軽量ホイールによるバネ下重量変化

質問

バネ下重量の軽減(ここでは特に軽量ホイールについて)は、足回りの追従性の向上ですとか、加速性能のアップなど言われていますが、慣性モーメントは小さくなると思いますので、例えば高速定常走行時における燃費
についてはどのような変化が出てくるものでしょうか?。私が考えるのは(クルマの重量や空気抵抗の影響などがありますが)、軽量ホイールにすることで回転モーメントが減ると、慣性エネルギーが減るので燃費は悪くなる場合(速度域)が発生する(もしくはそうなる速度域が重いホイールの時よりも低下する)事もあるのではないかと考えています。
つまり等速状態では空気抵抗による損失エネルギーはホイールが重い場合も軽い場合も同じですから、残存するトータルエネルギーは慣性エネルギーの大きな重いホイールの方が多い筈です。そうするとその速度(域)を維持するための追加のエネルギーは軽いホイールの場合よりも少なくて済む=燃料が少なくて済む、と考えた訳です。
例を挙げるとすると、今迄の高速100km/h走行での燃費が軽量ホイールにしたらむしろ悪化した、などです。
エネルギー保存則は承知していますが、この場合、受ける空気抵抗による損失が入ってきますので(しかも空気抵抗は速度の2乗に比例して大きくなりますし)、その辺がどうなるのかと疑問です。
どなたかバネ下重量軽減について、この面からのデメリットなどご存知の方がいましたら是非教えてください。

回答No.4

leman

自分はみなさんとは逆の説を提案します。

物を動かす時にもっともエネルギーを使うのは加速のとき。しかも初期の出だしのときにもっともエネルギーを使います。

そのエネルギーを最終的に路面に伝えるのがホイールとタイヤですよね。このホイールとタイヤが出来るだけ軽ければ小さなエネルギーで動かせるわけです。それをうまく引き出してやれば燃費はよくなるというわけです。

実際タイヤなどはなるべく軽い素材で作るようにしています。

ホイールも含めて軽量化できればサスペンションの動きがよくなる分路面の追随性もよくなる。

ただ市販されているホイールでそれほど軽量なホイールがないんですようね。ほんとうに軽さが自慢ならば堂々と重量を明記してあるんじゃなですかね。まあ手に入るものですと鍛造ホイールであれば強い作りの分軽量化はし易いでしょう。

ちなみにバイク用のカーボン製ホイールのリムの部分を持ったことがありますが、大して力かけなくても持てるくらい。勢いあまって放りなげそうになったくらい軽かったです。

それからアメリカのバイクメーカー・”ビューエル”を調べてみてください。疑問を解決するヒントが隠されています。

お礼

ご回答ありがとうございました!
確かにタイヤの重さが軽くなるほど必要になるエネルギーは小さくて済みますね。。
さっそくビューエル見てみます。ありがとうございました。

回答No.3

DioCane

慣性モーメントというのは、大きければ回転数を上げたり下げたりしにくく、小さければその反対です。一定速度では、大きくても小さくても関係ありません。従って、一定速度で走っている分に関しては、慣性モーメントは大きくても小さくても、燃費に変わりはありません。
空気抵抗は速度が同じなら、慣性モーメントは大きかろうが小さかろうが同じです。
タイヤが同じと仮定して、バネ下重量軽減による燃費の悪化は絶対にありえません。

お礼

バネ下重量軽減による燃費の悪化はなさそうですね。。
ご回答ありがとうございました!

回答No.2

ultraCS

一般論で議論はできません、各論を集成する必要があります。
タイヤは従来のままでホイールだけ軽量化して同じ走りなんて選択肢は現実にはありません、ホイール軽量化は通常ワイドタイヤ化とのペアです。タイヤ幅の増加も絡み、実際に回転系全体で軽量化しているわけではありません。で、タイヤ幅が増加すれば単純に走行抵抗が増加しますから燃費は確実に悪化します。

定量的な分析をするために、タイヤは替えずにホイールだけ計量のものに交換するという非現実的な状況の場合で考察すると

・ホイールの回転モーメント:わずかに振りになるがするが、モーメント中心がタイヤ側に寄ることでキャンセルされる部分もあり、影響は小さい
・追従性向上による動力伝達の効率化:多分、認識できないほど
・追従性向上による旋回時の限界速度の向上:無駄な制動が防止できるため、慣れればわずかに有利
・ホイール自体の旋回時の空気抵抗:高価なホイールほど表面仕上げが良いのが通常なので悪化することは無いはず。旋回時の空気抵抗は原動機出力の小さい自転車だとバカにできない抵抗になります(なので、タイムトライアルではディスクホイールを使う)。車は、原動機出力が大きいので気にしていないだけです。

以上の他にもあるかと思いますが、このくらいは考慮する必要があります。モーメントだけで議論するのは暴論(というかトンデモ)です。

自動車の抵抗の多くは空気抵抗とタイヤ変形に伴う走行抵抗です、空気抵抗に関しては、前面投影面積が大きなものを占めていますから(形状抵抗より影響は大きい)、少々の形状変更やエアロパーツの追加で変わることはほとんどありません(重量増のデメリットの方が大きいと思います)。そういう意味では、軽量化した分、抵抗の少ないタイヤを使ったりタイヤ空気圧を上げることで回避できるレベルでしょう(当然、制動性が悪くなりますが)。

補足

ご回答ありがとうございます。
また、細部にわたる影響までお教えいただきまして参考になりました。

なぜこのような質問をしたのかと申しますと、経験的に
1200kg弱のクルマでの120km/h巡航時の燃費と1500kgのクルマでの同一条件での燃費が、前者の方がかなり悪かったためです。
(ともに2000ccセダン、ギア比もほぼ同じのMT、タイヤ幅は前者の方が細い、前者はFF、後者は4WD)。その時速でのメーター読み回転数も互角です。
この点が、もしかしてクルマ重量全体の持つ慣性エネルギーと空気抵抗とエンジン出力とを考慮した場合に、この120km/hでは重い方が有利なのかも?と考えたきっかけになりました。
(重い方が惰性で走っても空気抵抗によるブレーキ効果が薄らぐから??)
また、前者のクルマは燃費の良いスピード域は90キロ前後で、
後者の方は110キロ前後でした(経験的に)。

とするとホイールは回転するので慣性モーメントにも影響が出ている筈だから・・・、と考えての質問でした。
解りづらくなってしまって申し訳ありません・・・。

回答No.1

rgm79quel

物理をもう少ししっかりとお勉強頂くと良いと思いますが
バネ下重量と
仰る状況での
仰るような燃費の変化はございません。

お話全般において
根本部分でお間違いもございますので
もう一度
深くしっかりと考察なさってみて下さい。

ちなみに
慣性モーメントは
ホイールよりも
フライホなどのクランクに直結する回転系をメインに考察しなければ行けません。
そう言う意味では
ホイールが重かろうが軽かろうが
エレメントとしてはかなり小さい話です。

補足

ご回答ありがとうございました。
ただ少し解らない点があるので教えていただけると幸いです。
慣性モーメントは回転する物体には全て発生するはずですので
仰るようなフラホと同様、ホイールにも発生していると思うのです。
それがMTですとホイールの回転もクランク直結になるかと思うのです・・・。
(MTの場合、極端に言えばフラホと同じ作用をするのではないかということです)
しかし、それらは極わずかの差であるため、燃費には影響が無いという
理解でよろしいのでしょうか。