JP4897735B2 - 車両用サブフレーム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池車両における燃料電池を搭載して車体に支持される車両用サブフレームに関するものである。

車両用サブフレームとして、エンジンや燃料電池を搭載し、車体側に支持されるものが知られている。
この種の車両用サブフレームは、搭載されるエンジンや燃料電池の重量を勘案し、適宜設計されるものであった。

このような車両用サブフレームとして、平面視格子状に構成され、燃料電池を支持するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７−１５５８８公報

特許文献１の車両用サブフレームは、燃料電池の前端を支持して車幅方向に延びる前側クロスメンバと、燃料電池の後端を支持して車幅方向に延びる後側クロスメンバと、これらの前側クロスメンバ及び後側クロスメンバを連結して燃料電池の側面に沿って延びる左右のサイドメンバとから構成された平面視格子状のフレームである。

しかし、車両用サブフレームでは、前側クロスメンバと後側クロスメンバとは同一の強度を有するメンバ（フレーム）であり、前側クロスメンバ・左右のサイドメンバ間の接合と、後側クロスメンバ・左右のサイドメンバ間の接合とも同一の強度で接合されている。
すなわち、車両用サブフレームに搭載される燃料電池のレイアウト等によっては、各メンバ間に必要以上の強度が確保され、各メンバ間の接合が必要以上の強度に設定されている場合がある。

一般的に、燃料電池が搭載される場合には、燃料電池の補器類も同時に搭載する。
燃料電池は重く、燃料電池に比べ補器類は軽い。そこで、これらの燃料電池や補器類の配置を考慮して最適の強度を有するメンバ（フレーム）を用い、最適の強度で接合をしたいものである。

本発明は、燃料電池や補器類の配置を考慮し、最適なメンバの強度を確保するとともに、構成されるメンバ間の接合強度を適正にすることができる車両用サブフレームを提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、複数のクロスメンバと、これらのクロスメンバに離間して配設する複数のサイドメンバとにより略格子状に形成され、電池及びその補器類を搭載して車体フレームに支持される車両用サブフレームにおいて、電池を搭載するクロスメンバとサイドメンバとの交差部は、クロスメンバとサイドメンバとに互いに嵌め込む第１のジョイントを用いて結合されるとともに、車体フレームに取付ける第１の車体取付部が形成され、補器類を搭載するクロスメンバとサイドメンバの交差部は、クロスメンバに第２のジョイントを介してサイドメンバが結合されるとともに、車体フレームに取付けられる第２の車体取付部が形成され、第１のジョイントに、クロスメンバに嵌合される第１嵌め込み部と、サイドメンバに嵌合される第２嵌め込み部と、を有し、第１嵌め込み部が、クロスメンバにそれぞれ摩擦攪拌接合されるとともに、第２嵌め込み部が、サイドメンバに摩擦攪拌接合され、第２のジョイントが、側面視断面Ｔ型の輪郭を呈し、サイドメンバに嵌め込む中実の嵌め込み部と、クロスメンバに当接させる当接部とを有し、嵌め込み部がサイドメンバに上下で摩擦攪拌接合されるとともに、当接部がクロスメンバに上下で摩擦攪拌接合され、第１の車体取付部が、第１のジョイント内に形成され、第２の車体取付部が、クロスメンバに且つサイドメンバの長手方向の延長上に形成されたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、第２のジョイントが、第２のジョイントが当接するクロスメンバに対して傾斜させた嵌め込み部を有することを特徴とする。

請求項１に係る発明では、車両用サブフレームは、複数のクロスメンバと、これらのクロスメンバに離間して配設する複数のサイドメンバとにより略格子状に形成される。
車両用サブフレームには、電池及びその補器類が搭載され、車体フレームに支持される。
電池を搭載するクロスメンバとサイドメンバとの交差部は、クロスメンバとサイドメンバとに互いに嵌め込む第１のジョイントを用いて結合されるとともに、車体フレームに取付ける第１の車体取付部が形成される。
補器類を搭載するクロスメンバとサイドメンバの交差部は、クロスメンバに第２のジョイントを介してサイドメンバが結合されるとともに、車体フレームに取付けられる第２の車体取付部が形成される。
これにより、最適な強度を有する車両用サブフレームを実現することができ、車両用サブフレームの軽量化を図ることができる。

第２の車体取付部が、クロスメンバに且つサイドメンバの長手方向の延長上に有するので、第２の車体取付部が、サイドメンバの長手方向の延長上からずれた場合に大きく発生する曲げモーメントの影響を回避することができる。これにより、クロスメンバとサイドメンバの上下を接合するだけでよく、左右の接合が不要となる。この結果、接合の工数の低減を図ることができる。

第２のジョイントが、側面視断面Ｔ型の輪郭を呈し、サイドメンバに嵌め込む中実の嵌め込み部と、クロスメンバに当接させる当接部とを有する。すなわち、構造体のねじれ時にもっとも応力が発生する嵌め込み部（継手部）を中実にすることにより嵌め込み部（継手部）の剛性を向上できる。
また、嵌め込み部がサイドメンバに上下で摩擦攪拌接合されるとともに、当接部がクロスメンバに上下で摩擦攪拌接合されるので、低歪化及び異種材接合が可能となる。
ここで、摩擦攪拌接合とは、先端に突起部のある円筒状の工具を回転させながら強い力で押し付けることで突起部を接合させる部材（母材）の接合部に貫入させ、これによって摩擦熱を発生させて母材を軟化させるとともに、工具の回転力によって接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることで複数の部材を一体化させる接合法であり、英語ではＦＳＷ（Friction Stir Welding）と呼ばれる。

請求項２に係る発明では、第２のジョイントが、第２のジョイントが当接するクロスメンバに対して傾斜させた嵌め込み部を有するので、直交だけでなくあらゆる角度の接合構造が可能となる。この結果、車体側取付部の位置に応じて、サイドフレームを傾斜することができ、サイドフレームに搭載される燃料電池や補器類のレイアウト性の向上を図ることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る車両用サブフレームを採用した車体構造の分解斜視図であり、図２
は図１に示された車体構造の底面図である。
図１及び図２に示されたように、車両用サブフレーム４０は、電池（燃料電池若しくは燃料電池素スタック）１２及び電池１２の補器類１３を搭載し、車体フレーム（車体）１１に下方から取付けられる部材である。

車体フレーム１１は、車体の前後方向に延ばされた左右のフロントサイドフレーム２１，２１と、これらの左右のフロントサイドフレーム２１，２１の後端に接続され、車幅方向に延ばされたダッシュボードロア２２と、このダッシュボードロア２２の中央から前後方向に延ばされたトンネルフレーム２３と、このトンネルフレーム２３の左右に設けられ、ダッシュボードロア２２から前後方向に延ばされた左右のフロアフレーム２４，２４と、左右のフロアフレーム２４，２４の両側外方に設けられるとともにダッシュボードロア２２から前後方向に延ばされた左右のサイドシル２５，２５と、これらのトンネルフレーム２３及び左右のフロアフレーム２４，２４の前部に接続され、車幅方向に延ばされたフロントクロスメンバ２６と、車幅方向に関してダッシュボードロア２２位置にて左のフロアフレーム２４と左のサイドシル２５をそれぞれ繋ぐ左の第１アウトリガー２７と、車幅方向に関してダッシュボードロア２２位置にて右のフロアフレーム２４と右のサイドシル２５をそれぞれ繋ぐ右の第１アウトリガー２８と、車幅方向に関してフロントクロスメンバ２６位置にて左のフロアフレーム２４と左のサイドシル２５をそれぞれ繋ぐ左の第２アウトリガー３１と、車幅方向に関してフロントクロスメンバ２６位置にて右のフロアフレーム２４と右のサイドシル２５をそれぞれ繋ぐ右の第２アウトリガー３２と、トンネルフレーム２３及び左右のフロアフレーム２４，２４の後端に接続され、車幅方向に延ばされたミドルクロスメンバ３３と、左右のサイドシル２５，２５の後端に接続され、車幅方向に延ばされたリヤクロスメンバ３４と、リヤクロスメンバ３４から前後方向に延ばされた左右のリヤフレーム３５，３５とを主要構成としたフレームである。

図３は本発明に係る車両用サブフレームの斜視図であり、図４は図３に示された車両用サブフレームの第１のジョイント廻りの分解斜視図であり、図５は図３に示された車両用サブフレームの第２のジョイント廻りの分解斜視図であり、図６は図５に示された第２のジョイント廻りの側面断面図である。

図３に示されたように、車両用サブフレーム４０は、車体前後方向に関して車体フレーム１１のフロントクロスメンバ２６位置に設けられるとともに車幅方向に延ばされる前側サブクロスメンバ４１と、この前側サブクロスメンバ４１から車体後方に延ばされた左右サブサイドメンバ４２，４２と、これらの左右サブサイドメンバ４２，４２の中間後部に設けられ、左右サブサイドメンバ４２，４２を繋ぐ中間サブクロスメンバ４３と、左右サブサイドメンバ４２，４２の後端に接続される後側サブクロスメンバ４４と、この後側サブクロスメンバ４４からエクステンションジョイント４５，４５（一方不図示）を介して車体後方に延ばされた左右エクステンションメンバ４６，４６と、これらの左右エクステンションメンバ４６，４６の後端に第２のジョイント５２，５２を介して接続され、車幅方向に延ばされたエンドメンバ４９とからなる。

前側サブクロスメンバ４１は、複数のクロスメンバの一つであり、車体中心から車幅方向に延ばされた前センタビーム５３と、この前センタビーム５３の両端が接続される左右の第１のジョイント５１ａ，５１ｂとからなる。

図４に、電池（燃料電池）１２を搭載するクロスメンバである前側サブクロスメンバ４１と、電池１２を搭載するサイドメンバであるサブサイドメンバ４２との交差部５５が示され、左の第１のジョイント５１ａは、前センタビーム５３に嵌合される第１嵌め込み部５６と、サブサイドメンバ４２の前部ビーム６６に嵌合される第２嵌め込み部５８と、車体フレーム１１に取付けられる第１の車体取付部６１，６１とが形成される。

第１・第２嵌め込み部５６，５８は、前センタビーム５３及びサブサイドメンバ４２にそれぞれ摩擦攪拌接合される。
右の第１のジョイント５１ｂは、車体中心に対して左の第１のジョイント５１ａに対称の部材である。

左サブサイドメンバ４２は、複数のサイドメンバの一つであり、左の第１のジョイント５１ａに接続され、車体前後方向に延ばされる前部ビーム６６と、この前部ビーム６６の後端に接続される中間ジョイント６７と、この中間ジョイント６７の後部に接続され、車体前後方向に延ばされる後部ビーム６８とからなる。

なお、中間ジョイント６７は、前部ビーム６６、後部ビーム６８にそれぞれ摩擦攪拌接合される。右サブサイドメンバ４２は、複数のサイドメンバの一つであり、左サブサイドメンバ４２に略同一構成の部材である。

中間サブクロスメンバ４３は、複数のクロスメンバの一つであり、左右サブサイドメンバ４２，４２の間に設けられ、サブサイドメンバ４２，４２と共用した中間ジョイント６７，６７と、この中間ジョイント６７，６７に接続される中間センタ部材７１とからなる。
なお、中間ジョイント６７は、中間センタ部材７１に摩擦攪拌接合される。

後側サブクロスメンバ４４は、複数のクロスメンバの一つであり、左右サブサイドメンバ４２，４２の後端に接続され、車体前後方向に延ばされた左・右ビーム７６，７７と、これらの左・右ビーム７６，７７を車幅方向に接続する接続ビーム７８とからなる。

左右エクステンションメンバ４６，４６は、複数のサイドメンバの一つであって、閉断面のビームである。
エンドメンバ４９は、補器類１３を搭載するクロスメンバであるとともに、第２のジョイント５２，５２が当接するクロスメンバであり、車体フレーム１１に取付ける第２の車体取付部６２，６２が形成される。

図５に、補器類１３を搭載するクロスメンバであるエンドメンバ４９と、補器類１３を搭載するサイドメンバであるエクステンションメンバ４６との交差部７５が示され、第２のジョイント５２は、側面視断面Ｔ型の輪郭を呈し、エクステンションメンバ（サイドメンバ）４６に嵌め込む中実の嵌め込み部８１と、エンドメンバ（クロスメンバ）４９に当接させる当接部８２とを有する。

図６に示されたように、第２の車体取付部６２は、エンドメンバ４９に貫通され溶接される基部８３と、車体フレーム１１に固定するためにボルト８５が貫通する筒部８４とからなる。また、第２のジョイント５２の嵌め込み部８１は、エクステンションメンバ４６に嵌め込まれ、エクステンションメンバ４６に摩擦攪拌接合され、第２のジョイント５２，５２の当接部８２は、エンドメンバ４９に当接させ、エンドメンバ４９に摩擦攪拌接合される。

なお、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ接合）では、先端に突起部のある円筒状の工具を回転させながら強い力で押し付けることで突起部を接合させる部材（母材）の接合部に貫入させ、これによって摩擦熱を発生させて母材を軟化させるとともに、工具の回転力によって接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることで複数の部材を一体化させて接合するものである。

また、図３に示されたように、左右エクステンションメンバ４６，４６の前端も、後端と同様に、第２のジョイント５２，５２と略同一の部材であるエクステンションジョイント４５，４５を介して後側サブクロスメンバ４４に接合されている。

車両用サブフレーム４０は、図４に示されたように、複数のクロスメンバ４１，４３，４４，４９と、これらのクロスメンバ４１，４３，４４，４９に離間して配設する複数のサイドメンバ４２，４２，４６，４６とにより略格子状に形成される。車両用サブフレーム４０には、図１に示されたように、電池１２及びその補器類１３が搭載される。

電池を搭載するクロスメンバ（前側サブクロスメンバ）４１とサイドメンバ（サブサイドメンバ）４２との交差部５５は、電池１２を搭載するクロスメンバ４１とサイドメンバ４２とに互いに嵌め込む第１のジョイント５１ａを用いて結合され、この第１のジョイント５１ａに車体に取付ける第１の車体取付部６１，６１が形成される。

図６に示されるように、補器類１３を搭載するクロスメンバ（エンドメンバ）４９とサイドメンバ（エクステンションメンバ）４６の交差部７５は、補器類１３を搭載するクロスメンバ４９の側面に第２のジョイント５２を当接させて結合し、補器類１３を搭載するクロスメンバ４９に車体側に取付ける第２の車体取付部６２が形成される。なお、図中、８９はＦＳＷ接合部を示す。

すなわち、重い電池１２が搭載される側のクロスメンバ４１とサイドメンバ４２との交差部５５は、互いに第１のジョイント５１ａに嵌め込まれ結合される。電池１２に比べ軽い補器類１３が搭載されるクロスメンバ４９とサイドメンバ４６の交差部７５は、クロスメンバ４９の側面に第２のジョイント５２を当接させて結合される。これにより、最適な強度を有する車両用サブフレーム４０を実現することができ、車両用サブフレーム４０の軽量化を図ることができる。

第２のジョイント５２は、図５に示されたように、側面視断面Ｔ型の輪郭を呈し、サイドメンバ（エクステンションメンバ）４６に嵌め込む中実の嵌め込み部８１を有する。すなわち、クロスメンバ４９とサイドメンバ４６などの構造体のねじれ時にもっとも応力が発生する嵌め込み部（継手部８１）を中実にすることにより嵌め込み部（継手部）８１の剛性を向上できる。
また、嵌め込み部８１とクロスメンバ４９とを摩擦攪拌接合にて結合したので、低歪化及び異種材接合が可能となる。

図７（ａ），（ｂ）は図５に示された第２のジョイントの接合手順を示す作用説明図である。
（ａ）において、エクステンションメンバ４６に第２のジョイント５２の嵌め込み部８１を矢印ａ１の如く挿入し、エクステンションメンバ４６に第２のジョイント５２を摩擦攪拌接合し、第２のジョイント５２の当接部８２にエンドメンバ４９を当て、エンドメンバ４９に第２のジョイント５２を摩擦攪拌接合（ＦＳＷ接合）する。

（ｂ）において、片面を摩擦攪拌接合したエクステンションメンバ４６及びエンドメンバ４９の天地を逆にし、エクステンションメンバ４６及びエンドメンバ４９の下面を摩擦攪拌接合する。このように、逆側の面も同様にＦＳＷ接合することにより、２つの直交する押出材を低歪に接合する構造を実現できる。

図８（ａ），（ｂ）は図３に示された車両用サブフレームの比較検討図である。（ａ）は比較例の車両用サブフレーム１１０の要部が示され、（ｂ）は実施例の車両用サブフレーム４０の要部が示される。

（ａ）において、比較例の車両用サブフレーム１１０は、クロスメンバ（エンドメンバ）１１２にジョイント１１４を介してサイドメンバ（エクステンションメンバ）１１１が接合され、エクステンションメンバ１１１の延長外に且つエンドメンバ１１２に車体取付部１１３が形成される。すなわち、車体取付部１１３が、エクステンションメンバ１１１の延長外に且つエンドメンバ１１２に形成されるので、矢印Ｍ１の如く回転モーメントが作用する場合があり、二点鎖線で示されるように、補強のための補助メンバ１１５が必要となる場合がある。

（ｂ）において、実施例の車両用サブフレーム４０は、第２の車体取付部６２が、クロスメンバ（エンドメンバ）４９に接続されるサイドメンバ（エクステンションメンバ）４６の長手方向の延長上に有するので、例えば、第２の車体取付部６２が、サイドメンバ４６の長手方向の延長上からずれた場合に大きく発生する曲げモーメントの影響を回避することができる。
なお、クロスメンバ（エンドメンバ）４９は、第２のジョイント５２で補器類１３（図１参照）を搭載する部材である。

これにより、図７（ａ），（ｂ）に示されるように、クロスメンバ（エンドメンバ）４９とサイドメンバ（エクステンションメンバ）４６の上下を接合するだけでよく、左右の接合が不要となる。この結果、接合の工数の低減を図ることができる。

図９は本発明に係る別実施例の車両用サブフレームの第２のジョイントの説明図である。
別実施例の車両用サブフレーム９０は、エクステンションメンバ（サイドメンバ）９６に第２のジョイント９２を介してエンドメンバ（クロスメンバ）９９が接合される。第２のジョイント９２は、エンドメンバ（クロスメンバ）９９に対して傾斜させた嵌め込み部９１を有する。

すなわち、第２のジョイント９２は、第２のジョイント９２が当接するクロスメンバ９９に対して傾斜させた嵌め込み部９１を有するので、直交だけでなくあらゆる角度の接合構造が可能となる。この結果、車体側取付部１０２の位置に応じて、サイドメンバ９６を傾斜することができ、サイドメンバ９６に搭載される燃料電池１２や補器類１３のレイアウト性の向上を図ることができる。

図１０は本発明に係る車両用サブフレームの摩擦攪拌接合の原理図である。
摩擦攪拌接合とは、先端に突起部１３１のある円筒状の工具１３２を矢印ｂ１の如く回転させながら矢印ｂ２の如く強い力で押し付け、矢印ｂ３の如く移動することで、突起部１３１を接合させる二つの部材（母材）１３３，１３４の接合部１３５に貫入させ、これによって摩擦熱を発生させて複数の部材１３３，１３４を軟化させるとともに、工具１３２の回転力によって接合部１３５周辺を塑性流動させて練り混ぜることで複数の部材１３３，１３４を一体化させる接合法である。英語ではＦＳＷ（Friction Stir Welding）と呼ばれる。

尚、本発明に係る車両用サブフレーム４０は、図４に示すように、第１のジョイント５１ａは摩擦攪拌接合されたが、これに限るものではなく、溶接で接合したものであってもよい。

本発明に係る車両用サブフレームは、セダンやワゴンなどの乗用車に採用するのに好適である。

本発明に係る車両用サブフレームを採用した車体構造の分解斜視図である。 図１に示された車体構造の底面図である。 本発明に係る車両用サブフレームの斜視図である。 図３に示された車両用サブフレームの第１のジョイント廻りの分解斜視図である。 図３に示された車両用サブフレームの第２のジョイント廻りの分解斜視図である。 図５に示された第２のジョイント廻りの側面断面図である。 図５に示された第２のジョイントの接合手順を示す作用説明図である。 図３に示された車両用サブフレームの比較検討図である。 本発明に係る車両用サブフレームの別実施例の第２のジョイントの説明図である。 本発明に係る車両用サブフレームの摩擦攪拌接合の原理図である。

符号の説明

１２…電池（燃料電池若しくは燃料電池素スタック）、１３…補器類、４０，９０…車両用サブフレーム、４１…クロスメンバ（前側サブクロスメンバ）、４２…サイドメンバ（サブサイドメンバ）、４３…クロスメンバ（中間サブクロスメンバ）、４４…クロスメンバ（後側サブクロスメンバ）、４６，９６…サイドメンバ（エクステンションメンバ）、４９，９９…クロスメンバ（エンドメンバ）、５１ａ，５１ｂ…第１のジョイント、５２，９２…第２のジョイント、５５，７５…交差部、６１，６２…第１・第２の車体取付部、８１，９１…嵌め込み部。

Claims (2)

1. 複数のクロスメンバ（４１，４３，４４，４９）と、これらのクロスメンバ（４１，４３，４４，４９）に離間して配設する複数のサイドメンバ（４２，４２，４６，４６）とにより略格子状に形成され、電池（１２）及びその補器類（１３）を搭載して車体フレーム（１１）に支持される車両用サブフレームにおいて、
   前記電池（１２）を搭載するクロスメンバ（４１）と前記サイドメンバ（４２）との交差部（５５）は、前記クロスメンバ（４１）と前記サイドメンバ（４２）とに互いに嵌め込む第１のジョイント（５１ａ）を用いて結合されるとともに、前記車体フレーム（１１）に取付ける第１の車体取付部（６１）が形成され、
   前記補器類（１３）を搭載するクロスメンバ（４９）と前記サイドメンバ（４６）の交差部（７５）は、前記クロスメンバ（４９）に第２のジョイント（５２）を介して前記サイドメンバ（４６）が結合されるとともに、前記車体フレーム（１１）に取付けられる第２の車体取付部（６２）が形成され、
   前記第１のジョイント（５１ａ）は、クロスメンバ（４１）に嵌合される第１嵌め込み部（５６）と、サイドメンバ（４２）に嵌合される第２嵌め込み部（５８）と、を有し、前記第１嵌め込み部（５６）は、前記クロスメンバ（４１）にそれぞれ摩擦攪拌接合されるとともに、第２嵌め込み部（５８）は、前記サイドメンバ（４２）に摩擦攪拌接合され、
   前記第２のジョイント（５２）は、側面視断面Ｔ型の輪郭を呈し、前記サイドメンバ（４６）に嵌め込む中実の嵌め込み部（８１）と、前記クロスメンバ（４９）に当接させる当接部（８２）とを有し、前記嵌め込み部（８１）はサイドメンバ（４６）に上下で摩擦攪拌接合されるとともに、前記当接部（８２）は前記クロスメンバ（４９）に上下で摩擦攪拌接合され、
   前記第１の車体取付部（６１）は、前記第１のジョイント（５１ａ）内に形成され、前記第２の車体取付部（６２）は、前記クロスメンバ（４９）に且つ前記サイドメンバ（４６）の長手方向の延長上に形成されたことを特徴とする車両用サブフレーム。
2. 前記第２のジョイント（９２）は、該第２のジョイント（９２）が当接する前記クロスメンバ（９９）に対して傾斜させた嵌め込み部（９１）を有することを特徴とする請求項１記載の車両用サブフレーム構造。

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