自分で創る自分の車 No.10

パワートレイン　2/2

■パワートレーンの構成について...

●フロントエンジン/フロントドライブ
多くの市販レーシングカーやロードカーに採用されている、下図に示すフロントエンジン/フロントドライブの構成は、同じスペックのフロントエンジン/リアドライブの車とレーストラックで対戦した場合、一般的に不利になります。
この構成では、静的な前後バランスは良好に保たれるものの、フロントタイヤが操舵と駆動の両方を行う必要があります。
そのため、コーナリングや加速・制動時の全体的なトラクションが低下し、アンダーステアが発生します。
また、加速性も後輪駆動に比べて低くなります。
加速時に体重がフロントタイヤからリアタイヤに移動すると、車両を前進させるためのグリップが少なくなり、前輪のスピンが発生して加速が妨げられ、タイヤの摩耗が進みます。
しかし、一般的に前輪駆動車は、他の駆動方式に比べてパッケージングが一体化されているため低コストであるというメリットがあり、レースでは他の前輪駆動車とのマッチングで大きな価値を発揮します。

●フロントエンジン/四輪駆動
下図の車両は、フロントエンジン/4WDの構成を示しています。
四輪駆動は、それ自体が加速に大きなメリットをもたらしますが、車両の重量が増え、複雑になります。
エンジンブレーキを使用することでブレーキ性能を向上させることができますが、タイヤの接地面で得られる全体的なグリップ力は変わりません。また、コーナリング時も同様です。

4輪駆動の場合、4つのホイールに均等に加速力を与えることでオーバーステアを避けることができるかもしれませんが、横方向と縦方向のグリップ力は変わりません。

フロントエンジンと4WDの駆動系を組み合わせた場合、重量が車両の前方に偏る可能性がありますが、他のコンポーネントを後方に配置することで、バランスの取れた前後の配分が可能になります。

●ミッドエンジン/リアドライブ
1930年代にオートユニオンがレース用に開発したのが、下図のサンプル車であるミッドマウント・エンジン／リアドライブの構成です。
当時はサスペンションやハンドリング、ドライビングテクニックが未発達であったが、それらを解決することでオートユニオンの車は強力なレースカーとなりました。
この構成は、1950年代後半から60年代に引き継がれ、現在ではフォーミュラカーやスポーツカーの主流となっています。

ミッドエンジン・カーには、いくつかの利点がある。軽量なレーサーの場合、前後の重量配分をバランスよくすることが容易です。
また、エンジン、トランスミッション、ファイナルドライブを近接して配置することで、駆動系を構成する部品が少なくて済み、軽量化が図れます。

エンジンをドライバーの後ろに配置することで、必要な車長が短くなり、フロントボディの高さが低くなるため、ドライバーが低い位置に座ることができ、CGを低くすることができます。
また、エンジンがCGポイントに近い位置にあるため、極慣性モーメントも小さくなります。
これらの利点は、より軽快な車、すなわち、より速く曲がり、より速くブレーキをかけ、より速く加速する車を実現することにつながります。


●モーターサイクル用ミッドエンジン／後輪チェーンドライブ
上記の構成と基本的には同じですが、最近のアマチュアのレーシングカーでは、オートバイのエンジンとチェーンドライブを組み合わせた構成が一般的です。下図を参照してください。
モーターサイクルエンジンは軽量で、シーケンシャルギヤボックスと一体化しているため、アマチュアビルダーにとってはオールインワンの大きな価値があります。
また、チェーンドライブの出力回転は車軸の回転と一致しているため、90度のギア付きデフを経由する必要がありません。
モーターサイクルのエンジンは、比較的低トルク・高回転型であるため、ファイナルドライブにオースチンミニのデフのような小型自動車部品を使用するのに適しています。
馬力はターボやスーパーチャージャーを装着することで400馬力にまで達するため、二輪車用エンジンを搭載できる車両の範囲は非常に広くなっています。大きな欠点は、リバースギアが内蔵されていないことです。
フォーミュラーSAEやフォーミュラスチューデントでは、ほぼ共通してこの形式が採用されています。

●ミッドエンジン/四輪駆動
下図のミッドエンジン/4WDの構成は、フロントエンジン/4WDの構成に比べて大きなアドバンテージはありません。
静的重量配分は同等であり、ミッドエンジンの位置によってバランスのとれた前後重量配分を実現しやすくなっています。
四輪駆動システムは、パワートレインにさらなる重量と複雑さをもたらします。
4WDの最大のメリットは加速性だが、エンジンブレーキを使用する場合を除き、ブレーキ性能への実用的な影響はほとんどありません。
4WDシステムは、加速時のオーバーステアに対抗するように設計されていれば、コーナーでの安定性を高める効果があります。
前述の「ミッドエンジン／リアドライブ」で述べたミッドエンジンレイアウトの利点は、トランスアクスルからフロントにプロペラ／ドライブシャフトが通っていることを除けば、ここでも当てはまります。

●リアエンジン/リアドライブ

下図のリアエンジン/リアドライブ車は、レースで使用され、まれではあるがポルシェ911のように成功した構成を示しています。
この構成は、他の構成よりも加速時の重量移動量が多いという利点があります。
しかし、エンジンをホイールベースの外側に配置することで生じるテコの作用により、激しい加速時には前輪のトラクションが低下するというマイナス面もあります。
このような構成を採用している車は、軽量なエンジンを使用し、エンジンをリアアクスルからわずかな距離しか離していないため、一般的に大きなペナルティを免れています。

●リアエンジン/四輪駆動
リアエンジン構成に四輪駆動を追加すると、リアの重量を移動させても加速性が大幅に向上しますが、エンジンをホイールベースの外側に配置するという固有のハンディキャップが存在します。
しかし、ポルシェが実証したように、この構成はうまく機能させることができます。
また、ホイールベースがよりコンパクトになるため、静的重量配分がうまくいけば、極力モーメントやCGの問題を克服することができます。

■パワートレーンのヒント (2/2まとめ)

・シャシーを設計する前にパワートレインの部品を選択する
車両全体のデザインを具体化するためには、基本的な概念図が必要ですが、その前にパワートレインの主要部品を選定しておくことをお勧めします。
シャシーのデザイン、全体の重量配分、サスペンションの構成などは、すべてエンジンと駆動系の選択に依存します。
エンジンのおおよその質量と出力、駆動系の質量と負荷は、基本的ではあるが重要な出発点でもあります。

・パワートレーンの耐久性を高める
トップレベルのレース以外では、パワートレインの部品はほとんどが既製品なので、内部の耐久性は変えられないでしょう。
しかし、その部品をどのように車両のパッケージに組み込むかで、大きな違いが生まれます。
例えば、独立懸架式サスペンションの場合、アクスルのハーフシャフトをデフやアップライト/ナックルのCVジョイントとインラインに近い状態にしておくと、CVジョイントの摩耗が少なく、寿命が長くなり、結果的にコストを下げることができます。

・エンジン・駆動系の重量とCGハイトの最小化
車は、低くて軽いほど速く走ることができます。
エンジンをシャーシの低い位置に搭載できるかどうかは、最終的な性能に大きな影響を与えます。
また、エンジン自体を軽量化すれば、余った重量をバラストとして車のCGハイトを可能な限り低くすることができます。

・バネ下の重量を減らす
駆動系部品の重量を最適化することで、サスペンションのバネ下重量を減らすことができます。

例えば、独立懸架式サスペンションの場合、ホイールに到達するまでのハーフシャフトの長さが長くなればなるほど、強度が必要になります。

つまり、より多くの質量とより多くの強度が必要となり、バネ下重量が増加します。

次回からエアロダイナミクス編です