JP2000072030A - 自動車フロア補強構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 局所的な変形を取り除き、車体全体で剛性を
とることで変形に伴う車体吸収エネルギを増加させるこ
とができる自動車フロア補強構造を提供すること。 【解決手段】 サイドシル３、クロスメンバ２、トルク
ボックス１０およびリア（シート）クロスメンバ６が車
体側面からの荷重に対して変形の剛性を受け持つ構造部
材として機能する十分な強度を有していると共に、エク
ステンションメンバ１１の配置がフロントサイドメンバ
５後端からクロスメンバ２のフロアトンネル８接合部を
経てリア（シート）クロスメンバ６へ至るようにフロン
トフロア１に強固に接合した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自動車側面サイ
ドシル、クロスメンバおよびフロントフロアを補強する
自動車車体構造に関し、特に、側面衝突に対応すること
のできる自動車フロア補強構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の自動車側面サイドシル、クロスメ
ンバおよびフロントフロアの補強構造としては、図７に
示すような構造があり、従来の補強構造例としては、例
えば特開平５−１１６６４７号公報、特開平５−１２４
５４２号公報、特開平５−２０１３５３号公報、特開平
５−２７０４３５号公報、特開平６−３２２５４号公
報、特開平７−１３７６６０号公報に記載のものなどが
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の自動車側面サイドシル、クロスメンバおよび
フロントフロアの補強構造と、これらを複合的に組み合
わせた自動車フロア補強構造にあっては、側面からの衝
突物体との衝突に伴う荷重の発生および伝達に際し、単
に車体側面底部のサイドシルの曲げおよび断面の回転に
伴うねじれに対抗する剛性、強度を補強するものである
し、またフロントフロアについてはフロア面の面外変形
に抵抗する剛性、強度を補強するものであるために、変
形量の多い、すなわち局所的な変形を押えるための、応
力分布の高い部位を更に補強することによって、あたか
も伝達される荷重が多くなったかのごとくの評価を基に
設計方針が決定されており、衝突エネルギの吸収に本当
に必要な構造全体の荷重伝達量の増加を十分に実現でき
ていない、すなわち応力分布ではない荷重伝達量の向上
による構造の評価ができていないという問題点があっ
た。

【０００４】加えて、設計方針として入力荷重の他の頑
強な部位への伝達とこれに伴う変形エネルギの増加によ
る吸収エネルギの増加を狙っているにもかかわらず、実
は本来荷重を受けるべき部材構造が明確に設計方針に十
分に反映されておらず、すなわち構造部材にどのように
荷重を伝達させていくかとの検討が構造に十分反映され
ていない場合があり、結果として余計な変形を伴い、そ
れに対応する補強を過剰にしなければならないという問
題点があった。

【０００５】この発明は、このような従来の問題点に着
目してなされたもので、応力とは異なる『伝達力』とい
う力と構造物中をこの伝達力がどのような経路で伝わっ
ていくかという概念を用いて、車体構造特にフロントフ
ロア周りの適正な構造部材配置を提案する。ここで、
『伝達力の経路』とは構造物の支持点（車体構造の場合
にはサスペンションを介してタイア、接地面を指す）に
対して、負荷点（荷重入力点）からの入力荷重がどのよ
うに伝達していくか、を構造全体の変形に対する構造内
部の構成点（局所的な点）の剛性分布により評価した
『相対剛性』値の極大値追跡線により定義したものであ
る。したがって、これまでのように応力分布により構造
を評価した場合に、たとえば構造物中に開けた円孔など
のように応力集中が発生してしまうが、その部位の応力
積分量すなわち荷重のやりとりがその部位で大きいとし
てもこの局所的な部位の力の伝達量が増加したとは評価
し得ない、という応力の極大値追跡により得られる経路
が必ずしも構造全体の剛性にとって重要な部位ではあり
得ないという矛盾を取り除き、ここでいう伝達力の経路
とはいわゆる設計者が概念的に想定する構造上の重要点
を連続的に連ねる、すなわち荷重伝達経路を合理的に表
現するものである。

【０００６】また、荷重伝達経路としてフロア側面から
サイドシル等を介して入力した荷重を、車体構造の系外
すなわちサスペンション取り付け部へ明確に伝える荷重
伝達経路を設定し、これを実現するフロア補強構造を考
える。すなわち本来車体フロア構造がシェル構造であ
り、このシェルの面内、面外の剛性および強度を張り剛
性として保つために、また衝突時などのように局所的な
入力荷重による不安定現象として生じる座屈や折れなど
を抑制するために補強されてきたフロントサイドメンバ
のフロントフロア下部のエクステンションや、フロント
フロア前後方向中央部に位置しているクロスメンバを前
記の荷重伝達の概念に基づいて荷重伝達経路として利用
し具体的構造を実現することにより、上記問題点を解決
することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、請求項１記載の自動車フロア補強構造は、フロント
フロアとこれに剛に接合されるサイドメンバと、フロン
トフロアと共にトルクボックスを形成するダッシュパネ
ルと、フロントフロアと共にリア（シート）クロスメン
バを形成するリアフロアと、車体左右方向にフロントフ
ロア中央部に配されたフロアトンネルを跨ぐように補強
されたクロスメンバと、さらに車体前後方向に左右対称
にトルクボックスからクロスメンバを経てリア（シー
ト）クロスメンバまで剛に接合されるエクステンション
メンバを有する車体底面に、エンジンコンパートメント
から接合される左右対称の２本のフロントサイドメンバ
とリアフロアを支えるリアサイドメンバとが接合される
自動車車体構造において、サイドシル、クロスメンバ、
トルクボックスおよびリア（シート）クロスメンバが車
体側面からの荷重に対して変形の剛性を受け持つ構造部
材として機能する十分な強度を有していると共に、エク
ステンションメンバの配置がフロントサイドメンバ後端
からクロスメンバのフロアトンネル接合部を経てリア
（シート）クロスメンバへ至るようにフロントフロアに
強固に接合されていることを特徴とする。請求項２記載
の発明は、請求項１記載の自動車フロア補強構造におい
て、前記フロントフロアに、さらにクロスメンバおよび
トルクボックス、リア（シート）クロスメンバを繋ぐ新
たな補強メンバをエクステンションメンバと平行に同様
の屈曲を有するように配したことを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態１を
示す図である。まず、構成を説明すると、自動車フロア
車体構造において、車体センタにフロアトンネル８と呼
ばれる前後方向に貫通する凸部を有するフロントフロア
１は、最側端面においてサイドシル３と呼ばれる自動車
車体側面最下部に配された閉断面の薄肉構造部材にフラ
ンジ部の溶接を介して接合されている。また、多くの自
動車構造に見られるようにこのサイドシル３の前後方向
中央やや後方にセンタピラー４と呼ばれるほぼ鉛直方向
に伸びる車体構造部材（ルーフおよび側面ドアを支える
柱）が配されているが、この位置のやや前方、すなわち
フロントフロア１前後方向ほぼ中央部に車体両側端を結
ぶようにフロントフロア１面と閉断面をなすように、ま
たフロアトンネル８を跨ぐようにクロスメンバ２を有す
る。加えて、フロントフロア１の前側先端部のサイドシ
ル３とフロアトンネル８のほぼ中央部において、車体左
右両側に通常エンジンコンパートメント最下部の両側端
に配される２本のフロントサイドメンバ５と呼ばれる構
造部材が３次元的に接合されている（図２参照）。

【０００９】ここで、フロントサイドメンバ５後端とサ
イドシル３前端の両端部はトルクボックス１０と呼ばれ
る構造を介して接合される場合が多い。このトルクボッ
クス１０はフロントフロア１とその前端部に鉛直上向き
方向に配され、エンジンコンパートメントと車室（キャ
ビン）を仕切る隔壁をなすダッシュパネル９の両鋼板に
より形成される閉空間である。しかしながら、本実施の
形態ではこのトルクボックス１０をフロアトンネル８ま
で延長することでフロアトンネル８のフロントフロア１
に対する曲げ変形時の固定端反力を受ける、すなわち外
側からサイドシル３、フロントサイドメンバ５およびフ
ロアトンネル８をトルクボックス１０を介して剛に接合
する構造とする。これにより、各メンバおよびフロアト
ンネル８の車体前後軸方向に垂直な、そして各メンバ間
を結合する軸周りの回転およびこの軸方向の変位を剛に
受け止めるように結合する。

【００１０】なお、多くの自動車車体構造で見られるよ
うにフロントフロア１後端部は上下方向にフロントフロ
ア１に対して高い位置に配されるリアフロア前端面とに
より、ボックス状の空間を形成することによりリア（シ
ート）クロスメンバ６と呼ばれる車体左右方向の荷重を
伝達する構造部材を形成しているものとする。

【００１１】一方、通常の車体構造にあっては、フロン
トサイドメンバ５の後端、すなわちフロントフロア１前
端部からフロントサイドメンバ５を延長するようにフロ
ア面に対して下方にオフセットされた形で、また、場合
によっては左右方向にもオフセットする形で、その後ま
っすぐ後方へフロア面と閉断面構造をなすようにエクス
テンションメンバ１１が配されている。しかしながら、
本実施の形態による構造では、フロア面に対して左右方
向にオフセットするのではなく、フロントサイドメンバ
５との接合部において緩やかな屈曲部を有するように、
その後クロスメンバ２のフロアトンネル８接合部へ向か
って真直に伸びるようにエクステンションメンバ１１を
配する。

【００１２】ただし、クロスメンバ２はフロア上面に、
またエクステンションメンバ１１はフロア下面に配され
て、各々フロントフロア１面と閉断面のメンバ構造をな
しているため、両メンバの直接の接合はない。さらに、
このエクステンションメンバ１１はクロスメンバ２と交
差する位置において緩やかに延伸方向が変化し、リア
（シート）クロスメンバ６の側端部サイドシル３と中央
部フロアトンネル８のほぼ中央部の位置へ真直と接合す
るように配置する。ただし、この構造はフロアトンネル
８に対して左右対称に配する。

【００１３】なお、フロントサイドメンバ５はエンジン
マウント、サスペンションサブフレームあるいは上部バ
ネ緩衝装置取付部に剛に接合、また、リア（シート）ク
ロスメンバ６両端部およびサイドシル３後端部において
はリアサイドメンバ７に剛に接合し、このリアサイドメ
ンバ７はリアサスペンションあるいはサスペンションサ
ブフレームに剛に接合しているものとする。

【００１４】次に作用を説明する。自動車車体側面、特
にセンタピラー４付近への車両衝突等を考慮した場合、
車体のフロントフロア１へはセンタピラー４、側面ドア
等を介してサイドシル３に荷重が入力される。なお、車
体左右方向の荷重入力に対しては各ピラー（柱）を介し
てルーフ側にも作用が及ぶことになるが、衝突物体と被
衝突物体との衝突時の重心の位置関係から多くの荷重が
フロア側に作用することを想定する。すると、入力され
た荷重は、本実施の形態の車体における荷重伝達経路と
して設定した各メンバに伝達されることになる。すなわ
ち各メンバはフロア面に対して変形の剛性を受け持つ構
造材として作用する。

【００１５】そこで、本実施の形態における車体変形に
対する剛性をこの構造部材による変形モードに対して、
最適なものと捉える。一般に良く知られているように、
図３に示すような平板（フロア面を想定）に荷重を負荷
した場合には、図３（ｂ）に示すような剪断変形に抵抗
する部材配置が適切である。これに対する物理的解釈
は、先に示した『伝達力の経路』の概念によって説明す
ることができる。すなわち、図３（ａ）に示すような平
板構造に負荷を与えた場合（支持条件も考える）、荷重
の伝達される経路が負荷点から支持点の一番遠い部位に
向かってなだらかに接合される場合に最も構造の構成点
（構造内のすべての局所的な部位）の全体変形に対する
剛性の寄与度、すなわち『相対剛性』が連続的に、途切
れることが無く分布することが示される。したがって、
図３（ｂ）のような形状の合理性とは、相対剛性の連続
性として捉えることができる。

【００１６】なお、図３においては２次元構造を対象に
しているため、実際にはこのような条件下では、荷重に
対して変形が不安定現象を起こす、すなわち面外に座屈
してしまうことになる。しかしながら、本実施の形態の
車体構造においては、前述の構成のようにフロア面両側
に構造部材を配することにより、構造断面の重量分布が
３次元的となり、不安定な変形モードに陥ることを抑制
することができる。

【００１７】この部材配置を参考に車体側面からの荷重
入力に対して、図４に示すような相対剛性の連続性、す
なわち最適な構造部材配置が考えられる。したがって、
サイドシル３中央付近（前後方向）から入力した荷重
は、クロスメンバ２を伝達し、さらにフロントサイドメ
ンバ５後端からクロスメンバ２のフロアトンネル８接合
部へと斜めに配したエクステンションメンバ１１を経由
して、トルクボックス１０、フロントサイドメンバ５へ
と伝達されることになる（図５参照）。一方、自動車車
体側面部への局所的な荷重入力に際しては、サイドシル
３の曲げ変形を伴い、あるいはまたクロスメンバ２のフ
ロアトンネル８側への変位に伴いサイドシル３は荷重を
伝達し、トルクボックス１０およびフロントサイドメン
バ５へと荷重を伝える。このように、車体変形にかかわ
る剛性の分担を明確とすると共に、入力荷重を車体系外
へスムーズに伝達することで、車体変形に必要な入力荷
重を増やすことが可能となる。すなわち、局所的な変形
を取り除き、車体全体で剛性をとることで変形に伴う車
体吸収エネルギを増加させることができる。

【００１８】なお、上記の荷重伝達メカニズム（本実施
の形態の作用）は同一の入力荷重に対して、リア側すな
わちトルクボックス１０の役割をリア（シート）クロス
メンバ６へ置き換えた作用を同時に発生されることにな
る。したがって、本実施の形態の効果である車体吸収エ
ネルギ増加はエクステンションメンバ１１の途中断絶に
よって、低滅してしまう。

【００１９】図６には、実施の形態２を示す。図６の実
施の形態２は、実施の形態１と同様の構造および機能、
メカニズムを有するが、本実施の形態の最大の利点とな
る側面からの入力荷重をクロスメンバ２からフロントサ
イドメンバ５あるいはトルクボックス１０ヘより効率良
く伝達するようにフロントサイドメンバ５のエクステン
ションメンバ１１と平行に、かつ同様の屈曲をもつよう
に配置したものである。したがって、荷重伝達経路が分
散されること以外には実施の形態１と同じ効果を有する
構造を実現しようとしたものである。

【００２０】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の自動
車フロア補強構造によれば、その構成を、側面衝突によ
り受ける衝撃荷重をフロントフロア側面に配されたサイ
ドシルより受け止め、このフロントフロア上面に配され
たクロスメンバを中心に前方のトルクボックスおよび後
方のリア（シート）クロスメンバへ荷重を伝達すると共
に、さらにクロスメンバのフロアトンネルでフロントサ
イドメンバおよびシートクロスメンバ中央部へとつなが
るエクステンションメンバを介して荷重を伝達するよう
な自動車車体フロア補強構造としたため、入力荷重を伝
達力の経路にしたがって構造部材に沿って伝達すること
により、合理的な変形に対する剛性さらには強度が得ら
れると共に、車体変形にかかわる剛性の分担を明確にし
て入力荷重を車体系外へスムーズに伝達することで、車
体変形に必要な入力荷重を増やすことが可能となる。す
なわち、局所的な変形を取り除き、車体全体で剛性をと
ることで変形に伴う車体吸収エネルギを増加させること
ができるという効果が得られる。本発明の自動車フロア
補強構造は、上記効果に加えて、更に以下のような効果
がある。フロントサイドメンバから荷重が車体前方向の
向きに入力した場合には、エクステンションメンバを介
してクロスメンバ、さらにサイドシルと伝達される。こ
れは、先に述べた本構造の構成点が全体の剛性に対して
寄与する度合を示す相対剛性値が荷重伝達経路について
連続性を有しているため、支持点および負荷点の双方向
からの伝達経路の合致性を有しているためである。した
がって、側面衝突のみならず前面衝突時の荷重伝達経路
を規定しているので、フロントサイドメンバで主に吸収
する衝突時のエネルギをダッシュパネル以降の構造部材
に分担させる場合において、その剛性および強度を引き
上げることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施の形態１におけるフロントフロア補
強構造を示す図である。

【図２】実施の形態１におけるフロントフロアとフロン
トサイドメンバとの接合を示す図である。

【図３】平板における伝達力の経路を示す図である。

【図４】フロントフロアにおける荷重伝達経路を示す図
である。

【図５】実施の形態１におけるフロントフロア補強構造
の荷重伝達経路を示す図である。

【図６】実施の形態２におけるフロントフロア補強構造
を示す図である。

【図７】従来の自動車車体フロア構造を示す図である。

【符号の説明】

１ フロントフロア ２ クロスメンバ ３ サイドシル ４ センタピラー ５ フロントサイドメンバ ６ リア（シート）クロスメンバ ７ リアサイドメンバ ８ フロアトンネル ９ ダッシュパネル １０トルクボックス １１ エクステンションメンバ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フロントフロアとこれに剛に接合される
   サイドメンバと、フロントフロアと共にトルクボックス
   を形成するダッシュパネルと、フロントフロアと共にリ
   ア（シート）クロスメンバを形成するリアフロアと、車
   体左右方向にフロントフロア中央部に配されたフロアト
   ンネルを跨ぐように補強されたクロスメンバと、さらに
   車体前後方向に左右対称にトルクボックスからクロスメ
   ンバを経てリア（シート）クロスメンバまで剛に接合さ
   れるエクステンションメンバを有する車体底面に、エン
   ジンコンパートメントから接合される左右対称の２本の
   フロントサイドメンバとリアフロアを支えるリアサイド
   メンバとが接合される自動車車体構造において、 サイドシル、クロスメンバ、トルクボックスおよびリア
   （シート）クロスメンバが車体側面からの荷重に対して
   変形の剛性を受け持つ構造部材として機能する十分な強
   度を有していると共に、 エクステンションメンバの配置がフロントサイドメンバ
   後端からクロスメンバのフロアトンネル接合部を経てリ
   ア（シート）クロスメンバへ至るようにフロントフロア
   に強固に接合されていることを特徴とする自動車フロア
   補強構造。
2. 【請求項２】 請求項１記載の自動車フロア補強構造に
   おいて、 前記フロントフロアに、さらにクロスメンバおよびトル
   クボックス、リア（シート）クロスメンバを繋ぐ新たな
   補強メンバをエクステンションメンバと平行に同様の屈
   曲を有するように配したことを特徴とする自動車フロア
   補強構造。