JP5799729B2 - サブフレーム構造及び車体 - Google Patents

Description

本発明は、車体の下部に配置されたサブフレームにサスペンションアームが取り付けられるサブフレーム構造、並びにそのようなサブフレーム構造を有する車体に関する。

自動車の車体構造には、車体へのサスペンションの取付剛性を高めるため、車体の下部に配置されたサブフレームにサスペンションアームを取り付けるサブフレーム構造が広く用いられている。

このサブフレーム構造の中は、例えば図１０（ａ），（ｂ）に示すサブフレーム１００のように、車体の全長方向に延びる左右一対のサイドメンバー１０１ａ，１０１ｂと、車体の幅方向に延びる前後一対のクロスメンバー１０２ａ，１０２ｂとを枠状に連結すると共に、サイドメンバー１０１ａ，１０１ｂの両側にそれぞれサスペンションアームの取付部１０３ａ，１０３ｂが設けられたものがある。

このような構造を有するサブフレーム１００では、例えばコーナーリング時にタイヤからサスペンションアームの取付部１０３ａ，１０３ｂに車体の幅方向の荷重（以下、横荷重という。）Ｐ１’，Ｐ２’が加わると、このサブフレーム１００の面内に横荷重Ｐ１’，Ｐ２’に応じた曲げモーメントＭ’が発生し、サイドメンバー１０１ａ，１０１ｂやクロスメンバー１０２ａ，１０２ｂに、図１０（ａ），（ｂ）中の破線に示すような弾性変形（撓み）が発生する。さらに、サブフレーム１００に加わる横荷重Ｐ１’，Ｐ２’が増加した場合には、このサブフレーム１００の塑性変形も開始される。

このようなサブフレーム１００の変形は、サスペンションのジオメトリーの変化を招き、自動車の走行性能に悪影響を与えることになる。サブフレーム１００には、一般に鋼板や鋼管等の鋼材を所定の形状に成形したものを溶接等で接合したものが用いられる。したがって、サブフレーム１００の強度を高めるためには、板厚の厚い鋼材を用いたり、高強度鋼材を用いたりすることが考えられる。

しかしながら、鋼材の板厚を厚くすることは、サブフレームの重量増加につながるため、車重の増加によって自動車の走行性能や燃費の悪化を招くことになる。一方、高強度鋼材は、その強度に反比例して伸び率が低下するのが一般的であり、成形性の悪化を招き易い。また、比較的高価な高強度鋼材を用いることは、車体のコストアップにつながる。

なお、本発明に関連する先行技術文献としては、例えば下記特許文献１〜６を挙げることができる。具体的に、これら特許文献１〜６には、自動車の衝突時に車体やフレーム等に加わる衝撃を緩和、吸収又は分散するために、ワイヤーの張力を利用した技術が開示されている。しかしながら、これらの技術は、何れも本発明の目的とするサブフレームの強度を向上させる技術とは全く異なったものである。

特開２００５−１９９７４９号公報 特開２００５−２６２９５１号公報 特開２００５−３０６３２４号公報 特開２００５−３２９７６６号公報 特開２００９−１６１１０６号公報 特開２０１０−００６２２１号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、極端な重量増加を招くことなく安価にサブフレームの強度を向上させることを可能したサブフレーム構造、並びにそのような軽量且つ強度に優れたサブフレーム構造を有する車体を提供することにある。

上記課題を解決することを目的とした本発明の要旨は、以下のとおりである。
（１） 車体の下部に配置されたサブフレームにサスペンションアームが取り付けられるサブフレーム構造であって、
前記サブフレームには、前記サスペンションアームの取付部に前記車体の幅方向の荷重が加わったときに、当該サブフレームの面内に発生する曲げモーメントに抗する方向の張力を発生させる張力手段が設けられており、
前記張力手段は、前記サブフレームに張設されたワイヤーからなることを特徴とするサブフレーム構造。
（２） 前記ワイヤーは、前記曲げモーメントが発生したときに前記サブフレームの引張張力が加わる側の側面に沿って配置されていることを特徴とする（１）に記載のサブフレーム構造。
（３） 前記サブフレームは、前記車体の全長方向に延びる左右一対のサイドメンバーと、前記車体の幅方向に延びる前後一対のクロスメンバーとを枠状に連結すると共に、前記サイドメンバーの両側にそれぞれ前記サスペンションアームの取付部が設けられた構造を有することを特徴とする（１）又は（２）に記載のサブフレーム構造。
（４） 前記張力手段は、前記サイドメンバー及びクロスメンバーの前記サブフレームの面内に発生する曲げモーメントの向きが切り替わる位置に設けられた孔部を通して、前記ワイヤーが前記サブフレームの内側と外側との間で引き回された構造を有することを特徴とする（３）に記載のサブフレーム構造。
（５） 前記張力手段は、前記サイドメンバー及びクロスメンバーの前記サブフレームの面内に発生する曲げモーメントの向きが切り替わる位置に設けられた掛止部の間で、前記ワイヤーが掛け渡された構造を有することを特徴とする（３）に記載のサブフレーム構造。
（６） 前記ワイヤーは、前記サブフレームに左右対称に配置されていることを特徴とする（４）又は（５）に記載のサブフレーム構造。
（７） （１）〜（６）の何れか一項に記載のサブフレーム構造を有する車体。

以上のように、本発明に係るサブフレーム構造では、サスペンションアームの取付部に車体の幅方向の荷重が加わったときに、当該サブフレームの面内に発生する曲げモーメントに抗する方向の張力を発生させる張力手段をサブフレームに設けることで、極端な重量増加を招くことなく安価にサブフレームの強度を向上させることが可能である。したがって、本発明によれば、そのような軽量且つ強度に優れたサブフレーム構造を有する車体を提供することが可能である。

本発明を適用したサブフレーム構造の一例を示す平面模式図である。 図１に示すサブフレーム構造の要部を拡大して示す斜視図である。 図１に示すサブフレーム構造の一方のワイヤーの配置を示す平面模式図である。 図１に示すサブフレーム構造の他方のワイヤーの配置を示す平面模式図である。 図３に示す一方のワイヤーが配置されたサブフレームに右方向の横荷重が加わったときのサブフレームの変形を説明するための平面模式図である。 図４に示す他方のワイヤーが配置されたサブフレームに左方向の横荷重が加わったときのサブフレームの変形を説明するための平面模式図である。 本発明のサブフレーム構造と従来のサブフレーム構造との荷重−荷重点変位の関係を示すグラフである。 本発明を適用したサブフレーム構造の他例を示す平面模式図である。 本発明を適用したサブフレーム構造の他例を示す平面模式図である。 （ａ）は、サブフレームの右方向の横荷重が加わったときの変形前と変形後の状態を平面模式図である。（ｂ）は、サブフレームの左方向の横荷重が加わったときの変形前と変形後の状態を平面模式図である。

以下、本発明を適用したフレーム構造及び車体について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明を適用したフレーム構造は、サスペンションアームが取り付けられるサブフレームを車体の下部に配置したものであり、自動車の前輪側においてフロントサスペンションを支持するフロントサブフレームや、自動車の後輪側においてリアサスペンションを支持するリアサブフレームに、本発明を適用したものである。

また、本発明のサブフレーム構造は、車体の下部にサブフレームを直接取り付けた構造であっても、防振マウント（インシュレータ）を介して取り付けた構造であってもよい。

なお、サブフレームには、一般に鋼板や鋼管等の鋼材を所定の形状に成形したものを溶接等で接合したものが用いられるが、本発明においても、従来より公知の材料や製造方法を用いて作製されたサブフレームを使用することが可能である。

図１は、本発明を適用したフレーム構造の一例を示す平面模式図である。
本発明を適用したフレーム構造は、図１に示すようなサブフレーム１を備え、このサブフレーム１は、車体の全長方向に延びる左右一対のサイドメンバー２ａ，２ｂと、車体の幅方向に延びる前後一対のクロスメンバー３ａ，３ｂとを枠状に連結すると共に、サイドメンバー２ａ，２ｂの両側にそれぞれサスペンションアームの取付部４ａ，４ｂが設けられた構造を有している。

なお、図１に示すサブフレーム１は、左側サイドメンバー２ａと右側サイドメンバー２ａの長さが等しく、前側クロスメンバー３ａよりも後側クロスメンバー３ｂの方が短く、全体として矩形枠状を為している。また、サスペンションアームの取付部４ａ，４ｂは、一対のサイドメンバー２ａ，２ｂの左右対称となる位置に配置されて、それぞれ外側に向かって突出して設けられている。

このサブフレーム１には、サスペンションアームの取付部４ａ，４ｂに車体の幅方向の荷重（以下、横荷重という。）が加わったときに、当該サブフレーム１の面内に発生する曲げモーメントに抗する方向の張力を発生させる張力手段が設けられている。

具体的に、本発明では、このような張力手段として、サブフレーム１に張設された一対のワイヤー５ａ，５ｂを用いている。これらのワイヤー５ａ，５ｂには、サブフレーム１の面内に発生する曲げモーメントに抗するのに十分な張力を発生させるものであればよく、例えば鋼線や鋼撚線などを用いることができる。

一対のワイヤー５ａ，５ｂは、サブフレーム１に左右対称に配置されている。このうち、一方のワイヤー５ａは、例えばコーナーリング時にタイヤからサスペンションアームの取付部４ａ，４ｂに右方向（一の方向）に向かって横荷重が加わったときに、サブフレーム１の面内に発生する曲げモーメントに抗する方向の張力を発生させるものである。

これに対して、他方のワイヤー５ｂは、例えばコーナーリング時にタイヤからサスペンションアームの取付部４ａ，４ｂに左方向（他の方向）に向かって横荷重が加わったときに、サブフレーム１の面内に発生する曲げモーメントに抗する方向の張力を発生させるものである。

これら一対のワイヤー５ａ，５ｂは、図１及び図２に示すように、サイドメンバー２ａ，２ｂ及びクロスメンバー３ａ，３ｂのサブフレーム１の面内に発生する曲げモーメントの向きが切り替わる位置に設けられた孔部６ａ〜６ｌを通して、サブフレーム１の内側と外側との間で引き回されている。

具体的に、一方のワイヤー５ａは、図３に示すように、右側サイドメンバー２ｂの前後に設けられた孔部６ａ，６ｂを通して、これら孔部６ａ，６ｂの間で右側サイドメンバー２ｂの外側面に沿って引き回されている。また、一方のワイヤー５ａは、右側サイドメンバー２ｂの前後に設けられた孔部６ａ，６ｂと、前側及び後側クロスメンバー３ａ，３ｂの中央に設けられた孔部６ｃ，６ｆとを通して、これら孔部６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｆの間でそれぞれ前側及び後側クロスメンバー３ａ，３ｂの内側面に沿って引き回されている。また、一方のワイヤー５ａは、前側及び後側クロスメンバー３ａ，３ｂの中央に設けられた孔部６ｃ，６ｆと、前側及び後側クロスメンバー３ａ，３ｂの左側に設けられた孔部６ｄ，６ｅとを通して、これら孔部６ｃ，６ｆ，６ｄ，６ｅの間でそれぞれ前側及び後側クロスメンバー３ａ，３ｂの外側面に沿って引き回されている。また、一方のワイヤー５ａは、前側及び後側クロスメンバー３ａ，３ｂの左側に設けられた孔部６ｄ，６ｅを通して、これら孔部６ｄ，６ｅの間で左側サイドメンバー２ａの内側面に沿って引き回されている。

これに対して、他方のワイヤー５ｂは、図４に示すように、左側サイドメンバー２ａの前後に設けられた孔部６ｇ，６ｈを通して、これら孔部６ｇ，６ｈの間で左側サイドメンバー２ａの外側面に沿って引き回されている。また、他方のワイヤー５ｂは、左側サイドメンバー２ａの前後に設けられた孔部６ｇ，６ｈと、前側及び後側クロスメンバー３ａ，３ｂの中央に設けられた孔部６ｉ，６ｌとを通して、これら孔部６ｇ，６ｈ，６ｉ，６ｌの間でそれぞれ前側及び後側クロスメンバー３ａ，３ｂの内側面に沿って引き回されている。また、他方のワイヤー５ｂは、前側及び後側クロスメンバー３ａ，３ｂの中央に設けられた孔部６ｉ，６ｌと、前側及び後側クロスメンバー３ａ，３ｂの右側に設けられた孔部６ｊ，６ｋとを通して、これら孔部６ｉ，６ｌ，６ｊ，６ｋの間でそれぞれ前側及び後側クロスメンバー３ａ，３ｂの外側面に沿って引き回されている。また、他方のワイヤー５ｂは、前側及び後側クロスメンバー３ａ，３ｂの右側に設けられた孔部６ｊ，６ｋを通して、これら孔部６ｊ，６ｋの間で右側サイドメンバー２ｂの内側面に沿って引き回されている。

なお、前側及び後側クロスメンバー３ａ，３ｂの中央に設けられた孔部６ｃ，６ｆと孔部６ｉ，６ｌについては、それぞれの配置が一致するため、一対のワイヤー５ａ，５ｂを通す共通の孔部として形成してもよい。また、サブフレーム１の厚み方向において、孔部６ｃ，６ｆと孔部６ｉ，６ｌの位置をずらして配置し、一対のワイヤー５ａ，５ｂを別々に通すようにしてもよい。

以上のような構造を有するサブフレーム構造では、例えば図５及び図６に示すように、コーナーリング時にタイヤからサスペンションアームの取付部４ａ，４ｂに横荷重Ｐ１，Ｐ２が加わったときに、サブフレーム１の面内に横荷重Ｐ１，Ｐ２に応じた曲げモーメントＭ１〜Ｍ１２が発生する。

このとき、サブフレーム１には、図５及び図６に示すような弾性変形（撓み）が発生するものの、本発明では、サイドメンバー２ａ，２ｂやクロスメンバー３ａ，３ｂの引張張力が加わる側の側面に沿って一対のワイヤー５ａ，５ｂが配置されているため、これらワイヤー５ａ，５ｂによってサブフレーム１の面内に発生する曲げモーメントＭ１〜Ｍ１２に抗する方向の張力を発生させることができる。

具体的に、図５に示すように、サスペンションアームの取付部４ａ，４ｂに右方向の横荷重Ｐ１が加わったとき、サブフレーム１を構成する左側サイドメンバー２ａには、その内側が引張りとなる曲げモーメントＭ１が発生する。このとき、左側サイドメンバー２ａの引張張力が加わる側の側面（すなわち内側面）に沿って配置された一方のワイヤー５ａが、この曲げモーメントＭ１に抗する方向の張力を発生させる。

また、サブフレーム１を構成する右側サイドメンバー２ｂには、その外側が引張りとなる曲げモーメントＭ２が発生する。このとき、右側サイドメンバー２ｂの引張張力が加わる側の側面（すなわち外側面）に沿って配置された一方のワイヤー５ａが、この曲げモーメントＭ２に抗する方向の張力を発生させる。

また、サブフレーム１を構成する前側クロスメンバー３ａには、その中央を挟んだ左側に外側が引張りとなる曲げモーメントＭ３と、その中央を挟んだ右側に内側が引張りとなる曲げモーメントＭ４とが発生する。このとき、前側クロスメンバー３ａの引張張力が加わる側の側面（すなわち左側の外側面と右側の内側面）に沿って配置された一方のワイヤー５ａが、この曲げモーメントＭ３，Ｍ４に抗する方向の張力を発生させる。

また、サブフレーム１を構成する後側クロスメンバー３ｂには、その中央を挟んだ左側に外側が引張りとなる曲げモーメントＭ５と、その中央を挟んだ右側に内側が引張りとなる曲げモーメントＭ６とが発生する。このとき、後側クロスメンバー３ｂの引張張力が加わる側の側面（すなわち左側の外側面と右側の内側面）に沿って配置された一方のワイヤー５ａが、この曲げモーメントＭ５，Ｍ６に抗する方向の張力を発生させる。

これにより、サブフレーム１に右方向の横荷重Ｐ１が加わったときの当該サブフレーム１の変形を抑制することが可能である。

一方、図６に示すように、サスペンションアームの取付部４ａ，４ｂに左方向の横荷重Ｐ２が加わったとき、サブフレーム１を構成する左側サイドメンバー２ａには、その外側が引張りとなる曲げモーメントＭ７が発生する。このとき、左側サイドメンバー２ａの引張張力が加わる側の側面（すなわち外側面）に沿って配置された他方のワイヤー５ｂが、この曲げモーメントＭ７に抗する方向の張力を発生させる。

また、サブフレーム１を構成する右側サイドメンバー２ｂには、その内側が引張りとなる曲げモーメントＭ８が発生する。このとき、右側サイドメンバー２ｂの引張張力が加わる側の側面（すなわち内側面）に沿って配置された他方のワイヤー５ｂが、この曲げモーメントＭ８に抗する方向の張力を発生させる。

また、サブフレーム１を構成する前側クロスメンバー３ａには、その中央を挟んだ左側に内側が引張りとなる曲げモーメントＭ９と、その中央を挟んだ右側に外側が引張りとなる曲げモーメントＭ１０とが発生する。このとき、前側クロスメンバー３ａの引張張力が加わる側の側面（すなわち左側の内側面と右側の外側面）に沿って配置された他方のワイヤー５ｂが、この曲げモーメントＭ９，Ｍ１０に抗する方向の張力を発生させる。

また、サブフレーム１を構成する後側クロスメンバー３ｂには、その中央を挟んだ左側に内側が引張りとなる曲げモーメントＭ１１と、その中央を挟んだ右側に外側が引張りとなる曲げモーメントＭ１２とが発生する。このとき、後側クロスメンバー３ｂの引張張力が加わる側の側面（すなわち左側の内側面と右側の外側面）に沿って配置された他方のワイヤー５ｂが、この曲げモーメントＭ１１，Ｍ１２に抗する方向の張力を発生させる。

これにより、サブフレーム１に左方向の横荷重Ｐ２が加わったときの当該サブフレーム１の変形を抑制することが可能である。

以上のように、本発明を適用したサブフレーム構造では、上述した図５及び図６に示すサブフレーム１の変形を抑制することが可能であり、極端な重量増加を招くことなく安価にサブフレーム１の強度を向上させることが可能である。

また、本発明を適用したサブフレーム構造では、図７のグラフに示すように、上述した図１０（ａ），（ｂ）に示す張力手段（ワイヤー５ａ，５ｂ）が設けられていない従来のサブフレーム構造１００に比べて、サブフレーム１に加わる荷重の増加に対する塑性変形の開始を遅らせることが可能である。換言すると、本発明を適用したサブフレーム構造では、サブフレーム１の塑性変形が開始される荷重を従来よりも高めることが可能である。

したがって、本発明では、そのような軽量且つ強度に優れたサブフレーム構造を有する車体を得ることによって、サスペンションのジオメトリーの変化を抑制しながら、自動車の走行性能を大幅に向上させることが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
なお、以下の説明では、上記図１に示すサブフレーム構造と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。また、本発明では、サブフレームに左右対称にワイヤー（張力手段）を配置しているものの、以下の図面については便宜上、左右の何れか一方に配置されたワイヤーのみを図示するものとし、その説明についても省略するものとする。

本発明では、例えば図８に示すサブフレーム構造とすることも可能である。具体的に、このサブフレーム構造は、サイドメンバー２ａ，２ｂの引張張力が加わる側の側面に沿ってワイヤー５ｃが配置された構造を有している。

すなわち、本発明では、上記図１に示すサブフレーム構造のように、サブフレーム１の全周に亘って一対のワイヤー５ａ，５ｂを引き回した構造に限らず、サブフレーム１の引張張力が加わる側の側面に部分的にワイヤー５ｃを配置した構造とすることも可能である。

また、本発明では、例えば図９に示すサブフレーム構造とすることも可能である。具体的に、このサブフレーム構造は、サイドメンバー２ａ，２ｂ及びクロスメンバー３ａ，３ｂのサブフレーム１の面内に発生する曲げモーメントの向きが切り替わる位置に設けられた掛止部７の間で、ワイヤー５ｄが掛け渡された構造を有している。

すなわち、本発明では、上記図１に示すサブフレーム構造のように、サブフレーム１に設けられた孔部６ｉ〜６ｊにワイヤー５ａ，５ｂを通す代わりに、掛止部７の間でループ状のワイヤー５ｄを掛け渡すことによって、サブフレーム１の引張張力が加わる側の側面に沿ってワイヤー５ｄを配置した構造とすることも可能である。

また、本発明では、サブフレームの形状等に合わせて、上述した孔部と掛止部とを組み合わせてワイヤーを張設した構造とすることも可能である。

また、本発明の張力手段としては、上記サブフレーム１の面内に発生する曲げモーメントＭ１〜Ｍ１２に抗する方向の張力を発生させるものであればよく、上述したサブフレーム１に張設されたワイヤー５ａ，５ｂに必ずしも限定されるものではない。例えば、上記ワイヤー５ａ，５ｂの代わりにロッド（バー）を用いて、このロッド（バー）を曲げモーメントの向きが切り替わる位置で折り曲げながら、サブフレーム１の引張張力が加わる側の側面に沿って配置した構成とすることも可能である。また、このようなロッド（バー）をサブフレーム１の引張張力が加わる側の側面に部分的に配置した構成とすることも可能である。

また、本発明を適用したサブフレーム構造は、上述した左右一対のサイドメンバー２ａ，２ｂと、前後一対のクロスメンバー３ａ，３ｂとを枠状に連結したサブフレーム１を車体の下部に取り付ける構造に必ずしも限定されるものではない。例えば、これらサブフレーム１を構成するメンバー２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂのうち、一部のメンバーが車体を構成するメインフレームの一部を構成するものであってよい。

１…サブフレーム ２ａ…左側サイドメンバー ２ｂ…右側サイドメンバー ３ａ…前側クロスメンバー ３ｂ…後側クロスメンバー ４ａ，４ｂ…サスペンションアームの取付部 ５ａ…一方のワイヤー（張力手段） ５ｂ…他方のワイヤー（張力手段） ６ａ〜６ｌ…孔部 ７…掛止部

Claims (7)

1. 車体の下部に配置されたサブフレームにサスペンションアームが取り付けられるサブフレーム構造であって、
   前記サブフレームには、前記サスペンションアームの取付部に前記車体の幅方向の荷重が加わったときに、当該サブフレームの面内に発生する曲げモーメントに抗する方向の張力を発生させる張力手段が設けられており、
   前記張力手段は、前記サブフレームに張設されたワイヤーからなることを特徴とするサブフレーム構造。
2. 前記ワイヤーは、前記曲げモーメントが発生したときに前記サブフレームの引張張力が加わる側の側面に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載のサブフレーム構造。
3. 前記サブフレームは、前記車体の全長方向に延びる左右一対のサイドメンバーと、前記車体の幅方向に延びる前後一対のクロスメンバーとを枠状に連結すると共に、前記サイドメンバーの両側にそれぞれ前記サスペンションアームの取付部が設けられた構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のサブフレーム構造。
4. 前記張力手段は、前記サイドメンバー及びクロスメンバーの前記サブフレームの面内に発生する曲げモーメントの向きが切り替わる位置に設けられた孔部を通して、前記ワイヤーが前記サブフレームの内側と外側との間で引き回された構造を有することを特徴とする請求項３に記載のサブフレーム構造。
5. 前記張力手段は、前記サイドメンバー及びクロスメンバーの前記サブフレームの面内に発生する曲げモーメントの向きが切り替わる位置に設けられた掛止部の間で、前記ワイヤーが掛け渡された構造を有することを特徴とする請求項３に記載のサブフレーム構造。
6. 前記ワイヤーは、前記サブフレームに左右対称に配置されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のサブフレーム構造。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載のサブフレーム構造を有する車体。

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