JP2012171483A

JP2012171483A - 車体構造

Info

Publication number: JP2012171483A
Application number: JP2011035044A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Hamabe; 勉浜辺; Kenji Niwa; 健二丹羽
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2012-09-10
Anticipated expiration: 2031-02-21
Also published as: JP5601241B2

Abstract

【課題】質量が増加するのを抑制しつつ、部位によって異なるモーメントの方向に対応した強度を確保する。
【解決手段】車体フレーム１００を構成するサイドフレーム２００は、前端部２０２は車両前後方向を強軸Ｋとして配置されることで強度が確保されている。車両後後方側に向かうに従って軸心Ｇ回りに捩じれ徐々に強軸Ｋが回転する。そして、車両前後方向の中央部付近では車両幅方向が強軸Ｋとなることで、強度が確保されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、車体構造に関する。

特許文献１には、ヘッドガードを支持するフロントピラーが後方に向かって傾斜する状態に設けられた産業車両において、両フロントピラーが前方に凸に湾曲する形状に形成され、また、外側に位置する面が湾曲面、内側に位置する面が平面となる非対称な断面形状の柱材で形成されている産業車両が記載されている（特許文献１を参照）。

このようなフロントピラーでは、モーメントの方向の断面を大きくすることで、強度が確保される。しかし、部位によってモーメントの方向が異なる場合、全ての部位の強度を確保しようとすると、一様に大きな断面が必要となり、その結果、フロントピラーの質量が増加することになる。

特開平９−１２４２８８号公報

本発明は、上記を考慮し、質量が増加するのを抑制しつつ、部位によって異なるモーメントの方向に対応した強度を確保することができる車体骨格部材を提供することが目的である。

請求項１の車体構造は、車両前後方向に沿って配置されると共に車両前後方向の前端部から中央部に向かうに従って上側に凸状になるように湾曲され、更に断面主軸の強軸が前記前端部では車両前後方向に沿って配置され前記中央部では車両幅方向に沿って配置された車体骨格部材が、車両の両側部側に配置されたている。

請求項１の車体構造では、前端部では車両前後方向に沿って配置された断面主軸の強軸が、中央部では車両幅方向に沿って配置されている。前面衝突時は車体骨格部材の前端部に作用する車両幅方向の軸心回りのモーメントで強度が決定されるので、車体骨格部材の前端部の強軸を車両前後方向とすることで強度が確保される。側面衝突時は車体骨格部材の中央部に作用する車両前後方向の軸心回りのモーメントで強度が決定されるので、車体骨格部材の中央部の強軸を車両前後方向とすることで強度が確保される。
よって、車体骨格部材の質量が増加するのを抑制しつつ、車両前後方向の前端部と中央部とで異なるモーメントの方向に対応した強度が確保される。

請求項２の車体構造は、前記車体骨格部材は、前記前端部から前記中央部に向かうに従って軸心回りに捩じられて構成されている。

請求項２の車体構造では、車体骨格部材を前端部から中央部に向かうに従って軸心回りに捩じられることで、断面主軸の強軸を回転させて前端部と後端部とで強軸の向きを容易に変えている。

請求項３の車体構造は、前記車体骨格部材は、運転者の視界の高さ近傍では、前記視線と前記強軸とが一致又は略一致するように構成されている。

請求項３の車体構造では、運転者の視界の高さ近傍では、車体骨格部材の強軸が視線と一致又は略一致するように構成されている。よって、車体骨格部材によって遮られる視界の領域が小さくなる。

請求項４の車体構造は、前記車体骨格部材は、前記前端部から前記中央部にかけて一様断面で構成されている。

請求項４の車体構造では、車体骨格部材は前端部から中央部にかけて一様断面で構成されているので、質量の増加が確実に抑えられる。

請求項１に記載の発明によれば、本発明が適用されていない構造と比較し、車体骨格部材の質量が増加するのを抑制しつつ、車両前後方向の前端部と中央部とで異なるモーメントの方向に対応した強度を確保することができる。

請求項２に記載の発明によれば、車体骨格部材の断面主軸の強軸を前端部と後端部とで強軸の向きを容易に変えることができる。

請求項３に記載の発明によれば、車体骨格部材の強軸が視線と一致していない構造と比較し、車体骨格部材によって遮られる視界の領域を小さくすることができる。

請求項４に記載の発明によれば、車体骨格部材が一様断面でない構造と比較し、質量の増加が確実に抑えることができる。

本発明の実施形態に係る車両骨格部材を備える車両を模式的に示す車両幅方向左外側から見た側面図である。本発明の実施形態に係る車両骨格部材を備える車両を構成する車体フレームを模式的に示す斜視図である。車体フレームを構成する左側のサイドフレームの軸心と直交する断面を示す、（Ａ）は前端部（図１のＡ−Ａ線）の軸直角断面図であり、（Ｂ）は中央部（図１のＢ−Ｂ線）の軸直角断面図であり、（Ｃ）は後端部（図１のＣ−Ｃ線）の軸直角断面図である。図１のＤ−Ｄ線に沿った水平断面図である。（Ａ）は前面衝突時における車体フレームに作用する車両幅方向の軸心回りのモーメントの分布を模式的に示す図であり、（Ｂ）は側面衝突時における車体フレームに作用する車両上下方向の軸心回りモーメントの分布を模式的に示す図である。本発明の実施形態の変形例のサイドフレームを示す（Ａ）は図３（Ａ）に対応する軸直角断面図であり、（Ｂ）は図３（Ｂ）に対応する軸直角断面図であり、（Ｃ）は図３（Ｃ）に対応する軸直角断面図である。本発明の実施形態の変形例のサイドフレームの図４に対応する水平断面図である。

図１〜図５を用いて、本発明の実施形態に係る車体骨格部材について説明する。なお、車両前後方向前方側を矢印ＦＲで示し、車両幅方向外側を矢印ＯＵＴで示し、車両上下方向上側を矢印ＵＰで示す。また、車両前方側に向かって車両幅方向左側の部材には符号の後にＬを付し、車両前方側に向かって車両幅方向右側の部材には符号の後にＲを付す。しかし、左右を区別して説明する必要が無い等の場合は、Ｌ及びＲを省略する。

＜全体構成＞
まず、本発明の本実施形態に係る車体骨格部材を備える車両１０の全体構成について説明する。

図１と図２とに示すように、車両１０は、一人又は二人乗り（本実施形態では一例として一人乗りとされている）の小型（軽量ボデー構造）のコミュータとされている。車両１０を構成する車体フレーム１００は、車両幅方向の左右の側部に車両前後方向に沿って配置されたサイドフレーム１１０Ｌ，１１０Ｒと、車体骨格部材の一例としてのサイドフレーム２００Ｌ，２００Ｒとを有している。

サイドフレーム１１０Ｌ，１１０Ｒは、車両底部に配置されている。一方、サイドフレーム２００Ｌ，２００Ｒは、サイドフレーム１１０Ｌ，１１０Ｒの上側に配置され、半円形に湾曲した形状とされている。また、サイドフレーム２００の前端部２０２はサイドフレーム１１０の前端部１１２付近に接合され、サイドフレーム２００の後端部２０４はサイドフレーム１１０の後端部１１４に接合されている。なお、上側のサイドフレーム２００についての詳細は後述する。

下側のサイドフレーム１１０Ｌ，１１０Ｒと上側のサイドフレーム２００Ｌ，２００Ｒとの間は、車両前後方向の略中央部に車両上下方向に沿って配置されたセンターフレーム１２０Ｌ，１２０Ｒで接合されている。

上側の左右のサイドフレーム２００Ｌ，２００Ｒにおけるセンターフレーム１２０の上部１２２が接合された中央部２０６Ｌ，２０６Ｒ間には、車両幅方向に沿って配置されたクロスフレーム１３０（図２参照）が接合されている。また、下側の左右のサイドフレーム１１０Ｌ，１１０Ｒにおけるセンターフレーム１２０Ｌ，１２０Ｒの下部１２４Ｌ，１２４Ｒが接合された中央部１１６Ｌ，１１６Ｒ間には、車両幅方向に沿って配置されたクロスフレーム１４０（図２参照）が接合されている。

また、下側のサイドフレーム１１０の後端部１１４とサイドフレーム２００の後端部２０４とが接合された部位間には、車両幅方向に沿って配置されたクロスフレーム１５０が接合されている。更にサイドフレーム１１０Ｌ，１１０Ｒの車両前後方向の前端部１１２Ｌ，１１２Ｒ間に、車両幅方向に沿って配置されたバンパリインフォース１６０が接合されている。

図１に示すように、このような車体フレーム１００で囲まれた空間が、運転者２０が運転を行うための運転者用空間３０となっている。

運転者用空間３０におけるサイドフレーム１１０の車両前後方向の中央部の凹部の上側に、運転者２０が着座するシート４０が設けられている。シート４０の前方には、ハンドル４２やアクセルペダル（図示略）、ブレーキペダル（図示略）など、運転操作に必要な装置や機構が配置されている。

また、本実施形態においては、運転者用空間３０の前面にはフロントパネル（図示略）が設けられ、運転者用空間３０の上面にはルーフパネル（図示略）が設け、更に後方にはリアパネル（図示略）がそれぞれ設けられている。なお、運転者２０が前方と後方とを視認するため、フロントパネルとリアパネルの一部には、透明な樹脂やガラス等で構成されたウインドシールド（図示略）が設けられている。

本実施形態では、運転者用空間３０の両側面は、左右両側のいずれの方向からも運転者２０が乗降できるように、開放されている。なお、運転者用空間３０の左右両側面に、乗降用のドア等が設けられていてもよい。

また、車両１０には、動力源（駆動源）（例えば、電気モータやエンジン等）や動力伝達機構などが搭載されている。また、前端部付近と後端付近とには、それぞれ左右一対の前輪１６と後輪１８とが設けられており、前述の動力源や動力伝達機構によって回転駆動するように構成されている。

＜サイドフレームの構造の詳細＞
つぎに、車体骨格部材の一例としての上側のサイドフレーム２００Ｌ，２００Ｒの詳細について説明する。

図１と図２とに示され、サイドフレーム２００は、サイドフレーム１１０の上側に配置され、側面視における形状は、上側に凸の略半円状に湾曲した形状とされている。より詳しく説明すると、サイドフレーム２００は、前端部２０２から車両後方側に向かって斜め上方に傾斜したのち、中央部２０６付近では略水平方向（車両前後方向）に延在し、その後、後端部２０４（車両後方側）に向かって斜め下方に傾斜している。

図３と図４とに示すように、サイドフレーム２００は、軸心Ｇと直交する断面（軸直角断面）が楕円形状の中空のパイプとされている。楕円の長軸が強軸Ｋとされ、楕円の短軸が弱軸Ｊとされている。また、楕円の長軸方向の長さを縦幅Ａ１とし、短軸方向の長さを横幅Ａ２とする。

なお、強軸Ｋとは軸心Ｇと直交する断面（軸直角断面）における断面二次モーメントが最大になる断面主軸とされ、弱軸Ｊとは断面二次モーメントが最小となる断面主軸とされる。また、断面主軸とは、断面の図心を通る直交する二つの軸のうち、その軸に対する断面２次モーメントが最大（強軸）・最小（弱軸）となる組の軸とされる。

図３（Ａ）に示すように、左側のサイドフレーム２００の前端部２０２Ｌは、強軸Ｋが車両前後方向に沿って配置され、弱軸Ｊが車両幅方向に沿って配置されている。

図３（Ｂ）に示すように、サイドフレーム２００Ｌは、車両後方側に向かうに従って軸心Ｇ回りに反時計回りに捩じれ、徐々に強軸Ｋが回転する。そして、図３（Ｃ）に示すように、車両前後方向の中央部２０６Ｌでは強軸Ｋが車両幅方向に沿った配置となり、弱軸Ｊが車両上下方向に沿った配置となる。

更に、車両後方側に向かうに従って軸心Ｇ回りに、反時計回りに捩じれ、後端部２０４Ｌ（図１と図２参照）では強軸Ｋが車両前後方向に沿った配置となり、弱軸Ｊが車両幅方向に沿った配置となる（図３（Ａ）と同じ配置）。

右側のサイドフレーム２００Ｒも同様に、前端部２０２Ｒ（図２参照）は、強軸Ｋが車両前後方向に沿った配置され、弱軸Ｊが車両幅方向に沿った配置とされている。そして、車両後方側に向かうに従って軸心Ｇ回りに時計回りに捩じれ、徐々に強軸Ｋが回転し（図４参照）、車両前後方向の中央部２０６Ｒ（図２参照）では強軸Ｋが車両幅方向に沿った配置となり弱軸Ｊが車両上下方向に沿った配置となり、更に後端部２０４Ｒ（図２参照）では強軸Ｋが車両前後方向に沿った配置となり弱軸Ｊが車両幅方向に沿った配置となる。つまり、図３（Ｂ）が左右対称以外は図３と同様の図となる。

また、図４に示すように、運転者２０の目（視界）２４の高さ近傍では、視線Ｓと強軸Ｋとが一致又は略一致するように設定されている。

このように、本実施形態のサイドフレーム２００は、軸心Ｇと直交する断面（軸直角断面）は一様断面であるが、車両後方側に向かうに従って軸心Ｇ回りに捩じれ強軸Ｋが回転し向きが変化する捩じれ構造のパイプとなっている。また、このような捩じれ構造のサイドフレーム２００は、例えば、ハイドロフォーム成形によって成型することができる。

＜作用及び効果＞
つぎに本実施形態の作用及び効果について説明する。

ここで図５（Ａ）は、車両１０の前面衝突時における車体フレーム１００に作用する車両幅方向の軸回りのモーメントの分布を模式的に図示している。また、図５（Ｂ）は、車両１０の側面衝突時（この図では車両左側への衝突）における車体フレーム１００に作用する車両上下方向の軸回りモーメントの分布を模式的に図示している。なお、図示おいて、線Ｍが長いほどモーメントが大きいことを表している。

図５（Ａ）に示されているように、車両１０の前面衝突時においては、車両前端部のバンパリインフォース１６０に荷重Ｆが入力される。よって、サイドフレーム２００の前端部２０２には車両幅方向の軸回りのモーメントが生じる。また、このモーメントは車両後方側に向かうに従って小さくなる。

図５（Ｂ）に示されているように、車両１０の側面衝突時においては、車両側部のセンターフレーム１２０に荷重Ｆが入力される。よって、サイドフレーム２００の中央部２０６には車両前後方向の軸回りのモーメントが生じる。また、このモーメントは車両前方側及び後方側に向かうに従って小さくなる

図３と図４とに示すように、本実施形態の車両１０のサイドフレーム２００は、前端部２０２は車両前後方向を強軸Ｋとして配置されている（図３（Ａ）を参照）。サイドフレーム２００の前端部２０２は、車両幅方向の軸回りのモーメントで強度が決定されるので、前端部２０２の強軸Ｋ（断面係数が大きくなる方向）を車両前後方向とすることで強度が確保されている。

サイドフレーム２００は、車両後後方側に向かうに従って軸心Ｇ回りに捩じれ徐々に強軸Ｋが回転する。そして、車両前後方向の中央部付近では車両幅方向が強軸Ｋとなる。サイドフレーム２００の中央部２０６は、車両前後方向の軸回りのモーメントで強度が決定されるので、中央部２０６の強軸Ｋ（断面係数が大きくなる方向）を車両前後方向とすることで強度が確保されている。

なお、図示は省略するが、車両１０の後前面衝突時においては、前面衝突時と同様にサイドフレーム２００の後端部２０４には、車両前端部のクロスフレーム１５０に荷重Ｆが入力され、サイドフレーム２００の後端部２０４には車両幅方向の軸回りのモーメントが生じる。よって、サイドフレーム２００の後端部２０４は、車両幅方向の軸回りのモーメントで強度が決定されるので、後端部２０４の強軸Ｋ（断面係数が大きくなる方向）を車両前後方向とすることで強度が確保されている。

このようにサイドフレーム２００は、軸心Ｇと直交する断面は一様断面である（図３、図４を参照）。しかし、サイドフレーム２００を車両後方側に向かうに従って軸心Ｇ回りに捩じれ強軸Ｋが回転し向きが変化する捩じれ構造とすることで、サイドフレーム２００の質量（軸直角断面の面積や肉厚）が増加するのを抑制しつつ、前端部２０２及び中央部２０６、更に後端部２０４で異なるモーメントの方向に対応した強度を確保することができる。

また、図４に示すように、運転者２０の目（視界）２４の高さ近傍では（図３も参照）、視線Ｓと強軸Ｋとが一致又は略一致するように設定されている。よって、例えば、視線Ｓと強軸Ｋとが一致又は略一致してない場合と比較し、運転者２０の視界を遮る領域が狭くなる。

＜変形例＞
つぎに本実施形態のサイドフレームの変形例について、図６と図７とを用いて説明する。なお、上記実施形態の上側のサイドフレーム２００Ｌ，２００Ｒ（図２参照）が、変形例ではサイドフレーム３００Ｌ，３００Ｒとされている。また、後述するように、変形例のサイドフレーム３００Ｌ，３００Ｒは、サイドフレーム２００Ｌ，２００Ｒと断面形状が異なるだけで、側面視における全体形状等は、サイドフレーム２００Ｌ，２００Ｒと同様の構成とされている。

車体骨格部材の一例としてのサイドフレーム３００Ｌ，３００Ｒは、軸心Ｇと直交する断面（軸直角断面）が略台形状の中空のパイプとされている。また、台形の高さである縦幅Ａ１は、台形の横幅Ａ２（下底３０３と略一致）よりも長い。よって、強軸Ｋは台形の高さ方向と一致し、弱軸Ｊは、下底３０３及び上底３０５に沿った方向と一致する。

図６（Ａ）に示すように、左側のサイドフレーム３００Ｌの前端部３０２Ｌでは、下底３０３Ｌ側が車両前方側を向き、強軸Ｋは車両前後方向とされ弱軸Ｊは車両幅方向とされている。図６（Ｂ）に示すように、サイドフレーム３００Ｌは、車両後方側に向かうに従って、軸心Ｇ回りに反時計回りに捩じれ、徐々に強軸Ｋが回転する。

そして、図６（Ｃ）に示すように、車両前後方向の中央部３０６Ｌでは、下底３０３Ｌ側が車両幅方向左外側を向き強軸Ｋは車両幅方向となり弱軸Ｊは車両上下方向となる。更に、車両後方側に向かうに従って軸心Ｇ回りに反時計回りに捩じれ、後端部では下底３０３側が車両後方側を向き、強軸Ｋは車両前後方向となり弱軸Ｊは車両幅方向となる（図６（Ａ）と上下逆方向となった配置）。

右側のサイドフレーム３００Ｒ（図７参照）も同様に前端部では、下底３０３側が車両前方側を向き、強軸Ｋは車両前後方向とされ弱軸Ｊは車両幅方向とされている。そして、車両後方側に向かうに従って軸心Ｇ回りに時計回りに捩じれ、徐々に強軸Ｋが回転し（図４参照）、車両前後方向の中央部では下底３０３側が車両幅方向右外側に向き強軸Ｋは車両幅方向となり弱軸Ｊは車両上下方向となる（図６（Ｂ）が左右対称以外は図６と同様の図となる）。更に、車両後方側に向かうに従って軸心Ｇ回りに時計回りに捩じれ、後端部では下底３０３側が車両後方側を向き、強軸Ｋは車両前後方向となり弱軸Ｊは車両幅方向となる。

また、図７に示すように、運転者２０の目（視界）２４の高さ近傍では、視線Ｓと強軸Ｋとが一致又は略一致するように設定されている。また、台形の下底３０３側が外側（運転者２０から遠い側）に向いた配置とされている。

なお、このように、サイドフレーム３００は、軸心Ｇと直交する断面は一様断面であるが、車両後方側に向かうに従って軸心Ｇ回りに捩じれ、強軸Ｋが回転し向きが変化する捩じれ構造のパイプとなっている。また、このような捩じれ構造のサイドフレーム３００も同様に、ハイドロフォーム成形等によって成型することができる。

＜作用及び効果＞
つぎに変形例のサイドフレーム３００の作用及び効果について説明する。

サイドフレーム３００は、軸心Ｇと直交する断面（軸直角断面）は一様断面である（図６、図７を参照）。しかし、サイドフレーム３００を、車両後方側に向かうに従って軸回りに捩じれ強軸Ｋが回転し向きが変化する捩じれ構造とすることで、サイドフレーム３００の質量（軸直角断面の面積や肉厚）が増加するのを抑制しつつ、前端部３０２及び中央部３０６、更に後端部で異なるモーメントの方向に対応した強度を確保することができる。

また、図７に示すように、運転者２０の目（視界）２４の高さ近傍では（図３も参照）、視線Ｓと強軸Ｋとが一致又は略一致するように設定されている。そして、このとき、運転者２０の視界を遮る最大幅が横幅Ａ２（下底３０３）となるように、上底３０５の幅が設定されている。このように視線を遮る弱軸Ｊ方向の横幅Ａ２が運転者２０から遠くなる位置となるようにするとで、例えば、下底３０３が手前側にある構成と比較し、運転者２０の視界を遮る領域が狭くなる。

＜その他＞
尚、本発明は上記実施形態に限定されない。

例えば、上記実施形態及び変形例では、車体骨格部材の一例としてのサイドフレームは、軸直角断面が略楕円又は略台形状の中空のパイプであったが、これに限定されない。中実の棒状のフレームでもよい。また、軸直角断面が略矩形形状や略三角形状であってもよい。或いは、断面Ｈ形状や断面Ｃ形状であってもよい。要は、軸直角断面が強軸と弱軸とを有する一様断面の車体骨格部材であればよい。

また、例えば、上記実施形態及び変形例では、左右のサイドフレームは、クロスフレームを介して連結されていたが、これに限定されない。例えば、サイドフレームの後端や前端を車両幅方向の内側に絞り、端部同士を接合してもよい。

また、例えば、上記実施形態及び変形例では、車両１０は、一人又は二人乗り（本実施形態では一人乗り）の小型のコミュータとされていたが、これに限定されない。パーソナルモビリティ、マイクロカー（ミニカー）、ゴルフ用等の乗用カート、屋根付原動機付自転車、軽車両等にも本発明を適用することができる。

更に、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは言うまでもない。

１０車両
１００車体フレーム
２００Ｌサイドフレーム（車体骨格部材）
２００Ｒサイドフレーム（車体骨格部材）
２０２Ｌ前端部
２０２Ｒ前端部
２０４Ｌ後端部
２０４Ｒ後端部
２０６Ｌ中央部
２０６Ｒ中央部
３００Ｌサイドフレーム（車体骨格部材）
３００Ｒサイドフレーム（車体骨格部材）
３０２Ｌ前端部
３０６Ｌ中央部
Ｇ軸心
Ｋ強軸
Ｊ弱軸

Claims

車両前後方向に沿って配置されると共に車両前後方向の前端部から中央部に向かうに従って上側に凸状になるように湾曲され、更に断面主軸の強軸が前記前端部では車両前後方向に沿って配置され前記中央部では車両幅方向に沿って配置された車体骨格部材が、車両の両側部側に配置された車体構造。
前記車体骨格部材は、前記前端部から前記中央部に向かうに従って軸心回りに捩じられて構成されている請求項１に記載の車体構造。
前記車体骨格部材は、運転者の視界の高さ近傍では、前記視線と前記強軸とが一致又は略一致するように構成されている請求項１又は請求項２に記載の車体構造。
前記車体骨格部材は、前記前端部から前記中央部にかけて一様断面で構成されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の車体構造。