【車の仕組み】デファレンシャルギア＋LSD【自動車メカ】
【書き起こし】【車のメカ】デファレンシャルギアの仕組み＋LSD【自動車】
(00:01) [音楽] 皆さんこんにちはメカのロマンを探求する 会今回のお題はこれレファレンシャルギア の仕組み車のメカニズムを勉強していると 左右タイヤにつながるシャフトの連結部分 の中に入っているレファレンシャルギアと いう装置に出くわしますよね日本語では 作動装置と言います中の写真を見てみると ギアがたくさん入っていて複雑な構造をし ていますこのデファレンシャルギアとは 一体どういう構造をして何を目的として いるのでしょうか目的は一言で言うと前後 または左右のシャフトの回転数の差異を 吸収する機構でシャフトにかかるトルクの 違いによって作動するとなるのですがこれ がなかなか難解で 原理がわからない方もいるかもしれません ということで今回はレファレンシャルギア について調べてきましたのでご紹介したい と思います レファレンシャルギアは車のどこについて いるのかデファレンシャル ギアはデフと略されますがそのデフとは車
(01:05) のどこに取り付いているのでしょうか デファレンシャル ギアは動力が分割される部分に装備され ますFR車ならここですねFR車の場合の 回転力の伝わり方はエンジン トランスミッションプロペラシャフト レファレンシャルギアドライブシャフト タイヤとなります こんな感じで動力が分割される部分である ドライブシャフトの手前に置かれますその 後再度ドライブシャフトに動力を分割して タイヤを回すんですねFFMrRRは普通 プロペラシャフトがありませんがドライブ シャフトの手前にレフがあるというのは 同様ですFF車はトランスミッションと デフが一体になっている場合がほとんどで こういうケースが同一になっているもの トランスアクスルと呼びます これらと同じく4wdもレフがドライブ シャフトの手前にあります ただし4wdはプロペラシャフトの手前に もデフがあるタイプもありますいずれにし ても動力が分割される部分にあるというの が基本でそれはタイヤの回転数の違いを
(02:11) 吸収するためです なぜデフが必要なのか4輪の自動車には デフがほぼ100% 装備されていますがなぜデフが必要なの でしょうかさっきも言ったようにデフは タイヤの回転数の差を吸収する装置です 同じ直径のタイヤを4本装備した4輪の 自動車がまっすぐ走っている時はスリップ しない限り4人とも同じ回転数で回ってい ますところがカーブを曲がる時が問題です 前輪だけを左右に振ってカーブを曲がる 普通の自動車は外側のタイヤと内側の タイヤの移動距離が違います これは運動会の徒競走でも同様ですよねだ からスタートの位置が内側のトラックほど 手前に設定されています 内外で移動距離が違うということはカーブ を曲がり始めてから曲がり終わった時まで の必要なタイヤの回転回数が左右で異なる ためにカーブの最中のタイヤの単位時間 あたりの回転数 RPMも違わなければなりません
(03:14) 要は移動距離の短い内側に合わせて外側が 頑張って早めに動く見方を変えれば外側の 動きに内側が待ちぼうけを食らう形になり ます車でこの内外の移動距離の差があると どうなるのかというと 駆動輪でない場合はそれぞれが自由に回転 するので何の問題もありませんところが 駆動輪は最低左右フルタイム4wdは前後 もつながっていますこれは同じエンジンで 異なるタイヤを回すという車の設計上どう しても避けられない構造です デフがない場合連結したタイヤで内外の タイヤの移動距離に差ができると自然の 摂理を守るためにどこかで吸収して解決し なければなりませんこれには3パターン あります 外側のタイヤに合わせて内側がホイール スピンして回転数の違いを逃がす内側の タイヤに合わせて外側のタイヤがスリップ して強引に移動するシャフトが千切れて 解決する自動車はカーブの途中 遠心力が働いて荷重が内側から外側に移動
(04:20) するため内側のタイヤがホイールスピン するという形になるかと思います実際 カートにはデフがなくそういう原理で車体 を曲げるそうです タイヤを無理に座らせるような走行して いると乗り心地は劣悪でタイヤもチビし 駆動系に大きな負荷がかかって機械的な 寿命も縮み3で解決する羽目になります また安定性にも悪影響を与えそうですよね 蛇足ながらミニ四駆のワンウェイホール クラッチは外側を無理やり引っ張って回転 数を吸収するという方法のようですタイヤ が地面を蹴る時には動力を伝えますが逆に タイヤが地面から正回転させられる場合に は空回りするようになっていますこれを車 にも応用すればいいんじゃないかとも思い ますがカーブの時に荷重がかかる外側 タイヤが空回りするのでこれは微妙ですよ ねなので他の方法を使ってうまいこと再度 タイヤの回転数の差を吸収してやらなけれ ばならずこれを実現するのが レファレンシャルギアという装置です 4wdの前後に動力を分割する場合も同様
(05:27) で前輪よりも後輪の方が内側を通るように 移動距離が短くこの差を吸収しなければ なりません [音楽] レファレンシャルギアの仕組み前後左右 タイヤの回転数の差を吸収しそれぞれが 自由に回転しつつ前進する 推進力をも確保するのがデファレンシャル ギアという装置ですエンジン縦置き用の デフの中身はこのようになっています一応 それぞれのギアには名前がついていますが 覚えなくても動きは理解できると思います これでどうやって左右の回転差を吸収する のでしょうか説明する方としてもなかなか 難儀しますなぜこれがややこしいのかと いうと 複数の機能が一つにまとまっているからな んです ということでまずはこれを機能別に分割し ますFR車のデフは2つの機能に分けて 考えられます1 軸の方向90度ずらして減速しつつ 推進力を乱す部分 に左右のタイヤの回転数の差を吸収する 作動部分ですね
(06:32) [音楽] 1の軸の方向を90度ずらして推進する 部分がどういう原理かというと考え方とし ては最初にデフのこの箱にコンクリートを 注入して 固めたものを想像します左右のドライブ シャフトが完全に結合されて1本になった ということです プロペラからやってきたトルクはベベル ギアやその派生のハイポイドギアを通して 減速されつつ90度向きが変わります エンジン横置きのFFの場合はレベルギア こそないものの考え方としてはFRと同様 です [音楽] 箱の中にはギアがたくさん入っていますが 今はコンクリートで固められていてレベル ギアのドリブン側はシャフトモロトも箱 ごと回されています これで車は前に進むわけですねところが これでは左右のタイヤがガッチリ固定され ているのでカーブの時の左右の回転差を 吸収することができませんそれでは困るの で 箱の中に左右の回転差を許す仕組みを構築 します
(07:36) 2の左右のタイヤの回転数の差を吸収する 作動部分がそれですねこれが本来の デファレンシャルギアの役目ですこの作動 部分だけを抜き出してみた場合左右の ドライブシャフトに対しわずかでも異なる トルクがかかるとそれぞれが逆方向に回転 します リアの噛み合いを考えると 納得がいくと思います3位は必ず逆に回転 しますしどちらかが止まると 片方も止まります 意外にも作動機構というのはこれだけです パッと見ほど難しくないのがお分かり いただけるかと思います [音楽] 片側が動くと反対側は逆に動くというのは まさにシーソーやじろべえと考えることが できます1 軸の方向90度ずらして減速しつつ 推進力を生み出す部分に左右のタイヤの 回転数の差を吸収する作動部分これら1と 2の要素が組み合わさった機構が レファレンシャルギアです前進時はギアが 入っている
(08:40) 絵でいう黄色のケースごとぐるぐる回転し ます ケースがぐるぐる回転しつつさらにその中 で左右の回転数の差を許すようなイメージ ですね全体的には前進しつつも左右の タイヤがシーソーのように回転数を 分け与えたり受け取ったりしています 上の映像は左が直進の場合右がカーブで 作動機構が作動した場合です直進の場合は 外側の 箱というか四角形フレームの回転と左右 シャフトの回転が同一ですが カーブの場合は横に刺さっている小さい ギアを介して下のタイヤから上のタイヤに 回転を分け与えていることがわかります [音楽] 上の図ではピンク色の線が作動機構を考慮 しない場合の回転緑色が左カーブ時の作動 機構のみによる回転です左側はピンク色と 緑色の矢印の向きが逆なので回転数は ピンクマイナス緑右は逆に方向が揃って いるためピンク+緑の回転数となります 作動の方法と駆動力の配分さっきお話しし
(09:50) たように 駆動軸にデフを装備することによって全体 的には前進しつつも左右のタイヤが回転数 を分け与えたり受け取ったりしています これで左右の駆動力の違いを見てみると 左右同じの50対50になりますこれは ちょっと話はややこしいですがデフの 仕組みは左右のドライブシャフトにトルク メーターを取り付けたと考えると理解し やすいかと思いますトルクメーターという のはシャフトをどの程度ねじろうとして いるかの数値であるトルクを計測する装置 です単位はkgmとか ニュートンメートルとかですねたとえ シャフトが10万RPMで回っていようが 下流に負荷がなければトルクはゼロですし 逆に静止状態でも下流にブレーキ上流に 頑張っているモーターがあればトルク メーターは大きな数値を出します ボルトの締め付けトルクはこっちですね トルクは直接測れない代物なのでシャフト のねじれを計測したりヘリカルギアの スラスト荷重を計測する方法などがあり
(10:54) ます前者は電動パワスで後者は ヘリコプターのトルクメーターによく使わ れます ギアボックスの中にヘリカルギアがあれば それのスラストを測って一石二鳥です 話はそれましたがデフから生えている際の ドライブシャフトにトルクメーターを 取り付けましょうその先にはもちろん ホイールとタイヤ上がります 直線であればデフがあってもなくても 床までアクセルを踏み込んで大きな駆動力 をかけても左右のトルクメーターは同じ 数値を表示しますさらに左右のタイヤの 移動距離単位時間あたりの回転数 RPMは同じですこれはシーソーの両側に 小錦が乗っても動かないのと同様です乗る 人の絶対的な体重には関係なく 差分だけに影響を受けシーソーが動くのは あくまで左右にアンバランスが生じた時 のみです 次にデフがない車が 急な左カーブをアクセルを踏みながら 曲がった場合を考えてみましょうデフが ないということは左右のドライブシャフト
(11:57) は1本の棒とみなせますその中心に プロペラシャフトにつながるギアがあるん ですね左側のタイヤは移動距離が少なく 余裕があるので 移動距離が長い右側のタイヤを引きずって 振り回そうとしますそうすると大きな駆動 力がかかりますよねだから左側のトルク メーターは直進時より大きな数値を出し ます逆に右側は移動距離が長いために タイヤの回転数が足りず加速に貢献する ことができませんもっと言えば左側に 無理やり引っ張られる形になります だから右側のトルクメーターは直進時より 小さな数値を出します直進時よりは小さく なりますがそれがマイナスにまで 及ぶのかどうかは僕には分かりません どっちのタイヤが諦めて滑っているかで 変わるはずですが 詳しい人がいれば教えてくださいこのよう にデフがないとカーブを曲がる時に左右 タイヤの必要回転数が異なりタイヤを滑ら せながら曲がるという現象が起こって しまいこの時の左右ドライブシャフトを
(13:02) 回すトルクが均一ではなくなりますタイヤ は滑りを許容できるために 滑ったりトルクの差が生まれるレベルで 進むと言えます とにかくこれではスムーズに曲がれない上 にタイヤや駆動系に余計な負荷がかかるの でレファレンシャルギアを取り付けるん ですよね デフは左右のトルクの差が生まれるとそれ を是正するように機能します左カーブを 曲がる時は左の回転数があまり右の回転数 が足りないがゆえに左がトルク台右が トルクショーになるんでしたならば余って いる左の回転数を右に分ければいいわけ です デフはシーソーやじろべえのごとく左右の トルクに差が出ると動きますこれは前の方 でお話しした ギアの回転を見てみるとわかりやすいと 思いますプロペラシャフトが回っていない 状態で左がトルク台 身がトルクショート仮定してギアの動きを 見てみると左はトルクが逃げる方に右は トルクが増えるように回転しているのが わかりますレフは相対的なトルクや回転数
(14:07) をやり取りする装置なのでプロペラ シャフトが回転している場合でもこの関係 は全く変わらず左の方が相対的にトルクが 大きいのであればそれを右側に逃がします 作用としては左の回転数を右に分け与え ます 繰り返しますがあくまで相対的なやり取り ですだから例えば直進時にタイヤが左右 ともに100rpmで回っていたとして左 カーブで左タイヤが80rpmになって右 タイヤが120rpmになるような イメージです デフがないとき左はさっさと前進した兄も かかわらず右のせいで思うように進め なかったためにドライブシャフトに過大な トルクがかかっていたのでデフの作用で 回転数が下がろうとすればこの過大な トルクはなくなります逆に右は回転数が 足りないがゆえに左に引っ張られる形で ドライブシャフトのトルクが過小になって いたのでデフの作用で左から回転数を分け てもらって水深に寄与できトルクが大きく なりますトルクの左右差を打ち消すように
(15:13) デフが仲介して回転数を左右で融通し合う ことによって外側タイヤは増速内側タイヤ は減速という作動機構を実現しています デフの仕事は左右の回転差を調整しトルク を均等にすることですタイヤを回そうと するトルクが左右均等であるならばどちら かのタイヤが無理をして 滑ったり引っ張られたりすることはなく スムーズにカーブを曲がることができます レファレンシャルギアの機構に何も抵抗が なければいついかなる時でも左右のトルク が同じになるまで回転数のおすそ分けが 続き左右のドライブシャフトのトルクが バランスな回転数でもあり続けます この彩のトルクが同じになるというのは 巷でよく聞くトルク配分50対50という やつですね ポータブルDのセンターデフでも同様です こういうデファレンシャルギアのことを オープンデフと言いますわざわざそういう 名前がついているということはオープン じゃないデフも胃の中にあるということ ですなお回転数は左右を融通してやり取り
(16:18) されるだけなので直進でも急カーブでも デフのインプットの回転数に変化がなけれ ば方向の概念も取り入れた左右の合計回転 数は常に同じになります足して同じになる ということは 片方のタイヤを完全に停止させてプロペラ シャフトが回っていれば 反対側は2倍の回転数でもあるということ になります レファレンシャルギアの泣き所一つの動力 源で二輪以上を回す4輪の自動車を走ら せる上でデフは必要不可欠な装備ですなの ですがこれを装備することによる問題点も 出てきます二輪 駆動の場合ツルツルのアイスバーンの路面 を走るときまたサーキットで大きなエコー 事情をかけたりアクロス方向でカタリンが 浮くと 駆動力が出ないし 浮かないにしても荷重が減ると加速し づらくなります僕は幸いにもアイスバーン や悪路でそういう状況に陥ったことはあり ませんがオープンデフのヤリスで サーキットを走った時は全然加速しなくて びっくりしました
(17:22) 完全に駆動力が出ないわけではありません がかなり削られていった印象ですこれが どういうことなのかというとさっき オープンデフの駆動は左右で50対50に なると言いましたレフの機能としてはこれ でスムーズにカーブを曲がれるようにして いるのですが通常ではない状況だとあだに なります 極端な例で考えてみましょうアクロ倉庫で 二輪駆動車の駆動輪の左側が浮いてしまっ た場合 浮いた側の駆動輪は地面に設置していない のでタイヤの摩擦力を得られずトルクは0 になりますここで右タイヤが駆動力を出し てくれれば前に進むことができますだが しかしなんですオープンデフの仕事は トルク配分を50対50言い換えれば同一 にすることなのでデフはイレギュラー値で も愚直に仕事をこなそうとしますそれゆえ に左がトルク0やったら右も0にせなあ かんなということで右側のトルクも0にし てしまいますこんな感じで浮いたのは左 タイヤだけなのに右タイヤのトルクも0に
(18:25) なって前に進めなくなってしまいます この時浮いた側のタイヤがブン回りますが 左右ともにトルクが発生しないので エンジンの深さのものも小さくなりますだ からエンジンが吹け上がってしまうだけに なりパワートレーン全体に負荷がかから ない状態で空回りすることになります カタリンが浮くというのは極端な例ですが アイスバーンやサーキット走行時も同様で オフロードや積雪時でそもそもタイヤが グリップしないときまたサーキットで強大 な遠心力がかかってタイヤの荷重に大きな 偏りが生じるような場合には問題になり ますいずれにしてもドライブシャフトに かかるトルクがグリップが弱い方に 合わさってしまうというのがオープンレフ の泣き所です たとえ4wdでもセンターデフを持って いるフルタイム4wdであればたった一つ のタイヤが宙に浮いて空回りするだけで 駆動力が0になりますまずは左右でトルク が逃げセンターデフで前後間の駆動軸の トルクにまで影響が及ぶからです二輪駆動
(19:30) よりもむしろリスクが高まってしまい 走破性がとても悪くなってしまいますFR であれば右後輪か左後輪が浮いたらアウト ですがオープンデフの4wdはこれに右 前輪と左前輪も追加されるのでリスクは 単純に2倍になってしまいます このデフの弱点を克服するために 複数の方法があります今回はあまり詳しく お話しする時間がありませんがデフロック リミテッドスリップデフ LSD ブレーキLSDですねデフロックというの はその名の通りデフをロックしてしまおう という機構です 噛み合いクラッチなので作動機構を キャンセルし左右のシャフトが同じ動きを するようにしますさっき作動機構の中に コンクリートを積める的なことを言いまし たがまさにこれを機械的に行うのがデフ ロックですこれでカタリンが浮いても 反対側の車輪は普通に駆動力を得られます ただしデフロックを行うと レファレンシャルギアの機能が全く なくなるのでタイヤがグリップする場面で 使用するとカーブを曲がる時にタイヤが
(20:36) 無理に滑ったり 駆動系に大きな負荷がかかってしまいます だから大変滑りやすいような路面を 低速で走行するときにしか使えず日常生活 やスポーツ走行で頼ような代物ではあり ませんゆえに札幌の街中で雪が降っている からといって気軽にデフロックをかけて セコマに行くのは危険だということです [音楽] ねリミテッドスリップデフは作動を制限 するような装置です 摩擦スクラッチ ギアの摩擦流体の粘性などを使い回転の 左右融通が自由にできないように制限を かけ 完全に回転が逃げてしまわないようにして いますデフロックは噛み合いクラッチなど によってドライブシャフトの左右独立性を 完全に消していて本格の2択しかありませ んそれに 走行中にガチャガチャ切り替えるのは得意 ではありません対して例えば機械式LSD は 摩擦クラッチを使っているために作動の 抑え具合をある程度に留めることができる し作動し始めも任意に設定することができ ます
(21:39) どういう場面で制限するのかは構造や セッティングによって変わりますがトルク の配分を50体50以外に変えることが できタイヤがグリップするような場面でも 使用することができるためスポーツ走行 する車に多く搭載されています 反面悪路では他の2種類ほど活躍できませ ん電子制御を使わないのであればデ フロックのようにがっちりと左右の ドライブシャフトを連結できるわけでは ありませんしそうでなくともあまり敏感に すると今度は通常走行時に支障をきたし ます ブレーキLSDというのは前の2つとは 違った方法を使いますオープンレフでは 片側に駆動力がかけられない時に 律儀に50対50のトルク配分になるため に 推進力が得られないんでしたよね 浮いたり滑ったりしているタイヤに つながるドライブシャフトのトルクが0だ から 設置している方も0になるんですね 駆動力がかけられないというのは 言い換えればタイヤに対して水深方向のが かかっていないとなりますそこで ブレーキUSDは
(22:44) 浮くなどしてグリップが得られない駆動力 に対して 意図的にブレーキを使って負荷を作って あげます 浮いているタイヤにブレイクをかけて負荷 をかけてやればドライブシャフトには ちゃんとトルクがかかりデフはそれに騙さ れて左右均等にトルクをかけるという機能 が働き 反対側のドライブシャフトにも同じだけの トルクをかけることができます [音楽] LSDはデフそのものに LSDという機構を追加する必要があり ますが ブレーキLSDは既存のブレーキを利用 することから 追加のメンテナンスが不要ですしまた 任意に作動制限できるため LSDより悪路が得意なシステムだと言え ます このように車のデファレンシャルギアは パッと見構造が複雑ですがなんとなくでも 原理や構造が伝わっていれば 嬉しく思いますまた必要不可欠ではある ものの 致命的な欠点もあるというのがお分かり いただけたかと思います以上最後までご 視聴ありがとうございましたこの チャンネルでは今後につながる動画のネタ も募集しています何かリクエストがあれば
(23:47) コメント欄にお願いしますそれではバイ バイ [音楽]
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