JP5598595B2 - 前部車体構造 - Google Patents

Description

この発明は、自動車用車体の剛性を向上するための前部車体構造に関する。

周知のように、自動車の燃費や運動性能を向上するため、或いは安全対策や装備充実にともなう重量増加を吸収するために、自動車の軽量化が求められている。このため、例えば、高張力鋼板を用いた車体構造の薄肉化による車体の軽量化が進められている。

例えば、５９０ＭＰａ級高張力鋼板を用いて車体を軽量化した場合、車体強度を確保しつつ従来鋼板と比較して約４０％程度の軽量化が実現可能とされ、非常に大きな成果が期待されている。

一方、自動車は、走行中に路面の凹凸から受ける力や路肩等に乗り上げた場合の衝撃等、種々の力を受けるため、車体強度に加えてねじり剛性が必要とされる。しかしながら、高張力鋼板を用いて車体構造を薄肉化すると、車体強度が確保されても、ねじり剛性は、一般的に低下する。

すなわち、高張力鋼板では、温度履歴や成分等により鋼板の引張強度は向上するが、鉄のヤング率は一定で変わらない。このため、車体構造が薄肉化されると、断面二次極モーメントが小さくなり、その結果、ねじり剛性が低下することになる。したがって、高張力鋼板等を用いて車体強度を維持しつつ車体を薄肉化して軽量化する場合、併せてねじり剛性を向上させることが必要である。

上記車体のねじり剛性の向上に関して、前部車体構造に着目した技術として、例えば、特許文献１、２に示すような技術が開示されている。

具体的には、特許文献１には、フロントピラーから前方にストラットタワーの荷重入力面まで延びるフードリッジ補強部材を設けると共に、フードリッジ補強部材の前端部よりも前方に延びる仮想延設部が荷重入力面の入力中心を通るようにすることが開示されている。

特許文献２には、ストラットハウジングを単一部品として形成すると共に、サイドメンバ、フードリッジ、ダッシュパネルおよびカウルトップパネルをストラットハウジングに結合して一体化することが開示されている。

また、ねじり剛性の向上を目的としたものではないが、特許文献１に記載のものと同様な技術が文献３に開示されている。特許文献３では、フロントピラーの下端部をストラットタワーの上方においてアッパメンバに接合し、フロントピラーとその後方に位置するヒンジピラーとアッパメンバとによって中央部が開口した環状体を形成するようにしている。これにより、フロントピラーの下端部に作用するモーメント荷重を効果的に支持することができるとされている。

特開２０１０−１５５５５９号公報 特開２００９−０７８５７５号公報 特開平０９−０７１２６７号公報

ところで、上記特許文献１に記載の発明では、フロントピラーに接合されたフードリッジ補強部材はストラットタワーの荷重入力面の車両外側縁部に接合されている。また、上記特許文献３に記載の発明では、フロントピラーの下端部はストラットタワーの車両外側においてアッパメンバに接合されている。したがって、フードリッジ補強部材またはフロントピラーの接合部はストラット（ショックアブソーバ及びバネから形成される部材）からストラットタワーへの荷重の入力方向（すなわち、ストラットの軸線方向）から車体の幅方向にずれている。

このように接合部がストラットタワーへの荷重の入力方向からずれていると、ストラットからストラットタワーへ荷重が負荷されたときに、接合部には大きなモーメントが発生する。このモーメントが大きくなると接合部が変形し、その結果、車両の変形を招く。このため、上記特許文献１、３に記載の発明では、十分なねじり剛性を得ることができなかった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、自動車の車体のねじり剛性を効率的に向上することができる前部車体構造、ひいては、高張力鋼板を用いた薄肉化により、効率的に車体の軽量化を図ることができる前部車体構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
・フロントピラーとストラットタワーとに結合された補強部材を設けると共にこの補強部材を、ストラットの軸線を通って車体前後方向に延びる平面よりも車体内側および車体外側の両方においてストラットタワーに結合することにより、補強部材のストラットタワーへの結合部に大きなモーメントが発生するのを抑制することができる。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
（１）車室と該車室の前方側に配設された前室とを有する車体における前部車体構造であって、前記前室内において該前室の幅方向両側に配置されると共に前輪用ストラットの上縁部が取り付けられるストラット設置部を有するストラットタワーと、前記車室の前方において幅方向両側で前記車室のルーフから前記前室の後方上縁部に向かって延びるフロントピラーと、一方の端部がストラットタワーに結合され且つ他方の端部がフロントピラーに結合された補強部材とを具備し、前記補強部材は、フロントピラーの少なくとも一部を構成する構成部材と同一ブランクから形成された一体成形品であって、その下方端部が前記ストラット設置部の荷重点の周りを完全に包囲するようにストラット設置部上に結合される、前部車体構造。
（２）前記フロントピラーは車体外側に配置されたアウター部材と車体内側に配置されたインナー部材とを具備し、前記補強部材はインナー部材と同一ブランクから形成された一体成形品である、上記（１）に記載の前部車体構造。
（３）前記車室と前記前室とを区分けするダッシュパネルと、該ダッシュパネルの上方で前記車体の幅方向に延びるカウルトップとをさらに具備し、前記補強部材は前記カウルトップにも結合される、上記（１）又は（２）に記載の前部車体構造。
（４）前記補強部材は前記カウルトップの少なくとも一部を構成する構成部材と同一ブランクから形成された一体成形品である、上記（３）に記載の前部車体構造。
（５）前記車室の幅端部に配設されて前記車体の前後方向に延びるアッパメンバをさらに具備し、前記補強部材は前記アッパメンバにも結合される、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の前部車体構造。

この発明に係る全ての前部車体構造によれば、補強部材が、ストラットタワーに固定されたストラットの軸線を通って車体前後方向に延びる平面よりも車体内側および車体外側の両方においてストラットタワーに結合される。これにより、ストラットからストラットタワーに伝達された荷重は、このストラットよりも車両内側に位置する補強部材との結合部およびそれよりも車両外側に位置する補強部材との結合部を介して補強部材に伝達される。このため、ストラットタワーと補強部材との間には大きなモーメントが発生せず、その結果、車体のねじり剛性を高めることができる。

本発明の第１の実施形態に係る車体の全体構造の概略を示す図である。 図１の矢印ＩＩ−ＩＩに沿って見たフロントピラー２０の断面図である。 一方のフロントピラーの下端部近傍における第１の実施形態の前部車体構造の拡大斜視図である。 第１の実施形態に係る前部車体構造の一部を車体内側から見た側面図である。 第１の実施形態に係る前部車体構造の一部の断面正面図である。 第１の実施形態に係る前部車体構造の一部の上面図である。 本発明の第２の実施形態に係る車体の全体構造の概略を示す図である。 一方のフロントピラーの下端部近傍における第２の実施形態の前部車体構造の拡大斜視図である。 第２の実施形態に係る前部車体構造の一部を車体内側から見た側面図である。 第２の実施形態に係る前部車体構造の一部の断面正面図である。 第２の実施形態に係る前部車体構造の一部の上面図である。 車体のねじり剛性の測定方法の一例を示す概略図であり、（Ａ）は車体構造の長手方向における荷重を負荷する位置を、（Ｂ）は、（Ａ）における線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩから見た図であって、車体の幅方向におけるトルク発生の概略を示す図である。 図１２（Ａ）の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩから見た、ねじりトルクを負荷する前後の車体の変位およびねじれ角を示す図である。

以下、図１から図５を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る前部車体構造１０を有する車体１を示す図である。車体１は、乗員が搭乗する空間を形成する車室２と、車室２の前側（図１において左側）に配設された前室３とを具備する。本実施形態においては、前室３内には、車輪を駆動するためのエンジンやモータ等のパワーユニットが搭載される。また、本実施形態においては、車体１の主要材料は高張力鋼とされる。

本実施形態に係る前部車体構造１０は、前室３の下方に位置して車体１の前後方向に延在する一対のフロントサイドメンバ１１と、前室３の幅方向両端部の上方において車体１の前後方向に延在する一対のアッパメンバ１２とを具備する。前部車体構造１０は、さらに、車体１の幅方向に延在して車室２と前室３とを区分けするダッシュパネル１３と、このダッシュパネル１３の上方で幅方向に延在し、閉断面形状をなすカウルトップ１４と、アッパメンバ１２から下方に延在する一対のサイドパネル１７とを具備する。加えて、前部車体構造１０は、車室２の上部に配置されたルーフ１９と、車室２の前方において幅方向両側でフール１９から前室３の後方上縁部に向かって延びる一対のフロントピラー２０とを具備する。

各サイドパネル１７は、フロントホイールハウス１５と、ストラットタワー１６とを具備する。各フロントホイールハウス１５は、車体１の幅方向内方に膨出すると共に、その下方においてフロントサイドメンバ１１に結合されるように形成される。各フロントホイールハウス１５は、外方に開口した構造とされ、その内部には前輪（図示せず）が配置される。

また、各ストラットタワー１６は、フロントホイールハウス１５およびその上方のサイドパネル１７が車体１の幅方向内方に膨出して形成される。見方を変えると、各ストラットタワー１６は、フロントホイールハウス１５の天井部から上方に突出するように設けられると言うこともできる。いずれにせよ、一対のストラットタワー１６は前室３内において前室３の幅方向両側に配置される。また、各ストラットタワー１６の内部には前輪用ストラット（図示せず）が配置され、各ストラットタワー１６のストラット設置部１８（ストラットタワーの上面）には前輪用ストラットの上端部が固定される。

フロントピラー２０は、図１に示したように、車室２のルーフ１９から車体１の前方（前室３側）に向かうにしたがい漸次下方へと向かうように傾斜した構造とされている。フロントピラー２０の下端部は、アッパメンバ１２の後部およびカウルトップ１４の側端部に結合される。

図２は、図１の矢印ＩＩ−ＩＩに沿って見たフロントピラー２０の断面図である。図２からわかるように、フロントピラー２０は、車体内側に配置されたインナー部材２１と車体外側に配置されたアウター部材２２と具備する。これらインナー部材２１とアウター部材２２とは互いに溶接等によって結合されて、閉じた断面形状をなしている。また、図２に示した例では、アウター部材２２の車体外側に外装材２３が配設されている。

加えて、本実施形態においては、一方の端部がストラットタワー１６のストラット設置部１８に結合され且つ他方の端部がフロントピラー２０に結合された補強部材２５が設けられる。

図３は、一方のフロントピラー２０の下端部近傍における前部車体構造１０の拡大斜視図である。このうち、図３（Ａ）は補強部材２５が設けられていない場合、図３（Ｂ）は補強部材２５が設けられている場合をそれぞれ示している。補強部材２５は、その一方の端部において、フロントピラー２０を構成するアウター部材２２の下端部に結合される。特に、本実施形態では、補強部材２５とインナー部材２１とは同一ブランクから形成された一体成形品である。

一方、図３（Ｂ）からわかるように、補強部材２５は、その他方の端部が、ストラットタワー１６に結合される。本実施形態では、補強部材２５は、ストラットタワー１６に固定されたストラット（図示せず）の軸線を通って車体１の前後方向に延びる平面Ｓ（図５の断面正面図および図６の上面図参照）よりも車体外側および車体内側の両方においてストラットタワー１６に結合される。すなわち、補強部材２５は、平面Ｓよりも車体外側においてストラットタワー１６に結合される外側部分２５ａと、平面Ｓよりも車体内側においてストラットタワー１６に結合される内側部分２５ｂとを具備する。特に、本実施形態では、補強部材２５の下端部は、ストラットタワー１６のストラット設置部１８に結合される。

この結果、補強部材２５は、図３〜６からわかるように、ストラット設置部１８の荷重点（すなわち、ストラットの軸線とストラット設置部１８の平面とが交わる点）の周りにおいてストラット設置部１８に結合されている。特に、本実施形態では、補強部材２５の下方端部は、ストラット設置部１８の荷重点の周りを完全に包囲するようにストラット設置部１８上に配置され、ストラット設置部１８にスポット溶接される。

このような構成とされた本実施形態の前部車体構造１０によれば、フロントピラー２０とストラットタワー１６のストラット設置部１８との間に補強部材２５が設けられるため、ストラットタワー１６に入力される荷重を効率的にフロントピラー２０に伝達することができる。

加えて、補強部材２５は、平面Ｓよりも車体内側および車体外側の両方においてストラットタワー１６のストラット設置部１８に結合される。ところで、平面Ｓよりも車体一方側のみにおいて補強部材２５がストラットタワー１６のストラット設置部１８に結合されると、ストラットからストラット設置部１８に荷重が負荷されたときに、補強部材２５とストラット設置部１８との結合部には大きなモーメントが発生する。このように大きなモーメントが発生すると、結合部が変形し、車両の変形を招くことになる。

これに対して、本実施形態では、上述したように平面Ｓよりも車体内側および車体外側の両方において補強部材２５がストラット設置部１８に結合される。このため、ストラットからストラット設置部１８に荷重が負荷されても、補強部材２５とストラット設置部１８との結合部には大きなモーメントは発生しない。このため、ストラット設置部１８の周辺部が局所的に変形することが抑制され、この結果、車体１全体のねじり剛性を向上させることが可能となる。

また、本実施形態では、補強部材２５がフロントピラー２０と同一のブランクから形成された一体成形品とされる。ここで、補強部材とフロントピラーとを別の部材で形成すると、これら補強部材とフロントピラーとはこれら部材に加わる荷重に垂直な方向に重なり合った状態で結合されることになる。このため、補強部材からフロントピラーに荷重が伝達される際には、これら部材に加わる荷重の方向に対して垂直な方向に荷重が伝達されることになる。このため、これら部材間にモーメントが発生すると共にこれら部材間の結合部分に剪断力が加わることになる。したがって、補強部材とフロントピラーとを別の部材で形成すると、これらモーメントや剪断力によりこれら部材間の結合部分近傍において変形が発生しやすくなり、その結果、ねじり剛性の低下を招いていた。

これに対して、上述したように、本実施形態では、補強部材２５がフロントピラー２０と同一のブランクから形成された一体成形品とされる。このため、補強部材２５とフロントピラー２０との間でモーメントや剪断力が発生することが抑制され、その結果、車体１全体のねじり剛性を向上させることが可能になる。

加えて、補強部材２５がフロントピラー２０と同一のブランクから形成された一体成形品とした場合には、上述したように補強部材とフロントピラーとを別体として形成して部分的に重ね合わせた場合に比べて、車体１の軽量化、構造の簡素化を図ることができる。

なお、上記実施形態では、補強部材２５は、インナー部材２１の下端部に結合されているが、その一方の端部がフロントピラー２０に結合されていれば、必ずしもインナー部材２１の下端部に結合されなくてもよい。したがって、補強部材２５は、インナー部材２１の中央部に結合されてもよいし、アウター部材２２の下端部や中央部に結合されてもよい。

また、上記実施形態では、補強部材２５は、フロントピラー２０のインナー部材２１と同一ブランクから形成されているが、必ずしも同一ブランクから形成される必要はなく、別体として形成してもよい。また、上述したように、補強部材２５はアウター部材２２に結合されてもよいことを考慮すると、補強部材２１は、フロントピラー２０の少なくとも一部を構成する構成部材（例えば、アウター部材２２やインナー部材２１）と同一ブランクから形成された一体成形品とされるといえる。

さらに、上記実施形態では、補強部材２５は、その下方端部が、ストラット設置部１８の荷重点の周りを完全に包囲するようにストラット設置部１８に結合される。しかしながら、補強部材２５は、平面Ｓの車体外側および車体内側の両方において部分的にストラット設置部１８に結合されていれば、必ずしも荷重点周りを完全に包囲するように結合される必要はない。したがって、補強部材２５も、図３〜６に示したような閉じた筒状の形状である必要はなく、複数の平板からなる形状であってもよい。

次に、図７から図１１を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る前部車体構造６０を有する車体５１を示す図である。なお、第１の実施形態と同一の部材には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。車体５１は、車室５２と、車室５２の前側（図６において左側）に配設された前室５３とを具備する。

図８は、一方のフロントピラー２０の下端部近傍における第二の実施形態の前部車体構造６０の拡大斜視図である。図８からわかるように、第２の実施形態に係る前部車体構造６０においては、補強部材７０が、アッパメンバ１２およびカウルトップ１４と結合されている。特に本実施形態では、補強部材７０の車体外側部分がアッパメンバ１２にスポット溶接により結合されており、補強部材７０の車体内側後方部分がカウルトップ１４とスポット溶接により結合されている。

また、補強部材７０は、第１の実施形態の補強部材２５と同様に、ストラットタワー１６のストラット設置部１８に結合される。補強部材７０は、図１０および図１１に示すように、平面Ｓよりも車体外側および車体内側の両方においてストラットタワー１６のストラット設置部１８に結合される。したがって、補強部材７０は、図８〜１１からわかるように、ストラット設置部１８の荷重点周りにおいてストラット設置部１８に結合されている。

このような構成とされた本実施形態の前部車体構造６０によれば、ストラットタワー１６のストラット設置部１８に入力される荷重を、補強部材７０により、フロントピラー２０のみでなく、アッパメンバ１２およびカウルトップ１４に伝達することができる。このため、フロントピラー２０、アッパメンバ１２およびカウルトップ１４の各部材それぞれに伝達される荷重を減少させることができ、よってストラットタワー１６周辺の局所的な変形の発生をより高い程度で抑制することができる。これにより、車体５１全体のねじり剛性を向上させることが可能となる。

なお、上記実施形態では、補強部材７０は、アッパメンバ１２およびカウルトップ１４の両方に結合されているが、必ずしも両方に結合されている必要はなく、一方のみに結合されてもよい。

また、補強部材７０は、スポット溶接によりアッパメンバ１２およびカウルトップ１４に結合されている。しかしながら、補強部材７０は別の結合方法によってこれらアッパメンバ１２およびカウルトップ１４に結合されてもよい。加えて、補強部材７０は、アッパメンバ１２の少なくとも一部を構成する構成部材と同一ブランクから形成された一体成形品であってもよく、また、カウルトップ１４の少なくとも一部を構成する構成部材と同一ブランクから形成された一体成形品であってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。

例えば、上記実施形態においては、車体の主要材料が高張力鋼により形成される場合について説明したが、車体の一部または全部がアルミ、ＦＲＰ等、一般に車体に用いられうる他の材料により形成されていてもよい。また、また、補強部材についても高張力鋼が用いられているが、アルミ、ＦＲＰ等、他の材料を用いてもよい。

また、本実施形態では、前室内にはモータやエンジン等のパワーユニットが搭載されるものとして説明したが、これに限定されることはなく、荷室等として使用するものであってもよい。

さらに、本発明に係る前部車体構造が、内燃機関を搭載した自動車のほか、ハイブリッド車や各車輪にモータ（電動機）が設けられた電気自動車等に適用できることはいうまでもない。

また、車体全体の形状についても、図１および図７に開示されたものに限定されることはなく、セダンタイプ、ステーションワゴンタイプ、ワンボックスタイプ、ＳＵＶタイプ等、他の形状のものとされていてもよい。

ここで、本実施形態の効果を確認すべく、例えば、図１２、図１３に示す手法を用いてねじり剛性を計算した。

以下では、まず、図１２および図１３を参照してねじり剛性の測定・算出方法について説明する。図１２は、ホワイトボディ（車体）１００のねじり剛性の測定・算出方法を示す概念図を、図１３は、リアアクスル位置１００Ｒ（リアの車軸が配置される車体前後方向における位置）を基準とするフロントアクスル位置１００Ｆ（フロントの車軸が配置される車体前後方向における位置）のねじれに基づくねじり剛性を説明するための図である。

ねじり剛性の測定は、例えば、図１２（Ａ）に示すように、ホワイトボディ１００をリアアクスル位置１００Ｒにおいて固定し、フロントアクスル位置１００Ｆにおいてねじりトルクを負荷して得られる平均的なねじり剛性値ＧＪにより評価される。（Ｇ；横弾性係数、Ｊ；断面極二次モーメント）

具体的には、リアアクスル位置１００Ｒにおいてホワイトボディ１００を固定（例えば、リアストラットタワーのストラット設置部Ｒ_L、Ｒ_Rを固定）すると共に、フロントストラットタワーのストラット設置部Ｆ_L、Ｆ_Rそれぞれにダミーバー１０１の上端を取り付ける。この状態で、ダミーバー１０１の下端を取り付けたシーソ台１０２を軸線Ｏ回りで回動させ、これによりフロントストラットタワーのストラット設置部Ｆ_L、Ｆ_RにねじりトルクＴを負荷する（図１２（Ｂ）参照）。

図１３は図１２（Ａ）の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩから見た、フロントアクスル位置１００Ｆにおける車体断面を示す図である。ねじり剛性値ＧＪは、上記ねじりトルクＴを負荷した際に、フロントアクスル位置１００Ｆにおいて生じる車体の左右の変位δ_L、δ_Rに基づいて算出される。なお、図９において、二点鎖線で示した１００Ｃおよび実線で示した１００Ｄは、それぞれねじりトルクＴを負荷する前および後の車体（外形）を示している。

ここで、ねじりトルクＴによるねじれ角θ（ｒａｄ）は小さいので、
θ≒ｔａｎθ＝（（δ_L＋δ_R）／Ｂ）；（Ｂは、フロントアクスル位置１００ＦにおけるねじりトルクＴ負荷に係る車体幅寸法）と近似することができるため、
ねじり剛性値ＧＪ＝（Ｔ／（θ／ホイールベース長さＬ））
＝（Ｔ・Ｂ・ホイールベース長さＬ）／（δ_L＋δ_R）
となる。（例えば、「自動車の強度」（株式会社 山海堂 １９９０年１０月３０日第２刷発行）参照）

従来例として、フロントピラーの下端部が、ストラット設置部から幅方向外方に３００ｍｍ、後方側に１５０ｍｍずれたモデルを使用した。本発明例として、第１の実施形態に示すように、フロントピラーの下端に一体に形成された補強部材をストラットタワーのストラット設置部の周囲に結合させたモデルを使用した。

上記測定・計算方法によりねじり剛性を計算した結果、本発明例では、従来例に比べてねじり剛性が５．５％向上することが確認された。

自動車の車体構造のねじり剛性を向上することにより、自動車の走行における安定性を向上できるので、産業上利用可能である。

１、５１ 車体
２、５２ 車室
３、５３ 前室
１０、６０ 前部車体構造
１２ アッパメンバ
１４ カウルトップ
１６ ストラットタワー
２０ フロントピラー
２５、７０ 補強部材

Claims (5)

1. 車室と該車室の前方側に配設された前室とを有する車体における前部車体構造であって、
   前記前室内において該前室の幅方向両側に配置されると共に前輪用ストラットの上縁部が取り付けられるストラット設置部を有するストラットタワーと、前記車室の前方において幅方向両側で前記車室のルーフから前記前室の後方上縁部に向かって延びるフロントピラーと、一方の端部がストラットタワーに結合され且つ他方の端部がフロントピラーに結合された補強部材とを具備し、
   前記補強部材は、フロントピラーの少なくとも一部を構成する構成部材と同一ブランクから形成された一体成形品であって、その下方端部が前記ストラット設置部の荷重点の周りを完全に包囲するようにストラット設置部上に結合される、前部車体構造。
2. 前記フロントピラーは車体外側に配置されたアウター部材と車体内側に配置されたインナー部材とを具備し、前記補強部材はインナー部材と同一ブランクから形成された一体成形品である、請求項１に記載の前部車体構造。
3. 前記車室と前記前室とを区分けするダッシュパネルと、該ダッシュパネルの上方で前記車体の幅方向に延びるカウルトップとをさらに具備し、前記補強部材は前記カウルトップにも結合される、請求項１又は２に記載の前部車体構造。
4. 前記補強部材は前記カウルトップの少なくとも一部を構成する構成部材と同一ブランクから形成された一体成形品である、請求項３に記載の前部車体構造。
5. 前記車室の幅端部に配設されて前記車体の前後方向に延びるアッパメンバをさらに具備し、前記補強部材は前記アッパメンバにも結合される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の前部車体構造。

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