リフトアップで何がおきるのか?~スズキ・ジムニー〜①制動時の挙動[クルマの運動学講座・その1]

前回、「モーターサイクルの運動学講座~番外編」というカタチでモーターサイクルに似たホンダS500のリヤサスペンションを取り上げましたが、クルマに関してもある程度まとまったカタチでシリーズ化できるのではと考え、タイトルを「クルマの運動学講座」として新たにスタートさせます。
TEXT:J.J.Kinetickler

第1回目として取り上げるのは、スズキ・ジムニーです。

ジムニーの足回りは、本格的クロカン四駆でよくみられる前後方向をリーディングアーム、トレーリングアーム、横方向をパナールロッドで位置決めされたリジッドアクスルです。

このスズキ・ジムニーを題材に、リジッドアクスルの加減速時の荷重移動や姿勢変化、コーナリング時のロール姿勢などを講義すると共に、カスタマイズでよく行われる「リフトアップ」の課題についても話を展開します。

題材として取り上げた4代目スズキ・ジムニー、JB64/JB74系は人気沸騰中で、現在でも納車までに1年以上かかるといわれています。

このスズキ・ジムニーは軽自動車枠でありながらラダーフレームシャシー、パートタイム式4WD、副変速機、前後リジッドアクスルサスペンション、ブレーキLSDトラクションコントロールなど驚くほど本格的な車両構成となっています。

コンパクトで軽量な車体を生かした軽快なフットワークと走破性は、時として大型クロスカントリー車を超える性能を発揮します。

またシンプルな車両構成もあって、かなりの割合でカスタマイズの素材にされています。

そのカスタマイズの定番が「リフトアップ」です。

通常は1〜3インチ(25〜75mm)に大径タイヤ、中には100mm以上リフトアップされたカスタマイズもあります。みるからに精悍で走破性もよさそう。上から見下ろす視界も良好で街中を乗っているだけで優越感すら感じます。しかし、リフトアップには色々と落とし穴もあるのです。

足まわりはこんな構成です。前後ともリジッドアクスル(車軸式)で、前後方向の位置決めと制動・駆動トルクはフロント・リーディングアーム、リヤ・トレーリンクアームで受け止め、左右は前後とも車体とアクスルハウジングをパナールロッド(ラテラルロッド)で位置決めされます。

リーディングアームやトレーリングアームはアクスルハウジングにしっかり固定されているとロール方向の動きが全くできなくなるので、アクスルハウジングとトレーリングアームは片側2カ所のゴムブッシュを介して取り付けられ、左右のアームがある程度ねじれて動けるようになっています。

ステアリング系はボールナット式のステアリングギヤボックスからピットマンアームを介し て ドラッグリンクと呼ばれるロッドでハンドルと反対側のナックルアームを押し引き(①)、ハンドル側はリレーロッドと呼ばれるリンクで動きを伝えます(②)。

ずいぶんまわりくどい構成ですがリジッドアクスルの場合、普通はこうするしかありません。いかにもステアリング系の剛性が心もとないですが、実際リジッドアクスルのステアリング系は剛性が低く、ばね下質量が大きいことと合わせて短所になっています。

前後リジッドアクスルは、ばね下質量が大きく乗り心地が悪い、ステアリング系の剛性が低いという欠点がありながら、それでもクロスカントリー車として卓越した基本性能をそなえています。それはデフがタイヤと共に上下するため路面干渉しにくく、ホイールストロークが大きく取れるので不整地での接地性が高いためです。

独立懸架車はデフが車体側に固定されていて路面干渉しやすいのと、ドライブシャフトの許容角度でホイールストロークが制限されるので不整地での接地性が悪くなるのです。

それでは、標準車高の場合とリフトアップした場合に制動時、加速時(2WDと4WD)、そして旋回時にどういう挙動になるのか、特にリフトアップの課題について考えていきましょう。

第1回は制動時です。ブレーキをかけると前輪と後輪にある比率(この図ではフロント70%、リヤ30%と仮定)でタイヤ接地点に後ろ向きの力、制動力がかかります。この前後制動力の合計が車体の重心に前向きの反力(慣性力)として生じます。

車体の重心は路面より高いところにあるので後輪から前輪に接地荷重が移動します。これらの前後接地点、重心に加わる力は図の「制動時の合力点」で一点に集まり釣り合います。

大切なことは、この釣り合いはサスペンションの特性、ばねレートはおろか、サスペンションの有無にすら関係ないということです。「フロントがグッと沈み込んで荷重がのる」という人がいますが、これは間違いです。フロントが沈むから荷重移動するわけではありません。

この図はリフトアップしたジムニーの力の釣り合いです。わかりやすくするため、ちょっとおおげさに4インチ(約100mm)リフトアップさせてあります。リフトアップで車体の重心高が上がると当然ながら標準車高に比べて後輪から前輪への荷重移動量が増加します。

この図で重心高が上がったために「制動時の合力点」も上がり、合力点からタイヤ接地点への線も急角度になっていることでわかります。

【制動中の接地荷重変化の算出】 
制動時の接地荷重変化は次の式で表せます。

 制動時の接地荷重変化=重心高÷ホイールベース×制動力(前後の合計)
 ホイールベース:2250mm、重心高:650mm(標準車高)/750mm(リフトアップ) 

減速度:0.5Gとして計算すると、
 ・標準車高時 :加速時接地荷重割合=650mm÷2250mm×0.5G×100%=14.4%
 ・リフトアップ時 :加速時接地荷重割合=750mm÷2250mm×0.5G×100%=16.7%

静止時の前後輪荷重配分は52.6%:47.4%なので、0.5G制動時の前後荷重配分は,
 ・標準車高時 :前輪が52.6%+14.4%=67.0%、後輪は47.4%-14.4%=33.0%
 ・リフトアップ時 :前輪が52.6%+16.7%=69.3%、後輪は47.4%-16.7%=30.7% となります。

タイヤの最大制動力はだいたい接地荷重に比例するので、制動力配分もこの比にすると前後のバランスがいい。実はこの数字が制動力配分の作図で70:30とおいた根拠です

前図の力の釣り合いにタイヤの動きを描き加えたものです。前後のアクスル(車軸)はリーディングアーム・トレーリングアームの車体側支点を中心に回転します。したがって接地点は青の両矢印の方向に動きます。アームの回転支点に向かう青線は赤線で示す力の釣り合いの線とずれています。フロントは力の釣り合いの赤線より、青線がわずかに上になっています。リヤの青線は力の釣り合いの赤線のはるか下方にあります。

このずれの向きと大きさが制動時のフロント・アンチダイブ(沈み込みの抑制)リヤ・アンチリフト(浮き上がりの抑制)にかかわります。フロントは釣り合いの線(赤)とアーム回転軸の線(青)がほぼ重なっているので制動時にサスペンションが上下に動きません。厳密にいうと青線が赤線より少し上側にあるので、逆に(荷重移動の4%分)浮き上がります。

この姿勢変化の比率を表すのがアンチダイブ率で青線と制動時の合力点を通る垂直線との交点の高さをアンチダイブ高さ(HADとした場合、

 アンチダイブ率(RAD)=アンチダイブ高さ(HAD)÷重心高(HGC)×100(%)

で表せます。

この数字が100%以上なら制動時に逆に持ち上がり、100%だと全くストロークしない100%以下だと、その割合に応じて沈み込み、0%なら荷重移動にしたがって沈みます。さらに交点が路面より下にある場合アンチダイブ高さがマイナスの値になって荷重移動量より大袈裟に沈みます。この状態をプロダイブ(マイナスのアンチダイブ)と呼ぶことがあります。

リヤも同様で青線と赤線が重なると全くストロークしません。このケースでは青線は赤線と 路面の間にあるので制動時の浮き上がりが少なくなります。この比率も同様に、

 アンチリフト率(RAL)=アンチリフト高さ(HAL)÷重心高(HGC)×100(%)

で表すことができます。

ジムニーの制動時の姿勢変化をまとめると「フロントはほとんどストロークせず、リヤの浮き上がりも半分程度(40%減)」になります。

それでは4インチ(100mm)リフトアップした場合の姿勢変化をみてみましょう。基本的な考え方は同じですが、重心が100mm上って制動力の合力点もその分上っています。サスペンションアームの支持点も100mm持ち上がっていますが、アーム長が短いため青線の角度はそれ以上に増えています。

標準車高と比較するとフロントのアンチダイブ率は104%から125%に、リヤのアンチリフト率は40%から48%に増加しています。この状態では制動時はフロントが明確に持ち上がり、リヤも浮き上がります。

アンチダイブ率やリヤのアンチリフト率が大きいと姿勢変化が少なくていい事ばかりだと思うかも知れませんが、特に前輪の場合アンチダイブ率が大きいと乗心地が悪くなることがあります。フロントホイールセンターの水色の両矢印はスピンドルの動きを示しています。

この動きの方向が乗り心地に影響します。本当はバウンドした時、斜め後方に動いて欲しいのですが、標準車高ではバウンド時に斜め後方に動きますが、リフトアップするとほぼ垂直に上下します。リフトアップすると乗り心地が悪化します。

この派手なマップはアンチダイブ/アンチリフト特性によって制動時に車両姿勢がどう変わるかがわかるマップです。

フロントとリヤそれぞれのタイヤ接地点とアーム回転軸を結ぶ線(青線)を延長して交わった点をXとします。このX点がこのマップのどこにあるかで制動時の車両姿勢がわかるのです。

たとえばこの図のジムニーの標準車高ではX点は左上のピンクの領域にあります。左上のピンクの領域は[↑↑]となっていて制動時にフロント・リヤとも持ち上がることを表しています。ただし中央の黄色い領域のすぐそばにあるのでフロントの持ち上りは最少です。本当は中央の黄色い領域が好ましいのですが、車両部品のレイアウトや最低地上高を確保するためか少しピンク色の領域になってしまっています。

【このマップの作り方】
1. 路面に水平線(赤線)を引く
2. 前後の接地点と釣り合いの合力点を直線(赤線)で結んで延長する
3. 接地点から先程引いた線に直角に交わる線(青線)を引く
4. 前後の車体の動きを示す矢印(色付き)を書く
5. 前後の接地点から瞬間中心に向かう線を延長し、交点に印を付ける

これは4インチ(100mm)リフトアップした状態です。リフトアップすると重心が高くなり釣り合い点も上に移動するのでマップの形も変わります。

またリフトアップするとフロント・リーディングアームとリヤ・ト―リングアームの車体側支点も上がるのでX点はさらに上に移動します。

左上のピンクの領域は[↑↑]となっていて制動時にフロント・リヤともさらに上に移動します。これくらい上に上がると制動時はフロントもリヤも車体の持ち上りを体感できると思います。

ちなみに、現代のクルマのほとんどはX点が中央の黄色い三角形の領域にあります。別の言葉でいうと「現代のクルマはフロントもリヤもアンチダイブ/アンチリフト率は0〜100%の間にある」ということです。

著者プロフィール

J.J.Kinetickler 近影

J.J.Kinetickler

日本国籍の機械工学エンジニア。 長らくカーメーカー開発部門に在籍し、ボディー設計、サスペンション設計…