JP4867509B2 - サブフレーム構造 - Google Patents

Description

本発明は、車両の前部若しくは後部において、車両前後方向に延在する車体サイドフレーム部分の下方に配置されるサブフレーム構造に係り、車両衝突時の変形モードに特徴を有するサブフレーム構造に関する。

従来のサブフレーム構造としては例えば特許文献１に記載の構造がある。この従来構造は、車幅方向両側に車両前後方向に延在し、車体の前後方向の衝撃荷重に対して軸圧潰してエネルギーを吸収する車体サイドフレームの下方位置に、サブフレームが配置される。このサブフレームは、上記衝突荷重により下向きに折れ変形する変形起点部が設けられている。そして、パワーユニットの下部を、上記サブフレームの変形起点部若しくはその近傍に支持させると共に、上記パワーユニットの上部を、車体サイドフレームの基部に設けた補強部に回動自在に支持させた構造である。そして、上記変形起点部の設定は、サブフレームの長手方向途中部を下方への折れ角を付けることで設定している。
特開２００２−１９２９５８号公報（図２その他）

しかし、サブフレームを中空部材で構成する場合には、上述のように変形起点部を設けたとしても、上記衝突荷重が入力されたときに、上記変形起点部と異なる位置で中空部材であるサブフレームに断面変形（圧縮や折れ）が発生してしまい、想定した下向きの変形モードにならないことがあることが、発明者の鋭意検討により分かった。
本発明は、上記のような点に着目して成されたもので、サブフレームを中空部材で構成したとしても、車両前後方向からの衝突時に、想定した位置で下向きの変形モードとなるサブフレーム構造を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、車両前後方向に延在する車体サイドフレームよりも下方に配置されて、当該車体サイドフレームに連結するサブフレーム構造であって、
車両前後方向に延在する断面中空のサブフレーム本体と、サブフレーム本体の前部及び後部を上記車体サイドフレームに連結する前側連結部材および後側連結部材と、上記サブフレーム本体の上側で車両前後方向に延在する１又は２以上の第１補強部材とを備え、
その第１補強部材は、一方の端部が上記前側連結部材又は後側連結部材に固定されると共に、他方の端部側が、上記サブフレーム本体の長手方向の途中位置で、当該サブフレーム本体に当接し、その第１補強部材は、一方の端部よりも他方の端部側の方が低い位置に設定され、
上記サブフレーム本体の中空部内に第２補強部材が設けられ、その第２補強部材は、上面視において上記第１補強部材の他方の端部側と重なる重複部を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、たとえサブフレーム本体を中空部材としても、車両前後方向の衝撃荷重によって、当該サブフレーム本体を想定した位置で下向きに変形するようにすることが出来る。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態のサブフレームを示す平面図であり、図２はその側面図である。
本実施形態では、サブフレームとして、車両前部に配置される前側のサスペンションメンバを例にして説明する。もちろん車両後部のサスペンションメンバであっても良いし、他のサブフレームであっても適用可能である。

（構成）
サブフレームは、図２のように、車両前後方向に延在する車体サイドフレーム２よりも下方に配置され、当該車体サイドフレーム２に連結している。
そのサブフレーム１の基本構造は、図１及び図２に示すように、車幅方向でそれぞれ車両前後方向に延びる左右のサイドメンバ３と、その左右のサイドメンバ３の前端部及び後端部間を結ぶように車幅方向に延在する前後のクロスメンバ４と、から構成され、この構成により平面視で井桁状の構造となって所定の高い剛性を確保している。ここで、上記サイドメンバ３がサブフレーム本体を構成する。

上記サイドメンバ３は、図３のように、上板５と下板６とから構成される。上板５は、天板部５ａとその天板部５ａの車幅方向両側に連続して下方に延びる左右の側板部５ｂとによって構成されることで、下側に開放された断面コ字状の板部材である。その上板５の下方開口端部を下板６で閉塞することで、サイドメンバ３は、閉塞断面となり、内部に車両前後方向に延びる中空部を有する。

また、上記左右のサイドメンバ３の前端部及び後端部が、それぞれ軸を上下に向けた前側インシュレータ７，８を介して、上記車体サイドフレーム２に弾性支持されることで当該車体サイドフレーム２に連結している。各前側インシュレータ７，８は、軸を上下に向けた外筒７ａ、８ａと内筒７ｂ、８ｂとが入れ子状に配置されると共に、その外筒７ａ，８ａと内筒７ｂ、８ｂとが弾性体７ｃ、８ｃによって連結されて構成され、更に、外筒７ａ、８ａの上端面の位置よりも内筒７ｂ、８ｂの上端面の位置の方が上方に位置している。そして、各外筒７ａ、８ａの外径面にサイドメンバ３の前端部若しくは後端部が一体的に固定されると共に、内筒７ｂ、８ｂの中心を貫通する取付けボルトによって、内筒７ｂ、８ｂの上端部が締結によって車体サイドフレーム２に固定されている。

なお、本実施形態では、外筒７ａ、８ａと内筒７ｂ、８ｂとの間に介装されて両者を連結する上記弾性体７ｃ、８ｃは、図４及び図５のように、主として外筒７ａ、８ａへのサイドメンバ３の前端若しくは後端取付け部よりも上方の位置に配置されて、前側インシュレータ７，８の弾性中心がサイドメンバ３との取付け点よりも上方に位置している。
ここで、前側インシュレータ７が前側連結部材を構成し、後側インシュレータ８が後側連結部材を構成する。

また、上記サイドメンバ３の上側には、板部材からなる第１補強部材９が配置されている。その第１補強部材９は、上記サイドメンバ３の上面に沿って車両前後方向に延在している。第１補強部材９は、下方に開口した断面コ字状の部材であって、サイドメンバ３と上下に所定の空間を持って配置される第１補強部材本体９ａ（天板部）と、その第１補強部材本体９ａの車幅方向端部に連続して下方に延びる左右の側板部９ｂと、から構成される。そして、左右の側板部９ｂの下端部がサイドメンバ３に当接して溶接等で固定されている。これによって、上記第１補強部材９は、サイドメンバ３の上側に空洞部を形成するように、サイドフレーム３の上面とで閉断面を形成している。

その上記第１補強部材９の前端部は、前側インシュレータ７の外筒７ａ外径面に対し一体的に固定されている。この固定位置は、上記前側インシュレータ７の弾性中心よりも下方位置が好ましい。また、第１補強部材９の後端部９ｃは、サイドメンバ３の車両前後方向途中位置で、当該サイドメンバ３の上面に当接して固定されている。
ここで、第１補強部材の前端部が一方の端部を、後端部側が他方の端部を構成している。

本実施形態では、図２のように、第１補強部材９の前端部の高さが、当該第１補強部材９の後端部の高さよりも上方に位置するように設定されている。
また、上記サイドメンバ３の天板部５ａの下面に沿って、平板状の板部材からなる第３補強部材１０が配置されると共に当該天板部５ａに固定されている。

上記第３補強部材１０は、その後端部を後側インシュレータ８の外筒８ａに一体的に固定されて車両前後方向前方に延びている。上記固定位置は、上記後側インシュレータ８の弾性中心よりも下方の位置が好ましい。第３補強部材１０の前端部は、第１補強部材９の後端部よりも車両前後方向後方位置で、サイドメンバ３の天板部５ａに固定されている。本実施形態では、第３補強部材１０が平板状の場合を例に説明しているが、第１補強部材９のような断面コ字状の部材であっても良い。また、上下に延びる側板部があった方が、質量の増大を抑えつつ上下方向の曲げ剛性を高く設定することが出来る。また、上記第３補強部材１０は、サイドメンバ３の天板部５ａの上面に設けても良い。第３補強部材１０の後端部が一方の端部を他端部が他方の端部を構成する。

ここで、本実施形態では、車両前後方向において、第１補強部材９の後端部位置と第３補強部材１０の前端部位置との間が折れ変形部Ｘとなる。
また、上記サイドメンバ３の中空部内には車両前後方向に延びる平板状の第２補強部材１１が配置されている。第２補強部材１１は、図６に示すように、幅方向を上下に向けて配置された板部材であって、サイドメンバ３を構成する左右の側板部５ｂのうち車幅方向外側の側板５ｂ′と平行に且つ当該側板５ｂ′に沿って延びるように配置されている。すなわち、第２補強部材１１は、隔壁を構成し、サイドメンバ３内を車幅方向に区切るように配置されている。

その第２補強部材１１の前端部は、上面視で、上記第１補強部材９の後端部側と重なる位置に配置されている。第２補強部材１１の後端部は、上面視で第３補強部材１０の前端部側と重ならない位置に配置されている。第２補強部材１１の後端部を、上面視で第３補強部材１０の前端部と重なる位置に配置しても良い。
また、上記第２補強部材１１と対向したサイドメンバ３の側板部５ｂ′は、トランスバースリンク（サスペンションリンク）の前側車体側取付け部となって、当該第２補強部材１１は、その取付け部を補強している。

本実施形態では、上記サイドメンバ３の側板部５ｂ′と第２補強部を同軸に貫通する貫通穴５ｃ、１１ｃが開口し、その貫通穴５ｃ、１１ｃと同軸に、上記側板部５ｂ′と第２補強部材１１との間に筒体１５（カラー）が配置されて、当該側板部５ｂ′と第２補強部材１１と連結して更に補強していると共に、第２補強部材１１の裏面にはナット１６が貫通穴と同軸に溶接などで固定されている。符号１７はナットポケットである。上記構成の取付け部が、車両前後方向に離れて２箇所形成され、その２箇所の貫通穴に挿通されて上記ナット１６に螺合する２本の取り付けボルト１８を介して上記トランスバースリンクの車体側部分に設けられているブッシュ部材が連結される。

すなわち、トランスバースリンク２０は、図７に示すように、車幅方向に延在し車輪側端部がボールジョイント２１によってナックル（不図示）に連結すると共に、車体側端部が車両前後方向に離れた２箇所で上記サイドメンバ３に取り付けられている。上記２箇所のうち、前側取付け部は、軸を車両前後方向に向けたブッシュ部材２２で構成されている。上記ブッシュ部材２２は、同軸に配置された内筒２２ｂと外筒２２ａとの間に弾性体が介挿されて構成され、外筒２２ａが上記トランスバースリンク２０に固定されている。上記内筒２２ｂは、外筒２２ａの両側に張り出すだけの長さを有し、その外筒２２ａから張り出した内筒２２ｂの両側部分に略車幅方向に向くボルト穴２３が開口し、そのボルト穴２３に上述のボルト１８が挿入されることで、上述のように取り付けられる。なお、上記内筒２２ｂは中実の棒体であっても良い。
なお、上記２箇所のうちの後側取付け部２４は、軸を上下に向けたブッシュ部材で構成され、図１中符号２５の位置に取り付けられる。

（作用・効果）
まず、第１補強部材９の作用効果について図８を参照して説明する。
車両前方からの車両衝突時に車体サイドフレーム２に加わる車両前後方向の入力は、前側インシュレータ７および後側インシュレータ８を介してサブフレーム１に伝達され、当該サブフレーム１を軸方向に圧縮する力として作用する
このとき、第１補強部材９の前端部は前側インシュレータ７に一体的に固定されているため、車両衝突時に車体サイドフレーム２に加わった入力が、確実に第１補強部材９に伝達される構成となっている。

また、上記車両衝突時に車体サイドフレーム２に加わった入力は、前側インシュレータ７の内筒７ｂの上端部に車両前後方向後方に向かう力として作用し、前側インシュレータ７の弾性中心若しくはその近傍を中心として、当該前側インシュレータ７は、相対的に上端部が車両前後方向後方に変位するように傾く力として作用し、その力が前側インシュレータ７と前端部が一体的に固定されているサイドメンバ３及び第１補強部材９に伝達される。この力はサイドメンバ３を下向きに曲げる力として作用する。また、上記第１補強部材９に作用した力は、第１補強部材９の後端部側に集中し、その下側にあるサイドメンバ３の天板部５ａ部分に集中的に負荷される。

さらに、第１補強部材９と平面視で重なるサイドメンバ３部分は、当該第１補強部材９で補強されて剛性が高くなっているので、車両衝突時においてサイドメンバ３に軸方向の荷重が加わっても、圧縮変形・曲げ変形・局部的な断面変形が抑えられて、第１補強部材９の後端部近傍若しくはその後方位置で、サイドメンバ３は曲がりやすくなる。
以上のことから、上記車両衝突時にサイドメンバ３は、確実に第１補強部材９の後端部近傍から第３補強部材１０の前端部の間に位置する、折れ変形部Ｘで下方に折れ曲がるようになる。

ここで、本実施形態では、サイドメンバ３の天板部５ａと第１補強部材９との間に空洞を形成しているので、第１補強部材９と重なるサイドメンバ３部分の曲げに対する断面係数をより大きくすることが可能になり、質量を増やすことなく、より有効に第１補強部材９と平面視で重なる部分のサイドメンバ３の曲げに対する剛性が高く設定でき、さらに上記折れ変形部Ｘ位置で下方に折れ曲がり易くなる。

さらに、第１補強部材９について、前側インシュレータ７に一体的に固定される前端部の高さよりも後端部の高さを低く設計しているので、前側インシュレータ７から第１補強部材９への入力による後端部での下方に向かう上記荷重集中がより増大し、第１補強部材９の後端部からサイドメンバ３に入力される下方に向かう力をさらに大きく出来て、より上述の折れ変形部Ｘ位置で下方に曲がり易い構造となる。
このように、本実施形態では、車両衝突時のサイドメンバ３の変形を、所望の折り曲げたい折れ変形部Ｘ位置で、折りたい向きに確実に変形させることができる。その結果、衝突時に反力を確実に発生させることができる、つまり、衝突エネルギーをサブフレーム１の変形により効率よく吸収することができて、車室の変形を抑制することができる。

次に、第３補強部材１０の作用効果を説明する。
車両衝突時に車体サイドフレーム２に加わる入力は、前側インシュレータ７および後側インシュレータ８を介してサイドメンバ３に伝達される。このとき、第３補強部材１０の後端部を後側インシュレータ８に一体的に固定しているため、車両衝突時に車体サイドフレーム２に加わる入力が、確実に第３補強部材１０に伝達される構成となっている。伝達された入力に対し、第３補強部材１０で補強されたサイドメンバ３部分で反力を発生するので、少なくとも第３補強部材１０で補強したサイドメンバ３部分も局部変形することなく、確実に反力を発生することができる。つまり、衝突エネルギーを確実に吸収できるため、サブフレーム１が吸収できる衝突エネルギーの量を増加することができ、車室の変形をより抑制することができる。
また、上述のように、上記折れ曲がり変形する部分を第３補強部材１０よりも車両前後方向前方側に確実に設定することが出来るという効果もある。
なお、第３補強部材１０に上下に延びる側板部５ｂを設けることで、第３補強部材１０による上下方向への曲げに対する剛性をさらに高くすることが出来る。

次に、第２補強部材１１の作用効果について説明する。
車両衝突時にサイドメンバ３が第１補強部材９の後端部から下方に向かう荷重を受けて下方に折れ曲がる若しくは折れ曲がろうとするとき、当該第１補強部材９の後端部が、サイドメンバ３の天板を介して第２補強部材１１の上端部に当接することで、反力を発生する。その結果、サイドメンバ３に折れ変形が発生した後でも、衝突入力に対する反力を発生することができる。つまり、さらに衝突エネルギーを吸収し続けることができるため、サブフレーム１が吸収できる衝突エネルギーの量を増加することができ、車室の変形をより抑制することができる。

また、第１補強部材９の後端部が第２補強部材１１に上側から当接するように下向きの荷重が負荷されて当該第２補強部材１１に伝達されると共に、当該第２補強部材１１を設けた部分のサイドメンバ３は、当該第２補強部材１１によって圧縮変形しにくくなる結果、下側に折れ曲がる位置は、第２補強部材１１が無い場合に比べて車両前後方向後方に移動する。
ここで、仮に第２補強部材１１がないとすると、サイドメンバ３の折れ変形に伴い、折れ変形部Ｘ分の位置において、サイドメンバ３がその断面において局部的に変形してしまい、反力の発生が小さくなる可能性がある。

また、第２補強部材１１と車幅方向で重なる位置にトランスバースリンクの前側取付け部を設定したので、上記第２補強部材１１がサスペンションリンク取付け部の補強も兼ねる。すなわち、第２補強部材１１によって前側取付け部の剛性を高くすることが出来る。特に本実施形態では、取り付けるための取り付けボルトを第２補強部材１１にも連結することで、より上記剛性を高く設定出来て、高い取付け剛性が要求されるサスペンションリンク取付け部の部品点数の削減などをすることが可能となる。

ここで、本実施形態では、サイドメンバ３は車両前後方向に延びているが、図１のように、後端部側がやや車幅方向内側に傾くように設計され、その傾斜方向よりも車幅方向外側に上記後側インシュレータ８が設定されている関係で、上記車両衝突時にサイドメンバ３に軸方向の圧縮荷重が負荷された際に、後側インシュレータ８よりも車両前後方向前側であって、サイドメンバ３と後側クロスメンバ４との接続部近傍に向けても荷重が掛かる。これに対応するために、後側インシュレータ８よりも車両前後方向前側であって、サイドメンバ３と後側クロスメンバとの接続部近傍には、厚さ方向を車幅方向に向けた第４の補強部材である隔壁部３０が設けられていて、この隔壁部材３０で補強することで、上記衝突荷重がサブフレーム１に入力されたときに、当該接続部近傍で圧縮変形することを防止している。

次に、上記第１補強部材９、第２補強部材１１、第３補強部材１０による衝突エネルギー吸収のために、サブフレーム１で発生する反力を時系列的にまとめて説明する。図９はそのときの反力発生のタイムチャートの模式図である。
まず車両前方からの衝突による衝突荷重が負荷されると、まず、衝突時の入力によって軸方向に圧縮される荷重が作用することで、井桁状のサブフレーム１全体が瞬間的に反発力を発生して最大反力を発生する（ＳＴＥＰ１）。

続いて、第１補強部材９と第３補強部材１０との間の折れ変形部Ｘ位置を変形のきっかけとして、サイドメンバ３はＶ字状に変形する（ＳＴＥＰ２）。
上記Ｖ字の変形後、第２補強部材１１が突っ張ることで平均反力を維持して、衝突エネルギーを吸収する（ＳＴＥＰ３）。
ここで、上記実施形態では、第１の補強部材の後端部側の幅が狭くなる場合を例示しているが、後端部の幅が狭くなっていなくても良い。

また、上記実施形態では、第２補強部材１１の上端部をサイドメンバ３の上板の天板部５ａに当接しているが、第１補強部材９と上下で重なる部分はサイドメンバ３の天板部５ａに当接させずに上下の隙間を設けておいても良い。このように隙間を設けると、第１補強部材９の後端部側がサイドメンバ３の天板部５ａに当接して下方に荷重を負荷する際に、上記隙間が無くなるだけサイドメンバ３に折れが生じてから、第１補強部材９の後端部側がサイドメンバ３を介して第２補強部材１１に当接することで、より確実に第１補強部材を下方に曲がるようになる。
また、上記実施形態は、車両前部に配置されるサブメンバ１を例示したものであるが、車両後部に配置されるサブメンバの場合には、補強部材の前後の配置を逆にして、後部インシュレータに第１補強部材の後端部を固定し、前部インシュレータに第３補強部材の前端部を固定する。

本発明に基づく実施形態に係るサブメンバを示す平面図である。 本発明に基づく実施形態に係るサイドメンバを示す側面図である。 本発明に基づく実施形態に係るサイドメンバと第１補強部材との関係を示す断面図である。 前側インシュレータ付近を示す断面図である。 後側インシュレータ付近を示す断面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 トランスバースリンクを示す平面図である。 各補強部材の配置例を示す模式図である。 反力発生のタイムチャートである。

符号の説明

１ サブフレーム
２ 車体サイドメンバ
３ サイドメンバ（サブメンバ本体）
５ 上板
５ａ 天板部
５ｂ 側板部
５ｃ 貫通穴
６ 下板
７ 前側インシュレータ（前側連結部材）
８ 後側インシュレータ（後側連結部材）
９ 第１補強部材
９ａ 天板部
９ｂ 側板部
１０ 第３補強部材
１１ 第２補強部材
１１ｃ 貫通穴
１６ ナット
１８ 取付けボルト
２０ トランスバースリンク
２２ ブッシュ部材
２２ｂ 内筒
２３ 穴
３０ 隔壁部

Claims (6)

1. 車両前後方向に延在する車体サイドフレームよりも下方に配置されて、当該車体サイドフレームに連結するサブフレーム構造であって、
   車両前後方向に延在する断面中空のサブフレーム本体と、サブフレーム本体の前部及び後部を上記車体サイドフレームに連結する前側連結部材および後側連結部材と、上記サブフレーム本体の上側で車両前後方向に延在する１又は２以上の第１補強部材とを備え、
   その第１補強部材は、一方の端部が上記前側連結部材又は後側連結部材に固定されると共に、他方の端部側が、上記サブフレーム本体の長手方向の途中位置で、当該サブフレーム本体に当接し、
   その第１補強部材は、一方の端部よりも他方の端部側の方が低い位置に設定され、
   上記サブフレーム本体の中空部内に第２補強部材が設けられ、その第２補強部材は、上面視において上記第１補強部材の他方の端部側と重なる重複部を有することを特徴とするサブフレーム構造。
2. 上記第１補強部材は、サブフレーム本体の上側に空洞部を形成するように、サブフレーム本体の上面とで閉断面を形成していることを特徴とする請求項１に記載したサブフレーム構造。
3. 上記重複部の位置において、上記第２補強部材の上部は、サブフレーム本体の上下で対向する面との間に隙間を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したサブフレーム構造。
4. 上記前側連結部材若しくは後側連結部材のうちの一方に上記第１補強部材が固定され、上記前側連結部材若しくは後側連結部材のうちの他方に一方の端部が固定されると共に車両前後方向に延在する第３補強部材を備え、その第３補強部材の他方の端部は、上面視において第１補強部材と重ならない位置で上記サブフレーム本体に固定されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載したサブフレーム構造。
5. 上記第１補強部材の一方の端部は、前側連結部材に固定される前端部であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載したサブフレーム構造。
6. 上記サブフレーム本体にサスペンションリンクが取り付けられるサブフレーム構造において、
   上記第２補強部材は、サスペンションリンクの取付け部を補強可能な位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載したサブフレーム構造。

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