変速機のノウハウを電動駆動の最高峰・フォーミュラEで生かす[ZFとモータースポーツ]

(PHOTO:Mahindra Raicing)
自動車関連製品やシステムのグローバルサプライヤーであるZF(ゼット・エフ)は、2016年にモナコに本拠を置くヴェンチュリー・フォーミュラEチームとテクニカルパートナーシップを結び、フォーミュラEへの参戦を始めた。電気自動車で行なうレースシリーズに挑戦する理由はふたつ。ひとつは、Eモビリティに関する高い技術力を証明すること。もうひとつは、フォーミュラE向けのコンポーネント開発を通じて得たノウハウを将来の量産部門にフィードバックすることだ。
TEXT:世良耕太(SERA Kota)

 ZFの技術がヴェンチュリーのフォーミュラE車両に投入されたのは、「シーズン3」と呼ぶ2016/2017年シーズンからだ。まずはダンパーの供給から始め、2017/2018年のシーズン4ではギヤボックスを供給。第2世代を意味する「Gen2」シャシーが導入される2018/2019年のシーズン5で、いよいよ本格的にEモビリティ技術を投入することになった。

フォーミュラE用ダンパー(capture from VIDEO:ZF)

 フォーミュラEは2015/2016年のシーズン2以降、電動パワートレーンの独自開発が認められることになった。電動パワートレーンはモーターとインバーター、それにギヤボックスで構成される。シーズン5に導入されたGen2シャシーの最大の特徴はバッテリーが変更されたことで、ユーザブルエナジーはGen1シャシーの28kWhから54kWhへとほぼ倍増した。この結果、レース中の乗り換えがなくなり、45分+1周に規定されたレース距離をスタート時の車両で走りきれるようになった。ZFはヴェンチュリーに対し、モーター、インバーター、ギヤボックス(すなわち電動パワートレーン)とダンパーを供給した。

(capture from VIDEO:ZF)

 Gen1シャシーではモーターの最高出力が200kWに規定されていたが、Gen2では250kWに引き上げられた。この変化も大きい(レース通常時は220kWに規定)が、モーターの設計に影響を与えるのは、ギヤボックスの段数だ。技術規則では最大「6」と定められており、1速(変速なしのシングルギヤ)から6速まで、任意の段数を選ぶことができる。全車共通のシャシーで争ったシーズン1(2014/2015年)は、5速ギヤボックスを組み合わせていた。

 一般論として、変速段数が多いとギヤボックスの重量がかさむ。また、ギヤボックスは伝達効率の高い歯車の組み合わせとはいえ、段数が増えるほどに伝達ロスが増える。それに、アップシフト時にはクラッチの切り離しによる空走が生まれる(F1のような、空走状態をなくすシームレスシフトは認められていない)。いっぽう、変速なしの1速(シングルギヤ)で低速から高速までカバーしようとすると、モーターの大型化が不可避になる。

(capture from VIDEO:ZF)

 モーターを小さくし、多段化することでモーターの効率を補うのか。それとも、1速を選択して軽量化と伝達効率を徹底追求し、モーターがある程度大きくなってしまうのは許容するのか。ZFはシーズン5向け電動パワートレーンを開発するにあたり、選択肢を1速と2速に絞り込み、効率(損失)、重量、パフォーマンス(0-100km/h加速が最大の指標)の観点で評価した。結果、選択したのは1速で、とくに効率と重量面で明確なアドバンテージが認められたという。

「ZFはEモビリティのシステムサプライヤーです。ロスを最小化するノウハウは、量産コンポーネントの開発を通じて蓄積されています。フォーミュラEの電動パワートレーン開発では、ソフトウェアも含め、量産の経験を生かすことができました」と、開発に携わった技術者は語った。

 タイヤはミシュランのワンメイクだ。タイヤが路面に伝達することができるグリップは決まっており、シーズンの途中でグリップ力が高くなることはない。そこで、タイヤが路面に伝達できるトルクの最大値から逆算して、1速のギヤ比を最適化した。レシオが大きくなるとイナーシャ(慣性)が大きくなって加速の際のロスにつながるので、「最小のレシオで、タイヤが伝えられる最大のトルク」を伝達すべく開発に取り組んだ。

(capture from VIDEO:ZF)

 モーターだけでもなく、ギヤボックスだけでもなく、それらをパッケージした電動パワートレーンを一括で開発するからこそ、全体最適なコンポーネントの開発ができる。まさに、システムサプライヤーのノウハウが生きる領域だ。耐久性のマージンをミニマムにする設計(これも、量産開発で培った技術が生きる)や素材技術、生産技術を惜しみなく投入することにより、ZFが開発したシーズン5向け電動パワートレーンのシステム重量はシーズン4比で20%の軽量化を果たした。パワー密度は35%の向上。システム効率は95%以上に達している。

 2018年12月に開幕したシーズン5向け電動パワートレーンの開発は、2016年12月にスタート。2017年7月にベンチテストを始め、2018年3月に実走テストにこぎつけた。10月にスペイン・バレンシアで行なわれた合同テストでは、他のチームがどのようなソリューションを選択してきたかがおおよそ明らかになった。そこで判明したのは、全車が1速を選択したということ。ZFは効率、重量、パフォーマンスの観点で1速と2速を天秤にかけた結果、1速が優位と判断し選択に至ったわけだが、結果的に“正解”で、現在に至るまで1速が定番となっている。

著者プロフィール

世良耕太 近影

世良耕太

1967年東京生まれ。早稲田大学卒業後、出版社に勤務。編集者・ライターとして自動車、技術、F1をはじめと…