JP2009202619A - 車体フレーム補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】車体フレームの補強構造に関し、簡素な構成で効率的に応力を分散し疲労寿命を向上させる。
【解決手段】車両前後方向に延在するサイドフレーム１を補強するためにスティフナ２を接合する車体フレーム補強構造に関する。
スティフナ２の車両前後方向の端部に栓溶接を施し、第一接合部４とする。また、第一接合部４よりも車両前後方向の内側の位置に第二接合部５を設ける。
その際、第一接合部４をサイドフレーム１における車両高さ方向の中心から離間させた位置とし、第二接合部５を車両高さ方向の中心に近接させた配置関係に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トラックやバス等の車体フレームを補強するための補強構造に関するものである。

従来、トラックやバスの車体には、車両前後方向に延在する一対のサイドフレームと、それらの間を車両幅方向に連結するクロスメンバとを備えた梯子型の車体フレームが採用されている。このような車体フレームでは、負荷が大きい部分を適宜補強することでフレーム全体の強度，剛性を確保し、応力集中に対する強度耐久性を高めたさまざまな構造が提案されている。

例えば、特許文献１には、左右一対のサイドフレームをそれぞれ前部メンバと後部メンバとに分割し、トラックのキャブと荷室との境目付近で重ね合わせて結合した車体フレーム構造が記載されている。この技術では、チャンネル型の断面形状を有するサイドフレームにおいて前部メンバの外形を後部メンバの内側寸法に一致させることにより、前部メンバ及び後部メンバを正確に重ね合わせている。このような構造により、車体フレームの生産効率を高めつつ、集中応力に対する強度耐久性を確保できるとされている。

また、車体フレームの中で特に大きな負荷が作用する部位に補強部材としてのスティフナを溶接固定する補強方法も知られている。一般的なスティフナの取り付け構造を図６に示す。
この例では、サイドフレーム１１が、車両高さ方向（上下方向）に延在するフレームウェブ部１１ａと、このフレームウェブ部１１ａの上下端部から車幅方向（水平方向）に延出した一対のフレームフランジ部１１ｂとから構成されたチャンネル形状となっている。このサイドフレーム１１の内側に、補強部材としてのスティフナ１２が固定されている。

スティフナ１２は、サイドフレーム１１の上部を補強するアッパスティフナと、下部を補強するロアスティフナとの二部材から構成されている。これらのスティフナ１２はどちらも、フレームウェブ部１１ａに対して面接触するスティフナウェブ部１２ａと、フレームフランジ部１１ｂに対して面接触するスティフナフランジ部１２ｂとから構成されており、その断面形状が略Ｌ字状に形成されている。

また、サイドフレーム１１の側面視において、アッパスティフナのスティフナウェブ部１２ａではその下端が略三角形状に形成され、また同様に、ロアスティフナのスティフナウェブ部１２ａではその上端が略三角形状に形成されている。一方、スティフナフランジ部１２ｂの形状は、アッパスティフナ，ロアスティフナともに略矩形となっている。一般に、このようなスティフナ１２は、フレームウェブ部１１ａに対しては隅肉溶接で固定され、フレームフランジ部１１ｂに対しては栓溶接で固定されている。
特開平９−２２１０６３号公報

ところで、サイドフレーム１１とスティフナ１２との接合部のうち、スティフナウェブ部１２ａの隅肉溶接のビード端部１３は、断面係数が急変するサイドフレーム１１の延在方向の端部に近接しているため、応力が集中しやすい。また、スティフナフランジ部１２ｂにおける両端の栓溶接部１４も、断面形状急変部に近接していることに加えて、変形量の大きいフランジ面上の溶接部であるため、過大な応力が作用しやすい。

例えば、サイドフレーム１１にねじれが生じると、サイドフレーム１１の全体が中心線Ｏを中心としてねじれるため、中心線Ｏから上下方向に離れるほどねじれ量が大きくなり、フレームフランジ部１１ｂでねじれ量が最大となる。つまり、サイドフレーム１１の上下端で最もひずみが大となる。一方、応力はひずみの大きさに比例するので、スティフナ１２が重合したサイドフレーム１１の上下端に高応力が生じる。

また、サイドフレーム１１におけるスティフナ１２前端及び後端の部分では、剛性が急変するので応力集中が生じる。
このように、応力の上下方向への分布に着目した場合、サイドフレーム１１の上下端に高応力が生じ、また、応力の前後方向への分布に着目した場合、スティフナ１２の前後端が位置する部分で応力集中が生じるので、ビード端部１３や栓溶接部１４には特に高応力が生じることになる。このような高応力はできる限り低減されることが好ましい。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、簡素な構成で、効率的に応力を分散とすることができ、疲労寿命を向上させることのできる車体フレーム補強構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明の車体フレーム補強構造は、車両前後方向に延在するサイドフレームと、同サイドフレームの内面に沿って延設されるとともに、上記サイドフレームに対して複数の接合部を介して接合され上記サイドフレームを補強するスティフナと、上記複数の接合部のうち上記スティフナにおける車両前後方向の端部に配置され栓溶接を施された第一接合部と、上記第一接合部よりも上記スティフナにおける車両前後方向の内側の位置に配置される第二接合部とを備え、上記第一接合部が、上記サイドフレームにおける車両高さ方向の中心から離間し、上記第二接合部が、上記第一接合部よりも上記サイドフレームにおける車両高さ方向の中心に近接していることを特徴としている。

また、請求項２記載の本発明の車体フレーム補強構造は、請求項１記載の構成において、上記サイドフレームが、車両前後方向かつ車両高さ方向に延在するフレームウェブ部、及び、上記フレームウェブ部の上下端にそれぞれ配設され車両前後方向かつ車両幅方向に延在する上下一対のフレームフランジ部を有して、その断面形状が略コ字状に形成され、上記スティフナが、上記フレームウェブ部に対して面接触するスティフナウェブ部と、上下一対の上記フレームフランジ部のうちどちらか一方の上記フレームフランジ部に対して面接触するスティフナフランジ部とを有して、その断面形状が略Ｌ字状に形成され、上記スティフナウェブ部が、上記サイドフレームの車両高さ方向の中心に近づくにつれ、車両前後方向の長さが次第に短くなる略三角形状に形成されていることを特徴としている。

また、請求項３記載の本発明の車体フレーム補強構造は、請求項２記載の構成において、上記第二接合部が、上記フレームウェブ部の車両高さ方向の中心側端縁部にて隅肉溶接として形成されることを特徴としている。
また、請求項４記載の本発明の車体フレーム補強構造は、請求項２又は３記載の構成において、上記スティフナフランジ部における車両前後方向の端部に配置される第三接合部をさらに備え、上記第一接合部及び上記第二接合部が、上記スティフナウェブ部に配置されるとともに、上記第三接合部が、上記第二接合部よりも上記スティフナにおける車両前後方向の内側に配置されることを特徴としている。

また、請求項５記載の本発明の車体フレーム補強構造は、請求項２〜４の何れか１項に記載の構成において、上記スティフナフランジ部の車両幅方向内側端部において、車両高さ方向の外側部分に面取り形成された面部をさらに備えたことを特徴としている。

本発明の車体フレーム補強構造（請求項１）によれば、サイドフレームがねじれた際のひずみが最も大きい部分である第一接合部を栓溶接としたので、溶接部に発生する応力を円周上に均等に分散することができる。一方、サイドフレームにおける車両高さ方向の中心に近接している第二接合部は、サイドフレームがねじれた際のひずみがさほど大きくなく、第一接合部が変形しようとするひずみ応力を分担することができ、サイドフレームの剛性，耐久性を向上させることができる。

また、本発明の車体フレーム補強構造（請求項２）によれば、スティフナウェブ部が、サイドフレームの車両高さ方向の中心に近づくにつれ、車両前後方向の長さが短くなる略三角形状に形成されているので、スティフナの車両前後方向の中心から端部へかけての断面剛性変化傾斜も、スティフナからサイドフレームの一般断面への継続部までの断面剛性変化傾斜も緩やかになる。これにより、サイドフレームのねじりによって発生する集中応力を小さくすることができる。

また、本発明の車体フレーム補強構造（請求項３）によれば、隅肉溶接の車両前後方向端縁の位置が、栓溶接された第一接合部に対して、車両前後方向における内側に位置するようにしたので、隅肉溶接の端縁に発生する応力を栓溶接部に分担させることができる。これにより、隅肉溶接の端縁の応力集中を軽減することができる。
また、本発明の車体フレーム補強構造（請求項４）によれば、サイドフレームがねじれた際の変形量が最も大きい部分であるフランジ部を補強するスティフナフランジ部において、第三接合部をスティフナフランジ部端縁から離れた内側の位置に配設することにより、サイドフレームのフランジ部における断面係数の変化傾斜が緩やかになり、サイドフレームのねじりによる応力分布を均すことができる。

また、本発明の車体フレーム補強構造（請求項５）によれば、スティフナフランジ部とフレームフランジ部との接触面の端部を面取り加工することで、部材変形時の食い込みや切削を防止することができる。

以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図４は本発明の一実施形態に係る車体フレーム補強構造を示すものであり、図１は本補強構造の全体構成を示す斜視図、図２（ａ）〜（ｃ）は本補強構造に係るスティフナの構成を示す三面図、図３は本補強構造における断面係数の分布を示すグラフ、図４は本補強構造においてフレームに作用する曲げ応力の分布を示すグラフである。また、図５は本発明の変形例に係る車体フレーム補強構造を説明するためのスティフナ端部の側面図である。

なお、図６（ａ）〜（ｃ）は従来の車体フレーム補強構造に係るスティフナの構成を示す三面図、図７はその断面係数の分布を示すグラフ、図８はフレームにかかる曲げ応力の分布を示すグラフである。

［構成］
［Ａ．全体構成］
一般的なトラックの車体には、車両前後方向に延在する一対のサイドフレームと、それらの間を車両幅方向に連結するクロスメンバとを備えた梯子型の車体フレームが採用されている。本実施形態では、トラックのサイドフレームに本補強構造を適用したものを例示する。

図１に示すように、サイドフレーム１は車両前後方向（以下、単に前後方向という）に延在しており、その断面形状が略コ字状に形成されている。このサイドフレーム１は、垂直に立設されたフレームウェブ部１ａと、フレームウェブ部１ａの上下端縁から水平に配向されたフレームフランジ部１ｂとから構成されている。各フレームフランジ部１ｂは、車幅方向の内側へ向けて屈曲するように延出している。

サイドフレーム１の内面には、補強部材としてのアッパスティフナ２及びロアスティフナ３が固設されている。本実施形態ではこれらのスティフナが同一形状に形成されている。以下、これらを代表してアッパスティフナ２を単にスティフナ２と称し、スティフナ２の形状を詳述する。

［Ｂ．スティフナ構成］
スティフナ２は、サイドフレーム１のフレームウェブ部１ａに対し面接触するスティフナウェブ部２ａと、フレームフランジ部１ｂに対し面接触するスティフナフランジ部２ｂとから形成されたアングル状（断面形状が略Ｌ字状）の部材である。

図２（ｂ），（ｃ）に示すように、スティフナウェブ部２ａは、サイドフレーム１の車両高さ方向の中心線Ｏに近づくにつれ、車両前後方向の長さが次第に短くなる略逆三角形状に形成されている。つまり、スティフナフランジ部２ｂ側を一辺とする矩形においてサイドフレーム１の上下方向中心線Ｏ側の二頂点を切り落としたような略三角形状に形成されている。言い換えると、スティフナウェブ部２ａの面形状は、スティフナフランジ部２ｂ側からサイドフレーム１の上下方向中心線Ｏへ向かって突出する頂点を有した略五角形状をなしている。

スティフナウェブ部２ａの左右両端部にはそれぞれ貫通穴が穿孔されており、この貫通穴の内側全周を隅肉溶接する所謂栓溶接が施されて第一接合部４が形成されている。また、スティフナウェブ部２ａの下端部（車両高さ方向の中心側端縁部）には、フレームウェブ部１ａ面に対して隅肉溶接が施されている。以下、隅肉溶接の両端部のことを第二接合部５と呼ぶ。

図２（ｂ）に示すように、第一接合部４は、スティフナウェブ部２ａ上において車両前後方向の端部に配置されている。一方、第二接合部５は、第一接合部４よりも車両前後方向の内側の位置に配置されている。また、車両高さ方向の位置に着目すると、第二接合部５は、第一接合部４よりも中心線Ｏに近接した位置に設けられている。
また、図２（ａ），（ｃ）に示すように、スティフナフランジ部２ｂは、フレームフランジ部１ｂの下面と同一幅の略矩形に形成されている。スティフナフランジ部２ｂには複数個の貫通穴が穿孔されており、各貫通穴に栓溶接が施されて接合されている。以下、これらのうち、車両前後方向の両端部に配置された接合部のことを第三接合部６と呼ぶ。

この第三接合部６は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、第二接合部５よりも車両前後方向の内側に配置されている。つまり、図２（ａ）中に一点鎖線で囲んで示すように、スティフナフランジ部２ｂの両端部近傍には、何も溶接固定されていない非固定部６ａが設けられている。なお、この非固定部６ａとは、フレームフランジ部１ｂとスティフナフランジ部２ｂとの接触のみによって応力が伝達される部位といえる。

図６（ａ）〜（ｃ）に示された従来の補強構造と本実施形態の補強構造とを比較すると、スティフナフランジ部２ｂにおける両端部近傍を栓溶接する代わりに、スティフナウェブ部２ａの端部に新たな栓溶接箇所を設けたことになる。
なお、図２（ｄ）に示すように、スティフナフランジ部２ｂにおける車幅方向内側の端部には、フレームフランジ部１ｂとの干渉を避けるべく、面取り加工された面部２ｃが形成されている。

［作用・効果］
本発明の一実施形態にかかる車体フレーム補強構造は上述のように構成されているので、以下のような作用・効果がある。

［Ａ．フランジ側］
サイドフレーム１に負荷が作用してねじれが生じた場合、図２（ｂ）中の中心線Ｏからの距離が離れるほど、大きなひずみが発生する。これにより、スティフナウェブ部２ａよりもスティフナフランジ部２ｂの方が大きくひずむことになる。スティフナフランジ部２ｂにおける応力分布は、栓溶接が施された各貫通穴の周辺に分散される。

一方、これらのうち車両前後方向の両端部に配置された第三接合部６は、スティフナフランジ部２ｂにおけるやや中央寄りに配置されており、両端部近傍には非固定部６ａが設けられている。
このように、第三接合部６が第二接合部５よりも車両前後方向の内側に配置され、スティフナ２の全体のうち強度的に最も不利な位置であるスティフナフランジ部２ｂの両端部近傍に非固定部６ａが設けられているため、応力集中を発生しにくくすることができる。

また、図７に示すように、従来の補強構造では、スティフナフランジ部２ｂの両端部近傍は断面形状の急変部であり変形量も大きいため、溶接部分に過大な応力が生じやすい。これに対して、本補強構造では、図３に示すように、スティフナフランジ部２ｂの両端部近傍での溶接を止めることで溶接部分への応力集中を緩和して疲労寿命を向上させることができる。

また、スティフナフランジ部２ｂにおける車幅方向内側の端部に面部２ｃが設けられているため、たとえフレーム１とフランジ２との間に僅かな変位が生じたとしても、フレームフランジ部１ｂとの干渉を防止することができ、フレームフランジ部１ｂの内側を削ってしまうおそれがないという利点がある。

［Ｂ．ウェブ側］
スティフナウェブ部２ａでは、栓溶接が施された第一接合部４及び隅肉溶接された下端部が応力を負担する。スティフナウェブ部２ａにおける最もひずみが大きくなる位置は車両前後方向の端部である。

ここで、スティフナウェブ部２ａにおける第一接合部４，第二接合部５の水平方向の配置関係に着目すると、第二接合部５よりもひずみの大きい車両前後方向の端部に第一接合部４が配置されていることから、第一接合部４が第二接合部５よりも大きな応力を負担することになる。
このように、最もひずみの大きい部位に第一接合部４を設けて栓溶接したため、サイドフレームの剛性や耐久性を高めることができる。つまり、スティフナ２全体が変形しようとした場合、第二接合部５に変位が生じるよりも先に、第一接合部４に変位が生じることになるため、応力は第二接合部５よりも第一接合部４に多く作用する。したがって、第一接合部４を設けることで、第二接合部５を保護することができる。

また、第一接合部４が栓溶接で固定されているため、スティフナウェブ部２の貫通穴の壁面全周に沿って応力を均等に分散させることができ、強固に固定することができる。
特に、従来の補強構造では、図８に示すように、隅肉溶接の端部への応力集中によって疲労が生じやすい。これに対して、本補強構造では第一接合部４によって応力が分散されるため、図４に示すように隅肉溶接の端部への応力集中を軽減することができ、スティフナ２全体の剛性，強度を効果的に高めることができる。なお、栓溶接は、隅肉溶接と比較して強度的に有利であるから、応力の負担割合を大きくしても何ら問題がない。

また、第一接合部４，第二接合部５の垂直方向の配置関係においても、第一接合部４は中心線Ｏに対して第二接合部５よりも離間した位置に配置されているため、応力をより多く負担することができ、第二接合部５を効果的に保護することができる。

［Ｃ．全体形状］
本補強構造に係るスティフナウェブ部２ａは、図２（ｂ）に示すように、側面視の形状が略逆三角形状に形成されており、車両前後方向の端部ほど小断面となっている。そのため、図３中に実線で示すように、スティフナ２の断面剛性の変化傾斜も緩やかとなる。なお、図３中に破線で示したものは、従来の補強構造に係る対比例（図７中の実線グラフ）である。さらに、スティフナ２からサイドフレーム１の一般断面への継続部までの断面剛性変化傾斜も緩やかになる。したがって、サイドフレーム１のねじりによって発生する集中応力を効率的に分散することができ、溶接箇所の応力を小さくすることができる。

［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、スティフナ２の具体的な形状やスティフナフランジ部２ｂにおける溶接方法，溶接箇所等は上述の実施形態のものに限定されない。少なくとも、スティフナウェブ部２ａにおける車両前後方向の端部に配置された第一接合部４が栓溶接であって、第二接合部５よりも中心線Ｏから離間し、かつ、車両前後方向の外側に位置していればよい。

例えば、隅肉溶接の代わりに他の溶接手法を用いてもよく、あるいは締結部材を用いて機械的に接合してもよい。また、スティフナウェブ部２ａの板形状を矩形としてもよいし、台形形状とすることも考えられる。
また、その断面形状が略Ｌ字状に形成されたスティフナを用いる場合には、スティフナフランジ部２ｂにおいて、栓溶接の代わりに他の溶接手法を用いて第三接合部６を形成してもよい。また、上述の実施形態ではスティフナフランジ部２ｂに穿孔された複数の貫通穴がフレームフランジ部１ｂに対して栓溶接されているが、少なくとも第二接合部５よりも車両前後方向の内側で接合された部位があればよい。

なお、本発明は、第一接合部４と第二接合部５との配置関係に関して、例えば中心線Ｏに対する距離が略同一であるような構成や、図５に示すように、車両前後方向の位置が略同一であるような構成を妨げない。第一接合部４による第二接合部５の保護作用を考慮すれば、図５中にハッチで示すような範囲内に第一接合部４を配置することが好ましいと考えられる。

また、上述の実施形態では、アッパスティフナ２とロアスティフナ３とが同一形状に形成されているが、無論異なる形状に形成してもよい。
また、上述の実施形態は、本発明の車体フレーム補強構造をトラックに適用した場合について説明したが、車体フレームを有する乗用車，トレーラ，バス等の車両にも適用することができる。

本発明の一実施形態に係る車体フレーム補強構造の全体構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る車体フレーム補強構造に係るスティフナの構成を示す三面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は（ｃ）の要部を拡大した側面図である。 本発明の一実施形態に係る車体フレーム補強構造における断面係数の分布を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る車体フレーム補強構造においてフレームに作用する曲げ応力の分布を示すグラフである。 本発明の変形例に係る車体フレーム補強構造を説明するためのスティフナ端部の側面図である。 従来の車体フレーム補強構造に係るスティフナの構成を示す三面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。 従来の車体フレーム補強構造における断面係数の分布を示すグラフである。 従来の車体フレーム補強構造においてフレームに作用する曲げ応力の分布を示すグラフである。

符号の説明

１ サイドフレーム
１ａ フレームウェブ部
１ｂ フレームフランジ部
２ スティフナ（アッパスティフナ）
２ａ スティフナウェブ部
２ｂ スティフナフランジ部
２ｃ 面部
４ 第一接合部
５ 第二接合部（隅肉溶接の端部）
６ 第三接合部
６ａ 非固定部

Claims (5)

1. 車両前後方向に延在するサイドフレームと、
   同サイドフレームの内面に沿って延設されるとともに、上記サイドフレームに対して複数の接合部を介して接合され上記サイドフレームを補強するスティフナと、
   上記複数の接合部のうち上記スティフナにおける車両前後方向の端部に配置され栓溶接を施された第一接合部と、
   上記第一接合部よりも上記スティフナにおける車両前後方向の内側の位置に配置される第二接合部とを備え、
   上記第一接合部が、上記サイドフレームにおける車両高さ方向の中心から離間し、
   上記第二接合部が、上記第一接合部よりも上記サイドフレームにおける車両高さ方向の中心に近接している
   ことを特徴とする、車体フレーム補強構造。
2. 上記サイドフレームが、車両前後方向かつ車両高さ方向に延在するフレームウェブ部、及び、上記フレームウェブ部の上下端にそれぞれ配設され車両前後方向かつ車両幅方向に延在する上下一対のフレームフランジ部を有して、その断面形状が略コ字状に形成され、
   上記スティフナが、上記フレームウェブ部に対して面接触するスティフナウェブ部と、上下一対の上記フレームフランジ部のうちどちらか一方の上記フレームフランジ部に対して面接触するスティフナフランジ部とを有して、その断面形状が略Ｌ字状に形成され、
   上記スティフナウェブ部が、上記サイドフレームの車両高さ方向の中心に近づくにつれ、車両前後方向の長さが次第に短くなる略三角形状に形成されている
   ことを特徴とする、請求項１記載の車体フレーム補強構造。
3. 上記第二接合部が、上記フレームウェブ部の車両高さ方向の中心側端縁部にて隅肉溶接として形成される
   ことを特徴とする、請求項２記載の車体フレーム補強構造。
4. 上記スティフナフランジ部における車両前後方向の端部に配置される第三接合部をさらに備え、
   上記第一接合部及び上記第二接合部が、上記スティフナウェブ部に配置されるとともに、
   上記第三接合部が、上記第二接合部よりも上記スティフナにおける車両前後方向の内側に配置される
   ことを特徴とする、請求項２又は３記載の車体フレーム補強構造。
5. 上記スティフナフランジ部の車両幅方向内側端部において、車両高さ方向の外側部分に面取り形成された面部をさらに備えた
   ことを特徴とする、請求項２〜４の何れか１項に記載の車体フレーム補強構造。

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