JP2016107804A - 車体フレームの補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 剛性性能を維持しつつ大幅な軽量化と総コストの低減化を図ることができる車体フレーム部材の補強構造を得ること。【解決手段】 複数の断面寸法の異なる鋼管を用いるとともに、これに曲げ加工等を加えて、立体的に溶接結合して管状の閉断面部材を形成してなる車体フレーム部材において、前記曲げ加工を施すべき箇所（３）における車体フレーム部材（１）の内部に、管状部材からなる高強度部材（２）を配置して、部分的に二重管構造に形成した車体フレーム部材の補強構造である。【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車の車体構造に用いられる車体フレームの補強構造に関する。

一般的な自動車の車体構造として、多数の薄板鋼板製プレス成型品を溶接結合したモノコック構造（以下、「モノコックフレーム」という。）が知られている。通常、プレス成型では多くの高価な金型、治具が必要である。一方で、モノコックフレームでは、一台あたりに要する製造時間は短く、部品単価は安価である。従ってこのモノコックフレームは大量生産に適する利点がある。

モノコックフレームにおいて、フレーム部材の補強として、例えば特許文献１及び２に記載されたものが知られている。特許文献１のものは、丸パイプ内に屈曲ピースを挿入してハイドロフォーム成形する。屈曲ピースは対角線上に伸びて筋交い状の部材に変形し、ダイヤゴナルメンバとなる。従って、丸パイプ外周を覆うような補強部材を必要としない点や、ハイドロフォーム形成により製造された閉断面部材の断面内にダイヤゴナルメンバを追加することができる利点を有する。

特許文献２は、一方の外周形状と他方の内周形状が略同一である異なるサイズの２種類の金属管を用いて、一方を他方に差し込むように組み合わせて、ハイドロフォーム成形するものである。

上記モノコックフレームに対し、鋼管の溶接構造によるフレーム（以下、「鋼管スペースフレーム」という。）が知られている。鋼管スペースフレームでは、複数の断面寸法の異なる強度の鋼管を切り出し、これに曲げ加工等を加え、立体的に溶接結合して完成させるものである。

この鋼管スペースフレームは、必要な強度、剛性が得やすく、型治具費が安価であり、少量生産に向く利点がある。また、鋼管スペースフレームは、とりわけ上記モノコックフレームの特許文献１及び２のものがハイドロフォーム形成であるのに対し、その形成コストが安価である利点も有する。

特開２００９−１６１１１１号公報 特開２００９−１５４５６３号公報

上記従来技術において、車体フレームとして汎用性の大きい鋼管スペースフレームは、必要な強度、剛性が得やすく、型治具費が安価である利点がある一方で、次のような解決すべき課題がある。

すなわち、鋼管スペースフレームは、曲げ点には車体に作用する力の応力が高まるために、一様な断面の鋼管では強度が不足するので、部分的に補強の鋼板、複数の鋼管を付与したりする必要がある。そのため、鋼管スペースフレームの特徴である連続した断面を持つことや、小さな構造断面及びスムーズな形状が損なわれる。また、部品点数が増え、重量増とコスト高となる。

また、鋼管スペースフレームは、上述した連続的な部品構成を一般的な特徴としているところ、このような鋼管スペースフレームで高強度材料を有効に使用するには、塑性加工と溶接結合において困難である。すなわち、鋼管の結合には一般的にＭＩＧ溶接が多用されるが、補強の付与部品で溶接長さが増大し、熱ひずみ、形状の不安定が生じやすい。また、溶接ビードは外観的に劣るので意匠的なカバーが必要になる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、鋼管スペースフレームを採用する一方で、従来鋼管スペースフレームが有していた上記欠点を除去することのできる車体フレーム部材の補強構造を提案するものである。

本願第１請求項に記載した発明は、複数の断面寸法の異なる鋼管を用いるとともに、これに曲げ加工等を加えて、立体的に溶接結合して管状の閉断面部材を形成してなる車体フレーム部材において、
前記曲げ加工を施すべき箇所における前記車体フレーム部材の内部に、管状部材からなる高強度部材を配置して、部分的に二重管構造に形成したことを特徴とする車体フレーム部材の補強構造である。

本願第２請求項に記載した発明は、請求項１において、内部に配する高強度部材の形状を段階的に変化させて、応力を連続的に変化させ、応力の集中点を発生させないようにしたことを特徴とする車体フレーム部材の補強構造である。

本願第３請求項に記載した発明は、請求項１において、内部に配する高強度部材の端部は、曲げ加工の際に内側となる部位が当該外側となる部位よりも長手方向において短く形成されていることを特徴とする車体フレーム部材の補強構造である。

本願第４請求項に記載した発明は、請求項１において、内部に配する高強度部材が、曲げ加工の際に用いる心金の役割を兼用するものであることを特徴とする車体フレーム部材の補強構造である。

本願第５請求項に記載した発明は、複数の断面寸法の異なる鋼管を用いるとともに、立体的に溶接結合して管状の閉断面部材を形成してなる車体フレーム部材において、前記車体フレーム部材の内部に、管状部材からなる高強度部材を配置して、部分的に二重管構造に形成し、更に、前記二重管構造に形成した車体フレーム部材を連結するにあたり、隣接する車体フレーム部材における外側のフレーム部材どうしを溶接接合したことを特徴とする車体フレーム部材の補強構造である。

本願第６請求項に記載した発明は、請求項１又は請求項５において、前記管状部材からなる高強度部材は、閉断面部材或いは長手方向にスリットを設けた略閉断面の部材であることを特徴とする車体フレーム部材の補強構造である。

本願第７請求項に記載した発明は、請求項１又は請求項５において、前記車体フレーム部材には長手方向に溶接ビードが設けられており、この溶接ビードと、前記管状部材からなる高強度部材の長手方向の当接部位とが摺接し或いは挿入されて、内部パイプ部材の高強度部材が拡開するようにしたことを特徴とする車体フレーム部材の補強構造である。

本願第１請求項に記載した発明によれば、曲げ加工を施すべき箇所における車体フレーム部材の内部に、管状部材からなる高強度部材を配置して、部分的に二重管構造に形成したので、外側に新たな補強部材を可能な限り付与することなく、フレーム部材の補強をすることができる。このように、外部への補強部材の付与は最低限度とすることで、車体の構造、強度的に必要な断面を最小にして、良好な視界、乗降性を確保することができ、同時に必要部材を減じてコストダウンをはかることが可能となる。

本願第２請求項に記載した発明によれば、内部に配する高強度部材の形状を段階的に変化させ、応力を連続的に変化させることにより、応力の集中点を発生させない構造を得ることができる。

本願第３請求項に記載した発明によれば、内部に配する高強度部材の端部は、曲げ加工の際に内側となる部位が当該外側となる部位よりも長手方向において短く形成されているので、前記と同様に、応力を連続的に変化させて、応力の集中点を発生させない構造を得ることができる。

本願第４請求項に記載した発明によれば、鋼管内部に補強部材が挿入されて、同時に曲げ加工されることで圧嵌もしくは緩嵌されるので、曲げ成形時の心金を用いなくてもよく、これによりフレーム部材の補強とともに、曲げ加工の容易化を図ることができる。

本願第５請求項に記載した発明によれば、溶接性の優れた外側のフレーム部材どうしを溶接するので、安価なＭＩＧ溶接を用いることができる。すなわち、高張力鋼管、超高張力鋼管などの高強度部材は溶接性が悪く、部材コストも高い。ところが本発明の場合、高強度部材はフレーム部材の内部に部分的に配置され外部に露出されないので直接溶接されることがなく、溶接性の優れた外側のフレーム部材を介して溶接されるので、溶接接合の信頼性を高めることができるとともに、溶接コストの低減化が可能となる。

本願第６請求項に記載した発明によれば、管状部材からなる高強度部材は、閉断面部材のみならず略閉断面の部材も用いられて、その使用範囲を拡大することが可能となる。

本願第７請求項に記載した発明によれば、溶接ビードと、管状部材からなる高強度部材の長手方向の当接部位とが摺接し或いは挿入されて、内部パイプ部材の高強度部材が拡開するので、外部パイプ部材の内周面と、内部パイプ部材の外周面との摺接が良好にもたらされるとともに、溶接ビードの内側突出部を利用して、挿入する内部パイプ部材の位置決めをすることができるので、双方の部材の組み合わせ状態が所期の設計とおりになされ得る。

このように、本願発明によれば、高価な高強度部材を必要最低限の部分利用にとどめ、更に高強度部材の構造的な結合を、困難な溶接結合を回避して実現でき、剛性性能を維持しつつ総コストの低減化を図ることができるものである。

本発明の実施例に係り、二重管に曲げ加工を施した具体例を示す図である。 本発明の実施例に係り、（ａ）は外部パイプ部材を示す端面図、（ｂ）（ｃ）は内部パイプ部材を示す端面図、（ｄ）は外部パイプ部材に内部パイプ部材を挿入した状態を示す端面図である。 本発明の実施例に係り、サイドレールとサスペンションメンバーの結合構造を示す斜視図である。 本発明の実施例に係り、図３におけるＡ部の拡大図である。 本発明の実施例に係り、バンパーリインホースの構成例を示す図である。

以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、二重管に曲げ加工を施した具体例を示す図で、この二重管は次のように形成される。すなわち、曲げ加工を施すべき箇所又は他の車体フレーム部材に接合すべき箇所における車体フレーム部材１の内部に、管状部材からなる高強度部材２を配置して、部分的に二重管構造に形成し、しかる後に曲げ加工を施すべき箇所３を曲げ加工して、図１の二重管を形成する。尚、符号４は、曲げコマである。

車体フレーム部材１は例えば自動車構造用電気抵抗溶接炭素鋼管を用いる。この車体フレーム部材１は、管状の閉断面部材からなる部材であり、丸パイプや角パイプ状に形成される。

内部の高強度部材２は、高張力鋼管又は超高張力鋼管であり、その外周形状が、前記車体フレーム部材１の閉断面形状の内周形状に適合する内部パイプ部材である。

このように、車体フレーム部材１（外部パイプ部材）と高強度部材２（内部パイプ部材）の異グレード材料の組み合わせにより、衝突などの衝撃荷重が集中する個所に補強部材を簡便な方法で配置する。つまり、外部パイプ部材の圧潰を防ぐため、荷重集中個所の断面内部に補強部材として長さ任意の内部パイプを配し、一定区間を二重管構造とする。

また、図１に示す例では、内部に配する高強度部材２の端部は、曲げ加工の際に内側（曲げ方向に対して後側）となる部位２１が当該外側（曲げ方向に対して前側）となる部位２２よりも長手方向において短く形成されている。このように、内部に配する高強度部材２の端部の形状を、曲げ加工において発生する応力を緩和させるようにして、つまり高強度部材２の端部を段階的に変化させて、応力を連続的に変化させ、応力の集中点を発生させないようにしている。この例では、高強度部材２の端部を、曲げ加工の際に内側となる部位２１が当該外側となる部位２２よりも長手方向において短く形成して、部位２１と部位２２との間の部位２３が斜め方向に面取りされているように形成されている。

図２は内外パイプ部材を示す図であって、（ａ）は、車体フレーム部材１（外部パイプ部材）が丸パイプ部材であるもの、（ｂ）及び（ｃ）は、高強度部材２（内部パイプ部材）も同様に丸パイプ部材であるもの、（ｄ）は、内部及び外部パイプ部材を組み合わせたもの、を示している。

車体フレーム部材１（外部パイプ部材）は、パイプ連結部を溶接し、この連結部に溶接ビード１１が設けられている。溶接ビード１１は、通常は内側に突出して形成されるので、この溶接ビード１１の内側突出部が、高強度部材２（内部パイプ部材）の挿入時に障碍となり、内部パイプ部材をスムーズに挿入するには、この内側突出部の溶接ビード１１の部位を削除する必要を生じ得る。

図２に示すものは、この溶接ビード１１の内側突出部を積極的に利用している。すなわち、高強度部材２を丸めて内側パイプ部材を形成するとき、図２（ｂ）に示すものの場合はパイプ長手方向に設けられる当接部２４を、また、図２（ｃ）に示すものの場合はパイプ長手方向に設けられるクリアランス部２５を、車体フレーム部材１（外部パイプ部材）に高強度部材２を挿入する際、溶接ビード１１の前記内側突出部に前記当接部２４又はクリアランス部２５が位置するようにあてがって、図２（ｄ）に示す二重管構造を形成する。尚、以下において、前記当接部２４と前記クリアランス部２５を当接部位とも言う。

そうすると、溶接ビード１１の前記内側突出部が、前記当接部２４又はクリアランス部２５、つまり当接部位に摺接し或いは挿入されて、内部パイプ部材の高強度部材２が拡開し、外部パイプ部材の内周面と、内部パイプ部材の外周面との摺接が良好にもたらされる。更に、溶接ビード１１の前記内側突出部を利用して、挿入する内部パイプ部材の位置決めをすることができるので、双方の部材の組み合わせ状態が所期の設計とおりになされ得ることになる。

上記のように、フレームの曲がり部やフレーム同士の接合部などの荷重集中個所だけに補強部材を設けると、部分的に補強されるだけでも車体フレーム全体として曲げやねじりに対する剛性が向上する。

また、二重管構造において、外部パイプ部材は強度と靭性に劣るものの、溶接性の良好なパイプ部材を採用する。これに対して内部パイプ部材には強度と靭性に優れたパイプ部材を採用し、補強部材としての役割を担わせるものである。

このように車体フレームは鋼管スペースフレームの集合体であり、互いに溶接により接合されて機能する。内部パイプ部材の高張力鋼管、超高張力鋼管は溶接性が悪く、部材コストも高い。しかしここでは部分的に配置され、外部に露出することなく直接溶接されることがない。つまり溶接性の優れた外部パイプ部材を介して溶接されるので、鋼管スペースフレーム構築において溶接性の向上を図ることができる。

図３は、サイドレールとサスペンションメンバーの結合構造を示す斜視図で、ここでは、Ａ部にて示すＡピラーの部位と、Ｂピラー及びサイドレールの部位において二重管構造を実施したものを示している。尚、図４は、Ａ部を拡大して示す図である。

一般に車体フレームは、成形した鋼管をＭＩＧ溶接で結合して構造を構成する。車体前後部のシャシー構成分は自動車への作用力の入力点相互を結び、強度、剛性を確保する。車体中央部と上部は乗員の居住空間であり、視界と乗員の乗降を可能とする扉を確保するために、全周に窓と開口部を設けた上でルーフを支えるケージ状の構造をとる。このケージ構造は乗員を衝突等に衝撃から保護するために十分な強度を有さねばならない。一般に車体前後部はトラス構造となり、中央部、上部はラーメン構造となる。

従来の鋼管による構成では、多数の曲げ点、結合点が生じる。この部分には大きな不連続な力が作用するので、部品部材の応力が高くなる。これを強度的に耐え得るために高強度部材２に置換し、また、補強部材を配置して応力を緩和させる。そのため、図３に示すように、本例においても高強度部材２を局部的に配する。この高強度部材２を一般的な構成部材（車体フレーム部材１）の内部に二重に配して、部分的に二重管構造とする。これにより、外側には新たな補強部材を可能な限り付与しないことができる。内部に配する高強度部材２の形状を段階的に変化させ、応力を連続的に変化させ、応力の集中点を発生させないようにする。外部への補強部材の付与は最低限度とすることで、車体の構造、強度的に必要な断面を最小にして、良好な視界、乗降性を確保する。同時に必要部材を減じてコストダウンをはかることができる。

図３に示す実施例によれば、車体中央部においては断面の小さいピラー形状を実現し、視界の確保とデザインの自由度を大きくすることができる。また、連続的で滑らかな構造部材は良好な外観を有し、構造品の一部を外観部品として利用することができる。

図５は、バンパーリインホースの構成例を示すもので、この例の場合も、前例と同様に、バンパービーム（外部パイプ部材１）の内部に、高強度部材２からなるバンパーリインホースを局部的に配するものである。尚、符号５は、ステイを示している。

図５に示すものも、対衝突部材のバンパーリインフォース等での二重管構造と材料の採用は、大幅な軽量化とコストダウンをもたらし、断面寸法の減少によるデザインの自由度向上（冷却風路の確保と灯火等の機能部品の内包等）といった作用効果を奏することができる。また、衝突時の変形代を増大させ、効率的なエネルギー吸収を可能とするものである。

以上説明したように、本発明によれば、車体の前後部においては強度、剛性を確保する効率的な部材配置を実現し、補強部材の減少はスペース効率を高め、車体の小型化、軽量化とコストダウンを実現することができる。また、ピラー等では視界確保とデザイン代の確保で新デザイン価値を与え、商品性を向上させることを可能とするものである。更に、対衝突部材のバンパーリインフォース等においては、衝突時の変形代を増大させ、効率的なエネルギー吸収を可能とするものであり、剛性性能を維持しつつ大幅な軽量化と総コストの低減化を図ることができるものである。

本発明に係る車体フレーム部材の補強構造は、各種自動車の車体構造に用いられる車体フレームに好適に用いることができるものである。

１ 車体フレーム部材（外部パイプ部材）
２ 高強度部材（内部パイプ部材）
２１ 内部パイプ部材の端部の部位
２２ 内部パイプ部材の端部の部位
２３ 内部パイプ部材の端部の部位
２４ 当接部
２５ クリアランス部
３ 曲げ加工を施すべき箇所
４ 曲げコマ
５ ステイ

Claims (7)

1. 複数の断面寸法の異なる鋼管を用いるとともに、これに曲げ加工等を加えて、立体的に溶接結合して管状の閉断面部材を形成してなる車体フレーム部材において、
   前記曲げ加工を施すべき箇所における車体フレーム部材の内部に、管状部材からなる高強度部材を配置して、部分的に二重管構造に形成したことを特徴とする車体フレーム部材の補強構造。
2. 内部に配する高強度部材の形状を段階的に変化させて、応力を連続的に変化させ、応力の集中点を発生させないようにしたことを特徴とする請求項１記載の車体フレーム部材の補強構造。
3. 内部に配する高強度部材の端部は、曲げ加工の際に内側となる部位が当該外側となる部位よりも長手方向において短く形成されていることを特徴とする請求項１記載の車体フレーム部材の補強構造。
4. 内部に配する高強度部材が、曲げ加工の際に用いる心金の役割を兼用するものであることを特徴とする請求項１記載の車体フレーム部材の補強構造。
5. 複数の断面寸法の異なる鋼管を用いるとともに、立体的に溶接結合して管状の閉断面部材を形成してなる車体フレーム部材において、前記車体フレーム部材の内部に、管状部材からなる高強度部材を配置して、部分的に二重管構造に形成し、更に、前記二重管構造に形成した車体フレーム部材を連結するにあたり、隣接する車体フレーム部材における外側のフレーム部材どうしを溶接接合したことを特徴とする車体フレーム部材の補強構造。
6. 前記管状部材からなる高強度部材は、閉断面部材或いは長手方向にスリットを設けた略閉断面の部材であることを特徴とする請求項１又は請求項５記載の車体フレーム部材の補強構造。
7. 前記車体フレーム部材には長手方向に溶接ビードが設けられており、この溶接ビードと、前記管状部材からなる高強度部材の長手方向の当接部位とが摺接し或いは挿入されて、内部パイプ部材の高強度部材が拡開するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項５記載の車体フレーム部材の補強構造。
   

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