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はじめに

炭素繊維複合材は、樹脂、金属、セラミックスをマトリックスとし、炭素繊維を強化材として高度な複合成形法によって作られた高性能複合材です。炭素繊維強化ポリマー (CFRP) は、自動車用途に使用される主な材料であり、低密度、高弾性率、高比強度などの一連の利点を備えています。そのため、航空宇宙、風力発電、レジャー・スポーツ、軍事などの分野で広く使用されています。近年、地球環境汚染が深刻化する中、「省エネ・排出削減、低炭素経済の発展」は世界的に高いコンセンサスを形成しています。自動車の軽量化は、エネルギー消費と排出ガスを効果的に削減できます。CFRPは、耐高温性、耐食性、衝撃吸収性などに優れた軽量素材であり、その製品は見た目にもクールな印象を与えます。そのため、自動車エンジニアの間でますます支持されています。近年、自動車へのCFRPの適用を促進するため、多くの大学や企業でも自動車へのCFRPの適用に関する研究が進められています。

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ボディ骨格へのCFRPの適用

CFRP は、その低密度、高弾性率、比強度により、多くの場合、大型構造部品の軽量化用途に適しています。ボディ骨格は車両全体の質量に最も寄与するシステムとして、CFRP軽量化の最も重要なターゲットであり、CFRPの早期適用となった。ゼネラルモーターズは1992年に早くもCFRP製の超軽量ボディ骨格構造のコンセプトカーを開発し、BMWが2013年に発売したi3のボディにCFRP製の車室が採用されたことをきっかけに、CFRP応用の研究ブームが起きた。以来、CFRPのボディ骨格への適用はスーパースポーツカーから高級車、新エネルギー車へと徐々に拡大してきました。BMW i3 の客室は 34 個の CFRP 部品で構成されており、そのうち 13 個が一体成形されており (プリフォーム 48 個を含む)、高度な一体化を実現しています。たとえば、i3 サイド ボディは 9 つのプリフォームに分割され、その後 9 つのプリフォームがレジン トランスファー モールディング (RTM) 技術によって成形されて、内側および外側のサイド ボディ パネルが形成されます。BMW i8、BMW 7シリーズ、レクサス LFA、ランボルギーニ アヴェンタドール LP700-4のボディ骨格構造部品には多くのCFRP部品が使用されており、アウディ A8のリアシートバックパネルにもCFRPが使用されています。また、メルセデス・ベンツ、フォード、トヨタなどの海外主流自動車会社においても、ボディ骨格構造部品におけるCFRPの応用研究やモデルリリースが行われています。ランボルギーニ アヴェンタドール LP700-4のボディ骨格構造部品には多くのCFRP部品が使用されており、アウディA8のリアシートバックパネルにもCFRPが使用されています。また、メルセデス・ベンツ、フォード、トヨタなどの海外主流自動車会社においても、ボディ骨格構造部品におけるCFRPの応用研究やモデルリリースが行われています。ランボルギーニ アヴェンタドール LP700-4のボディ骨格構造部品には多くのCFRP部品が使用されており、アウディA8のリアシートバックパネルにもCFRPが使用されています。また、メルセデス・ベンツ、フォード、トヨタなどの海外主流自動車会社においても、ボディ骨格構造部品におけるCFRPの応用研究やモデルリリースが行われています。

軽量化は車両開発の主な目的の 1 つであり、モデル コンポーネントの軽量化は現在業界から大きな注目を集めています。ボディ骨格にCFRPを適用することで約100kgの軽量化を実現。

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ボディ表皮、内外装トリムへのCFRPの適用

外国車の外装表皮、特にポジションの高い高級車ではCFRPの採用が拡大しており、CFRPのコストが高いため、CFRP表皮の採用が多くなっています。 BMW、アウディ、メルセデスベンツ、レクサス、ランボルギーニなどのハイエンドモデルのハイエンドモデル、ドアブライトストリップ、リアスポイラー、リアウイングなどのハイエンドモデルや改造スポーツキット、自社開発のCFRPカバーリングなど内外装トリム部品のほか、改造用の特別な CFRP 部品も市販されています。

CFRP は、国内のボディカバーおよび外装トリム部品の応用研究のホットスポットでもあります。基本的に、国内のすべての OEM は、ボディ表皮や外装トリムへの CFRP の適用について研究を行っており、その適用は増加傾向にあります。近年、CFRP製ボディ表皮および外装トリム部品を開発・適用した主なモデルは、Promise K50、Geely Link 03+/05+、Volvo Polaris 1、Great Wall WEYVV7、SAIC MG6などです。また、Lutisなどのモデルもすでに量産開発中です。

2018年に発売したピュアエレクトリックスポーツカー「Frontage K50」は、中国で唯一、前後バンパーを除く合計29点のCFRP部品による「オールカーボン」ボディ表皮（外装トリム部品含む）を採用したモデルです。そしてサイドスカート。総質量はわずか46.7kgで、従来の金属部品に比べて40％以上軽量化されています。

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Application of CFRP in chassis system

足回りの構成部品のほとんどは「バネ下の質量」であり、その軽量化により車両全体のパフォーマンスが向上します。しかし、シャーシ部品は過酷な環境に設置され、そのほとんどが可動部品であり、耐久性、疲労、腐食など、より高い信頼性性能が求められます。シャーシ部品におけるCFRPの課題は、ボディ構造部品よりも大きい場合が多いです。そのため、中国でも海外でもシャシー部品へのCFRPの適用は非常に困難です。現在、シャーシへのCFRP適用研究の主な部品は、ドライブシャフト、サブフレーム、コントロールアーム、スタビライザーバー、ステアリングナックル、ホイールハブ、スプリングなどです。ドライブシャフトは、自動車のトランスミッションシステムにおいて、伝達力を伝達する重要な部品です。力、エンジンの動力をトランスミッション、駆動軸とともに車輪に伝達し、車の駆動力を生み出す役割を果たします。従来の自動車ドライブシャフトは主に高品質カーボン合金鋼40Cr、30CrMo、42CrMoなどの金属材料を使用しています。ドライブシャフトを製造するために元の金属材料の代わりにCFRPを使用することで、高強度、高剛性の要件を満たすことができます。ドライブシャフトの疲労や疲労を低減し、大幅な軽量化を実現するとともに、耐振動性の向上や騒音の低減などにより、伝達系のエネルギーロスや車両重量の軽減を実現します。

炭素繊維複合材料の自動車用ドライブシャフトは、1880 年代にゼネラル モーターズの大型車両に使用され、鋼鉄と比較して質量を 60% 削減しました。技術と生産設備の継続的な更新と改善に伴い、炭素繊維複合ドライブシャフトの生産と応用も規模が拡大する傾向にあります。

サブフレームはボディとサスペンションを接続するための中間緩衝材であり、従来のサブフレームの多くは鋼板をプレス加工や溶接などで加工して作られていました。近年、軽量化技術の発展に伴い、サブフレームはアルミ合金製へ徐々に移行しており、CFRP複合サブフレームは、アルミ合金製サブフレームと比較して、さらなる軽量化の余地がある。フォードとマグナが開発したCFRPサブフレームは複合材モンデオに適用され、従来のサブフレームのスチール部品の45％を置き換え、重量を約34％削減した。

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結論

CFRP は、低密度、高弾性率、高比強度という利点があり、自動車分野での幅広い応用の可能性があります。しかし、コストが高いため、CFRPは依然として一部のハイエンドモデルで主に使用されています。

CFRPの眩しい外観は若者の間で人気があり、ハイエンドモデルやオプションモデルのプロモーションポイントとして「スポーツキット」の形で展開されるモデルも多い。アフターマーケットでは、外装「スポーツパッケージ」の改造がCFRP適用の大きな市場を占めています。