JP5568547B2 - 車両シャーシ - Google Patents

Description

本発明は車両に関する。

言うまでもなく、シャーシは車両の極めて重要なコンポーネントである。それは、車両の中核であり、そこから、全ての他のコンポーネントが直接あるいは間接的に支持されている。それは、車両が受ける力を吸収しかつそれを伝達するために終極的な役割を担っている。すなわち、その剛性は、車両のハンドリング挙動を(かなりの程度)決定し、そしてその変形挙動は車両の耐衝突性における主要なファクターである。

それはまた、車両の最も大きな、そして(ある場合には、エンジンを別として)最も重い単一コンポーネントである。これは、シャーシを形成するのに必要な資源およびその最終的重量が、車両のライフサイクル環境フットプリントの重大な要素となることを意味する。

シャーシの重量および素材必要量の低減は、それゆえ、性能、燃料経済性および車両の環境フットプリントに関する利益につながる。だが、これは、シャーシの必要剛性に不利な影響を及ぼすことなくなされる必要がある。

歴史的に、(事実上)ラダーの「横木」を備えた交差部材によって接合された二つの前後方向セクションを用いて、シンプルなラダーシャーシが製造されていた。前後方向セクションは、必要な強度を実現するために、非常に大きな厚みを有するものである必要があった。これは、(現在の基準では)非常に重く、しかもねじりに関して剛性が不十分なシャーシしか実現しなかった。だが、それは、大量生産に非常に適したものであった。

複数の交差部材あるいはバルクヘッドによって接合された付加的な前後方向セクションの使用は、一般に管状フレームシャーシと呼ばれるものをもたらす。大量生産車両に関して、製造のために必要な時間が概して過度に長いので、これらは忘れられていた。

そうした構造体の剛性はラダーシャーシのそれよりも高いが、十分な剛性を実現するためには、一般に、ねじりモーメントが回避され、そして全ての力がフレーム部材の前後方向引っ張りあるいは圧縮によって吸収されるように構造体に対して、さらなる斜め部材を付加することが必要である。こうしたタイプの構造体は、たいてい、スペースフレームと呼ばれ、大量生産のためには過度に複雑である。

最近の大量生産車両は、それゆえ、一般に、プレススチールシャーシを使用する。このシャーシは、一つ以上のステップを含むプレス／スタンピング処理によって形成される。これによってスチールシャーシが得られるが、これは必要な剛性を有するものの、非常に重く、しかもその製造のために大掛かりな金型を必要とする。シャーシ構造体の残りの必要な部分が続いてアセンブリに対してスポット溶接される。

シャーシを形成するために必要なツールは物理的に大きく、したがって大規模な施設内に収容される必要がある。それゆえ(付随する環境フットプリントを伴う)かなりの素材コストが、シャーシ、ツールおよび施設には必要とされ、完成したシャーシの重量は、車両の間接的なエネルギー要求の結果として、かなりの絶え間ない環境フットプリントを課し、そして大規模な施設は、その暖房、その照明、そのメンテナンスなどに関して、相応の絶え間ない環境フットプリントを課す。必要なスポット溶接は著しいエネルギー消費を伴う。

本発明は、必要な剛性と、大量生産を可能とするための十分な製造速度とを、従来のプレススチールシャーシのそれの何分の一かの環境フットプリントと共に両立する車両用のシャーシを提供する。

プレススチールシャーシは、上述した理由により、こうした要件を満たせない。

従来の管状フレームシャーシは、製造の速度に関する要件を満たせない。大量生産のためには、一つのシャーシ当たり１２０秒のオーダーの総計時間条件が求められる。現在の管状フレームシャーシは熟練オペレーターの絶え間ない注意を必要とし、したがって非常に時間のかかるプロセスである。

それゆえ、相互連結された管状セクションからなるフレームワークと、このフレームワークに対して結合された少なくとも一つの面材とを具備してなる、車両用のシャーシを提案する。レーザー切断、ＣＮＣ曲げ、およびコンピューター制御溶接などの最新の製造方法を使用することで、そうしたシャーシのために必要な製造時間は、１２０秒の目標内に維持できる。その間、フレームワークに対して結合された面材はシャーシの構造部分として機能し、そして、それが所要の剛性度を満たすことを可能とする剛性を全体として構造体に対して付加する。

そうしたシャーシはまた、極低炭素フットプリントを有する。(好ましくは中空の)管状セクション(これは、スチールあるいはアルミニウムなどの金属材からなっていてもよい)の使用は、プレススチールシャーシよりも、素材使用量の点で非常に経済的であり、しかも、それゆえに(それ自体)小さなフットプリントを有する著しく小さなツールを用いて形成できる。そうしたシャーシを製造するために必要な物理的スペースもまた非常に小さく、内部でそれらが製造される施設の暖房、照明、建設およびその他のコストならびに炭素フットプリントの低減が可能となる。

面材は、アルミニウムあるいはアルミニウムハニカムなどの金属製であってもよく、あるいはそれは複合素材であってもよい。さまざまな複合素材が使用可能であるが、これには、炭素繊維複合材、ケブラー(商標)繊維複合材、ガラス繊維複合材、および金属マトリックス複合材などのその他の複合素材が含まれる。特に好適な複合素材は、第１の素材からなるコアならびに第２の素材からなる被覆を具備してなるものである。好適なコアは紙ベース素材を含み、かつ、好適な被覆は繊維強化プラスチック素材を含む。

面材は非平坦であってもよく、そうであることが好ましい。なぜなら、これによって、さまざまな軸に関して、より高い剛性度がもたらされるからである。タブなどの凹形状が好ましい。それは、フレームワークの製造誤差に対応できるように、理想的には位置誤差を許容する方法によって結合された複数のセクションから構成されてもよい。

上記ごとく形成されたシャーシは、もちろん、エンジンおよびその他のランニングギア、車体およびシャーシの上あるいは下の好適な位置にマウントされる内部装備品を受けることができる。

本発明はさらに、上記のシャーシを備える車両を提供する。車両の組み立てがシャーシ製造から離れて行われる場合、上記シャーシは、概ね平面的な形状であるにもかかわらず実現される非常に高い剛性度によって、極めて経済的に輸送できる。本発明によって可能となったシャーシに関するこのコンパクトな形状によって、単一の標準的な船積みコンテナ内に、多数のシャーシ要素(たとえば６〜８個)を納めることが可能となる。したがって、輸送コストおよび関連する環境フットプリントを著しく低減できる。

本発明はまた、車両用のシャーシを製造するための方法に関するが、これは、複数の管状セクションを準備することと、ある長さにセクションを切断することと、セクションの端部をプロファイル加工することと、セクションを必要に応じて曲げることと、セクションの少なくともいくつかの端部を他のセクションに対して接合することと、こうして形成されたフレームワーク内に面材を配置することと、面材をフレームワークに対して結合することとを具備する。

チューブはレーザー切断処理によって切断でき、そして好ましくは同一ステップで切断およびプロファイル加工される。それらは、ＣＮＣ曲げ処理によって曲げることが、そして自動溶接によって接合することができる。

以下、図面を参照して、実例として本発明の実施形態について説明する。

面材を取り付ける前の管状フレームの斜視図である。 面材を取り付ける前の管状フレームの平面図である。 面材を取り付ける前の管状フレームの側面図である。 面材を取り付ける前の管状フレームの正面図である。 ロールバーを取り付けた状態での、面材を取り付ける前の管状フレームの斜視図である。 ロールバーを取り付けた状態での、面材を取り付ける前の管状フレームの平面図である。 ロールバーを取り付けた状態での、面材を取り付ける前の管状フレームの側面図である。 ロールバーを取り付けた状態での、面材を取り付ける前の管状フレームの正面図である。 管状フレームに取り付ける前の面材の斜視図である。 管状フレームに取り付ける前の面材の平面図である。 管状フレームに取り付ける前の面材の側面図である。 管状フレームに取り付ける前の面材の正面図である。 面材が取り付けられた管状フレームの斜視図である。 面材が取り付けられた管状フレームの平面図である。 面材が取り付けられた管状フレームの側面図である。 面材が取り付けられた管状フレームの正面図である。

図１、図２、図３および図４は、本発明に基づく車両シャーシの製造に使用される管状フレーム構造物を示している。フレーム構造体１０は、一連の四つの前後方向部材、車両の左手側の二つの部材１２,１４と車両の右手側の二つの部材１６,１８を具備してなる。それぞれ各側の部材は、さまざまなライザー要素２０,２２によって連結されており、そして、下側前後方向部材１４,１８は、対応する上側部材１２,１６と出会うように車の後部に向かって持ち上がっている。この立ち上がりプロファイルはまた、後方ランニングギアを収容するために車の後部にスペース２４を作り出す。同様に、車の前部において、四つの前後方向部材の全ては、車のセンターラインに向かって内側にそれらを反らせ、前方ランニングギア用のスペース２６を作り出すために湾曲部を含んでいる。

前後方向部材１２,１４,１６,１８を正確な間隔で保持するために、２８で示すもののような交差部材が備わるが、これは、前後方向部材部に対して取り付けられ、かつ、車両を横切って横方向に延在している。こうして管状フレーム構造体が実現されている。

こうしたチューブは大径スチール(あるいはアルミニウム)薄壁チューブであり、これは、ＣＮＣ(コンピューター数値制御)処理によって切断され曲げられている。チューブの端部は、一般に、ＣＮＣレーザー装置によってプロファイル加工でき、その後、ＣＮＣ曲げおよびロボット溶接が行われる。この結果、シャーシのスチール構造体をチューブのセクションから作り出すことができるが、これらは長尺な幅狭ストリップから得られる。これは本質的に、単一の大きなスチールビレットを必要な形状へと鍛造されることを必要とする従来のプレススチールシャーシとは対照的に、スチール管形態となるように、生産し、曲げ、そして溶接するのが簡単である。素材の浪費ならびに管状フレームを形成し組み立てるのに必要なエネルギーは、それゆえ、対応するスチールプレスよりも非常に僅かである。

こうした方法で形成されたマルチ管状構造体は、概ね、自己ジグ(self-jigging)であり、それゆえ、製造のために最小限のさらなる部品しか必要としない。構造体が一つに溶接されると、露出したスチールのための内部および外部保護は適当な薬浴によって施すことができる。

実例として本明細書において説明するシャーシは、本願と同一の出願人による特許出願PCT/GB08/000892号において説明したような三人乗りパーソナル輸送車両に関して使用することを意図したものである。したがって、本構造体は、二人の後方乗員用のフットウェル領域３０,３２と、中央に位置するドライバー用の着座領域３４とを提供する。だが、その他の車両設計およびレイアウトが、この設計に関して提供できる。

図１ないし図３は構造体の初期状態を示しており、予測可能なクラッシュマネージメント、より高い剛性、および曲げ剛性をもたらす、荷重経路の基本要素を体現する車両シャーシの下側半分が提供される。だが、この車両の最終寸法と比べた場合でさえ、最終シャーシは極度にコンパクトであり、それは、従来のプレススチールおよびスポット溶接シャーシよりも極めて効率よく、(側壁あるいは屋根セクションを取り付けていない状態で)標準的な船積みコンテナ内に収容できる。これは、シャーシおよびボディを離れた場所で製造でき、組み立てがいずれかの場所で、あるいは第３の場所で行えることを意味し、そしてまた、標準的な小型車に比べて非常に多くのシャーシを標準的な船積みコンテナで輸送でき、船積みコストおよびそれに関連するＣＯ_２エミッションが低減されることを意味する。これは、マルチ管状構造体によって可能となるが、その組み立ては、プレススチール構造体とは対照的に、図１ないし図４に示すような中間のただし安定した状態において中断できる。

図５ないし図８は、それに対してスチールロールフープ３６が付加された、図１ないし図４のマルチ管状構造体を示している。上側前後方向部材３８,４０の対は、ロールフープ３６から後方に延在しており、ストラット４２,４４によって支持されている。ロールフープ３６は、前後方向部材１２,１６に対して予め溶接された一対のソケット４６,４８内に収容される。これは、ロールフープ３６のための確実な位置決めをもたらす。側方部材３８,４０は、ロールフープから後方に延在しており、後方ボディパネルをマウントするための手段を提供する。この完成した管状フレーム構造体に対して、剛体面材５０が続いて付加されるが、これは、図９ないし図１４に示されている。

剛体面材５０は二つの主要な目的を有する。一つは、管状部材間で荷重を伝達することによってマルチ管状構造体を補強し、これによって構造体の剛性を全体として増大させ、そしてその耐衝撃性を改善することである。この目的のために、面材は、好適な剛体素材、たとえばスチール、アルミニウム、アルミニウムハニカム、および複合材から形成される。上述したように、さまざまな複合素材が使用可能であるが、これには、炭素繊維複合材、ケブラー(商標)繊維複合材、ガラス繊維複合材、および金属マトリックス複合材などのその他の複合素材が含まれる。特に好適な複合素材は、第１の素材からなるコアならびに第２の素材からなる被覆を具備してなるものである。好適なコアは紙ベース素材を含み、かつ、好適な被覆は繊維強化プラスチック素材を含む。

車両の意図する国内市場によって、素材の選択を調整することが必要であろう。たとえば、西欧市場用の車両は、製造の環境インパクトを最小限に抑えるためにペーパーコア複合材を備えることができ、一方、東南アジアなどの高温多湿な気候向けの車両は、十分な寿命を実現するために熱可塑性樹脂性のコアを供えることができる。

その補強任務のサポートの点で、面材はまた、それがねじりに対する剛性を呈することができるように非平坦な形状へと成形される。平坦な面材は、明らかに、一つの軸の周りに高いねじり剛性を呈するに過ぎないが、複雑な湾曲(すなわち二つ以上の非平行軸に関する湾曲)を有する面材は、実質的に全ての次元に関して剛性を呈することができる。

面材の第２の目的は、管状部材間の開口を覆う内部構造体を車両に対して付与することである。それゆえ、面材は、車両の意図されたレイアウトにとって好都合な複雑な形状に従って成形される。車両の後部５２から始まって、後方マウントエンジンコンパートメントの上でパーセルシェルフあるいは(この例では)積荷領域の床として機能する平坦パネル５４が、続いて、後部シート乗員用の傾斜したシートバックレスト５８を提供するために下向き湾曲５６が存在する。後部シートクッション６０を提供するために上方に再び湾曲した後、面材５０の外側部分は、続いて、後部シート乗員用のフットウェル６２を提供するために下方に湾曲する。中央部は、中央にマウントされるドライバーシートを支持するために隆起構造体６４として前方に延在する。これは、フットウェル６２の両側の垂直側方パネル６６および後方シート５８の両側の側方パネル６８と共に、面材５０に対して三次元の複雑な湾曲をもたらす。

フレームワーク１０の管状セクションに対応する位置７０,７２,７４,７６において面材５０には凹部が形成されている。これらは、面材５０が、フレームワーク１０の部品の形状に従いかつ合致すること、そして、エポキシ樹脂などの好適な工業用接着剤によって、それに対して接合されることを可能とする。これによって、フレームワーク１０と面材５０と間で力を伝達することが可能となり、これによって、面材５０がシャーシの剛性および耐衝撃性に対して寄与することが可能となる。

図１３ないし図１６は、完全なシャーシを形成するためにフレームワーク１０内に接地されかつそれに対して結合された面材５０を示しているが、それに対してはロールフープ３６が取り付けられている。面材５０の凹部７０,７２,７４,７６は今やフレームワーク１０のチューブの周囲で湾曲しており、そして、それに対してエンジン、ランニングギア、内外トリムなどを取り付けることができる単一の荷重支持構造体を面材５０およびフレームワーク１０が形成するように、関連するチューブに対して結合されている。

言うまでもなく、本発明の範囲から逸脱することなく、上記実施形態に対して、さまざまな変更を施すことができる。

１０ フレーム構造体
１２,１４,１６,１８ 前後方向部材
２０,２２ ライザー要素
２４,２６ スペース
２８ 交差部材
３０,３２ フットウェル領域
３４ 着座領域
３６ スチールロールフープ
３８,４０ 上側前後方向部材
４２,４４ ストラット
４６,４８ ソケット
５０ 剛体面材
５２ 車両後部
５４ 平坦パネル
５６ 下向き湾曲
５８ シートバックレスト
６０ 後部シートクッション
６２ フットウェル
６４ 隆起構造体
６６ 垂直側方パネル
６８ 側方パネル
７０,７２,７４,７６ 凹部

Claims (28)

1. 車両用のシャーシであって、
   交差部材によって結合された前後方向部材を有する相互接続された管状セクションのフレームワークであって、少なくとも一つの第１の前後方向部材を含み、そこから、少なくとも一つの交差部材が第２の前後方向部材に向かう第１の方向に延在しており、かつ、少なくとも一つのさらなる交差部材が第３の前後方向部材に向かう前記第１の方向とは非平行な第２の方向に延在しており、これによって三次元構造体が形成されているフレームワークと、
   少なくとも一つの面材であって、前記フレームワーク内へと延在する凹状断面を備えると共に、前記フレームワークの前記第１の前後方向部材と前記第２の前後方向部材と前記第３の前後方向部材とに対して結合された少なくとも一つの面材と、
   を具備してなることを特徴とするシャーシ。
2. 前記管状セクションは金属製であることを特徴とする請求項１に記載のシャーシ。
3. 前記管状セクションはスチール製であることを特徴とする請求項１に記載のシャーシ。
4. 前記管状セクションはアルミニウム製であることを特徴とする請求項１に記載のシャーシ。
5. 前記管状セクションは中空であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のシャーシ。
6. 前記面材は金属製であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のシャーシ。
7. 前記面材はアルミニウム製であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のシャーシ。
8. 前記面材はアルミニウムハニカム構造体であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のシャーシ。
9. 前記面材は複合材であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のシャーシ。
10. 前記面材は、第１の素材からなるコアならびに第２の素材からなる被覆を具備してなる複合材であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のシャーシ。
11. 前記コアは紙製であることを特徴とする請求項１０に記載のシャーシ。
12. 前記被覆は繊維強化プラスチック材であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のシャーシ。
13. 前記面材は非平坦であることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載のシャーシ。
14. 前記シャーシは凹形状を有することを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載のシャーシ。
15. 前記面材はタブを形成していることを特徴とする請求項１４に記載のシャーシ。
16. 前記面材は複数のセクションから構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか１項に記載のシャーシ。
17. 前記セクションは、位置誤差を許容する方法によって接合されていることを特徴とする請求項１６に記載のシャーシ。
18. その上にマウントされたエンジンをさらに具備してなることを特徴とする請求項１ないし請求項１７のいずれか１項に記載のシャーシ。
19. 前記エンジンは、前記シャーシの下面にマウントされていることを特徴とする請求項１８に記載のシャーシ。
20. 請求項１ないし請求項１９のいずれか１項に記載のシャーシを具備してなる車両。
21. 車両用のシャーシを製造するための方法であって、
    複数の管状セクションを準備することと、
    ある長さに前記セクションを切断することと、
    前記セクションの端部をプロファイル加工することと、
    前記セクションを必要に応じて曲げることと、
    前記セクションの少なくともいくつかの端部を他のセクションに対して接合することと、
    こうして形成されたフレームワーク内に面材を配置することと、
    前記面材を前記フレームワークに対して結合することと、
    を具備し、
    前記フレームワークが、少なくとも一つの第１の前後方向部材を含み、そこから、少なくとも一つの交差部材が第２の前後方向部材に向かう第１の方向に延在しており、かつ、少なくとも一つのさらなる交差部材が第３の前後方向部材に向かう前記第１の方向とは非平行な第２の方向に延在しており、これによって三次元構造体が形成され、
    前記面材が、前記フレームワークの前記第１の前後方向部材と前記第２の前後方向部材と前記第３の前後方向部材とに対して結合されている、ことを特徴とする製造方法。
22. 前記チューブはレーザー切断処理によって切断されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記チューブ端部は、同一ステップにおいて、切断され、かつ、プロファイル加工されることを特徴とする請求項２１または請求項２２に記載の方法。
24. 前記チューブはＣＮＣ曲げ処理によって曲げられることを特徴とする請求項２１ないし請求項２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 前記チューブ端部は自動溶接処理によって接合されることを特徴とする請求項２１ないし請求項２４のいずれか１項に記載の方法。
26. 車両用のシャーシであって、
    相互連結された管状セクションからなるフレームワークであって、少なくとも一つの第１の前後方向部材を含み、そこから、少なくとも一つの交差部材が第２の前後方向部材に向かう第１の方向に延在しており、かつ、少なくとも一つのさらなる交差部材が第３の前後方向部材に向かう前記第１の方向とは非平行な第２の方向に延在しており、これによって三次元構造体が形成されているフレームワークと、
    前記フレームワークの前記第１の前後方向部材と前記第２の前後方向部材と前記第３の前後方向部材とに対して結合された、第１の素材からなるコアならびに第２の素材からなる被覆を具備してなる複合材からなる少なくとも一つの面材と、
    を具備してなることを特徴とするシャーシ。
27. 車両用のシャーシを製造するための方法であって、
    複数の管状セクションを準備することと、
    レーザー切断処理によって、ある長さに前記セクションを切断することと、
    前記セクションの端部をプロファイル加工することと、
    前記セクションを必要に応じて曲げることと、
    前記セクションの少なくともいくつかの端部を他のセクションに対して接合することと、
    こうして形成されたフレームワーク内に面材を配置することと、
    前記面材を前記フレームワークに対して結合することと、
    を具備し、
    前記フレームワークが、少なくとも一つの第１の前後方向部材を含み、そこから、少なくとも一つの交差部材が第２の前後方向部材に向かう第１の方向に延在しており、かつ、少なくとも一つのさらなる交差部材が第３の前後方向部材に向かう前記第１の方向とは非平行な第２の方向に延在しており、これによって三次元構造体が形成され、
    前記面材が、前記フレームワークの前記第１の前後方向部材と前記第２の前後方向部材と前記第３の前後方向部材とに対して結合されている、ことを特徴とする製造方法。
28. 車両用のシャーシを製造するための方法であって、
    複数の管状セクションを準備することと、
    ある長さに前記セクションを切断することと、
    前記セクションの端部をプロファイル加工することと、
    ＣＮＣ曲げ処理によって前記セクションを必要に応じて曲げることと、
    前記セクションの少なくともいくつかの端部を他のセクションに対して接合することと、
    こうして形成されたフレームワーク内に面材を配置することと、
    前記面材を前記フレームワークに対して結合することと、
    を具備し、
    前記フレームワークが、少なくとも一つの第１の前後方向部材を含み、そこから、少なくとも一つの交差部材が第２の前後方向部材に向かう第１の方向に延在しており、かつ、少なくとも一つのさらなる交差部材が第３の前後方向部材に向かう前記第１の方向とは非平行な第２の方向に延在しており、これによって三次元構造体が形成され、
    前記面材が、前記フレームワークの前記第１の前後方向部材と前記第２の前後方向部材と前記第３の前後方向部材とに対して結合されている、ことを特徴とする製造方法。

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