車両フレーム

最も一般的であるCチャンネルレールは、ほぼすべてのタイプの車両で一度は使用されています。これは、平らな鋼板（通常は厚さが1/8インチから3/16インチですが、一部の大型トラックでは1/2インチ以上になる場合もあります^{[ 3 ] [ 4 ]}）の両側を折り曲げて、車両の長さに沿って走るC字型の梁を形成することによって作られます。Cチャンネルは、同じゲージの（完全な）箱型レールよりも一般的に柔軟性があります。

帽子のフレームは「U」字型をしており、正立している場合と、開口部が下を向いた逆さまになっている場合があります。強度不足と錆びやすい性質のため、一般的には使用されていません。しかし、1936年から1954年までのシボレー車や一部のスチュードベーカー車には見られます。

一時的に廃れていたハットフレームは、企業がモノコック構造の車の底部に溶接し始め、事実上ボックスフレームを作り出すようになったことで、再び人気を集めた。

元々、箱型フレームは、同じ形状のCレールを2本溶接して長方形のチューブ状に成形することで作られていました。しかし、現代の技術では、Cレールを作るのと似た工程で、鋼材を4つの面に曲げ、両端を溶接してフレームを組み立てます。

1960年代、一般的なアメリカ車の箱型フレームは、継ぎ目に沿って複数箇所でスポット溶接されていた。しかし、NASCARの「ストックカー」レーサーに改造される際には、強度を高めるために箱型フレームが端から端まで連続溶接されるようになった。

一見すると金属製のシンプルな構造に見えるフレームですが、実際には大きな応力がかかるため、それに応じた構造になっています。まず最初に考慮すべき点は「ビームの高さ」、つまりフレームの垂直側の高さです。フレームが高いほど、上部に力が加わった際の垂直方向のたわみに対する抵抗力が高まります。大型トラックのフレームレールが他の車両よりも厚いだけでなく、高いのはこのためです。

消費者が外観、乗り心地、ハンドリングを重視するようになるにつれ、フレームには新しい形状が取り入れられるようになりました。その中でも最も目立つのが、アーチ型とキックアップ型です。アーチ型フレームは、両車軸の上をまっすぐ走るのではなく、車軸とほぼ同じ高さまで低く設置され、車軸の上を上方にカーブした後、反対側でバンパーを取り付けるために下方にカーブします。キックアップ型は、反対側で下方にカーブすることなく同様の形状を実現し、フロントエンドでより一般的に見られます。

もう一つの特徴は、車両のキャビン前部で垂直方向または水平方向に細くなるテーパー状のレールです。これは主にトラックで行われ、車両の前部は後部ほど荷重がかからないため、軽量化とエンジンスペースの若干の拡大を目的としています。設計開発には、同じフレームレールに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では、キャブの前に箱型のフレーム、キャブの下に短くて細いレール、荷台の下に通常のC型レールが使用されています。

外周フレームでは、レールが前部から中央部、中央部から後部へと接続する部分が通常のフレームに比べて弱いため、その部分は箱型に補強され、「トルクボックス」と呼ばれる構造が作られます。

元々は「チューブラーフレーム」と呼ばれていたスペースフレーム（または「スペースフレーム」）は、鋼管、合金管、または炭素繊維を用いて荷重を支える三次元骨格を形成し、そこにサスペンション、エンジン、ボディパネルを取り付けます。ボディパネルは構造的な役割がほとんど、あるいは全くないため、剛性を最大化し重量を最小限に抑えるために形状が工夫されており、各支柱にかかる力が引張力または圧縮力となる三角形がよく用いられます。曲げ力がかからないため、部材の重量と断面積を最小限に抑えることができます。

最初の真のスペースフレームシャーシは、1930年代にバックミンスター・フラーとウィリアム・ブッシュネル・スタウトによって設計・製造されました。彼らは建築や航空機設計からその理論を理解し、バスのようなダイマクションとスタウト・スカラベを生み出しました。^{[ 7 ]} 目標は、重量を最小限に抑えながらスペースを最大化することでした。

強度対重量比が高いスペースフレームは、第二次世界大戦後、自動車レースに採用されました。1951年のジャガー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フレームを採用し、その上に空力的なアルミニウムボディが作られました。この形式は、1954年に発表されたメルセデス・ベンツ300 SL 「ガルウィング」スポーツカーで量産化されました。これは当時最速のロードカーでした。この車の非常に高い敷居は、通常のドアを実用的ではなくし、このモデルの象徴であるガルウィングドアを生み出しました。

1994年、アウディA8は、アルミニウム製スペースフレームをボディワークに組み込むことで実現した、アルミニウム製シャシーを採用した初の量産車となった。アウディA8モデルは、それ以来、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る。^{[ 8 ]}

荷重を支えない管状フレームは、真のスペースフレームではありません。イタリア語の「Superleggera」（「超軽量」の意）は、独自のシャシーを必要とする軽量スポーツカーのボディ構造の商標であり、そのため、一般的な外観と構造方法においてのみスペースフレームシャシーに似ています。ボディの下、フェンダーの上、ラジエーター、カウル、ルーフの上、そしてリアウィンドウの下を通る、ジオデシックのような細いチューブのネットワークを利用して、板金スキン（通常は軽量化のためにアルミニウム）の形状と取り付けポイントを提供します。剛性は考慮されていません。

一体型ユニボディの例

シトロエン・トラクシオン・アヴァン（1934年）一体型ボディ

1942年式ナッシュ・アンバサダー600の断面図

赤とオレンジの「安全セル」をまとったサーブ9000 （2005年）

Polski Fiat 126pには床下に溶接された補強材が見られるが、明確なフレームは見当たらない。

「ユニボディ」および「ユニットボディ」という用語は、「ユニット化されたボディ」、「一体構造」、または（完全に）統合されたボディとフレーム/シャーシの略です。次のように定義されます。^{[ 9 ]}

車体、フロアパン、シャーシが一体構造となっている車体・フレーム構造の一種。このような設計は、車体とフレームが別々になっている車両に比べて、一般的に軽量かつ高剛性である。

車両構造は、従来のフレーム構造から、現在ほとんどの車に使用されている軽量な一体型ボディ構造へと変化した。^{[ 10 ]}

一体型のフレームとボディの構造は、単に応力のないボディを従来のフレームに溶接するだけでは済みません。完全に一体化されたボディ構造では、車全体が荷重を支えるユニットとなり、走行力や積載荷重など、車両にかかるすべての荷重を支えます。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やその他の部品を溶接したり、セクション全体を一体成形または鋳造したり、これらの技術を組み合わせたりして製造されます。この構造はモノコック構造と呼ばれることもありますが、車の外板やパネルが荷重を支える構造になっているため、ボディを補強するリブ、隔壁、ボックスセクションがまだ存在するため、セミモノコックという表現の方がより適切です。

このような設計技術を開発する最初の試みは、1922年のランチア・ラムダで、魚雷型の車体に構造的な剛性と低い車高をもたらすために行われた。^{[ 11 ]}ラムダは、応力のないルーフを備えたオープンレイアウトで、モノコックシェルというよりはボウルのような形状だった。1000台が生産された。^{[ 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、アメリカのバッド社（現在のティッセンクルップ・バッド）であった。^{[ 12 ]}バッド社は、ダッジ、フォード、ビュイック、そしてフランスのシトロエンといった自動車メーカーに、別々のフレームに取り付けられたプレス加工のスチール製ボディを供給していた。

1930年、バッド社のエンジニアであるジョセフ・レドウィンカは、完全一体構造の自動車プロトタイプを設計した。^{[ 13 ]}

シトロエンはこの完全一体型ボディ設計をシトロエン・トラクシオン・アヴァン用に購入しました。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76万台が販売されました。^{[ 12 ]}この設計は、スポット溶接された深絞り加工の鋼板をシル、ピラー、ルーフビームなどの構造ケージに使用し、ボディとシャシーを現代的な構造的に統合した最初の例でした。^{[ 11 ]}トラクシオン・アヴァンは、別個のフレームのない一体型ボディに加えて、前輪駆動などの他の革新的な機能も備えていました。その結果、低く構えた車高で、開放的でフラットな床のインテリアを持つ車が誕生しました。^{[ 14 ]}

クライスラー・エアフロー（1934～1937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溶接して、クライスラーがブリッジトラス構造と呼ぶものにした。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 ]}懐疑的な一般の人々にモノコック構造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どちらも崖から突き落とされても車が生き残る様子を映した広告フィルムを作成した。^{[ 12 ]}

オペルは、モノコック構造の自動車を生産した2番目のヨーロッパの自動車メーカーであり、最初のドイツの自動車メーカーでした。小型のオリンピアの生産は1935年に始まりました。より大型のキャピタンは1938年に生産されましたが、フロントの縦方向のビームは別々にプレス加工され、その後メインボディに取り付けられました。この車は非常に成功したため、1946年にソ連で大量生産されたGAZ-M20ポベダは、オペル・キャピタンのモノコック構造を模倣しました。^{[ 15 ]}その後、1950年にソ連のリムジンGAZ-12 ZIMは、ホイールベースが3.2m（126インチ）にも及ぶ自動車にモノコック設計を導入しました。^{[ 16 ]}

流線型の1936年型リンカーン・ゼファーは、従来型のフロントエンジン・リアホイールドライブレイアウトを採用し、モノコック構造を使用していた。^{[ 17 ]} 1941年までに、モノコック構造は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）低価格分野では前例がなく、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のモノコック構造は軽量化を実現し、ナッシュの会長兼CEOであるジョージ・W・メイソンは「モノコック構造は未来の潮流だ」と確信していた。^{[ 20 ] [ 21 ]}

それ以来、モノコック構造に再設計された車が増え、現在では「業界の標準」とみなされている。^{[ 21 ]} 1960年までに、デトロイトのビッグスリーはコンパクトカー（フォード・ファルコン、プリマス・バリアント、シボレー・コルベア）にモノコックボディ設計を採用した。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も、ランブラーのバッジを付けた自動車はモノコック構造のバリエーションのみを製造し続けた。

1934年のクライスラー・エアフローは、剛性を確保するためにフレームとボディフレームがシャーシに溶接されていましたが、1960年にクライスラーはボディ・オン・フレーム構造から、ほとんどの車でモノコック構造に移行しました。^{[ 22 ]}

アメリカで製造されたモノコック構造の自動車のほとんどは、振動や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たが、シボレーIIだけはボルトオン式のフロントエプロン（誤ってサブフレームと呼ばれていた）を採用していた。

モノコック構造は現在、量産型自動車の主流構造となっている。この設計は、軽量化、空間利用効率の向上、製造の容易さといった利点をもたらす。 1970年代の有限要素解析（FEA）手法の急速な発展により、エンジニアはモノコック構造を強度、衝突安全性、材料使用量の最小化といった点で容易に最適化できるようになった。モノコック構造の普及は、1970年代の2度のエネルギー危機と、 2000年代のエネルギー危機（主に米国市場において、トラックプラットフォームを使用したコンパクトSUVが2005年以降CAFE基準の対象となった）を受けて劇的に拡大した（2000年代後半には、トラックベースのコンパクトSUVは段階的に廃止され、クロスオーバーに置き換えられた）。頑丈なボディを持つ自動車のもう一つの利点は、乗員の衝突安全性が向上することである。