知っているとオモシロイ!車の構造 4WD

車の構造 4WD

4WDとは

自動車の4輪すべてを駆動輪にする駆動方式を4WD(Four Wheel Drive)(4輪駆動)と言います。一般的な自動車は車輪の数が4ですから、すべての車輪を駆動すると言う意味でAWD(All Wheel Drive)(全輪駆動)と呼ぶこともあります。スバルなどは4WDではなくAWD と表記していますね。
「4WD車」と言えば、まず悪路走破性の高さをイメージすると思います。確かに悪路では2WDよりも有利ですが、 他にもさまざまなメリットがあるのです

まず、4輪に駆動力を与える事で、大きな駆動力を伝達させたり、滑りやすい路面での駆動力を高める事ができます。また、コーナリングが安定するというメリットもあるため、スポーツタイプの自動車が4WDを採用することがあるのですが、このような4WD特有のパフォーマンス、スポーツ走行時などの限界的な走行の時にだけ発揮されるものではありません。私たちが普段使うような、日常的な走行時の安全性を高める効果もあるのです。

しかし、2WDに比べて部品点数が増えるために車重が重くなるため、燃費が悪くなりやすく、コスト高になるというデメリットがあります。

4WDはパートタイム4WDフルタイム4WDハイブリッド4WDに分けることが出来ますが、フルタイム4WDにはセンターデフ式フルタイム4WD、トルクスプリット式4WDがあります。
トルクスプリット式には受動的に車輪へのトルク配分を行うパッシブトルクスプリット式4WDと、電子制御で配分するアクティブトルクスプリツト式4WDがあります。電子制御4WDには、アクティブトルクスプリット式の他にセンターデフの制御を行う電子制御センターデフ式フルタイム4WDもあります。

4WDと2WDの駆動力の違い

自動車の駆動力はタイヤと路面との摩擦力によって発生します。氷上のように摩擦が極めて発生しにくい場所では、駆動輪に大きなトルクを与えてもタイヤが空回りするだけで自動車は進む子が出来ません。この事からも、自動車が走るためには路面との摩擦が重要なのです。

この路面との摩擦力をタイヤのグリップと言いますが、グリップにはこれ以上力が掛かると路面を掴みきれず、スリップしてしまう限界があります。
この限界は路面の状態やタイヤの状態、タイヤにかかっている重量や重力で変化します。
たとえば、トータルで100 の駆動力を出力するエンジンを搭載した自動車があり、路面のグリップ限界が30だとします。
2WDの自動車はグリップの限界を超えないように、それぞれの駆動輪の駆動力を30にする必要があります。

この時に、それぞれの駆動輪に50のパワーを与えてしまうと、路面のグリップ限界を超えてしまうため、ホイールスピンを起こしてしまいます。 このため、2WDではエンジンの出力を抑えてトータル60の駆動力しか得られない事になります。

しかし、4WDであれば各輪に25のカを与えてもグリップ限界以内に治まるので、25 x 4 = 100の駆動力が得られます。そのため4WDは、高出力のスポーツタイプの自動車に採用されることもあります。 日産GT-Rは4WDのスポーツカーですね。

また、路面のグリップ限界が10しかない場合、2WDでは20の駆動力(10 x 2 = 20)しか得られませんが、4WDでは40の駆動カ(10 x 4 = 40)が得られることになります。そのため、雪道などの滑りやすい路面でも、4WDは安定した駆動力を発揮することができるので、安全な走行が可能になります。

4WDの特徴

路面の凹凸が激しい悪路では、車輪が路面から浮き上がることがあります。駆動輪が4輪ある4WDならば、どこかの車輪が浮き上がっても接地している車輪があるので走行することができ、悪路走破性が高くなります。しかし、駆動輪にはデフが備えられているため、片側の駆動輪が浮いてしまった場合、反対側の駆動輪は停止してしまいます。
また、4WDのタイプによっては、前後車輪の関係でも同じような問題が起こります。そのため、4WD車にはデフロックやLSDの搭載が不可欠です。

コーナリング時の4WDの特性

自動車がカーブをを曲がる際には、遠心力に対抗して自動車を曲がらせようとする力であるコーナリングフォースが必要です。このコーナリングフォースもタイヤと路面との摩擦によって発生するため、タイヤグリップの限界の影響を受けます。駆動力、コーナリングフォース、グリップ限界は下図のような関係になります。
たとえば、グリップ限界が60の状況で、2WD車が100の駆動力を発揮させると、コーナリングフォースは約33しか得られません。しかし、4WD車であれば 約55のコーナリングフォースを得ることができます。

コーナリングフォース

つまり、同じ値の駆動力を発揮させた場合、4WDの方がコーナリングフォースが大きくなるので安定してカーブをを曲がる事ができるのです。
高速コーナリングはもちろん、低速度のコーナリングであっても4WDの方が安全性が高くなります

タイトコーナーブレーキ現象

前後のファイナルドライブギアを1本のシャフトで繋ぎ、そこにトランスミッションからの出カを伝えてあげれば、4WDになりますが、この方式を直結式4WDと言います。

そして前後のデフにLSDやデフロックを加えれば、もっとも悪路走破製が高い4WDになりますが、このままでは平坦な舗装路などの走行が困難になってしまいます。

カーブを曲がる時に左右のホイールの旋回半径が異なるため、駆動輪にはデフが必要になりますが、これに加えて前輪と後輪でも旋回半径が異なってきます。
この現象により、直結式4WDでは後輪が空転ぎみにスリップしたり前輪が引きずられるようになってしまいます。
グリップ力の低い悪路であれば、若干の空転問題ありませんが、グリップの限界が高い舗装路では多きな問題となります。

特に小回りをする際には前輪が追従できずに引っかかってブレーキがかかったようになってしまい、スムーズな走行ができません。このような現象をタイトコーナーブレーキ現象と言い、実用に耐えうる4WD車にするために何らかのは対策となる仕組みを組み込まなければなりませんが、その解決策としてパートタイム4WDやセンターデフ式フルタイム4WD、トルクスプリット4WDなどがあります。

パートタイム4WDは走行するシチュエーションに応じて、ドライバーが2WDと4WDを切り替えることが出来る仕組みです。これによりタイトコーナーブレーキ現象に対応します。

また、センターデフ式フルタイム4WDはセンターデフによって対応し、トルクスプリット4WDはトルクを配分する機構によって車輪の回転差を吸収することでタイトコーナーブレーキ現象に対応しています。

パートタイム4WD

パートタイム4WDはセレクティブ4WDとも呼ばれます。
悪路走破性は良好ですが、ドライバーによる切り替え操作が必要です。また、通常の走行は2WDで行われるため、フルタイム4WDのように駆動力やコーナリング性能が高くなることはありません
他の方式の4WDでも 直結状態を作り出す機構を加えることで悪路での走破性を高める事ができるので、最近ではあえてパートタイム4WDを採用する車種は非常に少なくなっています。

4WDのレイアウト

4WD専用に設計されたレイアウトもありますが、 多くの車種ではFFの横置きトランスミッション、またはFRの縦置きトランスミッションがベースになっています。

FFベースでの4WDの場合、同じ車種でFFレイアウトのタイプが設定されていることが多いです。また、FRの場合も同様です。
なお、FF縦置きトランスミッションがベースの場合は、FRベースに近い構造になる事が多いです。
こうしたベースとなる動力伝達装置から、もう一方の駆動軸用の回転を取り出す機構を4WDトランスファーと言います。
トランスファーには回転を分岐させるためのギアやセンターデフなどが備えられることもあります。

FF横置きトランスミッションはファイナルドライブユニットを内蔵したトランスアクスルとなる場合が一般的ですが、FFベースの4WDの場合はトランスファーも組み込まれたトランスアクスルの場合があります。
FRベースの場合はトランスミッションとプロペラシャフトの間もしくはトランスミッションの後ろ側の横にトランスファーが設置されるタイプが多くなっています。

ここからトランスミッションの側面にあるフロントプロペラシャフトによってフロントファイナルドライブユニットにエンジンからの回転を伝えます。
この場合はフロントプロペラシャフトが中央に配置するこができないため、これをを回避するためにトランスミッションの内部にフロントプロペラシャフトとフロントファイナルドライブユニットを収納する場合もあります。

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