部フレーム部材21は、結合部35を後部フレーム部材11の中空部20に挿入してプレート31の基端側面33をインナパネル12の端縁12c及びアウタパネル16の端縁16cに当接或いは対向させる。
これにより、結合部材35の内側壁36、外側壁37、上側壁38、下側壁39がそれぞれインナパネル12の内側壁13、アウタパネル16の外側壁17、インナパネル12及びアウタパネル16の上側壁14、18及び下側壁15、19に当接して後部フレーム部材11の中空部20に嵌合すると共に、後部フレーム部材11の内側壁13に穿設された取付孔13a、13bと結合部材35の内壁部36に形成されたねじ孔36a、36bとが位置合わせされ、同様に外側壁17に穿設された取付孔17a、17bとねじ孔37a、37bが位置合わせされる。
この位置決めされた取付孔13a、13bから挿入してねじ穴36a、36bに螺合するボルト40によって重ね合わされた後部フレーム部材11の内側壁13と結合部材31の内側壁32を結合する。同様に、取付孔17a、17bから挿入してねじ穴37a、37bに螺合するボルト40によって重ね合わされた後部フレーム部材11の外側壁17と結合部材31の外側壁37を結合して後部フレーム部材11と前部フレーム部材21を連結してフロントサイドフレーム10が形成される。
このように鉄系材料の後部フレーム部材11とアルミニウム系材料の前部フレーム部材21を連結してフロントサイドフレーム10を形成するにあたり、予め前部フレーム部材21に結合部となるアルミニウム系材料のプレート31及び結合部材35を溶接結合することによって、構成部品点数の削減が得られると共に結合部材35と後部フレーム部材11をボルト結合することによって後部フレーム部材11と前部フレーム部材21が連結できてその連結作業の簡素化が得られ、製造コストの削減が期待できる。また、この前部フレーム部材21と、プレート31と、結合部材35の溶接結合は、共にアルミニウム系材料で形成されることから、良好な溶接性が得られる。
更に、前部フレーム部材21とプレート31の溶接結合にあたり、前部フレーム部材21の後端部をプレート31の開口部34に挿入して嵌合させ前部フレーム部材21の端面22c、23c、24c、24c側から、互いに当接する前部フレーム部材21の内側壁22の外周面22aとプレート31の内周面34a、上側壁24の外面24aと内周面34b、外側壁23の外周面23aと内周面34c、下側壁25の外周面25aと内周面34dを溶接結合することから、前部フレーム部材21に形成される熱影響部の範囲L1が端面22c、23c、24c、25cからプレート31の厚さtの範囲内に設定されて、熱影響部によって軟化して剛性強度の低下する範囲はプレート31によって補剛されて実質的に前部フレーム部材21の全範囲に亘って剛性低下の発生は阻止できる。
従って、衝突等によって前部フレーム部材21に車体前方方向から軸方向の衝撃荷重等の外力が作用したときには、前部フレーム部材21に結合されたプレート31の基端側面33が剛性に優れた鉄系材料によって形成された後部フレーム部材11のインナパネル12及びアウタパネル16の端縁12c、16cに当接して強固に受け止められて支持され、かつ前部フレーム部材21は全範囲に亘って実質的な剛性低下が防止されることから、中空状に形成された前部フレーム部材21の湾曲或いは折曲変形が回避乃至抑制されて前部フレーム部材21の先端側から漸次連続的に座屈変形して効率的に衝撃荷重を吸収する軸圧破壊が確保でき、効率的な衝撃荷重の吸収特性が得られる。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施の形態では断面略矩形で延在する後部フレーム部材11と断面略矩形で延在する前部フレーム部材21を連結してフロントサイドフレーム10を構成する場合を例に説明したが、後部フレーム部材11及び前部フレーム部材21の断面形状は矩形に限らず六角形等他の多角形状の後部フレーム部材11及び前部フレーム部材21に変更することもできる。また、上記実施の形態ではフロントサイドフレーム10を例に説明したが、リヤサイドフレームやフロントアッパサイドフレーム等他の車体フレームに適用することもできる。更に、鉄系材料とアルミニウム系材料のフレーム部材を連結する場合例に説明したが、他の異種金属材料によるフレーム部材を連結することもできる。
本発明による実施の形態の概要を示す車体前部の斜視図である。 図1のA部の拡大分解斜視図である。 前部フレーム部材とプレート及び結合部材の結合工程の説明図である。 要部断面図である。 要部断面図である。 従来の前部フレーム部材と後部フレーム部材の連結を説明する図である。 前部フレーム部材とプレート及び結合部材の結合工程の説明図である。
符号の説明
1 車体
10 フロントサイドフレーム(車体フレーム)
11 後部フレーム部材
12 インナパネル
12a 端縁
13 内側壁
13a、13b、17a、17b 取付孔
14 上側壁
15 下側壁
16 アウタパネル
16a 端縁
17 外側壁
18 上側壁
19 下側壁
20 中空部
21 前部フレーム部材(第2フレーム部材)
22 内側壁
23 外側壁
24 上側壁
25 下側壁
22a、23a、24a、25a、 外周面
22c、23c、24c、25c 端面
27 上部空間部
28 下部空間部
31 プレート
32 先端側面
33 基端側面
34 開口部
34a、34b、34c、34d 内周面
35 結合部材
36 内側壁
37 外側壁
36c、37c、38c、39c 端面
36a、36b、37a、37b ねじ穴
38 上側壁
39 上側壁
40 ボルト

Claims (5)

  1. 中空部を有する閉断面形状の第2フレーム部材の基端部外周にプレートの開口部に嵌挿して互いに溶接結合すると共に、上記第2フレーム部材の基端部の端面に結合部材を結合し、該結合部材を上記第2フレーム部材とは異種の金属材料によって形成される第1フレーム部材の中空部に嵌挿して上記プレートの基端側面と第1フレーム部材の端縁を対向或いは当接した状態で上記結合部材と第1フレーム部材とを結合して第1フレーム部材と第2フレーム部材を連結する車体フレーム構造において、
    互いに嵌合した上記第2フレーム部材の基端部の外周面と上記プレートの開口部の内周面とを第2フレーム部材の基端部端面側から溶接結合したことを特徴とする車体フレーム構造。
  2. 上記第2フレーム部材とプレートとの溶接結合に伴う第2フレーム部材に形成される熱影響部の範囲が、該第2フレーム部材の端面から上記プレートの厚さ範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の車体フレーム構造。
  3. 記プレート及び結合部材は第2フレーム部材と同一金属系材料によって形成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の車体フレーム構造。
  4. 上記第1フレーム部材は、鉄系材料で形成され、第2フレーム部材、プレート及び結合部材がアルミニウム系材料によって形成されたことを特徴とする請求項3に記載の車体フレーム構造。
  5. 上記結合部材は、端面が上記第2フレーム部材の端面に当接する中空部を有する閉断面形状であって、互いに当接する第2フレーム部材の端面と結合部材の端面が溶接結合されたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の車体フレーム構造。
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