JP5573233B2

JP5573233B2 - 車両用フレーム構造

Info

Publication number: JP5573233B2
Application number: JP2010046163A
Authority: JP
Inventors: 正徳本田; 伸佐々木; 力田中; 研一山本
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2030-03-03
Also published as: JP2011178327A

Description

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、外部から荷重が作用し得る管状のフレーム本体の内部に、該フレーム本体の長手方向に沿って補強部材が取り付けられた車両用フレーム構造に関する。

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センター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）には、高強度及び高剛性が求められるとともに、燃費性能の向上を図るため軽量化が求められている。このため、車体フレームは、多くの場合、金属製の板状素材を管状に形成して構成されている。

また、車体フレームとして、管状のフレーム本体の内部に該フレーム本体の長手方向に沿って補強部材を取り付けたものも知られている。例えば特許文献１には、サイドシルの内部に、インナパネルとの間でサイドシルの長手方向に延びる複数の閉断面部を形成する補強部材を設けて、該閉断面部によってサイドシルの曲げ剛性を高めるようにしたものが開示されている。

特開２００９−１１３７６８号公報

近年、自動車等の車両では、例えば車体側方からの衝突、所謂側突を受けた際に乗員の安全性を確保するために、車両の側突時に、センターピラーやサイドシルなどの車体フレームに外部から荷重が作用しても曲げ変形しないよう、車体フレームの曲げ抗力をさらに高めることが求められている。

本願発明者等は、種々の試験研究を重ねた結果、具体的には後述するが、矩形断面の管状のフレーム本体に外部から荷重が作用して曲げ変形する場合、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フレーム本体の内方側へ変形し始め、この変形に伴って該第１面部に隣接する面部がフレーム本体の外方側に膨らんで面外変形を生じるとともに、荷重が作用した時に引張方向の力が作用する第２面部がフレーム本体の内方側へ変形し、フレーム本体が曲げ変形して座屈することを見出した。

かかる知見によれば、外部から荷重が作用し得るフレーム本体では、フレーム本体の内方側への第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面外変形を抑制することができれば、フレーム本体全体の曲げ変形を有効に抑制することができ、フレーム本体の曲げ抗力を高めることができると考えられる。

その場合に、外部から荷重が作用し得るフレーム本体の第１面部に隣接する面部に、前記特許文献１に開示されるような、フレーム本体の長手方向に延びる複数の閉断面部を形成するように補強部材を取り付けることが考えられる。かかる場合には、補強部材によってフレーム本体全体の剛性を高めて曲げ抗力を高めることができるものの、フレーム本体の第１面部に外部から荷重が作用する際に、フレーム本体の長手方向に延びる閉断面部がフレーム本体の第１面部に隣接する面部の面外変形に余り役立たず、フレーム本体の第１面部に隣接する面部と閉断面部とがともにフレーム本体の外方側へ膨らんで面外変形を生じる畏れがある。

これに対して、フレーム本体の内部に、該フレーム本体の長手方向に対して所定角度傾斜した方向に延びる複数の閉断面部を形成するように補強部材を取り付けることが考えられる。この場合は、閉断面部がフレーム本体の長手方向に対して所定角度傾斜した方向に延びるように補強部材が取り付けられていることから、閉断面部がフレーム本体の長手方向に延びるように補強部材を取り付けた場合に比べて、フレーム本体の第１面部に隣接する面部が面外変形することを抑制することができる。

しかしながら、フレーム本体の第１面部に隣接する面部の面外変形は、フレーム本体の長手方向の一部において外方側へ膨らみ、その外方側へ膨らんだ部分のフレーム本体の長手方向の両端部に面外変形の起点が存在することから、フレーム本体の第１面部に隣接する面部に、該フレーム本体の長手方向に対して所定角度傾斜した方向に延びる複数の閉断面部を形成するように補強部材を取り付けた場合には、フレーム本体の第１面部に隣接する面部と補強部材とが離間した閉断面部を起点としてフレーム本体の面外変形が生じる畏れがある。

そこで、この発明は、前記技術的課題に鑑みてなされたものであり、フレーム本体の面外変形を抑制することができるとともにフレーム本体の面外変形の起点をなくし、フレーム本体の曲げ抗力を高めることができる車体用フレーム構造を提供することを目的とする。

このため、本願の請求項１に係る車体用フレーム構造は、外部から荷重が作用し得る管状のフレーム本体の内部に、該フレーム本体の長手方向に沿って補強部材が取り付けられた車両用フレーム構造であって、前記フレーム本体は、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、該第１面部と第２面部との間に位置し、該第１面部と該第２面部との間でそれぞれ角部を形成する第３面部と、を有し、前記補強部材は、前記第３面部から離間した状態で該第３面部に沿って延在する基部と、該基部から該第３面部に向けて突出して該第３面部と当接し、少なくとも一部が該第３面部と結合される複数の凸部であって、錐台状に形成される複数の凸部とを有し、前記フレーム本体の第１面部と第３面部との間の角部を含む領域に取り付けられ、前記複数の凸部は、隣り合う凸部との間に形成された溝部が前記フレーム本体の長手方向に対して所定角度傾斜して網目状に形成されるように設けられ、前記溝部によって前記フレーム本体と前記補強部材の間に形成された網目状の空間部に、前記フレーム本体と前記補強部材とを接着する接着剤が充填され、前記補強部材の第３面部と結合される凸部を除く凸部は、前記第３面部と結合される凸部よりも凸部の高さが低く形成され、前記接着剤を介して前記第３面部と当接し、該接着剤により前記第３面部と接着されている、ことを特徴とする。

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、前記接着剤は、所定温度に加熱することにより発泡する熱硬化性接着剤であり、所定厚さを有するシート状に形成され、前記フレーム本体の第３面部と結合される凸部に対応して開口部が形成された状態で前記補強部材のフレーム本体側に重ね合わせて取り付けられている、ことを特徴とする。

更に、本願の請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明において、前記接着剤は、該接着剤の発泡前に、前記補強部材のフレーム本体側に重ね合わせて取り付けられ、前記溝部に対応して前記接着剤と前記フレーム本体との間に前記フレーム本体の長手方向に連続する網目状の空隙部が形成されている、ことを特徴とする。

本願の請求項１に係る車体用フレーム構造によれば、フレーム本体と補強部材との間に形成されフレーム本体の長手方向に対して所定角度傾斜した網目状の空間部によってフレーム本体が外方側に膨らんで面外変形することを抑制することができるとともに、接着剤を介してフレーム本体と補強部材との間の空間部に相当する部位がフレーム本体に拘束されることになるのでフレーム本体の面外変形の起点をなくし、フレーム本体の曲げ抗力を高めることができる。
また、補強部材の第３面部と結合される凸部を除く凸部は、第３面部と結合される凸部よりも凸部の高さが低く形成され、接着剤を介して第３面部と当接し、接着剤により第３面部と接着されていることにより、補強部材とフレーム本体との結合力を高めることができ、前記効果をより有効に奏することができる。

また、本願の請求項２に係る発明によれば、接着剤は、所定厚さを有するシート状に形成され、フレーム本体の第３面部と結合される凸部に対応して開口部が形成された状態で補強部材のフレーム本体側に重ね合わせて取り付けられていることにより、接着剤を補強部材に塗布する必要なしに比較的容易に接着剤を補強部材に取り付けることができるとともに、開口部を通じて凸部とフレーム本体とを結合することができ、補強部材を所定位置に精度良く配置することができる。また、接着剤は、所定温度に加熱することにより発泡する熱硬化性接着剤であるので、熱乾燥工程において、結合された補強部材とフレーム本体との間で接着剤を発泡させ、フレーム本体と補強部材とを確実に接着することができる。

更に、本願の請求項３に係る発明によれば、接着剤は、発泡前に、補強部材のフレーム本体側に重ね合わせて取り付けられ、溝部に対応して接着剤とフレーム本体との間にフレーム本体の長手方向に連続する網目状の空隙部が形成されていることにより、フレーム本体と補強部材の一部の凸部とを結合した後に電着塗装工程を行う場合に、電着液がフレーム本体と補強部材との間に入り込むことができ、耐食性の向上を図ることが可能である。

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１におけるＹ２Ａ−Ｙ２Ａ線及びＹ２Ｂ−Ｙ２Ｂ線に沿った車体フレームの断面図である。図２におけるＹ３−Ｙ３線に沿った車体フレームの断面図である。補強部材の凸部を説明するための説明図である。補強部材に取り付けられた接着剤が発泡する前の車体フレームの断面図である。フレーム本体と補強部材とにより構成された構造体を説明するための説明図である。車体フレームに荷重を負荷する圧子の下降ストロークに対する曲げ荷重の測定結果を示すグラフである。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を示す斜視図である。図８におけるＹ９−Ｙ９線に沿った車体フレームの断面図である。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。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１１における車体フレームの屈曲部の断面を示す断面図である。車体フレームに荷重を負荷する圧子の下降ストロークと該荷重に対する反力との関係、及び圧子の下降ストロークとエネルギー吸収量との関係を示すグラフである。

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」およ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。

本願発明者等は、管状のフレーム本体の内部に、該フレーム本体の長手方向に沿って補強部材が取り付けられた車両用フレーム構造において、フレーム本体の曲げ抗力を高め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、管状の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（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＥｎｇｉｎｎｅｒｉｎｇ）によるシミュレーション解析を行った。

図１０は、管状の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１０（ａ）は、車体フレームの曲げ変形挙動を解析するのに用いたモデルを示す図、図１０（ｂ）は、車体フレームに荷重が付加されて車体フレームが湾曲した状態を示す図、図１１は、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１２は、図１１における車体フレームの屈曲部の断面を示す断面図である。なお、図１１では、車体フレームの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１１及び図１２では、車体フレームの曲げ変形の進行状態を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に表しており、後述する図１３に示す圧子の下降ストロークがＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３の場合を順に示している。

このシミュレーションでは、管状の車体フレームとして、図１１及び図１２に示すように、上面部２００ａと、上面部２００ａと離間した状態で上面部２００ａと平行に設けられる下面部２００ｂと、上面部２００ａと下面部２００ｂとに隣接し上面部２００ａと下面部２００ｂとの間に位置する両側の側面部２００ｃ、すなわち図１１及び図１２において上面部２００ａの右側端部と下面部２００ｂの右側端部との間に位置する右側面部２００ｃ及び上面部２００ａの左側端部と下面部２００ｂの左側端部との間に位置する左側面部２００ｃとを有し、略矩形閉断面状に形成した管状のフレーム本体２００をモデルとして用い、この車体フレームに外部から曲げ荷重を付加して車体フレームが曲げ変形する際の変形挙動をシミュレーション解析した。

具体的には、図１０（ａ）に示すように、所定長さＸ１を有するフレーム本体２００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２０１で支持させ、２つの固定点２０１の中間位置に対応するフレーム本体２００の上面部２００ａの長手方向における中央部分Ｐ１に上方から圧子２０２を一定速度で下降させ、圧子２０２を介して、車両の側突時に外部から作用される荷重を模擬した荷重Ｆをフレーム本体２００に付加して、車体フレームの曲げ変形挙動を調べた。

このようにして車体フレームに外部から荷重Ｆが付加される場合、図１０（ｂ）に示すように、フレーム本体２００は下側に凸状に湾曲して変形し、フレーム本体２００は、上面部２００ａ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、下面部２００ｂ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、側面部２００ｃには、中立軸２１０より上面部２００ａ側では圧縮応力が生じ、中立軸２１０より下面部２００ｂ側では引張応力が生じることとなる。

図１３は、車体フレームに荷重を付加する圧子の下降ストロークと該荷重に対する反力との関係、及び圧子の下降ストロークとエネルギー吸収量との関係を示すグラフであり、図１３では、圧子２０２がフレーム本体２００の上面部２００ａに接触した位置からフレーム本体２００の曲げ変形とともに下降する圧子２０２の下降ストロークを横軸にとり、荷重Ｆに対する反力Ｆ’を左側縦軸にとって表示し、エネルギー吸収量ＥＡを右側縦軸にとって表示している。エネルギー吸収量ＥＡは、フレーム本体２００が曲げ変形されることにより吸収できるエネルギーであり、荷重Ｆに対する反力Ｆ’と圧子２０２の下降ストロークとの積で表されるものである。

図１１から図１３を参照して、シミュレーション解析による車体フレームの曲げ変形挙動について説明する。

図１１及び図１２の（ａ）に示すように、圧子２０２がフレーム本体２００の上方から下降し、圧子２０２が上面部２００ａに接触した位置である圧子の下降ストロークがＳ_０の場合、フレーム本体２００において、上面部２００ａと側面部２００ｃとの間に形成される角部２００ｄの頂点Ｐ２は、下面部２００ｂと側面部２００ｃとの間に形成される角部２００ｅの頂点Ｐ３の略垂直方向上方側に位置している。なお、これら頂点Ｐ２、Ｐ３は、フレーム本体２００が曲げ変形する際の屈曲部、すなわち中央部分Ｐ１を有する断面における角部２００ｄ、２００ｅの頂点を表している。

この状態から圧子２０２を下方へ移動し、フレーム本体２００に荷重Ｆを付加すると、図１３に示すように、圧子２０２の下降ストロークが大きくなるにつれて荷重Ｆに対する反力Ｆ’が大きくなり、フレーム本体２００が下側に凸状に湾曲して変形され、フレーム本体２００は、上面部２００ａで圧縮方向の力が作用し、下面部２００ｂで引張方向の力が作用し、荷重Ｆが付加される中央部分Ｐ１から曲げ変形される。

そして、圧子２０２の下降ストロークがＳ_１の場合に荷重Ｆに対する反力Ｆ’が最大となり、図１１及び図１２の（ｂ）に示すように、フレーム本体２００は下側に凸状に湾曲して変形されるとともに管状のフレーム本体２００の内方側へ変形され、この変形に伴って上面部２００ａに隣接する側面部２００ｃが断面方向における外方側に膨らんで面外変形を生じ、角部２００ｅの頂点Ｐ３に対して角部２００ｄの頂点Ｐ２が略垂直方向から外方側に傾斜し、図１１における変形箇所αで示すように、角部２００ｄに変形量の大きい部分が生じる。また、図１２（ｂ）に示すように、この変形に伴って下面部２００ｂがフレーム本体２００の内方側に変位している。

このフレーム本体２００の上面部２００ａに隣接する側面部２００ｃの面外変形は、フレーム本体２００の長手方向の一部において、具体的にはフレーム本体２００の長手方向の中央部分においてのみ外方側へ膨らみ、その外方側へ膨らんだ部分のフレーム本体２００の長手方向の両端部に、図１１における変形箇所βで示すように側面部２００ｃが折れ曲がって変形された面外変形の起点（谷になる部分）が存在している。

さらに圧子２０２の下降ストロークが大きくなると、図１３に示すように、圧子２０２の下降ストロークに伴って荷重Ｆに対する反力Ｆ’が小さくなり、図１１及び図１２の（ｃ）及び（ｄ）に示すように、フレーム本体２００はさらに曲げ変形され、上面部２００ａがフレーム本体２００の内方側へさらに変形され、この変形に伴って側面部２００ｃがフレーム本体２００の長手方向と直交する直交断面方向における外方側へさらに膨らんで面外変形を生じるとともに、下面部２００ｄがフレーム本体２００の内方側へさらに変位し、フレーム本体２００が曲げ変形して座屈している。

このシミュレーション解析結果から、本願発明者等は、矩形断面の管状のフレーム本体に外部から荷重が作用して曲げ変形する場合、荷重が作用した時に圧縮方向の力が作用する第１面部（上面部）が荷重の入力方向に沿ってフレーム本体の内方側へ変形し始め、この変形に伴って該第１面部に隣接する面部（側面部）がフレーム本体の外方側に膨らんで面外変形を生じるとともに、荷重が作用した時に引張方向の力が作用する第２面部（下面部）がフレーム本体の内方側へ変形し、フレーム本体が曲げ変形して座屈することを見出した。

なお、本願発明者等は、前述したシミュレーション解析に加えて、矩形断面の管状に形成した実際の車体フレームについても同様に、車体フレームに外部から荷重を作用して曲げ変形する際の変形挙動を調べる実験を行ったが、かかる実験においても、前述したシミュレーション解析結果と略同様の結果が得られた。また、本願発明者等は、後述するように、比較例１、比較例２、実施例の車体フレームについてもそれぞれ実際の車体フレームを作成して同様に変形挙動を調べる実験を行った。

そこで、これらシミュレーション解析結果及び実験結果に基づいて、外部から荷重が作用し得るフレーム本体では、フレーム本体の内方側への第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面外変形を抑制することができれば、フレーム本体全体の曲げ変形を有効に抑制することができ、フレーム本体の曲げ抗力を高めることができると考えられる。

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、図２は、図１におけるＹ２Ａ−Ｙ２Ａ線及びＹ２Ｂ−Ｙ２Ｂ線に沿った車体フレームの断面図、図３は、図２におけるＹ３−Ｙ３線に沿った車体フレームの断面図である。なお、図１及び後述する図８では、フレーム本体内の補強部材を明瞭に図示するため、フレーム本体と補強部材を接着する接着剤を省略するとともにフレーム本体を一点鎖線で示し、これを透過状態で示している。

図１から図３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、略矩形断面の管状のフレーム本体１０と、フレーム本体１０の長手方向に沿ってフレーム本体１０の内部に取り付けられるフレーム本体１０を補強するための補強部材２０とを有している。

フレーム本体１０は、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１１と、鋼板などの金属製の板状素材でなる第２の板状部材１２とから構成され、第１の板状部材１１は、略平面状に形成される底面部１１ａと、底面部１１ａの両側において底面部１１ａから略垂直方向に延びる側面部１１ｂと、側面部１１ｂから略直角方向に外側に延びるフランジ部１１ｃとを備え、第２の板状部材１２は、略平面状に形成される平面部１２ａを備えている。

フレーム本体１０は、第１の板状部材１１と第２の板状部材１２とが、第１の板状部材１１のフランジ部１１ｃを第２の板状部材１２の平面部１２ａに重ね合わせてスポット溶接で接合することにより接合され、略矩形閉断面状に形成されている。これにより、フレーム本体１０では、第１の板状部材１１の底面部１１ａと側面部１１ｂとの間に略直角をなす角部１０ａが形成され、第１の板状部材１１の側面部１１ｂと第２の板状部材１２の平面部１２ａとの間に略直角をなす角部１０ｂが形成されている。

フレーム本体１０の内部に取り付けられる補強部材２０もまた、鋼板などの金属製の板状素材をプレス加工して得られるものであり、フレーム本体１０の長手方向に沿ってフレーム本体１０の第１の板状部材１１の両側の側面部１１ｂにそれぞれ取り付けられ、フレーム本体１０の角部１０ａを含む領域においてフレーム本体１０の内周側を覆うように配設されている。なお、補強部材２０として、亜鉛メッキ鋼板などを用いることも可能である。

各補強部材２０は、フレーム本体１０の第１の板状部材１１の側面部１１ｂから所定距離離間した状態で側面部１１ｂに沿って延在する基部２１と、基部２１と一体的に形成され、基部２１から側面部１１ｂに向けて突出して四角錐台状に形成される複数の凸部２２とを有している。

図４は、補強部材の凸部を説明するための説明図であり、補強部材の要部を示す正面図である。図４に示すように、複数の凸部２２は、頂面部２２ａが四角形である四角錐台状に形成され、フレーム本体１０の長手方向及び該長手方向に直交する方向（直交断面方向）において周期的に配列されている。

複数の凸部２２はそれぞれ、頂面部２２ａの四角形の対角線がフレーム本体１０の長手方向及び直交断面方向と平行になるように配置され、フレーム本体１０の長手方向に隣り合う凸部２２が互いにフレーム本体１０の直交断面方向に重なりＬ１を有するとともに、フレーム本体１０の直交断面方向に隣り合う凸部２２が互いにフレーム本体１０の長手方向に重なりＬ２を有している。

複数の凸部２２はまた、隣り合う凸部２２との間に基部２１と凸部２２の側面部２２ｂとによって形成される溝部２５が、フレーム本体１０の長手方向に対して所定角度、本実施形態では４５度傾斜して網目状に形成されるように設けられている。すなわち、複数の凸部２２は、フレーム本体１０の長手方向及び直交断面方向に直線状に連続した溝部２５が形成されないように設けられている。

本実施形態では、図１において符号ＳＷを付して黒丸（●）印で示す位置にある一部の凸部２２が、フレーム本体１０の第１の板状部材１１の側面部１１ｂと当接して側面部１１ｂと仮止め溶接されて結合され、側面部１１ｂと結合される凸部２２を除く凸部２２が、接着剤２７を介して側面部１１ｂと当接し、接着剤２７により側面部１１ｂに接着されている。

図３では、側面部１１ｂと結合される凸部２２を符号２２Ａで示し、接着剤２７により側面部１１ｂに接着される凸部２２を符号２２Ｂで示している。図３に示すように、凸部２２Ａ及び２２Ｂはそれぞれ、基部２１からの高さがＨ_Ａ及びＨ_Ｂであり、側面部１１ｂと結合される凸部２２Ａを除く凸部２２Ｂは、側面部１１ｂと結合される凸部２２Ａよりも凸部の高さが低く形成されている。

接着剤２７としては、所定温度に加熱することにより発泡する熱硬化性接着剤が用いられる。図２及び図３に示すように、接着剤２７は、所定厚さを有するシート状に形成されたものが用いられ、該接着剤２７は、発泡前に補強部材２０に取り付けられ、所定温度に加熱することにより発泡してフレーム本体１０と補強部材２０との間に充填され、溝部２５によってフレーム本体１０と補強部材２０との間にフレーム本体１０の長手方向に対して４５度傾斜して形成された網目状の空間部２６に充填される。

図５は、補強部材に取り付けられた接着剤が発泡する前の車体フレームの断面図であり、図２の（ａ）及び（ｂ）に示す断面に対応する断面についてそれぞれ図５の（ａ）及び（ｂ）に示している。図５に示すように、シート状に形成された接着剤２７は、発泡前に補強部材２０のフレーム本体１０側に、具体的には基部２１及び凸部２２のフレーム本体１０側に重ね合わせて取り付けられる。

接着剤２７はまた、フレーム本体１０の第１の板状部材１１の側面部１１ｂと結合される凸部２２に対応して開口部２７ａが形成され、該開口部２７ａは、側面部１１ｂと結合される凸部２２の頂面部２２ａを覆う部分が四角形状に開口して形成されている。

このように、シート状に形成された接着剤２７が、補強部材２０のフレーム本体１０側に重ね合わせて取り付けられることにより、接着剤２７の発泡前には、溝部２５によって接着剤２７とフレーム本体１０との間にフレーム本体１０の長手方向に連続する網目状の空隙部２８が形成されることとなる。

本実施形態では、接着剤２７を補強部材２０のフレーム本体１０側に重ね合わせて取り付け、開口部２７ａを通じて補強部材２０の凸部２２を側面部１１ｂに当接させた状態で、補強部材２０をフレーム本体１０の内部に配置し、凸部２２と側面部１１ｂを仮止め溶接して結合する。その後、熱乾燥工程を施すことにより接着剤２７を発泡させて、フレーム本体１０と補強部材２０との間に接着剤２７を充填させ、溝部２５によって形成された網目状の空間部２６に充填させ、フレーム本体１０と補強部材２０とを接着させる。

また、補強部材２０には、フレーム本体１０の直交断面方向の上端部に平面状のフランジ部２３が形成されており、該フランジ部２３は、フレーム本体１０の第１の板状部材１１の底面部１１ａに沿って該底面部１１ａに取り付けられている。

このようにして構成される車体フレーム１は、荷重が作用することが想定される方向に第１の板状部材１１の底面部１１ａが対向するように配置される。これにより、外部から荷重が作用する時には、第１の板状部材１１の底面部１１ａに圧縮方向の力が作用して圧縮応力が生じ、第２の板状部材１２の平面部１２ａに引張方向の力が作用して引張応力が生じることとなる。

このように、本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造では、フレーム本体１０の内部に取り付けられる補強部材２０が、基部２１と複数の凸部２２とを有し、複数の凸部２２は、隣り合う凸部２２との間に形成された溝部２５がフレーム本体１０の長手方向に対して所定角度傾斜して網目状に形成されるように設けられている。これにより、網目状の空間部２６によってフレーム本体１０が外方側に膨らんで面外変形することを抑制することができ、フレーム本体１０の曲げ抗力を高めることができる。

図６は、フレーム本体と補強部材とにより構成された構造体を説明するための説明図であり、図３に示すフレーム本体の内部に補強部材が取り付けられた車体フレームの要部断面図を示している。図６に示すように、フレーム本体１０と該フレーム本体１０の第１の板状部材１１の側面部１１ｂに取り付けられた補強部材２０とによって、フレーム本体１０と補強部材２０との間には閉断面部２９ａを有する構造体２９が形成されている。

構造体２９では、図６に示すように、フレーム本体１０と補強部材２０とが曲げの中立軸３０から離間して配置されることにより、構造体２９によって、フレーム本体１０はその断面二次モーメントが高められた構造となっている。なお、図６では、フレーム本体１０の長手方向における断面について説明しているが、フレーム本体１０の直交断面方向においても同様に、フレーム本体１０と補強部材２０との間には閉断面部を有する構造体が形成され、フレーム本体１０はその断面二次モーメントが高められた構造となっている。

車体フレーム１に外部から荷重が作用して曲げ変形する場合、フレーム本体１０の第１の板状部材１１の側面部１１ｂが車体フレーム１の外方側に膨らんで面外変形を生じ、構造体２９には、図６に示すような曲げ変形がフレーム本体１０の長手方向及び直交断面方向に生じることとなるが、閉断面部２９ａを有する構造体２９によってフレーム本体１０の側面部１１ｂの剛性を高めて側面部１１ｂが外方側に膨らんで面外変形することを抑制することができ、フレーム本体１０の曲げ抗力を高めることができる。

また、本発明の第１の実施形態に係る車両用フレーム構造では、溝部２５によってフレーム本体１０と補強部材２０の間に形成された網目状の空間部２６に接着剤２７が充填されている。これにより、接着剤２７を介してフレーム本体１０と補強部材２０との間の空間部２６に相当する部位がフレーム本体１０に拘束されることになるのでフレーム本体１０の面外変形の起点になりやすい補強部材２０による側面部１１ｂとの不連続な部分、例えば図６においてβ’で示す部分をなくし、フレーム本体１０の曲げ抗力を更に高めることができる。

このように、本発明の第１の実施形態に係る車体用フレーム構造によれば、フレーム本体１０と補強部材２０との間に形成されフレーム本体１０の長手方向に対して所定角度傾斜した網目状の空間部２６によってフレーム本体１０が外方側に膨らんで面外変形することを抑制することができるとともに、接着剤２７を介してフレーム本体１０と補強部材２０との間の空間部２６に相当する部位がフレーム本体１０に拘束されることになるのでフレーム本体１０の面外変形の起点をなくし、フレーム本体１０の曲げ抗力を高めることができる。

また、接着剤２７は、所定厚さを有するシート状に形成され、フレーム本体１０の第１の板状部材１１の側面部１１ｂと結合される凸部２２に対応して開口部２７ａが形成された状態で補強部材２０のフレーム本体１０側に重ね合わせて取り付けられていることにより、接着剤２７を補強部材２０に塗布する必要なしに比較的容易に接着剤２７を補強部材２０に取り付けることができるとともに、開口部２７ａを通じて凸部２２とフレーム本体１０とを結合することができ、補強部材２０を所定位置に精度良く配置することができる。また、接着剤２７は、所定温度に加熱することにより発泡する熱硬化性接着剤であるので、熱乾燥工程において、結合された補強部材２０とフレーム本体１０との間で接着剤２７を発泡させ、フレーム本体１０と補強部材２０とを確実に接着することができる。

更に、接着剤２７は、発泡前に、補強部材２０のフレーム本体１０側に重ね合わせて取り付けられ、溝部２５に対応して接着剤２７とフレーム本体１０との間にフレーム本体１０の長手方向に連続する網目状の空隙部２８が形成されていることにより、フレーム本体１０と補強部材２０の一部の凸部２２とを結合した後に電着塗装工程を行う場合に、電着液がフレーム本体１０と補強部材２０との間に入り込むことができ、耐食性の向上を図ることが可能である。

また更に、補強部材２０の側面部１１ｂと結合される凸部２２Ａを除く凸部２２Ｂは、側面部１１ｂと結合される凸部２２Ａよりも凸部の高さが低く形成され、接着剤２７を介して側面部１１ｂと当接し、接着剤２７により側面部１１ｂと接着されていることにより、補強部材２０とフレーム本体１０との結合力を高めることができる。

本実施形態ではまた、車体フレーム１について、外部から荷重を作用して曲げ荷重を測定する実験を行った。この実施では、車体フレーム１の長手方向の中央部分に圧子を一定速度で下降させ、圧子の下降ストロークに対する曲げ荷重を測定した。なお、比較例として、フレーム本体１０のみの車体フレーム（比較例１）と、接着剤を用いることなく補強部材の一部の凸部２２を仮止め溶接して結合することによりフレーム本体に取り付けた車体フレーム（比較例２）についてもそれぞれ実物を製作して測定した。

図７は、車体フレームに荷重を負荷する圧子の下降ストロークに対する曲げ荷重の測定結果を示すグラフであり、図７では、圧子の下降ストロークを横軸にとり、曲げ荷重を縦軸にとって表示している。なお、図７では、車体フレーム１の測定結果を実施例として実線で表し、比較例１を一点鎖線で表し、比較例２を破線で表している。

図７に示すように、車体フレームの曲げ荷重については、曲げ荷重の最大値が、実施例では約３７ｋＮであり、比較例１では約２４ｋＮであり、比較例２では約１０ｋＮであり、実施例は、比較例１及び比較例２の場合に比して曲げ荷重の最大値が高くなるという結果が得られた。このように、車体フレーム１では、フレーム本体１０と補強部材２０との間に接着剤２７を充填することにより車体フレームの曲げ荷重を高めることができ、フレーム本体の曲げ抗力を高めることができる。比較例１より比較例２の曲げ荷重の最大値が大きい理由は、閉断面部２９ａを有する構造体２９によってフレーム本体１０の側面部１１ｂの剛性を高めて側面部１１ｂが外方側に膨らんで面外変形することを抑制しているためであり、比較例２より実施例の曲げ荷重の最大値が大きい理由は、更に、接着剤２７を介してフレーム本体１０と補強部材２０を連続的に結合することにより面外変形の起点となりやすい箇所を排除したためである。

図８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斜視図であり、図９は、図８におけるＹ９−Ｙ９線に沿った車体フレームの断面図である。なお、第２の実施形態に係る車体フレームは、第１の実施形態に係る車体フレーム１において、補強部材２０がフレーム本体１０の上方側の角部１０ａから下方側の角部１０ｂにわたって延びているものであり、車体フレーム１と同様の構成を備えて同様の作用をなすものについては、同一符号を付して説明を省略する。

図８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３１は、第１の実施形態に係る車体フレーム１と同様に、フレーム本体１０の内部にフレーム本体１０の長手方向に沿って補強部材４０が取り付けられ、補強部材４０は、フレーム本体１０の第１の板状部材１１の側面部１１ｂから所定距離離間した状態で該側面部１１ｂに沿って延在する基部４１と、該基部４１から該側面部１１ｂに向けて突出して四角錐台状に形成される複数の凸部４２とを有している。

複数の凸部４２は、フレーム本体１０の長手方向及び直交断面方向において周期的に配列され、隣り合う凸部４２との間に基部４１と凸部４２の側面部４２ｂとによって形成される溝部４５が、フレーム本体１０の長手方向に対して、本実施形態では４５度傾斜して網目状に形成されるように設けられている。これにより、フレーム本体１０と補強部材２０との間に、フレーム本体１０の長手方向に対して４５度傾斜した網目状の空間部４６が形成される。

複数の凸部４２はまた、一部の凸部４２が側面部１１ｂと当接して側面部１１ｂと仮止め溶接されて結合され、側面部１１ｂと結合される凸部４２を除く凸部４２が、フレーム本体１０と補強部材４０とを接着する接着剤２７を介して側面部１１ｂと当接し、接着剤２７により側面部１１ｂに接着されている。

接着剤２７は、車体フレーム１の場合と同様に、所定厚さを有するシート状に形成され、側面部１１ｂと結合される凸部４２に対応して、すなわち凸部４２の頂面部４２ａを覆う部分に対応して四角形状の開口部２７ａが形成された状態で補強部材４０のフレーム本体１０側に重ね合わせて取り付けられ、これにより、溝部４５に対応して接着剤２７とフレーム本体１０との間にフレーム本体１０の長手方向に連続する網目状の空隙部が形成されることとなる。

そして、接着剤２７を補強部材４０のフレーム本体１０側に重ね合わせて取り付け、開口部２７ａを通じて補強部材４０の凸部４２を側面部１１ｂに当接させた状態で、補強部材４０をフレーム本体１０の内部に配置し、凸部４２と側面部１１ｂと仮止め溶接して結合する。その後、熱乾燥工程を施すことにより接着剤２７を発泡させ、フレーム本体１０と補強部材４０との間に接着剤２７を充填させ、溝部４５によって形成された網目状の空間部４６に充填させ、フレーム本体１０と補強部材４０とを接着させる。

車体フレーム３１では、補強部材４０は、フレーム本体１０の直交断面方向においてフレーム本体１０の上方側の角部１０ａから下方側の角部１０ｂにわたって延びており、補強部材４０にはまた、フレーム本体１０の直交断面方向の下端部に平面状のフランジ部４４が備えられ、フランジ４４は、フレーム本体１０の第１の板状部材１１のフランジ部１１ｃと第２の板状部材１２の平面部１２ａとの間に挟まれた状態で取り付けられている。これにより、外部から荷重が作用する時に補強部材４０がフレーム本体１０から外れることを防止することができる。

このようにして構成される車体フレーム３１においても、フレーム本体１０と補強部材４０との間に形成されフレーム本体１０の長手方向に対して所定角度傾斜した網目状の空間部４６によってフレーム本体１０が外方側に膨らんで面外変形することを抑制することができるとともに、接着剤２７を介してフレーム本体１０と補強部材４０との間の空間部４６に相当する部位がフレーム本体１０に拘束されることになるのでフレーム本体１０の面外変形の起点をなくし、フレーム本体１０の曲げ抗力を高めることができる。

本実施形態では、補強部材２０、４０の凸部２２、４２は、四角錐台状に形成されているが、その他の角錐台状に形成してもよく、あるいは円錐台状に形成するようにすることも可能である。また、本実施形態では、補強部材２０、４０にシート状に形成した接着剤２７を重ね合わせて取り付けているが、例えば射出成形等によって、補強部材２０、４０にシート状に形成した接着剤２７を一体的に成形することも可能である。

なお、車体フレーム１、３１に外部から荷重が作用する時に、圧縮方向の力が作用する第１の板状部材１１の底面部１１ａが本願請求項に記載される第１面部に相当し、引張方向の力が作用する第２の板状部材１２の平面部１２ａが本願請求項に記載される第２面部に相当し、該底面部１１ａと該平面部１２ａとの間に位置する第１の板状部材１１の側面部１１ｂが本願請求項に記載される第３面部に相当する。

本発明は、管状のフレーム本体の内部に補強部材が取り付けられた車両用フレーム構造において、フレーム本体の面外変形を抑制することができるとともにフレーム本体の面外変形の起点をなくし、フレーム本体の曲げ抗力を高めることができる車体用フレーム構造を提供することができ、例えばセンター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。

１、３１車体フレーム
１０フレーム本体
１０ａ、１０ｂ角部
１１第１の板状部材
１１ａ第１の板状部材の底面部（第１面部）
１１ｂ第１の板状部材の側面部（第３面部）
１２第２の板状部材
１２ａ第２の板状部材の平面部（第２面部）
２０、４０補強部材
２１、４１基部
２２、２２Ａ、２２Ｂ、４２、凸部
２５、４５溝部
２６、４６空間部
２７接着剤
２７ａ開口部
２８空隙部

Claims

外部から荷重が作用し得る管状のフレーム本体の内部に、該フレーム本体の長手方向に沿って補強部材が取り付けられた車両用フレーム構造であって、
前記フレーム本体は、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、該第１面部と第２面部との間に位置し、該第１面部と該第２面部との間でそれぞれ角部を形成する第３面部と、を有し、
前記補強部材は、前記第３面部から離間した状態で該第３面部に沿って延在する基部と、該基部から該第３面部に向けて突出して該第３面部と当接し、少なくとも一部が該第３面部と結合される複数の凸部であって、錐台状に形成される複数の凸部とを有し、前記フレーム本体の第１面部と第３面部との間の角部を含む領域に取り付けられ、
前記複数の凸部は、隣り合う凸部との間に形成された溝部が前記フレーム本体の長手方向に対して所定角度傾斜して網目状に形成されるように設けられ、
前記溝部によって前記フレーム本体と前記補強部材の間に形成された網目状の空間部に、前記フレーム本体と前記補強部材とを接着する接着剤が充填され、
前記補強部材の第３面部と結合される凸部を除く凸部は、前記第３面部と結合される凸部よりも凸部の高さが低く形成され、前記接着剤を介して前記第３面部と当接し、該接着剤により前記第３面部と接着されている、
ことを特徴とする車両用フレーム構造。
前記接着剤は、所定温度に加熱することにより発泡する熱硬化性接着剤であり、所定厚さを有するシート状に形成され、前記フレーム本体の第３面部と結合される凸部に対応して開口部が形成された状態で前記補強部材のフレーム本体側に重ね合わせて取り付けられている、
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。
前記接着剤は、該接着剤の発泡前に、前記補強部材のフレーム本体側に重ね合わせて取り付けられ、前記溝部に対応して前記接着剤と前記フレーム本体との間に前記フレーム本体の長手方向に連続する網目状の空隙部が形成されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の車両用フレーム構造。