車のサスペンションのバネ定数の定義、計算式、選定ガイド

車のサスペンションのバネ定数は、サスペンション スプリングを 1 単位の長さだけ圧縮するのに必要な力です。 500Nの荷重でコイルスプリングを10mm圧縮すると、バネ定数は50N/mmとなります。エンジニアはこの数値を使用して、乗り心地、車体のロール、耐荷重、サスペンション周波数を予測します。適切なバネ定数を選択するということは、バネをできるだけ硬くするか柔らかくするかということではありません。重要なのは、バネ定数を車両の質量、用途、減衰に適合させることです。

定義とフックの法則

車のサスペンション スプリングは、通常の動作範囲では線形弾性要素として動作します。フックの法則は、力はたわみに比例すると述べています。

F = k x

ここで、F は加えられる力、x はたわみ、k はバネ定数です。サスペンション スプリングの場合、k は通常、ニュートン/ミリメートル (N/mm) またはニュートン/メートル (N/m) で表されます。 1 N/mm は 1000 N/m に相当します。

k を測定するには、ばねを圧縮試験機に置き、2 つ以上のたわみ点での荷重を記録し、荷重の変化をたわみの変化で割ります。

k = (F2 - F1) / (x2 - x1)

• ばねの自由長から 20 mm まで圧縮するのに 1200 N、40 mm まで圧縮するのに 1800 N かかる場合、k = (1800 - 1200) / (40 - 20) = 30 N/mm となります。
• より柔らかいスプリングのレートは 20 N/mm に近い場合がありますが、高性能スプリングのレートは 70 N/mm 以上に達する場合があります。

バネ定数が乗り心地とハンドリングに影響を与える理由

サスペンション スプリングは、バネ上質量の固有振動数を定義します。 1 つのコーナーにバネ定数 k の質量 m の剛体がある場合、乗車周波数は次のようになります。

f = (1 / 2π) × sqrt(k / m)

一般的な乗用車の場合、乗車周波数は通常約 1.0 ～ 1.5 Hz です。バネ定数が高くなると、この周波数が高くなり、車がより硬く感じられます。レートを低くすると、値が低くなり、車の感触が柔らかくなります。

• バネ定数が高い: ボディのロールとピッチが小さくなり、ステアリングの応答が速くなり、耐荷重が大きくなりますが、衝撃が激しくなり、荒れたアスファルトではグリップ力が低下します。
• バネ定数が低い: 乗り心地がスムーズになり、小さな段差でのタイヤの接地性が向上しますが、車体の動きが大きくなり、荷重がかかると底付きするリスクが高くなります。
• スプリングとダンパーのマッチングが必要です。減衰力の低いハイレートスプリングは、衝突後も振動を続ける可能性があります。

コーナー質量にはバネ上の質量が含まれますが、ホイールやコントロール アームなどのバネ下のコンポーネントは含まれません。同じスプリングでも重い車と軽い車では感触が異なるのはこのためです。

代表的なばね定数の範囲

すべての車に適用できる単一の正しいバネ定数はありません。サスペンション設計者は、軸荷重、サスペンショントラベル、ロール剛性目標、乗り心地に基づいてレートを選択します。

これらの数値はコイル スプリング自体のレートを表します。サスペンションのジオメトリがスプリングの動きを増幅または減少させると、ホイールの実効レートが異なる場合があります。

バネレートとホイールレートの関係

スプリングがコントロール アームまたはマクファーソン ストラットに取り付けられている場合、タイヤ接地面での垂直方向の力は常にスプリングの力と等しいとは限りません。スプリングの移動量とホイールの移動量の比は運動比と呼ばれます。ホイールでの有効垂直速度は次のとおりです。

ホイールレート = スプリングレート x (スプリングトラベル / ホイールトラベル)²

ホイールが 1.0 mm 移動するときにスプリングが 0.6 mm 縮む場合、ホイール レートはスプリング レートの 0.36 倍にすぎません。したがって、40 N/mm のスプリングを備えた車は、そのコーナーでの実効ホイール レートが約 14.4 N/mm になります。この計算は、異なるサスペンション設計間で見積もられたバネ定数を比較する場合に不可欠です。

適切なばね定数を選択する方法

交換または改造したサスペンション スプリングを選択する前に、目標荷重、許容移動量、および希望する乗車頻度を定義します。

• メーカー純正のバネレートと自由長から標準交換品となります。
• 耐荷重アプリケーションの場合は、単に長いスプリングではなく、通常の車高でより高いレートのスプリングを選択してください。
• 車高が低い場合は、スプリングがコイルバインドしないように十分なバンプトラベルを確保してください。
• ダンパーの圧縮特性とリバウンド特性を確認します。スプリングレートがダンパー設定から遠すぎると、乗り心地が不安定になったり、浮遊したりすることがあります。
• 快適な低速応答性と負荷時またはコーナリング時のよりしっかりしたレートが必要な場合は、プログレッシブ スプリングを検討してください。

工場交換用スプリング

純正の交換用サスペンション スプリングは、工場出荷時のバネ定数、自由長、シート設計を復元する必要があります。正しい OE 交換品は、オリジナルと同様のワイヤ直径、アクティブなコイルの数、および合計コイル数で製造されます。

乗用車およびトラック用の純正交換用サスペンション スプリング このリストには、元の車高とスプリングレートを復元するように設計された工場仕様の交換用スプリングが含まれています。車両の純正サスペンションジオメトリを変更せずに、予測可能なハンドリングと快適性を優先するオーナーに適しています。 製品を見る→

改良された高性能スプリング

改良されたサスペンション スプリングは通常、車体のロールを軽減するために、車高を低くし、バネ定数を高くして取り付けます。目的は単に車を硬くすることではありません。それは、乗り心地のコンプライアンスを多少犠牲にして、使用可能な周波数範囲をステアリング応答と安定性の向上にシフトすることです。

改造されたオフロード車およびロード車のサスペンション スプリング アップグレードされたスプリングは、ステアリングの応答性を向上させながら、ボディのロールを低減し、車高を下げることを目的としています。これらは、舗装路や要求の厳しいオフロード地形での安定性を高めるために、より厳格なコンプライアンスを受け入れる愛好家に役立ちます。 製品を見る→

リニア設計とプログレッシブ設計の詳細な比較については、以下をお読みください。 リニアスプリングレートとプログレッシブスプリングレートの比較 .

ばね定数の確認

市販のサスペンション スプリングは自由長だけでは決まりません。信頼できるサプライヤーは、指定された圧縮高さで荷重を測定し、許容範囲内のバネ定数を報告します。

1. 校正済みの圧縮試験機にスプリングを取り付けます。
2. 車両の形状に適合する平らなプレートまたはスプリング シートの間にスプリングを設置します。
3. スプリングをプリロード高さまで圧縮し、力を記録します。
4. 2 番目に定義された高さまで圧縮し、力を再度記録します。
5. 2 つの荷重を減算し、たわみで割ってばね定数を求めます。

IATF/TS16949 の品質手順に従うメーカーは、通常、標準のヘリカル サスペンション スプリングの許容誤差を約 ±5% としてスプリングレートを管理します。多くの場合、指定された高さでの荷重は、理論上のばね定数だけよりも実際的な許容基準となります。

Zhejiang Zongheng Spring Co., Ltd. は、この測定アプローチを自社の研究室で適用し、荷重試験機、疲労試験機、材料分析装置を使用してバッチの一貫性を検証しています。定義されたバネ定数のバネが必要な場合は、 弊社のエンジニアリングチームにお問い合わせください 車両のタイプ、目標レート、負荷要件に合わせて。

サスペンションバネ定数FAQ

車のサスペンションのバネの一般的なバネ定数はどれくらいですか?

ほとんどの乗用車用コイル スプリングの線速度は 20 ～ 60 N/mm です。コンパクトカーは低価格帯に近い傾向にありますが、SUV や高性能車は高価格帯に近い傾向があります。正確な値は、軸重とサスペンションの設計によって異なります。

バネ定数が高いほど常に硬いのでしょうか?

はい、線形スプリングの場合です。 k が大きいほど、たわみ 1 ミリメートルごとにより多くの力が必要になることを意味します。ただし、感触はモーション比、ダンピング、タイヤの剛性、バンプストップによっても異なります。

バネを外さずにバネ定数を測定できますか？

正確ではありません。信頼できる荷重 - たわみ曲線を取得するには、スプリングを車から降ろすか、少なくともサスペンション ダイナモメーターで測定する必要があります。バウンステストからのホイールレートの計算は検証に役立ちますが、タイヤとブッシュの影響が含まれます。

ばね定数が高すぎるとどうなるでしょうか?

レートが高すぎると、サスペンションの移動量が減少し、より多くの路面衝撃がボディに伝わり、荒れた路面でのタイヤのコンプライアンスが低下します。また、ダンパーに力が入りすぎて、車両がスキップしたように感じる可能性があります。

コイルスプリングを切断するとバネ定数は変化しますか?

コイルを切断すると、アクティブなコイルが削除され、バネ定数が増加しますが、バネの座面が変化し、応力集中が生じる可能性もあります。これはサスペンションを調整する信頼性の高い方法ではないため、通常、道路車両には推奨されません。