人々が自動車の性能について考えるとき、彼らは通常、馬力、トルク、およびゼロから60までの加速について考えます。しかし、ドライバーが車を制御できない場合、ピストンエンジンによって生成されるすべての電力は役に立ちません。そのため、自動車エンジニアは、4ストローク内燃エンジンを習得するとすぐにサスペンションシステムに注意を向けました。
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ステアリングの安定性を提供し、乗客の快適さ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か、何年にもわたってどのように進化してきたか、そしてサスペンションの設計が将来どこに向かうのかを探ります。
道路が完全に平坦で、凹凸がなければ、サスペンションは必要ありません。しかし、道路は平坦にはほど遠いです。舗装されたばかりの高速道路でさえ、車の車輪と相互作用する可能性のある微妙な欠陥があります。車輪に力を加えるのはこれらの欠陥です。ニュートンの運動の法則によれば、すべての力は両方の大きさを持っています および方向 。路面に凹凸があると、車輪が路面に対して垂直に上下に動きます。もちろん、大きさは、ホイールが巨大なバンプに当たっているか、小さな斑点に当たっているかによって異なります。いずれにせよ、車のホイールは垂直加速度を経験します 不完全さを乗り越えるとき。
介在する構造がない場合、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移動します。このような状況では、タイヤが道路との接触を完全に失う可能性があります。次に、下向きの重力の下で、タイヤが路面にぶつかることがあります。必要なのは、垂直方向に加速されたホイールのエネルギーを吸収し、タイヤが路面の凹凸に追随している間、フレームとボディが邪魔されずに走行できるようにするシステムです。
移動中の車に作用する力の研究は、車両動力学と呼ばれます。 、そもそもなぜ一時停止が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、移動する車のダイナミクスを2つの観点から検討しています。
これらの2つの特性は、3つの重要な原則である道路の隔離でさらに説明できます。 、ロードホールディング およびコーナリング 。次の表は、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示しています。
さまざまなコンポーネントを備えた車のサスペンションは、説明されている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。
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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で構成されています。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、サスペンションはどの車両でも主要なシステムの1つにすぎません。
この全体像を念頭に置いて、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、スウェイバーを見てみましょう。
今日のばねシステムは、次の4つの基本設計のいずれかに基づいています。
ばねが車のどこにあるか、つまり車輪とフレームの間の位置に基づいて、エンジニアはばねの質量について話すのが便利だと感じることがよくあります。 およびばね下質量 。
バネ上質量 はばねで支えられている車両の質量であり、ばね下質量 道路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クラスを考えてください）などの緩く跳ね上がった車は、バンプを飲み込み、非常にスムーズな乗り心地を提供できます。しかし、そのような車はブレーキングや加速中に飛び込んだりしゃがんだりする傾向があり、コーナリング中に体が揺れたり転がっ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）のようにしっかりと跳ね上がった車は、でこぼこの道では寛容ではありませんが、体の動きを最小限に抑えます。つまり、角を曲がったところ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デバイスのように見えますが、乗客の快適さと取り扱いのバランスをとるためにスプリングを車に設計して実装することは複雑な作業です。さらに複雑なことに、スプリングだけでは完全にスムーズな乗り心地を提供することはできません。なんで？ばねはエネルギーの吸収には優れていますが、散逸にはあまり適していません。 それ。 ダンパーとして知られる他の構造 、これを行うには必要です。
減衰構造でない限り が存在する場合、車のスプリングは伸びて、バンプ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、元々投入されていたエネルギーがすべて使い果たされるまで、固有振動数で跳ね続けます。スプリングだけで作られたサスペンションは、非常に弾力のある乗り心地になり、地形によっては、制御できない車になります。
ショックアブソーバーを入力してください 、またはスナバ、減衰として知られるプロセスを通じて不要なばねの動きを制御するデバイス 。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油圧作動油を通して放散できる熱エネルギーに変えることにより、速度を落とし、振動運動の大きさを減らします。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オイルポンプです。 車のフレームとホイールの間に配置されます。ショックの上部マウントはフレーム（バネ下重量）に接続し、下部マウントはホイールの近くの車軸（バネ下重量）に接続します。 ツインチューブデザイン 、最も一般的なタイプのショックアブソーバーの1つであるアッパーマウントは、ピストンロッドに接続されています。ピストンロッドは、油圧作動油で満たされたチューブ内にあるピストンに接続されています。内管は圧力管と呼ばれ、外管は予備管と呼ばれます。リザーブチューブは余分な油圧作動油を貯蔵します。
車のホイールが道路の凹凸に遭遇し、スプリングがコイル状に巻けてほどけると、スプリングのエネルギーがアッパーマウントを介してショックアブソーバーに伝達され、ピストンロッドを介してピストンに伝達されます。穴はピストンに穴を開け、ピストンが圧力管内で上下に動くときに流体が漏れることを可能にします。穴は比較的小さいため、大きな圧力がかかった状態で通過する流体はごくわずかです。これによりピストンの速度が低下し、次にスプリングの速度が低下します。
ショックアブソーバーは、圧縮サイクルの2つのサイクルで機能します。 および拡張サイクル 。圧縮サイクルは、ピストンが下向き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油圧作動油を圧縮します。伸長サイクルは、ピストンが圧力管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。一般的な自動車や小型トラックは、圧縮サイクルよりも伸長サイクルの方が抵抗が大きくなります。そのことを念頭に置いて、圧縮サイクルは車両のばね下重量の動きを制御し、伸長はより重いばね下重量を制御します。
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いほど、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適応させ、バウンス、揺れ、ブレーキダイブ、加速スクワットなど、移動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、支柱です。 —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。ストラットは2つの仕事をします：彼らは減衰を提供します ショックアブソーバーのように機能し、構造的サポートを提供します 車両サスペンション用。つまり、ストラットは、車両の重量をサポートしないショックアブソーバーよりも少し多くの機能を提供します。ストラットは、重量自体ではなく、車内で重量が伝達される速度のみを制御します。
ショックとストラットは車の取り扱いに大きく関係しているため、重要な安全機能と見なすことができます。摩耗したショックやストラットは、車両の重量を左右および前後に過度に移動させる可能性があります。これにより、タイヤが路面をグリップする能力が低下し、ハンドリングとブレーキングのパフォーマンスも低下します。
スウェイバー（アンチロールバーとも呼ばれます）は、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、移動する自動車にさらなる安定性を与えます。スタビライザーは、車軸全体にまたがる金属製のロッドで、サスペンションの両側を効果的に結合します。
一方の車輪のサスペンションが上下に動くと、スウェイバーがもう一方の車輪に動きを移します。これにより、より水平な乗り心地が実現し、車両の揺れが軽減されます 。特に、それはそれがコーナリングするとき、そのサスペンションで車のロールと戦う。このため、今日のほとんど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、装備されていない場合は、キットを使用するといつでも簡単にスタビライザーを取り付けることができます。
これまでの説明では、特定のホイール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で連携して機能します。2つの車輪は前車軸で接続され、2つの車輪は後車軸で接続されます。つまり、車のフロントとバックには異なるタイプのサスペンションが搭載されている可能性があります。
多くは、剛性のある車軸が車輪を拘束するかどうか、または車輪が独立して動くことを許可されるかどうかによって決まります。前者の配置は、依存システムとして知られています。 、後者の配置は独立したシステムとして知られています 。次のセクションでは、主流の車で一般的に使用される一般的なタイプのフロントサスペンションとバックサスペンションのいくつかを見ていきます。
依存するフロントサスペンションには、前輪を接続する剛性のある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板ばねとショックアブソーバーによって固定された頑丈なバーのように見えます。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何年も使用されていません。
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 、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た、特にヨーロッパ起源の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1つのユニットにまとめたものです。これにより、前輪駆動車に使用できる、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 、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る、フロント独立懸架のもう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、2つのウィッシュボーン型のアームを使用してホイールの位置を特定します。フレームへの取り付け位置が2つ、ホイールへの取り付け位置が1つある各ウィッシュボーンには、振動を吸収するためのショックアブソーバーとコイルスプリングが付いています。ダブルウィッシュボーンサスペンションは、ホイールのキャンバー角をより細かく制御できます。これは、ホイールが内外に傾く度合いを表します。また、ロールや揺れを最小限に抑え、より一貫したステアリングフィールを提供します。これらの特性により、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。
それでは、いくつかの一般的なリアサスペンションを見てみましょう。
頑丈な車軸が車の後輪を接続している場合、サスペンションは通常、板ばねまたはコイルばねのいずれかに基づいて非常に単純です。前者の設計では、板ばねはドライブアクスルに直接クランプします。板ばね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ばねを車軸に保持するクランプに取り付けられています。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みました。
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のユニットとして、または別々のコンポーネントとして取り付けることができます。それらが分離しているとき、スプリングははるかに小さくなる可能性があり、サスペンションが占めるスペースの量を減らします。
フロントとバックの両方のサスペンションが独立している場合は、すべてのホイールが個別に取り付けられてバネで固定されているため、自動車の宣伝では「4輪独立サスペンション」と宣伝されています。車のフロントで使用できるサスペンションはすべてリアで使用でき、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リアアクスルにあります。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、ホイールを左右に回転させることができるアセンブリ）はありません。これは、基本的な原理は同じままですが、リアの独立懸架はフロントの独立懸架の簡略版にできることを意味します。
次に、特殊車のサスペンションについて見ていきます。
歴史的なサスペンション16世紀の貨車と馬車は、上向きのテーブルのように見えるシャーシの4つの支柱に取り付けられた革のストラップから馬車の本体を吊るすことによって、「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。これは、今日でもソリューションのクラス全体を表すために使用されている用語です。吊り下げ式ボディサスペンションは真のスプリングシステムではありませんでしたが、ボディとキャリッジのホイールを独立して動かすことができました。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、すぐにレザーストラップ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ばねは、前車軸と後車軸の両方でよく使用されていました。しかし、それらは前後の揺れを許容する傾向があり、重心が高かった。動力車が道路に出る頃には、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います。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のサスペンションはどうですか？特殊自動車のサスペンションは同じ基本原則に従いますが、ナビゲートしなければならない運転条件に固有の追加の利点を提供します。以下は、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の3種類の特殊車用にサスペンションがどのように設計されているかについての簡単な概要です。
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お気に入りになる運命にありました。低重心とリアアクスル上のエンジン配置により、二輪駆動のバグはオフロード状態と一部の四輪駆動車を処理します。もちろん、VWバグはその工場設備でオフロード条件の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るために、いくつかの変更または変換が必要です。
最も重要な変更の1つは、サスペンションで行われます。 1936年から1977年までのほとんどのバグの前面と背面に標準装備されていたトーションバーサスペンションは、頑丈なオフロードホイールとタイヤのためのスペースを作るために持ち上げることができます。より長いショックアブソーバーは、標準のショックに取って代わり、ボディをより高く持ち上げ、最大のホイールトラベルを提供します。場合によっては、バハバグコンバーターはトーションバーを完全に取り外し、複数のコイルオーバーシステムに置き換えます。 、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。これらの変更の結果、車輪が両端で垂直方向に20インチ（50センチメートル）以上移動できるようになります。このような車は起伏の多い地形を簡単に移動でき、水上の石のように砂漠の洗面台を「スキップ」するように見えることがよくあります。
フォーミュラワンレーシングカーは、自動車の革新と進化の頂点を表しています。軽量で複合的なボディ、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生まれました。
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高めるために、厳格なルールと要件がF1レースカーのデザインを支配しています。たとえば、サスペンションの設計を規制する規則では、すべてのF1レーサーは従来の方法でスプリングする必要がありますが、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に、車はマルチリンクサスペンションを備えています 、ダブルウィッシュボーンシステムと同等のマルチロッド機構を採用。
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、各ホイール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。すべての車で、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力性により、エンジニアはホイールの角度や、リフト、スクワット、ダイブなどの他の車両ダイナミクスを最終的に制御できます。
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ません。代わりに、それらは車の長さに沿って方向付けられ、一連のプッシュおよびプルロッドを介してリモートで制御されます。それらは、ホイールの上下運動をスプリングアンドダンパー装置の前後運動に変換します。
古典的なアメリカのホットロッドの時代は1945年から1965年頃まで続きました。バハバグのように、古典的なホットロッドは所有者による大幅な変更が必要でした。ただし、フォルクスワーゲンのシャーシに組み込まれているバグとは異なり、ホットロッドはさまざまな古い、多くの場合歴史的な車種に基づいて構築されていました。 、エンジンとトランスミッションを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ことでした。フラットヘッドフォードV8やシボレーV8などのより信頼性が高く強力なエンジンをインストールできるようになったからです。
人気のあるホットロッドの1つは、 Tバケットとして知られていました。 それはフォードモデルTに基づいていたからです。モデルTの前面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）、U字型バギースプリング（リーフスプリング）、およびウィッシュボーンで構成されていました。トランスミッションに取り付けられたカップ内で回転する後端にボールを備えた形状のラジアスロッド。
フォードのエンジニアは、大量のサスペンションの動きで高く乗るためにモデルTを構築しました。これは、1930年代の荒れた原始的な道路に理想的な設計です。しかし、第二次世界大戦後、ホットロッドはより大きなキャデラックまたはリンカーンエンジンの実験を開始しました。これは、ウィッシュボーン型のラジアスロッドが適用できなくなったことを意味します。代わりに、彼らは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、BellAutoとして知られる会社から提供されたまったく新しいデザインが必要でした。 1940年代から1950年代にかけて、ベルオートはドロップチューブアクスルを提供していました。 それは車を完全に5インチ（13センチメートル）下げました。チューブアクスルは、滑らかなスチールチューブと優れた空気力学とのバランスの取れた強度から構築されました。スチールの表面は、鍛造Iビームアクスルよりもクロムメッキをよく受け入れていたため、ホットロダーはその美的品質からもクロムメッキ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屈曲不能が、運転のストレスへの対処方法を損なうと主張しました。これに対応するために、ホットロダーは 4バーサスペンションを導入しました 、車軸に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します。各取り付けポイントで、航空機スタイルのロッドエンドはあらゆる角度で十分な動きを提供しました。結果？ 4バーシステムにより、あらゆる種類の運転条件で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、以下のリンクを確認してください。
初版：2005年5月11日