JP6331150B2 - 車両用フレーム構造 - Google Patents

Description

本発明は、車両用フレーム構造に関し、特にアウタパネルとインナパネルとが構成した閉断面内に充填材を備えた車両用フレーム構造に関する。

従来より、車両用フレームであるセンタピラーには、車体外側のアウタパネルと車体内側のインナパネルとによって上下方向に延びる略矩形状の主閉断面が形成され、この主閉断面内にインナパネルと協働して副閉断面を構成するピラーレインフォースメント（以下、ピラーレインと略す）が配設されている。
車両の側突時において入力荷重が大きい場合、センタピラーは車幅方向内側に変形することがあることから、乗員の安全性確保を目的として、センタピラーの車幅方向内側への変形を抑制する構造が種々提案されている。

特許文献１のフレーム構造は、断面略ハット状のアウタパネルと、このアウタパネルと協働して主閉断面を構成するインナパネルと、車体外側に突出した突出部を有し且つ主閉断面内にインナパネルと協働して副閉断面を構成する断面略ハット状のピラーレインと、このピラーレインの前後の角部外面とアウタパネルの前後の角部内面との間に両者に当接した前後１対の充填材とを備えている。これにより、車両の側突時、アウタパネルに入力した初期荷重を充填材からピラーレイン及びインナパネルに伝達することができ、入力初期から所定時間経過後において、低下した荷重が突出部に伝達されるため、ピラーレインの突出部形状を維持することにより断面崩れを抑制し、フレームの曲げ強度を向上している。

特開２０１４−１８９１１１号公報

前述した閉断面状フレームの座屈メカニズムは以下のように認識されている。
アウタパネルを介してピラーレインの左右方向に直交する横壁部に許容限界を越えた荷重が入力された場合、ピラーレインの横壁部に弾性座屈波が生じ、この弾性座屈波が横壁部の前後に形成された１対の側壁部に夫々伝播される。そして、横壁部に生じた弾性座屈波の谷領域に対応した前後１対の側壁部の山領域に面外変形が夫々発生する。
その結果、１対の側壁部が夫々面外方向に膨出することにより横壁部が二つ折りに折り畳まれて閉断面状フレームが座屈する。

特許文献１のフレーム構造は、ピラーレインの角部外面とアウタパネルの角部内面との間に両者に夫々当接した充填材を設けているため、所定の荷重まではピラーレイン及びアウタパネルの強度を充填材を介して擬似的に一体化することができ、アウタパネルの側壁部に支持された充填材によってピラーレインの側壁部の面外変形を押さえ込むこと（所謂、充填材の体積効果）により断面崩れを抑制している。
しかし、許容限界を越えた荷重がアウタパネルの横壁部に対して入力された場合、その構造上、充填材の体積効果を十分に発揮できない虞がある。
以下、充填材の体積を利用して対象部材（ピラーレインの側壁部）の面外変形を抑制する作用を充填材の体積効果とし、充填材の接着力を利用して充填材が対象部材（アウタパネルやピラーレインの側壁部）に接着する作用を充填材の接着効果とする。

特許文献１のフレーム構造では、荷重がアウタパネルの横壁部に入力した場合、入力した荷重は充填材を介してピラーレインに伝達されると同時に、アウタパネルの側壁部に対して面外方向に向かう応力が発生する。このとき、アウタパネルの側壁部は、充填材の接着効果によって充填材に対して接着されている。
入力した荷重が大きく、アウタパネルの側壁部に対して面外方向に向かう応力が充填材の接着力を越えた場合、側壁部から充填材が剥離されて充填材の接着効果が解除される。
そして、充填材の接着効果解除後には、充填材の性能上、継続して充填材の体積効果が期待できるにも拘らず、充填材がアウタパネルの側壁部に支持されていないため、ピラーレインの側壁部による面外変形を充填材の体積を利用して押さえ込むことができなくなり、充填材の体積効果によってピラーレインの側壁部の面外変形を抑制することが困難になる。

本発明の目的は、充填材が有する接着効果及び体積効果を使い切ることによりフレームの曲げ強度を向上可能な車両用フレーム構造等を提供することである。

請求項１の車両用フレーム構造は、車体外側のアウタパネルと、このアウタパネルと協働して主閉断面を構成する車体内側のインナパネルと、このインナパネルから離隔して前記アウタパネルと略平行に延びる第１横壁部とこの第１横壁部の前後方向両端部から前記インナパネル側に延びる前後１対の第１側壁部とを備え且つ前記主閉断面内に前記インナパネルと協働して第１副閉断面を構成する第１補強部材とを備えた車両用フレーム構造において、前記第１副閉断面内に前記第１補強部材と協働して第２副閉断面を構成する第２補強部材と、前記第２副閉断面内に充填されると共に前記第１，第２補強部材に接着された充填材とを有し、前記第２補強部材が前記第１横壁部と第１側壁部とに夫々対向する第２横壁部と第２側壁部とを備え、前記第２副閉断面が前記第１横壁部の一部と一方の第１側壁部の一部とが形成する角部と前記第２補強部材とで形成されたことを特徴としている。

この車両用フレーム構造では、第１，第２補強部材が協働して構成した第２副閉断面内に充填材を充填すると共に第１，第２補強部材に充填材が接着されているため、充填材の体積効果によって第１側壁部の面外変形を抑制することができ、第２副閉断面に変形を促す力が作用した場合であっても、充填材を第２副閉断面の変形に追従させて第２副閉断面の断面崩れを抑制することができる。しかも、充填材が接着された第２補強部材に第１横壁部と第１側壁部とに夫々対向する第２横壁部と第２側壁部とを設けているため、第２補強部材に対する充填材の接着面積を増加して充填材の接着効果を高くすることができ、充填材の体積効果を高い入力荷重に対して発揮させることができる。これにより、充填材の接着効果及び体積効果を十分に発揮して曲げ強度の高い車両用フレームを得ることができる。そして、第１横壁部の一部と他方の第１側壁部の一部とが形成する角部から第２副閉断面を省略することができ、コスト及び重量低減を図ることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第２横壁部と第２側壁部が前記第１横壁部と第１側壁部に夫々略平行に配設され、前記第２副閉断面が断面略矩形状に形成されたことを特徴としている。
この構成によれば、第１補強部材が変形した場合であっても、第１横壁部及び第１側壁部が第２横壁部及び第２側壁部と協働して平行リンク機構を構成することにより、第２補強部材が第１補強部材の変形に容易に追従でき、簡単な構成で充填材の接着効果を維持することができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記第２補強部材は前記第１補強部材よりも高強度材料で構成されたことを特徴としている。
この構成によれば、コストが高く重量が重い第２補強部材の使用量を抑えながら、フレームの曲げ強度を向上することができる。

請求項４の発明は、請求項１〜３の何れか１項の発明において、前記車両用フレーム構造はセンタピラーであることを特徴としている。
この構成によれば、センタピラーの曲げ強度を向上することができ、乗員を適正に保護することができる。

本発明の車両用フレーム構造によれば、充填材が有する接着効果及び体積効果を使い切ることによりフレームの曲げ強度を向上することができる。

実施例１に係る車両の左側側部車体構造の斜視図である。 センタピラーの分解斜視図である。 図１のIII−III線断面図である。 解析用フレームモデルの説明図であって、（ａ）は実施例１に相当するフレームモデルＭＡの斜視図、（ｂ），（ｃ）は比較例としてのフレームモデルＭＢ，ＭＣの斜視図を夫々示している。 各フレームモデルのＦＳ特性を示すグラフである。 フレームモデルＭＡの要部拡大図であって、（ａ）は荷重入力前の状態、（ｂ）は荷重入力後の状態を示している。 フレームモデルＭＢの要部拡大図であって、（ａ）は荷重入力前の状態、（ｂ）は荷重入力後の状態を示している。 フレームモデルＭＣの要部拡大図であって、（ａ）は荷重入力前の状態、（ｂ）は荷重入力後の状態を示している。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
以下の説明は、本発明を車両の側部車体構造におけるセンタピラーに適用したものを例示したものであり、本発明、その適用物、或いは、その用途を制限するものではない。
尚、図１〜図３において、矢印Ｆ方向を前方とし、矢印Ｌ方向を左方とし、矢印Ｕ方向を上方として説明する。

以下、本発明の実施例１について図１〜図８に基づいて説明する。
まず、側部車体構造１について簡潔に説明する。
図１に示すように、車両の側部車体構造１は、乗降用の前後１対の開口部２が形成され、これら開口部２が前後１対のサイドドア（図示略）によって開閉可能に構成されている。
この車両の側部車体構造１は、ルーフサイドレール３と、サイドシル４と、ヒンジピラー５と、フロントピラー６と、リヤピラー７と、センタピラー１０等を備えている。
尚、右側側部車体構造は、左側側側部車体構造と左右対称の構造であるため、以下、左側側側部車体構造について主に説明する。

ルーフサイドレール３は、前後方向に延びる閉断面構造を形成し、１対の開口部２の上辺部を構成している。サイドシル４は、前後方向に延びる閉断面構造を形成し、１対の開口部２の下辺部を構成している。
ヒンジピラー５は、サイドシル４の前端部から上方に延びる閉断面構造を形成し、前側のサイドドアを装着可能に構成されている。フロントピラー６は、ヒンジピラー５の上端部分からルーフサイドレール３の前端部に亙って前方下がり傾斜状の閉断面構造に形成されている。リヤピラー７は、リヤホイールハウスの上端部分からルーフサイドレール３の後端部に亙って後方下がり傾斜状の閉断面構造に形成されている。

次に、センタピラー１０について詳細に説明する。
図１に示すように、センタピラー１０は、前後１対の開口部２を仕切るように、ルーフサイドレール３の中間部とサイドシル４の中間部とを上下方向に連結する閉断面構造に形成されている。このセンタピラー１０は、後側のサイドドアを装着可能に構成されている。
図２，図３に示すように、センタピラー１０は、車体外側のアウタパネル１１と、車体内側のインナパネル１２と、第１レインフォースメント（以下、第１レインと略す）１３（第１補強部材）と、第２レインフォースメント（以下、第２レインと略す）１４（第２補強部材）と、充填材１５等を備えている。

アウタパネル１１は、例えば厚さ０．７５ｍｍの軟鋼をプレス成形することにより断面略ハット状に形成されている。このアウタパネル１１は、左右方向に対して略直交する横壁部１１ａと、この横壁部１１ａの前後両端部から夫々右方に延びる前後１対の側壁部１１ｂと、これら１対の側壁部１１ｂの右端部から夫々前方及び後方に延びる前後１対のフランジ部１１ｃ等を備えている。インナパネル１２は、例えば厚さ０．７５ｍｍの軟鋼をプレス成形することにより形成されている。このインナパネル１２は、左右方向に対して略直交する横壁部１２ａと、この横壁部１２ａの前後両端部から夫々前方及び後方に延びる前後１対のフランジ部１２ｃ等を備えている。
アウタパネル１１とインナパネル１２は、１対のフランジ部１１ｃと１対のフランジ部１２ｃを夫々溶接接合することによって上下方向に延びる断面矩形状の主閉断面Ｃを構成している。

第１レイン１３は、例えば厚さ１．４０ｍｍの高張力鋼板（例えば、１１８０ＭＰａ）を熱間プレス成形（ホットスタンプ）によって断面略ハット状に形成されている。
第１レイン１３は、左右方向に対して略直交する第１横壁部１３ａと、この第１横壁部１３ａの前後両端部から夫々右方に延びる前後１対の第１側壁部１３ｂと、これら１対の第１側壁部１３ｂの右端部から夫々前方及び後方に延びる前後１対のフランジ部１３ｃ等を備えている。第１横壁部１３ａは、横壁部１１ａから所定距離離隔して配設され、その前後方向中間部分が右方に凹入するように形成されている。１対のフランジ部１３ｃは、フランジ部１１ｃとフランジ部１２ｃの間において夫々三重接合されている。
第１レイン１３とインナパネル１２は、１対のフランジ部１３ｃと１対のフランジ部１２ｃを夫々溶接接合することによって上下方向に延びる断面矩形状の第１副閉断面Ｃ１を主閉断面Ｃ内に構成している。

図３に示すように、第２レイン１４は、例えば厚さ１．４０〜２．３０ｍｍの高張力鋼板（例えば、１８００ＭＰａ）を熱間プレス成形によって断面略Ｍ字状に形成されている。この第２レイン１４は、第１レイン１３の中段部分に対応する位置において、横壁部１３ａの前端側部分と前側の第１側壁部１３ｂの左端側部分とが形成する前側角部に配設されている。第２レイン１４は、左右方向に対して略直交する第２横壁部１４ａと、この第２横壁部１４ａの後端部から左方に延びる第２側壁部１４ｂと、第２横壁部１４ａの前端部から右方に延びるフランジ部１４ｃと、第２側壁部１４ｂの左端から後方に延びるフランジ部１４ｄ等を備えている。第２横壁部１４ａと第２側壁部１４ｂは、平行リンク機能を発揮するように第１横壁部１３ａと第１側壁部１３ｂに夫々略平行に配設されている。
第２レイン１４と第１レイン１３は、フランジ部１４ｃを前側の第１側壁部１３ｂに溶接接合すると共にフランジ部１４ｄを第１横壁部１３ａの凹入部分右面部に溶接接合することによって上下方向に延びる断面矩形状の第２副閉断面Ｃ２を第１副閉断面Ｃ１内に構成している。この第２副閉断面Ｃ２は、後側のサイドドアのヒンジブラケット（図示略）の取り付け部分を含むように配設位置が規定されている。
第１副閉断面Ｃ１は、４辺からなる平行リンク機構を構成しているため、単一の角部の変形挙動を規制することで、断面崩れを防止される。

第２副閉断面Ｃ２内には、エポキシ系合成樹脂材料からなる充填材１５が充填されている。充填材１５は、金属に接着可能な接着性を備えている。それ故、充填材１５が第２副閉断面Ｃ２内に充填されたとき、充填材１５は当接した第１横壁部１３ａの一部、前側の第１側壁部１３ｂの一部、第２横壁部１４ａ及び第２側壁部１４ｂに対して所定の接着力で接着している。以下、この充填材１５による接着作用を接着効果とする。
また、充填材１５は、第１横壁部１３ａに右方に向かう圧縮荷重が入力したとき、前方に膨出する第１側壁部１３ｂの面外変形を抑制している。以下、この充填材１５自体の体積を利用して第１側壁部１３ｂの面外変形を抑制する作用を体積効果とする。

次に、本実施例の車両用フレーム構造における作用、効果を説明する。
図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、所定長さを有するフレームモデルＭＡ〜ＭＣを準備し、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）によって各々のフレームモデルＭＡ〜ＭＣのＦＳ特性を解析した。
フレームモデルＭＡは、実施例１と同様の構成であり、第２レイン２４を設置すると共に第２副閉断面Ｃ２内に充填材２５を充填したモデルである。フレームモデルＭＢは、フレームモデルＭＡの構成から充填材２５を省略したモデルである。フレームモデルＭＣは、フレームモデルＭＢの構成から第２レイン２４を省略し且つ第１レイン２３の前後両角部外面とアウタパネル２１の前後両角部内面との間に両者に夫々当接した１対の充填材２６を設けたモデルである。尚、これら充填材２５，２６は充填材１５と同じ材料成分である。
これらのフレームモデルＭＡ〜ＭＣの両端部を固定した状態でフレームモデルＭＡ〜ＭＣの軸心を曲げるために矢印で示す荷重Ｆを付与し、荷重点の変位と荷重（反力）とを解析した。

図５に、ＣＡＥによる解析結果を示す。
尚、フレームモデルＭＡのＦＳ特性ＬＡを実線、フレームモデルＭＢのＦＳ特性ＬＢを破線、フレームモデルＭＣのＦＳ特性ＬＣを２点鎖線で示している。
図５に示すように、座屈を生じる許容限界荷重は、フレームモデルＭＡが最も高く、フレームモデルＭＢの許容限界荷重が最も低い値であった。
また、許容限界荷重を維持する耐久時間についても、フレームモデルＭＡが最も長時間であった。

図６（ａ）に示すように、荷重Ｆの入力前において、フレームモデルＭＡの第２副閉断面Ｃ２は、充填材２５によって中実の状態である。それ故、荷重Ｆが入力されても、第２副閉断面Ｃ２は荷重入力方向に縮み難いことから、充填材２５の体積効果によって第１側壁部２３ｂの面外変形が抑制され、断面崩れが発生し難い構造になっている。
また、図６（ｂ）に示すように、荷重Ｆの入力後において、フレームモデルＭＡでは、第１側壁部２３ｂに荷重入力直交方向に向かう応力ｆが発生しても、第２レイン２４が第１レイン２３に固定されているため、第２側壁部２４ｂが第１側壁部２３ｂと略同様の変形挙動になる。それ故、第１側壁部２３ｂは充填材２５から剥離されることがなく、接着効果が維持され、充填材２５の体積効果を十分に発揮している。これにより、許容限界荷重を高くすることができ、許容限界荷重の状態を長時間維持するものと推測される。

図７（ａ）に示すように、荷重Ｆの入力前において、フレームモデルＭＢの第２副閉断面Ｃ２は、中空の状態である。
図７（ｂ）に示すように、荷重Ｆの入力後において、フレームモデルＭＢでは、アウタパネル２１の横壁部２１ａが第１レイン２３の第１横壁部２３ａに当接すると、第１側壁部２３ｂに荷重入力直交方向に向かう応力ｆが発生する。この応力ｆによって第１側壁部２３ｂが面外変形し、フレームモデルＭＢはフレームモデルＭＡよりも低い許容限界荷重で座屈が発生する。

図８（ａ）に示すように、荷重Ｆの入力前において、フレームモデルＭＣでは、横壁部２１ａ、側壁部２１ｂ、第１横壁部２３ａ及び第１側壁部２３ｂが充填材２６に接着されている。
図８（ｂ）に示すように、荷重Ｆの入力後において、アウタパネル２１の側壁部２１ｂに荷重入力直交方向に向かう応力ｇが発生した場合、アウタパネル２１と第１レイン２３との変形挙動が異なることから、応力ｇが充填材２６の接着力を越えた場合、側壁部２１ｂから充填材２６が剥離される。それ故、第１側壁部２３ｂに荷重入力直交方向に向かう応力ｆが発生すると、充填材２６が側壁部２１ｂに支持（接着）されていないため、充填材２６によって第１側壁部２３ｂの面外変形を押さえ込むことができず、第１レイン２３に座屈が発生する。

本車両用フレーム構造によれば、第１，第２レイン１３，１４が協働して構成した第２副閉断面Ｃ２内に充填材１５を充填すると共に第１，第２レイン１３，１４に充填材１５が接着されているため、充填材１５の体積効果によって第１側壁部１３ｂの面外変形を抑制することができ、第２副閉断面Ｃ２に変形を促す力が作用した場合であっても、充填材１５を第２副閉断面Ｃ２の変形に追従させて第２副閉断面Ｃ２の断面崩れを抑制することができる。
しかも、充填材１５が接着された第２レイン１４に第１横壁部１３ａと第１側壁部１３ｂとに夫々対向する第２横壁部１４ａと第２側壁部１４ｂとを設けているため、第２レイン１４に対する充填材１５の接着面積を増加して充填材１５の接着効果を高くすることができ、充填材１５の体積効果を高い入力荷重に対して発揮させることができる。これにより、充填材１５の接着効果及び体積効果を十分に発揮して曲げ強度の高い車両用フレームを得ることができる。

第２横壁部１４ａと第２側壁部１４ｂが第１横壁部１３ａと第１側壁部１３ｂに夫々略平行に配設され、第２副閉断面Ｃ２が断面略矩形状に形成されている。
これによれば、第１レイン１３が変形した場合であっても、第１横壁部１３ａ及び第１側壁部１３ｂが第２横壁部１４ａ及び第２側壁部１４ｂと協働して平行リンク機構を構成することにより、第２レイン１４が第１レイン１３の変形に容易に追従でき、簡単な構成で充填材１５の接着効果を維持することができる。

第２副閉断面Ｃ２が第１横壁部１３ａの一部と前側の第１側壁部１３ｂの一部とが形成する角部と第２レイン１４とで形成されているため、第１横壁部１３ａの一部と後側の第１側壁部１３ｂの一部とが形成する角部から第２副閉断面Ｃ２を省略することができ、コスト及び重量低減を図ることができる。

第２レイン１４は第１レイン１３よりも高強度材料で構成されているため、コストが高く重量が重い第２レイン１４の使用量を抑えながら、フレームの曲げ強度を向上することができる。

車両用フレーム構造はセンタピラーであるため、センタピラー１０の曲げ強度を向上することができ、乗員を適正に保護することができる。

次に、前記実施形態を部分的に変更した変形例について説明する。
１〕前記実施形態においては、センタピラーの例を説明したが、高い許容限界荷重の状態が長時間要求される車両用フレームであれば、フロントピラー、リヤピラー、その他何れのフレームに適用しても良い。

２〕前記実施形態においては、第２副閉断面を第１レインの第１横壁部の一部と前側の第１側壁部の一部とが形成する角部と第２レインとで形成した例を説明したが、第２副閉断面を第１レインの第１横壁部の一部と後側の第１側壁部の一部とが形成する角部と第２レインとで形成しても良い。また、第２副閉断面を第１レインの前後両側の角部に形成しても良い。

３〕前記実施形態においては、第１レインの前後方向中間部分に車室側に凹入し且つ上下に延びる凹部を設けた例を説明したが、少なくとも第１副閉断面の断面崩れを防止するための稜線を形成できれば良く、車外側に突出した上下に延びる凸部を設けても良い。
また、第１レインの横壁部に上下に延びる複数のビードやリブを形成しても良い。

４〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

Ｃ 主閉断面
Ｃ１ 第１副閉断面
Ｃ２ 第２副閉断面
１０ センタピラー
１１ アウタパネル
１１ａ 横壁部
１１ｂ 側壁部
１２ インナパネル
１３ 第１レイン
１３ａ 第１横壁部
１３ｂ 第１側壁部
１４ 第２レイン
１４ａ 第２横壁部
１４ｂ 第２側壁部
１５ 充填材

Claims (4)

1. 車体外側のアウタパネルと、このアウタパネルと協働して主閉断面を構成する車体内側のインナパネルと、このインナパネルから離隔して前記アウタパネルと略平行に延びる第１横壁部とこの第１横壁部の前後方向両端部から前記インナパネル側に延びる前後１対の第１側壁部とを備え且つ前記主閉断面内に前記インナパネルと協働して第１副閉断面を構成する第１補強部材とを備えた車両用フレーム構造において、
   前記第１副閉断面内に前記第１補強部材と協働して第２副閉断面を構成する第２補強部材と、
   前記第２副閉断面内に充填されると共に前記第１，第２補強部材に接着された充填材とを有し、
   前記第２補強部材が前記第１横壁部と第１側壁部とに夫々対向する第２横壁部と第２側壁部とを備え、
   前記第２副閉断面が前記第１横壁部の一部と一方の第１側壁部の一部とが形成する角部と前記第２補強部材とで形成されたことを特徴とする車両用フレーム構造。
2. 前記第２横壁部と第２側壁部が前記第１横壁部と第１側壁部に夫々略平行に配設され、前記第２副閉断面が断面略矩形状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の車両用フレーム構造。
3. 前記第２補強部材は前記第１補強部材よりも高強度材料で構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用フレーム構造。
4. 前記車両用フレーム構造はセンタピラーであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の車両用フレーム構造。