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目に見えないだけに理解が難しい! クルマの走りを大きく左右する「空力」を歴史とともに解説!!

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目に見えないだけに理解が難しい! クルマの走りを大きく左右する「空力」を歴史とともに解説!!

 この記事をまとめると

■自動車の空力性能に関するデザインの変遷を振り返る

【噂の真相】F1は天井に張り付いて走れるって本当?

■流線型から始まってダウンフォースの概念がレースの世界で広まっていく

■燃費性能へ影響を与えるので量産車でも空力性能は重視されている

 地上の乗りものは鉄道から空気の存在を意識し始めた

 自動車も含め、地上を走る乗り物が「空気」の存在を意識し始めたのは1930年前後のことだった。当時の状況は、自動車より鉄道のほうが高速化の時期は早く、必然的に高速走行では空気の存在が大きな抵抗になることは理解されていた。このため、高速性能を引き上げるには空気抵抗を小さくすればよい、という考えが定着していた。

 この結果、生まれた考え方が「流線形」だった。走行する乗り物が空気の中をスムースに進めるよう、先端をすぼめた形状とする流線形が最適だと考えたのである。代表例は1930年の鉄道、シーネンツェッペリン(ドイツ)で、動力はプロペラ推進だったが、最高速度230km/hを記録していた。特徴的なのはそのスタイルで、そのはるか後の時代に登場する日本の0系新幹線に極めて似た形状だった。

 自動車は、最高速度性能に強いこだわりを見せていたヒトラー政権下のドイツで、アブスサーキット(ベルリン)、アウトバーンを使ったメルセデス・ベンツとアウトウニオンの高速性能競争が激化していた。両社とも流線形ボディを採用し、1938年に432.7km/h(メルセデス・ベンツ、ルドルフ・カラッツィオラ)を記録するまでになっていた。

 この速度域は、現代のプロトタイプカーと同じ領域で、空気抵抗を限りなく小さくしようとした流線形だけで、この数字を叩きだしたのは驚異、逆に無謀とも言えるものだった。実際、アウトウニオンのベルント・ローゼマイヤは、この速度記録挑戦で一命を落としている。

 その後、空気をスムースに流すだけでは高速走行に対応できない、と気づき対策したパーツがウイング、スポイラー、ノーズフィンなどだった。ボディ形状は、限りなくスムースに空気を流しながら、ポイントで空気の流れを利用して車体を路面に押さえつける発想が生まれたのである。レーシングカーの世界で用いられた手法で、一番手はアメリカのシャパラルカーズが製作したシャパラル2C(1965年、グループ7カー)で、リヤカウルエンドの左右両端で支える方式の大きなリヤウイングを備えてデザインされていた。

 このリヤウイングは、翌1966年に登場したシャパラル2E(グループ7カー)に進化すると、ウイングは2本の支柱によって高々と掲げられたハイマウントタイプとなり、翌1967年にはスポーツカーのシャパラル2F(グループ6カー)も同じ方式のウイングを備えてル・マンに臨んでいる。

 車体後部を空気の力によって抑えつける方法(ダウンフォースの概念)は、高速コーナリングで大きな武器となり、1968年になるとF1が相次いで採用することになる。この際、前後の空力バランスをとるため、フロントを抑え付けるため(フロントの浮き上がり防止)ノーズフリッパー、ノーズフィンが設けられるようになる。

 ただし、F1では走行中にウイング破損の事例が続き、アクシデントに結び付くことから支柱によるウイング支持方式は禁止されることになる。

 こうしたことの経緯は、現代の空力ノウハウがあれば簡単にわかることだが、ウイングの形状によってはトン単位のダウンフォースが発生するため、金属製とはいえパイプの強度では支えきれない大きな力が発生していたのである。

 車体下部に負圧を生じさせるウイングカーの登場

 この空気の流れを使って車体を抑え付けるという発想から、空気流による圧力差を利用して車体を路面に「吸い付ける」(ベンチュリー効果、グランドエフェクト)方式が考え出されることになる。先鞭を切ったのはロータスで、1977年にウイングカー構造のロータス78をデビューさせ、この考え方を発展させたロータス79(1978年)がその空力効果にものをいわせて猛威を振るうことになる。

 このウイングカー構造はまたたく間にレーシングカー作りの基本となるが、空気流が逆になった場合(車両の向きが前後逆、たとえばスピン状態など)、今度は車体を舞い上がらせる方向で空気の流れが作用することになり、重大なアクシデントに結びつくことから禁止となったホディ構造である(F1では2022年から復活している)。

 フラットボトム形状は、車体床面の形状を変化させることでベンチュリー効果を得ていたウイングカー構造を禁止するためにとられた措置で、ホイールベース間の床面を真っ平ら(フラット)にすることを義務付けた規則である。このため、車体を強制的に吸い付けるベンチュリー効果は使えなくなったが、床面の凹凸をなくすことで空気の流れをスムースにする効果をもたらしていた。

 このフラットボトム形状は、レーシングカーの世界で生まれた考え方だったが、量産車の領域でも空気抵抗を減少する効果がある方式として、現在では積極的に活用される方向にある。

 また、フラットボトム規定と並行して、規定の盲点を突く手段として、車体後部床面の形状をディフューザー化する考えがうまれた。リヤアクスルから後ろの床面形状はフラット化する規定から外れていたため、この領域の形状に工夫を加えることで、部分的なベンチュリー効果、部分的なウイングカー構造とする発想である。この手法は、あっという間にレーシングカー作りの常識として広まっていた。

 さらに、これは量産車の領域でも使われる手法だが、ボルテックスジェネレーターやパネル表面を平滑化せず意図的に凹凸のある模様を設ける手法は、空気流を意図的に乱すことで境界層剥離を抑え、結果的に空気抵抗を減らす効果を持つものだった。

 ひと昔前なら、空気流はできるだけスムースに流したほうが抵抗を小さくできると考えられていたが、境界層剥離の視点に立つと、意図的に空気流を乱したほうが結果的に空気抵抗が減少するととわかったためである。

 ちなみにこの境界層剥離の発生、航空機の分野では失速の原因となるため非常に重視される事象である。

 現代は、走行中に発生する空気抵抗は、性能の低下につながり、動力性能だけではなく燃費性能、つまり二酸化炭素の排出量にも悪影響をおよぼすため、量産車においても空力性能は必要不可欠な性能項目として考えられている。

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みんなのコメント

6件
  • hab********
    でも最近は、空力を無視したような角張ったSUVが人気。
  • 葛葉恭次
    『爆走兄弟レッツ&ゴー!!』でチビっ子にもダウンフォース大流行したんだよな…
※コメントは個人の見解であり、記事提供社と関係はありません。

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