JP7084236B2 - 車両用のアルミダイカスト製ブラケット - Google Patents

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Description

本発明は、車両用のアルミダイカスト製ブラケットに関する。
例えば、特許文献1には、燃料電池を搭載したアセンブリフレームと、燃料電池車両の車体との間に設けられた、車両用のマウント構造が開示されている。
特開2017-074819号公報
この種のマウント構造には、車両の衝突時において設計上狙った破壊モードとなるように、大きな荷重が加わった際に破断する機能が要求される場合がある。一方、通常時に加わる振動に対する強度を確保するための機能も要求される。そのため、これらの機能を両立したマウント構造が望まれていた。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本発明の一形態によれば、搭載物と車両構造体との間に設けられる車両用のアルミダイカスト製ブラケットが提供される。この車両用のアルミダイカスト製ブラケットは、前記搭載物に接続される第1取付部と;前記車両構造体に接続される第2取付部とを備える。前記第1取付部における前記搭載物が接続された際に前記搭載物と面する側の表面は、前記ブラケットの内部の層が露出したチル層除去部を有し、前記表面とは反対側の面は、チル層を有する。
この形態の車両用のアルミダイカスト製ブラケットによれば、チル層によって通常時に加わる振動に対する強度を確保しつつ、車両の衝突時に大きな荷重が加わった際にチル層除去部から破断しやすくできるため、設計上狙った破壊モードとすることができる。
(2)上記形態の車両用のアルミダイカスト製ブラケットにおいて、前記表面および前記反対側の面を、前記表面に対して垂直な方向に投影したとき、前記表面よりも前記反対側の面の方が、チル層の面積が大きくてもよい。
この形態の車両用のアルミダイカスト製ブラケットによれば、車両の衝突時に大きな荷重が加わった際に、チル層が少ない方の面から破断しやすくできる。
(3)上記形態の車両用のアルミダイカスト製ブラケットにおいて、前記第1取付部には、前記搭載物を接続するためのボルトが嵌め合わされる取付穴が形成され、前記チル層除去部は、前記取付穴の外周を囲うように設けられてもよい。
この形態の車両用のアルミダイカスト製ブラケットによれば、剛性が低い取付穴の周りにおける第1取付部の引張強さを低減できるため、車両の衝突時に大きな荷重が加わった際に、第1取付部をより破断させやすくできる。
本発明は、車両用のアルミダイカスト製ブラケット以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、車両用のマウント構造等の形態で実現することができる。
燃料電池車両の概略構成を示す説明図。 前方マウント部の概略構成を示す断面模式図。 後方マウント部の概略構成を示す断面模式図。 後方ブラケットの形態を示す説明図。 投影したときのチル層の面積を示す説明図。 後方マウント部に大きな下方向荷重が作用する場合の説明図。 後方マウント部に小さな下方向荷重が作用する場合の説明図。 後方マウント部に小さな上方向荷重が作用する場合の説明図。
A.第1実施形態
図1は、第1実施形態における車両用アルミダイカスト製ブラケットが搭載された車両10の概略構成を示す説明図である。図1には、互いに垂直な3つの方向X,Y,Zが示されている。X方向は車両10における前後方向であり、Y方向は車両10における幅方向であり、Z方向は車両10における上下方向である。他の図においても必要に応じてこれらの方向を図示している。本実施形態の車両10は、燃料電池車両である。車両10は、ガソリン車であってもよいし、ディーゼル車であってもよいし、ハイブリッド車であってもよいし、電気自動車であってもよい。
車両10は、車体15と、前輪FWと、後輪RWとを備えている。前輪および後輪は、左右にそれぞれ1本ずつ設けられている。車体15は、前室20と、車室30と、床下部40とを備えている。前室20と、車室30および床下部40とは、ダッシュボードDBによって区切られている。車室30と床下部40とは、フロアパネルFPによって区切られている。
前室20内には、燃料電池車両の電力源である燃料電池110を含む燃料電池モジュール100が設けられている。車室30は、車両10のドライバーらが搭乗する空間となっている。床下部40には、燃料電池110の発電に供される水素ガスが貯留された水素タンク140が設けられている。左右の後輪RWの間には、駆動用モータ150が設けられている。駆動用モータ150は、燃料電池110から電力の供給を受けて、駆動力を発生させる。駆動用モータ150によって発生された駆動力が、図示しないドライブシャフトを介して後輪RWに伝達されることによって車両10が駆動する。尚、車両10は、前輪駆動であってもよい。駆動用モータ150は、後輪RW(または前輪FW)の中に収容されたインホイールモータとして構成されてもよい。
燃料電池モジュール100は、燃料電池110と、スタックケース120と、支持フレーム130とを備えている。燃料電池110は、燃料電池110用の昇圧コンバータ等とともに、箱状のスタックケース120に収容されている。スタックケース120は、下面を支持フレーム130によって支持されている。比較的重量の大きい燃料電池110等を収容したスタックケース120を支持するために、支持フレーム130の剛性は高い。支持フレーム130の後端が支持フレーム130の前端よりも下側に位置するように、支持フレーム130は、水平方向に対して傾斜して配置されている。
支持フレーム130の前端付近には、前方マウント部200が設けられている。支持フレーム130の前端は、前方マウント部200によって支持されている。支持フレーム130の後端付近には、後方マウント部300が設けられている。支持フレーム130の後端は、後方マウント部300によって支持されている。前方マウント部200および後方マウント部300についての詳細は後述する(図2および図3参照)。
サスペンションメンバ160は、前室20内において、車両10の左右それぞれに設けられている。サスペンションメンバ160は、車体15の一部を構成する部材である。それぞれのサスペンションメンバ160は、前後方向に延びている。サスペンションメンバ160の後端がサスペンションメンバ160の前端よりも下側に位置するように、サスペンションメンバ160は、屈曲した形態を有している。上側に位置するサスペンションメンバ160の前端付近に、前方マウント部200が接続されており、下側に位置するサスペンションメンバ160の後端付近に、後方マウント部300が接続されている。
図2は、本実施形態における前方マウント部200の概略構成を示す断面模式図である。車両10は、一対の前方マウント部200を備え、それぞれの前方マウント部200は、車両10の左側と右側とに設けられている。それぞれの前方マウント部200は、前方マウント本体210と、前方ブラケット220とを備えている。前方マウント本体210の下側は、サスペンションメンバ160に接続されている。前方マウント本体210の上側は、前方ブラケット220を介して支持フレーム130に接続されている。サスペンションメンバ160と、前方マウント本体210と、前方ブラケット220と、支持フレーム130とは、それぞれがボルトによって接続されている。
前方マウント本体210は、例えば、スチールやアルミニウム合金等の金属製の筐体の中に、ゴム等の弾性部材が収容された構造を備えている。弾性部材の中には粘性流体が封入されてもよい。前方マウント本体210は、前方ブラケット220を介して支持フレーム130を支持する機能を有するとともに、サスペンションメンバ160から支持フレーム130への振動の伝達を抑制する機能を有している。
前方ブラケット220は、支持フレーム130と前方マウント本体210とを接続するためのブラケットである。前方ブラケット220は、例えば、スチールやアルミニウム合金等の金属によって形成されている。
図3は、本実施形態における後方マウント部300の概略構成を示す断面模式図である。車両10は、一対の後方マウント部300を備え、それぞれの後方マウント部300は、車両10の左側と右側とに設けられている。それぞれの後方マウント部300は、後方マウント本体310と、後方ブラケット320とを備えている。後方マウント本体310の下側は、サスペンションメンバ160に接続されている。後方マウント本体310の上側は、後方ブラケット320を介して支持フレーム130に接続されている。サスペンションメンバ160と、後方マウント本体310と、後方ブラケット320と、支持フレーム130とは、それぞれがボルトによって接続されている。
後方マウント本体310は、例えば、スチールやアルミニウム合金等の金属製の筐体の中に、ゴム等の弾性部材が収容された構造を備えている。弾性部材の中には粘性流体が封入されてもよい。後方マウント本体310は、後方ブラケット320を介して支持フレーム130を支持する機能を有するとともに、サスペンションメンバ160から支持フレーム130への振動の伝達を抑制する機能を有している。
図4は、本実施形態における後方ブラケット320の形態を示す斜視図である。本実施形態では、車両10における左右それぞれに設けられる後方ブラケット320は、左右対称の形状を有している。尚、車両10における左右それぞれに設けられる後方ブラケット320は、左右対称の形状でなくてもよい。図4には、代表として、車両10における左側の後方ブラケット320を示している。後方ブラケット320は、搭載物と車両構造体との間に設けられているアルミダイカスト製のブラケットである。本明細書において、「搭載物」とは、例えば、燃料電池モジュール100や、駆動用モータ150や、その他の電子機器類を含む、車両10に搭載される搭載物全般を意味する。車両10がガソリン車等である場合には、もちろん、搭載物として、エンジンやエンジン補機類を含む。また、「車両構造体」とは、例えば、車体15やシャシー等を含む、車両10を構成する構造体全般を意味する。
本実施形態における後方ブラケット320は、搭載物である燃料電池モジュール100の支持フレーム130と、車両構造体である後方マウント本体310とを接続するためのブラケットである。本実施形態の後方ブラケット320は、第1取付部321と、第2取付部322とを備えている。
第1取付部321は、搭載物である燃料電池モジュール100の支持フレーム130に接続される平板状の第1板状部位321Pを有している。第1板状部位321Pには、支持フレーム130と接続するためのボルトが嵌め合わされる第1取付穴327が2つ形成されている。第1取付穴327の数は、1つでもよいし、3つ以上であってもよい。また、第1板状部位321Pには、2つの第1取付穴327の間に、肉抜き穴329が形成されている。肉抜き穴329は、例えば、後方ブラケット320の軽量化を図るためや所望の断面剛性とするために設けられた穴である。第1板状部位321Pには、肉抜き穴329が形成されていなくてもよい。第1取付部321の上面は、支持フレーム130の下面に沿うように平坦な形態を有している。
第2取付部322は、後方マウント本体310を介して車体15のサスペンションメンバ160に接続される平板状の第2板状部位322Pを有している。第2板状部位322Pには、後方マウント本体310と接続するためのボルトが嵌め合わされる第2取付穴328が形成されている。第2取付部322は、第1取付部321に対して車両10の幅方向(Y方向)における外側に設けられている。また、第2取付部322は、第1取付部321に対して下側に設けられている。第2取付部322の下面は、上面が内側を向くように傾斜した後方マウント本体310の上面に沿った形態を有している。そのため、支持フレーム130と接続された左右一対の後方ブラケット320は、左右一対の後方マウント本体310上において、左右方向への位置ずれを起こしにくい。
第1取付部321と第2取付部322との間には、本体部323が設けられている。本体部323は、板状の形態を有している。本体部323は、第1取付部321を第2取付部322よりも上側の位置に支持している。本体部323は、鉛直方向に対して傾斜している。本体部323の上端部は、第1取付部321の車両10の幅方向(Y方向)における外側の端部に繋がっている。本体部323の下端部は、第2取付部322の車両10の幅方向(Y方向)における内側の端部に繋がっている。そのため、第1取付部321は、本体部323の上端部から、車両10の幅方向(Y方向)における内側に向かって突き出した形状を有しており、第2取付部322は、車両10の幅方向(Y方向)における外側に向かって突き出した形状を有している。
本実施形態の後方ブラケット320には、車両10の前後方向(X方向)に平行な軸周りの曲げ剛性を確保するために、第1取付部321の下面と本体部323とを接続する第1リブ324aが設けられている。第1リブ324aは、板状の形態を有する。第1リブ324aは、車両10の前後方向(X方向)における後方ブラケット320の中央付近に設けられている。また、後方ブラケット320には、第2取付部322の上面と本体部323とを接続する第2リブ324bと第3リブ324cとが設けられている。第2リブ324bおよび第3リブ324cは、板状の形態を有する。第2リブ324bは、車両10の前後方向(X方向)における後方ブラケット320の前側端部に設けられている。第3リブ324cは、車両10の前後方向(X方向)における後方ブラケット320の後側端部に設けられている。
本実施形態の後方ブラケット320における、第1板状部位321Pと、本体部323と、第2板状部位322Pと、第1リブ324aと、第2リブ324bと、第3リブ324cとの板厚は、10~15mm程度である。また、本実施形態の後方ブラケット320の外表面は、後述するチル層除去部325を除いて、チル層で覆われている。チル層とは、アルミダイカスト製品の製造過程において、溶融したアルミニウム合金が金型に注入された際に、金型によって急冷されて緻密な組織がアルミダイカスト製品の外表面に形成された、内部の層に比べて硬い層である。チル層の厚さは、金型温度等の製造条件に依存するが、0.5mm程度である。チル層は、内部の層に比べて引張強さや疲れ強さが高い。
本実施形態の後方ブラケット320において、搭載物である燃料電池モジュール100の支持フレーム130が接続された際に支持フレーム130と面する側となる、第1取付部321の表面(上面)は、後方ブラケット320の内部の材質が露出したチル層除去部325を有する。第1取付部321の下面は、チル層を有する。本実施形態では、第1取付部321の上面の全域にわたってチル層除去部325が設けられている。そのため、第1取付部321の上面における第1取付穴327の外周を囲うようにチル層除去部325が設けられている。本実施形態のチル層除去部325は、フライス盤等を用いて第1取付部321の上面のチル層を切削することによって形成されている。チル層であるか、チル層除去部325であるかは、ビッカース硬さ試験(JIS Z 2244)によって、それぞれの硬さを比較することによって調べることができる。チル層は、チル層除去部325よりも緻密な組織を有し、硬いためである。試験力を10kgf(98N)とすると、チル層除去部325におけるビッカース硬さは、90HV~100HVであり、チル層におけるビッカース硬さは、120HV~130HVである。つまり、チル層におけるビッカース硬さは、チル層除去部325におけるビッカース硬さの1.20倍~1.44倍である。
図5は、後方ブラケット320の第1取付部321の上面および第1取付部321の上面とは反対側の面(下側の面)を、第1取付部321の上面に対して垂直な方向に投影したときのチル層の面積を示す説明図である。尚、投影された第1取付部321の下側の面には、第1取付部321の下面と本体部323との間に形成された角アールが投影された部分や、第1リブ324aが投影された部分も含まれる。本実施形態の後方ブラケット320では、第1取付部321の上面は、全域にわたってチル層除去部325が形成されているため、チル層を有さない。一方、第1取付部321の下側の面は、全域にわたってチル層が形成されている。そのため、第1取付部321の上面および第1取付部321の下側の面を、第1取付部321の上面に対して垂直な方向に投影したとき、第1取付部321の上面よりも、第1取付部321の下側の面の方が、チル層の面積が大きい。
図6は、後方マウント部300に対して下方向の大きな荷重(例えば、30kN程度)が働いた場合の説明図である。例えば、車両10が前面衝突した際、後方マウント部300は、サスペンションメンバ160の変形によって、下方向に引張られる。後方マウント部300に対して、下方向の荷重が働いた場合、後方ブラケット320の第1取付部321は、図6において上に凸となるように曲げられるため、第1取付部321の上面には引張応力が働き、第1取付部321の下面には圧縮応力が働く。引張応力が働く第1取付部321の上面には、チル層よりも引張強さが小さいチル層除去部325が設けられており、圧縮応力が働く第1取付部321の下面にはチル層が設けられているため、第1取付部321は、チル層除去部325において破断しやすい。そのため、本実施形態の後方ブラケット320は、例えば、車両10が前面衝突した際、第1取付穴327を含む断面(図6に示した断面A-A)において破断する。
図7は、後方マウント部300に対して下方向の小さな荷重(例えば、1~3kN程度)が働いた場合の説明図である。図8は、後方マウント部300に対して上方向の小さな荷重(例えば、1~3kN程度)が働いた場合の説明図である。車両10の走行中等の通常時においては、路面からの突き上げや燃料電池モジュール100に働く慣性によって、後方マウント部300は、サスペンションメンバ160と支持フレーム130とによって、繰返し、上下方向に引張られたり、上下方向に圧縮されたりする。後方マウント部300に対して、下方向の荷重が働いた場合、後方ブラケット320の第1取付部321は、上述した前面衝突時と同様に、図7において上に凸となるように曲げられるため、第1取付部321の上面には、引張応力が働き、第1取付部321の下面には、圧縮応力が働く。一方、後方マウント部300に対して、上方向の荷重が働いた場合、後方ブラケット320の第1取付部321は、上述した前面衝突時の変形とは逆に、図8において下に凸となるように曲げられるため、第1取付部321の上面には、圧縮応力が働き、第1取付部321の下面には、引張応力が働く。第1取付部321の上面には、チル層よりも引張強さや疲れ強さが小さいチル層除去部325が設けられており、第1取付部321の下面にはチル層が設けられている。そのため、第1取付部321の両面にチル層除去部325を設けた場合よりも、第1取付部321の引張強さや疲れ強さの低下が抑制される。そのため、本実施形態の後方ブラケット320は、通常時に働く振動によっては、第1取付部321の両面にチル層除去部325を設けた場合よりも破断しにくい。
以上で説明した本実施形態の車両用のアルミダイカスト製ブラケットである後方ブラケット320によれば、チル層によって通常時に加わる振動に対する強度を確保しつつ、車両10の衝突時に大きな荷重が加わった際にチル層除去部325から破断しやすくできるため、設計上狙った破壊モードとすることができる。特に、本実施形態では、車両10が前面衝突した際に、後方ブラケット320の第1取付部321が破断するため、前方マウント部200と後方マウント部300との間のサスペンションメンバ160が、支持フレーム130が突っ張ることによって潰れにくくなることが抑制される。そのため、サスペンションメンバ160の変形を利用した、衝突によるエネルギの吸収が阻害されることを抑制できる。
また、本実施形態では、第1取付部321の上面に対して垂直な方向に投影したとき、第1取付部321の上面よりも、第1取付部321の上面の反対側の面(下側の面)の方が、チル層の面積が大きい。そのため、車両10の衝突時に大きな荷重が加わった際に、チル層の面積が少ない第1取付部321の上面から破断しやすくできる。
また、本実施形態では、剛性が低い第1取付穴327の周りに、引張強さの低いチル層除去部325が設けられている。そのため、車両10の衝突時に大きな荷重が加わった際に、第1取付部321をより破断させやすくできる。
B.他の実施形態1
上述した実施形態における車両用のアルミダイカスト製ブラケットである後方ブラケット320は、第1取付部321の上面にチル層除去部325を有している。これに対して、車両用のアルミダイカスト製ブラケットでは、第1取付部321の上面の反対側の面(下側の面)の一部にチル層除去部325を有してもよい。この場合であっても、チル層によって通常時に加わる振動に対する強度を確保しつつ、車両10の衝突時に大きな荷重が加わった際に、チル層除去部325から破断しやすくできる。
C.他の実施形態2
上述した実施形態における車両用のアルミダイカスト製ブラケットである後方ブラケット320では、第1取付部321の上面の全域にわたってチル層除去部325が設けられている。これに対して、車両用のアルミダイカスト製ブラケットでは、第1取付部321の上面の全域ではなく、第1取付部321の上面の少なくとも一部にチル層除去部325を有してもよい。この場合であっても、車両10の衝突時に大きな荷重が加わった際に、チル層除去部325から破断しやすくできる。
D.他の実施形態3
上述した実施形態における車両用のアルミダイカスト製ブラケットである後方ブラケット320では、第1取付部321の上面における第1取付穴327の外周を囲うようにチル層除去部325が設けられている。これに対して、車両用のアルミダイカスト製ブラケットは、第1取付穴327の外周を囲うようにチル層除去部325が設けられていなくてもよく、第1取付部321の上面の少なくとも一部にチル層除去部325が設けられていればよい。この場合であっても、車両10の衝突時に大きな荷重が加わった際に、チル層除去部325から破断しやすくできる。
E.他の実施形態4
上述した実施形態における車両用のアルミダイカスト製ブラケットである後方ブラケット320では、第1取付部321と第2取付部322との間には、本体部323が設けられている。これに対して、車両用のアルミダイカスト製ブラケットは、第1取付部321と第2取付部322との間に、本体部323が設けられておらず、第1取付部321と第2取付部322とが直接繋がっていてもよい。
F.他の実施形態5
上述した実施形態における車両用のアルミダイカスト製ブラケットである後方ブラケット320は、第1リブ324aと第2リブ324bと第3リブ324cとを有している。これに対して、車両用のアルミダイカスト製ブラケットは、第1リブ324aと第2リブ324bと第3リブ324cとを有さなくてもよい。
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10…車両
15…車体
20…前室
30…車室
40…床下部
100…燃料電池モジュール
110…燃料電池
120…スタックケース
130…支持フレーム
140…水素タンク
150…駆動用モータ
160…サスペンションメンバ
200…前方マウント部
210…前方マウント本体
220…前方ブラケット
300…後方マウント部
310…後方マウント本体
320…後方ブラケット
321…第1取付部
321P…第1板状部位
322…第2取付部
322P…第2板状部位
323…本体部
324a…第1リブ
324b…第2リブ
324c…第3リブ
325…チル層除去部
327…第1取付穴
328…第2取付穴
329…肉抜き穴
DB…ダッシュボード
FP…フロアパネル
FW…前輪
RW…後輪

Claims (3)

  1. 搭載物と車両構造体との間に設けられる車両用のアルミダイカスト製ブラケットであって、
    前記搭載物に接続される第1取付部と、
    前記車両構造体に接続される第2取付部と、
    を備え、
    前記第1取付部における前記搭載物が接続された際に前記搭載物と面する側の表面は、前記ブラケットの内部の層が露出したチル層除去部を有し、前記表面とは反対側の面は、チル層を有する、
    車両用のアルミダイカスト製ブラケット。
  2. 請求項1に記載の車両用のアルミダイカスト製ブラケットであって、
    前記表面および前記反対側の面を、前記表面に対して垂直な方向に投影したとき、前記表面よりも前記反対側の面の方が、チル層の面積が大きい、
    車両用のアルミダイカスト製ブラケット。
  3. 請求項1または請求項2に記載の車両用のアルミダイカスト製ブラケットであって、
    前記第1取付部には、前記搭載物を接続するためのボルトが嵌め合わされる取付穴が形成され、
    前記チル層除去部は、前記取付穴の外周を囲うように設けられている、
    車両用のアルミダイカスト製ブラケット。
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