自分で創る自分の車 No.8

シャシー　2/2

■どのタイプのシャーシを選ぶべきか？
シャシーの設計と製造の複雑さ、モノコックの損傷を検出する際の曖昧さから、ほとんどのアマチュア・デザイナーは、設計、製造、操作が容易なスペースフレーム・シャシーを採用しています。
しかし、もしあなたがモノコック・シャーシに興味を持っているのであれば、できるだけ多くのことを学び、設計と製造の技術を試してみてください。
エンジニアとしてのキャリアを目指すのであれば、スペースフレーム設計とモノコック設計の両方の知識があれば、多くの分野で活躍できるでしょう。

●シャシーのモデリング
車両を製作する前に、設計のイメージを膨らませるために模型を作ってみましょう。
解析ソフトなどのコンピュータツールにこだわる人もいるかもしれませんが、実際に手を動かしてイメージを膨らませるには、バルサ製のスペースフレームモデルを自作したり、紙やクラフト素材を使ってモノコックを形成することをお勧めします。
下図のように、これらのモデルは様々な構成のデザインやねじり剛性を知ることができます。

●シャシーの構造、材料、形状
スペースフレームであれモノコックであれ、シャーシを設計するには、適切な材料とその工学的特性を理解する必要があります。
ここでは、基本的に使用される材料をいくつか紹介しますが、スクラッチビルドに必要な詳細を網羅した書籍もあります。

■構造材料

●スチール

現代のスペースフレームのほとんどは、1018、1020、4130クロモリ等級のスチール構造チューブを使用しています。

最初の2つのグレードは、アマチュアの自動車製作者にとって十分な強度と靭性を備えた軟鋼と考えられています。
これらの鋼種は溶接熱の影響を受けず、溶接後の熱処理も必要ありません。
4130クロモリ鋼は、軟鋼よりも強度が高いが、機械的特性を回復するために溶接後の熱処理が必要です。
スチールは、金属疲労の観点から非常に優れており、自動車やトラックで発生する振動や揺動負荷のため、シャーシの長寿命化と信頼できる強度を目標とするアマチュアビルダーに好まれる素材です。

●アルミニウム

アルミニウムスペースフレーム設計に使用されており、軽量化を実現することができますが、グレードによっては溶接が可能な場合と不可能な場合があります。

スペースフレームの材料としてアルミニウムを選択する前に、疲労寿命と強度を理解しておく必要があります。

●ＦＲＰ

モノコックビルダーにとって、現在最もよく使われている材料はFRP（繊維強化プラスチック）です。

繊維は、軽量化の要求に応じて、グラスファイバーからカーボンファイバーまであらゆるものを使用することができます。
プラスチックは2液性のエポキシ樹脂が一般的です。
ビルダーは、ハニカム構造の上にFRPを積層した複合サンドイッチ構造を採用しています。
これらの「パネル」は曲げに対して非常に剛性が高くなります。
同じ曲げ強度であれば、スチールの約4倍の厚さの複合材サンドイッチが、スチールの約5分の1の重さになります。下図を参照ください。

●構造形状
スペースフレーム構造の構造形状を選択することで、シャシーデザインを最適化することができます。
下図では、最も一般的な形状を示しています。

正方形や長方形のチューブは、設計や加工が最も簡単です。
前述のように、切断や溶接・ろう付けは、正方形や長方形の形状が最も簡単です。
また、長方形のチューブは、一方の軸が他方の軸よりも強い強度を必要とする「梁のような」構造を作ることができます。
正方形や長方形の4130クロモリもありますが、一般的に円形よりもコストが高くなります。
円形のチューブは、加工はそれほど簡単ではありませんが、4130クロモリ製のチューブが広く出回っているため、強度を高めたり、同じ強度で重量を減らしたりするには、円形（および楕円形）を選択するとよいでしょう。
オーバルチューブは、オープンホイールタイプのレーシングカーの露出したウィッシュボーンに使用されて人気があります。
この形状は、丸や四角のチューブよりも空気力学的に優れているため、空気抵抗や乱流の発生が少なくなります。
しかし、曲げ加工では丸型や角型に比べて構造的な強度が劣るという欠点があります。
Iビームタイプの形状は、"I" の垂直軸に沿ったたわみ（曲げ）をスパン全体で最小にする必要がある場合に有効です。
スパンが長い場合には、たわみの点で角管は Iビームほどではありません。


■シャシーデザインのヒント (2/2まとめ)

・メンテナンス性を考慮したチューブメンバーの配置
クルマのメンテナンスは製作後に行うものです。
開口部にチューブを配置することは、シャーシの剛性を確保するための自然な方法です。
しかし、実際には、メンテナンスが必要な部品へのアクセスを困難または不可能にしている可能性があります。
優れたシャシーデザインは、すべてのコンポーネントに素早く簡単にアクセスでき、部品の取り外しや交換の妨げにならないものです。

・クラス内で競争力のある車両をチェック
競争力のある車は、適切な材料と方法で作られています。
サーキットやピットで観察してみると、勝因が見えてきます。

・作業に合わせてチューブの形状を最適化
四角いチューブは、シャーシを作るのに最も簡単な構造形状です。
しかし、構造の複雑さを考慮すると、丸いチューブが有効な場合もあります。
オープンホイールのレースカーでは、ウィッシュボーンに楕円形のチューブが使われています。

・作業に合わせてチューブのサイズと厚みを最適化する
テンション（伸長方向）で使用するチューブは、コンプレッション（圧縮方向）で使用するチューブよりも厚みを薄くすることができます。
このことを念頭に置くことで、大幅な軽量化が可能になりますが、接合作業やチューブの種類を増やす必要があります。

・適切な材料の選択
多くのロードカーやレーシングカーのシャーシには、1018または1020グレードの軟鋼が使われています。
（1018以下のグレードは、強度に限界があるためお勧めできません）
シャーシが適切に設計され、重量を最重要視しないのであれば、これらのグレードを使用することに問題はありません。
1018と1020は、溶接後の熱処理が不要で、MIG溶接が可能なため、加工が容易です。
重量を気にするのであれば、多くのビルダーは4130クロモリを選択します。
4130は軟鋼よりも軽量で、同じ強度を得ることができます。
ただし、チューブの接合方法によっては、完成品に熱処理を施す必要があります。
また、4130には通常丸型があり、これは加工がより困難ですが、航空機メーカーのサプライヤーは、より高い価格で角型の4130を提供することができます。
考慮すべきポイントは、軽量化の必要性です。
重さを気にしないのであれば、加工しやすい軟鋼を選ぶのがよいでしょう。
重さが気になる場合は、4130以外の選択肢は限られているかもしれません。

次回からパワートレイン編になります。