ヒントとチュートリアル
自動車サスペンションシステムの機能とメンテナンス
2021年7月29日
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基本原則
動作原理
サスペンションシステムは車体を支え、タイヤが路面と接触するようにする。
サスペンションには二つの役割があります。路面の凹凸を吸収して乗り心地をよくすることと、凹凸のある路面でもタイヤの接地を保つことです。操縦性を重視するドライバーがサスペンションを改良する目的は、車両の制御性を高めることです。
サスペンションスプリングは、製造が容易で性能効率が高く、安価であるため、一般的にコイルばねが用いられます。物理学において、ばねはエネルギーを蓄えます。一定の力がばねに加わると、ばねは変形します。力が取り除かれると、ばねは元の状態に戻ろうとします。
しかし、バネが反発する際、振動振幅は元の長さを超えることがあります。摩擦抵抗とショックアブソーバーによって、バネの自由振動は減速されます。これがショックアブソーバーが不可欠な理由です。ショックアブソーバーは、衝撃後のバネの動きを制御するからです。
一般的なバネは線形バネです。つまり、力が加わったときの圧縮量と変形量はフックの法則に従います。 F=KXここで、Fは加えられた力、Kは弾性係数、Xは変形量です。例えば、線形ばねが荷重を支えている場合 40kg 1cm圧縮され、重量が40kg増えるごとに圧縮がさらに1cm増加します。
実際の車両使用において、サスペンションスプリングは単純な垂直荷重以上の負荷を受けます。スプリングが完全に伸びた状態でも、車体に取り付けられた状態を維持するために圧力がかかっています。従来のスプリングとショックアブソーバーを組み合わせたサスペンション設計では、スプリングは車体を支え、路面の凹凸による衝撃だけでなく、加速、減速、ブレーキング、コーナリング時の力も吸収します。
最も重要なのは、振動を抑制しながらタイヤと路面との接触を常に維持することです。タイヤと路面の接触を改善することは、ハンドリング性能を向上させる上で最も重要な要素です。
スプリングの挙動
バネの役割
スプリングの硬さは、快適性、トラクション、車高、ハンドリングに影響します。
スプリングの主な機能は、車両の快適性を維持し、タイヤが路面と完全に接触するようにすることです。不適切なスプリングを使用すると、走行性能と操縦性の両方に悪影響を及ぼす可能性があります。
スプリングが完全に硬すぎると、サスペンションシステムは正常に機能しません。スプリングが硬すぎると、乗り心地と操縦性の両方が損なわれます。車が路面の凹凸を乗り越える際に、タイヤが地面から離れてしまうことがあります。加速時、減速時、コーナリング時にこのようなことが起こると、車はトラクションを失います。
スプリングが柔らかすぎると、サスペンションが底付きし、ストロークが尽きてしまうことがあります。コーナリング中に底付きが発生すると、圧縮の余地がなくなるため、スプリング係数は実質的に無限大になります。その結果、急激な荷重移動が発生し、トラクションが失われる可能性があります。
サスペンションのストロークが長いと底付きを防ぐのに役立ちますが、車高が高くなります。車高が高くなると重心も高くなり、重心の高さはハンドリング性能に決定的な影響を与えます。そのため、柔らかすぎるサスペンションはハンドリングの妨げになる可能性があります。
路面が完全に平坦であれば、スプリングやサスペンションは必要ありません。路面が荒れている場合は、タイヤが路面との接触を保つために柔らかいスプリングが必要となり、スプリングのストローク量を増やす必要があります。路面の荒れ具合によってスプリングの硬さが決まりますが、どの程度柔らかくするべきかは非常に重要な問題であり、自動車メーカーやレーシングチームの経験がしばしば必要となります。
一般的に、柔らかいスプリングは乗り心地が良く、悪路でのトラクション性能も向上します。しかし、通常の道路ではサスペンションの上下動が大きくなり、ハンドリングに影響を与える可能性があります。空力性能の高い部品を搭載した車両では、柔らかいスプリングは高速走行時に車高の変化を引き起こし、低速時と高速時でハンドリング特性が異なってしまうこともあります。
スプリングには二つの主な役割があります。路面からの衝撃を和らげて乗り心地を保つことと、凹凸のある路面でもタイヤの接地を助けることです。これらの目的は相反する場合があるため、異なるばね定数が必要になることがあります。
これらの目標のバランスを取る方法の一つは、複合ばね係数を持つばね、いわゆるプログレッシブばねを使用することです。プログレッシブばねは、ばねが圧縮されるにつれてばね力係数が増加します。設計と製造は難しいものの、初期の柔らかさと高い圧縮抵抗を両立させることができます。
路面が荒れている場所では、初期の柔らかいスプリングがタイヤのグリップ力を向上させます。圧縮が進むにつれて弾性係数が上昇し、車体の安定性を維持し、サスペンションやスプリングの底付きを防ぎます。これにより、スプリングの高さを低くすることで、底付きすることなくサスペンションストロークを短く保ちながら、重心を低くすることができます。
プログレッシブスプリングを作るには、圧縮に伴ってばね定数が変わる必要があります。多くは不等ピッチまたは直径が変化するコイルを使います。不等ピッチのスプリングが圧縮されると、一部のコイルが接触して有効巻き数が変わり、ばね定数Kも変化します。ばね定数を変えるもう一つの直接的な方法は、上部と下部のコイル径を変えることです。
変更点
スプリングの変更
スプリングの変更はハンドリングを向上させる一方で、車両の多くの挙動も変化させる可能性がある。
スプリング改造の主な目的は、より硬いスプリングやより短いスプリングを使用することで、ハンドリング性能を向上させることです。スプリングはハンドリングに関わる多くの要素を制御するため、スプリングの変更は車両の挙動に複雑な変化をもたらす可能性があります。
サスペンションの剛性を高めることで、コーナリング時のロールに対する抵抗力が向上し、車体の傾きを軽減できます。車高を下げることで重心が低くなり、コーナリング時の荷重移動が軽減され、安定性が向上します。また、車高を下げることで、見た目の美しさも向上する場合があります。
同時に、スプリングの変更は単なる見た目の変化として捉えるべきではありません。スプリングは快適性、トラクション、サスペンションストローク、底付き挙動、タイヤの接地性に影響を与えるため、変更を行う際には車両の走行環境と実際の使用状況を考慮する必要があります。
トラブルシューティングとメンテナンス
トラブルシューティング
異音がないか確認し、ショックアブソーバーの状態をチェックする
よくある故障現象の一つとして、走行中に車が上下に振動する際に、サスペンション装置からカチカチ音やドンドンという音がすることがあります。これは通常、サスペンション装置が正常に作動していないことを示しており、特に路面の凹凸で音が大きくなる場合はその傾向が顕著です。
サスペンション故障の一般的な原因
- ショックアブソーバーの損傷ショックアブソーバー内部で故障したり、オイル漏れが発生したりする可能性があります。
- ショックアブソーバーのスリーブが破損していますスリーブが損傷すると、異音や緩みが生じる可能性があります。
- 緩んだ固定ボルト金具が緩んでいると、異常な動きや異音が発生することがあります。
正常なショックアブソーバーは作動時に熱くなります。熱くならない場合、またはオイル漏れが見られる場合は、ショックアブソーバーが損傷している可能性があります。点検時には、ショックアブソーバースリーブの状態も確認してください。スリーブが破損している場合は、ショックアブソーバーと一緒に速やかに交換する必要があります。
サスペンションシステムは、車輪と車体の間に位置します。車体を支え、振動を吸収することで乗り心地を向上させます。また、走破性、安定性、グリップ性能にも影響を与えます。このシステムは、ショックアブソーバー、スプリング、スタビライザー、コネクティングロッド、その他の機械部品で構成されています。
急カーブ時に車体が過度に傾く場合、ショックアブソーバー、スタビライザーバー、またはガイド機構の部品が損傷している可能性があります。サスペンションの状態は車両の走行性能と安定性に直接影響するため、これらの症状は無視せずに点検する必要があります。
まとめ
健全なサスペンションシステムは、快適性、タイヤの接地性、およびコントロール性のバランスが取れている。
自動車のサスペンションシステムは、単なるスプリングとショックアブソーバーの集合体以上のものです。車体を支え、路面からの衝撃を吸収し、タイヤを路面に接地させ、快適性、安定性、走破性、グリップ力、操縦性に影響を与えます。
スプリングの剛性、スプリングの挙動、ショックアブソーバーの状態、異音、および関連するブレーキ点検を理解することで、問題を早期に特定し、実際の道路上での車両の安全な挙動を維持しやすくなります。
