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クルマを楽しもう! ~その2「構造のメカニズム・エンジン篇」~

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クルマが動くとは「 クルマの構造メカニズム」

前回は、クルマの発展と自身のクルマ談義をお話しました。
今回は、ちょっとマニアックなお話になるかと思います。なるべく広い方にお伝えしたいので、分かりやすく簡単にお話したいと思います。クルマに詳しい方には、当たり前に感じられると思いますが、お付き合いください。

クルマが動くことを談義するには、そのクルマの構造のメカニズムと運動性のメカニズムを知る方が良いでしょう。

ここでの構造のメカニズムとは、クルマのボディ(人の乗る車体)エンジン(車を進める機関)足回り(タイヤやブレーキ、車体とそれぞれをつなぐ柱)等々を表します。
またクルマの運動性のメカニズムとは、大きく分けてクルマが走る曲がる止まるを言い表します。

少々難解になるかもしれませんが、クルマ談義を楽しむために、順にお話していきましょう。

クルマの車体について

まずは、クルマの走ることのための構造メカニズムについて談義してみましょう。

クルマの部品はメーカーで多少違えど、約4000種類2~3万個(軽自動車は変わらず、ハイブリッド車は10%増)になるそうです。それぞれ大事な意味を持ち、設計されています。

クルマを大きく分解してみましょう。

まずは車体について、現在素材はスチール(鉄鋼)アルミチタンカーボン繊維(CFRP)等使用されています。以前は車体はなるべく固く軽く作ることが重要視されていましたが、現在では固いのにしなやかで、かつ軽く、トータル的に車両剛性が高いかが重要となっています。ここでのしなやかとは柔らかいとは異なり、曲がったりねじったりを利用しながら固くしなる剛柔性です。車両剛性とはクルマの総合的な硬さを表し、次にお話する運動性のメカニズムに繋がります。

かつて品質の低いスチール素材で作られたクルマは、鈍重でもろく決して車両剛性は決して高いとは言えませんでした。薄く細く軽量化すれば車両剛性は弱くなり、なんとか車体構造を工夫して車両剛性を高めていました。海外では、道路事情が過酷でその為、車両構造技術はかなり進んでいました。対する日本は、短い悪路や山道、一般道路などでテストするしかありませんでした。現在では、メーカー毎に過酷なテストコースを作り研究していますので、その車体づくりは世界にも負けてはいません。

スチール以外の素材はどうでしょう。
アルミやチタン、CFRPなどは、そのコスト(価格)を度外視した軍事、航空機やレースの世界から降りてきました。アルミは、スチールの約1/3の軽さです。チタンはさらに軽く、F1や航空機に使われるCFRPはさらに軽く高価になります。クルマにとっては軽さは重要な要因の一つですが、その素材のクルマ業界への普及率の低さから大量生産ができず価格は高くなりまた、成型技術は専用器具や技術が必要で普及の難易度を極めました。それらの素材の普及は、現在になっても車両の一部にしか使われていません(超高額なクルマは別ですが)。どこへ部位に使われるかは、また運動性のメカニズムでお話します。

エンジンの種類について

次にクルマが走るためのエンジンについて談義しましょう。
これについては、ここでは語れぬくらいの多くの情報があります。なのでかなり端折ってお話します。

エンジンの分類には、まず外燃機関内燃機関とに分けられます。外燃機関は使われている種類が少なく、一般的なものでジェット機関、蒸気機関や原子力位でしょう。
クルマのエンジンは、内燃機関になります。内燃機関とは簡単に説明しますと密閉された空間を圧縮し燃料を燃焼させ、その爆発的熱エネルギーを推進力・回転エネルギーに変換させる機関のことを言います。ちょっと文章じゃ分かりにくいですね。図を使うと楽なのですが。

エンジンの型式から分けますと、一般的にレシプロエンジンロータリーエンジンがほとんどです。
レシプロとは、細長いシリンダーにピストンで空気と燃料を圧縮、そこへ発火・燃焼させて、爆発的な熱エネルギーを上下運動に変換する機関を差します。
ロータリーエンジンは、おむすび型のローター(レシプロでいうピストン)をハウジング(レシプロでいうシリンダー)内で吸気・圧縮・燃焼・排気の工程を連続的に行い、そこで得た熱エネルギーを回転運動に変換する機関を言います。いずれも最終的にはタイヤを回転させる回転運動にするのですが、エネルギーロスから考えれば元から回転エネルギーのロータリーが運動ロスが少ないと言えるでしょう(もちろん欠点はあります)。しかしエンジンの全体的シェアは、圧倒的にレシプロ有利なので、決してエネルギーロスのことが、普及のアドヴァンテージになっていないのは面白いところです。(ここにも複雑な理由があります。)

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エンジンのチカラとは

エンジンの力について談義しましょう。
エンジンの力の単位が様々あるなかで、日本は一般的にトルク(kgf・m)馬力(PS)を用います。この単位は日本では暫定的なものなのですが、一般的に広く知られていますので、ここではそう表記します。馬力(PS)とは、トルク(kgf・m)×エンジンの回転数(rpm)で計算されます。今は、分からなくても大丈夫です。

この馬力トルクについては、言葉で説明しにくく、一般的には馬力の方が重要視されがちですが、実用的にはトルクの方が大事だったりもします。
風呂桶の水貯めに例えると、トルクとは風呂桶の水の量、回転数は桶の水を汲む回数、馬力はそれまでに風呂釜に溜まった水量と考えてみましょう。
速く風呂釜をいっぱいにする(最高出力・最大馬力)には、1つ目の方法は桶の容量を大きくしてみます。これはトルクを増やすことと言えます。2つ目方法は桶の水を汲む回数を増やします。これは、エンジンの回転数を上げることと同じことです。同じ最大馬力でも、トルクが大きく少ない回転で達成するか、トルクが少なくても回転数で稼いで回して同じ馬力を得るとそのアプローチは異なります。

もちろん問題もあります。桶の大きさは、限りなく大きくはなりません。大きければスペースや振動、耐久に問題が起こります。片や桶の汲む速さにも限りがあります。回転による振動や熱による耐久性の限界です。一概には言えませんが、排気量が大きい車はトルクが強く軽く馬力を稼げます。排気量の小さいトルクが低めのエンジンは、回転数で馬力を稼いでいる場合が多いのです。
クルマの運転感覚で例えるなら、トルクの大きさはアクセルひと踏み(低回転数時)で動きだす力で、最高出力はクルマの最高回転数(レブリミット)においての最高速度で表現されます。
分かりずらいですよね。
トルクと馬力の関係は、エンジンの回転数の途上でも関係・変化しますので尚更です。
実用的に言えば、サーキットのようなレース場ではなく一般道路を運転するなら、国内では最高速はそんなに早くなくてもいいはずです。それよりアクセルの踏みはじめに力がある方が運転しやすいでしょう。本来は運転しやすさにトルクが重要視されるべきなのですが、昔からの日本では最高馬力至上主義の観念が強いことは事実です。

さて、どうやったら大きなトルクは得られるのでしょうか?トルクの大きさとは一発の爆発力の強さです。では一回の爆発力を大きくするにはどうしましょうか。たとえば一本の大きなシリンダーに大きなピストンで多くの燃料を燃焼させて(排気量の増量化)、大きな熱エネルギーを得てみましょう。確かに力は得られました。しかしその大きな爆発力は、大きな音と振動で実用的でなく、機関も消耗しやすくなりました。この考えは、単一シリンダーの排気量を増やす考え方で、工場大型客船などに応用されています。やはりクルマには実用的ではないようです。

そこで排気量を落とすことにしました、すると音や振動問題は解消できました。
そこで考えました。
排気量を増やすことには…ある程度、音や振動、耐久性に耐えられる排気量のシリンダーを複数繋げて、合計して総排気量を増やし、大きなトルクを得られないかと。これをシリンダーの多気筒化と言います。2気筒、4気筒、6気筒、8気筒、10気筒、12気筒と増やせば、単純にシリンダーの数だけ合計した分トルクが上がっていきます(もちろんそれだけで純粋にトルクが上がるわけではありませんし、それだけ本数が増えるだけ音も振動も増えていきます)。

さて、ここであることに気づきませんか?そうです。シリンダー数が偶数なところです。もちろん3気筒も5気筒も実はあります。ですが圧倒的に偶数が使われやすかったのは、その振動対策が主な理由でした。偶数というシリンダー数は、お互いのシリンダー振動をお互いの振動で打ち消しやすい数字だったのです。今では技術が進み排気量が少なければ振動も少なく3気筒(1500cc以下)を、大きめの排気量(2000cc以上)には、振動対策(カウンターシャフト等)を行えば、5気筒もあります。では、何気筒もあればいいんじゃないかと思われがちですが、そうもいかないのが面白いところです。では多気筒化のメリット・デメリットをお話しましょう。

エンジンの多気筒化

多気筒化のメリット・デメリットはいくつかの面からアプローチできます。

トルクの大きさからくる振動面からはどうでしょう。
1気筒の排気量が少なくなればメリットとして振動は少なくなります。排気量の少ない単気筒のトルクのなさは多気筒化でカバーすればよいという考えです。しかしエンジンを載せるルームの広さには限りがありるので、気筒数にも限りがあります
実際問題、排気量のトルクのなさを多気筒でカバーするには、スペース的に多くて12気筒位でしょうか。その際はデメリットとして、どうしても総排気量が大きくなる傾向にあります。さらに言えば、単気筒が小排気量過ぎての多気筒化では、デメリットとしてエンジンの部品数の多さと機械の大重量化でメカニカルロスが大きすぎて出力の割に合わなくなるということがおこります。よってロスに見合うある程度の排気量は必要になります。

それでは、多気筒化を少し減らしましょう。
とすると多くのトルクを得るためには単気筒の排気量を増やさなければなりません。そうすると音も振動も上がります。トルクを上げるために排気量を上げることは、ここではある程度目をふさぎましょう。半面、メリットとしてエンジンの部品数が減ることで、エンジンルームのスペースが取れ、メカニカルロスも減り、軽量化も進み馬力と帳尻があってきました。実用を考えれば大排気量にしたければ6~12気筒を、小排気量ならば3~6気筒が良いでしょう。

エンジンをまわすとは

次にエンジンの回転数からはどうでしょう。
先におさらいすると、馬力はトルク×回転数で決まります。これまでトルク重視の話できましたが、回転数を話すことは、馬力の話に繋がります。回転数とは、エンジンのシリンダーの上下運動を回転運動に変換したときのクランクシャフトの回転数になります。シリンダー内で爆発燃焼が起きるとピストンが上下しクランクシャフトという部品で回転運動に変換されます。爆発力(トルク)によって回転力が発生すると馬力は増えて推進力としてクルマを動かすのです。実際の動作にはアクセルを踏む量が増えることで、エンジンの回転力が増し馬力が出てクルマが動くのです。エンジンの回転数が馬力のバロメーターになります。
例えば、回転数が低いとトルクを生む爆発回数も少なく馬力は低くなります。回転数が高くなれば、トルクを生む爆発回数も多くなり馬力も増大します。回転数が多いほど馬力は増えるのです。

では、回転数が回れば回るほど馬力は上がるのでしょうか?

その答えはNOです。

エンジンの運動には、回転時によるエンジンの振動発火燃焼タイミングのズレ摩擦熱メカニカルロス(抵抗力)等というストレスにさらされます。そのストレスは、回転が増すごとに増大し機構自体を破壊するのです(エンジンブロー)。馬力を上げるには、その機構を効率化し、運動によるストレスを軽減する必要があります。一般的に排気量が少ないとストレスも少なくなり回転数を上げられ排気量が多いとストレスが大きく回転数を高めることは難しくなります。ただし、機構の効率化によって、排気量が大きくても回転数を上げて大出力を得る方法があります。そう、前に出た多気筒化です。1つの気筒を小さくしてストレスを減らし、馬力を多気筒化でカバーする。この方法で総回転数を上げることができるのです。レブリミット(最高回転数)は小排気量車で1分間に7000~9000回転、大排気量車で1分間に6000~7000回転が一般的です。高額なスーパースポーツカーに至っては、大排気量でも1分間に9000回転を回せたりします。F1やモーターサイクルに至っては、10000回転オーバーです。それだけ回転できることはすごいことで馬力を出すのに重要なのです。

エンジンレイアウト問題

ところで前にエンジンルームのスペース問題が出ました。この問題はどうでしょうか?

事実、多気筒にすれば機械の部品数が増えて場所を取ります。しかし振動は減り静粛性は上がります
なんとか限られたスペースに多気筒を入れたい。そこでシリンダーのレイアウトが大事になります。
簡単に言えば、エンジンルームにシリンダーを縦に並べるか、横に並べるかです。実際のところ普通乗用車の車体のバランスから見て、エンジンルームの縦サイズには一般排気量のシリンダーサイズで長いもので直列6気筒が一杯でしょう。この形式を縦置き直列6気筒と呼びます。この状態で縦に平行にシリンダーを並べることは、実際には構造上のロスが多く難しいので、現状はクルマの正面から見てシリンダーをV字型に組み合わせます。文章では分かりずらいですね。
縦置き直列6気筒がV字型に×2列で、縦置きV字型12気筒まではエンジンルームに入ることになります。V字型の角度は60度から180度が一般的です。(ものによってはW型12気筒や18気筒なんてものもありますが稀有な存在です。)シリンダーの角度は狭くなるほど、エンジンの高さが高く幅は狭くなり、角度が広いほど高さが低く幅が広くなります。これらの角度のメリット・デメリットはエンジンスペースの問題や運動性のメカニズムに関係してきます。

今度は、エンジンルームに縦置き直列6気筒を真横に置いてみましょう。
これはスペース的に厳しいです。エンジンルームの横幅にも限界があり、実際問題デメリットの方が多いのです。実用的には横置きは直列4気筒かV字型6気筒のサイズが無難です。横におけるメリットの一つとして、エンジンを横に置けることは、エンジンルームの前後に余裕ができ、エンジンルームの省スペース化になり、クルマ全体のマスを小さくできるのです。小型自動車軽自動車にとって最適なレイアウトです。話をまとめるとエンジンレイアウトは、乗用車の排気量の中で、縦置きなら直列4~6気筒とV字型4~12気筒。横置きにするならば、直列3~4気筒とV字型6気筒が一般的です(180度V型4気筒は水平対向4気筒とも呼ばれています。)。これらの縦置き、横置きについても、運動性のメカニズムにとても関係してきます。

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動き出すクルマ

さぁ、ここでエンジンに火を入れてクルマを動かしてみましょう。

アクセルを踏みます。
クルマが前に走り始めました。
エンジンの回転数は上がり始めます。
しかし、すぐに最高回転数のレブリミットに達してしまいました。出だしは速かったのですが、スピードはさほど出ていません。
速度を出すためにもっとエンジンを回せば、エンジンは壊れてしまいます。

壁が前に来ました。バックしましょう。
しかしこのクルマは前にしか進めません。

さて、どうしたものでしょうか?

減速とトランスミッション

なにか足りませんか?
そうです。シフトチェンジです。このクルマには変速ギア(歯車)がありませんでした。これでは、エンジンの力をあっという間に使い切り、レブリミットに達してしまいます。バックギアが無ければエンジンからの逆回転力もでません。ここには、マニュアルトランスミッション(MT)オートマティックトランスミッション(AT)に必要なギアボックスが無いのです。単純にエンジンにギアボックスを付ければよいのですが、なぜ必要なんでしょうか?いや、これは難しいです。説明するのがです。文章だけでは限界がありますので、本当に簡単にお話してみます。

たとえばエンジンからタイヤへ同じ回転数を伝えれば、先のようにエンジンの回転力を使い切ってしまいます。使い切れば、それ以上速度は上がりません。では、どうすればより早くの速度に繋げられるのでしょうか?
これには減速比多段ギアの関係が必要となります。減速比とはその名の通り、そのエンジンの回転数を減らすことを言います。かといってエンジンを回さないわけではありません。回さなくてもよくすることです。それが、多段ギアの役目です。

突然ですが、ギア付きの自転車に乗ってみましょう。
こぎ始めはペダルに力が欲しいです。1段に入れてこいでみます。チェーンベルトを伝って後輪ギアについた後輪タイヤが転がり始めました。しかし膝の回転が限界になるとそれ以上に速度は伸びませんペダルギアの回転と後輪ギアの回転が一致し始めたからです。そこで2段に入れてみます。チェーンベルトがペダルギアより一回り小さな後輪ギアに入りました。するとそこから速度が伸びるのです。ペダルのギアより小さな後輪ギアに入ったことで、ペダルギアの回転が後輪ギアに減速され、後輪ギアの回転がペダルギアの回転より勝ったからです。前後のギア比によりますが、後輪ギアの大きさがペダルギアより小さくなる程後輪ギアの回転は速く、逆に言えばペダルギアの回転は後輪ギアより回転が減って、ペダルをこぐ力の減少につながったと言えるのです。これが減速ということです。ちなみにそのままタイヤを止めてそのまま走り出したらペダルは重く動けないかもしれません。2段で減速されたペダルギアの力では、1段のようにタイヤを動かす大きな脚力は得られないのです。

ここでクルマの話に戻しましょう。例えれば自転車のペダルギアはエンジンからの出力側のギア(フライホイール)で、後輪ギアは多段ギアの入ったギアボックスと言えます。先ほどの自転車では2段階のギア数でしたが、現在のクルマは多段化が進み、ギア数は、MTで5~6速、ATで4~10速のギアが組み込まれています。では、ギア数が多ければ速くなるのでしょうか?

そうではありません。
いくら低いギアが多くあってもエンジンに馬力が無ければ、低いギアを回せなくなる時が来ます。そこがそのクルマの最高速度になるのです。

チカラを繋ぐ伝達機

ギアボックスが出たので、エンジンとギアボックスを繋ぐ伝達機についてもお話しましょう。
先に出たMTは乾式クラッチを使います。これはエンジン側についているフライホイールとクラッチディスクを圧着させて回転力をギアボックス側に伝達させる装置になります。ATの方法にはいくつかありますが、まずは流体継手を利用したトルクコンバーターがあります。これは向かい合わせた扇風機をイメージすると良いでしょう。エンジン側のファンを回せばギア側のファンがハウジングに満たされた流体を伝って回りだす原理です。今の主流は湿式の多段クラッチを利用しています。トルクコンバーターに直接のダイレクトクラッチを使う機構です。ATと言えば自動変速ですが、今の高級車やスポーツカーには、マニュアルシフトも併用され自由に変速できます。

これまでエンジンについて談義してきましたが、まとめると、エンジンで得た回転力を伝達機でギアボックスへ、そこで減速しドライブシャフトを伝いタイヤを回し、クルマを動かします。
これがクルマが走るです。

どうでしょうか?駆け足でお話してきましたが、ほんの基本の部分でした。
これにエンジンを制御するCPUカムシャフト発電機(オルタネータ)電気信号を伝えるハーネス吸気装置(エアインテーク)排気装置(エキゾーストマニホールド・マフラー)等々、周辺機器や「トルクと馬力とは」等加わるととんでもなくお話が増えるので、またの機会にしましょう。

今回は、クルマが「走る」までをお話しました。
次回は、クルマを「曲げて」「止める」をお話したいと思います

よろしければ、またお付き合いください。
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