Ichiのブログ一覧

昨日の、空力とは　１の続きです。

空力特性を考えるには、空気抵抗係数、揚力、ヨーイングが重要なんですが、ヨーイングまでを考えて車体デザイン、設計している市販車は無いと思います。

ヨーイングは、主に横風の影響に効いてくるのですが、一般的にCD値の減少とヨーイングの影響は、形状的にトレードオフになることが多いです。

CD値を下げると言うことは、車体に沿って空気をなめらかに流して、渦が発生しないようにきれいに車体から剥離させると言うことですが、そうすると横風に弱くなってきます。

横風に強くするには、エアダムスカートなど車両前部の圧力を増やしてやるか、車体後半の横面積を増やす（くさび形）と、乱れた進路を引き戻す力が発生して安定します。

先にも書いたように、巷に溢れるセダンが軒並みCD値0.3を切るほどになったのは、コンピュータの進歩による流体シミュレーションの進歩が、大きく貢献しているのは間違いありません。

日本車でも、底面にカバーが付けられたり、マフラーなど処理されたり、タイヤハウス内の空気の流れも計算されるようになってきました。

W203でCD値0.26となっていますが、スケールモデルによる実験が行われていた時代は、長らくCD値0.3が一つの壁でした。

今のレガシィは、フロントタイヤの前を見ると、何か高さ2cmくらいの板が出ているのを見つけることが出来るはずです。

この小さな板、１０年前だとポルシェやベンツなど特にヨーロッパ車の多くには付いていたにも関わらず、日本車ではまず見られないもので、評論家も気が付いていませんでしたし、気が付いても何か空力に関係があるのではないか？程度の知識でした。

今でも評論家はそうだと思いますが、日本の自動車メーカーではこの小さな板の重要性に気が付きました。

こうした整流板は、ボルッテックスジェネレーター（Vortex Generatot=渦巻発生器）と呼ばれ、飛行機などでは応用されているものでしたが、走行時は板の前の圧力が高くなり、後ろ側の低圧になる部分に高圧部から空気が流れ込み、安定した渦を発生させることによって、剥離しかかった境界層を安定させて、トータルで抗力を減らすと言うものです。

フロントタイヤ前にこのVGがあることによって、高速走行時のタイヤハウス内の空気の流れが安定して、ハイドロプレーニングの発生も抑えることが可能のようです。

http://microaero.com/pages/k__vgkits.html

↑では、小型飛行機ようですが、マイクロＶＧのキットも売られているので、オカルトグッズを試すならば、これをボンネットやルーフなどに取り付けることにより、空気の剥離を防ぎCD値が向上して燃費や最高速に効きそうです。

ＶＧは飛行機が本家だと思いますが、元はフクロウの羽根が音を立てないことにヒントを得て開発されたと言われ、Ｆ１だけでなく新幹線などに応用されている実績あるものです。

しかし、市販車では格好や安全性の問題から、目立つところには装着しないでしょうから、ＶＧによる空力改善の余地は残されているはずです（笑）


また最近は、CD値の他にゼロリフトなどと、フロント、リアの揚力も取り上げられる事が増えてきました。

Ｒ３４ＧＴ－Ｒなどは、200km/h時に約150kgのダウンフォースがかかるように、デフューザーやリアウィングが付けられていますし（ウィング角度によって調整可能）、フェラーリなどはボディだけで同じ位のダウンフォースを得ていると言われます。

ダウンフォースも、フロントを強くするとオーバーステア傾向になるので、一般的にはリアを強くして、安定性は増すようにバランスを取っています。

アウトバーンのある国では、250km/hでリミッターが働くよう、紳士協定があるそうですが、それもオーナーの判断で外すことが可能で、300km/h近く速度の出る車が各社から販売されています。

そのような車でも、インプやランEVOのような巨大ウィング無しで安定性を確保できるようになったのも、初期のアウディTTが高速走行時の安定性を確保できなかったのも空力設計のせいであることを考えると、空力って大切ですね。

空気抵抗は、車の初期の頃から認識されていて、昔から流線型のボディを纏った車が多く作られてきました。

しかし、２５年ほど前のスーパーカーブームの頃に、フェラーリ512BBと子供達の人気を二分したカウンタックは、空力特性など考慮されていないことは有名です。

空力特性は、前面から受ける空気抵抗と、車体の上面・底面を流れる空気の影響による揚力（リフト）、横風の影響によるヨーイングを考える必要があります。

まず、走行時の空気抵抗を考えると、120km/hを超えるあたりから、走行抵抗に占める空気抵抗の割合が一番大きくなってくるので、CD値を改善することが最高速と、高速での燃費の改善に有効であることが知られています。

CD値は空気抵抗係数と呼ばれる物で、CD値×前面投影面積が空気抵抗となります。
ですから、飛行機などは大きくても、CD値は0.1を切りますし、歩行する際の人体は0.6位になります。

現在は、コンピューター内の3D CADモデルによって、大まかなCD値がシミュレーションできて、最終的に風洞実験で細部を詰めると言う手法が取られますが、２０年前は、流体シミュレーションにはスーパーコンピュータが必要で、車体全体の空力シミュレーションは困難だったため、縮小モデルによるトライ＆エラーにたよっていました。

実際、CD値が0.3を切る車は、同じ馬力でも150km/h付近での速度の伸びもはっきりと違いますし、CD値で0.05も違うと、最高速付近で20km/h近い差になるのではないでしょうか。


市販車で空力改善に取り組んだ車として、アウディ100が有名ですが、航空機部門と繋がりのある、サーブやスバルも早い時期から空力改善に取り組んでいました。

スバルでは、20年前に発売されたアルシオーネがCD値0.29を記録して、当時のカタログには、市販車で世界最高と書かれていたと思います。

アルシオーネでは、ドアハンドルもフラットになるようにフラップを付けたり、思いつく限り車体のサーフェイス化を行い、実験の繰り返しによって、リアウィンドウの角度、車体のリア端の処理、空気取り入れ口形状などを決めていったようです。

また、この当時の日本車の空力アイテムは、船の艦首にヒントを得たと言う、エアダムスカート、サイドスカートにサイドフラップ、そしてリアウィングでしたが、これらはCDを下げる物ではなく、役割としては安定度を出すものでした。

書いていたら、専門的でつまらなくなってしまいました（＾＾；　勿体ないからアップしましたので、マニアの方はどうぞ（笑）


チタンは自動車部品に利用されていますが、特定の部品に限定さえれている状況です。

それは、ひとえにコストが高いからで、コストが下がれば、アルミ、マグネシウムに続き軽量性や機能性を武器に、自動車にも広範囲で応用されるようになると思われます。

さて、日本車で最初にチタン材を用いた車は何でしょう？？（正解は文末）

この日本で、最初にチタンが用いられたのはシフトノブでしたが、1998年からベンツやフォルクスワーゲンでは、ブレーキガイドピンやシーリングワッシャーにチタンを採用しています。

チタン材は、降伏強度と疲労強度はアルミやマグネよりも優れますが、ヤング率が小さいために、軽量構造には逆に劣ってしまいます。

そのため、ボディーに用いられることは無く、シャシーやエンジン関係に用いられることになるのでしょうが、まだ加工コストが高いことから、一部の高性能車での使用に止まっています。

コンロッド（ポルシェ）、エンジンバルブ（トヨタ、日産）、ターボチャージャー・ローター（ベンツ、三菱、スバル）、サスペンションバネ（ＶＷ）などを中心に、チタンの使用が増えてきているところです。

また、チタンは耐摩耗性が低いので、コンロッドなどに用いるためには被覆が必要になります。被覆はPVD-CrNなどが使用出来るので比較的簡単ですが、排気温度の高いバルブに使用するには、特別な加工が必要となります。

吸気側はTi-6Al-4V合金で大丈夫ですが、排気側はTIMETAL834（Ti-6AL-4Sn-4Zn-1Nb-1Mo-0.2Si-0.3O）を格子状にしてTiBで強化したPM合金が用いられています。

まあ、ナトリウム封入バルブもそうですが、一般車でそこまでして高価な素材を使うメリットがあるかと言うと疑問なんですが、仮に大きなメリットが出れば自動車メーカーは採用を広げることでしょう。（トヨタでもアルテッツァの６気筒以降採用していないですし）

それよりも、いまは安価なβ-Ti合金や応用範囲の広いγ-TiAlへの期待が高まっています。

正解は、95年発売のシビックTypeＲでした。
　ホンダのS2000のシフトノブは誤りでしたm(-_-)m Muraさんご指摘ありがとうございました。この時、インテＲはアルミシフトノブだったはずなので、これが正解だと思いますが、もっと早い時期に標準で採用されていたものがありましたらご指摘下さい。

このボードでは交換をしている人も多いスタビライザーですが、車においてはアンチロールバーと呼ばれ、直訳すると「ロールを抑える棒」となります。

Truthさんが４月２日のブログで、BEにおける実体験から、参考になる解説を書かれていますので、専門的に考察するならば「自動車のサスペンション」などの書籍を読みながら理由を考えると、手を入れる際の挙動の変化などが見えてくると思います。

このスタビは、それほど高い物ではないので、手軽なチューニングパーツとして、多くの製品が販売されており、それらの説明には「乗り心地を悪化させることなくロールを抑えて安定を増す」とか「柔らかいバネが使えるので乗り心地が良くなる」とか「ロール剛性のアップによるコーナーで安定が増す」などなど良いことづくめで悪いことが無いような書き方を見かけます。

しかし、交換をしたことある人なら、体験的にデメリットもあることを理解していると思います。

もしデメリットが無いならば、どんな車でも採用するし、乗り心地に影響がないなら太い物を装備するでしょう。

コストダウンのため、安い車には採用されていないと言う意見もありますが、ライン装着する部品代としては、1000円未満、販売価格で８千円程度でしょうからメリットが大きいならば採用に踏み切ると思われます。

また、足回りに対するコスト制約も少なく、現在のFRで最も洗練された足を持つと、各所で絶賛されているメルセデスのW203では、一部のモデルでスタビが付いていません。

しかも、このスタビの無いモデルが、足回りのバランスが一番良いと言われますし、200km/hくらいでのレーンチェンジも、スタビを装着する日本車よりも安心して行えます。

一方で、低コスト車の代表であるスズキアルトには、スタビが標準で採用されています。

このように考えると、スタビはサスペンションセッティングにおける塩、胡椒のような物と言えるでしょう。
塩だけでなく、胡椒もあるところがなかなか奥深いのですが．．．

メーカーではスタビを標準採用するにあたって、バネと合わせてセッティングを行っているので、基本的にここに触る場合は、バネ、ダンパーまでトータルで考えるのが理想です。

レガシィで考えると、BE以降のマルチリンクサスを採用するモデルで、リアにフロントより径の太い物を採用するという方法は、リアの巻き込むそぶりを目立たなくする方法として正しいと思います。

ただ、日本車は、たとえFRであろうと、最終的にはスピンするようなセッティングは許されないでしょうから、ここはレガシィも同じだと思います。

リアにマルチリンクを採用するようになった、先代、現行のレガシィでちょっとハードな走行した人なら、オーバーに陥いりそうだとか、狙ったラインよりも巻き込むのでハンドルを戻す必要があると感じことがあると思いますが、B4においてはそれは「素振り」であって、狙ったラインよりも内側に行くと思ってもそのままアクセルを踏んでいると、ちゃんと狙ったラインを通ります。（私が試した領域の話です）

このあたりは、precisionさんがハードな走行をしていそうなので（すいません、勝手な想像です（＾＾；）、癖を掴んでいると思いますがどうなのでしょう．．．

想像では、ワゴンの方がリアの剛性がセダンよりも低いことと、ある程度の荷物を載せることを想定しなければならないので、そのセッティングの関係でよりリアサスの癖が出やすいけれど、同じ味付けがされているのではないでしょうか？（アクセルを踏んでいって、オーバーに陥ることは無いということ）

メーカーでは、ダンパーのオリフィスまで含めてチューニングを行うので、足回りのセッティングは無限の組み合わせがあると思いますので、販売時にベストと考えた物でも、代が進むに従って熟成されていきます。

当然ながらメーカーであるスバルが一番わかっているので、４代目では、サスの横剛性を上げてきたのでしょう。

各モデルのスタビ径はしりませんが、spec.Bのようなハードな走りを行うモデルでは、リアに太めのスタビを採用しているとすれば、メーカーが現行サスの（悪）癖を理解していている証拠のように思います。

Muraさんのブログで取り上げられた、日産の可変圧縮比エンジンですが、車雑誌の筆者のレベルが低く、機構の解説がまともに出来ないのではないかとのやり取りをしたなかで、ご要望があったので非常～に専門的になりますが、可変圧縮比エンジン（以下VCR-EG（Variable Compression Ratio Engine））について取り上げたいと思います。

エンジンは走行状態により、低回転から高回転、定負荷から高負荷までさまざまな条件で使われるので、なるべく広い条件で効率が上がるように、バルブタイミングやバルブリフト量、吸気管長など色々な部分を変化させて性能を引き出すように考えられています。

ですから、圧縮比自体を変化させるVCR-EGは画期的な技術と言えます。

圧縮比は、ノッキングが発生しやすい低回転・高負荷時の条件によって決まるため、ノッキングが発生しにくい高回転域では圧縮比を上げてトルクを引き出すことが可能です。

また、ターボでは最大加給圧によって圧縮比が決まってくるので、加給圧の低い低回転域では圧縮比を上げてトルクをひきだし、加給圧の高まる高回転域では圧縮比を下げて異常燃焼を抑えることが可能となります。

この、VCR機構については、サーブ、メルセデスベンツ、フォード、ボルボなど多くの会社が研究をし、機構の重量増によるデメリットによって量産車に採用されていないものです。

なかでは、サーブがシリンダーブロック全体を箱の蓋みたいに、動かして圧縮比を変えるエンジンを2000年に発表して、ベストテクノロジー賞や翌年にインターナショナル・エンジン・オブ・ザ・イヤーでベストエンジンコンセプト賞を受賞しています。

このように、VCR機構は様々なものが考案されていますが、今回日産が発表した物はマルチ・リンク・コンロッドと呼ばれる機構です。

私が調べたところでは、2000年頃から今年まで、このVCRに関係する特許を８０件以上申請しています。

その中でも、根幹となる技術は2001年11月16日に公開されている「内燃機関の可変圧縮比機構」と言う特許に記されていますので、そのあたりを中心に解説します。

どうしても、専門用語が多くなる部分はご容赦下さい。

図は、公開特許からの説明図を使用しています。図をクリックして大きくして見比べながら読んで貰うと分かりやすいと思います。（著作権上まずければ消しますがその前に理解してください（笑））

右下の図が基本的な可変圧縮エンジンの機構で、８のリンクを１２の偏心ピンによって引っ張ったり、伸ばしたりすることのよって、ピストンの上死点を変化させます。

左上の図が、機構をコンパクト化して実用化に近づいたもので、クランクシャフトのクランクピンとコンロッド間に入るリンク部分が右上の図となっていますので、そのあたりを見ながら説明すると．．．


★構造
クランクシャフトと平行なクランクピン（左上図１６）を右上図真ん中の部材（２１）でくわえ込みます。この部品はクランクピンと固定されず自由に回転出来ます。

この２１番のクランクピン軸受けを両側から、右上図の左右のリンクで挟んで、ピンを45a-33-45bと46a-34-46bと言う具合に通して固定します。

そして、このリンクにある４１の穴に、ピストンからのコンロッドが接続されて、４２の穴にシリンダーブロックに固定されて偏心ピンによって伸び縮みするアーム（左上図２３、右下図８）が接続されます。


★動き
一般的なエンジンは、ピストンとクランクシャフトピンがコンロッドで接続されています。

これに対して、VCR-EGは、コンロッドとクランクシャフトピンの間にもう一つリンクが入った２リンクになります。しかも、その２リンク目は揺動アームによって一端が固定されている形です。

左上の図で考えると、２８のリンクが24,25の偏心カムによって伸縮すると２２の第２リンクが回転して、６３の穴がピストン直下に来たときに最も上死点が上がって、圧縮比が高くなります。

図の状態では、すこしリンクが伸びて、コンロッドが鉛直軸に対して斜めになっている分、上死点が下がって圧縮比が下がった状態です。

ここまでを理解したら、左上の図でピストンが上下に動いた状態を想像してみてください。

注目するのは、61-62-63の三角形でこの三角形の形は変わりません。
クランクピン中心の６１はクランクシャフトの周りの円周上（点線）を回り、ピストンが上死点から下死点に移動すると、クランクシャフトは180度回転するので、６３のコンロッドの第２リンクとの接続点６３は楕円形の軌跡を描きます。

だいたい動きがみえてきたでしょうか？？

上死点を変えると下死点も変わりピストン行程は同じになると思います。日産の発表では、上死点を5.5mm変更できるので、そのことによって圧縮比は８～１４で変化するとのことです。