車の隠れた立役者「不等速自在継ぎ手」とは？
車を知りたい
先生、「不等速自在継ぎ手」って言うんですけど、入力軸が一定の速度で回転しても、出力軸の回転速度が変化してしまうんですよね？なんでそうなるんですか？
自動車研究家
いい質問ですね！実は、回転を伝えるための動力伝達点が、入力軸と出力軸のなす角のちょうど真ん中からずれているために起こる現象なんです。十字軸形継ぎ手を例に説明しましょう。
車を知りたい
十字軸形継ぎ手だと、入力軸が1回転する間に、出力軸の回転速度が2回も変化してしまうんですよね？
自動車研究家
その通りです。動力伝達点が、入力軸と出力軸のなす角を二等分する線上になく、入力軸が回転すると左右に2回往復してしまうからなんです。これを解消するために、十字軸形継ぎ手を2つ組み合わせて、不等速性を打ち消すことで等速回転を実現したのが「ダブルカルダンジョイント」なんですよ。
不等速自在継ぎ手とは。
自動車用語で「不等速自在継ぎ手」とは、十字軸形継ぎ手のように、入力軸が回転する速度に対して、出力軸の回転速度が一定にならない継ぎ手のことを指します。十字軸形継ぎ手の場合は、1回転する間に2回の速度変動が起こります。これは、回転速度を一定に保つためには動力伝達点が入力軸と出力軸のなす角の二等分線上になければならないという条件を満たしていないためです。入力軸が1回転すると、動力伝達点は二等分線を横切って左右に2回往復運動をします。しかし、十字軸形継ぎ手を2つ組み合わせ、互いの速度変動を打ち消すように接続すると、回転速度が一定になります。これがダブルカルダンジョイントです。
不等速自在継ぎ手の基礎知識
車をスムーズに走らせるためには、エンジンが生み出す動力をタイヤに伝える必要があります。しかし、エンジンとタイヤの位置関係は走行中に常に変化するため、単純に軸でつなぐだけでは駆動力がうまく伝わりません。そこで活躍するのが「不等速自在継ぎ手」です。
不等速自在継ぎ手は、角度や距離が変化してもスムーズに動力を伝達する特別なジョイントです。名前の通り、入力と出力の回転速度が一定ではなく、状況に応じて変化することが特徴です。これにより、サスペンションの動きやハンドル操作による角度変化を吸収し、安定した走行を実現しています。
実は、不等速自在継ぎ手はFF車だけでなく、FR車や4WD車など、多くの車種で採用されています。私たちは普段、その存在を意識することはありませんが、快適で安全なドライブを支える重要な役割を担っているのです。
なぜ回転速度が変わる？ 不等速性の仕組み
車がスムーズにカーブを曲がることができるのは、実は「不等速自在継ぎ手」という重要な部品のおかげです。この部品は、前輪を左右に切るときに生じる駆動軸の回転速度差を吸収する役割を担っています。
では、なぜ回転速度に差が生じるのでしょうか？ それは、カーブを曲がるとき、内側と外側のタイヤの描く円弧の長さが異なるためです。内側のタイヤは外側のタイヤよりも短い距離を進むことになり、結果として回転速度が遅くなります。
この回転速度差を吸収せずに放置すると、どうなるでしょうか？ タイヤはスリップしたり、駆動系に無理な力がかかったりしてしまいます。不等速自在継ぎ手は、このような問題を防ぎ、常に最適な駆動力をタイヤに伝えることで、安全で快適なドライブを実現しているのです。
十字軸形継ぎ手の構造と特徴
– 十字軸形継ぎ手の構造と特徴
十字軸形継ぎ手は、その名の通り十字に配置された軸とベアリングによって構成されているシンプルな構造が特徴です。二つの軸の間に、回転方向を90度ずらしてベアリングを挟み込むことで、前後左右、そして回転運動を伝えることが可能になっています。
このシンプルな構造のおかげで、製造コストが安く抑えられるというメリットがあります。そのため、軽自動車やコンパクトカーなど、コストパフォーマンスが重視される車種に広く採用されています。
しかし、構造上、駆動軸と従動軸の回転速度にわずかな差が生じてしまうというデメリットも存在します。これは、高速回転時や大きな角度が付いた際に、振動や異音の原因となることがあります。そのため、十字軸形継ぎ手は、主に角度変化の少ない箇所や、高速回転をあまり必要としない用途に用いられます。
不等速性が引き起こす問題点
エンジンからタイヤに動力を伝えるドライブシャフト。前後輪で長さが異なるため、そのまま繋いだ場合、回転速度の差によって振動や異音が発生してしまいます。これが、不等速性が引き起こす問題点です。 スムーズな走行や快適性を損なうばかりか、最悪の場合、部品の破損に繋がる可能性もあるため、軽視できません。
等速を実現する「ダブルカルダンジョイント」
前項で紹介したユニバーサルジョイントは、シンプルな構造で回転を伝えることができる反面、駆動軸と従動軸の角度が変わると、回転速度にムラが生じてしまうという欠点がありました。しかし、自動車の駆動系において、回転速度のムラは振動や異音の原因となり、快適な走行を阻害する要因となります。
そこで開発されたのが、「ダブルカルダンジョイント」です。これは、2つのユニバーサルジョイントを組み合わせることで、回転速度のムラを打ち消す仕組みです。具体的には、2つのユニバーサルジョイントの間に、中継となるジョイントを設け、駆動軸と従動軸の角度が変化しても、中継ジョイントが回転することで速度変化を吸収します。
このダブルカルダンジョイントは、ユニバーサルジョイント単体よりも複雑な構造にはなりますが、高い等速性を実現できるため、現在でも多くの後輪駆動車や四輪駆動車のプロペラシャフトなどに採用されています。