JP5853481B2 - 車両用フレーム構造およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、金属製のフレーム本体に補強体が内蔵された車両用フレーム構造およびその製造方法に関する。

従来、車両用フレームの強度や剛性を向上させるために、フレーム本体に補強体を内蔵したものが知られている。このうち、例えば、下記特許文献１、２では、金属板からなるフレーム本体の内部に樹脂製の補強体を内蔵したものが開示されており、下記特許文献１では、６６ナイロン等の硬質合成樹脂材料からなる補強体が用いられる一方、下記特許文献２では、エポキシ系やウレタン系の発泡性の補強体が用いられている。

下記特許文献１、２では、樹脂性の補強体を用いることにより、フレームの強度、剛性を確保しながらも、フレーム全体の軽量化、つまりは重量効率の向上を実現している。

また、車両用フレームでは、複数枚の金属板に溶接を施すことによってフレーム本体を構成したものが多く用いられている。下記特許文献２では、２枚の金属板に形成したフランジ面にレーザ溶接を施すことにより、金属製のフレーム本体を構成している。

特開２００２−３６２４１２号公報 特開平１１−２３５９８７号公報

ところで、上記車両用フレームの製造では、予め発泡接着剤を貼付した補強体を金属板に固定（仮止め）した後、複数枚の金属板に溶接が施され、フレーム本体が生成される。そして、塗装乾燥炉にて上記発泡接着剤を発泡させることにより、フレーム本体の内壁と補強体とが接合される。

しかしながら、上述したように、発泡接着剤を貼付した補強体を金属板に固定した後で金属板を溶接すると、溶接部と対応する位置にある発泡接着剤が溶接熱によって損傷するという問題があった。

上記特許文献１、２では、上述したように、フレーム本体に補強体を内蔵した車両用フレームが開示されているものの、発泡接着剤の損傷を防止するための対策については何ら開示がない。

この発明は、金属板の溶接時に発生する溶接熱によって発泡接着剤が損傷することを防止できる車両用フレーム構造およびその製造方法を提供することを目的とする。

この発明の車両用フレーム構造は、金属製のフレーム本体に補強体が内蔵された車両用フレーム構造であって、上記フレーム本体は、２枚以上の金属板を上記フレーム本体の内外方向で重ね合わせた重ね合わせ部を有し、上記補強体は、上記重ね合わせ部から所定の間隔を隔てて上記フレーム本体の内方側に配置されると共に、上記重ね合わせ部の内壁に発泡接着剤を介して接合されており、上記重ね合わせ部には、溶接痕を有し、上記重ね合わせ部の内壁と上記補強体との間における、上記溶接痕と対応する位置に、発泡接着剤非配設部を設けたものである。
車両用フレーム構造。

この構成によれば、補強体に対し、上記発泡接着剤非配設部と対応する一部の部位を除いて発泡接着剤を貼付することにより、溶接部から発泡前の発泡接着剤までの距離を確保することができる。このため、金属板の溶接時に発生する溶接熱によって発泡接着剤が損傷することを防止できる。

この発明の一実施態様においては、上記発泡接着剤非配設部が、上記溶接痕の中央部を中心として両側に幅を有しており、上記溶接痕の延び方向と直交する方向の断面において、上記溶接痕の中央部から、上記発泡接着剤非配設部の端部までの離間距離を、上記フレーム本体の断面高さに対して０．０２５〜０．３７５倍に設定したものである。

この構成によれば、発泡接着剤が損傷することを防止しつつ、曲げ強度に優れた車両用フレームを得ることができる。そして、上記離間距離を０．０２５倍以上に設定することで、曲げ強度を確保しつつ、重量効率の向上を図ることもできる。

この発明の一実施態様においては、上記離間距離を、上記フレーム本体の断面高さに対して０．０２５〜０．１２５倍に設定したものである。

この構成によれば、曲げ強度により優れた車両用フレームを得ることができる。

この発明の車両用フレームの製造方法は、金属製のフレーム本体に補強体が内蔵された車両用フレーム構造の製造方法であって、上記補強体に対し、一部の部位を除いて発泡接着剤を貼付する工程と、上記フレーム本体を構成する金属板に上記補強体を仮止めする工程と、上記一部の部位と対応する位置で２枚以上の金属板を上記フレーム本体の内外方向で重ね合わせる工程と、上記一部の部位と対応する位置に溶接を施すことにより、上記２枚以上の金属板を接合して上記フレーム本体を生成する工程と、上記発泡接着剤を発泡させ、上記補強体を上記フレーム本体の内壁に接合する工程と、を備えるものである。

この構成によれば、溶接部から発泡前の発泡接着剤までの距離を確保することができるため、金属板の溶接時に発生する溶接熱によって発泡接着剤が損傷することを防止できる。

この発明によれば、溶接部から発泡前の発泡接着剤までの距離を確保することができるため、金属板の溶接時に発生する溶接熱によって発泡接着剤が損傷することを防止できる。

本発明の実施形態に係る車両用フレーム構造を示す斜視図。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図。 車両用フレームの製造方法を説明するための図。 車両用フレームの曲げ強度の解析方法を説明するための図。 フレーム断面高さを１とした時の接着剤非配設部の幅の比率と、曲げ最大強度との関係を示すグラフ。 本発明に係る車両用フレームを適用した車体構造を示す側面図。 図６の要部斜視図であり、サイドシル前端部とヒンジピラー下端部との接合部、および、その周辺を示す図。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。
図１は、本発明の実施形態に係る車両用フレーム構造を示す斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。図１、図２に示す車両用フレーム１（以下、単にフレーム１と略記する。）は、略矩形状をなす閉断面３０が長手方向に連続するフレーム体であり、主に金属製のフレーム本体１０と、樹脂製の補強体２０とにより構成されている。

フレーム本体１０は、断面ハット状の第１、第２金属板１１、１２と、平板状の第３金属板１３とにより構成されており、第１、第２金属板１１、１２の両端に形成したフランジ部１１ａ、１２ａと、第３金属板１３の端部とを溶接接合することにより略矩形状をなす閉断面３０が形成され、この閉断面３０内に上述した補強体２０が内蔵されている。ここで、フランジ部１１ａ、１２ａと第３金属板１３の端部とは、例えば、スポット溶接の他、レーザ溶接、アーク溶接、プラズマ溶接といったいわゆる高エネルギビーム溶接等の方法により接合することが可能である。なお、本実施形態では、第３金属板１３として１枚の平板状の金属板を用いているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、第１、第２金属板１１、１２と同様、断面ハット状としてもよいし、複数枚の金属板で構成してもよい。

ところで、フレーム本体１０は、断面ハット状の第１、第２金属板１１、１２の端部同士がフレーム本体１０の内外方向にて重なり合った重ね合わせ部１４を有している。そして、この重ね合わせ部１４では、第１、第２金属板１１、１２の端部の縁部に沿うように溶接が施されており、これにより両金属板１１、１２が接合されている。なお、図１、図２に示す符号１５の部位は、重ね合わせ部１４での溶接後に形成された溶接痕１５である。

重ね合わせ部１４では、第１、第２金属板１１、１２がそれぞれフレーム本体１０の内方側、外方側に配置された状態で重なり合っている。そして、その中間部が溶接されることにより、第１、第２金属板１１、１２が接合されている。ここで、第１、第２金属板１１、１２は、例えば、レーザ溶接、アーク溶接、プラズマ溶接といった高エネルギビーム溶接により接合される他、片側スポット溶接によって接合することも可能である。

また、本実施形態では、閉断面３０内の補強体２０が、フレーム本体１０の内壁と所定の間隔を隔てるように配設されている。そして、フレーム本体１０と補強体２０との間の隙間には、発泡接着剤４０が充填され、この発泡接着剤４０によりフレーム本体１０と補強体２０とが接合されている。これにより、重ね合わせ部１４では、該重ね合わせ部１４から所定の間隔を隔てて補強体２０がフレーム本体１０の内方側に配置され、補強体２０は、重ね合わせ部１４の内壁となる第１金属板１１の内壁に発泡接着剤４０で接合されている。

また、本実施形態では、図１、図２に示すように、溶接痕１５と対応する位置に発泡接着剤４０が設けられておらず、この発泡接着剤４０が途切れた部位によって接着剤非配設部４１が構成されている。

接着剤非配設部４１は、図２に示すように、溶接痕１５の延び方向と直交する方向の断面において、溶接痕１５の中央部（図２の一点鎖線参照）を中心として両側に所定の幅を有しており、換言すれば、溶接痕１５の中央部から所定の距離だけ離間した位置に発泡接着剤４０の端部が設けられている。

次に、図３を参照して、補強材２０をフレーム本体１０に内蔵したフレーム１を製造する方法について説明する。フレーム１の製造では、先ず、図３（ａ）に示すように、一部の部位を除いて補強体２０の外壁に発泡接着剤４０を貼付する。この時、上記部位には、所定幅の隙間４１′を設けたり、後述する被固定部２を取付けたりする。

そして、予め第１金属板１１のフランジ１１ａ（図１参照）を金属板１３の端部に接合して一体化した中間品１０′に対し、図３（ｂ）に示すように、補強体２０を仮止めする。ここで、第３金属板１３に仮止め具３が取り付けられており、図３（ｂ）に示す仮止め工程では、上述した補強体２０側の被固定部２を仮止め具３で固定することにより、中間品１０′に対する補強体２０の位置決めを行う。

次に、図３（ｃ）に示すように、補強体２０を仮止めした位置、より正確には、隙間４１′と対応する位置で、第１金属板１１に第２金属板１２を重ね合わせる。そして、第１、第２金属板１１、１２を重ね合わせた状態で、図３（ｄ）に示すように、隙間４１′と対応する位置に溶接を施す。ここで、図３（ｄ）は、第１、第２金属板１１、１２がレーザ溶接によって溶接される場合を示しており、この場合、レーザ走査装置４から隙間４１′の中央部に沿ってレーザビームＬＢを照射することにより、隙間４１′の中央部と対応する位置に溶接痕１５を形成しながら、第１、第２金属板１１、１２同士を接合する。そして、図示を省略するが、図３（ｄ）に示す溶接工程と併せて第２金属板１２のフランジ部１２ａを第３金属板１３の端部に溶接することで、フレーム本体１０が生成される。

次に、補強体２０を仮止めした状態のまま、フレーム本体１０を塗装乾燥炉に搬送し、発泡接着剤４０を加熱発泡させる。これにより、図３（ｅ）に示すように、フレーム本体１０の内壁と補強体２０との間の隙間に発泡接着剤４０を充填させ、補強体２０をフレーム本体１０の内壁に接合する。

この時、図３（ａ）に示す発泡接着剤４０の貼付工程で予め隙間４１′を設けていることにより、溶接痕１５の中央部を中心として両側に所定の幅を有する接着剤非配設部４１が設けられる。

但し、場合によっては、発泡接着剤４０の発泡前に隙間４１′が設けられていたとしても、接着剤非配設部４１が形成されないことがある。この場合、隙間４１′が設けられていた位置では、発泡接着剤４０の発泡後、その端部同士が完全に均一に混合しないことから、隙間４１′と対応する位置には、例えば、図３（ｆ）に示すように、発泡接着剤４０の端部同士により線状の境界部４１″が形成される。従って、このように接着剤非配設部４１が形成されていないフレーム１であっても、上記位置の断面を観察することによって、発泡接着剤４０の発泡前に隙間４１′が形成されていたか否かを確認することは可能である。

このように、図３に示す製造方法では、補強体２０に対し、一部の部位を除いて発泡接着剤４０を貼付すると共に、上記一部の部位と対応する位置に溶接を施している。この場合、接着剤非配設部４１と対応する一部の部位を除いて発泡接着剤４０を貼付することより、溶接部から発泡前の発泡接着剤４０までの距離を確保することができる。このため、第１、第２金属板１１、１２の溶接を行う時に発生するレーザビームＬＢの溶接熱によって発泡接着剤４０が損傷することを防止できる。

ところで、本発明者は、図１、図２に示すようなフレーム１を開発するにあたり、これに曲げ変形を伴うような荷重が付加された時、接着剤非配設部４１がフレーム１の曲げ強度に及ぼす影響について解析を行った。

図４は、フレーム１の重ね合わせ部１４を模したフレーム１００の曲げ強度特性の解析方法を説明するための図である。上記解析では、図４に示すように、断面ハット状の２枚の第１、第２金属板１１１、１１２と平板状の第３金属板１１３との溶接接合により金属製のフレーム本体１１０を構成したフレーム１００を用いることとし、該フレーム本体１１０の閉断面１３０内には、樹脂製の補強体１２０を内蔵した。ここで、フレーム１００では、これを実際に車両用フレームとして適用した場合を想定して、フレーム断面幅Ｗ１（荷重Ｆが付加される面の幅）を６０ｍｍ、フレーム断面高さＨ（荷重Ｆが付加される面の両側に位置する側面部の幅）を４０ｍｍ、重ね合わせ部１４に対応する部位、つまりは、第１、第２金属板１１１、１１２が重なり合った部位の厚さＷ２を２．０ｍｍ（１．０ｍｍ×２枚）、発泡接着剤１４０の厚さＷ３を６．０ｍｍとしている。

そして、図４（ａ）に示すように、フレーム１００の第２金属板１１３側を２つの固定点α、αで支持すると共に、該固定点α、α間の中間に位置する中央部Ｏ（図４（ｂ）参照）に接着剤非配設部１４１を配置した。上記解析では、中央部Ｏに上方から圧子βを下降させ、車両衝突時の荷重に相当する荷重Ｆを付加した場合を想定しており、第３金属板１１３と対向する第１、第２金属板１１１、１１２の面を上面に設定し、この上面に対し荷重Ｆを直交断面方向上方から付加している。

そして、荷重Ｆを付加した時に、フレーム１００にて折れ曲がりが生じるまでに加えることができる最大の荷重を、その時の圧子βの反力に基づいて算出すると共に、これを曲げ最大強度Ｆ′_ｍａｘと定義し、この曲げ最大強度Ｆ′_ｍａｘを、曲げ強度特性の優劣を評価する目安とした。

ところで、フレーム１、１００のような長尺の管状体が折れ曲がる時には、先ず長手方向において屈曲した状態となるが、管状体の曲げ強度は、例えば、特開２０１１−１６４０８号公報に開示されているように、屈曲部における側面部の面外変形を抑制することにより向上することが分かっている。図１、図２に示すフレーム１では、上述したように閉断面３０内に補強体２０を内蔵し、かつ、これを発泡接着剤４０でフレーム本体１０の内壁に接合することにより、側面部の強度の向上を図っている。その結果、フレーム１では、屈曲部における側面部の面外変形を抑制すること、つまりは、フレーム１の曲げ強度を向上させることを可能にしている。

また、本発明者は、鋭意研究の結果、フレーム１の側面部の幅（フレーム断面高さ）を高く設定する程、側面部での面外変形が発生しにくくなり、フレーム１の曲げ強度がより向上することを見出した。

そこで、本発明者は、上記解析において、フレーム断面高さＨを１とした時の接着剤非配設部１４１の幅Ｌ（荷重Ｆが付加される中央部Ｏから接着剤非配設部１４１の端部までの離間距離Ｌ／２）の比率、つまりは、フレーム断面高さＨに対する幅Ｌの相対的な大きさと、曲げ最大強度Ｆ′_ｍａｘとの関係を解析することにより、接着剤非配設部１４１がフレーム１００の曲げ強度に及ぼす影響を評価することとした。

図５は、フレーム１００に荷重Ｆを付加した時の、上記比率（図５では、Ｌ／２Ｈ）と曲げ最大強度Ｆ′_ｍａｘとの関係を示すグラフである。図５によれば、上記比率Ｌ／２Ｈが０．３７５を超えると、曲げ最大強度Ｆ′_ｍａｘの値が略変化しない傾向を示しており、その値は、フレーム本体１１０の曲げ最大強度と補強体１２０の曲げ最大強度とを足し合わせた数値と略同じになることが分かった。この結果から、幅Ｌを必要以上に大きく設定すると、接着剤非配設部１４１周辺の発泡接着剤１４０が曲げ強度に殆ど寄与しなくなることが分かる。

また、図５によれば、上記比率Ｌ／２Ｈが０．３７５以下になると、曲げ最大強度Ｆ′_ｍａｘの値が大きく上昇しており、この結果から、発泡接着剤１４０が曲げ強度に寄与していることが分かる。そして、上記比率Ｌ／２Ｈが０．１７５〜０．１２５の範囲では、曲げ最大強度Ｆ′_ｍａｘの値の上昇度合いが一旦鈍化するものの、上記比率Ｌ／２Ｈが０．１２５以下になると、曲げ最大強度Ｆ′_ｍａｘの値が再び大きく上昇し、０．０２５未満になると、上昇度合いが再び鈍化する傾向を示している。

図５に示す結果から、本発明者は、図１、図２に示すフレーム１において、溶接痕１５の中央部から接着剤非配設部４１の端部までの離間距離を、フレーム本体１０の断面高さに対して０．０２５〜０．３７５倍に設定するのが好適であり、さらには、上記離間距離を、フレーム本体１０の断面高さに対して０．０２５〜０．１２５倍に設定するのがより好適であることを見出した。この場合、フレーム１の製造時に発泡接着剤４０が損傷することを防止しつつ、曲げ強度に優れたフレーム１を得ることができる。

特に、図５によれば、上記比率Ｌ／２Ｈが０．０２５未満になると、曲げ最大強度Ｆ′_ｍａｘの上昇度合いが鈍化する傾向にあることから、この傾向により、発泡接着剤４０を必要以上に貼付しなくてもフレーム１の曲げ強度を確保できることが分かる。従って、上記離間距離を０．０２５倍以上に設定することで、曲げ強度を確保しつつ、重量効率の向上を図ることもできる。

次に、上述した製造方法により製造された本発明のフレームを、車両に適用した例について説明する。
図６は、本発明に係るフレームを適用した車両の車体構造を示す側面図であり、図７は、同要部斜視図である。なお、図中において矢印（Ｆ）は車体前方、矢印（Ｒ）は車体後方を示す。

図６に示す車体Ｘは、主に車体前部にて車体前後方向に延びる左右一対のフロントサイドフレーム５０と、車体下部にて車体前後方向に延びるサイドシル５１と、フロントサイドフレーム５０の後端部近傍にて上下方向に延びる左右一対のヒンジピラー５２と、ヒンジピラー５２の上端部から車体後方かつ上方に延びるフロントピラー（Ａピラーともいう）５３と、該フロントピラー５３の後端部から車体上部にて車体前後方向に延びるルーフレール５４と、該ルーフレール５４からサイドシル５１にかけて上下方向に延びて両者を連結するセンタピラー（Ｂピラーともいう）５５とを備えている。

図６に示す車体Ｘでは、車両の前突等によって車体前方から荷重が入力されると、フロントサイドフレーム５０により、上記荷重を車体後方に伝達することが可能になっている。

また、車体Ｘでは、サイドシル５１と、ヒンジピラー５２と、フロントピラー５３と、ルーフレール５４と、センタピラー５５とにより、前席、後席の乗員用の開口部５６、５７が形成されている。そして、ヒンジピラー５２、センタピラー５５は、それぞれ開口部５６、５７に対応して設けられるドア（図示せず）を開閉可能に支持すようになっている。

このうち、ヒンジピラー５２は、図６、図７に示すように、その下端部がサイドシル５１の前端部に接合されると共に、何れも車内側のインナパネル（図示せず）と車外側のアウタパネル５１Ａ、５２Ａとが接合されることによって連続した閉断面５８（図７参照）を形成している。そして、該閉断面５８内には、図７に示すように、車体前後方向に延びる樹脂製の補強体５９が内蔵され、発泡接着剤６０により、補強体５９がヒンジピラー５２およびサイドシル５１の内壁に接合されている。

また、サイドシル５１の前端部とヒンジピラー５２の後端部とにより重ね合わせ部６１が形成されており、この重ね合わせ部６１にてレーザ溶接が施されることにより、ヒンジピラー５１のアウタパネル５１Ａとサイドシル５２のアウタパネル５２Ａとが接合されている。

ここで、図７において符号６２で示す部位は、レーザ溶接により形成された溶接痕であり、溶接痕６２と対応する位置には、発泡接着剤６０が設けられておらず、この発泡接着剤６０が途切れた部位によって接着剤非配設部６３が構成されている。

ところで、車両の前突等によって車体前方から荷重が入力された時には、先ず、フロントサイドフレーム５０を介して車体後方に上記荷重が伝達され、その荷重の一部がヒンジピラー５２を介して車体下部のサイドシル５１に伝達される。そして、ヒンジピラー５２の下端部とサイドシル５１の前端部との接合部には、車体後方に向かって大きな荷重が入力されることとなる。

そこで、車体Ｘでは、図７に示すように、サイドシル５１の前端部とヒンジピラー５２の下端部との接合部に車体前後方向に延びる補強体５９を配設している。これにより、フロントサイドフレーム５０を介して上記荷重が上記接合部に入力されたとしても、該接合部が変形することが抑制され、その結果、上記荷重を、サイドシル５１を介してより確実に車体後部に伝達、分散させることができる。

ところで、図６、図７では、サイドシル５１の前端部とヒンジピラー５２の下端部とを重ね合わせて接合した接合部に本発明を適用しているが、本発明は、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、ルーフレール５４とセンタピラー（Ｂピラー）５５の上端部とを重ね合わせて接合した接合部や、サイドシル５１とセンタピラー（Ｂピラー）５５の下端部とを重ね合わせて接合した接合部に本発明を適用してもよい。

なお、上述した各実施形態では、何れも２枚の金属板１１、１２（アウタパネル５１Ａ、５２Ａ）を重ね合わせて接合する場合について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、３枚以上の金属板を重ね合わせて接合する場合に本発明を適用してもよい。

この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、
この発明の、２枚以上の金属板は、第１、第２金属板１１、１２、およびサイドシル５１、ヒンジピラー５２の各アウタパネル５１Ａ、５２Ａに対応し、
発泡接着剤非配設部は、接着剤非配設部４１、６３に対応するも、
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。

１…車両用フレーム
１０…フレーム本体
１１…第１金属板（金属板）
１２…第２金属板（金属板）
１４、６１…重ね合わせ部
１５…溶接痕
２０、５９…補強体
４０、６０…発泡接着剤
４１、６３…接着剤非配設部（発泡接着剤非配設部）
５１…サイドシル（金属板）
５２…ヒンジピラー（金属板）
５１Ａ、５２Ａ…アウタパネル（金属板）

Claims (4)

1. 金属製のフレーム本体に補強体が内蔵された車両用フレーム構造であって、
   上記フレーム本体は、２枚以上の金属板を上記フレーム本体の内外方向で重ね合わせた重ね合わせ部を有し、
   上記補強体は、上記重ね合わせ部から所定の間隔を隔てて上記フレーム本体の内方側に配置されると共に、
   上記重ね合わせ部の内壁に発泡接着剤を介して接合されており、
   上記重ね合わせ部には、溶接痕を有し、
   上記重ね合わせ部の内壁と上記補強体との間における、上記溶接痕と対応する位置に、発泡接着剤非配設部を設けた
   車両用フレーム構造。
2. 上記発泡接着剤非配設部は、上記溶接痕の中央部を中心として両側に幅を有しており、上記溶接痕の延び方向と直交する方向の断面において、上記溶接痕の中央部から、上記発泡接着剤非配設部の端部までの離間距離を、上記フレーム本体の断面高さに対して０．０２５〜０．３７５倍に設定した
   請求項１記載の車両用フレーム構造。
3. 上記離間距離を、上記フレーム本体の断面高さに対して０．０２５〜０．１２５倍に設定した
   請求項２記載の車両用フレーム構造。
4. 金属製のフレーム本体に補強体が内蔵された車両用フレーム構造の製造方法であって、
   上記補強体に対し、一部の部位を除いて発泡接着剤を貼付する工程と、
   上記フレーム本体を構成する金属板に上記補強体を仮止めする工程と、
   上記一部の部位と対応する位置で２枚以上の金属板を上記フレーム本体の内外方向で重ね合わせる工程と、
   上記一部の部位と対応する位置に溶接を施すことにより、上記２枚以上の金属板を接合して上記フレーム本体を生成する工程と、
   上記発泡接着剤を発泡させ、上記補強体を上記フレーム本体の内壁に接合する工程と、を備える
   車両用フレームの製造方法。
   

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