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クルマを楽しもう! ~その4「運動性のメカニズム」~

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ドライビングを楽しもう!

クルマの楽しさの世界へようこそ!

今回も稚拙な内容のブログに来ていただきありがとうございます。
これまでは、クルマの構造のメカニズムと題して小難しいお話をしてまいりました。
実はこれまでのお話は、これからお話することにとって無くてはならないものでした。
難解で分かりづらかったでしたら申し訳ありません。

これからお話することは、実は私の最もお伝えしたかったことなのです。
なるべく専門用語のないよう努力しますが、もしありましたら、前回、前々回のブログをお読みいただけるとわかるかもしれませんので、よろしくお願いいたします。
それでは、始めましょう。

運転することは、クルマを楽しむことの上位に来る行為でしょう。
ドライビング・ハイ」「ドライビング・エクスタシー」などと表現されることもある位です。
ただ何気なく一般道をドライブすることから、積極的にクルマをコントロールしドライビングすること、果てはレースの世界で競い合うドライビングをすること等と様々な運転があります。

しかしドライビングテクニック(運転技術)を極めると、その行為はすべて3つの運動に集約されると言えます。
たしかに速度域が高まればそれなりのスピードとテクニックが必要になりますが、そもそもドライビングとは4本のタイヤをコントロールすることにあります。タイヤをコントロールすることで、クルマを走らせ、曲げて、止まらせ、姿勢をコントロールすることができるのです。たとえ速度域が変わるともです。

イメージしてみましょう。

さぁドライブしてみましょう。

あなたは流行りのスポーツカーに乗り、ヤシの木の並ぶ海岸線の峠道を走っています。
直線先から右カーブが見えてきました。
あなたは、カーブを曲がれる速度域までブレーキを踏みます
クルマの前部が沈み、ぐんぐんスピードが落ちてきました。
からだは前のめりになります。
徐々にカーブの入り口が迫ってきました。
スピードが落ちたのでシフトチェンジしてギアを落とし、クルマを安定させましょう。
カーブの入り口に入ったのでブレーキから足を外しアクセルの上へ、そしてステアリングを右側にきりこみ始めます。
クルマが左に傾き、鼻先は右を向け始めました。
体は外側へ振られます。
クルマが曲がればスピードが落ちはじめるので、スピードを保つためにアクセルは一定です。
ステアリングの角度は一定に、クルマはカーブを曲がり切り、カーブの出口が見えてきました。
ここでゆっくりステアリングを戻しながらアクセル・オンです。
からだへの左側へのG(重力)は無くなりましたが、今度はクルマの後部が沈み、からだがシートへ仰け反ります。
そのままクルマは滑るようにカーブを抜けて、立ち上がった直線から次のカーブに向かうのでした。

とある日のドライブ中の一部をイメージしてみました。
では、次のシーンをイメージしてみましょう。

それは、豪雨の中でのサーキットの出来事です。
客席裏のバックストレート(裏の直線道路)で、ライバルのクルマが前後左右で先を争っています。
速度はすでに時速300キロを超えています。
ぐんぐんと右の最終コーナー(カーブ)が迫ってきました。
先にコーナーに飛び込んだ方が優位に立てます。
しかし、路面は雨で滑りやすくなっています。
コーナー進入まで250メートル!
全車一斉にブレーキング開始!!
同時に電光石火のシフトダウン!!!
全車両のノーズ(先端)がわずかに沈み込み、雨水は前方に吹き飛びます。
ドライバーはそのシートベルトでは間に合わない、後方からのGを耐えるため全身で踏ん張ります。
一番に先に勢いよく飛び込んだクルマは、雨水にブレーキをロック(完全停止)させタイヤのグリップを失い、コース外へ飛び出していきます。
右側(イン側)のクルマは、危ないと感じたのか早めにブレーキング競争から脱落。
左側(アウト側)のクルマは、アウト側から大外回りに膨らみチャンスを待ちます。

そこへです!後方のクルマがコントロール不能状態でアウト側のクルマに接触!2台ともコースアウト!
残った後続のクルマが、その横を通り過ぎ右最終コーナーへ進入していきます。
コースを横切る雨水の川を避けながら、クルマが右最終コーナーのクリッピングポイント(カーブの頂点)を目指してステアリングを探り探り切っていきます

クルマは、滑り気味に外側へと向かおうとします。
ドライバーは、それを止めようとブレーキをやや残して、その力の流れを止めるしかありません。
もちろんまだまだアクセルは踏めません。
クルマのノーズが右へ向くと、クルマはやや左に傾斜し、ドライバーは強烈な遠心力に左側に振られるのを左足で踏ん張って耐えるのでした。
クリッピングポイントを過ぎるとようやくブレーキから足が離れます。
と同時にアクセル・オンです。

しかし勢いよく踏んだクルマは、あっという間にグリップ力を失いコースアウトしていきます。
ここはパーシャルスロットル(一定踏力)なのです。
アクセルを踏み、抜きながら加速できるグリップ力の残ったポイントを探ります。
ようやくコーナーの出口が見えてきました。
ここから全車ステアリングを戻しながらアクセルの全開に入ります
左に傾いたクルマは戻り、左側への横Gも無くなります。

イン側のクルマは、アウト側に出そうになり全開にできません。
後方へ下がります。
アウト側のクルマもコースの幅が残ってないので全開にできません。
後方へ下がるしかありません。

そこへ後方から乾いた路面を探しながら最短のコースを走ってきた一台のクルマが割って入ってきました。
前方の路面はやや乾いています。
アクセル全開!!クルマの後部が沈み込みます。
ドライバーは、強烈な加速Gに後方に押さえつけられながらアクセルを踏みぬきます。
ぐんぐん加速するクルマ!!
コーナーを抜けきり最終直線で躍り出たそのクルマは甲高いサウンドを鳴らしながら、白と黒のチェッカーフラッグを受けるのでした。
いつしか雨はやみ、路面の水たまりに日の光が反射していました。

運動性のメカニズム

いかがだったでしょうか?
2つのイメージをご紹介しました。
2つのイメージは、全然違ったものを持たれたと思います。しかしクルマの運動性のメカニズムについては、この2つのイメージはほぼ変わりはありません。
もちろん路面の状況やスピード域などの違いはありますが、これは環境の違いでクルマの運動性のメカニズムにはほぼ関係しないのです。
ドライビングテクニックには、ほんの少し変わりはありましたが、基本のテクニックは同じです。

本当でしょうか?
では、余計なシチュエイションを除いて、再び2つをイメージしてみましょう。

まず右カーブが近づきます。
右カーブを曲がり切れる速度までブレーキングします
クルマの先端は沈み込み、後方からGがきて前のめりになります。
ステアリングをきり始めるとクルマは曲がり始め、クルマは左に傾き始めます。
と同時に、からだは左に振られます。
制動が終わりブレーキをはなすと、グリップ力が無くならない範囲で一定にアクセルを踏み、カーブの出口に向かいます。
カーブの出口に向かうとステアリングを戻し始め、左側へのGは無くなります。
カーブの出口へアクセルを踏み始めると、クルマの後部は沈み込み、からだは前方からのGにシートに押さえつけられます。

まだ長いですか?では、もっと簡略化しましょう。

右カーブ前にブレーキを踏み、スピードを落とします。
右カーブに沿ってステアリングを右にきります。
ステアリングそのまま、ややアクセル・オンでカーブを曲がります。
ステアリングを戻していきます。
アクセル・オンで真っ直ぐに立ち上がります。
以上です。

この2つのイメージは「走る」「曲がる」「止まる」のクルマの運動性に集約されるのです。この動きに、共通するクルマのパーツがあります。路面に常に接地しているタイヤです。ドライビングテクニックとは、「走る」「曲がる」「止まる」を4つのタイヤを使ってクルマをコントロールすることになるのです。

では、次に上記のように運転中にクルマがどのような運動性になっているのか、お話してみましょう。

クルマの運動性のメカニズム

お気づきかもしれませんが、クルマの動きのエッセンスは、先のイメージ文章に集約されています。クルマの構造のメカニズムを加えながら見ていきましょう。

まずは「走って」みましょう。
ギアは1速でアクセルを踏むとトルクが立ち上がり、クルマは力強く前に進み出します。
クルマの前部は浮き上がり、後部は沈み込み走り出します。

次は「止めて」みましょう。
ブレーキを踏むとクルマの前部は沈み込み、後部は浮き上がり止まります。
では、この時車体はどうなっているでしょうか?

このようなクルマの運動性は、「ピッチングという加減速Gによる現象です。
クルマの車体とタイヤを繋ぐサスペンションが伸縮して起こっています。
もちろん、クルマにサスペンションが無ければこのような現象は起こりません。いや起ってはいるのですが、目には見えない荷重がかかっているだけです。
このサスペンションの伸縮運動は、前輪タイヤと後輪タイヤに浮力と荷重をかけます
ここで出た荷重ですが、構造のメカニズムでタイヤのグリップ力についてお話しにもでました。
荷重はクルマをコントロールすることに重要な役割を果たします。

ここで少し、構造のメカニズムの残りの一部をお話しましょう。

クルマを駆動するタイヤとエンジンのレイアウトについてです。
主にですが、前輪タイヤを駆動するフロントエンジン・フロント駆動のFF後輪を駆動するフロントエンジン・リア駆動のFR前後輪を駆動する4WD(4輪駆動・現在はAWD呼びが主流)エンジンを中央部に後輪を駆動するミドシップ・リア駆動のMRエンジンを後部に後輪を駆動するRRに分類されます。

ここで話を戻しますと、駆動輪への荷重が増減するとタイヤへのグリップ力が変化するのです。
つまり、クルマが前進することで、前輪の荷重が減りグリップ力は減少し、後輪の荷重が増えるとグリップ力は増大するのです。よって増大したグリップ力は駆動力を増大させクルマを前進させます。

これらを要約すると、前進の場合、フロントが浮き上がり前輪のタイヤを駆動するFFは駆動輪への駆動力が減りやすく、逆に荷重のかかる後輪タイヤを駆動するFRは駆動輪への駆動力が増大しやすいレイアウトと言えます。さらにエンジンの重みを4輪または、後輪に荷重を加えるMRやRRは前進するに適していると言えます。ここでAWDのことを忘れていました。4輪駆動は前進において、FFの駆動力とFRの駆動力をプラスした最強のレイアウトと言えるかもしれません。AWDは常時4輪駆動パートタイム電子制御タイプと複数に分類されます。

さて、「ブレーキ」を踏んだ時はどうでしょう。
運動性は、前進と逆のピッチング運動になります。クルマのノーズは沈み込み前輪のグリップ力は増大します。後部は浮き上がり後輪のグリップ力は下がります。ブレーキの制動力は、荷重の大きさで決まるので、フロントの制動力は上がり、リアの制動力はやや下がるのです。
フロントエンジンにおいてFF、FR、AWDにかかわらず制動力はフロントに大きくかかりやすいので、速度によっては、タイヤのグリップのキャパシティを超えやすいと言えます。FRは、後部に重量物があるのでFFほど苦しくはありません。AWDは全体の重量が重いので全体的に不利でしょう。エンジンのレイアウトが中央部及び、後部のMRやRRの場合は、制動において前方への荷重変動が少なく、制動力も4輪均等にかかる安定したレイアウトと言えます。(かといってピッチング運動がないわけではありません。)

クルマが走り出す

では「走る」に戻ります。
より強く駆動輪が路面に駆動力を伝えるにはどうすればよいのでしょうか?

FFの場合、前進すると荷重が減り駆動力が減少する傾向にあるので、フロントを重くして荷重を増やすと考えがちですが、これは間違えで、前後の重量配分が悪くなり今後のクルマの制動などのコントロールがし辛くなります。ただでさえフロントにエンジンやギアボックス等の重量物があるFFです。逆に重さを減らしたいくらいなのが実情なのです。
そこでサスペンションの出番です。具体的には、フロントが浮きにくくするためにフロントのサスペンションの伸びを固くしたりして浮き上がりにくくしたり、逆にリアのサスペンションの沈み込みを少なくするなどの前後の調整でフロントタイヤの荷重が抜けないようにするようにしたりします。

FRの場合はどうでしょうか。
クルマはいずれも発進すると、リアが沈み込みます。FRの前後の重量配分は停車時は比較的6:4位が多く、走らせるとなるべく5:5に近づき適正な重量配分になるようにしてあることが多いです。後輪駆動車のリアには、プロペラシャフトリアデフドライブシャフトなど重量物があるので、このような、重量配分が取れるのです。実走行において理想的なレイアウトとして、その後の重量配分もサスペンション調整で比較的自由度が効きます

AWDはどうでしょう。
4輪駆動は、FFベースが多いのでフロントがやや浮き気味になりますが、フロントエンジンの荷重とリア駆動への荷重異動で4輪への荷重が高く4輪全体で路面をかいて進みます。今では、AWDと言って、前輪後輪の駆動配分を電子制御に路面に適切に駆動力を伝える可変トルク機構がついています。リアの駆動力が多すぎた場合(スリップする)フロントの駆動力に伝えるようになります。サスペンションはやはりFFベースの場合は同じ考えに近いです。

MRはどうでしょう。
このレイアウトは、クルマすべての挙動にバランス良く成り立っています。重量物がクルマの中心にあるので、荷重異動が少ないのです。走行においても4輪にバランスよく荷重をかけることができます
FRと同じく、サスペンションの自由度は高くなっています

RRはどうでしょう。
このレイアウトを取っているクルマは少ないです。走行中に荷重をかけやすい利点はあるのですが、癖の強いクルマのレイアウトです。国産車はバス以外はつい最近無くなりました。海外では、一部のスポーツカーや室内を広くしたい小型車に利用されています。サスペンションを調整するのも難しく、あまり利用されていないのが現状です。

ちなみに「後進する(バックする)」は、前進するの反対の荷重移動になります。
以上、「走る」についての荷重異動についてお話しました。

次は、「止まる」について見てみましょう。

クルマが止まらない

「止まる」とは、クルマの運転として最も難しいと言えるテクニックです。
クルマを止めるためには、クルマの重量と慣性力をタイヤ4本の僅かな面積でグリップして止めなくてはなりません。クルマのタイヤのグリップ力と荷重、制動器の強さ等が必要になります。そして一番重要なのはブレーキの足の踏力の感覚です。踏力は弱すぎず、強すぎず路面のμ(摩擦係数)に合わせて踏んでいかなければなりません。アクセルを踏む「走る」やステアリングをきる「曲がる」より難しいと言えるのです。

ブレーキキング(ブレーキを踏む)を最大限に生かす、路面とタイヤの摩擦関係は、路面に対して10%~20%の摩擦係数にすることが大事です。つまり20%以上だとタイヤがロックしやすくなり、10%以下だとブレーキの最大制動力(タイヤの最高グリップ力)を使い切れていないと言えます。街中ではフルブレーキングの話は危ないのですが、その落ちていく速度の摩擦係数にあわせて踏力を入れると早くスムーズに止まることができるでしょう。

「止まる」を駆動レイアウト別にみてみましょう。

まずはFFです。
重量物がフロントに集中しているうえに、ブレーキングによりフロント荷重になります。一気にフロントタイヤの摩擦係数は跳ね上がりフロントタイヤがロックしやすくなるでしょう。路面がアイスバーンのような摩擦係数の低いところでは、細心の注意が必要です。
さてロックしたらどうなるのでしょう。まずはグリップ力がほぼ無くなりクルマは止まらなくなります。同時にステアリングが全く効かなくなり、リヤタイヤは不安定にロックに至ります。そうするとクルマの姿勢は制御できなくなり、路面に流されるままの状態になります。

ではこの時の回避方法になにがあるでしょう。
一つは、ブレーキを抜きタイヤロックを外すことで、タイヤのグリップを戻してアクティブに操作する方法。もう一つは、とにかくブレーキを踏み続けてクルマの速度が落ちるのを待つ方法です。
どちらが良いかは、そのシチュエーションによりますが、私の意見では、より簡単な後者の速度が落ちるまでブレーキを踏み続けるが良いと思います。あくまで、自分の私見ですが。

FRに行きましょう。
こちらもフロントエンジンですので、フロントに荷重が大きくかかります。しかしFFと違い、後部のプロペラシャフトやリアデフ、ドライブシャフト等の重量物で、クルマの重量比が比較的前後でばらけているので、FFほどフロントに大きな荷重はかかりません。より4本のタイヤでブレーキングしやすいレイアウトと言えます。FFより安定してブレーキングできるといってよいでしょう。

AWDはどうでしょう。
AWDは前後の駆動力の差動差からブレーキング現象が普段から起こっています。つまり止まりやすい体制になっているのです。フロントエンジンですが、クルマの中央からリアまで重量物が均等にレイアウトされているので、荷重移動も少なくブレーキしやすくなります。ブレーキング時の姿勢も良いです。ただし、重量物が多いということは慣性力も強く止まりづらいので、フロントに余計に負担がかかるので、結果的にはFFに似たような形になるでしょう。

MRやRRはどうでしょうか?
MRは重量物は、前後輪の間です。制動力でフロント荷重になりますが、過度な荷重移動はなく、リアブレーキも抜けません。4輪で均等に制動できるのです。
RRはどうでしょう。
これはクセがあります。うまく直線的に制動すれば、フロント荷重になってもリアのエンジンで強力な荷重があり、制動力も4輪に均等になります。しかしいざクルマが曲がり、重いリアが降られた状態で制動がかかると、ひどくクルマ全体が不安定になる欠点があります。まるで時計の振り子のようです。


まとめると、クルマは走るとリア荷重に、止めるとフロント荷重になります。クルマの駆動レイアウトの違いにも寄りますが、このことは基本で変わりません。走る出すことにはリア駆動が、ブレーキングするにはMRが最適と言えます。


ここまでは、ステアリングをきらずに真っ直ぐな状態でのクルマの挙動を話してきました。
まだまだ話し切れていない事もたくさんありますが、とりあえずは今回はここまでにしておきましょう。

次回は、ステアリングをきって「曲がる」を紐解きたいと思います。
お付き合いしていただけると大変うれしいです。
ご意見も大歓迎です。

それでは次回でお会いしましょう。

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クルマを楽しもう! ~その5「曲がる」と「止まる」~

クルマを楽しもう! ~その3「構造のメカニズム・曲げると止まる」~

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ドライビングには“理屈”がある。人間は理屈が分かると危ないことは自然にしなくなるし、上達も目に見えて早くなる。2輪のレーサー時代を含めると40年以上、多くの与えられた経験の中で芽生えていた“走りの方程式”の“解”。点と点が結ばれ、線となり、ドライビングを「科学」した書。
レーシングドライバーとしての40年を越える経験が生んだ究極の運転理論とは? いかに「早く」「楽しく」かつ「安全」に走るかを追及した、スポーツドライビングの指南書。

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