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車体形状と安全特集 ● トランスポーテーション・デザイン最前線／論文

車体形状と安全−車両フレームの形状と安全性についての考察−

青木義男＊

邉吾一＊＊

自動車を主とした内燃機関には、環境保全のためのＣＯ２排出量削減と同時に、高い安全性の確保が強く要求されている。このため車体設計に際しては、軽量化、高剛性化、高い衝撃吸収特性を優先的に考慮する必要がある。本報告では、このような時代の要求から開発されたさまざまな軽量化・衝突安全性車体について紹介し、併せて筆者が車両のフレーム形状と安全性に関する基礎研究として行ってきた、「軽量高剛性アルミ合金−ＣＦＲＰ接着接合部材」ならびに「衝撃吸収ＣＦＲＰサイドインパクトベルト」についての研究成果を詳解する。

    −    − ＊＊＊                               のための安全確保（アクティブセーフティ）、ならび

１．はじめにに衝突安全車体やエアバックシステムなど事故時の近年、自動車を主とした内燃機関には、環境保全

乗員衝撃低減のための安全確保（パッシブセーフテのためのＣＯ２排出量削減と同時に、交通事故に対すィ）の両者の観点から、さまざまなアプローチでのる安全性の確保が強く要求されている。車両の安全開発・研究が進められており、従来の走行性重視の性についてはＩＴＳ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｒ
ａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓ-

車両設計から、徐々に機能性・安全性重視の設計へｔｅｍ）
やＡＳＶ（Ａｃｔｉｖｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｖｅｈｉｃｌｅ）など事故回避と推移していることは、最近のコンセプトカーデザインなどから明らかに感じ取られることである。

＊ 日本大学理工学部精密機械工学科助教授

ＡｓｓｏｃｉａｔｅＰｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｄｅｐｔ．ｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｏｌｌｅｇｅｏ
ｆＳｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮｉｈｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ＊ ＊ 日本大学生産工学部機械工学科教授
Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｄｅｐｔ．ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇ
ｉｎｅｅｒｉｎｇ，
Ｃｏｌｌｅｇｅｏ
ｆＩ
ｎｄｕｓ
ｔｒ
ｉａｌＴｅｃｈｎｏ
ｌｏｇｙ，Ｎｉ
ｈｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
原稿受理 ２
００４年２月１２日

ＩＡＴＳＳ Ｒｅｖｉｅｗ Ｖｏｌ．
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４

しかしながら、この機能性・安全性重視の設計は、同時に、先進安全システムやエアバックシステム、ナビゲーションシステムやマルチメディア機器などの搭載を余儀なくし、車両重量の増加傾向に拍車をかけている。Ｗａｌｌｅｎｔｏｗｉｔｚ１）らの報告では、１９８５年以降特に増加傾向が顕著となり、アウディ社の調査２）（２１）

Ｍａｒｃｈ，
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でも、自動車の平均質量が、中型車で１年に１０ｋｇ、大型車種では１年に２０ｋｇずつ増加しているとのデータがある。車両重量が増加すれば、燃費が低減するだけでなく、これに見合う運動性能を確保するためにより高出力の内燃機関が必要となり、同時に確保しなければならないＣＯ２排出量増加を助長する結果となってしまう。従って、ＣＯ２排出量削減と安全性確保のトレードオフを同時に満たせるような、新しい車両設計を考案しなければならない現状である。
Fig. 1 ＣＦＲＰ製車体の開発例

本報告では、このような背景から求められる多様な要件に対し、提案されている自動車車体やフレーム設計について概説し、併せて筆者らが車両のフレ

このため、アルミニウム合金への転換については、ーム形状と安全性について行ってきた研究成果の一既に平成１４年度の国家プロジェクト（革新的地球温部を紹介する。

暖化対策プログラム）で自動車軽量化のためのアルミニウム合金技術開発が取り上げられ、実用化され２．ＣＯ２排出量削減のための車体設計つつある。また、先進複合材料で最も注目されてい環境汚染に伴う地球温暖化は年々事態が深刻化しる炭素繊維強化複合材料（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒてきているにもかかわらず、ＣＯ２排出量は世界的にＲｅ
ｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐ
ｌａｓｔｉｃ）
は、アルミニウムに比べ２／３の年々増加しており、自動車からのＣＯ２排出削減が社軽さ（アルミニウムの比重２．
７に対し１．
６）、５倍の強会から強く要求されている。欧州では２００８年までに度（アルミニウム５００ＭＰａに対し２７００ＭＰａ）を有する約２５％の燃費改善目標が設定され、各国内で燃費改軽量化効果の高い素材であり、日本の製造技術が世善の検討が積極的に進められている。現在、ＧＷＧ界をリードするレベルにあるが、経済性、量産技術（Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｇａｓ）の排出量は世界で約６０億ｔ／や組立加工技術の点で未だ自動車分野での本格実用年（１ｔ／人・年）であり、そのうち日本の総排出量は化の域には達していない。
一方、欧州ではいち早く低コストＣＦＲＰで自動車３億ｔ／年（２．
５ｔ／人・年）となっており、この中で自動車の係わる輸送部門の占める割合は全体の２１％を軽量化し、燃費とＣＯ２エミッションを大幅に改善と約１／５を占めているとの調査結果３）がある。

す る た め、国 家 プ ロ ジ ェ ク ト で あ るＴＥＣＡＢＳ

この燃費改善策として、エンジン性能向上や新燃（Ｔｅｃｈｎｏ
ｌｏｇｉｅｓｆｏｒ Ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉ
ｎｆｏｒ
ｃｅｄ ｍｏｄｕ-料の適用は勿論のことであるが、同時に車体の軽量

ｌａｒ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）が、フォルクスワーゲ化も効果的であり、そのための手段として、鉄鋼材

ン社、ダイムラークライスラー社等の自動車メーカからアルミニウム合金などの軽金属材料への転換、ーと素材・部材メーカー１６社／研究機関（独、仏、さらに、先進複合材料の適用が自動車メーカーを中スウェーデン、スイス、ベルギー）が参加して、心に検討され始めている。自動車年鑑ハンドブック

２０００年４月より推進されている。ＴＥＣＡＢＳは、車によれば、２０００年における国内の自動車の保有台数体（ｂｏｄｙｉｎｗｈｉｔｅ）を軽量化、部品数を削減し、ＲＴは約７，２６５万台、うち乗用車が５，２４０万台である。こＭ（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ：レジントランスファーの約１０％（５００万台）が超軽量・安全車体に代替され、モールディング成形法）で自動車の床（ｆｌｏｏｒｐａｎ）を車体が２００ｋｇ軽量化されるとすると、１．
５ｔの乗用試作し、２００４年前半に予定のリッターカー（燃費１００車（燃費８．
５ｋｍ／、走行距離１万ｋｍ／年）は１．
３ｔｋｍ／）のプロトタイプに適用することを目標としに軽量化、すなわち、燃費は１１ｋｍ／に向上するこており、Fig.1のような開発例も公開されている。とから、ガソリン換算で１３４万／年というきわめて先頃発表されたポルシェＧＴは、モノコック車体と大幅な省エネ効果となる。世界規模では、その１０倍サブフレーム、ボディパネルの素材に、レーシング以上の省エネ効果が見込め、その効用はきわめて大カーを含めた市販車として初めてＣＦＲＰを採用し、きい。また乗用車以外の運輸部門であるトラック、軽量車体の新しいかたちを提案しており、ＣＦＲＰ車コンテナ、保冷タンク等でも軽量化による省エネ効体製造技術において、日本は欧州の後塵を拝した感果が見込める。

がある。

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車体形状と安全持するフレームと強固なドアロックやドアヒンジを３．安全性向上のための衝撃吸収車体設計組み合わせて、乗員スペースへのドアの侵入量を抑車両の安全性向上に対しては、アクティブセーフえる。

ティとパッシブセーフティの両面から、さまざまな従来の設計では、これらの設計指針に基づき、プ開発・研究が行われているが、車体の設計に密接にレス鋼板部材をスポット溶接などで組み合わせたモ

係わってくるのは、事故時の安全性確保（パッシブノコック構造が一般的であったが、前述の軽量化のセーフティ）のための衝撃吸収車体の設計・開発で要求や、アルミニウム合金やＣＦＲＰの成形技術の向ある。

上とともに、新たな衝撃吸収車体構造の開発が盛ん

現状の車体設計に対しては、ＮＣＡＰ（Ｎｅｗ Ｃａｒになってきている。次に国内外におけるフロントサ

Ａｓｓｅｓ
ｓｍｅｎ
ｔＰｒ
ｏｇｒａｍ：自動車アセスメント）の安全イドメンバと、スペースフレーム構造についての開基準が規定されており、事故形態として想定される発動向を紹介する。
３−１ フロントサイドメンバの衝撃吸収特性向上

前面、後面、側面からの衝突に対して、次のような前面衝突に対して重要な衝撃吸収部材であるフロ設計指針が与えられている。
前面衝突の場合は、剛体壁への時速５５ｋｍでのントサイドメンバに関しては、これまで多くの開発・フルラップ衝突時と時速６４ｋｍでのオフセット衝突研究が行われている。ドイツでは、シートベルトを時についての乗員の安全基準を満足することが規定装着した乗員の受傷許容限界内となる衝撃エネルギされている。これに対し車体では、主としてフロンーに低減するための指標として、「時速５０ｋｍで剛体トサイドメンバが衝撃を吸収し、残った衝撃を客室バリアに衝突する時に、鋼製フロントサイドメンバ回りのボディ骨格に分散させ、フロントフードは、が５０ｍｍ程度変形できるような車体構造」が、車重衝突時に中央部分で折れ曲がり、乗車空間への侵入

６００〜１，８００ｋｇの乗用車に対して提示されている４）。

を防止するよう設計されている。後面衝突に対してまた従来のプレス鋼板をスポット溶接接合したフロは、主としてリヤサイドメンバが衝撃を吸収する。

ントサイドメンバについては、その断面形状、スポこれら前後のサイドメンバには間隔を置いてビードット溶接間や接合方法についての検討も行われておを入れるなどの工夫により、衝突時に潰れて衝撃をり１）、六角形や八角形といった多角形断面の衝撃吸効果的に吸収する。さらに、オフセット衝突に対し収性能が高いことが実験的に検証されている。長手ては、 左右のサイドメンバを強固なクロスメンバ

方向の形状に関しては、Ｍａｍａｌｉｓら５）が角錐台や角で接続し、非衝突側にも衝撃を分散する構造として柱との組み合わせ形状について衝撃吸収特性を検討いる。

し、先端角度７．
５度の角錐台のエネルギー吸収量が側面衝突の場合は、運転席側の側面に９５０ｋｇの解析値、実験値ともに優位な結果となったことを示

台車を時速５５ｋｍで衝突させた時に、乗員の安全基している。国内では、六角形断面に隔壁を設けたア準を満足することが規定されている。車体の側面にルミ合金製フロントサイドメンバが開発され、ホンは、前部や後部のように、衝突時の衝撃を吸収する

ダ社のインサイトに採用されている６）。断面内に隔クラッシャブルゾーンを十分に設けることができな壁を設けると安定した高次の圧縮座屈変形によっていので、ドアやフロアクロスメンバで大部分の衝撃衝撃吸収量が増大することが確認されている。また、エネルギーを吸収する必要がある。このため、ドア同様の目的で角錐台形状のフロントサイドメンバの内部へサイドインパクトバーを設ける、サイドシル壁面に規則的な打ち抜き加工を施した開発例もみら断面の大型化や、サイドシルやピラーの結合部の強れる７）。材質についても軽量で、衝撃吸収特性が鉄化などにより、乗員スペースの変形を抑えるととも鋼材の４倍ともいわれているアルミ合金、さらに前に、衝撃を分散させるよう設計している。

出のＣＦＲＰやＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）

乗員スペース周りは、万一の衝突時に乗員の生に注目する開発例が見受けられるようになってきて存空間を確保するため、剛性の高い強固なフレームいる。ごく最近では、ＣＦＲＰモノコック構造の先端の配置、フレームの結合部分の剛性向上、アウター部分にFig.2のようなフロントサイドメンバを採用

パネルの一体化によって衝突時の乗車空間の変形をした市販車も登場し話題になっている。

最小限に抑えられるよう設計している。また、ドア

３−２とドア周りの骨格とのラップ代を拡大し、ドアを支

従来の自動車構造の多くは、プレス圧延鋼板をスＩＡＴＳＳ Ｒｅｖｉｅｗ Ｖｏｌ．
２９，Ｎｏ．
４（２３）スペースフレーム構造

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れば鉄鋼材より低コスト化が図れることもわかってきたため、今後、この構造を有する軽量低燃費車が多くなる可能性がある。
４．アルミ合金−ＣＦＲＰハイブリット車体構造
これまで述べてきたように、燃費向上のための車体軽量化と衝突安全性向上の両観点、さらには低コFig. 2 ＣＦＲＰフロントサイドメンバ８）

スト、リサイクル性を勘案しても、アルミ合金スペースフレームやＣＦＲＰモノコック構造が、次世代車両構造の候補になっていることは疑いない。しかしこの両者を比較すると、それぞれの現状での優位点が以下のように明らかである。
アルミ合金は、加工性、低コスト、リサイクル性、生産性の点で有利である。
ＣＦＲＰは、軽さ（燃費向上）、剛性、強度、衝撃吸収特性の点で有利である。

Fig. 3 アルミ合金スペースフレーム構造６）

筆者らの研究グループでは、この両素材の優位点
ポット溶接などで接合して組み立てるモノコック構を活かせる金属−ＣＦＲＰハイブリット構造部材につ造が中心であった。
この製造法は、大量生産に対していて研究を行っており、この成果の一端を紹介する。

低コストでできる利点があったが、前述の軽量化と前章で述べたように前面や後面への衝突安全につ衝突安全性向上に対する要求に対応するため、アルいては、クラッシャブルゾーンが確保できるので、ミニ合金スペースフレーム構造が登場した。この構最低限の衝撃許容限界を保障する設計は困難ではな

造は、中小型車の分野を中心に取り入れられはじめ

いが、側面衝突に対しては、乗員生存空間の確保とた車体構造である。アルミ合金の押出し材を溶接やいう観点から、塑性変形による衝撃エネルギー吸収接合部材で結合し組み立てる構造で、骨組み構造にをほとんど期待することができない。従って、アル近い形態であるのでこの名称で呼ばれている。モノミ合金スペースフレームやＣＦＲＰモノコック構造でコック構造のように大型プレス金型の作成が必要な設計する場合は、少ない変形での衝撃吸収性能の向いので低コスト化に有利であるが、接合部の設計が上と乗員生存空間保持のための高剛性化が重要であ車体剛性に多大な影響を与えるので、重量増加せずる。アルミ合金だけでの高剛性化には限界があり、に接合部を高剛性化する設計が特に重要である。欧部材の板厚を厚くするなどの重量増加を余儀なくさ州ではすでにアウディ社のＡ８と、フェラーリ社のれてしまう。またＣＦＲＰだけでは生産性とコストがＳｃ
ａｇｌｉｅｔｔｉに採用されているが、いずれも月産１，０００犠牲になる。そこで、重量増加の抑制と高剛性化を台程度以下である。これに対し、ホンダ社では前出両立するためのアルミ合金−ＣＦＲＰ接合部材、ならの衝撃吸収フロントサイドメンバを採用したFig.3

びに少ない変形量での衝撃吸収性能向上のためのＣのようなアルミ合金スペースフレーム構造を低燃費車インサイトに採用している６）。また、日産自動車
は、ハイドロフォーム工法によるアルミ合金フレームをプレスジョイント部材で接合して構成するスペースフレーム製法を開発し、大量生産の目処をつけ４５０ている９）。アルミスペースフレーム構造の採用によってＡ８では車重１０％の軽量化を達成したが、日産

ａｂ

自動車の製法によれば、４０％の軽量化と２倍の車体剛性が達成できると試算している。その他、国内他社においても小型車を中心にアルミ合金スペースフ

９００

レーム化の動きがあり、リサイクルアルミを利用す

Fig. 4 アルミ合金−ＣＦＲＰハイブリット構造部材

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車体形状と安全ＦＲＰ−鋼板ハイブリットアウターパネル及びＣＦＲＰ

Table 1 Ｔ型試験片曲げ剛性測定結果
試験片材質

重量（ｋｇ）

面内曲げ［Ｎ−ｍ］
Ｋｙ

面外曲げ［Ｎ−ｍ］
Ｋｘ

アルミ合金＋ＣＦＲＰ
ハイブリット構造部材

１．
０２５．
８９×１０５２．
１７×１０４

プレス鋼板溶接構造部材

１．
７２．
２１×１０５６．
３９×１０４

サイドインパクトベルトを提案し、その構造特性や衝撃吸収特性について検討した結果を次に示す。
４−１

アルミ合金−ＣＦＲＰハイブリット構造部
材による軽量高剛性化

側面衝突時の乗員生存空間の確保に対して、高剛性化のメリットが大きな部位としてサイドシルやピラーの結合部分の剛性向上が挙げられている。そこ
で、車体中央のＢピラー（センターピラー）の結合部（ａ）接合部長さａ， ｂと結合剛性Ｋｘの関係
パラメータａ，ｂと剛性の関係

をＴ型の結合部材としてモデル化し、Fig.4のようなアルミ合金とＣＦＲＰ接合部材を接着接合して構成したハイブリット構造部材の剛性と強度について検討した。Fig.4のようなＴ型の結合材では変形に際総合剛性（Ｎ／ｍｍ）
４ｅ＋００７

して剛節の条件を満足せず、結合部に作用する曲げモーメントの大きさに応じて部材間交角に変化が生
３．
５ｅ＋００７

ずる弾性結合の性質を示す。この部材間交角｛θ｝

０．
１と曲げモーメント｛｝の比を結合剛性と定義し、ａの値（ｍ）次式で表す。

｛ ｝｛ ｝｛ ｝
Ky =MzKz

１．
４０Ｅ＋０８結合剛性（Ｎ・ｍｍ）

My

１５１０．
０５ ０．
０ ０．
ｂの値（ｍ）（ｂ）接合部材板厚と結合剛性Ｋｘの関係

Mx

Kx

０．
０５

θx ……θyθz

まず、アルミ合金−ＣＦＲＰハイブリット構造部材

６．
００Ｅ＋０７
４．
００Ｅ＋０７０．
００Ｅ＋００0

評価するために静的曲げ試験を行った結果をTable
ＲＰともに板厚２ｍｍ、接合部材長さａ＝ｂ＝１００ｍｍ）

１．
００Ｅ＋０８８．
００Ｅ＋０７２．
００Ｅ＋０７（以下、ハイブリット構造部材と略記）の結合剛性を1に示す。ハイブリット構造部材（アルミ合金、ＣＦ

１．
２０Ｅ＋０８0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
結合部材の板厚（ｍ）

Fig. 5 ハイブリット構造部材の形状・寸法と結合剛性Ｋｘの関係と、従来の車体構造に多く用いられ、フランジ部にスポット溶接が施されているプレス鋼板溶接構造部

より面外曲げ方向の結合剛性を高くするためには、材のＴ型モデル（板厚２ｍｍ）では、前面や後面衝突結合部材の板厚を厚くすることが最も効果的であり、の際に負荷されることが多い面内方向曲げに対する続いて縦通材方向のフランジ長さｂを長くすること結合剛性
は、ハイブリット構造部材の方が倍以が高剛性化に対して有利であることがわかる。Fig.5上高く優位な結果となった。また紙面の都合上表記の結果からは、ＣＦＲＰ接合部材の板厚をTable 1の試を略したが、側面衝突の際に負荷される縦通材ねじ験片の３倍の厚さ６ｍｍにすれば、プレス鋼板溶接り変形に対する結合剛性
は、ハイブリット構造構造部材の面外曲げ結合剛性と同等の値になる部材の方がわずかに高い結果が得られた。しかし、ことがわかる。この条件で再度、ハイブリット構造

側面衝突の際に負荷される面外曲げに対する結合剛部材の重量を算定すると約１．
６ｋｇとなり、プレス鋼性
は、明らかに従来のプレス鋼板溶接構造部材板溶接構造部材より軽量で曲げ剛性の高いハイブリが優位となった。そこで、ＣＦＲＰ接合部材の長さット構造部材が設計できることが判明した。

（Fig.4中のａ，ｂ）、フランジ幅ならびに板厚を設計

次にアルミ合金角パイプを溶接接合したＴ型試験

変数として、面外曲げ剛性を効果的に上げるた体とアルミ合金−ＣＦＲＰハイブリット構造部材の双めの影響度を有限要素法による数値解析によって調方について、面外曲げ変形に対する強度試験を行っべた。この結果の一例をFig.5（ａ）、（ｂ）に示す。両図た結果の一例をFig.6に示す。アルミ合金の溶接接

ＩＡＴＳＳ Ｒｅｖ
ｉｅｗ Ｖｏｌ．
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４（２５）Ｍａｒｃｈ，２００５

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青木義男、邉

曲げモーメント［Ｎ−ｍｍ］

1400000

ＴＹＰＥ−１ハイブリット接合部材
アルミ合金溶接接合部材

1200000

吾一

ＣＦＲＰ２Ｐｌｙ（０．
２ｍｍ）
Ｓｔｅｅｌ（０．
６ｍｍ）

1000000

ＣＦＲＰ２Ｐｌｙ（０．
２ｍｍ）

800000600000400000ＴＹＰＥ−２200000
0Ｓｔ
ｅｅｌ（０．
６ｍｍ）

0102030
縦通材中央部の変形（ｍｍ）

40
ＣＦＲＰ４Ｐｌｙ（０．
４ｍｍ）

Fig. 6 アルミ合金Ｔ型試験体の面外曲げ強度試験結果

合部材に対しては、板厚２ｍｍのＣＦＲＰ接合部材であFig. 7 ＣＦＲＰ−鋼板ハイブリット試験片の素材構成ってもハイブリット接合部材の面外曲げ強度は７０％10といえる。衝撃吸収特性に関しては、現在実験を継8Load（kN）

高く、ハイブリット接合部材の優位性が検証された続中であるが、アルミ合金部材に塑性変形が生ずる程度の衝撃を与えた後の残存曲げ強度に対しても、ハイブリット接合部材の方が優位な結果を得ている。

42

従って、アルミ合金−ＣＦＲＰハイブリット構造部材

0は、前述のスペースフレーム車体構造において、重-2量増加を最小限に止めた結合部剛性の向上に有用で、TYPE-1
TYPE-2
CFRP
Steel60510 15 20 25 30 35 40 45 50

Displacement(mm)Fig. 8 ＣＦＲＰ−鋼板ハイブリッド試験片の荷重−変位曲線かつ衝撃吸収車体設計の設計指針である「フレーム結合部分の剛性向上」にも役立てられる構造要素と考えられる。またこの他にも、接着接合を用いるこ伸度タイプのＣＦＲＰが上市され、引張モードで破壊とで、固体伝達騒音の抑制、アルミ合金−ＣＦＲＰ接した場合には金属材料よりも大きなエネルギー吸収合の際に問題となる電蝕の抑制にも有利と考えられが見込まれている１０）。そこで、高伸度タイプのＣＦるため、具体的に高剛性化や固体伝達騒音の抑制にＲＰを用い、従来鋼板のエネルギー吸収性能を改善対してメリットの大きいＢピラーやサイドシル部分した「ＣＦＲＰ−鋼板ハイブリットアウターパネル」と、への適用を目指した応用研究を継続している。

引張力によって破断するよう薄肉ベルト状とした

４−２

衝撃吸収性能向上のための材料設計と構「ＣＦＲＰサイドインパクトベルト」を考案し、その造要素衝撃吸収特性について検証した。

前述のように現状の自動車のドア構造内部には、

１）ＣＦＲＰ−鋼板ハイブリットアウターパネル

サイドインパクトバーと称する衝突エネルギー吸収

衝突物に対して最初に接触するアウターパネルでとドア変形抑制のための鋼管が取り付けられているの衝撃吸収性能を向上させるために、アウターパネが、曲げ変形によって衝突時の衝撃エネルギー吸収

ルに利用される薄肉圧延鋼板に、ＣＦＲＰ薄板を積層を行っているため、フロントサイドメンバのようにあるいは接着して成形したＣＦＲＰ−鋼板ハイブリッ

座屈と塑性変形のメカニズムを活かした高いエネルトアウターパネルを試作し、落錘衝撃によるエネルギー吸収効率が見込みにくい。従来の車体ドアがもギー吸収性能の評価を行った。Fig.7に作成した試つ以上の安全性を求めるならば、「より衝撃吸収性験片の素材構成を示す。冷間圧延鋼板ＳＰＣＣとＣＦＲ能の高いアウターパネル」ならびに「サイドインパＰの適切な積層方法を検証するため、全長が３２０ｍ

クトバーに代わる衝撃吸収要素」の開発が必要となｍ、幅が２０ｍｍ、全体の板厚が１ｍｍになるよう両面る。鉄やアルミ合金の衝撃吸収特性については、多にＣＦＲＰ一方向強化材を２層積層したＴＹＰＥ−１、片くの調査・研究が行われているが、新素材であるＣＦ面（引張応力側）にＣＦＲＰを４層積層したＴＹＰＥ−２をＲＰについては、材料自体が開発途上の部分もあり、それぞれ試作した。次にこれらの試験片を用いて行

これまでＣＦＲＰは脆性材料でエネルギー吸収性能はった落錘衝撃試験結果として、ＴＹＰＥ−１とＴＹＰＥ金属材料に劣ると言われていた。ところが最近、高−２両試験片の衝撃荷重−変位曲線をＣＦＲＰ積層板

国際交通安全学会誌 Ｖｏｌ．
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平成１７年３月

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車体形状と安全
Table 2 ＣＦＲＰ−鋼板ハイブリット試験片の衝撃吸収特性
Ｅ（ｋＪ）

Ｍ（ｋｇ）

Ｅｓ（ｋＪ／ｋｇ）

ＴＹＰＥ−１０．
０３４４９０．
０３３２５１．
０３７ＴＹＰＥ−２０．
０３５９９０．
０３３２５１．
０８２

ＣＦＲＰ

０．
００４６９０．
００５３７０．
８７３Ｓｔｅｅｌ０．
００８７００．
０２８０．
３１１

Impact force

Rotary pin
TensionTensionTensionTension

CFRP Belt

Fig. 9 ＣＦＲＰサイドインパクトベルトの構造と冷間圧延鋼板のそれと比較してFig.8に示す。同図よりＣＦＲＰ−鋼板ハイブリット材は、冷間圧延鋼板やＣＦＲＰ積層材に比べて高い衝撃強度を有しておAcceleration Cell
(Our Lab)

Charge amp.

り、従来のプレス圧延鋼板によるモノコック構造の軽量化・高強度化にも有用であることがわかる。

Load Cell(JARI)

Dynamic strain
meter

Bridge box

ADConvertor

Load Cell

Charge amp.
Impactor
Optical Displacement
Gauge (ZIMMER)

Strain Gauge

また、Table 2は、４種類の試験片の変形量１５ｍｍまでのエネルギー吸収量Ｅ及び比エネルギー吸収量Ｅｓを比較した結果であるが、ここで比エネルギー吸

CFRP Belt

Personal
Computer

収量は、単位質量当たりのエネルギー吸収量であり、一般的な衝撃吸収特性の評価指標とされている１１）。
変形量の限られた範囲において、ＣＦＲＰ−鋼板ハイ

Actual Model

ブリッド材は、鋼板に比べ、２割弱の荷重増加で４倍以上のエネルギー吸収を行えることがわかった。

800

側面衝突やワンボックスカーの背面衝突など、変形量が限られた範囲で多くのエネルギー吸収が要求さ

Fig.10 ＣＦＲＰサイドインパクトベルトの衝撃試験概要

れる部位については、ＣＦＲＰ−鋼板ハイブリット材

Table 3 ＣＦＲＰサイドインパクトベルトの衝撃吸収特性のような衝撃吸収特性を有する材料を利用することＥ（ｋＪ）が適切と考えられるので、現在、側面ドアパネルやＣＦＲＰサイドインパクトベルト
試験体

ワンボックカーの後面ドアパネル、フロアクロスメンバへの応用を見据えた実体試験を行っており、その結果についても公表する予定である。

鋼管インパクトバー２）ＣＦＲＰサイドインパクトベルト

ＦＥＭ

Ｍ（ｋｇ） Ｅｓ（ｋＪ／ｋｇ）

０．
１８７

７．
３
０．
０２５７

Ｅｘｐ．

０．
１８２

Ｅｘｐ． ０．
０６１２

７．
１０．
１８２０

０．
３３

次に、現在の車体ドア構造に設けられているサイ設置し、１２０ｋｇの落錘体を鉛直方向から衝撃速度約ドインパクトバーの代替要素として考案したＣＦＲＰ

２０ｋｍ／時で衝突させ、ＣＦＲＰインパクトベルト破断

サイドインパクトベルトは、Fig.9に示すように二までの衝撃荷重と変形の関係からエネルギー吸収量つの支点間に微小な張力をかけて取り付けるもので、を求めた。この際に、荷重、変形、衝撃ひずみの測ベルト面の垂直方向からの衝撃力を全て引張力で受定はFig.10中に示す計測システムによって測定した。

け持つような構造形態を有している。従って、ドアTable 3はＣＦＲＰサイドインパクトベルトの落錘衝構造内において、ドアヒンジとドアロックの間など撃試験結果である。表中から明らかなように、ＣＦに取り付けておくことで、側面からの衝突の力をベＲＰサイドインパクトベルトの衝撃エネルギー吸収

ルト引張力に変換でき、効率のよいエネルギー吸収量Ｅは、従来の鋼管サイドインパクトバーの約３倍、を図ることが可能と考えられる。そこで、ＣＦＲＰサ

比エネルギー吸収量Ｅｓにいたっては、従来の２０倍以イドインパクトベルトの試験体は、東レ㈱製の高伸上の高い値を示し、側面衝突時の衝撃エネルギー吸度タイプの炭素繊維（ＴＯＲＡＹＣＡ Ｔ７００Ｓ）を用い、収部材として有用であることが判明した。勿論、こドア内部に格納でき、ドアの両端部支持できる寸法の結果はＣＦＲＰサイドインパクトベルトに対して理として、長さ８００ｍｍ、幅４０〜５０ｍｍ、幅０．
３５〜０．
６５

想的な支持条件であるため、さらに実情に即した検ｍｍの も の で 作 製 し た。作 製 し た 実 体 試 験 体 は証が必要と考えられるが、前述のように、衝撃吸収

Fig.10に示したベルト状に支持する治具間に水平に車体設計に対する設計指針には、「強固なドアロッＩＡＴＳＳ Ｒｅｖ
ｉｅｗ Ｖｏｌ．
２９，Ｎｏ．
４（２７）Ｍａｒｃｈ，
２００５

２６８

青木義男、邉

吾一

参考文献

クやドアヒンジを組み合わせて、乗員スペースへのドアの侵入量を抑える」がある。すなわち、ＣＦＲＰ

１）Ｈ．
Ｗａｌｌｅｎｔｏｗｉｔｚ ａｎｄ Ｈ．
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ｒｎａ
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環境保全と安全性向上の要求によって考案されて

ｏｆ Ｆｒｏｎｔ
ａｌ Ｃｒａｓｈ Ｔｅｓｔ Ｓｐｅｅｄｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｍ-きた、さまざまな車体構造を紹介するとともに、衝ｐａｔｉｂｉｌｉｔｙｏｆ Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ Ｃａｒｓｉｎ Ｒｅａｌ Ｗｏｒｌｄ

突安全性向上のために行ってきた筆者らの要素研究

Ａｃｃｉｄｅｎｔｓ，Ｉｎｔｅ
ｒｎａ
ｔｉｏｎａ
ｌＪｏｕ
ｒｎａｌｏ
ｆ Ｃｒａｓｈ-の一端を披露させていただいた。今後の自動車車体

ｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ，Ｖｏｌ．
３，Ｎｏ．
１，１９９８には、構造や形状に対する斬新な設計思想と同時に、 ５）Ａ．
Ｇ．
Ｍａｍａ
ｌｉｓ，Ｄ．
Ｅ．
Ｍａｎｏｌ
ａｋｏｓｅｔａｌ．
：Ｆｉｎｉｔｅ
結合部材や衝撃吸収部材などの構造機能に応じた材

Ｅ
ｌｅｍｅ
ｎｔＳ
ｉｍｕ
ｌａｔｉｏｎｏｆｔ
ｈｅＡｘ
ｉａｌＣｏｌｌａｐｓｅｏｆＴｈｉｎ‐

料設計・構造要素設計もますます重要になると考え

ｗａｌｌＳｑｕａｒｅ Ｆｒｕｓｔａ，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆ

られる。今回紹介したアルミ合金やＣＦＲＰによる軽Ｃｒａｓｈｗｏ
ｒｔｈｉｎｅｓｓ，Ｖｏｌ．
６，Ｎｏ．
２，２００１量構造は、軽量高剛性や衝突安全性の高さといった

６）「スペースフレーム車用アルミニウム押出し形

優位点に加えて、騒音抑制や環境劣化に対する耐久材」『古川電工技報』Ｎｏ．
１０７、ｐｐ．
１０７‐１０８、性の点でも有利とみられるデータがあり、多くの可２００１年能性を秘めた素材・構造であると言えるが、市販車

７）「衝突エネルギー吸収用メカニカルヒューズ」に採用するまでには、「コスト（ライフサイクルコ『ＭＡＥインフォメーション』Ｎｏ．
１０８、２０００年スト）の低減」「高効率成形プロセスの実現」「リ８）Ｍｅｒｃ
ｅｄｅｓ‐ＢｅｎｚＳＬＲ ＭｃＬａｒｅｎ：Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒ

サイクル法の確立」など解決せねばならない問題がｔｈｅ２１ｓｔ‐Ｃｅｎｔｕｒｙ，Ａｕｔｏ Ｔｅｃｈｎｏ
ｌｏｇｙ，Ｎｏ．
５，

多々ある。これらの問題に対して、筆者らの研究グ
ループは、新エネルギー産業技術総合開発機構（ＮＥｐｐ．
２８‐３１，２００３９）「アルミスペースフレーム開発／日産」『板金ＤＯ）
による平成１５年度革新的温暖化対策技術プログ

塗装新聞』１９９
７年８月８日号

ラム「自動車軽量化炭素繊維強化複合材料の研究開１０）唐木、北野、三石、松川、邉「日本複合材料学発」の研究プロジェクトおいて、「安全設計技術の会２００１年度研究発表講演会予稿集」ｐｐ．
６３‐６４、開発」に関する再委託先として、「スチール比６０％軽量で、１．
５倍安全性の高い車両の設計／試作／試験

２００１年
１１）濱田泰似、中谷有「日本機械学会論文集（Ａ編）」実証」を目標とした、自動車用ＣＦＲＰ構造要素の開Ｖｏ
ｌ．
６４、Ｎｏ．
６１９、ｐｐ．
２７５‐２８０、１９９８年発に関する研究を行っている。そして、この研究プロジェクトの他の研究グループでは、高効率成形、リサイクル方法の確立などの問題解決にも取り組んでいる。これらの達成目標が実現できれば、乗員スペースの拡大、あるいはクラッシャブルゾーンの縮小化、ならびに軽量化による車両運動性能の向上と併せて、原動機の出力低減化も期待できる。さらに、接着接合技術の信頼性・安全性が確保できれば、将来的にプラモデルのように接着接合のみで製作されるＦＲＰ製自動車が製造されるかもしれない。最後に、本報で取り上げさせていただいた研究成果の多くが、上記研究プロジェクトの過程で得られたものであることを付記し、謝意を表す。

国際交通安全学会誌 Ｖｏｌ．
２９，Ｎｏ．
４（２８）

平成１７年３月