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はじめに
４輪駆動は雪道やラリーで強く、「速い」「悪路に強い」というイメージを持たれていることが多いです。
それにもかかわらず、世界の自動車の多くは依然として２輪駆動です。
もし４輪駆動が常に優れているのであれば、すべての自動車が４輪駆動になっていても不思議ではありません。
ではなぜ、４輪駆動は標準的な駆動方式にならないのでしょうか。
この疑問を理解するためには、まずはトラクションをどこで作るかという構造から考える必要があります。
自動車は
重量配置
車体ディメンション
駆動輪数
という三つの方法でトラクションを確保できます。
４輪駆動はその一つに過ぎません。
本記事では、この構造と技術史を整理し、４輪駆動がどのように成立し、なぜ現在でもすべての自動車の標準方式にならないのかを説明します。
トラクションはどう作られるのか
自動車の走行性能は、最終的には路面との摩擦によって得られるトラクションによって決まります。
タイヤが路面に押し付けられ、摩擦力が生まれることで、車は前に進み、坂を登り、加速します。
トラクションを確保する方法は大きく三つあります。
1つ目は重量配置です。
駆動輪に大きな垂直荷重がかかれば摩擦力は増えます。エンジンや車体重量を駆動輪の近くに配置する設計は、もっとも基本的なトラクション確保の方法です。
2つ目は車体ディメンションです。
ホイールベース、最低地上高、タイヤ径といった車体寸法は、段差突破能力やスタックのしにくさを大きく左右します。
3つ目が駆動輪数です。
駆動するタイヤの数を増やせば、路面に伝えられる力の機会が増えます。４輪駆動はこの方法によってトラクションを確保します。
４輪駆動は強力な方法ではありますが、トラクションを作る唯一の方法ではありません。
２輪駆動でもオフロードはそこそこ走れた
初期のオフロード車や軍用車の多くは、実は２輪駆動でした。
軽量な車体に適切なディメンションを与えれば、駆動輪が二つでも多くの未舗装路を走行できたからです。
軽量車体は接地圧を下げ、スタックしにくくします。
短いホイールベースと高い最低地上高は、段差や溝を越える能力を高めます。
大径タイヤは段差突破能力を向上させます。
このような設計によって、２輪駆動でも一定のオフロード性能を確保することができます。
つまりオフロード性能の多くは、駆動方式ではなく重量とディメンションによって成立していたと考えられます。
４輪駆動は障害突破のための特殊装置だった
しかし泥、深い砂、急勾配といった条件では２輪駆動では駆動力が不足します。
このような状況では、駆動輪が空転し、車は前に進めなくなります。
この問題を解決するために使われたのが４輪駆動です。
初期の４輪駆動は、前輪と後輪を機械的に直結する方式でした。
この方式では、四つのタイヤすべてに駆動力を伝えることができます。
そのため、スタックしそうな状況では４輪駆動に切り替えることで障害を突破することができました。
ただしこの方式は常用には向いていません。
前後輪を直結すると回転差を吸収できないからです。
直結４駆が抱えていた問題
自動車がコーナーを曲がるとき、前輪と後輪は異なる距離を走ります。
つまり前後輪には必ず回転差が生じます。
しかし前後輪を直結した４輪駆動では、この回転差を吸収する機構が存在しません。
その結果
駆動系に強い応力が発生します
タイヤが路面を引きずります
操縦性が悪化します
という問題が起きます。
そのため直結４輪駆動は舗装路では常用できません。
必要なときだけ使用する補助機構として使われました。
常時４輪駆動を成立させる技術
４輪駆動を常用するためには、前後輪の回転差を吸収する必要があります。
この問題を解決した装置がセンターデフです。
センターデフは前輪と後輪の回転差を許容する差動装置です。
この装置によって舗装路でも４輪駆動を維持したまま走行することが可能になりました。
これによって常時４輪駆動が成立しました。
しかしここで新しい問題が生まれます。
デフは抵抗の小さい側にトルクを流すため、空転している車輪に駆動力が逃げてしまうからです。
この問題に対処するために導入されたのが**差動制限装置（LSD）**です。
４輪駆動では
フロントデフ
センターデフ
リアデフ
という三つの差動装置を同時に制御する必要があります。
４輪駆動の技術発展は、このトルク配分制御の進化の歴史でもあります。
このトルク配分制御の過程では、センターデフだけでなくビスカスカップリングを用いた方式も広く実用化されました。
ビスカスカップリングは内部の粘性流体のせん断抵抗を利用して前後輪の回転差に応じたトルク伝達を行う装置であり、差動装置を持たない構成でも前後駆動力配分を実現できます。
この方式は1980年代以降、多くの４輪駆動車でセンターデフの代替または補助として用いられ、常時４輪駆動の実用化に大きく寄与しました。ラリーの世界で4WDが猛烈な勢いで台頭してきたのもこの頃です。詳細は別記事なぜラリー競技トップカテゴリーで2WDは消えたのか？を参照。
さらに近年の４輪駆動では、このビスカス的なトルク結合を電子制御多板クラッチによって積極的に制御する方式が普及しています。
例えばトヨタのGRヤリスが採用するGR-FOURシステムは、センターデフを持たず電子制御クラッチによって前後トルク配分を制御する構造です。
このように４輪駆動の進化は、センターデフだけでなく粘性結合や電子制御クラッチといったトルク配分機構の発展によって進んできました。
それでも４輪駆動が標準にならない理由
４輪駆動には明確な欠点もあります。
まず重量が増えます。
トランスファー、プロペラシャフト、追加のデフなどが必要になるためです。
さらに機械損失が増えます。
駆動系が複雑になるほど、エネルギーは伝達途中で失われます。
高い摩擦係数を持つ舗装路では、２輪駆動でも十分なトラクションを確保できます。
この条件では軽量で機械損失の小さい２輪駆動の方が合理的になることもあります。
つまり４輪駆動は常に優れた駆動方式ではありません。
路面条件や用途が限定される場合、４輪駆動のメリットよりデメリットが大きくなる場合もあります。
この理由を構造的に整理します。
路面条件や用途が限定されると、４輪駆動のデメリットが前に出る
４輪駆動が標準方式にならない理由は、４輪駆動が「弱い」からではありません。
４輪駆動が優位になる条件が限定されており、その条件を外れると４輪駆動のコストが利益を上回るからです。
まず、４輪駆動が決定的に効くのは、駆動力が路面に伝わりにくい条件です。
具体的には、低μ、μの不均質、荷重変動が大きい路面などで、２輪駆動では駆動輪の空転が起きやすい状況です。
この条件では、駆動輪数が増えること自体が「トラクションを失わない確率」を押し上げます。
一方で、別記事μが不均質な道路でGRヤリスの4WDが圧倒的に優れる理由で詳述した通り、路面が高μで均一であり、２輪駆動でも十分なトラクションを確保できる条件では、４輪駆動のメリットは急速に薄れます。
このとき４輪駆動は、主として次の三つのデメリットだけを残します。
第一に、重量増加です。
前後輪へ駆動経路を持つ以上、プロペラシャフト、トランスファー、追加の差動装置、クラッチ機構などが必要になります。
重量は加速、制動、旋回のすべてに不利に働きます。２輪駆動でトラクションが足りている条件では、この重量増は純粋な損失になります。
第二に、機械損失です。
駆動経路が増えれば、ギヤ、軸受、デフ、クラッチでの損失が増えます。
同じエンジン出力でも、路面に届く有効駆動力は減り、燃費も悪化しやすくなります。
高μ路面では「トラクション不足を補う」という利益が小さいため、損失の方が相対的に大きく見えます。
第三に、制御・耐久・整備のコストです。
常時４輪駆動を成立させるためには、回転差吸収とトルク配分の制御が不可欠であり、これは部品点数と制御要素の増加を意味します。
部品が増えれば故障モードも増え、開発・製造・整備のコストが上がります。
一般車の「標準装備」として普及するには、性能だけでなく、価格、燃費、信頼性、維持費の条件を同時に満たす必要がありますが、４輪駆動はこの同時達成が難しくなります。
以上より、４輪駆動は「どの条件でも最適な駆動方式」というわけではありません。
低μ・不均質・荷重変動が大きい条件では利益が勝ちますが、高μ・均質な条件では利益が小さく、重量増・機械損失・コスト増が需要できなくなってしまいます。
４輪駆動が現在でも標準方式にならない最も直接的な理由です。
結論
４輪駆動は強力な駆動方式です。
しかしトラクションは
重量配置
車体ディメンション
駆動輪数
という複数の方法によって確保できます。
４輪駆動はその一つに過ぎません。
重量増加と機械損失を伴う以上、４輪駆動はすべての条件で最適とは限りません。
そのため４輪駆動は現在でも、すべての自動車の標準的な駆動方式にはなっていません。