JP7231572B2 - 車体下部構造 - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、車体下部構造に関する。特に、一対のロッカの間に電源が配置されている車体の下部構造に関する。
電気自動車では、走行用のモータに電力を供給する電源が一対のロッカの間に配置されている場合がある。なお、電源は、バッテリ、燃料電池などである。一対のロッカは、車体のそれぞれの側方下部にて車体の前後方向に延びる一対のフレームである。ロッカは、サイドシルと呼ばれることもある。
側方衝突の衝撃から電源を保護するため、衝撃のエネルギを吸収する部材(エネルギ吸収メンバ)がロッカに沿って配置される場合がある。特許文献1に、エネルギ吸収メンバの例が開示されている。特許文献1に記載されたエネルギ吸収メンバは、車体の前後方向に延びており、ロッカの下に接している。エネルギを吸収する機能と強度を両立させるため、エネルギ吸収メンバは中空であり、内部に補強板を有している。以下では、説明を簡略化するため、エネルギ吸収メンバをEAメンバ(Energy Absorbing メンバ)と称することにする。
特開2018-75939号公報
ロッカとEAメンバの間に隙間を確保するため、EAメンバの上板を貫通し、上端がロッカに当接するとともに下端がエネルギ吸収メンバの下板に当接するカラーを採用することがある。カラーは上板に溶接される。そのような構造に加えて、EAメンバの強度を高めるためにEAメンバの内部に補強板を設けたい。カラーと上板の溶接個所の近くに補強板が集中すると、溶接時の熱が補強板に拡散してしまい、カラーを上板にしっかりと溶接できなくなるおそれがある。
本明細書が開示する車体下部構造は、EAメンバの上板と下板を連結する複数の縦板を備えている。カラーに隣接する縦板を第1縦板と称し、カラーとは反対側で第1縦板に隣接する縦板を第2縦板と称する。さらにEAメンバの補強のため、第1縦板と第2縦板の間に筋交を取り付けたいが、第1縦板と上板が交差する内角に筋交を連結してしまうと、カラーと上板の溶接個所の近くに補強板が集中してしまう。
そこで、本明細書が開示する車体下部構造では、第1縦板と下板が交差する第1内角と、第2縦板と上板が交差する第2内角との間に筋交を連結する。筋交の連結箇所がカラーと上板の溶接個所から離れるので、カラーと上板の溶接個所の強度が保証される。
筋交は、電源が一対のEAメンバのそれぞれに支持されている構造のときに、EAメンバの変形を防ぐのに有効である。ロッカとEAメンバは、カラーを通過するボルトで共締めされていてもよい。さらには、ロッカの内部に補強材としてバルクが配置されていてもよい。その場合、ロッカとともにバルクもボルトで共締されているとよい。
また、EAメンバの上板は、ボルトに隣り合う一対の縦板の間における厚みが一対の縦板の外側における厚みよりも厚いとよい。ボルトから離れた位置における上板の厚みを薄くすることで、溶接時に上板に拡散する熱量を抑制することができる。
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
車体の斜視図である。 図1の平面IIでカットした車体の断面図である。 図2の破線IIIで囲った範囲の拡大図である。 比較例の車体下部構造の断面図である。 変形例の車体下部構造を示す断面図である。
図面を参照して実施例の車体下部構造3を説明する。図1に、車体2の斜視図を示す。なお、図1の座標系の「Left」は、車両の後方から前方をみたときの「左」を示している。以後の図でも、座標系の「Left」の意味は同じである。
車体2は一対のロッカ10を備えている。一対のロッカ10のそれぞれは、車体2の車幅方向のそれぞれの側方下部に配置されている。ロッカ10は細長形状であり、車両の前後方向に延びている。それぞれのロッカ10の長手方向の概ね中央に、センターピラー51の下端が接続されている。一対のロッカ10、および、センターピラー51は、車体の強度を確保するフレームの一種である。ロッカ10は金属板(典型的には鋼板)のプレス加工で作られる。
一対のロッカ10の間に電池パック40とフロアパネル50が配置されている。電池パック40には多数の電池セルが含まれている。多数の電池セルは直列に接続されており、高電圧の出力が可能である。電池パック40(電池セル)は、不図示の走行用モータに電力を供給する。
フロアパネル50はキャビンの床に相当する。フロアパネル50の車幅方向の両端のそれぞれは一対のロッカ10のそれぞれに固定される。電池パック40は、フロアパネル50の下に配置されている。詳しくは後述するが、ロッカ10に沿ってエネルギ吸収メンバ(図1では不図示)が配置されており、電池パック40は、エネルギ吸収メンバを介して一対のロッカ10に支持される。電池パック40は、エネルギ吸収メンバを介してロッカ10に支持されていると同時にフロアパネル50を介してロッカ10に支持されていてもよい。
エネルギ吸収メンバは、電池パック40の車幅方向の両側に配置される。先に述べたように、説明の便宜上、エネルギ吸収メンバをEAメンバ(Energy Absorbing メンバ)と称する。
図1の平面IIで車体2をカットした断面を図2に示す。図2は車体2の左側における車体下部構造3を示している。先に述べたように、電池パック40は、車両の右下と左下のそれぞれで、EAメンバ20(エネルギ吸収メンバ20)を介してロッカ10に固定されている。以下では、車体2の左側の下部構造を説明する。車体2は左右対称であり、車体2の右側の下部構造も図2と同じである。すなわち、実施例の車体下部構造3は、一対のロッカ10と一対のEAメンバ20を備えており、それぞれのEAメンバ20は、対応するロッカ10に沿って配置される。
電池パック40は、ロアカバー41、アッパカバー42、複数の電池セル43を含む。ロアカバー41とアッパカバー42でコンテナが形成されており、その中に複数の電池セル43が収容されている。ロアカバー41とアッパカバー42のそれぞれは、フランジを備えており、フランジ同士が接合されて、ロアカバー41とアッパカバー42は一つのコンテナを構成する。
ロッカ10は、ロッカインナパネル11とロッカアウタパネル12で構成される。ロッカインナパネル11は、横を向いている角張ったU字形状(溝形状)をなしているとともに、下フランジ11aと上フランジ11bを有している。下フランジ11aはロッカインナパネル11の横向きU字の下側の縁から下方へ延びており、上フランジ11bは、ロッカインナパネル11の横向きU字の上側の縁から上方へ延びている。ロッカアウタパネル12もロッカインナパネル11と同じ形状を有しており、ロッカインナパネル11の下フランジ11aと上フランジ11bのそれぞれと対向する下フランジ12aと上フランジ12bを有している。下フランジ11a、12aが溶接され、上フランジ11b、12bが溶接され、中空の角筒形状のロッカ10が完成する。図2では理解を助けるためにロッカアウタパネル12はロッカインナパネル11から離して描いてある。
ロッカ10の内部にはバルク60が配置されている。バルク60はロッカ10の強度を高める補強材である。バルク60は、ロッカインナパネル11とロッカアウタパネル12を接合するのに先立ってロッカインナパネル11の内側に取り付けられる。バルク60は、溶接にて、あるいは、ボルト(不図示)にて、ロッカインナパネル11に固定される。バルク60の内側にナット32が固定されている。ナット32は溶接にてロッカインナパネル11に固定される。
EAメンバ20は、第1EAメンバ21と第2EAメンバ22で構成される。第1EAメンバ21は、ロッカ10の下に配置される。第2EAメンバ22は、第1EAメンバ21と電池パック40の間に配置される。第1EAメンバ21はロッカ10に固定される。第2EAメンバ22は、第1EAメンバ21と連結されるとともに、電池パック40にも連結される。
EAメンバ20(第1EAメンバ21と第2EAメンバ22)は、中空の角筒形状をなしている梁である。EAメンバ20は、車両が側方衝突したときのエネルギを吸収し、電池パック40を保護する。EAメンバ20は、衝突の衝撃によって車幅方向につぶれることで衝突エネルギを吸収する。ロッカ10も衝突エネルギの吸収に寄与するが、ロッカ10だけでは衝突エネルギを十分に吸収しきれない。そこで、中空のEAメンバ20をロッカ10に沿って配置する。
EAメンバ20の強度は、衝突エネルギを効果的に吸収するようにシミュレーションなどによって予め決められる。第1EAメンバ21の内部空間は、上板23と下板24を連結する複数の縦板25によって幾つかのセル空間CSに区画されている。幾つかのセル空間には、矩形のセル空間を対角方向に延びる筋交27が設けられている。縦板25と筋交27の数と厚みを調整することで、第1EAメンバ21の強度を調整することができる。EAメンバ20の強度は、少なくとも電池パック40の強度よりも低く設定されている。しかし、EAメンバ20は、電池パック40を支持するのに十分な強度を備えている。
先に述べたように、第1EAメンバ21はロッカ10の下方に配置されるが、ロッカ10は、底板13から下方に延びる下フランジ11a(12a)を備えている。第1EAメンバ21は、下フランジ11a(12a)との干渉を避けて配置されなければならない。第1EAメンバ21を、下フランジ11a(12a)の内側(車幅方向の車両中心側)の部分と外側の部分に分けるとEAメンバの構造が複雑になってしまう。実施例の車体下部構造3では、第1EAメンバ21とロッカ10の間にカラー30を配置し、第1EAメンバ21の下フランジ11a(12a)との干渉を回避する。第1EAメンバ21を下フランジ11a(12a)よりも下方に配置することで、シンプルな形状であり、かつ、下フランジ11a(12a)よりも車幅方向の外側へ延びる第1EAメンバ21を実現することが可能となる。
カラー30は、金属製の円筒である。カラー30は、別言すれば、ロッカ10と第1EAメンバ21との間に隙間を確保するためのスペーサである。図2に示すように、カラー30の第1EAメンバ21よりも上の高さh1は、下フランジ11a(12a)の高さh2よりも大きい。カラー30によって、ロッカ10の底板13と第1EAメンバ21の上板23との間には、距離h1の隙間が確保される。下フランジ11a(12a)の高さはh2(<h1)なので、下フランジ11a(12a)は、第1EAメンバ21と干渉しない。それゆえ、第1EAメンバ21として単純な角筒形状を採用することができ、製造コストを抑えることができる。
カラー30の周辺の構造を説明する。カラー30は、第1EAメンバ21の上板23に設けられた孔を貫通している。カラー30の上端はロッカ10の底板13の下面に当接している。カラー30の下端は下板24の上面に当接している。カラー30は上板23に溶接されている。カラー30と上板23が交差する箇所に、溶接ビード39が形成されている。
第1EAメンバ21とロッカ10とバルク60は、カラー30の内側を通るボルト31とナット32で共締めされ、相互に固定される。
走行中に電池パック40が上下に振動すると、カラー30も上下に振動し、ロッカ10に上下方向の振動荷重が加わる。カラー30とナット32の間には底板13とバルク60が挟まれているので、カラー30の上下方向の振動に対するロッカ10の撓みは小さい。
電池パック40の下面から車幅方向の外側へ向けて支持板44が延びている。支持板44も、ボルト31とナット32により、第1EAメンバ21と共締めされ、相互に固定される。電池パック40から延びている支持板44を第1EAメンバ21に固定することで、電池パック40がEAメンバ20に強固に固定される。
第1EAメンバ21と第2EAメンバ22の連結構造について説明する。第1EAメンバ21の上板23の端から車両中心に向けてフランジ26が延びている。第2EAメンバ22は、ボルト33とナット34により、第1EAメンバ21のフランジ26に固定される。電池パック40から延びている支持板44も、ボルト33で第2EAメンバ22に固定される。第2EAメンバ22は、第1EAメンバ21のフランジ26と、電池パック40の支持板44に挟まれて固定される。第2EAメンバ22は、電池パック40のロアカバー41の側面に接着される。電池パック40と第2EAメンバ22は、接着剤とボルト33によって強固に連結される。
EAメンバ20は、ロッカ10に固定される第1EAメンバ21と、電池パック40に接着される第2EAメンバ22に分割されている。第2EAメンバ22は第1EAメンバ21から着脱可能である。EAメンバ20は、第1EAメンバ21と第2EAメンバ22の組み合わせを調整することで、異なる車幅の複数の自動車に対応可能である。
カラー周辺の構造についてさらに詳しく説明する。図3に、図2の破線矩形IIIの範囲の拡大図を示す。先に述べたように、第1EAメンバ21は中空の角筒形状を有しており、内部に幾つかの縦板25と筋交27を有している。縦板25は、第1EAメンバ21の上板23と下板24に連結している。縦板25は、第1EAメンバ21の中を車両長手方向に沿って延びている。今、カラー30の左側に隣り合う縦板25を第1縦板25aと称し、カラー30の反対側で縦板25aに隣り合う縦板25を第2縦板25bと称する。また、カラー30の右側に隣り合う縦板25を第3縦板25cと称する。
第1EAメンバ21の内部空間は、幾つかの縦板25によって幾つかのセル空間CSに区画されている。セル空間CSも矩形であり、いくつかのセル空間には、矩形の対角方向に延びる筋交27が備えられている。筋交27も、第1EAメンバ21の中を車両長手方向に沿って延びている。
第1縦板25aと第2縦板25bの間に設けられた筋交い27を筋交27aと称する。筋交27aは、第1縦板25aと下板24が交差する第1内角28aと、第2縦板25bと上板23が交差する第2内角28bを連結する。筋交27aは、第1縦板25aと上板23が交差する第3内角28cと、第2縦板25bと下板24が交差する第4内角28dの間ではなく、第1内角28aと第2内角28bの間に設けられている。この筋交27aの向きは、カラー30と上板23の間の溶接個所の強度を低下させないために採用される。その理由を以下で説明する。
上板23の厚みT2は、カラー30の厚みT1(カラー30の筒の厚みT1)とほぼ等しいか、厚みT1よりもやや薄い。より具体的には、厚みT1に対する厚みT2の比は、0.5以上、1.0以下である。なお、カラー30の近くで上板23に連結している第1縦板25aを考慮すると、上板23とカラー30が交差する位置における上板23の厚みT2は、等価的に、カラー30の厚みT1にほぼ等しい。
交差する2枚の板(カラー30と上板23)を溶接する場合、2枚の板の厚みが概ね等しいことが望ましい。厚みが大きく異なると、厚みの大きい板では溶接の熱が拡散し、厚みの薄い板に比較して板の温度上昇が遅くなる。そのため、溶接の際、薄い板の温度は厚みの大きい板の温度よりも高くなる。そのため、厚みの大きい板で溶接材が溶融する前に厚みの薄い板が溶けてしまうおそれがある。厚みの薄い板が溶けてしまうと溶接個所の強度が下がってしまう。
図4に、比較例として、筋交27cが第1縦板25aと上板23が交差する第3内角28cと、第2縦板25bと下板24が交差する第4内角28dの間に設けられている第1EAメンバ121の断面図を示す。筋交27aの上端は、上板23とカラー30の溶接個所の近傍に位置する。それゆえ、図4にて太い矢印線で示すように、溶接の熱が筋交27cへ拡散する。その結果、溶接の際に上板23の温度が十分に高くなる前にカラー30が過熱して溶けてしまう。そうすると、カラー30と上板23の溶接個所の強度が下がってしまう。
図3に示すように、実施例の車体下部構造3では、筋交27aは、上板23とカラー30との溶接個所から遠くなるように、第1内角28aと第2内角28bとの間に設けられている。図3の構造により、筋交27aを有しつつ、カラー30と上板23の間の溶接個所の強度が確保される。
筋交27を設けることによる利点を説明する。図2に示したように、電池パック40は、EAメンバ20に支持されており、EAメンバ20はボルト31でロッカ10に固定されている。EAメンバ20の電池パック40に近い側には、電池パック40の重さが加わる。それゆえ、第1EAメンバ21には、電池パック40とボルト31の間で上下方向のせん断力が加わる。第1EAメンバ21は、このせん断力により変形する。筋交27a(および、筋交27aよりも電池パック40に近い側に設けられた筋交27b)は、第1EAメンバ21の変形を抑える。
なお、せん断力は、電池パック40とボルト31の間で大きく、電池パック40からボルト31よりも遠い側では小さい。それゆえ、電池パック40からボルト31より遠い側の第3縦板25cには筋交が設けられていない。
(変形例)図5を参照して変形例の車体下部構造103を説明する。図5は、図3に対応する断面図であり、カラー30の周辺の断面を示している。変形例の車体下部構造103では、第1EAメンバ121の上板123の厚みが途中で変化している。下板124の厚みも途中で変化している。上板123と下板124の厚みのほかは、変形例の車体下部構造103は実施例の車体下部構造3と同じである。
上板123は、カラー30に隣り合う一対の縦板(第1縦板25aと第3縦板25c)の間では厚く(厚みT2)、一対の縦板(第1縦板25aと第3縦板25c)の外側では薄い(厚みT3)。一対の縦板(第1縦板25aと第3縦板25c)の間における上板123の厚みT2は、カラー30の厚みと同じかそれよりやや薄い。実施例の場合と同様に、厚みT1に対する厚みT2の比は、0.5以上、1.0以下である。カラー30の近くで上板123に連結している第1縦板25a、第3縦板25cを考慮すると、一対の縦板(第1縦板25aと第3縦板25c)の間における上板123の厚みT2は、等価的に、カラー30の厚みT1にほぼ等しい。
一対の縦板(第1縦板25aと第3縦板25c)の外側における上板123の厚みT3は、厚みT2よりも薄い。カラー30と上板123の溶接個所(図5の溶接ビード39の箇所)の近くでは上板123に縦板25a、25cが連結している。溶接の際の熱は縦板25a、25cに拡散する。その結果、溶接の際、カラー30よりも上板123は温度上昇が遅くなる。一対の縦板(第1縦板25aと第3縦板25c)の外側における上板123の厚みT3を薄くすることで、溶接の際に上板123に拡散する熱量を抑えることができる。その結果、溶接の際のカラー30と上板123の温度差が小さくなり、溶接個所の強度低下を抑えることができる。
なお、下板124も、カラー30に隣り合う一対の縦板(第1縦板25aと第3縦板25c)の間のT2よりも、一対の縦板(第1縦板25aと第3縦板25c)の外側の厚みT3が小さい。これは、ボルト31のヘッド31aと重なる領域では下板124の厚みを大きくして強度を高め、ヘッド31aから離れた部分では厚みを薄くして軽量化を図るためである。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。EAメンバ20(第1EAメンバ21、第2EAメンバ22)は、車両前後方向に交差する平面でカットした断面形状が、車両前後方向の位置によらず同じである。EAメンバ20(第1EAメンバ21、第2EAメンバ22)は、金属(典型的にはアルミニウム)の押出成形で作られる。
1個のバルク60は1本のボルト31でロッカ10に固定される。1個のバルク60は複数のボルトでロッカ10に固定されてもよい。1個のバルク60を固定する複数のボルトのそれぞれにカラー30が挿通されており、それぞれのボルトがカラー30を介してEAメンバ20をロッカ10に固定する構造であってもよい。1個のバルク60に対して1個の支持板44が複数のボルトで共締めされていてもよい。
電池パック40が電源の一例である。電池パック40は、複数の電池セルを収容している。一対のロッカ10の間に配置される電源は、電池パックに限られず、燃料電池、あるいはキャパシタを収容しているデバイスであってもよい。
EAメンバ20(第1EAメンバ21と第2EAメンバ22)は、中空の角筒形状をなしている梁である。従って、「第1EAメンバ」は「第1梁」と称してもよく、「第2EAメンバ」は「第2梁」と称してもよい。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
2:車体 3、103:車体下部構造 10:ロッカ 11:ロッカインナパネル 11a、12a:下フランジ 11b、12b:上フランジ 12:ロッカアウタパネル 13:底板 20:エネルギ吸収メンバ(EAメンバ) 21、121:第1EAメンバ 22:第2EAメンバ 23、123:上板 24、124:下板 25、25a-25c:縦板 27、27a、27b、27c:筋交 30:カラー 31、33:ボルト 32、34:ナット 39:溶接ビード 40:電池パック 41:ロアカバー 42:アッパカバー 43:電池セル 44:支持板(ブラケット) 45:クロスメンバ 50:フロアパネル 51:センターピラー 60、60a-60c:バルク

Claims (4)

  1. 車体のそれぞれの側方下部に配置されており、車体前後方向に延びている一対のロッカと、
    一対の前記ロッカの間に配置されている電源と、
    一対の前記ロッカのそれぞれの下方に位置している中空の一対のエネルギ吸収メンバと、
    前記エネルギ吸収メンバの上板を貫通しており、上端が前記ロッカに当接しているとともに下端が前記エネルギ吸収メンバの下板に当接しており、前記上板に溶接されているカラーと、
    を備えており、
    前記エネルギ吸収メンバは、前記上板と前記下板を連結する複数の縦板を備えており、
    複数の前記縦板は、前記カラーに隣接している第1縦板と、前記カラーとは反対側で前記第1縦板に隣接している第2縦板を含んでおり、
    前記エネルギ吸収メンバは、前記第1縦板と前記下板が交差する第1内角と前記第2縦板と前記上板が交差する第2内角とを連結する筋交を備えている、車体下部構造。
  2. 前記電源が一対の前記エネルギ吸収メンバのそれぞれに支持されている、請求項1に記載の車体下部構造。
  3. 前記ロッカと前記エネルギ吸収メンバは、前記カラーを通過するボルトで共締めされている、請求項1または2に記載の車体下部構造。
  4. 前記上板は、前記ボルトに隣り合う一対の前記縦板の間における厚みが一対の前記縦板の外側における厚みよりも厚い、請求項に記載の車体下部構造。
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