４代目トヨタプリウス車両分解調査 (下)：TNGAの車体構造と遮音吸音材・制振材の技術

プリウス車体構造

 前々報の「４代目プリウス車両分解調査（上）燃費40km/Lのために高効率化と軽量化されたパワートレーンユニットの進化」、前報の「４代目プリウス車両分解調査（中）プリウスの走りを変えた新プラットフォームTNGA/シャシー・空力性能技術の進化」に続き、広島県産業振興機構のベンチマーク活動で2016年1月に実施された車両分解調査の内容を報告する。

 今回は、TNGA（Toyota New Global Architecture）プラットフォームの中核とも言える、車体構造に関する技術を紹介する。新型プリウスの車体構造は、①衝突安全性能、②車両運動性能に必要な高剛性車体、のために強固な車体を作る一方、③軽量化による燃費性能、の３つを目的に考え抜かれた技術が織り込まれている。この中では②車両運動性能に必要な高剛性車体は、従来に対し、新しい取り組みとなっている。４代目プリウスでは、超高張力鋼板の採用拡大や、TNGAの考え方に基づいた環状構造の骨格を採用、レーザースポットウェルディングの採用等により、車体のねじり剛性は約60%向上したという。また、この車体構造の静粛性向上の技術として、車体本体でのシール材や制振材の特徴と、今回の新型プリウスで強化されている遮音材吸音材についても紹介する。

 次回レポートでは、番外編として今回までの３つの報告で掲載できなかった部分も含め、車両分解調査での各コンポーネント、各部品の写真と主要部品サプライヤー一覧を紹介する。

過去の分解レポート：
トヨタ 4代目プリウス
（上）燃費40km/Lのために高効率化と軽量化されたパワートレーンユニットの進化 （2016年2月）
（中）TNGA/シャシー・空力性能技術の進化 （2016年3月）

車両前部の衝撃吸収構造　　資料：トヨタ自動車

 車両前端から順に車体構造を見ていき、前面衝突時の衝撃吸収構造から解説する。バンパー先端からダッシュパネルまでのエンジンコンパートメント部分で衝突時の入力を吸収することで、乗員が乗っているキャビン部分には衝撃力をできるだけ小さくするのが基本的考え方であることは、従来と同じである。新型プリウスでは、斜めからの衝突に備えた骨格構造とするため、バンパーリーンフォースを強固にすることに加えて、第２クロスメンバーと第２クロスメンバーからの入力を受け止める補強ステイを採用して、サスペンションメンバーに繋ぐ構造としている。これにより、衝突エネルギーを分散・吸収できるようにしている。これは車重、車高の異なる車と衝突した場合における、双方の共存を狙った構造となっている。

フロントバンパーリーンフォースと第２クロスメンバー

 フロントグリルと一体となっているフロントバンパーフェイシアを取り外すと、その裏側にフロントバンパーリーンフォースと第２クロスメンバーがある。

フロントバンパーリーンフォース

 フロントバンパーリーンフォースはアルミ押し出し材で、スチール製の閉断面構造（注）のバンパーステイで前後方向の力を受け持つ構造となっている。バンパーリーンフォースの前側には発泡ウレタンが設定されて、低速時の軽衝突では、車体本体を変形させずにバンパーフェイシアと発泡ウレタンだけが変形して、損傷部位を小さくする構造となっている。 注）閉断面構造：「コ」の字形断面や「Ｈ」形断面に対して、「口」の字形の断面構造で、鋼管のように内部に空洞を持つ断面構造のこと。「コ」の字形断面や「Ｈ」形断面の開断面構造に対し、同じ断面積でも、強固な強度、剛性を有する構造。

エンジンルーム下側から見た車体構造

第２クロスメンバーからの力を受け止めるために、第２クロスメンバーとフロントサスペンションメンバーを繋ぐ補強ステイが設定されている。この補強ステイは、衝突安全性能だけでなく、フロントサスペンションの支持剛性を高める効果もあり、操縦安定性向上にも寄与していると思われる。

エンジンコンパートメントの骨格構造

 バンパーリーンフォースからの衝突入力はバンパーステイを介して、その一直線上にあるフロントサイドメンバーが受け止める。また、フードリッジ上端に配置されたフードリッジリーンフォースにも衝突入力を分散するために、フードリッジリーンフォースの前端部が閉断面の骨格として、フロントサイドメンバーとバンパーステイ結合部まで伸びていることが、この車体の特徴の一つである。

フードリッジリーンフォース構造

 フードリッジリーンフォースは前述のサイドメンバーとバンパーステイ結合部へ繋がる骨格と、ラジエターコアパネル上部に繋がる骨格の２つに分岐しており、衝突入力を受け止めるだけでなく、車体前部のねじり剛性を高める構造となっている。

右側ストラットハウジング周辺構造	左側ストラットハウジング周辺構造

 ストラットハウジングの構造は、一般的なＦＦ車の車体構造と同じであるが、プリウスの特徴はダッシュパネルとの距離が近く、ダッシュパネルと補強材を介して結合していることが特徴である。さらに、ダッシュパネルアッパーが分割構造でダッシュパネル上部と左右のストラットハウジングを結合している。これによって、車体のねじり剛性及び曲げ剛性が高められている。これは高性能車やスポーツカーに設定されているストラットタワーバーを取り付けていることと同じ効果があり、サスペンションからの入力時の車体の変位を小さく抑えることによって、操縦安定性向上に寄与している。

左右ストラットハウジングとダッシュパネルを結合するダッシュアッパーパネル

ダッシュパネル室内側

 衝突入力に対して、エンジンコンパートメント部分で車体を変形させながら衝撃吸収する一方、キャビン部分は強固な車体で変形を抑えて、乗員のための空間を確保する必要がある。その境目となるのが、ダッシュパネルである。ダッシュパネルの内側下部に設定されているトーボードは1.5GPa級のホットスタンプ材が使われている。

 ダッシュパネル下部は、衝突入力が大きく伝わるサイドメンバーが接続する部位であり、キャビンの変形を抑える重要な部位である。これまでの一般的なダッシュパネルは薄板に簡素な補強のみの構造が多いが、プリウスはダッシュパネル下部のトーボード部分にダッシュサイドとトンネル間を繋ぐ閉断面構造の骨格を有している。さらにダッシュパネルの高さ方向で中央部と上端の２箇所にも、左右のダッシュサイドを閉断面構造の骨格を設定し、剛性が高く強固な構造となっている。さらに中央の骨格の左右端部、及び中央のトンネルとの接合部には、ボルト取り付けの補強ステイを設定し、中央の骨格の剛性向上の効果をさらに高めている。

また、前述のダッシュパネルの構成部品となる、各骨格のパネルの接合の端部には、接合部の隙間を埋めるボディシーラーがたっぷり塗布されている。ボディシーラーの塗布量を従来型に比べて増すことで、エンジンルームからの音の侵入を防ぎ、静粛性を向上している。ボディシーラーはダッシュパネル以外にフロア部分にも多用されており、車室外からのロードノイズ等の音の侵入を防ぐ効果を果たしている。これは、最近のトヨタ車共通に採用されている静粛性向上技術の一つである。

ボディシーラー塗布部位　資料：トヨタ自動車

フロントフロアでは後側フロントシートクロスメンバーに1.5GPa級のホットスタンプ材が使われている。通常一般的な車では、シートクロスメンバーはフロントシートの前側取り付け部に設定されているだけであるが、プリウスではシート後側取り付け部にも閉断面構造のクロスメンバーが設定されている。このクロスメンバーはちょうどＢピラーの繋がる位置に設定されており、側面衝突時に真横からの入力を支える目的もある。さらに、左右のＢピラー間を繋ぐことで、車体のねじり剛性を高める効果があり、サスペンションからの入力に対する車体の変位を小さく抑えることで、操縦安定性など運動性能向上に貢献している。この後側シートクロスメンバーは、フロントシートの後端部の下側に位置し、フロントシートクッションとフロアカーペットとの隙間に、後席乗員の靴先を潜り込ませる場所にある。そのため、前側シートクロスメンバーのような大きな断面積は確保できず、靴先が入る部分は断面積の高さを低くしている。それでも、強度剛性を高くするために、1.5GPa級のホットスタンプ材を採用していると考えられる。

車両後方から見たフロントフロア

車両斜め前方から見たフロントフロアとリヤフロア

 前側シートクロスメンバーと後側シートクロスメンバー、さらにフロントフロアとダッシュパネル接合部のトーボードパネルは、サイドシルとフロアトンネル部を繋ぐ重要な骨格となっているが、トンネルによって左右の骨格が分断されているため、フロア下面に補強ステイがそれぞれに設定されている。その３本の補強ステイは、同一断面のアルミ押し出し材で、軽量化とコストを考慮した設計となっている。

フロントフロア下のトンネル部の剛性向上のためのアルミ押し出し材補強ステイ

フロア面にはフロア面の振動を減衰させるために、制振材が設定されているが、最近のトヨタ車の制振材は塗布型制振材が採用されている。平面だけでなく、曲面や垂直面など複雑な場所にも密着性良く適用できるようになり、また制振性能も高めていることで少量の使用でも従来の制振性を保つことができる。

ボディサイドアウターパネルは一体品	ボディサイド環状構造　資料：トヨタ自動車

プリウスのボディサイドのアウターパネルは、ＡピラーからＢピラー、Ｃピラー、リヤフェンダーまでが一枚で一体成形されている。これは、ボディーサイドの開口部はドア開口部であり、ドアが閉じた状態では、ドアのシールラバーが各ピラーの接触面にぴったりと合わさり、雨水や風音をしっかりシールする必要がある。このドアシールラバーのシール性能をきっちりと精度良く作り込むために、ボディーサイドを一体成形することで、各ピラー毎の部品の継ぎ目を作らないことと、溶接を行わないことで高い寸法精度を確保することができるのである。一方強度剛性については、インナーパネルにホットスタンプ材、超高張力鋼板を使い、強固な環状構造を作っている。Ｂピラーのインナーパネルは980MPa級冷間プレス材の超高張力鋼板に1.5GPa級のホットスタンプ材の補強材を組み合わせている。また、ルーフレールには1.5GPa級のホットスタンプ材、サイドシルに980MPa級冷間プレス材を使っている。

ボディサイドインナーパネル

ドア開口部のレーザースクリューウェルディング

 最近のトヨタ車はスポット溶接に加えて、レーザースクリューウェルディングを採用している。従来のスポット溶接では打点間隔（ピッチ）が30～25mm前後必要だったものが、10mm前後まで短くすることができ、パネル同士の接合を強め車体剛性を向上することができる。車体剛性を向上させるために、最近欧州車で採用が拡大しつつあるレーザー溶接では、接合部を隙間なく接合できる代わりに、スポット溶接に比べ長い作業時間が必要になってしまう。レーザースクリューウェルディングは"円形状"の溶接をハイスピードで打点し接合するので、効率よくボディ剛性を向上させることができる技術である。

 車両後部の車体構造での特徴は、Ｃピラーとホイールハウスの位置で、フロアからルーフ後端部までを閉断面構造の骨格がぐるりと一周回る環状構造である。この環状構造は、リヤゲート開口部を一周まわる閉断面構造の骨格とルーフ後端部で接続することで、車体後部をしっかりと強固で高い剛性の構造体にしている。そして、横方向は前述のボディサイドの環状構造、前方向は超高張力鋼板の骨格で補強されたダッシュパネルと組み合わせることで、キャビンの前後左右が強固な枠組みによって固められている。これは前後左右から衝突入力が加わっても、環状構造の骨格が乗員の空間をしっかりと確保する構造になっている。さらに強固な骨格の効果として、車体の曲げ剛性、ねじり剛性が共に高められている。これにより、前後のサスペンションからの大きな入力に対しても、車体のねじれやたわみを小さく抑えることで、操縦安定性の向上や乗り心地の向上に寄与している。

ルーフ、Ｃピラー、フロアを一周する環状構造骨格	リヤホイールハウス周り環状構造の骨格
車体後部の環状構造　 資料：トヨタ自動車

ダッシュパネル部遮音材

 ダッシュパネル上部には高周波の遮音に効果が高いシンサレートが採用されている。新型プリウスには随所にシンサレートが多用されている。これはハイブリッドシステムのインバーターが発するノイズ等の高周波音への対応で、通常のガソリンエンジンのトヨタ車では、ここまでシンサレートを多用していない。

 ダッシュパネルメイン部には、新素材の遮音材が使われている。従来からの吸音材であるフェルトの前側に、穴をあけた遮音材を採用している。遮音材内で特定の周波数の音が打ち消し合う構造を作り、エンジン音の主成分の周波数を効率的に低減している。

ダッシュパネルの遮音材が取り付いた状態	ダッシュパネル遮音材単品

ダッシュパネル遮音材構造　　　資料：トヨタ自動車	ダッシュパネル遮音材内部の穴の開いた遮音材

フロア部遮音材

 従来型ではフロアカーペットと一体型だったため、使用面積が限られていたフロアサイレンサーを新型プリウスでは、フロアカーペットと分割した構造とすることで、フロア形状にフィットさせてフロア全面に敷き詰める形状とした。従来はシートクロスメンバー部を覆うことができなかったが、隙間なく全面を覆うことで、静粛性を高めている。

フロアカーペット下のフロアサイレンサー	フロア遮音材の面積拡大　資料：トヨタ自動車

フロアカーペット（前席下部に薄いフェルトが貼られているだけである）

高周波ノイズ対策のシンサレート

ルーフトリムには、ほぼ全面にシンサレートが設定されている。ルーフトリムにこれだけ広い面積でシンサレートを貼る理由は、インバーターノイズがルーフパネルに反響してしまうことと、ルーフが乗員の耳元に近いため、わずかな反響音も気になるレベルになってしまうからである。  シンサレートは、前述のダッシュパネル上部の他に、ドアトリムとラゲージサイドトリム(両側)にも設定されている。今回の新型プリウスは、フロア部やダッシュ部の遮音の向上などで、車両全体の静粛性が向上しているために、高周波ノイズが目立ちやすいということもあると思われる。

ルーフトリム裏面

ドアトリム裏面	ラゲージサイドトリム裏面

エンジンルーム遮音材

エンジンルーム遮音材　資料：トヨタ自動車	エンジンアンダーカバー上面

ダッシュパネルエンジンルーム側遮音材	エンジンルーム外観

 新型プリウスのエンジンルームには、プレミアムセグメント車並みの遮音吸音材が設定されている。エンジンアンダーカバーはエンジンルームの下側を完全に塞いでおり、さらに遮音吸音材が設定されている。またエンジンフードを閉じれば、エンジンルーム上部からエンジンパワートレーンからのノイズが車室内に侵入しないように密閉するような構造になっている。シールラバーがエンジンルーム後端部分と両サイド、前端部に設定されている。エンジンルーム後端部のシールラバーのさらに後部は、カウルボックスの空洞部があるが、ポリプロピレン製のカウルカバーによって、空洞部の隙間をふさぎ遮音している。ポリプロピレン製のカウルカバーは、車体本体のダッシュパネルととシールラバーが取り付けられているダッシュアッパーパネルの間をを繋ぎ、隙間をふさいでいる。ダッシュパネルのエンジンルーム側の縦壁面には遮音吸音材が設定されていて、ほぼ同様の遮音吸音材がエンジンフード裏面にも設定されている。

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