JP5724571B2

JP5724571B2 - 車体構造

Info

Publication number: JP5724571B2
Application number: JP2011092121A
Authority: JP
Inventors: 聡鯵坂
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2031-04-18
Also published as: JP2012224152A

Description

本発明は、サブフレームを備えた車体構造に関する。

ラジエータをラジエータサポートにて弾性支持し、該ラジエータを車体に対するダイナミックダンパとして機能させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３１９９５９号公報

ところで、サスペンションを介して車輪を支持するサブフレームを備えた車両において、該サブフレームの振動を抑制する要求がある。

本発明は、サブフレームの振動を抑制することができる車体構造を得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係る車体構造は、車幅方向に長手とされた第１クロスメンバと、車幅方向に長手とされると共に前記第１クロスメンバに対する車両前方でかつ車両上方に配置された第２クロスメンバと、を含んで構成され、車体に取り付けられると共に少なくともサスペンションの一部を支持するサブフレームと、前記第２クロスメンバに固定され、前記サスペンションに支持された車輪を転舵するためのステアリングギヤボックスと、空気と冷媒との熱交換器を含み、下部が前記第１クロスメンバに取り付けられると共に上部が前記ステアリングギヤボックスに取り付けられた冷却ユニットと、を備えている。
第１の態様に係る車体構造は、車体に取り付けられると共に、少なくともサスペンションの一部を支持するサブフレームと、空気と冷媒との熱交換器を含み、前記サブフレームに取り付けられた冷却ユニットと、を備えている。

この車体構造では、サスペンションの少なくとも一部を支持するサブフレームには、路面（車輪）からの入力により振動が生じる。ここで、本車体構造では、サブフレームに冷却ユニットが取り付けられているので、該冷却ユニットがマスダンパ又はダイナミックダンパとして機能し、サブフレームの振動が抑制される。

このように、第１の態様の車体構造では、サブフレームの振動を抑制することができる。冷却ユニットを構成する熱交換器としては、例えば、車両駆動源を冷却するために冷媒として冷却水を用いるラジエータ、及び空調装置の冷媒を凝縮するためのコンデンサの一方又は双方を用いることができる。

第２の態様に係る車体構造は、第１の態様において、前記サブフレームに固定され、前記サスペンションに支持された車輪を転舵するためのステアリングギヤボックスをさらに備え、前記冷却ユニットは、少なくとも一部が前記ステアリングギヤボックスを介して前記サブフレームに取り付けられている。

この車体構造では、サブフレームにはサスペンションで支持された車輪を転舵するためのステアリングギヤボックスが固定されている。冷却ユニットは、少なくとも一部においてステアリングギヤボックスを介してサブフレームに取り付けられているので、全体としてサブフレームに取り付けられる構成と比べて、冷却ユニットの寸法形状、取付姿勢に対する自由度が高い。すなわち、サブフレームに対し冷却ユニットを接続しやすい。

第３の態様に係る車体構造は、第１又は第２の態様において、前記サブフレームは、車幅方向に長手とされ、前記冷却ユニットの下部が取り付けられた第１クロスメンバと、車幅方向に長手とされると共に、前記第１クロスメンバに対する車両前方でかつ車両上方に配置された第２クロスメンバと、を含んで構成されている。

この車体構造では、前後一対のクロスメンバのうち後側に位置する第１クロスメンバに冷却ユニットの下部が接続されている。前側に位置する第２クロスメンバは、第１クロスメンバすなわち冷却ユニットの下部に対し上方にオフセットされているので、空気と冷媒との熱交換器への空気流の導入経路が確保される。

以上説明したように本発明に係る車体構造は、サブフレームの振動を抑制することができるという優れた効果を有する。

本発明の実施形態に係る車体構造を示す分解斜視図である。本発明の実施形態に係る車体構造を示す側面図である。本発明の実施形態に係る車体構造を示す側断面図である。本発明の実施形態に係る車体構造を示す正面図である。

本発明の実施形態に係る車体構造１０について、図１〜図４に基づいて説明する。なお、図中に適宜記す矢印ＦＲは車両前後方向の前方向を、矢印ＵＰは車両上下方向の上方向を、矢印Ｗは車幅方向をそれぞれ示す。以下の説明で、特記なく前後、上下の方向を用いるときは、上記した車両前後方向、車両上下方向を示すものとする。

図１には、車体構造１０の全体構成が分解斜視図にて示されている。図２には車体構造１０の側面図が示され、図４には車体構造１０の正面図が示されている。これらの図に示される如く、車体構造１０は、自動車Ｖの前部を構成している。自動車Ｖは、車体としての左右一対のフロントサイドメンバ１２（図１では、右側のフロントサイドメンバ１２のみを図示）を備えている。各フロントサイドメンバ１２は、前後方向に長手の骨格部材であり、図２に示される如く前端がバンパリインフォースメント１３にて架け渡されると共に、後部１２Ｒがフロアパネル３６の下面側に接合されている。各フロントサイドメンバ１２は、それぞれの中間部にキック部１２Ｋが形成されており、前部１２Ｆと後部１２Ｒとの高さの違いが吸収されている。

また、車体構造１０は、車輪としての前輪Ｗｆを支持するフロントサスペンションを支持するサブフレーム（サスペンションメンバ）１４を備えている。図１に示される如く、サブフレーム１４は、左右一対のサイドレール１６と、左右のサイドレール１６の後端間を架け渡す第１クロスメンバとしてのリヤクロスメンバ１８と、左右のサイドレール１６の前部間を架け渡す第２クロスメンバとしてのフロントクロスメンバ２０と、を主要部として構成されている。すなわち、サブフレーム１４は、平面視で略矩形枠状を成す井型フレームとされている。

この実施形態では、各サイドレール１６の前部は、それぞれの後部から前後方向に直線状を成す下部１６Ｌと、下部１６Ｌの上方に上下に離間して位置する上部１６Ｕとを有する二股構造とされている。各サイドレール１６の下部１６Ｌと上部１６Ｕとは、肉抜き孔１６Ｈが形成された連結壁１６Ｗにて連結されている。そして、各サイドレール１６は、それぞれの後端（近傍）と下部１６Ｌとでフロントサスペンションを構成するロアアーム２２の車幅方向内端を前後方向に沿った軸回りに遥動可能に支持している。図示は省略するが、ロアアーム２２は、前輪Ｗｆのハブを回転可能に支持するアクスルブラケットに連結されている。一方、フロントクロスメンバ２０は、サイドレール１６の上部１６Ｕ間を架け渡している。

これらのサイドレール１６は、上部１６Ｕの前端（近傍）に設けられたブラケット２４を介してフロントサイドメンバ１２の前部１２Ｆに設けられた取付部１２Ｃに、ボルト・ナット等の締結具２１にて取り付けられるようになっている。また、図示は省略するが、各サイドレール１６は、その後端においてフロントサイドメンバ１２の後部（キック部１２Ｋ）の下端部近傍）に取り付けられるようになっている。これらの取付構造としては、締結手段による剛結（非防振構造）、締結部に防振ゴムを介在させた弾性結合（防振構造）の何れかを採ることができる。

また、図３に車幅方向中央の断面図として示される如く、サブフレーム１４は、前輪Ｗｆを駆動するためのパワーユニット２６を支持している。この実施形態におけるパワーユニット２６は、駆動源として内燃機関であるエンジンと電動モータとを含んで構成されている。したがって、自動車Ｖは、２つの駆動源を有するハイブリッド自動車とされている。具体的には、パワーユニットは、車幅方向に沿ったクランクシャフトを有する横置きのエンジンと、該エンジンに動力伝達可能に連結されたトランスアクスルとを主要部として構成されている。トランスアクスルは、電動モータ、図示しないジェネレータ、動力分割機構、無段変速機等である変速機等を含んで構成されている。また、この実施形態では、トランスアクスルには、例えば電動モータ、ジェネレータ、及びバッテリに電気的に接続されたインバータを含んで構成されている。したがって、この実施形態に係るパワーユニットは、パワープラントとして捉えることも可能である。なお、トランスアクスルとしては、例えば、マニュアルトランスミッション（ＭＴ）、トルコン式等の自動変速機（ＡＴ）、無断変速機（ＣＶＴ）等の通常のトランスアクスルとしても良い。このパワーユニット２６の出力軸である図示しないドライブシャフトが前輪Ｗｆのハブに駆動力を伝達可能に接続されている。

以上説明したパワーユニット２６は、図示しない部分で車体（フロントサイドメンバ１２）にマウント部材を介して支持されると共に、図３に示される如くトルクロッド２８を介してサブフレーム１４に連結されている。トルクロッド２８は、それぞれ内筒と外筒との間にゴムが充填されて構成された一対の結合部間をロッドで繋いだ如く構成されており、サブフレーム１４のフロントクロスメンバ２０とパワーユニット２６とを弾性的に連結している。このトルクロッド２８によってパワーユニット２６の車幅方向に沿ったロール軸周りの変位（振動）が抑制される構成とされている。

また、図１及び図２に示される如く、サブフレーム１４には、ステアリングギヤボックス（ステアリングギヤハウジング）３０が固定されている。ステアリングギヤボックス３０は、左右の前輪Ｗｆを転舵させるためのもので、図示は省略するが、タイロッドを介して前輪Ｗｆのナックルアームに連結されている。このステアリングギヤボックス３０は、ステアリングシャフト３２を介して図示しないステアリングホイールに連結されている。そして、乗員によるステアリングホイールの操作力が、ステアリングシャフト３２を介してステアリングギヤボックス３０に伝わり、該ステアリングギヤボックス３０によるアシスト力が加えられて前輪Ｗｆに転舵力として伝わる構成とされている。なお、ステアリングギヤボックス３０は、ステアリングホイールの操舵により生じる電気信号に基づいて左右の前輪Ｗｆに転舵力を与えるものであっても良い。

このステアリングギヤボックス３０は、車幅方向に略一致する長手方向に離れた２箇所から取付片３０Ｃが張り出されており、各取付片３０Ｃにおいてフロントクロスメンバ２０に設けられた取付片２０Ｃに対しボルト・ナット等の締結具３１にて締結固定されている。これにより、ステアリングギヤボックス３０は、サブフレーム１４に固定され、該サブフレーム１４と一体の構造体（振動系）を成している。この状態で、ステアリングギヤボックス３０は、図４に示される如く、サブフレーム１４のフロントクロスメンバ２０よりも上方にオフセットされている。この実施形態では、ステアリングギヤボックス３０は、フロントクロスメンバ２０よりも後方に位置して、該フロントクロスメンバ２０よりも後述する冷却ユニット４０に近接して配置されている。

車体構造１０が適用された自動車Ｖでは、パワーユニット２６等が配置されたパワーユニット室（エンジンルーム）Ｒｐと、乗員スペースである車室Ｃとがダッシュパネル３４にて仕切られている。ダッシュパネル３４は、フロアパネル３６の前端部に接合されている。フロアパネル３６における車幅方向の中央部には、正面断面視で車両上下方向に下向きに開口する［コ」字状を成すフロアトンネル３８が形成されている。フロアトンネル３８の前端は、ダッシュパネル３４の下部３４Ｌにおいて」前向きに開口した開口端３８Ａとされている。この実施形態では、ダッシュパネル３４の下部３４Ｌは、上下方向に略沿って平坦な上部３４Ｕに対し、前側が後側よりも高位となるように傾斜しており、該傾斜部においてフロアトンネル３８が前向きに開口している。

そして、図１に示される如く、車体構造１０は、冷却ユニット４０を備えている。図２及び図３に示される如く、冷却ユニット４０は、フロアトンネル３８の開口端３８Ａを塞ぐように配置されている。したがって、この実施形態では、冷却ユニット４０がパワーユニット２６に対する車両前後方向の後側に配置されている。冷却ユニット４０は、空気と冷媒との熱交換器４４を含んで構成されている。熱交換器４４は、パワーユニット２６（のエンジンや電気モータ）との間で冷媒としての冷却水を循環させて該パワーユニット２６を冷却する空冷式の熱交換器であるラジエータ、及び図示しない空調装置（の冷凍サイクル）を構成する空気との空調冷媒との熱交換器であるコンデンサ（凝縮器）の少なくとも一方（この実施形態では双方）を含んで構成されている。

また、冷却ユニット４０は、図３に示される如く、熱交換器４４の後面側に設けられたファン４２と、これらの間を覆うファンシュラウド４５とを有する。このファン４２の作動又は自動車Ｖの走行によって、冷却ユニット４０には、前面側から後面側に向けて、冷媒（冷却水や空調冷媒）との熱交換を行う冷却風が通過するようになっている。冷媒との熱交換を行った後の冷却風は、ファンシュラウド４５からフロアトンネル３８の下向き開口端３８Ｂを通じてフロア下に排出されるようになっている。したがって、ファンシュラウド４５は、フロアトンネル３８内に配置されている。

この冷却ユニット４０には、自動車Ｖのフロア下から冷却風が導入されるようになっている。具体的には、図３に示される如く、車体構造１０は、パワーユニット室Ｒｐを下側から覆うアンダカバー４６を備えており、アンダカバー４６には冷却ユニット４０の熱交換器４４に冷却風を導くダクト４８が設けられている。すなわち、ダクト４８は、熱交換器４４の前方で路面に向けて開口する空気取り入れ口４８Ａと、フロアトンネル３８の開口端３８Ａとの間に冷却ユニット４０をほぼ気密状態で挟み込む後側開口端４８Ｂとの間に流路を形成している。

以上説明した冷却ユニット４０は、サブフレーム１４に取り付けられている。具体的には、冷却ユニット４０（熱交換器４４）の下端からは、複数（この実施形態では２つ）の取付ボルト５０が下向きに突出されている。リヤクロスメンバ１８には、複数の取付ボルト５０に対応して複数の取付片５２が車幅方向に離間して設けられている。それぞれ取付片５２を貫通した取付ボルト５０にナット５４を螺合させることで、冷却ユニット４０の下部がリヤクロスメンバ１８に取り付けられた下側取付部Ｊｂ（図２参照）が構成されている。

一方、冷却ユニット４０の上部は、ステアリングギヤボックス３０に取り付けられている。具体的には、図１に示される如く、冷却ユニット４０（熱交換器４４）の上端からは、複数（この実施形態では２つ）の取付片５６が前向きに突出されている。また、ステアリングギヤボックス３０には、複数の取付片５６に対応して複数の取付ブラケット５８が設けられている。

そして、図２に示される如く、上下重ね合わされた取付片５６、取付ブラケット５８を貫通するボルト６０と、該ボルト６０に螺合されたナット６２とによって、冷却ユニット４０の上部が、ステアリングギヤボックス３０に取り付けられている。すなわち、冷却ユニット４０の上部が取付ブラケット５８を介してステアリングギヤボックス３０に取り付けられた上側取付部Ｊｔ（図２参照）が構成されている。

これら下側取付部Ｊｂ、上側取付部Ｊｔは、上記した取付ボルト５０、ナット５４、及びボルト６０、ナット６２による剛結（非防振構造）、締結部に防振ゴムを介在させた弾性結合（防振構造）の何れかを採ることができる。そして、冷却ユニット４０は、サブフレーム１４に剛結された構成においてはマスダンパとして機能し、サブフレーム１４に弾性結合された構成においてはダイナミックダンパとして機能するようになっている。後者の場合、特定の周波数で冷却ユニット４０がサブフレーム１４に対するダイナミックダンパとして機能するように、防振ゴムの弾性特性（ばね定数）などが設定されている。

また、以上説明した車体構造１０では、サブフレーム１４、ロアアーム２２を含むサスペンション、前輪Ｗｆ（ハブ、アクスルブラケット、ナックルアーム等を含む）、パワーユニット２６、トルクロッド２８、ステアリングシャフト３２、冷却ユニット４０が車体（フロントサイドメンバ１２、ダッシュパネル３４、フロアパネル３６）への搭載前に前部モジュール６４（図２参照）としてモジュール化されている。この前部モジュール６４にアンダカバー４６（ダクト４８）が含まれる構成としても良い。

次に、本実施形態の作用を説明する。

上記構成の車体構造１０が適用された自動車Ｖでは、パワーユニット２６が発生する駆動力が前輪Ｗｆに伝達されて走行する。また、乗員の操舵力がステアリングギヤボックス３０を介してアシストされつつ前輪Ｗｆに伝達されることで、該前輪Ｗｆが転舵される。この自動車Ｖの走行の際に、パワーユニット２６と冷却ユニット４０の熱交換器４４とを冷却水が循環する。この冷却水は、冷却ユニット４０において空気との熱交換により冷却される。また、空調装置の作動時には、冷媒が冷却ユニット４０の熱交換器４４、膨張弁、エバポレータ、コンプレッサの順で循環して冷凍サイクルが形成される。冷却ユニット４０は、空気との熱交換により冷媒を冷却して凝縮させるコンデンサとして機能する。

この冷却ユニット４０での熱交換は、自動車Ｖの走行風、又はファン４２の作動により生じる空気流（冷却風）が冷却ユニット４０の空気側流路を流れることで行われる。例えば、自動車Ｖの車速が所定の車速以下でかつ冷却水温が所定の温度以上である場合には、図示しない冷却ＥＣＵによりファン４２が作動される。すると、ファン４２の吸引力によって冷却ユニット４０に導かれる。また例えば自動車Ｖの車速が所定の車速を超えた場合には、冷却ＥＣＵによりファン４２が停止される。すると、自動車Ｖの走行風が冷却ユニット４０に導かれる。

そして、自動車Ｖの走行に伴って路面から前輪Ｗｆ、ロアアーム２２を介してサブフレーム１４には変動（荷重、変位）が入力される。この路面からの入力によってサブフレーム１４には振動が生じる。

ここで、冷却ユニット４０がサブフレーム１４に非防振で取り付けられた（剛結された）車体構造１０では、冷却ユニット４０がマスダンパとして機能する。すなわち、冷却ユニット４０の質量がサブフレーム１４の振動系の質量として加わるため、該サブフレーム１４の振動系の共振周波数が低周波側にずれる。これにより、サブフレーム１４の振動系の共振周波数が路面からの入力で問題となる周波数からずされ、該サブフレーム１４の振動が抑制される。

また、冷却ユニット４０がサブフレーム１４に防振で取り付けられた（弾性結合された）車体構造１０では、冷却ユニット４０がダイナミックダンパとして機能する。すなわち、サブフレーム１４の振動系において問題となる周波数の振動は、冷却ユニット４０が構成する副振動系における質量要素である冷却ユニット４０の振動により吸収される。したがって、この構成においてもサブフレーム１４の振動が抑制される。

このように、本実施形態に係る車体構造１０では、サブフレーム１４の振動を抑制することができる。補足すると、排気管やその他の部品が密に配置されて路面からの入力をダイレクトに受け止める構造（補強）が作りにくい構成において、冷却ユニット４０をマスダンパ又はダイナミックダンパとして用いることで、補強に頼ることなくサブフレーム１４の振動を抑制することができる。

また、車体構造１０では、ステアリングギヤボックス３０を介して冷却ユニット４０の上部がサブフレーム１４に接続されている。このため、簡単な構造で冷却ユニット４０をサブフレーム１４に接続することができる。すなわち、サブフレーム１４よりも上側に位置するステアリングギヤボックス３０を利用することで、冷却ユニット４０の上部をサブフレーム１４に接続する構成と比較して、取付ブラケット５８を小型化したり、形状を簡素化することが可能になる。換言すれば、冷却ユニット４０が全体としてサブフレーム１４に接続される構成と比べて、冷却ユニット４０の寸法形状、取付姿勢に対する自由度が高く、サブフレーム１４に対し冷却ユニット４０を接続しやすい。

さらに、車体構造１０では、上記の通り補強構造等に頼ることなくサブフレーム１４の振動が抑制されるため、該サブフレーム１４の寸法形状に対する自由度も高くなる。このため、サブフレーム１４では、フロントクロスメンバ２０をリヤクロスメンバ１８に対し上方にオフセットして配置する形状とすることができた。この形状によって、ダクト４８を通じた冷却ユニット４０への冷却風の導入経路が確保される。

例えばリヤクロスメンバ１８と同じ高さに位置する（左右の下部１６Ｌを架け渡す）フロントクロスメンバを備えた比較例に係る構成では、該フロントクロスメンバが空気取り入れ口４８Ａの中央部を横切ることとなり、ダクト４８への冷却風の導入が制限される。これに対して車体構造１０では、図３及び図４に示される如くフロントクロスメンバ２０が上方にオフセットされている。このため、図３に矢印Ｆにて示される如く、フロア下から冷却ユニット４０への冷却風の導入経路が確保される。

またさらに、車体構造１０では、サブフレーム１４、ロアアーム２２を含むサスペンション、前輪Ｗｆ、パワーユニット２６、トルクロッド２８、ステアリングシャフト３２、冷却ユニット４０等が車体への搭載前に前部モジュール６４としてモジュール化されている。このため、上記各部品を一体として車体へ搭載することができ、搭載性が高い。

なお、上記した実施形態では、冷却ユニット４０がステアリングギヤボックス３０を介してサブフレーム１４に取り付けられた例を示したが、参考例に係る構成では、例えば、より上方に配置されるハイマウントタイプのステアリングギヤボックスを備える構成では、フロントクロスメンバ２０に設けられた取付ブラケットに冷却ユニット４０の上部（取付片５６）が取り付けられる構成であっても良い。

また、上記した実施形態では、熱交換器４４への冷却風がフロア下の空気取り入れ口４８Ａから導入される例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、フロントバンパ下部に形成した開口部からパワーユニット２６の下側を通して熱交換器４４に至る前後方向に沿った冷却風の経路を、上記フロア下からの冷却風の導入経路に代えて又は加えて設定しても良い。このフロントバンパ下部からの冷却風に対しても、図４に示される如くフロントクロスメンバ２０が上方にオフセットされている構成により、効率良く熱交換器４４に導くことができる。

さらに、上記した実施形態では、冷却ユニット４０がラジエータ及び空調コンデンサとしての熱交換器４４を備えた例を示したが、本発明はこれに限定されず、ラジエータ及び空調コンデンサの一方だけの機能を有する熱交換器４４をサブフレーム１４に接続する構成としても良い。

またさらに、上記した実施形態では、内燃機関及びモータを含むパワーユニット２６が車室Ｃの前方に位置するパワーユニット室Ｒｐに配置された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、パワーユニット２６がモータを含まない構成（一般的なＦＦ車、ＦＲ車、４ＷＤ車等のエンジン車）としても良く、内燃機関を含むパワーユニット２６が車室Ｃの後方に位置するパワーユニット室に配置される構成としても良く、パワーユニットが内燃機関を含まない構成としても良い。

その他、本発明は、上記の実施形態の構成に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各種変形して実施可能であることは言うまでもない。

１０車体構造
１２フロントサイドメンバ
１４サブフレーム
１８リヤクロスメンバ（第１クロスメンバ）
２０フロントクロスメンバ（第２クロスメンバ）
２２ロアアーム（サスペンション）
３０ステアリングギヤボックス
４０冷却ユニット
Ｗｆ前輪（車輪）

Claims

車幅方向に長手とされた第１クロスメンバと、車幅方向に長手とされると共に前記第１クロスメンバに対する車両前方でかつ車両上方に配置された第２クロスメンバと、を含んで構成され、車体に取り付けられると共に少なくともサスペンションの一部を支持するサブフレームと、
前記第２クロスメンバに固定され、前記サスペンションに支持された車輪を転舵するためのステアリングギヤボックスと、
空気と冷媒との熱交換器を含み、下部が前記第１クロスメンバに取り付けられると共に上部が前記ステアリングギヤボックスに取り付けられた冷却ユニットと、
を備えた車体構造。