JP4576780B2

JP4576780B2 - 車体のフレーム構造及び車体フレームの製造方法

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Publication number: JP4576780B2
Application number: JP2001288374A
Authority: JP
Inventors: 勝則花川; 恭聡石田; 孝之砂川; 幸弘杉本
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: US6736448B2; US20030075951A1; JP2003095132A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車体のフレーム構造及び車体フレームの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の強度部材となる車体フレームは、単に強度に優れているだけでなく、衝突時の衝撃をいかに効果的に吸収できるかが重要となる。衝突として代表的な前方衝突の場合を考えてみると、車室前方に位置して車体前後方向に伸びる左右一対のフロントフレームにおいては、後側（車室側）から前側にかけて徐々に軸方向（長手方向）強度を弱くして、前方衝突時には、フロントフレームをその前部分から徐々に蛇腹状に変形させていくことにより、衝突時の衝撃を吸収する手法が多く採用されている。特開平１０−１７９３３号公報には、車体フレームの長手方向の強度分布を相違させるために、車体フレームに所定硬度分布の焼き入れ層を形成するものが開示されている。
【０００３】
上述したのとは別の衝撃吸収手法として、フロントフレームの曲げ方向をコントロールする手法がある。例えば、特開２０００−５３０２２号公報には、フロントフレームに対して別途斜めに伸びるビーム部材を配設することにより、前方衝突時にフロントフレームの所定方向への曲げ変形を誘発して、衝突反力（衝突時に車体フレームに加わる荷重）を、衝突初期時に大きくし、衝突中盤以降に車体フレームの曲げ変形を利用して衝突エネルギを吸収する、というものが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、衝突時の好ましい衝撃吸収の態様としては、車体フレームの前後方向の所定変形量の範囲において、衝突後期よりも衝突初期時に大きな衝突反力を発生させ（初期荷重を高める）、その後の車体フレームの曲げ変形によって衝突エネルギを有効に吸収する、ということが望まれることになる。このような好ましい衝撃吸収を行うために、車体フレームの構造を複雑にすることなくいかに簡単な構造によって行うかが実用化に際して重要となる。
【０００５】
本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その第１の目的は、簡単な構造でもって、衝突時の初期荷重を高めつつその後の車体フレームの曲げ変形を利用して衝突エネルギを効果的に吸収できるようにした車体のフレーム構造を提供することにある。
本発明の第２の目的は、上記第１の目的を達成するために用いられる車体フレームの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
車体フレームの長手方向所定位置に、該車体フレームの他の部分よりも脆弱な脆弱部が形成され、
前記脆弱部に硬化処理が施されて、該脆弱部と前記他の部分との車体フレーム長手方向における軸圧縮強度が略同等とされている、
ようにしてある。これにより、衝突初期時には、、脆弱部の軸圧縮強度が他の部分と略同等に設定されているために、脆弱部が簡単に座屈されてしまうことがなくて衝突反力を大きくすることが可能となる。その後、脆弱部でもって確実に座屈されることによって車体フレームが曲げ変形されていくことにより、衝突エネルギが効果的に吸収されることなる。
【０００７】
上記解決手法を前提として、次のような種々の解決手法を合わせて採択することができる。すなわち、
熱処理によって前記硬化処理が行われている、ようにすることができる。この場合、熱処理という一般的な手法でもって硬化処理を施すことができる。
前記脆弱部が、前記他の部分よりも断面積を小さくすることにより構成されている、ようにすることができる。この場合、脆弱部を他の部分よりも確実に脆弱に設定することができる。
【０００８】
前記脆弱部が、車体フレームのパネル面部分に形成されている、ようにすることができる。車体フレームは、通常平坦なパネル面部分をその長手方向長い範囲に渡って有しているので、このパネル面部分に脆弱部を形成することにより、当該脆弱部の位置設定を高い自由度をもって選択することができ、かつ脆弱部の形成を容易にするという点でも好ましいものとなる。
【０００９】
車体フレームとして、車室前方において車体前後方向に伸びる左右一対のフロントフレームを有し、
前記左右一対のフロントフレームの車室側端部付近において、前記脆弱部が形成されると共に前記硬化処理が施されている、
ようにすることができる。この場合、衝突初期後に、フロントフレームを車室側端部から確実に座屈させることができる。
【００１０】
車体フレームとして、車室前方において車体前後方向に伸びる左右一対のフロントフレームと、該左右一対のフロントフレームの下方に位置されて車体前後方向に伸びる左右一対の側部部材を有するペリメータフレームとを有し、
前記左右一対のフロントフレームおよび前記左右一対の側部部材の各車室側端部付近において、それぞれ、前記脆弱部が形成されると共に前記硬化処理が施されている、
ようにすることができる。この場合、フロントフレームおよびペリメータフレームの各車室側端部付近から確実に座屈を生じさせることができる。
【００１１】
前記脆弱部の周辺にまで前記硬化処理が施されている、ようにすることができる。この場合、脆弱部と他の部分との境界部分が不用意に軸圧縮強度が弱くなってしまうという事態を防止して、脆弱部の位置でもって確実に座屈を生じさせる上で好ましいものとなる。
【００１２】
前記第２の目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項８に記載のように
車体フレームの長手方向所定位置に他の部分よりも脆弱な脆弱部を形成するステップと、
前記脆弱部に対して硬化処理を施すステップと、
を有するようにしてある。これにより、前述した第１の目的を達成するために用いる車体フレームの製造方法が提供される。
【００１３】
前記解決手法を前提として、次のような解決手法を合わせて採択することができる。すなわち、
熱処理によって前記硬化処理が行われる、ようにすることができる。
前記硬化処理が、前記脆弱部の周辺においても行われる、ようにすることができる。
【００１４】
車体フレームが、少なくとも板金を加工することにより所定の断面形状とされてなる所定部材を用いて、全体として閉断面形状として構成され、
前記脆弱部が、板金を前記所定の断面形状に加工するときに同時に形成される、
ようにすることができる。これにより、脆弱部を有する車体フレームを、既存の加工工程を有効に利用して形成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
車体の前部構造を示す図１〜図３において、１１は、車体前後方向に伸びる左右一対のフロントフレーム（フロントサイドフレーム）であり、フロントフレーム１１の後端部は、フロアフレーム１２に一体的に連なっている。
【００１６】
左右一対のフロントフレーム１１の各前端部にはそれぞれ接合フランジ部１３が接合され、この左右の接合フランジ部１３には、連結部材１５に一体の接合フランジ部１４が接合されている。そして、左右の連結部材１５同士は、車幅方向に伸びるバンパレインフォースメント１６によって連結されている。
【００１７】
フロントフレーム１１の後部上方には、上下方向および車幅方向に伸びるダッシュロアパネル１７が配設されて、このダッシュロアパネル１７の前方がエンジンルーム２１とされると共に、後方が車室２２とされている。
【００１８】
左右一対のフロントフレーム１１は、その前端からダッシュロアパネル１７の若干手前位置まではほぼストレートに伸びている。そして、ダッシュロアパネル１７の若干手前位置から、後方に向かうにつれて徐々に下方に向かうように傾斜設定されている。このようなフロントフレーム１１は、後述するように、閉断面状に形成されている。
【００１９】
左右一対のフロントフレーム１１の下方には、ペリメータフレーム２４が配設されている。このペリメータフレーム２４は、全体的に井桁状とされて、それぞれ車幅方向に伸びる前側部材２５と後側部材２６、および車体前後方向に伸びて各部材２５と２６との各車幅方向端部同士を連結する左右一対の側部部材２７とを有する。このペリメータフレーム２４は、少なくともエンジン２３が搭載されるもので、ＦＦ車の場合は変速機をも合わせて搭載される。
【００２０】
ペリメータフレーム２４における左右一対の側部部材２７の前後端部には、前マウント部２９と後マウント部３０とが設けられている。前マウント部２９は、その上方にあるフロントフレーム１１の下面に取付けられ、後マウント部３０は、車体側のダッシュロアレインまたはトルクボックスに取付けられる。上述したペリメータフレーム２４の各構成部材２５〜２７はそれぞれ、閉断面状に形成されている。
【００２１】
左右一対のフロントフレーム１１の所定位置、実施形態ではダッシュロアパネル１７よりも若干手前位置つまり前後方向にストレートに伸びている部分の後端部付近において、脆弱部３１が形成されており、この脆弱部３１が、図１、図２においてハッチングを施して示される。脆弱部３１は、フロントフレーム１１の他の部分よりも例えば断面積を小さくする等により脆弱とされて、前方衝突時においてこの脆弱部３１部分で座屈が生じやすくなるように設定されている。フロントフレーム１１は、車体前後方向にストレートに伸びている部分は、脆弱部３１を除いてその断面積がほぼ同一とされて、略同等の軸圧縮強度を有するように設定されている。
【００２２】
上記脆弱部３１およびその周辺部に対しては、例えば熱処理（例えば焼き入れ処理）等の硬化処理が施されて、フロントフレーム１１の他の部分と軸圧縮強度が略同等となるように設定されている。なお、脆弱部３１の具体的な設定手法および硬化処理の具体的な手法については、後に詳述する。
【００２３】
ペリメータフレーム３４についても、その側部部材２７の長手方向所定位置において、座屈が生じやすくなるように脆弱部３４が形成され、この脆弱部３４に対しても、側部部材２７の他の部分と軸圧縮強度が略同等となるように硬化処理が施されている。各側部部材２７のうち車体前後方向にストレートに伸びている部分は、脆弱部３４を除いてその断面積がほぼ同一とされて、略同等の軸圧縮強度を有するように設定されているものである。脆弱部３４の形成手法、硬化処理の手法は、フロントフレームに対する脆弱部３１の形成手法および硬化処理の手法と同様である。
【００２４】
いま、前方衝突したときを考えると、このときのフロントフレーム１１の変形量と衝突反力（前後Ｇの大きさ）との関係は、図４実線で示すような態様となる。まず、衝突初期時には、フロントフレーム１１がしっかりと踏ん張って初期反力つまり初期荷重は大きなものとなる。すなわち、脆弱部３１のみでは、衝突初期時に当該脆弱部３１部分でもって座屈を生じて大きな初期荷重を得ることが不可能であるが、脆弱部３１に対して硬化処理を施しておくことにより、衝突初期時に脆弱部３１でもって座屈が生じてしまう事態が防止されて、初期荷重を大きくすることができる。
【００２５】
フロントフレーム１１は、やがて、脆弱部３１の部分で座屈されて（硬化処理された部分は他の部分よりも伸び特性が低下されている）、その前端部と脆弱部３１との間の中間部が上方へ持ち上がって全体的に上方へ凸となるように曲げ変形されていき、この曲げ変形によって衝突エネルギが効果的に吸収されていくことになる。フロントフレーム１１の長手方向中間部が上方へ凸となるような曲げ変形は、脆弱部３１部分でもってフロントフレーム１１が座屈を生じることに起因して生じることになる。
【００２６】
図４中破線は、前方衝突時にフロントフレームを蛇腹状に変形させていく従来の衝突エネルギ吸収手法を示すものである。この従来の衝突エネルギ吸収では、衝突初期時の衝突荷重が小さく、衝突後期の衝突荷重が大きく、しかもフロントフレームの長手方向変形量が相当に大きくなってしまう。これに対して、図４実線で示す本発明の場合は、衝突初期時の衝突荷重が大きく、衝突後期でもかなり大きな衝突荷重が発生し、衝突中期では衝突初期時および衝突後期に比して衝突荷重が小さくなるものの従来よりも十分に大きな衝突荷重を発生し、そして、フロントフレーム１１の長手方向の変形量を従来の場合よりも十分小さくすることができる。つまり、本発明では、フロントフレーム１１の長手方向変形量を所定範囲の小さいものとしつつ、衝突荷重を衝突からの時間経過と共に極力大きく変化させないようにして、全体として衝突エネルギを効果的に吸収することができる。なお、図４において、実線で囲まれた面積あるいは破線で囲まれた面積が、それぞれ、フロントフレーム１１の変形によって吸収された衝突エネルギの合計を示すものとなる。
【００２７】
ペリメータフレーム２４の左右一対の側部部材２７も、フロントフレーム１１と同様に変形されて、衝突エネルギを吸収する。すなわち、衝突初期時には、脆弱部３４が座屈されることなく衝突加重が大きくされ、その後脆弱部３４で座屈されて、側部部材２７の長手方向略中間部が下方へ向いた全体的に下方へ凸となるように曲げ変形されて、衝突エネルギが効果的に吸収されることになる。
【００２８】
次に、図５〜図９を参照しつつ、フロントフレーム１１に脆弱部３１を形成する手法例および硬化処理の例について説明するが、図面は、フロントフレーム１１のうち脆弱部３１付近のみを示す。まず、図５は、フロントフレーム１１を構成する第１部材としての平板状の板金４１（通常は鋼板）であり、この板金４１をプレス加工することにより、図６に示すような断面形状の第１中間加工品４２が形成される。この第１中間加工品４２は、断面略ハット状とされて、一対のフランジ部４２ａがプレス時に同時に形成されると共に、そのパネル面部に凹部を形成することにより脆弱部３１が同時に形成される。
【００２９】
図６に示す中間加工品４２のフランジ部４２ａに対して、図７に示すように、第２部材としての平板状の板金４３（通常は鋼板）を接合することにより、閉断面状の第２中間加工品４４が形成される。第２中間加工品４４のうち脆弱部３１およびその周辺部に対してのみ高周波焼き入れ用コイル４５によって加熱し（図８参照）、その後加熱部分を冷却水によって冷却することにより、図９に示すような脆弱部３１が形成されると共に硬化処理が施された最終品としてのフロントフレーム１１が形成される（硬化処理された部分がハッチングを付して示される）。
【００３０】
図１０〜図１３は、脆弱部３１の別の形成手法を示すものである。本例では、図５の板金４１に対して、脆弱部３１に相当する所定位置に対して、例えばプレス加工によって、脆弱部３１に相当する複数の孔５０があらかじめ前処理として形成されて、前処理品４１Ｂが形成される。この後、前処理品４１Ｂをプレス加工して、図６に対応した第１中間加工品４２Ｂが形成される。この後は、第２部材としての板金４３を第１中間加工品４２Ｂに接合して第２中間加工品４４Ｂを形成し、脆弱部３１に相当する複数の孔５０およびその周辺部を加熱、冷却することによる焼き入れ処理によって硬化処理が施された最終品としてのフロントフレーム１１が形成される（図１３参照で、硬化処理が施された部分がハッチングを付して示される）。
【００３１】
ロボットを利用して、熱処理による硬化処理を行う例が、図１４〜図１７に示される。すなわち、ロボット５１のロボットアーム先端部に高周波焼き入れ用のコイル４５と、コイル４５を取り囲むようにしてボックス４６とが保持される。
ボックス４６は、下方が開口されていて、その開口全周縁部には、シール部材４７が設けられている。ボックス４６には、冷却水の供給用ホース４８と排出用ホース４９とが接続されている。なお、図１４中、５２は高周波発生源である。
【００３２】
硬化処理を行う場合、まず、ロボット５１によって、ボックス４６を、脆弱部３１およびその周辺部を全体的に覆うような位置に移動させる。このとき、シール部材４７によって、ボックス４６内が液密になるようにされる。
【００３３】
ボックス４６でもって脆弱部３１を液密に覆った状態で、ボックス４６内に冷却水が供給され、この状態でコイル４５に通電して、脆弱部３１およびその周辺部が加熱される（水中焼き入れ）。これにより硬化処理が完了されるが、硬化処理完了後は、ボックス４６内の冷却水を排出した後、ボックス４６が脆弱部３１から離間される。
【００３４】
図１８は、大気開放雰囲気下で焼き入れによる硬化処理を行う場合が示される。この実施形態では、焼き入れに必要な焼き入れ用コイル４５、冷却水供給部材６１の他に、振動発生源６２と、振動発生源６２で発生された振動をフロントフレーム１１に伝達するためのクリップ部材６３とが別途用いられる。クリップ部材６３をフロントフレーム１１に接続することにより、フロントフレーム１１に振動を与えた状態で、コイル４５に通電して脆弱部３１を加熱した後、冷却水供給部材６１から供給される冷却水でもって冷却して、焼き入れ（硬化処理）が行われる。振動を与えることにより、冷却水が脆弱部３１およびその周辺部に対してほぼ均等に供給される（存在される）ようにして、脆弱部３１およびその周辺部をほぼ均等に焼き入れする可能となる。
【００３５】
以上実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず例えば次のような場合をも含むものである。図１４〜図１８に示す硬化処理の手法は、脆弱部が形成された後であれば適宜の時期に行うことができ、例えば図６や図１１に示す中間加工品の段階で行ってもよく、あるいは図７、図１２に示すようなフレームとしての最終形状に加工された後に行うこともできる。フレームを最終断面形状に形成した後に、脆弱部３１の形成と硬化処理とを行うようにすることもできる。
【００３６】
脆弱部３１、３４の形成箇所は、座屈を生じさせる所望位置に設定されるので、１つのフレームに対して２以上形成することもできる。脆弱部３１、３４を形成するために、フレームの断面積を部分的に小さくすることや孔あけ以外に、切欠部を形成する等、強度を弱めるための適宜の手法を採択することができる。硬化処理は、脆弱部３１、３４のみならず、その周辺部までを合わせて行うことが、脆弱部３１、３４と他の部分との境界部分が部分的に弱くなってしまう事態を防止する上で好ましいものとなる。硬化処理の手法としては、焼き入れ等の熱処理を行う場合に限らず、例えばレーザ再溶融硬化、レーザ焼き入れ硬化、ショットピーニング加工硬化等、適宜の手法を採択し得る。
【００３７】
ペリメータフレーム２４を有する自動車において、フロントフレーム１１に対してのみ脆弱部３１を形成して、ペリメータフレーム２４には脆弱部３４を形成しないようにすることもできる。また、ペリメータフレーム２４を有しない場合であってもよい。本発明が適用されるフレームとしては、フロントフレーム１１に限らず、リアフレーム等、衝突エネルギ吸収が要請される適宜のフレームとすることができる。本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。
【００３８】
【発明の効果】
本発明による車体のフレーム構造にあっては、簡単な構造でもって、衝突初期荷重を高めることができ、かつ脆弱部が形成されている所定位置でもって座屈させて車体フレームの曲げ変形を利用した衝突エネルギの効果的な吸収を行うことができる。
また、本発明方法によれば、上述した車体のフレームの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された車体前部の斜視図。
【図２】図１の側面図。
【図３】図１に示すペリメータフレームの斜視図。
【図４】本発明による衝突エネルギ吸収の態様を従来のものと比較して示す図。
【図５】フレーム形成の過程で脆弱部形成と硬化処理とを行う例を示す工程図。
【図６】フレーム形成の過程で脆弱部形成と硬化処理とを行う例を示す工程図。
【図７】フレーム形成の過程で脆弱部形成と硬化処理とを行う例を示す工程図。
【図８】フレーム形成の過程で脆弱部形成と硬化処理とを行う例を示す工程図。
【図９】フレーム形成の過程で脆弱部形成と硬化処理とを行う例を示す工程図。
【図１０】フレーム形成の過程で脆弱部形成と硬化処理とを行う別の例を示す工程図。
【図１１】フレーム形成の過程で脆弱部形成と硬化処理とを行う別の例を示す工程図。
【図１２】フレーム形成の過程で脆弱部形成と硬化処理とを行う別の例を示す工程図。
【図１３】フレーム形成の過程で脆弱部形成と硬化処理とを行う別の例を示す工程図。
【図１４】ロボットを利用して硬化処理を行う場合の例を示す斜視図。
【図１５】図１４のロボットを利用して硬化処理を行っている状態を示す要部斜視図。
【図１６】図１５をフレーム長手方向から見た正面図。
【図１７】図１５の焼き入れコイル部分での断面図。
【図１８】硬化処理の別の手法を示す斜視図。
【符号の説明】
１１：フロントフレーム
２４：ペリメータフレーム
２７：側部部材
３１：脆弱部（フロントフレーム）
３４：脆弱部（ペリメータフレームの側部部材）
４５：コイル（焼き入れ用）
５０：孔（脆弱部形成用）

Claims

車体フレームの長手方向所定位置に、該車体フレームの他の部分よりも脆弱な脆弱部が形成され、
前記脆弱部に硬化処理が施されて、該脆弱部と前記他の部分との車体フレーム長手方向における軸圧縮強度が略同等とされている、
ことを特徴とする車体のフレーム構造。
請求項１において、
熱処理によって前記硬化処理が行われている、ことを特徴とする車体のフレーム構造。
請求項１において、
前記脆弱部が、前記他の部分よりも断面積を小さくすることにより構成されている、ことを特徴とする車体のフレーム構造。
請求項１において、
前記脆弱部が、車体フレームのパネル面部分に形成されている、ことを特徴とする車体のフレーム構造。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、
車体フレームとして、車室前方において車体前後方向に伸びる左右一対のフロントフレームを有し、
前記左右一対のフロントフレームの車室側端部付近において、前記脆弱部が形成されると共に前記硬化処理が施されている、
ことを特徴とする車体のフレーム構造。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、
車体フレームとして、車室前方において車体前後方向に伸びる左右一対のフロントフレームと、該左右一対のフロントフレームの下方に位置されて車体前後方向に伸びる左右一対の側部部材を有するペリメータフレームとを有し、
前記左右一対のフロントフレームおよび前記左右一対の側部部材の各車室側端部付近において、それぞれ、前記脆弱部が形成されると共に前記硬化処理が施されている、
ことを特徴とする車体のフレーム構造。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、
前記脆弱部の周辺にまで前記硬化処理が施されている、ことを特徴とする車体のフレーム構造。
車体フレームの長手方向所定位置に他の部分よりも脆弱な脆弱部を形成するステップと、
前記脆弱部に対して硬化処理を施すステップと、
を有することを特徴とする車体フレームの製造方法。
請求項８において、
熱処理によって前記硬化処理が行われる、ことを特徴とする車体フレームの製造方法。
請求項８または請求項９において、
前記硬化処理が、前記脆弱部の周辺においても行われる、ことを特徴とする車体フレームの製造方法。
請求項８において、
車体フレームが、少なくとも板金を加工することにより所定の断面形状とされてなる所定部材を用いて、全体として閉断面形状として構成され、
前記脆弱部が、板金を前記所定の断面形状に加工するときに同時に形成される、
ことを特徴とする車体フレームの製造方法。