JP4576780B2 - 車体のフレーム構造及び車体フレームの製造方法 - Google Patents

車体のフレーム構造及び車体フレームの製造方法 Download PDF

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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 (11)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
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