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コラム

車体軽量化技術の進化について

今回は、「車体軽量化技術の進化」をテーマとした以下のアンケート結果を踏
まえてレポートを配信致します。

http://www.sc-abeam.com/sc/?p=7039

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【はじめに】

 本稿は、先のメールマガジン2012年12月号にての論稿「『鉄』の代替として、
将来のクルマに最も期待する軽量化手法とは」
(リンクアドレス:http://www.sc-abeam.com/sc/?p=6677
の続編として、その後の動向を踏まえて、「日系自動車メーカーがグローバル
な市場地位を今後 10~ 20年先に掛けても維持する為に、今後どのような『車
体の軽量化戦略』を採って行くべきか」について考察するものである。

 自動車の軽量化の背景には、年々強化される世界的な燃費規制がある。米国
では、現在の燃費規制35.5マイル/ガロンが2017年から段階的に引き上げられ
25年には54.5マイル/ガロンと約2倍に強化される。日本でも、09年度の車両
質量平均1200キログラムの実測値16.3キロメートル/リットルを20年までに
20.3キロメートル/リットルへと約25%引き上げることが求められている。更
に、欧州においては、15年度に新車のCO2排出量120グラム/キロメートルを達
成した後、20年までに95グラム/キロメートルに引き上げられることが確定し
ている。また、それ加えて、13年7月には、25年までに68~75グラム/キロメ
ートル達成を目指す方針がEU評議会で可決された。

 燃費向上の為の手段は大きく分類して二つある。一つはパワートレイン系の
改善、つまり、熱効率及び伝達効率の改善、もう一つは主に車体系の改善、つ
まり、走行抵抗の軽減である。軽量化は後者に属し、重要な位置を占めている
(走行抵抗の軽減には軽量化の他に車体空力抵抗の改善等がある)。因みに、
100キログラムの軽量化は、約1.0キロメートル/リットルの燃費改善をもたら
すと言われている。

 更には、パワートレイン系の燃費改善策の一つである電動化技術の導入その
ものが、電池等、新規部品の追加採用を織り込んでいることや、昨今、自動運
転支援機能の増強等により、自動車の重量そのものが著しく増加する傾向にあ
り、自動車の軽量化に対する要求の度合いは相乗的に厳しいものとなっている。

 自動車の重量を部分別にみると、約4割が車体、3割がシャシ、15%がパワー
トレイン、内装品・電装部品等その他が15%、といわれる。一言で自動車の軽
量化といっても、極めて多岐に亘る領域に議論が拡散される為、本稿において
は、貢献度合いが最も大きい車体に絞ることとしたい。

【ワンクリックアンケートの結果】

 本稿に先駆け、読者の皆様には、「日系自動車メーカーが今後10~20年先に
向けて採って行くべき『車体の軽量化戦略』」についてのアンケートにご協力
を頂いた。その結果は次の通り:

1.素材そのものに加えデザイン構造の進化を含む「鉄」ベースの追求:
                                24 %
2.「鉄」からアルミ等非鉄金属素材への置換の推進:       29 %
3.「鉄」からCFRP等非金属素材への置換の推進:         40 %
4.その他:                            7 %

因みに、2012年12月時点にもほぼ同様のアンケートを実施しているが、その結
果は次の通りであった:

1.「鉄から鉄への材料置換」:         32 %
2.「鉄から非鉄金属への材料置換」:      22 %
3.「鉄から非金属への材料置換」:      36 %
4.「その他」:            10 %

上記から、約1年半の期間ではあるが、「鉄以外への置換」に対する期待が強
くなっていることが伺える。

【「鉄」ベースの軽量化】

 車体軽量化に向けて、まずは、ホワイトボディそのものの構造の見直し、そ
の強化・合理化が検討される。また、合わせて、材料の高強度化や軽量材料へ
の置換が推進される。

 材料の高強度化については、同じ強度を保ちつつ材料の板厚を減少させるこ
とで、大幅な軽量化が可能となる。但し、どの部位にどの程度の強度を持たせ
るかは、夫々の車体部位に求められる要求特性も鑑み、適用部位が設定される
為、車体全体に一様に高強度材料を用いることはできない(例えば、車体前後
部については、衝突時の安定した圧壊特性を持たせる為、比較的強度の低い高
強度材料を用いざるをえない、という事情もある)。

 材料の高強度化対策としては、「高張力鋼板(ハイテン材)」を冷間プレス
で成型する方法がある。しかし、鋼板が高張力であるが故に、プレス成型性を
含めた加工精度の実現、成型時の金型耐久性の保持、等に限界があり、また、
斯様に高度な品質の鋼板を安定供給すること自体が難しい為、鉄鋼ミルの実力
に依存することになる。ハイテン材の安定供給については欧米の鉄鋼ミルに比
べ、日系の鉄鋼ミルに優位性があると言われている。

 もう一つの高強度化対策としては、鋼板を予め加熱し軟質化させた状態でプ
レス加工すると同時に金型との接触に伴う冷却効果により焼き入れすることで、
高い強度を持たせる「ホットスタンプ」という手法がある。予め鋼材を加熱す
る時間に加えプレス成型後に冷却時間を設ける必要があるため、成型時間が長
くなり、生産効率が低下するに加え、余計な追加設備を投資する必要も生じる、
という弱点がある。しかし、成型後はハイテン材よりも高い強度を持たせるこ
とが可能になる(ハイテン材については最大強度は 1200 メガパスカル、対し
て、ホットスタンプは、最大 1500 メガパスカルと言われる)為、欧米自動車
メーカーが積極的に採用しており、ホワイトボディの 2 割以上をホットスタン
プが占めるケースも少なくない。

 「鉄ベースの軽量化」について、最近でも多くのニュースが報道されている。

1) 世界鉄鋼協会(WorldAutoSteel:WAS)は、ハイテン、ホットスタンプを
用いた車両軽量化のプロトタイプ開発プログラムを08年以来推進中。この結果、
2015~20年を想定した次世代車体において、これら高強度材料の採用比率を97
%にまで高めることで約35%の軽量化を齎す開発試作に成功したことを発表し
た。 

2) スズキは、13年2月に発表した新型軽自動車「スペーシア」にて、ハイテ
ン材の比率を大幅増やす等の結果、先代に比べ全車重で90キログラム、車体だ
けでは22キログラムの軽量化を達成した。加えて、同年9月、新型発表の「キ
ャリイ」にて、ハイテン材の採用を増やした結果、車重総重量で50キログラム、
うち、車体単独で25キログラムの軽量化に成功した。更に、スズキは、本年4
月に新開発の次世代プラットフォーム発表した。このプラットフォームにては、
車体構造部品の形状に工夫が施され、鋼材の使用量を減らすことで最大15%の
軽量化が達成されると発表した。

3) 日産は、13年のQ50新型スカイライン導入にあたり、超ハイテン材の採用
を従来の1割弱の水準から増やし、17年には25%に拡大することで15%の軽量
化を実現すると発表。以後、対象モデルを徐々に増やし、ダットサン等量産モ
デルについても超ハイテンを多用していく方針を打ち出している。

4) フォルクスワーゲンは、12年9月に発売した7代目新型ゴルフにてホットス
タンプをボディ全体の28%に採用した。その結果、安全装備の増加にもかかわ
らず、先代モデルと比べ約20キログラムの軽量化に成功した。

5) トヨタは15年以降に市場投入する新型車の軽量化手段として、これまで車
体の僅か1%程度しか採用していなかったホットスタンプを1割前後迄大幅に増
やすことを発表した。

6) ホンダはホットスタンプの生産体制を強化し、鈴鹿に続き狭山工場にも同
工程用の設備を導入した(13年6月)。因みにホンダはNシリーズの車体の55.8
%にハイテン材またはホットスタンプ材を採用している。加え、ホンダは13年
9月に発売したフィットでは、ホットスタンプで製造した1500メガパスカル級
の高張力鋼販を多数採用する等によりホワイトボディを従来比10%軽量化した。

 然しながら、「鉄ベースの軽量化」については、継続して以下の課題もある。

1) 自動車メーカーのグローバル生産が進展し、特に昨今はモジュール化導入
によるグローバル生産体制構築が進んでいる。そうした中で、ハイテン材につ
いてもグローバル安定供給(調達)の実現が課題になっている。現地ミルへの
技術供与等、鉄鋼ミル各社の精力的な対応の結果、現在では強度980メガパス
カルのハイテンであれば、グローバル調達が可能になったと言われるが、今後
も継続するであろう高強度化の流れの中で、引き続き持続的な対応が求められ
ている。

2) 「ハイテン材」及び「ホットスタンプ材」についての共通の課題として、そ
れら材料製造工程及び加工組立工程において、従来工程以上のCO2を発生させて
しまう問題もある。

【鉄から非鉄金属素材への置換】

 「鉄ベースの軽量化」に並行して、現在では、アルミや樹脂を含めた素材置
換を適材適所に配置したマルチマテリアル車体の開発が強化されている。中で
も、車体の一部アルミ化の進展が注目されている。そのターゲットとなる部位
としては、高張力化が困難な、ドア等開閉部分やフロア、ダッシュパネル、ボ
ディサイドパネルなどである。

 アルミ化の進展の為には、1)低コスト化、2)成形性の向上、3)異材接合方法
の開発、等の課題がある。つまり;

1) 低コスト化: アルミについては、そもそも、材料そのものが鉄より高価
なことに加えて加工費用が高く付く。結果、総コストは鉄の3倍になると言わ
れている。軽量化の実現により材料の投入質量を削減し、且つ、加工性の問題
を解決することが課題。加えて言えば、軽量化がもたらす燃費改善を考慮した
トータルライフコストで評価する考え方の転換が必要だ。

2) 成形性の向上: 例えば、フード等のパネルを成形する際、あるアルミ材
は軟鉄材に比べ反り等の成形性の問題に加え、表面に傷が付く、金型と凝着し
易い等の問題がある。然し、これらは、関連する各生産技術要素の改善に加え
てシミュレーション技術の発達により、解決の道筋が示されている。

3) 異材接合方法の開発: 接合後の強度、高腐食性、熱変形対応、生産性へ
の対応が課題だが、近年はリベットの導入や接着剤の開発により、大きな技術
進歩が見られる。

 これら課題を考えても、日系自動車メーカーによる車体のアルミ化動向は他
国と比べて進展が遅いと言える。EuroCarBody2013によれば、アルミ素材比率
は、日産Q50で3.4%、レクサスISで2.4%、対して、メルセデスSクラスは32.5
%、レンジローバースポーツでは95%である。こうした背景には「日系自動車
メーカーは、鉄の薄肉化に成功していることに加え、ハイブリッドカーによる
燃費基準達成に力を入れていることもあって、アルミ化がプライオリティにな
っていない」という粗材メーカーの意見もある。

 ホンダは13年3月、新型「アキュラRLX」の発表に際して、鉄とアルミ材を結
合する新技術「3Dロックシーム」を発表した。この技術をドアに適用し、世界
で初めて量産車としてインナーに鉄を用いつつ、アウターパネルを全面アルミ
化することで、17%の軽量化に成功した。ホンダは今後、トランクリッド等そ
の他の部品に同技術の応用を進める他、「シビック」など大衆車にも展開をし
ていく計画だ。

 今後は、日本車についてもマルチマテリアル車体の開発と、アルミ化の本格
的な進展が期待される。今後10年間を見渡した場合には、車体の一部アルミ化
が、軽量化に向けての最も現実的な展開と思われる。但し、ここでも、もう一
つ残された課題がある。鉄と同様に、アルミメーカーについても、グローバル
供給体制の構築が急務となってくる。

【鉄から非金属素材への置換~その①】

 マルチマテリアル車体の開発が進む中で、もう一つ、注目されるのが樹脂部
品の車体への導入だ。

 しかし、アルミ化と同様、日系自動車メーカーによる採用は欧米に比べて遅
れていると言われる。「自動車1台当たりのエンジニアリングプラスチック
の平均使用量は欧州車が20キログラム、韓国車が25キログラムにも及ぶのに対
して、日本車は10キログラムに留まっている」という指摘もある。

 13年10月、ダイハツが導入した新型タントでは、ボンネット、フロントフェ
ンダー、バックドア、フュエールリッド、レールカバーを樹脂化することで、
鉄製部品に比べて約10キログラムの軽量化を実現するとともに歩行者衝突保護
性能を向上させた。また、樹脂化により、バックドアとリアスポイラーとが一
体成型となった。
 
 来年、トヨタは4代目プリウスを発表する。これには新設計手法「TNGA」が導
入され、ボディ部分の非金属素材への置換も進行することが予想されている。
既にトヨタはカローラフィールダーで軽量樹脂製バックドアを採用しており、
プリウスについては加えてバックウィンドウガラスも一体成型物の透明樹脂材
を使用し、更なる軽量化に踏み込む見通しだ。

 バックドアについては、日産も13年末発表の新型エクストレイルにて樹脂製
のモジュールを採用している。樹脂製のドアはセンサーの障害となる金属素材
を含まない為、高い感度が実現できるという強みもあり、一体成型性に機能性
を加えた「高機能システムモジュール」への進化が見込まれる。

 樹脂については、耐熱温度が100度C以上で高強度、難燃性のものが相次いで
開発されており、自動車用材料として適用可能範囲が広がっている。然し、メ
タル系素材を樹脂に置換するに当たっての最大の壁は「一桁高い」と言われる
コストだ。この点について、樹脂メーカー側は、「軽量化を勘案した上で、重
量ベースではなく面積当りのコストで考えれば決して高くない」と主張する。
更には、樹脂化には、一体成型がし易いというメリットもある。つまり、樹脂
化の進展の為には、材料、加工、設計の三つを総合したトータルコストとして
の評価を重視することが求められる。この為、素材メーカーは従来の材料のみ
の供給に収まらず、一部、部品の設計にまで踏み込んだ、半製品の様な形での
供給を増やす方針を打ち出している。また、一方で、自動車メーカー側も「樹
脂化によって機能が増えれば、コスト増も仕方ない」と理解を示し始めている。

 ドイツBASFは13年3月、自動車の軽量化を促進するフェンダー、スポイラー、
ルーフ・モジュール等の新しい複合材料を開発したと発表した。それと共に、
日本での研究開発活動を強化している。この動きはBASFに限らない。各社共に、
日系での採用を増やすべく、従来の素材供給の枠を超えて製品ものづくりの現
場にまで踏み込むことで、日本流の「摺り合せ型開発」への対応を強化してい
る。しかし、一方では「今後、自動車の樹脂化が進展する為には、安全性に対
するイメージが課題となる」とも言われており、各社共に、安全性確保のPRの
為のシミュレーション技術を強化している。

【鉄から非金属素材への置換~その②】

 CFRPは、重量が鉄の4分の1であり、強度は鉄の10倍、錆びない等の特徴から
長い間、究極の軽量化材料として注目されてきた。昨今、CFRPを巡って多くの
動きが見られる。ご存知の通り:

1) BMWi3では、三菱レイヨンとSGLグループの合弁が炭素繊維原料を製造して
いる。

2) ドイツのダイムラーは東レとCFRP製自動車部品を共同開発することで合意
した。

3) 帝人はGMとの共同開発の結果、CFRP部品の量産供給を2015年に向けて開始
する。

 近年のこうした活発な動きは、CFRPの課題である高コスト(質量比で鉄の9
倍、軽量化効果を考慮しても2倍以上)と、低生産性(成形が難しいことに起
因する)について、解決の道筋が見えてきた為だ。

 従来からの熱硬化性樹脂を母材とするCFRPについては、高速RTM工法を用い
ることで成形品コストを1/5~1/7にすることが可能になった。更には、より成
型性のよい熱可塑性樹脂を母材とすることで、コストを1/10にする挑戦も進ん
でいる。東レは、ダイムラー(AMG)向けに、熱硬化性CFRPを使い高速RTM工法
で加工したトランクリッドを、12年10月から納入している。帝人は、1分以内
のタクトタイムで熱可塑性CFRPコンポジット製品を量産する技術を確立した。
これらにより、いよいよ、CFRPの量産車への本格採用も視野に入ってきた。

 更に、素材各社は何れも自動車用の採用を増やす為には、従来の素材納入を
超えた半製品メーカーへの脱皮が必要、として対応を急いでいる。東レは13年
にCFRP部品を製造する童夢カーボンマジックを買収、三菱レイヨンも、12年末
にCFRP部品メーカー・チャレンジを買収した。更に、東レは、同年米国ゾルテ
ックを買収し、より安価なラージトウCFRPを製品に加えることで、バリエーシ
ョンを拡大し、トータルでのCFRPの採用量を増やす戦略を推進中である。

【結論・所見】

 以上を総括して、「日系自動車メーカーの今後の軽量化戦略のあり方」につ
いて、考えを纏める。

 まず、繰り返しになるが、今後10年間というスパンであれば、鉄の更なる高
強度化と並行して、一部素材のアルミへの置換が進み、車体のマルチマテリア
ル化が本格化するというのが現実的な見方だ。特に、大型SUVや高級車といっ
たアルミ化に伴うコスト上昇分を吸収する余地のある車種から順次、アルミ化
が進展するものと思われる。

 また、マルチマテリアル車体の進化は、アルミ化に加えて樹脂化にも門戸を
開き、樹脂について「素材から製品」へという供給概念の変化が進めば、更に、
CFRPへと、車体に採用される材料のフレキシビリティの幅は広がり、車体が素
材のあり方をリードしてきた過去から、将来は素材が車体のあり方を変革する
時代に突入することが考えられる。

 斯様に、時代環境が変化する中、この度、i3が登場したことは一際大きな意
味を持つ。CFRPコンポジットを車体重量の6割にまで大幅に採用したのは量産
車として初めての試みであり、その素材サプライチェーン・製造工程において
も脱炭素化を強調したその試みにより、一世を画す新たなモデルが示されたも
のと受け止めることができる。こうした中で、13年はじめにトヨタがBMWとの
交した次世代技術に関する共同開発の合意の行方について注目したい。この中
には次世代軽量化技術も主要テーマの一つに織り込まれている。

 本稿の為、改めて「軽量化」に関する近年の状況をみると進化の速度に驚か
された。報道されている内容だけでも上述の通り夥しい件数の試みが展開され
ている。燃費規制強化の流れは、冒頭の申し上げたEU評議会の動向でも明らか
な通り、最早、立ち戻ることなく今後とも一気呵成に進むものと思われる。よ
って、20年後までのスパンで見れば、車体における樹脂化、そして一部のCFRP
化が進行し、単なる材料置換に留まらず、軽量化による自動車の基本構造その
もののあり方を含めた変革が進展することが期待される。

<大森 真也>

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