JP5002880B2

JP5002880B2 - Frame structure

Info

Publication number: JP5002880B2
Application number: JP2001302299A
Authority: JP
Inventors: 貢深堀
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003112260A

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a frame structure and a manufacturing method thereof in which the frame strength and/or the rigidity can be stably improved without considerably increasing the weight, and a versatile means can be used without any excessive limitation to the application range. SOLUTION: In a structure of a frame A1 formed of plates of predetermined thickness, a build-up welding bead Dw along the load inputting direction to the frame is formed on an inner surface and/or an outer surface of the frame at least on the whole, and the build-up welding bead is formed along a ridge part E of the frame.

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、所定厚さの板材により形成されたフレームの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等の車両においては、燃費性能および車両衝突時の安全性のより一層の向上に対する要求の高まりに伴って、車両の軽量化と高強度化の両立が、従来にも増して強く要望されている。そして、かかる要望に対して種々の手法・対策が検討されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
その一つとして、いわゆる高張力鋼板の車体フレームへの適用があり、実車への採用が増加しつつある。この高張力鋼板を車体フレームに適用することにより、比較的薄肉構造で衝突時のエネルギ吸収性を高めることができるのであるが、その一方で、フレームの剛性を確保する必要があるので、余り板厚を薄くすることはできない。材料自体の高剛性化は、現状では実用化が難しく、やはりフレーム断面の拡大に依らざるをえないのが実情である。すなわち、車体の軽量化と高強度化及び高剛性化の３者をバランス良く実現することは、なかなかに難しいという問題がある。
【０００４】
また、板厚の増加や補強部材の追加などによる大幅な重量増加を招くことなく、強度および剛性を高め得る方法として、溶射法あるいはメッキ法などにより材料を部分的に改質する方法も考えられているが、溶射層の厚さやメッキ厚の確保などについて安定した品質を確保することが実際には難しく、また、複雑形状の部品や大型の部品には適用し難いなど、適用範囲にも制限があり、実用性に欠けるという難点がある。
【０００５】
尚、部材表面に他の材料層を形成するものとして、フレームの強度・剛性の向上に関するものではないが、例えば実開平６−６５６２３号公報には、軸受の保持器付きころについて、ポケットの一部に凹部を形成してこれをオイル溝として作用させ、かかる凹部を設けたことによる肉抜き分相当の肉盛りを施して、剛性の確保を図るようにした構成が開示されている。また、特開平７−９１３５号公報には、パネル部材端部どうしの重合部分に肉盛り溶接を行う際におけるパネル材の変形の抑制を図る構成が開示されている。
【０００６】
更に、高周波焼き入れ等の熱処理技術を適用して材料を部分的に高強度化する方法も検討されているが、部品の種類が異なる毎に焼き入れコイルを用意しなければならないなど、設備に汎用性がなく部品毎に新たな装置が必要とされる上、部品形状によってはこれに適合した焼き入れコイルを製作することが困難な場合もあり、やはり実用的ではない。尚、加熱源にレーザ光を用いることも提案されているが、加熱範囲が狭いので、加工時間が長く掛かる上、十分な効果を得ることも難しい。
また、このような熱処理技術を適用して材料の高強度化を図るものにあっては、剛性向上の効果は全く期待することはできないという問題もある。
【０００７】
この発明は、上記従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、フレームの強度及び／又は剛性の向上を図るに際して、大幅な重量増加を招くことなく安定した効果を得ることができ、また、汎用性のある手段を利用でき、適用範囲に過度な制限も受けることがない、フレーム構造を提供することを主要な目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、本願請求項１の発明(以下、第１の発明という)に係るフレーム構造は、所定厚さの板材により形成され、所定部位よりも荷重入力点から近い側は衝撃吸収性が高くて比較的変形し易く、上記所定部位よりも荷重入力点から遠い側は剛性が高く変形し難い、変形特性を備えたフレームの構造であって、上記フレームの内面及び／又は外面に、少なくとも全体として当該フレームへの荷重入力方向に沿い、且つ当該フレームの稜線部に沿って肉盛り溶接ビード部が形成され、上記肉盛り溶接ビード部は、上記フレームの所定部位よりも荷重入力点から遠い側が、上記所定部位よりも荷重入力点から近い側に比して、剛性が高い材料から形成されている、ことを特徴としたものである。
【００１２】
更に、本願請求項２に係る発明（以下、第２の発明という）は、上記第１の発明において、上記フレームは車両の車体の構造部材であることを特徴としたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明を自動車等の車両のフロントフレームに適用した例を示している。
このフロントフレームＳは、車体を構成するフレーム部材の中でも、車両の衝突安全性及び操安性確保の観点から重要なフレーム部材であり、一定以上の強度，剛性が求められる。すなわち、フロントフレームＳには、衝突安全性については、車両正面からの衝突による衝撃エネルギを効果的に吸収しつつ、乗員空間を確保することが求められる。このエネルギ吸収は、一般に、フロントフレームＳの先端（図１における左端）からフロントサスタワー取付部Ｃｔまでのフロントフレームの圧縮変形によってもたらされる。また、フロントフレームＳのサスタワー以降の部分については、乗員空間確保のために高い強度及び剛性が要求される。
【００１５】
図１から良く分かるように、上記フロントフレームＳは、所定厚さの鋼板素材を断面ハット状にプレス加工して得られたフレームインナＳｍと、所定厚さのフラットな鋼板部材でなるフレームアウタＳｐとを基本的な構成要素とし、具体的には図示しなかったが、実際には、これらの間に必要なレインフォースメントを組み付けた上で、フレームインナＳｍのフランジ部ＳｆをフレームアウタＳｐに当接させて組み合わせ、このフランジ部Ｓｆをスポット溶接で接合することにより組み立てられる。
【００１６】
このフロントフレームＳの強度及び／又は剛性の向上を図るために、本発明を適用する場合、フレーム組立前に、フレームインナＳｍ単体の状態で肉盛り溶接が施される。
すなわち、図２に示すように、フレームインナＳｍをその内側が上方を向く姿勢で溶接冶具（不図示）に固定し、付与すべき強度及び／又は剛性に応じて選定された所定の溶接材を用いて、例えばロボットハンド（不図示）の先端に保持された溶接トーチТｗにより所定の溶接条件で肉盛り溶接を施す。図２の例では、フレームインナＳｍの稜線Ｅ（図１参照）に沿ってその内面部分に（つまり、内側隅部に沿って）溶接ビード部Ｄｗが形成されている。
【００１７】
このフロントフレームＳの場合、衝突時には主としてその長手方向に荷重が入力されるので、その荷重入力方向に沿った肉盛り溶接ビード部Ｄｗが形成されることにより、想定される荷重入力に対してフレームＳの強度及び／又は剛性を向上させることができる。
特に、上記肉盛り溶接ビード部ＤｗはフレームＳの稜線部Ｅに沿って形成されているので、より効果的で効率良く、フレームＳの強度及び／又は剛性の向上を図ることができる。
【００１８】
この場合において、当該フレームＳに求められる強度特性及び／又は剛性特性、更には変形特性に応じて、肉盛り溶接ビードを形成すべき部位を設定し（従って、部分的な補強も容易であり）、また、好適な溶接材料を選定することにより、大幅なフレーム重量増加を招くことなく、当該フレームＳに対して所要の強度特性及び／又は剛性特性、更には変形特性を付与することが可能になる。
しかも、一般的な溶接設備によって施工できるので汎用性が高く、また、適用範囲に過度な制限を受けることもない。
【００１９】
また、フレームＳの荷重入力による変形が想定される所定部位には、変形により加工硬化を生じ得る溶接材料からなる肉盛り溶接ビード部を形成することが好ましい。これにより、荷重に対する負荷能力をより有効に高めることができ、また、同荷重による衝撃に対してより高い衝撃吸収性を付与することが可能になる。
【００２０】
更に、フレームＳの荷重入力による変形が想定される所定部位よりも荷重入力点から遠い側（例えば、フロントサスタワー取付部Ｃｔよりも後側）には、所定部位よりも荷重入力点から近い側（例えば、フロントサスタワー取付部Ｃｔよりも前側）に比して、剛性が高い材料からなる肉盛り溶接ビード部を形成することが好ましい。これにより、上記所定部位よりも荷重入力点から遠い側（フロントサスタワー取付部Ｃｔよりも後側）のフレーム部分に対して、より高い剛性を有効に付与することができる。
また、これにより当該フレームＳに所要の変形特性、つまり、フロントサスタワー取付部Ｃｔよりも前側は衝撃吸収性が高くて比較的変形し易く、後側は剛性が高く変形し難い変形特性を、比較的容易に付与することができる。
【００２１】
尚、図２の例では、フレームインナＳｍに対して肉盛り溶接ビード部Ｄｗを形成するようにしているが、要求される強度・剛性及び変形特性に応じてフレームアウタＳｐ側に、或いは、インナ及びアウタの両方に溶接ビード部Ｄｗを設けるようにしても良い。
また、図２の例では、フレームインナＳｍ単体について肉盛り溶接が行われているが、本発明方法は、その施工方法に極めて高い柔軟性があり、設計自由度も高いので、適切な冶具を用意することにより、フレーム組立状態あるいは車体に組み付けた後においても、比較的容易に施工することが可能である。
【００２２】
本発明に係るフレーム構造を採用することによる効果を確かめるために、真直した一定断面のフレーム供試材を用意し、強度，剛性，エネルギ吸収性等の種々の特性を調べる試験を行った。以下、これらの試験について説明する。
図２及び図３は、本発明に係る肉盛り溶接を施す前のベースとなるフレーム体Ａ（ベースフレーム）の基本形状を示している。
【００２３】
この図に示すように、このベースフレームＡは、所定厚さの鋼板素材を断面ハット状にプレス加工して得られたフレームインナＡｍと、所定厚さのフラットな鋼板部材でなるフレームアウタＡｐとを備え、上記フレームインナＡｍのフランジ部ＡｆをフレームアウタＡｐに当接させて組み合わせ、このフランジ部Ａｆをスポット溶接で接合することにより組み立てられる。
【００２４】
本実施の形態では、上記鋼板としてＪＩＳに規定されたＳＰＣＣ鋼板を用い、フレームインナＡｍおよびフレームアウタＡｐともに、その板厚を１．０ｍｍとした。尚、フレームアウタＡｐのみについて、板厚を１．４ｍｍとしたものも用意した。
【００２５】
以下に説明する本発明の実施例１〜実施例６に係るフレーム体（供試材）は、何れも、インナ及びアウタの両部材について、板厚が１．０ｍｍのベースフレームＡに対して肉盛り溶接ビードを設けたものである。
これら本発明実施例１〜７に対して、上記ベースフレームＡを比較例１とし、また、フレームアウタＡｐのみについて、その板厚を１．４ｍｍとしたものを比較例２とした。
【００２６】
図５及び図６は本発明実施例１に係るフレーム供試材Ａ１を示している。この実施例１のフレーム体Ａ１は、フレームインナＡ１ｍとフレームアウタＡ１ｐとで構成され、フレームインナＡ１ｍの外面において稜線部Ｅに沿って（つまり、外側角部に沿って）連続した肉盛り溶接ビード部Ｄｗが形成されている。
【００２７】
また、図７は本発明実施例２に係るフレーム供試材Ａ２を示している。この実施例２のフレーム体Ａ２は、フレームインナＡ２ｍとフレームアウタＡ２ｐとで構成され、フレームインナＡ２ｍの内面において稜線部Ｅに沿って（つまり、内側隅部に沿って）連続した肉盛り溶接ビード部Ｄｗが形成されている。
【００２８】
更に、図８〜図１１はそれぞれ本発明実施例３〜６に係るフレーム供試材Ａ３〜Ａ６を示している。これら実施例のフレーム体Ａ３〜Ａ６は、各々フレームインナＡ３ｍ〜Ａ６ｍとフレームアウタＡ３ｐ〜Ａ６ｐとで構成され、フレームインナＡ３ｍ〜Ａ６ｍの外面において稜線部Ｅに沿って（つまり、外側角部に沿って）不連続に施工したステッチ状の肉盛り溶接ビード部Ｄｗが形成されている。
このように、ステッチ状の肉盛り溶接ビードＤｗを形成することにより、その長手方向から圧縮荷重を受けた場合には、フレーム部材を規則的に折り畳まれるように変形させることができる。
【００２９】
上記本発明実施例１〜６においては、溶接材として銅（Ｃｕ）系の溶接ワイヤ（日本ウエルディングロッド株式会社製：ＷＥＬＭＩＧＥＰ３５）を用いた。このＣｕ系の金属は変形により加工硬化を生じるので、フレームの衝撃吸収性を高めることができ、しかも、融点が比較的低いので、肉盛り溶接時のフレームへの熱影響を抑制することができる。
尚、フレームにより高い衝撃吸収性を付与することが求められる場合には、加工硬化性のより高い例えばオーステナイト系ステンレスをベースとした溶接材を用いることが好ましい。
【００３０】
まず、本発明実施例に係るフレーム供試材の圧縮特性を調べるために、図１２に示すような装置を用いて圧縮試験を行った。この圧縮試験には、本発明実施例として上述の実施例１のフレーム体Ａ１を用い、比較例としては、上述のベースフレームＡで、フレームアウタの板厚が１．０ｍｍのもの（比較例１）と１．４ｍｍのもの（比較例２）を用いた。
この圧縮試験では、装置ベースＪｂと圧子Ｊａの間に供試材（例えばフレームＡ１）を配設し、圧子Ｊａを静的に１０ｍｍ／分の速度で下降させ、１２０ｍｍ圧縮するまでの圧縮変形量（ｍｍ）と圧縮荷重Ｆａ（ｋＮ）とを、荷重−変形カーブとしてデータ採取した。各供試材についての荷重−変形カーブを図１９に示す。
【００３１】
この図１９のグラフから良く分かるように、本発明実施例１の場合には、板厚条件が同じである比較例１と比べた場合、同一の変形量に対する圧縮荷重が高く、耐圧縮特性に優れており、フレームアウタの板厚が大きい比較例２と比べた場合、耐圧縮特性は大略同レベルとみなせるが、初期荷重がより低い。従って、圧縮変形時には、変形の進行に伴って平均的にエネルギ吸収を行うことができ、エネルギ吸収特性に優れているといえる。
【００３２】
また、この荷重−変形カーブに基づいて、つまり、両縦軸と横軸と当該カーブとで囲まれた領域の面積を算出することにより、各供試材のエネルギ吸収量を求めた。各供試材のエネルギ吸収量をフレーム重量と併せて図２０に示す。
この図２０のグラフから良く分かるように、本発明実施例１の場合には、板厚条件が同じである比較例１と比べた場合、３０ｇの重量増加で極めて高いエネルギ吸収性を得ることができた。また、フレームアウタの板厚が大きい比較例２と比べた場合、重量は６０ｇ軽量になり、でエネルギ吸収性は同等であった。しかしながら、図１９のグラフで説明したように、本発明実施例１の場合には、比較例２に比べて、初期荷重がより低く、圧縮変形の進行に伴って平均的にエネルギ吸収を行うことができ、エネルギ吸収特性に優れているといえる。
【００３３】
次に、上記圧縮試験と同様のフレーム供試材の組み合わせで、各フレームの曲げ剛性を調べる試験を行った。この曲げ剛性試験の試験結果を図２１に示す。
この図２１のグラフから良く分かるように、本発明実施例１の場合には、板厚条件が同じである比較例１と比べた場合、大幅に曲げ剛性が向上しており、フレームアウタの板厚が大きい比較例２と比べても、６０ｇ軽量であるにも拘わらず若干高い曲げ剛性が得られた。
【００３４】
尚、フレームにより高い曲げ剛性を付与することが求められる場合には、剛性向上に有効な溶接材料として、タングステン合金や炭化物を含有した硬化肉盛り用の溶接材料（例えば、特殊電極株式会社製：ＭＴ−ＣＡ−１１，ＭＴ−ＣＡ−２１，ＭＴ−ＣＡ−４０等）が有効である。
【００３５】
次に、本発明をフレーム内に配設されるレインフォースメントに適用した場合について、供試材フレームを作製し、三点曲げ試験を行った。
図１４及び図１５に示すように、この三点曲げ試験では、上記比較例１のベースフレームＡと同様の（従って、本発明実施例１のフレームＡ１と同様の）フレームインナＡ７ｍとフレームアウタＡ７ｐ（共に板厚：１．０ｍｍ）の間に、断面ハット状のレインフォースメントＡｒを挟み込んで、その重合したフランジ部をスポット接合することにより組み立てられる。
【００３６】
そして、レンフォースメントＡｒに肉盛り溶接を施さないでフレームインナＡ７ｍとフレームアウタＡ７ｐとを組み立てたものを比較例３とした。また、レンフォースメントＡｒの稜線部の内側に沿って肉盛り溶接を施して連続ビームＤｗを形成し、これをフレームインナＡ７ｍとフレームアウタＡ７ｐの間に挟み込んで組み立てたフレームＡ７を本発明実施例７（図１５参照）とした。
尚、肉盛り溶接材料としては、軟鋼用ワイヤ（日鉄溶接工業株式会社製：ＹТ−２８）を用いた。
【００３７】
この三点曲げ試験では、支点Ｍｂ及び圧子Ｍａは、その先端形状が各々半径が１５ｍｍ及び２５ｍｍの半円形状のものを用いた。そして、曲げ荷重Ｆｂの負荷速度を１０ｍｍ／分とし、最大荷重及び５０ｍｍ変位までの吸収エネルギを求めた。
このように、本発明をレインフォースメントに適用した場合について行った三点曲げ試験の試験結果を図２２に示す。
【００３８】
この図２２のグラフから良く分かるように、本発明実施例７の場合には、板厚条件が同じである比較例３と比べた場合、最大曲げ荷重で約３３％、平均荷重（吸収エネルギ）で約１０％の向上が認められ、両方の特性について効果があることが確認された。
【００３９】
次に、オーステナイト系ステンレス溶接材を肉盛り溶接材料に用いた例について説明する。図１６及び図１７は、本発明実施例８のフレーム構造を示している。この実施例８では、共に断面ハット状に形成された鋼板部材Ａ８ｍどうしを、そのフランジ部でスポット溶接することによりフレーム体Ａ８が構成されている。
尚、この場合には、断面ハット状の鋼板部材の板材としては、板厚１．２ｍｍのＳＰＦＣ４４０鋼板を用いた。
【００４０】
そして、肉盛り溶接を施さないベースフレームを比較例４とし、このべーフレーム４の各鋼板部材Ａ８ｍに対して、その稜線部Ｅの内側に図１６に示されるようにステッチ状の肉盛り溶接ビードＤｗを形成し、その後に組み立ててフレーム体Ａ８としたものを、本発明実施例８とした。
尚、この肉盛り溶接には、溶接材料として線径１．２ｍｍのオーステナイト系ステンレス溶接ワイヤＹ−３０８を用いた。このオーステナイト系ステンレスの場合、マルテンサイト変態が生じるので非常に加工硬化性が高いことが知られている。
【００４１】
この本発明実施例８のフレームＡ８と比較例４のフレームとを供試材として、以下に示すような種々の試験を実施した。その結果を、図２３〜図２６に示す。
尚、各試験の試験装置及び方法は、前述の本発明実施例１又は実施例７で用いた装置及び方法或いは公知の装置及び方法と同様である。
【００４２】
図２３〜図２６のグラフから良く分かるように、フレーム剛性（面内曲げ，面外曲げ及び捩り剛性：図２３参照）、三点曲げ試験における曲げモーメント及び吸収エネルギ（図２４参照）、軸圧縮最大荷重（図２５参照）及び軸圧縮吸収エネルギ（図２６参照）の何れについても、本発明実施例８の方が比較例４に比して優れた特性を示しており、本発明の効果が確認された。
【００４３】
以上の本発明実施例１〜８では、何れもフレーム（若しくはフレームの一部としてのレインフォースメント）の稜線部に沿って肉盛り溶接ビード部を形成していたが、本発明実施例の参考例としては、例えば図１８に示すフレーム体Ａ９のように、稜線部ではなく、フレームＡ９を構成する板材Ａ９ｍ，Ａ９ｎの平面部に、荷重入力が想定される方向（図１８の場合には、フレーム長手方向）に沿った肉盛り溶接ビード部Ｄを形成するようにしても良い。
【００４４】
尚、以上の実施の形態では、肉盛り溶接として主にＭＩＧ溶接が適用されていたが、選定された溶接材料の材質やタイプに応じて最適な溶接装置を採用することにより、より安定的な溶接ビードを得ることができる。すなわち、上記ＭＩＧ溶接以外に、例えば、ТＩＧ溶接やレーザ溶接などの他の公知の溶接法の何れをも適用することが可能である。更には、例えばバーナ加熱など溶接材料を溶融させる種々の手段の応用も可能である。
【００４５】
また、以上の実施の形態は、主として自動車等の車両の車体構造を構成する鋼板製フレームについてのものであったが、本発明は、かかる場合に限定されるものではなく、他の種々の用途、或いは異なる材料のフレームに対しても有効に適用することができる。また、フレームが受ける荷重についても、その長手方向からの荷重に限定されるものではなく、例えば曲げ荷重や捩り荷重あるいはせん断荷重、更にはその組み合わせなど、他の種々の荷重入力が想定されるフレームについても、有効に適用することが可能である。
【００４６】
このように、本発明は、以上の実施態様に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良あるいは設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【００４７】
【発明の効果】
本願第１の発明に係るフレーム構造によれば、所定厚さの板材により形成され、所定部位よりも荷重入力点から近い側は衝撃吸収性が高くて比較的変形し易く、上記所定部位よりも荷重入力点から遠い側は剛性が高く変形し難い、変形特性を備えたフレームについて、その内面及び／又は外面に、少なくとも全体として当該フレームへの荷重入力方向に沿った肉盛り溶接ビード部が形成されているので、想定される荷重入力に対してフレームの強度及び／又は剛性を向上させることができる。この場合において、当該フレームに求められる強度特性及び／又は剛性特性、更には変形特性に応じて、肉盛り溶接ビードを形成すべき部位を設定し（従って、部分補強も容易にでき）、また、好適な溶接材料を選定することにより、大幅なフレーム重量増加を招くことなく、当該フレームに対して所要の強度特性及び／又は剛性特性、更には変形特性を付与することが可能になる。しかも、一般的な溶接設備によって施工できるので汎用性が高く、また、適用範囲に過度な制限を受けることもない。
特に、上記肉盛り溶接ビードはフレームの稜線部に沿って形成されているので、より効果的で効率良く、フレームの強度及び／又は剛性の向上を図ることができる。
また、特に、上記フレームの所定部位よりも荷重入力点から遠い側が、所定部位よりも荷重入力点から近い側に比して、剛性が高い材料からなる肉盛り溶接ビード部が形成されているので、上記所定部位よりも荷重入力点から遠い側のフレーム部分に対して、より高い剛性を有効に付与することができる。しかも、当該フレームに所要の変形特性を容易に付与することができる。
【００５１】
更に、本願の第２の発明によれば、車両の車体の構造部材であるフレームについて、上記第１の発明と同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るフロントフレームの斜視図である。
【図２】上記フロントフレームのフレームインナへの肉盛り溶接施工例を示す斜視図である。
【図３】本発明の効果を確認する試験に用いたベースフレームの平面図である。
【図４】図３のＹ４−Ｙ４線に沿ったベースフレームの断面図である。
【図５】本発明実施例１に係るフレームの斜視図である。
【図６】上記実施例１に係るフレームの端面図である。
【図７】本発明実施例２に係るフレームの端面図である。
【図８】本発明実施例３に係るフレームの斜視図である。
【図９】本発明実施例４に係るフレームの斜視図である。
【図１０】本発明実施例５に係るフレームの斜視図である。
【図１１】本発明実施例６に係るフレームの斜視図である。
【図１２】本発明実施例１についての圧縮試験の試験装置の概略を示す説明図である。
【図１３】図１２のＹ１３−Ｙ１３線に沿った供試フレームの断面図である。
【図１４】本発明実施例７についての三点曲げ試験の試験装置の概略を示す説明図である。
【図１５】図１４のＹ１５−Ｙ１５線に沿った供試フレームの断面図である。
【図１６】本発明実施例８に係るフレームの平面図である。
【図１７】図１６のＹ１７‐Ｙ１７線に沿った上記実施例８に係るフレームの断面図である。
【図１８】本発明実施例の参考例に係るフレームの斜視図である。
【図１９】本発明実施例１についての圧縮試験での荷重−変形特性を示すグラフである。
【図２０】本発明実施例１についての圧縮試験でのエネルギ吸収特性を示すグラフである。
【図２１】本発明実施例１についての曲げ剛性試験の試験結果を示すグラフである。
【図２２】本発明実施例７についての三点曲げ試験の試験結果を示すグラフである。
【図２３】本発明実施例８についてのフレーム剛性（面内曲げ，面外曲げ及び捩り剛性）試験の試験結果を示すグラフである。
【図２４】本発明実施例８についての三点曲げ試験の試験結果を示すグラフである。
【図２５】本発明実施例８についての圧縮試験における軸圧縮最大荷重を示すグラフである。
【図２６】本発明実施例８についての圧縮試験における軸圧縮吸収エネルギを示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ１〜Ａ８…フレーム
Ｄｗ…肉盛り溶接ビード部
Ｅ…稜線部
Ｓ…フロントサイドフレーム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure of a frame formed by a plate material having a predetermined thickness.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in vehicles such as automobiles, with increasing demand for further improvements in fuel efficiency and safety in the event of a vehicle collision, there has been a strong demand for both a reduction in vehicle weight and an increase in strength. Has been. Various methods and countermeasures have been examined for such demands.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
One of them is the application of so-called high-tensile steel plates to vehicle body frames, and the use of these in actual vehicles is increasing. By applying this high-tensile steel plate to the body frame, it is possible to increase energy absorption at the time of collision with a relatively thin wall structure, but on the other hand, it is necessary to ensure the rigidity of the frame, so the surplus plate The thickness cannot be reduced. The high rigidity of the material itself is difficult to put into practical use at present, and the actual situation is that it must depend on the enlargement of the cross section of the frame. That is, there is a problem that it is quite difficult to achieve a balance between weight reduction, high strength, and high rigidity of the vehicle body.
[0004]
In addition, as a method for improving the strength and rigidity without causing a significant increase in weight due to an increase in plate thickness or the addition of a reinforcing member, a method of partially modifying the material by a thermal spraying method or a plating method may be considered. However, it is actually difficult to ensure stable quality in terms of ensuring the thickness of the sprayed layer and plating thickness, and it is also difficult to apply to parts with complex shapes and large parts. There is a drawback that it lacks practicality.
[0005]
Note that the formation of another material layer on the surface of the member is not related to the improvement of the strength and rigidity of the frame. For example, Japanese Utility Model Publication No. 6-65623 discloses a roller with a cage for a bearing. A configuration has been disclosed in which a recess is formed in the portion, this is made to act as an oil groove, and a thickness corresponding to the thickness reduction is provided by providing the recess to ensure rigidity. Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-9135 discloses a configuration for suppressing deformation of the panel material when overlay welding is performed on overlapping portions of the panel member end portions.
[0006]
Furthermore, a method of partially increasing the strength of the material by applying heat treatment technology such as induction hardening is also being studied, but it is necessary to prepare a quenching coil for each type of component. It is not versatile and requires a new device for each part. Further, depending on the part shape, it may be difficult to manufacture a hardened coil suitable for the part, which is not practical. Although it has been proposed to use a laser beam as the heating source, since the heating range is narrow, it takes a long processing time and it is difficult to obtain a sufficient effect.
In addition, there is a problem that the effect of improving the rigidity cannot be expected at all in the case where the heat treatment technique is applied to increase the strength of the material.
[0007]
The present invention has been made in view of the above-described conventional technical problems, and can achieve a stable effect without causing a significant increase in weight when attempting to improve the strength and / or rigidity of the frame. available means a versatile, no also subject be unduly limit the scope, the main object to provide a frame structure.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, the frame structure according to the invention of claim 1 of the present application (hereinafter referred to as the first invention) is formed of a plate material having a predetermined thickness, and the side closer to the load input point than the predetermined portion has high shock absorption. It is relatively easy to deform, and the side farther from the load input point than the predetermined part is a structure of a frame that is highly rigid and difficult to deform, and has deformation characteristics , and at least as a whole on the inner surface and / or outer surface of the frame. along the load input direction to the frame, and padding weld bead portion along the edge portion of the frame is formed, the build-up weld bead portion is far from the load input point than the constant region at the frame but compared to the side closer to the load input point than said predetermined portion, the rigidity is formed of a material having high, it is obtained by it said.
[0012]
The invention according to claim 2 of the present application (hereinafter referred to as the second invention) is characterized in that, in the first invention, the frame is a structural member of a vehicle body of a vehicle.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
1 and 2 show an example in which the present invention is applied to a front frame of a vehicle such as an automobile.
The front frame S is an important frame member from the viewpoint of ensuring collision safety and operability of the vehicle among frame members constituting the vehicle body, and is required to have a certain level of strength and rigidity. That is, the front frame S is required to secure a passenger space while effectively absorbing impact energy caused by a collision from the front of the vehicle with respect to collision safety. This energy absorption is generally caused by compressive deformation of the front frame from the front end (left end in FIG. 1) of the front frame S to the front suspension tower mounting portion Ct. Moreover, about the part after the suspension tower of the front frame S, high intensity | strength and rigidity are requested | required in order to ensure passenger | crew space.
[0015]
As can be clearly seen from FIG. 1, the front frame S includes a frame inner Sm obtained by pressing a steel plate material having a predetermined thickness into a cross-sectional hat shape, and a frame outer Sp made of a flat steel plate member having a predetermined thickness. Are not shown in the figure, but actually, the necessary reinforcements are assembled between them, and the flange portion Sf of the frame inner Sm is attached to the frame outer Sp. The flange portions Sf are assembled by being brought into contact with each other and joined by spot welding.
[0016]
In order to improve the strength and / or rigidity of the front frame S, when the present invention is applied, build-up welding is performed in the state of the frame inner Sm alone before the frame assembly.
That is, as shown in FIG. 2, the frame inner Sm is fixed to a welding jig (not shown) so that the inside faces upward, and a predetermined welding material selected according to the strength and / or rigidity to be applied is used. Using, for example, build-up welding is performed under a predetermined welding condition by a welding torch Тw held at the tip of a robot hand (not shown). In the example of FIG. 2, a weld bead portion Dw is formed on the inner surface portion (that is, along the inner corner portion) along the ridge line E (see FIG. 1) of the frame inner Sm.
[0017]
In the case of this front frame S, a load is mainly input in the longitudinal direction at the time of a collision. Therefore, the build-up weld bead portion Dw along the load input direction is formed, so that the frame against the assumed load input The strength and / or rigidity of S can be improved.
In particular, since the build-up weld bead portion Dw is formed along the ridge line portion E of the frame S, the strength and / or rigidity of the frame S can be improved more effectively and efficiently.
[0018]
In this case, the part where the build-up weld bead is to be formed is set according to the strength characteristic and / or rigidity characteristic required for the frame S, and further, the deformation characteristic (therefore, partial reinforcement is easy). In addition, by selecting a suitable welding material, it is possible to give the frame S the required strength characteristics and / or rigidity characteristics and further deformation characteristics without causing a significant increase in the frame weight. Become.
Moreover, since it can be constructed by general welding equipment, it is highly versatile and is not subject to excessive restrictions on the application range.
[0019]
Moreover, it is preferable to form a build-up weld bead portion made of a welding material that can cause work hardening by deformation at a predetermined portion where deformation due to load input of the frame S is assumed. Thereby, the load capability with respect to the load can be increased more effectively, and higher impact absorbability can be imparted to the impact caused by the load.
[0020]
Further, on the side farther from the load input point than the predetermined part assumed to be deformed by the load input of the frame S (for example, the rear side from the front suspension tower mounting portion Ct), the side closer to the load input point than the predetermined part ( For example, it is preferable to form a build-up weld bead portion made of a material having higher rigidity than the front suspension tower mounting portion Ct. Thereby, higher rigidity can be effectively given to the frame portion on the side farther from the load input point than the predetermined portion (the rear side from the front suspension tower mounting portion Ct).
This also compares the required deformation characteristics of the frame S, that is, the deformation characteristics that the front side of the front suspension tower mounting portion Ct has high shock absorption and is relatively easily deformed, and the rear side is highly rigid and difficult to deform. Can be easily applied.
[0021]
In the example of FIG. 2, the build-up weld bead portion Dw is formed on the frame inner Sm. However, depending on the required strength, rigidity and deformation characteristics, the frame outer Sp side or the inner The weld bead portion Dw may be provided on both the outer and outer sides.
In addition, in the example of FIG. 2, build-up welding is performed on the frame inner Sm alone, but the method of the present invention has extremely high flexibility in the construction method and a high degree of design freedom. By preparing it, it is possible to perform construction relatively easily even after the frame is assembled or assembled to the vehicle body.
[0022]
In order to confirm the effect of adopting the frame structure according to the present invention, a frame specimen having a straight and fixed cross section was prepared, and tests for examining various characteristics such as strength, rigidity, and energy absorption were performed. Hereinafter, these tests will be described.
2 and 3 show a basic shape of a frame body A (base frame) which is a base before performing build-up welding according to the present invention.
[0023]
As shown in this figure, this base frame A includes a frame inner Am obtained by pressing a steel plate material having a predetermined thickness into a cross-sectional hat shape, and a frame outer Ap made of a flat steel plate member having a predetermined thickness. Are assembled by bringing the flange portion Af of the frame inner Am into contact with the frame outer Ap and combining the flange portions Af by spot welding.
[0024]
In the present embodiment, an SPCC steel plate specified by JIS is used as the steel plate, and the thickness of both the frame inner Am and the frame outer Ap is 1.0 mm. Only the frame outer Ap was prepared with a plate thickness of 1.4 mm.
[0025]
The frame bodies (test materials) according to Examples 1 to 6 of the present invention to be described below are both meat with respect to the base frame A having a plate thickness of 1.0 mm for both the inner and outer members. A prime weld bead is provided.
For these inventive examples 1 to 7, the base frame A was set as comparative example 1, and only the frame outer Ap was set as a comparative example 2 with a plate thickness of 1.4 mm.
[0026]
5 and 6 show a frame specimen A1 according to Example 1 of the present invention. The frame body A1 of the first embodiment is composed of a frame inner A1m and a frame outer A1p, and is a build-up weld bead continuous along the ridge line portion E (that is, along the outer corner) on the outer surface of the frame inner A1m. Part Dw is formed.
[0027]
FIG. 7 shows a frame specimen A2 according to Example 2 of the present invention. The frame body A2 according to the second embodiment includes a frame inner A2m and a frame outer A2p, and is a built-up weld bead that is continuous along the ridge line portion E (that is, along the inner corner) on the inner surface of the frame inner A2m. Part Dw is formed.
[0028]
8 to 11 show frame test materials A3 to A6 according to Examples 3 to 6 of the present invention, respectively. The frame bodies A3 to A6 of these embodiments are respectively composed of frame inners A3m to A6m and frame outers A3p to A6p, and along the ridge line part E (that is, along the outer corners) on the outer surface of the frame inners A3m to A6m. The stitch-shaped build-up weld bead portion Dw constructed discontinuously is formed.
In this manner, by forming the stitch-like build-up weld bead Dw, the frame member can be deformed so as to be folded regularly when a compressive load is received from the longitudinal direction.
[0029]
In the said Example 1-6 of this invention, the welding wire (Nippon Welding Rod Co., Ltd. product: WEL MIG EP35) was used as a welding material. Since this Cu-based metal undergoes work hardening due to deformation, it is possible to increase the shock absorption of the frame, and since the melting point is relatively low, it is possible to suppress the thermal effect on the frame during overlay welding. .
In addition, when it is calculated | required to provide a high impact absorbability with a flame | frame, it is preferable to use the welding material with higher work hardenability, for example based on austenitic stainless steel.
[0030]
First, in order to examine the compression characteristics of the frame specimens according to the examples of the present invention, a compression test was performed using an apparatus as shown in FIG. In this compression test, the frame body A1 of Example 1 described above was used as an example of the present invention. As a comparative example, the base frame A described above was used and the frame outer plate thickness was 1.0 mm (Comparative Example 1). ) And 1.4 mm (Comparative Example 2).
In this compression test, a specimen (for example, frame A1) is disposed between the apparatus base Jb and the indenter Ja, the indenter Ja is statically lowered at a speed of 10 mm / min, and the amount of compressive deformation until 120 mm is compressed. (Mm) and compressive load Fa (kN) were collected as load-deformation curves. A load-deformation curve for each specimen is shown in FIG.
[0031]
As can be seen from the graph of FIG. 19, in the case of Example 1 of the present invention, compared with Comparative Example 1 in which the plate thickness conditions are the same, the compression load with respect to the same deformation amount is high, and the compression resistance characteristics are improved. When compared with Comparative Example 2 which is excellent and has a large frame outer thickness, the compression resistance can be regarded as substantially the same level, but the initial load is lower. Therefore, during compression deformation, energy can be absorbed on average as the deformation progresses, and it can be said that the energy absorption characteristics are excellent.
[0032]
Further, based on this load-deformation curve, that is, by calculating the area of the region surrounded by both the vertical and horizontal axes and the curve, the energy absorption amount of each specimen was determined. FIG. 20 shows the energy absorption amount of each specimen together with the frame weight.
As can be seen from the graph of FIG. 20, in the case of Example 1 of the present invention, extremely high energy absorption can be obtained with a weight increase of 30 g when compared with Comparative Example 1 in which the plate thickness conditions are the same. did it. Moreover, when compared with the comparative example 2 in which the plate thickness of the frame outer is large, the weight was reduced by 60 g, and the energy absorption was equivalent. However, as described in the graph of FIG. 19, in the case of the first embodiment of the present invention, the initial load is lower than that of the second comparative example, and the energy is absorbed on the average as the compression deformation progresses. It can be said that it has excellent energy absorption characteristics.
[0033]
Next, a test for examining the bending rigidity of each frame was performed using the same combination of frame test materials as in the compression test. The test results of this bending stiffness test are shown in FIG.
As can be seen from the graph of FIG. 21, in the case of the first embodiment of the present invention, the bending rigidity is greatly improved as compared with the comparative example 1 in which the plate thickness conditions are the same. Even compared with Comparative Example 2 having a large thickness, a slightly higher bending rigidity was obtained despite the light weight of 60 g.
[0034]
In addition, when it is calculated | required to give high bending rigidity to a flame | frame, as a welding material effective for rigidity improvement, the welding material for hardening build-up containing tungsten alloy and carbide (for example, the product made from a special electrode company: MT-CA-11, MT-CA-21, MT-CA-40, etc.) are effective.
[0035]
Next, for the case where the present invention was applied to the reinforcement disposed in the frame, a sample material frame was prepared and a three-point bending test was performed.
As shown in FIGS. 14 and 15, in this three-point bending test, a frame inner A7m and a frame outer A7p similar to the base frame A of the first comparative example (and therefore similar to the frame A1 of the first embodiment of the present invention) are used. It is assembled by sandwiching a reinforcement Ar having a hat-shaped cross section between both (plate thickness: 1.0 mm) and spot-bonding the overlapped flange portion.
[0036]
Then, the frame inner A7m and the frame outer A7p assembled without applying overlay welding to the reinforcement Ar were used as Comparative Example 3. Also, a frame A7 is formed by performing build-up welding along the inner side of the ridge line portion of the reinforcement Ar to form a continuous beam Dw and sandwiching it between the frame inner A7m and the frame outer A7p. 7 (see FIG. 15).
In addition, as the overlay welding material, a wire for mild steel (manufactured by Nippon Steel Welding Industry Co., Ltd .: YТ-28) was used.
[0037]
In this three-point bending test, the fulcrum Mb and the indenter Ma used had semi-circular shapes with tip radii of 15 mm and 25 mm, respectively. Then, the load speed of the bending load Fb was set to 10 mm / min, and the absorbed energy up to the maximum load and 50 mm displacement was obtained.
Thus, the test result of the three-point bending test performed about the case where this invention is applied to a reinforcement is shown in FIG.
[0038]
As can be clearly seen from the graph of FIG. 22, in the case of Example 7 of the present invention, the maximum bending load is about 33% and the average load (absorbed energy) when compared with Comparative Example 3 in which the plate thickness conditions are the same. An improvement of about 10% was observed, and it was confirmed that both properties were effective.
[0039]
Next, an example in which an austenitic stainless steel welding material is used as a build-up welding material will be described. 16 and 17 show the frame structure of the eighth embodiment of the present invention. In the eighth embodiment, the frame body A8 is configured by spot-welding the steel plate members A8m, both of which have a cross-sectional hat shape, at their flange portions.
In this case, a SPFC440 steel plate having a thickness of 1.2 mm was used as the plate material of the steel plate member having a hat-shaped cross section.
[0040]
And the base frame which does not perform build-up welding is made into the comparative example 4, and it has a stitch-like build-up welding bead as shown in FIG. 16 inside the ridgeline part E with respect to each steel plate member A8m of this frame 4. Dw was formed, and then assembled into a frame body A8 was designated as Example 8 of the present invention.
In this overlay welding, an austenitic stainless steel welding wire Y-308 having a wire diameter of 1.2 mm was used as a welding material. In the case of this austenitic stainless steel, it is known that martensite transformation occurs, so that the work hardenability is very high.
[0041]
Using the frame A8 of Example 8 of the present invention and the frame of Comparative Example 4 as test materials, various tests as shown below were performed. The results are shown in FIGS.
The test apparatus and method for each test is the same as the apparatus and method used in Example 1 or Example 7 of the present invention or the known apparatus and method.
[0042]
As can be clearly seen from the graphs of FIGS. 23 to 26, frame rigidity (in-plane bending, out-of-plane bending and torsional rigidity: see FIG. 23), bending moment and absorbed energy (see FIG. 24) in a three-point bending test, axial compression For both the maximum load (see FIG. 25) and the axial compression absorbed energy (see FIG. 26), Example 8 of the present invention shows superior characteristics compared to Comparative Example 4, and the effects of the present invention are effective. confirmed.
[0043]
In the present invention described above Examples 1-8, but both had along the edge portion of the frame (or reinforcement as part of the frame) to form a buildup weld bead portion, reference of the present invention embodiment As an example, as in the frame body A9 shown in FIG. 18 , for example, the direction in which a load is input (in the case of FIG. 18, in the plane portion of the plate materials A9m and A9n constituting the frame A9, not the ridge line portion. The build-up weld bead portion D along the longitudinal direction of the frame may be formed.
[0044]
In the above embodiment, MIG welding is mainly applied as build-up welding. However, by adopting an optimum welding device according to the material and type of the selected welding material, it is more stable. A weld bead can be obtained. That is, in addition to the MIG welding, any other known welding method such as ТIG welding or laser welding can be applied. Furthermore, application of various means for melting the welding material, such as burner heating, is possible.
[0045]
Further, the above embodiment has been mainly related to a steel plate frame that constitutes a vehicle body structure of a vehicle such as an automobile. However, the present invention is not limited to such a case, and other various uses. Alternatively, the present invention can be effectively applied to a frame made of different materials. Also, the load received by the frame is not limited to the load from the longitudinal direction. For example, a frame in which various other load inputs such as a bending load, a torsion load, a shear load, and combinations thereof are assumed. It is also possible to apply it effectively.
[0046]
Thus, it goes without saying that the present invention is not limited to the above embodiments, and various improvements or design changes can be made without departing from the scope of the invention.
[0047]
【Effect of the invention】
According to the frame structure according to the first invention of the present application, it is formed of a plate material having a predetermined thickness, and the side closer to the load input point than the predetermined portion is highly shock-absorbing and relatively easily deformed. side far is hard to high stiffness variations from the load input point, the frame with the deformation characteristics, on the inner and / or outer surface of its, padding weld bead portion along the load input direction to the frame as a whole, at least Since it is formed, the strength and / or rigidity of the frame can be improved with respect to an assumed load input. In this case, according to the strength characteristics and / or rigidity characteristics required for the frame, and also the deformation characteristics, a portion where the build-up weld bead is to be formed is set (thus, partial reinforcement can be easily performed), and By selecting a suitable welding material, it is possible to impart required strength characteristics and / or rigidity characteristics, and even deformation characteristics to the frame without incurring a significant increase in frame weight. Moreover, since it can be constructed by general welding equipment, it is highly versatile and is not subject to excessive restrictions on the application range.
In particular, since the build-up weld bead is formed along the ridgeline portion of the frame, the strength and / or rigidity of the frame can be improved more effectively and efficiently.
In particular, the side farther from the load input point than the constant region at the frame, than the side closer to the load input point than the predetermined portion, buildup weld bead portion rigidity is composed of a material having a high is formed Therefore, higher rigidity can be effectively imparted to the frame portion farther from the load input point than the predetermined portion. In addition, required deformation characteristics can be easily imparted to the frame.
[0051]
Further, according to the second invention of the present application, the same effect as that of the first invention can be obtained with respect to the frame which is a structural member of the vehicle body of the vehicle.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a front frame according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an example of build-up welding applied to the frame inner of the front frame.
FIG. 3 is a plan view of a base frame used in a test for confirming the effect of the present invention.
4 is a cross-sectional view of the base frame taken along line Y4-Y4 of FIG.
FIG. 5 is a perspective view of a frame according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 6 is an end view of the frame according to the first embodiment.
FIG. 7 is an end view of a frame according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view of a frame according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view of a frame according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 10 is a perspective view of a frame according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 11 is a perspective view of a frame according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing an outline of a compression test apparatus for Example 1 of the present invention.
13 is a cross-sectional view of the test frame taken along line Y13-Y13 in FIG.
FIG. 14 is an explanatory view showing the outline of a three-point bending test apparatus for Example 7 of the present invention.
15 is a cross-sectional view of the test frame taken along line Y15-Y15 in FIG.
FIG. 16 is a plan view of a frame according to Embodiment 8 of the present invention.
17 is a cross-sectional view of the frame according to Example 8 taken along line Y17-Y17 of FIG.
FIG. 18 is a perspective view of a frame according to a reference example of the embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a graph showing load-deformation characteristics in a compression test for Example 1 of the present invention.
FIG. 20 is a graph showing energy absorption characteristics in a compression test for Example 1 of the present invention.
FIG. 21 is a graph showing test results of a bending stiffness test for Example 1 of the present invention.
22 is a graph showing test results of a three-point bending test for Example 7 of the present invention. FIG.
FIG. 23 is a graph showing test results of a frame rigidity (in-plane bending, out-of-plane bending, and torsional rigidity) test for Example 8 of the present invention.
FIG. 24 is a graph showing the test results of a three-point bending test for Example 8 of the present invention.
FIG. 25 is a graph showing the maximum axial compression load in the compression test for Example 8 of the present invention.
FIG. 26 is a graph showing axial compression absorbed energy in the compression test for Example 8 of the present invention.
[Explanation of symbols]
A1~A 8 ... frame Dw ... build-up weld bead portion E ... ridge S ... front side frame

Claims

It is formed of a plate material with a predetermined thickness, and the side closer to the load input point than the predetermined part is highly shock-absorbing and relatively easily deformed, and the side farther from the load input point than the predetermined part is highly rigid and difficult to deform. A frame structure with deformation characteristics ,
On the inner surface and / or outer surface of the frame, a build-up weld bead portion is formed at least as a whole along the load input direction to the frame and along the ridge line portion of the frame,
The build-up weld bead portion, a side far from the load input point than the constant region at the frame, than the side closer to the load input point than said predetermined portion, the rigidity is formed of a material having high,
A frame structure characterized by that.

The frame structure according to claim 1, wherein the frame is a structural member of a vehicle body of a vehicle.