サスペンションを理解する

Sep 15, 2023

CARS は見るだけでもいいですが、実際に乗り込んで加速したり、ブレーキをかけたり、コーナーを激しくコーナーリングしたりすると、より楽しいものになります。 路面をグリップするのはタイヤですが、その能力を最大限に発揮できるようにゴムをストリートバイクに接続するのはサスペンションの仕事です。

この記事は、Street Machine 2009 年 5 月号に初めて掲載されました。

何らかのタイプのサスペンション システムがなければ、タイヤはあまりグリップせずに道路を飛び越えてしまいます。そこで、サスペンションの基本、さまざまな設計の利点、物理的特性が車の挙動にどのように関係するか、そしてどのように改善できるかを見てみましょう。より良いグリップとハンドリング。

アップフロント

ストリートカーのノーズの下には、ソリッド アクスル、ツイン A アーム、またはマクファーソン ストラットの 3 つの基本システムのいずれかが表示されます。 ソリッドアクスルとは、前輪を繋ぐ梁のことです。 このセットアップは 40 年代以前の車では一般的です。 現在でもトラックで使用されています。 パフォーマンスを向上させたい場合は、最新の A アームまたはマクファーソン ストラットに交換する必要があります。

ツインAアーム

一般的なツイン A アーム セットアップでは、一端がボディに、もう一端がサスペンション アップライトに取り付けられるヒンジ付きの上部および下部構造 (アーム) が使用されます。

マクファーソン ストラット システムは、スプリングで囲まれショックアブソーバーを備えた単一の直立要素を使用します。 このシステムは 1978 年の VB Commodore でオーストラリアでデビューし、今でも使用されています。 理論上、ダブル A アームはより優れたジオメトリを提供しますが、多くのマクファーソン ストラット装備車の優れたハンドリングは、ダブル A アームが非常にうまく機能するように設計できることを示しています。

マクファーソンストラット

キャンバー、キャスター＆トー

前から見たときにフロントタイヤが垂直から外れる角度をキャンバーと呼びます。 底部より上部に近いほどネガティブキャンバーになります。 ポジティブキャンバーはその逆です。 タイヤは道路に対して垂直に近い姿勢で座ると最大のグリップ力を発揮します。 実際には、これは、コーナリング中に車が傾いたときに外側のタイヤがより真っすぐに立つため、少しネガティブキャンバーが好ましいことを意味します。

ホイールを側面から見たときに、上下のボールジョイントに線を引くと角度がつきます。 これをキャスターと呼びます。 このラインが上部で後方に傾いている場合、サスペンション システムにはポジティブ キャスターが付いています。 ポジティブキャスターにより、前進時に前輪が真っ直ぐになり、直進安定性が向上します。ドラッグカーは多くのキャスターを動かします。 残念ながら、キャスターを増やすとステアリングの労力が増加します。

キャスター角

オープンホイールレーサーではつま先が最も見やすくなります。 上から見ると、タイヤの前部が後部よりも離れている状態がトーアウトであり、トーインはその逆です。

トーインは車をより安定させ、トーアウトは旋回の開始を促します。 また、トーアウトは車をふらふらさせるため、一般的にストリートカーは直進しやすくするためにトーインで走行しますが、レーサーは安定性を犠牲にして鋭いターンインを実現します。 過度のトーインまたはアウトは、タイヤの過度の摩耗につながります。

スクラブ半径

横から見ると、上下のボールジョイントを通る仮想線がキャスター角を形成します。 ただし、車にキングピンがなくなったとしても、正面から見ると、ステアリング軸またはキングピンの傾斜が形成されます。 正面から見て、ラインの上部が内側に傾いている場合、それは正のキングピン傾斜です。 キングピンの傾斜が正の場合 (ほとんどの乗用車)、このラインはタイヤの接地面の中心点の外側の点で地面に達します。 これらの点の間の距離は、スクラブ半径として知られています。 スクラブ半径とは、回転するときにタイヤが中心を中心に回転しないことを意味します。 むしろ弧を描きます。 プラスのスクラブ半径がキャスターと連動して感触を高め、適切に設計されたステアリング システムに存在する自動復元傾向を支援します。 スクラブ半径が大きすぎると、タイヤの摩耗が激しくなり、ステアリングが重くなります。

キングピンの傾き

バンプステア

事実上すべてのサスペンション アーム、リンク、および要素が円弧を描いて動くことを認識することが重要です。 これらの円弧がどのように相互作用するかを分析することは、サスペンション システムを理解するための基礎となります。 ステアリングタイロッドが良い例です。 ステアリング アーム (スタブ アクスルまたはアップライトに取り付けられている) に対して異なる円弧を描いて移動すると、ステアリング アームを引っ張って車輪を回転させます。特にサスペンションが上方に移動しているときに、バンプ ステアという用語が使用されます。

この特定のセットアップでは、ラックの端にあるステアリング アームの取り付けポイントを内側または外側に移動することで、バンプ ステアを調整します。

これを完全に排除することは事実上不可能であり、車は過度のバンプステアに非常に敏感であるため、ハンドリングを良くするにはバンプステアを軽減する必要があります。 バンプ ステアは、一部のアフターマーケットのステアリング変換、特に左ハンドルから右ハンドルへの変換や一部のラック アンド ピニオン変換で問題になります。高速道路を巡航するときに (車輪を動かさずに) オフラインに移動する厄介な傾向があります。

メルボルン パフォーマンス センターは、タルガ スタイルの競技会用にこの LJ Torana フロント エンドを変更しています。 両方のコントロールアームはボックス化されて剛性が向上し、レーススタイルのラックが追加されてステアリング応答が鋭くなり、バンプステア調整が可能になりました。

アッカーマン

旋回中は、内側の車輪が外側の車輪よりも大きく回転する必要があります。 これは、アップライトに取り付けられたステアリングアームを（車と縦方向に整列させるのではなく）相互にミラー角で設定するか、ステアリングラック/ドラッグリンクアセンブリをアウターステアリングの取り付けポイントの前または後ろに設定することによって達成されます。タイロッドの端。 これは、タイロッドが前方または後方に角度が付けられ、その端が異なる円弧を通って移動し、各ホイールを異なる量だけ回転させることを意味します。 ステアリング入力が小さい場合、その差はそれほど大きくありませんが、ステアリング入力が増加すると、各車輪が回転する角度の差も増加します。 これは、外側のフロントタイヤにかかる荷重を軽減し、アッカーマン角度として知られています。

この本社タルガ車は、ワッツリンクを備えた並列 4 リンクシステムを受け入れるためにリアエンドを再設計しました - かなりのものです

後部で

ストリートターの後部の下に頭を突っ込むと、従来のデフ (ソリッド アクスルまたはライブ アクスルとして知られる)、トレーリング アーム、または独立したリア サスペンション (IRS) のいずれかが見つかります。 一部の 40 年代以前のデザインを除けば、ソリッド アクスルは車への取り付け方法によって 3 つのカテゴリに分類されます。 板バネはデフを横方向に配置してバネシステムを形成するのに対し、マルチリンクサスペンションシステムは別個のコイルスプリングを使用します。 マルチリンク システムの中で最も単純なものは、HQ/Torana スタイルの「三角 4 リンク」システムです。このシステムでは、デフ ハウジングの横方向の位置を提供するためにトップ アームが角度を付けられています。 そこから、バーが車両の中心線と平行に走る従来の 4 バー システムに進みます。 この設計では、横方向の動きを防ぐために別のリンクが必要で、最も一般的にはパナール バーまたはワッツ リンケージが必要です。

パナールバー

パナール バーは、両端が回転する硬いバーです。 一方の端はデフハウジングに取り付けられ、もう一方の端はボディ/シャーシに取り付けられます。 明らかに、バーの端は円弧を描いて移動し、サスペンションが上下に移動するときにわずかな横方向の動きが発生します。バーが長ければ長いほど、横方向の動きは小さくなります。 4 バーのドラッグ レース セットアップで横方向に配置する一般的な方法は、ロア アームの隅から隅まで、一方のリンクの後部ピボットからもう一方のリンクの前部まで、斜めのリンクを実行することです。 もう 1 つの人気のあるドラッグ レース セットアップは、デフの上部からシャーシ レールまで短いピボット リンクを通すものです。

三角四棒システム

V8 スーパーカーや XE から EL ファルコンまでに使用されているワッツ リンケージはより複雑ですが、パナール ロッドの横方向の動きの影響を受けません。 車の後部から見ると、ワッツリンクは細長いZのように見えます。 上下に長いトラバースアームがあり、それぞれの外側の端がボディ/シャーシに取り付けられており、車体の上部または下部の端に取り付けられています。内側の端にある垂直リンク。 垂直リンクは、デフ ハウジングに取り付けられた中央のピンを中心に回転します。 サスペンションが上下に動くと、Z が押しつぶされます。V8 スーパーカーのように、垂直リンクがボディに、水平リンクがデフ ハウジングに取り付けられるように、逆向きに取り付けることもできます。 これにより、垂直リンクのピボットポイントを上下に動かしてリアを素早く調整することができます。

ワットリンケージ

4 リンクのバリエーションとして、ラダーバーのセットアップがあります。 ここで、上部リンクと下部リンクは実際には前部の 1 つのピボット ポイントで結合します。 ラダーバーサスペンションは、サスペンション全体が上下に動くときはうまく機能しますが、車が片側に傾いたとき（コーナリング時）にバインディングが発生するため、ドラッグレースには最適ですが、ストリートカーには適していません。

ラダーバー

ライブ リア アクスルの利点は、コーナリング中にホイールが直立した状態を維持できることです。 ただし、ライブリアエンドは重いため、片方の車輪が路上の何かにぶつかると、反対側の車輪に影響を与えます。

4リンク

IRS

独立リアサスペンション (IRS) の利点は、ばね下重量が大幅に軽減され、両側の車輪が分離され、車のターンインを助けるためにわずかなロールアンダーステア​​を誘発するようにセットアップできることです。独自の幾何学問題。 True IRS は、2 つのピボット リンク (アーム) によって車に接続されたアップライト (ホイールがボルトで固定されている) を備えているという点で、ツインアーム フロント サスペンションに似ています。 IRS を搭載していると主張するほとんどの車は、実際にはスイングアーム セットアップです。 スイングアーム配置では、リアハブ/スタブアクスルが 1 つのピボット (スイング) コントロール アームにしっかりと固定されています。すべての IRS コモドアがこのカテゴリに当てはまります。

ほとんどのスイングアーム IRS システムとは異なり、Roaring Forties のこの GT40 レプリカのリア サスペンションは、ダブル A アーム フロント エンド セットアップと同様に、個別の上部および下部コントロール アームを備えた完全に独立した設計です。

スプリング

車のボディには、地面から車体を固定するためにサスペンションへの柔軟なリンクが必要です。主なオプションはコイル スプリングまたはリーフ スプリングです。 バネレートは、加えられる単位力あたりに発生する圧縮量です。 正しいスプリングレート (および適合するショックアブソーバー) を選択することは、車のハンドリングの良さを決定する重要な要素です。

葉は複数の葉よりも 1 つの固体の葉として考える方が簡単です。 バンプ中、ボディとアクスルチューブはスプリングを平らにしようとしますが、スプリングのアーチはその形状を維持しようとします。

板バネの速度はいくつかの要因によって決まります。 リーフを厚くしたり幅を広くしたり、アーチを大きくするとバネ定数が増加しますが、リーフを長くするとバネ定数が減少します。 リーフ スプリングを下げる (平らにする) 場合は、スプリング レートを維持または増加するためにリーフを追加する必要があります。

バネレートを決定するための 3 つの主な基準は、コイルピッチ、ワイヤー直径、コイル全体の直径です。 バンプトラベルが減少するにつれて（車高を下げるとき）、スプリングの剛性を高める必要があります。

コイル スプリングを理解するには、一度に 1 つのコイルを見てください。 コイルが圧縮されると、コイルを構成する丸棒が実際にねじれます。 コイルスプリングの剛性を決定する主な要素は、コイルピッチ、線径、外径の 3 つです。 ばねの単位長さあたりのコイルの数はピッチとして知られており、ピッチが大きいほどばね定数は高くなります。 スプリングはワイヤーから巻かれています。 ワイヤーが太ければ太いほど、バネ定数は大きくなります。 全体のコイル径が小さくなるとバネレートが上がります。 その理由を理解するには、コイルの側面を見てください。各コイルはレバーのように見えます。 同じ量の圧縮を達成するには、小さなスプリングの「レバー」を大きなスプリングの「レバー」よりも大きくねじる必要があります。 コイルオーバー セットアップで使用されるスプリングは、工場出荷時のコイルに比べて非常に薄いですが、最大 200% 硬くなる可能性があります。

バネレート

あなたは道路を運転していて、段差にぶつかりました。 エネルギーがサスペンションに伝達され、ホイールが上に移動します。このエネルギーを吸収するのがスプリングの仕事です。 ただし、サスペンションの移動量には限界があるため、この動きの最後には、金属製のサスペンションコンポーネントが車の金属に衝突するのを防ぐために、柔軟なバンプストップが設置されています。 サスペンションがボディにしっかりと固定されてしまうとサスペンションではなくなるため、バンプ ストップに衝突する前にスプリングがサスペンションの移動を停止するようにする必要があります。

車のトラベル量が 4 インチで、トラベル量を 2 インチ下げる場合、スプリングがこの短い距離でサスペンションの移動を阻止できるように、スプリングレートを増やす必要があります。 車のローダウンを実現し、元の乗り心地の剛性を維持できると言うサスペンションの専門家は、誰もがそれを信じています。 これを試みると、サスペンションが継続的に底をつき、エネルギーを吸収するためのスプリングの移動が存在しないため、天文学的な力がボディの構造に加えられることになります。 このまま放置しておくと、時間の経過とともに車がボロボロになってしまいます。

ショックアブソーバー

スプリングはホイールとサスペンションコンポーネントの運動エネルギーをうまく吸収します。 しかし、バネは繰り返し跳ね返ることによって蓄えられたエネルギーを消散します。 これは非常に不快なだけでなく、次の段差にぶつかる前に、1 つの段差からのエネルギーが完全に消散することはありません。 答えはショックアブソーバーまたはダンパーです。 ショックアブソーバーは、スプリングに供給されるエネルギーを吸収し、それを大気中に放散できる熱に変換することでその役割を果たします。

最適なパフォーマンスを得るには、ショックアブソーバーのバルブ調整をスプリングレートに正確に一致させる必要があります。そうしないと、ショックがスプリングを適切に制御できなくなります。

ショックアブソーバーはオイルが満たされた本体から構成されており、そこからシャフトが伸びて車に取り付けられています。 本体内部のこのシャフトの端には、穴が開けられたピストンがあります。 圧縮中、このピストンはオイルを押します。 穴の数とサイズによって、オイルがピストンを流れる速度が決まります。 穴の数が多ければ多いほど、より速い転写が可能になり、抵抗が少なくなります。 穴が小さい、または少ないと、オイルの移動が制限され、抵抗が大きくなります。 加えられる力が大きくなるほど、オイルの移動に対する抵抗が大きくなります。

実際には、各ピストンには 2 組の穴があり、1 つは圧縮 (バンプ) 用、もう 1 つは伸長 (リバウンド) 用です。 各セットは、バルブとして機能するスプリング ディスクで覆われています。 スプリングディスクのサイズ、数、積層順序を変更すると、ショックアブソーバーの特性が変わります。 一部のハイエンドショックでは、バルブ特性を外部から調整してサスペンションの動作を調整できます。

バネ上重量

バネ下重量はホイールやタイヤなどバネで支えられていない質量ですが、バネ上重量はボディ、シャーシ、乗員などバネで支えられているすべての質量です。 バネ下重量を最小限に抑えたい。 重いリムジンに乗ったことがある人なら、どんなに大きな段差にぶつかっても、車内ではほとんど気づかないことに気づくでしょう。 車の重量に比べてサスペンションの重量が軽いため、車の他の部分に影響を与えることなく段差に衝突したときのエネルギーを吸収できるからです。 車が軽いほど、車体の動きを最小限に抑えながらタイヤを道路にしっかりと固定するために、サスペンションも軽くする必要があります。

重心

車がコーナーを曲がるとき、回転しようとするため、重量移動が発生します。 そのため、外側のタイヤに内側のタイヤよりも多くの荷重がかかることになり、グリップが実質的に低下します。 車の重心とロール軸の高さの差により、車体のロールが発生します。

重心 (または質量中心) は、車が回転したり正したりしようとせずに、そこから任意の方向に車を吊り下げることができる理論上の 1 点です。 乗用車の場合、このポイントは通常、車の中央のすぐ前方、ほぼカムシャフトの高さにあります。正確な位置は車によって異なります。

ボディがロールする間、車のサスペンションの両端はロール センターと呼ばれる点を中心に回転します。ロール センターは、さまざまなサスペンション コンポーネントの角度と取り付けポイントによって決まります。 ロール軸は、フロント ロール センターとリア ロール センターを結ぶ仮想の線です。 コーナリング時にボディがロールするのはこの軸に沿っています。

では、それは何を意味するのでしょうか？ 非常に複雑ですが、体重移動と力伝達の関係を簡単に説明すると次のようになります。 設計者は車の安定性を高めるために、通常は重心よりも低い低いロール軸を使用します。 重心とロール軸の間の距離がテコのように作用し、車体のロールを引き起こします。 この距離を短くすると、ボディのロールが少なくなります。 それを長くすると事態はさらに悪化します。 車高を下げることは重心をロール軸に近づける 1 つの方法ですが、これはフロントとリアのロール センターの位置にも影響し、その結果ロール軸の角度にも影響します。これは、ジオメトリの違いにより、フロントとリアの車高が 1 倍低くなるためです。同様の量でも、フロントとリアのロールセンターに異なる影響を与えます。 また、ロール軸の角度を変更すると、ハンドリングに悪魔的な結果が生じる可能性があります。

アンチロールバー

ボディのロールを制限する 1 つの方法は、より硬いスプリングとショックアブソーバーを取り付けることですが、その代わりに乗り心地はより厳しくなります。 より良いオプションはアンチロールバーです。 ロールバーは非常に幅広の U 字形に似ています。長い中央部分は車のボディに取り付けられ、端はサスペンション アームに取り付けられます。 サスペンションの両側が一緒に上下に動くと、バーはボディマウント内で単純に回転します。 しかし、サスペンションの片側が上昇し、もう一方の側が下降するとき（コーナリング中のボディのロール）、エンドアームの反対の動きにより、バーの幅広の中央セクションがマウント内でねじれ、ボディに抵抗するねじりバネとして機能します。ロール。 外側のタイヤにかかる力を利用して、反対側の車を押し下げます。 バーの厚さを増やすか、エンドラムを短くすると、剛性が高まります。

結論

フレッド・プーン著「車のハンドルの作り方」

ここではサスペンションの表面をかろうじて傷つけただけです。

詳細については、次のコピーを入手してください。

- あなたの車のハンドルを作る方法 フレッド・プーン著;

- アラン・スタニフォースによる競技車のサスペンション

- またはハーブ・アダムスによるシャーシ・エンジニアリング。

この話をまとめるにあたって、私たちは Advantage Suspension (03 9555 2633)、Roaring Forties、Melbourne Performance Center (03 9761 7775)、および RRS (02 9907 3755) とも話をしました。