JP7842373B2

JP7842373B2 - 自動車フレーム構造

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Publication number: JP7842373B2
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Inventors: 優樹北原; 研一郎大塚; 博司吉田
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Current assignee: Nippon Steel Corp
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Filing date: 2025-02-13
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Description

本発明は、自動車のフレーム構造に関する。

ＳＵＶやトラックなどの自動車の車体には、車体下部にラダーフレームと呼ばれる梯子状のフレームを有するボディオンフレーム構造が採用されている。そのようなラダーフレームの構造として、特許文献１には、サイドレールの特定箇所に発生する横曲げ応力を低減することができる車両用ラダーフレームが開示されている。また、特許文献２には、モノコックボディの骨格部材として適用可能な、引抜き加工又はハイドロフォーム加工によって成形された自動車用強度部材が開示されている。

日本国特許出願公開第２００４－２４３９８４号公報日本国特許出願公開第２００２－２８４０３３号公報

近年の自動車の電動化に伴い、ラダーフレームを備えるフレーム構造車においても電動化対応のための開発が求められる。具体的には、バッテリー保護性能の更なる向上の観点から、衝突時におけるラダーフレームの車体内部への変形を更に抑制できる構造が求められる。また、フロア下にバッテリーを搭載しない自動車においても、乗員保護性能の更なる向上の観点では車体内部への変形を抑制できる衝突性能に優れたフレーム構造が求められる。一方で、環境負荷低減の観点から、車体の軽量化も求められる。すなわち、軽量化と衝突性能を両立させるために実質的な重量増加を伴わずに衝突性能を向上させるラダーフレームの開発が望まれる。また、軽量化と衝突性能の両立は、ラダーフレームのみならず、モノコックボディの骨格部材においても共通する課題である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、実質的な重量増加を伴わずに衝突性能に優れたフレーム構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一態様は、自動車のフレーム構造であって、引張強さが７８０ＭＰａ以上の金属材料からなる第１部材と、前記第１部材より車内側に配置された金属材料からなる第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とによって形成された、前記フレーム構造の軸方向に延びた中空部と、を有し、前記第１部材は、前記中空部の車外側の壁部を構成する側壁と、前記側壁から車内側に延びた段状壁部と、前記側壁と前記段状壁部とを繋ぐ前記軸方向に延びた稜線部と、を有し、前記段状壁部は、前記第２部材に接合され、当該第２部材との接合面と平行に延在する第１壁部と、前記第１壁部よりも前記中空部の内方側に位置し、前記稜線部に繋がる第２壁部と、を有し、前記第１部材の板厚は２．３ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下であり、前記段状壁部の段差高さｈと前記第１部材の断面高さｈ₀が０．０６≦ｈ／ｈ₀≦０．０８を満たし、前記段状壁部の段差幅ｗと前記第１部材の断面幅ｗ₀が０．４５≦ｗ／ｗ₀≦０．５７を満たすことを特徴とする。

別の観点による本発明の一態様は、自動車のフレーム構造であって、引張強さが７８０ＭＰａ以上の金属材料からなる第１部材と、前記第１部材より車内側に配置された金属材料からなる第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とによって形成された、前記フレーム構造の軸方向に延びた中空部と、を有し、前記第１部材は、前記中空部の車外側の壁部を構成する側壁と、前記側壁から車内側に延びた段状壁部と、前記側壁と前記段状壁部とを繋ぐ前記軸方向に延びた稜線部と、を有し、前記段状壁部は、前記第２部材に接合され、当該第２部材との接合面と平行に延在する第１壁部と、前記第１壁部よりも前記中空部の内方側に位置し、前記稜線部に繋がる第２壁部と、を有し、前記第１部材の板厚は２．０ｍｍ以上、２．３ｍｍ未満であり、前記段状壁部の段差高さｈと前記第１部材の断面高さｈ₀が０．０６≦ｈ／ｈ₀≦０．１５を満たし、前記段状壁部の段差幅ｗと前記第１部材の断面幅ｗ₀が０．４５≦ｗ／ｗ₀≦０．６３を満たすことを特徴とする。

さらに別の観点による本発明の一態様は、自動車のフレーム構造であって、引張強さが７８０ＭＰａ以上の金属材料からなる第１部材と、前記第１部材より車内側に配置された金属材料からなる第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とによって形成された、前記フレーム構造の軸方向に延びた中空部と、を有し、前記第１部材は、前記中空部の車外側の壁部を構成する側壁と、前記側壁から車内側に延びた段状壁部と、前記側壁と前記段状壁部とを繋ぐ前記軸方向に延びた稜線部と、を有し、前記段状壁部は、前記第２部材に接合され、当該第２部材との接合面と平行に延在する第１壁部と、前記第１壁部よりも前記中空部の内方側に位置し、前記稜線部に繋がる第２壁部と、を有し、前記第１部材の板厚は０．８ｍｍ以上、２．０ｍｍ未満であり、前記段状壁部の段差高さｈと前記第１部材の断面高さｈ ₀ が０．０６≦ｈ／ｈ ₀ ≦０．２２を満たし、前記段状壁部の段差幅ｗと前記第１部材の断面幅ｗ ₀ が０．４５≦ｗ／ｗ ₀ ≦０．６０を満たすことを特徴とする。

実質的な重量増加を伴わずに衝突性能に優れたフレーム構造を提供することができる。

第１実施形態に係るフレーム構造の適用対象となるラダーフレームの一例を示す図である。第１実施形態に係るフレーム構造としてのサイドレールの概略構成を説明するための断面図である。段状壁部の段差高さｈ、断面高さｈ₀、段差幅ｗおよび断面幅ｗ₀の定義について説明するための図である。段状壁部を有するアウターパネルの製造方法の一例を説明するためのプレス成形装置の概略構成を示す図である。第２実施形態に係るフレーム構造としてのサイドフレームがバッテリーケースに取り付けられた例を示す図である。第２実施形態に係るフレーム構造としてのサイドフレームの概略構成を説明するための断面図である。サイドフレームの構造例を示す図である。サイドフレームの構造例を示す図である。ポール側突を想定した三点曲げシミュレーションの解析モデルを説明するための図である。ポール衝突時におけるフレーム構造の車体内側への侵入量の定義について説明するための図である。段差高さｈ／断面高さｈ₀と侵入量との関係を示す図である。段差幅ｗ／断面幅ｗ₀と侵入量との関係を示す図である。段状壁部を有しないモデルにおけるポール衝突時の変形状態を模式的に示した図である。段状壁部を有するモデルにおけるポール衝突時の変形状態を模式的に示した図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るフレーム構造の適用対象となるラダーフレームの一例を示す図である。本実施形態および後述の第２実施形態で参照する図面中のＸ方向は車長方向、Ｙ方向は車幅方向、Ｚ方向は車高方向（鉛直方向）であり、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は互いに垂直な方向である。また、本実施形態および後述の第２実施形態に係るフレーム構造においては、Ｘ方向は、フレーム構造の軸方向と言い換えることもできる。

図１に示すように、ラダーフレーム１は、車長方向（Ｘ方向）に延びた２つのサイドレール１０、１１と、車幅方向（Ｙ方向）に延びた複数のクロスメンバ１２を備えている。２つのサイドレール１０、１１は、車幅方向に間隔を空けて配置されている。複数のクロスメンバ１２は、２つのサイドレール１０、１１の間において、車長方向に間隔を空けて配置され、各サイドレール１０、１１に対して接合されている。

本発明に係るフレーム構造は、例えば上記のサイドレール１０、１１に適用される。次に、図２を参照してフレーム構造としてのサイドレール１０の概略構成について説明する。図２は、図１中のＡ－Ａ断面に相当する図であり、サイドレール１０の車長方向（Ｘ方向）に垂直な断面を示す。

サイドレール１０は、第１部材としてのアウターパネル２０と、アウターパネル２０の車幅方向内側（Ｙ方向負側）に配置された第２部材としてのインナーパネル３０と、アウターパネル２０とインナーパネル３０によって形成された車長方向（Ｘ方向）に延びた中空部４０を有する。このサイドレール１０は、バッテリーケース５０の側方に位置しており、自動車の側面衝突の際にはサイドレール１０によってバッテリーケース５０が保護される。

アウターパネル２０は、中空部４０の車幅方向外側（Ｙ方向正側）の壁部を構成するＸ－Ｚ面内に延在した側壁２１と、側壁２１の下端部から車幅方向内側（Ｙ方向負側）に延びた底壁２２と、側壁２１の上端部から車幅方向内側に延びた天壁２３を有する。これらの側壁２１、底壁２２および天壁２３は、例えば１枚の鋼板のプレス加工によって形成され、これにより側壁２１の下端部と底壁２２との間には稜線部２４ａが形成され、側壁２１の上端部と天壁２３との間には、稜線部２５ａが形成されている。換言すると、アウターパネル２０は、側壁２１と底壁２２とを繋ぐ稜線部２４ａと、側壁２１と天壁２３とを繋ぐ稜線部２５ａを有する。これらの稜線部２４ａ、２５ａは、アウターパネル２０の軸方向（Ｘ方向）に沿って延びている。

上記の側壁２１、底壁２２、天壁２３および稜線部２４ａ、２５ａを有したアウターパネル２０は、略コ字状断面を有する部材であり、ハット状断面の部材ではない。すなわち、底壁２２から下方に向かって延びるようなフランジおよび天壁２３から上方に向かって延びるようなフランジは形成されていない。

底壁２２は、インナーパネル３０に接合された第１壁部２２ａと、その第１壁部２２ａと側壁２１の間に位置する第２壁部２２ｂを有する。

底壁２２の第１壁部２２ａは、１つの平面内（本実施形態ではＸ－Ｙ面内）に延在した壁部であり、第１壁部２２ａが延在する平面は、インナーパネル３０と第１壁部２２ａの接合面に平行な面である。換言すると、第１壁部２２ａは、インナーパネル３０との接合面と平行に延在した壁部である。

底壁２２の第２壁部２２ｂは、第１壁部２２ａよりも中空部４０の内方（図２の例では上方）に位置し、前述の稜線部２４ａを介して側壁２１の下端部に繋がっている。第１壁部２２ａと第２壁部２２ｂは、例えば鋼板のプレス加工によって形成され、第１壁部２２ａと第２壁部２２ｂとの間には、アウターパネル２０の軸方向（Ｘ方向）に延びた稜線部２４ｂ、２４ｃが形成されている。

第１壁部２２ａと第２壁部２２ｂは、これらの稜線部２４ｂ、２４ｃを介して互いに繋がり、底壁２２は、第１壁部２２ａと第２壁部２２ｂによって段差が形成された壁部として構成されている。本明細書では、このような段差を有する壁部を「段状壁部」と称す。

天壁２３は、底壁２２と同様に段状壁部である。天壁２３は、インナーパネル３０に接合された第１壁部２３ａと、その第１壁部２３ａと側壁２１の間に位置する第２壁部２３ｂを有する。

天壁２３の第１壁部２３ａは、１つの平面内（本実施形態ではＸ－Ｙ面内）に延在した壁部であり、第１壁部２３ａが延在する平面は、インナーパネル３０と第１壁部２３ａの接合面に平行な面である。換言すると、第１壁部２３ａは、インナーパネル３０との接合面と平行に延在した壁部である。

天壁２３の第２壁部２３ｂは、第１壁部２３ａよりも中空部４０の内方（図２の例では下方）に位置し、前述の稜線部２５ａを介して側壁２１の上端部に繋がっている。第１壁部２３ａと第２壁部２３ｂは、例えば鋼板のプレス加工によって形成され、第１壁部２３ａと第２壁部２３ｂとの間には、アウターパネル２０の軸方向（Ｘ方向）に延びた稜線部２５ｂ、２５ｃが形成されている。第１壁部２３ａと第２壁部２３ｂは、これらの稜線部２５ｂ、２５ｃを介して互いに繋がっている。

段状壁部を有するアウターパネル２０は、例えば図４に示すプレス成形装置を用いて製造される。具体的には、ブランク４５の中央部（成形品の側壁２１に対応する部分）をパッド４６とパンチ４７で挟持し、その状態でダイ４８を下降させることで製造される。

インナーパネル３０は、中空部４０の車幅方向内側（Ｙ方向負側）の壁部を構成するＸ－Ｚ面内に延在した側壁３１と、側壁３１の下端部から車幅方向外側（Ｙ方向正側）に延びた底壁３２と、側壁３１の上端部から車幅方向外側に延びた天壁３３を有する。これらの側壁３１、底壁３２および天壁３３は、例えば１枚の鋼板のプレス加工によって形成される。

中空部４０は、インナーパネル３０の底壁３２とアウターパネル２０の底壁２２の第１壁部２２ａとが互いに接合され、インナーパネル３０の天壁３３とアウターパネル２０の天壁２３の第１壁部２３ａとが互いに接合されることによって形成される。接合手段としては、例えばアーク溶接やスポット溶接などの溶接や工業用接着剤による接着等が選択され得る。

なお、本実施形態では、第１部材としてのアウターパネル２０と第２部材としてのインナーパネル３０とが接合されることによって中空部４０が形成されるが、中空部４０を構成する第２部材は、インナーパネル３０に限定されず、他の部材であってもよい。

アウターパネル２０およびインナーパネル３０の材料は、例えば引張強さが５９０ＭＰａ以上または７８０ＭＰａ以上の鋼材、あるいはアルミニウム合金材またはマグネシウム合金材などの金属材料が適用される。鋼材の引張強さは、望ましくは９８０ＭＰａ以上であり、さらに望ましくは１１８０ＭＰａ以上である。

製品として加工された各パネル２０、３０の材料の引張強さについては、次の方法で測定されるビッカース硬さから換算された引張強さの値を当該材料の引張強さとみなす。まず、プレス成形品の天板部（本実施形態における側壁２１または側壁３１）の板厚方向に沿う断面を含む試験片を採取する。その後、当該断面（試験面）に対し、天板部表面（本実施形態における側壁２１の車外側表面または側壁３１の車内側表面）から板厚の１／４の位置において、１ｍｍ間隔でJIS Z 2244-1(2024)に準拠したビッカース硬さ試験（試験力9.8Ｎ）を行う。そして、各測定点で測定されたビッカース硬さの平均値を算出し、硬度換算表を用いてビッカース硬さの平均値から引張強さを算出する。例えばビッカース硬さ２４３ＨＶは、引張強さ７８０ＭＰａに相当し、ビッカース硬さ３０５ＨＶは、引張強さ９８０ＭＰａに相当し、ビッカース硬さ３６７ＨＶは、引張強さ１１８０ＭＰａに相当する。

なお、各パネル２０、３０の板厚は、例えば０．８～１０．０ｍｍである。各パネル２０、３０の板厚は、望ましくは１．６ｍｍ以上であり、さらに望ましくは２．０ｍｍ以上または２．３ｍｍ以上である。また、各パネル２０、３０の板厚は、例えば２．５ｍｍ以上または２．９ｍｍ以上という板厚も選択され得る。また、各パネル２０、３０の板厚は、例えば４．０ｍｍ以下、３．５ｍｍ以下または３．０ｍｍ以下という板厚が選択され得る。また、各パネル２０、３０の板厚は、互いに異なっていてもよい。

各パネル２０、３０が有する各稜線部の板厚中心における曲率半径は、例えば５．０～１５．０ｍｍである。また、各パネル２０、３０の軸方向の長さは、例えば５００～５０００ｍｍである。

次に、図３を参照しながら段状壁部（底壁２２と天壁２３）について更に詳細に説明する。後述の実施例の結果でも示すように、段状壁部を有するフレーム構造においては、アウターパネル２０の板厚に応じて特定の数値範囲を満たすように段差が形成される。
具体的には、アウターパネル２０の板厚が２．３ｍｍ以上の場合には、段状壁部の段差高さｈとアウターパネル２０の断面高さｈ₀が０．０１≦ｈ／ｈ₀≦０．１５を満たし、段状壁部の段差幅ｗとアウターパネル２０の断面幅ｗ₀が０．０１≦ｗ／ｗ₀≦０．６０を満たすように段差が形成される。
アウターパネル２０の板厚が２．０ｍｍ以上、２．３ｍｍ未満の場合には、０．０１≦ｈ／ｈ₀≦０．２２を満たし、かつ０．０１≦ｗ／ｗ₀≦０．６３を満たすように段差が形成される。
アウターパネル２０の板厚が０．８ｍｍ以上、２．０ｍｍ未満の場合には、０．０１≦ｈ／ｈ₀≦０．３０を満たし、かつ０．０１≦ｗ／ｗ₀≦０．６５を満たすように段差が形成される。

ここで「段差高さ」とは、第１壁部から第２壁部までの高さ（車高方向長さ）である。この段差高さは、例えば第１壁部の外面と第２壁部の外面との間の鉛直方向長さと言い換えることもできる。本実施形態では、底壁２２における第１壁部２２ａの下面から第２壁部２２ｂの下面までの高さ、および天壁２３における第１壁部２３ａの上面から第２壁部２３ｂの上面までの高さが、いずれも段差高さｈである。

「断面高さ」とは、アウターパネル２０の車高方向（Ｚ方向）の最大長さである。本実施形態における断面高さｈ₀は、底壁２２の第１壁部２２ａの下面から天壁２３の第１壁部２３ａの上面までのＺ方向長さである。

「段差幅」とは、車幅方向（Ｙ方向）における側壁２１の外面から第１壁部までの最小長さである。この段差幅は、例えば側壁２１の外面から、第１壁部とそれに隣接する稜線部の境界点（Ｒ止まり）までの車幅方向長さであると言い換えることもできる。本実施形態では、側壁２１の外面から底壁２２の第１壁部２２ａまでのＹ方向長さ、および側壁２１の外面から天壁２３の第１壁部２３ａまでのＹ方向長さがいずれも段差幅ｗである。

「断面幅」とは、アウターパネル２０の車幅方向（Ｙ方向）の最大長さである。本実施形態における断面幅ｗ₀は、側壁２１の外面から底壁２２または天壁２３の車幅方向内側の端部までのＹ方向長さである。

段差高さｈ／断面高さｈ₀と段差幅ｗ／断面幅ｗ₀が前述した特定の数値範囲を満たすように段差が形成されている場合には、自動車の側突時にサイドレール１０のアウターパネル２０側の潰れ変形を促進でき、曲げ変形によるサイドレール１０の車体内側への変形を抑制できる。さらに、第２壁部２２ｂ、２３ｂが一般的なビード形状部と同様に機能し、側突時における側壁２１の局所的な座屈が抑制され、サイドレール１０の車体内側への変形を抑制できる。これによって、側突時におけるサイドレール１０の車体内側への侵入量が低減するため、サイドレール１０の衝突性能を向上させることができる。

なお、底壁２２と天壁２３の段差部分の形状が互いに異なる場合には、底壁２２の段差高さｈおよび段差幅ｗと、天壁２３の段差高さｈおよび段差幅ｗとが互いに異なる数値になることもある。この場合においては、底壁２２の段差高さｈと段差幅ｗを用いて前述の数値範囲を満たすように底壁２２の段差が形成され、さらに天壁２３の段差高さｈと段差幅ｗを用いて前述の数値範囲を満たすように天壁２３の段差が形成されていればよい。

アウターパネル２０の板厚が２．３ｍｍ以上の場合、上記の衝突性能の向上効果を高める観点では、ｈ／ｈ₀は０．１２以下または０．１０以下であることが好ましい。ｈ／ｈ₀は、より好ましくは０．０８以下であり、さらに好ましくは０．０６以下である。同様に、上記の衝突性能の向上効果を高める観点では、ｗ／ｗ₀は０．４５以上であることが好ましい。ｗ／ｗ₀は、より好ましくは０．４７以上であり、さらに好ましくは０．５０以上である。また、ｗ／ｗ₀は、好ましくは０．５８以下であり、より好ましくは０．５７以下であり、さらに好ましくは０．５６以下である。

アウターパネル２０の板厚が２．０ｍｍ以上、２．３ｍｍ未満の場合、上記の衝突性能の向上効果を高める観点では、ｈ／ｈ₀は０．１５以下または０．１０以下であることが好ましい。ｈ／ｈ₀は、より好ましくは０．０８以下であり、さらに好ましくは０．０６以下である。同様に、上記の衝突性能の向上効果を高める観点では、ｗ／ｗ₀は０．６０以下であることが好ましい。より好ましくは０．５５以下であり、さらに好ましくは０．５０以下である。

アウターパネル２０の板厚が０．８ｍｍ以上、２．０ｍｍ未満の場合、上記の衝突性能の向上効果を高める観点では、ｈ／ｈ₀は０．０８以下であることが好ましい。ｈ／ｈ₀は、より好ましくは０．０７以下であり、さらに好ましくは０．０６以下である。同様に、上記の衝突性能の向上効果を高める観点では、ｗ／ｗ₀は０．６０以下であることが好ましい。より好ましくは０．５５以下であり、さらに好ましくは０．５０以下である。

以上、本実施形態に係るフレーム構造としてのサイドレール１０の概略構成について説明した。なお、サイドレール１０に対向して配置される図１に示したサイドレール１１は、図２および図３に示したサイドレール１０を左右反転した構造であるため詳細な説明は省略するが、サイドレール１１もサイドレール１０と同様の作用効果を奏する。

本実施形態に係る段状壁部を有するサイドレール１０、１１によれば、側突時における車体内側への侵入量を低減でき、衝突性能が向上する。また、軸方向に垂直な断面におけるサイドレール１０、１１の線長は、段状壁部を有しないサイドフレーム（図示せず）の線長と略同一であるため、段状壁部を設けることによる実質的な重量増加は生じない。すなわち、本実施形態に係る段状壁部を有するサイドレール１０、１１は、実質的な重量増加を伴わずに衝突性能に優れたフレーム構造といえる。

＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態に係るフレーム構造としてのサイドフレーム６０、６１について説明するための図である。本実施形態におけるサイドフレーム６０、６１は、バッテリーケース５０の側方に設けられるものである。バッテリーケース５０は、車長方向（Ｘ方向）に延びた一対の側壁５１、５２を有しており、サイドフレーム６０は、側壁５１に取り付けられ、サイドフレーム６１は、側壁５２に取り付けられている。

次に、サイドフレーム６０の概略構成について説明するが、材料や板厚などの第１実施形態と重複する説明については省略する場合がある。また、サイドフレーム６１の構造は、車長方向（Ｘ方向）から見てサイドフレーム６０の構造を左右反転した構造であるため、サイドフレーム６１の詳細な説明については省略する。

図６は、バッテリーケース５０の側壁５１に取り付けられたサイドフレーム６０の概略構成を示す図であり、車長方向（Ｘ方向）に垂直な断面を示している。サイドフレーム６０は、バッテリーケース５０と、モノコックボディのサイドシル７０との間に配置される。

サイドフレーム６０のアウターパネル２０は、側壁２１と底壁２２とを含む略Ｌ字状の断面形状を有している。底壁２２は、段状壁部であり、第１壁部２２ａと、第１壁部２２ａよりも上方に位置する第２壁部２２ｂとを有する。

インナーパネル３０は、側壁３１と天壁３３とを有し、さらに側壁３１の下端部から車幅方向内側（Ｙ方向負側）に延びたフランジ３４と、天壁３３の車幅方向外側の端部（Ｙ方向正側の端部）から車高方向上方に延びたフランジ３５とを有する。

中空部４０は、アウターパネル２０の側壁２１とインナーパネル３０のフランジ３５が互いに接合され、アウターパネル２０の底壁２２とインナーパネル３０のフランジ３４が互いに接合されることによって形成されている。また、例えばインナーパネル３０の側壁３１またはフランジ３４がバッテリーケース５０に対して接合されることによって、サイドフレーム６０がバッテリーケース５０に取り付けられている。

サイドフレーム６０の構造が図６に示した構造である場合、断面高さｈ₀は、底壁２２の第１壁部２２ａの下面から側壁２１の上端までの車高方向長さ（Ｚ方向長さ）であり、段差高さｈ、段差幅ｗ、断面幅ｗ₀は、第１実施形態と同様である。

第２実施形態に係るサイドフレーム６０においても、段差高さｈ／断面高さｈ₀と段差幅ｗ／断面幅ｗ₀が第１実施形態で説明したような特定の数値範囲を満たす場合には、車体内側への構造物の侵入量を低減でき、衝突性能を向上させることができる。

なお、サイドフレーム６０の構造は、図６に示した構造に限定されず、例えば図７に示すような構造であってもよい。図７に示すサイドフレーム６０においては、アウターパネル２０が略Ｌ字状ではなく、側壁２１と、段状壁部である底壁２２と、天壁２６と、フランジ２７を含む形状を有している。天壁２６は、側壁２１の上端部から車幅方向内側（Ｙ方向負側）に延び、フランジ２７は、その天壁２６の車幅方向内側の端部から上方に向かって延びている。

図７に示すインナーパネル３０は、側壁３１とフランジ３４を含むＬ字状に形成されている。側壁３１は、アウターパネル２０のフランジ２７に接合され、フランジ３４は、アウターパネル２０の底壁２２の第１壁部２２ａに接合されている。これによってサイドフレーム６０の中空部４０が形成されている。

サイドフレーム６０の構造が図７に示した構造である場合、断面高さｈ₀は、底壁２２の第１壁部２２ａの下面からフランジ２７の上端までの車高方向長さ（Ｚ方向長さ）である。段差高さｈ、段差幅ｗ、断面幅ｗ₀については、図６に示した構造を有するサイドフレーム６０と同様である。

また、サイドフレーム６０の構造は、例えば図８に示すような構造であってもよい。図８に示す例では、アウターパネル２０の全体形状が上述した図７のアウターパネル２０の形状と略同一であるが、アウターパネル２０が２部品で構成されている。詳述すると、アウターパネル２０は、段状壁部である底壁２２と側壁２１ａを含む部品２０Ａと、側壁２１ｂと天壁２６とフランジ２７を含む部品２０Ｂとを有している。

部品２０Ａの側壁２１ａの上端部と部品２０Ｂの側壁２１ｂの下端部は、互いに接合されており、これらの側壁２１ａと側壁２１ｂによって、アウターパネル２０としての側壁２１が構成されている。換言すると、側壁２１ａは、アウターパネル２０の側壁２１の下部を構成し、側壁２１ｂは、アウターパネル２０の側壁２１の上部を構成する。

サイドフレーム６０の構造が図８に示した構造である場合、段差高さｈは、部品２０Ａの底壁２２における第１壁部２２ａの下面から第２壁部２２ｂの下面までの車高方向長さ（Ｚ方向長さ）である。断面高さｈ₀は、部品２０Ａの第１壁部２２ａの下面から部品２０Ｂのフランジ２７の上端までの車高方向長さ（Ｚ方向長さ）である。段差幅ｗは、部品２０Ａの側壁２１ａの外面から底壁２２の第１壁部２２ａまでの車幅方向長さ（Ｙ方向長さ）である。断面幅ｗ₀は、部品２０Ａの側壁２１ａの外面から底壁２２の車幅方向内側の端部までの車幅方向長さ（Ｙ方向長さ）である。

図８を参照して説明したように、段状壁部を有する第１部材としてのアウターパネル２０は、１部品構成されることに限定されず、複数部品が互いに接合されることによって構成されてもよい。

なお、図６～図８で例示したように、段状壁部に相当する底壁２２が有する第１壁部２２ａは、１つの平面内（本実施形態ではＸ－Ｙ面内）に延在した壁部であり、第１壁部２２ａが延在する平面は、インナーパネル３０と第１壁部２２ａの接合面に平行な面である。換言すると、第１壁部２２ａは、インナーパネル３０との接合面と平行に延在した壁部である。一方、例えば底壁２２から下方に延びたフランジ（図示せず）を有するハット状の部品においては、底壁２２が延在する平面と、インナーパネル３０と底壁２２の接合面とが非平行である。すなわち、そのようなハット状の部品は、段状壁部である底壁２２を有するアウターパネル２０とは異なるものである。

以上、本発明の実施形態について例示したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態の構成要件は任意に組み合わせることができる。当該任意の組み合わせからは、組み合わせにかかるそれぞれの構成要件についての作用及び効果が当然に得られるとともに、本明細書の記載から当業者には明らかな他の作用及び他の効果が得られる。

また、前述の第１実施形態では、フレーム構造の一例としてバッテリーケース５０の側方に設けられたサイドレール１０、１１について説明したが、サイドレール１０、１１は、例えばバッテリーケースの非搭載車におけるラダーフレームのサイドレールとして適用されてもよい。

また例えば、本明細書で説明したフレーム構造は、バンパービーム、ドアインパクトビーム、サイドシル、センターピラー（Ｂピラー）、フロントピラー（Ａピラー）またはルーフレールであってもよい。いずれの適用例においても、第１部材と、その第１部材より車内側に位置する第２部材を備えた中空部を有するフレーム構造において、第１部材が、前記中空部の車外側の壁部を構成する側壁と、その側壁から車内側に延びた段状壁部を有し、さらに段状壁部が前述したｈ／ｈ₀とｗ／ｗ₀に関する特定の数値範囲を満たす形状であった場合には、車体内部への変形抑制効果を得ることができる。

なお、フレーム構造が、例えば前述したラダーフレーム１のサイドレール１０、１１やサイドフレーム６０、ドアインパクトビーム、サイドシル、センターピラー、フロントピラーまたはルーフレールである場合の「車外側」とは、車幅方向の外側（キャビン側とは反対側）である。また、フレーム構造がフロント側のバンパービームである場合の「車外側」は、車長方向における前方側（キャビン側とは反対側）であり、フレーム構造がリア側のバンパービームである場合の「車外側」は、車長方向における後方側（キャビン側とは反対側）である。

また、フレーム構造が、例えば前述したラダーフレーム１のサイドレール１０、１１やサイドフレーム６０、ドアインパクトビーム、サイドシル、センターピラー、フロントピラーまたはルーフレールである場合の「車内側」とは、車幅方向の内側（キャビン側）である。また、フレーム構造がフロント側のバンパービームである場合の「車内側」は、車長方向における後方側（キャビン側）であり、フレーム構造がリア側のバンパービームである場合の「車内側」は、車長方向における前方側（キャビン側）である。

本発明の実施例として、アウターパネルの天壁と底壁の各々に段差を有する図３のようなフレーム構造の解析モデルを作成して三点曲げシミュレーションを行い、衝突性能を評価した。また、比較例としてアウターパネルの天壁と底壁に段差を有しないフレーム構造の解析モデルを作成し、実施例と同様に三点曲げシミュレーションを実施した。

（シミュレーション条件）
図９は、ポール側突を想定した三点曲げシミュレーションの解析モデルを説明するための図である。図９に示すフレーム構造８０は、コ字状断面のアウターパネル９０とコ字状断面のインナーパネル３０とが接合された構造であり、アウターパネル９０が段状壁部を有しない比較例としてのモデルである。

フレーム構造８０のインナーパネル３０には、車長方向（Ｘ方向）に間隔を空けて配置された車幅方向（Ｙ方向）に延びた２つの支柱１００が接している。支柱１００の直径は１００ｍｍであり、２つの支柱１００の中心間距離は３５０ｍｍである。三点曲げシミュレーションは、上記２つの支柱１００間の中央位置においてアウターパネル９０側から直径３００ｍｍのポール１０１を衝突させることで実施した。ポール１０１への投入エネルギーは１２ｋＪである。

（侵入量の定義）
図１０は、ポール衝突時におけるフレーム構造の車体内側への侵入量について説明するための図である。本シミュレーションにおいて、フレーム構造の車体内側への侵入量は、インナーパネル３０の車体内側の壁面（Ｙ方向負側の壁面）の初期位置から、ポール衝突後における当該壁面の最も車体内側に位置する箇所までのＹ方向距離である。

以上で説明したシミュレーション条件による三点曲げシミュレーションとフレーム構造の車体内側への侵入量の評価を下記表１に示す各モデル（Ｎｏ．１～１８）について実施した。なお、各モデルにおけるアウターパネルとインナーパネルの材料は、いずれも１１８０ＭＰａの鋼板である。

表１中の各項目の詳細は次の通りである。「アウタ板厚」はアウターパネルの板厚であり、「インナ板厚」はインナーパネルの板厚である。「ｈ」、「ｈ₀」、「ｗ」および「ｗ₀」は、それぞれ前記の実施形態で説明した段差高さ、断面高さ、段差幅、断面幅である。なお、表１中の「ｈ／ｈ₀」と「ｗ／ｗ₀」の項目で下線を付した数値は、前記の実施形態で説明した、板厚に応じて規定された数値範囲の範囲外の数値であることを意味する。

「侵入量変化率」は、段状壁部を有しない比較例モデルの侵入量を基準とした各モデルにおける侵入量を示す指標であり、各モデルの侵入量を、段状壁部を有しないモデルの侵入量で除した値である。侵入量変化率が１未満となることは、段状壁部を有しないモデルよりも、車体内側への侵入量が小さくなり、衝突性能が向上することを意味する。なお、モデルＮｏ．１～６の侵入量変化率は、モデルＮｏ．１の侵入量を基準とした値であり、モデルＮｏ．７～１２の侵入量変化率は、モデルＮｏ．７の侵入量を基準とした値であり、モデルＮｏ．１３～１８の侵入量変化率は、モデルＮｏ．１３の侵入量を基準とした値である。

図１１は、本シミュレーションにおける段差高さｈ／断面高さｈ₀と侵入量との関係を示す図である。図１２は、本シミュレーションにおける段差幅ｗ／断面幅ｗ₀と侵入量との関係を示す図である。図１１、図１２および上記の表１に示すように、アウターパネルの板厚が２．９ｍｍのモデル（Ｎｏ．１～６）のうち、０．０１≦ｈ／ｈ₀≦０．１２を満たし、かつ、０．０１≦ｗ／ｗ₀≦０．６０を満たすモデルにおいては、侵入量変化率が１未満であった。すなわち、段状壁部を有しないＮｏ．１のモデルよりもポール衝突時におけるフレーム構造の車体内側への侵入量が抑制され、衝突性能が向上した。

また、アウターパネルの板厚が１．６ｍｍのモデル（Ｎｏ．７～１２）のうち、０．０１≦ｈ／ｈ₀≦０．３０を満たし、かつ、０．０１≦ｗ／ｗ₀≦０．６５を満たすモデルでは侵入量変化率が１未満であった。すなわち、段状壁部を有しないＮｏ．７のモデルよりもポール衝突時におけるフレーム構造の車体内側への侵入量が抑制され、衝突性能が向上した。

アウターパネルの板厚が２．３ｍｍのモデル（Ｎｏ．１３～１８）のうち、０．０１≦ｈ／ｈ₀≦０．１５を満たし、かつ、０．０１≦ｗ／ｗ₀≦０．６０を満たすモデルでは侵入量変化率が１未満であった。すなわち、段状壁部を有しないＮｏ．１３のモデルよりもポール衝突時におけるフレーム構造の車体内側への侵入量が抑制され、衝突性能が向上した。

表１に示すように、アウターパネルの板厚が２．３ｍｍのモデルＮｏ．１８のｈ／ｈ₀は、アウターパネルの板厚が１．６ｍｍのモデルＮｏ．１２のｈ／ｈ₀と同一の値であるが、モデルＮｏ．１８の侵入量変化率については、モデルＮｏ．１２よりも劣る結果となった。図１１に示す同一板厚のプロット点を結ぶ直線の傾きを考慮すれば、アウターパネルの板厚が２．３ｍｍよりも僅かに薄い場合には、ｈ／ｈ₀が０．２２程度であっても、侵入量変化率は１未満となることが推察される。同様に、図１１に示す同一板厚のプロット点を結ぶ直線の傾きを考慮すれば、アウターパネルの板厚が２．３ｍｍよりも僅かに薄い場合には、ｗ／ｗ₀が０．６３程度であっても、侵入量変化率が１未満となることが推察される。したがって、アウターパネルの板厚が２．０ｍｍ以上、２．３ｍｍ未満である場合には、０．０１≦ｈ／ｈ₀≦０．２２を満たし、かつ０．０１≦ｗ／ｗ₀≦０．６３を満たす段状壁部が形成されることで、衝突性能に優れたフレーム構造を得ることができる。

また、図１１および図１２に示す結果によれば、アウターパネルの板厚が２．０ｍｍ未満である場合には、アウターパネルの板厚が２．０ｍｍ以上の場合のｈ／ｈ₀およびｗ／ｗ₀の上限値をさらに引き上げても侵入量変化率が１未満となることが推察される。したがって、アウターパネル２０の板厚が０．８ｍｍ以上、２．０ｍｍ未満の場合には、０．０１≦ｈ／ｈ₀≦０．３０を満たし、かつ０．０１≦ｗ／ｗ₀≦０．６５を満たす段状壁部が形成されることで、衝突性能に優れたフレーム構造を得ることができる。

ここで、アウターパネルの段状壁部の有無によって衝突性能が異なる理由について図１３と図１４を参照しながら説明する。図１３は、段状壁部を有しないモデルにおけるポール衝突時の変形状態を模式的に示した図である。図１４は、段状壁部を有するモデルにおけるポール衝突時の変形状態を模式的に示した図である。図中の（ａ）は、ポール衝突前のフレーム構造の初期状態を示し、（ｂ）はポール衝突時のフレーム構造の変形状態を示している。

アウターパネル９０が段状壁部を有しない図１３に示すモデルにおいては、ポール１０１が側壁９１に衝突した際に底壁９２と天壁９３が曲げモーメントによって初期位置から断面外側に倒れ込むように変形する。一方、アウターパネル２０が段状壁部である底壁２２および天壁２３を有する図１４に示すモデルでは、ポール衝突時に段状壁部の第１壁部２２ａ、２３ａが断面外側に倒れ込むが、第２壁部２２ｂ、２３ｂは断面内側に倒れ込むように変形する。

これにより、フレーム構造１０のアウターパネル２０側の潰れ変形量が増大し、インナーパネル３０側の曲げ変形が抑制される。これに加え、ポール１０１の衝突時における段状壁部は、一般的なビード形状部と同様に機能し、側壁２１の局所的な座屈が抑制される。その結果、ポール１０１の衝突時にアウターパネル２０に生じる応力が、図１３のようなコ字状断面のフレーム構造８０と比較して車長方向（Ｘ方向）のより広い範囲に分布し、フレーム構造１０の変形が抑制される。段状壁部を有するフレーム構造１０は、これらの変形抑制作用によって衝突性能が向上し、車体内側への侵入を抑制できる。

以上、本発明の実施例について説明した。本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

本発明は、ラダーフレームのサイドレールなどの自動車フレーム構造に適用できる。

１ラダーフレーム
１０サイドレール（フレーム構造）
１１サイドレール（フレーム構造）
１２クロスメンバ
２０アウターパネル
２０Ａアウターパネルの構成部品
２０Ｂアウターパネルの構成部品
２１側壁
２１ａ側壁
２１ｂ側壁
２２底壁
２２ａ第１壁部
２２ｂ第２壁部
２３天壁
２３ａ第１壁部
２３ｂ第２壁部
２４ａ～２４ｃ稜線部
２５ａ～２５ｃ稜線部
２６天壁
２７フランジ
３０インナーパネル
３１側壁
３２底壁
３３天壁
３４フランジ
３５フランジ
４０中空部
４５ブランク
４６パッド
４７パンチ
４８ダイ
５０バッテリーケース
６０サイドフレーム
６１サイドフレーム
７０サイドシル
８０フレーム構造
９０アウターパネル
９１側壁
９２底壁
９３天壁
１００支柱
１０１ポール
ｈ段差高さ
ｈ₀ 断面高さ
ｗ段差幅
ｗ₀ 断面幅

Claims

自動車のフレーム構造であって、
引張強さが７８０ＭＰａ以上の金属材料からなる第１部材と、
前記第１部材より車内側に配置された金属材料からなる第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材とによって形成された、前記フレーム構造の軸方向に延びた中空部と、を有し、
前記第１部材は、
前記中空部の車外側の壁部を構成する側壁と、
前記側壁から車内側に延びた段状壁部と、
前記側壁と前記段状壁部とを繋ぐ前記軸方向に延びた稜線部と、を有し、
前記段状壁部は、
前記第２部材に接合され、当該第２部材との接合面と平行に延在する第１壁部と、
前記第１壁部よりも前記中空部の内方側に位置し、前記稜線部に繋がる第２壁部と、を有し、
前記第１部材の板厚は２．３ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下であり、
前記段状壁部の段差高さｈと前記第１部材の断面高さｈ₀が０．０６≦ｈ／ｈ₀≦０．０８を満たし、
前記段状壁部の段差幅ｗと前記第１部材の断面幅ｗ₀が０．４５≦ｗ／ｗ₀≦０．５７を満たす、フレーム構造。
前記第１部材の板厚は２．５ｍｍ以上である、請求項１に記載のフレーム構造。
前記段差高さｈと前記断面高さｈ₀がｈ／ｈ₀≦０．１０を満たす、請求項１または２に記載のフレーム構造。
前記段差幅ｗと前記断面幅ｗ₀が０．４５≦ｗ／ｗ₀≦０．５８を満たす、請求項１または２に記載のフレーム構造。
自動車のフレーム構造であって、
引張強さが７８０ＭＰａ以上の金属材料からなる第１部材と、
前記第１部材より車内側に配置された金属材料からなる第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材とによって形成された、前記フレーム構造の軸方向に延びた中空部と、を有し、
前記第１部材は、
前記中空部の車外側の壁部を構成する側壁と、
前記側壁から車内側に延びた段状壁部と、
前記側壁と前記段状壁部とを繋ぐ前記軸方向に延びた稜線部と、を有し、
前記段状壁部は、
前記第２部材に接合され、当該第２部材との接合面と平行に延在する第１壁部と、
前記第１壁部よりも前記中空部の内方側に位置し、前記稜線部に繋がる第２壁部と、を有し、
前記第１部材の板厚は２．０ｍｍ以上、２．３ｍｍ未満であり、
前記段状壁部の段差高さｈと前記第１部材の断面高さｈ₀が０．０６≦ｈ／ｈ₀≦０．１５を満たし、
前記段状壁部の段差幅ｗと前記第１部材の断面幅ｗ₀が０．４５≦ｗ／ｗ₀≦０．６３を満たす、フレーム構造。
自動車のフレーム構造であって、
引張強さが７８０ＭＰａ以上の金属材料からなる第１部材と、
前記第１部材より車内側に配置された金属材料からなる第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材とによって形成された、前記フレーム構造の軸方向に延びた中空部と、を有し、
前記第１部材は、
前記中空部の車外側の壁部を構成する側壁と、
前記側壁から車内側に延びた段状壁部と、
前記側壁と前記段状壁部とを繋ぐ前記軸方向に延びた稜線部と、を有し、
前記段状壁部は、
前記第２部材に接合され、当該第２部材との接合面と平行に延在する第１壁部と、
前記第１壁部よりも前記中空部の内方側に位置し、前記稜線部に繋がる第２壁部と、を有し、
前記第１部材の板厚は０．８ｍｍ以上、２．０ｍｍ未満であり、
前記段状壁部の段差高さｈと前記第１部材の断面高さｈ₀が０．０６≦ｈ／ｈ₀≦０．２２を満たし、
前記段状壁部の段差幅ｗと前記第１部材の断面幅ｗ₀が０．４５≦ｗ／ｗ₀≦０．６０を満たす、フレーム構造。
前記段差高さｈと前記断面高さｈ₀がｈ／ｈ₀≦０．０８を満たす、請求項５または６に記載のフレーム構造。
前記段差幅ｗと前記断面幅ｗ₀がｗ／ｗ₀≦０．６０を満たす、請求項５に記載のフレーム構造。
前記フレーム構造は、ラダーフレームのサイドレールである、請求項１、５または６に記載のフレーム構造。
前記フレーム構造は、バッテリーケースとサイドシルとの間に配置されたサイドフレームである、請求項１、５または６に記載のフレーム構造。
前記フレーム構造は、バンパービームである、請求項１、５または６に記載のフレーム構造。
前記フレーム構造は、ドアインパクトビームである、請求項１、５または６に記載のフレーム構造。
前記フレーム構造は、サイドシルである、請求項１、５または６に記載のフレーム構造。
前記フレーム構造は、センターピラーである、請求項１、５または６に記載のフレーム構造。
前記フレーム構造は、フロントピラーである、請求項１、５または６に記載のフレーム構造。
前記フレーム構造は、ルーフレールである、請求項１、５または６に記載のフレーム構造。