第4回 chapter2

パッケージング・レイアウトクルマの素性を決める「3次元パズル」

クルマの素性を決める「3次元パズル」

コンセプトが、製品において實現する資質を描き出すものであるとすれば、それを前提にして、具体的な「モノとしての姿」を形作ってゆくプロセスが「パッケージング・レイアウト」である。

人を乗せて走る自動車という機械が、どんな資質と形態を持って生み出されるか、その出発点がパッケージングなのであって、実際に手を染めてみればわかるように、それぞれの自動車に求められる機能を考え、それを実現するための機構要素を組み合わせて「あるべき形」を描き出すプロセスは、3次元空間の中にひとつひとつのピースをはめこんでゆく『立体パズル』のようなものだ。それはパズルのピースを選ぶことに始まり、そのひとつひとつを置く場所、置き方によってクルマにどんな資質が現れるかを考え、できるだけ無駄がない空間設計を稠密に組み上げてゆく。ここで決めたことが、クルマの『素性』を決めるのである。それは様々な道を様々に走って、様々に使われる一般の乗用車でも、今回のテーマとして考えを巡らせているミニ・フォーミュラカーのようなモータースポーツ専用の、すなわち単能のクルマでも変わらない。

もちろん、「ドライビングというスポーツ」のエッセンスだけを最もシンプルな形で体験するクルマ、という今回のテーマにおいて、パッケージング・レイアウトを構成する要素も、それらを組み合わせる中で考えるべきことも、乗用車よりもずっと少ない。その反面で「車両運動」と「ドライビング」だけに集中して思考することが求められる。

スポーツの基本は「姿勢」と「動作」

「ドライビングというスポーツ」だけに単能化する車両において、車体の中に収めるものはまず人間、そして動力システム。その周囲に4本のタイヤを配置する (「フットプリント」という)。端的に言えばこれに尽きる。それを固めながら、人間・車輪とタイヤをつなぐメカニズムであるサスペンションとステアリングの機構と配置を考えてゆく、という流れになる。

どんなクルマでもパッケージング・レイアウトの出発点は「人間」。今回の企画開発シナリオではユーザーを特定しないので、身体サイズをある程度幅広く想定して作業を始めることにしよう。量産車開発でも人体サイズの設計基準としては大柄なほうがAM95(アメリカ人男性の95％までをカバーする身体サイズ: 身長187cm,体重102kg)、小柄なほうはAF05(アメリカ人女性の5％までをカバーする身体サイズ:身長152cm)が定石として使われていて、日本およびアジア圏をターゲットにする場合はJF05(日本人女性の5％までをはカバーする身体サイズ:身長145.5cm)まで広げて着座レイアウトや視界、さらにシートベルトの着装など安全性に関する検討を行っている。我々もまずAM95の体型を収めることからレイアウト検討を始めることにしよう。

その人間をどんな姿勢で座るのが良いか。小さく軽く作りたいクルマにとって人間は最も重い構成要素となるから、できるだけ低く座らせたい。しかし人間の身体、骨格・筋肉がクルマを操り、その運動を感じ取るためには、主要な関節とそれにつながる筋肉が自然で動きやすい状態を保った姿勢であることが欠かせない。足の爪先から足首、膝、大腿骨と骨盤、脊柱(腰椎・胸椎・頸椎)とそれが支える胴と胸部のブロック、そして頭の位置関係、さらに肩から肘、手首へと伸びる腕・手の状態。これらの関節と筋肉の状態に着目して、着座姿勢を固めてゆく。

とくに重要なのは脊椎をうまく湾曲させて、言い替えれば骨盤から上に伸びる胴部分・腰椎に対して胸のブロック・胸椎を前に折る形にして、さらにその上に乗る頭部の重心が頸椎が形作るジョイント(関節)よりも若干前に来る姿勢にすること。こうすると上体の、とくに肩の力を抜いた上体で自然に頭が軽く前傾し、「顎を引いた」スポーツを戦う姿勢に落ち着く。

その肩関節から上腕がその重さで自然に下に下がり、肘を柔らかく曲げて手首、手指までがほとんど力を入れない状態でステアリングホイールのリムに指を巻き付けるようにグリップする。その状態で左右に転舵する動きが自然にできるように、と位置関係を決めてゆくことで、ステアリングホイールの位置と角度も決まってくる。

いずれ「ドライビング」を語る時にも説明することになるのだが、こうした着座姿勢はすなわちどんなスポーツにも必ずある基本中の基本、最初のスタンスとその体勢を取った時の肉体のバランス、手具に触れるグリップ、そしてフォームに相当するものだ。既製品としてある競技車両でも、ドライバーはその中に座り、自分の肉体とクルマを一体化させるために、着座姿勢とシート成形(これについてもいずれ紹介しよう)にはmmかそれ以下の精度でのフィッティングを行っている。

ここで検討する着座姿勢はその「ドライビング・フォーム」のベースになるものだ。。2次元の図面、あるいは3次元CADの中で検討するだけでは煮詰められない。やはり原寸大のモックアップ(模型)を作って、様々な体型の人間を座らせ、まず関節と筋肉がリラックスした状態から手と足が繊細な動きをするにはどんな姿勢を取るのが良いか、そのためには身体のどこをどう支持すると良いか、それを可能にするコックピットの輪郭をどう形作るか…と現物検討を行うことを薦めたい。

パワーパッケージを置いてみる。

ここで人体の主要ブロックの重量も、おおよその見積もりでもいいから把握しておきたい。人間をその重心というひとつの点で代表させることもできるし、ある段階からはそれだけでレイアウト検討を進めてもいいのだが、全体で200～300kgにしかならないはずの今回の車両では、人体という「重量物」がどのように分布しているかを把握して重量とその配分の検討を進めたいところだ。

同じように、もうひとつの重量のある「塊」であるエンジンとトランスミッション、あるいはモーター(とその制御系)と電池についても、重量とおおよその重心位置を確かめておく。できればこの段階で、ファイナルドライブ(デファレンシャルギア系を含む)、冷熱系(ラジエーターと冷却水量など)、ステアリングギアなどの重量概要・目標の見積もりもあったほうが予測精度は上がるが、この段階ではそこまで進めなくてもいい。

人間の座り方を固めたら、次に動力システム、とくにエンジン＋トランスミッション、あるいはモーターの搭載形態とおおよその位置を決める。こうした車両では動力システムは人間の背後に置き、後輪を駆動するレイアウトが一般的だが、前輪駆動を選ぶというアプローチもここでは否定しない(とくに電動モーター駆動とする場合は。その意味については読者のイマジネーションに委ねる)。

常識的に、いわゆるミッドシップ・レイアウト～後輪駆動とする場合は、まず人間の背面にコックピットと動力システムのエリアを仕切る隔壁を設けた上で、そこにできるだけ近づけてエンジンを置くことを検討する。人間とエンジンという重い塊を接近させて、車体の中核位置に集中させるためだ。

さらに言えば、この時に重量の分布を重心点付近を核にして前後方向の変化を滑らかにすること。これはクルマの運動能力を高めるだけでなく、運動の中で現れる様々な過渡特性を素直なものになるかどうかに関わってくる。

そして車両の前後方向だけでなく、横方向に対してもできるだけ左右のバランスが取れる配置にすること。これは最終的に完成した車両の4輪荷重のバランスが良くなることにつながり、いわゆるコーナーウェイトを取るのも容易になる。これもまた車両運動の中で素性の良し悪しとなって顔を出すものである。

質量塊の運動を作り、止めるのはタイヤの力

人間で言えば「体幹」にあたる人間＋動力システムの位置関係が固まれば、その重量と重量分布も見えてくる。次にその質量塊に対してどこにタイヤを配置するか、を検討する。

「ドライビングというスポーツ」のエッセンスを体現し、味わうためのクルマは、まず小型・軽量で身体に直接フィットする感覚で操りたいわけで、動力システムは過剰なほどの(タイヤが作りうる摩擦力に対して)、言い替えれば「使い切れない」ほどの出力を持つ必然性はない。むしろ向きを変え、旋回し、加速し、減速するという一連の運動がどんなふうに現れるか、それをどうコントロールするか/できるかが、最大の開発テーマとなる。つまりある質量塊が4つのタイヤが生み出す摩擦力によってどう運動するか、だ。

非常に大雑把なイメージとして、クルマが向きを変えるヨー運動を発生させるのは、まずはフロントタイヤの摩擦力であり、それが質量塊の重心点から遠くにあるほどモーメントアームが長くなり、同じ横力(タイヤの摩擦力)であってもヨー・モーメントは大きくなる。そこから一定円を描く旋回に移行するためには、リアタイヤの摩擦力が立ち上がるタイミングと、ここでも質量塊の重心点からの距離(モーメントアーム)がポイントになる。さらにスポーツドライビングの中で、思い切り速いヨー運動を発生させた/起こってしまった瞬間には、その挙動変化を収めるのはリアタイヤが生む横力が作るヨーイングを打ち消す方向のモーメントである。

つまり論理的に考えれば、ある程度の車両規模を前提にした上で語られている「ホイールベースが短いほうがクイックに動き、長い方が安定性が高い」という俗説は、「同じような形態、重量、寸度の乗用車、商用車においては」という但し書きがあって初めて当てはめられるものであることがわかる。

こうしてリアタイヤが作るヨーモーメントに着目し、そのモーメントアーム長の設計自由度を拡げようというのであれば、チェーンやプロプラシャフトなどの伝達系の寸法が調整代になりうる。エンジンを縦置きし、その後方に変速・駆動機構を配する純レーシングマシンの場合、エンジンとトランスアクスルの間に挟み込まれるベルハウジングでこの寸法を設定する手法がしばしば使われてきた。

ロールする質量塊とリアタイヤの関係

こうしたクルマの運動力学の、とくに「曲がる」ことに関わるヨー運動のごく基礎を考えるためには、前後のタイヤ各1輪とそれを結ぶ剛体、そのどこか(中央付近)に重心があるという「2輪車モデル」を描いて、それを上から見て(この段階ではロールはしないものとして)力とモーメント、その釣り合いを検討するとわかりやすい。

さらにもう少し考えを進めて、人間やエンジンなど重量の大きな塊がある高さにあり、それらに働きかけて運動を作り、そこに発生する慣性力を支えるタイヤの摩擦力が作用するのが接地面、つまり路面であって、両者に高さ方向のズレがあることから、クルマは旋回時に外に揺動して傾くロール運動を起こす。ヨーとロールが連成した速い運動を収めるのもリアタイヤの横力である。後輪側に集中しがちな重量物と、その運動を受け止めるリアタイヤとの位置関係にも目を配る必要がある。

一般のロードカーであれば、後輪側に重量物を集めたレイアウトの車両では、その質量を受け止める後輪のタイヤサイズ(運動を支えるキャパシティ)を前輪よりも2～3段階、あるいはそれ以上大きくする。

しかしここで検討しているようなモータースポーツ車両のためのタイヤは、世界的にも選択が限られているので、「入手できるもの」で計画を進めることになる。その場合、まずは質量塊の重心点と質量分布に対して、4輪の前後位置をどう設定するか、さらに左右方向の位置をどう設定するかが、運動特性の素質を決めることになる。

もう一点付け加えておくなら、左右方向位置、すなわちトレッドについては、重心高さが一定の場合、その幅を広げるほどロール運動に対する重心高の影響を減らす方向に働く。

4輪が支える質量のバランスを決める。

人間と動力システムが形づくる質量塊に対して前後輪の位置の設定によって、自動車の運動特性を左右するもうひとつの主要素である前後の重量配分はどうなるか。この検討を進めるためには、人体、エンジン、トランスミッションなどの重量とおおよその重心位置がわかっていれば、手計算でもそれなりの精度で予測値を割り出すことができる。そんなに難しいことではないので、タイヤ位置を様々に動かして計算してみる。さらにはファイナルドライブ、ステアリングギア、冷熱系、排気系などの重量とその位置を加えて精度を上げてゆくこともできよう。ただし冷熱系や排気系については、後で重量配分の調整要素にもなるので、ここであまり厳密に位置決めしなくてもよい。

またタイヤとホイール、その支持構造(アップライト)などの重量については、それらに質量塊から加わる荷重、慣性力があるバランスにあれば、それに応じた摩擦が生ずるわけで、しかもタイヤサイズも前後で大きく変えない(変えられない)ということであれば、この段階のホイールベース変化にによる重量配分の検討に加える必要はない。

もちろんその一方で、無駄な空間、無駄な重量は削ぎ落とすべきものであり、ホイールベースもトレッドも「適切」な数値の幅がどこかにある。それを決めるのは、最終的に設計者の感覚、ということになろうか。

こうして思考を検討を進めてくれば、もはやパッケージング・レイアウト、とくに側面視のそれが具体的な形を取って現れてくるはずだ。これを図面化するにあたってプロフェショナルな車両設計者の場合、前輪中心位置を前後方向の図面起点(x=0)として、人間、動力システムと配置してゆくのが一般的である。