その3:サスペンションのリンク・レイアウト

車体と車輪を連結する「リンケージ」の“お仕事”

サスペンション・リンクは、車輪保持部(アップライト、ハブキャリアなどと呼ばれる)と車体の間を連結して、力を伝え、位置決めをする。

まず「位置決め」に関しては、まず車体とタイヤの接地面の位置関係を保持しつつ、前回も触れたキャンバー変化とリンク(直線に置き換えて)の角度変化によ る瞬間揺動中心(仮想のものではあるが)の位置と移動を司る。 そして車両を上から見た時の車輪の向きの保持、すなわちトー変化(これは前後輪とも)、とくに前輪についてはタイヤの向きを動かし、ある角度で力を受けな がら保持する操舵機能が加わる。さらに車両を側面から見た時に車輪の前後方向の動きを最小限に止めつつ、サスペンションが伸縮するように設計してゆく。

タイヤの接地面で摩擦力が生まれ、クルマの運動が現れる中でこうした位置決めをするとなると、もちろん車輪保持部~サスペンション~車体の間には「力」が 作用する。この力としてはまず横方向、つまりタイヤが生み出すコーナリング・フォースと車体に作用する遠心力であり、前後方向に関しては、制動と駆動の中 で発生する前後方向の力、そしてブレーキの制動トルクを車輪保持部で受ける設計(ディスクブレーキの場合はキャリパーをハブキャリアで保持する形:アウト ボード配置)であればそのトルク反力が加わる。

付け加えるなら、タイヤが駆動力を発生することによって生ずるトルク反力は、車輪に駆動回転を伝える部分、一般的には最終減速機構+デファレンシャルギア のケースを車体に固定する部位に加わる。発進や変速、空転からグリップが回復する瞬間など駆動トルクが大きく、かつ激しく変動する瞬間は、この車体側取付 部にとても大きな力が加わることになる。もしブレーキの制動力発生部、たとえばキャリパーとディスクを車体側に組み付ける「インボード・ブレーキ」とした 場合も、制動時のトルク反力は車体側で受け止めることになる。

さらに付記するなら、原動機を電気モーターとし、モーターを車体側に固定した場合は、駆動・回生のトルク反力を最終駆動伝達部の車体固定点に作用するが、 モーターをインホイール配置とした場合は駆動・回生におけるトルク反力、衝撃荷重の全てを、モーター回転体と筐体の大きな質量の作用も含めて、ハブキャリ アとサスペンション・リンクで受け止めることになる。

フロント・サスペンション 四面図

ラテラルリンクでキャンバーとトーを位置決めする。

サスペンションの全体構成、そのリンク・レイアウトを描いてゆく中では、こうした動き(動かさないようにすることも含めて)をどう作り、力やモーメントをどう受け止めるかをイメージすることがまず最初に求められる。

ここでは基本分類としてはダブル・ウィッシュボーン、つまり上下のラテラルリンクでキャンバー規制を行う形態において、「位置決め」と「力を受ける」役割 を整理して、ひとつひとつのリンクはできるだけ単純な形と機能にしたレイアウトを考えてみることにした。そうすることでサスペンション・リンクの機能がわ かりやすくなるし、現実に造るのも、組み立てて調整するのも簡単になる。

まず、キャンバー変化を作り、付随してスカッフ(トレッド変化)も決まり、瞬間揺動中心(正面視)も設定するのには、上下一対のラテラルリンクがあればい い。基本的に車体中心線に対して直角に、車輪保持部に向かって伸びる直線棒状のリンクを上下に「不等長・非平行」に配置する。このリンクの両端部を伸縮・ 固定できる構造にすれば、キャンバー調整も簡単にできる。

これだけでは車輪の向き(トー)を保持することはできないので、そのためのラテラルリンクがもう1本必要だ。前輪ではこれがステアリング・ギアボックスか ら伸びるタイロッドになる。後輪はシンプルにキャンバーコントロール・リンクと同様のロッドでいい。ただしこのタイロッド、トーロッドは上下のキャンバー コントロール・リンクのどちらかと同じ高さに、同じ長さで配置するのが基本となる。これはサスペンションが伸縮(ストローク)した時にトー変化を起こさな いようにするためだ。

トー変化による車両挙動変化とドライビング

タイヤが路面の凹凸を踏むなどサスペンションがストロークする中でトーが変化すると、「ドライビングというスポーツ」においては“外乱”になる。とくに 「ドライビングというスポーツ」のためのクルマは、バンプステア(ストロークに対するトー変化)は前後ともゼロが基本となる。その上で、設計者としての思 想や理念による「味付け」を加えることは否定しないけれども。

一般のクルマでは、練度も様々なドライバーが様々な路面、車両運動の中でも扱いやすくなるように、という理由付けと、サスペンション・ピボットには弾性体 (ゴムなど)のブッシュを組み込むことから、横方向の運動に対して車両挙動を安定させるように、と考えれた(なかなかそのとおりには働かないが)トー変化 を設定するようになった。

しかしトーが動けば、タイヤ接地面に横力の変化が生じ、それが車体を動かし、ヨーイングを増減させる。その度にドライバーは対処する操作をせざるをえなくなる。

あるいは左右輪に初期状態(1G静止)でトーインを設定しておけば、直進状態でスリップアングルが付いていることで、向き変えを始めた時に横力の立ち上が りが速くなる。とくに後輪についてはそれが車両のヨー挙動を安定させる方向に働く、とされている。それはそうなのだが、直進状態でタイヤに横すべり角が付 いていても問題はないとするのは、「左右のタイヤが同じ大きさの横力を逆方向に発生しているから、直進が維持できる」からだ。しかし現実には左右のタイヤ が踏んでいる路面の状態が均一であるほうが稀だ。まして片輪だけ路面の小さなうねりを踏んだだけで左右のタイヤの横力の均衡は簡単に崩れ、車両のリア側か ら横方向の運動が起こり、車両が進む向きが変化する。ドライバーにとっては、まっすぐ走っているように見えてじつは細かく修正舵を加え続けるようなクルマ になる。

またこのリアのイニシャル(初期状態)・トーインは、積極的に向きを変えて旋回に入るプロセスでは、フロントの横移動が始まりヨーイングが立ち上がる中で リアの左右均衡が変化した瞬間に旋回内側方向の横力を生む。それがヨーイングの増加を押さえ、車両全体を旋回内側方向に移動させるように働くわけで、ヨー 方向の車両姿勢変化が十分でない(ヘッドアウト)まま、旋回軌跡が内側にずれて旋回するクルマになる。何事もやりすぎは禁物、なのである。

前後力を受けるために伸びる上下のリンク

車輪と車体の間に作用する力と、車輪の位置決めに関して、ここまでで横方向は押さえることができた。次は前後方向だ。まずは前輪から考えていこう。

この稿のはじめで検討したように、後輪だけを駆動するのであれば、前輪を支持するサスペンション・リンクが受けるべき前後方向の力は、ブレーキに関わるも のだけになる。つまり制動力を発生している車輪が、車体から見れば後方に移動しようとする。それを止めれば力が加わる。リンクでこれを受ける。同時にブ レーキの摩擦力発生部分(つまりキャリパー)を車輪保持部(アップライト)にマウントした場合は、車輪の回転方向(とくに前進)にキャリパーが引っ張られ てアップライトに車軸まわりのトルクが加わる。これも受けて止める。

車輪保持部と車体をつなぐリンクとしては、アップライトの上下に1本ずつあれば、この前後力と回転力(トルク=モーメント)を受けられることになる。

上下とも同じ方向、制動力を受けることを考えれば車輪から後方に伸びて車体にピボットする配置でもいいが、単純な1本ずつのロッドでブレーキトルクを受け ることを考えた時、アッパー側を後方へ、ロワー側を前方に伸ばせば、トルクを受けた時、上下ともロッドには引張力が作用する形になる。しかしそのピボット を置く点まで、車体骨格(フレーム)の下側を前に伸ばす必要がある。そこをラジエーターとか衝撃吸収構造体の固定用に使う設計もできるが、車体骨格をでき るだけ短くしようという考え方ならば、ロワー側ロッドを後方に伸ばし、制動力とブレーキトルクの両方が圧縮方向に作用する前提でリンクを設計する。このあ たりも設計者の理念とセンスが現れるところとなる。

後輪のリンクが受ける前後力は制動・駆動の両方向

ブレーキングではタイヤに制動力が発生し、車体(ばね上)は慣性力で走り続けようとするから、前輪の荷重が増え、後輪の荷重が減る。とくにモータースポー ツ走行では強いブレーキングを常用するので、フロント・タイヤが制動力の大部分を発生し、リア・タイヤが受け持つ制動力の割合は小さく、ブレーキトルクも それに比例する。逆に後輪だけを駆動するクルマでは、制動力よりもむしろ強いぐらいの駆動力が加わる。この時は車体に対して車輪が前に行こうとするのを止 める形になる。最終減速・駆動機構を車体側に固定するレイアウトであれば、駆動反力によるトルクはサスペンション・リンクには加わらないことも、はじめに 検討したとおりだ。

つまりリア・サスペンションでは前後両方向の力を受けなければならないわけで、同時に車輪の、動きも規制するリンクを単純な1本ロッドで構成するとなれ ば、アップライトの上下それぞれから前に伸びて車体にピボットされる配置でいい。こういう配置のロッドを、ラジアスロッドと呼ぶこともある。

その車体側ピボット位置をコックピット背後まで前進させて設ければ、タイヤからフレームに対する入力の着力点を分散させることができるし、それをロール バーがあってフレームの中でも最も強固な部位に選ぶこともできる。一体のAアームで、ラテラルリンクとしての長さの中でこういう前後に開いた平面形にしよ うとすると、「A」の頂点の角度が開いて、横方向の剛性を高めるのが難しくなるので、車体側ピポットの前後方向の距離をあまり離すわけにもゆかない。

リア・サスペンション 四面図

ピッチング運動と荷重移動に関わるリンク・ジオメトリー

ここでクルマを真横から見た時(側面視)、上下2本のラジアスロッドの「線」をずっと延長してゆくとどこかで交わる。この「点」が、側面視において車輪が ストロークしつつ描く軌跡の瞬間中心になる。それをどこに置くかによって、車体の前後どちらかが沈み、反対側が浮き上がるピッチング運動に対する反力が生 まれる。つまり沈み込んでくる車体をサスペンションが押し返す効果が生まれる。ブレーキング時の前輪は沈む(ダイブ)するので「アンチダイブ」、後輪が駆 動によって沈み込む動きを「スクォート(スクワット)」というので、それを押さえる効果を「アンチスクォート」という。ブレーキング時にリアが浮き上がろ うとする「リフト」もあるが、後輪駆動ではアンチスクォートのほうを重視したい。

このピッチングをサスペンションの側面視ジオメトリーで押さえる効果は、幾何学的考察からして難しいのだが、それ以前に車輪側から車体を押し返す力が作用 すると、その反力がタイヤに加わるから、タイヤの荷重変化(増加)が大きくなる。グリップの限界近くで働いているタイヤは、荷重が急に増えすぎると摩擦力 が低下する。つまり滑りやすくなる。車体姿勢変化を適度なところにとどめつつ、タイヤのグリップを粘らせるのにちょうどいい「アンチダイブ」「アンチス クォート」効果はどのあたりか。ここは難しい。

それならば車両が完成してから可変できるような構造はないのか。そうしたトライができる設計もあるのだが、それについてはまた改めて紹介しよう。

空力荷重最優先の現代レーシングマシン設計を踏襲する必然性はない。

ここで、今日の純レーシングマシンのサスペンションリンク・デザインは単純な「Aアーム」ばかりになっている。これは1980年代以降、車体底面から側面 を流れる空気によって大きなダウンフォースを獲得することが、サーキットにおける「速さ」を獲得する上で最も優先度が高い設計要件になったことによる。こ の限られた空間の中で気流をできるだけ阻害しないように、楕円形さらには翼形に近い断面形状の鋼管を溶接、最近のF1などではCFRP成形パイプを接合し て、強固なAアーム構造とするようになっているのである。サスペンションの作動機構、主バネやダンパー、アンチロールバーなどを車体内部に収めてリンク機 構で動かす設計も、やはりこの空力最優先要件によって定着してきたものだ。

しかし、このサスペンションリンク・デザインがあらゆるモータースポーツ車両において「最善」の形態だとは限らない。1969年のシーズン中に急遽施行さ れた車両規則、「空力的付加物は全て車体側に組み込まれ、固定されていなければならない」というルールがその後の競技車両の形態を縛り、今日に至ってい る。サスペンションもその前提の中でデザインされてきた。しかし1960年代後半のレーシングマシン・デザインにおいては、車体とタイヤの間で働くサスペ ンションの機能に対して、より論理的に思考する中から生み出されたリンク・レイアウトが存在した。今回紹介した「全てを単純なロッドで高構成するサスペン ション」は、まさにその時代の考え方に基づいたものだ。

しかしマシン・デザインはバネ上側に空力的ダウンフォースを生み出すこと最優先。速度の2乗に比例して増加するその空気力をサスペンション(のバネ)を介 して伝え、しかもダウンフォースの多くを車体底面と路面の空隙を抜ける空気によって作るために、底面高さと車体姿勢の変動はできるかぎり小さくする。その ためにサスペンション・ストロークはごく小さい。そういう方向への特殊化を続けてきた今日のレーシングマシンは、サスペンション・デザインもきわめて特殊 な方向に「進化」しているのである。

しかしこの講座のテーマである「アマチュアでも『ドライビングというスポーツ』を実感し、楽しみ、磨くことができる車両」は、その走る舞台からして空力荷 重の効果が現れにくいレベルの速度域が主となるわけだし、それ以前に速度の二乗に比例して増減する空力荷重、それがタイヤの摩擦力を変動させることに対応 したドライビングを要求することになるのも好ましくないのではないか。つまり、空力荷重最優先の車両企画とは一線を画した『デザイン』で良いはずだ。

そうであれば、1969年というレーシングマシンの形態進化の分岐点まで戻って、クルマ全体も、そしてもちろんサスペンションのレイアウトも、別の進化の道筋を考えてみたら、もっと良いものが生み出せるはずだ。今回の参考例はその出発点だと考えてほしい。

次回は、このサスペンションを構成する主要な要素について、その機能と設計について検討してゆこうと思う。

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