JP7172669B2 - モノコック車両構造 - Google Patents

Description

本発明は、強化材強化樹脂で形成されたモノコックボデーを備えるモノコック車両構造に関する。

車両には、ボデーに構造部材としての役割を持たせたモノコック構造を採用したものがある。モノコック車両では、ボデーを金属で形成する場合もあるが、樹脂を用いて一体的に成形したモノコックボデーを用いる場合もある。

下記特許文献１には、炭素繊維を強化材とする強化材強化樹脂で一体形成されたモノコックボデーを有する車両について記載されている。モノコックボデーを備えたモノコック車両では、例えば、モノコックボデーの後方にリヤフレームをボルト締結により固定し、このリヤフレームにゴムマウントを介してエンジンが取り付けられている。

他方、車両へのエンジンの搭載手法としては、フレームに直付けするいわゆるストレスマウントも知られている。

特開２００４－２６２４４３号公報

ゴムマウントはエンジンの振動吸収を重視したエンジン搭載方法であり、エンジンの重心を囲む位置でゴムマウントが行われる。このため、エンジンのゴムマウントが可能となる大きな体格のリヤフレームを用いる必要があり、車両質量を増加させる要因となっている。また、モノコックボデーとリヤフレームとがそれぞれ別体として形成され、ボルト締結により固定されるため、締結部付近におけるねじり剛性の低下が問題となる。

そこで、仮に、リヤフレームを用いずに、エンジンをモノコックボデーに直付けする態様を採用したとする。この場合には、ねじり剛性の低下は回避されるが、エンジンから伝達される熱によって強化材強化樹脂が劣化する問題が生じる。そこで高耐熱性樹脂を用いることも考えられるが、例えば、高耐熱性樹脂の強度が比較的低い場合には、体格が大きいモノコックボデーを成形して脱型する際などに割れの発生が懸念される。

本発明の目的は、強化材強化樹脂製のモノコックボデーを有する車両にエンジンを搭載するにあたり、車両の高重量化とねじり剛性の低下とを抑制または防止することにある。

本発明にかかるモノコック車両構造は、一体成形された強化材強化樹脂製のモノコックボデーと、前記モノコックボデーの後壁の下部に固定されて前記後壁から車両後方に延びる底部と、前記底部から上方に延びる起立部と、を備えた一体成形された強化材強化樹脂製のサブフレームと、前記サブフレームの前記起立部の後面に直付けされたエンジンと、を備える。

本発明の一態様においては、前記モノコックボデーの前記後壁の上部には、前記後壁から車両後方に延びる突起部が設けられ、前記起立部の上部が前記突起部に固定されている。

本発明の一態様においては、前記サブフレームを構成する前記強化材強化樹脂は、前記モノコックボデーを構成する前記強化材強化樹脂よりも高耐熱性樹脂により形成されている。

本発明によれば、比較的小さなサブフレームを用いることにより高重量化の抑制または防止が可能となるとともに、モノコックボデーの後壁とサブフレームの起立部によってねじり剛性の低下の抑制または防止が図られる。

実施形態にかかるモノコックボデーの概略的な斜視図である。 実施形態にかかるサブフレームの概略的な斜視図である。 モノコックボデーにサブフレームを固定した状態の斜視図である。 図３のＡＡ面における概略的な端面図である。 参考形態にかかるモノコック車両の端面図である。

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。説明においては、理解を容易にするため、具体的な態様について示すが、これらは実施形態を例示するものであり、他にも様々な実施形態をとることが可能である。

図１は、実施形態にかかるモノコック車両のモノコックボデー１０を左後方から見た概略的な斜視図である。図中の座標系におけるＦ軸は車両前方向、Ｕ軸は上方向、Ｒ軸は搭乗者の右手方向を示している（以下の図でも同様）。

実施形態にかかるモノコック車両では、モノコックボデー１０が、その全体的な形状により、車両中央付近の剛性確保及び荷重伝達を主体的に行っている。すなわち、モノコック車両では、モノコックボデー１０が構造部材としての役割を果たしており、モノコックボデー１０の下方には、ラダーフレームのようなフレーム構造は設けられていない。

モノコックボデー１０は、略水平に拡がる下壁１２と、それを囲む略垂直な前壁１４、右壁１６、左壁１８、後壁２０を備えている。そして、後壁２０の上部には、車両後方に向かう突起部２２が設けられている。突起部２２の後端付近には、３つのボルト孔２４が設けられている。

モノコックボデー１０は、強化材強化樹脂の一体成形により形成されている。強化材強化樹脂とは、強化材で強度が高められた樹脂を言う。強化材としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維などが用いられる。樹脂としては、例えば、熱硬化性樹脂等を用いることができる。そして、成形は、例えば、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法によって行われる。ＲＴＭ法では、まず、炭素繊維やガラス繊維などをモノコックボデー１０の最終形状に近い形状に加工した繊維プリフォームが用意され、型の中に設置される。そして、型に溶融状態の樹脂を注入し、樹脂を繊維プリフォームに含浸させる。樹脂を硬化させた後に、型から取り出すことで、つなぎ目が無く一体化したモノコックボデー１０が得られる。

モノコックボデー１０は、原則として全ての部位に強化材が配置され樹脂の強度を高めている。そして、全体的な強度を向上させるために、部分的に、強化材及び樹脂を大量に用いて肉厚を大きくした「骨格部」と呼ぶ領域が設けられている。例えば、右壁１６の上部の骨格部１６ａ、左壁１８の上部の骨格部１８ａは、モノコックボデー１０の上部を強化し、剛性を高めている。このうち、骨格部１６ａ、１８ａは、後壁２０よりも後方まで延びて突起部２２の車幅方向両サイドを構成しており、突起部２２の中央の薄板部２２ａの強度を補って、突起部２２の全体的な剛性を高めている。また、左壁１８の下部の骨格部１８ｂ、後壁２０の下部の骨格部２０ｂは、モノコックボデー１０の下部の剛性を高めている。さらに、後壁２０の車幅方向両サイドに設けられた骨格部２０ｃは、モノコックボデー１０の上部と下部とを連結し、後壁２０付近の剛性を高めている。

図２は、モノコックボデー１０の後方に配置されるサブフレーム３０の概略的な斜視図である。サブフレーム３０は、モノコックボデー１０に固定されて、モノコックボデー１０を補助するフレームであり、モノコックボデー１０に比べて小さなサイズに形成されている。サブフレーム３０は、モノコックボデー１０と同様に、強化材強化樹脂により一体成形された部材であり、車両の荷重伝達を担う構造部材としての役割も有している。ただし、サブフレーム３０では、後述するようにエンジンが直付けされることから、モノコックボデー１０に比べて高耐熱性（すなわち、樹脂が劣化する温度が相対的に高い特性をもつ）の樹脂が用いられている。

サブフレーム３０は、底部３２と、起立部３４とを含む形状に形成されている。底部３２は、車幅方向の両サイドに設けられた骨格部３２ａ、３２ｂと、後端の骨格部３２ｃと、これらによって囲まれた薄板部３２ｄとからなる。他方、起立部３４は、骨格部３２ｃ、３４ａ、３４ｂ、３４ｃからなる。骨格部３４ａ、３４ｂは、骨格部３２ｃ（これは底部３２の一部でもある）の車幅方向両サイドから上向きに延びている。また、骨格部３４ｃは、骨格部３４ａ、３４ｂの上部を繋いでいる。これらの骨格部３２ｃ、３４ａ、３４ｂ、３４ｃに囲まれた空間には部材は設けられておらず、開放されている。なお、骨格部３２ｃ及び骨格部３４ｃの後面には、ボルト孔３６が設けられている。このボルト孔３６は、エンジンを直付け（ストレスマウント）により固定するために用いられる。

図３は、モノコックボデー１０にサブフレーム３０を固定した状態を示す斜視図である。サブフレーム３０の底部３２は、モノコックボデー１０の後壁２０の骨格部２０ｃに固定されている。この固定は、底部３２の骨格部３２ａ、３２ｂと薄板部３２ｄを、モノコックボデーの骨格部２０ｃにボルト締結等することにより行われる。また、サブフレーム３０の起立部３４は、モノコックボデー１０の突起部２２に固定されている。この固定は、起立部３４の骨格部３４ｃを、突起部２２の骨格部１６ａ、１８ａと薄板部２２ａとにボルト締結等することで行われる。

このように、モノコックボデー１０に対しては、サブフレーム３０の両端、すなわちサブフレーム３０の底部３２の先端付近と起立部３４の上端付近が、ボルト締結により締結される。このため、サブフレーム３０は、例えば片持ち梁のようにモノコックボデー１０に固定される場合に比べて、安定性が高まっている。そして、サブフレーム３０に作用する荷重を、その両端を通じてモノコックボデー１０にスムーズに伝達することが可能となっている。

また、例えば、車両の前突時に、モノコックボデー１０の骨格部１６ａ、１８ａに作用する大きな後ろ向きの荷重はサブフレーム３０の骨格部３４ｃに伝達される。同様に、前突にともないモノコックボデー１０の骨格部１８ｂに作用する大きな後ろ向きの荷重は、骨格部２０ｂを通じて、サブフレームの骨格部３２ａ、３２ｂに伝達される。これにより、全体として大きな耐荷重性能を確保することができている。

ここで、図４も参照しながら、車両の全体的な構成について説明する。図４は、図３のＡＡ面（車幅方向の中心を通る鉛直面）についての模式的な端面図（背後を示さない断面図）である。図４では、説明の簡略化のため、モノコックボデー１０及びサブフレーム３０の肉厚を一様に図示しており、また、形状も若干異なっていることに注意されたい。

図４に示すように、モノコックボデー１０は、下壁１２と、前方の前壁１４と、後方の後壁２０によって上向きに開口した容器状に形成されている。そして、モノコックボデー１０の後壁２０の後面の上端には、車両後方に延びる突起部２２が設けられている。なお、突起部２２の設置位置は、後壁２０の上部（後壁２０における相対的に上側の位置をいう。）であればよく、例えば、後壁２０の上端よりもやや低い位置における後面、後壁２０の上端の上面など、様々に設定することが可能である。

モノコックボデー１０の容器の内側にはシート５０等が設置される。実施形態では、車両は２人乗りのレーシングカーであることを想定しており、２つのシート５０が車幅方向に並んで設置される。シート５０はＡＡ面には乗らないため破線で表示している。なお、本実施形態は、レース場を走行するレーシングカーに限らず、公道を走行する一般の車両にも適用可能であることは言うまでもない。

モノコックボデー１０の後方には、サブフレーム３０が配置されている。ここで、モノコックボデー１０の後方とは、モノコックボデー１０の後面の少なくとも一部よりも車両後方側を言うものとする。実施形態では、モノコックボデー１０の後面が後壁２０及び突起部２２によって形成されており、突起部２２の先端付近はサブフレーム３０の底部３２よりも後方に位置している。しかし、サブフレーム３０は基本的に後壁２０よりも後方に配置されていることから、サブフレーム３０はモノコックボデー１０の後方に配置されていると言える。

サブフレーム３０は、底部３２と、起立部３４とを備えている。底部３２は、モノコックボデー１０の後壁２０の後面の下端に固定されており、そこから後方に向かって延びている。底部３２の固定位置は、後壁２０の下部（後壁２０における相対的に下側の位置をいう。）であればよく、例えば、後壁２０の後面の下端よりもやや上側、あるいは、後壁２０の下端の下面など、様々に設定可能である。起立部３４は、底部３２の後端付近から上方に向かってほぼ垂直に延びている。

なお、底部３２は、起立部３４に対して相対的に車両の下部に位置しているため、この名称を付している。サブフレーム３０においては、底部３２よりも車両下側に位置する部位が設けられていてもよい。また、実施形態では、底部３２を平坦な形状としているが、例えば波打った形状や段差がある形状であってもよいし、後方に向かうにつれて上方または下方に傾斜した形状としてもよい。底部３２の一部に強化材強化樹脂が存在しない開放された空間が設けられてもよい。

起立部３４は、図３に示すように、中間部分は強化材強化樹脂が存在せず、開放された空間となっているが、図４ではその形状を省略して図示している。もちろん、起立部３４を、図４に示すように中間部も強化材強化樹脂で埋めた形状とすることも可能である。また、起立部３４は、実施形態では、ほぼ垂直に延びる平坦な形状としているが、例えば、例えば波打った形状や段差がある形状としてもよいし、上方に向かうにつれて後方または前方に傾斜した形状としてもよい。

図４に示すように、サブフレーム３０の底部３２及び起立部３４と、モノコックボデー１０の後壁２０及び突起部２２とは、閉断面を形成している。底部３２と突起部２２は、ともに車両の前後方向に延びており、車両の前後方向に入力される荷重伝達経路を二重化して強度を高めている。また、起立部３４と後壁２０は、ともに車両の上下方向かつ車幅方向に延びており、この２枚の部位において、車両のねじり剛性（車両をねじるような変形に対する剛性をいう。）が高められている。

サブフレーム３０には、底部３２の上面にバッテリ６０などが設置される。なお、 サブフレーム３０では、図２と図３に示すように、車幅方向の側面には特段部材が設けられておらず、バッテリ６０の車幅方向の両サイドは開放されている。これにより、バッテリ６０の交換が容易となる。ただし、バッテリ６０の交換経路が別途確保されるのであれば、サブフレーム３０は、この両サイドの一部または全部を塞ぐ壁面を備えるように形成することも可能である。

サブフレーム３０における起立部３４の後面（車両の後方を向いた面をいう。）には、エンジン７０が図示を省略したボルトを用いて直付けされている。直付けとは、例えば振動吸収材であるゴムを介したゴムマウント等の取り付けをせず、直接的にエンジン７０とサブフレーム３０とを結合した状態をいう。直付けは、ストレスマウントと呼ばれることもある。エンジン７０は金属で頑強に形成されているため、エンジン７０の剛性によってサブフレーム３０の剛性が補われ、全体としてこの付近における車両の剛性が向上している。また、エンジン７０は、サブフレーム３０と、車両後部とを繋ぐ構造部材としての役割も果たしている。例えば前突時にサブフレーム３０から入力される荷重は、エンジン７０を介して、さらに後方に伝達されることになる。これに対し、エンジン７０を仮に起立部３４にゴムマウントした場合には、エンジン７０とサブフレーム３０はゴムの弾性変形の分だけ相対的に位置ずれを起こすため、エンジン７０はサブフレーム３０の剛性を補うことができない。

サブフレーム３０は、その起立部３４の後面においてエンジン７０を固定しているのみである。このため、サブフレーム３０は、例えば、エンジン７０の下面を支持するようなフレームに比べて、非常に小さなサイズに形成されており、車両の高重量化を抑制または防止している。

エンジン７０は、ガソリン等の燃料を燃焼させることで高温化し、直付けされたサブフレーム３０に熱伝導する。このため、サブフレーム３０の強化材強化樹脂では、モノコックボデー１０に比べて高耐熱性の樹脂が用いられている。これに対して、モノコックボデー１０では、高耐熱性の樹脂を使用する必要がないため、例えば、耐熱性は比較的低いが、脆さの懸念が無く大型の成形が容易となるといった観点から樹脂が選択される。なお、エンジン７０から周囲には、対流や放射によっても熱の伝達が行われる。しかし、この熱の伝達に伴う周囲の部材の温度上昇は、通常は、直付けされたサブフレーム３０の温度上昇に比べて小さく、耐熱性は比較的問題とはならない。

図示を省略したが、モノコックボデー１０の前方には、例えば、金属製のフロントフレームが配置され、モノコックボデー１０に固定される。このフロントフレームに対しては、前輪の車軸等が取り付けられる。また、エンジン７０には、ギアボックスなどが直付けされる。そして、ギアボックスには、後輪の車軸等が取り付けられる。すなわち、実施形態にかかる車両は、エンジン７０が車両後部に置かれて、後輪を駆動するＲＲ車である。さらに、モノコックボデー１０の前上部には、フロントガラスが取り付けられ、モノコックボデー１０の上部には、ルーフが取り付けられる。

ここで、図５を参照して、参考形態について説明する。図５は、参考形態にかかる車両の端面図であり、図４に対応している。この車両のモノコックボデー１１０は、下壁１１２の前方に前壁１１４が設けられ、後方に後壁１１６が設けられて、上向きに開口した容器状に形成されている。そしてモノコックボデー１１０の内部に、シート５０が設置されている点では、図４に示したモノコックボデー１０と同様である。しかし、モノコックボデー１１０では、下壁１１２が車両後方に向けて長く延びており、後壁１１６も相対的に車両後方に位置している。この後壁１１６の位置は、図４に示したサブフレーム３０の起立部３４の位置とほぼ同じである。また、モノコックボデー１１０では、図４に示した突起部２２は設けられていない。

図５の参考形態では、サブフレーム３０は設けられていない。そして、モノコックボデー１１０における下壁１１２の後部にバッテリ６０が設置されている。バッテリ６０の設置位置は、図４に示した実施形態と同じである。参考形態では、バッテリ６０は、樹脂製または強化材強化樹脂製のインテリアトリム１２０によって覆われている。インテリアトリム１２０は、前壁１２２と上壁１２４を備えたＬ字型の断面形状に形成されており、前壁１２２がバッテリ６０の前面を覆い、上壁１２４がバッテリ６０の上面を覆っている。インテリアトリム１２０は、バッテリの交換を行うことができるように、取り外し可能にモノコックボデー１１０に取り付けられている。このため、インテリアトリム１２０は、車両における荷重伝達を担ってはいない。参考形態では、この付近の荷重伝達および剛性確保は、モノコックボデー１１０のみによって行われている。

参考形態では、エンジン７０は、モノコックボデー１１０の後壁１１６にボルト等によって直付けされている。このため、図４に示した実施形態のようにサブフレーム３０を介することなく、エンジン７０とモノコックボデー１１０が直接結合される。このため、エンジン７０の剛性によって、モノコックボデー１１０の剛性を直接的に補うことが可能となる。また、サブフレーム３０が無いことによる締結箇所の低減を図ることができている。

しかしながら、参考形態では、エンジン７０からの熱が直接的にモノコックボデー１１０の後壁１１６に伝達される。この熱からモノコックボデー１１０を保護するため、例えば、モノコックボデー１１０の強化材強化樹脂として高耐熱性の樹脂を用いる態様が考えられる。しかし、高耐熱性樹脂は一般に比較的強度が低いため、モノコックボデー１１０のように大きな部材を型成形した場合には、脱型時に割れを生じる懸念がある。

また、一般に型成形においては、異なる種類の樹脂を注入した場合には、その境界における強度が低下する。このため、後壁１１６付近のみに高耐熱性樹脂を用いた上で、モノコックボデー１１０を一体成形することはできない。

あるいは、後壁１１６のみをモノコックボデー１１０の他の部分とは別に型成形することも考えられる。しかし、この場合には、後壁１１６とモノコックボデー１１０の残りとをボルト等により締結する必要があるため、一体成形する場合に比べて剛性が低下してしまうことになる。

これに対して、実施形態では、高耐熱性樹脂を用いたサブフレーム３０を導入することで、エンジン７０からの耐熱対策が図られる。また、サブフレーム３０と、モノコックボデー１０とが閉断面を形成しているため、剛性の低下を抑制若しくは防止し、または、剛性を向上させることが可能となっている。特に、実施形態では、モノコックボデー１０の後壁２０と、サブフレーム３０の起立部３４とによって、ねじり剛性の向上が図られている。

以上の説明においては、実施形態にかかるモノコックボデー１０は、後壁２０の上部に突起部２２を有するものとし、サブフレーム３０は下方に位置する底部３２を有するものとした。これに代えて、モノコックボデー１０の後壁２０の下部に突起部２２を設け、サブフレーム３０には起立部３４の上部に後壁２０と接続する壁面を設ける態様も考えられる。しかし、この場合には、モノコックボデー１０が複雑な凹凸を有することになり、型成形をすることが困難となる。これに対し、実施形態にかかるモノコックボデー１０では、上型と下型を用いて型成形を容易に行うことが可能である。

１０ モノコックボデー、１２ 下壁、１４ 前壁、１６ 右壁、１８ 左壁、２０ 後壁、２２ 突起部、２４ ボルト孔、１６ａ、１８ａ、１８ｂ、２０ｂ、２０ｃ 骨格部、２２ａ 薄板部、３０ サブフレーム、３２ 底部、３２ｄ 薄板部、３４ 起立部、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ 骨格部、３６ ボルト孔、５０ シート、６０ バッテリ、７０ エンジン、１１０ モノコックボデー、１１２ 下壁、１１４ 前壁、１１６ 後壁、１２０ インテリアトリム、１２２ 前壁、１２４ 上壁。

Claims (3)

1. 一体成形された強化材強化樹脂製のモノコックボデーと、
   前記モノコックボデーの後壁の下部に固定されて前記後壁から車両後方に延びる底部と、前記底部から上方に延びる起立部と、を備えた一体成形された強化材強化樹脂製のサブフレームと、
   前記サブフレームの前記起立部の後面に直付けされたエンジンと、
   を備えることを特徴とするモノコック車両構造。
2. 請求項１に記載のモノコック車両構造において、
   前記モノコックボデーの前記後壁の上部には、前記後壁から車両後方に延びる突起部が設けられ、
   前記起立部の上部が前記突起部に固定されている、ことを特徴とするモノコック車両構造。
3. 請求項１に記載のモノコック車両構造において、
   前記サブフレームを構成する前記強化材強化樹脂は、前記モノコックボデーを構成する前記強化材強化樹脂よりも高耐熱性樹脂により形成されている、ことを特徴とするモノコック車両構造。

Images