JP5641662B2 - 車両シャーシ - Google Patents

Description

本発明は車両シャーシを提供する。

シャーシが車両の重要なコンポーネントであることは言うまでもない。それは車両の核であり、そこから全ての、そ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る。それは、終極的に、車両が受ける力を吸収し、かつ、それを伝達する任を負う。その剛性は(かなりの程度)車両のハンドリング挙動を決定し、かつ、その変形挙動は、車両の耐衝撃性における主要なファクターである。

それはまた、車両の最大の単一コンポーネントであり、そして(ある場合には、エンジンを別として)最も重い。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重量は車両のライフサイクル環境フットプリントの重要な部分となることを意味する。

シャーシの重量および材料要求の低減は、それゆえ、パフォーマンス、燃料の節約、そして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悪影響を及ぼすことなく実施される必要がある。

従来、簡素なラダーシャーシが製造されたが、これは、(事実上)ラダーの「ラング」として設けられ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使用する。前後方向セクションは、必要な強度を提供するために、非常に大きな寸法を有している必要があった。これは、(現在の基準では)非常に重くかつ捩れ剛性が足りないシャーシに帰着する。だが、それは、大量生産には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、さらなる前後方向セクションの使用は、通常、チューブラーフレームシャーシと呼ばれるものを生み出す。大量生産車両に関しては、しかしながら、製造のために必要な時間が概して非常に長いので、そ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、概して、捻りモーメントが回避されかつ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、構造体に対して付加的な斜め部材を追加することが必要である。このタイプの構造体は、通常、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。

現在の量産車両は、それゆえ、例外なく、プレススチールシャーシを使用する。このシャーシは、一つ以上の段階を含むプレス／型押し処理によって形成される。これによって必要な剛性を有するスチールシャーシが形成されるが、これは非常に重く、しかもその製造のために非常に大掛かりな金型を必要とする。車両構造体の残りの必要な部品は、その後、アセンブリに対してスポット溶接される。

上記シャーシを形成するのに必要なツールは物理的に大きく、したがって大きな施設内に収容される必要がある。したがって、シャーシ、ツールおよび施設には(付随する環境フットプリントと共に)かなりの材料コストが必要とされ、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、かなりの進行中の環境プットプリントを課し、そして大きな施設は、その加熱、その照明、そのメンテナンスなどに関して、対応する進行中の環境プットプリントを課す。必要なスポット溶接は甚大なエネルギー消費を伴う。

特許文献１には、それに対して結合された薄板(シート)あるいは薄板群によって補完されたスチールフレームワークをベースとするシャーシが開示されている。この文献は複合薄板の使用を示唆している。当該文献の記載内容は、この引用によって本明細書に組み込まれ、そして、当業者の注意は、特に本発明のより完全な理解のために当該文献へと向けられる。

国際公開第2009/122178号パンフレット

本発明は、必要な剛性と、大量製造を可能とするのに十分な生産速度とを、ただし従来のプレススチールシャーシのそれの一部である環境フットプリントを伴って、併せ持つ車両用のシャーシを提供することを目的とする。この出願は、特許文献１の開示内容を超えるものであり、複合薄板(シート)における繊維補強の好ましい配向を提示する。

それゆえ、車両用のシャーシであって、相互接続されたチューブラーセクションのフレームワークと、このフレームワークに結合された少なくとも一つの複合薄板とを具備してなり、複合薄板の少なくとも一部は一方向性繊維からなる車両用のシャーシを提供する。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の利用によって、そうしたシャーシのために必要な製造時間は、１２０秒の目標内に留めることができる。その間、フレームワークに結合された複合薄板はシャーシの構造的部分として機能し、そして、全体として、それが必要な剛性度合いを満たすことを可能とする剛性を構造体に付与する。

そうしたシャーシはまた、例外的に低いカーボンフットプリントを呈する。(好ましくは中空の)チューブラーセクションの使用(これはスチールあるいはアルミニウムなどの金属素材からなっていてもよい)は、プレススチールシャーシよりも材料使用量に関して非常に経済的であり、そして、それゆえ(それ自身)より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形成するために必要な物理的スペースはまた非常に小さなものであり、加熱、照明、製造およびその他のコスト、そしてその中でそれらが組み立てられる施設のカーボンフットプリントの低減を可能とする。

炭素繊維複合材、ケブラー(登録商標)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材を含む、さまざまな複合材が利用可能である。

複合スキン素材は、ランダム配向、織物あるいは一方向性繊維といった、さまざまな形態で供給できるが、これは、続いて、一方の繊維から他方へと剪断力を伝達するための繊維キャリアマトリックスを提供するために熱硬化あるいは熱可塑樹脂を用いて処理される。この製造方法の目下のさらなる展開は、その好ましい実施形態において、特定の位置における予備硬化されかつ同時結合された低コスト一方向性部材と共に、大きなパネル上のランダム配向スキンを併せ持つ。一方向性部材とのランダムスキンの組み合わせは、大きな領域の全面にわたる高価な織物あるいは一方向性スキンの必要性を排除する。このシステムは、それが、シャーシフレーム／複合パネル接合部の領域に加えられる大きな集中荷重を支持できる、という利点を有する。これは、原材料および製造プロセスに関する著しいコスト低減をもたらす。

薄板は非平坦であってもよく、好ましくはそうである。なぜなら、これは、さまざまな軸線に関する、より高い剛性度合いをもたらすからである。タブなどの凹形状が好ましい。それは、理想的には、フレームワークの製造における誤差に対応することができるように、位置的誤差を許容する方法によって接合された複数のセクションから構成できる。

一方向性繊維からなる複合薄板の一部は、好ましくは、シャーシの一方側から別の側に向かって斜め後方に延在し、繊維はまた同じ方向に斜め後方に配向される。それは、シャーシの一方側でチューブラーセクションから延在することができ、かつ、シャーシの別な側で、さらなるチューブラーセクションへと延在できる。さらに類似の部分が反対方向に、好ましくは対称的に、必要に応じてオーバーラップして延在できる。

上記の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走行装置、車体構造および内部フィッティングを受け容れることができるが、これらは、シャーシ上のあるいはその下の適切な位置にマウントされる。

本発明はさらに、先に説明したようなシャーシを備えた車両を提供する。車両の組み立てがシャーシ製造から離れた場所で実施される場合、先に説明したようなシャーシは、概ね平面形状にもかかわらず得られる非常に高い剛性度合いによって非常に経済的に輸送できる。本発明によって可能となるシャーシのための、このコンパクトな形状によって、単一の標準的輸送コンテナ内に多数のシャーシ要素(たとえば６〜８個)を収容す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プットプリントを著しく低減できる。

チューブはレーザー切断処理によって切断でき、好ましくは、同じ段階において切断および輪郭取りされる。それらは、ＣＮＣ曲げ処理によって曲げ加工し、そして自動溶接によって接合できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して、実例として説明する。

薄板を取り付ける前の状態での、チューブラーフレームの斜視図である。 薄板を取り付ける前の状態での、チューブラーフレームの平面図である。 薄板を取り付ける前の状態での、チューブラーフレームの側面図である。 薄板を取り付ける前の状態での、チューブラーフレームの正面図である。 薄板を取り付ける前の状態での、ロールバーが取り付けられたチューブラーフレームの斜視図である。 薄板を取り付ける前の状態での、ロールバーが取り付けられたチューブラーフレームの平面図である。 薄板を取り付ける前の状態での、ロールバーが取り付けられたチューブラーフレームの側面図である。 薄板を取り付ける前の状態での、ロールバーが取り付けられたチューブラーフレームの正面図である。 チューブラーフレームに対して取り付ける前の状態での、薄板の斜視図である。 チューブラーフレームに対して取り付ける前の状態での、薄板の平面図である。 チューブラーフレームに対して取り付ける前の状態での、薄板の側面図である。 チューブラーフレームに対して取り付ける前の状態での、薄板の正面図である。 薄板が取り付けられた状態でのチューブラーフレームの斜視図である。 薄板が取り付けられた状態でのチューブラーフレームの平面図である。 薄板が取り付けられた状態でのチューブラーフレームの側面図である。 薄板が取り付けられた状態でのチューブラーフレームの正面図である。 繊維配向を示す図である。

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おいて使用されるチューブラーフレーム構造を示している。フレーム構造体１０は、一連の四つの前後方向部材、すなわち車両の左側の二つの部材１２,１４と、車両の右側の二つの部材１６,１８とを備える。各それぞれの側における部材は、さまざまなライザー要素２０,２２を介して接続され、そして二つのうちの下側前後方向部材１４,１８によって対応する上側部材１２,１６と出会うように車の後方に向かって立ち上がっている。この立ち上がりプロファイルはまた、後方走行装置を収容するために車の後部にスペース２４を形成する。同様に、車の前方において、四つの前後方向部材の全ては、センターラインに向かって内側にそれらを方向転換すると共に前方走行装置用のスペース２６を形成するために湾曲部を含む。

正確な間隔で前後方向部材１２,１４,１６,１８を保持するために、２８で示すもののような交差部材が設けられるが、これは前後方向部材に取り付けられかつ車両を横切って左右方向に延在する。こうして、多数の円形断面チューブからなる、チューブラーフレーム構造体が実現される。

これらのチューブは、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た大径スチール(あるいはアルミニウム)薄肉チューブである。このチューブの端部は、ＣＮＣレーザー装置によって容易に輪郭取り可能であり、これにはＣＮＣ曲げおよびロボット溶接が続く。この結果、シャーシのスチール構造体を管材のセクションから組み立てることができるが、これは、それ自体、長尺な幅狭スチールストリップから得られる。これは、本来的に、必要な形状へと鍛造されることになる単一の大きなスチールビレット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、製造、曲げ加工およびスチールチューブ形態へと溶接するのが容易である。素材の廃棄およびチューブラーフレームを形成し組み立てるのに必要なエネルギーは、したがって、同等のスチールプレス成形よりも著しく少ない。

このようにして形成されたマルチチューブラー構造体は、概して、自己ジッギング(self-jigging)であり、したがって、製造のために最小限の付加的部品しか必要としない。いったん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外部および内部保護を適当な薬浴によって施すことができる。

例として本明細書中で説明するシャーシは、(たとえば)先行特許出願である国際公開第2008/110814号において説明されたようなスリーシーター輸送車両に関連する使用を意図したものである。したがって、当該構造体は、二人の後方乗員用のフットウェル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、この設計において、それ以外の車両設計およびレイアウトも可能である。

図１〜３は、車両シャーシの下側半体が提供された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実現する荷重経路の基本要素を示している。だが、この車両の最終寸法に比べた場合でさえ、最終的に得られるシャーシは非常にコンパクトであり、かつ、それは、従来のプレススチール・スポット溶接シャーシよりも著しく高い効率で、(側壁あるいはルーフセクションを取り付けていない状態の)標準的な輸送コンテナ内に搭載することができる。これは、シャーシおよびボディを別個の場所で製造し、組み立てをいずれかの場所で、あるいは第三の場所で実施できることを意味し、そしてさらに、標準的なスモールカーに対して、非常に多くのシャーシを標準的な輸送コンテナで輸送でき、これによって輸送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、マルチチューブラー構造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１〜４に示すような中間の、ただし安定した状態で中断できる。

図５〜８は図１〜４におけるマルチチューブラー構造体１０を示すが、それに対してはスチールロールフープ３６が付加されている。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、そしてストラット４２,４４によって支持される。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実現する。側方部材３８,４０はロールフープから後方に延在すると共に、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。この完成したチューブラーフレーム構造体に対して、剛体薄板５０が続いて付加されるが、これは図９〜１４に示されている。

剛体複合薄板５０は二つの主要な目的を有する。一つは、チューブラー部材間で荷重を伝達することによってマルチチューブラー構造体を強化することであり、これによって、構造体の剛性が全体として高められ、かつ、その耐衝撃性が改善される。上述したように、炭素繊維複合材、ケブラー(登録商標)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、その他の複合材を含む、さまざまな複合材が利用可能である。

その補強の役目を支援するために、薄板はまた、それが捻りに対する剛性を呈することができるように非平坦形状へと形成される。平坦な薄板は、明らかに、一つの軸線に関する高い捻り剛性を呈するだけであるのに対して、複合湾曲部(すなわち１よりも多い非平行軸線に関する湾曲部)を備えた薄板は、実質的に、あらゆる次元における剛性を呈することができる。

複合薄板５０の第２の目的は、車両に対して、チューブラー部材間の開口を覆う内部構造体を提供することである。それゆえ、薄板は、車両の意図されたレイアウトのために好都合な複合形状に基づいて形成される。車両の後部５２から始まって、手荷物棚として、あるいは(この例では)後方搭載エンジンコンパートメント上の載荷領域の床として機能する平坦なパネル５４が、続いて、リアシート乗員用の傾斜したシートバックレスト５８を提供するための下向き湾曲５６が存在する。リアシート座面６０を提供するために上向きに再度湾曲した後、薄板５０の外側部分は続いて、リア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。中央部分は中央にマウントされたドライバーシートを支持するためにリッジ構造部として前方に延在する。これは、フットウェル６２の各側の垂直サイドパネル６６およびリアシート５８の各側のサイドパネル６８と共に、薄板５０に対して三次元複合湾曲を付与する。

フレームワーク１０のチューブラーセクションに対応する位置７０,７２,７４,７６において薄板５０にはリセスが形成される。これによって、薄板５０を、フレームワーク１０の一部の形状に従わせかつそれに合致させることが、そして、たとえばエポキシ樹脂などの適当なエンジニアリング接着剤を用いて、それに対して接着することが可能となる。これは、フレームワーク１０と薄板５０との間で力が伝達されることを可能とし、これによって薄板５０がシャーシの剛性および耐衝撃性に寄与することが可能となる。

図１３〜１６は、完成したシャーシを形成するために、フレームワーク１０内に設置されかつそれに結合された複合薄板５０を示しており、それに対してロールフープ３６が取り付けられている。薄板５０におけるリセス７０,７２,７４,７６は、フレームワーク１０のチューブの周りで湾曲し、そして、薄板５０およびフレームワーク１０が、それに対して、エンジン、走行装置、内部および外部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形成するように、関連するチューブに結合される。

図１７は、複合薄板５０内の繊維方向の配置状態を示している。分かりやすくするために、下側前後方向部材１４,１８ならびにドライバーが着座する領域３４の前方およびその両側で、その間に存在する複合薄板５０の平坦領域を残して、先の図面に示したシャーシの大部分は省略されている。これは重要な領域である。というのは、前面衝突(すなわちそれはおそらく最も大きなエネルギーを伴う)の際に、衝撃の力は、シャーシの前部領域における衝撃ポイントから均衡の取れた様式で後部に向かってシャーシによって消散される必要があるからである。同様に、オフセット衝突の際、衝撃力がシャーシ全体にわたって分散され、一つの小さな領域に集中しないことが重要である。力のそうした消散は、衝撃ポイントの周囲でのシャーシの変形を低減するが、これは、小型車両においては特に重要である。というのは、車の外面の衝撃ポイントと内部乗員との間の距離は概して僅かであるからである。

必要な消散を助けるために、複合薄板５０は一方向性繊維からなるセクションを含む。これらは、実質的に、繊維が延在する方向に関して、ランダム配向複合材よりも高強度である。他の方向に関して、それらは、さほど強度がなくてもよい。図１７に示すように、薄板５０は二つのそうしたセクション７８,８０を含み、そのそれぞれは、シャーシの一方側から別な側に向かって斜め後方に延在する。各セクション７８,８０の繊維は、その個々のセクションと同じ方向に、斜め後方に配置されている。

したがって、一方のセクション７８は、(前後方向について言うと)左側前後方向部材１４に結合されたポイントの後方までであるポイントとして右側前後方向部材１８と出会うように左側前後方向部材１４から斜め後方に延在する。同様に、セクション８０は、(前後方向について言うと)右側前後方向部材１８に結合されたポイントの後方までであるポイントとして左側前後方向部材１４と出会うように右側前後方向部材１８から斜め後方に延在する。両セクションは対称に配置され、シャーシの中心垂直軸線に沿った鏡映によって関連付けられる。それゆえ、それらは、ドライバーシートの下方の中央領域８２においてオーバーラップする。

こうした構造によって、前後方向部材(たとえば左側部材１４)に作用する衝撃(およびその他の)力を、セクション７８を介して、対向する前後方向部材１８へと伝達することが可能となる。セクション７８は斜めに配置されているので、力は、矢印８４で示すように、剪断ではなく主として圧縮に関して、それに沿って伝達され、これによって複合材特性が最大限に活用される。同じことは、右側前後方向部材１８に加えられる力に対しても、必要に応じて変更を加えて、明らかに当てはまる。

複合薄板５０の残部は、マトリックス材内にランダムに配向された繊維を含む。

本発明の範疇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可能であることは明らかである。

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
３４ 着座領域
３６ 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 剛体薄板
５２ 車両の後部
５４ パネル
５６ 下向き湾曲
５８ シートバックレスト
６０ リアシート座面
６２ フットウェル
６６ 垂直サイドパネル
６８ サイドパネル
７０,７２,７４,７６ リセス
７８,８０ セクション

Claims (18)

1. 前側、後側、左側、および右側を有する車両のためのシャーシ（１０，５０）であって、相互接続されたチューブラーセクション（１２，１４，１６，１８）であって、前記チューブラーセクション（１２，１４）は前記車両の前記左側に沿って延在しており、かつ前記チューブラーセクション（１６，１８）は、前記車両の前記右側に沿って延在している、相互接続されたチューブラーセクション（１２，１４，１６，１８）のフレームワーク（１０）を備え、かつ、前記フレームワーク（１０）に対して結合された少なくとも一つの複合薄板（５０）によって特徴付けられ、前記複合薄板（５０）は前記チューブラーセクション（１２，１４，１６，１８）間で荷重を伝達するよう構成されており、これによって、少なくとも一つの軸線を中心とする高い捩れ剛性を含む前記フレームワーク（１０）の剛性を増大させ、前記複合薄板（５０）の前記形態は、少なくとも、一方向性繊維からなる部分（７８，８０）を備えると共に、前記一方向性繊維は、前記フレームワークの一方側（１２，１４）から他方側（１６，１８）へと斜め後方に延在することを特徴とする車両用のシャーシ。
2. 前記複合薄板は、一方向性繊維からなる、さらなる部分（７８，８０）を具備してなり、かつ、前記一方向性繊維は、前記フレームワーク（１０）の前記他方側（１６，１８）から前記一方側（１２，１４）に向かって斜め後方に延在していることを特徴とする請求項１に記載のシャーシ。
3. 前記部分（７８）と前記さらなる部分（８０）とはオーバーラップする（８２）ことを特徴とする請求項２に記載のシャーシ。
4. 前記部分（７８）と前記さらなる部分（８０）とは、前記シャーシ（１０，５０）の中心軸線に関して対称に配置されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のシャーシ。
5. 前記部分（７８）と前記さらなる部分（８０）とは、前記シャーシ（１０，５０）の中心軸線に関して、実質的に鏡像位置に配置されることを特徴とする請求項４に記載のシャーシ。
6. 前記チューブラーセクション（１２，１４，１６，１８）は中空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. 前記薄板（５０）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６のいずれか１項に記載のシャーシ。
8. 前記薄板（５０）は凹形状を有することを特徴とする請求項７に記載のシャーシ。
9. 前記薄板（５０）はタブを構成していることを特徴とする請求項７に記載のシャーシ。
10. 前記薄板（５０）は複数のセクションからなることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のシャーシ。
11. 前記セクションは、位置的誤差を許容する方法によって接合されることを特徴とする請求項１０に記載のシャーシ。
12. 前記部分（７８）は、前記シャーシ（１０，５０）の一方側でチューブラーセクション（１４）から延在していることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のシャーシ。
13. 前記部分（７８）は、前記シャーシ（１０，５０）の他方側で、さらなるチューブラーセクション（１８）へと延在していることを特徴とする請求項１２に記載のシャーシ。
14. 前記部分（７８）は、前記シャーシ（１０，５０）の他方側で、さらなるチューブラーセクション（１８）へと延在しており、
    前記複合薄板は、一方向性繊維からなる、部分（７８）およびさらなる部分（８０）を具備してなり、前記さらなる部分（８０）は、前記シャーシ（１０，５０）の前記他方側で前記さらなるチューブラーセクション（１８）から延在していることを特徴とする請求項２に記載の、または請求項３ないし請求項１３のいずれか１項に記載のシャーシ。
15. 前記さらなる部分（８０）は、前記シャーシ（１０，５０）の前記一方側で前記チューブラーセクション（１４）へと延在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. 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１５のいずれか１項に記載のシャーシ。
17. 前記エンジンは前記シャーシの下面にマウントされることを特徴とする請求項１６に記載のシャーシ。
18. 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（１０，５０）を具備してなることを特徴とする車両。

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