車のサスペンションのしくみ

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たない。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っているのかを探ります。

道路が完全に平坦で、凹凸がない場合は、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、すべての力には大きさと方向の両方があります。路面に凹凸があると、ホイール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、ホイールが巨大な隆起を打っているのか、小さな斑点を打っているのかによって異なります。いずれにせよ、車のホイールは欠陥を通過するときに垂直方向の加速を経験します。

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、車輪が道路と完全に接触しなくなる可能性があります。次に、下向きの重力の下で、車輪が路面に跳ね返ることがあります。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するシステムであり、ホイールが道路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乗ることができます。

移動中の車に作用する力の研究はビークルダイナミクスと呼ばれ、そもそもサスペンションが必要な理由を理解するには、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、移動する自動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、道路の隔離、道路の保持、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。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。

1. 車のサスペンション部品
2. ダンパー：ショックアブソーバー
3. ダンパー：ストラットとスタビライザーバー
4. サスペンションタイプ：フロント
5. サスペンションタイプ：リア
6. 特殊サスペンション：バハバグ
7. スペシャライズドサスペンション：F1レーサー
8. 特殊サスペンション：ホットロッド
9. ボーズサスペンションシステム

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。

スプリング

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。

車輪とフレームの間、すなわち- -スプリングが車の上に配置されている場所に基づいて、エンジニアは、多くの場合、それは便利について話を見つけバネ上とバネ下質量。

ばね：ばね下およびばね下質量

ばね上はながら、バネ上に支持され、車両の質量であるばね下質量が緩く道路及びサスペンションスプリングとの間の質量として定義されます。ばねの剛性は、自動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（リンカーンタウンカーを考えてください）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（マツダミアータなど）のような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るため、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設計して車に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。どうして？ばねはエネルギーを吸収するのは得意ですが、エネルギーを放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、ダンパーと呼ば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、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、固有振動数で跳ね返り続けます。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。

入力ショックアブソーバ、またはスナバとして知られるプロセスを介して不要なバネ運動制御装置減衰します。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車のフレームとホイールの間に配置されたオイルポンプです。ショックの上部マウントはフレーム（つまりバネ下重量）に接続し、下部マウントはホイールの近くの車軸（つまりバネ下重量）に接続します。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、アッパーマウントはピストンロッドに接続され、ピストンロッドはピストンに接続され、ピストンは油圧作動油で満たされたチューブ内に配置されます。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かれ、ほどけると、スプリングのエネルギーは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。オリフィスはピストンに穴を開け、ピストンが圧力管内で上下に移動するときに流体が漏れることを可能にします。オリフィス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、圧縮サイクルと伸長サイクルの2つのサイクルで機能します。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バネ下重量の動きを制御し、伸長はより重いバネ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することと、車両のサスペンションを構造的にサポートすることです。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。

ショックや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により、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、タイヤの路面グリップ能力、およびハンドリングとブレーキングのパフォーマンスが低下します。

スタビライザーバー

スタビライザーバー（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棒です。

片方の車輪のサスペンションが上下に動くと、スタビライザ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、コーナーを曲がるときに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バ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バ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。前者の配置は従属システムとして知られ、後者の配置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、主流の車で一般的に使用されるフロントサスペンションとバックサスペンションの一般的なタイプのいくつかを見ていきます。

依存フロントサスペンション

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所定の位置に保持されている頑丈なバーのように見えます。トラックで一般的ですが、従属フロントサスペンションは何年もの間主流の車で使用されていません。

独立したフロントサスペンション

この設定では、前輪は独立して動くことができます。ストラット式サスペンション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が、特にヨーロッパの起源の車の中で、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式は、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にもAアームサスペンションとしても知られているが、フロント独立サスペンションの別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。これらの特性のため、ダブルウィッシュボーンサスペンションは大型車の前輪によく見られます。

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。

依存するリアサスペンション

中実の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することができ、それはサスペンションが占めるスペースの量を減らします。

独立したリアサスペンション

フロントサスペンションとバックサスペンションの両方が独立している場合、すべてのホイールが個別に取り付けられてバネがかけられ、その結果、自動車の広告では「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形のスプリングは、フロントアクスルとリアアクスルの両方でよく使用されていました。しかし、彼らはそうしました前後に揺れる傾向があり、重心が高い。動力車が道路に衝突するまでに、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。

この記事では、ほとんどの場合、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、フォーミュラワンレーサー、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。

バハバグ

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用のスペースを確保す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が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、車輪は両端で垂直方向に20インチ（50 cm）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濯板を「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。軽量の複合ボディ、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るとされていますが、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に、車は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メカニズムを使用する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制御です。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、ダイブなどの他のビークル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、一連のプッシュロッドとベルクランクを介してリモートで制御されます。このような配置では、プッシュロッドとベルクランクが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上に構築されたバグとは異なり、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で構築されました。1945年より前に製造された車は、ボディとフレームが良好な状態であることが多いため、ホットロッド変換の理想的な飼料と見なされていました。 、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。フラットヘッドのフォード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、フォードモデルTをベースにしているため、Tバケットとして知られていました。モデルTのフロントにあるストック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）、および後端にボールが付いたウィッシュボーン型ラジアスロッドで構成されていました。それはトランスミッションに取り付けられたカップで回転しました。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デザインです。しかし、第二次世界大戦後、ホットロッドダー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」デザインにより、フロントアクスルが約1インチ（2.5 cm）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から供給されたまったく新しいデザインが必要でした。1940年代と1950年代を通して、ベルオートは車を完全に5インチ（13 cm）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と、優れた空気力学を備えたバランスの取れた強度で構築されています。スチールの表面は、鍛造された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。

ただし、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により、運転のストレスへの対処方法が損なわれると主張しました。これに対応するために、ホットロダーは車軸に2つの取り付けポイントとフレームに2つの取り付けポイントを使用して、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、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バーシステムは、あらゆる種類の運転条件でサスペンションがどのように機能するかを改善しました。

スプリングとショックアブソーバーの両方に改良と改良が加えられましたが、車のサスペンションの基本設計は何年にもわたって大きな進化を遂げていません。しかし、音響技術の革新で知られるボーズと同じ、ボーズが考案したまったく新しいサスペンション設計の導入により、そのすべてが変わりつつあります。一部の専門家は、ボーズのサスペンションは、完全に独立した設計の導入以来、自動車のサスペンションの最大の進歩であるとまで言っています。

それはどのように機能しますか？ Boseシステムは、従来のショックとスプリングのセットアップの代わりに、各ホイールに線形電磁モーター（LEM）を使用します。増幅器は、システムが圧縮されるたびに電力が再生されるように、モーターに電気を供給します。モーターの主な利点は、従来の流体ベースのダンパーに固有の慣性によって制限されないことです。その結果、LEMははるかに高速で伸縮し、客室内のすべての振動を実質的に排除します。ホイールの動きは非常に細かく制御できるため、ホイールで何が起こっているかに関係なく、車体は水平に保たれます。 LEMは、加速、ブレーキ、コーナリング中に車の体の動きを打ち消すこともできるため、ドライバーはより優れたコントロール感を得ることができます。

残念ながら、このパラダイムシフトサスペンションは、1台以上の高級高級車で提供される2009年まで利用できません。それまでは、ドライバーは何世紀にもわたってでこぼこの乗り心地を滑らかにしてきた実証済みのサスペンション方法に頼らなければなりません。

車のサスペンションと関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。

初版：2005年5月11日

サスペンションは車に何をしますか？

車のサスペンションの部品は何ですか？

車のサスペンションはどのくらい続きますか？

車のサスペンションの問題の原因は何ですか？

サスペンションが破損しているかどうかはどうやってわかりますか？

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