MotorsportsモータースポーツミニフォーミュラWEBセミナー 第5回 chapter3 サスペンション・デザイン

第5回 chapter3

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。

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。

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。