自分で創る自分の車 No.15

■自動車の安全性の基本：ハウツーとデザインのヒント
車両の安全性とは、車両にどんな犠牲を払ってでも、人間の乗員を守る技術です。
車両は消耗品ですが、乗員はそうではありません。

●人体の生理と傷害
乗員を守るためには、まず人体の基本的な生理的弱点を考慮する必要があります。

上図が示すように、さらされている体のあらゆる部分が負傷の危険にさらされています。

傷害にはさまざまな形態がありますが、最も深刻なのは、身体が耐えられるG（重力）を超えた衝撃を受けることです。
しかし、このような激しい衝撃を受けなくても、軟部組織が損傷することもあります。

脳は、頭蓋骨という非常に頑丈な骨の容器の中に格納されている軟組織の塊であるため、特に損傷を受けやすいです。
頭蓋骨は硬いものにぶつかり衝撃が加わっても、中の脳は動き続け、それが頭部外傷の原因となります。

また、首や脊椎の損傷も深刻な問題です。
体の中の「コネクター」と呼ばれる部分は、柔軟性と伸縮性があり、非常に大きなG荷重を受けても壊れることがありません。
また、背骨や首は、十分なサポートや衝撃の緩和がないと、シートを通して繰り返し揺さぶられることで影響を受けます。

その他の骨の損傷（骨折）は、命に関わるほどではありませんが、予防する必要があります。
腕や脚の骨は、その長さに応じて張力や圧縮などのストレスを受けたときにはうまく機能します。しかし、衝撃を受けた場合には、剪断や曲げのストレスがかかることが多い。

また、体が受ける衝撃や振動によっては、軟部組織の打撲が起こることもあります。


■ドライバー／乗員／コックピットの安全性
運転席と助手席（ある場合）の安全システムは、コックピット内とその周囲にサポートと保護を提供するように設計された複数の保護層で構成されています。車両の種類によって、これらのシステムは異なる要素で構成されていますが、すべてのシステムの目的は乗員を保護することにあります。

ここでは、最外層から最内層に向かって、それぞれの要素を見ていきましょう。


●衝撃エネルギー吸収構造
乗員を保護する最初の層は、衝撃エネルギー吸収（IEA）構造です。
これは車両の破壊可能な部分で、静止している物体（壁など）や他のレースや道路を走る車両からの衝撃エネルギーを吸収します。
エネルギーは構造体の破砕によって吸収または消散されます。

IEA構造の深さが大きければ大きいほど、衝撃時の破砕にかかる時間が長くなります。
たとえ数ミリ秒でも減速時間が長ければ、Gフォースは小さくなり、負傷の可能性も低くなります。

また、IEA構造の内部設計も重要です。
可能であれば、押しつぶされている間、その深さ全体で一貫して予測可能なエネルギーを吸収する必要があります。

モノコック/ユニボディの量産車のIEA構造は、下図に赤で示されています。
モノコック/ユニボディデザインの性質上、ボディ全体がクラッシャブルな構造となっています。
しかし、車両側面は構造が浅く、破砕強度に限界があるため、構造を補完しない限り、側面からの衝撃はより危険です。
一方、正面衝突や後面衝突の場合は、モノコック/ユニボディのIEA構造が深く、大きな保護力を発揮します。

下図のストックカーでは、IEA構造を乗員保護セル（乗員保護セルについては下記参照）と一体化させたチューブラーフレームを採用しています。
このデュアルパーパスフレームにより、乗員を保護しながらフロント部とリア部を潰すことが可能になりました。
また、図のようなパラレルチューブサイドフレームを採用したことで、側面からの衝撃も吸収しやすくなっています。
完全に強化されたスペースフレームとは異なり、この構造は "バンパー "のような役割を果たし、ある程度潰れてもドライバーを保護することができます。

スクラッチビルドのアマチュア・レーシングカーやスポーツカーにはチューブラー・スペースフレームが多用されているため、これらの車両のIEA構造はアドオンであることが多いです。
シャーシが独立した乗員保護セル/コックピット（下記の乗員保護セルを参照）とIEA構造で構成されている場合、車両はよりコスト効率が高く、建設/保守が容易になる可能性があります。
下図は、アドオンIEA構造を持つフォーミュラカーを示しています。

アドオンIEA構造は、オキュパント・セーフティ・セルや、シャシーの設計目標を妨げたり、複雑にしたりするものではありません。
また、IEA構造が破損した場合、破損したIEA構造のみを交換し、乗員保護セルの点検・修理を行うことができます。

アドオン構造の欠点は、それらを取り付ける留め具の性能に依存することです。留め具/システムが故障すると、衝撃エネルギー吸収構造はその機能を果たせなくなり、それ自体が危険になる可能性があります。

アドオン構造の長所は、希望通りの保護を提供するように設計できることです。

アドオン構造は、一般的に複合材料で作られています。

ハニカムやフォームの上にFRP（ガラス繊維強化プラスチック）を重ねることで、均一に破砕可能な構造体を実現するために多く使用されています。

下図のフォーミュラカーは、自動車の一部の部品がIEA構造になり得ることを示しています。ウィッシュボーンは、崩壊時にエネルギーを吸収します。

●ファイアウォール（隔壁）
ファイヤーウォールは、シャシー構造内の火災から乗員を守るためのものです。
エンジンや燃料系の場所を分離し、乗員に危害が及ばないようにしています。
一般的には、金属と耐火断熱パネルで構成されています。
直火以外にも、排気ガスの漏れや潜在的な燃焼源からの保護、乗員安全セルと高温部品（エンジン/排気）との分離などの機能があります。
ファイアウォールの例を下図に示します。

自動車の安全性の基本 (1/3まとめ)

あらゆる安全性を考慮して設計しなければなりません。
車両を設計する際には、各主要部品の安全性を常に念頭に置く必要があります。どのように安全性に貢献しているのか、あるいは貢献していないのか。

軽量コア材にFRPスキンを使用
軽量のIEA構造では、ハニカム、バルサ、高密度発泡スチロールなどのコア材にFRPを接着して使用します。
これはF1で採用されている方法と同じで、非常に効率的なエネルギー吸収を実現しています。


次回、自動車の安全性の基本2/3です