(57)【要約】  本発明は、１つ以上の中空金属板部材を含んでなる車両サブフレームを強化する方法であって、特定の条件について、サブフレームの中空金属板部材における少なくとも１つの領域を決定する工程；前記領域でサブフレームの中空金属板部材に挿入可能な強化部材を製造する工程、ここで、前記強化部材は、金属板部材を支持するための軽量キャリア、および加熱後に膨らむことのできるフォーム材のプレフォームを含み、前記軽量キャリアは少なくとも１つの中空チャンバーを含み、前記プレフォームは前記少なくとも１つの中空チャンバーとは分離され、前記キャリアの外縁の少なくとも一部に分布している；および前記決定領域でサブフレームの金属板部材内に前記強化部材を取り付け、プレフォームを膨らませるためにプレフォームに熱を供給して、サブフレーム内に強化部材を固定する工程を含む方法に関する。また、本発明は、前記方法により強化された車両サブフレームに関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の中空金属板部材を含んでなる車両サブフレームを強化する方法であって、
特定の条件について、サブフレームの中空金属板部材における少なくとも１つの領域を決定する工程；
前記領域でサブフレームの中空金属板部材に挿入可能な強化部材を製造する工程、ここで、前記強化部材は、金属板部材を支持するための軽量キャリア、および加熱後に膨らむことのできるフォーム材のプレフォームを含み、前記軽量キャリアは少なくとも１つの中空チャンバーを含み、前記プレフォームは前記少なくとも１つの中空チャンバーとは分離され、前記キャリアの外縁の少なくとも一部に分布している；および
前記決定領域でサブフレームの金属板部材内に前記強化部材を取り付け、プレフォームを膨らませるためにプレフォームに熱を供給して、サブフレーム内に強化部材を固定する工程
を含む方法。
【請求項２】
領域を決定する工程は、コンピュータにおけるトポロジー最適化技術により達成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記領域は、サブフレームに静的負荷または動的負荷をかけた場合に最も大きな応力または破壊が生じ得る、サブフレームの金属板部材の領域として定義される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
適用する負荷は、実際の走行車両のサブフレームにかかる負荷と実質的に同じである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記サブフレームの金属板部材は前記決定領域で薄くなっている、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記軽量キャリアはポリアミド製である、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記キャリアは、少なくとも１つの前記中空チャンバーを形成するための複数の薄壁部よりなる、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
強化部材を製造する工程において、決定領域と同じように製造される金型にキャリアを入れ、次いで、キャリアの外縁の少なくとも一部に分布されるようにプレフォームを金型に注入する、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
強化部材がサブフレーム用に設計された塗装ラインを通って移送された後、プレフォームに熱を供給する、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の方法により強化された車両サブフレームであって、前記サブフレームは１つ以上の中空金属板部材を含んでなり、前記サブフレームはその少なくとも１つの所定領域において強化部材により強化されており、前記強化部材は金属板部材の内表面を支持するための軽量キャリア、および加熱後に膨らむことのできるフォーム材のプレフォームを含み、前記キャリアは、該キャリアの軽量化を可能にする少なくとも１つの中空チャンバーを含み、前記プレフォームは前記少なくとも１つの中空チャンバーとは分離されて、前記キャリアの外縁の少なくとも一部に配置され、強化部材を前記領域で金属板部材内に配置した後、プレフォームを膨らませるためにプレフォームに熱を供給して、サブフレーム内に強化部材を固定した、車両サブフレーム。
【請求項１１】
前記領域は、コンピュータによるトポロジー最適化技術により決定される、請求項１０に記載のサブフレーム。
【請求項１２】
前記領域は、サブフレームに静的負荷または動的負荷をかけた場合に最も大きな応力または破壊が生じ得る、サブフレームの金属板部材の領域として定義される、請求項１０または１１に記載のサブフレーム。
【請求項１３】
適用する負荷は、実際の走行車両のサブフレームにかかる負荷と実質的に同じである、請求項１２に記載のサブフレーム。
【請求項１４】
前記サブフレームの金属板部材は前記決定領域で薄くなっている、請求項１０〜１３のいずれかに記載のサブフレーム。
【請求項１５】
前記軽量キャリアはポリアミド製である、請求項１０〜１４のいずれかに記載のサブフレーム。
【請求項１６】
前記キャリアは、少なくとも１つの前記中空チャンバーを形成するための複数の薄壁部よりなる、請求項１０〜１５のいずれかに記載のサブフレーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、強化された車両サブフレームおよびそのような車両サブフレームの強化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代の自動車車両において、サブフレームは、振動を遮断し、車両の他の関連部材（例えば、エンジン、パワートレイン、サスペンションシステムなど）の接続強度を上げるために広く用いられている。例えば、サブフレームは通常、自動車車両に備え付けられている。サブフレームは車体に取り付けられ、そこにサスペンションシステムを備えている。このようにして、サスペンションシステムは、車両のエンジンまたは道路からサスペンションシステムまたは車両の車室に伝わる振動を低減することができるように車体に関与している。サスペンションシステムは、サブフレームを介して車体自身と間接的に接続しているため、サスペンションシステムは車体に対してより確実に固定することができる。
【０００３】
サブフレームは、通常、金属板部材で作られている。車両の総重量を減らすため、サブフレームは軽くなければならない。例えば、アルミニウム合金またはチタン合金などを、サブフレームを製造するために用いることができる。また、サブフレームのさらなる軽量化を可能にするために、サブフレームの金属板部材の厚みは可能な限り小さく設計される。しかしながら、サブフレームの金属板部材の厚みが薄すぎると、サブフレーム自体の剛性が、サスペンションシステムを支え、車両に取り付けるのに不足するであろう。したがって、サブフレームの十分な剛性を有したまま、サブフレーム自体の重量を軽減する方法を見出すことが望まれている。
【０００４】
特許公報ＥＰ２１６５９１９は、構造部品（２）および、構造部品の空洞に配置された強化部材（４）を含み、前記強化部材（４）が支持部材（５）および、発泡材であり得る接続手段（６）を含む強化構造を開示する。しかしながら、この文献は、サブフレームを軽量化および強化する方法には関与しない。むしろ、この文献は、活性可能な発泡材の最適利用方法に関する。具体的には、最適化は、部材の高い変形を伴う部分で低い変形を伴う部分と比較してより少量の活性可能な発泡材を用いることにより達成される。
【０００５】
特許公報ＵＳ２０１２０３１５４１４は、少なくとも部分的および局所的に空間を区切るシェルで構成されている構成部材、およびシェルと構造部材間に少なくとも部分的に備え付けられた構造材を含む構造部材を開示する。この文献は、サブフレームを軽量化および強化する方法のいずれにも関与しない。
【０００６】
特許公報ＷＯ２０１２１４０１５４は、概して、車両のメインフレームへのサブフレームの強固な取付け方法に関する。この文献は、サブフレームを軽量化および強化する方法自体には関与しない。
【０００７】
上述したように、車両がより高燃費で走行できるように、および車両をより低コストで製造できるように、車両のサブフレームは、高い剛性および軽い重量を有するよう設計されるべきである。このために、サブフレームは金属板部材の使用を減らし、他の代替部材を加えることにより製造されるべきである。しかしながら、サブフレームの剛性を維持したまま金属板部材の使用を低減する方法を決定することは困難であり、それは知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許出願第２１６５９１９号明細書
【特許文献２】米国特許出願第２０１２０３１５４１４号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１２／１４０１５４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、サブフレームをより軽量化および強化することができ、より低コストで製造することができる、車両用のサブフレームおよびサブフレームの強化方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様において、１つ以上の中空金属板部材を含んでなる車両サブフレームを強化する方法が提供される。この方法は、
特定の条件について、サブフレームの中空金属板部材における少なくとも１つの領域を決定する工程；
前記領域でサブフレームの中空金属板部材に挿入可能な強化部材を製造する工程、ここで、前記強化部材は、金属板部材を支持するための軽量キャリア、および加熱後に膨らむことのできるフォーム材のプレフォームを含み、前記軽量キャリアは少なくとも１つの中空チャンバーを含み、前記プレフォームは前記少なくとも１つの中空チャンバーとは分離され、前記キャリアの外縁の少なくとも一部に分布している；および
前記決定領域でサブフレームの金属板部材内に前記強化部材を取り付け、プレフォームを膨らませるためにプレフォームに熱を供給して、サブフレーム内に強化部材を固定する工程、を含む。
【００１１】
好ましくは、領域を決定する工程は、コンピュータにおけるトポロジー最適化技術により達成される。
【００１２】
好ましくは、前記領域は、サブフレームに静的負荷または動的負荷をかけた場合に最も大きな応力または破壊が生じ得る、サブフレームの金属板部材の領域として定義される。
【００１３】
好ましくは、適用する負荷は、実際の走行車両のサブフレームにかかる負荷と実質的に同じである。
【００１４】
好ましくは、前記サブフレームの金属板部材は前記決定領域で薄くなっている。
【００１５】
好ましくは、前記軽量キャリアはポリアミド製である。
【００１６】
好ましくは、前記キャリアは、少なくとも１つの前記中空チャンバーを形成するための複数の薄壁部から作られる。
【００１７】
好ましくは、強化部材を製造する工程において、決定領域と同じように製造される金型にキャリアを入れ、次いで、キャリアの外縁の少なくとも一部に分布されるようにプレフォームを金型に注入する。
【００１８】
好ましくは、強化部材がサブフレーム用に設計された塗装ラインを通って移送された後、プレフォームに熱を供給する。
【００１９】
本発明の別の一態様において、サブフレームが１つ以上の中空金属板部材を含んでなる車両サブフレームであって、前記サブフレームが少なくとも１つの所定領域において強化部材により強化されており、前記強化部材が金属板部材の内表面を支持するための軽量キャリア、および加熱後に膨らむことのできるフォーム材のプレフォームを含み、前記キャリアが、該キャリアの軽量化を可能にする少なくとも１つの中空チャンバーを含み、前記プレフォームが前記少なくとも１つの中空チャンバーとは分離され、前記キャリアの外縁の少なくとも一部に配置され、強化部材を前記領域で金属板部材内に配置した後、プレフォームを膨らませるためにプレフォームに熱を供給して、サブフレーム内に強化部材を固定した、車両サブフレームが提供される。
【００２０】
好ましくは、前記領域は、コンピュータによるトポロジー最適化技術により決定される。
【００２１】
好ましくは、前記領域は、サブフレームに静的負荷または動的負荷をかけた場合に最も大きな応力または破壊が生じ得る、サブフレームの金属板部材の領域として定義される。
【００２２】
好ましくは、適用する負荷は、実際の走行車両のサブフレームにかかる負荷と実質的に同じである。
【００２３】
好ましくは、前記サブフレームの金属板部材は前記決定領域で薄くなっている。
【００２４】
好ましくは、前記軽量キャリアはポリアミド製である。
【００２５】
好ましくは、前記キャリアは、少なくとも１つの前記中空チャンバーを形成するための複数の薄壁部から作られる。
【００２６】
他の個々の特徴、または本発明の特徴に属すとして考慮されるよう他の特徴と組み合わされる特徴は、付属の特許請求の範囲に記載されるであろう。
【００２７】
本発明の構成、ならびに他の主題およびそれらの有益な効果は、添付の図面における好適な態様の記載により、十分に理解されるであろう。
【００２８】
本発明のさらなる説明を提供するために、発明の詳細な説明の一部としての図面は本発明の好適な実施態様を説明し、これらの図面は、本発明の原則を説明するために明細書とともに用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、自動車車両に適合するサブフレームのコンピューティングモデルの斜視図を概略的に示す。
【図２】図２は、本発明の一実施態様による強化部材の分解斜視図を概略的に示す。
【図３】図３は、図２の強化部材の拡大断面図を概略的に示す。
【図４】図４は、図１に記載するサブフレームを強化するための本発明の方法を説明するフローチャートを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
添付の図面において、同一部材は同一の参照数字により表示する。
【００３１】
図１は、自動車車両に適合するサブフレーム１を概略的に示す。サブフレーム１は、例えば、本発明の基本原則を説明することを目的として記載されるものであることに留意すべきである。自動車車両に適合するサブフレームは、種々の形態で構成され得る。本発明の原則は、以下に記載されるいかなる具体例によっても限定されない。すなわち、以下に説明される原則または方法が任意の種類のサブフレームに適用可能であることは、本発明の内容を読んだ後の当業者にとって周知である。
【００３２】
サブフレーム１は、通常、複数の金属板部材を含む。例えば、各部材は、アルミニウム合金、チタン合金などの軽量金属から製造され得る。サブフレーム１を可能な限り軽くするために、通常、部材は中空になるよう成形される。図１においては、一緒に組み合わさって実質的に長方形としてサブフレームを形成する、４つの金属板部材が記載されている。例えば、これらの金属板部材は、それらの各末端で溶接またはリベット止めされ得る。サブフレーム１の形態を車両の種々の要求に適合させ得ることが理解される。
【００３３】
先行技術において、研究は主に、他の車両部材へのサブフレーム１の取付け領域を強化する方法に重点が置かれている。しかしながら、本発明はサブフレーム１自体の強化方法に関する。このため、サブフレームの設計にはトポロジー最適化が導入される。
【００３４】
機械設計分野においてトポロジー最適化は、コンピュータを使って機械部材を形作る、シミュレーションするおよび分析するために広く用いられる技術に属する。トポロジー最適化を実現するために、ＡＮＳＹＳ、ＨＹＰＥＷＯＲＫ、ＡＢＡＱＵＳなどの多くの商用ソフトウェアが市場において入手可能である。本発明が、コンピュータによるサブフレームの形成、シミュレーションおよび分析のアルゴニズムを重視するものではなく、トポロジー最適化の適用を重視するものであることは理解されるべきである。したがって、本発明の内容はいかなる具体的なアルゴニズムも記載しない。具体的なアルゴリズムに関する知識は、前記ソフトウェアの任意の１つを使いこなすことのできる当業者にとって周知であると思われる。
【００３５】
サブフレーム１に静的負荷または動的負荷をかけた場合、サブフレームの異なる領域においては異なる応力が生じ得る。しかしながら、出願人の考えによれば、サブフレームを容易に製造するために、サブフレーム全体を強化する必要はない。導入されるトポロジー最適化が、効果的に強化することが必要なサブフレームの１つ以上の領域を見つけるために用いられる。
【００３６】
例えば、工場でサブフレーム１を製造する前に、サブフレーム１を、コンピュータにおいて、例えばＡＮＳＹＳを用いてコンピューティングモデルとして作製する。次いで、トポロジー最適化技術に基づき、サブフレーム１のコンピューティングモデルをコンピュータ上で分析する。例えば、実際の走行車両において生じるのと同様の負荷をコンピューティングモデルにかけることができる。計算後、最も大きな応力および／または破壊の生じる可能性が最も高いサブフレームの１つ以上の領域を決定することができる。一例として、図１においては、領域１．１が、最も大きな応力および／または破壊の生じる可能性が最も高いサブフレーム１の領域とみなされる。すなわち、サブフレーム１の領域１．１を強化すべきであることが決定される。
【００３７】
図２は、強化するために、本発明の一実施態様による強化部材２が用いられるサブフレーム１の領域１．１の分解斜視図を概略的に示す。強化部材２は、サブフレーム１の金属板部材の中空内部において領域１．１で受け止められる。
【００３８】
本発明によれば、強化部材２は、実質的にポリアミド（ＰＡ）キャリア２．１およびフォーム材のプレフォーム２．２から構成される。プレフォーム２．２は、ＰＡキャリア２．１の表面に部分的に固体状態で固定される。強化部材２は、プレフォーム２．２が領域１の内表面としっかりと接触し得るように、サブフレーム１の中空内部、特に、サブフレームの金属板の中空内部に領域１．１で全体として挿入される。また、キャリアは、金属板部材よりも軽くて堅い材料から作られる任意の軽量キャリアであり得ることが理解される。
【００３９】
ＰＡキャリア２．１は、例えば、図２に記載されるような形状として形成される。この図において、ＰＡキャリア２．１は２つの平行末端部２．１．１および、この２つの末端部の間に位置する複数の薄壁部により形成される。また、各末端部２．２．１は、それらの端が金属板部材の内表面にしっかりと接触し得るように形成される。さらに、２つの末端部２．１．１間の長手距離は、領域１．１の長手距離と実質的に同じである。
【００４０】
前記薄壁部において、いくつかの薄壁部２．１．２は２つの末端部２．１．１と平行であり、２つの薄壁部２．１．３（図２においては、そのうちの１つだけが見えている）は第１の薄壁部２．１．２および末端部２．１．１に対して垂直であり、２つの薄壁部２．１．４は、ＰＡキャリア２．１を横方向に区切る部分である。末端部２．１．１に向かって見ると、全ての薄壁部は末端部２．１．１の外縁に位置しており、特に薄壁部２．１．４は関係する末端部２．１．１の関係する端から距離をあけて配置されている。このように、ＰＡキャリア２．１は少なくとも１つの中空チャンバーを備えることができる。例えば、図示する実施態様においては、複数の中空チャンバー２．１．５が各薄壁部の間に交互に形成されている。それ故に、ＰＡキャリア２．１を可能な限り軽量に製造することができ、同時にサブフレーム１の金属板部材への十分な支持をもたらすことができる。これらの中空チャンバー２．１．５は互いに通じるように形成することができる。
【００４１】
図示する実施態様において、２つの中空チャンバーを形成している各薄壁部と一体的に形成されたさらなる薄壁部２．１．６により、２つの隣接する中空チャンバー２．１．５間に浅い凹部を形成することができる。前記浅い凹部は、プレフォーム２．２を受け止めるために用いられる。
【００４２】
図２は、ＰＡキャリア２．１のみの状態、硬化したプレフォーム２．２のみの状態、およびＰＡキャリア２．１とプレフォーム２．２の結合状態を示す。明確にするために、この図面では各金属板部材を省略している。強化部材２が軽く、堅くなるよう、中空チャンバー２．１．５が最終的な強化部材２に残っていることが分かるであろう。強化部材２は、ＰＡキャリア２．１およびプレフォーム２．２の結合状態で提供されるであろう。サブフレーム１の金属部材に領域１．１で強化部材２が挿入された後、領域１．１を加熱する。加熱後、プレフォーム２．２が膨らみ、強化部材２をサブフレーム１の金属板部材に確実に固定することができる。この目的のために、本発明に記載される前記プレフォーム２．２は、加熱後膨らみ得る任意の適当な構造プレフォームであってよい。
【００４３】
図３は、図２の矢印Ａ−Ａに沿って得られる断面図を概略的に示す。ＰＡキャリア２．１の剛性を十分に確保するために、２つの薄壁部２．１．３が互いに対して垂直に広がっていることがわかる。ＰＡキャリア２．１と金属板部材とを堅く固定するために、プレフォーム２．２が、関係するＰＡキャリア２．１の薄壁部とサブフレーム１の金属板部材の内表面との間に充填される。代わりに、または、好ましくは、サブフレームの金属板部材にキャリアを固定するために、プレフォームを中空チャンバー中に充填し得ることも理解される。
【００４４】
通常、領域１．１が破壊を生じ得る領域であるとみなされる場合、サブフレーム１の金属板部材はこの領域で通常薄くなるであろう。それどころか、サブフレーム１の総重量を減らすために、サブフレーム１の金属板部材は、本発明の強化部材２を備え付けるこの領域で薄くすることができる。したがって、本発明は、車両用サブフレームを軽量化する新しい技術的改良法を提供し、これにより、サブフレームの総重量を減らすことができ、これをより低コストで製造することができる。
【００４５】
図２により説明される構造を、強化部材２を説明するための具体例として用いるが、強化部材２がこの構造に限定されるものでないことは理解すべきである。また、サブフレーム１の金属板部材への適当で確実な支持をもたらし得るよう、種々の方向でより多くの薄壁部２．１．３をＰＡキャリア２．１に備え付けることができる。さらに、強化部材２を、その外縁に凹部を有するハニカム形状構造として選択的に形成することができる。この凹部は、プレフォームを満たすことができるキャビティーを形成するために、サブフレームの金属板部材の内表面と連携して用いることができる。
【００４６】
最後に、図４は、車両用のサブフレームを強化するための本発明の方法を概略的に示すフローチャートである。本発明の方法は、通常、以下の工程を含んでなる。
【００４７】
工程１：車両用サブフレームのコンピューティングモデルの作製
この工程において、任意の商業的に入手し得るコンピュータ援用エンジニアリング（ＣＡＳ）ソフトウェアをコンピュータにおいて採用することができる。したがって、サブフレームは、車両製造の要件に合った任意の形状を有し得る。
【００４８】
工程２：サブフレームのコンピューティングモデルの分析および破壊が生じ得る１つ以上の領域の決定
例えば、この領域は、サブフレームに擬似的な静的負荷または動的負荷をかけた時に最大応力または破壊が生じ得る領域として定義され得る。負荷は、サブフレームにおいて実際に生じ得る負荷と同じであってよい。
【００４９】
工程３：工程２において見出された領域に対する強化部材の設計および製造
異なる車両は異なるサブフレームを備えており、同じサブフレームが異なる領域で種々に形成されるため、強化部材は工程２において見出された領域に合わせてカスタマイズされるべきである。しかしながら、いかにサブフレームの領域を形成したとしても、上述したように、図２および図３において説明したとおり、強化部材の設計の基本原理は同じである。すなわち、強化部材は、この領域でサブフレームの金属板部材を支持するための軽量キャリア、および金属板部材への担持を確実にするプレフォームを含むべきである。軽量キャリアが最初に製造される。次いで、あらかじめこの決定領域と同じように製造された金型にそれを入れる。ＰＡキャリアは、中空構造として構成されるべきであり、その外縁に凹部を有すべきであり、ＰＡキャリアが適当な位置に配置された後、プレフォームが流体状態で凹部に注入され、その後プレフォームが少なくとも部分的にキャリアの外縁を被覆する。このように、強化部材は製造される。他の適当な高分子ポリマー加工技術により、プレフォームがキャリアの外縁に備え付けられていてもよいことが理解される。
【００５０】
あるいは、この工程において、サブフレームの領域が強化部材によって十分に強化されたか否かを検証するために、同じまたは他の商業的に入手可能なＣＡＥソフトウェアを採用することができる。さらに、所定の領域でサブフレームの金属板部材を薄くする場合においても、そのような設計および検証を実現することができる。
【００５１】
工程４：工程３の結果に基づく、サブフレームへの強化部材の取付け
この工程において、はじめに、前記決定領域でサブフレームの金属板部材の中空内部に強化部材が挿入される。その後、サブフレームは強化部材とともに、サブフレーム用に設計された塗装ラインを通って移送される。この塗装ラインにおいて、サブフレームに、塗装や焼成などの工程が施され得る。焼成中、プレフォームに熱が供給され、プレフォームが膨らみ、これにより強化部材がサブフレームの金属板部材内に確実に固定される。熱供給が塗装ラインのみにおいて達成されることに限定されるものでないことが理解される。代わりに、サブフレーム、特に、プレフォームを膨らますことのできる領域を加熱するための追加のおよび独立した工程が備えられてもよい。
【００５２】
本発明を特定の実施態様により示し、説明したが、本発明はこれらの説明された事項により限定されるものではない。これに反して、付属の特許請求の範囲およびその同等物の範囲内において、本発明の種々の変更が可能である。
【図１】
2016534927.tif 000003
【図２】
2016534927.tif 000004
【図３】
2016534927.tif 000005
【図４】
2016534927.tif 000006
【国際調査報告】
2016534927.tif 000007
2016534927.tif 000008