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第156回 冬山レジャーで活躍する4輪駆動車のメカニズム

 そろそろ東京でも雪が降っておかしくない季節になりました。降雪地域の生活の足として、また冬山レジャーに出かける際の移動手段として、「4輪駆動」と呼ばれるタイプの自動車が活躍する時期です。今回は、略称で「4駆(よんく)」や「4WD」と呼ばれる、4輪駆動車のメカニズムについて説明してみたいと思います。

自動車の基本構造をみてみよう!
 一般的な自動車は、車体の前方と後方、それぞれの左右端に1本ずつ、合計4本の車輪を備えています。このうち、自動車を前進させるための力を路面に伝える役割を持つ車輪を「駆動輪」、進行方向を変える役割を受け持つ車輪を「操舵輪」と呼びます。
 現在の一般的な乗用車は、すべて前2輪が操舵輪となっています。駆動輪についてはさまざまですが、中型以下の乗用車は、エンジンを車体の前部に搭載し、その力を前2輪に伝えて回転させることで走行する「前輪駆動」方式が主流です。このような構造を持つ自動車は、Front wheel drive、もしくはFront engine-Front wheel driveの頭文字を取って「FWD」「FF」とも呼ばれます。

 これに対して、後2輪が駆動を受け持ち、前輪は操舵のみを受け持つ「後輪駆動」の自動車もあって、こちらはRear wheel drive、もしくはFront engine-Rear wheel driveの頭文字を取って「RWD」「FR」などと呼ばれます。FR方式を採用するのは、スポーツカーや大型の高級車が中心です。ほかにも、車体の後端部にエンジンを搭載して後輪を駆動する「RR=Rear engine-Rear wheel drive」方式や、車体の中央部にエンジンを搭載し、後輪を駆動する「MR=Mid engine-Rear wheel drive」などがあります。現在の市販車でRR方式を採用するのは、かの有名なポルシェ911、SMART、三菱iなどごく少数です。MRは「ミッドシップ」とも呼ばれ、フェラーリの一部車種など、いわゆるスーパーカーの類が採用しています。


 なぜ、こんなにも多くの方式があるのかといえば、その自動車の設計コンセプトに応じた「パッケージング」が与えられるからです。パッケージングとは、自動車の設計において、「車体のどの部分にどのような姿勢で乗員を座らせるか?」「どんな部品をどこに、どうやって配置するか?」といった、基本構造を決める作業と、その結果として実現した構造を指す言葉です。ごく一般的な乗用車に求められる要素は、広い室内空間、それなりの走行性能、高い安全性、購入しやすい価格であることなどですから、当然、その目的に沿ったパッケージングが行われます。

燃費向上や居住性重視によって浸透したFF方式
 乗用車が普及を始めた当初から1970年代頃までは、FR方式が主流となっていました。自動車は走行中、常に車体の姿勢を変化させており、この姿勢変化がタイヤと路面の接している面(接地面)の状態を変化させます。たとえば、加速すると車体の後端部が沈み込むような姿勢になりますから、後輪のタイヤ接地面にかかる荷重が大きくなり、路面との摩擦が大きくなってタイヤがしっかりグリップします。昔の自動車がFR方式を採用していたのは、この動きによる荷重変化によって、安定した駆動力を確保する意味が大きいと言われています。当時はタイヤの性能が低かったことも大きく影響しています。操舵輪が前輪なのは、わざわざ後輪で操舵する機構を採用するメリットがなかったため、自然と受け継がれてきた事柄です。現在でも高級車やスポーツカーがFR方式を採用するのは、後輪駆動によって得られる、駆動性能や乗り心地の向上というメリットを求めての措置です。

 流れが変わったのは1970年代の半ば以降です。世界的な排気ガス成分規制や、オイルショックによる燃料価格の高騰によって、乗用車には高い燃費・環境性能が求められるようになります。それを達成するためには、エンジン自体の性能向上とともに、車体の軽量化が必要です。FR方式の場合、エンジンからの出力を後輪に伝えるために「プロペラシャフト」という長い回転軸を使いますが、これは非常に重い部品なので、なくしてしまえば軽量化に大きく貢献できます。また、プロペラシャフトをなくせば、その分、車室内へのでっぱりが小さくできるので、車体のサイズに対する居住空間の割合を大きく取ることも可能になります。当時はラジアルタイヤが普及を始め、前2輪だけで操舵と駆動の両方をこなせる能力が実現できてきたことに加え、駆動力を伝える機構も洗練されてきたことから、乗用車のFF方式化が一気に進むことになりました。

駆動力を最大限に生かす4輪駆動
 さて、4輪駆動はその名の通り、前2輪と後2輪の両方にエンジンの出力を伝えて駆動するメカニズムで、これも路面に有効な駆動力を安定して伝える仕組みとして開発されたものです。たとえば、エンジンが100の力を発生するとします。FFやFRでは、直進状態で2個の駆動輪が50ずつの力を路面に伝えなければなりません。タイヤ接地面が50の力を受け止められる状態なら問題ありませんが、未舗装路などで50以下の力しか受け止められない場合は車輪が空転してしまい、安定性が損なわれます。また、FFでカーブを曲がる場合、前輪は操舵→旋回のために力を使わなければならないので、この場合も50の力をすべて使うことはできなくなります。それに対して4輪駆動なら、一つの車輪が路面に伝える力は25ずつで済みますから、路面の状態が悪い場合でも有効な駆動力を確保しやすくなるわけです。すべてのタイヤで駆動するので、車体姿勢の変化による荷重変動に対しても、駆動力の変動は少なくなります。また、4輪すべてが駆動を受け持つことで、直進/旋回時だけではなく、ブレーキング時にも車体の安定性が高まる利点もあります。

 世界で初めて4輪駆動を採用した乗用車は、ポルシェの創業者であるフェルディナント・ポルシェ博士が1900年頃に作った「ミクステ」と呼ばれる世界初のハイブリッド自動車といわれています。ミクステは発電専用のエンジンで発電機を作動させ、発生した電力を4輪それぞれの内部に備える駆動用モータに伝えて走行する4輪駆動車でした。ガソリンエンジンを搭載する自動車では、1902年にオランダのスパイカー兄弟が作った「SPYKER」が初の4輪駆動車といわれています。SPYKERは、当時としては非常に高性能な直列6気筒エンジンを搭載していました。その高い出力を有効に路面に伝えるため、4輪すべてで駆動するメカニズムを開発したと伝えられています。
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