自分で創る自分の車 No.3

サスペンション　1/4

クルマのサスペンションには、さまざまな役割があります。
・車をコントロールするための安定したプラットフォームを提供する。
・ガラスのように滑らかな路面以外では、タイヤが受ける衝撃からシャシーとドライバーを分離する。
・凹凸のある路面でも、すべてのタイヤを接触させる。
・ゴム製のタイヤやスプリング、凹凸のある路面が自然に生み出す振動を減衰させる。

などなど...。

サスペンションの欠点を解消するために、様々なバージョンが作られてきましたが、一般的には3つの方法でタイヤの動きを制御しています。
1.横方向：左右の動きを制御する
2.縦方向：前後方向の動きの制御する
3.縦方向：上下方向の動きを制御する
サスペンションは、リンクや構造体を用いて、ホイールやタイヤを車両に対して特定の "ジオメトリー" に配置することで実現しています。
このジオメトリーは、加速時、制動時、旋回時にタイヤ、ホイールとシャシーが示す挙動を決定する。


●サスペンションの構成要素
サスペンションを構成する部品を見てみましょう。

1.タイヤ
路面との最初の接点であるタイヤは、サスペンションのジオメトリーや体重移動と連動してグリップを発揮します。
タイヤには様々な種類がありますが、どのタイヤも路面との接触部分（下図）で必要な摩擦を得ています。
一般的に、コンタクトパッチが大きいほど、摩擦が大きくなります。

また、タイヤのグリップ力は、ゴムコンパウンドの摩擦係数（Cf）とタイヤの構造（ラジアル／バイアス）に基づいています。
この係数は、一定の重量をかけたときにタイヤが提供できる横方向のグリップ力を示します。
Cfが1.0であれば、1ポンド（0.45㎏）の垂直荷重に対して1ポンドの横方向のグリップ力を発揮できることを意味します。
レーシングスリックはCfが非常に高く、1.0以上の範囲にあります。一方、ストリートラジアルは、Cfが1.0に近づくことはほとんどありません。
仮にCfが1.0のタイヤに500ポンド（226㎏）の荷重をかけた場合、500ポンドの横方向のグリップが期待できます。（実際にはもう少し少ない）
さらにタイヤに荷重をかけるための空力的な補助がなければ、車両はほぼ1Gターンを達成することができます。

2.ホイール
ホイールは、タイヤを保持する部分であり、その幅や直径、材質によってそれぞれ特徴があります。
自動車に使用されている主なホイールの種類は、合金とスチールです。
合金ホイールは、アルミニウムやマグネシウムなどの合金材料を使用しているため、非常に軽い重量で製造することができます。
また、一般的にスチール製のホイールよりもはるかに高価ですが、スチール製のホイールのような耐デント性はない。
合金製のホイールは、縁石にぶつかると割れたり、折れたり、ひびが入ったりします。しかし、ほとんどのモータースポーツシリーズやストリートカーでは、合金が選択されています。

スチールホイールは、比較的軽い重量で製造することができ、そのコストは、主に低コストの構造のために、合金よりもかなり低いです。
スチールホイールは衝撃を受けると変形しますが、粉々になるのではなく、通常はタイヤから空気が漏れるようになります。
ホイールには、その幅と直径の他に、オフセット(インセット)と呼ばれる重要な設計上の特性があります。
下図、ホイール・タイヤ切断図では、サンプルのホイールに赤い線が描かれていますが、これはホイールの取り付け面、つまり車両のハブにボルトで固定するラグホールのある面を表しています。
黄色の点線は、ホイールの中心線と、その中心線からの「ゼロ・オフセット」を表しています。
図の左にあるように、取り付け面を車両側に移動させると、「マイナスのオフセット」が発生します。
図の右のように、取り付け面を車両から遠ざけると、"プラスのオフセット "になります。
オフセットは、スクラブ半径を決定するため、アップライト・ナックルの設計と関連して重要です（詳細は後述）。

3.ブレーキ
車のアクセルペダルを踏むことはもちろんですが、ブレーキも非常に重要です。
ブレーキには、ディスクブレーキとドラムブレーキの2種類があります。
どちらも摩擦を利用して、車の運動エネルギーを熱に変えます。
ブレーキの良し悪しを決めるのは、発生した熱をいかに逃がすかということです。
熱がこもりすぎると、ブレーキパッドやシューの摩擦力が低下し、「ブレーキフェード」と呼ばれる現象が発生します。
下図のディスクブレーキは、ローター（ブレーキパッドが摩擦して熱を発生する面）が空気の流れにさらされているため、レースやハードな走行でも確実な制動力を発揮します。
これにより、外気への熱の放出が早くなります。

ディスクブレーキシステムは、下図のような仕組みになっています。
ドライバーがブレーキペダルを踏むと、マスターシリンダー内のピストンがブレーキフルード（黄色）を圧縮します。
ブレーキフルードは、ブレーキラインを通ってキャリパー（緑）に至ります。
キャリパーでは、ブレーキパッド（赤）が取り付けられた2つのピストン（青）が回転するブレーキローター（グレー）に押し付けられ、摩擦が発生してブレーキローターとそれに取り付けられた車輪が減速します。

ドラムブレーキは、下図B3に示すように、半円状のシューをスレーブシリンダーでブレーキドラムの内側に押し付けて使用します。

ブレーキを解除した状態では、下図のようにシューとドラムの間にわずかな空隙があります。

上図のようにシューが噛み合っている状態では、ブレーキは大きな摩擦によって高い制動力を発揮します。

しかし、ディスクブレーキではローターが露出しているのに対し、ドラムは閉じているため、熱がこもりやすく、ブレーキフェードの発生が早くなります。下図は、油圧式のドラムブレーキです。

ドライバーがブレーキペダルを踏むと、マスターシリンダー内のピストンがブレーキフルード（黄色）を圧縮します。
ブレーキ液は、ブレーキラインの中を通って、2つのピストン(ピンク)があるスレーブシリンダー(青)に送られます。
これらのピストンはブレーキシュー（赤/水色）に取り付けられています。
ピストンはブレーキシューをドラム（緑）に押し付け、摩擦を発生させ、ブレーキドラムとそれに取り付けられた車輪を減速させます。

ドラムブレーキは製造コストが安く、一般的にはホーシングやアクスルと組み合わせて使用されます。
しかし、レースカーやスポーツカーでは、質量が少なく冷却性に優れたディスクブレーキが好まれます。

■サスペンション設計のポイント（1/4のまとめ）
・バネ下重量の低減
バネ下重量とは、タイヤ、ホイール、サスペンションで構成される重量のことで、路面の凹凸に対するタイヤの追従性を左右します。
ホイールやタイヤ、サスペンションを軽量化することで、重量を減らすことができます。
これらのサスペンション部品の重量は、それ自体はそれほど重要ではなく、車両のばね上重量（シャシー、ドライバー、エンジンなど）と、ばね下重量との比率が重要です。
バネ下重量がバネ上重量に対して低ければ低いほど、スプリング、ダンパー（ショック）、スタビライザーを介して、タイヤ・ホイールをコントロールしやすくなります。

2/4へ続く