第5回 chapter3 サスペンション・デザイン

その1:タイヤと車両運動の関係

タイヤ+路面と車体の間で

「サスペンション」とは何か? 最も簡潔に言えば、それは「タイヤと車体をつなぎ、相互運動を作り出すメカニズム」だということになる。

これまで様々に著されてきた自動車技術の解説書の類において、「サスペンション」は、タイヤが路面の凹凸を踏み越えてゆく時に上下運動(ストローク)する 中でどう機能するか、に着目して語られてきた。しかしこの視点は今日の舗装路面を走るクルマでは“古典的”にすぎる。とりわけ「ドライビングというスポー ツ」に対する資質を論じ、現実のクルマの中に作ってゆこうというのであれば、まず車両が運動する中でまず横方向の、次に前後方向の力が加わる状況、そこで 起こる車体の揺動(これもまず横方向=ロール、次に前後方向=ピッチ)によるストロークに着目して考えを巡らせてゆかなくてはならない。

自動車の運動の全ては、タイヤが路面に接触している面、すなわち接地面(英語では“contact patch”)の中で生じる摩擦力によって作り出される。どんなに強力な原動機を積んでいようとも、このタイヤが生み出す力がないかぎりクルマを走らせ、 運動を作り出すことはできない。しかもタイヤは転動しつつ移動しているので、その中で路面に接したトレッド面はタイヤ全体の回転とともに離れてゆく。この プロセスが回るタイヤの中でずっと続いている。

そして自動車という走る機械の力学的特徴は、運動による慣性力(のほとんど)が作用するのは車体であって、その慣性力を受け止め、釣り合いを生み出す力が 作用するのは路面なのだから、この逆方向に作用する二つの力が加わる高さが異なっている。すなわち、高さが異なり、食い違いに力を受ける二つのブロックを 連結して、相対的な動きを作りつつ力をやりとりするのが、旋回運動の能力を追求するクルマにおける「サスペンション」の役割なのだ。

タイヤをいかに接地させ続けるか

したがって、何よりもまず、車両が様々に運動する中で「タイヤをどれだけ、どのように路面に付けておくか」「その中でタイヤの摩擦力はどのように現れるか、あるいは無駄な力が現れないようにできるか」を考えてゆくことになる。

まずタイヤは、車体が横力を受けてロールする中でも、できるだけ路面に対して直立した状態を維持することが望ましい。いわゆる「対地キャンバー」だが、競 技専用を含むハイグリップ系のタイヤは旋回の中で横滑りしつつ横力を発生している中で、対地キャンバーがわずかに内傾している、つまりネガティブ・キャン バーになっているほうが摩擦力が大きく出せる。車体の慣性力を受け止めてタイヤの骨格がたわみ、接地面内の荷重分布が外側に偏るので、その分だけタイヤ全 体を内側に傾けことで接地面全体をより良く使える、と理解すればいいだろう。

ここでタイヤが摩擦力を生み出す時の特質として、接地面を路面に押し付ける荷重を増やしてゆくと、あるレベルまでは荷重の増加にともなって摩擦力が増加す るが、その先で頭打ちになる。つまりタイヤを確実に路面に付け、荷重を掛けておくことが大切なのだが、同時にその荷重が急に増減しないほうが望ましい、と いうことも頭に入れておかなければならない。これはサスペンションの設計や機能だけでなくドライビングの中でも重要なポイントになる。タイヤ荷重が急な変 化を起こすと、荷重減はもちろんだが、ロール運動と横力を受け止めたり、その中で路面の凹凸(とくに突起)を踏んで、荷重が一気に増加する瞬間にもタイヤ は滑りやすくなる。

さらに舗装路面といえどもうねりや凹凸、細かな突起類が様々に現れるのであって、それらを踏んでゆく中でもタイヤ接地面を路面に柔らかく押し付け続ける、つまり荷重変動を小さくすることも、サスペンションの設計とセッティングの中ではとても重要なポイントである。

横滑りしながら転動してゆくタイヤ

接地面、すなわちタイヤ外周面の「踏面」(トレッド)は常に回転しながら路面と接触し、摩擦し、離れてゆく、というプロセスを繰り返している。その1点 (例えば赤丸)に着目すると、回転してきて路面に触れるとその位置に止まろうとし、タイヤ全体が横すべり(回転面とある角度を持った方向に進む)しつつ回 転してゆくと、路面から離れて上に移動するまでにはその回転面の横移動分だけ滑る。これがタイヤの接地面の中で「すべり→摩擦」が起こる基本原理。実際に は接地面全体のすべりが小さい時には踏面のゴム(コンパウンド)は接地からしばらくは粘着していて、タイヤの回転による横方向のズレが大きくなってきたと ころでじわじわ滑り、離れて戻る。接地面のすべりが大きくなると、この図のように接地直後から横すべりが発生する。

タイヤと路面の幾何学的関係(ジオメトリー)とその変化

脚の動きと車輪保持の幾何学

こうしてタイヤが「力を出す」ことにまず着目するわけだが、じつは「不要な力を出さない」ようにすることも、「思いどおりに操れるクルマ」を実現するためには書かせない要素となる。

例えば、サスペンションが上下にストロークした時にタイヤが進行方向に対して向きを変える動き、つまりトー変化が起こると、そこでタイヤが向きを変えた方 向に横力が立ち上がる。あるいはサスペンションがストロークするのに対して接地面が横移動する動き、つまりスカッフ(トレッド変化とも言う)が出ると、こ れも横力を発生させる。

ごく大雑把に書くならば、トー変化はタイヤから車体を横に動かして進路を変えようとするとともに、車体横すべり角を増減させる。

スカッフはタイヤに「横に蹴る」動きを発生させ、その動きの反対方向に車体を押しやる。

さらに前輪に関してはステアリング・ジオメトリー、すなわち「転舵機構の3次元幾何学」によっても、タイヤの接地面を横移動させる動きが現れる。簡単に言 えば、転舵軸を接地面中心から離れた位置に置くと、とくに前後方向のずれ=トレールが大きいと、舵を切るとタイヤが向きを変えるだけでなく、接地面の横方 向への移動によって「横に蹴る」動きが出る。これらステアリング系の幾何学についてはまた機会を改めて検討しよう。

いずれにしてもこうしたサスペンションやステアリングの幾何学的変化によるタイヤの横力変動は、あまり大きく(強く)現れるのは、とくに「ドライビングと いうスポーツ」において人間がタイヤの状況を感じ取りつつクルマの運動を作り、コントロールする上では「乱れ」になりがちで、できるだけ小さくすることが 出発点ではある。

しかしサスペンションの諸要素の支持点、結合部にゴムブッシュを多用する一般のロードカーでは、ドライバーの技量や走行状況が多岐にわたることもあって、 ジオメトリー変化、とくにトー変化をある程度まで織り込んだ設計が多用されている。これに対して今回のテーマである「ドライビングというスポーツ」に特化 したミニ・フォーミュラでは、支持点や結合点には弾性変形がない(最小化した)ジョイント類を使用するのが前提であり、量産車の設計やそれを裏付けるセオ リーをそのまま適用しないほうがよい。もっとシンプルに動く機構なのだから、そして使い方、走り方もシンプルなのだから、直截に考えれば良いはずである。

車体が動き、動かないのは路面

接地面内に生ずるこうしたタイヤの動きやそこから生ずる摩擦力を考える時、とかく車体に対して接地面(とタイヤ)が動く形を考えがちだが、じつは瞬間的に はタイヤ接地面が路面に「くっついて」いて、その中で発生した力がサスペンションを介して車体を押す。ロールした時も、車体に対してタイヤが動くのではな く、路面に触れているタイヤの接地面に対して、車体とサスペンションが動く。その相互運動によってタイヤの対地(あるいは対車体)ジオメトリー(キャン バーやトー、スカッフなど)が変化する。

そしてこのストローク時のトー変動(バンプステア、バンプトーなどと呼ぶ)、スカッフなどによる横力がどこか1輪だけに生ずると、車体の前後どちらかを横に押し、クルマの向きが変わろうとする動きが生ずる(ドライバーが意図したものではなく)。

こうした現実のクルマの動きと力のやりとりを頭に入れた上で、車体とサスペンション・レイアウトを作図し、タイヤの方を動かして、ジオメトリー変化を検討 する。とくに紙の上に図面を描いていた時代の設計者は、そういう頭脳トレーニングをしてきた。車体のピボット(揺動支持点)を中心にサスペンション・リン クの腕長を回転させた円を描き、その上にストローク分の弦長を設定して、車輪側ピボットがどこに移動し、タイヤの位置決めがどう変化するかを手描きしたも のである。今はCADを使って簡単にこの作図検討をすることができるようになっているが、「動かないのは路面」で「そこにタイヤの接地面が貼りついてい る」ことを常に頭に置いて、サスペンションをデザインし、車両運動を考えるようにしたいものである。

「コーナリング」を読み解く基本

いずれドライビングと、その中でクルマの挙動をどう体感し、記憶し、分析するかについても語ってゆくことになるはずだが、「ドライビングというスポーツ」 のための車両運動と、そこに関わるサスペンション・デザインを考える上でも、その基本となる「コーナリング・プロセス」は、連続する4段階の流れとして理 解しておきたいものだ。

つまり「ブレーキング」~(その終わりに重なりつつ連続して)「ターンイン」(「向きを変える動き」を作る。)~「ミドル・オブ・コーナー」(コーナーの 形状に応じて一瞬からある長さの定常円旋回/この状況に移ったら走行抵抗と釣り合わせて車速を維持する分だけの駆動力が必要で、それに応じてアクセラレー ターをじわりと踏み込み、維持する。これを「バランス・スロットル」と呼ぶこともある。)~「アウト・オブ・コーナー」(加速に移行できる状況に入り、 ヨー運動を減らすのに合わせて駆動力を強めてゆく。)というプロセスに分けて考える。

ここで、ターンインからミドル・オブ・コーナーに至る挙動に関しては、まずステアリングを切り込むことで前輪の横力が立ち上がり、これが車両全体が向きを 変えるヨー運動のきっかけを作る。それに対してある時間遅れをもって後輪の横力が立ち上がる(車体に横すべり角がついてタイヤが横すべり転動を始める)こ とで、前後のタイヤ両方が遠心力に対して踏ん張る状態に移行し、一定の円を描く運動に落ち着く。

「ドライビングというスポーツ」において、ここで見落としてはいけないことが荷重移動であって、ブレーキングからの連続動作としてのターンインでは、減速 度によって車体の質量が前輪により多く加わり、後輪側の荷重が減少している中で、まず操舵によって前輪が横力を発生して車体の向きを変え始める。ここで後 輪の荷重が抜けた状態での接地状態が良くないと挙動が乱れやすい。逆に荷重移動やトー変化を含めて後輪側の横力が立ち上がるタイミングが早すぎると、前輪 の横力が作り出していた「向き変え」の運動が十分でないまま、クルマ全体が横移動しつつカニ走りするような状態で旋回することになるので、さらに前輪の舵 角を切り増すなどして、狙った円を描くところに持ってゆかなくてはならなくなる。

つまり過渡的な車両運動(旋回系の)について考えるとなると、前後のタイヤが発生する横力の大きさとそのバランス、重心点まわりのモーメントなどに加え て、その力が現れる(作る)タイミングや、変動のさせ方などが加わってくる。これが「ドライビングというスポーツ」の奥深さであり、面白さなのだけれど も。

前回検討したパッケージング・レイアウトによって固まってくる重量配分と、それによって決まる重心位置と前後輪までの距離=ヨー運動に関わるモーメント アーム長、そしてヨー慣性モーメント、さらにタイヤサイズなどの基本諸元が、車両運動の「素性」を左右するものであるとすれば、ここから検討してゆくサス ペンション・デザインによって、それをどう活かして、どんな動き方をするクルマを生み出すか、という領域に入ってゆくことになる。

そこで次回からは、サスペンションの基本機構を見渡し、そこから個別のデザインを進める上での考え方などについて語ってゆくことにしよう。