JP7409927B2 - フレーム組立体の製造方法及びフレーム組立体 - Google Patents

Description

本発明は、フレーム組立体の製造方法及びフレーム組立体にする。

近年、電力による駆動する車両（電気自動車、ハイブリッド自動車等を含む）の開発が、進展している。このような車両に搭載する電池システムは、一般的に、多数のバッテリー（電池、電池セル）を所定のフレーム等により構成した部材に収納した構成を有している。

特許文献１は、車両水平方向に並んで配置され、車体下部の骨格の一部を構成する複数の車体骨格部材と、各々が複数の電池セルを含んで構成されると共に、各々が複数の車体骨格部材間に直接又は別部材を介して挟まることで車体に拘束された複数の電池スタックと、を備えた電池搭載構造を開示している。

特許文献２は、トレイベースプレートと、トレイベースプレートの周囲に配置された取付ビームとを含み、動力バッテリーを搭載可能な自動車トレイコンポーネントであって、トレイベースプレートは、上プレート部、中プレート部、及び下プレート部を含み、冷却空洞は、上プレート部と中プレート部との間に配置され、緩衝空洞は、中プレート部と下プレート部との間に配置される構成を開示している。

特開２０１８－２０２９４６号公報 特開２０１９－５３１９５５号公報

図６は、バッテリーを収容する車載用バッテリートレイの組み立てにおいて、従来から使用されているフレーム組立体１１０を示す。フレーム組立体１１０は、溶接等によって互いに直接接続されたサイドメンバ１１１とクロスメンバ１１３とを備えている。サイドメンバ１１１、クロスメンバ１１３は、フレーム組立体１０の骨格をなすいわば骨格部材であり、車体への取り付けにあたっては、二つのサイドメンバ１１１が車体の幅方向の両端に位置し、三つのクロスメンバ１１３が、車体の前後方向に並ぶように位置する。

上述したフレーム組立体１１０の如き所定の骨格部材等により構成し、バッテリーを収納するバッテリートレイは、バッテリーを衝撃から保護するため強度が必要されるとともに、バッテリーで発生する熱を逃がすための放熱性、バッテリーの液漏れを防止するためのシール性も必要とされる。また、重量低減の観点から、骨格部材の軽量化も必要とされる。

軽量化のためには骨格部材を溶接により接合することが望まれるが、できるだけ隙間を抑えてバッテリーを配列するため、接合には高い精度が要求される。図７、図８は一般的なフレーム組立体１１０の製造方法にあたって発生し得る課題を示す。予め紙面の奥方向に延びるサイドメンバ１１１を治具５に配置し、クロスメンバ１１３をクランプ等によって矢印Ａで示す下方向に押さえ付けながら、クロスメンバ１１３を治具５の底面まで移動させる。その後サイドメンバ１１１とクロスメンバ１１３を溶接することにより、フレーム組立体１１０が完成する。

しかしながら、図８に示す様に、実際の製造現場ではサイドメンバ１１１が傾いた状態で治具５に配置されることがある。これはサイドメンバ１１１、クロスメンバ１１３の加工精度に起因するもので、実際の部材は曲がりや捩りが発生しているためである。このような状態でクロスメンバ１１３をクランプ等によって押し込んでもサイドメンバ１１１とクロスメンバ１１３の間に隙間が発生してしまうため、溶接後の製品精度が低下するおそれがある。

本発明は、高いシール性を達成し得るフレーム組立体及び当該フレーム組立体を製造する製造方法を提供する。

本発明のフレーム組立体の製造方法は、二つの第１の骨格部材を、所定の距離を設けて互いに平行になるように所定の位置に固定し、
前記二つの第１の骨格部材に対し第２の骨格部材が直交する状態で、前記二つの第１の骨格部材と前記第２の骨格部材を溶接するフレーム組立体の製造方法であって、
前記第１の骨格部材は、垂直方向から傾斜した第１の傾斜面を有し、前記第２の骨格部材は、端部において前記第１の傾斜面に沿って垂直方向から傾斜した第２の傾斜面を有し、
前記第２の傾斜面を前記第１の傾斜面に接触させつつ、前記二つの第１の骨格部材の下面と前記第２の骨格部材の下面が一の仮想平坦面を画定する位置するまで、前記第２の骨格部材を垂直かつ下方向に押し込み、前記第１の骨格部材と前記第２の骨格部材を溶接する。

本発明のフレーム組立体の製造方法は、例えば前記二つの第１の骨格部材の二つの第１の傾斜面は、前記下方向に沿って互いに接近するように傾斜しており、前記第２の骨格部材の両端部における二つの第２の傾斜面は、前記下方向に沿って互いに接近するように傾斜している。

本発明のフレーム組立体の製造方法は、例えば二つの垂直方向に延びた側壁を有する治具を用意し、前記側壁に対し、前記第１の傾斜面とは逆側に位置する前記第１の骨格部材の外側側面を密着させた状態で、前記二つの第１の骨格部材を前記治具に固定する。

本発明のフレーム組立体の製造方法は、例えば前記二つの第１の骨格部材の下面と前記第２の骨格部材の下面が一の仮想平坦面を画定する位置するまで、当該第２の骨格部材を下方向に押し込んだ状態において、当該第２の骨格部材の上面が、前記二つの第１の骨格部材の上面より上方向に突出している。

本発明のフレーム組立体は、第１の骨格部材と、前記第１の骨格部材の長手方向に対し直交するように配置された第２の骨格部材と、を備え、前記第１の骨格部材は、長手方向に延びる面であって、垂直方向から傾斜した第１の傾斜面を有し、前記第２の骨格部材は、端部において前記第１の傾斜面に沿って垂直方向から傾斜した第２の傾斜面を有し、
前記第１の骨格部材の下面と前記第２の骨格部材の下面が一の仮想平坦面を画定した状態で、前記第１の骨格部材と前記第２の骨格部材とが溶接されている。

本発明のフレーム組立体の製造方法によれば、骨格部材間に発生し得る隙間を抑制し、シール性に優れたフレーム組立体を製造できる。

図１は、本発明の実施形態に係るフレーム組立体の斜視図である。 図２は、実施形態に係るフレーム組立体を製造する状態を説明する斜視図である。 図３は、実施形態に係るフレーム組立体を製造する状態を説明する側面図である。 図４は、実施形態に係るフレーム組立体を製造する状態を説明する側面図である。 図５は、他の形態の方法により、フレーム組立体を製造する状態を説明する側面図である。 図６は、従来のフレーム組立体の斜視図である。 図７は、従来のフレーム組立体を製造する状態を説明する側面図である。 図８は、従来のフレーム組立体を製造する状態を説明する側面図である。

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。しかしながら、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用できる。

図１は、本発明の実施形態に係るフレーム組立体１０の斜視図である。フレーム組立体１０は、電気自動車等の電力を動力とした移動体に搭載される車載用バッテリートレイを構成する構造体等に用いられるが、その用途は特に限定されない。車載用バッテリートレイは、複数のバッテリーを収納可能であって、電力による駆動する車両（電気自動車、ハイブリッド自動車等を含む）の車体フロアの下側に配置され、車体に固定される。車載用バッテリートレイ１は、事故等による破損が生じバッテリー液がバッテリーケースから漏れ出した場合に、車外にバッテリー液が流出するのを防ぐ役割を果たす。このため、車載用バッテリートレイ１は、シール性の高い水密構造（防水構造）であることが必須である。

実施形態のフレーム組立体１０は、サイドメンバ１１と、クロスメンバ１３とを備えている。サイドメンバ１１、クロスメンバ１３は、フレーム組立体１０の骨格をなすいわば骨格部材であり、長手方向を持つ長尺状である。フレーム組立体１０の一面に平板のフロアパネルを取り付けて完成する車載用バッテリートレイの車体への取り付けにあたっては、二つのサイドメンバ１１が車体の幅方向の両端に位置し、三つのクロスメンバ１３が、車体の前後方向に並ぶように位置する。

サイドメンバ１１、クロスメンバ１３は押出成形された部材であり、具体的には、矩形の中空断面を有するアルミニウム合金を素材とした中空押出形材から構成される。ただし、中空断面には補強のため、各種形状のリブを設けてもよい。断面の形状も口の字型、日型、目型、田の字型等の任意の形状を採用することができ特に限定はされない。また、開断面の押出形材と閉断面の押出形材を組み合わせてもよい。なお、サイドメンバ１１、クロスメンバ１３はダイキャスト成形、ダイキャストインサート成形等の方法により成形してもよい。

また、サイドメンバ１１と、クロスメンバ１３は、厚みが２～５ｍｍ程度のアルミニウム合金の中空押出形材からなるが、使用アルミニウム合金の種類は、強度が優れて、より薄肉化が可能である点で、ＪＩＳ乃至ＡＡで言う５０００系、６０００系、７０００系などのアルミ合金が適用される。これら素材アルミニウム合金の中空押出形材は、鋳造（ＤＣ鋳造法や連続鋳造法）、均質化熱処理、熱間押出、溶体化および焼入れ処理、必要により人工時効処理、などの調質処理を適宜組み合わせて行う、通常の形材製造工程によって製造される。サイドメンバ１１、クロスメンバ１３をアルミニウム合金による押出成形により製造することにより、軽量化を図れる。

本実施形態において、サイドメンバ１１とクロスメンバ１３は、互いの長手方向に対し直交するように配置される。更にサイドメンバ１１は、長手方向に延びる面であって、垂直方向から傾斜した第１の傾斜面１１ｐを有し、クロスメンバ１３は、端部において第１の傾斜面１１ｐに沿って垂直方向から傾斜した第２の傾斜面１３ｐを有している（図２及び図３参照）。

図２はフレーム組立体１０を構成する各部材を治具５に配置して接合組立を行う状態を示す斜視図であり、図３は図２と同じ状態における側面図である。治具５はステンレス鋼等により構成されたフレーム組立体１０を製造する補助部材である。治具５は断面コの字型を呈し、底部５１と底部５１の両端から垂直方向に延びた二つの側壁５３を有している。オペレータ又は所定の装置（ロボット）が、二つのサイドメンバ１１の第１の傾斜面１１ｐとは逆側に位置する外側側面を二つの側壁５３に密着させ、二つのサイドメンバ１１を、用意された治具５に固定する。これにより、二つのサイドメンバ１１が、所定の距離を設けて互いに平行になるように、治具５の所定の位置に安定的に固定できる。特にサイドメンバ１１は、上辺（上側面）より下辺（下側面）が長く形成されており、安定的に配置される。

次に、オペレータ又は所定の装置（ロボット）が、クロスメンバ１３（本例では三つ）を二つのサイドメンバ１１に対し直交する状態となるようにサイドメンバ１１の上に配置する。そして、クランプ等の装置を用いることにより、クロスメンバ１３を矢印Ａの様に垂直かつ下方向に押し込む。三つのクロスメンバ１３を同時に押し込んでもよいし、別々のタイミングで押し込んでもよい。

上述した様に、サイドメンバ１１は、垂直方向から傾斜した第１の傾斜面１１ｐを有し、クロスメンバ１３は、端部において第１の傾斜面１１ｐに沿って垂直方向から傾斜した第２の傾斜面１３ｐを有している。図３は傾斜した角度を示しており、角度θ_１が第１の傾斜面１１ｐの傾斜角度、角度θ_２が第２の傾斜面１３ｐの傾斜角度を示し、角度θ_１と角度θ_２は基本的に等しくする事が好ましいが、クロスメンバ１３の押し込みに支障のない範囲で角度θ_１と角度θ_２が異なっていてもよい。

すなわち、サイドメンバ１１の二つの第１の傾斜面１１ｐは、下方向に沿って互いに接近するように傾斜しており、クロスメンバ１３の両端部における二つの第２の傾斜面１３ｐは、下方向に沿って互いに接近するように傾斜している。このような関係において、クランプ等の装置を用いて、クロスメンバ１３を矢印Ａの様に垂直かつ下方向に押し込む際、第１の傾斜面１１ｐと第２の傾斜面１３ｐが互いに接触しつつ、第２の傾斜面１３ｐが第１の傾斜面１１ｐ上を移動する。クロスメンバ１３の長さが多少長くても、サイドメンバ１１とクロスメンバ１３の傾斜面の作用により、負荷を大きくすればクロスメンバ１３を下方向に進ませられるため、サイドメンバ１１とクロスメンバ１３の間に生じ得る隙間を抑制できる。また、クロスメンバ１３の押し込みにつれて、第１の傾斜面１１ｐと第２の傾斜面１３ｐが面接触しながら接触面積を増加させつつ上から下まで移動するため、サイドメンバ１１が捩れていても、その捩れが押し戻されるため精度の高いフレーム体を得ることができる。

そして、図４に示す様に、クロスメンバ１３を下方向に押し込み続けると、クロスメンバ１３は、治具５の底部５１に到達する。すなわち、二つのサイドメンバ１１の下面とクロスメンバ１３の下面（長手方向の一側面）が同一の高さ位置に位置する。よって、この位置においては、サイドメンバ１１とクロスメンバ１３により一の平坦な面である仮想平坦面Ｐが画定される。例えば車載用バッテリートレイを製造する場合には、この仮想平坦面Ｐの形成された面に平板のフロアパネルを取り付けることにより、隙間を抑制し、シール性を高めた車載用バッテリートレイを製造できる。フレーム組立体１０は、車載用バッテリートレイのみならず、隙間を抑制し、高いシール性が要求される構造体の製造に対応できる。

図４の後、サイドメンバ１１とクロスメンバ１３を適宜複数個所において溶接（突合せ溶接、すみ肉溶接）することにより、図１のフレーム組立体１０が完成する。用いられる溶接の種類は特に限定されないが、例えばＭＩＧ溶接（Metal Inert Gas Welding）、ＴＩＧ溶接（Tungsten Inert Gas Welding）、ＦＳＷ（摩擦攪拌溶接；Friction Stir Welding）等の各種溶接を利用でき、所望の強度や所望のシール性に応じて全周溶接、部分溶接などを選択することができる。また、溶接前に適宜ＭＩＧスポット溶接や摩擦攪拌点溶接等で仮止めを行ってもよい。仮止めを行うことにより、治具の構成をより簡単なものにすることができる。

図５は、他の形態の方法により、フレーム組立体１０を製造する状態を説明する側面図である。本例では、クロスメンバ１３が治具５の底部５１に到達した状態で、クロスメンバ１３の上面が、二つのサイドメンバ１１の上面より上方向に、高さＧの分だけ突出している。このような形態により、クロスメンバ１３の高さ（幅）に予め余裕を持たせることができる。なお、図５の状態から、クロスメンバ１３の上面を各種の方法により切削、研磨等することにより、クロスメンバ１３の上面とサイドメンバ１１の上面を同一高さに揃えることができる。

サイドメンバ１１、クロスメンバ１３は、フレーム組立体１０の骨格をなすいわば骨格部材であり、サイドメンバ１１が第１の骨格部材、クロスメンバ１３が第２の骨格部材として捉えることにより、本発明は、第１の骨格部材と第２の骨格部材によりフレーム組立体を製造する製造方法まで拡張される。サイドメンバ１１が第２の骨格部材、クロスメンバ１３が第１の骨格部材であってもよい。フレーム組立体１０の用途は特に限定されない。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

５ 治具
１０ フレーム組立体
１１ サイドメンバ（骨格部材）
１３ クロスメンバ（骨格部材）
Ｐ 仮想平坦面

Claims (5)

1. 二つの第１の骨格部材を、所定の距離を設けて互いに平行になるように所定の位置に固定し、
   前記二つの第１の骨格部材に対し第２の骨格部材が直交する状態で、前記二つの第１の骨格部材と前記第２の骨格部材を溶接するフレーム組立体の製造方法であって、
   前記第１の骨格部材は、長手方向に延びる面であって、垂直方向から傾斜した第１の傾斜面を有し、前記第２の骨格部材は、端部において前記第１の傾斜面に沿って垂直方向から傾斜した第２の傾斜面を有し、
   前記第２の傾斜面を前記第１の傾斜面に接触させつつ、前記二つの第１の骨格部材の下面と前記第２の骨格部材の下面が一の仮想平坦面を画定する位置まで、前記第２の骨格部材を垂直かつ下方向に押し込み、前記第１の骨格部材と前記第２の骨格部材を溶接する、
   フレーム組立体の製造方法。
2. 前記二つの第１の骨格部材の二つの第１の傾斜面は、前記下方向に沿って互いに接近するように傾斜しており、前記第２の骨格部材の両端部における二つの第２の傾斜面は、前記下方向に沿って互いに接近するように傾斜している、請求項１に記載のフレーム組立体の製造方法。
3. 二つの垂直方向に延びた側壁を有する治具を用意し、
   前記側壁に対し、前記第１の傾斜面とは逆側に位置する前記第１の骨格部材の外側側面を密着させた状態で、前記二つの第１の骨格部材を前記治具に固定する、請求項１又は２に記載のフレーム組立体の製造方法。
4. 前記二つの第１の骨格部材の下面と前記第２の骨格部材の下面が一の仮想平坦面を画定する位置するまで、当該第２の骨格部材を下方向に押し込んだ状態において、当該第２の骨格部材の上面が、前記二つの第１の骨格部材の上面より上方向に突出している、請求項１～３のいずれか１項に記載のフレーム組立体の製造方法。
5. 第１の骨格部材と、
   前記第１の骨格部材の長手方向に対し直交するように配置された第２の骨格部材と、
   を備え、
   前記第１の骨格部材は、長手方向に延びる面であって、垂直方向から傾斜した第１の傾斜面を有し、前記第２の骨格部材は、端部において前記第１の傾斜面に沿って垂直方向から傾斜した第２の傾斜面を有し、
   前記第１の骨格部材の下面と前記第２の骨格部材の下面が一の仮想平坦面を画定した状態で、前記第１の骨格部材と前記第２の骨格部材とが溶接されているフレーム組立体。

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