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第１５話　ギア比のお話し

ハコスカ君を含めて普通の車は走るのにシフトによるギアチェンジが必要です。
最近の車はオートマだったりCVTとかで勝手にやってくれているので気づかないかも知れませんが…
しかしラジコンや電車等は原則ギアチェンジをしません。
実はこれは動力源であるエンジンとモーターの出力の出方に違いがあるからです。
電気モーターの場合の0回転つまり起動時が最も大きいトルクが発生します。
それが回転が上昇するほど減少してしまうんです。
それに対してエンジンの場合は0回転ではまったくトルクが発生しません。


エンジンはその為に有効なパワー幅（パワーバンド）が狭い特性を持っています。
従ってエンジン車は走り始め等パワーが必要な時このパワーバンド内にてエンジン回転数をKeepしなければいけません。
その為にパワーバンドを有効に使う為にミッションによるギアチェンジが必要になる訳です。
皆さんも交差点等で3速にて行けると思っていた所、思いのほか車速が落ちてしまい慌てて2速に落とす事があると思いますが、これが正しくパワーバンドから外れてしまった状態です。
ミッションの段数/ギア比は車を設計する際にはもちろんメーカーで最適と思われる状態にはなっています。
しかし特殊な環境（サーキット）での走行やエンジン特性/出力の変更等場合によってはノーマルギア比では駄目な場合が発生します。
今回このギア比のお話しです。

○ギア比の定義

エンジンのギア比を表すのは一般的にはこんな感じで表示されます。

ギア比の数字ですがこれはタイヤを１回転するのに必要なエンジン回転数を表しています。
ミッションの中にシフト毎にギアがありそれを切り替える事によりギア比が変わります。
1速ではより大きな出力を得る為にギア比を大きくし、シフトアップに伴いギア比を下げていく訳です。
因みにギア比０．０００のギアを直結ギアと言います。
昔は４速ギアの直結まででしたが、それ以下のギア比を追加してオーバードライブとして５速が追加されました。
このギアによる減速ですがミッションだけでは無くデフでも行います。
最終的なギア比はミッションギア比×デフギア比となりますので１速の場合１３．１４５となります。
つまりエンジン回転の１３．１４５分の1回転でタイヤが回ります。
例えばエンジンが３０００ｒｐｍで回った場合タイヤが２２８回転/分回ります。
つまりタイヤの円周×２２８回/分×６０分で1時間で進む距離が判ります。
０．００１９１ｋｍ×２８８回転/分×６０分≒２６km/h
つまり1速で３０００ｒｐｍ回すとスピードとしては２６km/h出る訳です。
同様の3速で３０００ｒｐｍ回すと５９km/hのスピードがでます。

この様に簡単に計算で回転数とスピードの関係が算出できます。
このような計算はＥｘｃｅｌが得意です。
取り合えずグラフを作ってみます。


ん〜計算上は５速/８０００rpmまで回せば２４２km/h出るはずです。
この様にギア比とスピードの関係が判ると色々判断できます。

○パワーバンドとギア比の関係

さて問題のパワーバンドとギア比の関係です。
最初に言いましたようにエンジンの場合有効な出力を得られるパワーバンドがさほど広くはありません。
したがってそのパワーバンドを外した状態でいくらアクセルを踏み込んでも加速してくれない訳です。
この辺をシュミレーションして見ます。

・パワーバンドが４０００〜７０００ｒｐｍの場合

S20の場合DOHCと言う事も有りL系に比べて高回転にパワーバンドがあります。
取り合えず４０００〜７０００ｒｐｍ辺りをパワーバンドとしてシュミレーションして見ます。



各ギアにおけるパワーバンド域でのスピードを算出してみます。
例えば２速で７０００rpmまで引っ張るとスピードは９７km/hまで出ます。
この状態で３速にシフトアップするとパワーバンド下限の７８km/hを上回っているので十分な加速ができる訳です。
つまり各ギアにおいてオーバーラップが十分にありスムーズな加速ができる訳です。

・パワーバンドが６０００〜８０００rpmの場合

続いてエンジンのチューニング等を実施した場合を考えて見ます。
チューニングにより高回転で大きなパワーを稼ぐ事ができましたが、その反面どうしてもパワーバンドが狭くなってしまいます。
パワーバンドが６〜８０００ｒｐｍの場合をシュミレーションして見ます。



同じギア比ですが各ギアのオーバーラップの感じがずいぶん変わります。
チューニングによってピークパワーの発生が７⇒８０００rpmに上がったので最高速としては２１１⇒２４２km/hと大幅にアップします。
しかしその反面パワーバンドの領域が３０００⇒２０００rpmと狭くなってしまうと問題も発生します。
２速８０００rpmまで回して３速にアップしてもスピードが１１１km/hにしか上がらず、３速でのパワーバンド下限の１１８km/hに届きません。
つまり３速にアップした途端パワーバンドから下がってしまい、パワーバンドまで上昇するまで加速が鈍ってしまいます。
この様にエンジンチューニングに伴いパワーバンドが狭くなってしまうとノーマルのギア比では問題が発生してしまいます。

・その対策は…

メカチューンの場合高出力発生の為にピークパワーのより高回転領域へのシフトを行います。
その為低回転のパワーダウンを起すので必然的にパワーバンドが狭くなってしまいます。
そこでその対策としてギア比の変更を行います。
必要以上に上がりすぎた最高速をデフのギア比で調整する訳です。
ノーマル４．４４４を５．０００辺りまで落とした状態をシュミレーションして見ます。



ファイナルギア比変更に伴い５速での最高速はほぼノーマルの７０００rpmと同等になりました。
それに伴い各ギアでのスピードも下がります。
２速８０００rpmでも１１１⇒９８km/hに下がり、３速のパワーバンド下限の１０５km/hを下回ってはいますが速度領域が下がった関係で先ほどよりは加速の鈍りが減少するはずです。
実はファイナルギア比の変更の効果はこの様にローギアー化に伴い加速しやすくするのが目的なんです。
しかし各ギアのつながりについては改善はできません。

・根本対策は…

ファイナル変更によりパワーバンドのシフトについては改善ができますが、バンドが狭くなる事によるシフトチェンジのつながりの問題は残っています。
抜本的に対策をするのはミッションのギア比を変更するしかありません。
俗に言う”クロスミッション”です。
RS STARTさんでハコスカ用のクロスミッションをリリース（欲しいけどかなりの値段です…）しておりギア比が開示されているのでこれをシュミレーションして見ます。

ギア比の数字としてはさほど違わないように見えますが、その効果をシュミレーションしてみます。



ん〜 結構面白い結果です。
ミッション/ファイナルギア比とも変更されているんですが３速のレートは純正とまったく同じ様です。
この３速に２速と４速のギヤ比を近づけているようです。
２−３−４速のギヤ比がクロスしているのでシフトアップ時にパワーバンドを外す事がなくなりました。
正しくこれがクロスミッションなんですね。

○総括

S20のようなNAエンジンの場合チューニングに伴いどうしてもパワーバンドが狭くなってしまい、走る場所によっては折角のパワーが生かしきれない場合が出てきます。
コーナーにおいて適切なギア比を設定しないと決して早く走る事ができない訳です。
実際のレースでも当り前なのかも知れませんがエンジン特性のデータによる把握とそのパワーバンドを生かしきるギア比のシュミレーションが重要ではないかと思います。
因みに私のハコスカ君に対しても考えてみましたがパワーチェックの結果ノーマルと同様のパワーバンドがありそうなので街乗りメインの現状ではクロスミッション導入の必要はないのではと思います。
…残念(^_-)(^_-)

今回の件はハコスカに限らず検討できる内容かと思います。

皆さんも検討してみては、いかがでしょうか？

★ミッションオーバーホール完了記念の粗品

今回の為にギア比シュミレータを作ってみました。
机上の計算だけでも結構楽しめるかと思います。

良かったら使ってみて下さい。

⇒Gear_Rate_Simulation