自動車のサスペンション スプリングの 2 つの基本的なタイプとは何ですか?また、その違いがなぜ重要なのでしょうか?

の 2つの基本的なタイプの 自動車用サスペンションスプリング いる コイルスプリング そして 板バネ 。これら 2 つの設計は、世界中の乗用車、トラック、SUV、商用車に搭載されているスプリング ベースのサスペンション システムの大部分を占めています。それぞれのタイプがどのように機能するか、どこが優れているか、どこが劣っているかを理解することは、車両の仕様、サスペンションのアップグレード、または交換部品を決定する人にとって不可欠です。

コイルスプリングとリーフスプリングはどちらも、道路の凹凸を吸収し、タイヤと路面との接触を維持するためにエネルギーを蓄積および放出するという同じ基本的な目的を果たしますが、まったく異なる機械原理、形状、および耐荷重戦略を通じてこれを達成します。特定の用途に対して間違ったスプリングタイプを選択すると、乗り心地の低下、早期摩耗、ハンドリングの不安定性、または耐荷重不足が発生する可能性があります。

自動車のサスペンション スプリングの 2 つの基本的なタイプはどのように機能するのでしょうか?

自動車用サスペンション スプリングの 2 つの基本的なタイプはそれぞれ、その性能プロファイルのあらゆる側面を形成する明確な機械原理に基づいて動作します。

コイルスプリング: らせん状のねじりエネルギー貯蔵

コイル スプリングは、ねじり、つまりらせんが圧縮または伸張する際に、それ自体の軸に沿ってスプリング ワイヤをねじることによってエネルギーを蓄えます。ホイールが段差に衝突すると、バネが圧縮され、運動エネルギーが弾性位置エネルギーに変換され、撚り線に蓄えられます。ホイールが戻ると、スプリングがそのエネルギーを解放し、サスペンションを静止位置に押し戻します。バネ定数 (ニュートン/ミリメートル (N/mm) またはポンド/インチ (lb/in) で測定) は、ワイヤーの直径、コイルの直径、アクティブなコイルの数、および使用する鋼のせん断弾性率によって決まります。

一般的な乗用車用コイル スプリングのバネレートは次のとおりです。 15および35N/mm フロントサスペンションと 20および50N/mm リアの場合は、車両の重量と意図した乗り心地に応じて異なります。パフォーマンスおよびスポーツ アプリケーションでは、次のレートが使用される場合があります。 60～120N/mm 以上の値を設定すると、ボディのロールが軽減され、コーナリングの応答性が向上します。

板バネ: 層状アーチにおける曲げビームのエネルギー貯蔵

板バネは曲がることでエネルギーを蓄えます。リーフと呼ばれる 1 つまたは複数の平らなスチール ストリップを長さを減らして積み重ね、クランプで締めて半楕円形のアーチを形成します。荷重がかかると、アーチが平らになり、各リーフが曲がり、アセンブリの全長に応力が分散されます。マルチリーフ設計はリーフ間の摩擦を使用してある程度の固有の減衰を提供し、ショックアブソーバーに完全に依存することなく振動を低減します。

小型トラックの後車軸用の標準的なマルチリーフ スプリング パックには、通常、次のものが含まれています。 葉4～7枚 、組み合わせバネレートは 80～200N/mm ペイロード定格に応じて。大型商用車の板バネは、次の速度に達する可能性があります。 300～600N/mm 26,000kgを超える車両総重量に対応します。

自動車のサスペンション スプリングの 2 つの基本的なタイプのうち、どちらが優れていますか?直接の比較

どちらのスプリング タイプも普遍的に優れているというわけではなく、それぞれが意図したアプリケーション ドメインで優位に立っています。以下の表は、実際の車両エンジニアリングと所有権の決定において最も重要な基準全体でコイル スプリングとリーフ スプリングを比較しています。

表 1: 11 の性能およびエンジニアリング基準におけるコイル スプリングとリーフ スプリングの並べて比較

なぜコイルスプリングが乗用車のサスペンション設計を支配するのか

コイルスプリングは、主にそのパッケージング効率、乗り心地、および独立したサスペンションジオメトリとの互換性により、現代の乗用車のフロントおよびリアサスペンションの標準となりました。

独立したサスペンションの互換性

コイルスプリングは、各車輪が反対側に影響を与えることなく垂直方向に移動できるため、マクファーソンストラット、ダブルウィッシュボーン、マルチリンクなどの独立したサスペンション構造に最適です。スプリングはショックアブソーバー (ストラット アセンブリ内) の周囲、またはコントロール アームとシャーシの間に同心円状に配置され、横方向のスペースを最小限に抑えます。これにより、車両設計者は、板バネに必要な長手方向の設置面積を必要とせずに、必要な場所に正確にバネを配置することができます。

調整可能なスプリングレートと先進的なデザイン

コイルピッチ (隣接するコイル間の距離) をスプリングの長さに沿って変化させることで、エンジニアは、 プログレッシブスプリングレート 。低圧縮時には、密に配置されたコイルが最初に結合し、小さなバンプでも快適な柔らかい初速を実現します。圧縮が増加すると、残りの開いたコイルが係合し、重い負荷の下でも底付きに耐える剛性の高いレートが提供されます。この二重特性の動作は、ヘルパー スプリングやバンプ ストップなどの補助コンポーネントを追加しない限り、標準的なマルチリーフ スプリングでは実現できません。

バネ下質量の低減

中型乗用車の一般的なフロント コイル スプリングの重量は次のとおりです。 2.5kgと5kg 。センターボルト、U ボルト、取り付け金具を含む同等の板バネアセンブリの重量は、 12～25kg 角ごとに。バネ下質量 (バネの下のコンポーネントの重量) が減少すると、路面の変化に追従するサスペンションの能力が直接向上し、乗り心地とハンドリングの応答性が向上します。車軸あたりのバネ下重量が 10 kg 軽減されることで、高速安定性と凹凸のある路面での制動距離が大幅に向上します。

高さ調整の柔軟性

コイルスプリングは、周囲のサスペンションジオメトリを変更することなく、異なる自由長やスプリングレートのユニットに交換できるため、ロアリングキット、リフトキット、および荷重固有のアプリケーションに高度に適応できます。調整可能なスプリングパーチとネジ付きショックアブソーバー本体を統合したコイルオーバー システムでは、板バネでは不可能な精度である 2 mm 単位での車高調整が可能です。

リーフスプリングがトラックや大型車両に不可欠な理由

板バネは古い設計であるにもかかわらず、複数の工学的問題を同時に解決するため、トラック、バン、ピックアップ トラック、商用車の後車軸に引き続き採用されています。

構造上の車軸の位置

リーフ スプリングは、追加のハードウェアがなければコイル スプリングでは再現できない二重の機能を果たします。車両の荷重をサポートし、車軸を 3 次元で配置します。スプリングの固定端は前後のブレーキ力と加速力に抵抗し、半楕円形の形状が横方向の安定性をもたらします。リーフ スプリングをソリッド リア アクスルのコイル スプリングに置き換えるには、これまでリーフ スプリングが単独で管理していた力を処理するために、ワッツ リンケージ、パナール ロッド、またはトレーリング アームを追加する必要があり、コスト、重量、複雑さが増加します。

たわみを制御した高い耐荷重性

1,500 kg のペイロードに耐えるリア リーフ スプリング パックは、およそたわみます。 50～80mm 全負荷時 — 車軸を許容可能なジオメトリ制限内に保つ管理可能な範囲。コイルスプリングで同じ耐荷重を実現するには、非常に高いスプリングレートが必要となり、空荷時の乗り心地が非常に厳しくなるか、複雑なプログレッシブシステムが必要になります。板バネは、たわみ時により多くの板の長さが有効になるため、荷重が増加すると当然、より硬い実効レートを提供します。

葉間摩擦による固有の減衰

従来のマルチリーフ パックでは、隣接するリーフ間の摩擦によって振動エネルギーが消散します。これはクーロン (乾式) 減衰の一種です。これは、油圧ダンピングよりも精度が低く、低振幅でわずかに耳障りな感触を引き起こす可能性がありますが、高負荷シナリオでショックアブソーバーに課される要求が軽減されます。一部の大型商用車では、ショックアブソーバーの耐用年数を延ばすために、このインターリーフ減衰が二次減衰源として意図的に使用されています。

商業用途における耐久性とコスト

商用トラックの適切にメンテナンスされた板バネは、 50万km 耐用年数のこと。シンプルなスチール オン スチールの設計には、荷重経路にゴム製ブッシュがなく (取り付けのアイ部分のみ)、アセンブリ全体ではなく個々のリーフを交換できます。この修理可能性により、リーフ スプリングは、ユニット全体の交換が必要なコイルオーバー システムと比較して、商用車の全耐用年数にわたってはるかに経済的になります。

自動車用サスペンション スプリングの 2 つの基本タイプのそれぞれのサブタイプは何ですか?

コイル スプリングとリーフ スプリングはどちらも特殊なサブタイプに進化し、それぞれが特定の性能やパッケージング要件に合わせて最適化されています。

コイルスプリングのサブタイプ

• 円筒コイルバネ： 全体にわたって均一なコイル径とピッチ。線形のバネレートを提供します。普通乗用車で最も一般的なタイプ。
• バレル（凸型）コイルスプリング： 端よりも中央の直径が大きくなります。横荷重による座屈のリスクを軽減し、ストラット用途での安定性を向上させます。
• プログレッシブレートコイルスプリング: 可変ピッチ - 一方の端はよりタイトに、もう一方の端はよりオープンにします。たわみが少ないときは快適さを、たわみが大きいときはしっかりとした感触を提供します。スポーツ車や多目的車によく見られます。
• デュアルレートスプリング: レートの異なる 2 つのスプリングを直列に積み重ね、柔らかい (補助) スプリングを使用します。快適性を高めるために非常に柔らかい初期レートを提供し、その後、柔らかいスプリングが完全に圧縮されると、より硬いレートに急激に移行します。
• ミニブロックスプリング: より短い線径とより密なコイルを使用することにより、より短い自由長が実現されます。最新の低床車両設計で梱包スペースを解放するために使用されます。

板ばねのサブタイプ

• 多板バネ： 複数の葉が徐々に長くなっていく伝統的な積み重ねデザイン。高い耐荷重性、固有の減衰性、耐久性。トラックや商用車に標準装備。
• モノリーフ (シングルリーフ) スプリング: 可変断面の単一の先細のリーフ。軽量で葉間の摩擦が少なく、乗り心地が向上します。最近の軽トラックのリアサスペンションや一部の乗用車のリアアクスルによく使われています。
• 放物線状の板バネ: 各リーフは放物線状に個別に先細になっており、その長さのほとんどにわたって接触することなく独立して曲がることができます。マルチリーフの積載能力とモノリーフの乗り心地を兼ね備えています。最新の商用車のフロントアクスルに標準装備されています。
• 複合材 (グラスファイバー) 板バネ: スチールの代わりにガラス繊維強化ポリマーを使用。まで 65%軽量化 同じバネレートのスチール同等品よりも優れています。腐食しません。軽量化が優先される乗用車や小型商用車での採用が増えています。
• 横方向板バネ: 車両の中心線に平行ではなく垂直に取り付けられ、左右の車輪に同時に機能します。パッケージスペースを節約するために、一部の独立したリアサスペンション設計で使用されます。

自動車のサスペンション スプリングの 2 つの基本的なタイプは他のサスペンション コンポーネントとどのように相互作用しますか?

サスペンション スプリングは単独で動作することはありません。その動作は周囲のシステムによって形成され、その選択によって他のコンポーネントが必要かどうかが決まります。

表 2: コイル スプリングとリーフ スプリングが主要なサスペンション システム コンポーネントとどのように異なる相互作用を行うか

両方のタイプのサスペンション スプリングの摩耗または故障の兆候は何ですか?

スプリングの故障を早期に認識することで、ショックアブソーバー、タイヤ、シャーシコンポーネントへの二次的な損傷を防ぎます。自動車用サスペンション スプリングの 2 つの基本的なタイプでは、警告サインが若干異なります。

コイルスプリングの故障症状

• 目に見えるコーナーのたるみ: 車両の 1 つのコーナーは他のコーナーよりも著しく低く、通常は仕様より 15 mm 以上低くなります。
• カタカタ音やカタカタ音: 破損したコイルはスプリングシート内でガタガタする可能性があります。スピードバンプを超える金属音は、スプリングエンドが壊れていることを示していることがよくあります。
• ボディロールの増加: 規定よりもスプリングが弱いとコーナリング時に傾きが大きくなり、車両が不安定に感じます。
• タイヤの不均一な摩耗: スプリングがたるむとキャンバーのアライメントが変化し、タイヤの片方のエッジの摩耗が加速します。
• 底打ち: の suspension reaching its travel limit (bump stop contact) on ordinary road bumps indicates severe spring fatigue.

板ばねの故障の症状

• リアエンドのたるみまたはリスト: リアアクスルの片側がもう一方よりも低い、またはリア全体がフロントの車高よりも著しく低い。
• 葉のひび割れや折れ： 春の葉の 1 つに目に見える亀裂。 1 つのリーフが破損した場合でも、他のリーフが一時的に負荷を支え、2 番目のリーフが破損するまで障害が隠れる可能性があります。
• 車軸のふらつきまたはシミー: 板バネは車軸の位置も決めるため、バネが故障したり位置がずれたりすると、後車軸が横方向に移動し、ふらついたり引っ張られたりする感覚が生じる可能性があります。
• リアアクスル付近からのきしみ音： 葉間接触面が摩耗または乾燥すると、特に平らでない面で低速時に金属的なきしみが発生します。
• ペイロード容量の減少: 疲労したスプリングパックは、通常の定格荷重下で過度にたわみ、新品のときよりも底付きしやすくなります。

車両用のサスペンション スプリングはどのように指定され、選択されますか?

スプリングの選択には、相互作用およびサスペンション システムの他の部分と相互作用する 5 つの重要なパラメータのバランスをとることが含まれます。

表 3: 5 つの主要なスプリング選択パラメータと、それらが車両の乗り心地、ハンドリング、耐久性に与える直接的な影響

自動車用サスペンション スプリングの 2 つの基本タイプに関するよくある質問

Q: トラックの板バネの代わりにコイルバネを使用できますか?

A: はい。ただし、コントロール アーム、トレーリング リンク、パナール ロッドまたはワッツ リンケージ、および改良されたショックアブソーバー マウントを追加するフル サスペンション コンバージョン キットが必要です。この変換によりコストと複雑性は大幅に増加しますが、乗り心地とハンドリングは向上します。乗り心地の向上が投資に見合ったオフロードビルドやパフォーマンストラックで人気があります。

Q: コイルスプリングとリーフスプリングのどちらの交換費用が高くつきますか?

A: コイル スプリングの交換は通常、ユニットあたりの費用が安くなります。通常、交換用の乗用車リア コイル スプリングのペアの費用は、工賃を含めて 80 ～ 250 米ドルです。小型トラック用のリア リーフ スプリング パックの価格は、スプリングあたり 150 ～ 500 米ドルで、工賃がさらに 100 ～ 200 米ドルかかります。ただし、板バネは一般に、耐久性の高い用途では耐久性が大幅に向上するため、1 キロメートルあたりのライフサイクル コストが競争力があるか、より低くなります。

Q: 両方のタイプの自動車用サスペンション スプリングをペアで交換する必要がありますか?

A: はい、いつもです。車軸のスプリングを 1 つだけ交換すると、両側の車高とスプリングレートの不均衡が生じ、不均一なハンドリング、ブレーキ時の引っ張り、ジオメトリのずれが発生します。 1 つのスプリングだけが目に見えて破損している場合でも、反対側のスプリングも同じ疲労履歴を経験しているため、同時に交換する必要があります。

Q: 自動車の懸架ばねの材質は何ですか?

A: コイル スプリングと板バネの大部分は高炭素クロムバナジウム鋼 (バネ鋼) で作られており、通常、板バネには SAE 5160、コイル スプリングには SAE 9254 または 52CrMoV4 が使用されます。これらの合金は、疲労強度を最大化するために 44 ～ 52 HRC の硬度レベルに熱処理されています。スプリング表面のショットピーニングにより圧縮残留応力が誘発され、疲労寿命が最大 30% 延長されます。複合材料（主にガラス繊維強化ポリマー）は、重量が重要な用途の板バネに使用されることが増えています。

Q: 牽引またはペイロードのアップグレードはサスペンション スプリングの要件にどのような影響を与えますか?

A: ペイロードまたは牽引重量を追加すると、リア スプリングの静的荷重と動的荷重が増加します。車両の既存のスプリングが定格容量またはそれに近い場合、重いトレーラーまたは荷台の荷重を追加すると、過度のたわみ、最低地上高の低下、およびスプリング疲労の加速が発生します。解決策には、既存のパックに補助リーフを追加する (add-a-leaf)、スプリング パックをより高定格のアセンブリに交換する、リア ショック アブソーバーの周りにヘルパー コイル スプリングを取り付ける、または必要に応じてスプリングの耐荷重を増強するエアバッグ アシスト システムを取り付けることが含まれます。

Q: 自動車用サスペンション スプリングの基本的な 2 つのタイプのうち、どちらがオフロードでの使用に適していますか?

A: それぞれにオフロードでの利点があります。コイル スプリングは、優れた車輪の関節動作 (各車輪が独立して広い垂直範囲を移動できる能力) を提供し、平らでない地形でのトラクションを向上させます。板バネは、車軸の巻き付き (トルクがかかると車軸が回転する傾向) に対する優れた耐性と、オーバーランディング機器に対する優れた耐荷重性を提供します。本格的なオフロード ビルドの多くは、関節運動のために前部にコイル スプリングを使用し、耐荷重性とアクスルの安定性のために後部にリーフ スプリングを使用し、両方のタイプの長所を組み合わせています。

Q: 温度はサスペンション スプリングの性能にどのような影響を与えますか?

A: スチール製サスペンション スプリングは、温度が 1 度上昇するごとにバネ定数が約 0.05 ～ 0.1% 減少します。これは、通常の動作範囲では小さな影響です。さらに重要なのは、温度サイクルがバネのセットに及ぼす影響 (時間の経過とともに自由長が永久に失われること) です。低温により鋼の脆性が増大し、-20℃以下での鋭い衝撃によりバネが破損しやすくなります。複合板バネは、同等の鋼製板バネと比較して、極端な温度による影響が少なく、-40°C から 80°C までより安定した速度を維持します。

結論: 自動車のサスペンション スプリングの 2 つの基本的なタイプを理解することは、自動車のスマートな意思決定の基礎となります

の 2つの基本的なタイプの automobile suspension springs — コイル スプリングとリーフ スプリング — は互換性のある代替品ではありません。これらは 2 つの異なるエンジニアリング哲学を表しており、それぞれが異なる一連の要求に合わせて最適化されています。コイルスプリングは、乗用車や独立サスペンションシステムに優れた乗り心地、パッケージング効率、調整性を提供します。板バネは、トラック、商用車、ソリッドアクスルの用途に比類のない耐荷重性、構造のシンプルさ、寿命を実現します。

各タイプの機械原理、性能特性、故障モード、およびサポートされるハードウェア要件を理解することで、車両所有者、フリートオペレーター、エンジニアは、仕様、メンテナンス、およびアップグレードのパスについて、情報に基づいた自信を持った決定を下すことができます。毎日の通勤をスムーズにすること、牽引力を高めること、またはオフロードでの関節動作を改善することが目標であっても、正しい選択は、これら 2 つのスプリング タイプの基本的な違いを理解することから始まります。