クルマ好きなら毎日みてる webCG 新車情報・新型情報・カーグラフィック

第24回:ボディー構造――理想の形を求めて
素材の進化がデザインを変える

2018.05.17 自動車ヒストリー 視覚的な美しさはもちろん、空力性能や衝突安全性など、さまざまな要因によって形作られる自動車のボディー。パワープラントやドライブトレインと並んでクルマの性能を決定づける車体構造の歴史を、使用される素材の進化とともに振り返る。

燃えやすい素材が生んだ造形

1935年のパリサロンに出品された「ブガッティ・タイプ57SCアトランティック」は、特異なスタイリングで注目を集めた。長いボンネットを持ち、キャビンはティアドロップ形で航空機を思わせる。流麗なクーペスタイルだが、何よりも人々を驚かせたのは、背びれ状の“出っ張り”だった。それはボディーのセンターを通り、フロントからリアまで切れ目なくつながっていた。

空力性能のためにこのような形状が採用されたわけではない。軽量化のためにボディー素材として使ったマグネシウム合金が、非常に燃えやすい特性を持っていたことが理由である。溶接は不可能で、成形するには貼り合わせる形でリベット留めする必要があったのだ。生産モデルではアルミニウムが用いられたが、制約のために生まれたフィンのデザインはそのまま残された。

自動車のボディーデザインには、素材の進化が深く関わっている。成形や接合の技術もレベルアップし、デザインの自由度は格段に向上した。馬車の模倣から始まった自動車のボディー構造は、現在ではセダン、ミニバン、SUVなどのさまざまなバリエーションを生み出している。デザイナーの思い描く理想の形は、素材と技術の発展なしには実現できなかった。

1922年の「ランチア・ラムダ」は、乗用車として初めてモノコック構造のボディーを採用した。当時はハシゴ型フレームに木製ボディーを架装するのが常識だったが、ラムダはスチール製のボディー全体で強度を受け持つ構造を取り入れたのだ。軽量で高い剛性を持ち、操縦性能と乗り心地の快適さは飛び抜けていたといわれる。モノコック構造は重心を低くするのにも有利で、スポーティーなスタイルを実現することができた。ラムダの成功により、モノコックボディーを使った新しいデザインのクルマが作られていくことになる。

「ブガッティ・タイプ57SCアトランティック」のボディーには、溶接に適さないマグネシウム合金が使用される計画だったため、ボディーの中央やフェンダーなどに、パネル同士をリベット打ちするための“ひれ”が設けられていた。
「ブガッティ・タイプ57SCアトランティック」のボディーには、溶接に適さないマグネシウム合金が使用される計画だったため、ボディーの中央やフェンダーなどに、パネル同士をリベット打ちするための“ひれ”が設けられていた。拡大
1922年に登場した「ランチア・ラムダ」。モノコックボディーに加え、スライディングピラー式の前輪独立懸架や、V型4気筒SOHCエンジンなど、各所に意欲的な技術が盛り込まれたモデルだった。
1922年に登場した「ランチア・ラムダ」。モノコックボディーに加え、スライディングピラー式の前輪独立懸架や、V型4気筒SOHCエンジンなど、各所に意欲的な技術が盛り込まれたモデルだった。拡大
「ランチア・ラムダ」に採用されたモノコックボディー。
「ランチア・ラムダ」に採用されたモノコックボディー。拡大

事故対策で一部を柔らかく

ボディー構造は、デザイン以外の部分でも自動車づくりに影響を及ぼしてきた。1990年代からクローズアップされてきたのが衝突安全の問題である。ボディー構造には、交通事故が発生した場合の乗員保護が託されている。シートベルトやエアバッグも安全性向上に寄与しているが、それもボディーそのものが事故に強いことが前提である。日本では、1994年から新型車の衝突実験が義務づけられるようになり、1995年からは自動車事故対策センター(現自動車事故対策機構)による安全性能評価、自動車アセスメントも開始された。

ボディーを固くすれば乗員保護性能が上がるという単純な話ではない。乗員の生存空間を確保するためには、衝突時につぶれることで衝撃を吸収する部分が必要だ。キャビンが変形するのを防ぎ、乗員の被害を最小限にとどめるわけだ。重いエンジンが室内に入り込まないための工夫も重要である。

生存空間の確保だけでは十分とはいえない。衝撃でドアが勝手に開いてはならないが、脱出のためには手で開けられる状態を保つことも求められる。さらに、今日のクルマにはコンパティビリティー(両立性)の考え方も取り入れられるようになった。重いクルマと軽いクルマが衝突した場合、どうしても軽いクルマは不利になる。軽いクルマを守るためには、重いクルマがより多く衝撃を吸収できる構造でなければならない。

対人事故に対する構えも必要だ。歩行者保護の観点から近年では歩行者安全性能評価も行われている。接触して倒れた歩行者の頭部がボンネットに当たることを考え、衝撃を和らげる必要がある。接触が想定される部分の素材と構造は、柔らかく作られなければならない。

市場で安全性が注目を集めるようになる以前から、自動車メーカーの間では、安全性向上の取り組みがなされていた。写真はダイムラー・ベンツが1959年9月に実施した衝突試験の様子。同社ではベラ・バレニーの主導で戦前から衝突安全の研究がなされており、1959年に前後にクラッシャブルゾーンを持つ初のモデル「W111」を市場投入した。
市場で安全性が注目を集めるようになる以前から、自動車メーカーの間では、安全性向上の取り組みがなされていた。写真はダイムラー・ベンツが1959年9月に実施した衝突試験の様子。同社ではベラ・バレニーの主導で戦前から衝突安全の研究がなされており、1959年に前後にクラッシャブルゾーンを持つ初のモデル「W111」を市場投入した。拡大
衝突試験をはじめとした、さまざまな指標によって自動車の安全性を評価する自動車アセスメント。日本では1995年に開始され、今日ではウェブサイトや冊子などでその結果が閲覧できるようになっている。
衝突試験をはじめとした、さまざまな指標によって自動車の安全性を評価する自動車アセスメント。日本では1995年に開始され、今日ではウェブサイトや冊子などでその結果が閲覧できるようになっている。拡大
4代目「マツダ・ロードスター」に採用されたポップアップボンネット。衝突時にボンネットが浮き上がる仕組みで、スポーツカーらしい低いボンネットと歩行者保護の両立を図っている。
4代目「マツダ・ロードスター」に採用されたポップアップボンネット。衝突時にボンネットが浮き上がる仕組みで、スポーツカーらしい低いボンネットと歩行者保護の両立を図っている。拡大

軽量化のための高張力鋼板

衝突試験が義務づけられてから、パッシブセーフティー技術は格段に向上した。その反面、ボディーが重くなってしまったのも事実である。安全性を確保するための補強は、必然的に重量増加をもたらす。車重が増えれば衝突時の衝撃が増すので、さらに補強を行わなければならない。また、燃費にも不利な条件になる。強度を保ちながら軽量化を進めることが、新たな課題として浮上した。

軽量化のためには素材の量を減らすのが早道だが、自動車の外板は薄いところではわずか1mmほどしかなく、これ以上薄くするのは現実的ではない。ただ、強度を受け持つ部分はもう少し厚い素材を使っており、重量を削ることが可能だ。フロアを形成するメンバーやサイドシル、ピラー類やルーフレール、バルクヘッドなどがそれにあたる。もちろん、ただ薄くするだけでは強度が落ちてしまう。そこで注目されるようになったのが、高張力鋼板である。

鋼板は配合される成分や製法によって品質が異なり、一般的なものでは270MPa以上の引っ張り強度を持っている。これに対し、特に強度の高い製品が高張力鋼板、あるいはハイテン鋼と呼ばれている。定義は定まっていないが、おおむね490MPa以上のものを指すことが多い。近年の自動車では、メンバーやピラーなどにハイテン鋼を使って剛性を高めるケースが増えている。さらに、引っ張り強度が980MPa以上の超高張力鋼板も使われるようになってきた。

ただ、強度が高まると、加工には困難が伴うようになる。鋼板はプレス加工によって成形されるが、固くなるほど曲げや絞りといった作業には工夫が必要だ。反発力が強まるために精度が出にくく、無理に力を加えると割れてしまうこともある。超高張力鋼板では加熱して柔らかくしてから成形するホットプレスという方法も使われている。

ダイムラー・ベンツのジンデルフィンゲン工場の様子(1930年)。当時は木製のフレームに木板や鉄などでできたボディーパネルを組み合わせて車体を製造していた。
ダイムラー・ベンツのジンデルフィンゲン工場の様子(1930年)。当時は木製のフレームに木板や鉄などでできたボディーパネルを組み合わせて車体を製造していた。拡大
2017年9月に発売された2代目「ホンダN-BOX」のホワイトボディー。現在のクルマでは、クラッシャブルゾーンの確保やボディー剛性の強化、軽量化の実現のため、使用箇所に応じて厚さや剛性の異なる鋼板が使い分けられている。
2017年9月に発売された2代目「ホンダN-BOX」のホワイトボディー。現在のクルマでは、クラッシャブルゾーンの確保やボディー剛性の強化、軽量化の実現のため、使用箇所に応じて厚さや剛性の異なる鋼板が使い分けられている。拡大
固い超高張力鋼板を複雑な形に成形するため、加工技術も進歩した。写真は熱間圧延形の超高張力鋼板が用いられた、「メルセデス・ベンツBクラス」(2007年モデル)のBピラー。
固い超高張力鋼板を複雑な形に成形するため、加工技術も進歩した。写真は熱間圧延形の超高張力鋼板が用いられた、「メルセデス・ベンツBクラス」(2007年モデル)のBピラー。拡大

金属を超える素材CFRPの可能性

剛性確保には、それぞれのパーツをつなぎ合わせる溶接も重要なポイントになる。最も一般的なのは、スポット溶接と呼ばれる方法だ。金属の表面を密着させて両面から電極を押しつけ、強大な電流を流すことで溶融させる仕組みである。打点を増やすことによってボディー剛性を上げることができるが、電流を利用するため打点間距離には限界がある。最近では線状に接合することのできるレーザー溶接も使われるようになってきた。

鋼板に代えて、外板をアルミニウムで構成するモデルもある。ボンネットやフェンダーなどの応力のかからない部分にアルミニウムを用いて軽量化する例は多く、「アウディA8」や「ジャガーXJ」などでは、ボディー全体がアルミ化されている。

金属を超える可能性を持つ素材として注目されているのが、炭素繊維強化樹脂(CFRP)である。軽量な樹脂に弾性率の高い炭素繊維を組み合わせた複合材料で、テニスラケットやゴルフクラブなどに用いられていた。自動車では、1981年にF1マシンの「マクラーレンMP4/1」が採用したのが最初とされている。CFRPは鉄の5倍に達する引っ張り強度を持ちながら、重量はわずか4分の1。同じ重量で比べれば、強度が20倍ということになる。

自動車のボディーに使うには理想的とも思えるが、弱点は製造に時間がかかることだ。加圧しながら長時間加熱して成形し、冷やす工程も加わる。鋼板に比べて数十倍の時間が必要で、必然的に高価格になる。大量生産には向かず、モータースポーツと一部の高級スポーツカーでしか採用されていない。

しかし、それほど遠くない時期に一般の乗用車でも使われるようになるという予測もある。短時間で成形できる熱可塑性CFRPの研究が進んできたからだ。従来の熱硬化性CFRPより加工が容易で、2018年秋にもボディーの一部にこの素材を採用したモデルが発売される予定だ。素材と技術の進歩は、これからも自動車のボディーを大きく変貌させていく可能性を持っている。

(文=webCG/イラスト=日野浦 剛)

素材や設計に加え、溶接をはじめとした製造技術の革新も、ボディー構造の進化を支えている。
素材や設計に加え、溶接をはじめとした製造技術の革新も、ボディー構造の進化を支えている。拡大
1990年にデビューした初代「ホンダNSX」のホワイトボディー。同車はオールアルミのモノコックボディーを用いた世界初の量産車だった。
1990年にデビューした初代「ホンダNSX」のホワイトボディー。同車はオールアルミのモノコックボディーを用いた世界初の量産車だった。拡大
1981年シーズンのF1世界選手権に投入された「マクラーレンMP4/1」。「ロータス88」ともども、カーボンモノコックを採用した初の四輪車とされている。
1981年シーズンのF1世界選手権に投入された「マクラーレンMP4/1」。「ロータス88」ともども、カーボンモノコックを採用した初の四輪車とされている。拡大
「マクラーレンMP4/1」のカーボンモノコック。
「マクラーレンMP4/1」のカーボンモノコック。拡大
熱可塑性CFRPについては日本の帝人と米ゼネラルモーターズが共同開発を進めており、2018年秋にデビューする「GMCシエラ デナリ」(2019年モデル)の荷台に使われる予定となっている。
熱可塑性CFRPについては日本の帝人と米ゼネラルモーターズが共同開発を進めており、2018年秋にデビューする「GMCシエラ デナリ」(2019年モデル)の荷台に使われる予定となっている。拡大
車買取・中古車査定 - 価格.com

メルマガでしか読めないコラムや更新情報、次週の予告などを受け取る。

ご登録いただいた情報は、メールマガジン配信のほか、『webCG』のサービス向上やプロモーション活動などに使い、その他の利用は行いません。

ご登録ありがとうございました。

webCGの最新記事の通知を受け取りませんか?

詳しくはこちら

表示されたお知らせの「許可」または「はい」ボタンを押してください。