JP7181799B2

JP7181799B2 - 車体構造

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Publication number: JP7181799B2
Application number: JP2019004880A
Authority: JP
Inventors: 翔太椿; 憲一渡辺; 和也安井; 正敏吉田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2039-01-16
Also published as: US20220063731A1; WO2020149170A1; JP2020111267A; EP3912889A4; EP3912889A1; CN113272211B; CN113272211A; US11987293B2

Description

本発明は、車体構造に関する。

電気自動車は、バッテリの保護等の観点から一般の燃料自動車よりも高い衝突安全性能が求められる。電気自動車では航続距離を確保するために車室の床下全面に広くバッテリが配置されることが多いため、特に側面衝突時の高い衝突安全性能（以降、側突性能ともいう。）が求められる。つまり、車体がスピンするなどして車体側部にポール等の物体が衝突した際に、車室やバッテリが損傷することなく保護されることが必要である。

例えば、特許文献１，２には、車室の変形を抑制でき、車両の側突性能を向上できる車体下部構造が開示されている。当該車体下部構造では、高い側突性能を得るために、サイドシルと称される車体下方側部の柱状部材内に補強部材を配置し、サイドシルの強度および衝突エネルギー吸収性能を向上させている。

特開２０１８－９００２０号公報特開２０１８－９００２１号公報

上記特許文献１，２の車体下部構造では、補強部材が、車体前後方向から見て閉断面を有しており、サイドシルと概ね同方向に延びている。このような補強部材は、車体側部から力を受けた際に補強部材も側部から力を受けることとなるため、その車体内側部分の長手方向に高い引張応力が発生し、曲げ破断するおそれもある。補強部材に曲げ破断が生じると、反力を生じなくなる。そのため、衝突エネルギーを吸収できず、側突性能が低下する。また、このような補強部材はポールなどの物体に側突した際に横倒れ（車高方向への倒れ）し易い。横倒れした場合、急激に反力が減少し、側突性能が低下する。

本発明は、高い側突性能を有する車体構造を提供することを課題とする。

本発明は、車体中央下部に配置されたバッテリと、前記バッテリの車幅方向外側にて車体前後方向に延びる中空状のサイドシルと、前記サイドシルの内部に形成される連続筒状構造の少なくとも一部を構成する補強部材とを備え、前記連続筒状構造は、車幅方向から見て多角形状の閉断面が複数連なった形状を有する、車体構造を提供する。

この構成によれば、サイドシルの内部にて車幅方向から見て多角形状の閉断面が複数連なった連続筒状構造が構成される。一般に、筒状構造は側部への荷重によって曲げ変形し易いが軸方向の荷重には強い。上記配置構成において、車体の側突荷重は、筒状構造においては軸方向の荷重となる。従って、車体の側突時において、補強部材が曲げ変形による破断や横倒れする可能性を低減でき、補強部材の反力を向上できる。従って、衝突エネルギー吸収性能を向上できるため、車室やバッテリを安全に保護することができ、電気自動車に求められる側突性能を確保できる。

前記連続筒状構造は、車幅方向から見て単列で構成されてもよい。

この構成によれば、連続筒状構造が単列で構成されるので、サイドシル内の狭い空間で多角形状の閉断面の大きさを最大限確保できる。多角形状の閉断面は、例えば、縦方向に扁平に潰れることにより横幅を伸ばすことができ、反対に横方向に扁平に潰れることにより横幅を縮めることができる。従って、閉断面の大きさを最大限確保することで、閉断面を反力を大きく保ったまま潰れやすくし、補強部材の伸縮性を最大限確保できる。これにより、衝突エネルギー吸収性能を向上できるため、側突性能を向上できる。

前記補強部材は、単体部品で前記閉断面を形成してもよい。

この構成によれば、補強部材で所望の閉断面を形成した後に補強部材をサイドシル内に配置できるため、車体構造の設計が容易となる。従って、好適な形状を設計し易く、所望の側突性能を得ることができる。

前記閉断面は、六角形以上の多角形であってもよい。

この構成によれば、六角形以上の多角形は四角形などと比べて屈曲点が多く、変形しやすいため、補強部材の伸縮性を向上させることができる。補強部材の伸縮性を確保することにより、補強部材の曲げ破断を抑制でき、側突性能を向上できる。

前記閉断面は、偶数角形であってもよい。

この構成によれば、補強部材をサイドシルなどの他部材に取り付ける際に対向する平坦部を確保し易いため、補強部材の取り付け性を向上できる。

前記補強部材は、６０００系または７０００系のアルミニウム合金の押し出し材であってもよい。

この構成によれば、補強部材において衝突エネルギーを吸収するための高い材料強度と伸びを確保できる。衝突エネルギーを吸収するには、高い材料強度と伸びが必要とされるため、アルミ材などの金属材料が適している。仮に、樹脂材料で補強部材を形成すると、材料強度が足りず、補強部材が容易に曲げ破断するおそれがある。また、特にアルミ材は、押し出し材として適しており、製造性にも優れている。

前記補強部材は、アルミニウム合金または鋼鉄の板材が接合されることによって構成されてもよい。

この構成によれば、補強部材を板材から構成でき、簡易に補強部材を製造できるため、補強部材の汎用性を向上できる。ここで、接合とは、溶接や機械接合を含む広義の態様をいう。

前記補強部材は、前記サイドシルの内面に接合され、前記連続筒状構造は、前記補強部材と前記サイドシルとによって構成されてもよい。

この構成によれば、補強部材単体で連続筒状構造を構成する場合に比べて、補強部材に対する設計上の制約が緩和される。例えば、補強部材は、一枚の板材を連続したハット型に曲げ変形させたものであってもよく、これをサイドシルの平坦な内面に貼り合わせることで連続筒状構造を構成することもできる。ここで、接合とは、溶接や機械接合を含む広義の態様をいう。

本発明によれば、車体構造において、サイドシルの内部にて補強部材を好適に配置構成することで補強部材の反力を向上させているため、側突性能を向上できる。

本発明の一実施形態に係る車体構造を示す斜視図。図１の楕円IIで示されるサイドシル部分の車体前後方向に垂直な断面図。アウター部材が透明化されたサイドシル部分の斜視図。単列配置された補強部材の車幅方向に垂直な断面図。補強部材の固定方法を示す車体前後方向に垂直なサイドシル部分の断面図。一実施形態に係る車体構造の側突についてのシミュレーション方法を示す模式的な斜視図。比較例に係る車体構造の側突についてのシミュレーション方法を示す模式的な斜視図。図６のポール側突時の補強部材の変形を示す平面図。補強部材に関する第１変形例を示すサイドシル部分の車体前後方向に垂直な断面図。補強部材に関する第１変形例を示すサイドシル部分の断面図。補強部材に関する第２変形例を示すサイドシル部分の車体前後方向に垂直な断面図。補強部材に関する第３変形例を示すサイドシル部分の車体前後方向に垂直な断面図。補強部材に関する第３変形例を示すサイドシル部分の車幅方向に垂直な断面図。補強部材に関する第４変形例を示す補強部材の車幅方向に垂直な断面図。補強部材に関する第５変形例を示すサイドシル部分の車体前後方向に垂直な断面図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図面は全て模式的に示されており、なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は図面相互間の関係において相違している場合がある。

図１を参照して、本実施形態の車体構造では、車体中央下部に推進用のバッテリ１０が配置されている。即ち、本実施形態の車体構造は、バッテリ１０を搭載する電気自動車用のものである。バッテリ１０は、保護ケースなどを含めて模式的に図示されており、車室Ｒの床下全面に配置されている。本実施形態では、車体がスピンするなどして車体側部にポール等の物体が衝突（即ち側突）した際、車室Ｒやバッテリ１０が損傷することなく保護される側突性能の高い車体構造について以下説明する。

図１では、車体側方（詳細には左側方）を符号Ｙで示し、車体後方を符号Ｘで示し、車体上方を符号Ｚで示している。即ち、車幅方向が方向Ｙおよびその反対方向で示され、車体前後方向が方向Ｘおよびその反対方向で示され、車高方向が方向Ｚおよびその反対方向で示されている。これらの方向については図２以降でも同じである。

バッテリ１０の車幅方向外側には、車体前後方向に延びる中空状のサイドシル２０が配置されている。サイドシル２０は、車室Ｒの両側下部に沿って一対配置されている。なお、サイドシル２０は、車体構造においてロッカーとも称される部材である。

図２を参照して、バッテリ１０の上方には車幅方向に延びる複数のクロスメンバ１１が配置されている。複数のクロスメンバ１１によって、一対のサイドシル２０は、上部にて互いに接続されている。なお、図２では、一対のサイドシル２０のうち一方のみが示されている。

本実施形態のサイドシル２０は、車幅方向外側に配置されるアウター部材２１と、車幅方向内側に配置されるインナー部材２２とを貼り合わせて構成されている。アウター部材２１およびインナー部材２２は、例えば、ともに鋼製の板材である。アウター部材２１およびインナー部材２２はともにハット型に曲げ成形されており、これらが中空の空間Ｓを形成するように貼り合わされ溶接されている。当該空間Ｓには、補強部材２３が配置されている。

補強部材２３は、車幅方向において一端がアウター部材２１と当接し、他端がインナー部材２２と当接して配置されている。車高方向においては、補強部材２３はクロスメンバ１１とバッテリ１０とに跨るように配置されている。これにより、ポール等の物体が車体に側突した際にも、側突荷重をサイドシル２０からバッテリ１０およびクロスメンバ１１に分散できる。

図３を参照して、補強部材２３は、サイドシル２０の内部にて連続筒状構造ＣＴを形成している。連続筒状構造ＣＴは、車幅方向に延びる複数の筒状体ＣＴ１，ＣＴ２，ＣＴ３，・・・が車体前後方向に連なって配置されることによって構成されている。車幅方向から見ると、連続筒状構造ＣＴは、多角形状の閉断面が車体前後方向に複数連なった形状を有する。

本実施形態では、補強部材２３は６０００系または７０００系のアルミニウム合金の押し出し材であり、連続筒状構造ＣＴは一体として構成されている。換言すれば、補強部材２３は、単体部品で構成されている。ただし、補強部材２３の材質は上記アルミニウム合金の押し出し材に限定されるものではなく、補強部材２３は例えば鋼鉄製であってもよい。

図４を参照して、本実施形態では、連続筒状構造ＣＴにおいて正八角形の閉断面が単列で配置されている。この単列配置は、隣接する正八角形が互いに一辺を共有するように構成されている。補強部材２３の板厚をｔとし、正八角形の一辺の長さをｂとする。カルマンの式により多角形の各辺における衝突エネルギー吸収の効率を考慮すると、補強部材２３の板厚ｔおよび長さｂは以下の式（１）を満たすことが好ましい。

σｙ：補強部材の降伏応力
Ｅ：補強部材のヤング率

上記式（１）を満たす補強部材２３の寸法を例示すると、補強部材２３がヤング率Ｅ＝６８ＧＰａ、降伏応力σｙ＝２００ＭＰａのアルミニウム合金製の場合、板厚ｔ＝２ｍｍで正八角形の一辺の長さｂ＝８７ｍｍとすることができる。同様に、板厚ｔ＝３ｍｍでは、正八角形の一辺の長さｂ＝１３０ｍｍとすることができる。また、補強部材２３がヤング率Ｅ＝２１０ＧＰａ、降伏応力σｙ＝７００ＭＰａの鋼鉄製の場合、板厚ｔ＝２ｍｍで正八角形の一辺の長さｂ＝８２ｍｍとすることができる。同様に、板厚ｔ＝１．６ｍｍでは、正八角形の一辺の長さｂ＝６５ｍｍとすることができる。

連続筒状構造ＣＴの各閉断面の形状は、正八角形に限定されるものではないが、好ましくは六角形以上である。さらに好ましくは、連続筒状構造ＣＴは単列構造であり、各閉断面の形状は六角形以上の偶数角形であり、連続筒状構造ＣＴの側面が図３のＸＹ平面に並行である。

図５を参照して、補強部材２３の固定方法について説明する。補強部材２３は、サイドシル２０の内面に固定されている。本実施形態では、例えばＬ字型のブラケット２４を介して固定されている。詳細には、ブラケット２４を介して、補強部材２３の車幅方向の内側端部はインナー部材２２に固定されている。代替的には、補強部材２３の車幅方向の外側端部がアウター部材２１に固定されていてもよい。ブラケット２４は、補強部材２３の車幅方向の両端部において車高方向の上下に配置されている。ブラケット２４とサイドシル２０との接合およびブラケット２４と補強部材２３との接合には、ＦＤＳ（フロードリルスクリュ）、ＳＰＲ（セルフピアスリベット）、スポット溶接、アーク溶接、またはロウ付けなどが採用され得る。なお、図２，３では、ブラケット２４の図示を省略している。

図６，７を参照して、本実施形態の車体構造におけるサイドシル２０の側突性能について説明する。発明者らは、本実施形態の車体構造におけるサイドシル２０（図６参照）の側突性能と、比較例のサイドシル２００（図７参照）の側突性能とを比較するために、ポール３０が側突した際のシミュレーションを行った。シミュレーションでは、クロスメンバ１１を模擬した支持部材３１によってサイドシル２０，２００の一部をそれぞれ固定し、車幅方向外側からポール３０が衝突した状態をそれぞれ再現した。なお、図６，７では、サイドシル２０，２００の内部を図示するために、サイドシル２０，２００が切断されて示されているが（２点鎖線参照）、実際にはサイドシル２０，２００は車体前後方向にさらに延びている。詳細には、サイドシル２０，２００はサイドシル２０，２００のＸ方向中心から正方向の半分のみ表示している。また、ポール３０は、車幅方向内側の半分のみが図示されている。

図６は本実施形態のサイドシル２０を示しており、図７は比較例のサイドシル２０を示している。両者の違いは、サイドシル２０内の補強部材２３の構成のみである。図６の本実施形態の補強部材２３の厚みは、均一で３ｍｍである。図７の比較例の補強部材２３０は、車体前後方向から見て閉断面を有しており、サイドシル２００と同方向に延びている。この閉断面の形状は長方形であり、車幅方向にこの長方形が単列で連なっている。補強部材２３の厚みは、車高方向に垂直な上壁および下壁が４ｍｍであり、車幅方向に垂直な側壁および仕切壁が２ｍｍである。

上記条件にて、シミュレーションを行った結果を以下の表１に示す。シミュレーションの出力値は、補強部材２３，２３０のそれぞれに関しての、車幅方向における平均反力、ＥＡ量（エネルギー吸収量）、重量、単位重量当たりのＥＡ量（ＥＡ量／ｋｇ）、および横倒れの有無である。平均反力、ＥＡ量、およびＥＡ量／ｋｇの比較では、それぞれ大きい方が好ましい結果を示し、重量は軽量である方が好ましい。横倒れは生じないことが好ましい。

表１を参照して、平均反力、ＥＡ量、およびＥＡ量／ｋｇのいずれにおいても本実施形態の方が比較例よりも大きな数値を示し、重量についても本実施形態の方が比較例よりも軽量であり、横倒れについても本実施形態では発生しないが比較例では発生している。従って、全ての項目で本実施形態の方が比較例よりも好ましい結果を示している。また、仮に本実施形態と比較例とで同じＥＡ量を有する構造とすると、本実施形態の方が車幅方向の大きさを比較例よりも２２％小さくできる。

以下、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態によれば、図３に示すように、サイドシル２０の内部にて車幅方向から見て多角形状の閉断面が複数連なった連続筒状構造ＣＴが構成されている。一般に、筒状構造は側部への荷重によって曲げ変形し易いが軸方向の荷重には強い。本実施形態では、車体の側突荷重は、連続筒状構造ＣＴにおいては筒状体ＣＴ１，ＣＴ２，ＣＴ３，・・・の各中心軸方向の荷重となる。従って、車体の側突時において、補強部材２３が曲げ変形する可能性を低減でき、補強部材２３の反力を向上できる。従って、衝突エネルギー吸収性能を向上できるため、車室Ｒ（図１参照）やバッテリ１０（図１参照）を安全に保護することができ、電気自動車に求められる側突性能を確保できる。

連続筒状構造ＣＴが単列で構成されているので、サイドシル２０内の狭い空間Ｓで多角形状の閉断面の大きさを最大限確保できる。多角形状の閉断面（本実施形態では、正八角形）は、例えば、縦方向に扁平に潰れることにより横幅を伸ばすことができ、反対に横方向に扁平に潰れることにより横幅を縮めることができる。従って、閉断面の大きさを最大限確保することで、閉断面を潰れやすくし、補強部材２３の伸縮性を最大限確保できる。より詳細には、図８を参照して、車体にポール３０が側突した際、補強部材２３の車幅方向外側端部はポールなどの物体に沿って車体前後方向に縮む（矢印Ａ１参照）一方、補強部材２３の車幅方向内側端部は車体前後方向に伸びる（矢印Ａ２参照）。これにより、衝突エネルギー吸収性能を向上できるため、側突性能を向上できる。

補強部材２３が単体部品で構成されているため、補強部材２３で所望の閉断面を形成した後に補強部材２３をサイドシル２０内に配置できる。そのため、車体構造の設計が容易となる。従って、好適な形状を設計し易く、所望の側突性能を得ることができる。

本実施形態では、補強部材２３の閉断面が正八角形に形成されている。六角形以上の多角形は四角形などと比べて屈曲点が多く、変形しやすいため、補強部材２３の伸縮性を向上させることができる。補強部材２３の伸縮性を確保することにより、補強部材２３の曲げ破断を抑制でき、側突性能を向上できる。

本実施形態では、補強部材２３の閉断面が偶数角形（詳細には正八角形）に形成されている。これにより、補強部材２３をサイドシルなどの他部材に取り付ける際に対向する平坦部を確保し易いため、補強部材２３の取り付け性を向上できる。

補強部材２３が６０００系または７０００系のアルミニウム合金の押し出し材であるため、補強部材２３において衝突エネルギーを吸収するための高い材料強度と伸びを確保できる。衝突エネルギーを吸収するには、高い材料強度と伸びが必要とされるため、アルミ材などの金属材料が適している。仮に、樹脂材料で補強部材２３を形成すると、材料強度が足りず、補強部材２３が容易に曲げ破断するおそれがある。また、特にアルミ材は、押し出し材として適しており、製造性にも優れている。

補強部材２３の固定方法や構造については、上記実施形態に限定されず、様々に変更され得る。以下、補強部材２３に関する様々な変形例について説明する。

（第１変形例）
図９，１０を参照して、第１変形例では、補強部材２３は、サイドシル２０内にて上部に配置されている。詳細には、補強部材２３の上面がサイドシル２０の内面と接触して配置され、補強部材２３の上面とインナー部材２２の内面とがスポット溶接等によって接合されている。また、補強部材２３の車幅方向の内側端部の下側にはＬ字型のブラケット２４が配置され、ブラケット２４によって補強部材２３の車幅方向の内側端部はインナー部材２２に固定されている。代替的には、補強部材２３の車幅方向の外側端部がアウター部材２１に固定されていてもよい。なお、図９では、ブラケット２４の図示を省略している。

バッテリ１０は、上記実施形態に比べてわずかに車幅方向内側に配置され、サイドシル２０が多少変形しても接触しないようにサイドシル２０と車幅方向に隙間ｄをもって配置されている。詳細には、車高方向において、補強部材２３とバッテリ１０は重複して配置されておらず、補強部材２３とクロスメンバ１１の位置が揃えて配置されている。従って、車体の側突時には、補強部材２３からバッテリ１０には力が付加されず、クロスメンバ１１に力が伝達される。

本変形例によれば、側突荷重が入力された際に、バッテリ１０には力が付加されないため、バッテリ１０を確実に保護できる。また、補強部材２３の上面がサイドシル２０の内面に直接接合されているため、上記実施形態に比べて使用するブラケット２４の数を減らすことができる。

（第２変形例）
図１１を参照して、本変形例では、Ｌ字型のブラケット２４により、補強部材２３の車幅方向の中央部が支持固定されている。ブラケット２４の一端はサイドシル２０のアウター部材２１とインナー部材２２とで挟み込まれるとともにこれらとスポット溶接等によって接合されている。ブラケット２４の他端は、補強部材２３とスポット溶接等によって接合されている。

本変形例によれば、曲げ破断の生じやすい補強部材２３の車幅方向の中央部を支持できるため、曲げ破断を一層確実に防止できる。

（第３変形例）
図１２，１３を参照して、本変形例では、補強部材２３は、サイドシル２０内に充填されるように配置されている。補強部材２３の上面と下面はそれぞれ、パネル材２５を介してインナー部材２２の内面にスポット溶接等によって接合されている。代替的には、補強部材２３の上面と下面はそれぞれ、パネル材２５を介してアウター部材２１の内面にスポット溶接等によって接合されていてもよい。

本変形例によれば、補強部材２３は、サイドシル２０内に充填されており、サイドシル２０を効果的に補強することができる。また、補強部材２３の固定のためのブラケット２４（図５参照）を省略できる。

（第４変形例）
図１４を参照して、本変形例では、補強部材２３をアルミニウム合金または鋼鉄の２枚の板材２３ａ，２３ｂを貼り合わせて接合することによって構成している。２枚の板材２３ａ，２３ｂは、連続したハット型にそれぞれ曲げ成形されている。本変形例では、閉断面形状は正六角形状である。補強部材２３の接合方法および固定方法は、特に限定されず、上記の実施形態および変形例で説明したような任意の方法を採用し得る。

本変形例によれば、上記実施形態のような押し出し材以外でも補強部材２３を板材２３ａ，２３ｂから構成できる。そのため、簡易に補強部材２３を製造でき、補強部材２３の汎用性を向上できる。

（第５変形例）
図１５を参照して、本変形例では、補強部材２３は、１枚の連続したハット型の板材２３ｃからなる。補強部材２３は、インナー部材２２の内面に貼り合わされ、インナー部材２２の内面とスポット溶接等によって接合されている。本変形では、連続筒状構造ＣＴは、補強部材２３とインナー部材２２（サイドシル２０）とによって構成される。本変形例では、車幅方向から見た連続筒状構造ＣＴの閉断面形状は台形である。なお、図１５では、アウター部材２１の図示が省略されている。代替的には、補強部材２３は、アウター部材２１の内面に貼り合わされ、アウター部材２１の内面とスポット溶接等によって接合されていてもよい。この場合、連続筒状構造ＣＴは、補強部材２３とアウター部材２１（サイドシル２０）とによって構成される。

本変形例によれば、補強部材２３単体で連続筒状構造ＣＴを構成する場合に比べて、補強部材２３に対する設計上の制約が緩和される。例えば、補強部材２３は、一枚の板材２３ｃで構成されるため、任意の材質とすることができる。

以上より、本発明の具体的な実施形態およびその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、個々の変形例を組み合わせて実施してもよい。

１０バッテリ
１１クロスメンバ
２０，２００サイドシル（ロッカー）
２１アウター部材
２２インナー部材
２３，２３０補強部材
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ板材
２４ブラケット
２５パネル材
３０ポール
３１支持部材
Ｒ車室
Ｓ空間
ｄ隙間
ＣＴ連続筒状構造
ＣＴ１，ＣＴ２，ＣＴ３筒状体

Claims

車体中央下部に配置されたバッテリと、
前記バッテリの車幅方向外側にて車体前後方向に延びる中空状のサイドシルと、
前記サイドシルの内部において連続筒状構造を構成するとともに内部から前記サイドシルを補強する補強部材と
を備え、
前記連続筒状構造は、車幅方向に延在する多角形状の閉断面が車両上下方向には１つとなるように単列で車体前後方向に複数連なった形状を有し、
前記補強部材は、単体部品で前記閉断面を形成している、車体構造。
前記閉断面は、六角形以上の多角形である、請求項１に記載の車体構造。
前記閉断面は、偶数角形である、請求項２に記載の車体構造。
前記補強部材は、６０００系または７０００系のアルミニウム合金の押し出し材である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の車体構造。
前記補強部材は、前記サイドシル内に充填されるように配置されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の車体構造。