JP6323289B2 - 車体フレームの接合構造および接合部品 - Google Patents

Description

本発明は、車体フレームの接合構造および接合部品であって、特にサイドメンバとクロスメンバとを接合する車体フレームの接合構造および接合部品に関する。

従来より、車体のフレームに係り、車体両側に前後方向に延びるサイドメンバと、車体幅方向に延びるクロスメンバとの接合部に接合部品を介した接合構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２４０８２２号公報

特許文献１では、車体のサイドメンバとクロスメンバとの接合部に接合部品（サスペンションブラケット）を介して接合し、該接合部品により前記サイドメンバと前記クロスメンバの結合剛性を向上させることを目的としている。しかしながら、車体全体の剛性については検討されておらず、前記接合部品の形状が車体全体の剛性に対してどのように寄与するかは不明である。

また、特許文献１で開示されている前記接合部品は断面形状がハット状であるため、車体フレームに荷重が加わった際、前記接合部品がせん断又は圧縮されて断面形状が変化するような断面崩れ変形が生じるものと考えられる。このような断面崩れ変形が生じる場合、前記接合部品において変形が生じる部位にバルクヘッド（節、仕切り板）を設置することにより、断面崩れ変形を抑制し、剛性を向上することが多い。しかしながら、前記バルクヘッドを用いることで部品点数が増えて重量増加を招くこと、さらに、前記バルクヘッドを設置するためのコストや作業工程が増加するなどの課題がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、部品点数を増やすことなく、軽量かつ高剛性な車体フレームの接合構造および接合部品を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る車体フレームの接合構造は、車体両側に前後方向に延びるサイドメンバと、車体幅方向に延びるクロスメンバを、接合部を介して接合するサスペンションブラケットによる車体フレームの接合構造であって、
前記サスペンションブラケットは、形状最適化手法であるトポロジー最適化を用いて求めた形状であって、
前記サイドメンバと前記クロスメンバとの間に渡って配置された天板部と、
該天板部の前記クロスメンバ側の端部に形成されて車体のフロア側に延出する縦壁部と、
該縦壁部の両側端から連続して前記サイドメンバ側に延出する両側壁部とを有し、
該両側壁部と前記縦壁部と前記天板部は袋状になっており、かつ前記天板部は、前記サイドメンバ寄りの部位の中程に開口部を有し、該開口部よりも前記クロスメンバ側には開口部を有しておらず、前記両側壁部は開口部を有し、
前記天板部の一端を前記サイドメンバに接合すると共に前記天板部の他端を前記クロスメンバに接合し、かつ前記縦壁部と前記両側壁部の下端を車体のフロアに接合し、
車体全体の剛性向上に寄与する荷重伝達経路を存在させ、断面崩れ変形を抑止したこと
を特徴とするものである。

（２）上記（１）に記載の車体フレームの接合構造は、前記縦壁部と前記両側壁部の下端にフランジ部が形成されており、該フランジ部を前記車体のフロアに接合したことを特徴とするものである。

（３）上記（１）又は（２）に記載の車体フレームの接合構造は、前記天板部と前記クロスメンバとの接合部は、前記天板部の上面の一部をクロスメンバの端部で覆うように接合したことを特徴とするものである。

（４）本発明に係る車体フレームの接合部品は、車体両側に前後方向に延びるサイドメンバと、車体幅方向に延びるクロスメンバの接合に用いられるサスペンションブラケットによる車体フレームの接合部品であって、
前記サスペンションブラケットは、形状最適化手法であるトポロジー最適化を用いて求めた形状であって、
前記サイドメンバと前記クロスメンバとの間に渡って配置されて両者の接続に供される天板部と、
該天板部における前記クロスメンバと接続される端部側に形成されて下方に延出する縦壁部と、
該縦壁部の両側端から連続して前記天板部における前記サイドメンバと接続される端部側に延出する両側壁部とを有し、
該両側壁部と前記縦壁部と前記天板部が袋状になっており、かつ前記天板部は、前記サイドメンバ寄りの部位の中程に開口部を有し、該開口部よりも前記クロスメンバ側には開口部を有しておらず、前記両側壁部は開口部を有し、
前記縦壁部と前記両側壁部の下端に車体のフロアと接合するためのフランジ部が形成され、
車体全体の剛性向上に寄与する荷重伝達経路を存在させ、断面崩れ変形を抑止したことを特徴とするものである。

本発明においては、車体のサイドメンバとクロスメンバを、接合部を介して接合する車体フレームの接合構造であって、前記接合部は、前記サイドメンバと前記クロスメンバとの間に渡って配置された天板部と、該天板部の前記クロスメンバ側の端部に形成されて車体のフロア側に延出する縦壁部と、該縦壁部の両側端から連続して前記サイドメンバ側に延出する両側壁部とを有し、該両側壁部と前記縦壁部と前記天板部は袋状になっており、前記天板部の一端を前記サイドメンバに接合すると共に前記天板部の他端を前記クロスメンバに接合し、かつ前記縦壁部と前記両側壁部の下端を車体のフロアに接合することにより、部品点数を増やすことなく、軽量かつ高剛性な車体フレームの接合構造を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係る車体フレームの接合構造および接合部品の説明図である。 本発明に至った経緯を説明するための車体フレームの接合構造および接合品の元形状の図である。 本発明に至った経緯を説明するための車体モデルに設計空間を設定した状態の図である。 本発明に至った経緯を説明するための形状最適化解析を実行した結果の図である。 本発明に至った経緯を説明するための車体フレームにおける荷重伝達経路の図である。 本発明の比較例に係る車体フレームの接合構造および接合部品の説明図である。 本発明の実施例に係る剛性解析の解析条件の説明図である。 本発明の実施例に係るねじり剛性を与えたときの接合部品の断面形状の解析結果を示す図である。

以下、図１に示す本発明の実施の形態に係る車体フレームの接合構造１および接合部品３を詳細に説明する前に、本発明に至った経緯を図２〜図５に基づいて説明する。

＜本発明に至った経緯＞
本発明者はこれまで、車体フレームに要求される剛性や衝突特性等の性能を保持しつつ軽量化を実現する前記車体フレームの最適化手法として、特開２０１３−２５５３３号に開示されている形状最適化解析手法を提案した。

形状最適化解析手法とは、予め所定形状、例えばＴ字型形状を想定し、その形状を前提として最適な形状を求めるのではなく、所定の形状を想定することなく、与えられた解析条件を満たす最適な形状をトポロジー最適化により求める手法である。
また、トポロジー最適化とは、ある程度の大きさの設計空間を設け、当該設計空間に立体要素を組み込み、与えられた解析条件を満たしつつ必要最小限の立体要素を残すことで当該解析条件を満たす最適形状を得るという方法である。トポロジー最適化においては、設計空間をなす立体要素に直接拘束を行い、直接荷重を加えるという方法が用いられる。

そこで本発明者は、図２に示す車体モデル５１のリア部における接合構造２１に係るサイドメンバ５３とクロスメンバ５５とを接合する接合部品２３の最適形状を得るため、特開２０１３−２５５３３号にて開示されている形状最適化解析手法を用い、接合部品２３の最適形状に関する予備的検討を行った。以下、形状最適化解析手法における各処理について説明する。以下の説明において、各処理はコンピュータ上で実行されるものである。

まず、車体モデル５１のファイルをコンピュータに読み出し、車体モデル５１をモニター等に表示する。予備的検討において形状最適化解析の対象とした車体モデル５１は、寸法が幅1200mm、長さ3350mm、高さ1130mm、基準の質量が125kgであり、車体モデル５１の部品は板厚0.8mmから2.0mmの鋼板ならびに鋼材から構成されている。図２は形状最適化解析の対象となる空間を設定するために用いられる最適化前の元形状の接合部品２３によるサイドメンバ５３とクロスメンバ５５との接合構造２１を示している。

表示された車体モデル５１において、図３に示すように、形状最適化解析の対象となる設計空間６１を設定する。具体的には、車体モデル５１において元形状の接合部品２３を対象として設計空間６１の座標を指定し、当該部位において車体モデル５１を構成する部品の要素を削除する処理を行う。

設計空間６１が設定されると、設計空間６１に入る大きさの最適化ブロックモデルを生成する。最適化ブロックモデルは立体要素で構成される。当該立体要素は五面体以上八面体以下であって互いに平行な２面を少なくとも一組有する立体要素で構成するのが好ましく、本実施の形態では、前記立体要素として六面体を用いた。
また、最適化ブロックモデルは、車体モデル５１における設計空間６１が設置された周囲面に沿い、かつ設計空間の最大面積を持つ面を基準として最適化ブロックモデルを生成するのが好ましい。

最適化ブロックモデルが生成された後、最適化ブロックモデルと車体モデル５１を結合要素を介して結合するための結合処理を実施する。前記結合要素として、剛体要素、平面要素または梁要素のいずれの要素を用いることができる。

前記結合処理の次に、形状最適化解析のための解析条件を設定する。解析条件として、荷重拘束条件としては構造体の拘束位置、荷重を加える位置を設定し、最適化条件としては材料体積率、剛性を最大にする、変位を最小にする、応力を最小にする等である。

解析条件の設定が完了後に、形状最適化解析の計算を実行する。形状最適化解析の計算によって、最適化ブロックモデルのうち必要な立体要素が残った状態、すなわち形状最適化解析によって得られた最適形状の接合部がモニター等に表示される。

図４に形状最適化解析によって得られた最適形状接合部６３の形状を示す。最適形状接合部６３は、図４中に矢印で示す荷重点からクロスメンバ５５につながるように上面の最外部に立体要素が残存した形状となった。さらに、クロスメンバ５５との結合部には多くの立体要素が残存し、特に、最適形状接合部６３の天板部６５とフロア５７とが縦壁６７を介して接合するように立体要素が残存した（図５参照）。

図４に示す最適化ブロックモデルのうち残存した立体要素、すなわち最適形状接合部６３は、形状最適化解析で与えられた解析条件（剛性条件および材料体積率など）を満たす接合部品において必要となる骨格部とみなすことができる。該骨格部が前記荷重点とクロスメンバ５５およびフロア５７の間に残存することによって、図５に示すように、荷重伝達を適切に行うための荷重伝達経路が存在することになり、前記骨格部が車体全体の剛性向上に寄与することができる。
本発明の実施の形態に係る車体フレームの接合構造および接合部品は上記の経緯より完成されたものであり、その具体的な構造等を以下に説明する。

＜車体フレームの接合構造および接合部品＞
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る車体フレームの接合構造１は、車体のサイドメンバ５３とクロスメンバ５５が接合部品３を介して接合されるものであり、接合部品３はサイドメンバ５３とクロスメンバ５５との間に渡って配置されて両者の接続に供される天板部５と、天板部５におけるクロスメンバ５５と接続される端部側に形成されてフロア５７側に延出する縦壁部７と、縦壁部７の両側端から連続してサイドメンバ５３と接続される端部側に延出する両側壁部９とを有し、両側壁部９と縦壁部７と天板部５が袋状になっており、縦壁部７と両側壁部９の下端にフロア５７と接合するためのフランジ部１１を有している。

上記のような接合部品３は、形状最適化解析において与えられた剛性条件を満たす接合部品に要求される骨格部を有し、荷重点とクロスメンバ５５およびフロア５７の間の荷重伝達を適切に行うことが可能となるため、接合部品３を用いる接合構造１は車体全体の剛性向上に寄与する。

また、図６に示す接合部品３３を用いる接合構造３１を比較対象として検討する。接合部品３３は、本発明である接合部品３と同様、天板部３５と両側壁部３９とフランジ部４１を備えているが、接合部品３に備えられている縦壁部７に相当する部位を有していない。そこで接合部品３３を用いた接合構造３１においては、縦壁部７の代替として、接合部品３３とクロスメンバ５５との結合部にバルクヘッド４３を付加して設置する。

形状最適化解析で得られた最適形状接合部６３（図５）を基に接合部品３（図１）を決定し、サイドメンバ５３とクロスメンバ５５とを接合部品３を介して接合した接合構造１を適用した車体モデル５１に対して構造解析計算による剛性解析を行い、剛性変化および重量変化の検証を実施したので、以下これについて説明する。

前記実施の形態と同様、解析に用いた車体モデル５１の寸法は幅1200mm、長さ3350mm、高さ1130mmで、基準となる質量は125kgであり、車体モデル５１の部品は板厚0.8mmから2.0mmの鋼板ならびに鋼材から構成されている。

車体モデル５１の剛性解析の荷重拘束条件としては、図７に示すように、４点（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）のうち３点を拘束し、残りの１点に0.5kNの荷重を与えるという車体ねじりのモードとした。図２に示す元形状の接合部品２３を用いた接合構造２１の場合における車体全体のねじり剛性の平均値は25.1kN・m/degである。

なお、本実施例では、車体の材料として鋼ベースの材料を用いたが、アルミニウム、チタニウム、マグネシウム、ガラス、樹脂、ゴム等、種々の材料を用いてもなんら問題はない。

表１に、発明例の接合部品３を用いた接合構造１（図１）、又は比較例の接合部品３３を用いた接合構造３１（図６）の場合の車体について、元形状の接合部品２３を用いた接合構造２１（図２）の車体を基準とした剛性変化および重量変化を示す。なお、発明例および比較例の接合部品３および３３を構成する各部位の板厚は、元形状の接合部品２３の各部位の板厚と同じとした。

元形状の接合部品２３に対するねじり剛性変化は、本発明例が+4.8%、比較例+4.3%であり、本発明例および比較例ともに剛性が向上した。さらに、本発明例は、比較例と比べて約10%剛性が高い結果となった。
一方、元形状の接合部品２３に対する重量変化は、本発明例では+0.11kg、比較例では+0.13kgとなり、いずれの場合も元形状に比べて重量は増加した。ただし、本発明例の接合部品３は比較例の接合部品３３に比べて約18%軽量であった。

図８に車体モデル５１にねじり荷重を与えた時の本発明例および比較例における接合部品３および接合部品３３の断面形状を示す。図８中の破線は、ねじり荷重を与える前の本発明例又は比較例の接合部品３又は３３の断面形状を示す。

本発明例である接合部品３を用いた場合（図８（ａ））、ねじり荷重を与えた時の接合部品３の断面形状は、ねじり荷重を与える前の断面形状と比べると、フロア５９と接する部位Ａに変位が見られるものの、天板部５および側壁部９は荷重を与える前の形状とほぼ同じであり、断面崩れ変形は見られない。
一方、比較例である接合部品３３を用いた場合（図８（ｂ））、ねじり荷重を与えた時の接合部品３３の断面形状は、フロア５９と接する部位Ａ’に加え、天板部３５および側壁部３９にて大きく変位している部位ＢおよびＣが生じ、断面崩れ変形を生じていることが分かる。

以上より、本発明の接合構造および接合部品をサイドメンバとクロスメンバの接合に適用することで、部品点数を増やすことなく、軽量かつ高剛性な車体フレームを実現可能であることが示された。

１ 接合構造（発明例）
３ 接合部品（発明例）
５ 天板部（発明例）
７ 縦壁部（発明例）
９ 側壁部（発明例）
１１ フランジ部（発明例）
２１ 接合構造（元形状）
２３ 接合部品（元形状）
３１ 接合構造（比較例）
３３ 接合部品（比較例）
３５ 天板部（比較例）
３９ 側壁部（比較例）
４１ フランジ部（比較例）
４３ バルクヘッド
５１ 車体モデル
５３ サイドメンバ
５５ クロスメンバ
５７ フロア
６１ 設計空間
６３ 最適形状接合部
６５ 天板部（最適形状）
６７ 縦壁部（最適形状）

Claims (4)

1. 車体両側に前後方向に延びるサイドメンバと、車体幅方向に延びるクロスメンバを、接合部を介して接合するサスペンションブラケットによる車体フレームの接合構造であって、
   前記サスペンションブラケットは、形状最適化手法であるトポロジー最適化を用いて求めた形状であって、
   前記サイドメンバと前記クロスメンバとの間に渡って配置された天板部と、
   該天板部の前記クロスメンバ側の端部に形成されて車体のフロア側に延出する縦壁部と、
   該縦壁部の両側端から連続して前記サイドメンバ側に延出する両側壁部とを有し、
   該両側壁部と前記縦壁部と前記天板部は袋状になっており、かつ前記天板部は、前記サイドメンバ寄りの部位の中程に開口部を有し、該開口部よりも前記クロスメンバ側には開口部を有しておらず、前記両側壁部は開口部を有し、
   前記天板部の一端を前記サイドメンバに接合すると共に前記天板部の他端を前記クロスメンバに接合し、かつ前記縦壁部と前記両側壁部の下端を車体のフロアに接合し、
   車体全体の剛性向上に寄与する荷重伝達経路を存在させ、断面崩れ変形を抑止したこと
   を特徴とする車体フレームの接合構造。
2. 前記縦壁部と前記両側壁部の下端にフランジ部が形成されており、該フランジ部を前記車体のフロアに接合したことを特徴とする請求項１記載の車体フレームの接合構造。
3. 前記天板部と前記クロスメンバとの接合部は、前記天板部の上面の一部を前記クロスメンバの端部で覆うように接合したことを特徴とする請求項１又は２記載の車体フレームの接合構造。
4. 車体両側に前後方向に延びるサイドメンバと、車体幅方向に延びるクロスメンバの接合に用いられるサスペンションブラケットによる車体フレームの接合部品であって、
   前記サスペンションブラケットは、形状最適化手法であるトポロジー最適化を用いて求めた形状であって、
   前記サイドメンバと前記クロスメンバとの間に渡って配置されて両者の接続に供される天板部と、
   該天板部における前記クロスメンバと接続される端部側に形成されて下方に延出する縦壁部と、
   該縦壁部の両側端から連続して前記天板部における前記サイドメンバと接続される端部側に延出する両側壁部とを有し、
   該両側壁部と前記縦壁部と前記天板部が袋状になっており、かつ前記天板部は、前記サイドメンバ寄りの部位の中程に開口部を有し、該開口部よりも前記クロスメンバ側には開口部を有しておらず、前記両側壁部は開口部を有し、
   前記縦壁部と前記両側壁部の下端に車体のフロアと接合するためのフランジ部が形成され、
   車体全体の剛性向上に寄与する荷重伝達経路を存在させ、断面崩れ変形を抑止したことを特徴とする車体フレームの接合部品。