JP7440763B2 - サイドシル構造 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の側面衝突において、高い衝撃吸収性能と軽量性を両立するサイドシル構造に関する。

自動車のサイドシルは、キャビン下部を構成し、車両幅方向外側に配置され、車両長方向に延伸する部材である。サイドシルの車両長方向を法線方向とする断面は略ハット形状のアウターとインナーから構成されるものが一般的である。サイドシルは、アウターが略ハット形状の凸部が車両幅方向の外側に向き、一方、インナーが略ハット形状の凸部が車両幅方向の内側に向き配置される閉断面構造を有し、アウターとインナーはそれぞれのフランジで結合される。サイドシルは車両幅方向に延伸するクロスメンバーと呼ばれる骨格部材で一般的に支持される。

自動車の側面衝突時、特にポール側突時には、クロスメンバー等で支持されたサイドシルには曲げ負荷が入力され、それによりサイドシルが塑性変形することで衝撃吸収する。

従来のサイドシル構造として、特許文献１および特許文献２に記載されたものがある。
特許文献１には、サイドシルの閉断面内に板状補強部材を配置し、トラス構造とすることで、衝撃吸収性能を高める技術が開示されている。特許文献２にはサイドシルの断面内に補強板を有し、補強板は車両長方向のセンターピラーが配置される位置に複数の穴を有し、複数の穴はそれぞれ三角形の開口周縁部を有し、開口周縁部には補強板の厚さ方向に折り曲げられた環状の段部が形成されることで、車体上下、前後、傾斜荷重の剛性を高めることを想定した技術が開示されている。

特開２００７－６２４１０号公報 特開２０１７－３９３３８号公報

しかしながら、特許文献１には板状補強部材の配置に関しての開示はあるものの，板状補強部材の形状に関する開示はなく、衝突性能と軽量性のバランスを高める余地がある。

また、特許文献２には、補強板は車両長方向のセンターピラーが配置される位置に複数の穴を有し、穴の開口周縁部には補強板の厚さ方向に折り曲げられた環状の段部が形成されることで、車体上下、前後、傾斜荷重の剛性を高めることを想定した技術が開示されているものの、側面衝突、特にポール側突のように、衝突位置がセンターピラー位置以外の場合に、その断面の変形挙動および衝突性能と質量のバランスに優れることは開示されていないし、その効果が定量的にも開示されていない。また、車両長方向のセンターピラーが配置される位置において、補強板に穴が設けられていると、補強部材の面外変形の抵抗が低下し、衝突時の衝撃吸収性能が低下する問題がある。さらに、特許文献２では、傾斜荷重の剛性を高めるため、複数の穴はそれぞれ三角形の開口周縁部を有する。そのため、穴形状は、車両幅方向および車両長方向に平行な面に対して非対称となる。この非対称性により、穴の弱部側のサイドシルの天面、側面および補強板が大きく変形し、衝突性能と質量のバランスの向上効果への懸念がある。

本発明では、従来のサイドシルに比べ、衝突時の高い衝撃吸収性能と軽量性を両立したサイドシル構造を提供することを目的とする。

本発明者らは、サイドシルが車両幅方向に延伸するクロスメンバーで支持され，ポールで衝突する状況を想定したサイドシルの３点曲げ衝突評価を行った。

サイドシルおよび補強部材の衝突時の変形状態を詳細に観察し，その上でサイドシル補強部材の形状を誠心誠意検討した結果、以下の知見が得られた。

補強部材に車両長方向においてセンターピラー位置以外に少なくとも１つの穴を設け、その穴縁周りに縦壁を設けることで、補強部材の面外変形の抵抗が高まり、上記課題を解決できる。

本発明は以下に列記の通りである。
（１）自動車のキャビン下部を構成し車両幅方向の外側に配置され車両長方向に延伸するサイドシルの構造であって、前記サイドシルの車両長方向を法線とする断面は多角形形状を有する閉断面であり、前記サイドシルの断面内には略平板を基本形状とし車両上下方向に架け渡される補強部材が配置されており，前記補強部材には車両長方向においてセンターピラー位置以外に少なくとも一つ以上の穴が設けられており、前記補強部材の穴縁周りに車両幅方向と略平行に縦壁が設けられたことを特徴とするサイドシル構造。
（２）前記補強部材の穴縁周りの縦壁の端部が車両幅方向で車両内側に配置されたことを特徴とする上記（１）に記載のサイドシル構造。
（３）車両長方向において前記センターピラーの位置には前記穴が設けられていないことを特徴とする上記（１）または（２）に記載のサイドシル構造。
（４）前記補強部材の穴縁周りの縦壁高さｈと、前記補強部材の穴縁周りの縦壁の立ち上がり稜線部の曲率半径Ｒｗと、前記補強部材の穴縁周りの縦壁の立ち上がり稜線部の曲率止まりの径Ｄｈとの関係が、ｈ≧５ｍｍ、かつ、Ｄｈ／（Ｄｈ－２ｈ－πＲｗ）≦１．４０を満たすことを特徴とする上記（１）～（３）のいずれかに記載のサイドシル構造。
（５）前記補強部材の少なくとも一つ以上の前記穴の内、隣接する前記穴の間の中心がクロスメンバー間の中央に配置されたことを特徴とする上記（１）～（４）のいずれかに記載のサイドシル構造。
（６）略ハット形状のアウター、略ハット形状のインナー、および前記補強部材から構成され、前記アウターと前記インナーがフランジで結合され、前記補強部材が前記アウターの側面および前記インナーの側面に結合され、かつ、前記フランジに対し車両幅方向で２０ｍｍ以下の距離で結合されていることを特徴とする上記（１）～（５）のいずれかに記載のサイドシル構造。
（７）略ハット形状のアウター、略ハット形状のインナー、および前記補強部材から構成され、前記補強部材が前記アウターと前記インナーのフランジで結合されることを特徴とする上記（１）～（５）のいずれかに記載のサイドシル構造。
（８）前記サイドシルが引張強度７８０ＭＰａ以上の鋼板からなることを特徴とする上記（１）～（７）のいずれかに記載のサイドシル構造。

本発明によれば、衝突時の高い衝撃吸収性能と軽量性を両立したサイドシル構造を提供することができる。

本発明のサイドシルを示す図である。 従来のサイドシルの断面を示す図である。 本発明の第１の実施形態のサイドシルの断面を示す図である。 本発明の第２の実施形態のサイドシルの断面を示す図である。 本発明の第１の実施形態の補強部材を示す図である。 本発明の第１の実施形態の補強部材の断面を示す図である。 本発明の第３の実施形態の補強部材を示す図である。 従来のサイドシルの変形を示す図である。 本発明の第１の実施形態のサイドシルの変形を示す図である。 本発明の第２の実施形態のサイドシルの変形を示す図である。 ３点曲げの評価条件を示す図である。 比較例と実施例のエネルギー吸収効率を示す図である。 補強部材穴縁周りの縦壁の高さとエネルギー吸収効率の関係を示す図である。

以下，本発明の実施形態に係るサイドシル構造について、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。

図１に示すように、サイドシル１はフロアパネル１０の上部に配置されるクロスメンバー１１に支持される。ポール側突時にサイドシル１はクロスメンバー１１に支持された曲げ負荷により塑性変形し衝撃吸収する。

この曲げ負荷において、サイドシル１が最も塑性変形抵抗が得難い条件は複数配置されたクロスメンバー１１の中央の位置でポールが衝突する場合であるため、この条件において、塑性変形抵抗、すなわち、エネルギー吸収と軽量性を両立させることが重要である。

図３の第一の実施形態に示すように、サイドシル１はアウター２とインナー３と補強部材４で構成される。アウター２は略ハット形状であり凸部、すなわちアウター天面２ａが車両幅方向Ｗの外側を向いて、インナー３は略ハット形状であり凸部、すなわちインナー天面３ａが車両幅方向Ｗの内側を向いて配置され閉断面を形成している。アウター２とインナー３はアウターフランジ２ｃとインナーフランジ３ｃで結合される。結合には例えばスポット溶接を用いる。

補強部材４はアウター２とインナー３で形成される断面内に配置される。補強部材４は、略平板形状で、図３に示す第一の実施形態では、補強部材４はアウターフランジ２ｃとインナーフランジ３ｃにそれぞれ結合される。結合には例えばスポット溶接を用いる。さらに、補強部材４には少なくとも一つ以上の補強部材穴４ａが設けられている。補強部材穴４ａは、車両長方向Ｌにおいてセンターピラー位置以外に設けられている。つまり、車両長方向Ｌにおいてセンターピラーの位置には、補強部材穴４ａが設けられていない。図５の一点鎖線は隣接するクロスメンバー１１間の中央を示しており、すなわち、一つの補強部材穴４ａの中心はクロスメンバー１１間の中央に配置されている。さらに、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂが補強部材穴４ａから略車両幅方向と平行になるように設けられ、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの端部は、アウター２側に位置している。一方、図２は、従来のサイドシル１００の断面を示す図である。図２に示す従来のサイドシル１００では、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂは設けられていない。

図８に示す従来のサイドシル１００の変形は、補強部材４が車両幅方向Ｗのアウター２側へ面外変形しており、変形の方向は図９に示す本発明のサイドシル１も同様である。しかし、本発明のサイドシル１では、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂが略車両幅方向と平行に設けられることにより、補強部材４が面外変形する際の抵抗が高まる。このことにより、従来のサイドシル１００に比べ、本発明のサイドシル１の面外変形の抵抗が高まり、本発明のサイドシル１は優れたエネルギー吸収性能と軽量性の両立が可能となる。

次に、図４に示す第二の実施形態のサイドシル１について説明する。第二の実施形態のサイドシル１は第一の実施形態のサイドシル１に対し、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの端部がインナー３側へ配置されている。なお、第二の実施形態の補強部材穴４ａの配置は、第一の実施形態（図５）と同様である。

図１０に示す第二の実施形態のサイドシル１の補強部材４は、第一の実施形態のサイドシル１および従来のサイドシル１００同様、車両幅方向Ｗのアウター側へ面外変形している。このことにより、第一の実施形態の補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの端部は引張変形となる一方、第二の実施形態の補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの端部は圧縮変形となる。後述する実施例で示すが、第二の実施形態のサイドシル１は第一の実施形態のサイドシル１に比べ、吸収エネルギーが高い。このことから、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの端部が圧縮変形となるよう、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂを配置することで、サイドシル１はさらに優れたエネルギー吸収性能と軽量性の両立が可能となる。

次に、図７に示す補強部材４を有する第三の実施形態のサイドシル１について説明する。図７の一点鎖線は、図５と同様、隣接するクロスメンバー１１間の中央を示している。第三の実施形態のサイドシル１の補強部材４は、少なくとも一つ以上の補強部材穴４ａの内、隣接する補強部材穴４ａの間の中心が隣接するクロスメンバー１１間の中央に配置されている。

後述する実施例から、サイドシル１の補強部材４に関して、少なくとも一つ以上の補強部材穴４ａの内、隣接する補強部材穴４ａの間の中心が隣接するクロスメンバー１１間の中央に配置することで、サイドシル１はクロスメンバー１１間の中央にポールが衝突した場合において、さらに優れたエネルギー吸収性能と軽量性の両立が可能となる。

次に、優れたエネルギー吸収性能と軽量性の両立の観点から、図６に示す補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの高さｈと補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの立ち上がり稜線部の曲率半径Ｒｗと補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの立ち上がり稜線部の曲率止まりの径Ｄｈの関係が、ｈ≧５ｍｍ、かつ、Ｄｈ／（Ｄｈ－２ｈ－πＲｗ）≦１．４０を満たすことが好ましい。ここで、Ｄｈ／（Ｄｈ－２ｈ－πＲｗ）は、穴拡げ率を意味し、穴拡げ率が１．４０を超えると、金属材料を用い、フランジアップ加工により穴縁周りの縦壁を成形した際、その縦壁の端部が局部的に肉薄になり、または、割れを生じ、エネルギー吸収性能の向上に寄与しなくなる。なお、縦壁４ｂの立ち上がり稜線部の曲率止まりの径Ｄｈとは、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの立ち上がり稜線部の曲面とその外側の平面との境界の外径を意味する。

後述する実施例から、ｈ≧５ｍｍを満たすことで、サイドシル１は優れたエネルギー吸収性能と軽量性の両立が可能となる。ｈを大きくすることで，面外変形の抵抗が高まる。しかし、ｈ＜５ではその効果は不十分である。一方で、Ｄｈ／（Ｄｈ－２ｈ－πＲｗ）＞１．４０の場合、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂを成形する際に補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの端部の引張変形が高くなり、破断を回避するために、成形工程を多工程化することや成形金型が複雑になるなどの成形上の困難性がある。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許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、第一から第三の実施形態では、補強部材穴４ａの形状を円としたが、必ずしも円である必要はなく、補強部材穴４ａの形状によらず、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂを設けることで、本発明の効果を享受できる。

例えば、補強部材穴４ａが丸角四角形でもよい。その場合、補強部材穴４ａの曲線部における部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの高さｈと補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの立ち上がり稜線部の曲率半径Ｒｗと補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの立ち上がり稜線部の曲率止まりの長さＤｈの関係が、Ｄｈ／（Ｄｈ－２ｈ－πＲｗ）≦１．４０を満たすことが好ましく、かつ、補強部材穴４ａの直線部における部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの高さｈが、ｈ≧５ｍｍを満たすことが好ましい。なお、縦壁４ｂの立ち上がり稜線部の曲率止まりの長さＤｈとは、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの立ち上がり稜線部の曲面とその外側の平面との境界について、丸角四角形の対向する２辺における２つの境界の間の距離を意味する。

また、補強部材穴４ａは五角形でもよい。しかし、車両幅方向Ｗおよび車両長方向Ｌに平行な面に対し、補強部材穴４ａが非対称な形状の場合、穴の弱部側のサイドシルの天面、側面および補強板が大きく変形し、衝突性能と質量のバランスの効果が十分に享受できない可能性がある。このため、補強部材穴４ａの穴形状は、車両幅方向Ｗおよび車両長方向Ｌに平行な面に対し、略対象な形状が好ましい。

また、第一から第三の実施形態では、補強部材４をアウターフランジ２ｃ、インナーフランジ３ｃで結合したが、補強部材４の結合位置がアウター側面２ｂ、または、インナー側面３ｂでも、本発明の効果を享受できる。

補強部材４をアウター側面２ｂ、または、インナー側面３ｂで結合した場合、補強部材４の結合部はフランジに対し車両幅方向Ｗで２０ｍｍ以下の距離に配置されることが好ましい。この距離が２０ｍｍ以上の場合、サイドシル１の断面の変形モードが変化し、本発明の効果を十分に享受できない可能性がある。

本発明のサイドシル１を構成する材料は、金属材料（例えば、鋼板、アルミニウム、チタン）が選択される。また、樹脂材料、炭素繊維材料でもよい。比強度および比剛性の高い材料が好ましい。

従来および本発明のサイドシル構造について、図１１に示すサイドシル構造の一部を切り出した３点曲げのシミュレーションを実施した。従来のサイドシル構造とは図３に示すサイドシル構造に対して、図２に示したように、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂを除いた構造（比較例１）である。本発明のサイドシル構造とは図３の構造（実施例１）、図４の構造（実施例２）および図４に対し補強部材穴４ａの配置を図７の配置にした構造（実施例３）である。実施例１～３における、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの高さｈは７ｍｍ、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの立ち上がり稜線部の曲率止まりの径Ｄｈは６０ｍｍ、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの立ち上がり稜線部の曲率半径Ｒｗは５ｍｍ、補強部材穴４ａの間隔Ｌｈは８０ｍｍ等間隔とした。さらに実施例３に対し、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの立ち上がり稜線部の曲率半径Ｒｗは２．５ｍｍとし、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの高さｈを２．５～１２．５ｍｍまで２ｍｍピッチで変化させた構造も用意した。いずれの構造もサイドシル長さＬ１は８００ｍｍ、アウター２とインナー３と補強部材４の結合はスポット溶接とし、スポット溶接ピッチは３０ｍｍとした。いずれの構造のアウター２およびインナー３は９８０ＭＰａ級・板厚１．４ｍｍの鋼板製、補強部材４は９８０ＭＰａ級・板厚１．０ｍｍの鋼板製とした。

３点曲げのインパクター（ポール）の曲率半径Ｒｉは１２７ｍｍ、支持点の曲率半径Ｒｓは６０ｍｍ、支持点の間隔Ｌｓは３００ｍｍとし、インパクター速度Ｖｉが１ｍ／ｓでサイドシル構造の支持点間の中央に向け移動させた．すなわち、隣接クロスメンバー間の中央にポールを衝突させる状況を模擬した。ポールとサイドシル構造間に発生する荷重およびポールの変位を計測した。エネルギー吸収量はポールの変位に対する荷重の積分値とし、ポールの変位１００ｍｍ時点のエネルギー吸収量を評価した。

図１２で比較例と実施例のエネルギー吸収効率を比較する。図の縦軸は、実施例のエネルギー吸収量をサイドシル構造の質量で除した値（エネルギー吸収量／質量）を、比較例１のエネルギー吸収量をサイドシル構造の質量で除した値（エネルギー吸収量／質量）で規格化した値を示している。この規格化した値が１を超えていれば、従来のサイドシル構造に比べ、優れたエネルギー吸収性能と軽量性の両立が可能となることを意味する。図１２に示すように、すべての実施例の値は１を超えている。このことから、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂを設けた本発明のサイドシル構造は、優れたエネルギー吸収性能と軽量性の両立が可能となることが示された。

また、図１２に示すように、実施例２の値は実施例１に比べ高い。このことから、補強部材穴４ａの穴周りの縦壁４ｂをインナー３側に配置することで、サイドシル１はさらに優れたエネルギー吸収性能と軽量性の両立が可能となることが示された。

次に、実施例３の値は実施例２に比べ高い。このことから、サイドシル１の補強部材４に関して、少なくとも一つ以上の補強部材穴４ａの内、隣接する補強部材穴４ａの間の中心が隣接するクロスメンバー間の中央に配置することで、サイドシルはクロスメンバー間の中央にポールが衝突した場合において、さらに優れたエネルギー吸収性能と軽量性の両立が可能となることが示された。

次に、図１３に補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの高さとエネルギー吸収効率の関係を示す。図の横軸は補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの高さ、縦軸は図１２同様、実施例のエネルギー吸収量／質量を、比較例１のエネルギー吸収量／質量で規格化した値を示す。補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの高さが０～４．５ｍｍまでは縦軸の値が急峻に増加し、４．５～６．５ｍｍでは縦軸の値が緩やかに増加し、それ以降の縦軸の値はほとんど変化がない。このことから、優れたエネルギー吸収性能と軽量性の両立の観点から、補強部材穴４ａの穴縁周りの縦壁４ｂの高さの好ましい範囲が存在することが示された。

本発明は自動車等に取り付けられるサイドシルに適用することができる。

１ サイドシル
２ アウター
２ａ アウター天面
２ｂ アウター側面
２ｃ アウターフランジ
３ インナー
３ａ インナー天面
３ｂ インナー側面
３ｃ インナーフランジ
４ 補強部材
４ａ 補強部材穴
４ｂ 縦壁
１０ フロアパネル
１１ クロスメンバー
１００ 従来のサイドシル
Ｌ 車両長方向
Ｗ 車両幅方向
Ｖ 車両高方向
Ｒｗ 補強部材穴縁周りの縦壁の立ち上がり稜線部の曲率半径
Ｄｈ 補強部材穴縁周りの縦壁の立ち上がり稜線部の曲率止まりでの径
ｈ 補強部材穴縁周りの縦壁の高さ
Ｌｈ 補強部材穴の間隔
Ｒｉ インパクター曲率半径
Ｖｉ インパクター速度
Ｒｓ 支持点曲率半径
Ｌｓ 支持点間隔
Ｌ１ サイドシル長さ

Claims (8)

1. 自動車のキャビン下部を構成し車両幅方向の外側に配置され車両長方向に延伸するサイドシルの構造であって、
   前記サイドシルの車両長方向を法線とする断面は多角形形状を有する閉断面であり、
   前記サイドシルの断面内には略平板を基本形状とし車両上下方向に架け渡される補強部材が配置されており、前記補強部材には車両長方向においてセンターピラー位置以外に少なくとも一つ以上の穴が設けられており、
   前記補強部材の穴縁周りに車両幅方向と略平行に縦壁が設けられたことを特徴とするサイドシル構造。
2. 前記補強部材の穴縁周りの縦壁の端部が車両幅方向で車両内側に配置されたことを特徴とする請求項１に記載のサイドシル構造。
3. 車両長方向において前記センターピラーの位置には前記穴が設けられていないことを特徴とする請求項１または２に記載のサイドシル構造。
4. 前記補強部材の穴縁周りの縦壁高さｈと、前記補強部材の穴縁周りの縦壁の立ち上がり稜線部の曲率半径Ｒｗと、前記補強部材の穴縁周りの縦壁の立ち上がり稜線部の曲率止まりの径Ｄｈとの関係が、ｈ≧５ｍｍ、かつ、Ｄｈ／（Ｄｈ－２ｈ－πＲｗ）≦１．４０を満たすことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のサイドシル構造。
5. 前記補強部材の少なくとも一つ以上の前記穴の内、隣接する前記穴の間の中心がクロスメンバー間の中央に配置されたことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のサイドシル構造。
6. 略ハット形状のアウター、略ハット形状のインナー、および前記補強部材から構成され、前記アウターと前記インナーがフランジで結合され、前記補強部材がアウターの側面およびインナーの側面に結合され、かつ、前記フランジに対し車両幅方向で２０ｍｍ以下の距離で結合されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のサイドシル構造。
7. 略ハット形状のアウター、略ハット形状のインナー、および前記補強部材から構成され、前記補強部材が前記アウターと前記インナーのフランジで結合されることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のサイドシル構造。
8. 前記サイドシルが引張強度７８０ＭＰａ以上の鋼板からなることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載のサイドシル構造。

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