JP4811848B2 - 自動車のクロスメンバー及びそれを用いたフレーム構造 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の車幅方向に延在するフレーム部品（クロスメンバー）に関し、特に曲げ強度及び軸圧縮強度に優れたこの種のフレーム部品に関する。

自動車などの車体には、車幅方向への剛性及び強度を確保するために、車幅方向に延在するいくつかのフレーム部品（以下、クロスメンバーという）が設けられている。

このクロスメンバーは、車両床面あるいは上面を形成するパネル材（フロア、ルーフ）に近接し、車体に対し略水平方向で車幅方向に対し平行に延在するように配置され、直接あるいは車体幅方向の端部に設けられたブラケットを介して車両側面を構成するサイドシル（ロッカー），ルーフサイドレールあるいは車体中央に存在するトンネルメンバーなどのフレーム部品と接合される。また、フロア、ルーフなどのパネル材のデント性、張り剛性を確保するために、これらとマスチックなどの接着剤を介して接着接合されることが多い。さらに、必要に応じて、クロスメンバー途中に他部品と接合するための接合穴や座面などが形成される。
このようなクロスメンバーは、必要とされる強度、形状制約により、種々の断面形状が選択されるとともに、他部品との干渉を回避するために長手方向に曲げ、つぶし加工などが施される場合もある。

従来、このようなクロスメンバーとして、鋼板のプレス成形品を略ハット型に成形したものが用いられてきた。しかし、近年、車両側面衝突基準の強化にともない、車両側面からの車幅方向への圧縮荷重に対して、高い変形強度が求められるようになり、その対策が必要になってきている。また、周知のように、これらの安全性能向上とともに、さらなる軽量化、低コスト化も要求されており、クロスメンバーについても、軽量、低コスト、かつ、軸方向圧縮に対する変形強度に優れることが望まれている。

鋼板製フレームの場合、軸方向圧縮に対する強度を向上させる対策として、ハット型部品のプレス成形品を合わせ溶接し、閉断面化することが一般的に行われているが、部品重量の増加、部品点数、溶接点数の増加によるコストアップが問題となっている。また、部品重量増加への対策として、従来の軟鋼板から強度の高い６０キロ級などの高張力鋼板への材料置換が行われているが、弾性座屈の発生により、極端な薄肉化は困難であり、重量増加は不可避となっている。また、８０キロあるいは１００キロ級超高張力鋼板を用いた場合には、これに加えて、溶接部の軟化による強度低下などの問題も懸念される。

これに対し、アルミ押出形材は、接合によらず、予め閉断面化することが可能であり、また、鋼板に比べて密度が低く、断面内で各部位の肉厚を変更することも容易であることから、より軽量かつ高強度な耐衝突用の補強部材として期待され、実際に自動車用バンパー補強材あるいはドアビームなどに利用されている（特許文献１，２参照）。
一方、自動車の車体用クロスメンバーでは、一般に、室内空間あるいは車高方向のスペースを確保するために、車体上下方向の高さが制限される。このため、このクロスメンバーは、特許文献３に示すように、車体上下方向ではなく、前後方向に幅広の形状になることが多い。

特許第３０６８３９５号公報 特開平８−１５６８３０号公報 特開２００３−１１２６５６号公報 特開平９−６６３１７号公報

このようなクロスメンバーにおいて、軸方向圧縮における強度は、車体上下方向への曲げ変形が発生する強度により規定される。つまり、クロスメンバーの軸方向圧縮に対する変形強度を高めるためには、車体上下方向への曲げ強度を高くすることが最も有効である。

断面変形が生じないと仮定すれば、車体上下方向への曲げ強度は、全塑性曲げモーメントM_Ｐを用いて表される。このM_Ｐと断面形状の間には次式（１）のような関係がある。
M_Ｐ＝σ_０．２∫ｙｄＡ ・・・・（１）
ここで、ｙは曲げの中立軸からの距離であり、M_Ｐはこれを面積積分（面積：Ａ）したものと素材耐力の積で表される。上式からわかるように、M_Ｐを高くするためには、中立軸からの距離ｙが大きい部位の面積Ａが大きいほど高い値を示すことになる。いいかえれば、中立軸からの距離ｙが小さい部位にたくさんの面積を持つような断面形状の場合には、面積の増加（重量の増加）に対するM_Ｐの増加効果は小さい。
つまり、クロスメンバーの重量増加を最小限に抑え、かつ車体上下方向への曲げ強度を高くするためには、中立軸近傍の面積を最小限にとどめ、中立軸からできるだけ遠い位置、すなわちｙの大きい位置に多くの面積を配した断面形状が望ましい。しかし、前記車体上下方向へのスペース制約により、この方向へのクロスメンバーの高さの増大は制限されることになる。

この形状制約により、軽量かつ高曲げ強度を確保するための最も効率的な断面形状は、限られた車体上下方向スペースの範囲内で、最も中立軸から遠い位置、つまり、最も車体上下に位置する部分に多くの面積を持つ断面形状となる。また、この車体上下に位置するフランジの肉厚を増加させるということは、中立軸からより近い部分の面積をも増加させていることになることから、肉厚は製造可能な範囲で薄く、かつ、幅方向に広くする方が効率的ということになる。

前記した曲げ強度向上に対する考え方は、理想的にクロスメンバーを構成する断面が変形しない場合である。実際にクロスメンバーを軸方向に圧縮した場合には、フランジ幅を広く設計しすぎると、逆に軸圧縮強度が低下するという現象が生じる。これは、断面を構成する板が座屈するためである。
一般に板の座屈限界応力σ_crは次式（２）で定義されることが知られている（下記参考文献参照）。
σ_ｃｒ＝｛ｋπ^２Ｅ／１２（１−ν^２）｝（ｔ／ｂ）^２ ・・・・（２）
ここで、kは座屈係数、Eは弾性率、νはポアソン比、ｔは断面を構成する板の肉厚、ｂは板幅である。つまり、断面を構成する板の座屈限界応力σ_ｃｒは、板材の幅ｂと肉厚ｔの比である幅厚比（ｂ／ｔ）の逆数の２乗に比例することになる。
参考文献：構造力学公式集，土木学会，１９８６，Ｐ．３６７

曲げ強度向上のためにフランジ幅を広く設定するとともに、断面を構成する板の座屈を防止するためには、「肉厚ｔを増加させる」あるいは中リブと呼ばれる車体上下方向への補強リブを設定することで「フランジ幅ｂを減少させる」ことが多い。
例えば、前記特許文献３では、車体用クロスメンバーの断面形状例として、フランジ幅ｂを２本の中リブで分割した目型断面形状を持つアルミ押出形材を実施例としてあげている。

しかし、中リブの追加は、曲げ強度向上への寄与が小さい中立軸近傍の面積を増加させることになり、軽量化、曲げ強度の向上という観点からは、非効率的といえる。同様に、車体上下に位置するフランジ肉厚の増加は、中リブの追加に比べれば効率は良いが、段落［００１０］に記載したように、曲げ中立軸により近い部位の面積を増やすことになる。 従って、理想的な、軽量かつ曲げ強度に優れるクロスビームの断面形状は、車体上下に位置するフランジの肉厚を増加させず、かつ、中リブを追加せずに座屈を防止できる形状となる。

中リブの追加によらず、軸方向圧縮に対する板材の圧縮強度を高める手法のひとつとしては、前記特許文献４に提案されているように、フランジ板の一部に座屈防止のための凹み（補強リブ）を設ける手法がある。特許文献４は、押出形材の曲げ加工が対象ではあるが、フランジ板を分断する凹みを設けることでフランジ幅ｂを短くし、フランジ板の座屈限界を高めた形材の断面形状を提供している。
しかし、この断面形状は、凹部の無い断面形状に比べて、より曲げ中立軸に近い部位に多くの面積を持つ断面形状となる。つまり、凹みの設置により、フランジ板の座屈は抑制できるものの、曲げ強度は若干低下し、結果として軸圧縮強度も低下することになる。

本発明の目的は、アルミ押出形材製クロスメンバーにおいて、重量増加を最小限に抑え、かつ高い軸圧縮強度が得られる断面形状を提供することである。

本発明に係る第１のクロスメンバーは、アルミニウム押出形材で製作されたものであり、押出方向に垂直な断面でみたとき、互いに略平行で車体上側及び下側に配置される一対のフランジとそれに略垂直で車体上下方向を向く一対のウエブからなる略矩形の閉断面部、及び前記閉断面部を構成する上側又は／及び下側のフランジの端部から車体前後方向外向きに突き出す突出フランジからなり、前記閉断面部を構成するフランジの肉厚Ｔとそのフランジの端部に形成した突出フランジの肉厚ｔが次式（３）の関係を満たし、かつ前記閉断面部を構成するフランジのウエブの内側の部分の板幅Ｂと肉厚Ｔの比Ｂ／Ｔと、そのフランジの端部に形成した突出フランジの板幅ｂと肉厚ｔの比ｂ／ｔが、次式（４）の関係を満たす。
ｔ≦Ｔ ・・・・（３）
ｂ／ｔ ≦０．５（Ｂ／Ｔ）・・・・（４）

図１は、このタイプのクロスメンバーの断面形状の一例を示す。クロスメンバー１は左右対称形状で、矩形の閉断面部２と、閉断面部２から外向きに突出する突出フランジ３〜６からなり、閉断面部２は互いに平行な一対のフランジ７，８と、それらを端部で垂直につなぐ一対のウエブ９，１０からなる。クロスメンバー１を車体のフレーム部品に連結するとき、フランジ７が車体の上側、フランジ８が車体の下側になり、かつ突出フランジ３〜６が突き出した方向が車体前後方向となる。突出フランジ３〜６，フランジ７，８及びウエブ９，１０はいずれも均一な肉厚を有する板である。

突出フランジ３，４はフランジ７の端部から外向きに突き出し、突出フランジ５，６はフランジ８の端部から外向きに突き出し、突出フランジ３，４の上面とフランジ７の上面、及び突出フランジ５，６の下面とフランジ８の下面は面一とされ、従って、フランジ７と突出フランジ３，４、フランジ８と突出フランジ５，６は、それぞれあたかも１つのフランジのようになっている。なお、突出フランジ３、４の肉厚はフランジ７よりやや薄く、突出フランジ５，６の肉厚はフランジ８よりやや薄く形成されている。
図１に示すように、フランジ７のうち、ウエブ９，１０の内側の部分の板幅がＢ、その肉厚がＴ、フランジ７の端部に形成された突出フランジ３の板幅がｂ、その肉厚がｔである。なお、フランジ８、突出フランジ４〜６の板幅、肉厚についても同様である。

また、本発明に係る第２のクロスメンバーは、同じく垂直な断面でみたとき、互いに略平行で車体上側及び下側に配置される一対のフランジとそれに略垂直で車体上下方向を向く一対のウエブからなる２組の略矩形の閉断面部、車体前後方向に間隔を置いて配置された前記閉断面部の間を連結するソリッドな壁状リブ、及び両閉断面部の上側又は／及び下側のフランジの端部から車体前後方向外向きに突き出す突出フランジからなり、前記閉断面部を構成するフランジの肉厚Ｔとそのフランジの端部に形成した突出フランジの肉厚ｔが前式（３）の関係を満たし、かつ前記閉断面部を構成するフランジのウエブの内側の部分の板幅Ｂと肉厚Ｔの比Ｂ／Ｔと、そのフランジの端部に形成した突出フランジの板幅ｂと肉厚ｔの比ｂ／ｔが、前式（４）の関係を満たす。この場合、さらに、両閉断面部の上側又は／及び下側のフランジの端部から内向きに車体前後方向に突き出す突出フランジを形成することもできる。なお、ソリッドとは押出分野において開断面を意味し、本発明ではその意味で用いられる。

図２は、このタイプのクロスメンバーの断面形状の一例を示す。クロスメンバー１１は左右対称形状で、矩形の閉断面部１２，１３と、両閉断面部１２，１３の下端を連結するソリッドな板状リブ１４、及び両閉断面部１２，１３から外向きに突出する突出フランジ１５〜１８からなる。閉断面部１２は互いに平行な一対のフランジ１９，２０と、それらを端部で垂直につなぐ一対のウエブ２１，２２からなり、閉断面部１３は互いに平行な一対のフランジ２３，２４と、それらを端部で垂直につなぐ一対のウエブ２５，２６からなる。クロスメンバー１１を車体のフレーム部品に連結するとき、例えば、フランジ１９，２３が車体の上側、フランジ１２，１３が車体の下側になり、かつ突出フランジ１５〜１８が突き出した方向が車体前後方向となる。突出フランジ１５〜１８，フランジ１９，２０，２３，２４及びウエブ２１，２２，２５，２６はいずれも均一な肉厚を有する板である。

突出フランジ１５〜１８はそれぞれフランジ１９，２０，２３，２４の端部から外向きに突き出し、突出フランジ１５，１６の上面とフランジ１９，２３の上面はそれぞれ面一とされ、突出フランジ１７，１８の下面とフランジ２０，２４の下面は面一とされ、さらに、壁状リブ１４の下面とフランジ２０，２４の下面は面一とされている。従って、フランジ１９と突出フランジ１５、フランジ２３と突出フランジ１６、フランジ２０，２４と突出フランジ１７，１８及び壁状リブ１４は、それぞれ１つのフランジのようになっている。また、フランジ１９，２３の上面は同一平面内にある。
図２に示すように、フランジ１９のうち、ウエブ２１，２２の内側の部分の板幅がＢ、その肉厚がＴ、フランジ１９の端部に形成された突出フランジ１５の板幅がｂ、その肉厚がｔである。なお、フランジ２０，２３，２４、突出フランジ１６〜１８の板幅、肉厚についても同様である。

前記クロスメンバーにおいて、必要に応じて、前記閉断面部内に、上側及び下側のフランジを連結し車体上下方向を向く１又は複数本の中リブを形成することができる。
また、前記クロスメンバーにおいて、突出フランジの板幅ｂと肉厚ｔの比ｂ／ｔが、次式（５）の関係を満たすことが望ましい。
ｂ／ｔ≦｛１．５９π^２Ｅ／１２（１−ν^２）σ_０．２｝^１／２ ・・・・（５）
ここで、Eは前記アルミニウム押出形材の弾性率、νはポアソン比、σ_０．２は耐力である。ポアソン比νは、アルミニウム押出形材の場合、ν＝０．３と置けばよい。
なお、本発明においてアルミニウムという用語は、アルミニウム合金を含む意味で用いられる。

本発明に係るクロスメンバーは、閉断面部を構成する上側又は／及び下側のフランジの端部から車体前後方向の両側外向きに突き出した突出フランジを有する。これにより、限られた車体上下方向スペースの範囲内で、最も上下に位置する部分に多くの面積を持つ断面とし、重量増加を最小限に抑えた曲げ強度の高いクロスメンバーを得ることができる。
また、本発明に係るクロスメンバーにおいて、閉断面部を構成するフランジの肉厚Ｔとそのフランジの端部に形成した突出フランジの肉厚ｔが前式（３）の関係を満たし、かつ閉断面部を構成するフランジのウエブの内側の部分の幅厚比Ｂ／Ｔと、そのフランジの端部に形成した突出フランジの幅厚比ｂ／ｔの関係が前式（４）を満たすことで、閉断面部を構成するフランジの座屈限界応力の低下を抑制可能とし、重量増加を最小限に抑え、かつ高い軸圧縮荷重を得ることができる。

本発明に係るクロスメンバーは、特にルーフパネルやフロアパネルのリーンフォース（補強部材）として適するが、自動車のメーンフレームを構成する（左右のサイドメンバー間に固定される）クロスメンバーなど、自動車の車体幅方向に延在して両端が他の車体フレーム部品に連結されるフレーム部材（クロスメンバー）一般に適用可能である。

クロスメンバーの断面形状に関し、車体前後方向の形状制約がある場合について、本発明の作用効果を図１及び図３を用いて説明する。
図１に示す本発明に係るクロスメンバー１と、クロスメンバー１と同一幅で突出フランジのないクロスメンバー３１（図３）を比較すると、クロスメンバー１では、第一に閉断面部２を構成するフランジ７，８の板幅Ｂを、クロスメンバー３１の閉断面部３２を構成するフランジ３３，３４の板幅Ｂ_０より短くすることができる（Ｂ＜Ｂ_０）。これにより、前式（２）からわかるように、閉断面部を構成するフランジの座屈限界応力を高くすることができるという効果が生じる。

また、閉断面部部２のフランジ７（８）よりも、突出フランジ３，４（５，６）の座屈限界応力が高い場合、閉断面部２を構成するフランジ７，８の座屈荷重が高くなるという効果も生じる。矩形断面の閉断面部のフランジ幅が同じで、突出フランジのない形材（比較例）とある形材（本発明）の座屈時の変形形態模式図を図４（ａ），（ｂ）に示す。
突出フランジがない場合（図４（ａ））、座屈による断面の変形形態は、サインカーブに近い形状を示す。これに対して、突出フランジを設定した場合（図４（ｂ））には、コサインカーブに近い変形形態となり、フランジ板の変形に要するエネルギが高くなることで、閉断面部を構成するフランジ板の座屈限界応力を向上させることができるという効果が生じる。

上記変形形態の違いを図５を用いて説明する。図５（ａ）に示すように、クロスメンバー１に軸圧縮応力（矢印）が加わった場合、クロスメンバー自体の曲げ変形が生じる。この際、図５（ｂ）に示すように、車体上下方向に位置する突出フランジ３〜６の自由端側は、クロスメンバーの曲げ変形に伴い、長手方向への線長変化が少ない曲げ中立軸Ｘ−Ｘ方向（矢印方向ａ）に移動しやすくなる。一方、閉断面部２を構成するフランジ７，８が先に座屈する場合、フランジ面中央が断面内側に落ち込む（凹む）ように変形する。この変形により、突出フランジ３〜６の先端を中立軸Ｘ−Ｘから遠くなる方向（矢印方向ｂ）に変形させようとする働きが生じる。突出フランジ３〜６を設定した場合には、両者の変形方向が相反することで、閉断面部２の凹み変形形態が変化し、閉断面部２の座屈限界応力が向上する。

逆に、突出フランジ３〜６の座屈限界応力が閉断面部２を構成するフランジ７，８よりも小さい場合には、突出フランジ３〜６が先に座屈する。この場合、閉断面部２を構成するフランジ７，８を変形させようとする力が生じ、閉断面部２を構成するフランジ７，８の座屈限界応力が、突出フランジ３〜６がない場合よりも低くなる。このため、突出フランジ３〜６の断面形状は、隣接する閉断面部２を構成するフランジ７，８の座屈限界応力よりも高くなるように設計する必要がある。

突出フランジ３〜６の座屈限界応力は、一端が自由端となることで、閉断面部を構成するフランジ７，８に比べて小さく、前式（２）における座屈係数ｋが閉断面部２を構成するフランジ７，８の座屈係数の約１／４になることが知られている。前式（２）の関係から、突出フランジ３〜６の幅厚比ｂ／ｔが、閉断面部２のフランジ７，８（ただし、ウエブ９，１０の内側の部分の板）の幅厚比Ｂ／Ｔの１／２となったときに両者は同時に座屈し、ｂ／ｔがこれよりも大きければ、突出フランジ３〜６が、閉断面部２を構成するフランジ７，８よりも先に座屈することになる。このため、突出フランジ３〜６の幅厚比ｂ／ｔと、閉断面部２のフランジ７，８の幅厚比Ｂ／Ｔは、前式（４）の関係を満たす必要がある。

突出フランジによる閉断面部を構成するフランジの座屈限界応力向上効果は、突出フランジの存在しないｂ／ｔ＝０の場合には、当然得られない。この効果は、突出フランジの幅厚比ｂ／ｔが大きくなることで得られるといえる。一方、前式（２）から明らかなように、ｂ／ｔの増大は、突出フランジの座屈限界応力の低下につながり、ｂ／ｔ＞０．５Ｂ／Ｔの場合には、逆に突出フランジの座屈に起因して閉断面部を構成するフランジの座屈限界応力は低下することになる。このことから、突出フランジによる閉断面部を構成するフランジの座屈限界応力向上効果を十分に得るためには、突出フランジの幅厚比ｂ／ｔは、０．１〜０．３５（Ｂ／Ｔ）程度にすることがより好ましい。

前式（４）の関係を満たすように突出フランジの形状を設計した場合、閉断面部を構成するフランジが突出フランジよりも先に座屈が生じることになる。つまり、曲げ強度は、この閉断面部を構成するフランジの座屈により定まることになり、部品の形状設計範囲内で所定の強度を得るために、閉断面部を構成するフランジの肉厚は適宜選択される。一方、前式（４）の関係を満たす突出フランジは、閉断面部を構成するフランジよりも先に座屈することはない。前述のように、座屈が生じない場合には、曲げ中立軸から遠い部位の断面を、肉厚を薄く、かつ幅広に設定することで、より軽量で軸圧縮における最大荷重の高い断面形状になるといえる。従って、従って、突出フランジ３〜６の肉厚ｔは、閉断面部２を構成するフランジ７，８の肉厚Ｔに対して同等以下（前式（３））であることが望ましい。

なお、望ましくは、軸方向圧縮による弾性座屈が生じず、塑性変形により最大荷重が定まることである。突出フランジ３〜６の軸方向圧縮における変形開始応力は、幅厚比ｂ／ｔが小さい領域では、弾性座屈が生じないために素材耐力に等しくなる。また、ｂ／ｔが大きくなると、弾性座屈が発生することで、変形開始応力は前式（２）で計算されるσ_crに等しくなる。軸圧縮における最大荷重は、この変形開始応力とフランジ面積の積として表される。つまり、最大荷重は、板幅ｂの増大に応じて増大するが、σ_cr=σ_yとなる幅厚比条件を境界として、これよりも幅厚比が大きい条件では、板幅ｂの増大に応じてσ_crが減少するため、ｂの増大に対する最大荷重の増加率は減少することになる。なお、σ_ｙは降伏応力であり、アルミニウム押出形材の場合、σ_ｙとして耐力σ_０．２を用いればよい。
また、重量は板幅ｂに応じて増加することから、重量増加に対する最大荷重の増加率も、σ_cr＝σ_ｙとなる幅厚比条件を境界に減少し、これよりもｂ／ｔが大きい突出フランジを設定することは重量増加に対する荷重増加の割合という観点からは非効率的であるといえる。

これらのことから、突出フランジ３〜６の幅厚比は、σ_cr＝σ_ｙとなる条件以下に制限することが望ましい。
一端が自由端となる突出フランジの座屈限界応力σ_crは、突出フランジの形材長手方向長さを無限大に近い条件と考え、先に挙げた参考文献の記載に基づき、座屈係数ｋ＝１．５９とし、前式（２）から算出される。つまり、突出フランジの幅厚比は、前式（５）の関係を満足することが望ましい。

なお、以上の説明は、突出フランジが車体前後方向の両側外向きに突き出している場合（図１）を例にして行ったが、車体前後方向の片側（前向き又は後向き）にのみ突き出している場合についても、閉断面部を構成するフランジの座屈限界応力は、突出フランジのない矩形断面材（図３）に比べれば高くなる。これは、閉断面部のフランジの変形形態が、突出フランジが存在する側はコサインカーブ、突出フランジのない側はサインカーブに近い形状を示し、フランジ板の変形に要するエネルギーが高くなるためである。ただし、その効果は、車体前後方向の両側外向きに突出フランジを形成した場合に比べれば当然小さくなる。

図６に、本発明に係るクロスメンバーの他の断面形状（第１のタイプ）を例示する。図１に示すクロスメンバー１との相違点に着目して説明すると次のとおりである。なお、クロスメンバー１と本質的に同等の部位には同じ番号を付与している。
図６（ａ）は、閉断面部２内に上下のフランジ７，８を連結する中リブ４１がウエブ９，１０に平行に形成されたもの、図６（ｂ）は、閉断面部２内に上下のフランジ７，８を連結する２本の中リブ４２，４３がウエブ９，１０に平行に形成されたもの、図６（ｃ）は、上側のフランジ７の端部から車体前後方向外向きに突き出す突出フランジ３，４が形成されているが、下側のフランジ８の端部には突出フランジが形成されていないもの、図６（ｄ）は、さらに閉断面部２に中リブ４４が形成されたもの、図６（ｅ）は、上側のフランジ７の端部に突出フランジが形成されていないもの、図６（ｆ）は、突出フランジ３〜６の肉厚が、閉断面部２を構成するフランジ７，８よりかなり薄肉に形成されたものを示す。
なお、閉断面部内に形成する中リブは、閉断面部を構成するフランジの幅に応じて、必要な部品強度あるいは形状精度確保の観点から、１本又は複数本設けることができる。

図７に、本発明に係るクロスメンバーの他の断面形状（第２のタイプ）を例示する。図２に示すクロスメンバー１１との相違点に着目して説明すると次のとおりである。なお、クロスメンバー１１と本質的に同等の部位には同じ番号を付与している。
図７（ａ）は、上側のフランジ１９，２３の端部から車体前後方向外向きに突き出す突出フランジ１５，１６が形成されているが、下側のフランジ２０，２４の端部には突出フランジが形成されていないもの、図７（ｂ），（ｃ）は、上側のフランジ１９，２３の端部から車体前後方向外向きに突き出す突出フランジ１５，１６のほかに、さらに車体前後方向内向きに突き出す突出フランジ４５，４６が形成されたもの、図７（ｄ）は、両側の閉断面部１２，１３を連結する開断面の壁状リブ１４が直線的でなく、他部品との取りつけなどのために、凹凸部４７が形成されたもの、図７（ｅ）は、壁状リブ１４が両閉断面部１２，１３の上端を連結し、壁状リブ１４の上面が上側のフランジ１９，２３の上面と面一で、フランジ１９，２３と突出フランジ１５，１６及び壁状リブ１４が、それぞれ１つのフランジのようになっているもの、図７（ｆ）は、壁状リブ１４が両閉断面部１２，１３の中間高さ位置を連結しているものである。

図８に、クロスメンバーの他の断面形状を例示（参考例）する。これらは車体前後方向の片側にだけ外向きの突出フランジが形成されたもので、左右非対称であり、図１に示すクロスメンバー１及び図２に示すクロスメンバー１１との相違点に着目して説明すると次のとおりである。なお、クロスメンバー１１と本質的に同等の部位には同じ番号を付与している。
図８（ａ）は、上下のフランジ７，８の端部から車体前後方向の右側外向きに突き出す突出フランジ３，５が形成されているが、左側外向きには突出フランジが形成されていないもの、図８（ｂ）は、上下のフランジ１９，２０の端部から車体前後方向外向き（右側）に突き出す突出フランジ３，５が形成されているが、フランジ２３，２４の端部には車体前後方向外向き（左側）に突き出す突出フランジが形成されていない。さらに、上下のフランジの一方にのみ突出フランジが形成されたもの（図８（ａ）のクロスメンバーであれば、例えば突出フランジ５が形成されていないもの）も例示できる。

図６〜８に示すクロスメンバーについても、閉断面部のフランジの幅厚比と、その端部に車体方向外向きに形成した突出フランジの幅厚比が、前式（３）〜（５）の関係を満たす場合に、それぞれ本発明の作用効果が得られる。また、図７（ｂ）に示したクロスメンバーの突出フランジ４５，４６のように、閉断面部のフランジの端部に車体方向内向きに形成される突出フランジについても、前式（３）〜（５）の関係を満たすことが望ましく、同様に本発明の作用効果を得ることができる。

本発明において、クロスメンバーを軽量化するという観点からは、クロスメンバー自体の強度は高いほうが望ましく、６０００系あるいは７０００系のアルミニウム合金押出形材のＴ５あるいはＴ６調質材が望ましい。

なお、図１に示すクロスメンバーのように、突出フランジを有するアルミニウム押出形材は、先に述べたように、特許文献１，２に提案され、かつ自動車用ドアビームあるいはバンパー用補強材として既に用いられている。しかし、これらは、車体上下方向に突き出した突出フランジを持ち、突出フランジに対して垂直方向に荷重が加わる３点曲げ変形における変形荷重あるいはエネルギ吸収量の増加を目的としている。これに対し、本発明に係るクロスメンバー（アルミニウム押出形材）は、車体前後方向に突き出した突出フランジを持つとともに、軸方向への圧縮荷重に対する変形強度の増加を目的として行われたものであり、明らかに載荷方向、形材の設計方向が異なるといえる。

本発明に係るクロスメンバー（押出形材）の押出方向に垂直な断面における断面図である。 本発明に係るクロスメンバー（押出形材）の押出方向に垂直な断面における断面図である。 比較例のクロスメンバー（押出形材）の押出方向に垂直な断面における断面図である。 突出フランジがない比較例の押出形材（ａ）と突出フランジがある本発明の押出形材（ｂ）の、座屈時の断面の変形形態模式図である。 その変形形態の違いが生じる理由を説明するためのクロスメンバーの全体図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 本発明に係るクロスメンバーの別の断面形状を示す図である。 本発明に係るクロスメンバーの別の断面形状を示す図である。 参考例に係るクロスメンバーの断面形状を示す図である。

符号の説明

１，１１ クロスメンバー
２，１２，１３ 閉断面部
３〜６、１５〜１８ 突出フランジ
７，８，１９，２０，２３，２４ 閉断面部を構成するフランジ
９，１０，２１，２２，２５，２６ ウエブ
Ｂ 閉断面部を構成するフランジの板幅
Ｔ 閉断面部を構成するフランジの肉厚
ｂ 突出フランジの板幅
ｔ 突出フランジの肉厚

Claims (14)

1. 自動車の車体幅方向に延在して両端が車体フレーム部品に連結されるアルミニウム押出形材製のクロスメンバーであり、押出方向に垂直な断面でみたとき、互いに略平行で車体上側及び下側に配置される一対のフランジとそれに略垂直で車体上下方向を向く一対のウエブからなる略矩形の閉断面部、及び前記閉断面部を構成する上側又は／及び下側のフランジの端部から車体前後方向の両側外向きに突き出す突出フランジからなり、前記閉断面部を構成するフランジの肉厚Ｔとそのフランジの端部に形成した突出フランジの肉厚ｔが次式（１）の関係を満たし、かつ前記閉断面部を構成するフランジのウエブの内側の部分の板幅Ｂと肉厚Ｔの比Ｂ／Ｔと、そのフランジの端部に形成した突出フランジの板幅ｂと肉厚ｔの比ｂ／ｔが、次式（２）の関係を満たすことを特徴とする自動車のクロスメンバー。
   ｔ≦Ｔ ・・・・（１）
   ｂ／ｔ ≦０．５（Ｂ／Ｔ）・・・・（２）
2. 自動車の車体幅方向に延在して両端が車体フレーム部品に連結されるアルミニウム押出形材製のクロスメンバーであり、押出方向に垂直な断面でみたとき、互いに略平行で車体上側及び下側に配置される一対のフランジとそれに略垂直で車体上下方向を向く一対のウエブからなる２組の略矩形の閉断面部、車体前後方向に間隔を置いて配置された前記閉断面部の間を連結するソリッドな壁状リブ、及び両閉断面部の上側又は／及び下側のフランジの端部から車体前後方向の両側外向きに突き出す突出フランジからなり、前記閉断面部を構成するフランジの肉厚Ｔとそのフランジの端部に形成した突出フランジの肉厚ｔが次式（１）の関係を満たし、かつ前記閉断面部を構成するフランジのウエブの内側の部分の板幅Ｂと肉厚Ｔの比Ｂ／Ｔと、そのフランジの端部に形成した突出フランジの板幅ｂと肉厚ｔの比ｂ／ｔが、次式（２）の関係を満たすことを特徴とする自動車のクロスメンバー。
   ｔ≦Ｔ ・・・・（１）
   ｂ／ｔ ≦０．５（Ｂ／Ｔ）・・・・（２）
3. 押出方向に垂直な断面でみたとき、さらに、前記両閉断面部の上側又は／及び下側のフランジの端部から内向きに車体前後方向に突き出す突出フランジを有することを特徴とする請求項２に記載された自動車のクロスメンバー。
4. 前記閉断面部を構成するフランジの上下の面と前記突出フランジの上下の面がそれぞれ面一に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された自動車のクロスメンバー。
5. 前記閉断面部内に上側及び下側のフランジを連結する中リブが車体上下方向を向いて形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載された自動車のクロスメンバー。
6. 前記突出フランジの板幅ｂと肉厚ｔの比ｂ／ｔが、次式（３）の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載された自動車のクロスメンバー。
   ｂ／ｔ≦｛１．５９π^２Ｅ／１２（１−ν^２）σ_０．２｝^１／２ ・・・・（３）
   ここで、Eは前記アルミニウム押出形材の弾性率、νはポアソン比、σ_０．２は耐力である。
7. 前記クロスメンバーがルーフパネルの下で車幅方向に延在するルーフリーンフォースであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載された自動車のクロスメンバー。
8. 自動車の車体幅方向の所定位置に配置された車体フレーム部品と、車体幅方向に延在して両端が前記車体フレーム部品に連結されたクロスメンバーからなる自動車のフレーム構造において、前記クロスメンバーはアルミニウム押出形材からなり、押出方向に垂直な断面でみたとき、互いに略平行で車体上側及び下側に配置される一対のフランジとそれに略垂直で車体上下方向を向く一対のウエブからなる略矩形の閉断面部、及び前記閉断面部を構成する上側又は／及び下側のフランジの端部から車体前後方向の両側外向きに突き出す突出フランジからなり、前記閉断面部を構成するフランジの肉厚Ｔとそのフランジの端部に形成した突出フランジの肉厚ｔが次式（１）の関係を満たし、かつ前記閉断面部を構成するフランジのウエブの内側の部分の板幅Ｂと肉厚Ｔの比をＢ／Ｔと、そのフランジの端部に形成した突出フランジの板幅ｂと肉厚ｔの比ｂ／ｔが、次式（２）の関係を満たすことを特徴とする自動車のフレーム構造。
   ｔ≦Ｔ ・・・・（１）
   ｂ／ｔ ≦０．５（Ｂ／Ｔ）・・・・（２）
9. 自動車の車体幅方向の所定位置に配置された車体フレーム部品と、車体幅方向に延在して両端が前記車体フレーム部品に連結されたクロスメンバーからなる自動車のフレーム構造において、押出方向に垂直な断面でみたとき、互いに略平行で車体上側及び下側に配置される一対のフランジとそれに略垂直で車体上下方向を向く一対のウエブからなる２組の略矩形の閉断面部、車体前後方向に間隔を置いて配置された前記閉断面部の間を連結するソリッドな壁状リブ、及び両閉断面部の上側又は／及び下側のフランジの端部から車体前後方向の両側外向きに突き出す突出フランジからなり、前記閉断面部を構成するフランジの肉厚Ｔとそのフランジの端部に形成した突出フランジの肉厚ｔが次式（１）の関係を満たし、かつ前記閉断面部を構成するフランジのウエブの内側の部分の板幅Ｂと肉厚Ｔの比Ｂ／Ｔと、そのフランジの端部に形成した突出フランジの板幅ｂと肉厚ｔの比ｂ／ｔが、次式（２）の関係を満たすことを特徴とする自動車のフレーム構造。
   ｔ≦Ｔ ・・・・（１）
   ｂ／ｔ ≦０．５（Ｂ／Ｔ）・・・・（２）
10. 前記クロスメンバーは、押出方向に垂直な断面でみたとき、さらに、前記両閉断面部の上側又は／及び下側のフランジの端部から内向きに車体前後方向に突き出す突出フランジを有することを特徴とする請求項９に記載された自動車のフレーム構造。
11. 前記クロスメンバーは、閉断面部を構成するフランジの上下の面と前記突出フランジの上下の面がそれぞれ面一に形成されていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載された自動車のフレーム構造。
12. 前記クロスメンバーは、閉断面部内に車体上下方向を向き上側及び下側のフランジを連結する中リブを有することを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載された自動車のフレーム構造。
13. 前記クロスメンバーの突出フランジの板幅ｂと肉厚ｔの比ｂ／ｔが、次式（３）の関係を満たすことを特徴とする請求項８〜１２のいずれかに記載された自動車のフレーム構造。
    ｂ／ｔ≦｛１．５９π^２Ｅ／１２（１−ν^２）σ_０．２｝^１／２ ・・・・（３）
    ここで、Eは前記アルミニウム押出形材の弾性率、νはポアソン比、σ_０．２は耐力である。
14. 上記クロスメンバーがルーフパネルの下で車幅方向に延在するルーフリーンフォースであることを特徴とする請求項８〜１３のいずれかに記載された自動車のフレーム構造。

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