車両フレーム

車両フレームは、歴史的にはシャーシとも呼ばれ、他のすべてのコンポーネントが取り付けられる自動車の主要な支持構造であり、生物の 骨格に相当します。

1930年代まで、事実上すべての自動車は車体とは別の構造フレームを備えていた。この構造設計はボディオンフレームとして知られている。1960年代までには乗用車のユニボディ構造が一般的になり、その後数十年にわたって乗用車のユニボディ化の傾向が続いた。^[1]

ほぼすべてのトラック、バス、およびほとんどのピックアップは、シャーシとして別のフレームを使用し続けています。

自動車のフレームの主な機能は以下のとおりです。^[2]

1. 車両の機械部品と車体を支える
2. 過度のたわみや歪みを生じさせることなく静的および動的荷重を処理する

これらには以下が含まれます:

• 車体、乗客、積載物の重量。
• 凹凸のある表面を通過することで伝達される垂直方向およびねじり方向のねじれ
• 道路状況、横風、車両の操舵によって生じる横方向の力
• エンジンとトランスミッションからのトルク
• 始動と加速による縦方向の引張力、およびブレーキによる圧縮力
• 衝突による突然の衝撃

通常、車両のシャーシとフレームの製造に使用される材料には、強度を高めるための炭素鋼や、より軽量な構造を実現するためのアルミニウム合金が含まれます。独立したシャーシの場合、フレームはレールまたはビームと呼ばれる構造要素で構成されます。これらは通常、鋼板を折り曲げたり、巻いたり、プレスしたりして 鋼のチャンネルセクションから作られます。

これらには主に 3 つのデザインがあります。材料を 2 回折ると、C 字型またはハット型 (U 字型) の開放型断面になります。「ボックス型」フレームには、溶接または事前に製造された金属チューブを使用して閉じたシャーシ レールが含まれています。

最も一般的に使用されている C チャンネル レールは、ほぼすべての種類の車両で使用されています。^[要出典]これは、平らな鋼板 (通常は厚さ 1/8 インチから 3/16 インチですが、大型トラックでは最大 1/2 インチ以上になることもあります^{[3] [4]} ) の両側を折り曲げて、車両の長さ全体にわたる C 字型の梁を形成して作られます。C チャンネル レールは、通常、同じゲージの (完全に) ボックス化されたレールよりも柔軟性があります。

ハットフレームは「U」字型で、開いた部分が下を向くように、表側が上になっているか、または逆さまになっている場合があります。ハットフレームは、強度が弱く、錆びやすいため、一般的には使用されていません。ただし、1936～1954 年のシボレー車や一部のスタッドベーカーにはハットフレームが使用されています。

ハットフレームは、しばらく放置されていましたが、企業がユニボディ車の底部にハットフレームを溶接し、実質的にボックス型フレームを作成するようになったことで、再び人気を博しました。

もともと、ボックス フレームは、2 つの C レールを溶接して長方形のチューブを形成することによって作られていました。ただし、現代の技術では、C レールの作成に似たプロセスが使用され、鋼鉄片を 4 辺に曲げて、両端が接合する部分を溶接します。

1960 年代、従来のアメリカ車のボックス フレームは、継ぎ目の複数の箇所でスポット溶接されていましたが、NASCAR の「ストック カー」レーサーに改造されると、ボックスは端から端まで連続的に溶接され、強度がさらに高まりました。

一見すると金属でできた単純な形状のように見えますが、フレームは大きなストレスにさらされるため、それに応じて作られています。最初に取り組むべき問題は「ビームの高さ」、つまりフレームの垂直面の高さです。フレームが高ければ高いほど、フレームの上部に力がかかったときに垂直方向の曲げに抵抗しや​​すくなります。これが、セミトラックが他の車両よりも厚いだけでなく、フレーム レールが高くなっている理由です。

消費者にとって、見た目、乗り心地、ハンドリングが重要視されるようになると、フレームに新しい形状が取り入れられるようになりました。最も目立つのは、アーチとキックアップです。アーチ型のフレームは、両方の車軸を真っ直ぐに走るのではなく、車軸とほぼ同じ高さで低く設置され、車軸上で上方にカーブしてから、反対側で下方にカーブしてバンパーを配置します。キックアップは、反対側で下方にカーブすることなく同じことを行い、フロントエンドでより一般的です。

もう 1 つの特徴は、車両のキャビンの前で垂直または水平に狭くなるテーパー レールです。これは主にトラックで行われ、車両の前部は後部ほど負荷がかからないため、重量を軽減し、エンジン用のスペースをわずかに増やします。設計開発には、同じフレーム レールで複数の形状を使用するフレームが含まれます。たとえば、一部のピックアップ トラックには、キャブの前にボックス フレーム、キャブの下に短くて狭いレール、ベッドの下に通常の C レールがあります。

ペリメーター フレームでは、レールが前面から中央、中央から後面に接続する領域が通常のフレームに比べて弱いため、そのセクションがボックス化され、「トルク ボックス」と呼ばれるものが作成されます。

ラダーフレームは、はしごに似ていることからその名が付けられ、車体下部の独立したシャーシ/フレーム設計の中で最も古く、最も単純で、最も頻繁に使用されている設計の 1 つです。これは、車両の全長にわたって走る 2 つの対称的なビーム、レール、またはチャネルで構成され、いくつかの横方向のクロスメンバーで接続されています。当初はほぼすべての車両に見られましたが、ラダーフレームは徐々に自動車では廃止され、代わりに周辺フレームと一体型ボディ構造が採用されました。現在では、主に大型トラックに見られます。この設計は、前から後ろまでレールが連続しているため、ビームに対する耐性は優れていますが、単純な垂直クロスメンバーを使用すると、ねじれや歪みに対する耐性が低くなります。フロアパンがフレームの内側ではなく上にあるため、車両全体の高さは高くなります。

バックボーン シャーシは、ボディ オン フレーム設計に似たシャーシを備えた自動車構造の一種です。2 本の縦方向の平行フレーム レールを備えた比較的平坦な梯子のような構造ではなく、中央の強力な管状バックボーン (通常は断面が長方形) で構成され、これがパワー トレインを支え、フロントとリアのサスペンション取り付け構造を接続します。バックボーンは、多くの場合、車両の床の上まで引き上げられますが、ボディは依然として、この構造の上または上 (場合によってはまたがって) に配置されます。

これは、1950 年代後半から 1960 年代前半にかけてゼネラルモーターズのフルサイズのアメリカ製モデルに使用された設計であり、エンジン横のレールが客室内で交差し、それぞれが車両の最後部にあるクロスメンバーの反対側の端まで続いているように見えました。各列がフレーム レールもカバーする必要があるため、トランスミッションとプロペラ シャフトの隆起のサイズが大きくなっても、車両の全高を下げるために特に選択されました。いくつかのモデルでは、差動装置が車軸とフレームの間の通常のバーではなく、フレームのクロスメンバーにヒンジで取り付けられたウィッシュボーンのソケットに接続された差動装置の上のボール ジョイントによって配置されていました。

Xフレームは以前の設計を改良したと主張されたが、サイドレールがなかったため、側面衝突や衝突に対する十分な保護が提供されなかった。^[5]この設計は周辺フレームに置き換えられた。

ラダーフレームに似ていますが、フレームレールの中央部分は、ロッカーパネルと敷居パネルの内側で、助手席の足元を囲むように、フロントレールとリアレールの外側に配置されています。これにより、特に助手席の足元を中心にフロアパンを下げることができ、乗員の着座高が下がり、ルーフラインと車両全体の高さ、および重心が下がり、乗用車の ハンドリングと路面追従性が向上します。

これは、米国ではボディオンフレーム車の一般的な設計になりましたが、ユニボディが人気を得るまでは、世界の他の地域では普及していませんでした。たとえば、ハドソンは1948 年に第 3 世代のコモドール モデルでこの構造を導入しました。このフレーム タイプにより、毎年のモデル変更が可能になり、1950 年代に販売を伸ばすために導入された低価格車も、コストのかかる構造変更をせずに実現できました。

2011年に生産中止となったフォード・パンサー・プラットフォームは、米国で最後のペリメーターフレーム乗用車プラットフォームの一つであった。^[1]第4世代から第7世代のシボレー・コルベットは、クラムシェルとして機能する内部骨格と一体化したペリメーターフレームを使用していた。

低いルーフに加え、周辺フレームにより、必要に応じて低い座席位置を確保でき、側面衝突時の安全性が向上します。ただし、フロントからセンター、センターからリアへの移行領域でビームとねじり抵抗が低減し、トルク ボックスとソフト サスペンション設定と組み合わせて使用​​されるため、この設計は剛性に欠けます。

これは、ペリメーター フレームまたはバックボーン フレームの改良版であり、乗員室の床、場合によっては荷物室の床が、強度と剛性を高めるための荷重支持部品としてフレームに組み込まれています。部品の組み立てに使用する板金には、強度を高めるために隆起部と窪み部を刻印する必要があります。

プラットフォームシャーシは、いくつかの成功したヨーロッパの車で使用されており、最も有名なのはフォルクスワーゲンビートルで、「ボディオンパン」構造と呼ばれていました。別のドイツの例としては、1950年代と1960年代のメルセデスベンツ「ポントン」車があり、 ^[6]英語の広告では「フレームフロア」と呼ばれていました。

800 万台以上が製造されたフランスのルノー 4もプラットフォーム フレームを採用しました。シトロエン 2CVのフレームは、車体下部にプラットフォーム シャーシの最小限の解釈を採用しました。

（チューブ状の）スペースフレーム シャーシでは、サスペンション、エンジン、ボディ パネルがチューブの 3 次元骨格フレームに取り付けられており、ボディ パネルの構造機能は限られているか、まったくありません。剛性を最大化し、重量を最小限に抑えるために、設計では三角形を最大限に活用することが多く、各支柱にかかる力はすべて引張または圧縮であり、曲がることはないため、支柱を可能な限り薄く保つことができます。

最初の真のスペースフレームシャーシは、建築学や航空機設計から真のスペースフレームの理論を理解していたバックミンスター・フラー氏とウィリアム・ブッシュネル・スタウト氏（ダイマキシオンとスタウト・スカラベ）によって1930年代に製造されました。^[7]

1951 年型ジャガー C タイプ レーシング スポーツカーは、軽量で多管式の三角形のフレームを採用し、その上に空気力学に基づいたアルミニウム製のボディが組み込まれていました。

1994年、アウディA8はアルミニウム製シャシーを搭載した最初の量産車となり、車体にアルミニウムスペースフレームを組み込むことで実現しました。それ以来、アウディA8モデルはアルコアと共同開発したこの構造方法を採用し、アウディスペースフレームとして販売されています。^[8]

イタリア語の「スーパーレッジェーラ」（「超軽量」の意味）は、スペースフレーム シャーシに似た軽量スポーツカーのボディ構造に対して、カロッツェリア トゥーリングによって商標登録されました。ボディの下部にあるほか、フェンダー、ラジエーター、カウル、ルーフ、リア ウィンドウの下まで伸びる細いチューブのケージで構成された 3 次元フレームを使用しており、測地線構造に似ています。フレームの外側には、多くの場合アルミニウム製のスキンが取り付けられています。ただし、このボディ構造は応力に耐えるものではなく、シャーシを追加する必要があります。

「ユニボディ」および「ユニットボディ」という用語は、「ユニットボディ」、「ユニタリー構造」、または（完全に）統合されたボディとフレーム/シャーシの略称です。次のように定義されています。^[9]

車両のボディ、フロアプラン、シャーシが 1 つの構造を形成するボディ/フレーム構造の一種。このような設計は、一般に、ボディとフレームが別々になっている車両よりも軽量で剛性が高くなります。

車両構造は、従来のボディオンフレーム構造から、現在ほとんどの自動車に使用されている軽量のユニット化/統合ボディ構造に移行しました。^[10]

一体型フレームとボディ構造では、応力を受けていないボディを従来のフレームに溶接する以上のことが求められます。完全に一体化されたボディ構造では、車全体が荷重支持ユニットとなり、車両にかかるすべての荷重 (走行時の力と積載荷重) を処理します。車輪付き車両の一体型ボディは、通常、成形済みの金属パネルとその他の部品を溶接するか、セクション全体を 1 つのピースとして成形または鋳造するか、またはこれらの技術を組み合わせて製造されます。これはモノコック構造と呼ばれることもありますが、車の外板とパネルが荷重支持型になっているため、ボディを補強するためのリブ、隔壁、ボックス セクションがまだあるため、セミモノコックという表現の方が適切です。

このような設計手法を開発する最初の試みは、1922年のランチア・ラムダで、構造的な剛性と低い車体高を実現するために、魚雷型自動車のボディに採用されました。^[11]ラムダは、ストレスのないルーフを備えたオープンレイアウトを採用しており、モノコックシェルというよりボウルのような形状をしています。1,000台が生産されました。^[12]

一体型ボディの開発において重要な役割を果たしたのは、アメリカの会社バッド・カンパニー（現在のティッセンクルップ・バッド）である。^[12]バッドは、別々のフレームに取り付けられたプレス鋼板製のボディワークを、自動車メーカーのダッジ、フォード、ビュイック、フランスの会社シトロエンに供給した。

1930年、バッド社のエンジニアであったジョセフ・レドウィンカは、完全な一体構造の自動車のプロトタイプを設計しました。^[13]

シトロエンは、この完全な一体型ボディ設計をシトロエン トラクシオン アバント用に購入しました。この大量生産車は1934年に発表され、その後23年間の生産で76万台を販売しました。^[12]このアプリケーションは、スポット溶接された深く打ち抜かれた鋼板を構造ケージに使用し、敷居、柱、屋根梁を含む、ボディとシャーシの現代的な構造統合の最初の反復でした。^{[11]別個のフレームのない一体型ボディに加えて、トラクシオン アバントは}前輪駆動などの他の革新も特徴としていました。その結果、オープンでフラットな床のインテリアを備えた車高の低い車両が誕生しました。^[14]

クライスラー・エアフロー（1934年 - 1937年）では、バッドはバリエーションを提供した。エアフローのボディの3つの主要セクションを、クライスラーがブリッジトラス構造と呼んだものに溶接したのだ。残念ながら、この方法はパネルのフィットが悪かったため理想的ではなかった。^[12]懐疑的な大衆にユニボディの強度を納得させるために、シトロエンとクライスラーは崖から落とされても生き残る車を示す広告フィルムを制作した。^[12]

オペルは、ヨーロッパで2番目、ドイツで初めてモノコック構造の自動車を生産したメーカーである。コンパクトなオリンピアの生産は1935年に開始された。1938年には大型のカピタンの生産が開始されたが、その前部縦梁は別々に打ち抜かれ、その後本体に取り付けられていた。この車は大成功を収め、戦後ソ連で大量生産された1946年のGAZ-M20ポベーダは、オペル・カピタンのモノコック構造を模倣した。^[15]その後、1950年にソ連のリムジンGAZ-12 ZIMが、ホイールベースが3.2メートル（126インチ）もの自動車にモノコック構造を導入した。^[16]

1936年型リンカーン・ゼファーは、従来のフロントエンジン、後輪駆動レイアウトを採用し、ユニボディ構造を採用した。^[17] 1941年までに、ユニット構造はもはや自動車にとって新しいアイデアではなくなったが、「[アメリカの]低価格分野では前代未聞であり、ナッシュはその市場でより大きなシェアを獲得したいと考えていた。」^{[18] [19]}ナッシュ600の単一ユニットボディ構造は軽量化をもたらし、ナッシュの会長兼CEOであるジョージ・W・メイソンは「ユニボディが未来の潮流である」と確信した。^{[20] [21]}

それ以来、より多くの車がユニボディ構造に再設計され、現在では「業界の標準と見なされている」。^[21] 1960年までに、ユニボディ設計はデトロイトのビッグスリーのコンパクトカー（フォード・ファルコン、プリムス・ヴァリアント、シボレー・コルヴェア）に採用されました。ナッシュがハドソン・モーターズと合併してアメリカン・モーターズ・コーポレーションを設立した後、そのランブラー・バッジをつけた自動車は、ユニボディのバリエーションのみを製造し続けました。

1934年型クライスラー・エアフローは、剛性を高めるために通常よりも弱いフレームとボディフレームワークをシャーシに溶接していましたが、1960年にクライスラーはほとんどの車種でボディオンフレーム構造からユニットボディ設計に移行しました。^[22]

アメリカ製のユニボディ自動車のほとんどは、振動とシャーシのたわみを軽減するために車両設計にトルクボックスを使用していましたが、ボルトで固定するフロントエプロン（誤ってサブフレームと呼ばれる）を備えたシボレー IIは例外でした。

ユニボディは現在、量販車に好まれる構造です。この設計により、軽量化、スペース利用率の向上、製造の容易さが実現します。1970年代と2000 年代の 2 度のエネルギー危機をきっかけに、この構造は劇的に受け入れられるようになりました。2005 年以降、トラック プラットフォームを使用する小型 SUV (主に米国市場) はCAFE 基準の対象となりました(2000 年代後半までに、トラック ベースの小型 SUV は段階的に廃止され、クロスオーバーに置き換えられました)。頑丈なボディの車のもう 1 つの利点は、衝突時の乗員保護が向上することです。

アメリカンモーターズは1970年代後半、パートナーのルノーと共同でジープ・チェロキー（XJ）プラットフォームの設計にユニボディ構造を取り入れた。ホーネットや全輪駆動のイーグルなどの乗用車で使用されている製造原理（ユニサイド、フレームレールとクランプルゾーンが一体となったフロアプラン、ルーフパネル）を使用して、「ユニフレーム」と呼ばれる新しいタイプのフレームを開発した。[...] 強力なユニットボディ構造に溶接された堅牢な打ち抜き鋼板フレームで、従来の重いフレームの強度とユニボディ構造の軽量化の利点を兼ね備えている。^[23]この設計は、アメリカンモーターズがクライスラーに吸収される前に開発したXJCコンセプトでも使用され、後にジープ・グランドチェロキー（ZJ）となった。この設計は、ジープ・グランドチェロキーやランドローバー・ディフェンダーなどの現代のスポーツ用多目的車両で今でも使用されている。この設計は、フォード・トランジット、VWクラフター、メルセデス・スプリンターなどの大型バンにも使用されている。

サブフレームは、車両の構造の特定の部分を強化または補完するための、明確な構造フレーム コンポーネントです。通常、ユニボディまたはモノコックに取り付けられている剛性サブフレームは、エンジンとドライブ トレインからの大きな力を扱うことができます。サブフレームは、ユニット化されたボディ シェルの比較的薄い金属板の広い領域に、それらの力を均等に伝達できます。サブフレームは、多くの場合、車の前部または後部にあり、サスペンションを車両に取り付けるために使用されます。サブフレームには、エンジンとトランスミッションが含まれる場合もあります。通常はプレス鋼または箱型鋼構造ですが、管状やその他の材料で作られている場合もあります。

乗用車としての使用例としては、1967年から1981年までのGM Fプラットフォーム、GM Xプラットフォーム（1962年）をベースに製造された数多くの年式とモデル、GMのM/Lプラットフォームのバン（全輪駆動モデルを含むシボレーアストロ/GMCサファリ）、およびエンジン、サスペンション、ステアリングの負荷から乗員室を分離するためにフロントサブフレームを組み込んだユニボディのAMCペーサーなどが挙げられる。 ^{[24] [25]}

• 自転車のフレーム
• ボディオンフレーム
• シャーシ
• コーチビルダー
• 機関車フレーム
• モノコック
• オートバイのフレーム
• Cチャンネル

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