車両用フレーム構造
【課題】重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を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。
【解決手段】フレーム１は、外部から荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部１１と、引張方向の力が作用する第２面部２１と、該フレーム１の第１面部１１と第２面部２１との間に位置し、該第１面部１１と第２面部２１との間でそれぞれ角部１ａ、１ｂを形成する両側の第３面部１２、２２とを有し、第１面部１１と第３面部１２、２２との間に形成される角部１ａが曲線部１ｃで形成されるとともに第３面部１２、２２における曲線部１ｃに隣接する部分が直線部１２ａで形成され、フレーム１は、両側の第３面部１２、２２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１連結部３０を有している。
【解決手段】フレーム１は、外部から荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部１１と、引張方向の力が作用する第２面部２１と、該フレーム１の第１面部１１と第２面部２１との間に位置し、該第１面部１１と第２面部２１との間でそれぞれ角部１ａ、１ｂを形成する両側の第３面部１２、２２とを有し、第１面部１１と第３面部１２、２２との間に形成される角部１ａが曲線部１ｃで形成されるとともに第３面部１２、２２における曲線部１ｃに隣接する部分が直線部１２ａで形成され、フレーム１は、両側の第３面部１２、２２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１連結部３０を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車等の車両における車体の一部を構成する車両用フレームの構造に関し、より詳しく言えば、閉断面状に形成された車両用フレームの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、自動車等の車両における車体の一部を構成するピラーやサイドシルなどの車両用フレーム（車体フレーム）は一般に、閉断面状に形成されている。また、車体フレームとしては、断面ハット状に形成した２枚の板状部材のフランジ部を互いに重ね合わせて閉断面状に形成した車体フレームの内部に、両側のフランジ接合部同士をつなぐように補強部材を追加して補強するようにしたものが一般に知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−９５１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、閉断面状に形成された車体フレームの内部に両側のフランジ部同士をつなぐように補強部材を追加して補強する場合、補強部材によって重量の増加を招くこととなるので、ピラーやサイドシルなどの車体フレームにおいては、如何に重量の増加を抑制しつつ補強するかが重要な課題となっている。
【０００５】
一方、ピラーやサイドシルなどの車体フレームにおいては、例えば側突時などに乗員の安全性を確保するため、車体フレームに外部から荷重が作用した場合においても、車体フレームが車内側へ変形しないように、車体フレームの曲げ強度を高めることが求められている。
【０００６】
閉断面状に形成された車体フレームに外部から荷重が作用して曲げ変形する場合には、荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部が荷重の入力方向に沿って車体フレームの内方側へ変形し、この変形に伴って該第１面部に隣接する面部が車体フレームの外方側に膨らんで面外変形が生じることが知られている。
【０００７】
従って、外部から荷重が作用することがある車体フレームにおいては、車体フレームの内方側への第１面部の曲げ変形に伴って変形する該第１面部に隣接する面部の外方側への変形を抑制することができれば、車体フレーム全体の曲げ変形を有効に抑制することができ、車体フレーム全体の曲げ強度を高めることができると考えられる。
【０００８】
前記特許文献１に記載されるように、車体フレームの内部に両側のフランジ部同士をつなぐように補強部材を追加することで、外部から荷重が作用した時に車体フレームの内方側への第１面部の曲げ変形に伴って変形する該第１面部に隣接する面部の外方側への変形を抑制することができるものの、比較的大きな重量を占める車体フレームにおいてはより一層の軽量化が求められており、重量効率の高い車体フレームが望まれている。
【０００９】
そこで、本発明は、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を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】
【００１０】
このため、本願の請求項１に係る発明は、車体の一部を構成し、閉断面状に形成されたフレームを有する車両用フレーム構造であって、前記フレームは、外部から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、該第１面部に対向し、引張方向の力が作用する第２面部と、該フレームの第１面部と第２面部との間に位置し、該第１面部と第２面部との間でそれぞれ角部を形成する両側の第３面部とを有し、前記第１面部と前記両側の第３面部との間に形成される両側の前記角部がそれぞれ前記フレームの断面において曲線状に延在する曲線部で形成されるとともに前記第３面部における前記曲線部に隣接する部分が前記フレームの断面において直線状に延在する直線部で形成され、前記フレームは、両側の前記第３面部における前記曲線部と前記直線部との境界部どうしを連結する第１連結部を有している、ことを特徴としたものである。
【００１１】
また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記第１面部は、両側の前記曲線部の間の部分が直線状に延在する直線部で形成され、前記第１連結部は、前記第１面部の直線部と略平行に設けられている、ことを特徴としたものである。
【００１２】
更に、本願の請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る発明において、前記フレームは、前記第１面部と前記第１連結部とを連結する第２連結部を有し、前記第２連結部は、前記フレームの長手方向と直交する方向において前記第１面部に対して略垂直方向に延びている、ことを特徴としたものである。
【００１３】
また更に、本願の請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明において、前記フレームは、前記第１面部における両側の第３面部側及び両側の第３面部の間の中央側をそれぞれ前記第１連結部と連結するように設けられた前記第２連結部を有している、ことを特徴としたものである。
【００１４】
また更に、本願の請求項５に係る発明は、請求項３に係る発明において、前記フレームは、前記第１面部における両側の第３面部側をそれぞれ前記第１連結部と連結するように設けられた前記第２連結部を有している、ことを特徴としたものである。
【００１５】
また更に、本願の請求項６に係る発明は、請求項３に係る発明において、前記第２連結部は、前記第１面部における両側の第３面部の間の中央側を前記第１連結部と連結するように設けられた前記第２連結部を有している、ことを特徴としたものである。
【００１６】
また更に、本願の請求項７に係る発明は、請求項１から請求項６の何れか１項に係る発明において、前記フレームは、車体側面部に設けられた前後のドア開口部の間に位置して車体上下方向に延びるセンタピラーである、ことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本願の請求項１に係る車両用フレーム構造によれば、閉断面状に形成されたフレームは、外部から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、フレームの第１面部と第２面部との間に位置する両側の第３面部とを有し、第１面部と両側の第３面部との間に形成される両側の角部がそれぞれ曲線部で形成されるとともに第３面部における曲線部に隣接する部分が直線部で形成され、フレームは、両側の第３面部における曲線部と直線部との境界部どうしを連結する第１連結部を有している。
【００１８】
これにより、外部から荷重が作用した時に、フレームの内方側への第１面部の変形に伴って第１面部の両側の第３面部が外方側に膨らんで変形することを、両側の第３面部における曲線部と直線部との境界部どうしを連結する第１連結部によって有効に抑制することができるので、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を向上させることができる。また、フレームの内方側への第１面部の変形に伴って、第１連結部がフレームの内方側へ変形される際には、第１連結部が両側の第３面部をフレームの内方側へ引っ張るように作用するので、両側の第３面部が外方側に膨らんで変形することを抑制することができ、前記効果を有効に得ることができる。また、軽量化を図ることができるので、燃費を改善することができ、省エネルギー効果を高めることができる。
【００１９】
また、本願の請求項２に係る発明によれば、第１面部は、両側の曲線部の間の部分が直線部で形成され、第１連結部は、第１面部の直線部と略平行に設けられていることにより、外部から荷重が作用した時に第１連結部の両側に作用する荷重を略等しくすることができるので、両側の第３面部の外方側への変形をより有効に抑制することができる。
【００２０】
更に、本願の請求項３に係る発明によれば、フレームは、第１面部と第１連結部とを連結する第２連結部を有し、第２連結部は、前記フレームの長手方向と直交する方向において第１面部に対して略垂直方向に延びていることにより、フレームの内方側への第１面部の変形に伴って、第２連結部を介して第１連結部をフレームの内方側へ変形させることができるので、第１連結部が両側の第３面部をフレームの内方側へ引っ張るように作用することができ、前記効果をより有効に奏することができる。
【００２１】
また更に、本願の請求項４に係る発明によれば、フレームは、第１面部における両側の第３面部側及び両側の第３面部の間の中央側をそれぞれ第１連結部と連結するように設けられた第２連結部を有していることにより、前記効果をより具体的に実現することができる。
【００２２】
また更に、本願の請求項５に係る発明によれば、フレームは、第１面部における両側の第３面部側をそれぞれ第１連結部と連結するように設けられた第２連結部を有していることにより、前記効果をより具体的に実現することができる。
【００２３】
また更に、本願の請求項６に係る発明によれば、フレームは、第１面部における両側の第３面部の間の中央側を第１連結部と連結するように設けられた第２連結部を有していることにより、前記効果をより具体的に実現することができる。
【００２４】
また更に、本願の請求項７に係る発明によれば、フレームは、車体側面部に設けられた前後のドア開口部の間に位置して車体上下方向に延びるセンタピラーであることにより、重量の増加を抑制しつつセンタピラーの曲げ強度を向上させることができ、例えば側突時などにセンタピラーに外部から荷重が作用した時にセンタピラーが曲げ変形されることを有効に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームを示す斜視図である。
【図２】図１におけるＹ２−Ｙ２線に沿った車体フレームの断面図である。
【図３】前記車体フレームについて圧子の下降ストロークと曲げ荷重との関係を示すグラフである。
【図４】前記車体フレームの曲げ変形挙動をシミュレーション解析した結果を示す断面図である。
【図５】上角部の曲率半径が１５ｍｍである車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示す図である。
【図６】上角部の曲率半径が１５ｍｍである車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示すグラフである。
【図７】上角部の曲率半径が５ｍｍ及び２５ｍｍである車体フレームの断面を示す断面図である。
【図８】上角部の曲率半径が５ｍｍ及び２５ｍｍである車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示すグラフである。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームの変形例を示す断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームを示す断面図である。
【図１１】上角部の曲率半径が１５ｍｍである前記車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示す図である。
【図１２】閉断面状に形成された車体フレームを示す斜視図である。
【図１３】車体フレームの曲げ変形挙動を解析するためのシミュレーションについて説明するための説明図である。
【図１４】図１２に示す車体フレームの曲げ変形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る。
【図１５】図１４における車体フレームの屈曲部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「右」、「左」及びそれらの用語を含む別の用語など特定の方向を意味する用語を使用するが、それらの使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。
【００２７】
本願発明者等は、閉断面状に形成されたフレームを有する車両用フレーム構造において、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を向上させることができる車両用フレーム構造の開発にあたり、先ず、閉断面状に形成された車体フレームに外部から曲げ荷重を入力して車体フレームが曲げ変形する際の変形挙動について、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｎｅｒｉｎｇ）によるシミュレーション解析を行った。
【００２８】
図１２は、閉断面状に形成された車体フレームを示す斜視図である。図１２に示すように、底面部１１１、１２１、側面部１１２、１２２及びフランジ部１１３、１２３を備え断面ハット状に形成した２枚の金属製の板状部材１１０、１２０のフランジ部１１３、１２３を互いに重ね合わせることにより、第１の板状部材１１０と第２の板状部材１２０とによって閉断面状に形成された車体フレーム１０１を解析モデルとして用い、シミュレーション解析を行った。
【００２９】
図１３は、車体フレームの曲げ変形挙動を解析するためのシミュレーションについて説明するための説明図であり、図１４は、図１２に示す車体フレームの曲げ変形挙動をシミュレーション解析した結果を示す斜視図、図１５は、図１４における車体フレームの屈曲部を示す断面図である。なお、図１４では、荷重を付加する圧子を省略して示すとともにフレーム各部の変形量の大小を色の濃淡で表し、変形量が大きいほど濃い色で表している。また、図１４及び図１５では、フレームの曲げ変形の進行状態を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に表している。
【００３０】
図１３（ａ）に示すように、第１の板状部材１１０の底面部１１１が上側になるように配置した状態で、所定長さＸ１を有する車体フレーム１０１を、この長さＸ１より短い所定距離Ｘ２だけ離間させた２つの固定点１３１で支持させ、２つの固定点１３１の中間位置に対応する車体フレーム１０１の上面部である第１の板状部材１１０の底面部１１１の長手方向における中央部Ｐ１に上方から圧子１３２を一定速度で下降させ、圧子１３２を介して、側突時などに外部から入力される荷重を模擬した荷重Ｆを車体フレーム１０１に作用させ、車体フレーム１０１の曲げ変形挙動を調べた。
【００３１】
車体フレーム１０１に外部から曲げ荷重Ｆが作用する場合、図１３（ｂ）に示すように、車体フレーム１０１は下側に凸状に湾曲して変形し、上面部１１１では長手方向両端から圧縮方向の力が作用して圧縮応力が生じ、車体フレーム１０１の下面部である第２の板状部材１２０の底面部１２１では長手方向両端から引張方向の力が作用して引張応力が生じることとなる。また、車体フレーム１０１の両側の側面部である第１の板状部材１１０の側面部１１２及び第２の板状部材１２０の側面部１２２には、中立軸１０５より上面部１１１側では圧縮応力が生じ、中立軸１０５より下面部１２１側では引張応力が生じることとなる。
【００３２】
図１４及び図１５の（ａ）に示すように、圧子１３２が車体フレーム１０１の上方から下降して車体フレーム１０１に接触すると、車体フレーム１０１の上面部１１１及び下面部１２１において応力が生じ始める。そして、図１４及び図１５の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、圧子１３２の下降ストロークが大きくなるにつれて、車体フレーム１０１が下側に凸状に湾曲して変形され、車体フレーム１０１は、上面部１１１で圧縮方向の力が作用し、下面部１２１で引張方向の力が作用し、荷重Ｆが付加される中央部Ｐ１から曲げ変形される。
【００３３】
また、図１５（ｂ）において矢印ｄ１で示すように、車体フレーム１０１の上面部１１１が車体フレーム１０１の内方側へ変形され、この変形に伴って、図１５（ｂ）において矢印ｄ２で示すように、上面部１１１に隣接する側面部１１２、１２２が車体フレーム１０１の長手方向と直交する方向である直交断面方向において外方側に膨らんで面外変形を生じる。
【００３４】
具体的には、図１５において右側に位置する車体フレーム１０１の側面部１１２、１２２が右側に膨らむとともに図１５において左側に位置する車体フレーム１０１の側面部１１２、１２２が左側に膨らんで変形し、図１４における変形箇所αで示すように、車体フレーム１０１の上面部１１１と側面部１１２、１２２、具体的には第１の板状部材１１０の側面部１１２との間に形成される角部１０１ａに変形量の大きい部分が生じて車体フレーム１０１が曲げ変形される。
【００３５】
このシミュレーション解析結果から、閉断面状に形成された車体フレーム１０１に外部から荷重Ｆが作用して曲げ変形する場合には、荷重Ｆが作用した時に圧縮方向の力が作用する上面部１１１が荷重Ｆの入力方向に沿って車体フレーム１０１の内方側へ変形し、この変形に伴って上面部１１１に隣接する側面部１１２、１２２が車体フレーム１０１の外方側に膨らんで面外変形が生じ、車体フレーム１０１が曲げ変形されることが分かる。
【００３６】
従って、車体フレーム１０１に外部から荷重が作用した時に、圧縮方向の力が作用する上面部１１１と引張方向の力が作用する下面部１２１との間に位置して上面部１１１との間で角部１０１ａを形成する両側の側面部１１２、１２２の外方側への変形を効果的に抑制することができれば、車体フレーム１０１の曲げ強度を効果的に高めることができると考えられる。
【００３７】
以下、本発明の実施形態に係る車両用フレーム構造について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームを示す斜視図であり、図２は、図１におけるＹ２−Ｙ２線に沿った車体フレームの断面図である。
【００３８】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレーム１は、例えば車体側面部に設けられた前後のドア開口部の間に位置して車体上下方向に延びるセンタピラーや車体下部において車体前後方向に延びるように配設されたサイドシルなどに適用することができるものであり、鋼板などの金属製の板状素材を断面ハット状にプレス加工して得られる第１の板状部材１０と第２の板状部材２０とを備えている。
【００３９】
これら第１及び第２の板状部材１０、２０はそれぞれ、略平面状に形成される底面部１１、２１と、底面部１１、２１の両側において底面部１１、２１から所定角度を有するように延び、略平面状に形成される側面部１２、２２と、側面部１２、２２から底面部１１、２２と平行に外側に延びるフランジ部１３、２３とを備え、断面ハット状に形成されている。
【００４０】
そして、第１の板状部材１０と第２の板状部材２０とが、第１の板状部材１０のフランジ部１３と第２の板状部材２０のフランジ部２３とを重ね合わせて溶接等によって接合されることにより、第１の板状部材１０の底面部１１と第２の板状部材２０の底面部２１が対向するとともに第１の板状部材１０の底面部１１と第２の板状部材２０の底面部２１との間に位置する第１の板状部材１０の両側の側面部１２及び第２の板状部材２０の両側の側面部２２がそれぞれ対向し、車体フレーム１は、閉断面状に形成されている。
【００４１】
図２に示すように、車体フレーム１では、第１の板状部材１０の底面部１１と両側の側面部１２との間にそれぞれ角部１ａが形成され、この角部１ａは、車体フレーム１の長手方向と直交する方向である直交断面方向において曲線状に延在し、所定の曲率半径を有する曲線部１ｃで形成されている。また、第２の板状部材２０の底面部２１と両側の側面部２２との間にそれぞれ形成される角部１ｂについても、前記直交断面方向において曲線状に延在し、所定の曲率半径を有する曲線部で形成されている。
【００４２】
車体フレーム１ではまた、第１の板状部材１０の両側の側面部１２においてそれぞれ曲線部１ｃに隣接する部分が前記直交断面方向において直線状に延在する直線部１２ａで形成されるとともに、第１の板状部材１０の底面部１１において両側の曲線部１ｃの間の部分が前記直交断面方向において直線状に延在する直線部１１ａで形成されている。
【００４３】
本実施形態ではまた、第１の板状部材１０の底面部１１と第２の板状部材２０の底面部２１との間において第１の板状部材１０の両側の側面部１２を連結する略平板状の第１の補強部材３０が取り付けられている。この第１の補強部材３０は、鋼板などの金属製の板状素材から形成され、車体フレーム１の長手方向に沿って延びるとともに、第１の板状部材１０の両側の側面部１２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結するように両側の側面部１２に溶接等によって接合されている。
【００４４】
車体フレーム１では、第１の板状部材１０の底面部１１と両側の側面部１２との間の両側の角部１ａがそれぞれ所定の曲率半径を有する曲線部１ｃで形成されるとともに曲線部１ｃの曲率半径が等しくなるように形成され、第１の補強部材３０は、第１の板状部材１０の底面部１１の直線部１１ａと略平行に設けられている。
【００４５】
このようにして構成される車体フレーム１では、外部から曲げ荷重が入力されることが想定される方向に第１の板状部材１０の底面部１１が対向するように配置される。これにより、外部から曲げ荷重が作用する時に、第１の板状部材１０の底面部１１に圧縮方向の力が作用し、第２の板状部材２０の底面部２１に引張方向の力が作用することとなる。
【００４６】
このように、本発明の第１の実施形態に係る車体フレーム１は、外部から荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部１１と、第１面部１１に対向し、引張方向の力が作用する第２面部２１と、車体フレーム１の第１面部１１と第２面部２１との間に位置する両側の第３面部１２、２２とを有し、第１面部１１と両側の第３面部１２、２２との間に形成される両側の角部１ａが曲線部１ｃで形成されるとともに第３面部１２、２２の曲線部１ｃに隣接する部分が直線部１２ａで形成され、車体フレーム１は、両側の第３面部１２、２２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１連結部３０を有している。
【００４７】
本実施形態ではまた、本発明の第１の実施形態に係る車体フレーム１について、図１２に示す車体フレーム１０１と同様に、圧子を介して外部から荷重を作用したときの曲げ荷重をシミュレーション解析により評価した。なお、車体フレーム１は、第１の補強部材３０を追加すること以外は図１２に示した車体フレーム１０１と同様のものを用いて評価した。
【００４８】
具体的には、車体フレーム１について、第１の板状部材１０を板厚が１．８ｍｍである９８０ＭＰａ級高張力鋼板とし、第２の板状部材２０を板厚が１．０ｍｍである５９０ＭＰａ級高張力鋼板とし、第１の補強部材３０を板厚が１．０ｍｍである９８０ＭＰａ級高張力鋼板とし、第１の板状部材１０の底面部１１と第２の板状部材２０の底面部２１の距離Ｈ１を８８ｍｍとし、第１の板状部材１０の底面部１１の前記直交断面方向における長さＷ１を９２．５ｍｍとし、第１の板状部材１０の底面部１１と両側の側面部１２とのなす角度θをそれぞれ１０６．５度とし、曲線部１ｃの曲率半径ｒをそれぞれ１５ｍｍとし、第１の板状部材１０の底面部１１とフランジ部１３の距離Ｈ２を６７ｍｍとし、第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０の離間距離Ｈ３を１０ｍｍとしたものについて評価を行った。なお、第１の板状部材１０の底面部１１において直線部１１ａの前記直交断面方向における長さは７０ｍｍである。
【００４９】
図３は、前記車体フレームについて圧子の下降ストロークと曲げ荷重との関係を示すグラフであり、図３では、圧子が車体フレームに接触した位置からの下降ストロークを横軸にとり、荷重Ｆに対する反力である曲げ荷重を横軸にとって表示し、図１に示す車体フレーム１の解析結果を実線で表し、図１２に示す車体フレーム１０１の解析結果を破線で表している。また、図４は、前記車体フレームの曲げ変形挙動をシミュレーション解析した結果を示す断面図であり、屈曲部の断面において、図１に示す車体フレーム１の曲げ変形の進行状態を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に表している。
【００５０】
図３において破線で示すように、図１２に示す車体フレーム１０１では、外部から荷重が作用したときの曲げ荷重の最大値が約２２．５ｋＮであるのに対し、図３において実線で示すように、両側の第１の板状部材１０の側面部１２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１の補強部材３０が設けられた車体フレーム１では、曲げ荷重の最大値が約４０ｋＮであり、第１の補強部材３０を追加した車体フレーム１では、第１の補強部材３０が設けられていない車体フレーム１０１に比して最大曲げ強度を向上させることができる。
【００５１】
図４（ａ）に示すように、車体フレーム１についても、圧子１３２が車体フレーム１の上方から下降して車体フレーム１に接触すると、第１の板状部材１０の底面部（第１面部）１１及び第２の板状部材２０の底面部（第２面部）２１において応力が生じ始め、圧子１３２の下降ストロークが大きくなるにつれて、車体フレーム１が下側に凸状に湾曲して変形され、車体フレーム１は、第１面部１１で圧縮方向の力が作用し、第２面部１２で引張方向の力が作用する。
【００５２】
また、車体フレーム１についても、図４の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、圧子１３２の下降ストロークが大きくなるにつれて、第１面部１１が車体フレーム１の内方側へ変形されているが、第１面部１１に隣接する第１の板状部材１０の側面部（第３面部）１２及び第２の板状部材２０の側面部（第３面部）２２が車体フレーム１の長手方向と直交する方向である直交断面方向において外方側に膨らんで面外変形を生じることが抑制されている。
【００５３】
このように、車体フレーム１では、外部から荷重が作用した時に、車体フレーム１の内方側への第１面部１１の変形に伴って第１面部１１の両側の第３面部１２、２２が外方側に膨らんで変形することを、両側の第３面部１１、１２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１連結部３０によって有効に抑制することができるので、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を向上させることができる。また、車体フレーム１の内方側への第１面部１１の変形に伴って、第１連結部３０が車体フレーム１の内方側へ変形される際には、第１連結部３０が両側の第３面部１１、１２を車体フレーム１の内方側へ引っ張るように作用するので、両側の第３面部１１、１２が外方側に膨らんで変形することを抑制することができ、前記効果を有効に得ることができる。
【００５４】
本実施形態ではまた、車体フレーム１の内部に補強部材３０を追加する場合について補強部材３０の位置と曲げ強度の重量効率、具体的には、図１２に示す車体フレーム１０１（比較例）についての単位重量当りの最大曲げ荷重に対する各車体フレームの単位重量当りの最大曲げ荷重の割合との関係について調べた。
【００５５】
図５は、上角部の曲率半径が１５ｍｍである車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示す図であり、角部１ａの曲線部１ｃの曲率半径が１５ｍｍである車体フレームについて解析した結果を示している。図５に示すように、車体フレーム１の内部に取り付けられる第１の補強部材３０を、第１の板状部材１０の底面部１１からそれぞれ所定距離離間させたものについて最大曲げ荷重を解析し、比較例に対する単位重量当りの最大曲げ荷重の割合を評価した。
【００５６】
具体的には、第１の補強部材３０の位置としての第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０の離間距離Ｈ３を０ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１７ｍｍ、３７ｍｍ、６７ｍｍとしたものをそれぞれサンプル１Ａ、サンプル１Ｂ、サンプル１Ｃ、サンプル１Ｄ、サンプル１Ｅ、サンプル１Ｆとして評価した。なお、サンプル１Ｃは、第１の補強部材３０が曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２どうしを連結するように設けられた図１に示す車体フレーム１であり、比較例は、図１２に示す車体フレーム１０１である。
【００５７】
また、図６は、上角部の曲率半径が１５ｍｍである車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示すグラフであり、図６では、第１の補強部材３０の位置として第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０の離間距離Ｈ３を横軸にとり、比較例に対する単位重量当りの最大曲げ荷重の割合を縦軸にとって、図５に示すサンプル１Ａ、サンプル１Ｂ、サンプル１Ｃ、サンプル１Ｄ、サンプル１Ｅ、サンプル１Ｆについてプロットしたものである。
【００５８】
図５及び図６に示すように、車体フレームの曲げ強度の重量効率は、第１の補強部材３０の位置が０ｍｍから第１の補強部材３０が曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する位置である１０ｍｍまで大きくなるにつれて高くなり、第１の補強部材３０が曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する位置である１０ｍｍからさらに大きくなるにつれて低下することが分かる。
【００５９】
このように、車体フレーム１の内部に第１の補強部材３０を追加した車体フレーム１においては、補強部材３０を曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する位置に設ける場合に、曲げ強度向上に対する重量効率が最も大きく、また、補強部材３０を曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂ及びその近傍部どうしを連結する位置、具体的には補強部材３０の位置が約４ｍｍから約２５ｍｍであるときに、曲げ強度の重量効率が比較例の場合に比べて大きくなることが分かる。
【００６０】
本実施形態ではまた、角部１ａの曲線部１ｃの曲率半径が５ｍｍ及び２５ｍｍである車体フレームについても解析を行った。図７は、上角部の曲率半径が５ｍｍ及び２５ｍｍである車体フレームの断面を示す断面図である。図７（ａ）に示すように、図１に示す車体フレーム１と曲線部４１ｃの曲率半径が５ｍｍであること以外は同様に構成された車体フレーム４１と、図７（ｂ）に示すように、図１に示す車体フレーム１と曲線部５１ｃの曲率半径が２５ｍｍであること以外は同様に構成された車体フレーム５１についても同様に、車体フレーム４１、５１の内部に取り付けられる第１の補強部材３０を、第１の板状部材１０の底面部１１からそれぞれ所定距離離間させたものについて最大曲げ荷重を解析し、比較例に対する単位重量当りの最大曲げ荷重の割合を評価した。なお、図７では、図１に示す車体フレーム１と同様の構成については同一符号を付して示している。
【００６１】
図７（ａ）及び図７（ｂ）ではそれぞれ、第１の補強部材３０が曲線部４１ｃ、５１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結するように設けられた車体フレーム４１、５１について示しているが、車体フレーム４１については、図７（ａ）に示す第１の補強部材３０の位置が４．５ｍｍである場合に加えて、第１の補強部材３０の位置を０ｍｍ、１９ｍｍ、３９ｍｍとしたものについて評価し、車体フレーム５１については、図７（ｂ）に示す第１の補強部材３０の位置が１８ｍｍである場合に加えて、第１の補強部材３０の位置を０ｍｍ、４．７ｍｍ、３９ｍｍとしたものについて評価した。
【００６２】
図８は、上角部の曲率半径が５ｍｍ及び２５ｍｍである車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示すグラフであり、図８では、第１の補強部材３０の位置、すなわち第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０の離間距離Ｈ３を横軸にとり、比較例に対する単位重量当りの最大曲げ荷重の割合を縦軸にとって表示し、角部１ａの曲線部４１ｃの曲率半径が５ｍｍである車体フレーム４１の解析結果を実線で示し、角部１ａの曲線部５１ｃの曲率半径が２５ｍｍである車体フレーム５１の解析結果を一点鎖線で示している。
【００６３】
図８に示すように、角部１ａの曲線部４１ｃの曲率半径が５ｍｍである車体フレーム４１についても、車体フレーム４１の曲げ強度の重量効率は、第１の補強部材３０の位置が０ｍｍから曲線部４１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する位置である４．５ｍｍまで大きくなるにつれて高くなり、第１の補強部材３０の位置が４．５ｍｍからさらに大きくなるにつれて低下し、第１の補強部材３０を曲線部４１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する位置に設ける場合に曲げ強度向上に対する重量効率が最も大きく、第１の補強部材３０の位置が０ｍｍから約３４ｍｍであるときに、曲げ強度の重量効率が比較例の場合に比べて大きくなることが分かる。
【００６４】
角部１ａの曲線部５１ｃの曲率半径が２５ｍｍである車体フレーム５１についてもまた、車体フレーム５１の曲げ強度の重量効率は、第１の補強部材３０の位置が０ｍｍから曲線部５１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する位置である１８ｍｍまで大きくなるにつれて高くなり、第１の補強部材３０の位置が１８ｍｍからさらに大きくなるにつれて低下し、第１の補強部材３０を曲線部５１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する位置に設ける場合に曲げ強度向上に対する重量効率が最も大きく、第１の補強部材３０の位置が約３ｍｍから約３７ｍｍであるときに、曲げ強度の重量効率が比較例の場合に比べて大きくなることが分かる。
【００６５】
このように、外部から荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部１１と、引張方向の力が作用する第２面部２１と、第１面部１１と第２面部２１との間に位置する両側の第３面部１２、２２とを有し、第１面部１１と両側の第３面部１２、２２との間に形成される両側の角部１ａが曲線部１ｃで形成されるとともに第３面部１２、２２の曲線部１ｃに隣接する部分が直線部１２ａで形成される車体フレームにおいて、両側の第３面部１２、２２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１連結部３０を設けることにより、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を向上させることができる。また、第１連結部３０を、両側の第３面部１２、２２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂの近傍部どうしを連結するように設ける場合においても、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を向上させることができる。また、軽量化を図ることができるので、燃費を改善することができ、省エネルギー効果を高めることができる。
【００６６】
また、第１面部１１は、両側の曲線部１ｃの間の部分が直線部１１ａで形成され、第１連結部３０は、第１面部１１の直線部１１ａと略平行に設けられていることにより、外部から荷重が作用した時に第１連結部３０の両側に作用する荷重を略等しくすることができるので、両側の第３面部１２、２２の外方側への変形をより有効に抑制することができる。
【００６７】
前述した実施形態では、車体フレーム１において、第１の補強部材３０が第１の板状部材１０の底面部１１と略平行に設けられ、第１連結部３０が第１面部１１の直線部１１ａと略平行に設けられているが、第１連結部３０において両側の第３面部１２、２２の間の中央側を両側の第３面部１２、２２側に比して第１面部１１側又は第２面部２１側に折曲させるようにしてもよい。
【００６８】
図９は、本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームの変形例を示す断面図である。図９（ａ）に示すように、車体フレーム６１の内部に取り付けられる第１の補強部材６０を、第１の板状部材１０の両側の側面部１２の間の中央側を両側の側面部１２側に比して第１の板状部材１０の底面部１１側に突出するように折曲させるようにしてもよく、また、図９（ｂ）に示すように、車体フレーム７１の内部に取り付けられる第１の補強部材７０を、第１の板状部材１０の両側の側面部１２の間の中央側を両側の側面部１２側に比して第２の板状部材２０の底面部２１側に突出するように折曲させるようにしてもよい。なお、図９では、図１に示す車体フレーム１と同様の構成については同一符号を付して示している。
【００６９】
角部１ａの曲線部１ｃの曲率半径が１５ｍｍであるとともに第１の補強部材６０、７０を曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結するように設けた車体フレーム６１、７１において、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、第１の補強部材６０又は７０について第１の板状部材１０の両側の側面部１２の間の中央側を両側の側面部１２側に比して第１の板状部材１０の底面部１１又は第２の板状部材２０の底面部２１側に突出するように折曲させた場合についても曲げ強度の重量効率を解析すると、曲げ強度の重量効率は、図９（ａ）に示すように、第１の補強部材６０の中央部を第１の板状部材１０の底面部１１側に５．０ｍｍ突出するように折曲させた場合は１．１７であり、図９（ｂ）に示すように、第１の補強部材７０の中央部を第２の板状部材２０の底面部２１側に５．０ｍｍ突出するように折曲させた場合は１．２３であり、この場合においても、曲げ強度の重量効率を比較例の場合に比べて向上させることができる。
【００７０】
なお、前述した実施形態では、車体フレーム１の第１の板状部材１０の底面部１１と第１の板状部材１０の両側の側面部１２との間に形成される角部１ａが所定の曲率半径ｒを有する曲線部１ｃで形成されているが、これに限定されるものでなく、所望形状に応じて、車体フレーム１の外方側に凸状に湾曲するその他の曲線状に延在する曲線部で形成するようにしてもよい。
【００７１】
次に、本発明の第２の実施形態に係る車両用フレーム構造について説明する。
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームを示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレーム８１は、本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレーム１において第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０とを連結する第２の補強部材９０が追加されていること以外は同様であるので、車体フレーム１と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。
【００７２】
図１０に示すように、本発明の第２の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレーム８１においても、車体フレーム１と同様に、両側の第１の板状部材１０の側面部１２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１の補強部材３０が設けられているが、車体フレーム８１ではさらに、第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０とを連結する第２の補強部材９０が設けられている。
【００７３】
第２の補強部材９０は、鋼板などの金属製の板状素材から形成され、車体フレーム１の長手方向に沿って延びるとともに、車体フレーム８１の長手方向と直交する方向である直交断面方向において第１の板状部材１０の底面部１１に対して略垂直方向に延び、第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０とを連結するように第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０とに溶接等によって接合されている。
【００７４】
図１０に示す車体フレーム８１では、具体的には、第１の板状部材１０の底面部１１における両側の側面部１２の間の中央部１１ｂを第１の補強部材３０と連結する第２の補強部材９１と、第１の板状部材１０の底面部１１における両側の曲線部１ｃと直線部１１ａとの境界部１１ｃをそれぞれ第１の補強部材３０と連結する第２の補強部材９２とが設けられ、第１の板状部材１０の底面部１１における両側の側面部１２側及び両側の側面部１２の間の中央側をそれぞれ第１の補強部材３０と連結するように第２の補強部材９１、９２が設けられている。
【００７５】
このように、本発明の第２の実施形態に係る車体フレーム８１は、外部から荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部１１と引張方向の力が作用する第２面部２１との間に位置する両側の第３面部１２、２２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１連結部３０を有するとともに、車体フレーム８１の長手方向と直交する方向において第１面部１１に対して略垂直方向に延び、第１面部１１と第１連結部３０を連結する第２連結部９０を有している。
【００７６】
これにより、車体フレーム８１についても、外部から荷重が作用した時に、車体フレーム８１の内方側への第１面部１１の変形に伴って第１面部１１の両側の第３面部１２、２２が外方側に膨らんで変形することを、両側の第３面部１１、１２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１連結部３０によって有効に抑制することができるので、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を向上させることができる。
【００７７】
また、車体フレーム８１では、該車体フレーム８１の内方側への第１面部１１の変形に伴って、第２連結部９０を介して第１連結部３０を車体フレーム８１の内方側へ変形させることができるので、第１連結部３０が両側の第３面部１１、１２を車体フレーム８１の内方側へ引っ張るように作用することができ、前記効果をより有効に奏することができる。
【００７８】
本実施形態ではまた、車体フレーム８１の内部に第１の補強部材３０に加えて第２の補強部材９０を追加する場合について、第２の補強部材９０の位置と曲げ強度の重量効率、具体的には、図１２に示す車体フレーム１０１（比較例）についての単位重量当りの最大曲げ荷重に対する各車体フレームの単位重量当りの最大曲げ荷重の割合との関係について調べた。
【００７９】
図１１は、上角部の曲率半径が１５ｍｍである前記車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示す図であり、角部１ａの曲線部１ｃの曲率半径が１５ｍｍであるとともに第１の補強部材３０の位置が曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する１０ｍｍである車体フレーム８１について解析した結果を示している。図１１に示すように第２の補強部材９０を取り付けた車体フレームについてそれぞれ最大曲げ荷重を解析し、比較例に対する単位重量当りの最大曲げ荷重の割合を評価した。
【００８０】
具体的には、第１の板状部材１０の底面部１１における両側の境界部１１ｃ及び中央部１１ｂをそれぞれ第１の補強部材３０と連結するように設けられた第２の補強部材を有する車体フレームをサンプル２Ａ、第１の板状部材１０の底面部１１における中央部１１ｂのみを第１の補強部材３０と連結するように設けられた第２の補強部材を有する車体フレームをサンプル２Ｂ、第１の板状部材１０の底面部１１における両側の境界部１１ｃをそれぞれ第１の補強部材３０と連結するように設けられた第２の補強部材を有する車体フレームをサンプル２Ｃ、及び、第１の板状部材１０の底面部１１における両側の境界部１１ｃ及び中央部１１ｂをそれぞれ第１の補強部材３０と連結するように設けられた第２の補強部材を有するとともに第１の板状部材１０の底面部１１における両側の境界部１１ｃと中央部１１ｂとの間の中央部をそれぞれ第１の補強部材３０と連結するように設けられた第２の補強部材をさらに有する車体フレームをサンプル２Ｄとして評価した。
【００８１】
なお、図１１に示す車体フレームは、第１の補強部材３０及び第２の補強部材９０を追加すること以外は図１２に示した車体フレーム１０１と同様のものを用いて評価し、第２の補強部材９０は、第１の補強部材３０と同様に板厚が１．０ｍｍである９８０ＭＰａ級高張力鋼板としたものについて評価した。
【００８２】
図１１に示すように、第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０とを連結する第２の補強部材９０が取り付けられた車体フレームの曲げ強度の重量効率は、サンプル２Ａ、サンプル２Ｂ、サンプル２Ｃ及びサンプル２Ｄの何れにおいても、比較例の場合に比べて高くなっているとともに、第２の補強部材９０が設けられていない図２に示す車体フレーム１の場合よりも高くなっており、曲げ強度の重量効率をさらに向上させることが分かる。
【００８３】
このように、外部から荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部１１と、引張方向の力が作用する第２面部２１と、第１面部１１と第２面部２１との間に位置する両側の第３面部１２、２２とを有し、第１面部１１と両側の第３面部１２、２２との間に形成される両側の角部１ａが曲線部１ｃで形成されるとともに第３面部１２、２２における曲線部１ｃに隣接する部分が直線部１２ａで形成される車体フレームにおいて、両側の第３面部１２、２２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１連結部３０を設けるとともに、第１面部１１に対して略垂直方向に延び、第１面部１１と第１連結部３０とを連結する第２連結部９０を設けることにより、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度をさらに向上させることができる。
【００８４】
なお、本実施形態では、車体フレームは、断面ハット状に形成した２枚の金属製の板状部材のフランジ部を重ね合わせて閉断面状に形成しているが、断面ハット状に形成した板状部材を略平板状に形成した板状部材に重ね合わせて車体フレームを閉断面状に形成するようにすることも可能である。
【００８５】
また、本実施形態では、鋼板などの金属製の第１の板状部材と第２の板状部材を溶接して車体フレームが閉断面状に形成されるとともに鋼板などの金属製の板状素材からなる補強部材３０、９０が車体フレームに取り付けられて第１連結部及び第２連結部が形成されているが、アルミニウムを用いて車体フレームを成形する場合など、第１連結部及び第２連結部を閉断面状に形成された車体フレームと一体的に押出成形によって成形することも可能である。また、補強部材は、樹脂製とすることも可能である。
【００８６】
以上のように、本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を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ができ、例えばピラーやサイドシルなどの車体の一部を構成する車体フレームに広く利用される可能性がある。
【符号の説明】
【００８８】
１、４１、５１、６１、７１、８１ 車体フレーム
１ａ、１ｂ 角部
１０ 第１の板状部材
１１ 第１の板状部材の底面部（第１面部）
１２ 第１の板状部材の側面部（第３面部）
２０ 第２の板状部材
２１ 第２の板状部材の底面部（第２面部）
２２ 第２の板状部材の側面部（第３面部）
３０、６０、７０ 第１の補強部材
９０、９１、９２ 第２の補強部材
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車等の車両における車体の一部を構成する車両用フレームの構造に関し、より詳しく言えば、閉断面状に形成された車両用フレームの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、自動車等の車両における車体の一部を構成するピラーやサイドシルなどの車両用フレーム（車体フレーム）は一般に、閉断面状に形成されている。また、車体フレームとしては、断面ハット状に形成した２枚の板状部材のフランジ部を互いに重ね合わせて閉断面状に形成した車体フレームの内部に、両側のフランジ接合部同士をつなぐように補強部材を追加して補強するようにしたものが一般に知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−９５１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、閉断面状に形成された車体フレームの内部に両側のフランジ部同士をつなぐように補強部材を追加して補強する場合、補強部材によって重量の増加を招くこととなるので、ピラーやサイドシルなどの車体フレームにおいては、如何に重量の増加を抑制しつつ補強するかが重要な課題となっている。
【０００５】
一方、ピラーやサイドシルなどの車体フレームにおいては、例えば側突時などに乗員の安全性を確保するため、車体フレームに外部から荷重が作用した場合においても、車体フレームが車内側へ変形しないように、車体フレームの曲げ強度を高めることが求められている。
【０００６】
閉断面状に形成された車体フレームに外部から荷重が作用して曲げ変形する場合には、荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部が荷重の入力方向に沿って車体フレームの内方側へ変形し、この変形に伴って該第１面部に隣接する面部が車体フレームの外方側に膨らんで面外変形が生じることが知られている。
【０００７】
従って、外部から荷重が作用することがある車体フレームにおいては、車体フレームの内方側への第１面部の曲げ変形に伴って変形する該第１面部に隣接する面部の外方側への変形を抑制することができれば、車体フレーム全体の曲げ変形を有効に抑制することができ、車体フレーム全体の曲げ強度を高めることができると考えられる。
【０００８】
前記特許文献１に記載されるように、車体フレームの内部に両側のフランジ部同士をつなぐように補強部材を追加することで、外部から荷重が作用した時に車体フレームの内方側への第１面部の曲げ変形に伴って変形する該第１面部に隣接する面部の外方側への変形を抑制することができるものの、比較的大きな重量を占める車体フレームにおいてはより一層の軽量化が求められており、重量効率の高い車体フレームが望まれている。
【０００９】
そこで、本発明は、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を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】
【００１０】
このため、本願の請求項１に係る発明は、車体の一部を構成し、閉断面状に形成されたフレームを有する車両用フレーム構造であって、前記フレームは、外部から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、該第１面部に対向し、引張方向の力が作用する第２面部と、該フレームの第１面部と第２面部との間に位置し、該第１面部と第２面部との間でそれぞれ角部を形成する両側の第３面部とを有し、前記第１面部と前記両側の第３面部との間に形成される両側の前記角部がそれぞれ前記フレームの断面において曲線状に延在する曲線部で形成されるとともに前記第３面部における前記曲線部に隣接する部分が前記フレームの断面において直線状に延在する直線部で形成され、前記フレームは、両側の前記第３面部における前記曲線部と前記直線部との境界部どうしを連結する第１連結部を有している、ことを特徴としたものである。
【００１１】
また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記第１面部は、両側の前記曲線部の間の部分が直線状に延在する直線部で形成され、前記第１連結部は、前記第１面部の直線部と略平行に設けられている、ことを特徴としたものである。
【００１２】
更に、本願の請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る発明において、前記フレームは、前記第１面部と前記第１連結部とを連結する第２連結部を有し、前記第２連結部は、前記フレームの長手方向と直交する方向において前記第１面部に対して略垂直方向に延びている、ことを特徴としたものである。
【００１３】
また更に、本願の請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明において、前記フレームは、前記第１面部における両側の第３面部側及び両側の第３面部の間の中央側をそれぞれ前記第１連結部と連結するように設けられた前記第２連結部を有している、ことを特徴としたものである。
【００１４】
また更に、本願の請求項５に係る発明は、請求項３に係る発明において、前記フレームは、前記第１面部における両側の第３面部側をそれぞれ前記第１連結部と連結するように設けられた前記第２連結部を有している、ことを特徴としたものである。
【００１５】
また更に、本願の請求項６に係る発明は、請求項３に係る発明において、前記第２連結部は、前記第１面部における両側の第３面部の間の中央側を前記第１連結部と連結するように設けられた前記第２連結部を有している、ことを特徴としたものである。
【００１６】
また更に、本願の請求項７に係る発明は、請求項１から請求項６の何れか１項に係る発明において、前記フレームは、車体側面部に設けられた前後のドア開口部の間に位置して車体上下方向に延びるセンタピラーである、ことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本願の請求項１に係る車両用フレーム構造によれば、閉断面状に形成されたフレームは、外部から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、フレームの第１面部と第２面部との間に位置する両側の第３面部とを有し、第１面部と両側の第３面部との間に形成される両側の角部がそれぞれ曲線部で形成されるとともに第３面部における曲線部に隣接する部分が直線部で形成され、フレームは、両側の第３面部における曲線部と直線部との境界部どうしを連結する第１連結部を有している。
【００１８】
これにより、外部から荷重が作用した時に、フレームの内方側への第１面部の変形に伴って第１面部の両側の第３面部が外方側に膨らんで変形することを、両側の第３面部における曲線部と直線部との境界部どうしを連結する第１連結部によって有効に抑制することができるので、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を向上させることができる。また、フレームの内方側への第１面部の変形に伴って、第１連結部がフレームの内方側へ変形される際には、第１連結部が両側の第３面部をフレームの内方側へ引っ張るように作用するので、両側の第３面部が外方側に膨らんで変形することを抑制することができ、前記効果を有効に得ることができる。また、軽量化を図ることができるので、燃費を改善することができ、省エネルギー効果を高めることができる。
【００１９】
また、本願の請求項２に係る発明によれば、第１面部は、両側の曲線部の間の部分が直線部で形成され、第１連結部は、第１面部の直線部と略平行に設けられていることにより、外部から荷重が作用した時に第１連結部の両側に作用する荷重を略等しくすることができるので、両側の第３面部の外方側への変形をより有効に抑制することができる。
【００２０】
更に、本願の請求項３に係る発明によれば、フレームは、第１面部と第１連結部とを連結する第２連結部を有し、第２連結部は、前記フレームの長手方向と直交する方向において第１面部に対して略垂直方向に延びていることにより、フレームの内方側への第１面部の変形に伴って、第２連結部を介して第１連結部をフレームの内方側へ変形させることができるので、第１連結部が両側の第３面部をフレームの内方側へ引っ張るように作用することができ、前記効果をより有効に奏することができる。
【００２１】
また更に、本願の請求項４に係る発明によれば、フレームは、第１面部における両側の第３面部側及び両側の第３面部の間の中央側をそれぞれ第１連結部と連結するように設けられた第２連結部を有していることにより、前記効果をより具体的に実現することができる。
【００２２】
また更に、本願の請求項５に係る発明によれば、フレームは、第１面部における両側の第３面部側をそれぞれ第１連結部と連結するように設けられた第２連結部を有していることにより、前記効果をより具体的に実現することができる。
【００２３】
また更に、本願の請求項６に係る発明によれば、フレームは、第１面部における両側の第３面部の間の中央側を第１連結部と連結するように設けられた第２連結部を有していることにより、前記効果をより具体的に実現することができる。
【００２４】
また更に、本願の請求項７に係る発明によれば、フレームは、車体側面部に設けられた前後のドア開口部の間に位置して車体上下方向に延びるセンタピラーであることにより、重量の増加を抑制しつつセンタピラーの曲げ強度を向上させることができ、例えば側突時などにセンタピラーに外部から荷重が作用した時にセンタピラーが曲げ変形されることを有効に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームを示す斜視図である。
【図２】図１におけるＹ２−Ｙ２線に沿った車体フレームの断面図である。
【図３】前記車体フレームについて圧子の下降ストロークと曲げ荷重との関係を示すグラフである。
【図４】前記車体フレームの曲げ変形挙動をシミュレーション解析した結果を示す断面図である。
【図５】上角部の曲率半径が１５ｍｍである車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示す図である。
【図６】上角部の曲率半径が１５ｍｍである車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示すグラフである。
【図７】上角部の曲率半径が５ｍｍ及び２５ｍｍである車体フレームの断面を示す断面図である。
【図８】上角部の曲率半径が５ｍｍ及び２５ｍｍである車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示すグラフである。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームの変形例を示す断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームを示す断面図である。
【図１１】上角部の曲率半径が１５ｍｍである前記車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示す図である。
【図１２】閉断面状に形成された車体フレームを示す斜視図である。
【図１３】車体フレームの曲げ変形挙動を解析するためのシミュレーションについて説明するための説明図である。
【図１４】図１２に示す車体フレームの曲げ変形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る。
【図１５】図１４における車体フレームの屈曲部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「右」、「左」及びそれらの用語を含む別の用語など特定の方向を意味する用語を使用するが、それらの使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。
【００２７】
本願発明者等は、閉断面状に形成されたフレームを有する車両用フレーム構造において、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を向上させることができる車両用フレーム構造の開発にあたり、先ず、閉断面状に形成された車体フレームに外部から曲げ荷重を入力して車体フレームが曲げ変形する際の変形挙動について、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｎｅｒｉｎｇ）によるシミュレーション解析を行った。
【００２８】
図１２は、閉断面状に形成された車体フレームを示す斜視図である。図１２に示すように、底面部１１１、１２１、側面部１１２、１２２及びフランジ部１１３、１２３を備え断面ハット状に形成した２枚の金属製の板状部材１１０、１２０のフランジ部１１３、１２３を互いに重ね合わせることにより、第１の板状部材１１０と第２の板状部材１２０とによって閉断面状に形成された車体フレーム１０１を解析モデルとして用い、シミュレーション解析を行った。
【００２９】
図１３は、車体フレームの曲げ変形挙動を解析するためのシミュレーションについて説明するための説明図であり、図１４は、図１２に示す車体フレームの曲げ変形挙動をシミュレーション解析した結果を示す斜視図、図１５は、図１４における車体フレームの屈曲部を示す断面図である。なお、図１４では、荷重を付加する圧子を省略して示すとともにフレーム各部の変形量の大小を色の濃淡で表し、変形量が大きいほど濃い色で表している。また、図１４及び図１５では、フレームの曲げ変形の進行状態を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に表している。
【００３０】
図１３（ａ）に示すように、第１の板状部材１１０の底面部１１１が上側になるように配置した状態で、所定長さＸ１を有する車体フレーム１０１を、この長さＸ１より短い所定距離Ｘ２だけ離間させた２つの固定点１３１で支持させ、２つの固定点１３１の中間位置に対応する車体フレーム１０１の上面部である第１の板状部材１１０の底面部１１１の長手方向における中央部Ｐ１に上方から圧子１３２を一定速度で下降させ、圧子１３２を介して、側突時などに外部から入力される荷重を模擬した荷重Ｆを車体フレーム１０１に作用させ、車体フレーム１０１の曲げ変形挙動を調べた。
【００３１】
車体フレーム１０１に外部から曲げ荷重Ｆが作用する場合、図１３（ｂ）に示すように、車体フレーム１０１は下側に凸状に湾曲して変形し、上面部１１１では長手方向両端から圧縮方向の力が作用して圧縮応力が生じ、車体フレーム１０１の下面部である第２の板状部材１２０の底面部１２１では長手方向両端から引張方向の力が作用して引張応力が生じることとなる。また、車体フレーム１０１の両側の側面部である第１の板状部材１１０の側面部１１２及び第２の板状部材１２０の側面部１２２には、中立軸１０５より上面部１１１側では圧縮応力が生じ、中立軸１０５より下面部１２１側では引張応力が生じることとなる。
【００３２】
図１４及び図１５の（ａ）に示すように、圧子１３２が車体フレーム１０１の上方から下降して車体フレーム１０１に接触すると、車体フレーム１０１の上面部１１１及び下面部１２１において応力が生じ始める。そして、図１４及び図１５の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、圧子１３２の下降ストロークが大きくなるにつれて、車体フレーム１０１が下側に凸状に湾曲して変形され、車体フレーム１０１は、上面部１１１で圧縮方向の力が作用し、下面部１２１で引張方向の力が作用し、荷重Ｆが付加される中央部Ｐ１から曲げ変形される。
【００３３】
また、図１５（ｂ）において矢印ｄ１で示すように、車体フレーム１０１の上面部１１１が車体フレーム１０１の内方側へ変形され、この変形に伴って、図１５（ｂ）において矢印ｄ２で示すように、上面部１１１に隣接する側面部１１２、１２２が車体フレーム１０１の長手方向と直交する方向である直交断面方向において外方側に膨らんで面外変形を生じる。
【００３４】
具体的には、図１５において右側に位置する車体フレーム１０１の側面部１１２、１２２が右側に膨らむとともに図１５において左側に位置する車体フレーム１０１の側面部１１２、１２２が左側に膨らんで変形し、図１４における変形箇所αで示すように、車体フレーム１０１の上面部１１１と側面部１１２、１２２、具体的には第１の板状部材１１０の側面部１１２との間に形成される角部１０１ａに変形量の大きい部分が生じて車体フレーム１０１が曲げ変形される。
【００３５】
このシミュレーション解析結果から、閉断面状に形成された車体フレーム１０１に外部から荷重Ｆが作用して曲げ変形する場合には、荷重Ｆが作用した時に圧縮方向の力が作用する上面部１１１が荷重Ｆの入力方向に沿って車体フレーム１０１の内方側へ変形し、この変形に伴って上面部１１１に隣接する側面部１１２、１２２が車体フレーム１０１の外方側に膨らんで面外変形が生じ、車体フレーム１０１が曲げ変形されることが分かる。
【００３６】
従って、車体フレーム１０１に外部から荷重が作用した時に、圧縮方向の力が作用する上面部１１１と引張方向の力が作用する下面部１２１との間に位置して上面部１１１との間で角部１０１ａを形成する両側の側面部１１２、１２２の外方側への変形を効果的に抑制することができれば、車体フレーム１０１の曲げ強度を効果的に高めることができると考えられる。
【００３７】
以下、本発明の実施形態に係る車両用フレーム構造について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームを示す斜視図であり、図２は、図１におけるＹ２−Ｙ２線に沿った車体フレームの断面図である。
【００３８】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレーム１は、例えば車体側面部に設けられた前後のドア開口部の間に位置して車体上下方向に延びるセンタピラーや車体下部において車体前後方向に延びるように配設されたサイドシルなどに適用することができるものであり、鋼板などの金属製の板状素材を断面ハット状にプレス加工して得られる第１の板状部材１０と第２の板状部材２０とを備えている。
【００３９】
これら第１及び第２の板状部材１０、２０はそれぞれ、略平面状に形成される底面部１１、２１と、底面部１１、２１の両側において底面部１１、２１から所定角度を有するように延び、略平面状に形成される側面部１２、２２と、側面部１２、２２から底面部１１、２２と平行に外側に延びるフランジ部１３、２３とを備え、断面ハット状に形成されている。
【００４０】
そして、第１の板状部材１０と第２の板状部材２０とが、第１の板状部材１０のフランジ部１３と第２の板状部材２０のフランジ部２３とを重ね合わせて溶接等によって接合されることにより、第１の板状部材１０の底面部１１と第２の板状部材２０の底面部２１が対向するとともに第１の板状部材１０の底面部１１と第２の板状部材２０の底面部２１との間に位置する第１の板状部材１０の両側の側面部１２及び第２の板状部材２０の両側の側面部２２がそれぞれ対向し、車体フレーム１は、閉断面状に形成されている。
【００４１】
図２に示すように、車体フレーム１では、第１の板状部材１０の底面部１１と両側の側面部１２との間にそれぞれ角部１ａが形成され、この角部１ａは、車体フレーム１の長手方向と直交する方向である直交断面方向において曲線状に延在し、所定の曲率半径を有する曲線部１ｃで形成されている。また、第２の板状部材２０の底面部２１と両側の側面部２２との間にそれぞれ形成される角部１ｂについても、前記直交断面方向において曲線状に延在し、所定の曲率半径を有する曲線部で形成されている。
【００４２】
車体フレーム１ではまた、第１の板状部材１０の両側の側面部１２においてそれぞれ曲線部１ｃに隣接する部分が前記直交断面方向において直線状に延在する直線部１２ａで形成されるとともに、第１の板状部材１０の底面部１１において両側の曲線部１ｃの間の部分が前記直交断面方向において直線状に延在する直線部１１ａで形成されている。
【００４３】
本実施形態ではまた、第１の板状部材１０の底面部１１と第２の板状部材２０の底面部２１との間において第１の板状部材１０の両側の側面部１２を連結する略平板状の第１の補強部材３０が取り付けられている。この第１の補強部材３０は、鋼板などの金属製の板状素材から形成され、車体フレーム１の長手方向に沿って延びるとともに、第１の板状部材１０の両側の側面部１２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結するように両側の側面部１２に溶接等によって接合されている。
【００４４】
車体フレーム１では、第１の板状部材１０の底面部１１と両側の側面部１２との間の両側の角部１ａがそれぞれ所定の曲率半径を有する曲線部１ｃで形成されるとともに曲線部１ｃの曲率半径が等しくなるように形成され、第１の補強部材３０は、第１の板状部材１０の底面部１１の直線部１１ａと略平行に設けられている。
【００４５】
このようにして構成される車体フレーム１では、外部から曲げ荷重が入力されることが想定される方向に第１の板状部材１０の底面部１１が対向するように配置される。これにより、外部から曲げ荷重が作用する時に、第１の板状部材１０の底面部１１に圧縮方向の力が作用し、第２の板状部材２０の底面部２１に引張方向の力が作用することとなる。
【００４６】
このように、本発明の第１の実施形態に係る車体フレーム１は、外部から荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部１１と、第１面部１１に対向し、引張方向の力が作用する第２面部２１と、車体フレーム１の第１面部１１と第２面部２１との間に位置する両側の第３面部１２、２２とを有し、第１面部１１と両側の第３面部１２、２２との間に形成される両側の角部１ａが曲線部１ｃで形成されるとともに第３面部１２、２２の曲線部１ｃに隣接する部分が直線部１２ａで形成され、車体フレーム１は、両側の第３面部１２、２２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１連結部３０を有している。
【００４７】
本実施形態ではまた、本発明の第１の実施形態に係る車体フレーム１について、図１２に示す車体フレーム１０１と同様に、圧子を介して外部から荷重を作用したときの曲げ荷重をシミュレーション解析により評価した。なお、車体フレーム１は、第１の補強部材３０を追加すること以外は図１２に示した車体フレーム１０１と同様のものを用いて評価した。
【００４８】
具体的には、車体フレーム１について、第１の板状部材１０を板厚が１．８ｍｍである９８０ＭＰａ級高張力鋼板とし、第２の板状部材２０を板厚が１．０ｍｍである５９０ＭＰａ級高張力鋼板とし、第１の補強部材３０を板厚が１．０ｍｍである９８０ＭＰａ級高張力鋼板とし、第１の板状部材１０の底面部１１と第２の板状部材２０の底面部２１の距離Ｈ１を８８ｍｍとし、第１の板状部材１０の底面部１１の前記直交断面方向における長さＷ１を９２．５ｍｍとし、第１の板状部材１０の底面部１１と両側の側面部１２とのなす角度θをそれぞれ１０６．５度とし、曲線部１ｃの曲率半径ｒをそれぞれ１５ｍｍとし、第１の板状部材１０の底面部１１とフランジ部１３の距離Ｈ２を６７ｍｍとし、第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０の離間距離Ｈ３を１０ｍｍとしたものについて評価を行った。なお、第１の板状部材１０の底面部１１において直線部１１ａの前記直交断面方向における長さは７０ｍｍである。
【００４９】
図３は、前記車体フレームについて圧子の下降ストロークと曲げ荷重との関係を示すグラフであり、図３では、圧子が車体フレームに接触した位置からの下降ストロークを横軸にとり、荷重Ｆに対する反力である曲げ荷重を横軸にとって表示し、図１に示す車体フレーム１の解析結果を実線で表し、図１２に示す車体フレーム１０１の解析結果を破線で表している。また、図４は、前記車体フレームの曲げ変形挙動をシミュレーション解析した結果を示す断面図であり、屈曲部の断面において、図１に示す車体フレーム１の曲げ変形の進行状態を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に表している。
【００５０】
図３において破線で示すように、図１２に示す車体フレーム１０１では、外部から荷重が作用したときの曲げ荷重の最大値が約２２．５ｋＮであるのに対し、図３において実線で示すように、両側の第１の板状部材１０の側面部１２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１の補強部材３０が設けられた車体フレーム１では、曲げ荷重の最大値が約４０ｋＮであり、第１の補強部材３０を追加した車体フレーム１では、第１の補強部材３０が設けられていない車体フレーム１０１に比して最大曲げ強度を向上させることができる。
【００５１】
図４（ａ）に示すように、車体フレーム１についても、圧子１３２が車体フレーム１の上方から下降して車体フレーム１に接触すると、第１の板状部材１０の底面部（第１面部）１１及び第２の板状部材２０の底面部（第２面部）２１において応力が生じ始め、圧子１３２の下降ストロークが大きくなるにつれて、車体フレーム１が下側に凸状に湾曲して変形され、車体フレーム１は、第１面部１１で圧縮方向の力が作用し、第２面部１２で引張方向の力が作用する。
【００５２】
また、車体フレーム１についても、図４の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、圧子１３２の下降ストロークが大きくなるにつれて、第１面部１１が車体フレーム１の内方側へ変形されているが、第１面部１１に隣接する第１の板状部材１０の側面部（第３面部）１２及び第２の板状部材２０の側面部（第３面部）２２が車体フレーム１の長手方向と直交する方向である直交断面方向において外方側に膨らんで面外変形を生じることが抑制されている。
【００５３】
このように、車体フレーム１では、外部から荷重が作用した時に、車体フレーム１の内方側への第１面部１１の変形に伴って第１面部１１の両側の第３面部１２、２２が外方側に膨らんで変形することを、両側の第３面部１１、１２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１連結部３０によって有効に抑制することができるので、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を向上させることができる。また、車体フレーム１の内方側への第１面部１１の変形に伴って、第１連結部３０が車体フレーム１の内方側へ変形される際には、第１連結部３０が両側の第３面部１１、１２を車体フレーム１の内方側へ引っ張るように作用するので、両側の第３面部１１、１２が外方側に膨らんで変形することを抑制することができ、前記効果を有効に得ることができる。
【００５４】
本実施形態ではまた、車体フレーム１の内部に補強部材３０を追加する場合について補強部材３０の位置と曲げ強度の重量効率、具体的には、図１２に示す車体フレーム１０１（比較例）についての単位重量当りの最大曲げ荷重に対する各車体フレームの単位重量当りの最大曲げ荷重の割合との関係について調べた。
【００５５】
図５は、上角部の曲率半径が１５ｍｍである車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示す図であり、角部１ａの曲線部１ｃの曲率半径が１５ｍｍである車体フレームについて解析した結果を示している。図５に示すように、車体フレーム１の内部に取り付けられる第１の補強部材３０を、第１の板状部材１０の底面部１１からそれぞれ所定距離離間させたものについて最大曲げ荷重を解析し、比較例に対する単位重量当りの最大曲げ荷重の割合を評価した。
【００５６】
具体的には、第１の補強部材３０の位置としての第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０の離間距離Ｈ３を０ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１７ｍｍ、３７ｍｍ、６７ｍｍとしたものをそれぞれサンプル１Ａ、サンプル１Ｂ、サンプル１Ｃ、サンプル１Ｄ、サンプル１Ｅ、サンプル１Ｆとして評価した。なお、サンプル１Ｃは、第１の補強部材３０が曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２どうしを連結するように設けられた図１に示す車体フレーム１であり、比較例は、図１２に示す車体フレーム１０１である。
【００５７】
また、図６は、上角部の曲率半径が１５ｍｍである車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示すグラフであり、図６では、第１の補強部材３０の位置として第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０の離間距離Ｈ３を横軸にとり、比較例に対する単位重量当りの最大曲げ荷重の割合を縦軸にとって、図５に示すサンプル１Ａ、サンプル１Ｂ、サンプル１Ｃ、サンプル１Ｄ、サンプル１Ｅ、サンプル１Ｆについてプロットしたものである。
【００５８】
図５及び図６に示すように、車体フレームの曲げ強度の重量効率は、第１の補強部材３０の位置が０ｍｍから第１の補強部材３０が曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する位置である１０ｍｍまで大きくなるにつれて高くなり、第１の補強部材３０が曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する位置である１０ｍｍからさらに大きくなるにつれて低下することが分かる。
【００５９】
このように、車体フレーム１の内部に第１の補強部材３０を追加した車体フレーム１においては、補強部材３０を曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する位置に設ける場合に、曲げ強度向上に対する重量効率が最も大きく、また、補強部材３０を曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂ及びその近傍部どうしを連結する位置、具体的には補強部材３０の位置が約４ｍｍから約２５ｍｍであるときに、曲げ強度の重量効率が比較例の場合に比べて大きくなることが分かる。
【００６０】
本実施形態ではまた、角部１ａの曲線部１ｃの曲率半径が５ｍｍ及び２５ｍｍである車体フレームについても解析を行った。図７は、上角部の曲率半径が５ｍｍ及び２５ｍｍである車体フレームの断面を示す断面図である。図７（ａ）に示すように、図１に示す車体フレーム１と曲線部４１ｃの曲率半径が５ｍｍであること以外は同様に構成された車体フレーム４１と、図７（ｂ）に示すように、図１に示す車体フレーム１と曲線部５１ｃの曲率半径が２５ｍｍであること以外は同様に構成された車体フレーム５１についても同様に、車体フレーム４１、５１の内部に取り付けられる第１の補強部材３０を、第１の板状部材１０の底面部１１からそれぞれ所定距離離間させたものについて最大曲げ荷重を解析し、比較例に対する単位重量当りの最大曲げ荷重の割合を評価した。なお、図７では、図１に示す車体フレーム１と同様の構成については同一符号を付して示している。
【００６１】
図７（ａ）及び図７（ｂ）ではそれぞれ、第１の補強部材３０が曲線部４１ｃ、５１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結するように設けられた車体フレーム４１、５１について示しているが、車体フレーム４１については、図７（ａ）に示す第１の補強部材３０の位置が４．５ｍｍである場合に加えて、第１の補強部材３０の位置を０ｍｍ、１９ｍｍ、３９ｍｍとしたものについて評価し、車体フレーム５１については、図７（ｂ）に示す第１の補強部材３０の位置が１８ｍｍである場合に加えて、第１の補強部材３０の位置を０ｍｍ、４．７ｍｍ、３９ｍｍとしたものについて評価した。
【００６２】
図８は、上角部の曲率半径が５ｍｍ及び２５ｍｍである車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示すグラフであり、図８では、第１の補強部材３０の位置、すなわち第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０の離間距離Ｈ３を横軸にとり、比較例に対する単位重量当りの最大曲げ荷重の割合を縦軸にとって表示し、角部１ａの曲線部４１ｃの曲率半径が５ｍｍである車体フレーム４１の解析結果を実線で示し、角部１ａの曲線部５１ｃの曲率半径が２５ｍｍである車体フレーム５１の解析結果を一点鎖線で示している。
【００６３】
図８に示すように、角部１ａの曲線部４１ｃの曲率半径が５ｍｍである車体フレーム４１についても、車体フレーム４１の曲げ強度の重量効率は、第１の補強部材３０の位置が０ｍｍから曲線部４１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する位置である４．５ｍｍまで大きくなるにつれて高くなり、第１の補強部材３０の位置が４．５ｍｍからさらに大きくなるにつれて低下し、第１の補強部材３０を曲線部４１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する位置に設ける場合に曲げ強度向上に対する重量効率が最も大きく、第１の補強部材３０の位置が０ｍｍから約３４ｍｍであるときに、曲げ強度の重量効率が比較例の場合に比べて大きくなることが分かる。
【００６４】
角部１ａの曲線部５１ｃの曲率半径が２５ｍｍである車体フレーム５１についてもまた、車体フレーム５１の曲げ強度の重量効率は、第１の補強部材３０の位置が０ｍｍから曲線部５１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する位置である１８ｍｍまで大きくなるにつれて高くなり、第１の補強部材３０の位置が１８ｍｍからさらに大きくなるにつれて低下し、第１の補強部材３０を曲線部５１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する位置に設ける場合に曲げ強度向上に対する重量効率が最も大きく、第１の補強部材３０の位置が約３ｍｍから約３７ｍｍであるときに、曲げ強度の重量効率が比較例の場合に比べて大きくなることが分かる。
【００６５】
このように、外部から荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部１１と、引張方向の力が作用する第２面部２１と、第１面部１１と第２面部２１との間に位置する両側の第３面部１２、２２とを有し、第１面部１１と両側の第３面部１２、２２との間に形成される両側の角部１ａが曲線部１ｃで形成されるとともに第３面部１２、２２の曲線部１ｃに隣接する部分が直線部１２ａで形成される車体フレームにおいて、両側の第３面部１２、２２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１連結部３０を設けることにより、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を向上させることができる。また、第１連結部３０を、両側の第３面部１２、２２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂの近傍部どうしを連結するように設ける場合においても、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を向上させることができる。また、軽量化を図ることができるので、燃費を改善することができ、省エネルギー効果を高めることができる。
【００６６】
また、第１面部１１は、両側の曲線部１ｃの間の部分が直線部１１ａで形成され、第１連結部３０は、第１面部１１の直線部１１ａと略平行に設けられていることにより、外部から荷重が作用した時に第１連結部３０の両側に作用する荷重を略等しくすることができるので、両側の第３面部１２、２２の外方側への変形をより有効に抑制することができる。
【００６７】
前述した実施形態では、車体フレーム１において、第１の補強部材３０が第１の板状部材１０の底面部１１と略平行に設けられ、第１連結部３０が第１面部１１の直線部１１ａと略平行に設けられているが、第１連結部３０において両側の第３面部１２、２２の間の中央側を両側の第３面部１２、２２側に比して第１面部１１側又は第２面部２１側に折曲させるようにしてもよい。
【００６８】
図９は、本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームの変形例を示す断面図である。図９（ａ）に示すように、車体フレーム６１の内部に取り付けられる第１の補強部材６０を、第１の板状部材１０の両側の側面部１２の間の中央側を両側の側面部１２側に比して第１の板状部材１０の底面部１１側に突出するように折曲させるようにしてもよく、また、図９（ｂ）に示すように、車体フレーム７１の内部に取り付けられる第１の補強部材７０を、第１の板状部材１０の両側の側面部１２の間の中央側を両側の側面部１２側に比して第２の板状部材２０の底面部２１側に突出するように折曲させるようにしてもよい。なお、図９では、図１に示す車体フレーム１と同様の構成については同一符号を付して示している。
【００６９】
角部１ａの曲線部１ｃの曲率半径が１５ｍｍであるとともに第１の補強部材６０、７０を曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結するように設けた車体フレーム６１、７１において、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、第１の補強部材６０又は７０について第１の板状部材１０の両側の側面部１２の間の中央側を両側の側面部１２側に比して第１の板状部材１０の底面部１１又は第２の板状部材２０の底面部２１側に突出するように折曲させた場合についても曲げ強度の重量効率を解析すると、曲げ強度の重量効率は、図９（ａ）に示すように、第１の補強部材６０の中央部を第１の板状部材１０の底面部１１側に５．０ｍｍ突出するように折曲させた場合は１．１７であり、図９（ｂ）に示すように、第１の補強部材７０の中央部を第２の板状部材２０の底面部２１側に５．０ｍｍ突出するように折曲させた場合は１．２３であり、この場合においても、曲げ強度の重量効率を比較例の場合に比べて向上させることができる。
【００７０】
なお、前述した実施形態では、車体フレーム１の第１の板状部材１０の底面部１１と第１の板状部材１０の両側の側面部１２との間に形成される角部１ａが所定の曲率半径ｒを有する曲線部１ｃで形成されているが、これに限定されるものでなく、所望形状に応じて、車体フレーム１の外方側に凸状に湾曲するその他の曲線状に延在する曲線部で形成するようにしてもよい。
【００７１】
次に、本発明の第２の実施形態に係る車両用フレーム構造について説明する。
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレームを示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレーム８１は、本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレーム１において第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０とを連結する第２の補強部材９０が追加されていること以外は同様であるので、車体フレーム１と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。
【００７２】
図１０に示すように、本発明の第２の実施形態に係る車両用フレーム構造を適用した車体フレーム８１においても、車体フレーム１と同様に、両側の第１の板状部材１０の側面部１２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１の補強部材３０が設けられているが、車体フレーム８１ではさらに、第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０とを連結する第２の補強部材９０が設けられている。
【００７３】
第２の補強部材９０は、鋼板などの金属製の板状素材から形成され、車体フレーム１の長手方向に沿って延びるとともに、車体フレーム８１の長手方向と直交する方向である直交断面方向において第１の板状部材１０の底面部１１に対して略垂直方向に延び、第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０とを連結するように第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０とに溶接等によって接合されている。
【００７４】
図１０に示す車体フレーム８１では、具体的には、第１の板状部材１０の底面部１１における両側の側面部１２の間の中央部１１ｂを第１の補強部材３０と連結する第２の補強部材９１と、第１の板状部材１０の底面部１１における両側の曲線部１ｃと直線部１１ａとの境界部１１ｃをそれぞれ第１の補強部材３０と連結する第２の補強部材９２とが設けられ、第１の板状部材１０の底面部１１における両側の側面部１２側及び両側の側面部１２の間の中央側をそれぞれ第１の補強部材３０と連結するように第２の補強部材９１、９２が設けられている。
【００７５】
このように、本発明の第２の実施形態に係る車体フレーム８１は、外部から荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部１１と引張方向の力が作用する第２面部２１との間に位置する両側の第３面部１２、２２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１連結部３０を有するとともに、車体フレーム８１の長手方向と直交する方向において第１面部１１に対して略垂直方向に延び、第１面部１１と第１連結部３０を連結する第２連結部９０を有している。
【００７６】
これにより、車体フレーム８１についても、外部から荷重が作用した時に、車体フレーム８１の内方側への第１面部１１の変形に伴って第１面部１１の両側の第３面部１２、２２が外方側に膨らんで変形することを、両側の第３面部１１、１２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１連結部３０によって有効に抑制することができるので、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を向上させることができる。
【００７７】
また、車体フレーム８１では、該車体フレーム８１の内方側への第１面部１１の変形に伴って、第２連結部９０を介して第１連結部３０を車体フレーム８１の内方側へ変形させることができるので、第１連結部３０が両側の第３面部１１、１２を車体フレーム８１の内方側へ引っ張るように作用することができ、前記効果をより有効に奏することができる。
【００７８】
本実施形態ではまた、車体フレーム８１の内部に第１の補強部材３０に加えて第２の補強部材９０を追加する場合について、第２の補強部材９０の位置と曲げ強度の重量効率、具体的には、図１２に示す車体フレーム１０１（比較例）についての単位重量当りの最大曲げ荷重に対する各車体フレームの単位重量当りの最大曲げ荷重の割合との関係について調べた。
【００７９】
図１１は、上角部の曲率半径が１５ｍｍである前記車体フレームについて曲げ強度の解析結果を示す図であり、角部１ａの曲線部１ｃの曲率半径が１５ｍｍであるとともに第１の補強部材３０の位置が曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する１０ｍｍである車体フレーム８１について解析した結果を示している。図１１に示すように第２の補強部材９０を取り付けた車体フレームについてそれぞれ最大曲げ荷重を解析し、比較例に対する単位重量当りの最大曲げ荷重の割合を評価した。
【００８０】
具体的には、第１の板状部材１０の底面部１１における両側の境界部１１ｃ及び中央部１１ｂをそれぞれ第１の補強部材３０と連結するように設けられた第２の補強部材を有する車体フレームをサンプル２Ａ、第１の板状部材１０の底面部１１における中央部１１ｂのみを第１の補強部材３０と連結するように設けられた第２の補強部材を有する車体フレームをサンプル２Ｂ、第１の板状部材１０の底面部１１における両側の境界部１１ｃをそれぞれ第１の補強部材３０と連結するように設けられた第２の補強部材を有する車体フレームをサンプル２Ｃ、及び、第１の板状部材１０の底面部１１における両側の境界部１１ｃ及び中央部１１ｂをそれぞれ第１の補強部材３０と連結するように設けられた第２の補強部材を有するとともに第１の板状部材１０の底面部１１における両側の境界部１１ｃと中央部１１ｂとの間の中央部をそれぞれ第１の補強部材３０と連結するように設けられた第２の補強部材をさらに有する車体フレームをサンプル２Ｄとして評価した。
【００８１】
なお、図１１に示す車体フレームは、第１の補強部材３０及び第２の補強部材９０を追加すること以外は図１２に示した車体フレーム１０１と同様のものを用いて評価し、第２の補強部材９０は、第１の補強部材３０と同様に板厚が１．０ｍｍである９８０ＭＰａ級高張力鋼板としたものについて評価した。
【００８２】
図１１に示すように、第１の板状部材１０の底面部１１と第１の補強部材３０とを連結する第２の補強部材９０が取り付けられた車体フレームの曲げ強度の重量効率は、サンプル２Ａ、サンプル２Ｂ、サンプル２Ｃ及びサンプル２Ｄの何れにおいても、比較例の場合に比べて高くなっているとともに、第２の補強部材９０が設けられていない図２に示す車体フレーム１の場合よりも高くなっており、曲げ強度の重量効率をさらに向上させることが分かる。
【００８３】
このように、外部から荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部１１と、引張方向の力が作用する第２面部２１と、第１面部１１と第２面部２１との間に位置する両側の第３面部１２、２２とを有し、第１面部１１と両側の第３面部１２、２２との間に形成される両側の角部１ａが曲線部１ｃで形成されるとともに第３面部１２、２２における曲線部１ｃに隣接する部分が直線部１２ａで形成される車体フレームにおいて、両側の第３面部１２、２２における曲線部１ｃと直線部１２ａとの境界部１２ｂどうしを連結する第１連結部３０を設けるとともに、第１面部１１に対して略垂直方向に延び、第１面部１１と第１連結部３０とを連結する第２連結部９０を設けることにより、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度をさらに向上させることができる。
【００８４】
なお、本実施形態では、車体フレームは、断面ハット状に形成した２枚の金属製の板状部材のフランジ部を重ね合わせて閉断面状に形成しているが、断面ハット状に形成した板状部材を略平板状に形成した板状部材に重ね合わせて車体フレームを閉断面状に形成するようにすることも可能である。
【００８５】
また、本実施形態では、鋼板などの金属製の第１の板状部材と第２の板状部材を溶接して車体フレームが閉断面状に形成されるとともに鋼板などの金属製の板状素材からなる補強部材３０、９０が車体フレームに取り付けられて第１連結部及び第２連結部が形成されているが、アルミニウムを用いて車体フレームを成形する場合など、第１連結部及び第２連結部を閉断面状に形成された車体フレームと一体的に押出成形によって成形することも可能である。また、補強部材は、樹脂製とすることも可能である。
【００８６】
以上のように、本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、重量の増加を抑制しつつフレームの曲げ強度を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ができ、例えばピラーやサイドシルなどの車体の一部を構成する車体フレームに広く利用される可能性がある。
【符号の説明】
【００８８】
１、４１、５１、６１、７１、８１ 車体フレーム
１ａ、１ｂ 角部
１０ 第１の板状部材
１１ 第１の板状部材の底面部（第１面部）
１２ 第１の板状部材の側面部（第３面部）
２０ 第２の板状部材
２１ 第２の板状部材の底面部（第２面部）
２２ 第２の板状部材の側面部（第３面部）
３０、６０、７０ 第１の補強部材
９０、９１、９２ 第２の補強部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体の一部を構成し、閉断面状に形成されたフレームを有する車両用フレーム構造であって、
前記フレームは、外部から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、該第１面部に対向し、引張方向の力が作用する第２面部と、該フレームの第１面部と第２面部との間に位置し、該第１面部と第２面部との間でそれぞれ角部を形成する両側の第３面部とを有し、
前記第１面部と前記両側の第３面部との間に形成される両側の前記角部がそれぞれ前記フレームの断面において曲線状に延在する曲線部で形成されるとともに前記第３面部における前記曲線部に隣接する部分が前記フレームの断面において直線状に延在する直線部で形成され、
前記フレームは、両側の前記第３面部における前記曲線部と前記直線部との境界部どうしを連結する第１連結部を有している、
ことを特徴とする車両用フレーム構造。
【請求項２】
前記第１面部は、両側の前記曲線部の間の部分が直線状に延在する直線部で形成され、
前記第１連結部は、前記第１面部の直線部と略平行に設けられている、
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。
【請求項３】
前記フレームは、前記第１面部と前記第１連結部とを連結する第２連結部を有し、
前記第２連結部は、前記フレームの長手方向と直交する方向において前記第１面部に対して略垂直方向に延びている、
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。
【請求項４】
前記フレームは、前記第１面部における両側の第３面部側及び両側の第３面部の間の中央側をそれぞれ前記第１連結部と連結するように設けられた前記第２連結部を有している、
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。
【請求項５】
前記フレームは、前記第１面部における両側の第３面部側をそれぞれ前記第１連結部と連結するように設けられた前記第２連結部を有している、
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。
【請求項６】
前記フレームは、前記第１面部における両側の第３面部の間の中央側を前記第１連結部と連結するように設けられた前記第２連結部を有している、
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。
【請求項７】
前記フレームは、車体側面部に設けられた前後のドア開口部の間に位置して車体上下方向に延びるセンタピラーである、
ことを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１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、閉断面状に形成されたフレームを有する車両用フレーム構造であって、
前記フレームは、外部から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、該第１面部に対向し、引張方向の力が作用する第２面部と、該フレームの第１面部と第２面部との間に位置し、該第１面部と第２面部との間でそれぞれ角部を形成する両側の第３面部とを有し、
前記第１面部と前記両側の第３面部との間に形成される両側の前記角部がそれぞれ前記フレームの断面において曲線状に延在する曲線部で形成されるとともに前記第３面部における前記曲線部に隣接する部分が前記フレームの断面において直線状に延在する直線部で形成され、
前記フレームは、両側の前記第３面部における前記曲線部と前記直線部との境界部どうしを連結する第１連結部を有している、
ことを特徴とする車両用フレーム構造。
【請求項２】
前記第１面部は、両側の前記曲線部の間の部分が直線状に延在する直線部で形成され、
前記第１連結部は、前記第１面部の直線部と略平行に設けられている、
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。
【請求項３】
前記フレームは、前記第１面部と前記第１連結部とを連結する第２連結部を有し、
前記第２連結部は、前記フレームの長手方向と直交する方向において前記第１面部に対して略垂直方向に延びている、
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。
【請求項４】
前記フレームは、前記第１面部における両側の第３面部側及び両側の第３面部の間の中央側をそれぞれ前記第１連結部と連結するように設けられた前記第２連結部を有している、
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。
【請求項５】
前記フレームは、前記第１面部における両側の第３面部側をそれぞれ前記第１連結部と連結するように設けられた前記第２連結部を有している、
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。
【請求項６】
前記フレームは、前記第１面部における両側の第３面部の間の中央側を前記第１連結部と連結するように設けられた前記第２連結部を有している、
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。
【請求項７】
前記フレームは、車体側面部に設けられた前後のドア開口部の間に位置して車体上下方向に延びるセンタピラーである、
ことを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１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６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−２３６５２４（Ｐ２０１２−２３６５２４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０７３１０（Ｐ２０１１−１０７３１０）
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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