第6回 chapter3 サスペンション・デザイン

その2:基本機構と力学的特質

車体=車輪の間の相対運動を作る。

車体とタイヤの間を結び、その相対的な動きを作りつつ力を伝達することで、まずタイヤ(の接地面)と路面をできるだけ良い状態で接触させ、そこで発生する 摩擦力による車両の運動を作り出し、支える。ここまで何度も確かめてきたように、これが「ドライビングというスポーツ」におけるサスペンションの役割だ。 ここで「脚がしなやかに動くこと」が大切なのは、タイヤ接地面を路面押し付ける(その大きさによって摩擦力が変化する)荷重の変動を少なく、穏やかにする ため。接地面荷重が刻々に変動すると摩擦力(グリップ)が変動し、それが車両運動の乱れとなって現れる。つまりスポーツカーや競技車両であっても、良い脚 を持つクルマほど車体に伝わる路面・タイヤからの振動特性(俗に言う乗り心地)はマイルドなものになる。これも基本セオリー。

今回は、そうした原理原則を頭に置きつつ、ミニ・フォーミュラカーの「脚」について、まずはその基本構成から検討してみることにしよう。

図1

ダブル・ウィッシュボーンの基礎知識

およそもう半世紀にわたって、フォーミュラカーを含めた純然たる競技車両の設計者たちは、基本的な作動原理として「ダブル・ウィッシュボーン」に分類される形態を選び続けている。もう少し分類の枠を絞ると、「不等長・不平行型」のダブル・ウィッシュボーンである。

こうしたサスペンション機構の基本分類は、まず車輪を保持し、上下方向のストロークに対して車体と車輪の間の相対運動を作るアームやリンクの類が、車体からどんな方向に伸びて、どう動くかを見るところから始まる。

車体の少し内側に揺動の支持点(ピボット)を置き、そこから横方向に伸びて車輪保持部と連結するリンク類は「ラテラル(横方向)リンク」と呼ばれ、これを上下一対組み合わせると、正面から見た時の車輪の動き、とくにキャンバー変化を作り出すことができる。それらだけでは車輪を常に保持することはできないの で、前後方向の動きを作り、力を受けるリンクも必要になる。ここで車体側のピボットを2点にしてそれが車体中心線と平行かそれに近い方向の「揺動軸」を形 作るようにして、そこからA字形の頂点で車輪保持部と連結するアームを使えば、前後方向の位置決めもできる。この形態のアームを「Aアーム」と呼び、鳥の 胸部にあるY字形の骨で、それを両側に割いた時の形で占い(wish)をする「ウィッシュボーン」を連想させるところから、自動車などの三角形ラテラル アームがこう呼ばれているのである。

ただし、一体のAアームでなくても、ラテラルリンクでキャンバー変化(およびスカッフなども)、別のリンクで前後方向を位置決めするレイアウトも「ダブル・ウィッシュボーン」に分類される。

ここで上下の横方向リンクだけでは車輪のトー方向の位置決めができない。各輪の操舵(積極的かつ大きなトー変化でもある)を受け持つ横方向リンク(操舵機 構の場合は「タイロッド」、トー方向の位置決めだけの場合は「トーロッド」)を加えて、最低3本が車輪の動きを規定する構成となる。

ひとつ付け加えておくなら、一般のロードカーのサスペンション形式としては、前後輪どちらであっても「仮想転舵軸を持つ」リンク・レイアウトに限って「マ ルチリンク」と呼ぶのが、本来の分類定義である。言い替えれば車輪側のピボットが転舵軸、すなわちトー方向の回転軸の一端となるレイアウトであれば、片輪 を位置決めするリンクの数が3以上であってもサスペンション形式として「マルチリンク」とは言わない。 もちろん純競技車両のサスペンションは弾性変形を伴うラバー・ブッシュ類をあえて組み込んでその変位の組み合わせによって仮想転舵軸を生む構成を取る必然 性はないので、1輪あたり4以上の多リンク構成であってもダブル・ウィッシュボーンに分類されるものばかりである。

キャンバー変化と力の釣り合いと

ダブル・ウィッシュボーンのリンク配置をデザインするにあたっては、タイヤと路面の幾何学、とくにキャンバー変化と、そして前回も触れた「車体に作用する 遠心力」と「タイヤが路面に接している面の中で発生する摩擦力」の力のつりあい、という2点を検討することから始めるのがよさそうだ。

キャンバー変化、と一言で書いたが、車両運動の資質を高めるという視点から考えるとなると、まずはやはり旋回の中で車体が遠心力(旋回外向きの慣性力)を 受けて、外に傾く運動、すなわちロールを起こし、その角度が増えてゆく中で対地キャンバーをいかに“立てて”おけるか、に着目することになる。一般的に高 性能タイヤは直立よりも旋回内側方向に傾いている状態、つまりわずかネガティブ・キャンバーを保って横すべりしている状態でコーナリング・フォースが最大 になる傾向があるけれども、ここでは分かりやすく「直立」で話を進めよう。

簡単に言えば、車体がロールすることによって左右輪のサスペンションが逆方向にストロークする。そこで車体と路面の間に生ずる角度変化(ロール角)と同じ だけ、車輪と車体の間に角度がついて行けば、ロール時にタイヤは路面に対してキャンバー変化を起こさずに“立って”いることになる。

車体を止めた状態で作図しているならば、タイヤ接地面が上下に移動、すなわち路面のほうが傾いてゆく画になる。その中で車体=路面の相対角度と同じ角度だ け、車輪と路面の角度がつけば「対地キャンバー変化なし」となるわけだが、現実にはロール角が増えるにつれてその条件を満たすのは難しくなってゆく。そこ にこだわるよりも目を配りたい要素はいろいろある。短いアーム長の中でキャンバー変化だけを追いかけると、アーム先端(車輪側ピボット)が描く弧が小さ く、ストロークに対するアーム角度の変化が大きくなる。そのため、スカッフ変化(接地面の“横蹴り”)をはじめジオメトリー変化がきつくなり、直進してい る中でも旋回の中でも、片輪が凹凸を踏んだ瞬間にタイヤの横力変動が挙動を乱すことが多くなる。ここはアーム長を(まずは横方向に)できるだけ長く取っ て、グリップ変動が穏やかな資質となるように、ということにも目配りしつつ考えを進めたい。

ロール運動はどう起こる? - 直進近傍

旋回運動の中で車体と接地面に逆方向に働く横力が、サスペンション・リンクを介してどう作用しあうか。これについて現実に起こる挙動に即して解析する理論 はいまだにない。とくにダブル・ウィッシュボーンが代表する「上下ラテラルリンク」形態の場合は、左右のサスペンションの相対運動が重なり合う中でロール の動きが深まって行き、さらに過渡的な運動の中では他の要素も入り込むことで状況はかなり複雑になる。

直進状態でタイヤが受け止めている荷重は車体を含むばね上系の質量だけ、という状態から車体に横力が加わってロールが始まる瞬間だけは、その動きのメカニズムが比較的わかりやすい。(図1)

上下一対のラテラルリンクによって連結された車体と車輪が相対運動を起こす時(サスペンションのストローク)、とくにロールとキャンバー変化に関わる動き の瞬間中心は、正面から見た時にラテラルリンクの内外(車輪側-車体側)ピボットを結んだ上下2本の線が延長した先で交わる点になる。 タイヤの接地点も(自由なロール運動であれば)この点を中心にした弧の上を動こうとし、接地点から見れば車体がその逆に動いてくる形になる。

左右輪で同時にこの運動が起こる(はず)ので、直進から転舵~タイヤ(まずフロント)に横力発生~車両全体の向き変え(ヨー)運動発生、という旋回初期の 運動の中で車体に横方向の慣性力が作用し始めると、まずはこの点を中心に車体が外に傾く回転運動が起こる(はず)。車両全体としては、前後輪の瞬間ロール センターを結んだ仮想線=ロール軸を中心にロール運動が発生する。

ここで重心から瞬間ロールセンターまでの距離が、ロールという揺動運動を作る「腕」、モーメントアーム長となるわけだが、単純にこの腕が短くロール・モー メントが小さい方がロールが少なくなっていい、というわけではない。ロールセンターが高く、ロール・モーメントが小さくても、車体(ばね上)側に作用する 横向きの慣性力は変わらないので、外輪への荷重移動が大きくなる。これをうまく活かせば、初期の荷重移動によって操舵に対する応答(コーナリング・フォー スの立ち上がり)が強くなり、向き変えの動きを強調できる、という特質も得られる。その反面で濡れた路面などでは舵を切り込んだ瞬間の荷重移動が強いと、 グリップの粘りが出ない(摩擦力の変動が大きい)というデメリットにもつながる。

このあたりは前後のロール剛性とその配分でも調整でき、そこがいずれ完成したマシンのシャシー・セッティングを進める時の鍵のひとつになるのだが、これについてはまたいずれ触れることにしよう。

「幾何学的」ロールセンターとロール軸

概論としては、後輪を駆動する車両の場合は、何といっても旋回の中で後輪のグリップを粘らせることが求められるので、リアは直進近傍から幾何学的ロールセ ンターを少し低めに、ロール運動へのばね反力(主ばねとアンチロールバー)も柔らかめに、という方向が一般的である。フロントは操舵初期応答を高めようと するならば幾何学的ロールセンターを少し上げてみる、という選択肢もあるが、ここで話題にしているような純競技車両の場合は、静的なロール軸の前後高さの 差、すなわちロール軸の傾き(側面視)はあまり大きくしない方向である。

一般のロードカーで、前輪を駆動輪とする場合は、路面状態(とくに摩擦状況)の変動幅も大きい中で、大きな荷重を受け持つ前輪側の接地荷重変動を小さくし てタイヤが持っているグリップを柔らかく引き出すことが最優先される。そこでフロントの幾何学的ロールセンターを低く、リアは分担荷重も小さいので若干 ロールセンターが高めでもよいという考え方から、旋回時にはフロント外側輪を深く沈み込ませるダイアゴナル(斜めの)ロール挙動を見せ、深く回り込む中で 旋回内側後輪が浮き上がるところまで行くクルマも少なくない。しかし後輪駆動の車両でこのロール姿勢が好ましくないことはいうまでもない。

図2

大きな遠心力を受けた旋回の中のロール挙動

「ドライビングというスポーツ」において、とくにタイヤのグリップ限界まで踏み込んだコーナリングに挑戦している状況では、車体に作用する慣性力(遠心 力)も大きくなり、もちろんそれに釣り合うだけのコーナリング・フォース(接地面内で発生する摩擦力のうち、旋回円の中心に向かう成分)が発生し、サスペ ンションがそれを受け止めつつ走っている。もちろんロールも深くなり、主ばねもアンチロールバーもこの時に車体のロール量をある設定値に止めるようにセッ ティングしてあるのであって、そのばね反力が最大に近くなるところまで撓まされている。(図2)

サスペンションが深くストロークすることでラテラルリンクの車体に対する角度変化も大きくなり、その内外ピボットを結んだ線の延長上にある(はずの)瞬間 回転中心も直進状態から移動してゆき、左右輪で高さも、車幅方向も、かなりずれた位置に動いてゆく。この状態でもラテラルリンクの瞬間回転中心とタイヤ接 地面(中心)を結んだ線を左右輪それぞれに引いてできる交点が幾何学的ロールセンターだと考えることはできる。

ここでリンク長が短いと、ストローク量(車輪の上下移動)に対して車輪側ピボットが描く円弧が小さく、角度変化が大きくなるので、各輪の瞬間回転中心と幾 何学的ロールセンターの移動量も大きくなる。車両のパッケージング・レイアウトの段階からラテラルリンク長をできるだけ長く取れるように考えておきたいの は、ストロークに対する接地面の移動などジオメトリー変化を小さくし、同時にこの幾何学的ロールセンターの移動量も小さくすることで、クルマの動きを運動 変化の初期から限界付近まで素直なものになる、という経験則に基づくものである。

ロールセンターは「いない」ものと考える。

とはいえこうして深くロールしつつ旋回運動をしているクルマにおいては、ロールセンターは事実上「不定」(定まらない)だと考えた方がいい。

車両挙動をより良いものにするために注視したいのは、むしろ車体に働く慣性力(遠心力)とそれよりもずっと低い路面の高さで発生しているタイヤの摩擦力 (コーナリング・フォース)の「力の釣り合い」である。この力は サスペンションリンク(とばね系)を介してやりとりされ、釣り合い、ちょっとした力と動きの変動でその釣り合いが崩れる。もちろんそれらは全て車両挙動 に、とくにいわゆる過渡的な動きに現れる。

基礎論としては、遠心力をロール方向に作動するばね系(主ばねとアンチロールバーの合成)が受け止める中で、ロール・モーメント分の荷重移動がそれぞれの タイヤの接地面に加わる。つまり旋回外側輪では荷重が増え、内側輪では減る。タイヤが発生する摩擦力は荷重の増減に応じて増減するが、荷重が大きくなるほ ど摩擦力の増加は頭打ちになる、という特性を持つため、この内外輪間の荷重移動をどう設定するかによって、定常的な旋回特性も、過渡的な挙動も変わってくる。

リンクから作用する「分力」がロールを増減させる。

タイヤと路面が接している面内に発生している摩擦力(横力)が車輪~ハブ(回転支持部)~アップライトの車輪保持ブロック全体に加わり、車体(ばね上側) に作用する遠心力と釣り合う。タイヤの摩擦限界に近づく厳しい旋回運動をしている中ではより大きな力を受けて運動を支えている外側輪に注目すると、ダブ ル・ラテラルリンク機構の場合はロワーアームに車体に向かって押す圧縮力が、アッパーアームには逆に引張力が作用している。

サスペンション機構がばね系の自由な伸縮によって動いている状態では、いちおう幾何学的な検討に沿って、車体を支える横力は旋回外側のタイヤの接地面(中 心)からラテラルリンクの瞬間回転中心に向かう線に沿って作用していると見なすことができる。つまりこの仮想線が水平から上向きに伸びていれば、外側輪接 地面に発生しているコーナリング・フォースの分力が車体を少し(水平からの角度をθoutとするとtanθout分だけ)押し上げる方向に働くと考えるこ とができる。同様に内側タイヤの接地面に発生しているコーナリング・フォースは、ラテラルリンクの瞬間回転中心に向かう線に沿って車体を内側に引っ張る方 向に作用し、その傾き(θin)による分力(CFin×tanθin)だけ車体を引き下げる分力が生ずる。この内外それぞれの引き上げ(ジャッキアップ) 力/引き下げ(ジャッキダウン)力のバランスによって、車体はロールに加えてさらに沈み込む、あるいは浮き上がる動きをみせることになる(はず)。

とはいえ現実の走行の中では、タイヤのグリップ限界に踏み込むような運動状態だとちょっとした路面の凹凸を踏んだだけでもサスペンションがフルストロークするなど、ここまで検討してきたような幾何学的・力学的バランスが成り立たない状況がしばしば起こる。

遠心力に対して踏ん張っている旋回外側のサスペンションがバンプストップに当たり、ストロークが止まってしまう状況では、そのタイヤの接地面を中心に、車 体(ばね上)側全体が持ち上がろうとするモーメントが加わることになる。当然、そのタイヤが受け止める荷重も急に増え、摩擦力が頭打ちなって滑り出すとい う挙動が出やすくなる。

サスペンション・リンクの結節点が力を受けて自由な動きを妨げられるなどの現象が生ずるだけでも、タイヤからの力を受けているサスペンション・リンクが、 車体側ピボットを直接、その瞬間の角度に沿って押し引きするという現象も起こりうる。こうした様々な動きと力のやりとりが、車両の運動特性にそのまま現れ てくるのが自動車の難しさであり、だからこそそこに興味が尽きない面白さも生まれるのである。

図3

「別の形」にも思いを巡らせる。=新時代の固定

ここでもうひとつ、ダブル・ラテラルリンク形態ではないサスペンション・リンク機構についても、目を向けておきたい。左右輪を結ぶ一体の構造体の両端に固定する機構、いわゆるリジッド・アクスルである。(図3)

この形態は、かつて一般の路面状況が悪い時代、路面追従性が独立懸架に劣ること、そして駆動軸にする場合は最終減速歯車+デファレンシャル機構を一体に組 み込むことが定石であり、しかしそれはばね下質量を増す構成であることから、「能力が低い」かのようなイメージで語られ続けている。

しかし走行の場が比較的平滑な路面だけであれば、つまり今日一般の舗装路面、さらに競技専用の舗装コースであれば、左右のタイヤが常に同じ位置関係を保 つ、すなわち車体がロールする中でも対路面キャンバーを直立に保持し、左右輪が別々にストロークした時のトー変化も出ないなどの特質は、安定したタイヤ・ グリップ=挙動の安定、ひいてはドライビングのしやすさを生み出す可能性が高い。

今回論じてきた旋回時の車体ロール運動に限っても、車体に対してアクスル全体を横方向に位置決めする点がロールセンターとなり、その高さもかなりの自由度 を持って選べる上に、サスペンションがストロークできる中であれば、ダブル・ラテラルリンク機構と違って「動き回る」ことはない。

「ばね下質量が重い」という“弱点”についても、両端で左右の車輪を保持する構造体(車軸に相当する)をいかに軽く、かつ剛性の高い設計にするかによって、ダブル・ウィッシュボーンにする場合と較べて若干の重量増に止められるはずである。

駆動軸にこの左右輪固定軸機構を採用し、ばね下質量を重くしないためにデファレンシャル機構を含む最終駆動部を車体(ばね上)側に置くレイアウトを、19 世紀末の自動車黎明期にすでにこれを考案し、市販車に導入したメーカー、ド・ディオン=ブートンの名を冠して「ド・ディオン」方式と呼ぶ。ダブル・ウィッ シュボーン系だけが最良のサスペンション機構ではないことを踏まえて、車体と車輪の間を結ぶためにはどんな機構が好ましいか、様々に考えを巡らせるのは、 自動車のメカニズムに関わる中でも最も楽しいことのひとつである。