(57)【要約】【課題】薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材によって構成されるモノコックフレームまたはパイプフレームは素材の厚さを薄くすると曲げや衝撃荷重に耐えにくくなる弱点がある。空気圧を利用してフレームの中空部分の内圧を高めることによってフレームを構成する素材に引っ張り荷重をかけておくことにより曲げや衝撃荷重に対する耐性を高める。【解決手段】曲げや衝撃荷重に対する耐性を高めたい部位を中空構造とし、圧縮空気または送風機を使って中空部分の内圧を高めることによりフレームを構成する薄い鋼板または繊維強化プラスチック素材に引っ張り荷重を加えておく。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気または送風機によって中空構造を有するフレーム構造の中空部分の内圧を高めフレームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に引っ張り荷重をかけておくことにより曲げや衝撃荷重に対する耐性を高めた構造を特徴とするフレーム構造。
【請求項２】
乗員が乗車する空間を囲うように構成される各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強材によって形成される中空部分の一部または全部にゴム製のチューブを内蔵させるか中空部分をシーリング材によって密閉して圧縮空気または窒素ガスを充てんするか、送風装置を用いて中空部分に空気を送り込むことによって、中空部分の内圧を高めフレームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に引っ張り荷重をかけておくことにより曲げや衝撃荷重に対する耐性を高めた構造を特徴とする車体モノコック構造。
【請求項３】
中空部分にゴム製のチューブを内蔵させるか中空部分をシーリング材によって密閉して圧縮空気または窒素ガスを充てんするか、送風装置を用いて中空部分に空気を送り込むことによって、中空部分の内圧を高めフレームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に引っ張り荷重をかけておくことにより曲げや衝撃荷重に対する耐性を高めた構造を特徴とするパイプフレーム構造。
【請求項４】
中空部分にゴム製のチューブを内蔵させるか中空部分をシーリング材によって密閉して圧縮空気または窒素ガスを充てんするか、送風装置を用いて中空部分に空気を送り込むことによって、中空部分の内圧を高めフレームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に引っ張り荷重をかけておくことにより曲げや衝撃荷重に対する耐性を高めた構造を特徴とするサスペンションアームまたはサブフレーム。
【請求項５】
乗員が乗車する空間を囲うように構成される各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強材によって形成される中空部分を前後左右のブロックに分けて連結し、車体衝突時にエアバック装置に連動して作動する火薬装置または前後のバンパーの内側に衝撃によってつぶされる構造の空気タンクを内蔵させることにより、衝突時にブロックに分けられた乗員が乗車する空間を囲うように構成される各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強材によって形成される中空部分の一部または全部に大量の空気を送り込むことにより、乗員が乗車する空間を囲うように構成される各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強部の衝撃荷重に対する耐性を高め乗員が乗車する空間の変形を最小限に止める構造を特徴とする車体モノコック構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、空気の圧力を利用してフレームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に引っ張り応力を加えておくことにより剛性を高める車体フレーム、サスペンションアームおよびサブフレームに関するものである。
【背景技術】
【０００２】現在乗用車のフレーム構造は薄い鋼板を組み合わせてボディとフレームを一体構造としたモノコック構造が主流となっている。モノコック構造の剛性を高めるために鋼板を厚くする、補強材を付加する、剛性の高い断面形状を採用するなどの手段が一般的な手段として採用されてきた。【０００３】しかし、鋼板を厚くするか補強材を付加するとモノコックフレームの重量が増加してしまい、鋼板を薄くしすぎると曲げや集中的に荷重に耐えられなくなって十分な剛性を確保できないという弱点があった。現在乗用車のフレーム構造は薄い鋼板を組み合わせた構造であるため高速道路での衝突時に車内の空間が大きく変形してしまい十分な安全性が確保されている状態に至っていない。【０００４】薄い鋼板を使ったモノコック構造の弱点を補う手段として参考になるものとしてペットボトル入り炭酸飲料がある。開封していないペットボトルは剛性が高く指で押しても落としてもほとんど変形しない。しかし空になったペットボトルは非常に弱く手で押せば簡単につぶれくしゃくしゃになってしまう。飲みかけのペットボトルは炭酸成分が残っていれば液体の中に閉じ込められていた炭酸が容器内に充満してペットポトルの内圧を高める。この時炭酸によって内圧が高ければペットボトルは手で押しつぶそうとしてもわずかに凹むだけで手を離せば元通りの形に戻る。また高い位置から落としても角の部分が凹む程度で全体の形状は維持され大きく変形することはない。炭酸成分がわずかでも残っていればペットボトルは指で押して大きく変形したとしても指を離せば元の形に戻る弾力性を持つようになる。【０００５】炭酸飲料が残っているペットボトルが変形しにくくなるのは炭酸によってペットポトルに内圧がかかりペットボトルを膨らませようとする力がペットボトルを形作っている薄いプラスチック素材に引っ張り荷重を与えるからである。ペットボトルに使われている薄いプラスチック素材は曲げや圧縮には弱いが、引っ張り荷重に対しては大きな耐性がある。この特性は車体モノコック構造を構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材とほぼ同じ特性を持っていると考えてよい。【０００６】炭酸によって内圧が高められたペットボトルには表面を引っ張って伸ばそうとする力が常にかかった状態が維持されている。この力を超える反対向きの力がかかるまではペットボトルの表面には引っ張り荷重がかかったままの状態が保たれる。ペットポトルの内圧を高めることは曲げや圧縮には弱いが、引っ張り荷重に対しては大きな耐性があるという薄いプラスチック素材の特性を有効に生かせる手段となる。同じような特性を持つ薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に対しても囲われた空間の内圧を高めることにより曲げや圧縮に弱いという弱点を克服し変形しにくいモノコック構造にすることが可能となる。
【発明が解決しようとする課題】
【課題】
【０００７】薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材によって構成されるモノコックフレーム、ボックス型フレームまたはパイプフレームは素材の厚さを薄くすると曲げや衝撃荷重に耐えにくくなる弱点がある。フレームの中空部分を空気で加圧することによってフレームを構成する素材に引っ張り荷重をかけておくことにより曲げや衝撃荷重に対する耐性を高める。
【０００８】また車体が衝突した時に乗員が乗車する空間を囲うように構成される各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強部の変形を最小限に止め、乗員の安全を守る空間を確保する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】圧縮空気または送風機によって中空構造を有するフレーム構造の中空部分の内圧を高めフレームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に引っ張り荷重をかけておくことにより曲げや衝撃荷重に対する耐性を高める。
【００１０】乗員が乗車する空間を囲うように構成される各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強部の中空部分にゴム製のチューブまたは同等品を内蔵させるかシーリング材によって中空部分を密閉して圧縮空気または窒素ガスを充てんし中空部分の内圧を高める。
【００１１】もう一つの手段として送風装置を使って中空部分に空気を送り込む。送風装置は電動ファンが一番手軽であるがターボチャージャーの圧縮空気や圧縮ポンプも利用できる。送風装置によって中空部分の内圧を高める場合は中空部分を完全に密閉構造にする必要はない。中空部分の隙間から漏れる量より送風機によって送り込む流量を多くすることで密閉されていなくても内圧を高めることができる。中空部分の内圧を高めフレームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に引っ張り荷重をかけておくことにより曲げや衝撃荷重に対する耐性を高めることができる。
【００１２】モノコック構造では各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強部の中空部分が内圧を高めるのに適している。乗員が乗車する空間を囲うようにこれらの部位を連結して内圧を高めることが最も望ましいが、曲げや衝撃荷重に対する耐性を高めたい部位を限定して部分的に加圧してもよい。密閉型にして加圧するか送風装置を利用するかは自由に選択できる。
【００１３】パイプフレーム構造でも圧縮空気または送風装置を利用して中空構造となる部位の内圧を高め、フレームを構成するパイプに引っ張り荷重をかけておくことにより曲げや衝撃荷重に対する耐性を高めることができる。パイプの径が大きく肉厚が薄いパイプほど大きな効果が得られる。
【００１４】サスペンションアームの中空部分にゴム製のチューブを内蔵させるかシーリング材によって密閉して圧縮空気または窒素ガスを充てんして内圧を高めサスペンションアームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に予め引っ張り荷重をかけておくことにより曲げやねじり及び衝撃荷重に対する耐性を高める。
【００１５】サスペンションアームが取りつくサブフレームについてもサスペンションアームと同様に中空部分にゴム製のチューブを内蔵させるかシーリング材によって密閉して圧縮空気または窒素ガスを充てんして内圧を高めサスペンションアームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に予め引っ張り荷重をかけておくことにより曲げやねじり及び衝撃荷重に対する耐性を高めることができる。
【００１６】車体衝突時、乗員が乗車する空間を囲うように構成される各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強材によって形成される中空部分により多くの空気を送り込み中空部分の内圧を一時的に急激に高めることにより衝突時の衝撃荷重に対して大きな耐性を持たせることができる。衝突時中空部分により多くの空気を送り込むには車体衝突時に作動するエアバック装置に連動して作動する火薬装置を追加装備し火薬を爆発させることによって発生する空気の流れを連結された中空部分に導くことによって内圧を一時的に急激に高めることができる。各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強材によって形成される中空部分は後左右のブロックに分けて連結し、衝撃が加わる方向に合わせて作動させると短時間で急激に内圧を高めやすくなる。
【００１７】もう一つの手段として前後のバンパーの内側に衝撃によってつぶされる構造の空気タンクを内蔵させ、ブロックに分けられた各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強材によって形成される中空部分と連結しておくことにより衝撃によってつぶされたタンク内の空気をブロックに分けられた中空部分に送り込むことができる。この手段は車体の前後方向の衝撃に対して有効な手段となる。この手段はバンパーの内側に設置される空気タンクとブロックに分けられた各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強材によって形成される中空部分と連結するだけなので作動を制御するための電子部品は一切必要とせず衝撃の発生に連動して同時に作動させることができる。
車体衝突時に各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強部の中空部分に大量の空気を瞬時に送り込んで内圧を高めることによって乗員が乗車する空間を囲うように構成される各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強部にかかる衝撃荷重に対する耐性を高め乗員が乗車する空間の変形を最小限に止めることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】本発明の実施形態を図面に示して説明する。
【００１９】中空構造を有するフレーム構造の中空部分にラバー製チューブを内蔵させチューブに圧縮空気または窒素ガスを充てんして中空部分の内圧を高めフレームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に引っ張り荷重をかけておくことにより曲げや衝撃荷重に対する耐性を高める。
【００２０】中空構造を有するフレーム構造の中空部分の隙間をシーリング材によって埋めることにより密閉空間を作り出し密閉された空間に空気または窒素ガスを充てんして中空部分の内圧を高めフレームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に予め引っ張り荷重をかけておくことにより曲げや衝撃荷重に対する耐性を高める。
【００２１】中空構造を有するフレーム構造の中空部分に送風装置によって空気を送り込むことにより中空部分の内圧を高め加圧しフレームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に引っ張り荷重をかけておくことにより曲げや衝撃荷重に対する耐性を高める。
【００２２】図１に乗員が乗車する空間を囲うように構成される各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強部の中空部分の中からサイドシルだけに限定してシーリング材によって隙間を埋めることにより中空部分を密閉して圧縮空気を充てんした事例を示す。
サイドシル１の隙間２をシール材３で埋め密閉構造にし、空気供給弁４から空気を入れ加圧する。空気供給弁はタイヤに空気を入れる供給弁を利用することが可能である。
【００２３】図２に電動ファンによる送風装置５を使ってサイドシル１及びピラー６の及び天井の中空部分７の内圧を高める事例を示す。隙間２から漏れる量より送風装置５によって送り込まれる空気の量を多くすることで内圧を高める。内圧を高める部位は限定されるものではなく図２はその一例である。すべてを連結した加圧できるようにすることが一番大きな効果を得られるが各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強部の中空部分の中から必要な部位に限定して内圧を高めてもよい。部位によって密閉型にするか送風装置を利用するかも選択は自由である。
【００２４】パイプフレーム構造でも中空構造となる部位を圧縮空気または窒素ガスを用いて加圧し、フレームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に予め引っ張り荷重をかけておくことにより曲げや衝撃荷重に対する耐性を高めることができる。加圧の仕方はモノコックフレームの中空部分を加圧する手段がそのまま応用できる。
【００２５】サスペンションアーム及びサスペンションアームが取りつくサブフレームの中空部分をシーリング材によって密閉して窒素ガスを充てんしてサスペンションアームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に予め引っ張り荷重をかけておくことにより曲げやねじり及び衝撃荷重に対する耐性を高めることができる。加圧の仕方はモノコックフレームの中空部分を加圧する手段がそのまま応用できる。
【００２６】図３及び図４に車体衝突時に作動するエアバッグ装置９を利用してブロックに分けて連結した各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強部の中空部分１０に大量の空気を瞬時に送り込むことによって車体衝突時に乗員が乗車する空間を囲うように構成される各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強部の変形を最小限に止めることができるモノコックフレームの事例を示す。
【００２７】図５及び図６に前後のバンパーの内側に衝突によってつぶされる構造の空気タンク１１を内蔵させ、衝突の衝撃で空気タンクがつぶされることによって空気タンクから排出される大量の空気をダクト１２により連結した各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強部の中空部分１０に大量の空気を瞬時に送り込む事例を示す。
【発明の効果】
【００２８】中空構造を有するフレーム構造の中空部分を圧縮空気または送風機によって加圧しフレームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に引っ張り荷重をかけておくことにより引っ張り荷重とは逆の荷重がかかっても予めかけておいた引っ張り荷重を超えない間はフレームを構成する薄い鋼板や繊維強化プラスチック素材に引っ張り荷重がかかったままの状態が継続される。引っ張り荷重がかかった状態を維持することで薄い鋼板は引っ張り強度には強いが曲げや衝撃荷重に対して弱いという弱点を補い曲げや衝撃荷重に対して耐性をもつ構造にすることができる。
【００２９】空気の圧力を利用して剛性を高めるため車体モノコックの重量を増加させることなく剛性を高めることができる。また鋼板の厚さを薄くしても曲げや衝撃荷重に対する耐性を高くすることができるため鋼板の厚さを薄くすることが可能となりモノコックフレームを軽量化できる。
【００３０】中空構造となる部位を有するフレーム構造であればモノコックフレームやパイプフレームに限らず中空部分の内圧を高めることによって現状より曲げや衝撃荷重に対する耐性を高めることができる。
【００３１】サスペンションアームまたはサブフレームの中空構造の部品にも実施可能であり、現状より曲げや衝撃荷重に対する耐性を高めることができる。
【００３２】車体衝突時に作動するエアバッグに連動して連結された中空部分大量の空気を送り込むか、前後のバンパーの内側に衝撃によってつぶされる空気タンクを内蔵させ衝突の衝撃でつぶされる空気タンクから排出される大量の空気を中空部分に送り込むことにより、衝突時の衝撃荷重に対して乗員が乗車する空間を囲うように構成される各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強部の変形を最小限に止め乗員が乗車する空間を確保して車体衝突時の安全性が高まる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】本発明は現状の車体モノコックフレーム構造を形成する薄い鋼板の持つ弱点を補うことでフレームの剛性を高く保つものであり車種に限定されることなく実施可能である。製造会社においてはゴムチューブを組み込むことも可能であり産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】サイドシルだけに限定してシーリング材によって隙間を埋めることにより中空部分を密閉して圧縮空気を充てんした事例を示す側面図である。
【図２】電動ファンによる送風装置を使ってサイドシル及びピラーの中空部分の内圧を高める事例を示す側面図である。
【図３】エアバック装置を利用して中空部分の内圧を高める事例を示す側面図である。
【図４】エアバック装置を利用して中空部分の内圧を高める事例を示す平面図である。
【図５】バンパーに内蔵した空気タンクを利用して中空部分の内圧を高める事例を示す側面図である。
【図６】バンパーに内蔵した空気タンクを利用して中空部分の内圧を高める事例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３５】１．  サイドシル
２．  隙間
３．  シール材
４．  空気供給弁
５．  送風装置（電動ファン）
６．  ピラー
７．  天井の中空部分
８．  サイドシル
９．  エアバック装置（火薬）
１０．各ピラー、サイドシル、フロアパネルおよび天井パネルの補強部の中空部分
１１．バンパー内側の空気タンク
１２．ダクト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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