WO2013171852A1

WO2013171852A1 - 車両用構造体

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Publication number: WO2013171852A1
Application number: PCT/JP2012/062459
Authority: WO
Inventors: 橋本幸作; 木本幸胤; 黒田義人
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2014-11-16
Also published as: EP2851271A1; JPWO2013171852A1; EP2851271A4

Abstract

　少なくとも車両の車室輪郭を形成し、フロア、サイドパネル、ルーフを含む車両用構造体において、車両前後方向に対して交差角を持つ方向に周回するように延びるフレームが、構造体のフロント部とリア部、およびフロント部とリア部の間のセンター部の３箇所にそれぞれ設けられていることを特徴とする車両用構造体。側方から大きな荷重を受けても変形を適切に抑えることのできる高い強度、剛性を備えた構造体を実現することができ、それによって車両用構造体のＦＲＰ化、ＦＲＰ化を介しての軽量化が可能になる。

Description

車両用構造体

　本発明は、少なくとも車両の車室輪郭を形成する車両用構造体に関する。

　少なくとも車両の車室輪郭を形成する車両用構造体として、例えば、車室の下部に設けられるベースフレームに対して、車室の前後方向中央部で車室を囲むように車両幅方向に延びるフレーム（以下、「車室を囲むように車両幅方向に延びるフレーム」をクロスフレームと言うこともある。）を設けて骨格を構成し、この骨格に、パネル状部材であるフロア、サイドパネル、ルーフなどを接合して、車室部分を形成するための構造体を構成する技術が知られている。このようなクロスフレームを用いて構成される車両用フレーム構造は、スペースフレームと呼ばれることもあり、通常は、金属製フレーム部材を接合や連結した構造に構成されている（例えば、特許文献１）。

　このようなスペースフレームを採用しない車両では、通常、サイドパネルは、車室の前後方向中央部で上方に向けて延びるＢピラーに接合、あるいはＢピラーと一体構造に構成されているが、サイドパネルとＢピラーでは、側方からの大きな荷重に対し十分に耐えることが難しいことが多く、高い耐側突性能を実現するのが難しい。この点で、上記のように車室の前後方向中央部に（センター部に）クロスフレームを備えたスペースフレームを採用した車両では、サイドパネルとＢピラーによる構造に比べ、より大きな側突荷重を支えることが可能となっている。しかし、従来のスペースフレームを採用した車両では、通常、クロスフレームはセンター部のみに設けられており、サイドパネルの前部側と後部側に加わる側方からの荷重は、Ａピラー（車室の前後方向前部で上方に向けて延びるピラー）やＣピラー（車室の前後方向後部で上方に向けて延びるピラー）が受け持つようになっているので、これらのピラー支持構造部分では大きな荷重に十分に耐えることが難しい。そのため、側突荷重が加わる位置がセンター部から前後にずれた場合、優れた耐側突性能を実現するのが難しい。

　一方、上記のようなスペースフレームを採用した構造とは別に、近年、車両の軽量化、とくに、少なくとも車両の車室輪郭を形成する車両用構造体の軽量化をはかるために、該構造体におけるパネル状部材（面状部材）をＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastic、繊維強化プラスチック）で構成したり（例えば、特許文献１）、該構造体のフレーム部材をリング状や円弧状の特殊形状の部材に構成し、該フレーム部材をＦＲＰで構成する技術が提案されている（例えば、特許文献２、３）。

　しかし、特許文献１では、面状部材のＦＲＰ化のみが示されているが、仮にサイドパネルをＦＲＰ化した場合には、荷重集中が発生しやすいドアのヒンジまたはロックの取り付け部分をＦＲＰ化したサイドパネルに設ける場合のパネル構造が複雑になり、また、それらの部分に必要な強度を考慮した上での構造設計が難しくなる。

　また、特許文献２、３では、特殊形状のフレーム部材を特殊な形態で配置する構造が開示されているだけであり、通常の一般的な形状の車室を形成することや、フレーム構造体とパネル状部材との接合等に関しては考慮されていない。そのため、特許文献２、３に開示されているような構造を、一般的な形態の車両に適用することはできない。

特表２０１１－５１６３２９号公報特開２０１１－２４５９１２号公報特開２０１０－０２３７０６号公報

　そこで本発明の課題は、上記のような現状に鑑み、少なくとも車両の車室輪郭を形成する車両用構造体のフレーム構造体部分に十分に高い耐荷重性能を付与し、それによって構造体の少なくとも主要構成部分を容易にＦＲＰ化することができ、構造体全体の軽量化の促進が可能な車両用構造体を提供することにある。

　また、本発明の別の課題は、荷重集中が発生しやすいドアのヒンジまたはロックの取り付け部分を、高い強度、剛性を確保しつつ容易に効率よく構造体中に構成できるようにした車両用構造体を提供することにある。

　本発明のさらに別の課題は、望ましくは、側突時等に加わる大きな荷重に対し高い耐変形性能を有する構造を、車体の低重心化の要望を阻害することなく容易に実現できる車両用構造体を提供することにある。

　上記課題を解決するために、本発明に係る車両用構造体は、少なくとも車両の車室輪郭を形成し、フロア、サイドパネル、ルーフを含む車両用構造体において、車両前後方向に対して交差角を持つ方向に（例えば、車両前後方向に対して直交する方向に）周回するように延びるフレームが、構造体のフロント部とリア部、およびフロント部とリア部の間のセンター部の３箇所にそれぞれ設けられていることを特徴とするものからなる。

　このような本発明に係る車両用構造体においては、従来のセンター部のみにクロスフレームが設けられたスペースフレームに比べ、車両前後方向に対して交差角を持つ方向に周回するように延びるフレーム（つまり、従来のクロスフレームと同様のフレーム）が、構造体のフロント部とリア部、およびセンター部の３箇所にそれぞれ設けられているので、従来センター部のクロスフレームと前部側のＡピラーや後部側のＢピラーで受け持たれていた側方からの荷重が、センター部のフレームに加え、フロント部やリア部に設けられ周回するように延びるフレームでも受け持つことができるようになる。これら各フレームは周回するように延びるフレームであるから、単に上方に向けて延びるピラーよりも強度、剛性がはるかに高い。その結果、センター部以外でも大きな側方からの荷重を受け持つことができるようになり、これらのフレームによって支持されるサイドパネルの全面部位にわたって十分に高い耐側突性能を発揮できるようになる。また、これら３箇所に設けられたフレームを備えた骨格に対し、フロア、サイドパネル、ルーフのパネル部材が設けられることになるので、フレーム骨格と各パネル部材が互いに支持し合うとともに互いに変形を抑制し合い、車両用構造体全体としても高い強度、剛性が発現される。さらに、上記３箇所に設けられたフレームは、単純な周回構造を有していればよいので、容易に高い強度、剛性を発現する構造に構成できるとともに、要求に応じて、これら高い強度、剛性を維持しつつ容易にＦＲＰ化することも可能になる。そして、各フレームに高い強度、剛性を持たせることにより、各フレームの縦フレーム部に、荷重集中の発生しやすいドアのヒンジやロックの取り付け部分を配置することが可能になり、サイドパネルにドアのヒンジやロックの取り付け部分を配置する必要が無くなって、各フレームのＦＲＰ化の容易化に加え、サイドパネル等のパネル部材のＦＲＰ化に際しての構造設計も容易化される。その結果、少なくとも車両用構造体の主要構成部分を、望ましくは全体を、容易にＦＲＰ化できるようになり、車両用構造体の大幅な軽量化を実現できる。

　上述の如く、本発明に係る車両用構造体においては、上記３カ所に設けられた各フレームにおける上下方向に延びる縦フレーム部がサイドドアのヒンジまたはロックの取り付けベース手段を構成している構造を採用できる。センター部におけるフレームの縦フレーム部には、前部側サイドドアのロックの取り付けベース手段と後部側サイドドアのヒンジの取り付けベース手段の両方を構成できる。

　また、各フレームにおける上下方向に延びる縦フレーム部が上記サイドパネルの補強手段を構成している構造とすることもできる。また、各フレームの下部で車両幅方向に延びる横フレーム部が上記フロアの補強手段を構成している構造とすることもできる。さらに、各フレームの上部で車両幅方向に延びる横フレーム部が上記ルーフの補強手段を構成している構造とすることもできる。

　また、本発明においては、上記センター部に設けられたフレームの車両幅方向左上端が、上記フロント部または／およびリア部に設けられたフレームの車両幅方向右上端と、上記センター部に設けられたフレームの車両幅方向右上端が、上記フロント部または／およびリア部に設けられたフレームの車両幅方向左上端と、それぞれ、引張方向に強度を発現する補強手段で連結されている構造を採用できる。このような構造においては、センター部に設けられたフレームに側方からの荷重が加わった際、その荷重をセンター部に設けられたフレーム自体で受けるとともに、上記のように連結された補強手段を介して力が伝達されるフロント部または／およびリア部に設けられたフレームでも分散して受けることができるようになり、より大きな側突荷重を受けることができるようになる。また、補強手段による連結構造により、フレーム構造体全体としての強度、剛性も高められ、荷重に対してより変形量の少ない、破壊のおそれを除去した構造の実現が可能になる。

　また、本発明に係る車両用構造体において、軽量化のためには、各部位が極力繊維強化樹脂（ＦＲＰ）で構成されていることが好ましい。例えば、上記フロント部、リア部、センター部に設けられたフレームの少なくとも一つが繊維強化樹脂で構成されていることが好ましく、これらフレームの全てが繊維強化樹脂で構成されていることがより好ましい。

　この場合、繊維強化樹脂の強化繊維としては、高い強度、剛性を容易に実現できるとともにそれら特性の設計が容易な炭素繊維を含むことが好ましい。もちろん、ガラス繊維やアラミド繊維などの他の強化繊維を使用することも可能であり、２種以上の強化繊維を併用することも可能である。また、繊維強化樹脂のマトリックス樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれも使用可能であり、量産性、成形のしやすさを考慮するならば、熱可塑性樹脂がより好ましい。

　また、本発明においては、上記フロント部、リア部、センター部に設けられたフレームの少なくとも一つが金属で構成されている構造とすることも可能である。金属でフレームを構成すると、繊維強化樹脂で構成する場合に比べて重量的には不利になるが、車両用構造体の部位や車種によっては、少なくともいずれかのフレームを金属で構成する方が望ましい場合もあり得るので、そのような場合には金属製フレームを使用すればよい。

　パネル部材についても同様である。すなわち、上記フロア、サイドパネル、ルーフの少なくとも一つが繊維強化樹脂で構成されていることが好ましく、軽量化の観点からは、これらフレームの全てが繊維強化樹脂で構成されていることがより好ましい。

　また、本発明においては、上記各フレームの上部で車両幅方向に延びる横フレーム部が、他のフレーム部分よりも低比重の材料で構成されていることが好ましい。また、上記補強手段が、他の部品よりも低比重の材料で構成されていることが好ましい。このような構造においては、車両用構造体の上部側の重量を下部側に対し相対的により低くすることが可能になるので、車体の低重心化の要望がある場合、それに応えることが可能になる。換言すれば、車体の低重心化の要望を阻害することなく、上述の如く側突荷重等に対する高い耐変形性能を有する車両用構造体の実現が可能となる。

　このように、本発明に係る車両用構造体によれば、周回するように延びるフレームを、構造体のフロント部、リア部、センター部の３箇所にそれぞれ設けることで、側方から大きな荷重を受けても変形を適切に抑えることのできる高い強度、剛性を備えた構造体を実現することができ、それによって車両用構造体のＦＲＰ化、ＦＲＰ化を介しての軽量化が可能になる。

　また、上記のように３箇所に設けられたフレームにドアのヒンジやロックの取り付け部分を構成することが可能になり、パネル部材での構成を不要化して、結果的に構造体のＦＲＰ化の促進に寄与できる。

　さらに、横フレーム部や補強手段などの構成を工夫することで、車体の低重心化を阻害することなく、全体として高強度、高剛性の構造体を実現できる。

本発明の一実施態様に係る車両用構造体の分解斜視図である。図１の車両用構造体の外観斜視図である。図１の車両用構造体の内部構造を示す斜視図である。本発明の別の実施態様に係る車両用構造体のフレーム構造体部分の斜視図である。

　以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
　図１～３は、本発明の一実施態様に係る車両用構造体を示している。図に示す車両用構造体１は、少なくとも車両の車室輪郭を形成し、下部側に設けられるフロア２、両側に設けられるサイドパネル３、上部側に設けられるルーフ４からなるパネル部材を含む車両用構造体として構成されている。この車両用構造体１には、車両前後方向（図１のＸ－Ｙ方向）に対して交差角を持つ方向に、図示例では、車両前後方向Ｘ－Ｙに対して直交する方向に、周回するように延びる（つまり、車室部分を囲むように四角状に延びる）フレームが、構造体のフロント部（図１のＸ側部分）とリア部（図１のＹ側部分）、およびフロント部とリア部の間のセンター部の３箇所にそれぞれ設けられている。以下、構造体のフロント部に設けられたフレームをフロントクロスフレーム５ａ、構造体のセンター部に設けられたフレームをセンタークロスフレーム５ｂ、構造体のリア部に設けられたフレームをリアクロスフレーム５ｃと呼ぶこともある。なお、図示例では、各フレーム５ａ、５ｂ、５ｃは四角状に延びるように簡略化して示してあるが、例えば、フロントクロスフレーム５ａの上部側をリア側に向けて湾曲するように形成し、リアクロスフレーム５ｃの上部側をフロント側に向けて湾曲するように形成することも可能であり、さらに、フロントクロスフレーム５ａ、センタークロスフレーム５ｂ、リアクロスフレーム５ｃの少なくともいずれか（とくにそれらの上部）を、内側（車室側）に向けて湾曲するように形成することも可能である。

　上記のように３箇所に設けられたフレーム５ａ、５ｂ、５ｃに、図２に示すように、フロア２、サイドパネル３、ルーフ４が接合等により取り付けられることにより、これらパネル部材２、３、４で囲まれた内部が車室６として形成される。つまり、車両用構造体１の内部構造は、図３に示すように構成されている。

　本実施態様では、フレーム５ａ、５ｂ、５ｃの全てが繊維強化樹脂、とくに炭素繊維強化樹脂で構成されており、これらフレーム５ａ、５ｂ、５ｃに各パネル部材２、３、４が例えば接着によって接合されている。この場合、各フレーム５ａ、５ｂ、５ｃは、フレーム剛性を高めるために、少なくとも、フレームの周回方向に延在する強化繊維、とくに炭素繊維を含んでいることが好ましい。また、本本実施態様では、フロア２、サイドパネル３、ルーフ４の各パネル部材の全ても、繊維強化樹脂、とくに炭素繊維強化樹脂で構成されており、金属製の場合に比べて、車両用構造体１の全体が大幅に軽量化されている。

　各フレーム５ａ、５ｂ、５ｃにおける上下方向に（図１のＺ－Ｚ方向に）延びる縦フレーム部は、サイドパネル３の空間形成部（３ａ、３ｂ）に取り付けられるサイドドア（図示略）のヒンジまたはロックの取り付けベース手段を構成している。例えば、フロントクロスフレーム５ａの縦フレーム部５ａ１は、前側のサイドドアのヒンジの取り付けベース手段を構成しており、センタークロスフレーム５ｂの縦フレーム部５ｂ１は、前側のサイドドアのロックの取り付けベース手段と後側のサイドドアのヒンジの取り付けベース手段を構成しており、リアクロスフレーム５ｃの縦フレーム部５ｃ１は、後側のサイドドアのロックの取り付けベース手段を構成している。

　また、各フレーム５ａ、５ｂ、５ｃにおける上下方向に延びる縦フレーム部５ａ１、５ｂ１、５ｃ１は、上記サイドパネル３の補強手段も構成している。また、各フレーム５ａ、５ｂ、５ｃの下部で車両幅方向（図１のＷ－Ｗ方向）に延びる横フレーム部５ａ２、５ｂ２、５ｃ２は、上記フロア２の補強手段を構成している。さらに、各フレーム５ａ、５ｂ、５ｃの上部で車両幅方向Ｗ－Ｗに延びる横フレーム部５ａ３、５ｂ３、５ｃ３は、上記ルーフ４の補強手段を構成している。

　このように構成された車両用構造体１においては、車室６を囲むように延びるフレーム５ａ、５ｂ、５ｃがフロント部、センター部、リア部の３箇所に設けられているので、従来のセンター部のクロスフレームと前部側のＡピラーや後部側のＢピラーで側方からの荷重を受け持つようにしていた構造に比べ、より大きな側方からの荷重を受け持つことができるようになり、十分に高い耐側突性能を発揮できるようになる。また、３箇所に設けられたフレーム５ａ、５ｂ、５ｃによるフレーム骨格にフロア２、サイドパネル３、ルーフ４のパネル部材が設けられた構造となるので、簡単な構造でありながら、車両用構造体１全体として極めて高い強度、剛性の発現が可能となる。さらに、各フレーム５ａ、５ｂ、５ｃの縦フレーム部５ａ１、５ｂ１、５ｃ１に、荷重集中の発生しやすいドアのヒンジやロックの取り付け部分を配置することが可能になり、サイドパネル３にドアのヒンジやロックの取り付け部分を配置する必要が無くなって、各フレーム５ａ、５ｂ、５ｃのＦＲＰ化が容易化されているとともに、サイドパネル３等のパネル部材のＦＲＰ化も容易化されている。その結果、少なくとも車両用構造体１の主要構成部分を、望ましくは全体を、容易にＦＲＰ化できるようになり、車両用構造体１全体の望ましい強度、剛性が確保されつつ、車両用構造体１の大幅な軽量化が達成される。

　上記車両用構造体１においては、上記各フレーム５ａ、５ｂ、５ｃの上部で車両幅方向Ｗ－Ｗに延びる横フレーム部５ａ３、５ｂ３、５ｃ３を、他のフレーム部分よりも低比重の材料で構成することが可能である。例えば、横フレーム部５ａ３、５ｂ３、５ｃ３においては、他のフレーム部分よりも強化繊維の目付を低く設定して低比重することが可能である。このような構造においては、車両用構造体１の上部側の重量を下部側に対し相対的により低くすることが可能になり、車体の低重心化の要望に応えることが可能になる。

　図４は、本発明の別の実施態様に係る車両用構造体のフレーム構造体部分１１を示している。フレーム構造体部分１１には、図１に示した実施態様と同様に、構造体１１のフロント部と、センター部と、リア部の３箇所に、周回するように延びるフレーム１２ａ、１２ｂ、１２ｃが設けられており、本実施態様では、さらに、センター部に設けられたフレーム１２ｂの車両幅方向（Ｗ－Ｗ方向）左上端が、フロント部およびリア部に設けられたフレーム１２ａ、１２ｃの車両幅方向右上端と、センター部に設けられたフレーム１２ｂの車両幅方向右上端が、フロント部およびリア部に設けられたフレーム１２ａ、１２ｃの車両幅方向左上端と、それぞれ、引張方向に強度を発現する補強手段１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄで連結されている．これら補強手段１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、引張方向に所定の強度を発現できればよく、ワイヤー状、帯状、紐状の手段に構成されていればよい。また、これら補強手段１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄもまた、繊維強化樹脂、とくに炭素繊維強化樹脂で構成することができ、その場合には、補強手段１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの延在方向に延びる強化繊維が含まれていることが好ましい。また、これら補強手段１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを他の部品よりも低比重の材料で構成すれば、前述の横フレーム部５ａ３、５ｂ３、５ｃ３における場合と同様に、車体の低重心化の要望に応えつつ、補強手段による補強を実現することが可能になる。

　このように補強手段１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを付加した構造においては、とくにセンター部に設けられたフレーム１２ｂに側方からの荷重が加わった際、その荷重をセンター部に設けられたフレーム１２ｂ自体で受けるとともに、上記のように連結された補強手段１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを介して力が伝達されるフロント部およびリア部に設けられたフレーム１２ａ、１２ｃでも分散して受けることができるようになって、より大きな側突荷重を受けることができるようになる。また、補強手段１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄにより各フレーム１２ａ、１２ｂ、１２ｃが連結された構造となるので、外部からの荷重に対してフレーム構造体部分１１全体としての強度、剛性も高められ、外部荷重に対してより変形量の少ない、破壊のおそれを除去可能な構造の実現が可能になる。

　本発明に係る車両用構造体は、実質的にあらゆる車両に適用でき、とくに、軽量化の要求の強い車両に好適である。

１　車両用構造体
２　フロア
３　サイドパネル
３ａ、３ｂ　サイドパネルの空間形成部
４　ルーフ
５ａ、５ｂ、５ｃ　フレーム
５ａ１、５ｂ１、５ｃ１　縦フレーム部
５ａ２、５ｂ２、５ｃ２　下部の横フレーム部
５ａ３、５ｂ３、５ｃ３　上部の横フレーム部
６　車室
１１　フレーム構造体部分
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ　フレーム
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ　補強手段

Claims

　少なくとも車両の車室輪郭を形成し、フロア、サイドパネル、ルーフを含む車両用構造体において、
　車両前後方向に対して交差角を持つ方向に周回するように延びるフレームが、構造体のフロント部とリア部、およびフロント部とリア部の間のセンター部の３箇所にそれぞれ設けられていることを特徴とする車両用構造体。
　各フレームにおける上下方向に延びる縦フレーム部がサイドドアのヒンジまたはロックの取り付けベース手段を構成している、請求項１に記載の車両用構造体。
　各フレームにおける上下方向に延びる縦フレーム部が前記サイドパネルの補強手段を構成している、請求項１または２に記載の車両用構造体。
　各フレームの下部で車両幅方向に延びる横フレーム部が前記フロアの補強手段を構成している、請求項１～３のいずれかに記載の車両用構造体。
　各フレームの上部で車両幅方向に延びる横フレーム部が前記ルーフの補強手段を構成している、請求項１～４のいずれかに記載の車両用構造体。
　前記センター部に設けられたフレームの車両幅方向左上端が、前記フロント部または／およびリア部に設けられたフレームの車両幅方向右上端と、前記センター部に設けられたフレームの車両幅方向右上端が、前記フロント部または／およびリア部に設けられたフレームの車両幅方向左上端と、それぞれ、引張方向に強度を発現する補強手段で連結されている、請求項１～５のいずれかに記載の車両用構造体。
　前記フロント部、リア部、センター部に設けられたフレームの少なくとも一つが繊維強化樹脂で構成されている、請求項１～６のいずれかに記載の車両用構造体。
　前記繊維強化樹脂の強化繊維として炭素繊維を含む、請求項７に記載の車両用構造体。
　前記フロント部、リア部、センター部に設けられたフレームの少なくとも一つが金属で構成されている、請求項１～８のいずれかに記載の車両用構造体。
　前記フロア、サイドパネル、ルーフの少なくとも一つが繊維強化樹脂で構成されている、請求項１～９のいずれかに記載の車両用構造体。
　前記各フレームの上部で車両幅方向に延びる横フレーム部が、他のフレーム部分よりも低比重の材料で構成されている、請求項５～１０のいずれかに記載の車両用構造体。
　前記補強手段が、他の部品よりも低比重の材料で構成されている、請求項６～１１のいずれかに記載の車両用構造体。