JP5749748B2 - 自動車のフロントサイドフレーム構造 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、車体前部に前後方向に配置されるフロントサイドフレームが、直線状に延びる前側の直線部と、前記直線部の後端から後下方に傾斜する傾斜部とを備える自動車のフロントサイドフレーム構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管をその長手方向に送出する鋼管送出装置と、送出された鋼管を案内支持する曲げ支点部材と、鋼管を連続的に加熱する高周波加熱コイルと、鋼管を把持して加熱された部位に曲げモーメントを付与して曲げ加工する曲げ装置と、曲げ加工された鋼管を急冷して焼き入れ処理する冷却装置とを備える鋼管の熱間加工装置が、下記特許文献１により公知である。この発明によれば、鋼管の曲げ加工と焼き入れ処理とを同時に行うことが可能であるため、所定形状に屈曲した強度の高いフロントサイドフレームを得ることができる。
【特許文献１】
国際公開公報ＷＯ２００８／１２３５０６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、自動車のフロントサイドフレームは、エンジンおよびトランスミッションよりなるパワーユニットを支持する前半部が概ね直線状に形成され、前半部の後方に連なる後半部が左右の前輪との干渉を回避するために下方および車幅方向内側にＳ字状に屈曲した形状に形成される。
【０００４】
したがって、自動車の前面衝突の荷重がフロントサイドフレームの前端に入力したとき、その後半部の屈曲した部分が折れ曲がって衝撃吸収ストロークを確保することができるが、概ね直線状の前半部を的確に折り曲げることは難しいため、依然として衝撃吸収ストロークを増加させる余地を残していた。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、フロントサイドフレームの強度の確保および軽量化を両立させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明によれば、車体前部に前後方向に配置されるフロントサイドフレームが、直線状に延びる前側の直線部と、前記直線部の後端から後下方に傾斜する後側の傾斜部とを備える自動車のフロントサイドフレーム構造において、前記直線部はロールフォーム成形された２本の中空部材を上下に重ね合わせて構成される多角形断面の管状中空部材からなり、前記傾斜部は少なくとも２個の板金部材を組み合わせて閉断面に構成されることを第１の特徴とする自動車のフロントサイドフレーム構造が提案される。
【０００７】
また本発明によれば、車体前部に前後方向に配置されるフロントサイドフレームが、直線状に延びる前側の直線部と、前記直線部の後端から後下方に傾斜する後側の傾斜部とを備える自動車のフロントサイドフレーム構造において、前記直線部はロールフォーム成形された多角形断面の管状中空部材からなり、前記傾斜部は少なくとも２個の板金部材を組み合わせて閉断面に構成され、前記傾斜部は前側の第１屈曲部と後側の第２屈曲部とを有してＳ字状に屈曲し、前記第１、第２屈曲部に挟まれた中間部の断面の高さを左右方向幅で除した縦横比は１未満であることを第２の特徴とする自動車のフロントサイドフレーム構造が提案される。
【０００８】
また本発明によれば、前記第１または第２の構成に加えて、前記管状中空部材の稜線に前記板金部材の稜線を接続したことを第３の特徴とする自動車のフロントサイドフレーム構造が提案される。
【０００９】
また本発明によれば、前記第２の構成に加えて、前記中間部から前記第２屈曲部に向かって前記縦横比が増加することを第４の特徴とする自動車のフロントサイドフレーム構造が提案される。
【００１０】
尚、実施の形態のパワーユニット取付部３６は本発明の直線部に対応し、実施の形態のキックアップ部３７は本発明の傾斜部に対応し、実施の形態の前側屈曲部１１４は本発明の第１屈曲部に対応し、実施の形態の後側屈曲部１１６は本発明の第２屈曲部に対応し、実施の形態の第１、第２管状中空部材１１７，１１８は本発明の管状中空部材に対応し、実施の形態の第１〜第３板金部材１１９〜１２１は本発明の板金部材に対応する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の第１または第２の構成によれば、車体前部に前後方向に配置されるフロントサイドフレームは、直線状に延びる前側の直線部と、直線部の後端から後下方に傾斜する後側の傾斜部とを備える。直線部はロールフォーム成形された多角形断面の管状中空部材からなるので、直線部の稜線の数を増加させて強度を高めることができるだけでなく、傾斜部は少なくとも２個の板金部材を組み合わせて閉断面に構成されるので、フロントサイドフレームの各部位に作用する大きさの異なる曲げモーメントに応じた強度の設定や調整が容易になる。これにより、必要な強度を確保しながら余剰の強度を最小限に抑え、フロントサイドフレームの強度の確保および軽量化を両立させることができる。
【００１２】
特に本発明の第１の構成によれば、管状中空部材は２本の中空部材を上下に重ね合わせて構成されるので、自動車の前面衝突時に作用する大きな軸力に耐え得る高い強度を容易に確保することができる。
【００１３】
特に本発明の第２の構成によれば、傾斜部は前側の第１屈曲部と後側の第２屈曲部とを有してＳ字状に屈曲するので、第１、第２屈曲部に挟まれた中間部には左右方向の曲げモーメントが作用するが、その部分の断面の高さを左右方向幅で除した縦横比を１未満にして断面形状を横長にすることで前記曲げモーメントに耐え得る強度を確保することができる。
【００１４】
また本発明の第３の構成によれば、管状中空部材の稜線に板金部材の稜線を接続したので、管状中空部材の稜線から板金部材の稜線に荷重を伝達して直線部および傾斜部の結合部の強度を高めることができる。
【００１５】
また本発明の第４の構成によれば、傾斜部の中間部から第２屈曲部に向かって縦横比が増加するので、その部分でフロントサイドフレームの上下方向の曲げモーメントが増加しても、縦横比の増加によって断面の高さを増加させることで前記曲げモーメントに耐え得る強度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１はフロントサイドフレームの斜視図である。（第１の実施の形態）
【図２】図２はフロントサイドフレームに前面衝突の荷重が入力したときの軸力およびモーメントを示す図である。（第１の実施の形態）
【図３】図３はフロントサイドフレームの各部の断面形状を示す図である。（第１の実施の形態）
【図４】図４はフロントサイドフレームの長手方向に沿う入力／耐力の比を示すグラフである。（第１の実施の形態）
【図５】図５はフロントサイドフレームの斜視図である。（第２の実施の形態）
【図６】図６はフロントサイドフレームの各部の断面形状を示す図である。（第２の実施の形態）
【符号の説明】
【００１７】
３１ フロントサイドフレーム
３６ パワーユニット取付部（直線部）
３７ キックアップ部（傾斜部）
１１４ 前側屈曲部（第１屈曲部）
１１５ 中間部
１１６ 後側屈曲部（第２屈曲部）
１１７ 第１管状中空部材（管状中空部材）
１１８ 第２管状中空部材（管状中空部材）
１１９ 第１板金部材（板金部材）
１２０ 第２板金部材（板金部材）
１２１ 第３板金部材（板金部材）
ａ 断面の左右方向幅
ｂ 断面の高さ
λ 縦横比
【発明を実施するための最良の形態】
【第１の実施の形態】
【００１８】
以下、図１〜図４に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。尚、本明細書における前後方向および左右方向（車幅方向）は、運転席に着座した乗員を基準として定義される。
【００１９】
図１および図２に示すように、自動車の車体前部に前後方向に配置される左右のフロントサイドフレーム３１は、前側のパワーユニット取付部３６と後側のキックアップ部３７とを一体に連結して構成される。パワーユニット取付部３６は概ね直線状の部材であって、側面視で略水平に配置され、平面視で車体中心線と平行に配置される。キックアップ部３７は側面視および平面視で概ねＳ字状に屈曲する部材であって、前から後に向かって順番に前側屈曲部１１４、中間部１１５および後側屈曲部１１６を備える。パワーユニット取付部３６の後端に接続される前側屈曲部１１４は、後方に向かって下方および左右方向（車幅方向）内側に屈曲する。前側屈曲部１１４の後端に連なる中間部１１５は、後方側が下方および左右方向（車幅方向）内側に傾斜して配置される。中間部１１５の後端に連なる後側屈曲部１１６は、後方に向かって上方および左右方向（車幅方向）外側に屈曲し、側面視で略水平かつ平面視で車体中心線と平行に配置される。
【００２０】
フロントサイドフレーム３１のパワーユニット取付部３６は、鋼板をロールフォーミングして多角形（上底を下にした台形）の閉断面に形成した第１管状中空部材１１７および第２管状中空部材１１８を、上下方向に重ね合わせて溶接で結合して構成される。またフロントサイドフレーム３１のキックアップ部３７は、鋼板をプレス加工した第１〜第３板金部材１１９，１２０，１２１を溶接で結合して閉断面に構成される。
【００２１】
図３には、フロントサイドフレーム３１の六つの位置Ａ〜Ｆにおける断面形状が示されており、位置Ａはパワーユニット取付部３６に対応し、位置Ｂはキックアップ部３７の前側屈曲部１１４の前部に対応し、位置Ｃはキックアップ部３７の前側屈曲部１１４の後部に対応し、位置Ｄはキックアップ部３７の中間部１１５の前部に対応し、位置Ｅはキックアップ部３７の中間部１１５の後部に対応し、位置Ｆはキックアップ部３７の後側屈曲部１１６に対応する。
【００２２】
位置Ａに対応するパワーユニット取付部３６の断面は、下向きにテーパーする台形状断面の第１管状中空部材１１７の下方に、下向きにテーパーする台形状断面の第２管状中空部材１１８を重ね合わせたもので、全体的に下向きにテーパーする台形状断面を構成する。位置Ａにおける断面の縦横比λ、つまり（高さｂ）／（左右方向幅ａ）は１よりも大きく、よって縦長の断面になっている。また第１、第２管状中空部材１１７，１１８は各々４本の稜線を有するため、それらの稜線によって強度が高められる。
【００２３】
位置Ｂに対応するキックアップ部３７の前側屈曲部１１４の前部の断面は、上向きに開口する溝形断面の第１板金部材１１９の開口部に上向きに開口する溝形断面の第２板金部材１２０の底部を溶接し、更に第２板金部材１２０の開口部に平板状の第３板金部材１２１を溶接したもので、全体的に前記位置Ａと同様に下向きにテーパーする台形状断面を構成する。尚、位置Ｂの断面に鎖線で示すように、パワーユニット取付部３６の後端はキックアップ部３７の前端に挿入されて溶接で一体に結合される。このとき、第１、第２管状中空部材１１７，１１８の８本の稜線と、第１〜第３板金部材１１９〜１２１の６本の稜線とが直列に連なることで、パワーユニット取付部３６からキックアップ部３７への荷重の伝達をスムーズに行わせてフロントサイドフレーム３１の強度を高めることができる。
【００２４】
位置Ｃに対応するキックアップ部３７の前側屈曲部１１４の後部の断面は、上述した位置Ｂの断面と基本的に同じであるが、その高さの減少によって縦横比λが減少している。
【００２５】
位置Ｄに対応する中間部１１５の前部の断面は、左右方向の幅が増加して上向きに開口する溝形断面の第１板金部材１１９の開口部に平板状になった第２板金部材１２０を溶接し、更に第２板金部材１２０上面にハット状になった第３板金部材１２１を溶接したものであり、縦横比λが１よりも小さい横長の断面形状に変化している。
【００２６】
位置Ｅに対応する中間部１１５の後部の断面は、前記位置Ｄの断面から第３板金部材１１２１が途切れて無くなったものであり、縦横比λが更に小さい横長の断面形状に変化している。
【００２７】
位置Ｆに対応する後側屈曲部１１６の断面は、前記位置Ｅの断面に比べて第１板金部材１１９の高さが増加し、縦横比λが若干増加している。また第２板金部材１２０の幅方向中央部に下向きに凹むビード１２０ａが形成されている。
【００２８】
図２および図３から明らかなように、自動車が前面衝突したときにフロントサイドフレーム３１に加わる軸力、左右曲げモーメントおよび上下曲げモーメントは、その長手方向に沿って変化する。
【００２９】
すなわち、軸力は、パワーユニット取付部３６の全域（位置Ａ）およびキックアップ部３７の前側屈曲部１１４の前部（位置Ｂ）おいて高く、前側屈曲部１１４の後部（位置Ｃ）および中間部１１５の前部（位置Ｄ）において中程度に減少し、中間部１１５の後部（位置Ｅ）および後側屈曲部１１６（位置Ｆ）において低くなる。
【００３０】
また左右曲げモーメントの絶対値は、パワーユニット取付部３６の全域（位置Ａ）において低い状態から高い状態まで変化し、前側屈曲部１１４の前部（位置Ｂ）および前側屈曲部１１４の後部（位置Ｃ）において中程度になり、中間部１１５の前部（位置Ｄ）において高くなり、中間部１１５の後部（位置Ｅ）において中程度になり、後側屈曲部１１６（位置Ｆ）において低くなる。
【００３１】
また上下曲げモーメントの絶対値は、パワーユニット取付部３６の全域（位置Ａ）において低い状態から高い状態まで変化し、前側屈曲部１１４の前部（位置Ｂ）で高くなり、前側屈曲部１１４の後部（位置Ｃ）において中程度になり、中間部１１５の前部（位置Ｄ）および中間部１１５の後部（位置Ｅ）において低くなり、後側屈曲部１１６（位置Ｆ）において高くなる。
【００３２】
尚、図２のグラフにおいて、左右曲げモーメントおよび上下曲げモーメントは、横軸（モーメント＝０）の上下で曲げ方向が逆であることを示している。
【００３３】
フロントサイドフレーム３１の各部の断面形状は、上述した軸力、左右曲げモーメントおよび上下曲げモーメントの変化に応じて設定される。具体的には、パワーユニット取付部３６（位置Ａ）では、各々４本、合計８本の稜線を有する第１管状中空部材１１７および第２管状中空部材１１８によって高い軸力に対応している。またキックアップ部３７の前側屈曲部１１４の前部（位置Ｂ）では、第１〜第３板金部材１１９〜１２１の合計６本の稜線と、第１〜第３板金部材１１９〜１２１の合計４本のフランジ結合部とによって高い軸力に対応している。また前側屈曲部１１４の後部（位置Ｃ）では、上下曲げモーメントの減少に応じて断面の高さを減少させて重量の軽減を図っている。
【００３４】
また中間部１１５の前部（位置Ｄ）では、左右曲げモーメントの増加に応じて断面の左右幅を増加させるとともに、上下曲げモーメントの減少に応じて断面の高さを減少させることで、縦横比λを減少させている。また中間部１１５の後部（位置Ｅ）では軸力およびモーメントが共に減少しているため、第３板金部材１２１を廃止して重量の軽減を図っている。また後側屈曲部１１６（位置Ｆ）では、上下曲げモーメントが増加するため、断面の高さを増加させるとともに、圧縮側となる第２板金部材１２０にビード１２０ａを設けて対応している。
【００３５】
図４は、フロントサイドフレーム３１の入力／耐力の比が、その長手にどのように変化するかを示すグラフであり、実線はフロントサイドフレーム３１の全体を管状中空部材で構成した場合を示し、破線はフロントサイドフレーム３１の全体を板金部材で構成した場合を示している。
【００３６】
入力は自動車が前面衝突したときにフロントサイドフレーム３１に加わる衝突荷重であり、耐力はフロントサイドフレーム３１が折れ曲がらずに耐える荷重である。入力／耐力が１００％を超えると、その位置でフロントサイドフレーム３１が折れ曲がって衝突エネルギーを吸収する位置であり、実施の形態ではａ、ｂ、ｃで示す３個所でフロントサイドフレーム３１が折れ曲がるように設定される。
【００３７】
フロントサイドフレーム３１を折り曲げるａ、ｂ、ｃの３個所以外の位置では、入力／耐力を８０％程度に抑えることで、２０％のマージンをもってフロントサイドフレーム３１の折れ曲がりを防止する。このとき、入力／耐力が８０％よりも大幅に低くなると、フロントサイドフレーム３１が過剰な強度を有して重量が無駄に増加するため、入力／耐力は８０％よりも僅かに低い位置にあることが望ましい。
【００３８】
しかしながら、フロントサイドフレーム３１の全体を管状中空部材で構成した場合（実線参照）には、キックアップ部３７のｄ位置およびｅ位置で強度が過剰になって入力／耐力が８０％よりも遥かに低くなり、重量が無駄に増加することがわかる。一方、フロントサイドフレーム３１の全体を板金部材で構成した場合（破線参照）には、パワーユニット取付部３６の後端のｆ位置で強度が不足になって入力／耐力が８０％を大きく超えてしまい、そのｆ位置でフロントサイドフレーム３１が折れ曲がってしまう可能性がある。
【００３９】
本実施の形態では、フロントサイドフレーム３１のパワーユニット取付部３６を管状中空部材で構成し、フロントサイドフレーム３１のキックアップ部３７を板金部材で構成することで、フロントサイドフレーム３１をａ、ｂ、ｃの３個所で折り曲げるための強度分布を確保しながら、フロントサイドフレーム３１の他の部分の強度が過剰になるのを防止して重量を最大限に削減することができる。
【００４０】
以上のように、フロントサイドフレーム３１のパワーユニット取付部３６およびキックアップ部３７では、そこに作用する軸力およびモーメントの変化特性が異なるため、大きな軸力が作用するパワーユニット取付部３６を、多くの稜線を有する第１管状中空部材１１７および第２管状中空部材１１８で必要な強度を確保しながら、モーメントの変化が激しいキックアップ部３７では第１〜第３板金部材１１９〜１２１を組み合わせてきめ細かい強度分布を実現することで、強度が過剰になるのを防止してフロントサイドフレーム３１の軽量化を図ることができる。
【第２の実施の形態】
【００４１】
次に、図５および図６に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００４２】
第２の実施の形態のフロントサイドフレーム３１の構造は、基本的に第１の実施の形態のフロントサイドフレーム３１と同じであり、前側の直線状に伸びるパワーユニット取付部３６と、後側のＳ字状に屈曲するキックアップ部３７とで構成される。但し、第１の実施の形態のフロントサイドフレームのキックアップ部３７が同一板厚の第１〜第３板金部材１１９〜１２１で構成されているのに対し、第２の実施の形態のフロントサイドフレーム３１のキックアップ部３７は板厚が異なる第１〜第３板金部材１１９〜１２１で構成されるもので、第１板金部材１１９の板厚が第２板金部材１２０および第３板金部材１１２１の板厚よりも厚く設定されている点で異なっている。
【００４３】
パワーユニット取付部３６の位置Ａでの断面は、第１管状中空部材１１７および第２管状中空部材１１８を上下方向に溶接で結合して構成されるが、第１管状中空部材１１７の下面の左右幅は第２管状中空部材１１８の上面の左右幅よりも大きくなっており、その結合部において段差が形成されている。
【００４４】
キックアップ部３７の位置Ｂおよび位置Ｃでの断面は、上向きに開口する段部１１９ａ，１１９ａ付きの溝形断面の第１板金部材１１９の開口部に平板状の第２板金部材１２０を溶接して構成されている。縦横比λは共に１よりも大きくなっており、その断面形状は縦長である。
【００４５】
キックアップ部３７の位置Ｄでの断面は、同じく第１板金部材１１９および第２板金部材１２０を溶接して構成されるが、第１板金部材１１９は高さが急激に減少して段部１１９ａ，１１９ａも消滅しており、第２板金部材１２０はハット状に変化している。縦横比λは１よりも小さくなっており、その断面形状は横長に変化している。
【００４６】
キックアップ部３７の位置Ｅでの断面は、上向きに開口する溝形断面の第３板金部材１１２１の内部に高さが更に減少した第１板金部材１１９が重ね合わされ、第１、第３板金部材１１９，１２１の開口部に第２板金部材１２０の平坦になった後部を溶接して構成される。縦横比λはこの位置で最小になっている。
【００４７】
キックアップ部３７の位置Ｆでの断面は、上向きに開口する溝形断面の第３板金部材１１２１の開口部に、溝形断面から平板状に変化した第１板金部材１１９を溶接して構成されており、第１板金部材１１９には前後方向に延びる２本のビード１１９ｂ，１１９ｂが設けられる。縦横比λは増加に転じているが、依然として１よりも小さくなっている。
【００４８】
これらの断面形状が選定された理由は、第１の実施の形態（図３参照）と基本的に同じであるが、異なる点について説明する。
【００４９】
位置Ｂにおいて、第１の実施の形態では第１〜第３板金部材１１９〜１２１が合計６本の稜線を備えているのに対し、第２の実施の形態では第１、第２板金部材１１９，１２０が合計４本の稜線しか備えていないため、第１板金部材１１９の側面に段部１１９ａ，１１９ａを形成して剛性を高めることで、高軸力に耐え得るように考慮されている。しかも、下方への大きな曲げモーメントに耐え得るように、圧縮側となる第１板金部材１１９に厚板を用いている。
【００５０】
位置Ｆにおいて、上方への大きな曲げモーメントに耐え得るように、圧縮側となる第１板金部材１１９に厚板を用いるとともに、２本のビード１１９ｂ，１１９ｂを形成している。
【００５１】
この第２の実施の形態によっても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果を達成することができる。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００５３】
例えば、第１、第２管状中空部材１１７，１１８の断面形状は台形に限定されるものではなく、長方形や正方形の多角形、あるいは多角形以外の閉断面であっても良い。
【００５４】
またキックアップ部３７を構成する板金部材の数は実施の形態の３個に限定されず、複数個であれば良い。

Claims (4)

1. 車体前部に前後方向に配置されるフロントサイドフレーム（３１）が、直線状に延びる前側の直線部（３６）と、前記直線部（３６）の後端から後下方に傾斜する後側の傾斜部（３７）とを備える自動車のフロントサイドフレーム構造において、
   前記直線部（３６）はロールフォーム成形された２本の中空部材を上下に重ね合わせて構成される多角形断面の管状中空部材（１１７，１１８）からなり、前記傾斜部（３７）は少なくとも２個の板金部材（１１９〜１２１）を組み合わせて閉断面に構成されることを特徴とする自動車のフロントサイドフレーム構造。
2. 車体前部に前後方向に配置されるフロントサイドフレーム（３１）が、直線状に延びる前側の直線部（３６）と、前記直線部（３６）の後端から後下方に傾斜する後側の傾斜部（３７）とを備える自動車のフロントサイドフレーム構造において、
   前記直線部（３６）はロールフォーム成形された多角形断面の管状中空部材（１１７，１１８）からなり、前記傾斜部（３７）は少なくとも２個の板金部材（１１９〜１２１）を組み合わせて閉断面に構成され、
   前記傾斜部（３７）は前側の第１屈曲部（１１４）と後側の第２屈曲部（１１６）とを有してＳ字状に屈曲し、前記第１、第２屈曲部（１１４，１１６）に挟まれた中間部（１１５）の断面の高さ（ｂ）を左右方向幅（ａ）で除した縦横比（λ）は１未満であることを特徴とする自動車のフロントサイドフレーム構造。
3. 前記管状中空部材（１１７，１１８）の稜線に前記板金部材（１１９〜１２１）の稜線を接続したことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の自動車のフロントサイドフレーム構造。
4. 前記中間部（１１５）から前記第２屈曲部（１１６）に向かって前記縦横比（λ）が増加することを特徴とする、請求項２に記載の自動車のフロントサイドフレーム構造。

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