フォーミュラ1カー
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フォーミュラ1カー (Formula One car) は、フォーミュラカーの一種でF1世界選手権において使用される競技用自動車である。
目次 |
[編集] シャーシ
[編集] 現在
カーボンファイバー製(CFRP)のモノコックが全てのチームで採用されている。カーボンファイバーは強固だが柔軟性に欠けるため、カーボンファイバーの間にアルミニウム製のハニカム（六角構造のアルミニウム構造物）を挟んでいる。レギュレーションでは、シャーシの材料については特に言及されていない。しかし、シャーシの強度を確かめるクラッシュテストがシャーシ各部に実施され、この条件を満たすにはカーボンファイバー製以外では困難になってきていることも、カーボンファイバー製のシャーシしか存在しない一因となっている。
[編集] 過去
最初期はラダーフレームなどの簡素な構造のものが多数を占めていたが、エンジンパワーやマシンの速度が向上するにつれて、ラダーフレーム→バスタブ構造→モノコック構造というように、より強度が高い構造に切り替わっていった。
シャーシの材料としては1980年代半ばまで、殆どアルミニウムが使用されてきたが、1980年代の大出力のターボエンジンの強大なパワーを支えることや、速度上昇によるシャーシの強度アップが求められた結果、カーボンファイバー以外のシャーシは駆逐された。同様に、エンジンカバーなどの空力パーツやサスペンションアームなどは軽量化や強度アップの面からシャーシと同じくカーボンファイバー製のものが多数使用されている。
[編集] エンジン
エンジン（2.4LNA / V8）はおよそ700馬力の出力で最高回転数は18,000rpm（2009年現在）である。開発費削減などの目的から、各部の寸法が厳密に規定されているほか、エンジン自体の開発が大部分で凍結されている。2005年まで使用されていたエンジン（3.0LNA / V10）では、900馬力以上の出力で、最高回転数が20,000rpmであった。
最初期には機械式過給器（スーパーチャージャー搭載）を搭載したエンジンがあったが、燃費の悪さなどから自然吸気エンジンに取って代わられた。その後、フォード・コスワース・DFVエンジンが大多数のチームに対して市販され、1970年代まで自然吸気エンジン（またはDFVエンジン）の独壇場であった。
DFVエンジンのデビューに前後して、エンジンのストレスメンバー化が進行していった。従来では、後車軸付近まで伸びたモノコックにリヤサスペンションを取り付けていたが、それを直接エンジンのシリンダーブロックやギヤボックスに取り付ける方法が考案された。そうすることで、余分なモノコック構造を削減することで軽量化ができるようになった。その分、エンジンのシリンダーブロックに負担がかかることになったので、シリンダーブロックの強度がより求められるようになった。
1977年には、この自然吸気エンジンの流れに逆らうようにルノーF1がターボエンジン（ターボチャージャー搭載）を携えて参戦を開始した。参戦初期はトラブルが多発し、黄色の車体とエンジンブローの様子から「イエローティーポット」と揶揄されたが、1979年に初優勝を獲得する。これ以降、ターボエンジンの優位性に気づいた他チームがこぞってターボエンジンを開発する（スクーデリア・フェラーリ：1980年、BMW：1981年、ポルシェ：1981年、ホンダ：1983年など）。1980年代後半にはほとんどのマシンで搭載されていた。排気量1.5Lから1000馬力（エンジンによっては1500馬力）をオーバーする出力を持つものもあったが、1988年いっぱいで禁止された。
1989年以降は自然吸気エンジンのみが認められている。排気量は3,5L以下であった。しかし、1994年サンマリノグランプリで起こったドライバーの死傷事故を受けて翌1995年からは3Lに縮小された。2005年まではそれが維持されたが、2006年以降再び縮小されて2.4L以下で気筒数は8以下に制限された。2007年以降、資金負担の軽減を目的にエンジン開発が凍結されている。
エンジンの台数に関しては特に制限が設けられていなかったことから、トップチームの中には、予選だけに的を絞った予選用エンジンを使用するチームもあった。しかし、2003年に予選と決勝を同一エンジンで走行することを皮切りにエンジンの使用についての制限が設けられるようになった。2004年には1レース（フリー走行から決勝まで）を1エンジンのみが、2005年以降2008年までは2レースで1台のエンジンのみが認められた。2009年は、テストを含めた1年間に使用できるエンジンの台数がテストを含めて1チーム20台に規制されている。
[編集] 燃料
出力向上を目的に、かつてF1マシン専用に各チームごとに調合された燃料（添加剤などが大量に含まれた所謂特殊燃料）が使用された。しかし、この特殊燃料は悪臭などを撒き散らし、ピットレーンは異様な臭いや刺激にさらされるなどした[1]。また、環境問題が叫ばれる近年、F1においても1992年途中から、使用する燃料はガソリンスタンドで購入可能なもの[2]のみに制限されている。
[編集] ブレーキ
最初期はドラムブレーキが主流であったが、ドラムブレーキの構造上、熱がこもりやすいなどの問題があり、1980年代までは鋳鉄製のディスクブレーキが主流であった。
現在はカーボンファイバー製のディスクブレーキが全てのチームで使用されている。カーボンファイバー製ではあるが、モノコックなどに使われているもの(CFRP)とは違い、C/C（カーボン・カーボン）という材質が使われている。その製法が複雑なこともあり、高価である。
カーボンファイバー製のディスクブレーキには、摩擦係数が大きいので（0.5程度。鋳鉄製のブレーキの場合、0.2 - 0.3程度）制動距離を短縮することができ、鋳鉄ブレーキよりも軽量なので、バネ下重量を軽減できるという利点がある。また、900度程度まで耐えることができる耐熱性も有している[3]（フルブレーキング時のブレーキの温度は800度程度である[3]）。
欠点としては、高価な点と温度管理が難しい点、寿命が短い点である。カーボンブレーキの寿命は約400kmとなっており[4]、1レースごとに交換する必要がある。また、1セット（1台分）で60万円と高価なこともあり[4]、F1以外のレースシーンではIRL,ルマンLMPクラスと2輪最高峰レースのMotoGPで使用されているだけである。温度管理に関しては、作動領域まで温度を上げないと本来の性能を発揮できず、温度が上がりすぎると急激に磨耗し、性能が低下してしまう[4]ため、ブレーキダクトの設置などといった温度管理はシビアである。
磨耗が鋳鉄製ブレーキよりも早いことから、1980年代後半までコースによっては鋳鉄製ブレーキと使い分ける場合もあった。しかし、1990年代以降では一時期の例外[5]を除いて現在はカーボンブレーキのみが使用されている。
[編集] アウトボードとインボード
ブレーキの配置は大きく分けてインボード（シャーシ側にブレーキを設置し、車軸のない前輪はトルクロッドなどで車輪と結合させる）とアウトボードの2種類に分けることができる。
当初はアウトボードタイプが主流であった。しかし、バネ下重量軽減のためにインボード化が進んだ。
しかし、インボードタイプはトルクロッドが折れる危険性をもっていた。特にレーシングカーであるF1マシンでは、極限まで軽量化されていたため、強度的にもぎりぎりのものであったという。ホイールとブレーキの間のロッドが、ブレーキング時に捻る力によって破断してしまう可能性があった。
1970年イタリアGPで死亡したヨッヘン・リントは、このロッドの破損が事故の原因であるといわれている。
また、1970年代後半からグラウンドエフェクトという考えが広まり、インボードタイプのブレーキは、空力的に邪魔となり、再びアウトボード化された。
アウトボードブレーキは、ホイール内部にブレーキが設置されるために放熱性に劣る場合が多い。そのため、ブレーキの冷却には細心の注意を払う必要がある。
[編集] サスペンション
前後ともダブルウィッシュボーンを全車が採用している。
クラッシュ時のサスペンション部品などの飛散を防ぐため、モノコックとサスペンションはテザーと呼ばれるひも状のもので結ばれている。以下のようにレギュレーションでも装着が定められている。
10.3.6
- In order to help prevent a wheel becoming separated in the event of all suspension members connecting it to the car failing provision must be made to accommodate flexible cables, each with a cross sectional area greater than 110mm2, the purpose of which is to connect each wheel/upright assembly to the main structure of the car.The cables and their attachments must also be designed in order to help prevent a wheel making contact with the driver's head during an accident.
- （ホイールが、レース中に車のサスペンション部分から外れないように柔軟性のあるケーブル〈断面積が110cm2以上で、ホイールとアップライトを車の主構造部分につなぎとめるため〉を装着しなければならない。そのケーブルは、アクシデントの際にホイールがドライバーの頭部に接触しないようにデザインされなければならない。）
– FIA, Formula One Official Site[6]
1990年代に入って、空力の観点からフロントノーズを持ち上げたほうがより良い（ハイノーズ化）ということがわかり、各チームに広まっていった。しかし、モノコックの下部に接続されていたサスペンションのロアアームの行き場がなくなってしまった。そのため、モノコック下端から板状の部品（キール）を伸ばしてそこに接続する方法をとった。
フロントサスペンションアームの配置から、「ゼロキール（キールレス）」、「シングルキール」、「Vキール」、「ツインキール」などが存在する。
現在、ゼロキールと呼ばれる、モノコック側面に（キールなどを介さず）直接サスペンションアームを取り付ける方法が主流である。
また、サスペンションアームは、扁平な形状となっている。アームが気流中に露出するので、できるだけ周りの空気の流れを乱さないように細長いカバーが装着されている。また、ステアリングタイロッドをサスペンションアームのカバー内におさめるマシンもある。
 フェラーリ F2005のシングルキール（2005年） |
 スーパーアグリ・SA05のツインキール（2006年） |
 ルノー・R27のVキール（2007年） |
[編集] 形式
ダンパーが車体の外に露出したアウトボードタイプは、空力が重視されて以降、ウイング類に対する悪影響が大きいため、インボード化された。インボードタイプにもロッキングアーム形式、プッシュロッド形式、プルロッド形式に大別される。
ロッキングアームは1961年のロータス 21で初めて採用された[7]。アッパーアームとダンパーを作動させるアームを共用した形式である。これが1970年代まで主流であった。
しかし、グラウンドエフェクトが開発された1970年代後半から、ダウンフォースの発生量が急激に増加する。そして、ロッキングアームの欠点である、アッパーアームの歪みによるサスペンションの働きの低下が顕著になってきた。
ロッキングアーム形式に変わって、サスペンションの作動に専用のロッドを使用するプッシュロッドとプルロッドが新たに採用された。ダンパーの連結されているロッドの配置方法から、分けられている。現代のF1マシンでは、床下の空力を重視するためにシャーシ側のロッドの位置が高くなるプッシュロッドを採用しているマシンがほとんどであるが、低重心化をねらってプルロッドを採用するチームもわずかにある。
1990年代には、左右の車輪から延びるロッド2本で1本のダンパーを共有するモノショックと呼ばれる形式が採用されたこともあった。これは、コーナリング中の車体のロールをなくすために採用されたものである。しかし、採用するチームは少なく、普及することはなかった。
[編集] スプリング
1990年台までコイルばねが主流であったが、モノコックのスリム化や内部スペースの拡大に伴い、より小型なトーションバースプリングが現在の主流である。
後述するグラウンドエフェクトの導入によって、マシンの姿勢変化によるダウンフォース発生量の変化が嫌われるようになったため、徐々にスプリングは硬くなり、ストローク量もきわめて小さくなっている。
[編集] ダンパー
部品の抵抗を利用したフリクションダンパーもごく初期に使用されていたが、オイルの粘性を利用したオイルダンパーが主流である。ダンパーのストロークが小さいため、少しの動きで減衰力が発生するような工夫がなされている。
[編集] アクティブサスペンション
詳細は「アクティブサスペンション#F1のアクティブサスペンション」を参照
[編集] ホイール
1950年代は、ワイヤースポークタイプのホイールが使用されていた[8]。しかし、ホイールの軽量化はバネ下重量の軽減、そして運動性能の向上につながる。そのため、1960年代以来マグネシウム合金（比重がアルミニウムの約3分の2と軽量）がホイールの材料として使用される。ただし、マグネシウム合金は耐蝕性や反応性に難があるため、マンガンなどを混ぜて耐熱・耐食性を向上させたり、表面に耐熱性のある塗料を塗るなどの方法がとられている[9]。
1990年代までは鋳造のマグネシウムホイールがほとんどであったが、BBSホイール（ワシマイヤー社が製造）は、鋳造に比べて20%も軽量である鍛造のマグネシウムホイールを持ち込んだ。現在は鍛造品が主流となっている。
一時期、カーボンファイバーホイールが開発されていたが、現在はレギュレーションでホイールは均等な金属材質で作られなければならないと定められているため[10]、使用することができなくなっている。
[編集] タイヤ
全チームがブリヂストンスリックタイヤを装着している。かつては、ミシュラン、グッドイヤー、ピレリ、ダンロップといったメーカーもF1にタイヤを供給していた。
1960年代までは、トレッドパターンが刻まれたタイヤが使用されていたが、1971年以降、スリックタイヤが主流となった[11]。その後、1998 - 2008年の間のみであるが、速度低減を目的としてタイヤに4本（1998年の前輪のみ3本）の溝が掘られたグルーブドタイヤの使用が義務付けられた。
通常のタイヤは路面との摩擦によってグリップ力を発生させるが、F1タイヤはそれに加えてタイヤのトレッド面（路面と接する部分）自体が溶けたことによる粘着力がグリップの大半を占めている。
[編集] バイアスとラジアル
バイアスタイヤとラジアルタイヤの違いは、タイヤに中心とカーカス（タイヤの表面〈コンパウンド〉の下側にある、タイヤの骨格となる部分）の繊維方向が斜め（バイアス）か直角（ラジアル）かによって分けられる。
かつてはバイアスタイヤが主流であった。1977年からF1に参戦したミシュランは、ラジアルタイヤをF1に初めて持ち込んだ。ラジアルタイヤは、その構造からタイヤ構造の強度が高かった。そのため、グリップを失う瞬間が唐突であることや、コントロールしにくいなどといわれたが、ターボエンジンによる大出力や、グラウンドエフェクトによる車高の変化を嫌う考え、変形の小ささによる発熱の少なさによって、よりやわらかいコンパウンドを採用できるようになることなどから、徐々に浸透していった。1984年からは、バイアスタイヤを供給し続けてきたグッドイヤーもラジアルタイヤに切り替えた[12]。現在もラジアルタイヤがF1で採用されている。
[編集] エアロダイナミクス
[編集] ウイング
F1初期では、空気抵抗の低減が求められ、マシンは葉巻型が大半を占めた。また、ドライビングポジションを寝かすことや、シャーシのスリム化による前面投影面積の減少も図られた。ウイングといった空力パーツを使用しているチームは皆無であった。
1960年代に入ると、軽量化による車重の減少やエンジンの高出力化によって、駆動輪であるリヤタイヤが簡単にホイールスピンをおこしてしまい、動力を確実に伝達することが困難になってきた。それを防ぐためには、駆動輪を路面に押し付ける力が必要となる。一番手っ取り早い方法は、車重を増やすということである。しかし、同時に慣性力も増えてしまい加速やコーナーリング速度が落ちてしまう。そこで考えられたのが、ダウンフォースの利用である。
1968年にフェラーリやロータスがウイングを実戦に投入。それが各チームに急速に広がっていった。ウイングの効率をよくするため、空気流の乱れが少ない、マシンから離れた高い位置にウイングが装着された。また、ダウンフォースを効果的にマシンに作用させるためにリヤサスペンションに直接ウイングを取り付けるチームもあった。しかし、強度に難があり、レース中の脱落が発生した。そのため、取り付け方法や最大寸法が規制された。
その後、マシンの形状は葉巻型から脱却し、ウエッジシェイプ型と呼ばれる車体全体で空気を上に押し上げ、ダウンフォースを得る方向に変わっていった。また、車体前後にウイングが装着されるようになった。
しかし、空気の流れの分力でもってダウンフォースを発生させることは、空気抵抗の増加にもつながった。そこで、空気抵抗を増やさずに大量のダウンフォースを発生させる方法としてグラウンドエフェクトが導入された。
[編集] グラウンドエフェクト
詳細は「地面効果」を参照
ダウンフォースを得るため、マシンにはウイングがどんどんつけられていった。しかしウイングはダウンフォースと同時に空気抵抗を発生させてしまう。そこでより大きなダウンフォースを効率よく発生させるためにシャーシ下の空気の流れが研究された。
車体と地面の間に空気を流し、それを車体後方からスムーズに引き抜くことでダウンフォースが発生する（グラウンドエフェクト）が発見された。具体的には、車体下面をベンチュリ管形状に整形させることによって車体下面を負圧にして、ダウンフォースを発生させる。
1978年のロータス 79で本格的に使用され、各チームにも広まっていった。しかし、サイドスカートが路面に引っかかってダウンフォースが急に抜けたり、 ポーパシング（ダウンフォースの増減が短い時間で繰り返されることによる車体姿勢の変化）が発生したりするなどのトラブルもあり、1983年以降はフラットボトム規制（前輪後端から後輪前端までのシャーシ裏は平らであること）が導入された。さらに1995年以降は、ステップドボトム規制（シャーシ裏に段差を設けることでさらにシャーシと地面の距離を大きくする）が導入された。
グラウンドエフェクトが禁止された後も、車体下面はカーボンファイバー製のアンダーパネルが、マシン後端にはディフューザーと呼ばれる部品が装着されている。これらの部品を装着することで、グラウンドエフェクトカー程ではないが、少しでも多くのダウンフォースを獲得しようとしている。
[編集] 近年のエアロダイナミクスの規制
CFDや風洞によるシミュレーションにより、マシンの形状が複雑化していく傾向にある。そのため、空力的な性質が敏感になっていく傾向（乱気流内を走行しているマシンの挙動が変化し、前方のマシンを追い抜くことが困難となるなど）がある。そのため、2009年には大幅なレギュレーション改定が行われ、空力パーツの一部禁止が行われた。
[編集] 車体性能
[編集] 最高速度
F1マシンにとって、最高速度というものは、タイヤが剥き出しになっていることやウイングなどの空気抵抗の多さなどから、比較的高記録を出しにくいものといえる。
レース中に記録された最高速度の中で最速の記録は370.1km/hである（2005年イタリアGP決勝 マクラーレン・MP4-20/キミ・ライコネン）[13]。
2006年には、ホンダF1（2005年まではB・A・R）が、アメリカ合衆国ボンネビル・ソルトフラッツで最高速度を競う大会（ボンネビル・スピードウェイ）に参加したが、それに向けた走行が2005年に同国カリフォルニア州モハーヴェ空港で行われた。B・A・R 007を改造（F1レギュレーションには適合している）し、最高速度415km/hを記録した[14]。
[編集] 一般乗用車との比較
一例としてホンダのスポーツカーであるNSXとF1マシンのRA106で比較する。
- 加速性能
| 車種 | 0 - 100km/h | 100 - 200km/h |
| RA106 | 3.7秒 | 1.5秒 |
| NSX | 5.2秒 | - |
加速し始めはNSXよりもRA106のほうが若干早い程度であるが、速度が上がるとダウンフォース発生量が増え、マシンを路面に押さえつける力が増加する。そのため、グリップ力が劇的に向上し、急激な加速性能を発揮する。同時に発進したとき、NSXが100km/hに達する時にはRA106はすでに200km/hにまで加速している。
前述のタイヤやエンジンの性能の高さによって、減速やコーナーリング中には4G程度の、発進時には1G程度の力がかかる[15]。
[編集] 脚注
- ^ ピットでの作業では、燃料を入れる際、ピットクルーがガスマスクを付けて作業をするほどであった
- ^ 市販のガソリン成分以外の化合物が含まれていてはならない。燃料の成分比に関しては調整が可能であるが、以前の特殊燃料に比べればきわめて市販ガソリンに近い。
- ^ い ろ 『F1最新マシンの科学』 桧垣和夫、講談社、2000年、p.163。ISBN 4-06-209993-4。
- ^ い ろ は 『F1最新マシンの科学』 桧垣和夫、講談社、2000年、p.164。ISBN 4-06-209993-4。
- ^ 1999年のF1世界選手権にウィリアムズから参戦したアレッサンドロ・ザナルディは、カーボンブレーキに馴染めず、シーズン途中でCART時代に慣れ親しんだスチールブレーキに変更をした。
- ^ "ARTICLE 10: SUSPENSION AND STEERING SYSTEMS",Formula One Official Site（2009年10月30日閲覧）。
- ^ 『F1最新マシンの科学』 桧垣和夫、講談社、2000年、p.129。ISBN 4-06-209993-4。
- ^ 『F1の科学』 桧垣和夫、講談社、1993年、p.235。ISBN 4-06-132982-0。
- ^ 『F1最新マシンの科学』 桧垣和夫、講談社、2000年、p.158。ISBN 4-06-209993-4。
- ^ 12.3 Wheel material
- All wheels must be made from an homogeneous metallic material.
- ^ 『F1の科学』 桧垣和夫、講談社、1993年、p.228。ISBN 4-06-132982-0。
- ^ 『F1最新マシンの科学』 桧垣和夫、講談社、2000年、p.152。ISBN 4-06-209993-4。
- ^ Yahoo! Formula1:イタリアGP(Yahoo!)
- ^ [Honda is the fastest Formula One team ever”]. f1network. (2005-11-06) 2009-10-30 閲覧。
- ^ い ろ Technical Specification(Honda)
[編集] 主な参考文献
- 「F1最新マシンの科学」 桧垣和夫、講談社、2000年、 ISBN 4-06-209993-4
- 「F1の科学」 桧垣和夫、ブルーバックス、1993年、ISBN 4-06-132982-0
[編集] 外部リンク
最終更新 2009年11月9日 (月) 10:47 （日時は個人設定で未設定ならばUTC）。
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