バネとダンパの愛しい関係!?~サスペンションについて~

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バネとダンパの愛しい関係!?~サスペンションについて~

この記事をお読みになられているみなさんは,車体の重量を支えることがサスペンションの仕事であり,路面の凹凸などによる車輪の上下振動を緩和あるいは吸収する機能も備わっていることをご存知でしょう.サスペンションのこれらの機能によって,走行性能や乗り心地の向上が図られているのです.今回はそんなサスペンションに関して紹介したいと思います.

コイルスプリング

コイルスプリング

バネとダンパの一体型サスペンション

バネとダンパの一体型サスペンション

サスペンションはバネとダンパから構成されています-バネはスプリング,ダンパはショックアブソーバーと呼ばれることもあります-
バネはサスペンションにおける弾性機能を司っており,車輪の上下運動に対する力を吸収します.しかし,バネは伸び縮みを繰り返す振動特性を有しており,バネだけで車体を保持した場合に車体がいつまでも揺れ続けてしまう問題が生じます.そこで,バネの振動を抑える振動減衰機能を持ったのがダンパです.ダンパのイメージとしては注射器のようなもので,バネの伸縮する動きに対して抵抗することでバネの振動を抑える役割を果たします-この振動を抑える力のことを減衰力と呼びます-サスペンションはこれら2つの機能をうまく設定することで乗り心地をよくすることができるのです.

ところが,車体の振動を抑えるために減衰力を高くすると振動が激しいときに乗り心地が硬いゴツゴツした感じになり,減衰力を低くすると振動が大人しいときに柔らかいフワフワした感じになってしまいます.じゃあバネでも調整すればいいじゃないかという話になるのですが,バネを柔らかくすると旋回時においては左右に,発進・制動時には前後に車体が大きく傾くようになってしまいます.

これでは,操縦性や安定性の確保ができなくなり,車の挙動としては不安定になってしまいます.乗り心地・操縦性・安定性の3つは互いにトレードオフの関係にあり,全てを高い次元で確立することは従来のサスペンションにおいて不可能でした.そこで,これらの性能の両立を可能にしようと開発されたのが電子制御サスペンションです.今回のコラムでは詳しく取り上げませんが,電子制御サスペンションは説明だけ聞くとそれはもう素晴らしいシステムなのですが,本当に走行性能を重視する場合においてそれが有効であるか筆者は疑問であります.この話はまた機会があれば書きたいと思います.

80ランクルのフロント側の様子

80ランクルのフロント側の様子

青いのがスプリング。白いのがショックアブソーバー

青いのがスプリング。白いのがショックアブソーバー

話が逸れましたが,サスペンションに関する概要は以上になります.
次は,サスペンンションの基本的な構造とその特徴について簡単に記述していきましょう.サスペンションは左右輪の繋ぎ方によって2つに大別されます.ひとつは,左右輪をひとつの車軸で繋げた車軸懸架方式(リジッドアクスル),もうひとつは左右輪がそれぞれの車軸に繋がっている独立懸架方式(インディペンデントサスペンション)です.

リジッドアクスルは前輪駆動車やトラックなどの後輪に用いられるサスペンション形式です.左右輪をひとつの車軸で連結しているため,構造が簡単であり頑丈かつ廉価なサスペンションシステムであると言えます.メリットとしては,車輪の上下運動においては左右輪が連結しているのでキャンバーなどのアライメントの変化があまり起きないことが挙げられます.そのため,車輪の路面接地性に優れ,直進安定性が高いです.昔の4WDにおいてこのサスペンション形式が主流だったのは,上記の特徴から悪路走破性が高く,上下方向のストローク量を容易に稼ぐ事が出来たためですね.

一方で,車軸を通して左右輪が連結されているためバネ下重量が重く,片方の車輪の影響を受けやすいので乗り心地が悪く操縦安定性があまり高くありません.また,構造がシンプルであるが故にアライメントの設計自由度が小さく,スポーツカーなどの操縦性が重視される車には向きません.代表的なリジッドアクスルとしては,リーフスプリング-いわゆる板バネ-を2本平行に配置して車軸を支えるパラレルリーフ式サスペンション,車軸と車体をリンクで結ぶリンク式サスペンション,左右の車軸を横梁で連結したトーションビームアクスル式サスペンションが挙げられます.

パラレルリーフ式サスペンションは,リジッドアクスルの中でも極めて構造が単純であり,低コストかつ高強度であり信頼性も高い事が特徴です.また,一般的にフロア面が高くなるリジッドアクスルにおいて,フロアを低くすることが容易なサスペンション形式でもあります.ところが,リーフスプリングがそもそも重く,加えてリーフスプリングは車軸と車体の位置決めも行っているため乗り心地も悪く操縦安定性が低いという欠点を持っています.

トラックによく見られる板バネ(リーフスプリング)

トラックによく見られる板バネ(リーフスプリング)

赤い矢印が板バネ(リーフスプリング)部分

赤い矢印が板バネ(リーフスプリング)部分

リンク式サスペンションは,バネとショックアブソーバーは緩衝としてのみ機能し,車軸と車体の位置決めに関しては全てリンクで行うサスペンションです.リーフスプリングのような重量物が無いので軽量であり,緩衝機構と位置決定機構が独立しているため足廻りのセッティングやサスペンションレイアウトを柔軟に設計することが可能です.つまり,パラレルリーフ式と比較して乗り心地や操縦安定性に優れます.
しかし,単純に部品点数が増えるためコストは高く,機構が複雑になるため信頼性を確保するのが難しくなります.最後のトーションビームアクスル式サスペンションは,構造が簡単でコストがかかりません.また,フロア高を低くすることができるので室内レイアウトを確保しやすく,大衆車の後輪サスペンションとして広く用いられています.
しかし,構造が単純なのでサスペンションジオメトリーの自由度が低く,サスペンションと車体を連結している箇所が2点しか無いので乗り心地と位置決め能力の両立が難しいという欠点を抱えています.

さて,サスペンションのもうひとつの形式であるインディペンデントサスペンションは,左右の車軸がそれぞれ別体となっており,それらが車体の中心付近で結合されているシステムです.リジットアクスルサスペンションとの最大の違いは,両輪がひとつの車軸で結合されていないためバネ下重量が軽いことです.
つまり,路面追従性が高く乗り心地や操縦安定性に優れています.サスペンションジオメトリーの自由度も高く,各車輪のアライメントも柔軟に設定することが出来ます.また,防振や音の抑制も容易であることもメリットの1つです.
その一方,部品点数が多くコストが嵩み,構造が複雑で大きいために設置スペースが必要です.各パーツに高い精度も要求され,アライメントのセッティング難易度も高いです.現在,主流となっているインディペンデントサスペンションはストラット式サスペンション,ダブルウィッシュボーン式サスペンション,マルチリンク式サスペンション等が挙げられます.

順に説明していきましょう.ストラット式サスペンションは,ショックアブソーバーが車輪の位置決めを担っているのが特徴で,他のインディペンデントサスペンションに必要なアッパーアームがありません.そのおかげで部品点数が少なく構造がシンプルで,設置にも大きなスペースを必要としないので室内空間の確保が容易です.
これは駆動輪の傍にエンジンが置かれるレイアウト,特に前輪駆動車にとって非常に重要なメリットとなり得ます.デメリットとしては,ストラット軸と力が掛かる軸が同一直線上にないので,ストラットが曲げ力を受けて乗り心地が悪くなることが挙げられます.

次に,ダブルウィッシュボーン式ですが,これは鳥の胸骨に似たアームを上下に用いてショックアブソーバーを固定している事から名付けられました.鳥の胸骨をウィッシュボーンと呼び,それを2つ組み合わせたサスペンションなのでダブルウィッシュボーン式なのです.
このサスペンション形式の最大の利点は設計に制約が少なく,ジオメトリーの設定自由度が高いことです.これによりキャンバー変化をはじめとする様々な操縦特性を設定することが可能になります.また,ストラット式と違い曲げ力が発生しないのもメリットになるでしょう.フリクションが小さくなるので,ショックアブソーバーがスムーズに動くからです.
その他には,サスペンション剛性を確保しつつ,防振を図りやすいということも挙げられますね.一方で,部品点数が非常に多く構造も複雑なのでコストが嵩み,バネ下重量が重くなってしまいます.

最後は,マルチリンク式サスペンションです.これは,ダブルウィッシュボーン式が上下二本のアームによってショックアブソーバーを支えているのに対し,独立した複数のアームによってそれを行っています.このサスペンション形式は,1982年にメルセデスベンツ190Eのリアサスペンションとして初めて登場しました.以後,高性能車やスポーツカーを中心に様々な車に適用されています.
マルチリンク式はダブルウィッシュボーン式と同様にジオメトリー変化の制御を目的に開発され,ダブルウィッシュボーン式と比較してより高い操縦安定性を確保することができ,乗り心地の良さとの両立が可能です.
こう書くと魔法のサスペンションのようにも思えますが,デメリットももちろん存在します.まず,構造が複雑で部品点数も非常に多く,コストが嵩みます.
さらに,リンク配置が複雑でセッティングが困難であり,性能を維持するのも簡単ではありません.しかし,現時点において最も性能の高いサスペンション形式と言えるでしょう.

F1などのモータースポーツでは、ダブルウィシュボーンが主流

F1などのモータースポーツでは、
ダブルウィシュボーンが主流

高次元で、走る・曲がる・止まるをするモータースポーツ

高次元で、走る・曲がる・止まる
をするモータースポーツ

以上,主要なサスペンション形式とその構造について簡単に紹介しました.サスペンションは車にとって最も重要な「走る・曲がる・止まる」に関連するパーツであり,乗り心地にも重要なファクターとなり得ます.

また,サスペンションはそのジオメトリーだけでなく,アライメントによって車の操舵特性は大きく変化します.自動車パーツの中でも特に奥が深いパーツであると言えるでしょう.アライメントに関してはまた機会があれば筆を取りたいと思います.それでは!

(執筆:岐阜大学自動車部)

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