車両用フレーム構造及び車両用フレーム製造方法
【課題】この発明は、フランジ部を両端部に備えた断面コの字状部材を含むものにおいて、高い性能重量効率を実現しつつ、曲げ変形初期における曲げ抗力特性の向上と、曲げ変形中期における荷重エネルギー吸収特性の向上とを両立させることができる車両用フレーム構造及び車両用フレーム製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】フレーム本体１１は、荷重Ｆが作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部１１ａと、引張方向の力が作用する第２面部１１ｂとを有し、第３、第４面部１１ｃ、１１ｄには、フレーム本体１１から離間した基部１２ａと、該基部１２ａから突出して、側面部１１ｃ１、１１ｄ１の内周に結合される複数の凸部１２ｂとを一体に形成した機能板１２を備えており、機能板１２は、フランジ部１２ｅがフランジ部１１ｉ、１１ｊの間に挟まれて結合されている。
【解決手段】フレーム本体１１は、荷重Ｆが作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部１１ａと、引張方向の力が作用する第２面部１１ｂとを有し、第３、第４面部１１ｃ、１１ｄには、フレーム本体１１から離間した基部１２ａと、該基部１２ａから突出して、側面部１１ｃ１、１１ｄ１の内周に結合される複数の凸部１２ｂとを一体に形成した機能板１２を備えており、機能板１２は、フランジ部１２ｅがフランジ部１１ｉ、１１ｊの間に挟まれて結合されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車体の一部を構成し、車両の衝突時に荷重が作用して曲げ変形が生ずる管状の車両用フレーム構造及び車両用フレーム製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、車体の一部を構成する管状のフレーム構造として、車両衝突時に荷重が作用しても、高い曲げ剛性を発揮して、車室内の乗員を確実に保護できるようにしたものが数多く提案されている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１では、車体の一部を構成する管状のサイドシルにおいて、そのインナパネルとの間で複数の閉断面部を形成するリインホースメントをコーナー部に備えたものが開示されている。
【０００４】
このリインホースメントは、サイドシルの長手方向と直交する直交断面方向において凹凸が形成されており、そのうち凸部がインナパネルのコーナー部内面側に結合されている。
【０００５】
下記特許文献１では、上述したリインホースメントを備えたサイドシルと、リインホースメントを備えていないサイドシルとについてそれぞれ曲げ変形が生じた時の曲げ抗力特性を解析し、両者を比較検討している。そして、その比較結果に基づき、リインホースメントを備えたサイドシルのほうがより高い曲げ抗力を発揮できたことを示している。
【０００６】
下記特許文献１に開示されているように、上述したようなリインホースメントをフレームのコーナー部に備えることで、肉厚な補強材を備えなくても、衝突荷重等が作用した時の曲げ変形を効率的に抑制することが可能となる。つまり、この場合、曲げ抗力をフレームの全体重量で除した数値、いわゆる性能重量効率を高めることができ、結果として、フレームの軽量化を図ることができる。
【０００７】
近年では、環境保護の観点から、燃費向上の要求が高まっており、これを実現すべく、車体の軽量化について様々な研究開発が進められている。このような理由から、各車両用フレームにおいても、より軽量でありながら高い曲げ抗力を発揮するものが求められており、上述した性能重量効率は、車両用フレームを開発する上で極めて重要な要素となっている。
【０００８】
また、下記特許文献２では、サイドシルにおいて、そのインナパネルのコーナー部を含む周辺領域に、サイドシルの長手方向に延びる中空空間を複数形成したものが開示されている。
【０００９】
このような構成であっても、下記特許文献１に開示されたフレーム構造と同様、単純な平板からなるフレームに比べ、高い曲げ抗力を発揮することができる。この場合、中空空間を形成した分、フレーム全体の軽量化を図りつつ、フレームの曲げ抗力を向上させることを可能にしている。
【００１０】
また、下記特許文献３では、フレームに曲げ変形が発生した時の挙動を解析し、曲げ変形のメカニズムを検証している。そして、その結果から、フレームに荷重が作用した時には、圧縮方向の力が作用する面側のコーナー部及びその周辺部の領域に大きな面外変形（ここで言う面外変形とは、面上のみで変位が発生する二次元的な変形ではなく、面の厚み方向に変位を伴う三次元的な変形全般を言う。）が発生することで、フレームに曲げ変形が生じることを見出している。
【００１１】
下記特許文献３に開示された技術では、このような観点から、前記コーナー部及びその周辺部の領域を他に比べて肉厚に形成しており、これによって、フレームの軽量化を図りつつ、曲げ抗力の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００９−１１３７６６号公報
【特許文献２】特開平１１−２０８５２１号公報
【特許文献３】特開２００８−６８７５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、車両用フレームは、前記特許文献１〜３に開示されているように、一般的に板状の断面コの字状部材を少なくとも一方に備え、その両端部で断面外向きに突出するフランジ部に他方の板状部材を結合することで管状に形成されることが多い。
【００１４】
そこで、本発明者は、車両用フレームを開発するにあたり、上述した断面コの字状部材を含むフレーム本体に、前記特許文献１のリインホースメントに相当する機能板を備えた場合について、その曲げ抗力特性の解析、検討を行った。
【００１５】
本発明者は、鋭意研究の結果、前記断面コの字状部材のフランジ部に対する機能板の配置を工夫することにより、フランジ部と機能板との協働で曲げ抗力特性の向上が図れることを見出した。
【００１６】
また、前記特許文献１〜３に開示された従来技術を見てみると、これらは、車両用フレームの曲げ変形初期においてより高い曲げ抗力を備えることを目的としているに過ぎない。実際、車両衝突時等に発生する衝撃荷重から乗員を保護するにあたっては、曲げ変形初期における曲げ抗力を高めるだけではなく、曲げ変形中期にて吸収できる荷重エネルギーを増大させることも重要な要素となる。
【００１７】
近年では、車両用フレームの曲げ変形中期における荷重エネルギー吸収特性を向上させつつ、かつ車両用フレームの性能重量効率（荷重エネルギー吸収量をフレーム全体重量で除した数値）を高めることが課題となっている。
【００１８】
この発明は、フランジ部を両端部に備えた断面コの字状部材を含むものにおいて、高い性能重量効率を実現しつつ、曲げ変形初期における曲げ抗力特性の向上と、曲げ変形中期における荷重エネルギー吸収特性の向上とを両立させることができる車両用フレーム構造及び車両用フレーム製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この発明の車両用フレーム構造は、車体の一部を構成し、車両の衝突時に荷重が作用して曲げ変形が生ずる管状のフレーム構造であって、２つの断面コの字状部材を対向させるか、または断面コの字状部材と平板状部材とを対向させて、その両端部をそれぞれ結合することにより管状に形成されたフレーム本体を備え、前記断面コの字状部材には、中央面部と、該中央面部の両側に連続する側面部と、両端部にて断面外向きに突出するフランジ部とが形成され、該フランジ部同士、または該フランジ部と前記平板状部材の両端部とが結合されており、前記フレーム本体は、前記荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部と、引張方向の力が作用する第２面部とを有するとともに、前記第１、第２面部の間には、少なくとも一方の前記断面コの字状部材の側面部が配設され、該側面部には、前記フレーム本体から離間した基部と、該基部から突出して、前記側面部の内周に結合される複数の凸部とを一体に形成した機能板を備えており、前記凸部は、フレームの長手方向に複数配列されるとともに、前記長手方向に直交する直交断面方向に複数配列され、前記機能板は、一端側が前記フランジ部の間、または前記フランジ部と前記平板状部材の端部との間に挟まれて結合されているものである。
【００２０】
この構成によれば、機能板の一端側を、フレーム本体のフランジ部の間、またはフランジ部と平板状部材の端部との間に挟んで結合することにより、曲げ変形初期の屈曲部における面外変形を、フレーム本体と機能板との協働によってより効果的に抑制することができ、曲げ抗力特性を向上させることができる。
そして、車両用フレームの曲げ変形時、側面部及び機能板は、屈曲部周辺の広範囲に亘って荷重エネルギー吸収に寄与することになる。これにより、曲げ変形中期における車両用フレームの荷重エネルギー吸収特性を向上させることができる。
さらに、この場合、フレーム本体、機能板の肉厚化を抑制しながらも、車両用フレームの曲げ抗力特性及び荷重エネルギー吸収特性の向上を図れることから、曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性における性能重量効率（車両用フレームの曲げ抗力／車両用フレームの全体重量、荷重エネルギー吸収量／車両用フレームの全体重量）を向上させることができる。
【００２１】
この発明の一実施態様においては、前記フレーム本体の第１面部を、前記断面コの字状部材の中央面部により形成し、前記中央面部と前記側面部との間には、コーナー部が形成され、該コーナー部を含む領域に、前記機能板を備えているものである。
【００２２】
この構成によれば、曲げ変形初期の屈曲部における面外変形をより効果的に抑制することができ、その結果、車両用フレームの曲げ抗力特性をより向上させることができる。
【００２３】
この発明の一実施態様においては、前記凸部が、前記長手方向及び前記直交断面方向に周期的に配列されるように形成されており、前記フレームの長手方向に隣接する前記凸部は、互いに前記直交断面方向の重なりを有しているとともに、前記直交断面方向に隣接する前記凸部は、互いに前記長手方向の重なりを有しているものである。
【００２４】
この構成によれば、長手方向及び直交断面方向において、直線状に連続した基部が形成されないような構成となる。このため、車両用フレームに荷重が作用した時、基部の長手方向、直交断面方向に折り目（折れのきっかけ）が形成されて、屈曲部での面外変形が促進されることを防止できる。
【００２５】
この発明の一実施態様においては、前記凸部が、前記フレーム本体に結合される先端部が、多角形状の平面部を有した多角錐台状をなしているものである。
【００２６】
この構成によれば、凸部を溶接によってフレーム本体に結合する時には、凸部の平面部を溶接代とすることができ、これによって両者の結合をより安定的に行うことができる。
【００２７】
この発明の一実施態様においては、前記凸部が、前記フレーム本体に結合される先端部が、円形状の平面部を有した円錐台状をなしているものである。
【００２８】
この構成によれば、角錐台状の場合に比べて凸部間には大きな間隙が形成されるため、該間隙に基部を形成することで、フレーム本体と機能板とにより構成される構造体の剛性を向上させることができる。このため、曲げ変形初期の屈曲部における面外変形をより確実に抑制することができる。
【００２９】
この発明の車両用フレーム製造方法は、断面コの字状部材の中央面部両側に連続する側面部内周に、基部から突出した凸部を複数形成した機能板を、前記凸部で予め結合するステップと、前記断面コの字状部材の両端部に形成したフランジ部、及び前記機能板の一端側を、他方の断面コの字状部材の両端部に形成したフランジ部、または平板状部材の端部に結合するステップとからなるものである。
【００３０】
この構成によれば、曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性における性能重量効率が向上した車両用フレームを製造するにあたり、機能板の凸部を公知の方法を用いて容易にフレーム本体内周に結合することができる。
【発明の効果】
【００３１】
この発明によれば、機能板の一端側を、フレーム本体のフランジ部の間、またはフランジ部と平板状部材の端部との間に挟んで結合することにより、曲げ変形初期の屈曲部における面外変形を、フレーム本体と機能板との協働によってより効果的に抑制することができ、曲げ抗力特性を向上させることができる。そして、車両用フレームの曲げ変形時には、曲げ変形中期における車両用フレームの荷重エネルギー吸収特性を向上させることができる。
さらに、この場合、フレーム本体、機能板の肉厚化を抑制しながらも、車両用フレームの曲げ抗力特性及び荷重エネルギー吸収特性の向上を図れることから、曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性における性能重量効率（車両用フレームの曲げ抗力／車両用フレームの全体重量、荷重エネルギー吸収量／車両用フレームの全体重量）を向上させることができる。
【００３２】
そして、曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性における性能重量効率が向上した車両用フレームを製造するにあたり、公知の方法で、機能板の凸部を容易にフレーム本体内周に結合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の第１実施形態に係る車両用フレーム構造を示す斜視図。
【図２】車両用フレームを長手方向に直交する直交断面方向で切断した時の断面図。
【図３】機能板の各凸部の配列を説明するための正面図。
【図４】（ａ）車両用フレームの曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性の解析方法を説明するための図、（ｂ）車両用フレームの湾曲状態を示す斜視図。
【図５】車両用フレームに荷重を付加した時の、該荷重に対する反力と圧子の下降ストロークとの関係、及び荷重エネルギー吸収量と圧子の下降ストロークとの関係を示すグラフ。
【図６】車両用フレームの第１面部の中央部に向かって直交断面方向上方から荷重を付加した時の車両用フレームの挙動をシミュレーション解析した結果を示す斜視図。
【図７】機能板の挙動をシミュレーション解析した結果を示す斜視図。
【図８】屈曲部における閉断面の形状を示す断面図。
【図９】フレーム本体と機能板とにより構成された構造体の機能を説明するための断面図。
【図１０】車両用フレームの製造方法を説明するための分解斜視図。
【図１１】車両用フレームの製造方法を説明するための分解斜視図。
【図１２】車両用フレームの製造方法を説明するための分解斜視図。
【図１３】車両用フレームの製造方法を説明するための断面図。
【図１４】この発明の第２実施形態に係る車両用フレーム構造を示す斜視図。
【図１５】車両用フレームの製造方法を説明するための分解斜視図。
【図１６】車両用フレームの製造方法を説明するための分解斜視図。
【図１７】車両用フレームの製造方法を説明するための分解斜視図。
【図１８】車両用フレームの製造方法を説明するための断面図。
【図１９】この発明の第３実施形態に係る車両用フレーム構造を示す斜視図。
【図２０】機能板の各凸部の配列を説明するための正面図。
【図２１】この発明の第４実施形態に係る車両用フレーム構造を示す斜視図。
【図２２】この発明の第５実施形態に係る車両用フレーム構造を示す斜視図。
【図２３】機能板の各凸部の配列を説明するための正面図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。
（第１実施形態）
まず、図１〜図１３に示す第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る車両用フレーム構造を示す斜視図であり、図２は、車両用フレーム１を長手方向に直交する直交断面方向で切断した時の断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る車両用フレーム１は、第１、第２パネル部材１１Ａ、１１Ｂからなり、第１〜第４面部１１ａ〜１１ｄを有するフレーム本体１１と、車両用フレーム１の長手方向に延びる２つの機能板１２とにより構成されている。なお、図１では、図示の便宜上、フレーム本体１１を一点鎖線で示しつつ、これを透過状態で示している。
【００３５】
第１、第２パネル部材１１Ａ、１１Ｂは、その長手方向と直交する直交断面方向の形状がコの字状をなしており、それぞれ第１、第２面部（中央面部）１１ａ、１１ｂと、第１、第２面部１１ａ、１１ｂの両側に連続する側面部１１ｃ１、１１ｄ１、１１ｃ２、１１ｄ２と、各両端部にて断面外向きに突出するフランジ部１１ｉ、１１ｊとが形成されている。
【００３６】
これら２つの第１、第２パネル部材１１Ａ、１１Ｂを対向させ、その両端部に位置するフランジ部１１ｉ、１１ｊ同士を結合することにより、矩形管状のフレーム本体１１が形成されている。
【００３７】
ここで、第１、第２パネル部材１１Ａ、１１Ｂを結合した時、各側面部１１ｃ１、１１ｄ１、１１ｃ２、１１ｄ２は、第１、第２面部１１ａ、１１ｂの間に配設される。そして、第１パネル部材１１Ａの側面部１１ｃ１と第２パネル部材１１Ｂの側面部１１ｃ２との組み合わせにより第３面部１１ｃが形成され、第１パネル部材１１Ａの側面部１１ｄ１と第２パネル部材１１Ｂの側面部１１ｄ２との組み合わせにより第４面部１１ｄが形成されている。
【００３８】
そして、第１〜第４面部１１ａ〜１１ｄの間には、コーナー部１１ｅ〜１１ｈが形成されている。このうち、第１面部１１ａと第３、第４面部１１ｃ、１１ｄとの間のコーナー部１１ｅ、１１ｆを含む内周側の領域には、機能板１２が配設されている。
【００３９】
この機能板１２は、車両用フレーム１の長手方向の略全長に亘って延びるとともに、直交断面方向において、第１パネル部材１１Ａのコーナー部１１ｅ、１１ｆ、側面部１１ｃ１、１１ｄ１、及びフランジ部１１ｉ、１１ｊに亘って延びている。そして、機能板１２の一部には、フレーム本体１１から離間した基部１２ａと、該基部１２ａから突出して先端に平面部１１ｃを有する複数の凸部１２ｂとが一体に形成されている。
【００４０】
また、機能板１２には、直交断面方向の両端部に平面状のフランジ部１２ｄ、１２ｅが形成されている。機能板１２では、各凸部１２ｂの平面部１２ｃがコーナー部１１ｅ、１１ｆ近傍で第３、第４面部１１ｂ、１１ｃに結合されている。そして、フランジ部１２ｄがフレーム本体１１の第１面部１１ａに結合される一方、フランジ部１２ｅがフランジ部１１ｉ、１１ｊの間に挟まれた状態で結合されている。
【００４１】
図３は、機能板１２の各凸部１２ｂの配列を説明するための正面図である。機能板１２の各凸部１２ｂ、１２ｂ、…は、図１、図３に示すように、平面部１２ｃが四角形をなす角錐台状をなしており、車両用フレーム１の長手方向及び直交断面方向において周期的に配列されている。
【００４２】
さらに、本実施形態では、１つの凸部１２ｂに着目した場合、図３に示すように、この凸部１２ｂは、長手方向に隣接する凸部１２ｂ１（１２ｂ２）と互いに直交断面方向に重なりＬ１を有するとともに、直交断面方向に隣接する凸部１２ｂ２（１２ｂ１）と互いに長手方向に重なりＬ２を有している。
【００４３】
このような位置関係にある凸部１２ｂ、１２ｂ１、１２ｂ２…を周期的に配列することで、長手方向及び直交断面方向には、直線状に連続した基部１２ａが形成されないような構成となっている。
【００４４】
次に、図４〜図９を参照しながら、車両用フレーム１に荷重を加えてこれを折り曲げた時の曲げ抗力特性、及び荷重エネルギー吸収特性について説明する。
本発明者は、図１に示すような車両用フレーム１を開発するにあたり、これに曲げ変形を伴うような荷重Ｆを付加した時の挙動をＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）によりシミュレーション解析した。
【００４５】
図４（ａ）は、車両用フレーム１の曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性の解析方法を説明するための図である。本解析では、図４（ａ）に示すように、所定の長さＬを有する車両用フレーム１を、この長さＬより短い所定距離Ｄだけ離間させた固定点Ｘ、Ｘで支持し、この固定点Ｘ、Ｘの長手方向中間に位置する中央部Ｏに上方から圧子Ｙを下降させ、車両衝突時の荷重に相当する荷重Ｆを付加した場合を想定している。図４では、上面を第１面部１１ａに設定し、この第１面部１１ａの表面に対し荷重Ｆを直交断面方向上方から付加している。
【００４６】
そして、荷重Ｆを付加した時に、車両用フレーム１にて折れ曲がりが生じるまでに加えることができる最大の荷重（ここでは最大荷重Ｆ′ｍａｘという）、及び折れ曲がりにより吸収できる荷重エネルギー（ここでは荷重エネルギー吸収量という）を算出し、これら最大荷重Ｆ′ｍａｘ、及びエネルギー吸収量を、それぞれ曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性の優劣を評価する目安とした。
【００４７】
ところで、車両用フレーム１のような長尺の管状体が折れ曲がる時には、図４（ｂ）で示すように、先ず長手方向において湾曲した状態となる。そして、このように湾曲状態となった時、折れ曲がりの内周側では、長手方向両端から圧縮方向の力を受ける一方、折れ曲がりの外周側では、長手方向両端から引張方向の力を受ける。図４の場合であれば、折れ曲がりの内周側、つまり圧縮方向の力を受ける側が第１面部１１ａとなり、折れ曲がりの外周側、つまり引張方向の力を受ける側が第２面部１１ｂとなる。
【００４８】
図５は、車両用フレーム１に荷重Ｆを付加した時の、該荷重Ｆに対する反力Ｆ′と、圧子Ｙの下降ストロークとの関係、及び荷重エネルギー吸収量と圧子Ｙの下降ストロークとの関係を示すグラフである。本発明者は、図４に示すシミュレーションにおいて、中央部Ｏに荷重Ｆを付加した後、この荷重Ｆに対して発生する車両用フレーム１の反力Ｆ′と、車両用フレーム１の湾曲及び折れ曲がりに伴って変化する圧子Ｙの位置（これを下降ストロークという）との関係をグラフ化した。
【００４９】
図５では、圧子Ｙの下降ストロークが増加する途中で、反力Ｆ′の値にピークが現れており、それ以降は、この反力Ｆ′の値が下降ストロークの増加に伴って徐々に減少していく傾向を示している。
【００５０】
このように、図５に示すグラフでは、車両用フレーム１の湾曲状態において、荷重Ｆを徐々に大きくした時、上述したピークが生じる前では、荷重Ｆが大きくなるにつれて反力Ｆ′も徐々に大きくなっていることを示している。他方、ピークが生じた後では、車両用フレーム１にて既に折れ曲がりの急速な進行が始まっており、折れ曲がりの進行によって荷重Ｆに対する反力Ｆ′が低下していることを示している。
【００５１】
ここで、図５に示す反力Ｆ′のピーク値は、折れ曲がりが急速に進行するまでに加えることができる最大荷重Ｆ′ｍａｘを示しており、この最大荷重Ｆ′ｍａｘが、曲げ抗力の程度を表す数値となる。
【００５２】
また、図５に示すグラフでは、圧子Ｙの下降ストロークの座標軸と反力Ｆ′のグラフとで囲まれた領域の面積ＳＥＡによって、車両用フレーム１の折れ曲がりにより吸収できる荷重エネルギー（荷重エネルギー吸収量）を求めることができる。図５では、圧子Ｙの下降ストロークと面積ＳＥＡとの関係もグラフ化している。
【００５３】
次に、図６〜図８に示すシミュレーション解析結果を参照しながら、車両用フレーム１に荷重Ｆを付加してこれを折り曲げた時の挙動について説明する。図６は、車両用フレーム１の第１面部１１ａの中央部Ｏに向かって直交断面方向上方から荷重Ｆを付加した時の車両用フレーム１の挙動をシミュレーション解析した結果を示す斜視図であり、図７は、機能板１２の挙動をシミュレーション解析した結果を示す斜視図、図８は、屈曲部における閉断面の形状を示す断面図である。ここで、図６では、フレーム１の曲げ変形進行の過程を同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に示しており、図７（ａ）〜（ｃ）、図８（ａ）〜（ｃ）では、これらがそれぞれ図６（ａ）〜（ｃ）に対応している。また、図６、図７では、各部の変形量の大小を色の濃淡で示しており、変形量が大きいほど濃い色で示している。
【００５４】
本発明者は、図１に示す車両用フレーム１の曲げ抗力特性、及び荷重エネルギー吸収特性を評価するにあたり、これに図４（ａ）に示すような荷重Ｆを付加した時の車両用フレーム１各部の変形量を算出した。
【００５５】
図６〜図８を見てみると、車両用フレーム１に荷重Ｆが付加された直後には、荷重Ｆが作用する中央部Ｏに屈曲部が現れ、主にこの屈曲部で面外変形が発生していることが分かる。例えば、前記屈曲部では、荷重Ｆが直接作用する第１面部１１ａ及びその両端のコーナー部１１ｅ、１１ｆやフランジ部１１ｉ、１１ｊに凹みが生じ、第３、第４面部１１ｃ、１１ｄが断面外向きに面外変形している（図中の変形箇所α参照）。
【００５６】
また、このフレーム本体１１の面外変形と同時に、構造板１２でも、図７に示すように屈曲部が現れ、そこに面外変形が発生している（図中の変形箇所β参照）。
【００５７】
ところが、本実施形態の車両用フレーム１では、コーナー部１１ｅ、１１ｆの頂点Ｐ（図８参照）が外側へ大幅に変位することが抑制され、さらには、第３、第４面部１１ｃ、１１ｄの断面外向きの大幅な面外変形が抑制されている。
【００５８】
そして、特に図８を見ると、コーナー部１１ｅ、１１ｆ等の面外変形が抑制されることに伴い、第１面部１１ａと対向する第２面部１１ｂでは、断面内向きの凹みが新たに生じている。
【００５９】
ここで、本発明者は、図６〜図８に示す解析結果から、機能板１２の一端部のフランジ部１２ｅ、及びフレーム本体１１のフランジ部１１ｉ、１１ｊが、曲げ変形初期の前記屈曲部における面外変形を抑制していることを見出した。図６〜図８では、フランジ部１１ｉ、１１ｊ、１２ｅにより、コーナー部１１ｅ、１１ｆの頂点Ｐが外側へ大幅に変位することが抑制され、さらには、第３、第４面部１１ｃ、１１ｄの断面外向きの大幅な面外変形が抑制されている。
【００６０】
そして、本実施形態では、機能板１２のフランジ部１２ｅを、フレーム本体１１のフランジ部１１ｉ、１１ｊとの間に挟んで結合していることにより、フレーム本体１１と機能板１２との結合が強固になり、両者の協働によって前記屈曲部における面外変形がより効果的に抑制されている。
【００６１】
このように、機能板１２の一端側を、フレーム本体１１のフランジ部１１ｉ、１１ｊとの間に挟んで結合することにより、曲げ変形初期の屈曲部における面外変形を、フレーム本体１１と機能板１２との協働によってより効果的に抑制することができ、曲げ抗力特性を向上させることができる。
【００６２】
このため、図５に示す最大荷重Ｆ′ｍａｘを図中二点鎖線で示すように高めることができ、その結果、車両用フレーム１の曲げ変形が急速に進行するまでの、曲げ変形初期（図５参照）における曲げ抗力特性を向上させることができる。
【００６３】
また、本実施形態では、フレーム本体１１と機能板１２とにより、図９に示すように、複数の閉断面１３ａを有する構造体１３が、車両用フレーム１の直交断面方向のみならず、その長手方向に形成されている。そして、この構造体１３では、フレーム本体１１、基部１２ａが中立軸（面）ＮＡから離間して配置されることにより、その断面二次モーメントが高められた構造となっている。
【００６４】
ここで、前記屈曲部において面外変形が発生した時には、該屈曲部に対応する位置で、構造体１３に図９に示すような変形が長手方向及び直交断面方向に発生するが、その時構造体１３における高い断面二次モーメントにより高い曲げ抗力が発揮される。
【００６５】
本発明者は、図６〜図８に示す解析結果から、前記屈曲部において面外変形が発生した時、断面二次モーメントが高められた構造体１３により、前記屈曲部における面外変形が抑制できることを見出した。
【００６６】
さらに、複数の凸部１２ｂをフレーム本体１１に結合することで、構造体１３には、各結合部同士を結ぶ線により区画される仮想領域１３Ａ（図３のハッチング部分参照）が複数形成される。本発明者は、フレーム本体１１と機能板１２との協働により、仮想領域１３Ａ毎の各結合点で荷重Ｆが受け止められており、これによって前記屈曲部における面外変形がより効果的に抑制されていることを見出した。
【００６７】
そして、新たに第２面部１１ｂにも面外変形が生じていることから、コーナー部１１ｅ、１１ｆ及びその周辺における面外変形が抑制された分、引張方向の力を受ける第２面部１１ｂでも荷重Ｆを受け止めることが可能になり、その結果、前記屈曲部の閉断面全体における曲げ抗力が向上することを見出した。
【００６８】
このように、フレーム本体１１の曲げ変形時に圧縮方向の力を受ける第１面部１１ａのコーナー部１１ｅ、１１ｆを含む領域に複数の凸部１２ｂを形成した機能板１２を配設するとともに、複数の凸部１２ｂを車両用フレーム１の長手方向及び直交断面方向に配列したことで、曲げ変形初期の屈曲部における面外変形をより効果的に抑制することができる。
【００６９】
また、本発明者は、反力Ｆ′のピーク（最大荷重Ｆ′ｍａｘ）が生じた後に、車両用フレーム１の曲げ変形が進行する曲げ変形中期（図５参照）において、第３、第４面部１１ｃ、１１ｄ、及び機能板１２が、前記屈曲部の周辺で結合部毎に略均等に変形していることを見出した。
【００７０】
この場合、第３、第４面部１１ｃ、１１ｄに対して複数の凸部１２ｂが結合されていることにより、第３、第４面部１１ｃ、１１ｄ、及び機能板１２は、屈曲部周辺の広範囲に亘って荷重Ｆのエネルギー吸収に寄与することになる。その結果、曲げ変形中期における面積ＳＥＡを増大させることができ、車両用フレーム１の荷重エネルギー吸収特性を向上させることができる。
【００７１】
また、この場合、フレーム本体１１、機能板１２の肉厚化を抑制しながらも、車両用フレーム１の曲げ抗力特性及び荷重エネルギー吸収特性の向上を図れることから、曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性における性能重量効率（最大荷重Ｆ′ｍａｘ／車両用フレーム１の全体重量、面積ＳＥＡ／車両用フレーム１の全体重量）を向上させることができる。
【００７２】
また、図３に示すように、１つの凸部１２ｂに対し長手方向に隣接するものと互いに直交断面方向に重なりＬ１を有するとともに、直交断面方向に隣接するものと互いに長手方向に重なりＬ２を有して、長手方向及び直交断面方向に直線状に連続した基部１２ａが形成されないように構成することで、車両用フレーム１に荷重Ｆが作用した時、基部１２ａの長手方向、直交断面方向に折り目（折れのきっかけ）が形成されて、前記屈曲部での面外変形が促進されることを防止できる。
【００７３】
また、曲げ変形発生時に圧縮方向の力を受ける第１面部１１ａに結合されるフランジ部１２ｄを機能板１２に形成したことで、車両用フレーム１の曲げ変形時に、機能板１２がフレーム本体１１から剥離することを確実に防止できる。このため、フレーム本体１１と機能板１２とにより構成された構造体１３の面外変形抑制機能や荷重エネルギー吸収量増大機能をより安定化させることができる。
【００７４】
また、フレーム本体１１に結合される凸部１２ｂが、四角形状の平面部を有した四角錐台状をなしていることにより、凸部１２ｂを溶接によってフレーム本体１１に結合する時には、凸部１２ｂの平面部１２ｃを溶接代とすることができ、これによって両者の結合をより安定的に行うことができる。
【００７５】
次に、図１０〜図１３を参照しながら、本実施形態に係る車両用フレーム１を製造する方法について説明する。
先ず、図１０に示す第１パネル部材１１Ａに対し、２つの機能板１２、１２を結合する。具体的には、図１０に示すように、第１パネル部材１１Ａの第１面部１１ａ内周と機能板１２のフランジ部１２ｄ、及びフランジ部１１ｉとフランジ部１２ｅとを対向させ、それぞれが重なるように機能板１２を第１パネル部材１１Ａに当接させる。
【００７６】
そして、第１面部１１ａ内周とフランジ部１２ｄとを、図１１にて太い実線で示す結合部Ｚ１で結合し、かつ第１パネル部材１１Ａの両側面部１１ｃ１、１１ｄ１と、機能板１２の各凸部１２ｂの先端部１２ｃとを、図１１にて×印で示す結合部Ｚ２で接合する。この時、第１面部１１ａ内周とフランジ部１２ｄとの結合は、両者の長手方向に沿ってスポット溶接またはレーザー溶接により行われ、側面部１１ｃ１、１１ｄ１と凸部１２ｂの先端部１２ｃとの結合は、スポット溶接により行われる。
【００７７】
次に、第１パネル部材１１Ａと機能板１２、１２とを結合して生成した部品に対し、第２パネル部材１１Ｂをさらに結合する。具体的には、図１１に示すように、第１パネル部材１１Ａのフランジ部１１ｉと機能板１２のフランジ部１２ｅとを重ねた部分に、第２パネル部材１１Ｂのフランジ部１１ｊを対向させる。そして、図１２に示すように、各フランジ部１１ｉ、１１ｊ、１２ｅが３枚重ねになるように位置合わせをしながら、第２パネル部材１１Ｂを前記部品に当接させる。
【００７８】
そして、３枚重ねのフランジ部１１ｉ、１１ｊ、１２ｅを、図１２にて太い実線、または図１３にて×印で示す結合部Ｚ３で重合結合する。これにより、矩形管状をなすフレーム本体１１が形成され、機能板１２を備えた車両用フレーム１が完成する。この時、各フランジ部１１ｉ、１１ｊ、１２ｅの結合は、これらの長手方向に沿ってスポット溶接またはレーザー溶接により行われる。
【００７９】
このように、本実施形態では、車両用フレーム１を製造するにあたり、機能板１２を、凸部１２ｂで第１パネル部材１１Ａ内周に予め結合するステップと、フランジ部１１ｉ、１２ｅを第２パネル部材１１Ｂのフランジ部１１ｊに重合結合するステップとを有することにより、機能板１２の凸部１２ｂを、スポット溶接やレーザー溶接等の公知の方法を用いて容易にフレーム本体１１内周に結合することができる。
【００８０】
また、第１パネル部材１１Ａに機能板１２を結合する際には、先ず第１面部１１ａ内周とフランジ部１１ｄとを結合し、その後、側面部１１ｃ１、１１ｄ１と凸部１２ｂと結合するようにしてもよい。この場合、結合部Ｚ１が、側面部１１ｃ１、１１ｄ１と凸部１２ｂとを結合する際の仮留めの役割を果たす。
【００８１】
なお、本実施形態では、各フランジ部１１ｉ、１１ｊ、１２ｅを１度の溶接により重合結合することとしたが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、前記部品に第２パネル部材１１Ｂを結合する前の、第１パネル部材１１Ａと機能板１２とを結合するステップにおいて、予めフランジ部１１ｉとフランジ部１２ｅとを結合し、その後、フランジ部１１ｊとフランジ部１２ｅとを結合するようにしてもよい。
【００８２】
また、各部材を溶接により結合することとしたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、接着剤を用いて結合してもよい。
【００８３】
（第２実施形態）
ところで、本発明では、図１４に示す車両用フレーム２のように、直交断面方向の形状がコの字状をなす第１パネル部材２１Ａと、平板状の第２パネル部材２１Ｂとによってフレーム本体２１を形成し、機能板２２の一端側を、フランジ部２１ｉと第２パネル部材２１Ｂの端部との間に挟んで結合するようにしてもよい。
【００８４】
第１パネル部材２１Ａには、その両端部にて断面外向きに突出するフランジ部２１ｉ、２１ｉが形成されており、第１パネル部材２１Ａと第２パネル部材２１Ｂとを対向させ、フランジ部２１ｉ、２１ｉと第２パネル部材２１Ｂの両端部を結合することにより、矩形管状のフレーム本体２１が形成されている。
【００８５】
本実施形態では、第１パネル部材２１Ａにおいて、第１面部（中央面部）２１ａと、その両側に連続する第３、第４面部（側面部）２１ｃ、２１ｄと、フランジ部２１ｉとが形成され、第１面部２１ａと、第３、第４面部２１ｃ、２１ｄとの間には、コーナー部２１ｅ、２１ｆが形成されている。
【００８６】
また、第２パネル部材２１Ｂにおいては、第２面部２１ｂが形成され、第１、第２パネル部材２１Ａ、２１Ｂの結合により、コーナー部２１ｇ、２１ｈが形成されている。ここで、第１、第２パネル部材２１Ａ、２１Ｂを結合した時、第３、第４面部２１ｃ、２１ｄは、第１、第２面部２１ａ、２１ｂの間に配設される。
【００８７】
そして、本実施形態では、２つの機能板２２が、垂直断面方向において、コーナー部２１ｅ、２１ｆからコーナー部２１ｇ、２１ｈに亘って延び、第３、第４面部２１ｃ、２１ｄの内面側を覆っている。
【００８８】
この機能板２２には、フレーム本体２１及び第３、第４面部２１ｃ、２１ｄから離間した基部２２ａと、該基部２２ａから突出した角錐台状の複数の凸部２２ｂとが形成されている。
【００８９】
また、機能板２２には、直交断面方向の両端部に平面状のフランジ部２２ｄ、２２ｅが形成されている。機能板２２では、各凸部２２ｂの平面部２２ｃが第３、第４面部２１ｃ、２１ｄに結合されている。そして、フランジ部２２ｄがフレーム本体２１の第１面部２１ａに結合される一方、フランジ部２２ｅが、フランジ部２２ｉ、２２ｊの間に挟まれた状態で結合されている。
【００９０】
次に、図１５〜図１８を参照しながら、本実施形態に係る車両用フレーム１を製造する方法について説明する。
先ず、図１５に示す第１パネル部材２１Ａに対し、２つの機能板２２、２２を結合する。具体的には、図１５に示すように、第１パネル部材２１Ａの第１面部２１ａ内周と機能板２２のフランジ部２２ｄ、及びフランジ部２１ｉとフランジ部２２ｅとを対向させ、それぞれが重なるように機能板２２を第１パネル部材２１Ａに当接させる。
【００９１】
そして、第１面部２１ａ内周とフランジ部２２ｄとを、図１６にて太い実線で示す結合部Ｚ４で結合し、かつ第１パネル部材２１Ａの第３、第４面部２１ｃ、２１ｄと、機能板２２の各凸部２２ｂの先端部２２ｃとを、図１６にて×印で示す結合部Ｚ５で接合する。この時、第１面部２１ａ内周とフランジ部２２ｄとの結合は、スポット溶接またはレーザー溶接により行われ、第３、第４面部２１ｃ、２１ｄと凸部２２ｂの先端部２２ｃとの結合は、両者の長手方向に沿ってスポット溶接により行われる。
【００９２】
次に、第１パネル部材２１Ａと機能板２２、２２とを結合して生成した部品に対し、第２パネル部材２１Ｂをさらに結合する。具体的には、図１６に示すように、第１パネル部材２１Ａのフランジ部２１ｉと機能板２２のフランジ部２２ｅとを重ねた部分に、第２パネル部材２１Ｂの両端部を対向させる。そして、図１７に示すように、各フランジ部２１ｉ、２２ｅと第２パネル部材２１Ｂの端部とが３枚重ねになるように位置合わせをしながら、第２パネル部材２１Ｂを前記部品に当接させる。
【００９３】
そして、３枚重ねのフランジ部２１ｉ、２２ｅ、及び第２パネル部材２１Ｂの前記端部を、図１７にて太い実線、または図１８にて×印で示す結合部Ｚ６で重合結合する。これにより、矩形管状をなすフレーム本体２１が形成され、機能板２２を備えた車両用フレーム２が完成する。この時、フランジ部２１ｉ、２２ｅと前記端部との結合は、これらの長手方向に沿ってスポット溶接またはレーザー溶接により行われる。
【００９４】
このように、本実施形態では、車両用フレーム２を製造するにあたり、機能板２２を、凸部２２ｂで第１パネル部材２１Ａ内周に予め結合するステップと、フランジ部２１ｉ、２２ｅを第２パネル部材２１Ｂの両端部に重合結合するステップとを有することにより、機能板２２の凸部２２ｂを容易にフレーム本体２１内周に結合することができる。
【００９５】
なお、本実施形態においても、各フランジ部２１ｉ、２２ｅ及び第２パネル部材２１Ｂの端部を１度の溶接によって重合結合することに必ずしもこれに限定されることはなく、前記部品に第２パネル部材２１Ｂを結合する前に、予めフランジ部２１ｉとフランジ部２２ｅとを結合し、その後、第２パネル部材２１Ｂの端部とフランジ部２２ｅとを結合するようにしてもよい。
【００９６】
（第３実施形態）
また、上述した各実施形態では、機能板の凸部がいずれも角錐台状に形成されているが、本発明は、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、図１９に示す車両用フレーム２′の機能板２２′のように、凸部３２ｂを、その平面部３２ｃが円形をなすように円錐台状に形成してもよい。なお、図１９において、図１４に示す第２実施形態と同様の構成要素については、同一の番号を付して説明を省略する。
【００９７】
本実施形態では、機能板２２′において、大多数が円錐台状の凸部３２ｂとされているものの、長手方向の一列分だけ角錐台状の凸部２２ｂが形成されている。この場合、凸部２２ｂでは溶接による結合がなされる一方、凸部３２ｂでは、溶接以外の方法として、例えば接着剤による結合がなされる。
【００９８】
また、本実施形態においても、凸部３２ｂ、３２ｂ、…は、図２０に示すように、その１つの凸部３２ｂに対し長手方向に隣接するものと互いに直交断面方向に重なりを有するとともに、直交断面方向に隣接するものと互いに長手方向に重なりを有して、長手方向及び垂直断面方向に直線状に連続した基部３２ａが形成されないように構成されている。
【００９９】
本実施形態のように、円錐台状の凸部３２ｂとすることで、凸部３２ｂ間には、角錐台状の場合に比べて図２０に示すように大きな間隙が形成される。ここで、その間隙に基部３２ａを形成するようにすれば、フレーム本体２１と機能板２２′とにより構造体１３を形成した時、基部３２ａ側に平面部を有することで、構造体１３の剛性を向上させることができる。これにより、曲げ変形初期の前記屈曲部における面外変形をより効果的に抑制することができる。
【０１００】
なお、凸部の平面部の形状を多角形、円形のいずれにするかについては、凸部のフレーム本体への結合方法や、構造体１３に要求される剛性の程度等によって適宜選択すればよい。
【０１０１】
（第４実施形態）
ところで、本発明は、機能板の基部、凸部の双方を、フレーム本体のコーナー部を含む領域に形成することに必ずしも限定されない。本発明では、少なくともフレーム本体の第３、第４面部に対応して基部、凸部が形成されていればよい。例えば、図２１に示す車両用フレーム４のように、機能板４２の凸部４２ｂが、フレーム本体４１のコーナー部４１ｅ、４１ｆまで及ばないように構成してもよい。
【０１０２】
なお、本実施形態では、フレーム本体４１が、第２、第３実施形態と同様、直交断面方向の形状がコの字状をなす第１パネル部材４１Ａと、平板状の第２パネル部材４１Ｂとにより構成されている。フレーム本体４１において、符号４１ａ〜４１ｄで示すフレーム本体４１の部位は、それぞれ第１〜第４面部であり、その他、４１ｅ〜４１ｈはコーナー部、４１ｉは、フランジ部である。また、機能板４２において、符号４２ａは基部、４２ｃは平面部、４２ｄ、４２ｅはフランジ部である。
【０１０３】
なお、本実施形態では、凸部４２ｂを円錐台状に形成しているが、多角錐台状に形成してもよいし、円錐台状に形成したものと多角錐台状に形成したものとを並設してもよい。
【０１０４】
（第５実施形態）
また、本発明では、凸部の平面部の形状を、多角形や円形とすることに必ずしも限定されない。例えば、図２２に示す車両用フレーム４′のように、その機能板４２′の凸部５２ｂの平面部５２ｃを十字型に形成してもよい。なお、図２２において、図２１に示す第４実施形態と同様の構成要素については、同一の番号を付して説明を省略する。
【０１０５】
なお、本実施形態においても、各凸部５２ｂ、５２ｂ、…は、図２３に示すように、その１つの凸部５２ｂに対し長手方向に隣接するものと互いに直交断面方向に重なりを有するとともに、直交断面方向に隣接するものと互いに長手方向に重なりを有し、長手方向及び直交断面方向には、直線状に連続した基部５２ａが形成されないような構成となっている。
【０１０６】
（その他の実施形態）
なお、上述した各実施形態では、機能板が、フレーム本体の第１面部に結合されるフランジ部を備えているが、凸部の位置によっては、コーナー部との位置関係や加工技術上の理由により、フランジ部を形成することが困難な場合がある。このような場合には、フレーム本体のフランジ部に結合されるフランジ部のみを機能板に備えるようにしてもよい。
【０１０７】
この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、
この発明の、断面コの字状部材は、第１パネル部材１１Ａ、２１Ａ、４１Ａに対応し、
以下同様に、
平板状部材は、第２パネル部材２１Ｂ、４１Ｂに対応するも、
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。
【符号の説明】
【０１０８】
１、２、２′、４、４′…車両用フレーム
１１、２１、４１…フレーム本体
１１Ａ、２１Ａ、４１Ａ…第１パネル部材
１１Ｂ、２１Ｂ、４１Ｂ…第２パネル部材
１１ａ、２１ａ、４１ａ…第１面部
１１ｂ、２１ｂ、４１ｂ…第２面部
１１ｃ、２１ｃ、４１ｃ…第３面部
１１ｄ、２１ｄ、４１ｄ…第４面部
１１ｅ、１１ｆ、２１ｅ、２１ｆ、４１ｅ、４１ｆ…コーナー部
１１ｉ、１１ｊ、２１ｉ、４１ｉ…フランジ部
１２、２２、２２′、４２、４２′…機能板
１２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ、５２ａ…基部
１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂ、５２ｂ…凸部
１２ｅ、２２ｅ、３２ｅ、４２ｅ…フランジ部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車体の一部を構成し、車両の衝突時に荷重が作用して曲げ変形が生ずる管状の車両用フレーム構造及び車両用フレーム製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、車体の一部を構成する管状のフレーム構造として、車両衝突時に荷重が作用しても、高い曲げ剛性を発揮して、車室内の乗員を確実に保護できるようにしたものが数多く提案されている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１では、車体の一部を構成する管状のサイドシルにおいて、そのインナパネルとの間で複数の閉断面部を形成するリインホースメントをコーナー部に備えたものが開示されている。
【０００４】
このリインホースメントは、サイドシルの長手方向と直交する直交断面方向において凹凸が形成されており、そのうち凸部がインナパネルのコーナー部内面側に結合されている。
【０００５】
下記特許文献１では、上述したリインホースメントを備えたサイドシルと、リインホースメントを備えていないサイドシルとについてそれぞれ曲げ変形が生じた時の曲げ抗力特性を解析し、両者を比較検討している。そして、その比較結果に基づき、リインホースメントを備えたサイドシルのほうがより高い曲げ抗力を発揮できたことを示している。
【０００６】
下記特許文献１に開示されているように、上述したようなリインホースメントをフレームのコーナー部に備えることで、肉厚な補強材を備えなくても、衝突荷重等が作用した時の曲げ変形を効率的に抑制することが可能となる。つまり、この場合、曲げ抗力をフレームの全体重量で除した数値、いわゆる性能重量効率を高めることができ、結果として、フレームの軽量化を図ることができる。
【０００７】
近年では、環境保護の観点から、燃費向上の要求が高まっており、これを実現すべく、車体の軽量化について様々な研究開発が進められている。このような理由から、各車両用フレームにおいても、より軽量でありながら高い曲げ抗力を発揮するものが求められており、上述した性能重量効率は、車両用フレームを開発する上で極めて重要な要素となっている。
【０００８】
また、下記特許文献２では、サイドシルにおいて、そのインナパネルのコーナー部を含む周辺領域に、サイドシルの長手方向に延びる中空空間を複数形成したものが開示されている。
【０００９】
このような構成であっても、下記特許文献１に開示されたフレーム構造と同様、単純な平板からなるフレームに比べ、高い曲げ抗力を発揮することができる。この場合、中空空間を形成した分、フレーム全体の軽量化を図りつつ、フレームの曲げ抗力を向上させることを可能にしている。
【００１０】
また、下記特許文献３では、フレームに曲げ変形が発生した時の挙動を解析し、曲げ変形のメカニズムを検証している。そして、その結果から、フレームに荷重が作用した時には、圧縮方向の力が作用する面側のコーナー部及びその周辺部の領域に大きな面外変形（ここで言う面外変形とは、面上のみで変位が発生する二次元的な変形ではなく、面の厚み方向に変位を伴う三次元的な変形全般を言う。）が発生することで、フレームに曲げ変形が生じることを見出している。
【００１１】
下記特許文献３に開示された技術では、このような観点から、前記コーナー部及びその周辺部の領域を他に比べて肉厚に形成しており、これによって、フレームの軽量化を図りつつ、曲げ抗力の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００９−１１３７６６号公報
【特許文献２】特開平１１−２０８５２１号公報
【特許文献３】特開２００８−６８７５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、車両用フレームは、前記特許文献１〜３に開示されているように、一般的に板状の断面コの字状部材を少なくとも一方に備え、その両端部で断面外向きに突出するフランジ部に他方の板状部材を結合することで管状に形成されることが多い。
【００１４】
そこで、本発明者は、車両用フレームを開発するにあたり、上述した断面コの字状部材を含むフレーム本体に、前記特許文献１のリインホースメントに相当する機能板を備えた場合について、その曲げ抗力特性の解析、検討を行った。
【００１５】
本発明者は、鋭意研究の結果、前記断面コの字状部材のフランジ部に対する機能板の配置を工夫することにより、フランジ部と機能板との協働で曲げ抗力特性の向上が図れることを見出した。
【００１６】
また、前記特許文献１〜３に開示された従来技術を見てみると、これらは、車両用フレームの曲げ変形初期においてより高い曲げ抗力を備えることを目的としているに過ぎない。実際、車両衝突時等に発生する衝撃荷重から乗員を保護するにあたっては、曲げ変形初期における曲げ抗力を高めるだけではなく、曲げ変形中期にて吸収できる荷重エネルギーを増大させることも重要な要素となる。
【００１７】
近年では、車両用フレームの曲げ変形中期における荷重エネルギー吸収特性を向上させつつ、かつ車両用フレームの性能重量効率（荷重エネルギー吸収量をフレーム全体重量で除した数値）を高めることが課題となっている。
【００１８】
この発明は、フランジ部を両端部に備えた断面コの字状部材を含むものにおいて、高い性能重量効率を実現しつつ、曲げ変形初期における曲げ抗力特性の向上と、曲げ変形中期における荷重エネルギー吸収特性の向上とを両立させることができる車両用フレーム構造及び車両用フレーム製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この発明の車両用フレーム構造は、車体の一部を構成し、車両の衝突時に荷重が作用して曲げ変形が生ずる管状のフレーム構造であって、２つの断面コの字状部材を対向させるか、または断面コの字状部材と平板状部材とを対向させて、その両端部をそれぞれ結合することにより管状に形成されたフレーム本体を備え、前記断面コの字状部材には、中央面部と、該中央面部の両側に連続する側面部と、両端部にて断面外向きに突出するフランジ部とが形成され、該フランジ部同士、または該フランジ部と前記平板状部材の両端部とが結合されており、前記フレーム本体は、前記荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部と、引張方向の力が作用する第２面部とを有するとともに、前記第１、第２面部の間には、少なくとも一方の前記断面コの字状部材の側面部が配設され、該側面部には、前記フレーム本体から離間した基部と、該基部から突出して、前記側面部の内周に結合される複数の凸部とを一体に形成した機能板を備えており、前記凸部は、フレームの長手方向に複数配列されるとともに、前記長手方向に直交する直交断面方向に複数配列され、前記機能板は、一端側が前記フランジ部の間、または前記フランジ部と前記平板状部材の端部との間に挟まれて結合されているものである。
【００２０】
この構成によれば、機能板の一端側を、フレーム本体のフランジ部の間、またはフランジ部と平板状部材の端部との間に挟んで結合することにより、曲げ変形初期の屈曲部における面外変形を、フレーム本体と機能板との協働によってより効果的に抑制することができ、曲げ抗力特性を向上させることができる。
そして、車両用フレームの曲げ変形時、側面部及び機能板は、屈曲部周辺の広範囲に亘って荷重エネルギー吸収に寄与することになる。これにより、曲げ変形中期における車両用フレームの荷重エネルギー吸収特性を向上させることができる。
さらに、この場合、フレーム本体、機能板の肉厚化を抑制しながらも、車両用フレームの曲げ抗力特性及び荷重エネルギー吸収特性の向上を図れることから、曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性における性能重量効率（車両用フレームの曲げ抗力／車両用フレームの全体重量、荷重エネルギー吸収量／車両用フレームの全体重量）を向上させることができる。
【００２１】
この発明の一実施態様においては、前記フレーム本体の第１面部を、前記断面コの字状部材の中央面部により形成し、前記中央面部と前記側面部との間には、コーナー部が形成され、該コーナー部を含む領域に、前記機能板を備えているものである。
【００２２】
この構成によれば、曲げ変形初期の屈曲部における面外変形をより効果的に抑制することができ、その結果、車両用フレームの曲げ抗力特性をより向上させることができる。
【００２３】
この発明の一実施態様においては、前記凸部が、前記長手方向及び前記直交断面方向に周期的に配列されるように形成されており、前記フレームの長手方向に隣接する前記凸部は、互いに前記直交断面方向の重なりを有しているとともに、前記直交断面方向に隣接する前記凸部は、互いに前記長手方向の重なりを有しているものである。
【００２４】
この構成によれば、長手方向及び直交断面方向において、直線状に連続した基部が形成されないような構成となる。このため、車両用フレームに荷重が作用した時、基部の長手方向、直交断面方向に折り目（折れのきっかけ）が形成されて、屈曲部での面外変形が促進されることを防止できる。
【００２５】
この発明の一実施態様においては、前記凸部が、前記フレーム本体に結合される先端部が、多角形状の平面部を有した多角錐台状をなしているものである。
【００２６】
この構成によれば、凸部を溶接によってフレーム本体に結合する時には、凸部の平面部を溶接代とすることができ、これによって両者の結合をより安定的に行うことができる。
【００２７】
この発明の一実施態様においては、前記凸部が、前記フレーム本体に結合される先端部が、円形状の平面部を有した円錐台状をなしているものである。
【００２８】
この構成によれば、角錐台状の場合に比べて凸部間には大きな間隙が形成されるため、該間隙に基部を形成することで、フレーム本体と機能板とにより構成される構造体の剛性を向上させることができる。このため、曲げ変形初期の屈曲部における面外変形をより確実に抑制することができる。
【００２９】
この発明の車両用フレーム製造方法は、断面コの字状部材の中央面部両側に連続する側面部内周に、基部から突出した凸部を複数形成した機能板を、前記凸部で予め結合するステップと、前記断面コの字状部材の両端部に形成したフランジ部、及び前記機能板の一端側を、他方の断面コの字状部材の両端部に形成したフランジ部、または平板状部材の端部に結合するステップとからなるものである。
【００３０】
この構成によれば、曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性における性能重量効率が向上した車両用フレームを製造するにあたり、機能板の凸部を公知の方法を用いて容易にフレーム本体内周に結合することができる。
【発明の効果】
【００３１】
この発明によれば、機能板の一端側を、フレーム本体のフランジ部の間、またはフランジ部と平板状部材の端部との間に挟んで結合することにより、曲げ変形初期の屈曲部における面外変形を、フレーム本体と機能板との協働によってより効果的に抑制することができ、曲げ抗力特性を向上させることができる。そして、車両用フレームの曲げ変形時には、曲げ変形中期における車両用フレームの荷重エネルギー吸収特性を向上させることができる。
さらに、この場合、フレーム本体、機能板の肉厚化を抑制しながらも、車両用フレームの曲げ抗力特性及び荷重エネルギー吸収特性の向上を図れることから、曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性における性能重量効率（車両用フレームの曲げ抗力／車両用フレームの全体重量、荷重エネルギー吸収量／車両用フレームの全体重量）を向上させることができる。
【００３２】
そして、曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性における性能重量効率が向上した車両用フレームを製造するにあたり、公知の方法で、機能板の凸部を容易にフレーム本体内周に結合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の第１実施形態に係る車両用フレーム構造を示す斜視図。
【図２】車両用フレームを長手方向に直交する直交断面方向で切断した時の断面図。
【図３】機能板の各凸部の配列を説明するための正面図。
【図４】（ａ）車両用フレームの曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性の解析方法を説明するための図、（ｂ）車両用フレームの湾曲状態を示す斜視図。
【図５】車両用フレームに荷重を付加した時の、該荷重に対する反力と圧子の下降ストロークとの関係、及び荷重エネルギー吸収量と圧子の下降ストロークとの関係を示すグラフ。
【図６】車両用フレームの第１面部の中央部に向かって直交断面方向上方から荷重を付加した時の車両用フレームの挙動をシミュレーション解析した結果を示す斜視図。
【図７】機能板の挙動をシミュレーション解析した結果を示す斜視図。
【図８】屈曲部における閉断面の形状を示す断面図。
【図９】フレーム本体と機能板とにより構成された構造体の機能を説明するための断面図。
【図１０】車両用フレームの製造方法を説明するための分解斜視図。
【図１１】車両用フレームの製造方法を説明するための分解斜視図。
【図１２】車両用フレームの製造方法を説明するための分解斜視図。
【図１３】車両用フレームの製造方法を説明するための断面図。
【図１４】この発明の第２実施形態に係る車両用フレーム構造を示す斜視図。
【図１５】車両用フレームの製造方法を説明するための分解斜視図。
【図１６】車両用フレームの製造方法を説明するための分解斜視図。
【図１７】車両用フレームの製造方法を説明するための分解斜視図。
【図１８】車両用フレームの製造方法を説明するための断面図。
【図１９】この発明の第３実施形態に係る車両用フレーム構造を示す斜視図。
【図２０】機能板の各凸部の配列を説明するための正面図。
【図２１】この発明の第４実施形態に係る車両用フレーム構造を示す斜視図。
【図２２】この発明の第５実施形態に係る車両用フレーム構造を示す斜視図。
【図２３】機能板の各凸部の配列を説明するための正面図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。
（第１実施形態）
まず、図１〜図１３に示す第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る車両用フレーム構造を示す斜視図であり、図２は、車両用フレーム１を長手方向に直交する直交断面方向で切断した時の断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る車両用フレーム１は、第１、第２パネル部材１１Ａ、１１Ｂからなり、第１〜第４面部１１ａ〜１１ｄを有するフレーム本体１１と、車両用フレーム１の長手方向に延びる２つの機能板１２とにより構成されている。なお、図１では、図示の便宜上、フレーム本体１１を一点鎖線で示しつつ、これを透過状態で示している。
【００３５】
第１、第２パネル部材１１Ａ、１１Ｂは、その長手方向と直交する直交断面方向の形状がコの字状をなしており、それぞれ第１、第２面部（中央面部）１１ａ、１１ｂと、第１、第２面部１１ａ、１１ｂの両側に連続する側面部１１ｃ１、１１ｄ１、１１ｃ２、１１ｄ２と、各両端部にて断面外向きに突出するフランジ部１１ｉ、１１ｊとが形成されている。
【００３６】
これら２つの第１、第２パネル部材１１Ａ、１１Ｂを対向させ、その両端部に位置するフランジ部１１ｉ、１１ｊ同士を結合することにより、矩形管状のフレーム本体１１が形成されている。
【００３７】
ここで、第１、第２パネル部材１１Ａ、１１Ｂを結合した時、各側面部１１ｃ１、１１ｄ１、１１ｃ２、１１ｄ２は、第１、第２面部１１ａ、１１ｂの間に配設される。そして、第１パネル部材１１Ａの側面部１１ｃ１と第２パネル部材１１Ｂの側面部１１ｃ２との組み合わせにより第３面部１１ｃが形成され、第１パネル部材１１Ａの側面部１１ｄ１と第２パネル部材１１Ｂの側面部１１ｄ２との組み合わせにより第４面部１１ｄが形成されている。
【００３８】
そして、第１〜第４面部１１ａ〜１１ｄの間には、コーナー部１１ｅ〜１１ｈが形成されている。このうち、第１面部１１ａと第３、第４面部１１ｃ、１１ｄとの間のコーナー部１１ｅ、１１ｆを含む内周側の領域には、機能板１２が配設されている。
【００３９】
この機能板１２は、車両用フレーム１の長手方向の略全長に亘って延びるとともに、直交断面方向において、第１パネル部材１１Ａのコーナー部１１ｅ、１１ｆ、側面部１１ｃ１、１１ｄ１、及びフランジ部１１ｉ、１１ｊに亘って延びている。そして、機能板１２の一部には、フレーム本体１１から離間した基部１２ａと、該基部１２ａから突出して先端に平面部１１ｃを有する複数の凸部１２ｂとが一体に形成されている。
【００４０】
また、機能板１２には、直交断面方向の両端部に平面状のフランジ部１２ｄ、１２ｅが形成されている。機能板１２では、各凸部１２ｂの平面部１２ｃがコーナー部１１ｅ、１１ｆ近傍で第３、第４面部１１ｂ、１１ｃに結合されている。そして、フランジ部１２ｄがフレーム本体１１の第１面部１１ａに結合される一方、フランジ部１２ｅがフランジ部１１ｉ、１１ｊの間に挟まれた状態で結合されている。
【００４１】
図３は、機能板１２の各凸部１２ｂの配列を説明するための正面図である。機能板１２の各凸部１２ｂ、１２ｂ、…は、図１、図３に示すように、平面部１２ｃが四角形をなす角錐台状をなしており、車両用フレーム１の長手方向及び直交断面方向において周期的に配列されている。
【００４２】
さらに、本実施形態では、１つの凸部１２ｂに着目した場合、図３に示すように、この凸部１２ｂは、長手方向に隣接する凸部１２ｂ１（１２ｂ２）と互いに直交断面方向に重なりＬ１を有するとともに、直交断面方向に隣接する凸部１２ｂ２（１２ｂ１）と互いに長手方向に重なりＬ２を有している。
【００４３】
このような位置関係にある凸部１２ｂ、１２ｂ１、１２ｂ２…を周期的に配列することで、長手方向及び直交断面方向には、直線状に連続した基部１２ａが形成されないような構成となっている。
【００４４】
次に、図４〜図９を参照しながら、車両用フレーム１に荷重を加えてこれを折り曲げた時の曲げ抗力特性、及び荷重エネルギー吸収特性について説明する。
本発明者は、図１に示すような車両用フレーム１を開発するにあたり、これに曲げ変形を伴うような荷重Ｆを付加した時の挙動をＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）によりシミュレーション解析した。
【００４５】
図４（ａ）は、車両用フレーム１の曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性の解析方法を説明するための図である。本解析では、図４（ａ）に示すように、所定の長さＬを有する車両用フレーム１を、この長さＬより短い所定距離Ｄだけ離間させた固定点Ｘ、Ｘで支持し、この固定点Ｘ、Ｘの長手方向中間に位置する中央部Ｏに上方から圧子Ｙを下降させ、車両衝突時の荷重に相当する荷重Ｆを付加した場合を想定している。図４では、上面を第１面部１１ａに設定し、この第１面部１１ａの表面に対し荷重Ｆを直交断面方向上方から付加している。
【００４６】
そして、荷重Ｆを付加した時に、車両用フレーム１にて折れ曲がりが生じるまでに加えることができる最大の荷重（ここでは最大荷重Ｆ′ｍａｘという）、及び折れ曲がりにより吸収できる荷重エネルギー（ここでは荷重エネルギー吸収量という）を算出し、これら最大荷重Ｆ′ｍａｘ、及びエネルギー吸収量を、それぞれ曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性の優劣を評価する目安とした。
【００４７】
ところで、車両用フレーム１のような長尺の管状体が折れ曲がる時には、図４（ｂ）で示すように、先ず長手方向において湾曲した状態となる。そして、このように湾曲状態となった時、折れ曲がりの内周側では、長手方向両端から圧縮方向の力を受ける一方、折れ曲がりの外周側では、長手方向両端から引張方向の力を受ける。図４の場合であれば、折れ曲がりの内周側、つまり圧縮方向の力を受ける側が第１面部１１ａとなり、折れ曲がりの外周側、つまり引張方向の力を受ける側が第２面部１１ｂとなる。
【００４８】
図５は、車両用フレーム１に荷重Ｆを付加した時の、該荷重Ｆに対する反力Ｆ′と、圧子Ｙの下降ストロークとの関係、及び荷重エネルギー吸収量と圧子Ｙの下降ストロークとの関係を示すグラフである。本発明者は、図４に示すシミュレーションにおいて、中央部Ｏに荷重Ｆを付加した後、この荷重Ｆに対して発生する車両用フレーム１の反力Ｆ′と、車両用フレーム１の湾曲及び折れ曲がりに伴って変化する圧子Ｙの位置（これを下降ストロークという）との関係をグラフ化した。
【００４９】
図５では、圧子Ｙの下降ストロークが増加する途中で、反力Ｆ′の値にピークが現れており、それ以降は、この反力Ｆ′の値が下降ストロークの増加に伴って徐々に減少していく傾向を示している。
【００５０】
このように、図５に示すグラフでは、車両用フレーム１の湾曲状態において、荷重Ｆを徐々に大きくした時、上述したピークが生じる前では、荷重Ｆが大きくなるにつれて反力Ｆ′も徐々に大きくなっていることを示している。他方、ピークが生じた後では、車両用フレーム１にて既に折れ曲がりの急速な進行が始まっており、折れ曲がりの進行によって荷重Ｆに対する反力Ｆ′が低下していることを示している。
【００５１】
ここで、図５に示す反力Ｆ′のピーク値は、折れ曲がりが急速に進行するまでに加えることができる最大荷重Ｆ′ｍａｘを示しており、この最大荷重Ｆ′ｍａｘが、曲げ抗力の程度を表す数値となる。
【００５２】
また、図５に示すグラフでは、圧子Ｙの下降ストロークの座標軸と反力Ｆ′のグラフとで囲まれた領域の面積ＳＥＡによって、車両用フレーム１の折れ曲がりにより吸収できる荷重エネルギー（荷重エネルギー吸収量）を求めることができる。図５では、圧子Ｙの下降ストロークと面積ＳＥＡとの関係もグラフ化している。
【００５３】
次に、図６〜図８に示すシミュレーション解析結果を参照しながら、車両用フレーム１に荷重Ｆを付加してこれを折り曲げた時の挙動について説明する。図６は、車両用フレーム１の第１面部１１ａの中央部Ｏに向かって直交断面方向上方から荷重Ｆを付加した時の車両用フレーム１の挙動をシミュレーション解析した結果を示す斜視図であり、図７は、機能板１２の挙動をシミュレーション解析した結果を示す斜視図、図８は、屈曲部における閉断面の形状を示す断面図である。ここで、図６では、フレーム１の曲げ変形進行の過程を同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に示しており、図７（ａ）〜（ｃ）、図８（ａ）〜（ｃ）では、これらがそれぞれ図６（ａ）〜（ｃ）に対応している。また、図６、図７では、各部の変形量の大小を色の濃淡で示しており、変形量が大きいほど濃い色で示している。
【００５４】
本発明者は、図１に示す車両用フレーム１の曲げ抗力特性、及び荷重エネルギー吸収特性を評価するにあたり、これに図４（ａ）に示すような荷重Ｆを付加した時の車両用フレーム１各部の変形量を算出した。
【００５５】
図６〜図８を見てみると、車両用フレーム１に荷重Ｆが付加された直後には、荷重Ｆが作用する中央部Ｏに屈曲部が現れ、主にこの屈曲部で面外変形が発生していることが分かる。例えば、前記屈曲部では、荷重Ｆが直接作用する第１面部１１ａ及びその両端のコーナー部１１ｅ、１１ｆやフランジ部１１ｉ、１１ｊに凹みが生じ、第３、第４面部１１ｃ、１１ｄが断面外向きに面外変形している（図中の変形箇所α参照）。
【００５６】
また、このフレーム本体１１の面外変形と同時に、構造板１２でも、図７に示すように屈曲部が現れ、そこに面外変形が発生している（図中の変形箇所β参照）。
【００５７】
ところが、本実施形態の車両用フレーム１では、コーナー部１１ｅ、１１ｆの頂点Ｐ（図８参照）が外側へ大幅に変位することが抑制され、さらには、第３、第４面部１１ｃ、１１ｄの断面外向きの大幅な面外変形が抑制されている。
【００５８】
そして、特に図８を見ると、コーナー部１１ｅ、１１ｆ等の面外変形が抑制されることに伴い、第１面部１１ａと対向する第２面部１１ｂでは、断面内向きの凹みが新たに生じている。
【００５９】
ここで、本発明者は、図６〜図８に示す解析結果から、機能板１２の一端部のフランジ部１２ｅ、及びフレーム本体１１のフランジ部１１ｉ、１１ｊが、曲げ変形初期の前記屈曲部における面外変形を抑制していることを見出した。図６〜図８では、フランジ部１１ｉ、１１ｊ、１２ｅにより、コーナー部１１ｅ、１１ｆの頂点Ｐが外側へ大幅に変位することが抑制され、さらには、第３、第４面部１１ｃ、１１ｄの断面外向きの大幅な面外変形が抑制されている。
【００６０】
そして、本実施形態では、機能板１２のフランジ部１２ｅを、フレーム本体１１のフランジ部１１ｉ、１１ｊとの間に挟んで結合していることにより、フレーム本体１１と機能板１２との結合が強固になり、両者の協働によって前記屈曲部における面外変形がより効果的に抑制されている。
【００６１】
このように、機能板１２の一端側を、フレーム本体１１のフランジ部１１ｉ、１１ｊとの間に挟んで結合することにより、曲げ変形初期の屈曲部における面外変形を、フレーム本体１１と機能板１２との協働によってより効果的に抑制することができ、曲げ抗力特性を向上させることができる。
【００６２】
このため、図５に示す最大荷重Ｆ′ｍａｘを図中二点鎖線で示すように高めることができ、その結果、車両用フレーム１の曲げ変形が急速に進行するまでの、曲げ変形初期（図５参照）における曲げ抗力特性を向上させることができる。
【００６３】
また、本実施形態では、フレーム本体１１と機能板１２とにより、図９に示すように、複数の閉断面１３ａを有する構造体１３が、車両用フレーム１の直交断面方向のみならず、その長手方向に形成されている。そして、この構造体１３では、フレーム本体１１、基部１２ａが中立軸（面）ＮＡから離間して配置されることにより、その断面二次モーメントが高められた構造となっている。
【００６４】
ここで、前記屈曲部において面外変形が発生した時には、該屈曲部に対応する位置で、構造体１３に図９に示すような変形が長手方向及び直交断面方向に発生するが、その時構造体１３における高い断面二次モーメントにより高い曲げ抗力が発揮される。
【００６５】
本発明者は、図６〜図８に示す解析結果から、前記屈曲部において面外変形が発生した時、断面二次モーメントが高められた構造体１３により、前記屈曲部における面外変形が抑制できることを見出した。
【００６６】
さらに、複数の凸部１２ｂをフレーム本体１１に結合することで、構造体１３には、各結合部同士を結ぶ線により区画される仮想領域１３Ａ（図３のハッチング部分参照）が複数形成される。本発明者は、フレーム本体１１と機能板１２との協働により、仮想領域１３Ａ毎の各結合点で荷重Ｆが受け止められており、これによって前記屈曲部における面外変形がより効果的に抑制されていることを見出した。
【００６７】
そして、新たに第２面部１１ｂにも面外変形が生じていることから、コーナー部１１ｅ、１１ｆ及びその周辺における面外変形が抑制された分、引張方向の力を受ける第２面部１１ｂでも荷重Ｆを受け止めることが可能になり、その結果、前記屈曲部の閉断面全体における曲げ抗力が向上することを見出した。
【００６８】
このように、フレーム本体１１の曲げ変形時に圧縮方向の力を受ける第１面部１１ａのコーナー部１１ｅ、１１ｆを含む領域に複数の凸部１２ｂを形成した機能板１２を配設するとともに、複数の凸部１２ｂを車両用フレーム１の長手方向及び直交断面方向に配列したことで、曲げ変形初期の屈曲部における面外変形をより効果的に抑制することができる。
【００６９】
また、本発明者は、反力Ｆ′のピーク（最大荷重Ｆ′ｍａｘ）が生じた後に、車両用フレーム１の曲げ変形が進行する曲げ変形中期（図５参照）において、第３、第４面部１１ｃ、１１ｄ、及び機能板１２が、前記屈曲部の周辺で結合部毎に略均等に変形していることを見出した。
【００７０】
この場合、第３、第４面部１１ｃ、１１ｄに対して複数の凸部１２ｂが結合されていることにより、第３、第４面部１１ｃ、１１ｄ、及び機能板１２は、屈曲部周辺の広範囲に亘って荷重Ｆのエネルギー吸収に寄与することになる。その結果、曲げ変形中期における面積ＳＥＡを増大させることができ、車両用フレーム１の荷重エネルギー吸収特性を向上させることができる。
【００７１】
また、この場合、フレーム本体１１、機能板１２の肉厚化を抑制しながらも、車両用フレーム１の曲げ抗力特性及び荷重エネルギー吸収特性の向上を図れることから、曲げ抗力特性、荷重エネルギー吸収特性における性能重量効率（最大荷重Ｆ′ｍａｘ／車両用フレーム１の全体重量、面積ＳＥＡ／車両用フレーム１の全体重量）を向上させることができる。
【００７２】
また、図３に示すように、１つの凸部１２ｂに対し長手方向に隣接するものと互いに直交断面方向に重なりＬ１を有するとともに、直交断面方向に隣接するものと互いに長手方向に重なりＬ２を有して、長手方向及び直交断面方向に直線状に連続した基部１２ａが形成されないように構成することで、車両用フレーム１に荷重Ｆが作用した時、基部１２ａの長手方向、直交断面方向に折り目（折れのきっかけ）が形成されて、前記屈曲部での面外変形が促進されることを防止できる。
【００７３】
また、曲げ変形発生時に圧縮方向の力を受ける第１面部１１ａに結合されるフランジ部１２ｄを機能板１２に形成したことで、車両用フレーム１の曲げ変形時に、機能板１２がフレーム本体１１から剥離することを確実に防止できる。このため、フレーム本体１１と機能板１２とにより構成された構造体１３の面外変形抑制機能や荷重エネルギー吸収量増大機能をより安定化させることができる。
【００７４】
また、フレーム本体１１に結合される凸部１２ｂが、四角形状の平面部を有した四角錐台状をなしていることにより、凸部１２ｂを溶接によってフレーム本体１１に結合する時には、凸部１２ｂの平面部１２ｃを溶接代とすることができ、これによって両者の結合をより安定的に行うことができる。
【００７５】
次に、図１０〜図１３を参照しながら、本実施形態に係る車両用フレーム１を製造する方法について説明する。
先ず、図１０に示す第１パネル部材１１Ａに対し、２つの機能板１２、１２を結合する。具体的には、図１０に示すように、第１パネル部材１１Ａの第１面部１１ａ内周と機能板１２のフランジ部１２ｄ、及びフランジ部１１ｉとフランジ部１２ｅとを対向させ、それぞれが重なるように機能板１２を第１パネル部材１１Ａに当接させる。
【００７６】
そして、第１面部１１ａ内周とフランジ部１２ｄとを、図１１にて太い実線で示す結合部Ｚ１で結合し、かつ第１パネル部材１１Ａの両側面部１１ｃ１、１１ｄ１と、機能板１２の各凸部１２ｂの先端部１２ｃとを、図１１にて×印で示す結合部Ｚ２で接合する。この時、第１面部１１ａ内周とフランジ部１２ｄとの結合は、両者の長手方向に沿ってスポット溶接またはレーザー溶接により行われ、側面部１１ｃ１、１１ｄ１と凸部１２ｂの先端部１２ｃとの結合は、スポット溶接により行われる。
【００７７】
次に、第１パネル部材１１Ａと機能板１２、１２とを結合して生成した部品に対し、第２パネル部材１１Ｂをさらに結合する。具体的には、図１１に示すように、第１パネル部材１１Ａのフランジ部１１ｉと機能板１２のフランジ部１２ｅとを重ねた部分に、第２パネル部材１１Ｂのフランジ部１１ｊを対向させる。そして、図１２に示すように、各フランジ部１１ｉ、１１ｊ、１２ｅが３枚重ねになるように位置合わせをしながら、第２パネル部材１１Ｂを前記部品に当接させる。
【００７８】
そして、３枚重ねのフランジ部１１ｉ、１１ｊ、１２ｅを、図１２にて太い実線、または図１３にて×印で示す結合部Ｚ３で重合結合する。これにより、矩形管状をなすフレーム本体１１が形成され、機能板１２を備えた車両用フレーム１が完成する。この時、各フランジ部１１ｉ、１１ｊ、１２ｅの結合は、これらの長手方向に沿ってスポット溶接またはレーザー溶接により行われる。
【００７９】
このように、本実施形態では、車両用フレーム１を製造するにあたり、機能板１２を、凸部１２ｂで第１パネル部材１１Ａ内周に予め結合するステップと、フランジ部１１ｉ、１２ｅを第２パネル部材１１Ｂのフランジ部１１ｊに重合結合するステップとを有することにより、機能板１２の凸部１２ｂを、スポット溶接やレーザー溶接等の公知の方法を用いて容易にフレーム本体１１内周に結合することができる。
【００８０】
また、第１パネル部材１１Ａに機能板１２を結合する際には、先ず第１面部１１ａ内周とフランジ部１１ｄとを結合し、その後、側面部１１ｃ１、１１ｄ１と凸部１２ｂと結合するようにしてもよい。この場合、結合部Ｚ１が、側面部１１ｃ１、１１ｄ１と凸部１２ｂとを結合する際の仮留めの役割を果たす。
【００８１】
なお、本実施形態では、各フランジ部１１ｉ、１１ｊ、１２ｅを１度の溶接により重合結合することとしたが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、前記部品に第２パネル部材１１Ｂを結合する前の、第１パネル部材１１Ａと機能板１２とを結合するステップにおいて、予めフランジ部１１ｉとフランジ部１２ｅとを結合し、その後、フランジ部１１ｊとフランジ部１２ｅとを結合するようにしてもよい。
【００８２】
また、各部材を溶接により結合することとしたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、接着剤を用いて結合してもよい。
【００８３】
（第２実施形態）
ところで、本発明では、図１４に示す車両用フレーム２のように、直交断面方向の形状がコの字状をなす第１パネル部材２１Ａと、平板状の第２パネル部材２１Ｂとによってフレーム本体２１を形成し、機能板２２の一端側を、フランジ部２１ｉと第２パネル部材２１Ｂの端部との間に挟んで結合するようにしてもよい。
【００８４】
第１パネル部材２１Ａには、その両端部にて断面外向きに突出するフランジ部２１ｉ、２１ｉが形成されており、第１パネル部材２１Ａと第２パネル部材２１Ｂとを対向させ、フランジ部２１ｉ、２１ｉと第２パネル部材２１Ｂの両端部を結合することにより、矩形管状のフレーム本体２１が形成されている。
【００８５】
本実施形態では、第１パネル部材２１Ａにおいて、第１面部（中央面部）２１ａと、その両側に連続する第３、第４面部（側面部）２１ｃ、２１ｄと、フランジ部２１ｉとが形成され、第１面部２１ａと、第３、第４面部２１ｃ、２１ｄとの間には、コーナー部２１ｅ、２１ｆが形成されている。
【００８６】
また、第２パネル部材２１Ｂにおいては、第２面部２１ｂが形成され、第１、第２パネル部材２１Ａ、２１Ｂの結合により、コーナー部２１ｇ、２１ｈが形成されている。ここで、第１、第２パネル部材２１Ａ、２１Ｂを結合した時、第３、第４面部２１ｃ、２１ｄは、第１、第２面部２１ａ、２１ｂの間に配設される。
【００８７】
そして、本実施形態では、２つの機能板２２が、垂直断面方向において、コーナー部２１ｅ、２１ｆからコーナー部２１ｇ、２１ｈに亘って延び、第３、第４面部２１ｃ、２１ｄの内面側を覆っている。
【００８８】
この機能板２２には、フレーム本体２１及び第３、第４面部２１ｃ、２１ｄから離間した基部２２ａと、該基部２２ａから突出した角錐台状の複数の凸部２２ｂとが形成されている。
【００８９】
また、機能板２２には、直交断面方向の両端部に平面状のフランジ部２２ｄ、２２ｅが形成されている。機能板２２では、各凸部２２ｂの平面部２２ｃが第３、第４面部２１ｃ、２１ｄに結合されている。そして、フランジ部２２ｄがフレーム本体２１の第１面部２１ａに結合される一方、フランジ部２２ｅが、フランジ部２２ｉ、２２ｊの間に挟まれた状態で結合されている。
【００９０】
次に、図１５〜図１８を参照しながら、本実施形態に係る車両用フレーム１を製造する方法について説明する。
先ず、図１５に示す第１パネル部材２１Ａに対し、２つの機能板２２、２２を結合する。具体的には、図１５に示すように、第１パネル部材２１Ａの第１面部２１ａ内周と機能板２２のフランジ部２２ｄ、及びフランジ部２１ｉとフランジ部２２ｅとを対向させ、それぞれが重なるように機能板２２を第１パネル部材２１Ａに当接させる。
【００９１】
そして、第１面部２１ａ内周とフランジ部２２ｄとを、図１６にて太い実線で示す結合部Ｚ４で結合し、かつ第１パネル部材２１Ａの第３、第４面部２１ｃ、２１ｄと、機能板２２の各凸部２２ｂの先端部２２ｃとを、図１６にて×印で示す結合部Ｚ５で接合する。この時、第１面部２１ａ内周とフランジ部２２ｄとの結合は、スポット溶接またはレーザー溶接により行われ、第３、第４面部２１ｃ、２１ｄと凸部２２ｂの先端部２２ｃとの結合は、両者の長手方向に沿ってスポット溶接により行われる。
【００９２】
次に、第１パネル部材２１Ａと機能板２２、２２とを結合して生成した部品に対し、第２パネル部材２１Ｂをさらに結合する。具体的には、図１６に示すように、第１パネル部材２１Ａのフランジ部２１ｉと機能板２２のフランジ部２２ｅとを重ねた部分に、第２パネル部材２１Ｂの両端部を対向させる。そして、図１７に示すように、各フランジ部２１ｉ、２２ｅと第２パネル部材２１Ｂの端部とが３枚重ねになるように位置合わせをしながら、第２パネル部材２１Ｂを前記部品に当接させる。
【００９３】
そして、３枚重ねのフランジ部２１ｉ、２２ｅ、及び第２パネル部材２１Ｂの前記端部を、図１７にて太い実線、または図１８にて×印で示す結合部Ｚ６で重合結合する。これにより、矩形管状をなすフレーム本体２１が形成され、機能板２２を備えた車両用フレーム２が完成する。この時、フランジ部２１ｉ、２２ｅと前記端部との結合は、これらの長手方向に沿ってスポット溶接またはレーザー溶接により行われる。
【００９４】
このように、本実施形態では、車両用フレーム２を製造するにあたり、機能板２２を、凸部２２ｂで第１パネル部材２１Ａ内周に予め結合するステップと、フランジ部２１ｉ、２２ｅを第２パネル部材２１Ｂの両端部に重合結合するステップとを有することにより、機能板２２の凸部２２ｂを容易にフレーム本体２１内周に結合することができる。
【００９５】
なお、本実施形態においても、各フランジ部２１ｉ、２２ｅ及び第２パネル部材２１Ｂの端部を１度の溶接によって重合結合することに必ずしもこれに限定されることはなく、前記部品に第２パネル部材２１Ｂを結合する前に、予めフランジ部２１ｉとフランジ部２２ｅとを結合し、その後、第２パネル部材２１Ｂの端部とフランジ部２２ｅとを結合するようにしてもよい。
【００９６】
（第３実施形態）
また、上述した各実施形態では、機能板の凸部がいずれも角錐台状に形成されているが、本発明は、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、図１９に示す車両用フレーム２′の機能板２２′のように、凸部３２ｂを、その平面部３２ｃが円形をなすように円錐台状に形成してもよい。なお、図１９において、図１４に示す第２実施形態と同様の構成要素については、同一の番号を付して説明を省略する。
【００９７】
本実施形態では、機能板２２′において、大多数が円錐台状の凸部３２ｂとされているものの、長手方向の一列分だけ角錐台状の凸部２２ｂが形成されている。この場合、凸部２２ｂでは溶接による結合がなされる一方、凸部３２ｂでは、溶接以外の方法として、例えば接着剤による結合がなされる。
【００９８】
また、本実施形態においても、凸部３２ｂ、３２ｂ、…は、図２０に示すように、その１つの凸部３２ｂに対し長手方向に隣接するものと互いに直交断面方向に重なりを有するとともに、直交断面方向に隣接するものと互いに長手方向に重なりを有して、長手方向及び垂直断面方向に直線状に連続した基部３２ａが形成されないように構成されている。
【００９９】
本実施形態のように、円錐台状の凸部３２ｂとすることで、凸部３２ｂ間には、角錐台状の場合に比べて図２０に示すように大きな間隙が形成される。ここで、その間隙に基部３２ａを形成するようにすれば、フレーム本体２１と機能板２２′とにより構造体１３を形成した時、基部３２ａ側に平面部を有することで、構造体１３の剛性を向上させることができる。これにより、曲げ変形初期の前記屈曲部における面外変形をより効果的に抑制することができる。
【０１００】
なお、凸部の平面部の形状を多角形、円形のいずれにするかについては、凸部のフレーム本体への結合方法や、構造体１３に要求される剛性の程度等によって適宜選択すればよい。
【０１０１】
（第４実施形態）
ところで、本発明は、機能板の基部、凸部の双方を、フレーム本体のコーナー部を含む領域に形成することに必ずしも限定されない。本発明では、少なくともフレーム本体の第３、第４面部に対応して基部、凸部が形成されていればよい。例えば、図２１に示す車両用フレーム４のように、機能板４２の凸部４２ｂが、フレーム本体４１のコーナー部４１ｅ、４１ｆまで及ばないように構成してもよい。
【０１０２】
なお、本実施形態では、フレーム本体４１が、第２、第３実施形態と同様、直交断面方向の形状がコの字状をなす第１パネル部材４１Ａと、平板状の第２パネル部材４１Ｂとにより構成されている。フレーム本体４１において、符号４１ａ〜４１ｄで示すフレーム本体４１の部位は、それぞれ第１〜第４面部であり、その他、４１ｅ〜４１ｈはコーナー部、４１ｉは、フランジ部である。また、機能板４２において、符号４２ａは基部、４２ｃは平面部、４２ｄ、４２ｅはフランジ部である。
【０１０３】
なお、本実施形態では、凸部４２ｂを円錐台状に形成しているが、多角錐台状に形成してもよいし、円錐台状に形成したものと多角錐台状に形成したものとを並設してもよい。
【０１０４】
（第５実施形態）
また、本発明では、凸部の平面部の形状を、多角形や円形とすることに必ずしも限定されない。例えば、図２２に示す車両用フレーム４′のように、その機能板４２′の凸部５２ｂの平面部５２ｃを十字型に形成してもよい。なお、図２２において、図２１に示す第４実施形態と同様の構成要素については、同一の番号を付して説明を省略する。
【０１０５】
なお、本実施形態においても、各凸部５２ｂ、５２ｂ、…は、図２３に示すように、その１つの凸部５２ｂに対し長手方向に隣接するものと互いに直交断面方向に重なりを有するとともに、直交断面方向に隣接するものと互いに長手方向に重なりを有し、長手方向及び直交断面方向には、直線状に連続した基部５２ａが形成されないような構成となっている。
【０１０６】
（その他の実施形態）
なお、上述した各実施形態では、機能板が、フレーム本体の第１面部に結合されるフランジ部を備えているが、凸部の位置によっては、コーナー部との位置関係や加工技術上の理由により、フランジ部を形成することが困難な場合がある。このような場合には、フレーム本体のフランジ部に結合されるフランジ部のみを機能板に備えるようにしてもよい。
【０１０７】
この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、
この発明の、断面コの字状部材は、第１パネル部材１１Ａ、２１Ａ、４１Ａに対応し、
以下同様に、
平板状部材は、第２パネル部材２１Ｂ、４１Ｂに対応するも、
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。
【符号の説明】
【０１０８】
１、２、２′、４、４′…車両用フレーム
１１、２１、４１…フレーム本体
１１Ａ、２１Ａ、４１Ａ…第１パネル部材
１１Ｂ、２１Ｂ、４１Ｂ…第２パネル部材
１１ａ、２１ａ、４１ａ…第１面部
１１ｂ、２１ｂ、４１ｂ…第２面部
１１ｃ、２１ｃ、４１ｃ…第３面部
１１ｄ、２１ｄ、４１ｄ…第４面部
１１ｅ、１１ｆ、２１ｅ、２１ｆ、４１ｅ、４１ｆ…コーナー部
１１ｉ、１１ｊ、２１ｉ、４１ｉ…フランジ部
１２、２２、２２′、４２、４２′…機能板
１２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ、５２ａ…基部
１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂ、５２ｂ…凸部
１２ｅ、２２ｅ、３２ｅ、４２ｅ…フランジ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体の一部を構成し、車両の衝突時に荷重が作用して曲げ変形が生ずる管状のフレーム構造であって、
２つの断面コの字状部材を対向させるか、または断面コの字状部材と平板状部材とを対向させて、その両端部をそれぞれ結合することにより管状に形成されたフレーム本体を備え、
前記断面コの字状部材には、中央面部と、該中央面部の両側に連続する側面部と、両端部にて断面外向きに突出するフランジ部とが形成され、
該フランジ部同士、または該フランジ部と前記平板状部材の両端部とが結合されており、
前記フレーム本体は、前記荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部と、
引張方向の力が作用する第２面部とを有するとともに、
前記第１、第２面部の間には、少なくとも一方の前記断面コの字状部材の側面部が配設され、
該側面部には、前記フレーム本体から離間した基部と、
該基部から突出して、前記側面部の内周に結合される複数の凸部とを一体に形成した機能板を備えており、
前記凸部は、フレームの長手方向に複数配列されるとともに、
前記長手方向に直交する直交断面方向に複数配列され、
前記機能板は、一端側が前記フランジ部の間、または前記フランジ部と前記平板状部材の端部との間に挟まれて結合されている
車両用フレーム構造。
【請求項２】
前記フレーム本体の第１面部を、前記断面コの字状部材の中央面部により形成し、
前記中央面部と前記側面部との間には、コーナー部が形成され、
該コーナー部を含む領域に、前記機能板を備えている
請求項１記載の車両用フレーム構造。
【請求項３】
前記凸部は、前記長手方向及び前記直交断面方向に周期的に配列されるように形成されており、
前記フレームの長手方向に隣接する前記凸部は、互いに前記直交断面方向の重なりを有しているとともに、
前記直交断面方向に隣接する前記凸部は、互いに前記長手方向の重なりを有している
請求項１または２記載の車両用フレーム構造。
【請求項４】
前記凸部は、前記フレーム本体に結合される先端部が、多角形状の平面部を有した多角錐台状をなしている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用フレーム構造。
【請求項５】
前記凸部は、前記フレーム本体に結合される先端部が、円形状の平面部を有した円錐台状をなしている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用フレーム構造。
【請求項６】
断面コの字状部材の中央面部両側に連続する側面部内周に、基部から突出した凸部を複数形成した機能板を、前記凸部で予め結合するステップと、
前記断面コの字状部材の両端部に形成したフランジ部、及び前記機能板の一端側を、他方の断面コの字状部材の両端部に形成したフランジ部、または平板状部材の端部に結合するステップとからなる
車両用フレームの製造方法。
【請求項１】
車体の一部を構成し、車両の衝突時に荷重が作用して曲げ変形が生ずる管状のフレーム構造であって、
２つの断面コの字状部材を対向させるか、または断面コの字状部材と平板状部材とを対向させて、その両端部をそれぞれ結合することにより管状に形成されたフレーム本体を備え、
前記断面コの字状部材には、中央面部と、該中央面部の両側に連続する側面部と、両端部にて断面外向きに突出するフランジ部とが形成され、
該フランジ部同士、または該フランジ部と前記平板状部材の両端部とが結合されており、
前記フレーム本体は、前記荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部と、
引張方向の力が作用する第２面部とを有するとともに、
前記第１、第２面部の間には、少なくとも一方の前記断面コの字状部材の側面部が配設され、
該側面部には、前記フレーム本体から離間した基部と、
該基部から突出して、前記側面部の内周に結合される複数の凸部とを一体に形成した機能板を備えており、
前記凸部は、フレームの長手方向に複数配列されるとともに、
前記長手方向に直交する直交断面方向に複数配列され、
前記機能板は、一端側が前記フランジ部の間、または前記フランジ部と前記平板状部材の端部との間に挟まれて結合されている
車両用フレーム構造。
【請求項２】
前記フレーム本体の第１面部を、前記断面コの字状部材の中央面部により形成し、
前記中央面部と前記側面部との間には、コーナー部が形成され、
該コーナー部を含む領域に、前記機能板を備えている
請求項１記載の車両用フレーム構造。
【請求項３】
前記凸部は、前記長手方向及び前記直交断面方向に周期的に配列されるように形成されており、
前記フレームの長手方向に隣接する前記凸部は、互いに前記直交断面方向の重なりを有しているとともに、
前記直交断面方向に隣接する前記凸部は、互いに前記長手方向の重なりを有している
請求項１または２記載の車両用フレーム構造。
【請求項４】
前記凸部は、前記フレーム本体に結合される先端部が、多角形状の平面部を有した多角錐台状をなしている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用フレーム構造。
【請求項５】
前記凸部は、前記フレーム本体に結合される先端部が、円形状の平面部を有した円錐台状をなしている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用フレーム構造。
【請求項６】
断面コの字状部材の中央面部両側に連続する側面部内周に、基部から突出した凸部を複数形成した機能板を、前記凸部で予め結合するステップと、
前記断面コの字状部材の両端部に形成したフランジ部、及び前記機能板の一端側を、他方の断面コの字状部材の両端部に形成したフランジ部、または平板状部材の端部に結合するステップとからなる
車両用フレームの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１８】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図６】
【図７】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１８】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図６】
【図７】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１９】
【公開番号】特開２０１１−１６４１１（Ｐ２０１１−１６４１１Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６１３６６（Ｐ２００９−１６１３６６）
【出願日】平成２１年７月８日（２００９．７．８）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月８日（２００９．７．８）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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