JP2013525184A - 車両ホイールおよびアクスルシステム - Google Patents

Abstract

車両の乗員の安全性を高めるためのアクスルおよびホイールシステム。衝撃時に圧砕可能なように設計されたアクスル構造が提供される。アクスルは、車両のシャーシに構造的に取り付けられ、シャーシの両側においてシャーシを越えて延在する。各アクスル端は、ホイールサスペンションに取り付けられている。シャーシを越えて延在するアクスルの部分は、空気力学的に成形された圧砕可能なフェアリングにより覆われ、各ホイールは、空気力学的に成形された圧砕可能なポッドにより覆われている。

Description

関連出願の相互参照
[0001]本願は、２０１０年４月２３日に出願された米国仮特許出願第６１／３２７，４３３号の優先権を主張するものであり、当該出願の全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

技術分野
[0002]本発明は、一般に、軽量車両の乗員の安全性の増加に関する。より詳細には、戦略的に配置された圧砕可能な空間を追加することにより、および主題の車両と他の物体との間の衝撃の種類または係合モードを変更することにより、車両の乗員に対するピーク加速度を低減する、かかる車両において実装するための構造が示される。

発明の背景
[0003]超軽量車両の構築における初期の問題は、今日路上で見られる平均的な車と比較して質量についての不利点を有するという事実によるものである。この件についての直感的な見方は、質量の追加は、同じ速度を想定した場合により大きい運動量およびエネルギーを生させるため、その車両の乗員にさらなるレベルの安全性を与えるというものである。より大きい運動量は、ある衝突において、その他の車両を「蹴散らす」ことにより当たった物体を退かせるため、車両の乗員にかかる加速度を低減する助けとなる。より重い自動車に伴う安全性が追加されたかのようなこの本来的な感覚は、実際は誤った信念である。ＳＵＶおよびピックアップ（非商業的運転者により運転される道路上の最も重い車両の一部）は、それらの質量がより大きいことの結果、自動車やミニバンよりも多くの死を他の車両の運転者にもたらしている。しかし、燃料効率の大きい増加は、現在、低重量および低空力抵抗を有する車両を構成することによってのみ得られる。また、かかる車両は、その低質量に伴う不利益を克服するとともにその乗員のための保護を提供するように設計されなければならない。

[0004]物理学の法則に交渉の余地はない。車両の乗員に対するピーク加速度を低減することは、圧砕可能な空間を通じてエネルギーを吸収することと、２つの車両または物体が衝突の際に有する衝撃の種類または係合モードを変更することとの両方により、達成することが可能である。圧潰可能な空間は、車両における圧砕可能な構造と車両内側の緩衝材との両方として見ることが重要である。乗員の安全性を提供するという点において今日の道路上の他のより重い自動車やＳＵＶに匹敵することが可能な超軽量車両の構成が必要とされている。この目標は、適正なエネルギー吸収のための空間および／または今日のほとんどの自動車において利用不可能な偏向を提供することにより達成することが可能である。

発明の概要
[0005]本発明は、多車輪車両用のホイールおよびアクスルシステムに関する。本発明の原理により構成される車両の一実施形態において、車両のホイールは、乗員が在する車両の主車体シャーシの外側に離間されている。各ホイール用のサスペンションシステムは、各ホイール内に少なくとも部分的に配置されている。圧砕可能なアクスルは、少なくとも１ヶ所において主車体シャーシに構造的に取り付けられ、主車体シャーシからある距離だけ延在し、そこで一端上でホイール内サスペンションシステムに取り付けられている。空気力学的に成形された圧砕可能なフェアリングは、一端において主車体シャーシに取り付けられ、主車体シャーシの外側に延在するアクスルの部分を覆っている。空気力学的に成形された圧砕可能なポッドは、各ホイールを覆っている。一実施形態において、自動車の一方側においてホイール内のサスペンションに取り付けられるとともに、自動車の他方側のホイール内サスペンションまで遮られずに延びる圧砕可能なアクスルが設けられている。一実施形態において、このアクスルは、それぞれのホイールに近い点において、車両の各側１ヶ所ずつの２ヶ所において主車体シャーシに構造的に取り付けられている。

[0006]本発明の上述および他の目的、態様、および利点は、下記の添付図面を参照して本発明の後続の詳細な説明からより深く理解されよう。

本発明の原理を具現化する超軽量車両の前方からの斜視図である。 本発明の原理を具現化する超軽量車両の後方からの斜視図である。 本発明の原理を具現化する超軽量車両の俯瞰図である。 本発明の原理を具現化する超軽量車両の底面図である。 本発明の原理を具現化する超軽量車両の側面図である。 本発明の原理を具現化する超軽量車両の管状構造の原寸に比例した斜視図である。 本発明の原理を具現化する超軽量車両の原寸に比例した俯瞰断面図である。 本発明の原理により構成された車両のフロントノーズの原寸に比例した断面俯瞰図である。 本発明の原理により構成された車両の前圧砕ゾーンの原寸に比例した透視図である。 本発明の原理により構成された車両の後方からの原寸に比例した透視図である。 本発明の原理により構成された車両の原寸に比例した透視側面図である。

発明の詳細な説明
[0007]超軽量車両（ＶＬＶ）の乗員のための安全性を維持しつつＶＬＶに固有の利点を得るため、車両を構築する際に用いる形状、構成、および構築技法のすべてを検討しなければならない。図１は、本発明により構成された超軽量車両の外観の前方からの斜視図を表す。車両は、３つの相互接続されたセクション、すなわち前部５、中間部１０、および後部１５で構成されている。第１のフェアリング２０は、第１の前ホイールポッド２５から前部５まで延在し、第２のフェアリング３０は、第２の前ホイールポッド３５から前部５まで延在する。中間部１０は、窓と車両に出入りするための少なくとも１つのドアとを含む乗員エリアである。図２に示すように、第３のフェアリング４０は、第１の後ホイールポッド４５を後部１５に接続し、第４のフェアリング５０は、第２の後ホイールポッド５５を後部１５に接続する。ホイールポッドの各々にはホイールが配置されている。前部５の形状は、他の車両に比べて最小限の前方表面積を有する比較的狭く丸い縁を有する。これは、空気流が車体にくっつくことにより形状抵抗を低減する、非常に空気力学的な形状である。加えて、車両は図３および図４において中心線Ａ−Ａにより示される主長手方向軸心に沿った中心面に対して対称的であるため、前方幅が小さいことにより潜在的な衝突にさらされる自動車の前方面が少なくなり、衝突の際、衝突が車両の中心線の一方側または他方側で発生する限り、衝撃がＸおよびＹ軸において車体から離れるように偏向される可能性が増加する。かかる衝突において、打撃を受ける前アクスルおよび前ホイールポッドは、衝撃の速度が低減され、同時に車両の乗員が経験するピーク力を低減するように、破壊可能な犠牲的構造部材であるように設計されている。さらに、図３に示すように、本発明の原理を具現化するＶＬＶの全体的構成は、俯瞰したときに略涙滴形状を有する。この形状は、非常に良好な空力特性を有することが見出されている。その上、図５に示すように、前部５の表面は車両の後方に向けて弧を描くように構成されているため、衝突に関わる力は、垂直なＺ軸においても車両から離れるように偏向されるであろう。これらの特長の結果、衝突の激しさを測定する際に用いられる標準である衝突パルスは、ピーク加速度または車両の乗員の加速度と同様に低減される。

[0008]また、前部５は、さらに安全性を高めるものとして圧砕ゾーンを一体化している。図６は、本発明の原理を具現化する車両の管状フレーム構造１０５の斜視図を表す。いかなる前方からの衝撃においても、安全性が、衝撃力の偏向によるだけでなく、車両の乗員により経験される加速度を低減する構成によっても高められる。超軽量車両の前管状構造は、前バルクヘッドの底部に取り付けられた下側フープで構成され、フープの前部を前バルクヘッドの上部に接続する２つの管により支持されている。前フレームのジオメトリにより、前方からの衝撃を受けると、下側フープが上方に屈曲し、上側の支持管を圧縮し、計画された破損開始点において管が座屈するであろう。この管により、車両の乗員のための内部保護シールドが提供される。前構造管は、複合、スチール、アルミニウム、プラスチック、樹脂で補強された張り子、またはフロントノーズの硬さを維持することが可能な他のいずれかの材料であることが可能な応力印加材料から作製された車体により補われる。これにより、いくつかの点でエネルギー吸収が助けられる。第１の恩恵は、構造的リッジおよび補強部を車体に所望されるように追加することにより、車体がエネルギー吸収を補助することである。第２の恩恵は、車体が管および車体の内部シェルから離間されていることである。内部シェルは、エネルギー吸収発泡体または接合点におけるブロックにより外部シェルに取り付けられてもよく、または代替として、内部シェルと外部シェルとの間の空間の一部またはすべてを、発泡体または複数のエネルギー吸収ブロックなどのエネルギー吸収材料で実質的に充填してもよい。かかるエネルギー吸収材料の使用は、前部５に配置されるときに特に有益であろう。車体およびそれぞれのエネルギー吸収材料により、車両の乗員のための中間保護シールドが提供される。

[0009]衝突の際に車両の運転者および乗員が経験するピーク加速度の１つは、前輪が圧潰不可能なロッカーパネルに対して潰れて突き当たり、乗員室に大きい衝撃を伝達することによるものである。図１および図２に示すように、本発明の超軽量車両のホイールは、主車体シャーシの外側に離れて配置されており、標準的な自動車設計から著しく逸脱していることにより、過去の車両設計のこの危険な側面を実質的に排除している。加えて、開示のホイール／ホイールポッド構成により、中間部１０の外側に危険のない圧砕可能な空間が提供され、開示の車両のホイールと中間部１０との間に圧砕可能な材料の配置を可能にしている。各前ホイールポッドと前バルクヘッドとの間は、少なくとも１２インチある。そうでなければ狭すぎる間隙による空気の不必要に大きい加速度により生じる、抵抗および他の非生産的な力の発生を回避するためには、少なくともこの程度の空間が要求される。他方、車両が幅広くなりすぎないように注意しなければならない。そのため、各ホイールポッドの内面は、中に収容されるホイールの外側面の近くに配置される。車両の各ポッドと車体との間の空間には、典型的には、圧砕可能なアルミニウム管アクスルと、幅約１２インチおよび長さ約１２インチでアクスルを覆いエネルギー吸収発泡体で充填することが可能な圧砕可能な前フェアリングとが収容される。各後ホイールポッドと後バルクヘッドとの間の距離は、前輪と後輪とが同じ軌跡を辿るように幾分大きくなっている。これらの特長のすべてが組み合わされることにより、以下でさらに説明するように、前方からの衝撃を伴う衝突と側面からの衝撃を伴う衝突との両方において、ホイールからの今までにない保護が車両の乗員に提供される。

[0010]上で開示したように、ホイールの各々は、ホイールポッドにより取り囲まれている。これは、車両の胴体からホイールが変位されていることによる法的と空気力学的との両方による要件である。法的には、ポッドは、サイズがかなり小さいことが可能であるが、空気力学的効率のための必要性により、平滑で丸みを帯びた前部と、後部のある点に集まる長い後縁とが要求される。ＶＬＶの各側におけるホイールポッドの組み合わされた長さは主たる車体の長さ未満であるため、主たる車体が空気流の方向を決定づける傾向がある。そのため、各ポッドは涙滴形状に近似しているが、後ポッド４５および５５は、その傾向を抑制するために内方への湾曲を伴って終端している。この設計を達成するため、ポッド２５、３５、４５、および５５は、長さ概ね４フィートであり、車両の側面に沿った外部保護バリアを形成している。それらのポッドは、車両の各側の少なくとも６０％に沿って延在し、車両の各側におけるそれらのポッドの２つの間には、たった４フィートの間隙が残されている。この外部保護シールドは、以下で検討するように、側面からの衝撃のエネルギー吸収および偏向において重要な役目を演じる。ポッドの内側の空間の４０％〜５０％は空いており、ホイールポッドが乗員室と別の物体との間で圧砕された場合にエネルギー吸収を助けるように、圧砕可能な発泡体を充填することが可能である。代替の実施形態において、前および後フェアリングを省略し、ポッドを車体に直接隣接して配置させることも可能である。

[0011]図９に示すように、前アクスル７０は、第１の前ホイールサスペンション７５から第１のフェアリング２０、前部５、および第２のフェアリング３０をそれぞれ通り第２の前ホイールサスペンション８０まで延びている。後アクスル８５は、第１の後ホイールサスペンション９０から第３のフェアリング４０、後部１５、および第４のフェアリング５０をそれぞれ通り第２の後ホイールサスペンション９５まで延びている。各アクスルは、ワンピースユニットまたはマルチピースユニットのいずれかであってもよい。各ホイールサスペンションは、それぞれのアクスルに剛的に装着され、自由に回転する車輪軸受をそのアクスルの端部に対して懸架させるように構成されている。ホイールサスペンションの各々には、ホイールが別々に装着されている。アクスルは、アルミニウム、またはアクスルとして機能するために十分な剛性を有するとともに破壊可能な構成である他のいずれかの材料から構成されてもよく、略円形であり、各々、約４インチの直径を有する。アクスルとして用いられるいずれかの材料に要求される寸法は、Eulerの座屈荷重式から既知の方法で容易に算出可能である。まず、アクスルの既知の内寸および外寸から面積モーメントを算出する。次いで、アクスルが作製されている材料についての弾性率、面積モーメント、アクスルの既知の長さ、および有効座屈長係数を表す定数に基づいてEuler荷重を算出する。圧砕可能性を得るため、Euler荷重は、材料の面積で除算された降伏応力から算出される材料の軸方向圧縮限界値を実質的に超えるべきである。従って、シャーシへの取り付け点からサスペンションまでの長さが１２インチであるアルミニウムアクスルについての例示的な場合において、管状アルミニウムアクスルの直径は４インチであり、材料の厚さは０．０４９インチである。この場合におけるEuler荷重は、軸方向圧縮限界値の約８倍であり、望ましい圧砕可能性を発生させている。アクスルとして用いることが所望される他のいずれの材料にも同じ計算を適用することが可能である。ホイールポッド２５、３５、４５、および５５と組み合わせられると、この構成は、車両の緯度方向の周縁に沿って衝撃偏向シールドを形成し、加えて、異例のエネルギー吸収品質を提供する。アクスルは、ホイールおよびポッドをシャーシに接続する構造部材である。前部５、中間部１０、および後部１５で構成される車両のシャーシの４０％未満は、側方に露出している。そのため、側面からの衝撃を伴う衝突の際、ホイールまたはポッドの少なくとも１つが、最初の接触点になるであろう。最初の接触により、アクスルに伝達され最終的には車両に伝達される力が生じるであろう。その結果生じる衝突力は、衝撃を与える車両または物体からＶＬＶを離れるように移動を開始させ、それにより、ＶＬＶを安全な場所に偏向させるか、または、上記のエネルギー吸収特長により、衝撃を与える車両または物体がＶＬＶの主たるシャーシ構造に到達するまでに、ＶＬＶと衝撃を与える車両または物体との間の速度差を減速させることにより低減するであろう。

[0012]後者のシナリオの場合、物体は、シャーシに到達するためにホイールポッド、フェアリング、およびアクスルを通過する必要がある可能性が最も高い。この際、アクスルは、圧縮状態に置かれる。アクスルが構成される材料は、側面からの衝撃における圧縮力にさらされたときに圧砕し得るものでなければならない。加えて、破損開始点を各アクスルにおいて適正に配置することで、故障モードができるだけ多くのエネルギーを吸収することを保証してもよい。代替として、車外側のサスペンション設計が乗員保護のために圧砕可能なアクスルを有する能力を提供する限り、カーボン、スチール、または進歩した鋳造物などの異なる圧砕可能な構造を用いてもよい。

[0013]また、フレーム１０５は、略ダイヤモンド形状であり、幅広い中間部と比較的小さい前および後バルクヘッドとを有することにも留意されたい。この構造により、中間部１０の乗員のための空間が増加するように潰れることによりさらなる乗員保護が提供される。特定の大きい衝撃において、衝突におけるフレーム１０５の係合を回避することは不可能である。前方からの衝撃において、ダイヤモンド形状は、長さが短くなるが、車両の乗員を収容する中間部１０においては幅が広くなるであろう。側面からの衝撃の場合、中間部１０は、形状が狭められるにつれて長くなり、車両の乗員のためにさらなる空間を提供し続ける。

[0014]図７〜図１１は、本発明の原理により構成されたＶＬＶの実施形態の構造の他の参考図を表す。図７は、本発明の原理を具現化する超軽量車両の俯瞰断面図である。図面は、エネルギー吸収において重要な役目を演じることにより、車両の安全性を増加させるアクスルの場所を示している。図８は、本発明の原理により構成された車両のフロントノーズの断面俯瞰図を示す。前アクスル７０は、点１１０および１１５においてシャーシに構造的に取り付けられている。ノーズ形状は、衝突時に係合よりもむしろ偏向を促すようになっている。図９は、本発明の原理により構成された車両の前圧砕ゾーンの透視図を提供する。図１０は、本発明の原理により構成された車両の後方からの透視図である。本図は、ホイールにロッカーパネルが設けられないことにより、乗員の安全性の増加を助けることを示している。図１１は、本発明の原理により構成された車両の透視側面図である。図面は、ホイールポッド２５、３５、４５、および５５が車両の側面の６０％超を覆うことにより、側面からの衝撃の際の安全性を向上させていることを示している。

[0016]中間部１０において応力印加ハニカムフロアを用いることにより、さらなる保護が提供される。フロアは、アルミニウム、または乗員を車両内に支持することが可能であるとともに予測可能なように潰れる他のいずれの材料から作製してもよい。フレーム１０５が衝撃による力を受けると、同じ力がフロア構造に伝達され、その形状を改変しようとするであろう。フロアは、比較的小さい力に対する硬さをシャーシに付加し、そのハニカム状の内部構造のため、より大きい衝撃の際に徐々に抵抗するように潰れていく。

[0017]ＶＬＶを低密度材料から構成することにより、いくつかの予期せぬ利点を生じさせる極めて軽量で低質量の車両が得られる。予想に反して、例えば他の車両、歩行者、および自転車を含む多様な衝突において、ＶＬＶは、より大きく重い車両が発生させるであろうよりも小さい内力を自らのコンポーネントに発生させるため、質量が小さいことは、実際には、車両の安全面を高める。これらの低減した力は、ＶＬＶが静止した物体、別の軽い障害物、または歩行者に当たるときに有益である。起こり得る結果は、物体およびＶＬＶの損傷がより小さくなり、当てられた歩行者の生存可能性が大きく増加するであろう。さらにその上、ＶＬＶのより軽い重量により、優れた操縦性および制動性を有する車両が得られ、運転が容易なオールラウンドな自動車となる。そのため、運転者は、より良好な制御が得られ、多くの潜在的な衝突を回避することが可能になる。

[0018]本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが、本発明の真の範囲を逸脱することなく、様々な変更および修正を行うことができ、それらの要素を均等物で置換することができることが当業者には理解されよう。従って、本明細書中で開示の構成原理は、トラックなどのより大きい貨物運搬車両やより小さい乗用車両に等しく適用してもよい。加えて、本発明の中心の範囲を逸脱することなく、多くの修正を施すことで、本発明の教示を特定の状況に適合させることができる。このため、本発明は、本明細書中に開示の実施形態に限定されないことを意図するものである。

Claims (15)

1. 主車体シャーシを有する多車輪車両用のホイールおよびアクスルシステムであって：
   前記シャーシの外側に離れて配置され、各々、前記シャーシの対向する側に設けられた少なくとも２つのホイールと；
   各前記ホイール内に実質的に配置された各前記ホイール用のサスペンションシステムと；
   少なくとも１ヶ所において前記シャーシに構造的に装着されるとともに他の少なくとも１ヶ所において前記サスペンションの少なくとも１つに取り付けられた少なくとも１つの圧砕可能な回転しないアクスルであって、各前記アクスルは、前記シャーシの縁を越えて１つの前記サスペンションまで延在し、各前記アクスルは、１つの前記ホイールにおける１つの前記サスペンションから対向する前記ホイールにおける別の前記サスペンションまでワンピースで延在する、アクスルと；を含み、
   前記車体シャーシは、連続しており、前記ホイール、前記サスペンションシステム、および前記少なくとも１つの圧砕可能なアクスルとは独立して構造的に堅固である、ホイールおよびアクスルシステム。
2. 各前記ホイール用の空気力学的に成形された圧砕可能なフェアリングであって、各前記フェアリングは、一端上で前記車体またはシャーシに取り付けられ、前記フェアリングは、前記シャーシの縁を越えて延在する前記アクスルの部分を完全に覆う、フェアリングと；
   各前記ホイールを覆う、空気力学的に成形された圧砕可能なポッドと；をさらに含む、請求項１に記載のホイールおよびアクスルシステム。
3. 前記アクスルにより占有されていない各前記フェアリング内の空間の残りは、圧砕可能なエネルギー吸収材料で充填されている、請求項２に記載のホイールおよびアクスルシステム。
4. 前記ホイールの１つにより占有されていない各前記ポッド内の空間の残りは、前記サスペンションのいずれも妨げることなく前記ホイールが自由に回転することを可能にしながら、圧砕可能なエネルギー吸収材料で充填されている、請求項２に記載のホイールおよびアクスルシステム。
5. 各前記ポッドは、前記主車体シャーシから既知の距離だけ離れて配置されている、請求項２に記載のホイールおよびアクスルシステム。
6. 前記アクスルは、一端上で前記車両の一方側の１つの前記サスペンションに接続されるとともに、他端上で前記車両の対向側の別の前記サスペンションに接続されたシングルまたはマルチピースユニットであり、前記アクスルは、前記車両の各側１ヶ所ずつの２ヶ所において前記シャーシに構造的に装着されている、請求項１に記載のホイールおよびアクスルシステム。
7. 前記既知の距離は、少なくとも１２インチである、請求項５に記載のホイールおよびアクスルシステム。
8. 各フェアリングは、前記既知の距離に等しい長さを有する、請求項５に記載のホイールおよびアクスルシステム。
9. 各前記アクスルは、圧砕可能な編成のアルミニウムから作製されている、請求項１に記載のホイールおよびアクスルシステム。
10. 各アクスルは、略円形の断面形状を有し、その長さに沿って略筒状である、請求項１に記載のホイールおよびアクスルシステム。
11. 各前記ポッドは、長さ概ね４フィートである、請求項１に記載のホイールおよびアクスルシステム。
12. 各前記アクスルは、破損開始点を有するように構成されている、請求項１に記載のホイールおよびアクスルシステム。
13. 各前記サスペンションシステムは、前記ホイールの１つに少なくとも部分的に装着されている、請求項１に記載のホイールおよびアクスルシステム。
14. 各前記アクスルは中空である、請求項１に記載のホイールおよびアクスルシステム。
15. 各前記アクスルは、１つの前記ホイールにおける１つの前記サスペンションから対向するホイールにおける別の前記サスペンションまでワンピースで延在する、請求項１に記載のホイールおよびアクスルシステム。

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