JP5180803B2 - 車体フレーム構造 - Google Patents

Description

本発明は、車体フレーム構造の改良に関するものである。

従来の車体フレーム構造として、閉断面構造部材内に補強板を配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−２９５１６０号公報

特許文献１の図１、図２を以下の図８、図９で説明する。なお、符号は振り直した。
図８は従来の車体フレーム構造を示す斜視図であり、断面ハット形状のサイドメンバ１０１の下部にフランジ１０２，１０３が設けられ、これらのフランジ１０２，１０３にクロージングプレート１０４が複数のスポット溶接部１０６で接合されている。

図９は従来の車体フレーム構造を示す横断面図であり、サイドメンバ１０１の天井部分の内面に補強板１０７がスポット溶接を併用した接着接合部１０８で接合されている。

サイドメンバ１０１及びクロージングプレート１０４からなる閉断面構造部材内に、スポット溶接を併用した接着を行うことにより補強板１０７を接合することで、単に溶接のみの場合に比べて車両衝突時のエネルギー吸収量は増加しているが、特別に軽量化対策が施されておらず、閉断面構造部材の重量が増加する。

また、接着剤を使用するために接着剤塗布工程が増え、生産コストが嵩む。
更に、接着剤の性質上、劣化などの経年変化を考慮すると、衝突エネルギーを吸収する衝突部材に用いるには性能保障に課題が残る。
本発明の目的は、軽量化を図りつつ生産コストを抑え、更には経年変化が少なく安定して衝突エネルギーを吸収可能な車体フレーム構造を提供することにある。

請求項１に係る発明は、車体フレームを構成するフロアパネルと、このフロアパネルに接合され車体前後方向に延びている構造部材と、を備えた車体フレーム構造であって、前記構造部材は、断面視下向きに開口するコ字状のフレーム部材と、このフレーム部材の内側に沿って接合される補強部材とからなり、前記フレーム部材は、上壁と、この上壁の左右縁部から下方に延びる側壁とからなり、前記補強部材には、前記フレーム部材の上壁に向かって突出する上部隆起部が、車体前後方向に所定間隔を有して複数形成され、これらの上部隆起部を介して、前記補強部材は、前記フレーム部材に接合され、前記複数の上部隆起部の間には、荷重入力方向に対して長手方向を向いた長穴が開けられ、前記フレーム部材の上壁のうち、少なくとも、前記上壁及び前記側壁によって形成される稜線と、前記複数の上部隆起部に臨む合わせ面と、を除いた部位に、前記長穴より面積が小さい複数の微細穴が開けられていることを特徴とする。

フレーム部材に作用する負荷の高くなりやすい稜線と合わせ面とを除いて複数の微細穴を開けることで、軽量化が図られるとともにフレーム部材の強度・剛性が確保される。
また、フレーム部材に補強部材を追加して補強を行う場合に、補強部材に開けられた長穴によって、軽量化される重量が大きくなるとともに、長穴の長手方向が荷重入力方向に向いているため、荷重入力方向に直交する方向の長穴の断面積が小さくなり、補強部材に入力された荷重に対して十分な剛性が得やすくなる。
更に、フレーム部材と補強部材とが溶接にて接合されるため、従来のような接着剤を使用した場合のような経年変化による強度・剛性の変化は少ない。
請求項２に係る発明では、前記補強部材には、前記フレーム部材の前記側壁に向かって突出する側部隆起部が、車体前後方向に所定間隔を有して複数形成され、前記補強部材は、前記上部隆起部に加え、前記側部隆起部を介して前記フレーム部材に接合され、前記フレーム部材の側壁には、前記複数の側部隆起部が合わせられる合わせ面を除いた部位に複数の微細穴が開けられていることを特徴とする。
請求項３に係る発明では、前記フロアパネルの前端部には、ダッシュボードロアが接合され、このダッシュボードロアに、前記構造部材の前端部が接合されていることを特徴とする。
請求項４に係る発明では、前記フレーム部材の前記上壁は、左右の上壁基部と、これらの上壁基部の間において一段低く形成された低壁部とからなり、前記上部隆起部は、前記低壁部に接合されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、フレーム部材に少なくとも稜線と合わせ面とを除いて複数の微細穴が開けられ、このフレーム部材の裏面に設けられた合わせ面に補強部材が溶接にて接合され、この補強部材に荷重入力方向に対して長手方向を向いた長穴が開けられているので、フレーム部材の微細穴と長穴とでより効果的に軽量化を図ることができるとともに、荷重入力方向に対して長手方向を向いた長穴を補強部材に開けることで、補強部材の荷重入力方向の剛性低下が抑えられ、フレーム部材と補強部材とで構造部材を構成する場合に、構造部材の所定の剛性を確保しやすくことができる。

また、フレーム部材と補強部材との接合に接着剤を用いないので、経年変化による強度・剛性の変化を抑えることができ、衝突部材としての性能保障を満足させることができる。

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、説明中の左、右、前、後は車両に乗車した運転者を基準にした向きを示している。また、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る車体フレーム構造を示すアンダボディの斜視図であり、図中の矢印（ＦＲＯＮＴ）は車両前方を表している（以下同じ。）。
アンダボディ１０は、フロントフロアパネル１１と、このフロントフロアパネル１１の左右端部に前後方向に延びるように取付けられたサイドシル１２，１３と、フロントフロアパネル１１の一部を構成するとともにフロントフロアパネル１１の車幅方向中央部に前後に延びるように形成されたトンネル部１１ａによって左右に区画された左フロア部１４及び右フロア１６にそれぞれ前後に延びるように取付けられた構造部材１７と、トンネル部１１ａ及び左右のサイドシル１２，１３を連結するシートクロスメンバー１８，１９と、フロントフロアパネル１１の後部に取付けられるとともに構造部材１７，１７の後端部に接合されるミドルフロアフレーム２１，２２とを備える。なお、符号２３はフロントフロアパネル１１の前端部に接合されたダッシュボードロアであり、このダッシュボードロア２３に構造部材１７，１７のそれぞれの前端部が接合されている。

図２は本発明に係る構造部材を示す分解斜視図であり、構造部材１７は、軽量化のための円形の微細穴２４が複数開けられたフレーム部材２５と、このフレーム部材２５の内側に接合される補強部材２６とからなる。

フレーム部材２５は、微細穴２４が密集する穴密集部２７〜２９を有するフレーム本体３５と、このフレーム本体３５の左右に、フロントフロアパネル１１（図１参照）及びダッシュボードロア２３（図１参照）に接合するために一体成形された左フランジ３６及び右フランジ３７と、ダッシュボードロア２３に接合するために前端部に形成された前フランジ３８と、ミドルフロアフレーム２１，２２（図１参照）に接合するために後端部に形成された後接合部３９とからなる。

フレーム本体３５は、上壁４３と、この上壁４３の左右縁部から下方に延びる側壁４４，４５（手前側の符号４４のみ示す。）とからなり、上壁４３に複数の穴密集部２７が設けられ、側壁４４及び側壁４５にそれぞれ複数の穴密集部２８と穴密集部２９とが設けられている。

上壁４３は、上壁基部４７と、この上壁基部４７に対して一段低く形成された低壁部４８と、これらの上壁基部４７及び低壁部４８のそれぞれの間を繋ぐ無端状の斜壁部４９とからなる。

左フランジ３６及び右フランジ３７は、前端部側が、フレーム本体３５の前端部下部と共に上方に湾曲した形状に形成されている。
前フランジ３８は、フレーム本体３５の上壁４３の前端から前方斜め上方に延びた部分である。
後接合部３９は、断面形状が絞られてフレーム本体３５の断面形状よりも小型にされたコ字断面形状に形成された部分である。

補強部材２６は、上壁５１と、この上壁５１の左右端部から下方に延びる側壁５２，５３とからなる。
上壁５１は、左右端部側に前後に延びるように形成された左基部５５及び右基部５６と、これらの左基部５５及び右基部５６から一段低く形成された低壁部５７と、左基部５５及び底基部５７のそれぞれの間を繋ぐ斜壁部５８と、右基部５６及び低壁部５７のそれぞれの間を繋ぐ斜壁部５９と、底壁部５７に軽量化のために長手方向が前後方向に向くように形成された複数の長穴６１と、底壁部５７に長穴６１同士の間に位置するように形成された上方に突出する複数の上部隆起部６２とからなる。
上部隆起部６２は、フレーム部材２５の上壁４３、詳しくは、上壁４３の穴密集部２７が設けられていない非穴形成部６０，６３，６４の低壁部４８にスポット溶接等で接合される部分である。

側壁５２は、側部基部６５と、この側部基部６５から側方に突出形成された複数の側部隆起部６６とからなる。
同様に、側壁５３は、側部基部６７（図３参照）と、この側部基部６７から側方に突出形成された複数の側部隆起部６８とからなる。

側部隆起部６６，６８は、それぞれフレーム部材２５の側壁４４，４５の穴密集部２８，２９が設けられていない非穴形成部６９，７０（の内面４４ａ，４５ａ（図３参照））にスポット溶接等で接合される部分である。

図３は図２の３−３線断面図であり、構造部材１７は、断面ハット形状のフレーム部材２５と、このフレーム部材２５の内側に接合された断面コ字形状の補強部材２６とからなり、フレーム部材２５に複数の穴密集部２７〜２９（符号２７のみ示す。）が設けられることで軽量化され、また、補強部材２６に複数の長穴６１が開けられることで軽量化されるとともに補強部材２６がフレーム部材２５を補強して、構造部材１７の軽量化と強度・剛性向上とが図られている。

補強部材２６の上部隆起部６２は、フレーム部材２５における上壁４３の低壁部４８の下面４３ａに接合され、補強部材２６の側部隆起部６６，６８は、フレーム部材２５の側壁４４，４５の内面４４ａ，４５ａにそれぞれ接合されている。

フレーム部材２５の上壁４３と側壁４４との間の角部には稜線７１が形成され、上壁４３と側壁４５との間の角部には稜線７２が形成され、側壁４４と左フランジ３５との間の角部には稜線７３が形成され、側壁４５と右フランジ３６との間の角部には稜線７４が形成される。
また、補強部材２６の上壁５１と側壁５２との間の角部には稜線７６が形成され、上壁５１と側壁５３との間の角部には稜線７７が形成される。

図４（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る構造部材を説明する説明図である。
（ａ）はフレーム部材２５の平面図であり、フレーム部材２５は、前部が前方にいくにつれて左右の幅が広く形成されている。即ち、上壁４３の左右の幅が次第に広くなり、これに伴って側壁４４，４５、左フランジ３６及び右フランジ３７が車幅方向外側に次第に広がるように前方に延びている。
後接合部３９は、ミドルフロアフレーム２１，２２（図１参照）に接合するために微細穴２４が開けられていない。
図中の想像線は、フレーム部材２５に下から接合される補強部材２６（図４（ｃ）参照）の上部隆起部６２、側部隆起部６６，６８を示している。

（ｂ）は穴密集部２７の平面図であり、微細穴２４が縦横に並列に開けられている。
微細穴２４の内径をＤ１、各微細穴２４のピッチをＰ１とすると、例えば、Ｄ１＝３ｍｍ、Ｐ１＝５ｍｍである。他の穴密集部についても、穴密集部２７と同様に微細穴２４が開けられている。

（ｃ）は補強部材２６の平面図であり、補強部材２６は、前部が前方にいくにつれて左右の幅が広く形成されている。即ち、上壁５１の左右の幅が次第に広くなり、これに伴って側壁５２，５３が車幅方向外側に次第に広がるように前方に延びている。

長穴６１同士及び上部隆起部６２同士は、それぞれ前後方向に等間隔で設けられている。また、側部隆起部６６同士及び側部隆起部６８同士も、それぞれ前後方向に等間隔で設けられている。

図５は本発明に係るフレーム部材の微細穴の配置の別実施形態を示す説明図であり、穴密集部２７Ａは、微細穴２４が千鳥状に開けられている。即ち、３つの微細穴２４の各中心を結んだ三角形が正三角形になる。

微細穴２４の内径をＤ２、隣り合う微細穴２４の中心間距離をＰ３、縦に並んだ微細穴２４同士のピッチをＰ４とすると、例えば、Ｄ２＝３ｍｍ、Ｐ３＝５ｍｍ、Ｐ４＝√３ｘＰ３である。

図６（ａ），（ｂ）は本発明に係る構造部材の強度・剛性を説明する作用図であり、（ａ），（ｂ）共にフレーム部材２５及び補強部材２６を模式的に示している。
（ａ）において、フレーム部材２５及び補強部材２６を、それぞれ白抜き矢印で示すように、車体前後方向、即ち長手方向に引張る、あるいは圧縮すると、フレーム部材２５では、縦横に等間隔に微細穴２４が開けられ、微細穴２４の内径が小さいから、微細穴２４，２４間の部分で引張力又は圧縮力を受け、強度・剛性の低下は少なく、また、補強部材２６では、長手方向に長穴６１が開けられているが、長手方向に直交する方向（即ち、車幅方向）の長穴６１の断面積が小さくなり、更に、引張力又は圧縮力を上壁５１の左基部５５及び右基部５６で受けることができ、強度・剛性の低下は少ない。

これに対して、（ｂ）において、フレーム部材２５及び補強部材２６を、それぞれ白抜き矢印で示すように、車幅方向、即ち長手方向に直交する方向に引張る、あるいは圧縮すると、フレーム部材２５では、縦横に等間隔に微細穴２４が開けられているから、（ａ）の場合と同様に、強度・剛性の低下は少ないが、補強部材２６では、長穴６１に長手方向に直交する方向に引張力又は圧縮力が作用すると、長手方向に直交する方向の長穴６１の断面積が（ａ）の場合よりも大きくなり、長穴６１の変形が大きくなりやすく、強度・剛性の低下が大きくなる。

従って、（ａ）に示したように、補強部材２６に長手方向に沿うように長穴６１を開けることで、車体前後方向の引張又は圧縮に対して補強部材２６の強度・剛性の低下を抑えつつ軽量化を図ることができる。また、補強部材２６に作用する長手方向に直交する方向の引張力又は圧縮力に対しては、フレーム部材２５で強度・剛性で補うことができる。

図７は本発明に係る構造部材に荷重が作用した際の変位の増加と軽量化との関係を示すグラフであり、ここでは、構造部材の前端に前方から所定荷重を加えて構造部材の前端の上下方向の変位を計測した結果を示している。

試料としては、大別すると、（１）フレーム部材＋補強部材（即ち、フレーム部材に補強部材を接合したもの）、（２）補強部材のみ、である。

更に詳細には、（１）のフレーム部材＋補強部材では、実施例は、本実施形態のフレーム部材２５と補強部材２６との組み合わせ、ベース材料は、実施例に対して微細穴２４が開けられていないフレーム部材と、実施例に対して長穴６１が開けられていない補強部材との組み合わせ、比較例は、ベース材料に対して共に板厚が薄くされたフレーム部材と補強部材との組み合わせである。

（２）の補強部材のみでは、実施例は、本実施形態の補強部材２６、ベース材料は、実施例に対して長穴６１が開けられていないもの、比較例は、ベース材料に対して板厚が薄くされたものである。

グラフの縦軸は変位増加率（ベース材料の変位量に対する各試料の増加変位量の割合（単位は％））、横軸は軽量化率（ベース材料の重量に対する各試料の軽量化重量の割合（単位は％））を表している。縦軸の変位増加率が大きいということは、ベース材料に対する変位の増加が大きいということであり、剛性が小さいということである。

補強部材のみの場合には、例えば、比較例の変位増加率が軽量化率が大きくなるにつれて直線的に増加すると仮定した場合に、実施例と比較例とが同じ軽量化率のときには、変位増加率は、実施例の方が比較例よりも小さくなる。即ち、軽量化された重量が同一でも、実施例の方が変位増加（即ち、剛性低下）は小さく、所定の剛性を確保しやすくなる。

フレーム部材＋補強部材の場合にも補強部材のみの場合と同様な傾向が見られ、実施例の変位増加率が比較例の変位増加率よりも小さい。即ち、比較例のように板厚を薄くして軽量化を図るのに比べて、実施例のように微細穴、長穴を開けて軽量化を図る方が剛性を確保しやすく、より効果的な軽量化手法と言える。

上記の図２、図３に示したように、フレーム部材２５に少なくとも稜線７１〜７４と、非穴形成部６０，６３，６４，６９，７０の合わせ面としての下面４３ａ、内面４４ａ，４５ａとを除いて複数の微細穴２４が開けられ、このフレーム部材２５の裏面に設けられた非穴形成部６０，６３，６４，６９，７０の下面４３ａ、内面４４ａ，４５ａに補強部材２６が溶接にて接合され、この補強部材２６に荷重入力方向に対して長手方向を向いた長穴６１が開けられているので、フレーム部材２５の微細穴２４と長穴６１とでより効果的に軽量化を図ることができるとともに、荷重入力方向に対して長手方向を向いた長穴６１を補強部材２６に開けることで、補強部材２６の荷重入力方向の剛性低下が抑えられ、フレーム部材２５と補強部材２６とで構造部材１４を構成する場合に、構造部材１４の所定の剛性を確保しやすくことができる。

また、フレーム部材２５と補強部材２６との接合に接着剤を用いないので、経年変化による強度・剛性の変化を抑えることができ、構造部材１４の衝突部材としての性能保障を満足させることができる。

尚、実施形態では、図４（ａ），（ｃ）に示したように、長穴６１、上部隆起部６２、側部隆起部６６，６８は等間隔に設けられているが、適宜間隔を変更してもよい。

本発明の車体フレーム構造は、四輪車に好適である。

本発明に係る車体フレーム構造を示すアンダボディの斜視図である。 本発明に係る構造部材を示す分解斜視図である。 図２の３−３線断面図である。 本発明に係る構造部材を説明する説明図である。 本発明に係るフレーム部材の微細穴の配置の別実施形態を示す説明図である。 本発明に係る構造部材の強度・剛性を説明する作用図である。 本発明に係る構造部材に荷重が作用した際の変位の増加と軽量化との関係を示すグラフである。 従来の車体フレーム構造を示す斜視図である。 従来の車体フレーム構造を示す横断面図である。

符号の説明

２４…微細穴、２５…フレーム部材、２６…補強部材、４３ａ，４４ａ，４５ａ…合わせ面（下面、内面、内面）、６１…長穴、７１〜７４…稜線。

Claims (4)

1. 車体フレームを構成するフロアパネルと、このフロアパネルに接合され車体前後方向に延びている構造部材と、を備えた車体フレーム構造であって、
   前記構造部材は、断面視下向きに開口するコ字状のフレーム部材と、このフレーム部材の内側に沿って接合される補強部材とからなり、
   前記フレーム部材は、上壁と、この上壁の左右縁部から下方に延びる側壁とからなり、
   前記補強部材には、前記フレーム部材の上壁に向かって突出する上部隆起部が、車体前後方向に所定間隔を有して複数形成され、
   これらの上部隆起部を介して、前記補強部材は、前記フレーム部材に接合され、
   前記複数の上部隆起部の間には、荷重入力方向に対して長手方向を向いた長穴が開けられ、
   前記フレーム部材の上壁のうち、少なくとも、前記上壁及び前記側壁によって形成される稜線と、前記複数の上部隆起部に臨む合わせ面と、を除いた部位に、前記長穴より面積が小さい複数の微細穴が開けられていることを特徴とする車体フレーム構造。
2. 前記補強部材には、前記フレーム部材の前記側壁に向かって突出する側部隆起部が、車体前後方向に所定間隔を有して複数形成され、
   前記補強部材は、前記上部隆起部に加え、前記側部隆起部を介して前記フレーム部材に接合され、
   前記フレーム部材の側壁には、前記複数の側部隆起部が合わせられる合わせ面を除いた部位に前記複数の微細穴が開けられていることを特徴とする請求項１記載の車体フレーム構造。
3. 前記フロアパネルの前端部には、ダッシュボードロアが接合され、
   このダッシュボードロアに、前記構造部材の前端部が接合されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車体フレーム構造。
4. 前記フレーム部材の前記上壁は、左右の上壁基部と、これらの上壁基部の間において一段低く形成された低壁部とからなり、
   前記上部隆起部は、前記低壁部に接合されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の車体フレーム構造。

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