自動車のメカニズム（スプリング編）

【はじめに】

スプリングはダンパーとともに乗り心地や走行性能を左右する重要なパーツです。

特に硬さ/柔らかさは乗り心地の大きく寄与します。

スプリング=バネです。
（以降バネとも呼ぶ）

サスペンションの構造やダンパー・スプリングの概要は下記のノートを見てください。

【スプリングの役目】

スプリングは路面の急激な変化を直接車体に伝えないために使われます。

スプリングは路面からの反力を受けて変形し力を蓄えます。

蓄えられた力は元の位置に戻るために使われるため車とタイヤの位置関係は変化しますが最終的には元の位置に戻ります。

【スプリングの構造】

自動車で使われるスプリングには以下のものがあります。

・コイルスプリング
・リーフスプリング
・ねじりスプリング
・空気バネ
・ゴム/樹脂

素材や形状から名前が付いています。

【コイルスプリング】

乗用車で最もよく使われるバネです。

コイルの形状をしていて、ダンパーと同軸で設置されることが多いです。

螺旋の上下方向に力がかかり、自動車用サスペンションでは縮む方向で使われます。

車体の重量を支える重要なバネです。

【リーフスプリング】

板バネとも呼ばれます。

商用車やトラックで多く採用されています。

前後には長いですが上下方向に短いので荷室空間に干渉しにくいです。

変わったところではシボレー コルベットというアメリカのスポーツカーでも採用されています。

配置の仕方は商用車のそれとは違い、横置きです。

何枚もの金属製の板を束ねていて、板同士の摩擦により減衰性能を発揮します。

車体の重量を支える重要なバネです。

【ねじりバネ】

金属をねじることでその反力を利用します。

サスペンション用のねじりバネとして最も多く使われるのはアンチロールバー（いわゆるスタビライザー、略してスタビ）です。

独立した構造のものもあれば、トーションビーム式サスペンションでは大きなサスペンションアームと一体化したものもあります。
（トーション=ねじれの意）

車体重量を支えるように使われることもありますが、採用例は少ないです。

【ゴム/樹脂】

ゴムや樹脂の塊をバネとして使用します。

現代の乗用車では重量をこれだけで支えることは無いですが、旧ミニではラバーコーン式のバネが使われていました。

バンプストップラバーという部品で使われることが多いです。

サスペンションが沈み込みすぎた時に地面と車体がぶつかったりアームとフレームがぶつかったりすることを防ぐため取り付けられています。

フレームとアームの間やダンパーのロッドに備え付けられています。

空気バネと同様にバネ定数が非線形です。

その特性を利用するために1Gの状態から触れている車もあります。

【空気バネ】

空気バネを使ったサスペンションです。

エアサスペンション（略してエアサス）とも呼ばれます。

空気バネは金属のバネと違って以下の特徴があります。

・反力を気圧でコントロールすることができる
・縮むほどバネ定数が高くなるので、縮んでいない状態では柔らかく、底付きに近づくほど固くなるので、底付きしにくい。
・温度の影響を受けやすい（ボイル・シャルルの法則）
・空気バネには固有振動数が無いので共振が起きづらい。

反力を自由に設定できる反面、気体が漏れてしまうとバネとして役に立ちません。

オイルに比べて気体の分子は小さいのでパッキンによる気密が難しく、液体と違って潤滑と冷却がされにくいです。

一般的なオイルダンパーと金属バネの組み合わせのサスペンションと比べた場合、メンテナンスを怠った結果が異なります。

金属バネの場合は減衰力が失われてバネの振動がなかなか減衰しないのに対し、エアサスは車高が沈んだままになってしまいます。

【エアサスの寿命】

エアサス本体は10年くらい持ちます。

パッキン類は走行や環境によって左右されますが4,5年で適宜交換するようです。

ただエアサスコントローラーを付けてユーザーが車高短にしていた場合は、寿命が一気に縮みます。

【バネ定数（スプリングレート）】

バネに力を加えて変形させるとき力の大きさに比例して変形の量が増えます。

比例の角度をバネ定数と呼びます。

単位はN/m（SI単位系）ですが、車のサスペンション用のバネではN/mmが使われることが多いです。（昔はkgf/mmでした）

サスペンションストロークとバネ定数と前後荷重からどれだけの沈み込み方をするかは計算できます。
（レバー比の計算は必須です）

バネにはプリロードがありますしブッシュ等バネ以外の変形要素があるため必ずしも一致はしませんが。

【アンチロールバー】

アンチロールバー（いわゆるスタビライザー）は左右のサスペンションの変化量の差によって働くように付けられたバネです。

左右の変化を抑制する事でカーブを曲がる時にロールを抑える動きになります。

しかし路面は都合よく出来ていないので、直線状態でも左右差のある挙動をします。

片方だけ車輪がバンプするとスタビライザーが片側のバネ寄与をしてしまい、バネが硬くなる方向になります。

アンチロールバーはカーブの時だけ効かせたいという要求があるためアクティブスタビライザーという、状況によってバネの力を強弱する装置もあります。

【バネの作動効率】

タイヤ⇄車体の距離変化量=サスペンションストロークに対してバネの変化量が大きいほど、バネは上手に動きます。

作動効率はレバー比により決定されます。
サスペンションアームの途中にバネが取り付けられていれば動きが小さくなり、アームの端に行くほど1対1に近づきます。

また斜めに取り付けられても作動効率は下がります。
垂直に近いほど作動効率は高くなります。

バネは変化量に応じて反力を発生させますが、動きが小さいと、それだけ硬いバネで支えることになります。

バネが硬いとバネで直接受ける力よりもアームの各リンクにつけられたブッシュの方が先に変化するためバネが働きにくくなります。

また微振動が連続するとバネが共振を起こしてしまいます、

スタビライザーについても同様です。

【サスペンションを見るときのポイント】

見るべきポイントは
・バネが車輪に近いか
・バネが垂直に近いか
です。

乗用車の場合はフロントサスペンションにストラット式を採用することが多いので、この形式だとほぼ1対1になります。

スタビライザーのリンクもダンパーに取り付けられていればほぼ1対1です。

他の形式だとアームの途中に取り付けられることが多いので作動効率が下がることが多いです。

バネはダンパーと違って速度感応性は低いのでリアサスペンションなどスペースを優先したい場合はアームの途中に取り付けられる例が多いです。
（バネとダンパーの別配置など）

【高性能車に硬いバネが付いているのは何故か？】

高性能車には扁平率の高いタイヤや大きく重いブレーキと、同じく大きく重いホイールが装着されることが多いです。

バンプを乗り越えるとタイヤはバンプによりジャンプしますが、ジャンプしている間は荷重が減ってしまうため車重を使ってタイヤを路面に素早く押さえつける必要があります。

タイヤのジャンプ力はタイヤが重いほど強いため硬いバネが必要になります。

重心を低くするために車高を下げることも多いです。

そうするとストロークが短くなります。

ストロークを短くしたら支えるバネも硬くする必要があります。

結果としてバネを硬くする必要が出てきます。

バネを硬くするということはダンパーも硬くする必要が出てきます。

【バネカット】

車高を格安で落とす方法としてバネを切断するという大胆な方法を取る人が居ます。

安易な考えで行われることが多いですがとてもリスクの高い行為です。

バネはサスペンションストロークに合うように長さが設計されています。

カットしたバネは長さが足りないのでフルバンプ時に外れます。

外れたバネはタイヤに刺さります。

バネがタイヤに刺さったら即時バーストして大変危険です。

【BOSE電磁サスペンション】

スピーカーメーカーのBOSEです。

市販車への搭載はありませんが、自動車用サスペンションとしてはかなり異彩を放っています。

構造としてはスピーカーのように電磁力を使って車体の重量を支えます。

電力をバカ食いしそうですが、路面からの衝撃を起電力にする事で浪費を防いでいるそうです。

初期のテストカーが初代セルシオなのも時代を感じさせます。

デモの最後では車がジャンプしています。

【あとがき】

バネは乗り心地を決定する大事なパーツです。

乗り心地の大部分はサスペンションストロークに比例します。

見た目だけのために車高を落とすと快適性も走行性能も下がることが多いので、いじる前によく考えてみてください。