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ミッドシップスポーツカー

館内　端　・　折口　透

株式会社グランプリ出版

1984年1月17日　初版発行



◆第１部　ミッドシップの理論的考察

ミッドシップの理論的考察　　舘内　端

【第３章　ミッドシップの特性】



３．慣性モーメント

　ミッドシップの操縦安定性を他のクルマと異なるものにしているのは、重量配分と慣性モーメントの違いである。
逆にいえば、このふたつを理想に近づけるためにミッドシップは生まれたことになる。
将来、現在のエンジンよりもずっと軽量でコンパクトなエンジンが出現すると、あるいはミッドシップの存在価値は希薄なものになるかもしれない。
クルマを構成する部品の中で最も重量の重いものはエンジンおよびミッションである。
したがって、これをどこにレイアウトするかということは重量配分と慣性モーメントを大きく支配することになる。

　慣性モーメントは、回転運動に対する物体の慣性を表わす量である。
そこでまず慣性について考えてみよう。



　慣性による力（慣性力、inertia force）を感じるのはこんな場合である。
例えば、転がってくるボーリングの球を受け止めるとする。
すると球が重いほど、転がる速度が速いほど、そして受け止めるときの速度の殺し方が急なほど受け止める力は大きい。
いずれにしてもボーリングの球が力を持っているように感じる。
これが慣性力であり、いわゆる外力とは異なる力であることから「見かけの力」とも呼ばれる。

　この例と同様に、回転する物体を停止させるにも力が必要だ。
回っているコマを指で止めようとすると、コマの大きさによって止めるのに必要な力が違う。
コマが大きいほど止めるのに必要な力も大きい。
慣性モーメントは、このように回転運動をする物体の慣性を表わす量である。
慣性モーメントは、先のボーリングの球の場合と違って「重さ」だけでは決まらないところがむずかしい。またこの点に注目したい。


　そこで簡単な例を上げて慣性モーメントを実感としてとらえてみよう。

まず細長い棒の慣性モーメントIを考えてみる。太さを一様として長さをlとする。

最初は棒の中央部を通りこれに垂直なx軸のまわりの慣性モーメントIxを考える。

棒はx軸を中心にバランスよく回転するわけだ。

Ixは

　Ix = W/g * l~2 /12

となる。

Wは棒の重さ、gは重力加速度である。

次に棒の一端を通りこれに垂直な’ 軸まわりの慣性モーメントIx ’を考える。

棒の端を持って棒を回転させる場合だ。

I’xは、

　I’x = W/g * l~2 /3

となる。

I’xはIxの4倍も大きい。

慣性モーメントは考える軸によって同じ物体でも違うことに注意したい。


　次は円板を考えてみよう。

円板のひとつの直径の軸xまわりの慣性モーメントIxは、

Ix = W/g * d~2 /16

となる。

Dは直径である。

一方、円板の中心を通る軸zまわりの慣性モーメントIzは、

Iz =W/g * d~2 /8

となる。

これも考える軸によって慣性モーメントが異なる例だ。

　円板でz軸まわりの慣性モーメントをもう少し詳しく調べてみよう。

Izは、円板の重量Wに比例し、直径dの2乗に比例する。

同じ重量であれば直径dの小さい円板の方が慣性モーメントは小さい。

しかも直径の2乗で慣性モーメントは影響されるから、慣性モーメントを小さくするには重量の軽減よりも直径を小さくする方がずっと効果的である。

これは重さがその物体の中央に集中している物体の方が同じ重さであっても重いものが周囲に分散しているものより慣性モーメントは小さいという原理を導くことになる。

エンジンのフライホイールにこの原理は使えそうだ。

それには慣性モーメントの定義を理論的に知る必要がある。


　物体の慣性モーメントを求めるには、まず軸をひとつ決める必要がある。

物体の微小部分の質量をdmとして、考えた軸からこの微小部分までの距離をrとすると、慣性モーメントIは

I = 積分Ｓ r~2 dm

と定義される。

この式から、考える軸よるも遠い位置に重いものがあるほど慣性モーメントは大きくなることが分かる。

したがって、重量を軽くしつつ同一の慣性モーメントを得ようとすれば、中心部分の肉厚は薄くリングギアの近くでは肉厚の厚いフライホイールにすればよいことになる。

逆に同一重量、同一半径で慣性モーメントの小さなフライホイールを作るには、中心部の肉厚を厚く、外周部を薄くすればよい。


　以上のことから、クルマのヨーイングの慣性モーメントは、重心点から遠いところに重量物があるほど大きくなることが分かる。

重量物として最大のものはエンジン/ミッションであるから、これが重心点から遠く離れているクルマほど慣性モーメントは大きいといえる。

もちろんホイールベースも慣性モーメントに影響するわけであり、ホイールベースが長いほど慣性モーメントは大きい。


　同一ホイールベースとすれば、FFやFRに比べてミッドシップはヨーイングの慣性モーメントが小さいことになる。

またエンジンを横置きにするFFはFRよりも慣性モーメントが大きいことも分かる。



　エンジン/ミッションという重量物がフロント・アクスルの近くにあるFF、FRは、重量配分が前寄りだ。

エンジン/ミッションを少しでも後方にレイアウトすれば、重量配分は50/50に近づく。

そして同時に慣性モーメントも小さくなる。

慣性モーメントは重量配分とも関係があることに注意したい。


　これまで、考えてきた慣性モーメントはヨーイングに関するものであった。

クルマの重心を通る上下の軸をz軸、前後の軸をx軸、左右の軸をy軸とすると、z軸まわりの慣性モーメントを考えてきたことになる。

慣性モーメントはこれだけではなく、x軸まわりのローリングの慣性モーメントやy軸まわりのピッチングの慣性モーメントもある。

操縦安定性では、特にヨーイングの慣性モーメントが大切だ。

しかし、ミッドシップであると、ピッチングの慣性モーメントも小さくなる。

これは、ブレーキや加速度の過渡的なピッチングに影響してくる。


この点も見逃せない。


これについては次に詳しく調べてみよう。

ミッドシップスポーツカー

館内　端　・　折口　透

株式会社グランプリ出版

1984年1月17日　初版発行



◆第１部　ミッドシップの理論的考察

ミッドシップの理論的考察　　舘内　端

【第３章　ミッドシップの特性】


２．重量配分による違い

　重量配分は、クルマのステア特性に大きく影響する。
前後のタイヤ性能が同じで等しいスリップアングルであるとすると、コーナリング中のクルマの力のバランスは次のようになる。


①フロント・ヘビーの場合
　ホイールベースの中心よりも重心点が前にある場合では、重心点まわりの力（モーメント）は、クルマをコーナー外側に向けるように働く。
したがってアンダーステアとなる。
ドライバーはこのようなクルマの動きを知ると、ステアリングをさらに切り込むことで一定半径の旋回を保とうとする。
コーナリング限界より手前のコーナリング・スピードであると、フロント・タイヤのスリップアングルが大きくなる。
旋回半径が同一であっても、この状態はアンダーステアだ。
アンダーステアの度合は、重心点が前にあるほど強い。

　重心点が前寄りであると前後の重量配分は前で重くなる。
一般的なFR車ではその割合は前60%、後40%だ。これに対してFF車では前64%、後36%程度である。
FRに比べて重量配分が前寄り、つまりフロント・ヘビーのFFはアンダーステアが強いことになる。
4%の差というとわずかの違いのようであるが、ステア特性に及ぼす重量配分の影響は想像以上に大きく、数%の違いでクルマの性格はがらりと変わる。

　最大スリップアングルが必要なコーナリング、すなわち限界コーナリングでは、さらにスリップアングルを増大することでステア特性を変化させることはできない。
したがってこの場合では、重量配分によってステア特性がほぼ決まってくる。



②前50%、後50%の場合
　重心点がホイールベースの中心にある場合だ。
このときにはクルマを回転（ヨーイング）させようとするモーメントはゼロとなり、ニュートラルステアになる。
最も好ましい重量配分といえよう。
この理想的な重量配分は、ミッドシップよりもFR車の方がむしろ実現の可能性が高い。
例えばロータリー・エンジンのコンパクトさを生かしてエンジンをできるだけ運転席に近づけて搭載したサバンナRX-7や、ミッションをリア・アクスルに置くトランス・アクスルを採用するポルシェ928などが、50/50の重量配分を達成させている。

　先のフロント・ヘビーの場合では、限界コーナリングでクルマのバランスを保とうとすると、リアに比べてグリップ力の大きいタイヤをフロントに装着する必要がある。
駆動によってグリップ力の一部を食われてしまうFF車では、さらにこれが顕著だ。
FFをレース用に仕立てる場合には、タイヤ・サイズはフロントで大きくする必要がある。

　一方、FRは駆動力をリアで負担するために、フロントが重いとはいいつつもフロント・タイヤは駆動力から解放されており、そのために横方向のグリップ力を奪われることがないのでバランスは保ちやすい。
高性能エンジンを搭載したFR車では、駆動力を吸収するためにリア・タイヤのサイズアップが必要になる。
駆動力を考慮すると、50/50の重量配分のクルマであっても、エンジン出力が大きい場合にはリア・タイヤのサイズを大きくする必要がある。



③リア・ヘビーの場合
　ミッドシップやRRの場合がこれに相当する。
力のバランスで、クルマをコーナーの内側に向けようとするモーメントが生まれるためにオーバーステア特性になる。
これをニュートラルステアに近づけるには、リア・タイヤのサイズをフロントよりも大きくする必要がある。
特に高性能エンジンを搭載する場合ではFRに比べてさらに大きなリア・タイヤが必要だ。



　ミッドシップでは、リア・ヘビーになることでリア・タイヤの荷重が大きくトラクションでは有利だが、ステア特性や安定性では不利になりやすい。
FR車におけるフロント・ミッドシップやトランス・アクスルと同様に、ミッドシップでも数%のオーダーの細かな重量配分の是正が必要だろう。
そして、この問題はレイアウト設計に引き継がれるわけであり、レイアウトは操縦安定性とスペース効率の矛盾の谷間でいっそうむずかしくなる。ミッドシップに可能性があるのは、FRやFFのように洗練されればずっと高い性能を持つだろうと充分に推測されるからである。
裏返せば、現代のミッドシップには未完成の部分が多いということだ。

　例えばミッドシップの古典的な例としてフォーミュラカーを考えると、狭いスペースの中に実に効率良く必要なパーツを収納しつつ、そのレイアウトによって細かな重量配分の調整がなされていることがわかる。

　ラジエター、バッテリー、消火器、燃料タンク、シート位置、オイルタンク等のレイアウトを重量配分という視点からながめてみるのはとても興味深い。
また重要な点は、レイアウトの際にはタイヤの特性が十分に考慮されているということであり、逆にそのシーズンに使われるタイヤはマシーンの重量配分を充分に考慮した上で設計されるということだ。

　FFやFRと同様にあるいはそれ以上に、ミッドシップでは重量配分との兼ね合いでタイヤ特性が重要になる。
ミッドシップ専用のタイヤも出現するだろう。

　ミッドシップ用のタイヤが、FFやFR以上にシビアな設計がなされるというのは、重量配分によってオーバーステアな特性を持つからである。
この特性は直進安定性を悪化させやすく、クルマのスタビリティは低下する。
市販乗用車として最も重要な性能であるスタビリティの低下こそ、ミッドシップの大きな欠点だろう。
そして、その基本特性はミッドシップの重量配分によって与えられている点に注意したい。
この点に注目しないと、ミッドシップのサスペンションも空力特性も理解できないことになる。

ミッドシップスポーツカー

館内　端　・　折口　透

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1984年1月17日　初版発行



◆第１部　ミッドシップの理論的考察

ミッドシップの理論的考察　　舘内　端

【第３章　ミッドシップの特性】


⑥直進安定性
　すべての特性や性能は、最終的には直進状態に反映するといってもいいだろう。
ミッドシップは高い直進安定性のポテンシャルを持っている。
しかし、セッティングに誤りがあれば逆に直進安定性は低下しやすい。
FF、FR、RRに比べると、ミッドシップはセッティングに敏感だということができる。
理想的なセッティングがなされた場合には、FR、RRに対してずっと高い直進安定性を示すだろう。

　直進安定性に最も優れたレイアウトはFFである。
逆にいえば、直進安定性が悪いFFは相当にレベルの低いクルマとなる。
FRはRRよりも優れた直進安定性を示す。



⑦横風安定性
　ミッドシップは、レイアウト上からFFやFRとは異なるスタイルになる。
空力特性もこれらのクルマとは異なるわけだが、特に横風を受けた時の特性が問題になりやすい。
横風の風力中心と重心との前後位置関係がポイントになるわけだが、風力中心が重心よりも後方でその距離が大きいと、横風を受けたときに不安定で収束が悪くなるという説もある。

　横風安定性は直進安定性にダイレクトに影響する。直進安定性の向上をミッドシップで図るには、FFやFR以上に横風安定性に注意しなければならないだろう。

ミッドシップスポーツカー

館内　端　・　折口　透

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◆第１部　ミッドシップの理論的考察

ミッドシップの理論的考察　　舘内　端

【第３章　ミッドシップの特性】



⑤レーンチェンジ、Sターン
　レーンチェンジやSターンのクルマの動きは、短い周期で右旋回→左旋回あるいは左旋回→右旋回が起こるものだ。
ヨーイングの向きもロールの向きも反対になる。
それが短時間で起こるために、単一コーナーの旋回よりもクルマの応答性が問題になりやすい。
例えばアンダーステアが強く向きの変わりにくいクルマでは、車線を乗り越えるときにシャープさに欠け、Sターンでは最初のコーナーへの進入でもたつき、その余波が車線を乗り越えて直線状態に戻るときやふたつめのコーナーにまで及び、クルマは不規則な動きをしたり、コントロールがむずかしいと感じたりすることになる。
一方、向きは変わりやすいがオーバーステアの強いクルマでは、最初のハンドル操作のときにクルマが内側へ内側へと回り込みたがるために、次にそれとは反対の向きにクルマを向けにくい。
それを計算して早めにハンドルを戻すことになるわけだが、このときに応答性が悪いとハンドル操作とヨーイング、ローリングのバランス（位相）が乱れてしまう。
さらに直進状態に戻そうとしてもヨーイングがおさまりにくく、時には進路を大きく乱して、蛇行してしまう場合もある。

　このようなクルマの動きは実は直線状態でもかすかに起こっているわけで、クルマ固有の安定性として論議される非常に大切な特性である。
単一コーナーのコーナリングについてのみ、アンダーステアが強いとか滑り出しが急激であるとか評価されることが多いが、最初で最後まで重要なのは直進安定性であることを認識したい。



　レーンチェンジやSターンでは、向きが変わりやすくしかも向きが戻りやすいという矛盾した特性がクルマに求められる。
これはアンダーステアやオーバーステアといったステア特性だけでは容易に追究できないクルマの特性である。
この特性を向上させるひとつの手段として考えられるのは、ヨーイングの慣性モーメントを極力小さくして向きを変わりやすくする一方で、リアのグリップ力と応答性を高めるものである。
向きを変わりやすくするためにフロントのグリップや応答性を高め、リアのそれを低下させるという方法ではこの特性は向上しない。

　したがって、ヨーイングの慣性モーメントが小さいミッドシップは、リアのグリップと応答性を高めることで、レーンチェンジやSターンの性能を高められるポテンシャルを持っているというわけだ。
これは次の直進安定性についてもいえる。
弱アンダーステアのミッドシップというのが、あるいは望ましい特性かもしれない。

　また、レーンチェンジやSターンでは、FF及びFRは向きは変わりにくいが収束しやすい、いわば鈍い特性を示し、RRはこの反対であるということができる。

ミッドシップスポーツカー

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1984年1月17日　初版発行



◆第１部　ミッドシップの理論的考察

ミッドシップの理論的考察　　舘内　端

【第３章　ミッドシップの特性】



④アウト・オブ・コーナー
　ターンインとは全く異なるが、アウト・オブ・コーナー、コーナーからの脱出はミドル・オブ・コーナーの延長とも考えられる。
ミドル・オブ・コーナーでのクセは、アウト・オブ・コーナーでも見られる。
ミドル・オブ・コーナーとアウト・オブ・コーナーの大きな違いは、次の直線に向かって大きな駆動力が加わるかどうかということだろう。
したがって、操縦性の他に駆動力を上手に路面に伝えられるかどうかというトラクション性能が問題になる。

　トラクションは、FF→FR→ミッドシップ→RRの順に大きい。
したがってトラクションに限っていえば、アウト・オブ・コーナーではRRが最も好ましいことになる。
特にパワーが大きい場合にはそうだ。
しかし、操縦性との絡みからいえば、リバースの強いRRよりもミッドシップの方がアウト・オブ・コーナーでは優れていることになる。

　アンダーステアが残るFF、リバースしやすくトラクションの低いFR、トラクションは強いがリバースしやすいRRに比べると、ミッドシップはアウト・オブ・コーナーで有利だ。

　以上をまとめてみると、ミッドシップの良さはターンインとアウト・オブ・コーナーで現われ、ミドル・オブ・コーナーでは欠点が現われやすいことになる。
そしてコーナリングの限界はミッドシップが最も高い。

　ミッドシップの良さが分かりやすいのは、コーナリングよりも車線変更時やS字においてかもしれない。
クルマの動きをもう少し物理的に考えれば、車線変更やSターンでミッドシップを語るべきだろう。