車のサスペンションの仕組み - 石家荘市イルラーゴデイチーニ有限公司

自動車のパフォーマンスについて考えるとき、人々は通常、馬力、トルク、0 から 60 までの加速を思い浮かべます。しかし、ドライバーが車を制御できなければ、ピストンエンジンによって生成されるすべてのパワーは役に立ちません。自動車技術者が 4 ストローク内燃エンジンを習得するとほぼ同時にサスペンションシステムに注目したのはそのためです。

車のサスペンションの役割は、タイヤと路面の間の摩擦を最大化し、優れたハンドリングで操縦安定性を提供し、乗員の快適性を確保することです。この記事では、車のサスペンションがどのように機能するのか、長年にわたってどのように進化してきたのか、そしてサスペンションの設計が将来どこへ向かうのかについて探っていきます。

凹凸のない完全な平坦な道路であれば、サスペンションは必要ありません。しかし、道路は決して平坦ではありません。舗装されたばかりの高速道路にも微妙な欠陥があり、車の車輪と接触する可能性があります。これらの欠陥がホイールに力を加えます。ニュートンの運動法則によれば、すべての力には大きさと方向の両方があります。道路に凹凸があると、車輪が路面に対して垂直に上下に動きます。もちろん、その大きさは、ホイールが巨大なバンプに衝突するか、小さな斑点に衝突するかによって異なります。いずれにせよ、自動車の車輪は不完全部を通過するときに垂直方向の加速度を受けます。

介在する構造がなければ、ホイールの垂直方向のエネルギーはすべてフレームに伝達され、フレームは同じ方向に動きます。このような状況では、タイヤが路面と完全に接触しなくなる可能性があります。その後、重力の下向きの力を受けて、タイヤが路面に叩きつけられることがあります。必要なのは、垂直に加速するホイールのエネルギーを吸収し、タイヤが道路の凹凸に追従しながらフレームとボディが邪魔されずに走行できるシステムです。

走行中の車に働く力の研究は車両力学と呼ばれます。そもそもサスペンションがなぜ必要なのかを理解するには、これらの概念のいくつかを理解する必要があります。ほとんどの自動車エンジニアは、走行中の自動車のダイナミクスを次の 2 つの観点から検討します。

これら 2 つの特性は、道路分離、ロードホールディング、コーナリングという 3 つの重要な原則でさらに説明できます。以下の表は、これらの原則と、エンジニアがそれぞれに固有の課題を解決しようとする方法を説明しています。

車のサスペンションは、さまざまなコンポーネントとともに、説明したすべてのソリューションを提供します。

シャーシの全体像から、サスペンションを適切に構成する個々のコンポーネントに至るまで、典型的なサスペンションの部品を見てみましょう。

車のサスペンションは実際にはシャーシの一部であり、車のボディの下にあるすべての重要なシステムを構成しています。これらのシステムには次のものが含まれます。

したがって、サスペンションはあらゆる車両の主要なシステムの 1 つにすぎません。

この全体像の概要を念頭に置いて、サスペンションの 3 つの基本コンポーネントであるスプリング、ダンパー、スタビライザーを見てみましょう。

現在のスプリングシステムは、次の 4 つの基本設計のいずれかに基づいています。

エンジニアは、車のばねが配置されている場所 (つまり、車輪とフレームの間) に基づいて、ばね上の質量とばね下の質量について説明するのが便利だと考えることがよくあります。

バネ上質量はバネで支えられた車両の質量ですが、バネ下質量は路面とサスペンションスプリングの間の質量として大まかに定義されます。ばねの剛性は、車の運転中にばね上の質量がどのように反応するかに影響します。高級車 (メルセデスベンツ C クラスなど) のような、バネが緩い車は、凹凸を吸収し、非常にスムーズな乗り心地を実現します。しかし、このような車はブレーキ時や加速時にダイブやスクワットを起こしやすく、コーナリング中にボディが揺れたりロールしたりする傾向があります。スポーツカー (マツダミアータ MX-5 など) のようなしっかりとバネが張られた車は、でこぼこした路面ではあまり寛容ではありませんが、ボディの動きをうまく最小限に抑えるため、コーナーでも積極的に運転できます。

したがって、スプリング自体は単純な装置のように見えますが、乗員の快適性とハンドリングのバランスをとるためにスプリングを設計して車に実装するのは複雑な作業です。そして、問題をさらに複雑にしているのは、スプリングだけでは完全にスムーズな乗り心地を提供できないことです。なぜ？バネはエネルギーを吸収するのは得意ですが、エネルギーを発散するのはあまり得意ではないからです。これを行うには、ダンパーとして知られる他の構造が必要です。

減衰構造が存在しない限り、車のスプリングは伸びて、衝突から吸収したエネルギーを制御できない速度で放出します。ばねは、最初に加えられたエネルギーがすべて使い果たされるまで、その固有振動数で跳ね返り続けます。スプリングだけでサスペンションを構築すると、非常に弾むような乗り心地になり、地形によっては制御不能な車になってしまいます。

ショックアブソーバーまたはスナバーは、減衰として知られるプロセスを通じて不要なスプリングの動きを制御するデバイスです。ショックアブソーバーは、サスペンションの動きの運動エネルギーを熱エネルギーに変換し、作動油を通じて放散することで、振動の速度を落とし、振動の大きさを低減します。これがどのように機能するかを理解するには、ショックアブソーバーの内部を見てその構造と機能を確認するのが最善です。

ショックアブソーバーは基本的に、車のフレームとホイールの間に配置されるオイルポンプです。ショックの上部マウントはフレーム (つまり、バネ上重量) に接続され、下部マウントはホイール近くの車軸 (つまり、バネ下重量) に接続されます。最も一般的なタイプのショックアブソーバーの 1 つであるツインチューブ設計では、アッパーマウントがピストンロッドに接続され、ピストンロッドがピストンに接続され、ピストンは作動油で満たされたチューブ内に収まります。内側のチューブは圧力チューブとして知られ、外側のチューブはリザーブチューブとして知られています。リザーブチューブは余分な作動油を蓄えます。

車のホイールが道路の凹凸に遭遇し、スプリングが巻き上がったり巻き戻されたりすると、スプリングのエネルギーがアッパーマウントを通ってショックアブソーバーに伝達され、ピストンロッドを通ってピストンに伝わります。ピストンには穴があり、ピストンが圧力チューブ内で上下に動くときに流体が漏れます。穴は比較的小さいため、大きな圧力下では少量の液体のみが通過します。これによりピストンの速度が低下し、ひいてはスプリングの速度も低下します。

ショックアブソーバーは、圧縮サイクルと伸張サイクルの 2 つのサイクルで動作します。圧縮サイクルは、ピストンが下方に移動するときに発生し、ピストンの下のチャンバー内の作動油を圧縮します。伸張サイクルは、ピストンが圧力チューブの上部に向かって移動し、ピストンの上のチャンバー内の流体を圧縮するときに発生します。一般的な乗用車や小型トラックでは、圧縮サイクルよりも伸張サイクルの方が抵抗が大きくなります。それを念頭に置いて、圧縮サイクルは車両のバネ下重量の動きを制御し、一方、伸長サイクルはより重いバネ上重量を制御します。

最新のショックアブソーバーはすべて速度に敏感です。サスペンションの動きが速くなるほど、ショックアブソーバーの抵抗が大きくなります。これにより、ショックを道路状況に合わせて調整し、バウンス、揺れ、ブレーキダイブ、加速スクワットなど、走行中の車両で発生する可能性のあるすべての不要な動きを制御できます。

もう 1 つの一般的な減衰構造はストラットです。基本的にはコイルスプリングの内側に取り付けられたショックアブソーバーです。ストラットは 2 つの役割を果たします。ショックアブソーバーのような減衰機能を提供し、もう 1 つは車両のサスペンションを構造的にサポートします。つまり、ストラットは車の重量を支えないショックアブソーバーよりも少しだけ多くの効果を発揮します。ストラットは車の重量が移動する速度のみを制御し、重量そのものではありません。

ショックとストラットは車のハンドリングに大きく関係しているため、重要な安全機能と見なされます。ショックやストラットが摩耗すると、車両の重量が左右および前後に過度に移動する可能性があります。これにより、タイヤの路面をグリップする能力が低下するだけでなく、ハンドリングやブレーキの性能も低下します。

スウェイバー (アンチロールバーとも呼ばれます) は、走行中の自動車にさらなる安定性を与えるために、ショックアブソーバーまたはストラットと一緒に使用されます。スウェイバーは、車軸全体にまたがり、サスペンションの両側を効果的に結合する金属ロッドです。

一方の車輪のサスペンションが上下に動くと、スウェイバーが動きをもう一方の車輪に伝えます。これにより、より水平な乗り心地が生まれ、車両の揺れが軽減されます。特に、コーナリング時のサスペンションの車のロールに対処します。このため、今日のほぼすべての車にはスタビライザーが標準装備されていますが、スタビライザーがない場合でも、キットでいつでも簡単にバーを取り付けることができます。

これまでの議論は、特定のホイール上でスプリングとダンパーがどのように機能するかに焦点を当ててきました。しかし、車の 4 つの車輪は 2 つの独立したシステム、つまり前車軸で接続された 2 つの車輪と後車軸で接続された 2 つの車輪で連携して動作します。つまり、車は前後に異なるタイプのサスペンションを搭載できるし、通常は搭載していることになります。

多くは、剛性の車軸が車輪を拘束するか、それとも車輪が独立して動くことができるかによって決まります。前者の構成は依存システムとして知られ、後者の構成は独立システムとして知られています。次のセクションでは、主流の車で通常使用される一般的なタイプのフロントおよびリアサスペンションのいくつかを見ていきます。

従属式フロントサスペンションには、前輪を接続する剛性のフロントアクスルがあります。基本的に、これは車の前部の下にある固体のバーのように見え、板バネとショックアブソーバーによって所定の位置に保持されています。トラックでは一般的ですが、依存型フロントサスペンションは主流の車では長年使用されていませんでした。

この設定では、前輪は独立して動くことができます。マクファーソンストラットは、1947 年にゼネラルモーターズのアール S. マクファーソンによって開発され、特にヨーロッパ製の自動車で最も広く使用されているフロントサスペンションシステムです。

マクファーソンストラットはショックアブソーバーとコイルスプリングを一体化したものです。これにより、前輪駆動車に使用可能な、よりコンパクトで軽量なサスペンションシステムが提供されます。

ダブルウィッシュボーンサスペンションは、A アームサスペンションまたはコントロールアームサスペンションとも呼ばれ、フロント独立サスペンションのもう 1 つの一般的なタイプです。

考えられる構成はいくつかありますが、この設計では通常、車輪の位置を特定するために 2 つのウィッシュボーン型のアームが使用されます。各ウィッシュボーンには、フレームに 2 か所、ホイールに 1 か所の取り付け位置があり、ショックアブソーバーと振動を吸収するコイルスプリングが取り付けられています。ダブルウィッシュボーンサスペンションにより、ホイールのキャンバー角 (ホイールが内外に傾く度合いを表す) をより細かく制御できます。また、ロールや揺れを最小限に抑え、より安定したステアリング感覚を提供します。このような特性のため、大型車の前輪にはダブルウィッシュボーンサスペンションが一般的です。

ここで、一般的なリアサスペンションをいくつか見てみましょう。

ソリッドアクスルが車の後輪に接続されている場合、サスペンションは通常、リーフスプリングまたはコイルスプリングのいずれかをベースにした非常に単純なものになります。前の設計では、板バネが駆動軸に直接クランプされていました。板バネの端はフレームに直接取り付けられ、ショックアブソーバーはバネを車軸に保持するクランプに取り付けられます。長年にわたり、アメリカの自動車メーカーは、そのシンプルさからこのデザインを好んで使用していました。

リーフの代わりにコイルスプリングを使用しても同じ基本設計を実現できます。この場合、スプリングとショックアブソーバーは単一ユニットとして取り付けることも、別個のコンポーネントとして取り付けることもできます。別々にすると、スプリングを大幅に小さくできるため、サスペンションが占めるスペースが減ります。

前後のサスペンションが両方とも独立している場合、すべての車輪が個別に取り付けられ、個別にバネがかかることになり、その結果、自動車の広告で「四輪独立サスペンション」として宣伝されることになります。車の前部で使用できるサスペンションは後部でも使用でき、前のセクションで説明したフロント独立システムのバージョンは後部車軸にあります。もちろん、車の後部には、ステアリングラック（ピニオンギアホイールを含み、車輪を左右に回転させるアセンブリ）はありません。これは、基本原理は同じですが、リアの独立サスペンションをフロントの独立サスペンションの簡素化バージョンにすることができることを意味します。

次に、特殊車両のサスペンションについて見ていきます。

16 世紀の貨車や馬車は、テーブルをひっくり返したような車体の 4 本の柱に取り付けられた革製のストラップで馬車の本体を吊り下げることで、「道路のあらゆる凹凸を感じる」という問題を解決しようとしました。キャリッジ本体がシャーシから吊り下げられていたため、このシステムは「サスペンション」として知られるようになりました。この用語は、今日でもソリューション全体を表すために使用されています。懸架式車体サスペンションは真のバネシステムではありませんでしたが、車体と馬車の車輪が独立して動くことを可能にしました。カートスプリングとしても知られる半楕円形のスプリングデザインは、すぐに革ストラップのサスペンションに取って代わりました。ワゴン、バギー、馬車で人気のある半楕円形のスプリングは、前車軸と後車軸の両方によく使用されました。ただし、前後に揺れやすく、重心が高くなる傾向がありました。動力付き車両が道路に登場するまでに、乗客の乗り心地をスムーズにするために、他のより効率的なスプリングシステムが開発されていました。

この記事の大部分は、主流の前輪駆動車と後輪駆動車、つまり通常の運転条件で通常の道路を走行する車のサスペンションに焦点を当ててきました。しかし、ホットロッド、レーサー、極端なオフロード車などの特殊車両のサスペンションはどうでしょうか? 特殊自動車のサスペンションは同じ基本原則に従っていますが、ナビゲートしなければならない運転条件に特有の追加の利点を提供します。以下に、バハバグ、F1 レーサー、アメリカンスタイルのホットロッドという 3 種類の特殊車両用にサスペンションがどのように設計されているかを簡単に説明します。

フォルクスワーゲンビートル、またはバグは、オフロード愛好家の間で人気となる運命にありました。重心が低く、エンジンが後車軸上に配置されている二輪駆動バグは、一部の四輪駆動車と同様にオフロード条件にも対応します。もちろん、VW Bug は工場出荷時の装備ではオフロード条件に対応する準備ができていません。ほとんどのバグは、バハカリフォルニアの砂漠のような過酷な条件でのレースに備えて、いくつかの改造や改造が必要です。

最も重要な変更の 1 つはサスペンションにあります。トーションバーサスペンションは、1936 年から 1977 年にかけてほとんどのバグの前後に標準装備されており、高耐久のオフロードホイールとタイヤを取り付けるスペースを確保するために持ち上げることができます。標準ショックの代わりに長いショックアブソーバーを使用することで、ボディをより高く持ち上げ、ホイールトラベルを最大限に確保します。場合によっては、Baja Bug コンバーターはトーションバーを完全に取り外し、スプリングとショックアブソーバーの両方を 1 つの調整可能なユニットに組み合わせたアフターマーケットアイテムである複数のコイルオーバーシステムに置き換えます。これらの改良の結果、車輪の両端が 20 インチ (50 センチメートル) 以上垂直に移動できる車両が完成しました。このような車は、起伏の多い地形を容易に移動でき、しばしば水上の石のように砂漠の洗濯板を「スキップ」しているように見えます。

F1 レーシングカーは、自動車の革新と進化の頂点を表します。軽量複合ボディ、強力な V10 エンジン、高度な空気力学により、より速く、より安全で、より信頼性の高い車が実現しました。

レースにおける重要な差別化要因としてドライバーのスキルを向上させるために、F1 レースカーの設計には厳しいルールと要件が適用されます。たとえば、サスペンション設計を規制する規則では、すべての F1 レーサーは従来のスプリングを使用しなければならないと規定されていますが、コンピューター制御のアクティブサスペンションは許可されていません。これに対応するため、サスペンションはダブルウィッシュボーンと同等のマルチロッド機構を採用したマルチリンクサスペンションを採用している。

ダブルウィッシュボーン設計では、2 つのウィッシュボーン型のコントロールアームを使用して各車輪の上下運動をガイドすることを思い出してください。各アームには 3 つの取り付け位置 (フレームに 2 つ、ホイールハブに 1 つ) があり、各ジョイントはホイールの動きをガイドするためにヒンジで固定されています。すべての車において、ダブルウィッシュボーンサスペンションの主な利点はコントロールです。アームの形状とジョイントの弾性により、エンジニアはホイールの角度やリフト、スクワット、ダイブなどの車両のその他のダイナミクスを究極的に制御できます。

ただし、ロードカーとは異なり、F1 レースカーのショックアブソーバーとコイルスプリングはコントロールアームに直接取り付けられていません。代わりに、それらは車の長さに沿って配向され、一連の押し引きロッドを介して遠隔制御されます。これらは、ホイールの上下の動きをスプリングとダンパーの装置の前後の動きに変換します。

クラシックなアメリカンホットロッドの時代は 1945 年から 1965 年頃まで続きました。バハバグズと同様に、クラシックなホットロッドは所有者による大幅な改造が必要でした。ただし、フォルクスワーゲンのシャーシをベースに作られたバグズとは異なり、ホットロッドはさまざまな古い、多くの場合歴史的な自動車モデルをベースに作られていました。1945 年より前に製造された車は、ボディやフレームの状態が良好であることが多かったため、ホットロッドの改造に理想的な素材と考えられていました。一方で、エンジンとトランスミッションは完全に交換する必要がありました。ホットロッド愛好家にとって、これはまさに彼らが望んでいたものでした。これにより、フラットヘッドのフォード V8 やシボレー V8 など、より信頼性が高く強力なエンジンを搭載できるようになります。

人気のあるホットロッドの 1 つは、フォードモデル T をベースにしていたため、T バケットとして知られていました。モデル T のフロントにある標準のフォードサスペンションは、ソリッド I ビームフロントアクスル (従属サスペンション) と U- ビームで構成されていました。形状のバギースプリング (板バネ) と、後端にボールが付いたウィッシュボーン形状のラジアスロッドで、トランスミッションに取り付けられたカップ内で枢動します。

フォードのエンジニアは、1930 年代の荒れた原始的な道路に理想的な設計である、サスペンションの大きな動きで高い走行性を実現するモデル T を構築しました。しかし、第二次世界大戦後、ホットロッダーはより大型のキャデラックやリンカーンのエンジンを実験し始めたため、ウィッシュボーン型のラジアスロッドはもはや適用できなくなりました。代わりに、センターボールを取り外し、ウィッシュボーンの端をフレームレールにボルトで固定しました。この「スプリットウィッシュボーン」設計により、フロントアクスルが約 1 インチ (2.5 センチメートル) 低くなり、車両のハンドリングが向上しました。

車軸を 1 インチ以上下げるには、ベルオートとして知られる会社が提供したまったく新しい設計が必要でした。 1940 年代から 1950 年代にかけて、ベルオートは車高を 5 インチ (13 センチメートル) 下げるドロップチューブアクスルを提供しました。チューブアクスルは滑らかなスチールチューブで作られており、強度と優れた空気力学のバランスが取れています。また、スチール表面は鍛造 I ビームアクスルよりもクロムメッキに適しているため、ホットロッダーはその美的品質からもこれらを好むことがよくありました。

しかし、一部のホットロッド愛好家は、チューブアクスルの剛性と柔軟性のなさにより、運転時のストレスへの対処が損なわれると主張しました。これに対応するために、ホットロッダーは、アクスルに 2 つの取り付けポイント、フレームに 2 つの取り付けポイントを使用する 4 バーサスペンションを導入しました。各取り付けポイントでは、航空機スタイルのロッドエンドにより、あらゆる角度で十分な動きが可能になりました。結果？ 4 バーシステムにより、あらゆる種類の運転条件におけるサスペンションの動作が改善されました。

車のサスペンションと関連トピックの詳細については、以下のリンクをご覧ください。

初版発行日: 2005 年 5 月 11 日

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