第11回 chapter4実走に向けて

その2:車両運動の基礎特性を測る・知る。

走り出す前に

マシンが組み上がった。エンジンに「火が入り」(電気モーターならば「通電し」だが)、「動く」ことを確かめる。そこからはひたすらサーキット・コースを走り込む…では、自動車の『開発』にはならない。新しい車両が形をなしたところで、ひとつひとつ確かめてから進むべき基本が何段階もある。

車両の設計に織り込んだ様々な諸元や技術的内容は、走った時に「こうなるはずだ」という仮定や推測に基づいて決めたものであって、クルマができたところで実際にどんな特性を持っているかをまず確かめる。そして調整可能な諸元のどこをどう変化させると、車両特性はどう変わるかも、系統立てて把握してゆくことが欠かせない。競技車両として必須の、コースのレイアウトと路面状況、ドライビングなどに対応して、車両特性を“微調整”する『セッティング』はその先で進めるべきものであり、しかも「どこを、どう変えると、車両特性はどう変わるか」の基礎データを得て、はじめてそうした微調整を進める方向が見えてくる。

その「基礎を固める」試験の前にまず、形になった車両が設計どおりの寸度に仕上がったか、どこがどのくらいずれているか、それはどこかで吸収できるか、といった確認を行う。さらに各部の、とくにサスペンションとステアリングの機構各部の作動状態の確認、そしてオーバーオール・ステアリング・ギアレシオ(タイヤの向きを1deg動かすのにステアリングホイールを何deg動かすか)の計測、ガタや剛性のチェックなどもしておく。

もちろんマシンを走らせて基礎特性を確かめるとなれば、出発点は「設計諸元」から、であるべきだ。サーキット系の環境を走るモータースポーツ専用車両として、この段階でまず確かめたい「基礎特性」はコーナリング・パフォーマンスの原点なのだから、4輪の「フットプリント」(接地面)が形作る長方形の寸度確認に始まり、自車重量+ドライバー重量の静止“1G”状態で車高=サスペンションリンク類が設計図上で想定した角度になるように調整。そしてコーナーウェイトをそろえ、さらに各輪のキャンバー、トーの「アライメント」をきちんとそろえる。後で説明するように、車両運動、とくに旋回運動の基本的バランスを確かめ、同時に車両を実際に旋回させた時の対地キャンバーなどの変化を測定してゆくので、最初のアライメント設定はキャンバーもトーも「ゼロ」から始めることを推奨しておく。

断片的印象を「アンダー」「オーバー」で語らない。

とかく「ステアリングを切り込んだのに狙った円を描かずに外回りする」とか「ステアリングを切ったままにしているのに外に膨らんでゆく」などの症状を「アンダーステア」、「ステアリングを切り込んで向きを変えようとした時にリアが流れた」とか「旋回している中で外輪荷重が増えたり、駆動を加えたりした時にリアが流れた」などの症状を「オーバーステア」と表現することが多いけれども、それらを表現し、伝える言葉として使うべきものではない。

こうした過渡的な挙動は、それが起こったプロセスから始めて挙動を説明してゆかないと、何が起きているかが把握できない。だから車両挙動の症状としては「アタマの入り=回り込みが悪い」「向きを変える動きの中でリアの踏ん張りが早く現れる/強く出る」「駆動をかけた時にフロントが押し出されて内向性が弱まった」「荷重を抜いた時にリアの踏ん張りが弱い/抜ける」「旋回の中で外足の荷重が増えた時にリアが流れた」「駆動をかけた時にリアが滑りすぎる(けれど、それはエンジン特性が問題かも)」…というように、ある局面の中での挙動を表現し、把握して、それをクルマを形作るメカニズムの様々な要素に振り分けてゆくことが大切だ(モータースポーツの場でなくても)。とくに車両開発の現場では、運転と評価を担当する者は“感覚的”「アンダー」「オーバー」を安易に口にしてはならない。

定常円旋回試験の結果は試験方法で変わる。

実際に「ステア特性」を測定する試験法は、まず平坦な路面に「円」を描くことから始まる。この円の大きさ(半径)によって、現出するステア特性はかなり変わる。とくに円が小さすぎるとアンダーステアが強く現れるし、逆に大きすぎると駆動力の影響が強く現れて、高速=高G側で駆動輪の横すべりが大きくなる。

アンダーステア・オーバーステアの定義と、その試験法(定常円旋回試験)。 舵角もしくは旋回半径のどちらかを一定にして、速度=求心加速度を増加させていって、旋回半径もしくは舵角の変化を見る。

同様にある旋回半径を設定して、それを保持するように舵を変えつつ旋回する「半径一定法」と、最初に同じ大きさの円をごく低速、遠心力が生じない速度で 走って舵角を決め(この段階では「半径一定法」と同じ操舵角になる)、そこから操舵角を一定に保持したまま、速度を変えて旋回する「舵角一定法」とを比較 すると、「半径一定法」のほうがアンダーステアが強く、全体としてステア特性の変化が大きく現れる。

とはいえ、車両開発においては一定の条件で試験した結果を比較して、そこに現れる傾向を読み取り、もっと複雑な実走行の中での特性を磨いてゆけばいいのであって、ある旋回円(と路面)を決め、試験法を決めて、特性を測り、蓄積してゆけばよい。

たとえばフォーミュラSAEのDynamic eventに「スキッドパッド(skid pad)」がある。これはまさにここまで説明してきた「定常円旋回試験」のバリエーションそのものであり、最初にこの規則を定めた人々が、車両開発の、とりわけ「運動性能をつくる」ことを追求する時のやり方を熟知していたことが伝わってくる。そもそも「スキッドパッド」とは、この種の旋回試験を行う平坦な円形試験場のことだ。

その走路の内側限界は「直径15.25m」と規定されている。実際に車両を試験し、その結果を整理する上で重要なのは「重心点軌跡」なので、この走路を実際に車両が走行した時に、重心点が描く円の半径が何mになるかを、実際の走行を観察した結果などから確かめるか、何らかの手法が直接計測できるようにしておく。ヨーレイトと車速が正確に計測できれば、そこから計算で求めるとこもできる。

定常円旋回試験の結果を整理、アンダーステア・オーバーステア特性を確かめる。 基本的には求心加速度の変化に対して操舵角(あるいは旋回半径)の変化をプロットする。

ステア特性を整理する。

上記の試験法としては「半径一定法」であり、まずごく低速、遠心力がほとんど現れず、タイヤの横すべりもない状態で(マシンを人力で押すなどして)、指定の円を周回できる操舵角を決める。これが基準の円、半径“R0”を旋回する基準の操舵角“H0(ゼロ)”となる。

そこから、一定の円を、一定の速度と一定の操舵角を維持して旋回する走行に入る。そして旋回速度(一定)を、段階的に変化(増加)させて、同じように「定常円」を描き操舵角Hを確かめる計測を繰り返す。これが「舵角一定法」の場合は、各条件での計測値から旋回半径Rを算出するものとなる。

その測定結果を、まずそれぞれの旋回(速度違い)における操舵角Hを、H0との比、すなわち“H/H0”(舵角一定法の場合はR/R0)で整理し、それを求心加速度に対してプロットしたグラフを描く。

同様にH/H0(R/R0)を車速の二乗V^2に対してプロットすると、その曲線の傾き、特定の点においては縦軸H/H0とV^2の比が「スタビリティ・ファクター」とされる。車両特性の評価と開発においてはこちらはあまり重視する必要はない。

定常円旋回試験の操舵角あるいは旋回半径の変化を車速の二乗に対してプロットすると、その曲線の傾きが前後タイヤ横力の合力着力点と重心点の距離を示す「スタビリティ・ファクター」に相当する。

ここで車上に設置した加速度計で横方向の加速度を計測しても、車体がロールするとその傾きが加わった状態で測った加速度になり、すなわち重力加速度の成分が上乗せされた値になる。したがってデータ整理と評価において、この値は使えない。(求心加速度がわかれば、それと車載加速度計の表示値との差からロール角を計算・推定することはできるが、その精度は低い)。

そこで、旋回半径と瞬間車速(どちらも一定で走っているはず)から、求心加速度を求める。車速も車両側で車輪回転から算出する値は、タイヤの変形や滑りが加わった状態なので、高G旋回になるほどその数値の信頼度は下がる。そこで一定円を維持している、という前提の下で、半周(か1周)の走行時間を計測し、それと円周長さの関係から旋回速度(接線速度)を求めるのが、別に正確な計測器を装着しない試験の中では現実的だろう。

ヨー角速度ω[rad/s]=V(車速)[m/s]/R(旋回半径)[m]

であるので、この中で信頼に足る数値を二つ得れば、アンダーステア・オーバーステア特性を表すデータの整理は可能である。同時に

求心加速度g[m/s^2]=V(車速)^2/R(旋回半径)

これを重力加速度9.8m/s^2で除すことで無次元量「G」として表すことができる。

定常円旋回状態の車両を円の接線方向から撮影する。 その写真から、基準線に対する車体とタイヤ、リンク類の変位、傾き、その他の幾何的情報が読み取れる。

定常円旋回から得られるデータは多い。

じつは、この定常円旋回試験によって得られる車両の基礎特性は、ステア特性多けではない。簡単な計測によって、求心加速度に対するロールの大きさとその変化、タイヤの対地キャンバーについても同様に、求心加速度に対する状態とその変化を、それぞれ確かめることができる。

「簡単な」というのは、「写真撮影」である。車両が最も落ち着いた、つまり定常円を描く位置で、旋回円の接線上・車両の前後方向にカメラを設置。視点を重心点高さ付近に固定し、画像の歪みを除去するためにレンズの焦点距離は望遠側に設定する(35mm換算で200mmは欲しい)。これで、車両が円周と接線が交差する位置を通過する瞬間にシャッターを切れば、小さく横すべりしているはずだが、遠心力を受け、ロールした状態で旋回している車両の正面視(前後)が撮影できる。

もちろん、あらかじめ車両と路面側の両方に、計測点となるマーカー(点)を複数設置しておき、とくに路面側のマーカーを結んだ線と、車両側のマーカーを結んだ線の相対角度から、特定の周回でのロール角、さらに路面側マーカーと車輪やタイヤの映像、あるいは専用の計測用アダプターを準備すればより正確に、タイヤの対地キャンバー角を読み取ることができる。

より細かく観察すれば、前後のサスペンションのストロークの現れ方、ロールの大きさとロール姿勢なども、「定点観測」できるはずである。

クルマと人の「開発ツール」としての定常円

こうして、求心加速度に対するステア特性、ロール角、キャンバー角の特性、その他が把握できたところで、次は車両を構成する要素の何をどう変化させるかを考える。たとえばロール量とその変化は、適度なのか、大きすぎる/小さすぎるのか。その判断に応じて、主バネか、あるいはアンチロールバーでロール剛性を変える。ロール剛性を変えれば、タイヤのグリップ限界とその現れ方が変わるだけでなく、前後のロール剛性バランスによってステア特性も変化する。

対地キャンバー角の適正値(であろうところ)も、最も重視している旋回、その求心加速度領域で、何degあたりを狙うのかを考え、そこから初期キャンバーをどれだけ付けるかを決める。一般のロードカーと違って競技車両では、旋回時と加速時にタイヤのグリップを最もうまく使えるように、キャンバーなどのアライメントを決めれば良い。そして定常円旋回試験の中で、対地キャンバー角を見ると同時に、接地面のコンパウンド温度を内・中・外の3点で測定して記録し、その結果から接地状態を確認することを組み合わせれば、タイヤの接地状態を最適化に近づけることが可能なはずである。

このように、一見簡単な定常円旋回試験であっても、車両の素性を把握することはもちろん、それをどう仕上げてゆくか、どこをどう変えたら、どんな特性になるのか、タイヤの使い方はどう変わるのか…などを系統的に確かめ、筋道立てて開発を進めてゆく『ツール』になるのである。そしてそれらのデータは、次の車両を企画し、設計し、その成果を実車で確かめるという、継続的な開発の中でも、新旧の比較から始まって、多くのものをもたらしてくれる。

そしてもうひとつ、「スポーツとしてのドライビング」においても、狙った円を、一定の舵角を保持し、狙った求心加速度で、エンジンのトルクと回転速度を一定に保って旋回することは、その先に広がる「スポーツとしての奥行き」を体得する、きわめて重要な足がかりとなる。ただタイヤのグリップ限界領域に突っ込み、ステアリングもアクセラレーターもジタバタと操作を繰り返して旋回していても、ドライバーとしての資質も高まらないし、もちろんタイヤの摩擦力を十分に使えないから、速く走ることもできない。

ドライビングの基本を身につけるためには、低い速度から、一定の車速=エンジン回転速度をピタリと保ち,ステアリングも一定の舵角を保持したまま、指定の円を描く。その状態にいかに早く持ち込めるか。こういうトレーニングを、もちろん車速を様々に変えながら、旋回方向も時計回り/反時計回りを変えて(人によってどちらかがやりやすいことが多い)、繰り返し行う。それがドライビングの能力と精度の向上に直結する。

他にも車両の運動特性を知るための試験法はいくつかある。その中でも「ヨーイングの周波数応答」などは、実際の車両挙動との相関がある程度はつけられる。しかしまずはここで紹介した定常円旋回試験から着手することを勧めたい。車両評価・開発からドライビングまで、得るものが大きいことは間違いないのだから。