アンダーステアとオーバーステアは、横加速度の変化に伴う操舵角の変化に対する車両の感度を表す車両ダイナミクス用語です。この感度は、一定の定常運転条件における水平路面について、米国自動車技術者協会(SAE)の文書J670 [ 1 ]および国際標準化機構(ISO)の文書8855 [ 2 ]で定義されています。 車両がアンダーステアかオーバーステアかは、アンダーステア角の変化率によって決まります。アンダーステア角は、アッカーマン操舵角を超えて、任意の定常操縦で追加する必要のある追加の操舵量(ハンドルではなく、路面側の車輪)です。アッカーマン操舵角は、横加速度が不要な場合(無視できるほど低速の場合)に車両がカーブを走行する際の操舵角です。
アンダーステア勾配(U)とは、一定の定常運転条件下における、水平路面での横加速度に対するアンダーステア角の変化率のことである。
アンダーステア勾配が正の場合、車両はアンダーステア状態であり、アンダーステア勾配が負の場合、オーバーステア状態であり、アンダーステア勾配がゼロの場合、 ニュートラルステア状態である。
自動車やモータースポーツの愛好家は、雑誌やブログなどで、さまざまな操縦における車両のステアリング反応を説明する際に、この用語を非公式に使用することがよくあります。
アンダーステア勾配を決定するために使用できるテストはいくつかあります。一定半径(異なる速度でテストを繰り返す)、一定速度(異なるステアリング角度でテストを繰り返す)、または一定ステアリング(異なる速度でテストを繰り返す)です。これら 3 種類のテストの正式な説明は ISO によって提供されています。[ 3 ] Gillespie は、2 つの測定方法について詳しく説明しています。[ 4 ]
結果は試験の種類によって異なるため、単に度/g値を示すだけでは不十分です。勾配を測定するために使用された手順の種類も示す必要があります。
車両は本質的に非線形システムであり、試験範囲においてUの値が変化するのは当然のことです。車両によっては、ある条件下ではアンダーステアを示し、別の条件下ではオーバーステアを示す可能性があります。したがって、アンダーステア/オーバーステア特性を報告する際には、速度と横加速度を明記する必要があります。
アンダーステア勾配には、タイヤのコーナリング剛性、キャンバースラスト、横方向の力コンプライアンスステア、セルフアライニングトルク、横方向の重量移動、ステアリングシステムのコンプライアンスなど、車両の多くの特性が影響します。重量配分は各タイヤにかかる垂直力、ひいてはそのグリップに影響を与えます。これらの個々の要因は、解析的に、またはブンドルフ解析による測定によって特定できます。
アンダーステア/オーバーステア挙動と車両の限界挙動を混同しないように細心の注意を払う必要があります。物理法則は大きく異なります。ハンドリングへの影響も原因も異なります。前者は、横加速度が増加するにつれてスリップやキャンバー角によってタイヤが変形する効果に関係しています。後者は、前輪または後輪のいずれかが先に飽和する限界摩擦ケースに関係しています。これらの概念が混同されないように、限界挙動にはレーシングドライバーの表現用語である「プッシュ(プラウ)とルーズ(スピン)」を使用するのが最善です。[ 5 ]
タイヤは、横方向(左右方向)と縦方向(前後方向)の力を地面に伝達します。タイヤが利用できる総牽引力(グリップ力)は、横方向と縦方向の力のベクトル和であり、垂直抗力と摩擦係数の関数です。走行中にタイヤにかかる横方向と縦方向の力が、タイヤが利用できる牽引力を超えると、タイヤは飽和状態になり、地面とのグリップ力を失って滑り始めます。
プッシュ(プラウ)とは、コーナリング中に前輪が後輪よりも先に飽和状態になり、先に滑り出す状態を指します。前輪は横方向の力を加えることができないのに対し、後輪は加えることができるため、車両の前部は後部よりも大きな半径の軌跡を描き、操舵角が変化しない場合(つまり、ステアリングホイールの位置が変わらない場合)、車両の前部はカーブの外側に滑り出します。
後輪が前輪より先に飽和状態になると、前輪は車両の前部を目的の経路に維持しますが、後輪は滑り、より大きな半径の経路をたどります。後部が外側に振れ、車両はカーブの内側に向かって曲がります。ステアリング角度が変わらないと、前輪はますます小さな円を描き、後輪は車の前部を回り続けます。これが車が「スピンアウト」するときに起こっていることです。車が不安定になりやすい車は、犬が嬉しいときに尻尾を振るように、「テールハッピー」と呼ばれることがあり、よくある問題はフィッシュテールです。
実際の運転では、速度、加速度(車両のブレーキングまたは加速)、ステアリング角度などが絶えず変化します。これらの変化はすべて車両の荷重配分を常に変化させ、タイヤ温度や路面状況の変化と相まって、各タイヤで利用可能な最大牽引力を常に変化させます。しかし一般的に、タイヤの飽和を引き起こし、限界操縦特性を決定づけるのは、重心の変化です。
重心が前方に移動すると、タイヤの荷重感度によりアンダーステア勾配が増加する傾向があります。重心が後方に移動すると、アンダーステア勾配は減少する傾向があります。重心の移動は加速度に比例し、重心の高さによって影響を受けます。ブレーキをかけると、車両の重量(荷重)の大部分が前輪にかかり、後輪にかかる荷重は少なくなります。逆に、車両が加速すると、その逆が起こり、重量が後輪に移動します。同様に、荷重の重心が片側からもう片側に移動すると、内側または外側のタイヤのトラクションが変化します。極端な場合、内側または前輪が完全に地面から浮き上がり、地面に伝達できるステアリング入力がなくなるか減少する可能性があります。
定常状態テストにおけるアンダーステア勾配の測定結果に最も大きな影響を与えるのは重量配分とサスペンション形状ですが、実際の多くの状況では、動力配分、ブレーキバランス、前後重量移動も、どの車輪が最初にトラクションを失うかに影響を与えます。
アンダーステア傾向のある車両がタイヤのグリップ限界に達し、横方向の加速度を増やすことができなくなった場合、車両は意図したよりも半径の大きい軌跡を描きます。横方向の加速度を増やすことはできませんが、車両の動的安定性は保たれます。
オーバーステア状態の車両がタイヤのグリップ限界に達すると、動的に不安定になり、スピンする傾向が生じます。オープンループ制御では車両は不安定になりますが、熟練したドライバーは、カウンターステアやスロットル、あるいはブレーキを適切に操作することで、不安定な状態を超えても制御を維持することができます。これは、ドリフト競技において意図的に行われることです。
後輪駆動車は、後輪を空転させるのに十分なパワーがあれば、エンジン出力を後輪に送ることでいつでもオーバーステアを発生させることができます。トラクションが失われると、後輪は比較的自由に横方向に振れるようになります。ブレーキング負荷がかかると、通常は前輪ブレーキがより多くの仕事を担います。この前方向への偏りが大きすぎると、前輪タイヤがトラクションを失い、アンダーステアが発生する可能性があります。
アンダーステア勾配は、定常状態のコーナリング挙動を特徴づける主要な指標の一つです。これは、特性速度(アンダーステア車両が旋回するために必要な操舵角がアッカーマン角の2倍となる速度)、横方向加速度ゲイン(g/度)、ヨー速度ゲイン(1/秒)、臨界速度(オーバーステア車両の横方向加速度ゲインが無限大となる速度)などの他の特性にも関係しています。