JP6172695B2 - 自動車の車体構造 - Google Patents

Description

本発明は、サイドシルおよびルーフサイドレールをセンターピラーで接続する自動車の車体構造に関する。

ＣＦＲＰ製のサイドシルの車幅方向内面および車幅方向外面を上方から挟むようにアルミニウム鋳造品の連結部材を固定し、この連結部材の上部をＣＦＲＰ製の中空閉断面のセンターピラーの下部に挿入して固定することで、車両の側面衝突時における車室の変形を最小限に抑えるものが、下記特許文献１により公知である。

日本特開２０１３−１９３６３７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたものは、側面衝突の衝突荷重がアルミニウム鋳造品の連結部材の上方のＣＦＲＰ製のセンターピラーに入力したとき、センターピラーの車幅方向内壁および車幅方向外壁にそれぞれ作用する圧縮荷重および引張荷重は上下方向に配向したカーボン連続繊維で支持されるが、センターピラーの前壁および後壁は前後方向に膨らむように面外変形するためにカーボン連続繊維では荷重を効率的に支持することができず、センターピラーが局部的に破壊する可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、サイドシルおよびルーフサイドレールを接続するセンターピラーの軽量化および強度を両立させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、サイドシルおよびルーフサイドレールをセンターピラーで接続する自動車の車体構造であって、前記センターピラーの少なくとも一部を、車幅方向内外に対峙する一対のＣＦＲＰ積層板と、前記一対のＣＦＲＰ積層板を車幅方向に接合して閉断面を構成する複数の金属板とで構成したことを第１の特徴とする自動車の車体構造が提案される。

また本発明によれば、前記第１の特徴に加えて、前記金属板は、車幅方向内外端に前記一対のＣＦＲＰ積層板に接合する一対の接合フランジを備えるコ字状断面あるいはクランク状断面であることを第２の特徴とする自動車の車体構造が提案される。

また本発明によれば、前記第１または第２の特徴に加えて、前記金属板は上下方向に延びるビードを備えることを第３の特徴とする自動車の車体構造が提案される。

また本発明によれば、前記第１〜第３の何れか１つの特徴に加えて、前記センターピラーの横断面は前後方向に長い矩形状であり、少なくとも３枚の前記金属板が前後方向に並置されることを第４の特徴とする自動車の車体構造が提案される。

また本発明によれば、前記第１〜第４の何れか１つの特徴に加えて、前記センターピラーの下端と前記サイドシルとの間に金属中空ビームを配置し、前記金属中空ビームの上端と前記センターピラーの下端とを中間ジョイントで接合したことを第５の特徴とする自動車の車体構造が提案される。

また本発明によれば、前記第５の特徴に加えて、前記サイドシルはＣＦＲＰ製の車体フロアの車幅方向外端部に設けられ、前記サイドシルの上面および前記車体フロアの下面を車幅方向外側から挟持するセンターピラー支持ブラケットの上端に、前記金属中空ビームの下端を固定したことを第６の特徴とする自動車の車体構造が提案される。

また本発明によれば、前記第６の特徴に加えて、前記車体フロアの車幅方向外端に形成した凹部に前記センターピラー支持ブラケットを車幅方向外側から嵌合することで、前記車体フロアの車幅方向外端および前記センターピラー支持ブラケットの車幅方向外端を面一に整列させたことを第７の特徴とする自動車の車体構造が提案される。

また本発明によれば、前記第７の特徴に加えて、前記車体フロアは前記凹部が形成される突出部を備えるとともに、前記センターピラー支持ブラケットは前記突出部と前後方向に整列する中空の突出部を備えることを第８の特徴とする自動車の車体構造が提案される。

また本発明によれば、前記第１〜第８の何れか１つの特徴に加えて、左右一対の前記センターピラーと、それらの上端間を車幅方向に接続するルーフアーチとをＣＦＲＰで一体に形成したことを第９の特徴とする自動車の車体構造が提案される。

尚、実施の形態のセンターピラーロア５５は本発明の金属中空ビームに対応する。

本発明の第１の特徴によれば、サイドシルおよびルーフサイドレールを接続するセンターピラーの少なくとも一部を、車幅方向内外に対峙する一対のＣＦＲＰ積層板と、一対のＣＦＲＰ積層板を車幅方向に接合して閉断面を構成する複数の金属板とで構成したので、側面衝突の衝突荷重が入力したときにセンターピラーの車幅方向内面および車幅方向外面に作用する圧縮荷重および引張荷重を一対のＣＦＲＰ積層板のカーボン繊維により支持するとともに、ＣＦＲＰ積層板では支持することが難しいセンターピラーの前面および後面の面外変形を金属板で阻止することで、センターピラーの軽量化および強度を両立させることができる。

また本発明の第２の特徴によれば、金属板は、車幅方向内外端に一対のＣＦＲＰ積層板に接合する一対の接合フランジを備えるコ字状断面あるいはクランク状断面であるので、金属板の強度が接合フランジにより高められるだけでなく、ＣＦＲＰ積層板と金属板とを強固に接合してセンターピラーの強度を高めることができる。

また本発明の第３の特徴によれば、金属板は、上下方向に延びるビードを備えるので、側面衝突の衝突荷重による金属板の面外変形を効果的に抑制することができる。

また本発明の第４の特徴によれば、センターピラーの横断面は前後方向に長い矩形状であり、少なくとも３枚の金属板が前後方向に並置されるので、側面衝突の衝突荷重により面外変形する金属板を小さくし、かつ金属板の数を増加させてセンターピラーの強度を更に高めることができる。

また本発明の第５の特徴によれば、センターピラーの下端とサイドシルとの間に金属中空ビームを配置し、金属中空ビームの上端とセンターピラーの下端とを中間ジョイントで接合したので、側面衝突の衝突荷重により延性を有する金属中空ビームが伸び変形して衝突エネルギーを吸収することができる。

また本発明の第６の特徴によれば、サイドシルはＣＦＲＰ製の車体フロアの車幅方向外端部に設けられ、サイドシルの上面および車体フロアの下面を車幅方向外側から挟持するセンターピラー支持ブラケットの上端に金属中空ビームの下端を固定したので、車体フロアおよびサイドシルの両方でセンターピラー支持ブラケットを強固に支持できるだけでなく、サイドシルは断面形状を変化させる必要がないために強度低下が発生せず、しかも側面衝突の衝突荷重によるサイドシルの車幅方向内側への倒れをセンターピラー支持ブラケットにより阻止することができる。

また本発明の第７の特徴によれば、車体フロアの車幅方向外端に形成した凹部にセンターピラー支持ブラケットを車幅方向外側から嵌合することで、車体フロアの車幅方向外端およびセンターピラー支持ブラケットの車幅方向外端を面一に整列させたので、車体フロアの車幅方向外端およびセンターピラー支持ブラケットの車幅方向外端を揃えて車体のデザイン性を維持することができる。

また本発明の第８の特徴によれば、車体フロアは凹部が形成される突出部を備えるとともに、センターピラー支持ブラケットは突出部と前後方向に整列する中空の突出部を備えるので、車体フロアの突出部およびセンターピラー支持ブラケットの突出部が圧壊することで衝突エネルギーを吸収することができる。

また本発明の第９の特徴によれば、左右一対のセンターピラーと、それらの上端間を車幅方向に接続するルーフアーチとをＣＦＲＰで一体に形成したので、センターピラーおよびルーフアーチの強度を相互に高め合うとともに、部品点数を削減して生産性を高めることができる。

図１は自動車の車体フレームの斜め前方から見た斜視図である。（第１の実施の形態） 図２は自動車の車体フレームの斜め後方から見た斜視図である。（第１の実施の形態） 図３は図１の３方向矢視図である。（第１の実施の形態） 図４は図３の４Ａ方向および４Ｂ方向矢視図である。（第１の実施の形態） 図５は図３の５−５線断面図である。（第１の実施の形態） 図６は図３の６Ａ−６Ａ線および６Ｂ−６Ｂ線断面図である。（第１の実施の形態）

１１ 車体フロア
１１ｃ 突出部
１１ｊ 凹部
１２ サイドシル
１５ センターピラー
１６ｂ ルーフサイドレール
２４ ルーフアーチ
５３ センターピラー支持ブラケット
５３ｄ 突出部
５５ センターピラーロア（金属中空ビーム）
５６ ＣＦＲＰ積層板
５７ 金属板
５７ｂ 接合フランジ
５７ｃ ビード
５８ 中間ジョイント

以下、図１〜図６に基づいて本発明の実施の形態を説明する。尚、本明細書において前後方向、左右方向（車幅方向）および上下方向とは、運転席に着座した乗員を基準として定義される。

第１の実施の形態

図１〜図４に示すように、ＣＦＲＰ（カーボン繊維強化樹脂）を主たる材料とする自動車の車体フレームは、車体フロア１１と、車体フロア１１の左右両側部に沿って前後方向に延びる左右一対のサイドシル１２，１２と、左右のサイドシル１２，１２の前端から前上方に起立する左右一対のフロントピラーロア１３，１３と、左右のサイドシル１２，１２の後端から後上方に起立する左右一対のリヤピラー１４，１４と、左右のサイドシル１２，１２の前後方向中間部から上方に起立する左右一対のセンターピラー１５，１５と、左右のフロントピラーロア１３，１３の上端から左右のセンターピラー１５，１５の上端を経由して左右のリヤピラー１４，１４の上端に延びる左右一対の上部部材１６，１６とを備える。上部部材１６は、前半部がフロントピラーアッパー１６ａを構成し、後半部がルーフサイドレール１６ｂを構成する。そして左右のセンターピラー１５，１５の上端間がルーフアーチ２４で接合される。

車体フロア１１の前端と左右のフロントピラーロア１３，１３の前面とに平板状のダッシュパネルロア１７が接合され、車体フロア１１の後端と左右のリヤピラー１４，１４の後面とに平板状の後部隔壁１８が接合され、 後部隔壁１８の後端からリヤパーシェル１９が後方に水平に延出する。車体フロア１１の前端に左右一対のアルミニウム合金製の取付台座２０，２０が固定され、取付台座２０，２０の前端に左右一対のアルミニウム合金製のフロントサイドフレーム２１，２１の後端が固定される。

車体フロア１１の下壁の後端から左右一対のリヤサイドフレーム２２，２２が後方に延びており、リヤピラー１４，１４およびリヤサイドフレーム２２，２２が左右一対のリヤホイールハウスインナー２３，２３で接合される。車体フロア１１の上壁の後端は後部隔壁１８の位置で終わっており、後部隔壁１８の後方には車体フロア１１の上壁とは別部材の後部フロア４４が配置され、後部隔壁１８よりも後方に延びる車体フロア１１の下壁と後部フロア４４とにより閉断面を有するリヤサイドフレーム２２，２２が構成される。そして後部フロア４４の上方に荷室４５が区画される。

図１、図２および図５に示すように、車体フロア１１は、車幅方向中央部を前後方向に延びる逆Ｕ字状のフロアトンネル部１１ａと、フロアトンネル部１１ａの車幅方向両側に連続する左右一対のフロア部１１ｂ，１１ｂとを備える。アンダーフロアパネル２５のフロア部下壁２５ｃと、アッパーフロアパネル２６のフロア部上壁２６ａとを備えるフロア部１１ｂは、車幅方向両端部が車幅方向中央部に比べて上下方向に厚くなっており、その厚くなった部分に上下一対のエネルギー吸収部材３０，３０が配置される。エネルギー吸収部材３０，３０は衝撃吸収性能に優れたＰＡ（ポリアミド）あるいはナイロン製の波板状の部材で構成される。

エネルギー吸収部材３０，３０の車幅方向内側には支持壁３１が接着により固定されており、支持壁３１の車幅方向外面に形成した嵌合溝にエネルギー吸収部材３０，３０が嵌合して接着により接合される。そしてエネルギー吸収部材３０，３０の上面がアッパーフロアパネル２６の下面に接着により接合され、エネルギー吸収部材３０，３０の下面がアンダーフロアパネル２５の上面に接着により接合される。

支持壁３１の車幅方向内側であってフロア部１１ｂの厚さが変化する部分に、前後方向に延びるＣＦＲＰ製（あるいはアルミニウム合金製）の荷重分散フレーム３２が配置される。荷重分散フレーム３２の上面および下面はそれぞれアッパーフロアパネル２６の下面およびアンダーフロアパネル２５の上面に接着により接合され、かつ車幅方向外面は支持壁３１の車幅方向内面に接着により接合される。荷重分散フレーム３２の車幅方向内側のフロア部１１ｂの内部に波板状のコア３３が配置され、その上面および下面がそれぞれアッパーフロアパネル２６の下面およびアンダーフロアパネル２５の上面に接着により接合される。

サイドシル１２は、外側壁４６、上壁４７、下壁４８および内側壁４９を備えて四角形状の閉断面に構成されており、その内部に複数の隔壁板３６…が前後方向に所定間隔で配置される。サイドシル１２の下壁４８は、車体フロア１１の車幅方向外端部、つまりエネルギー吸収部材３０，３０の上部において、アッパーフロアパネル２６の上面に載置されて接着により接合されるが、車体フロア１１の車幅方向外端に形成した突出部１１ｃがサイドシル１２の車幅方向外端よりも車幅方向外側に突出する。

車体フロア１１の突出部１１ｃの前後方向中間部には、そこを部分的に切り欠いた凹部１１ｊが形成されており、その凹部１１ｊにアルミニウム合金製の押し出し材で構成されたセンターピラー支持ブラケット５３が車幅方向外側から嵌合する。センターピラー支持ブラケット５３は側壁５３ａ、上壁５３ｂおよび下壁５３ｃを有して車幅方向内側に開放する断面コ字状の部材であり、側壁５３ａがサイドシル１２の外側壁４６および車体フロア１１の凹部１１ｊに当接し、上壁５３ｂがサイドシル１２の上壁４７に当接し、下壁５３ｃが車体フロア１１の下面に当接することで、サイドシル１２および車体フロア１１を上下から挟むように固定される。この状態で、側壁５３ａから車幅方向外側に突出する中空の突出部５３ｄが、車体フロア１１の突出部１１ｃに前後方向に揃うように整列する。そして上壁５３ｂの上面にセンターピラー１５の下端が接合される。

図１、図２、図５および図６に示すように、センターピラー１５は、センターピラーアッパー５４とセンターピラーロア５５とを備え、左右一対のセンターピラーアッパー５４，５４とルーフアーチ２４とは正面視で逆Ｕ字状をなすように一体に形成される。センターピラーアッパー５４は車幅方向内外に相互に対峙するように配置された一対の平坦なＣＦＲＰ積層板５６，５６と、一対のＣＦＲＰ積層板５６，５６を接続する４枚のアルミニウム合金製の金属板５７…とで構成される。金属板５７は、ＣＦＲＰ積層板５６，５６と直交する本体部５７ａの車幅方向両端部を折り曲げた接合フランジ５７ｂ，５７ｂを備えており、４枚の金属板５７…の接合フランジ５７ｂ…を一対のＣＦＲＰ積層板５６，５６の相互に対向する面に接着することで、車幅方向に短く前後方向に長い長方形の閉断面に構成される。金属板５７の本体部５７ａには、上下方向に延びるビード５７ｃが形成される。

センターピラーロア５５は、長手方向に一定の四角形中空断面を有するアルミニウム合金製の２本の金属中空ビ−ムからなり、その下端がセンターピラー支持ブラケット５３の上面に嵌合して接着や溶接により固定される。上端側の間隔が下端側の間隔よりも狭まるようにハ字状に配置されたセンターピラーロア５５の２本の金属中空ビ−ムの上端は、アルミニウム合金製の押し出し材よりなる中間ジョイント５８を介してセンターピラーアッパー５４の下端に接合される。中間ジョイント５８は上部および下部に溝５８ａ，５８ｂが形成されたＨ字状断面の部材であり、下側の溝５８ｂにセンターピラーロア５５の２本の金属中空ビ−ムの上端が嵌合して接着や溶接により固定され、上側の溝５８ａにセンターピラーアッパー５４の下端が嵌合して接着により固定される。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

車体フロア１１およびサイドシル１２の車幅方向外端部に側面衝突の衝突荷重が入力すると、車体フロア１１の内部に配置したエネルギー吸収部材３０，３０とサイドシル１２の内部に配置した隔壁板３６…とが圧壊して衝突エネルギーの一部を吸収し、そこで吸収しきれなかった衝突エネルギーは荷重分散フレーム３２を介して車体フロア１１のフロア部１１ｂに伝達されて吸収される。

車体フロア１１の突出部１１ｃの一部を切り欠いた凹部１１ｊに嵌合する金属製のセンターピラー支持ブラケット５３の上壁５３ｂおよび下壁５３ｃで車体フロア１１およびサイドシル１２を上下から挟持したので、車体フロア１１およびサイドシル１２の両方でセンターピラー支持ブラケット５３を強固に支持し、かつセンターピラー支持ブラケット５３で側面衝突の衝突荷重によるサイドシル１２の車幅方向内側への倒れを防止することができ、しかもサイドシル１２は断面形状を変化させる必要がないために強度低下が発生することがない。またセンターピラー支持ブラケット５３が車体フロア１１およびサイドシル１２から車幅方向外側に突出するのを防止して車体のデザイン性を維持しながら、サイドシル１２にセンターピラー１５を強固に支持することができる。

しかも車体フロア１１は凹部１１ｊが形成される突出部１１ｃを備えるとともに、センターピラー支持ブラケット５３は車体フロア１１の突出部１１ｃと前後方向に整列する中空の突出部５３ｄを備えるので、側面衝突の衝突荷重で車体フロア１１の突出部１１ｃおよびセンターピラー支持ブラケット５３の突出部５３ｄが圧壊することで衝突エネルギーを吸収することができる。

さて側面衝突の衝突荷重によりセンターピラーアッパー５４は車幅方向内側に向かって湾曲するように変形するため、車幅方向外側のＣＦＲＰ積層板５６には圧縮荷重が作用し、車幅方向内側のＣＦＲＰ積層板５６には引張荷重が作用するが、両ＣＦＲＰ積層板５６，５６は上下方向に配向したカーボン連続繊維が圧縮荷重および引張荷重を効果的に支持することで、その曲げ強度が確保される。

また衝突荷重によりセンターピラーアッパー５４の断面が車幅方向に潰れるように変形すると、センターピラーアッパー５４の前壁および後壁は前後方向に膨らむように面外変形するため、仮に前壁および後壁をＣＦＲＰ積層板で構成した場合には容易に破壊する可能性がある。しかしながら、本実施の形態によれば、センターピラーアッパー５４の一対のＣＦＲＰ積層板５６，５６を面外変形に対して強い金属板５７…で接合したことにより、センターピラーアッパー５４の曲げ強度を更に高めることができ、軽量化および強度を両立させることができる。

またセンターピラーアッパー５４の横断面は前後方向に長い矩形状であり、４枚の金属板５７…が前後方向に並置されるので、側面衝突の衝突荷重により面外変形しようとする金属板５７…の寸法を小さくして変形を阻止し、かつ金属板５７…の数を増加させてセンターピラーアッパー５４の強度を更に高めることができる。

特に、金属板５７は車幅方向内外端に一対のＣＦＲＰ積層板５６，５６に接合する一対の接合フランジ５７ｂ，５７ｂを備えるコ字状断面であるので、金属板５７の強度が接合フランジ５７ｂ，５７ｂにより高められるだけでなく、ＣＦＲＰ積層板５６，５６と金属板５７とを強固に接合することができる。しかも金属板５７は、上下方向に延びるビード５７ｃを備えるので、側面衝突の衝突荷重による金属板５７の面外変形を一層効果的に抑制することができる。

またセンターピラーアッパー５４の下端とセンターピラー支持ブラケット５３との間に中空の金属中空ビームよりなるセンターピラーロア５５を配置し、センターピラーロア５５の上端とセンターピラーアッパー５４の下端とを中間ジョイント５８で接合したので、側面衝突の衝突荷重により延性を有する金属中空ビームが伸び変形して衝突エネルギーを吸収することができる。

また左右一対のセンターピラーアッパー５４，５４と、それらの上端間を車幅方向に接続するルーフアーチ２４とをＣＦＲＰで一体に形成したので、センターピラーアッパー５４，５４およびルーフアーチ２４の強度を相互に高め合うとともに、部品点数を削減して生産性を高めることができる。

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。

例えば、実施の形態ではセンターピラー１５をセンターピラーアッパー５４およびセンターピラーロア５５で構成しているが、センターピラーロア５５は省略することも可能である。

また実施の形態の金属板５７はコ字状断面を有しているが、本体部５７ａから一対の接合フランジ５７ｂ，５７ｂを相互に逆方向に折り曲げてクランク状断面（Ｚ字状断面）に形成しても良い。

また金属板５７の数は実施の形態の４枚に限定されるものではなく、センターピラーアッパー５４を閉断面に構成するために２枚以上であれば良い。

Claims (9)

1. サイドシル（１２）およびルーフサイドレール（１６ｂ）をセンターピラー（１５）で接続する自動車の車体構造であって、
   前記センターピラー（１５）の少なくとも一部を、車幅方向内外に対峙する一対のＣＦＲＰ積層板（５６）と、前記一対のＣＦＲＰ積層板（５６）を車幅方向に接合して閉断面を構成する複数の金属板（５７）とで構成したことを特徴とする自動車の車体構造。
2. 前記金属板（５７）は、車幅方向内外端に前記一対のＣＦＲＰ積層板（５６）に接合する一対の接合フランジ（５７ｂ）を備えるコ字状断面あるいはクランク状断面であることを特徴とする、請求項１に記載の自動車の車体構造。
3. 前記金属板（５７）は上下方向に延びるビード（５７ｃ）を備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の自動車の車体構造。
4. 前記センターピラー（１５）の横断面は前後方向に長い矩形状であり、少なくとも３枚の前記金属板（５７）が前後方向に並置されることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の自動車の車体構造。
5. 前記センターピラー（１５）の下端と前記サイドシル（１２）との間に金属中空ビーム（５５）を配置し、前記金属中空ビーム（５５）の上端と前記センターピラー（１５）の下端とを中間ジョイント（５８）で接合したことを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の自動車の車体構造。
6. 前記サイドシル（１２）はＣＦＲＰ製の車体フロア（１１）の車幅方向外端部に設けられ、前記サイドシル（１２）の上面および前記車体フロア（１１）の下面を車幅方向外側から挟持するセンターピラー支持ブラケット（５３）の上端に前記金属中空ビーム（５５）の下端を固定したことを特徴とする、請求項５に記載の自動車の車体構造。
7. 前記車体フロア（１１）の車幅方向外端に形成した凹部（１１ｊ）に前記センターピラー支持ブラケット（５３）を車幅方向外側から嵌合することで、前記車体フロア（１１）の車幅方向外端および前記センターピラー支持ブラケット（５３）の車幅方向外端を面一に整列させたことを特徴とする、請求項６に記載の自動車の車体構造。
8. 前記車体フロア（１１）は前記凹部（１１ｊ）が形成される突出部（１１ｃ）を備えるとともに、前記センターピラー支持ブラケット（５３）は前記突出部（１１ｃ）と前後方向に整列する中空の突出部（５３ｄ）を備えることを特徴とする、請求項７に記載の自動車の車体構造。
9. 左右一対の前記センターピラー（１５）と、それらの上端間を車幅方向に接続するルーフアーチ（２４）とをＣＦＲＰで一体に形成したことを特徴とする、請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の自動車の車体構造。

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