JP3799464B2 - 自動車のフレーム構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のフレーム構造、特に、車両前後方向に延びるフレーム部材の衝撃吸収構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、車両前方からの衝撃をフレーム構造によって吸収するための改良技術が開発され、例えば実開平１ー３９１７７号公報や実開平７−３７８６３号公報などに記載されている。
前者の従来技術は、車両の前後方向に延びるフレーム部材の前端部に、長手方向に所定の間隔を保って複数の貫通孔と端面部に複数の貫通孔の配設方向に向けて楔形の切欠溝とを形成し、楔形の切欠溝に楔形部材を嵌合固着させるように構成したものであり、フレーム部材に長手方向から衝撃が与えられると、この衝撃により楔形部材が貫通孔間のフレーム部材を引き裂き、上下方向に引き裂かれたフレーム部材をより変形させることにより、フレーム部材に与えられる衝撃をより吸収するものである。
【０００３】
後者の従来技術は、フレーム部材の長手方向先端部に、座屈強度が低く長手方向からの衝撃により座屈される脆弱部と、この衝撃によりフレーム部材を折り曲げさせる折曲脆弱部とが形成された構成になっており、フレーム部材の長手方向から衝撃が与えられると、脆弱部の座屈により衝撃を吸収するとともに、折曲脆弱部においてフレーム部材をフレーム部材の長手方向と垂直な方向へ折り曲げることにより衝撃を吸収するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者の従来技術では、フレーム長手方向からの衝撃を、フレーム部材の前端部における座屈のみによって吸収する構成であるため、より大きな衝撃が与えられたときに、衝撃をより吸収することができないといった課題がある。さらに、座屈によってフレームが潰れる領域が設定量必要なため、車両前方に所定量のスペースを必要とする課題がある。
【０００５】
また、後者の従来技術では、フレーム部材の前端部における座屈とフレーム部材自体の屈曲とにより衝撃を吸収する構成であるが、フレーム部材自体が確実に折曲されなかったり、前後方向の座屈強度が低い軸方向脆弱部における座屈が十分に行なわれる前に屈曲脆弱部においてフレーム部材が屈曲するなどして、フレーム部材の長手方向からの衝撃をより効率的には吸収できないという課題がある。さらに、この場合においても、座屈によってフレームが潰れる領域が設定量必要なため、車両前方に所定量のスペースを必要とする課題がある。
【０００６】
本発明は上述の課題に着目して成されたもので、フレーム部材に長手方向から衝撃が与えられた場合に、少ない車体変形量で乗員傷害値を軽減できるようにした、自動車のフレーム構造を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、車両前後方向に延びて、車両ボディ部材を支持するフレーム部材を備えた自動車のフレーム構造において、上記フレーム部材の前端部又は後端部に設けられるサブフレームを有し、該サブフレームは、一端部が上記フレーム部材に結合され、中間部が上記フレーム部材に揺動自在に支持され、他端部が上記サブフレームが設けられる上記フレーム部材の前端部または後端部と同一方向に向いて配置されるとともに、上記サブフレームが設けられる上記フレーム部材の前端部又は後端部側から上記他端部に衝撃が与えられると上記サブフレームが揺動して上記フレーム部材との結合部において上記フレーム部材を屈曲させるように構成されていることを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
従って、フレーム部材に長手方向から衝撃が与えられると、サブフレームによってフレーム部材が屈曲して、このフレーム部材の屈曲により該衝撃が効果的に吸収される。
また、本発明は、上記車両前後方向に対して垂直な方向に延びるピンをそなえ、上記サブフレームの中間部は、上記ピンを中心として揺動自在に支持されていることを特徴とする（請求項２）。
さらに、本発明は、上記フレーム部材に対して垂直に配設される前後一対のクロスメンバをそなえ、上記サブフレームの前端面又は後端面には、上記サブフレームの前端又は後端と上記前又は後のクロスメンバとの間隔を調整する間隔調整部材が固着されていることを特徴とする（請求項３）。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。図１は、自動車（車両）において、図示しないボディ部材を支持する車台フレーム１の車両左前部における斜視図である。この車台フレーム１は、左右方向一対に設けられ車両前後方向に延びるように配設されているフレーム部材としてのメインフレーム２と、メインフレーム２に対して垂直に配設されてメインフレーム２とともに骨格状に形成されるフレーム部材としてのクロスメンバ３，４などから構成されている。なお、車両右前部については図示しないが、図１に示す左前部と左右対称に構成されている。
【００１０】
メインフレーム２の車両前後方向の前端部に結合されているクロンメンバ（以下、ＮＯ．１クロスメンバ）３の後方におけるメインフレーム２の車幅方向外側（図１では左側）には、ＮＯ．１クロスメンバ３から所定の間隔をあけて、サブフレーム５が配設される。
このサブフレーム５は、車両後方側端部がメインフレーム２の外側面（ここでは、左側側面）にボルトやリベットなどの結合部材６により固結されている。また、この結合部材６によりメインフレーム２に結合されている後端部よりも前方に配置されるサブフレーム５の中間部が、メインフレーム２の上面及び下面に固着さている上下一対のプレート７，７に上下方向に延びるように上端及び下端がそれぞれ支持されているピン８によって回動可能に支持されている。
【００１１】
また、サブフレーム５の中間部よりも前方に配置される前端面には、間隔調整部材９が前方に突出するように固着されている。即ち、この間隔調整部材９を交換するなどして、間隔調整部材９の前後方向長さを任意に設定することにより、サブフレーム５の前端とＮＯ．１クロスメンバ３との間隔を調整することができ、サブフレーム５に衝撃が伝達され始めるタイミングを調整することができる。
【００１２】
次に、このように構成された本実施形態における自動車のフレーム構造の作用について、図２乃至図４を参照して説明する。
上述したようなフレーム構造を備えた車両が、図２に示すように、壁面Ｗに前面衝突するなどして、フレーム構造に前方から過大な衝撃が与えられると、ＮＯ．１クロスメンバ３に入力された衝撃力が、まずメインフレーム２の前端部に集中伝達されて、メインフレーム２の前端部が潰れていく。
【００１３】
そして、図３に示すように、ＮＯ．１クロスメンバ３の後端面が間隔調整部材９の前端面に当接するまで、メインフレーム２の前端部が潰れると、ＮＯ．１クロスメンバ３に前方から入力される衝撃力は、メインフレーム２のみでなくサブフレーム５にも伝達されることとなる。
そして、ＮＯ．１クロスメンバ３からサブフレーム５の前端部に衝撃が伝達されると、サブフレーム５には、間隔調整部材９に作用する前方からの衝撃力により、ピン８を中心として図３における反時計方向周りに回転しようとするモーメントが発生する。そして、メインフレーム２には、サブフレーム５の後端部に左側面で結合している結合部分に、サブフレーム５のモーメントにより車幅方向内側への応力が作用することとなる。
【００１４】
メインフレーム２は、サブフレーム５から車幅方向内側への応力を受けると、図４に示すように、車幅方向内側へ突出するように屈曲される。つまり、メインフレーム２は、サブフレーム５に前方からの衝撃が伝達されると、この衝撃力によってサブフレーム５との結合部において車幅方向内側へ屈曲される。
このようにメインフレーム５に前方から衝撃が伝達され、サブフレーム５にも前方から衝撃が伝達されると、サブフレーム５にモーメントが発生して、このモーメントによりメインフレーム２が屈曲されることとなる。なお、サブフレーム５に伝達される衝撃力が大きいほど、発生するモーメントも大きくなり、メインフレーム２を屈曲させる応力も大きいものとなる。
【００１５】
そして、サブフレーム５に衝撃が伝達されて、メインフレーム２が屈曲した状態において、さらなる衝撃がメインフレーム２の前端部及びサブフレーム５の前端部に伝達されると、各前端部がさらに潰れて該衝撃が吸収されるとともに、サブフレーム５にさらに発生するモーメントによってメインフレーム２がさらに屈曲されることとなる。
【００１６】
よって、前方からの衝撃は、サブフレーム５に衝撃が伝達されるまでは、メインフレーム２の前端部が座曲することにより衝撃を吸収し、さらに衝撃が大きくサブフレーム５にも衝撃力が伝達されると、サブフレーム５が揺動して、メインフレーム２を屈曲させるようなモーメントが発生して、このモーメントによりメインフレーム２が屈曲される。つまりメインフレーム２が屈曲されることにより衝撃力を効果的に吸収することとなる。
【００１７】
このように構成されるフレーム構造を有する車両の衝突時におけるボデーＧの変化状態を、図５に実線で示す。なお、この図５における破線は、従来の乗用車（従来構造）におけるボデーＧの変化状態を示している。
ここで、正突などに対応した車両前方におけるフレーム構造の設定方法について説明する。例えば、乗用車やキャブオーバータイプの自動車のように、各車種によってクラッシュストローク（以下、ボデー変形量）が設定される。このボデー変形量は、前席乗員の着座位置から前方側への一定空間の乗員生存空間や該乗員生存空間よりも前方側の空間や乗員が一般的に耐えられる減速度に基づく乗員傷害値などによって設定される。なお、これらの乗員生存空間や乗員傷害値は、車種に関係なく略一定である。したがって、キャブオーバータイプの自動車などのように、運転席から車両前端部までの長さが短い車両であるほど、ボデー変形量は短いものとされる。
【００１８】
次に、乗員傷害値によって、ボデー変形量に対する乗員拘束開始位置、つまり、乗員がシートベルトなどによって車両に拘束され始める位置が決定される。これは、車両が正突するなどして車両が変形し始めて減速していても、シートベルトなどが作動して乗員の拘束が開始されるまでにタイムラグがあり、車両が衝撃により減速していても乗員はすぐには減速されないためである。
【００１９】
この乗員拘束開始位置から、シートベルトなどにより乗員が拘束され始めると車両が停止するなどしてボデー変形が終了するまでに、乗員には減速Ｇ（以下、胸Ｇ）が作用する。この胸Ｇは、車両のボデー減速度（以下、ボデーＧ）に応じて増大していく。つまり、乗員拘束開始位置以降において、ボデーＧが大きい場合には、胸Ｇの増加率が大きくなる。また、乗員拘束開始位置以降におけるボデー変形量が大きいほど、つまり変形時間が長いほど胸Ｇの増大量も大きくなる。
【００２０】
そして、乗員拘束開始位置以降の胸Ｇの大きさ及び増加率の大きさが大きいほど乗員傷害値は大きくなる。よって、乗員拘束開始位置から変形終了までの変形量が長いほど、つまりボデー変形量に対する乗員拘束開始位置が早いほど、また乗員拘束開始位置以降のボデーＧが小さいほど、乗員傷害値は小さいものとなる。
【００２１】
次に、ボデーＧの変化状態が図５に破線で示す従来の乗用車（従来構造）では、ボデー変形量が大きく、乗員の拘束開始位置は遅いので、乗員拘束開始位置まで変形するまでの間にボデーが吸収した衝撃（エネルギ）、つまりボデーＧの変形量に対する積算値が大きいために、乗員拘束開始位置以降のボデー変形量が少なくボデーＧも小さいものとなる。よって、乗員拘束開始位置以降にボデーが吸収する衝撃は少なく、乗員の胸Ｇは徐々に増加していくこととなり、胸Ｇの変形量に対する積算値である乗員傷害値は小さいものとなる。
【００２２】
このようにボデー変形量が大きく設定される乗用車に対して、キャブオーバータイプの自動車などにおいては、図５に実線で示すように、ボデー変形量が小さく設定される。しかし、乗員傷害値は予め規定されているので、この乗員傷害値を満足するためには、乗員拘束開始位置から変形終了までの間におけるボデー変形量を大きくするとともに、ボデーＧを小さくすればよい。
【００２３】
よって、衝突開始時点、即ち車両変形開始時点から、乗員が乗員拘束開始位置に到達するまでの間において、効果的に衝撃を吸収させて、乗員拘束開始位置以降におけるボデーＧを小さくしてやることにより、乗員拘束開始以降における胸Ｇの増加が緩やかになり、乗員傷害値を小さいものとすることが出来る。
また、キャブオーバータイプの自動車のようにボデー変形量が小さい車両においては、乗員拘束開始位置を車両変形開始位置（ボデー変形量がゼロの位置）側に近接させて、乗員拘束開始位置から変形終了までの間におけるボデー変形量が大きくなるようにして、乗員拘束開始位置以降におけるボデーＧを小さくするようにすることにより、乗員拘束開始位置以降における胸Ｇの増加をより緩やかにすることができ、乗員傷害値をより小さくすることができる。
【００２４】
上述したように、本実施形態においては、メインフレーム２にサブフレーム５が設けられて、サブフレーム５に入力される衝撃力によってメインフレーム２を屈曲させるように構成されているので、ボデーＧが、図５に実線で示すように変化する。
詳しくは、車両が正突するなどして、図２乃至図４に示すようにメインフレーム２の前端部に衝撃が入力されると、メインフレーム２の前端部が座屈するなどして衝撃を吸収していき、ボデーＧがゼロから実線のａ点に向かうように上昇していき、その後低下するように変化していく。これは、上述したように、メインフレーム２の前端部が、補強構造が採られて衝撃が吸収されにくい構成とされているためであり、ボデーＧが従来の乗用車におけるボデーＧの増加よりも格段に増加していく。
【００２５】
その後、ＮＯ．１クロスメンバ３が、サブフレーム５の前端部（間隔調整部材９）に当接して、サブフレーム５にも衝撃が伝達されると、ボデーＧは再び増加していく。そして上述したように、サブフレーム５に衝撃が伝達されると、サブフレーム５にモーメントが発生して、このモーメントによってメインフレーム２が屈曲される。このサブフレーム５に衝撃が伝達されてからメインフレーム２が屈曲されるまでは、ボデー変形量に応じてボデーＧがｂ点からｃ点へとなるまで増加していく。
【００２６】
そして、サブフレーム５に発生するモーメントによってメインフレーム２が屈曲されると、メインフレーム２が屈曲することによりメインフレーム２に入力される衝撃を吸収することとなる。このメインフレーム２の屈曲による衝撃吸収は、メインフレーム２の前端部が潰れることによる衝撃吸収よりも、より効果的なものであるため、メインフレーム５が屈曲し始めると、ボデーＧはｃ点より低下していく。
【００２７】
さらに、前方からの衝撃によりボデー変形量が増加していき、ボデー変形量が乗員拘束開始位置まで達するとボデーＧはｄ点まで減少され、その後もメインフレーム２が屈曲していくことにより、衝撃が吸収されながらボデーは変形していく。このときのボデーＧは、メインフレーム２におけるスポットが外れたりすることにより、増加及び減少を繰り返していくこととなり、ボデー変形量が所定の変形量に達するまでに、衝撃を全て吸収してボデー変形が終了することとなる。
【００２８】
そして、図６はボデー変形量に対するボデーＧ及び胸Ｇの変化状態を模式的に示す図であり、図６において、実線はボデーＧが図５に実線で示す変化状態となるように構成された本実施形態のフレーム構造の場合を示し、破線は従来の乗用車（従来構造）の場合を示している。
まず、従来の乗用車においては、破線で示すように、メインフレーム２の前端部が座屈するなどして衝撃が吸収されていき、メインフレーム２の前端部における衝撃吸収が終了すると、車両全体の衝撃吸収が悪くなり、ボデーＧが大きくなり、乗員拘束が開始される。この乗員拘束開始位置からのボデー変形量は大きく設定されているので、乗員拘束開始位置以降におけるボデーＧが小さくなるように構成されており、乗員の胸Ｇは緩やかに増加していき、乗員傷害値は小さいものとなる。
【００２９】
これに対して、本実施形態におけるフレーム構造では、上述したように、サブフレーム５がメインフレーム２を屈曲させるまでは、メインフレーム２の補強された前端部にて衝撃が吸収されるために、ボデーＧが大きくなり、ボデーＧが大きい状態でボデー変形していく。そして、サブフレーム５に衝撃力が伝達されて、メインフレーム２がサブフレーム５からのモーメントによって屈曲されて、メインフレーム２が屈曲することにより衝撃が吸収されていくと、ボデーＧが減少した状態でボデー変形していくこととなる。
【００３０】
また、メインフレーム２が屈曲し始めて、ボデーＧが減少した状態で変形していくときが乗員拘束開始位置とされているので、この乗員拘束開始位置以降においては、ボデーＧが小さい状態で変形して胸Ｇの増加率も小さいものとなり、胸Ｇは徐々に増加していくこととなる。
さらに、乗員拘束開始位置までは高いボデーＧによって変形していく構成であるために、乗員拘束開始位置までの間により多くの衝撃エネルギをフレーム構造によって吸収することができ、乗員拘束開始位置以降のボデー変形量をより大きくするとともにボデーＧを小さくすることができるので、乗員拘束開始位置以降における乗員の胸Ｇをより緩やかに増加させることができ、乗員傷害値の許容値までは増加しないように構成することができる。
【００３１】
本実施形態におけるフレーム構造において、メインフレーム２の前端面とサブフレーム５の前端面、つまり間隔調整部材９の前端面との間隔は、ボデー変形が開始されてから乗員拘束開始位置までの間により多くの衝撃エネルギがフレーム構造によって吸収される位置となるように設置されている。
また、間隔調整部材９によって、サブフレーム５に衝撃が入力されるタイミングを調整することにより、各車両に応じて衝突時のボデーＧを調整することができ、乗員に与える乗員傷害値を抑制することができる。なお、間隔調整部材９以外の部材を共用化することも可能となる。
【００３２】
なお、図６に一点鎖線で示すボデーＧと胸Ｇと関係は、本実施形態のフレーム構造において、サブフレームを備えずに、メインフレーム２の前端部に補強構造を施しただけのフレーム構造におけるものである。メインフレーム２の前端部を補強したのみであるために、乗員拘束開始位置となってもボデーＧは減少することなく、メインフレーム２の前端部における衝撃吸収が終了したために上昇する。このため、乗員拘束が開始されると、胸Ｇは本実施形態や従来の乗用車における胸Ｇの増加よりも、急激に増加していき、変形が終了したときの胸Ｇは、二点鎖線で示す乗員傷害値の許容値をオーバーしており、衝撃がフレーム構造によって効果的に吸収されないものとなる。
【００３３】
以上のように、本発明の車両のフレーム構造によれば、メインフレーム２に揺動可能に設けられたサブフレーム５に衝撃が入力されると、サブフレーム５にメインフレーム２を屈曲させるようなモーメントが発生して、メインフレーム２がこのモーメントにより確実に屈曲されることにより、衝撃を効果的に吸収することができる。
【００３４】
また、メインフレーム２に衝撃が入力されてから乗員の拘束が開始されるまでの間に、より多くの衝撃エネルギが吸収され、乗員の拘束が開始されてからのボデーＧが小さくなるように、サブフレーム５がメインフレーム２に揺動可能に配設される構成であるために、乗員拘束開始からの乗員の胸Ｇを緩やかに増加させることができ、乗員に与えられる衝撃値を抑制することができる。
【００３５】
本発明におけるフレーム構造は、上述した実施形態における構成に限定されるものではなく、サブフレーム５が、メインフレーム２の前端部において、後端部がメインフレーム２に結合されるとともに、中間部が揺動可能に支持されて、サブフレーム５の前端部に衝撃が入力されると、メインフレーム２との結合部においてメインフレーム２を屈曲させるようなモーメントを発生するように揺動するように構成されていればよい。
【００３６】
また、サブフレーム５がメインフレーム２の側面に結合支持される構成であるが、メインフレーム２の下面や上面においてメインフレーム２を屈曲させることが可能であれば何処でもよい。
なお、上述した実施形態において、メインフレーム２の前端部がある程度座曲した後に、サブフレーム５に衝撃が入力される構成であったが、これに限定されることはなく、メインフレーム２に衝撃が入力されるのと同時にサブフレーム５にも衝撃が入力されるように構成してもよい。
【００３７】
また、サブフレーム５の前端部に、座曲部を設け、この座曲部によってある程度の衝撃を吸収した後に、揺動を開始して、メインフレーム２の屈曲させるようなモーメントが発生するように構成してもよい。
上述した実施形態において、サブフレーム５がＮＯ．１クロスメンバ３を介して衝撃が入力される構成であったが、これに限定されるものではなく、実施形態における壁などから直接サブフレーム５に衝撃が入力されるように構成してもよい。
【００３８】
また、上述した実施形態においては、車両前方に位置するメインフレーム２の前端部における例について説明したが、これに限定されることなく、車両後方に位置するメインフレーム２の後端部に同様のフレーム構造を用いてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、車両前後方向に延びて、車両ボディ部材を支持するフレーム部材を備えた自動車のフレーム構造において、上記フレーム部材の前端部又は後端部に設けられるサブフレームを有し、該サブフレームは、一端部が上記フレーム部材に結合され、中間部が上記フレーム部材に揺動自在に支持され、他端部が上記サブフレームが設けられる上記フレーム部材の前端部または後端部と同一方向に向いて配置されるとともに、上記サブフレームが設けられる上記フレーム部材の前端部又は後端部側から上記他端部に衝撃が与えられると上記サブフレームが揺動して上記フレーム部材との結合部において上記フレーム部材を屈曲させるように構成されているので、フレーム部材がサブフレームによって確実に屈曲されて、フレーム部材が屈曲することにより、衝撃をより効果的に吸収することができ、乗員に与える衝撃をより緩和させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるフレーム構造における要部斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態によるフレーム構造における上面視図である。
【図３】本発明の一実施形態によるフレーム構造における上面視図である。
【図４】本発明の一実施形態によるフレーム構造における上面視図である。
【図５】本発明の一実施形態によるフレーム構造のボデー変形量とボデー減速度との関係を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態によるフレーム構造のボデー変形量とボデー減速度と乗員減速度（胸Ｇ）との関係を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ フレーム構造
２ メインフレーム（フレーム部材）
３ ＮＯ．１クロスメンバ（フレーム部材）
５ サブフレーム
９ 間隔調整部材

Claims (3)

1. 車両前後方向に延びて、車両ボディ部材を支持するフレーム部材を備えた自動車のフレーム構造において、
   上記フレーム部材の前端部又は後端部に設けられるサブフレームを有し、
   該サブフレームは、一端部が上記フレーム部材に結合され、中間部が上記フレーム部材に揺動自在に支持され、他端部が上記サブフレームが設けられる上記フレーム部材の前端部または後端部と同一方向に向いて配置されるとともに、上記サブフレームが設けられる上記フレーム部材の前端部又は後端部側から上記他端部に衝撃が与えられると上記サブフレームが揺動して上記フレーム部材との結合部において上記フレーム部材を屈曲させるように構成されている
   ことを特徴とする、自動車のフレーム構造。
2. 上記車両前後方向に対して垂直な方向に延びるピンをそなえ、
   上記サブフレームの中間部は、上記ピンを中心として揺動自在に支持されている
   ことを特徴とする、請求項１記載の自動車のフレーム構造。
3. 上記フレーム部材に対して垂直に配設される前後一対のクロスメンバをそなえ、
   上記サブフレームの前端面又は後端面には、上記サブフレームの前端又は後端と上記前又は後のクロスメンバとの間隔を調整する間隔調整部材が固着されている
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の自動車のフレーム構造。

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