自分で創る自分の車 No.16

自動車の安全性の基本　2/3

●オキュパント・セーフティ・セル／ロールバー／侵入防止装置
オキュパント・セイフティ・セル（略してセイフティセル）は、IEA（Impact Energy Absorption）構造の中にあります。このセルは、車のコックピットを効果的に取り囲んでいます。
スペースフレーム（管状構造）またはモノコックのいずれかで構成されますが、いずれの場合も非常に剛性の高い構造を形成しており、最も激しい衝撃の下でも潰れないようになっています。
セーフティセルは、外部からの衝撃に対する最後の防御策です。

セーフティセルは、サバイバルセル、ロールバー、ロールケージなどと呼ばれることもあります。
しかし、セーフティセルは通常、ロールオーバー保護やサバイバル以上の役割を果たします。

IEA構造が押しつぶされ、エネルギー吸収能力がなくなった後でも、激しい衝撃によって乗員が押しつぶされないように保護しなければなりません。
可能であれば、様々な角度からできるだけ多くの保護を提供しなければなりません。（1人乗り自動車のオープンコックピット（フォーミュラカー）の問題が浮き彫りになりました）
・シートやシートベルトなど、他の乗員保護システムの部品の取り付けとサポートを提供しなければなりません。

・迅速な脱出を可能にしなければなりません。

・保護性が高くても、負傷した乗員の迅速な脱出を妨げないデザインでなければなりません。
・火災や水没は最も危険です。

多くのアマチュアのレーシングカーやスクラッチビルドのロードカーでは、セーフティーセルはシャシーと一体化しており、その剛性はシャシー全体のねじり剛性に貢献しています。

下図では、セーフティセルを市販のモノコックシャシーにボルト/溶接で取り付けています。
このデザイン例では、クロスブレースのロールバーと側面衝突防止用のチューブ構造を組み合わせています。
ノーマルに近いレベルのレースや公道走行（軽い衝撃や横転の場合）では、それなりの保護効果があると思われますが、複数の車が走るハイスピードなレースや公道走行では、乗員の周りや上にクロスブレースされた、より頑丈なチューブ構造が必要になるでしょう。

下図は、チューブラーシャシーに色を付け、衝撃エネルギー吸収（IEA）構造とセーフティセルとしての挙動を示したものです。
外側のチューブはその「破砕性」によってエネルギーを吸収し、内側の構造は高度な三角構造によってセーフティセルを実現しています。

下図のフォーミュラーカーは、多くのアマチュアカー（特に非常にコンパクトなフォーミュラーカー）のセーフティセルが、実はシャシーそのものであることを示しています。
(注：下図では、シャシーのチューブ構造全体(黄色の写真)は表示されておらず、セーフティセルの部分だけが表示されています)

オープンコクピットカーで注目すべきは、「ロールオーバープロテクションリミット」という要素です。
これは、ロールバーの上端と、ドライバーの前にあるセーフティセルの最も高い位置との間に引かれた想像上の線で、セーフティセルを逆さまにしたときに路面がどの位置になるかを示しています。
セーフティセルを設計する際には、ドライバーの頭部が路面に接触しないように、この線がドライバーのヘルメットまたは（ロードカーの場合は頭部！）の5〜10cm上を通るようにします。

侵入防止パネルは、チューブ構造の車両でも検討されますが、主にサスペンションの一部がセーフティセルに侵入する可能性がある場合です。
上図では、ドライバーの脚の横に紫で侵入防止パネルが示されている。
万が一、サスペンションのウィッシュボーンが破損した場合、侵入防止パネルによってシャシーから遠ざけられる場合があります。

このパネルの利点は、モノコックパネルのように機能することで、シャーシの剛性を高めたり、同じエリアに多数のトライアングルチューブを使用する必要がなくなることです。


●シート
レーシングシートは、乗員の身体を支え、シートベルトやハーネスの位置を調整し、外部の物体からある程度保護することを目的としています。
高性能なロードカーのためのシートは、優れたサポート性と快適性を兼ね備えたものでなければならず、必要に応じてレーシングハーネスを使用して最大限に保護する必要があります。

下図は、レーシングシートの一例です。

このシートは、コーナリング時には横方向のサポートを、加速・制動時には縦方向のサポートを行います。
このサポートの目的は、ドライバーが自分の体を固定する必要性をなくすことです。
そのため、レーシングタイプのシートは、ドライバーの体を "ゆりかご "のように "包み込む "ように、非常に深くなっていることが多いです。
また、シートには、乗員のヘルメットの横方向の動きを制限するためのヘッドサポートが含まれることもあります。
ロードカーでは、Gフォースを軽減し、乗員の乗り降りを容易にするために、シートを浅くすることがあります。

また、レース用のシートベルト/ハーネスは、通常、シートの特別な開口部に通して、乗員の肩と腰/股間の部分に配置されています。
ベルト自体はシャシーに取り付けて強度を高め、シートはシャシーに分離して固定します。

レース用のシートは一般的に、ロードカー用のシートのようにクッション性が高くありませんが、それには理由があります。
ドライバーが車両を最大限にコントロールするためには、車両の動きを「感じる」必要があります。
クッション性の高いシートでは、車両が滑り始めたときに、その感覚が微妙だったり、反応が遅れたりして、スピンを防ぐのに間に合わないことがあります。

一般的には、シートが柔らかすぎるとフィーリングが失われてしまうので、絶妙なバランスが必要になります。
シートが硬すぎると、ドライバーは痛みや疲労を感じ、場合によっては打撲してしまうこともあります。
疲労は集中力を低下させるので、結果的には柔らかすぎるシートと同じになってしまいます。

レーシングシートの構造では、発泡ウレタンで成型したインサート材を使用することが多いです。
ビニール袋の中に液状の発泡体を入れ、それをシートシェルに入れます。
ドライバーはビニール袋の上からシートに座り、発泡体を体の周りに移動させます。
フォームが固まると、ドライバーの体にフィットしたシェルとなり、車両からのサポートと感触を最大限に得ることができます。

ロードカーシートは、このフォームを使用しない代わりに、複数のドライバーに対応できる柔軟性と快適性を備えています。


●レーシングシートベルト/ハーネス
レース用シートベルトやハーネスは、レース用シートと同様に、あらゆるレースや事故の状況下で乗員を最大限にサポートすることに特化しています。

レースでは、ハーネスが乗員をシートに密着させ、フィーリングを向上させます。

また、事故の際には、乗員がコックピット内を動き回り、セーフティーセルや突起物によって重傷を負うことを防ぎます。

ハーネスには多点式のものがあり、乗員の動きを妨げたり、ハーネスの下から抜け出すのを防ぐために、胴体の周りを確実に拘束します。

上図のハーネスは、シャシーへの5つの取り付け部と、中央のラッチまたはバックルで結合する5本のベルトで構成されています。
胴体を十字に固定することで、横転などの急激な姿勢変化の際に胴体が抜け落ちないようになっています。
ベルトにはアジャスターが付いていて、締めたり緩めたりできるようになっています。

ロードカーに乗る人は、最小限の力で素早く乗り降りしたいと考えるため、快適性や利便性と引き換えに、ある程度の拘束力にとどまります。


●レースカー用HANSデバイス
HANS（Head and Neck Support）デバイスは、レースカーの部品ではなく、ドライバーが装着するデバイスと考えられますが、レーシングハーネスと連動して動作するため、言及する必要があります。
この装置は、その名の通り、頭とヘルメットの重さで首を痛めないようにするためのものです。
主要なレースシリーズで採用されていることや、これまでの実績からも、乗員保護システムの一環として採用する価値があると考えています。


■安全性の基本ヒント (2/3まとめ)
・車両の潰れを防ぐための乗員保護セルの三角化
乗員用セーフティセルは、致命的な衝撃を受けて倒れると、乗員の上に倒れるのではなく、乗員から離れるように膨らむように設計することができます。
正面衝突の場合は、コックピットの側面が内側ではなく外側に膨らむことになります。
様々な角度からの衝撃をシミュレーションソフトを使い可視化することで、三角形の配置を最適化して、崩壊の際も最良の結果を得られるようにする方法で設計することができます。

・視界を確保するために透明なフロントガラスやボディワークを使用する

ポリカーボネートなどの飛散しない透明な素材を使用することで、ボディワークの機能を損なうことなく視界を広げることができます。場合によっては、ドライバーの位置を下げてCG（重心）を向上させ、通常は不透明なボディワークを透明な素材に交換することで、視界を回復させることができます。

次回は安全性の基本3/3です