JP2015199403A - 車両用フレーム構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】前後方向と直交する断面が細長矩形的な細長形状の複数の細長形状部40を荷重入力時の圧縮側と引張側の中間の中立面が長辺(横辺31s,32s)と直交するように配置し、隣り合う細長形状部40の互いに離隔した長辺同士を連結部41で連結したフロントフレームレイン30において、連結部41よりも圧縮側において隣り合う細長形状部40の互いに離隔した長辺に夫々当接して細長形状部40の上下方向への傾倒を抑制する複数の充填材42を設けた。これにより、荷重入力時、凸部31aが上下方向へ傾倒することを防止できるため、曲げ強度に寄与するフレーム領域を拡大することができ、曲げFS特性の最大荷重を一定ストロークの間維持することができる。
【選択図】 図4
Description
フレームの長手方向全体を軸圧縮で圧壊させて圧縮変形させることによって、高い値の衝撃エネルギ吸収量を安定的に維持できるため、圧縮変形を用いたエネルギ吸収機構は衝撃エネルギ吸収性能の面で優れていることが知られている。
そこで、フロントサイドフレームの先端部分に軸圧縮(圧縮変形)可能なクラッシュカンを設け、フロントサイドフレームの中間部から後端部に亙って積極的に折れ変形可能な複数の衝撃吸収機構を採用することにより衝撃エネルギ吸収量を増加させて、前突時の乗員保護を図っている(特許文献1)。
特許文献2のフレーム構造は、サイドシルを構成するインナ部材とアウタ部材であって、インナ部材とアウタ部材の車幅方向縦断面が、上側接合部と、下側接合部と、両接合部の間において相手側に突出した凸部と、凸部の上下両側に設けた凹部とを有し、インナ部材とアウタ部材の上側接合部と下側接合部と凸部とを夫々接合し、凸部の上下両側に長手方向に延びる細長形状の閉断面部材を夫々形成している。
この衝撃吸収機構では、折れ変形によって吸収される衝撃荷重がエネルギ吸収量全体の大半を占めるため、折れ変形によるエネルギ吸収特性は圧縮変形によるエネルギ吸収特性よりも衝撃エネルギ吸収性能に与える影響が大きい。
つまり、折れ変形によって吸収される衝撃荷重が小さい場合、衝撃吸収のために必要なフロントサイドフレームの変形ストローク、所謂クラッシュストロークが長くなり、車体デザインの自由度が低下する虞がある。
まず、この解析の基本的な考え方について説明する。
長手方向に延びる閉断面状フレームに対して長手方向に圧縮荷重を作用させた場合、フレームは長手方向に直交する方向に向かって湾曲することから、中立面よりも湾曲中心側の面(圧縮側面)に長手直交方向から圧縮荷重が作用し、中立面よりも湾曲中心側と反対側の面(引張側面)に引張荷重が作用する状態に擬制することができる。
そこで、長手方向に延びる閉断面状フレームモデルを作成し、このフレームモデルの長手方向に延びる圧縮側面に対して長手直交方向から所定の圧縮荷重を作用させることによって、フレームモデルが支持可能な荷重とフレームモデルが変形するストロークとの相関関係(以下、曲げFS特性という)について解析した。
図18に示すように、長手方向に延びる閉断面状フレームでは、所定の変形ストローク値においてピークとなる最大荷重が発生し、その後、急激に荷重が低下している。
即ち、荷重が作用する閉断面状フレームの特定領域のみが曲げ強度に寄与していると考えられるため、この特定領域に許容限界を越える荷重(座屈応力)が作用したとき、特定領域が座屈し、閉断面状フレーム全体が座屈変形して衝撃エネルギ吸収量が減少する。
以上のことから、曲げ強度に寄与するフレーム領域を長手方向に長く拡大し、曲げFS特性の最大荷重を一定ストロークの間維持する特性に設定することによって、クラッシュストロークを短縮化し、衝撃エネルギ吸収性能を高くできることを知見した。
しかし、閉断面状フレームの板厚を厚くする場合、車体重量やフレーム自体のコストが増加し、また、閉断面状フレームの横比を縦比よりも大きく設定する場合、エンジンルームに配置される各部材の配置スペースが不利になるため、何れの場合も現実的ではない。
しかし、細長形状部を複数連結した閉断面状フレームに対して長手直交方向に圧縮荷重を作用させた場合、細長形状部の中立線よりも圧縮側に張り出した圧縮側部分が大きくなるため、細長形状部の圧縮側部分が長辺と直交する方向へ傾倒するという新たな課題を招く虞がある。
また、細長形状部の圧縮側部分が長辺と直交する方向へ傾倒した場合、曲げ強度に寄与するフレーム領域が減少するため、曲げFS特性の最大荷重を一定ストロークの間維持することができず、十分な衝撃エネルギ吸収性能を確保することができない。
これにより、複数の細長形状部のうち長辺と直交する方向における一端側の細長形状部の傾倒を片側に設けた傾倒抑制部材で抑制することができる。
これにより、複数の細長形状部のうち長辺と直交する方向における一端側の細長形状部を長辺と直交する方向における他端側に確実に傾倒させることができる。
これにより、傾倒抑制部材に伝達される細長形状部の傾倒に伴う荷重を長手方向で分断するため、傾倒抑制部材の破損を防止できる。
以下の説明は、本発明を車両のフロントサイドフレームに適用したものを例示したものであり、本発明、その適用物、或いは、その用途を制限するものではない。
まず、フロントサイドフレームが設置された前部車体構造について簡潔に説明する。
図1,図2に示すように、車両Vは、エンジンルームEと車室Cとを上下方向および車幅方向に延びて仕切るダッシュパネル1と、このダッシュパネル1の前方位置で車体前後方向に延びるフロントサイドフレーム2と、ダッシュパネル1の下方位置で車体後方側に延びるフロアメインフレーム3と、ダッシュパネル1の上部前方に設置されるカウルボックス4と、フロントサイドフレーム2の側方位置でタワー形状に立設されるサスタワー部5と、このサスタワー部5と前述のダッシュパネル1とを上下方向および車体前後方向に延びて連結するエプロン部6と、エプロン部6上端で車体前後方向に延びるエプロンレインメンバ7と、エプロン部6下部でフロントタイヤTを収容するよう略半円状に膨出形成されたタイヤハウス8等を備えている。尚、左右対象構造であるため、主に車体右側構造について説明し、車体左側構造については説明を省略する。また、以下、車体前方を前方とし、車両Vの進行方向に対して車幅方向左方を左方として説明する。
ダッシュパネル1の下部前面には、車幅方向に延びる閉断面を構成するダッシュロアクロス10を接合固定している。このダッシュロアクロス10を設けることで、ダッシュパネル1下部の剛性を高めている。
フロントサイドフレーム2の前後方向中央部には、略円柱形状のエンジンマウント11を設置して、このエンジンマウント11によってパワーユニット(図示略)を弾性支持している。また、このエンジンマウント11よりも下方のフロントサイドフレーム2内には、エンジンマウント11の取付け剛性を高めるために、マウント取付けレイン12を設置している。
また、フロントサイドフレーム2の後部上方には、エプロン部6の車幅外方側で車体上方側に延びる上部連結メンバ16を設置して、フロントピラー(図示略)とフロントサイドフレーム2の後部とを連結している。
図3に示すように、フロントサイドフレーム2は、断面略ハット形状のインナパネル21の上端フランジ部21aと下端フランジ部21bとを断面略ハット形状のアウタパネル22の上端フランジ部22aと下端フランジ部22bとに夫々接合固定することにより、上下方向に長い、所謂縦比が横比よりも大きな略長方形状の閉断面を構成している。
このフロントサイドレイン30は、正面視で視て、車幅方向断面が細長矩形的な細長形状に形成され且つ荷重入力時の圧縮側と引張側の中間の中立面NPが長辺と直交するように上下方向に配列された4つの細長形状部40と、上下方向に隣り合う細長形状部40の互いに離隔した長辺同士を連結する3つの連結部41と、連結部41よりも車幅方向内側において隣り合う細長形状部40の互いに離隔した長辺に夫々当接した複数の充填材42(傾倒抑制部材)を備えている。
尚、本発明における細長矩形的な細長形状の細長形状部とは、長手方向直交断面において、1対の長辺と1対の短辺とを備え且つ性能として矩形形状の基本特性を有する形状部であり、長辺又は短辺の途中部分に基本的な矩形形状の特性を阻害しない範囲の角部、湾曲部或いは屈曲部を形成した形状を含むものである。
インナレイン31は、上下方向に配列された4つの凸部31aと、上端の凸部31aから上方へ延びる上端フランジ部31bと、下端の凸部31aから下方へ延びる下端フランジ部31bと、隣り合う凸部31aの車幅方向外側端を連結する3つの中間フランジ部31cとを備えている。
最上端の横辺31sの車幅方向外側端部から上端フランジ部31bが鉛直上方に延び、最下端の横辺31sの車幅方向外側端部から下端フランジ部31bが鉛直下方に延びている。1対の横辺31sと縦辺31tとの連結部分は、所定の曲率を有する湾曲面によって形成されている。3つの中間フランジ部31cは、車幅方向外側に張り出すように湾曲形成され、隣り合う凸部31aの互いに離隔した横辺31sの車幅方向外側端部同士を連結している。
最上端の横辺32sの車幅方向内側端部から上端フランジ部32bが鉛直上方に延び、最下端の横辺32sの車幅方向内側端部から下端フランジ部32bが鉛直下方に延びている。1対の横辺32sと縦辺32tとの連結部分は、所定の曲率を有する湾曲面によって形成されている。3つの中間フランジ部32cは、車幅方向内側に張り出すように湾曲形成され、隣り合う凸部32aの互いに離隔した横辺32sの車幅方向内側端部同士を連結している。
複数の充填材42は、3つの連結部41(中間フランジ部31c)と、これら連結部41よりも車幅方向内側において隣り合う細長形状部40の互いに離隔した1対の長辺(横辺31s)とによって形成された前後方向に延びる3つの溝部に夫々配設されている。
充填材42は、インナレイン31とアウタレイン32とを接合してフロントサイドレイン30を形成する際、予め、夫々の連結部41(中間フランジ部31c)又は長辺(横辺31s)に連結部41の前後長に対応した長さの発泡シート42aが貼着され(図6参照)、塗装における乾燥工程の熱を利用して発泡させることにより、設置される。発泡後の充填材42は、体積が所定量(例えば5〜20倍)に膨張するため、連結部41と隣り合う細長形状部40の互いに離隔した1対の長辺とに夫々当接すると同時に接着される。
尚、充填材42の成分構成については、公知の技術であるため、詳細な説明を省略する。
これらの模式図において、Fはフロントサイドフレームとクラッシュボックスとからなるフロントフレーム体、Dはダッシュパネル、Mは連結補強メンバ、Iはダッシュロアクロスとトンネル部に設けたメンバ部材とからなる内側荷重伝達体、Uは上部連結メンバ、Q(ハッチング領域)はマウント取付けレイン、R(ハッチング領域)はサブフレーム取付けブラケット、Tはフロントタイヤを夫々示している。
第1ポイントP1はクラッシュカン9の前端位置、第2ポイントP2はフロントサイドフレーム2の前端位置、第3ポイントP3はフロントサイドフレーム2の中間位置、第4ポイントP4はマウント取付けレイン12の後端位置、第5ポイントP5はサブフレーム取付けブラケット13の前端位置を示している。
図8に示すように、衝突体Wがフロントフレーム体Fに衝突すると、フロントフレーム体Fの第1ポイントP1と第2ポイントP2との間と、第3ポイントP3の途中までの間とに座屈変形が生じる。第3ポイントP3から第4ポイントP4の間では、マウント取付けレインQ等が存在して変形を生じさせることができないため、第2ポイントP2と第3ポイントP3との間で一旦車幅方向内側に折れ変形(内折れ変形)を生じさせ、第3ポイントP3で車幅方向外側へ折れ変形(外折れ変形)をさせるようにしている。
第5ポイントP5では、サブフレーム取付けブラケットRでサブフレームを取り付け固定し、その後方位置で荷重分散するためにフレーム剛性を高めているから、車幅方向内方側への折れ変形(内折れ変形)が生じる。
上記のように、第5ポイントP5では、荷重Zの作用によって車幅方向外側に突出するように座屈変形していることから、前面衝撃荷重を受けたとき、フロントサイドレイン30の第5ポイントP5相当部分に対して車幅方向外側に向かう荷重が作用するものと見做すことができる。そこで、4つの細長形状部を離隔状態で上下配置すると共に向かい合う長辺同士を中立面位置で連結した本実施例に相当するフロントサイドレインのモデルM1(図9(a)参照)と、4つの細長形状部を離隔状態で上下配置すると共に上下方向に隣り合う短辺を連結したフロントサイドレインのモデルM2(図9(b)参照)と、上下配置された4つの細長形状部の長辺を直接連結したフロントサイドレインのモデルM3(図9(c)参照)とを準備し、夫々のモデルM1〜M3において、図9(a)〜図9(c)に示す矢印方向から荷重fを作用させたときの変形についてCAE(Computer Aided Engineering)による解析を行った。尚、モデルM1〜M3は、細長形状部の材質、前後長、形状(細長比)を同条件に設定している。
尚、モデルM1〜M3が支持可能な荷重fとモデルM1〜M3の変形ストロークとの曲げFS特性を各々のモデルM1〜M3に対応したL1〜L3で示している。
図10に示すように、モデルM2,M3は、長辺が鉛直状に配置された単一の閉断面によって構成されたフロントサイドレインに比べて座屈し難いと推測されるが、最大荷重を持続して維持することができないため、結果的に、衝撃エネルギ吸収量が低い。
モデルM1は、モデルM2よりも最大荷重が低いものの、所定期間安定して最大荷重を維持しているため、モデルM2よりも衝撃エネルギ吸収量を高くすることができる。
それ故、前面衝撃荷重を受けたとき、中立面NPよりも圧縮側に張り出した4つの凸部31aに圧縮荷重入力前後において曲げモーメントに伴う周長差が生じることから、凸部31aが周長差を解消するために細長形状部40の長辺と直交する方向(上方又は下方)へ傾倒するため、横辺31sや縦辺31tに変形が発生し、上記のような解析上の曲げFS特性を得ることができない。
実施例1のフロントサイドレイン30は、凸部31aと凸部32aとを左右対称に構成したのに対し、実施例2のフロントサイドレイン30Aは、凸部51aと凸部52aとを左右非対称に構成している。
インナレイン51は、4つの凸部51aと、上端の凸部51aから上方へ延びる上端フランジ部51bと、下端の凸部51aから下方へ延びる下端フランジ部51bと、隣り合う凸部51aの車幅方向外側端を連結する3つの中間フランジ部51cとを備えている。
最上端の横辺51sの車幅方向外側端部から上端フランジ部51bが鉛直上方に延び、最下端の横辺51sの車幅方向外側端部から下端フランジ部51bが鉛直下方に延びている。3つの中間フランジ部51cは、車幅方向外側に張り出すように湾曲形成され、隣り合う凸部51aの互いに離隔した横辺51sの車幅方向外側端部同士を連結している。
4つの凸部52aは、正面視で視て、車幅方向に平行状に張り出すと共に横辺51sよりも車幅方向幅が大きな1対の横辺52sと、これら1対の横辺52sの車幅方向外側端部を鉛直状に連結し且つ横辺51sと同幅の縦辺52tとによって夫々構成されている。
最上端の横辺52sの車幅方向内側端部から上端フランジ部52bが鉛直上方に延び、最下端の横辺52sの車幅方向内側端部から下端フランジ部52bが鉛直下方に延びている。3つの中間フランジ部52cは、車幅方向内側に張り出すように湾曲形成され、隣り合う凸部52aの互いに離隔した横辺52sの車幅方向内側端部同士を連結している。
フロントサイドレイン30Aを形成するとき、上端フランジ部51bと上端フランジ部52b及び下端フランジ部51bと下端フランジ部52bを夫々当接させた後、上端フランジ部51b,52bと下端フランジ部51b,52bを夫々溶接接合している。
複数の充填材42Aは、連結部41Aと隣り合う細長形状部40Aの互いに離隔した1対の長辺とに夫々当接すると同時に接着されている。
尚、充填材42Aは、連結部41Aと中立面NPとの間に配設したが、少なくとも連結部41Aよりも車幅方向外側に配設されれば良い。また、中立面NPよりも車幅方向外側まで充填材42Aを充填することも可能である。
実施例1のフロントサイドレイン30は、単一の細長形状部40を用いて構成したのに対し、実施例3のフロントサイドレイン30Bは、断面台形状の細長形状部40Bと断面長方形状の細長形状部40Cとを用いて構成している。
凸部53aは、車幅方向内側に平行状に張り出し且つ横辺53wと同幅の1対の横辺53sと、これら1対の横辺53sの車幅方向内側端部を鉛直状に連結する縦辺53tとによって構成されている。
複数の充填材42は、連結部41Bよりも圧縮側において、細長形状部40Bと細長形状部40Cとの間と1対の細長形状部40Cの間とに夫々配設されている。
実施例1のフロントサイドレイン30は、単一の長方形状の細長形状部40を用いて構成したのに対し、実施例4のフロントサイドレイン30Cは、単一の台形形状の細長形状部40D,40Eを用いて、充填材42の削減を図っている。
凸部55fは、凸部55eと上下対称に構成されている。凸部55fは、正面視で視て、水平状に張り出した横辺55pと、この横辺55pよりも下方において水平状に張り出し且つ横辺55pよりも短い横辺55qと、横辺55p,55qの車幅方向内側端部を連結する傾斜縦辺55rとによって構成されている。
凸部56fは、凸部56eと上下対称に構成されている。凸部56fは、正面視で視て、横辺56pと、横辺56qと、横辺56p,56qの車幅方向外側端部を鉛直状に連結する縦辺56rとによって構成されている。
複数の充填材42は、連結部41Cよりも圧縮側において、上下方向に並ぶ3つの連結部41Cのうち上側の連結部41Cに対応した細長形状部40Dと細長形状部40Eとの間及び下側の連結部41Cに対応した細長形状部40Dと細長形状部40Eとの間に配設されている。
実施例1のフロントサイドレイン30は、単一の長方形状の細長形状部40を用いて構成したのに対し、実施例4のフロントサイドレイン30Dは、細長形状部40Fと細長形状部40Gとを用いて構成している。
正面視で視て、横辺57mと縦辺57l及び横辺57nと縦辺57lは夫々湾曲状に連結され、横辺57mと縦辺57lとが形成する曲率半径R1は横辺57nと縦辺57lとが形成する曲率半径R2よりも大きくなるように構成している。この構成が細長形状部40Fの傾倒促進部に相当している。
凸部57aは、車幅方向に平行状に張り出し且つ横辺57nと同幅の1対の横辺57sと、これら1対の横辺57sの車幅方向内側端部を鉛直状に連結する縦辺57tとによって構成されている。
凸部58gは、横辺58mと、横辺58nと、縦辺58lとによって構成され、凸部58aは、1対の横辺58sと、縦辺58tとによって構成されている。
複数の充填材42は、連結部41Dよりも圧縮側において、細長形状部40Fと細長形状部40Gとの間及び1対の細長形状部40Gの間に夫々配設されている。
実施例1のフロントサイドレイン30は、単一の長方形状の細長形状部40を用いて構成したのに対し、実施例6のフロントサイドレイン30Eは、細長形状部40Hと細長形状部40Iを用いて構成している。
凸部59aは、車幅方向内側に平行状に張り出し且つ横辺59jと同幅の1対の横辺59sと、これら1対の横辺59sの車幅方向内側端部を鉛直状に連結する縦辺59tとによって構成されている。
尚、横辺59iと横辺60iとは、細長形状部40Hの基本的な矩形形状の特性を阻害しない角度に設定されている。
複数の充填材42は、連結部41Eよりも圧縮側において、細長形状部40Hと細長形状部40Iとの間及び1対の細長形状部40Iの間に夫々配設されている。
実施例1の充填材42は、連結部41よりも車幅方向内側において隣り合う細長形状部40の互いに離隔した1対の長辺(横片31s)とによって形成された前後方向に延びる3つの溝部に夫々前後方向に連続するように配設したのに対し、実施例7の充填材42Bは、前後方向に延びる溝部に間欠的に配設されている。
実施例1の充填材42は、加熱発泡充填材によって構成されたのに対し、実施例8の充填材は、合成樹脂製の複数のリブ42Cを用いている。尚、リブ42Cの材質は、少なくとも凸部31aの傾倒を抑制できれば良く、金属製リブを用いても良い。
1〕前記実施形態においては、フロントサイドフレームの閉断面内部に配設されるフロントサイドレインに適用した例を説明したが、フロントサイドレインではなく、フロントサイドフレーム自体(アウタパネル・インナパネル)に適用しても良い。また、リヤサイドフレーム、サスクロスメンバ、バンパビーム、センタピラー、インパクトバー等、少なくとも、圧縮荷重と引張荷重とが作用する車両用フレームであれば何れにも適用することができる。
4〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。
2 フロントサイドフレーム
30,30A〜30G フロントサイドレイン
31a 凸部
31s 横片
32s 横片
40,40A〜40I 細長形状部
41,41A〜40E 連結部
42,42A,42B 充填材
42C リブ
Claims (5)
- 長手方向と直交する断面が細長矩形的な細長形状の複数の細長形状部を荷重入力時の圧縮側と引張側の中間の中立面が長辺と直交するように配置し、隣り合う細長形状部の互いに離隔した長辺同士を連結部で連結した車両用フレーム構造において、
前記連結部よりも圧縮側において前記隣り合う細長形状部の互いに離隔した長辺に夫々当接して前記細長形状部の前記長辺と直交する方向への傾倒を抑制する少なくとも1つの傾倒抑制部材を設けたことを特徴とする車両用フレーム構造。 - 長手方向と直交する断面が細長矩形的な細長形状の複数の細長形状部を荷重入力時の圧縮側と引張側の中間の中立面が長辺と直交するように配置し、隣り合う細長形状部の互いに離隔した長辺同士を連結部で連結した車両用フレーム構造において、
前記連結部よりも引張側において前記隣り合う細長形状部の互いに離隔した長辺に夫々当接して前記細長形状部の前記長辺と直交する方向への傾倒を抑制する少なくとも1つの傾倒抑制部材を設けたことを特徴とする車両用フレーム構造。 - 前記複数の細長形状部のうち前記長辺と直交する方向における一端側の細長形状部に荷重作用時に他端側への傾倒を促進する傾倒促進部を設けたことを特徴とする請求項1又は2に記載の車両用フレーム構造。
- 前記傾倒促進部は、前記長辺と直交する方向における一端側の細長形状部の1対の短辺の離隔距離が前記他端側程大きくした構成、又は、前記長辺と直交する方向における一端側の細長形状部の一端側の曲げ部の曲率が他端側の曲げ部の曲率よりも大きくした構成、又は、前記長辺と直交する方向における一端側の細長形状部の一端側の長辺が圧縮側程或いは引張側程他端側に移行した構成のうち何れかにより構成されたことを特徴とする請求項3に記載の車両用フレーム構造。
- 前記傾倒抑制部材を前記長手方向に間欠的に設けたことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の車両用フレーム構造。
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