JP5934509B2

JP5934509B2 - 車両用フレーム構造

Info

Publication number: JP5934509B2
Application number: JP2012001189A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　啓太; 啓太佐藤
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2032-01-06
Also published as: JP2013139236A

Description

本発明は、自動車等の車両用のフレーム構造に関し、特には多様な入力方向に対する剛性を向上したものに関する。

乗用車等の自動車の車体は、薄板によって応力を負担するモノコック構造の各部に、各種フレームを一体化して構成されている。
例えば、エンジンルームの左右側部からフロアパネルの下面に沿わせて車両前後方向に延びた左右一対のフロントサイドフレーム、フロアパネル左右端部に設けられたサイドシル、車両後部で車両前後方向に延びリアサスペンションが取り付けられるリアサイドフレームなどを設けることが知られている。

このような自動車の車体においては、走行性能の向上や低周波振動対策のため、剛性を高めることが求められる。
自動車のフレーム構造の剛性強化（以下、「補剛」と称する）に関する従来技術として、例えば特許文献１には、井桁状に構成されたサブフレームにリアサスペンションの各種アーム類を取り付けるとともに、サブフレームの内部、及び、サブフレーム前部と車体サイドフレームとの間に、それぞれ棒状の連結部材を配置することが記載されている。
また、特許文献２には、リアサイドフレーム（リアサイドメンバ）におけるサスペンションメンバ取付箇所と、それよりも車両前方側かつ車幅方向内側のクロスメンバ（フロントサイドフレーム後端部近傍）とを連結することが記載されている。

特開平１１−０７８９５８号公報特開２０００−１６８６１４号公報

しかし、上述した特許文献１、２において設けられる連結部材は、いずれも実質的にピン結合であることから、その両端部間の引張又は圧縮方向等の特定の方向の入力に対しては補剛効果を発揮するが、それ以外の方向の入力に対する補剛効果はほとんど期待できない。
一方、車体の弾性振動モードには、代表的なものだけでも２節曲げ、３節曲げ、１節ねじれなどがあり、このような多様な変形モードに対して十分な剛性を確保することが要求されている。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、多様な入力方向に対する剛性を向上した車両用フレーム構造を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、フロアパネルに沿って車両前後方向にほぼ沿って延びたフロントサイドフレームと、前記フロントサイドフレームよりも後方に配置され、車両前後方向にほぼ沿って延びたリアサイドフレームと、前記フロアパネルの左右側端部において車両前後方向にほぼ沿って延びたサイドシルと、前記リアサイドフレームに設けられリアサスペンションのアームが取り付けられるリアサブフレームが締結されるリアサスペンション取付部と、一方の端部が前記フロントサイドフレームに接続され、他方の端部が前記一方の端部よりも車両後方側で前記サイドシルに接続された第１の補剛部材と、一方の端部が前記フロントサイドフレームに接続され、他方の端部が前記リアサスペンション取付部に接続された第２の補剛部材とを備え、前記第１の補剛部材と前記第２の補剛部材とは相対角度変化が拘束されることを特徴とする車両用フレーム構造である。
これによれば、第１の補剛部材と第２の補剛部材が車体とともに強固なトラス構造を形成することによって、車幅方向の軸回りにおける車体の曲げや、車体前後方向の軸回りにおける車体のねじり、フロアトンネルが開閉する方向への車体変形等の多様な入力モードに対して、車体の剛性を向上することができる。
また、フロントサイドフレームをサイドシル及びリアサイドフレームと結合することによって、車両前後方向の力の入力に対して連続性を持たせることができる。
また、第１の補剛部材及び第２の補剛部材と車体との間に形成される構造体をより強固として、上述した効果を向上することができる。

請求項２に係る発明は、前記第１の補剛部材の前記サイドシル側の接続部は、前記サイドシルと前記リアサイドフレームの前端部との結合部近傍に配置されることを特徴とする請求項１に記載の車両用フレーム構造である。
請求項３に係る発明は、前記第１の補剛部材の前記サイドシル側の接続部は、左右の前記サイドシル間を連結するクロスメンバと前記サイドシルとの結合部近傍に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両用フレーム構造である。
これらの発明によれば、第１の補剛部材を車体の強固な箇所に接続することによって、上述した効果を確実に得ることができる。

請求項４に係る発明は、前記第１の補剛部材と前記第２の補剛部材とは、同じ結合部材を介して前記フロントサイドフレームに接続されることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の車両用フレーム構造である。
これによれば、第１の補剛部材と第２の補剛部材との結合部をフロントサイドフレームに接続することによって、補剛構造のさらなる強化を図ることができる。また、結合部の部品点数を低減してコスト及び重量の低減を図ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、多様な入力方向に対する剛性を向上した車両用フレーム構造を提供することができる。

本発明を適用した車両用フレーム構造の実施例を有する車両のフロアパネル下面部を下方から見た平面図である。図１のII−II部矢視断面図である。図１のIII−III部矢視断面図である。図１の車両用フレーム構造における補剛フレームの簡易モデルを示す図である。

本発明は、多様な入力方向に対する剛性を向上した車両用フレーム構造を提供する課題を、フロントサイドフレーム後端部とサイドシルのリアサイドフレームとの結合部とを連結する第１部材、及び、フロントサイドフレーム後端部とリアサブフレームとの前側結合部とを連結する第２部材を設けて、第１、第２部材及び車体で実質的にトラス構造となる補剛フレームを形成することによって解決した。

以下、本発明を適用した車両用フレーム構造の実施例について説明する。
図１は、実施例の車両用フレーム構造を有する車両のフロアパネル下面部を下方から見た平面図である。
車両１は、フロアパネル１０、フロントサイドフレーム２０、サイドシル３０、リアシートクロスメンバ４０、リアサイドフレーム５０、リアサスペンションアッパマウント６０、サブフレームフロントクロスメンバ７０、サブフレームリアクロスメンバ８０等を有して構成されている。

フロアパネル１０は、鋼鈑をプレス加工することによって形成された車両の床面部である。
フロアパネル１０の主要部分は、水平方向にほぼ沿って延びた平面状に形成されている。
また、フロアパネル１０は、図示しないリアシートの座面前端部の直下に段部１１が形成されている。フロアパネル１０における段部１１よりも後方側の部分は、前方側の部分に対して段状に高い位置に配置される。

また、フロアパネル１０の段部１１よりも前方側の部分においては、車幅方向における中央部を上方へ張り出させて形成されたフロアトンネル１２が形成されている。
フロアトンネル１２の内部には、図示しないプロペラシャフトや排気管などが配置される。
フロアトンネル１２の下方には、フロアトンネル１１を跨いで左右のフロアパネル１０を連結するリンホースメント１３が設けられている。

フロントサイドフレーム２０は、車両の図示しないエンジンルームの左右側部から、フロアパネル１０の前部（段部１１の直前）までにかけて、車両の前後方向にほぼ沿って配置された構造部材である。
フロントサイドフレーム２０は、フロアトンネル１１を車幅方向に挟んで左右に１対が設けられている。
フロントサイドフレーム２０は、フロアパネル１０の下面にハット状の板金パネルを溶接することによって、実質的に閉断面を有する梁状に形成されている。

サイドシル３０は、フロアパネル１０の左右両端部において、車両の前後方向に略沿って配置された構造部材である。
サイドシル３０は、閉断面を有する梁状に形成されるとともに、その内部には必要に応じてリンホースメントが配置されている。

リアシートクロスメンバ４０は、フロアパネル１０における図示しないリアシート座面前端部の下方に設けられ、左右のサイドシル３０の間を連結する構造部材である。
図３に示すように、リアシートクロスメンバ４０は、段部１１の上端部近傍に、実質的に閉断面部を構成するように形成されている。
リアシートクロスメンバ４０の両端部には、リアシートクロスメンバ４０の下面部からリアサイドフレーム５０の下面部にかけて設けられた当て板状のリンホースメント４１が設けられている。

リアサイドフレーム５０は、リアシートクロスメンバ４０よりも後方において、車両の前後方向にほぼ沿いかつフロアパネル１０に沿って延びた構造部材である。
図１に示すように、リアサイドフレーム５０の前半部（リアサスペンションアッパマウント６０よりも前方側の領域）は、車両前方側が開くように車両前後方向に対して傾斜して配置されている。
また、リアサイドフレーム５０の後半部（リアサスペンションアッパマウント６０よりも後方側の領域）は、車両前後方向にほぼ沿って配置されている。

リアサイドフレーム５０の下面部には、図示しないリアサブフレームの前側取付部５１及び後側取付部５２が設けられている。
リアサブフレームは、図示しないリアサスペンションのアーム類が取り付けられる構造部材であって、例えば鋼板プレス品等の板金部材を集成し溶接することによって、井桁状に形成されている。
前側取付部５１及び後側取付部５２は、このリアサブフレームの前端部及び後端部が、それぞれゴムブッシュを介して締結される溶接ナット等の締結手段を備えている。
前側取付部５１及び後側取付部５２は、それぞれリアサスペンションアッパマウント６０の前後に配置されている。

リアサスペンションアッパマウント６０は、図示しないリアサスペンションのダンパスプリングユニットの上端部が取り付けられる部分である。
リアサスペンションアッパマウント６０は、リアサイドフレーム５０の中間部における車幅方向外側に配置されている。

サブフレームフロントクロスメンバ７０及びサブフレームリアクロスメンバ８０は、リアサイドフレーム５０における左右の前側取付部５１の間、及び、後側取付部５２の間を連結する部材である。

また、車両は、以下説明する補剛フレーム１００を備えている。
補剛フレーム１００は、第１部材１１０、第２部材１２０、結合部材１３０等を備えて構成されている。

第１部材１１０は、例えば鋼製の円管状の部材であって、フロントサイドフレーム２０の後端部近傍の下面部と、サイドシル３０のリアシートクロスメンバ４０及びリアサイドフレーム５０との結合部近傍の下面部とを連結するものである。
図１に示すように、第１部材１１０のサイドシル３０側の端部は、フロントサイドフレーム２０側の端部に対して、車両後方側でありかつ車幅方向外側に配置されている。
図２は、図１のII−II部矢視断面図である。
図２に示すように、第１部材１１０のフロントサイドフレーム２０側の端部、及び、サイドシル３０側の端部には、それぞれブラケット１１１，１１２が形成されている。
ブラケット１１１，１１２は、それぞれボルトＢによって、車体側の固定ナットＮに締結されている。

第２部材１２０は、例えば鋼製の円管状の部材であって、フロントサイドフレーム２０の後端部近傍の下面部（第１部材１１０のフロントサイドフレーム２０側の固定箇所の近傍又は同一箇所）と、リアサイドフレーム５０の前側取付部５１とを連結するものである。
図１に示すように、第２部材１２０のリアサイドフレーム５０側の端部は、フロントサイドフレーム２０側の端部に対して、車両後方側でありかつ車幅方向外側に配置されている。
図３は、図１のIII−III部矢視断面図である。
図３に示すように、第２部材１２０のフロントサイドフレーム２０側の端部には、ブラケット１２１が形成されている。
ブラケット１２１は、ボルトＢによって、車体側の固定ナットＮに締結されている。
また、第２部材１２０のリアサイドフレーム５０側の端部は、リアサブフレームＦの前側マウントＭが取り付けられる円筒部の外周面部に例えば溶接等によって接合されている。前側マウントＭは、例えば円筒状の弾性体ブッシュであって、中心軸方向が鉛直方向にほぼ沿うように配置されている。リアサブフレームＦは、この弾性体ブッシュの内筒に下方側からボルトＢを挿入し、車体側の固定ナットＮに締結することによって固定される。

また、第１部材１１０及び第２部材１２０のフロントサイドフレーム２０側の端部には、第１部材１１０と第２部材１２０との相対角度変位を拘束する結合部材１３０が設けられている。
なお、上述した第１部材１１０のブラケット１１１、第２部材１２０のブラケット１２１、結合部材１３０は、一体に形成され、第１部材１１０及び第２部材１２０は、この共通の部材を介してフロントサイドフレーム２０に取り付けられている。

次に、上述した補剛フレーム１００の効果について説明する。
図４は、補剛フレーム１００の簡易モデルを示す図である。
図４において、第１部材１１０及び第２部材１２０のフロントサイドフレーム２０側の固定部をＡ点、第１部材１１０のサイドシル３０側の固定部をＢ点、第２部材１２０のリアサイドフレーム５０側の固定部をＣ点とする。

ここで、一例として、
第１部材１１０の長さを４０２．８ｍｍ、
第２部材１２０の長さを６４７．６ｍｍ、
第１部材１１０が車両前後方向に対してなす角度を４８．７°、
第２部材１２０が車両前後方向に対してなす角度を１１．８°、
第１部材１１０がＢ−Ｃ間を結ぶ直線に対してなす角度を１０６．５°、
第２部材１２０がＢ−Ｃ間を結ぶ直線に対してなす角度を３６．５°、
第１部材１１０に作用する軸力をＦ_Ｂ、
第２部材１２０に作用する軸力をＦ_Ｃ
とする。

例えば車体のねじれ等によって、Ａ点に対して、車幅方向内側への入力Ｗ（３０ｋＮ）があった場合、車両前後方向の力の釣合いは、式１によって表される。

Ｆ_Ｂｃｏｓ４８．７°＋Ｆ_Ｃｃｏｓ１１．８°＝０・・（式１）

また、車幅方向の力の釣合いは、式２によって表される。

Ｗ−Ｆ_Ｂｓｉｎ４８．７°−Ｆ_Ｃｓｉｎ１１．８°＝０・・（式２）

式１を変形して、以下の式３が得られる。

この式３を、式２に代入し、変形することによって、以下の式４が得られる。

以上の計算から、Ｆ_Ｃ＝３３．０（ｋＮ）（圧縮）、Ｆ_Ｂ＝４８．９（ｋＮ）（引張）となり、第１部材１１０、第２部材１２０の軸力によって、車幅方向入力を受けることができる。

同様に、補剛フレーム１００は、車幅方向外側への入力、車両前後方向の入力についても受けることができる。
このときの第１部材１１０、第２部材１２０の軸力の作用方向（圧縮、引張）を表１に示す。

なお、第１部材１１０、第２部材１２０の材質、断面形状等は、車両の走行時に補剛フレーム１００が受ける荷重を考慮して適宜設定可能であるが、最大引張応力、最大圧縮応力が材料等に依存する上限値を超えないよう配慮し、さらに、最大圧縮荷重が座屈荷重を超えないよう配慮することが必要である。
ここで、第１部材１１０、第２部材１２０の部材剛性は、同等としてもよいが、いずれか一方の部材剛性を高くするようにしてもよい。
例えば、第１部材１１０の部材剛性を、第２部材１２０に対して高くすることによって、フロアトンネル１２の開きや、車幅方向の軸回りの曲げに対して良好な効果を得ることができる。

以上説明したように、本実施例によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）補剛フレーム１００の第１部材１１０及び第２部材１２０がサイドシル３０及びリアサイドフレーム５０とともに強固なトラス構造を形成することによって、車幅方向の軸回りにおける車体の曲げや、車体前後方向の軸回りにおける車体のねじり、フロアトンネル１２が開閉する方向への車体変形等の多様な入力モードに対して、車体の剛性を向上することができる。
また、フロントサイドフレーム２０をサイドシル３０及びリアサイドフレーム５０と結合することによって、車両前後方向の力の入力に対して連続性を持たせることができる。
（２）第１部材１１０の後端部をサイドシル３０、リアシートクロスメンバ４０、リアサイドフレーム５０が相互に結合される箇所の近傍に設定したことによって、フロントサイドフレーム２０からの入力を車体の強固な箇所に伝達することができ、上述した効果を確実に得ることができる。
（３）第１部材１１０及び第２部材１２０の相対角度変化を拘束する結合部材１３０を設けたことによって、補剛フレームをより強固として上述した効果をより向上することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
例えば、車両フレーム構造を構成する各部材の形状、材質、寸法、製法や、補剛フレームの車体への固定方法などは、上述した実施例に限定されず、適宜変更することができる。
また、実施例では補剛フレームの第１部材と第２部材との間に結合部材を設けてこれらの相対角度変化を拘束しているが、これに限らず、例えば両者の端部を溶接等で直接固定することによって相対角度変化を拘束するようにしてもよい。

１０フロアパネル１１段部
１２フロアトンネル１３リンホースメント
２０フロントサイドフレーム３０サイドシル
４０リアシートクロスメンバ４１リンホースメント
５０リアサイドフレーム５１前側取付部
５２後側取付部６０リアサスペンションアッパマウント
７０サブフレームフロントクロスメンバ
８０サブフレームリアクロスメンバ
１００補剛フレーム１１０第１部材
１１１ブラケット１１２ブラケット
１２０第２部材１２１ブラケット
１３０結合部材
ＢボルトＮ固定ナット
ＦリアサブフレームＭマウント

Claims

フロアパネルに沿って車両前後方向にほぼ沿って延びたフロントサイドフレームと、
前記フロントサイドフレームよりも後方に配置され、車両前後方向にほぼ沿って延びたリアサイドフレームと、
前記フロアパネルの左右側端部において車両前後方向にほぼ沿って延びたサイドシルと、
前記リアサイドフレームに設けられリアサスペンションのアームが取り付けられるリアサブフレームが締結されるリアサスペンション取付部と、
一方の端部が前記フロントサイドフレームに接続され、他方の端部が前記一方の端部よりも車両後方側で前記サイドシルに接続された第１の補剛部材と、
一方の端部が前記フロントサイドフレームに接続され、他方の端部が前記リアサスペンション取付部に接続された第２の補剛部材とを備え、
前記第１の補剛部材と前記第２の補剛部材とは相対角度変化が拘束されること
を特徴とする車両用フレーム構造。
前記第１の補剛部材の前記サイドシル側の接続部は、前記サイドシルと前記リアサイドフレームの前端部との結合部近傍に配置されること
を特徴とする請求項１に記載の車両用フレーム構造。
前記第１の補剛部材の前記サイドシル側の接続部は、左右の前記サイドシル間を連結するクロスメンバと前記サイドシルとの結合部近傍に配置されること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両用フレーム構造。
前記第１の補剛部材と前記第２の補剛部材とは、同じ結合部材を介して前記フロントサイドフレームに接続されること
を特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の車両用フレーム構造。