車両用フレーム構造
【課題】この発明は、高い性能重量効率を実現しつつ、曲げ変形初期の屈曲部における断面外向きの面外変形をより効果的に抑制することで、曲げ抗力特性をより向上させることができる車両用フレーム構造を提供することを目的とする。
【解決手段】第３、第４面部１ｃ、１ｄには、基部１ｉと、該基部１ｉから断面外向きに突出する複数の凸部１ｊとを一体に形成しており、凸部１ｊは、車両用フレーム１の長手方向に複数周期的に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周期的に配列され、車両用フレーム１の長手方向に隣接する凸部１ｊは、互いに前記直交断面方向の重なりを有し、前記直交断面方向に隣接する凸部１ｊは、互いに前記長手方向の重なりを有している。
【解決手段】第３、第４面部１ｃ、１ｄには、基部１ｉと、該基部１ｉから断面外向きに突出する複数の凸部１ｊとを一体に形成しており、凸部１ｊは、車両用フレーム１の長手方向に複数周期的に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周期的に配列され、車両用フレーム１の長手方向に隣接する凸部１ｊは、互いに前記直交断面方向の重なりを有し、前記直交断面方向に隣接する凸部１ｊは、互いに前記長手方向の重なりを有している。
【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、本発明者は、より高い曲げ抗力を発揮する車両用フレームを開発するにあたり、先ずは、管状のフレームにおいて曲げ変形が発生するメカニズムについて、特許文献３と同様に解析、検討を行った。
【００１４】
ここで、本発明者は、図１５（ａ）に示す管状の車両用フレーム１００の上面部１００ａに向かって、長手方向と直交する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１００の挙動をＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）によりシミュレーション解析した。
【００１５】
図１５は、車両用フレーム１００の上面部１００ａに向かって直交断面方向上方から荷重を付加した時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１６は、車両用フレームの屈曲部における閉断面の形状を示している。ここで、図１５、図１６では、曲げ変形の進行の過程を同図（ａ）〜（ｄ）の順に示している。また、図１５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。
【００１６】
図１５、図１６に示す解析結果から、本発明者は、車両用フレーム１００の曲げ変形初期において、上面部１００ａと側面部１００ｂとの間に形成したコーナー部１００ｃ、１００ｄの頂点Ｐ（図１６参照）が、屈曲部で大きく断面外向きに変位し、コーナー部１００ｃ、１００ｄ及びその周辺の領域（例えば、側面部１００ｂ）が断面外向きに大きく突出するような面外変形が発生していることを確認した。
【００１７】
そして、本発明者は、このような屈曲部での面外変形を抑制することにより、曲げ抗力の向上を図れ、ひいては曲げ変形の進行を抑制できることも確認した。
【００１８】
ここで、前記特許文献１、２について見てみると、いずれもフレームの曲げ変形時における屈曲部の挙動に関しては全く言及がなされておらず、フレームの曲げ抗力を十分に高めるにはさらなる改善の余地がある。
【００１９】
例えば、前記特許文献１、２では、上述したように、リインホースメントや中空空間をいずれもサイドシルのインナパネルに備えることとしているが、実際に車両衝突（特に側突）が発生してサイドシルに曲げ変形が生じると、インナパネルは、折れ曲がりの外周側となり、長手方向両端から引張方向の力を受ける。
【００２０】
前記特許文献３や本発明者による解析結果によれば、フレームに曲げ変形が発生した時に引張方向の力を受ける側の曲げ抗力が高められていたとしても、フレーム全体の曲げ抗力を最大限に高めることはできない。
【００２１】
従って、前記特許文献１、２に開示されたフレーム構造では、リインホースメントや中空空間の位置の観点から、フレームの曲げ抗力を十分高めることはできない。
【００２２】
また、前記特許文献３では、フレームの曲げ抗力向上に寄与する領域を特定し、その領域のみを肉厚にして軽量化を図ったものであるが、実際、車両衝突時等に発生する荷重は極めて大きいものであり、上記領域を肉厚にしただけでは十分満足する曲げ抗力が得られず、その効果には限界がある。そこで、曲げ抗力の向上の観点からさらなる肉厚化を図ることも考えられるが、この場合、性能重量効率の低下を招いてしまう。
【００２３】
この発明は、高い性能重量効率を実現しつつ、曲げ変形初期の屈曲部における断面外向きの面外変形をより効果的に抑制することで、曲げ抗力特性をより向上させることができる車両用フレーム構造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】
【００２４】
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、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、前記第１、第２面部の間に配設された壁面部とを有し、該壁面部には、基部と、該基部から断面外向き、または内向きに突出する複数の凸部とを一体に形成しており、前記凸部は、フレームの長手方向に複数周期的に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周期的に配列され、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、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。
【００２５】
この構成によれば、基部、凸部の形成により、壁面部における断面二次モーメントを高めることができる。そして、隣接する凸部が直交断面方向及び長手方向に重なりを有することで、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）が形成されることを防止できる。これにより、曲げ変形初期の屈曲部における断面外向きの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。
さらに、リインホースメント等の補強部材を使用せず、しかも、車両用フレームの肉厚化を抑制しながら車両用フレームの曲げ抗力特性の向上を図れることから、曲げ抗力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）をより向上させることができる。
【００２６】
この発明の一実施態様においては、前記凸部の前記基部側の形状が多角形をなし、該多角形の辺部を形成する稜線が、隣接する他の凸部に対応する稜線と略一致するか、または隣接するように配列されるものである。
【００２７】
この構成によれば、壁面部において複数の凸部を密に配置することができ、その個数を増大させることができる。このため、曲げ変形中期における壁面部の面外変形をより促進させることができ、その結果、荷重エネルギー吸収特性を向上させることができる。
【００２８】
この発明の一実施態様においては、前記凸部の基部側の形状が円形をなしているものである。
【００２９】
この構成によれば、凸部の基部側の稜線が一直線上に並ぶことがなくなる。これにより、車両用フレームに対して長手方向や直交断面方向以外の想定外の方向から荷重が作用した時に、基部に直線状の折り目が形成されることを防止でき、これによって屈曲部の形成を抑制することができる。
【００３０】
この発明の一実施態様においては、前記第１面部と前記壁面部との間に、コーナー部が形成されており、該コーナー部には、前記凸部及び前記基部が長手方向において交互に配置されるものである。
【００３１】
この構成によれば、基部、凸部により、コーナー部の頂点の変位をより効果的に抑制できる。このため、曲げ変形初期における曲げ抗力特性をさらに向上させることができる。
【発明の効果】
【００３２】
この発明によれば、基部、凸部の形成により、壁面部における断面二次モーメントを高めることができる。そして、隣接する凸部が直交断面方向及び長手方向に重なりを有することで、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）が形成されることを防止できる。これにより、曲げ変形初期の屈曲部における断面外向きの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。
さらに、リインホースメント等の補強部材を使用せず、しかも、車両用フレームの肉厚化を抑制しながら車両用フレームの曲げ抗力特性の向上を図れることから、曲げ抗力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）をより向上させることができる。
【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】第３、第４面部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】屈曲部における閉断面の形状を示す断面図。
【図８】基部、凸部の機能を説明するための断面図。
【図９】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図であり、第３、第４面部の各凸部の配列を説明するための正面図。
【図１０】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１１】第３、第４面部の各凸部の配列を説明するための正面図。
【図１２】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１３】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１４】第３、第４面部の各凸部の配列を説明するための正面図。
【図１５】従来の車両用フレームの上面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１６】従来の車両用フレームの屈曲部における閉断面の形状を示す断面図。
【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８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、その長手方向と直交する直交断面方向の形状が、図２に示すように略矩形状をなした管状の部材であり、第１面部１ａと、該第１面部１ａと対向する位置にある第２面部１ｂと、第１、第２面部１ａ、１ｂの間に配設された壁面部としての第３、第４面部１ｃ、１ｄとを有している。そして、第１〜第４面部１ａ〜１ｄの間には、コーナー部１ｅ〜１ｈが形成されている。
【００３５】
また、車両用フレーム１では、第１面部１ａ、１ｂの表面が平面状をなす一方、第３、第４面部１ｃ、１ｄの表面には、略全面に亘って凹凸が形成されている。
【００３６】
第３、第４面部１ｃ、１ｄでは、凹部に相当する基部１ｉと、該基部１ｉから断面外向きに突出する複数の凸部１ｊとが一体に形成され、凸部１ｊは、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。
【００３７】
また、本実施形態では、上述した基部１ｉ及び凸部１ｊが、コーナー部１ｅ〜１ｈまで及んでおり、コーナー部１ｅ〜１ｈには、基部１ｉ及び凸部１ｊが長手方向において交互に配置されている。
【００３８】
図３は、第３、第４面部１ｃ、１ｄの各凸部１ｊの配列を説明するための正面図である。本実施形態では、各凸部１ｊが角錐状をなしており、図１、図３に示すように、その基部１ｉ（底面）側の形状が四角形とされている。そして、凸部１ｊは、四角形の辺部を形成する稜線１ｋが、隣接する他の凸部１ｊ１、１ｊ２、…に対応する稜線１ｋと略一致するように配列されている。
【００３９】
また、本実施形態では、１つの凸部１ｊに着目した場合、この凸部１ｊは、図３に示すように、長手方向に隣接する凸部１ｊ１（１ｊ２）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１ｊ２（１ｊ１）と互いに長手方向に重なりＬ２を有している。
【００４０】
このような位置関係にある凸部１ｊ、１ｊ１、１ｊ２…を周期的に配列することで基部１ｉ（稜線１ｋ）が、車両用フレーム１の長手方向に対して斜めに一直線上に並び、その結果、長手方向及び直交断面方向には、直線状に連続した基部１ｉ（稜線１ｋ）が形成されないような構成となっている。
【００４１】
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によりシミュレーション解析した。
【００４２】
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１ａに設定し、この第１面部１ａ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。
【００４３】
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。
【００４４】
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１ａ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１ｂとなる。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
次に、図６、図７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１ａ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、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）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。
【００５１】
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。
【００５２】
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１ａ及びその両端のコーナー部１ｅ、１ｆに凹みが生じている（図中の変形箇所α参照）。
【００５３】
ところが、本実施形態の車両用フレーム１では、第３、第４面部１ｃ、１ｄにて断面内向きの凹みが生じ、しかも、コーナー部１ｅ、１ｆの頂点Ｐ（図７参照）が外側へ大幅に変位することが抑制されている。そして、コーナー部１ｅ、１ｆ及びその周辺の領域には、図７に示すような突起βが現れている。
【００５４】
また、特に図７を見ると、第３、第４面部１ｃ、１ｄでの断面内向きの凹みとともに、第１面部１ａと対向する第２面部１ｂでは、断面内向きの凹みが新たに生じている。
【００５５】
本実施形態では、第３、第４面部１ｃ、１ｄの基部１ｉ及び凸部１ｊにより、図８に示すような凹凸が車両用フレーム１の直交断面方向のみならず、その長手方向に連続的に形成されている。そして、第３、第４面部１ｃ、１ｄでは、基部１ｉ、及び凸部１ｊの頂部１１ｍ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。
【００５６】
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、第３、第４面部１ｃ、１ｄに図８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、その時第３、第４面部１ｃ、１ｄ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。
【００５７】
さらに、本実施形態では、図３に示すように、１つの凸部１ｊ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を有することにより、車両用フレーム１に荷重Ｆが付加された時、基部１ｉにおいて直交断面方向に折り目（折れのきっかけ）が形成されることを防止できる。このため、コーナー部１ｅ、１ｆ及びその周辺の第３、第４面部１ｃ、１ｄが、図１５に示すように断面外向きに大きく突出することを抑制できる。
【００５８】
そして、１つの凸部１ｊに対し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を有することにより、車両用フレーム１に荷重Ｆが付加された時、基部１ｉにおいて長手方向に折り目が形成されることを防止できる。このため、前記屈曲部のコーナー部１ｅ、１ｆの頂点Ｐが、図１６に示すように断面外向きに大幅に変位することを抑制できる。
【００５９】
本発明者は、図６、図７に示す解析結果から、第３、第４面部１ｃ、１ｄにおける高い断面二次モーメントや、凸部１ｊ同士の重なりＬ１、Ｌ２によって、前記屈曲部における断面外向きの面外変形をより効果的に抑制できることを見出した。
【００６０】
また、本発明者は、新たに第２面部１ｂにも面外変形が生じていることから、コーナー部１ｅ、１ｆ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１ｂ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。
【００６１】
このように、第３、第４面部１ｃ、１ｄにおいて、１つの凸部１ｊ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、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ように、複数の凸部１ｊを周期的に配列したことで、曲げ変形初期の屈曲部における断面外向きの面外変形をより効果的に抑制することができる。
【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、この場合、リインホースメント等の補強部材を使用せず、しかも車両用フレーム１の肉厚化を抑制しながら車両用フレーム１の曲げ抗力特性の向上を図れることから、曲げ抗力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）を向上させることができる。
【００６４】
また、車両用フレーム１の曲げ変形時には、図７に示すような突起βがコーナー部１ｅ、１ｆ、及びその周辺の領域に形成されているが、これは、第１面部１ａの両側に位置するコーナー部１ｅ、１ｆにおいて、基部１ｉ及び凸部１ｊを長手方向に交互に配置したことによって、コーナー部１ｅ、１ｆにおける断面二次モーメントが向上しているためと推察される。このコーナー部１ｅ、１ｆにおける基部１ｉ、凸部１ｊの配置により、頂点Ｐの変位をより効果的に抑制でき、曲げ変形初期における曲げ抗力特性をさらに向上させることができる。
【００６５】
ところで、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、面積ＳＥＡが増大していることを見出した。
【００６６】
これは、曲げ変形初期に発生した第３、第４面部１ｃ、１ｄにおける面外変形の範囲が、車両用フレーム１の曲げ変形の進行に伴い拡大することによって、第３、第４面部１ｃ、１ｄが、広範囲に亘って荷重Ｆのエネルギー吸収に寄与しているためと推察される。
【００６７】
ここで、本実施形態のように、各凸部１ｊの基部１ｉ側を多角形（ここでは四角形）とし、かつその稜線１ｋを、隣接する凸部１ｊに対応する稜線１ｋと略一致するように配列すると、第３、第４面部１ｃ、１ｄにおいて凸部１ｊを密に配置することができ、その個数を増大させることができる。このような構成にすることで、曲げ変形中期における第３、第４面部の面外変形をより促進させることができ、その結果、荷重エネルギー吸収特性を向上させることができる。
【００６８】
（第２実施形態）
但し、本発明では、凸部１ｊの基部１ｉ側の形状を多角形とする場合、その稜線１ｋ同士を一致させることに必ずしも限定されない。例えば、図９に示すように、稜線１ｋ同士が所定間隔を隔てて隣接するように、凸部１ｊ、１ｊ１、１ｊ２を配列してもよい。この場合、帯状に連続した基部１ｉ′が車両用フレーム１の長手方向に対して斜めに形成される。
【００６９】
要するに、本発明では、図９にも示すように、１つの凸部１ｊ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、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ような配置となっていればよい。なお、図９において、図１〜図８に示す第１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。
【００７０】
また、凸部の基部側を多角形とする場合、その形状は、四角形に限定されず、五角形、六角形、…等とすることもできる。
【００７１】
また、第１、第２実施形態では、凸部１ｊを角錐状に形成したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、角錐台状に形成してもよい。
【００７２】
また、凸部を基部から断面外向きに突出させることにも限定されず、これを断面内向きに突出させてもよい。
【００７３】
（第３実施形態）
次に、図１０〜図１１に示す第３実施形態について説明する。図１０は、本発明の第３実施形態に係るフレーム構造を示す斜視図であり、図１１は、第３、第４面部２ｃ、２ｄの各凸部２ｊの配列を説明するための正面図である。図１０に示すように、本実施形態に係る車両用フレーム２では、その第３、第４面部２ｃ、２ｄにおいて、基部２ｉ側の形状が円形をなす半球状の凸部２ｊが形成されている。
【００７４】
本実施形態に係る車両用フレーム２は、第１実施形態と同様、直交断面方向の形状が、略矩形状をなした管状の部材であり、平面状の第１、第２面部２ａ、２ｂと、基部２ｉ、２ｊを形成した第３、第４面部２ｃ、２ｄとを有している。そして、第１〜第４面部２ａ〜２ｄの間には、コーナー部２ｅ〜２ｈが形成されている。
【００７５】
ここで、第３、第４面部２ｃ、２ｄでは、図１１に示すように、１つの凸部２ｊ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連続した基部２ｉが形成されないように構成されている。
【００７６】
この場合、半球状の凸部２ｊであっても、隣接する凸部２ｊ同士で、第１実施形態と同様の重なりを有することにより、曲げ変形初期の屈曲部における断面外向きの面外変形を効果的に抑制することができる。
【００７７】
また、本実施形態では、凸部２ｊの基部２ｉ側の形状を円形にしたことで、第１、第２実施形態の場合と異なり、稜線２ｋが一直線上に並ぶことがない。このように、稜線２ｋが一直線上に並んだ部分を形成しないようにすることで、車両用フレーム２に対して長手方向や直交断面方向以外の想定外の方向から荷重が作用した時、基部２ｉに直線状の折り目が形成されることを防止でき、これによって屈曲部の形成を確実に抑制できる。
【００７８】
なお、本発明において、凸部の基部側を円形に形成する場合としては、図１０、図１１に示すように真円形状に形成する場合のみならず、例えば、楕円形状に形成する場合も含まれる。
【００７９】
また、本発明では、基部及び凸部をコーナー部に形成することに必ずしも限定されない。図１０、図１１に示すように、基部２ｉ、凸部２ｊをコーナー部２ｅ、２ｆから離間した位置に形成してもよい。
【００８０】
（第４実施形態）
また、本発明では、図１２に示すように、直交断面方向の形状がコの字状をなす第１パネル部材３Ａと、平板状の第２パネル部材３Ｂとによって矩形管状の車両用フレーム３を形成してもよい。第１パネル部材３Ａには、その両端部にて断面外向きに突出するフランジ部３ｎ、３ｎが形成されており、第１パネル部材３Ａと第２パネル部材３Ｂとを対向させ、フランジ部３ｎ、３ｎと第２パネル部材３Ｂの両端部とを結合することにより、車両用フレーム３が矩形管状をなしている。
【００８１】
本実施形態では、第１パネル部材３Ａにおいて、第１面部（中央面部）３ａと、その両側に連続する第３、第４面部（側面部）３ｃ、３ｄと、フランジ部３ｎとが形成され、第１面部３ａと、第３、第４面部３ｃ、３ｄとの間には、コーナー部３ｅ、３ｆが形成されている。
【００８２】
また、第２パネル部材３Ｂにおいては、第２面部３ｂが形成され、第１、第２パネル部材３Ａ、３Ｂの結合により、コーナー部１ｇ、１ｈに対応するコーナー部３ｇ、３ｈが形成されている。ここで、第１、第２パネル部材３Ａ、３Ｂを結合した時、第３、第４面部３ｃ、３ｄは、第１、第２面部３ａ、３ｂの間に配設される。
【００８３】
そして、第１パネル部材３Ａでは、その第３、第４面部３ｃ、３ｄにおいて、基部３ｉから断面外向きに突出する円錐台状の凸部３ｊが複数一体に形成され、車両用フレーム３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。なお、本実施形態では、上述したように、基部３ｉ側の形状が円形をなす円錐台状の凸部３ｊとしているが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００８４】
（第５実施形態）
また、本発明では、凸部の基部側の形状を、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１３に示す車両用フレーム４の凸部４ｊのように、その基部４ｉ側を十字型に形成してもよい。
【００８５】
本実施形態では、車両用フレーム４が、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４Ａと、平板状の第２パネル部材４Ｂとにより構成されている。この車両用フレーム本体４において、符号４ａ〜４ｄで示す車両用フレーム４の部位は、それぞれ第１〜第４面部であり、その他、４ｅ〜４ｈはコーナー部、４ｎは、フランジ部である。但し、本実施形態において、車両用フレーム４を、２つのフレーム部材４Ａ、４Ｂによって形成することに必ずしも限定されない。
【００８６】
本実施形態においても、各凸部４ｊ、４ｊ、…は、図１４に示すように、その１つの凸部４ｊ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いる。このため、凸部４ｊにおいて十字型の辺部を形成する稜線４ｋは、略階段状に形成され、これにより、長手方向及び直交断面方向には、直線状に連続した基部４ｉが形成されないような構成となっている。
【００８７】
（その他の実施形態）
なお、上述した各実施形態では、第３、第４面部に同じ形状をなす凸部を複数配列することとしているが、異なる形状の凸部を配列するようにてもよい。
【００８８】
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、壁面部は、第３面部１ｃ、２ｃ、３ｃ、４ｃ、第４面部１ｄ、２ｄ、３ｄ、４ｄ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】
【００８９】
１、２、３、４…車両用フレーム
１ａ、２ａ、３ａ、４ａ…第１面部
１ｂ、２ｂ、３ｂ、４ｂ…第２面部
１ｃ、２ｃ、３ｃ、４ｃ…第３面部
１ｄ、２ｄ、３ｄ、４ｄ…第４面部
１ｅ、１ｆ、２ｅ、２ｆ、３ｅ、３ｆ、４ｅ、４ｆ、…コーナー部
１ｉ、１ｉ′、２ｉ、３ｉ、４ｉ…基部
１ｊ、２ｊ、３ｊ、４ｊ…凸部
１ｋ、２ｋ、４ｋ…稜線
【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、本発明者は、より高い曲げ抗力を発揮する車両用フレームを開発するにあたり、先ずは、管状のフレームにおいて曲げ変形が発生するメカニズムについて、特許文献３と同様に解析、検討を行った。
【００１４】
ここで、本発明者は、図１５（ａ）に示す管状の車両用フレーム１００の上面部１００ａに向かって、長手方向と直交する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１００の挙動をＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）によりシミュレーション解析した。
【００１５】
図１５は、車両用フレーム１００の上面部１００ａに向かって直交断面方向上方から荷重を付加した時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１６は、車両用フレームの屈曲部における閉断面の形状を示している。ここで、図１５、図１６では、曲げ変形の進行の過程を同図（ａ）〜（ｄ）の順に示している。また、図１５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。
【００１６】
図１５、図１６に示す解析結果から、本発明者は、車両用フレーム１００の曲げ変形初期において、上面部１００ａと側面部１００ｂとの間に形成したコーナー部１００ｃ、１００ｄの頂点Ｐ（図１６参照）が、屈曲部で大きく断面外向きに変位し、コーナー部１００ｃ、１００ｄ及びその周辺の領域（例えば、側面部１００ｂ）が断面外向きに大きく突出するような面外変形が発生していることを確認した。
【００１７】
そして、本発明者は、このような屈曲部での面外変形を抑制することにより、曲げ抗力の向上を図れ、ひいては曲げ変形の進行を抑制できることも確認した。
【００１８】
ここで、前記特許文献１、２について見てみると、いずれもフレームの曲げ変形時における屈曲部の挙動に関しては全く言及がなされておらず、フレームの曲げ抗力を十分に高めるにはさらなる改善の余地がある。
【００１９】
例えば、前記特許文献１、２では、上述したように、リインホースメントや中空空間をいずれもサイドシルのインナパネルに備えることとしているが、実際に車両衝突（特に側突）が発生してサイドシルに曲げ変形が生じると、インナパネルは、折れ曲がりの外周側となり、長手方向両端から引張方向の力を受ける。
【００２０】
前記特許文献３や本発明者による解析結果によれば、フレームに曲げ変形が発生した時に引張方向の力を受ける側の曲げ抗力が高められていたとしても、フレーム全体の曲げ抗力を最大限に高めることはできない。
【００２１】
従って、前記特許文献１、２に開示されたフレーム構造では、リインホースメントや中空空間の位置の観点から、フレームの曲げ抗力を十分高めることはできない。
【００２２】
また、前記特許文献３では、フレームの曲げ抗力向上に寄与する領域を特定し、その領域のみを肉厚にして軽量化を図ったものであるが、実際、車両衝突時等に発生する荷重は極めて大きいものであり、上記領域を肉厚にしただけでは十分満足する曲げ抗力が得られず、その効果には限界がある。そこで、曲げ抗力の向上の観点からさらなる肉厚化を図ることも考えられるが、この場合、性能重量効率の低下を招いてしまう。
【００２３】
この発明は、高い性能重量効率を実現しつつ、曲げ変形初期の屈曲部における断面外向きの面外変形をより効果的に抑制することで、曲げ抗力特性をより向上させることができる車両用フレーム構造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】
【００２４】
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、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、前記第１、第２面部の間に配設された壁面部とを有し、該壁面部には、基部と、該基部から断面外向き、または内向きに突出する複数の凸部とを一体に形成しており、前記凸部は、フレームの長手方向に複数周期的に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周期的に配列され、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、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。
【００２５】
この構成によれば、基部、凸部の形成により、壁面部における断面二次モーメントを高めることができる。そして、隣接する凸部が直交断面方向及び長手方向に重なりを有することで、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）が形成されることを防止できる。これにより、曲げ変形初期の屈曲部における断面外向きの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。
さらに、リインホースメント等の補強部材を使用せず、しかも、車両用フレームの肉厚化を抑制しながら車両用フレームの曲げ抗力特性の向上を図れることから、曲げ抗力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）をより向上させることができる。
【００２６】
この発明の一実施態様においては、前記凸部の前記基部側の形状が多角形をなし、該多角形の辺部を形成する稜線が、隣接する他の凸部に対応する稜線と略一致するか、または隣接するように配列されるものである。
【００２７】
この構成によれば、壁面部において複数の凸部を密に配置することができ、その個数を増大させることができる。このため、曲げ変形中期における壁面部の面外変形をより促進させることができ、その結果、荷重エネルギー吸収特性を向上させることができる。
【００２８】
この発明の一実施態様においては、前記凸部の基部側の形状が円形をなしているものである。
【００２９】
この構成によれば、凸部の基部側の稜線が一直線上に並ぶことがなくなる。これにより、車両用フレームに対して長手方向や直交断面方向以外の想定外の方向から荷重が作用した時に、基部に直線状の折り目が形成されることを防止でき、これによって屈曲部の形成を抑制することができる。
【００３０】
この発明の一実施態様においては、前記第１面部と前記壁面部との間に、コーナー部が形成されており、該コーナー部には、前記凸部及び前記基部が長手方向において交互に配置されるものである。
【００３１】
この構成によれば、基部、凸部により、コーナー部の頂点の変位をより効果的に抑制できる。このため、曲げ変形初期における曲げ抗力特性をさらに向上させることができる。
【発明の効果】
【００３２】
この発明によれば、基部、凸部の形成により、壁面部における断面二次モーメントを高めることができる。そして、隣接する凸部が直交断面方向及び長手方向に重なりを有することで、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）が形成されることを防止できる。これにより、曲げ変形初期の屈曲部における断面外向きの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。
さらに、リインホースメント等の補強部材を使用せず、しかも、車両用フレームの肉厚化を抑制しながら車両用フレームの曲げ抗力特性の向上を図れることから、曲げ抗力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）をより向上させることができる。
【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】第３、第４面部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】屈曲部における閉断面の形状を示す断面図。
【図８】基部、凸部の機能を説明するための断面図。
【図９】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図であり、第３、第４面部の各凸部の配列を説明するための正面図。
【図１０】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１１】第３、第４面部の各凸部の配列を説明するための正面図。
【図１２】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１３】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１４】第３、第４面部の各凸部の配列を説明するための正面図。
【図１５】従来の車両用フレームの上面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１６】従来の車両用フレームの屈曲部における閉断面の形状を示す断面図。
【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８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、その長手方向と直交する直交断面方向の形状が、図２に示すように略矩形状をなした管状の部材であり、第１面部１ａと、該第１面部１ａと対向する位置にある第２面部１ｂと、第１、第２面部１ａ、１ｂの間に配設された壁面部としての第３、第４面部１ｃ、１ｄとを有している。そして、第１〜第４面部１ａ〜１ｄの間には、コーナー部１ｅ〜１ｈが形成されている。
【００３５】
また、車両用フレーム１では、第１面部１ａ、１ｂの表面が平面状をなす一方、第３、第４面部１ｃ、１ｄの表面には、略全面に亘って凹凸が形成されている。
【００３６】
第３、第４面部１ｃ、１ｄでは、凹部に相当する基部１ｉと、該基部１ｉから断面外向きに突出する複数の凸部１ｊとが一体に形成され、凸部１ｊは、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。
【００３７】
また、本実施形態では、上述した基部１ｉ及び凸部１ｊが、コーナー部１ｅ〜１ｈまで及んでおり、コーナー部１ｅ〜１ｈには、基部１ｉ及び凸部１ｊが長手方向において交互に配置されている。
【００３８】
図３は、第３、第４面部１ｃ、１ｄの各凸部１ｊの配列を説明するための正面図である。本実施形態では、各凸部１ｊが角錐状をなしており、図１、図３に示すように、その基部１ｉ（底面）側の形状が四角形とされている。そして、凸部１ｊは、四角形の辺部を形成する稜線１ｋが、隣接する他の凸部１ｊ１、１ｊ２、…に対応する稜線１ｋと略一致するように配列されている。
【００３９】
また、本実施形態では、１つの凸部１ｊに着目した場合、この凸部１ｊは、図３に示すように、長手方向に隣接する凸部１ｊ１（１ｊ２）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１ｊ２（１ｊ１）と互いに長手方向に重なりＬ２を有している。
【００４０】
このような位置関係にある凸部１ｊ、１ｊ１、１ｊ２…を周期的に配列することで基部１ｉ（稜線１ｋ）が、車両用フレーム１の長手方向に対して斜めに一直線上に並び、その結果、長手方向及び直交断面方向には、直線状に連続した基部１ｉ（稜線１ｋ）が形成されないような構成となっている。
【００４１】
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によりシミュレーション解析した。
【００４２】
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１ａに設定し、この第１面部１ａ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。
【００４３】
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。
【００４４】
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１ａ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１ｂとなる。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
次に、図６、図７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１ａ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、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）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。
【００５１】
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。
【００５２】
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１ａ及びその両端のコーナー部１ｅ、１ｆに凹みが生じている（図中の変形箇所α参照）。
【００５３】
ところが、本実施形態の車両用フレーム１では、第３、第４面部１ｃ、１ｄにて断面内向きの凹みが生じ、しかも、コーナー部１ｅ、１ｆの頂点Ｐ（図７参照）が外側へ大幅に変位することが抑制されている。そして、コーナー部１ｅ、１ｆ及びその周辺の領域には、図７に示すような突起βが現れている。
【００５４】
また、特に図７を見ると、第３、第４面部１ｃ、１ｄでの断面内向きの凹みとともに、第１面部１ａと対向する第２面部１ｂでは、断面内向きの凹みが新たに生じている。
【００５５】
本実施形態では、第３、第４面部１ｃ、１ｄの基部１ｉ及び凸部１ｊにより、図８に示すような凹凸が車両用フレーム１の直交断面方向のみならず、その長手方向に連続的に形成されている。そして、第３、第４面部１ｃ、１ｄでは、基部１ｉ、及び凸部１ｊの頂部１１ｍ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。
【００５６】
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、第３、第４面部１ｃ、１ｄに図８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、その時第３、第４面部１ｃ、１ｄ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。
【００５７】
さらに、本実施形態では、図３に示すように、１つの凸部１ｊ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を有することにより、車両用フレーム１に荷重Ｆが付加された時、基部１ｉにおいて直交断面方向に折り目（折れのきっかけ）が形成されることを防止できる。このため、コーナー部１ｅ、１ｆ及びその周辺の第３、第４面部１ｃ、１ｄが、図１５に示すように断面外向きに大きく突出することを抑制できる。
【００５８】
そして、１つの凸部１ｊに対し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を有することにより、車両用フレーム１に荷重Ｆが付加された時、基部１ｉにおいて長手方向に折り目が形成されることを防止できる。このため、前記屈曲部のコーナー部１ｅ、１ｆの頂点Ｐが、図１６に示すように断面外向きに大幅に変位することを抑制できる。
【００５９】
本発明者は、図６、図７に示す解析結果から、第３、第４面部１ｃ、１ｄにおける高い断面二次モーメントや、凸部１ｊ同士の重なりＬ１、Ｌ２によって、前記屈曲部における断面外向きの面外変形をより効果的に抑制できることを見出した。
【００６０】
また、本発明者は、新たに第２面部１ｂにも面外変形が生じていることから、コーナー部１ｅ、１ｆ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１ｂ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。
【００６１】
このように、第３、第４面部１ｃ、１ｄにおいて、１つの凸部１ｊ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、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ように、複数の凸部１ｊを周期的に配列したことで、曲げ変形初期の屈曲部における断面外向きの面外変形をより効果的に抑制することができる。
【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、この場合、リインホースメント等の補強部材を使用せず、しかも車両用フレーム１の肉厚化を抑制しながら車両用フレーム１の曲げ抗力特性の向上を図れることから、曲げ抗力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）を向上させることができる。
【００６４】
また、車両用フレーム１の曲げ変形時には、図７に示すような突起βがコーナー部１ｅ、１ｆ、及びその周辺の領域に形成されているが、これは、第１面部１ａの両側に位置するコーナー部１ｅ、１ｆにおいて、基部１ｉ及び凸部１ｊを長手方向に交互に配置したことによって、コーナー部１ｅ、１ｆにおける断面二次モーメントが向上しているためと推察される。このコーナー部１ｅ、１ｆにおける基部１ｉ、凸部１ｊの配置により、頂点Ｐの変位をより効果的に抑制でき、曲げ変形初期における曲げ抗力特性をさらに向上させることができる。
【００６５】
ところで、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、面積ＳＥＡが増大していることを見出した。
【００６６】
これは、曲げ変形初期に発生した第３、第４面部１ｃ、１ｄにおける面外変形の範囲が、車両用フレーム１の曲げ変形の進行に伴い拡大することによって、第３、第４面部１ｃ、１ｄが、広範囲に亘って荷重Ｆのエネルギー吸収に寄与しているためと推察される。
【００６７】
ここで、本実施形態のように、各凸部１ｊの基部１ｉ側を多角形（ここでは四角形）とし、かつその稜線１ｋを、隣接する凸部１ｊに対応する稜線１ｋと略一致するように配列すると、第３、第４面部１ｃ、１ｄにおいて凸部１ｊを密に配置することができ、その個数を増大させることができる。このような構成にすることで、曲げ変形中期における第３、第４面部の面外変形をより促進させることができ、その結果、荷重エネルギー吸収特性を向上させることができる。
【００６８】
（第２実施形態）
但し、本発明では、凸部１ｊの基部１ｉ側の形状を多角形とする場合、その稜線１ｋ同士を一致させることに必ずしも限定されない。例えば、図９に示すように、稜線１ｋ同士が所定間隔を隔てて隣接するように、凸部１ｊ、１ｊ１、１ｊ２を配列してもよい。この場合、帯状に連続した基部１ｉ′が車両用フレーム１の長手方向に対して斜めに形成される。
【００６９】
要するに、本発明では、図９にも示すように、１つの凸部１ｊ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、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ような配置となっていればよい。なお、図９において、図１〜図８に示す第１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。
【００７０】
また、凸部の基部側を多角形とする場合、その形状は、四角形に限定されず、五角形、六角形、…等とすることもできる。
【００７１】
また、第１、第２実施形態では、凸部１ｊを角錐状に形成したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、角錐台状に形成してもよい。
【００７２】
また、凸部を基部から断面外向きに突出させることにも限定されず、これを断面内向きに突出させてもよい。
【００７３】
（第３実施形態）
次に、図１０〜図１１に示す第３実施形態について説明する。図１０は、本発明の第３実施形態に係るフレーム構造を示す斜視図であり、図１１は、第３、第４面部２ｃ、２ｄの各凸部２ｊの配列を説明するための正面図である。図１０に示すように、本実施形態に係る車両用フレーム２では、その第３、第４面部２ｃ、２ｄにおいて、基部２ｉ側の形状が円形をなす半球状の凸部２ｊが形成されている。
【００７４】
本実施形態に係る車両用フレーム２は、第１実施形態と同様、直交断面方向の形状が、略矩形状をなした管状の部材であり、平面状の第１、第２面部２ａ、２ｂと、基部２ｉ、２ｊを形成した第３、第４面部２ｃ、２ｄとを有している。そして、第１〜第４面部２ａ〜２ｄの間には、コーナー部２ｅ〜２ｈが形成されている。
【００７５】
ここで、第３、第４面部２ｃ、２ｄでは、図１１に示すように、１つの凸部２ｊ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連続した基部２ｉが形成されないように構成されている。
【００７６】
この場合、半球状の凸部２ｊであっても、隣接する凸部２ｊ同士で、第１実施形態と同様の重なりを有することにより、曲げ変形初期の屈曲部における断面外向きの面外変形を効果的に抑制することができる。
【００７７】
また、本実施形態では、凸部２ｊの基部２ｉ側の形状を円形にしたことで、第１、第２実施形態の場合と異なり、稜線２ｋが一直線上に並ぶことがない。このように、稜線２ｋが一直線上に並んだ部分を形成しないようにすることで、車両用フレーム２に対して長手方向や直交断面方向以外の想定外の方向から荷重が作用した時、基部２ｉに直線状の折り目が形成されることを防止でき、これによって屈曲部の形成を確実に抑制できる。
【００７８】
なお、本発明において、凸部の基部側を円形に形成する場合としては、図１０、図１１に示すように真円形状に形成する場合のみならず、例えば、楕円形状に形成する場合も含まれる。
【００７９】
また、本発明では、基部及び凸部をコーナー部に形成することに必ずしも限定されない。図１０、図１１に示すように、基部２ｉ、凸部２ｊをコーナー部２ｅ、２ｆから離間した位置に形成してもよい。
【００８０】
（第４実施形態）
また、本発明では、図１２に示すように、直交断面方向の形状がコの字状をなす第１パネル部材３Ａと、平板状の第２パネル部材３Ｂとによって矩形管状の車両用フレーム３を形成してもよい。第１パネル部材３Ａには、その両端部にて断面外向きに突出するフランジ部３ｎ、３ｎが形成されており、第１パネル部材３Ａと第２パネル部材３Ｂとを対向させ、フランジ部３ｎ、３ｎと第２パネル部材３Ｂの両端部とを結合することにより、車両用フレーム３が矩形管状をなしている。
【００８１】
本実施形態では、第１パネル部材３Ａにおいて、第１面部（中央面部）３ａと、その両側に連続する第３、第４面部（側面部）３ｃ、３ｄと、フランジ部３ｎとが形成され、第１面部３ａと、第３、第４面部３ｃ、３ｄとの間には、コーナー部３ｅ、３ｆが形成されている。
【００８２】
また、第２パネル部材３Ｂにおいては、第２面部３ｂが形成され、第１、第２パネル部材３Ａ、３Ｂの結合により、コーナー部１ｇ、１ｈに対応するコーナー部３ｇ、３ｈが形成されている。ここで、第１、第２パネル部材３Ａ、３Ｂを結合した時、第３、第４面部３ｃ、３ｄは、第１、第２面部３ａ、３ｂの間に配設される。
【００８３】
そして、第１パネル部材３Ａでは、その第３、第４面部３ｃ、３ｄにおいて、基部３ｉから断面外向きに突出する円錐台状の凸部３ｊが複数一体に形成され、車両用フレーム３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。なお、本実施形態では、上述したように、基部３ｉ側の形状が円形をなす円錐台状の凸部３ｊとしているが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００８４】
（第５実施形態）
また、本発明では、凸部の基部側の形状を、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１３に示す車両用フレーム４の凸部４ｊのように、その基部４ｉ側を十字型に形成してもよい。
【００８５】
本実施形態では、車両用フレーム４が、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４Ａと、平板状の第２パネル部材４Ｂとにより構成されている。この車両用フレーム本体４において、符号４ａ〜４ｄで示す車両用フレーム４の部位は、それぞれ第１〜第４面部であり、その他、４ｅ〜４ｈはコーナー部、４ｎは、フランジ部である。但し、本実施形態において、車両用フレーム４を、２つのフレーム部材４Ａ、４Ｂによって形成することに必ずしも限定されない。
【００８６】
本実施形態においても、各凸部４ｊ、４ｊ、…は、図１４に示すように、その１つの凸部４ｊ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いる。このため、凸部４ｊにおいて十字型の辺部を形成する稜線４ｋは、略階段状に形成され、これにより、長手方向及び直交断面方向には、直線状に連続した基部４ｉが形成されないような構成となっている。
【００８７】
（その他の実施形態）
なお、上述した各実施形態では、第３、第４面部に同じ形状をなす凸部を複数配列することとしているが、異なる形状の凸部を配列するようにてもよい。
【００８８】
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、壁面部は、第３面部１ｃ、２ｃ、３ｃ、４ｃ、第４面部１ｄ、２ｄ、３ｄ、４ｄ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】
【００８９】
１、２、３、４…車両用フレーム
１ａ、２ａ、３ａ、４ａ…第１面部
１ｂ、２ｂ、３ｂ、４ｂ…第２面部
１ｃ、２ｃ、３ｃ、４ｃ…第３面部
１ｄ、２ｄ、３ｄ、４ｄ…第４面部
１ｅ、１ｆ、２ｅ、２ｆ、３ｅ、３ｆ、４ｅ、４ｆ、…コーナー部
１ｉ、１ｉ′、２ｉ、３ｉ、４ｉ…基部
１ｊ、２ｊ、３ｊ、４ｊ…凸部
１ｋ、２ｋ、４ｋ…稜線
【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、
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、
前記第１、第２面部の間に配設された壁面部とを有し、
該壁面部には、基部と、該基部から断面外向き、または内向きに突出する複数の凸部とを一体に形成しており、
前記凸部は、フレームの長手方向に複数周期的に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周期的に配列され、
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、
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
車両用フレーム構造。
【請求項２】
前記凸部は、その前記基部側の形状が多角形をなし、
該多角形の辺部を形成する稜線が、隣接する他の凸部に対応する稜線と略一致するか、または隣接するように配列される
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、その基部側の形状が円形をなしている
請求項１記載の車両用フレーム構造。
【請求項４】
前記第１面部と前記壁面部との間には、コーナー部が形成されており、
該コーナー部には、前記凸部及び前記基部が長手方向において交互に配置される
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、
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、
前記第１、第２面部の間に配設された壁面部とを有し、
該壁面部には、基部と、該基部から断面外向き、または内向きに突出する複数の凸部とを一体に形成しており、
前記凸部は、フレームの長手方向に複数周期的に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周期的に配列され、
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、
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
車両用フレーム構造。
【請求項２】
前記凸部は、その前記基部側の形状が多角形をなし、
該多角形の辺部を形成する稜線が、隣接する他の凸部に対応する稜線と略一致するか、または隣接するように配列される
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、その基部側の形状が円形をなしている
請求項１記載の車両用フレーム構造。
【請求項４】
前記第１面部と前記壁面部との間には、コーナー部が形成されており、
該コーナー部には、前記凸部及び前記基部が長手方向において交互に配置される
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図６】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図６】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１６４０９（Ｐ２０１１−１６４０９Ａ）
【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２００９−１６１３６４（Ｐ２００９−１６１３６４）
【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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