とうふ技術研究所　車の強化を考える

鍛造強化○○、強化○○　etc
車好きならば誰もが憧れる強化パーツ達・・・



自車フォレスターにも強化パーツを随所に組込んでおり
凄いスペックの車と思われがちですが
社外メーカーの強度を増したスペシャルパーツは少なく
殆どは「純正強化品」及び「純正強化加工品」を使っています。



「純正？それじゃ強化にならないじゃん」
いえいえ、そんなことはありません、純正といえども強化部品にできるものは多くあります。

なぜ純正なのか？

まず社外品は高い！それに社外強化品は強度と引き換えに概ね重量が増えます。
そして本当に必要があるのか？
純正で十分ならば無理に替える必要はありません。
そこを見極めたうえで必要な物だけしか投資しません。

そこで「純正強化品」や「純正強化加工品」を多く使いますが
それで十分なところが非常に多いものです。

カッコよく言えば「スーパーノーマル」なのでしょうか？
自車フォレスターはGRBやエボⅩを追える性能を持ちながら
その内容は殆どが純正ベースで構成されている車になります。

ところで
「純正強化品」とは・・・同系列後期型の部品など、メーカーが強化した純正部品であり
お値打ちに強化できる定番として普及しています。

では、「純正強化加工」とは・・・？
私が最も使う強化法として「応力分散加工」を施して「疲労強度向上」を図ったものになります。

「応力分散加工」って・・・何？　
「疲労強度向上」って・・・何？　それで強化になるの？

強化についてお話をしていくうえで、これをなかなかわかってもらえないことが多いので挙げてみました。


ここからは恐怖の素人ウンチクが展開されます。
「耳から煙」となるか？「過呼吸」となるのか・・・？
冷えたビールを用意して頭を冷やしてから駄文に挑んでください（笑）


さて「応力分散・・・」「疲労・・・」の前に「応力」を理解して頂かなければなりません。

「応力」とは「単位面積あたりに作用する力」と定義付けられています。

「単位面積あたりに作用する力」　とは？？？
例えば、断面積10平方ミリの丸棒を10kgの力で引張った時
「1kg/ｍ㎡（丸棒に1平方ミリあたり1kgの引張り応力がかかっている）」という表し方をします。
この場合、引張る（かける）力のことを「荷重」と言います。



「応力」には「引張応力」「圧縮応力」「せん断応力」「曲げ応力」・・・・
荷重の方向によって呼び方が変わりますが、複合的に応力がかかることも多いものです。

では、部品強化をするにはどうすれば良いのか？
これにはいくつかの方法が挙げられます。
　①材質をより強いものに変更・・・樹脂から鉄に変更など
　②部品サイズの変更・・・太さ、厚みなどを増やすなど
　③補強追加・・・補強板、補強バーを追加など
　④疲労強度を向上させる・・・繰返し入力に対する寿命延長

①～③は部品強度そのものを上げることであり、確実で、よく採られる手法になりますが
コスト的に購入できないものや技術的に製作不可能なもの、取付スペース的に不可能なものもあります。

こんな時には④の「疲労強度向上」を採ります。

疲労強度について・・・
物体に荷重がかかると物体は変形し、それに対して反力で対抗しますが
前述の丸棒でたとえるなら、「引張り」に対して「延び」が発生し、「延び」に対して縮もうと対抗します。
「曲げ」に対して「たわみ」が発生し、「たわみ」に対して戻ろうと対抗します。
荷重を取り除いてやると、丸棒は元の形に戻ります。
これは丸棒の持つ弾性限界（強度限界）内での出来事になり、多くの部品は走行中に強度限界内で
これを繰り返しており、繰返しかかる力を「繰返し荷重」などと呼びます。

そして車はボディも含めて殆どの部品は絶えず「伸び⇔縮み」「たわみ⇔戻り」を繰り返しています。

これに対して「強度限界を超える荷重」がかかった場合には一度の入力で部品は変形または破壊してしまいます。
「ゼブラジャンプで着地した瞬間に脚が曲がった、折れた」などはその例になると思います。

「強度限界内」で「繰返し荷重」がかかっている限り永久に壊れない・・・と思えるのですが
残念なことにミクロレベルで見た場合、組織はわずかずつ破壊されていき、やがて部品破壊が起こってしまいます。
丈夫そうな鉄部品でさえ例外ではありません。
これが「疲労破壊」というものになり、「寿命」とも言います。
「寿命が長い」ということは「疲労強度が高い」と言えるでしょう。

専門的に言う「疲労強度」とは
「材料に繰り返し応力を加えた場合に、応力を無限回数負荷しても破壊しない応力振幅の上限」
と定義されていますが
実際に部品の耐久試験をするうえで無限回数の繰返し荷重はかけられませんから
「一千万回」を「無限回数」の代用としています。

一千万回・・・数字だけ見ると、とてつもない回数に感じてしまいます。
　が・・・実は非常に少ない回数と言って良いでしょう。

エンジンを考えてみましょう。
市街地を走るだけで、最低でも毎分2000回転ほど回りますが
僅か5000分＝83時間で一千万回の回転に達してしまうということになります。
ちょっと極端なお話ですが、わずか83時間の耐久性などお話になりません。

ですから自動車メーカーはそれの数十倍～数百倍の耐久性を出し、あるいは試験を行い
疲労強度＝耐久性を保証しているのが実情と言えましょう。

一方、私達や一般チューニングメーカー、ショップは自動車メーカーのような試験はまずできません。
設計上の強度計算を目安にできるくらいが関の山です。

そこで、チューニングなどの世界では「疲労強度＝寿命の長さ」というとらえ方をし
実戦の場でテストしながら評価をします。
「○○時間耐久レースで、その強さを実証！」という具合です。

寿命が長いほど「疲労強度が高い」という評価であり
この「寿命延長＝疲労強度向上」こそが「強化チューンの核」であると考えています。
そして「疲労強度向上」のために「応力分散加工」を主として行っています。

ここでやっと「応力分散加工」に辿り着きました、説明がへたくそですね（笑）

「応力分散加工」は、おもに「応力の集中」を避けるということを行います。

では「応力の集中」とはどのような現象なのか？
「応力分散」とはどのようなことを行うのか？
実際に体験してみましょう。


紙に幅15mm、5mmほどの線を描き、幅15mmの線に沿ってハサミで切ります



5mmの深さで 「V」 に切ります



「V」 を中心に5cmくらいの距離で掴んで引張ります
　今、紙に「引張り荷重」を与えていることになります



徐々に引張る力を強めていくと 「V」 を起点に紙は切れます
これが「応力の集中」による紙の破断です
この時の引張りの力加減を覚えておきましょう
繰返し荷重による疲労破壊も「V」を起点に破断すると考えてよいでしょう



では「応力分散加工」を行います
紙には5mmの 「V」 があると仮定し
「V」 を取り除く意味で5mmのラインで紙を切ってしまいます
つまり幅10mmにしてしまうのです



さあ、先ほどと同じように10cmほどの距離で掴んで引張りましょう
元々15mm幅の紙が10mmになったので、ちょっと心細いのですが・・・



「ブチッ」と切れた時に先ほどの力加減を思い出してください
「V」 の切り込みがある15mm幅の紙より
「V」 のない10mm幅の紙の方が強かったはずです
ちょっと不思議な感じがしますね・・・


紙が15mm幅であっても、少し切れ込みがあるだけで
そこに殆どの力が集まってしまい、かなり脆いものになります
これが「応力の集中」という現象です
この現象は、紙やテープを切る時に意識せずに皆さんが使っているものと言えましょう

切り込みを取り除くために細く切ってやると
引張った時の力は全体に分散し、少し伸びながらも耐えることができます
これが「応力分散加工」であり　「繰返し荷重」に対する「疲労強度」も随分と向上します


車の部品の場合は、これほど大きな欠損があると溶接や補強板などで補いますが
実際は、遥かに小さな世界で「応力の集中」が起こることが多いものですから
以下に丸棒を例として「応力集中」→「応力分散加工」を見てみます。

見た目は滑らかな金属棒ですが、ミクロの眼で見た場合、金属表面は凸凹しています



縦方向、横方向から繰り返し力を加えると金属表面の弱い部分（凹～凹）に力が集まります
「応力の集中」ですね
板厚の薄い部分や太さの細い部分や折れ曲がった角部などにも「応力の集中」が働きます
応力の集中が繰返され、または続くと、やがてそこに小さなクラックが発生します



さらに繰り返し力を加えるとクラックが成長し、ここで変形することもあります



やがてクラック同士が繋がり破断・・・これが「疲労破壊＝寿命」です



これら応力の集中を避けるために凸凹をならしたり角部分に ｒ をつける加工を「応力分散加工」と呼び
モノによっては鏡面にまで仕上げることもあります



このような軸は段付きの部分に応力が集中します



段付きをならすような工夫をすると応力分散ができます



丸棒以外でも応力分散の考え方は使えます
このような角部には応力が集中します



補強を入れられればベストですが
どうしてもそれが出来ない場合は角への応力集中を避けるべくRを付けます
すると曲げ周りの応力分散が図れるという具合です



応力分散に溶接を使う場合は注意が必要です
冷却収縮で溶接部と周囲の温度差により、ひずみまたは内部に応力が残り（残留応力）
かえって弱くなることがありますから
応力除去焼きなましなどによる残留応力除去が必要になることがあります



コンロッドの鏡面加工は　応力分散＝疲労強度向上　を主目的として行います
ただし、コンロッドはショット加工などによる表面強度向上を施しているものがありますので
削る前にそのへんの情報を確かめる必要があります
私は現物の大きな窪みを認めたために応力の集中を恐れて最小限の削りを行いました
結果としてEJ20では異例と言える8500rpm以上、最高8800rpmまで常用した後のエンジン全分解点検で
コンロッドに何の異常も見られず、応力分散加工は成功であったと思います
このエンジンは現在でも元気に回り、8000rpmオーバーを楽しんでいます



本業の技術分野では
これらの手法で部品の寿命を数倍～数十倍にも引き上げる成果を数多く挙げています。
ただし、その部品が本来持ちうる絶対的な強度が上がるわけではないので
強度を上回る荷重をかければ破壊してしまいます。
あくまでも弾性限界内での繰り返し入力から進行する疲労破壊に対する耐性を高める考え方になります。



愛車のチューニングにおいて、このような視点で見ていくと・・・

強化部品を買うべきなのか
補強を入れるべきなのか
純正強化加工でいけるのか

それが見えてきて、無駄にお金を使わずに効果的な強化ができるものと思います。
「車を強くする方法」・・・単純そうで奥が深く、なかなか面白い世界です。