自分で創る自分の車 No.7

シャシー　1/2

●車のシャーシの基本とハウツー設計のヒント
シャシー（フレーム）は、自動車の他のすべての部品を配置し、取り付けるための構造物です。また、乗員を保護するための空間でもあります。

■シャーシの種類
シャーシには複数の種類がありますが、そのすべてが2つのアプローチに分類されます。
・スペースフレーム、マルチチューブ、ラダーフレーム

丸いチューブや四角いチューブ、その他の構造的な金属の形を使ってシャシー構造を形成する方法。

・モノコック、ユニボディ

パネルを接合してシャーシを構成する方法。

いずれのアプローチも、他の車両部品を取り付けることができる構造を提供することができますが、それぞれに利点と欠点があります。

・スペースフレーム、マルチチューブ、ラダーフレーム
スペースフレーム・シャーシは、構造用金属管（通常はスチール）を多数切断して成形し、それらを結合して強固なフレームワークを形成します。

スペースフレームの設計原理は、チューブの三角形を利用して剛性の高い構造を作ることです。
下図は、三角形を使って構造を硬くする方法を示しています。

三角関係のない箱は、ほとんど強度がありません。

上の写真では、その様子がよくわかります。
手で箱の角を押すと、箱の形が平行四辺形に変形します。
そこで、チューブを使ってクロスブレーシングやトライアングレーションを行うと、強度が大幅に向上します。

上図では、チューブが取り付けられた箱の角が引き裂こうとしているかのように、チューブが引っ張られている。
このチューブの引っ張り強度のおかげで、箱は平行四辺形に変形しません。
三角測量は、圧縮されたチューブにも有効です。しかし、理想的な設計では、部材の管が常に張力で働いており、圧縮で働く管よりもはるかに優れた強度を持っています。
下図は、荷重がチューブを引き裂くのではなく、押しつぶそうとしている様子を示しています。
圧縮時の強度が低下しているため、座屈が問題になることがあります。

一番上に戻ると、この図には、オープンボックスのチューブ構造を三角形にして、より剛性の高いシャシーを実現した例が数多く示されています。
また、サスペンションなどの取り付け金具も描かれています。
スペースフレームには、通常、角管と丸管が使用されます。
角管は、特定の角度で直線的に切断できるため、加工がしやすい。
丸管は、他の丸管との突き合わせがうまくいかないため、丸い形状を切り出すには、専用のノッチャー（工具）が必要になります。
スペースフレームの設計で重要なのは、想定される荷重を特定・分析し、その荷重を最適な形で処理できるようにフレームと三角部を設計することです。
チューブを引っ張ると圧縮よりも高い強度が得られるため、引っ張り荷重がかかる部分では軽量化のために軽いゲージのチューブを使用することができます。チューブに圧縮荷重がかかる場所では、厚みのあるチューブや直径の大きなチューブを使用したほうがよいでしょう。


・モノコックシャーシ
モノコックシャーシは、技術的にはスペースフレーム・シャーシを改良したものです。
下図は、スペースフレームとモノコックデザインの違いを示す簡単な例です。

左のモノコックの「箱」は、素材のパネルを使って構造的に「完成」させています。
緑の矢印で示した方向に手で押すと、パネルにせん断力が発生します。
この力は、右のスペースフレーム・トライアングル・ボックスでは、引張荷重と同じように効果的に処理されます。
しかし、もし手がボックスの反対側から押された場合、スペースフレームチューブは圧縮されて崩壊する可能性があるのに対し、モノコックボックスは以前と同じようま状態になります。

どちらのタイプのシャシーも、同じように強度を高めることができます。
しかし、同等の強度を持つスペースフレームを作るには、一般的に多くの材料が必要となり、重量も増えます。
また、使用する材料にも大きな違いがあります。
下図では、左のモノコックの「箱」と、右の完全三角形のスペースフレームの「箱」の両方が、同じように荷重を処理します。

（視覚的に複雑になるのを避けるため、スペースフレームの「箱」の後部を省略しています）

モノコックは通常、スペースフレームよりも軽くて丈夫に作ることができますが、設計・製造・運用が複雑になるという欠点があります。
まず、モノコックでは、パネルによって形成される構造が「完全」でなければなりません。
モノコックの説明に使った上図の「箱」を見ると、下図のように、片側が欠けていることを想像してください。

3枚のパネルが重なる部分の角を押すと（左図）、あまり反らないのですが、欠けている部分の隣の角を押すと（右図）、箱が反ってしまいます。
開口部がある場合、シャーシは支持する下部構造を通して荷重を処理しなければなりません。

モノコック設計の第一の目標は、モノコック構造を座屈させる原因となる、扱われない荷重経路がないことを保証することです。
座屈したモノコックは、座屈したスペースフレームチューブに勝てません。
扱いにくい荷重経路の場合、スペースフレームは、チューブの直径とスチールの材質が通常モノコックよりも緩やかな破壊をもたらすため、より寛容になることができます。
しかし、穏やかな故障に頼るくらいなら、最初から正しくシャーシを設計する方が良いでしょう。
モノコックのもう一つのポイントは、破損した場合、スペースフレームチューブに比べて修理が困難なことです。
また、モノコックの損傷を発見するのは難しいのですが、チューブの曲がりや破損は簡単に発見できます。

・ねじり剛性
ねじり剛性とは、車輪やサスペンションから負荷がかかったときに、車体がどれだけねじれるかを決める、自動車のシャーシの特性です。
下図はその原理を示したものです。

シャーシのねじれは、サスペンションの延長のような働きをするため、ねじれの少ないシャーシほど予測可能なハンドリングは得られません。サスペンションは、ホイールやタイヤが路面の凹凸に追従できるように設計されています。タイヤが段差にぶつかったときにシャシーがねじれてしまうと、シャシーがサスペンションの一部のようになってしまい、サスペンションのチューニングが難しくなったり、できなくなったりします。理想的なのは、シャシーが超高剛性で、サスペンションがコンプライアントであること。
ねじり剛性の単位は、kg-m/degreeです。シャーシの一端（フロントまたはリア）を静止させ、もう一端を点でバランスさせ、ビームを介してねじりを加えます。下図は、その基本的な考え方を示したものです。

■シャシーデザインのヒント (1/2のまとめ)

・市販シャーシの改造
サスペンション、エンジン、ドライブトレインなどを変更するために、市販シャーシの改造を検討する場合、モノコックボディ(新型車)やラダーフレーム(旧型車)の構造について時間をかけて検討します。
メーカーのシャーシ設計者によって形成された構造には、荷重を意図した強い部分と、荷重を意図していない弱い部分があります。
シャシー構造のどの部分を切り取ったり修正したりするかが重要です。
プラスチックモデルが作られている場合は、車両のスケールモデルを使ってモックアップを作成したり、3Dモデリングソフトウェアを使って同様の作業を行うことを検討する。
車両のローダウンなど、サスペンションに関わる変更の場合は、まず新しいサスペンションをモデル化します。
サスペンションのピックアップポイントを同じにして車両を下げると、ハンドリングが悪くなることがあります。

・シャシーモデルを作る
バルサ材を使ってスペースフレーム・シャーシをモデリングすると、三角測量によるシャーシの剛性の違いを直に見ることができます。
ハーブ・アダムスの著書「シャシー・エンジニアリング」では、バルサと紙を使ったシャシーのモデリングについて全章を費やしています。
彼は、1/12スケールのモデルを推奨しています。
同様に、ボール紙、紙、接着剤を使ってモノコックを作ることも、非常にやりがいがあり、低コストで学ぶことができます。
これらの材料の素晴らしい点は、強度があまりないので、荷重をかけると変形が簡単に見られることです。

・サスペンションの後にシャシーを設計する
ルールに沿って暫定的なサスペンションを設計し、良好なジオメトリーを確保した上で、サスペンションの取り付け位置やスプリング、ダンパーの取り付け位置に合わせてシャーシを製作する方がはるかに簡単です。

・ロードパスを考える
シャシーはエネルギーを "吸収 "するものではなく、"支える "ものです。
チューブの配置を検討する際には、「荷重経路」を可視化し、荷重シナリオを解析するためにも解析ソフトウェアの使用を検討します。
荷重経路とは、縦方向と横方向の加速と減速によって生じる力のことで、チューブを部材から部材へとたどっていきます。
最初に思いつく力はサスペンションのマウントですが、バッテリーやドライバーなどもスペースフレーム構造にストレスを与えます。

・CGを最大限に配置し、車両バランスをとる
重心は、振り子のようにクルマに影響を与えます。
CGの理想的な位置は、前輪と後輪、左右の車輪の間にあるとされています。
この位置よりも前後左右にCGを配置すると、クルマの向きや加速・減速に応じて重量の移動が不均一になります。
この理想的なポイントから離れれば離れるほど、車の片側が振り子のようになってしまい、ハンドリングの最適化が難しくなります。
また、CGは車高にも依存します。
エンジンが地面から高い位置にあるとCGが高くなり、コーナリング時や加速時、減速時に大きな重量移動が発生します。
車両設計の目的は、可能な限り4輪を接地させてグリップ力を高めることであり、車内のすべての部品をできるだけ低い位置に配置することがCGの高さを下げることにつながります。

シャシー2/2に続く