フレーム形式 (自動車)

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フレーム形式(フレームけいしき)とは、自動車の構造の技術。

自動車の車台構造は、セパレートフレーム、アンセパレートフレーム、ユニコンストラクション(モノコック、ユニボディー)に大別される。

セパレートフレーム[編集]

ボディー・オン・フレーム(Body-on-frame)とも呼ばれ、単にフレーム型、フレーム構造ともいわれる。堅牢なフレームをつくり、そこに別に製作したボディーを乗せる構造のこと。フレームはエンジン、トランスミッション、車軸、サスペンション、タイヤなどドライブトレーンを支える役割があり、多くの場合これのみでの走行も可能である。これは自動車のはじまりから現在まで続く基本的構造である。

最初のフレーム材料は木製で、一般にはトネリコが使われた。これは1900年頃より一般に鉄製(スチール製)に置きかわった(その先駆は、1900年のメルセデス・シンプレックスである)が、ごく一部の小型軽量車両ではその後も1930年代まで軽量化を主目的に木製フレームが使われていた。モーガンでは今もトネリコを使い続けている。

米国では自動車のデザインを頻繁に変更する販売スタイルをとっており、ボディー設計自由度の高い、はしご型フレーム(ラダーフレーム)を使用する時代が長く続いた。これにより消費者に一番アピールするボディースタイルとインテリアが、車の基本性能に影響を与えることなく頻繁に変更できるため、設計・開発期間の短縮によるモデルチェンジのコストと新型車の販売価格を低減できた。また、このことは、同じシャーシから乗用車トラックバンなど、異なる車種を容易に製作できることになり、モデルの多様化にも貢献した。特に、自動車開発がコンピューター化されていない時代にはこの点が大きな優位性をもっていた。

第二次世界大戦後、航空技術者の自動車産業界への進出により、小型車の多くは1960年代よりモノコック構造に移行しており、トラック、一部のバス、大型乗用車のみが従来型のフレーム構造を踏襲していた。移行には数十年を要したが、今日ではSUVといわれるカテゴリーに属する車両でもモノコックが採用されるケースも出てきている[1]

しかしながら、重量物を積載するヘビーデューティ車両ではいまだセパレートフレーム構造が主流となっている。

フォード社のリンカーン・タウンカーはラグジュアリークラス最後のセパレートフレーム構造であり、リムジン車両製作では、車体架装の容易さから多くの需要がある。

特徴[編集]

長所[編集]

  • 設計、製作、修正が容易。CADが一般的に使用されるようになった今日、量産車においてはこの項目の重要性は低いが、競技車両では有効。
  • 頑丈で耐久性が要求される用途に向いている。
  • 事故にあった際の修復が容易。

短所[編集]

  • モノコックよりも重い(はしご型フレーム )。
  • 一般的に重心が高め(はしご型フレーム )。
  • モノコックに比較してトーション(曲がる際の全体のねじれ:ねじり剛性)に弱い(マルチチューブラーフレームを除く )。
  • フレームと車体の振動周波数が異なり低級振動が出やすい(マルチチューブラーフレームを除く )。

種類[編集]

はしご型[編集]

2007年トヨタ・タンドラ
後方から見たはしご型フレームのローリングシャーシ。後車軸回りがキックアップしている。
はしご型フレームはサビ止めのため「シャーシブラック」と呼ばれる厚い黒色塗装を施される例が多い。

ラダーフレームまたはH形フレームともいわれ、その名の通りはしご状のフレーム。製作と強度確保が容易で、歴史も長く、現在でも採用例が多いなど、セパレートフレームの代表とも言える。

前後に通る2本のメインフレーム(サイドメンバー)の構成には、求められる仕様によって、「コ」の字形の開断面と「ロ」の字形の閉断面、それを組み合わせた部分開(閉)断面とがある。このほかに、板圧や断面積の変化、左右をつなぐクロスメンバー(はしごの段にあたる)や接合部を補強するリインフォースメントで強度や剛性の調節をする。

強度に優れ、車体架装が容易なことから、トラックのほとんどが採用しており、それらをベースとした一部のバスSUVにも用いられている。

歴史的に見るとその初期からは前身の木製フレームの構造を受け継ぎ、一直線状のチャンネル型鋼が使われていた。ストレートなチャンネルフレームは、強度確保や加工は容易ながら床が高くなる欠点があるが、トラックでは構造上の問題にならないため、現在でも広く用いられている。

バスや乗用車、一部の小型トラックでは、ストレートなフレーム主流の時代には後車軸をフレーム下でなく上方に取り付ける「アンダースラング構造」で低床化を図った事例もあるが、1930年代以降は、後輪周囲のみを一段持ち上げてフレーム下配置の後車軸サスペンションストロークを確保した「キックアップ構造」が主流に用いられるようになっている。

それでもメインフレームやサイドメンバーが床下にあるため、乗用車での床高は完全な解消が難しく、またゴムブッシュを介した車体締結は低級振動が発生しやすいため、乗り心地の点でモノコックボディーに対して不利となる。

日本のレントゲン車では、大型検査機器の重量に対応するため、はしご型フレームのトラックにスケルトンフレームを追加して製作されている。

バックボーン型[編集]

タトラ・T11のバックボーンフレーム

前後軸間の車体中心線上に「背骨」を配し、動力やサスペンションをそれに取り付けるもの。1900年頃のアメデー・ボレー2世が小型試作車に採用したのが嚆矢であるが、一般に普及したのは1924年のタトラ・T11での採用以後である。このT11ではたった一本の丸鋼管にサスペンションエンジントランスミッションデフが取り付けられており、プロペラシャフトまでもが内蔵されている。

はしご型フレームよりも軽く簡潔ながらねじれに強く、ボディー形状にも左右されずにサスペンションやドライブトレーンを自由に設計できるが、自動車が低床化されてくると室内スペースが大きなフロアトンネルに取られるデメリットが顕在化したため、以降は競技車両スポーツカーに見られる程度となっていった。アルピーヌ・A110や、ロータス・ヨーロッパが代表例。

また、ロータス・エランジャガー・Eタイプトヨタ・2000GTの、前後サスペンション部分を「二股」に開いたX型フレームもバックボーン型に分類される。X型は1930年代にバックボーン型から派生したもので、その先駆はメルセデス・ベンツの小型モデル各車であった。

プラットフォーム型[編集]

フォルクスワーゲン・タイプ1のプラットフォームフレーム

バックボーンの類型で、「背骨」と「床板」を一体化したもので、強固なフロアパンに動力とサスペンションが取り付けられている。フロアパンにも応力を負担させることでバックボーンの断面積を抑えることができ、低床化に有利となった。フレーム単体での走行は可能であるが、上記の2例に比べ、完成後のフレームと車体の分離は容易ではなく、通常は修理のためにボディーを剥がすことは無い。

1930年代に自動車のフレーム構造がここまで進化すると、同時期に実用化されたモノコック構造の鋼製ボディーがプラットフォームフレームと併用されるようになり、車体とフレームの組み合わせでセミ・モノコック構造を構成するに至った。これはやがて第二次世界大戦後の乗用車における主流設計となった「フル・モノコック構造」へと発展した。

タトラフォルクスワーゲンの一連のリアエンジン車や、930型までのポルシェ・911シトロエン・2CVルノー・4CVなどが代表例。日本では、トヨペット・SA型が知られている。

ペリメーター型[編集]

ペリメーターとは、周囲、周辺の意。ボディーフロアの周囲にフレームをつけたもので、中間にメンバーを通さないために、フロアを低くすることができる。しかし、そのためにねじり剛性や曲げ剛性が低くなるため、ボディーと一体化し、応力の一部をボディーに負担させることでそれを補っている。

他のフレーム構造のものにくらべて軽量でコスト的にも安く、衝突時のエネルギー吸収では、フレームレス構造よりボディー変形を少なくすることができるというメリットがある。

歴史は極めて古く、1878年にフランスのアメデー・ボレーが開発した大型蒸気自動車「ラ・ヌーヴェル」に早くも採用されていたが、盛んに用いられるようになったのは、1950年代以降のアメリカ車がこのフレームとモノコックボディーとの組み合わせでセミモノコック構造を採るようになってからである。

代表的車種[編集]

アンセパレートフレーム[編集]

非分解型のフレーム構造。

マセラティ・Tipo 63
マルチチューブラーフレーム の例
バードケージの別名を持ち、
コックピット内にも一部が露出している。
ランチア・デルタS4
マルチチューブラーフレーム の例
ボディーは単なる覆いに過ぎず、主要な機能部品は、全て細い鋼管組みのフレームに取り付けられている。
シュコダ 706 RTO MEX
マルチチューブラーフレームの車体構造
メルセデス・ベンツ・O 321 HL
1954 - 1964
バスボディーの場合、大きな窓と細いピラー、リベットのない外板など、モノコック構造とは対照的な外観となる

マルチチューブラーフレーム[編集]

スペースフレーム(空間骨格 = 3次元の骨組み)、スケルトン(骸骨)、バードケージ(鳥かご)などの別称もあり、単にチューブラーフレームとも呼ばれるほか、ジャングルジムとたとえられることもある。多数の小径鋼管を応力の発生に沿った配置に組み合わせ、溶接する方法で、CADワイヤーフレーム(線図、透視図)を実体化したような見た目となる。古くは丸鋼管を用いていたが、規格品の種類が増えた現在では、角鋼管が使われることが多い。

なお、日本ではバードージをバードージと表記する例が散見されるが、ケージ = Cageは「かご」、ゲージ = Gaugeは「規格、基準、計量器」等の意味であり、誤用である。

大規模な生産設備が不要で、モノコックに勝る剛性が簡単に得られ、軽量でスペースを取らない点や、改造や修復も容易なことなど、利点は非常に多い。その特徴から、レーシングカーや少量生産のスポーツカーに採用例が多く、自作も可能である。短所としては、構造上高剛性を確保しようとすると開口部が狭くなり横開き式のドアの設置が困難になること[2]や、ロボット組み立てなどの大量生産に向かないこと。

フェラーリエキゾチックカーの中では生産台数が多い部類に入るため、コストと生産性のバランスから、キャビン部分のみがモノコック構造で、前後をマルチチューブラーフレームとした構成を、長年にわたり踏襲していた。

欧州ではバスにも古くからこの工法を用いており、モノコックのように、車体形状や開口部が強度や剛性に影響を与えることが無いため、エンジンやドアの位置、窓の形と大きさなどの自由度が大きく、二階建て連接型をはじめ、多彩なバリエーションを生んできた。日本では1977年日野車体工業によって初めて製品化され、「スケルトン」の名が広まった。

同じ理由で、米国製の自走式キャンピングカーRVやモーターホームと呼ばれるもの)もほとんどがこの工法で製作されている。

車体外皮は応力を負担しない場合が多く、アルミの薄板や、FRPで済ませるものが多い。ロータス・7とケイターハム・スーパーセブンは軽量化とコストダウンのため、チューブ径を抑えており、一部の外板を応力部材として利用している。

スーパーレッジェーラ[編集]

英語圏ではスーパーレジェーラとも呼ばれる。レッジェーラ(leggera)とはイタリア語で「軽量」を意味する語で、ミラノの老舗カロッツェリアであるツーリングが得意とし、特許を持っていた車体工法。

鋼板溶接組み立てのプラットホームの上に、ボディー形状をかたどった小径鋼管のマルチチューブラーフレームを建て、それに板金加工したアルミ薄板の外板を被せ、アルミリベットで固定する構造。車体表面のリベットや継ぎ目はパテで埋められる。

とアルミのイオン化傾向の違いにより発生する電位差による電食を防ぐため、フレームと外板の間には絶縁紙をはさみこんでいた。

ユニコンストラクション[編集]

フレーム構造を持たないもの。

モノコック[編集]

プロトン・イグゾラのモノコック

モノコックフランス語のmonocoqueから。モノ(mono)=ひとつの~、コック(coque)=二枚貝船体の意。

フレームレスボディーの総称で、北米などではユニボディーとも呼ばれる。一般の自動車では、フロアパン、インナーフェンダー、バルクヘッド、ピラー、ルーフで応力を受け持つ。オープンボディーの場合は別途補強が必要となる。

捻れや撓みに強く、補助構造材を必要としないため軽量化が図れる。一方、局部的に過大な応力を受けると破断しやすく、その部分だけでなくモノコック全体が変形してしまう。自動車の場合、ミリ単位で車体全体を修正する必要があり、歪んだままだと走行性能に悪影響が出る恐れがある。中古車情報誌や中古車情報サイトにおいて「修復歴」または「事故歴」(下の関連項目の「ボディー修正装置」でボディーを修正した経歴)の有無の項目があるのはこのためである。 暴走族に見られるセダンのルーフをぶった切っただけの「オープンカー」が早く使い物にならなくなり(テレビ番組「列島警察24時」に見られるように)現場などに不法投棄されるのは、ルーフが無くなることにより設計時に想定されていない応力が発生し、モノコック全体が変形して悪影響が出てしまうためである。(先述のとおり、市販されているオープンカーや祝賀パレード用などのセダン改造オープンカーは応力を計算した補強改造がされている。)

高い運動エネルギーを発生する車種や、静粛性が重要な車種では、前後サスペンションはサブフレームを介してモノコックに取り付けられることが一般的となりつつある。

フランスのドペルデュサン社の設計者ベシュローの発明で、卵の殻が理想形であるが、実際はドアや窓など、開閉、開放部分が必要となるため、完全な卵とまではいかず、一般に普及しているモノコック構造とは、正確にはセミモノコック構造のことを指す。

飛行機では応力外皮構造と訳される。初期の航空機では機体内部は骨組みだらけであったが、モノコック構造とすることにより、内部に大きな空間が生まれた。

自動車では、1922年発表のランチア・ラムダが最初のモノコック乗用車である。車内に大きな空間が必要とされるものに適しているため、1940年代にはバスにも普及した。現在ではスポーツカーから低価格車までの乗用車のほとんどがモノコック構造であるが、未だにクロスカントリー車ではフレームレスボディーでなくラダーフレームを採用している。(悪路でボディーをヒットすると上記の歪みにより走行不能に陥る恐れや軽量化の影響で渡河中に流されることを防ぐため。ラダーフレームはボディーがいくらダメージを受けても走行性能に影響を受けない。)

米国ではモノコックは技術用語として使われ、自動車ジャーナリズムなど、一般にはユニボディー(unibody)が使用される。

関連事項[編集]

従来、車の構造を修復する機械をフレーム修正機と呼んでいたが、現在ではモノコックボディー構造が主流のため、ボディー修正装置と呼ぶようになった。

脚注[編集]

  1. ^ 技術的観点からはフレーム構造で作成された車両が本来的なSUVであり、モノコック構造の車両、言い換えると乗用車ベースのSUVはクロスオーバーSUV(またはCUV)というサブカテゴリーに属するとされる。しかしながら、日本市場におけるマーケティングでは細かい区分を主張するのをためらいがちな(消費者には違いが伝わにくく、かえって混乱の原因ともなると考えている)ため、日本メーカーは主にどちらもSUVとして扱っている
  2. ^ 一例として初期のメルセデス・ベンツ 300SLではガルウィング式のドアになっている。

外部リンク[編集]