ヒールアンドトウとは何か ☆ 有用性を回転数と運動エネルギーから解説

はじめに

ヒールアンドトウとは、ブレーキを踏み続けながらアクセルを一瞬あおり、クラッチをつなぐ前にエンジン回転数を低いギアに必要な回転数へ近づける運転技術です。

一般には、シフトダウン時の「回転合わせ」や「レブマッチング」として説明されます。

しかし、ヒールアンドトウの有用性を理解するには、エンジン回転数だけでなく、変速機内部の同期、回転慣性、回転運動エネルギー、クラッチが伝えるトルクまで考える必要があります。

シフトダウン時には、次の二つの異なる回転合わせが行われます。

一つは、変速機内部で、選択しようとする歯車と軸側の回転を合わせることです。これはシンクロナイザーが担当します。

もう一つは、低いギアを選択した後、エンジンと変速機入力軸側の回転を合わせることです。こちらはクラッチを再接続するときに問題になります。

ヒールアンドトウが直接小さくするのは、主に後者の回転差です。

本記事では、この仕組みを回転数だけでなく、回転運動エネルギーと駆動輪トルクの観点から解説します。

第1章｜なぜシフトダウン時に回転合わせが必要なのか

クルマが同じ速度で走っている場合、低いギアほどエンジン回転数は高くなります。

例えば、同じ車速のまま4速から3速へシフトダウンすると、3速に入れた後のエンジンと変速機入力軸には、4速のときより高い回転数が必要になります。

しかし、クラッチを切ると、エンジンは変速機から切り離されます。

アクセルを戻した状態では、エンジン回転数は低下していきます。一方、低いギアが選択されると、変速機入力軸側の回転数は、その時点の駆動輪回転数と総減速比に対応する、より高い値にほぼ決まります。

この状態でクラッチを急につなぐと、駆動輪側からエンジンへトルクが伝わります。

そのトルクによって、クランクシャフト、フライホイール、クラッチカバーなどを含むエンジン側の回転体が一気に加速されます。

その反作用として、駆動輪には一時的に大きな減速トルクが発生します。

つまり、クラッチをつないだ直後には、低いギアによる通常のエンジンブレーキだけでなく、

エンジンを低いギアに必要な回転数まで急激に加速するための、一時的な減速トルク

が上乗せされます。

このトルク変化が大きいと、クルマが前後に揺れたり、駆動輪のグリップ状態が急に変化したりします。

特に、強いブレーキング中や旋回開始付近では、タイヤはすでに制動や旋回のためにグリップを使っています。

そこへ駆動輪トルクの急変が加わると、車両姿勢を乱しやすくなります。

ヒールアンドトウは、クラッチをつなぐ前にエンジン回転数を上げ、この一時的なトルク変化を小さくするために行われます。

第2章｜ダウンシフトには二つの回転合わせがある

ダウンシフトを正しく理解するには、変速機内部の同期と、エンジンと変速機入力軸側の同期を分けて考える必要があります。

① 変速機内部の回転合わせ

一般的な常時噛合式マニュアルトランスミッションでは、各変速段を構成する歯車同士は常に噛み合っています。

ただし、選択されていない変速段の歯車は、その歯車を固定する軸と一体化しておらず、軸上で空転しています。

変速とは、選択する歯車をドッグクラッチによって軸側へ固定する操作です。

しかし、選択しようとする歯車と、ドッグクラッチやシンクロハブが取り付けられている軸側の回転数が異なると、そのままでは滑らかに噛み合いません。

そこで、シンクロナイザーが摩擦を利用して両者の回転数を近づけ、ドッグクラッチが噛み合える状態を作ります。

ダウンシフトでは一般に、低いギアへ入れるため、入力軸側に換算された歯車やシャフトなどの回転体を、より高い回転数へ加速する方向の同期が行われます。

この変速機内部の回転合わせを担当するのが、シンクロナイザーです。

② エンジンと変速機入力軸側の回転合わせ

シンクロナイザーによって低いギアが選択されても、クラッチを切っている間、エンジンは変速機入力軸側から切り離されています。

そのため、エンジン回転数と、低いギアに必要な変速機入力軸側の回転数が一致しているとは限りません。

この状態でクラッチをつなぐと、クラッチを介して両者の間にトルクが伝わり、回転数が一致していきます。

ブリッピングをしなければ、エンジンは主として駆動輪側から伝わるトルクによって加速されます。

ヒールアンドトウでは、クラッチをつなぐ前にエンジン回転数を上げておくため、この二つ目の回転差が小さくなります。

重要なのは、次の点です。

シンクロナイザーとクラッチによる役割分担そのものは、ヒールアンドトウをしない通常のダウンシフトにも存在します。

ヒールアンドトウが作り出すのは、この役割分担ではありません。

ヒールアンドトウが行うのは、クラッチ再接続時に残るエンジン側の回転差を、ブリッピングによって事前に小さくすることです。

第3章｜シンクロナイザーの役割

シンクロナイザーは、変速機内部にある二つの回転体を、ドッグクラッチが噛み合える状態まで同期させる機構です。

シフトレバー操作によってスリーブが動くと、シンクロナイザーの摩擦面が接触します。

その摩擦によって一方の回転体が加速され、もう一方が減速され、両者の回転数が近づきます。

回転数がほぼ一致すると、スリーブとドッグ歯が噛み合い、選択された歯車が軸側へ固定されます。

このときシンクロナイザーが扱っているのは、「回転数そのもの」ではありません。

正確には、摩擦トルクによって回転体の角速度を変化させ、その過程で機械エネルギーの一部を摩擦熱として散逸させています。

常時噛合式トランスミッションの機構については、別記事常時噛合とは何か｜マニュアルトランスミッションの内部構造に詳述しています。ぜひ参考にしてください。

ここで注意したいのは、通常のシングルクラッチ式ヒールアンドトウでは、ブリッピング中もクラッチが切れていることです。

アクセルをあおることで直接加速されるのは、エンジン側です。

クラッチが切れているため、変速機入力軸側は、ブリッピングによって直接加速されません。

したがって、シングルクラッチ式ヒールアンドトウを行っただけで、シンクロナイザーが処理する変速機内部の回転差が原理上小さくなるわけではありません。

変速機入力軸側をエンジンによってあらかじめ加速し、シンクロナイザーの負担まで減らす操作が、後述するダブルクラッチです。

第4章｜回転数だけでなく回転慣性を考える

同じ回転数差であっても、回転している物体によって、その回転数を変化させるために必要な仕事やトルクは異なります。

回転体が持つ回転運動エネルギーは、次の式で表されます。

E = ½ × I × ω²

ここで、

• E は回転運動エネルギー
• I は慣性モーメント
• ω は角速度

です。

重要なのは、単なる重量ではなく、慣性モーメントです。

同じ重量の回転体でも、質量が回転軸から遠い位置に分布しているほど、慣性モーメントは大きくなります。

そのため、同じ回転数差を埋める場合でも、回転慣性の大きな物体を加速または減速する方が、大きな仕事を必要とします。

エンジン側には、クランクシャフト、フライホイール、クラッチカバーなどの回転慣性があります。

一方、シンクロナイザーが同期させるのは、変速機内部の歯車やシャフトなどです。

両者は同じ回転体ではなく、同じ場所に存在する回転差でもありません。

したがって、

シンクロナイザーとクラッチが、一つの回転運動エネルギーを分け合っている

と考えるよりも、

異なる場所にある二つの回転差を、異なる摩擦要素が処理している

と考えた方が正確です。

摩擦によって同期するときに失われるエネルギー

クラッチやシンクロナイザーでは、二つの回転系の間でトルクが伝達されます。

その過程では、一方の回転運動エネルギーが増え、もう一方の機械エネルギーが減り、その一部が摩擦熱として散逸します。

二つの回転体を、外部から加わるトルクを無視して摩擦だけで同期させる単純なモデルでは、摩擦によって失われる機械エネルギーは、次のように表せます。

Q = ½ × I_eq × (Δω)²

摩擦面の両側にある回転体の慣性を同じ回転軸へ換算し、それぞれ I₁、I₂ とします。

このとき、両者の相対回転に対する等価慣性 I_eq は、次のように表されます。

I_eq = (I₁ × I₂) ÷ (I₁ + I₂)

また、Δω は、同期を始める直前に存在する両者の回転速度差です。

これらの式そのものを覚える必要はありません。

理解すべき要点は、

同期させる回転体の等価慣性が大きいほど、また両者の回転差が大きいほど、摩擦によって散逸するエネルギーが増える

ということです。

特に、回転差による散逸エネルギーは、理想モデルでは (Δω)²、つまり回転差の二乗に比例します。

ヒールアンドトウの意味は、クラッチをつなぐ前に、この Δω を小さくしておくことにあります。

なお、実際のクルマでは、

• エンジンの燃焼トルク
• エンジン内部の抵抗
• ブレーキトルク
• タイヤと路面の間に働く力
• 駆動系のねじれ
• ブレーキングによる車速低下

などが同時に存在します。

したがって、上の式は実車で生じるエネルギーをそのまま測定する式ではなく、回転差と回転慣性が同期時の負担にどのように関係するかを理解するための理想モデルです。

車両姿勢を直接乱すのはトルク変化

回転運動エネルギーは、同期に必要な仕事量を説明します。

一方、車両姿勢を直接乱すのは、エネルギー量そのものではなく、駆動輪に現れるトルクの変化です。

同じ理想モデルで、回転差を Δt の時間内に同期させると考えれば、平均的な摩擦トルクは、おおよそ次のように表せます。

T_avg ≈ I_eq × |Δω| ÷ Δt

同じ回転差でも、長い時間をかけて滑らかに同期させれば、瞬間的なトルクは小さくできます。

反対に、クラッチを急につないで短時間で回転数を合わせようとすると、大きなトルクが必要になります。

車体側を入力軸へ換算した慣性は一般に大きいため、短時間のクラッチ接続では、車速そのものはわずかしか変化せず、主としてエンジン回転数が引き上げられます。

しかし、そのためのトルクは駆動輪側から伝わり、その反作用が駆動輪の一時的な減速トルクとして現れます。

したがって、

• 回転運動エネルギーは、同期に必要な仕事量を説明する
• 回転慣性と同期時間は、必要なトルクを説明する
• 駆動輪トルクの急変が、車両姿勢を乱す直接的な原因になる

という順序で考えると、ヒールアンドトウの有用性を理解しやすくなります。

第5章｜シフトダウン時の代表的な操作

シフトダウン時の回転差には、いくつかの処理方法があります。

ただし、次に示す操作は、すべてが相互に排他的な分類ではありません。

特に、ヒールアンドトウとダブルクラッチは組み合わせることができます。

① 回転合わせをせずにクラッチをつなぐ

クラッチを切って低いギアを選択し、アクセルをあおらずにクラッチをつなぐ方法です。

変速機内部の回転差は、シンクロナイザーが処理します。

その後、エンジンと変速機入力軸側に残った回転差は、クラッチ再接続時のトルク伝達によって処理されます。

エンジン回転数が低いままクラッチを急につなぐと、駆動輪側から大きなトルクが伝わり、エンジンが一気に加速されます。

その反作用によって駆動輪に強い減速トルクが生じ、車体が前後に揺れたり、姿勢が不安定になったりします。

② 半クラッチで回転差をゆっくり処理する

クラッチを滑らせながら、エンジンと変速機入力軸側の回転差を徐々に小さくする方法です。

同期にかける時間が長くなるため、駆動輪トルクの変化は穏やかになります。

一方、クラッチが滑っている間は、機械エネルギーの一部が摩擦熱として消費されます。

半クラッチを頻繁に、または長時間使用すると、クラッチの温度が上昇し、摩耗も進みやすくなります。

③ シングルクラッチでブリッピングする

クラッチを一度切ったまま、ダウンシフト中にアクセルをあおり、クラッチをつなぐ前にエンジン回転数を上げる方法です。

ブレーキを踏んでいない場面で行う通常のレブマッチングも、この方法です。

クラッチが切れているため、ブリッピングによって直接上昇するのはエンジン回転数です。

変速機内部の同期は、通常どおりシンクロナイザーが行います。

したがって、シングルクラッチ式のブリッピングが減らすのは、主としてクラッチ再接続時のエンジンと変速機入力軸側の回転差です。

④ ヒールアンドトウ

ヒールアンドトウは、シングルクラッチ式のブリッピングを、右足でブレーキを踏んでいる最中にも行えるようにするペダル操作です。

右足のつま先側または母趾球付近でブレーキペダルを踏みながら、同じ右足の踵または足の外側でアクセルペダルを一瞬踏みます。

名称は「ヒール・アンド・トウ」ですが、実際にはペダル配置や足の大きさによって、踵ではなく足の外側を使うことも少なくありません。

重要なのは、文字どおり踵とつま先を使うことではありません。

本質は、

必要なブレーキ踏力を保ったまま、クラッチ再接続前にエンジン回転数を上げること

です。

エンジン回転数が低いギアに必要な回転数へ近づけば、クラッチをつないだときに駆動輪側からエンジンへ与えなければならないトルクが小さくなります。

⑤ ダブルクラッチ

ダブルクラッチでは、最初にクラッチを切り、シフトレバーをニュートラルへ移します。

次に、ニュートラルの状態で一度クラッチをつなぎ、アクセルをあおります。

このとき、

エンジン
→ クラッチ
→ 変速機入力軸
→ カウンターシャフト
→ 選択しようとする歯車

という経路で、変速機入力軸側の回転数を上げることができます。

その後、もう一度クラッチを切って低いギアを選択し、再びクラッチをつなぎます。

入力軸側の回転数が適切に上がっていれば、シンクロナイザーが処理しなければならない変速機内部の回転差が小さくなります。

つまり、ダブルクラッチが主として減らすのは、シンクロナイザーが処理する回転差と摩擦仕事です。

一方、シングルクラッチ式ヒールアンドトウが主として減らすのは、最終的にクラッチをつなぐときのエンジン側の回転差です。

両者は相互に排他的な操作ではありません。

ブレーキを踏みながらダブルクラッチを行い、その途中でアクセルをあおれば、ダブルクラッチ式のヒールアンドトウになります。

第6章｜ヒールアンドトウの有用性

ブレーキ踏力を維持したまま回転合わせができる

サーキットのストレートエンドなどでは、強いブレーキングを続けながら、次のコーナーに適した低いギアへシフトダウンする必要があります。

右足でブレーキを踏んでいる最中に、一度ブレーキペダルから足を離してアクセルをあおることはできません。

ヒールアンドトウを使えば、必要なブレーキ踏力を維持したまま、同じ右足でブリッピングできます。

これが、ブレーキを伴わない通常のレブマッチングと、ヒールアンドトウの最大の違いです。

駆動輪トルクの段差を小さくできる

ヒールアンドトウでクラッチ再接続前のエンジン回転数を上げると、エンジンと変速機入力軸側の回転差が小さくなります。

その結果、クラッチの滑り仕事と発熱を小さくしやすくなり、エンジンを急激に加速するために駆動輪側から伝えなければならないトルクも減少します。

この因果関係は、次のように整理できます。

ブリッピング
→ クラッチ両側の回転差が小さくなる
→ クラッチの滑り仕事とトルク伝達の急変が小さくなる
→ 駆動輪に現れる一時的な減速トルクが小さくなる
→ エンジンブレーキへ滑らかに移行できる
→ 車両姿勢を保ちやすくなる

ヒールアンドトウは、エンジンブレーキそのものを弱くしたり、なくしたりする技術ではありません。

低いギアに入り、クラッチが完全につながった後には、そのギアに応じたエンジンブレーキが働きます。

ヒールアンドトウが抑えるのは、クラッチをつないだ瞬間に、エンジン回転数を急激に引き上げることで発生する一時的なトルクの突出です。

そのため、ヒールアンドトウの効果は、

エンジンブレーキをなくすこと

ではなく、

エンジンブレーキへ滑らかに移行すること

にあります。

特に強いブレーキング中や旋回開始付近では、このトルク変化を小さくすることが、駆動輪のグリップを保ち、車両姿勢を安定させるうえで重要になります。

第7章｜ヒールアンドトウについての誤解

ヒールアンドトウは、シンクロナイザーを直接保護する技術ではない

通常のシングルクラッチ式ヒールアンドトウでは、クラッチを切ったままブリッピングします。

そのため、アクセルをあおっても変速機入力軸側は直接加速されません。

変速機内部の回転差は、通常どおりシンクロナイザーが処理します。

シンクロナイザーの負担を積極的に減らすには、ニュートラルで一度クラッチをつなぎ、変速機入力軸側をエンジンによって加速するダブルクラッチが必要です。

ただし、ヒールアンドトウによってクラッチ再接続時の衝撃が小さくなれば、駆動系全体への急激なトルク変化は抑えられます。

したがって、ヒールアンドトウが駆動系に穏やかな操作であることと、シンクロナイザーの同期仕事を直接減らすことは、分けて考える必要があります。

完璧に回転数を一致させなければならないわけではない

ブリッピングによって目標回転数へ完全に一致させるのは、簡単ではありません。

多少の回転差が残っていても、クラッチが短時間の滑りとトルク伝達によって差を処理します。

ただし、残る回転差が小さいほど、クラッチの摩擦仕事と駆動輪トルクの変化も小さくなります。

反対に、アクセルをあおりすぎると、エンジン回転数が変速機入力軸側より高くなります。

その状態でクラッチをつなぐと、今度はエンジン側から駆動輪側へ加速方向のトルクが伝わり、別のトルク段差が生じます。

ヒールアンドトウの目的は、単にエンジン回転数を高くすることではありません。

低いギアに必要な回転数へ、できるだけ近づけることが目的です。

まとめ

ダウンシフトには、二つの異なる回転合わせがあります。

変速機内部の回転差はシンクロナイザーが処理し、低いギアを選択した後に残るエンジンと変速機入力軸側の回転差は、クラッチ再接続時に処理されます。

ヒールアンドトウが行うのは、後者の回転差を、ブレーキを踏み続けながら事前に小さくすることです。

ブリッピングをしない場合、低いギアに必要なエンジンの回転運動エネルギーは、クラッチをつないだ後、主として駆動輪側から伝わるトルクによって与えられます。

ヒールアンドトウでは、その回転運動エネルギーを、クラッチをつなぐ前にエンジンの燃焼トルクによって与えておきます。

その結果、クラッチの滑り仕事と駆動輪トルクの急変が小さくなり、低いギアによるエンジンブレーキへ滑らかに移行できます。

ヒールアンドトウの本質は、

ブレーキを維持しながら、低いギアに必要なエンジン回転をクラッチ接続前に作り、クラッチ再接続時のトルク段差を小さくすること

にあります。

回転数だけでなく、回転慣性、回転運動エネルギー、同期時間、駆動輪トルクという順序で考えると、ヒールアンドトウが車両姿勢を安定させる理由を、より明確に理解できます。