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ショックアブソーバー

ショックアブソーバー

ローダウンする時、ダウン量やバネレートをじっくり調べるお客様は少なくありません。

見た目のダウン量だけでなく、乗り心地を良くしたいとも思うので、当たり前だと思えますが、ショックアブソーバーは「乗り味」を左右する重要な部品であるとの認識は低いように感じます。

「タイヤ」と「ホイール」の関係に近いようにも感じますが、「タイヤ」ほど選べないという現実も問題だと思っていはいるのですが・・・

スプリングは縮め、力を抜くと元に戻ります。そして今度は又縮み、戻りを繰り返します。スプリング内部の抵抗もありますので永久には続きませんが、長時間振動は続きます。

サスペンションに使われるスプリングも同様に外部からの入力に対してスプリングは振動してしまいます。

スプリングが振動し続けると・・・車体が振動し続けることになり、操縦安定性が損なわれます・・・っていうより、気持ち悪くて乗りたくありません。

振動しないようにスプリングを硬くすると乗り心地が悪くなってしまいます。乗り心地が確保される程度に柔らかくするには、スプリングの振動を止める装置が必要になります。それがショックアブソーバーです。

サスペンションが外力によって動くと、スプリングがその反力で元に戻す、そしてスプリングの振動によって車体が振動する。その振動、サスペンションの動きに抵抗を与える事で振動を抑制しています。スプリング自体にも内部抵抗がありますが、ショックアブソーバーはサスペンションの動きに抵抗を与えてブレーキをかけます。

サスペンションの運動エネルギーを熱エネルギーに変換している訳ですね。

ショックアブソーバーはシリンダー内をオイルで満たし、サスペンションにつながれたロッドの先端にピストンを設置します。サスペンションが縮むと、ピストンが動かされます。

ピストンに細工が無ければ動きませんが、ピストンには小さな穴があけられており、この穴をオイルが通過することでピストン=サスペンションは動くことができます。

オイルを硬く、ピストンの穴を小さくすれば、サスペンションへの抵抗は大きくなります。ショックアブソーバーの抵抗=減衰力を大きくすると、スプリングのバネレートを上げたのと同じような効果が出ます。

ショックアブソーバーの種類

ショックアブソーバーは、その構造で2つの種類に分類されます。

ショックアブソーバーは筒状のシリンダーにオイルを満たし、ロッド先端のピストンに開いた穴をオイルが通過する抵抗でサスペンションの振動を止めています。このままではショックアブソーバーは動かないのがわかりますか?何故か・・・

液体は圧縮できない=圧力をかけても体積が変わらないですよね。

このままショックアブソーバーを縮めると、シリンダー内に入るロッド分の体積が邪魔なんです。その分のオイルがどこかに移動してくれないと縮みません。伸ばすなら、オイルの補充が必要です。

複筒式(ツインチューブ)

ならば簡単にシリンダーの先端に穴を開けて、水鉄砲のようにすると縮みますね。で、出たオイルの受け皿的な外部タンクを用意しておけば、伸ばすときはそこからオイルが移動すればいい訳です。

そこで、単純な構造として、シリンダーの外を別のシリンダーに入れて、2重構造にすると、すき間をオイル用の外部タンクにできるのです。

この2重構造のシリンダーのショックアブソーバーを複筒式と呼びます。

メリット
・ガス室が無い為、ストロークが確保しやすい
・封入ガス圧を低くできるため、乗り心地に優れる傾向にある
・封入ガス圧が低いため、シール緊縛力等の抵抗が小さい
・ケースが若干へこんでも、ショックアブソーバの機能に影響がない
・製造時の加工性に優れ、コストを抑えることができる

デメリット
・オイル容量をかせぐことが困難
・ピストンバルブサイズが大きくできない
・構造的に取付角度に制限がある
・オイル室とガス室に区切りが無いため、エアレーションを起こすことがある

単筒式(モノチューブ)

単筒式は複筒式と違いシリンダーのみで外部のオイルタンクを持たない構造です。ド・カルボン式とも呼ばれます。 ロッド、ピストンとは別にフリーピストンでオイル室と分離したガス室を持っています。ガスは気体ですから圧縮で体積が小さくなります。ロッド分の体積をガス室で吸収しています。

構造はシンプルですが、シリンダー、フリーピストンの精度が悪いとガスとオイルの分離がうまくできません。また、ある程度のピストンの抵抗があるので、微低速時に硬めになる傾向があります。

メリット
・オイル容量を多くすることができるため、熱容量に余裕があり、安定した減衰力を発生することができる
・ピストンバルブサイズを大きくすることができるため、微小な減衰力も確実に発生することができる
・構造的に取付角度に制限がない
・オイルの放熱性が良い
・オイルとガスが混ざらないため、エアレーションがおきない

デメリット
・ ガス室の分、全長が長くなる
・高圧ガスを封入するため、ゴツゴツとした乗り心地となる傾向にある
・上部のオイル漏れ止めパッキンには、常時ピストン上室の圧力が直接かかるため、高圧化で信頼性の高いものが要求される
・シールなどの緊縛力が上がり、フリクションが大きくなる傾向にある
・アウターケースが直接シリンダーとなる為、跳ね石等による変形で作動不良となる可能性がある
・コストが比較的高い

スプリングには非線形レート=プログレッシブレートを採用して、乗り心地と安定性を両立させたように、ショックアブソーバーにも低速領域と高速領域の減衰力を変える工夫がされています。

減衰力を決めるのはオイルの硬さ=粘度とピストンの小さな穴です。オイルの硬さは簡単に変えられませんので、ピストンの穴を可変式にします。

具体的には穴に蓋をして、一定の力が掛かると開いたり閉じたりさせます。これにより低速域では減衰力は低めに、高速域では減衰力を高めにセットしたりします。

オイルの抵抗はオイルの流れる速度の自乗に比例します。つまり、動きが早くなるほど抵抗は大きくなってしまいます。低速領域はバルブの無い固定オリフィスを使い、高速領域ではバルブを開いて高速用の減衰力を使います。

これで、乗り心地と安定性の両立を図っているのです。

大半の乗用車は複筒式ショックアブソーバーを採用しています。これはコストの問題が主ではあります。

単筒式のショックアブソーバーと言えば・・・ビルシュタインが有名ですね。オーリンズなどの高級ショックアブソーバーも単筒式ですし、レーシングカーに使われるショックアブソーバーはほとんど単筒式です。では、この単筒式のメリットは何でしょう?

まずは、ピストン径が大きくできるというのが上げられます。複筒式の外側はケース兼タンクで、2重構造の内側が本来のシリンダーですから当たり前ですよね。 でも、なんでピストン径が大きいのがメリットなの?

ショックアブソーバーはピストンの小さな穴を通るオイルで、抵抗=減衰力を発生させています。この穴を小さくすると抵抗=減衰力が高くなりますが、ココを通るオイルの量が少ないと、精密な減衰力のセッティングができません。

より精密な減衰力セッティングをする為にはたくさんのオイルが通過すると有利、つまり、同じサスペンションの移動量ならピストン径を大きくするとオイル流量は増えるという事になります。 より精密な減衰力セッティングが必要なレーシングカーなどは単筒式のショックアブソーバーを使う訳です。

右の画像は右から順に・・・

ストリート用ビルシュタイン

フェラーリ用ビルシュタイン

レース用ビルシュタイン

また、単筒式はオイルに直接触れるシリンダーが直接外気に触れるので放熱性が良いです。複筒式はシリンダーをオイル、気体で覆うので、放熱性は悪いです。 ショックアブソーバーはサスペンションが動く運動エネルギーをオイルの抵抗で熱エネルギーに変換する装置なので、放熱は重要なポイントなんです。熱によるオイルの粘度変化があっては減衰力のセッティングもあったモンではありません。

ちなみに、オイルは熱で活性化され劣化する速度が上がるので、放熱性の良さは耐久性の良さにも結びつきます。

更に、構造上複筒式はショックアブソーバーを一定以上寝かせて取り付ける事ができません。これは、シリンダー下部のベースバルブでシリンダー内のオイルと、外部タンクのオイルを出し入れしている為です。・・・???

極端な例では、右の図のように複筒式を逆さまに取り付けてみます。これでピストンを引き出すと・・・はい、上部に溜まったガス(もしくは空気)がシリンダー内に入ってしまいます。これではピストンの動きで気体を圧縮するだけで減衰力は発生できません。

複筒式は逆さに向けてもなんら問題はありません。・・・って、そんなショックアブソーバーの取り付け方法ってあるの?

バイクなどではよく見かけますが「倒立式」ってご存知でしょうか?ショックアブソーバーを逆さまに、つまり倒立状態で装着しているものの事なのですが、クルマ用にもあるんですよ。

なぜ倒立なんてややこしい事をするのか?

ストラット式のサスペンションの場合、ショックアブソーバー自体がサスペンションアームとしての機能を持っているので、ショックアブソーバーに横力がかかります。コーナリング時にショックアブソーバーを曲げようという力がかかる訳です。

通常のショックアブソーバー、つまり正立の場合、細いロッドで横力を受ける事になります。細いのでわずかにでもしなってしまうと、シールが傷んでオイル漏れの要因になったり、ロッドの傷、果てはロッドの曲がりでショックアブソーバーが動かなくなってしまったり・・・

かといって、ロッドを太くすると、ただでさえシリンダーが細く、オイル量が少ないのに、ロッド分でさらにオイル量を減らしては意味がありません。

そこで、倒立式にすると、横力を受けるのは太いシリンダーになるので変形等に対して強くなります。また、剛性も上がるので、レスポンス等に好影響となります。

バイクなどの場合は、より顕著に効果は現れるようです。

ビルシュタインはストラット式のショックアブソーバーは基本的に倒立式にしてくれています。オーリンズなどもそうですね。

F1などのレーシングカーは、ダブルウイッシュボーンのサスペンション形式が基本ですから、ストラット式のような横力はショックアブソーバーに掛からない為、複筒式でも良さそうな気もしますが・・・

いえいえ、空力等のさまざまな要因で、ショックアブソーバーをフレーム(モノコック)の中に収納したりします。ですので、横向きだったり、倒立だったり、様々な位置、角度で取付けされますので、やはり単筒式が必要となっています。

では、複筒式のメリットは何か? まずはコストが安いこと。加工精度を要求しないのが大きいと思います。

加えてストロークの確保が容易なこと。単筒式のフリーピストン、ガス室がありませんから。

封入のガス圧が低くて済むので、乗り心地の確保がしやすい事です。

街乗り主体の乗用車なら、低コストで乗り心地が良い複筒式の方がメリットが大きいように思えますよね。

ちなみに・・・「ガス封入ダンパー」、ダンパー=ショックアブソーバーでガスがショックアブソーバー内に入っている事を示しています。わざわざそう宣伝しているという事は、ガスが入っていないショックアブソーバーがあるという事なんですよね。

じゃ、ガスを入れるメリットは?

単筒式はガス室のガスが入っていないと、構造的に成り立ちませんが、複筒式はガスでなく空気のモデルもあります。ここにガスを入れるのはなぜでしょうか?

ショックアブソーバーが伸ばされる時、それも急激に・・・オイルがベースバルブの小さな穴を通ってシリンダー内に入っていくのですが、そのオイルの流入が追いつかなくなると、何も無い空間ができます。真空ですね。

オイルの中に真空が発生すると、オイルが蒸発して気体になりオイルの中に気泡が発生します。これがキャビテーションと呼ばれる現象です。

オイルの中に気体部分があると、減衰力が発生できません。 このキャビテーションを防止する為に、あらかじめオイルに圧力をかけておき、真空を発生しにくくする。複筒式のオイルタンク部分にガスを充填してオイルを与圧しておく訳です。これで随分キャビテーションが発生しにくくなります。

ガス封入ダンパーは、高速走行などを想定してセットされたショックアブソーバーなのです。クルマの走行性能が向上した現在、大半の乗用車がこのガス封入ダンパーを純正採用しています。

単筒式にも複筒式にも減衰力調整機構を持ったショックアブソーバーがあります。

ショックアブソーバーはピストンに空けられた微細な穴をオイルが通過する際に発生する流路抵抗が減衰力の源ですので、この穴の大きさを変える事で減衰力を変える事ができます。

穴を大きくすると減衰力が低く=乗り心地が柔らかく、穴を小さくすると減衰力が高く=乗り心地が硬くなります。

左の図では、A、B、Cそれぞれのオリフィスを開ける事で、減衰力を調整しています。

例えば、全部開けるのがソフト、全部閉じてハード、どれかだけ開けるのが中間となりますね。

本来、荷重を受けるのはスプリングの役割で、ショックアブソーバーはサスペンションの動くスピードを制御していると言えます。

減衰力を上げるのと、スプリングを硬くしたのでは同じとはなりませんが、スプリングの硬さを変えたような効果を発揮してくれます。

スプリングを変えるのは何かと大変ですが、ちょっとした操作でスプリングを変えたような効果を発揮する減衰力調整機構付きのショックアブソーバーは面白いかもしれません。

ちなみに、雨の日など、路面が滑りやすい状況では減衰力を低くすると安定性が良いです。逆に高速走行などでは減衰力を高くすると安定性が良いです。

前後の減衰力バランスを変えると、アンダーステア、オーバーステアのセッティングができます。

ちなみに・・・ショックアブソーバーの減衰力を上げる事でバネレートを上げたのと同じような効果が得られるなら、バネレートを上げて減衰力を下げるのと、バネレートを下げて減衰力を上げるのとどちらも同じような事に見えます。 が、実際にはバネレートを下げて減衰力を上げる方が乗り心地は有利なようです。

減衰力調整ができるショックアブソーバーなら、減衰力を変えてみると乗り心地、安定性が変化して面白いですよ。

また、ショックアブソーバーは伸びと縮みに分ける事が可能です。伸び側と縮み側の減衰力特性を変える事で、乗り心地と安定性の両立を図るように作られています。

なかには伸び側、縮み側のそれぞれの減衰力を個別に調整できるショックアブソーバーも存在します。競技用が中心ですが、セッティングの幅は無限大です!

スプリングは、バネレートと車高を選ぶだけに近いですが、ショックアブソーバーは減衰力のセッティングで乗り味は大きく変わっていきます。

低速域、中速域、高速域とそれぞれの減衰力の基礎に、そのつながり、それらが伸び、縮み共に設定できます。良くできたショックアブソーバーは、このセッティングが絶妙で、乗り心地も良く、安定性も良い、硬すぎず、しなやかにサスペンションがよく動く・・・

ショックアブソーバーは、本当はじっくり選びたいですね・・・