テクニカルリファレンス

ステアリングとサスペンションのメカニズム

ステアリングジオメトリ

"フロントアライメント"とは、車輪とサスペンションとステアリングの関係のことを指します。これらの関係はステアリングジオメトリと呼ばれる角度を使って計算されます。この角度には、キャンバー角、キャスター角、キングピン傾斜角があります。このページでは、これらの角度の定義とその働きをカバーします。

キャンバー角

キャンバー角

車両を前から見たときに、タイヤが傾いている角度のことをキャンバー角といいます。この角度は車両に積んだ荷物などの重さや、サスペンションの動きによって変化します。

前から見たときに、タイヤの上部が外側に傾くようなキャンバー角のことをポジティブキャンバーといいます。反対に、内側に傾くようなキャンバー角のことをネガティブキャンバーといいます。

ホイールの中心を通る線と、上下にまっすぐ引いた2本目の線によって示されます。タイヤと路面が接する部分で交差するようにします。キャンバーは方向制御角であり、タイヤ摩耗角でもある。元来、道路は高いクラウン、つまり中央部が高く、側面に向かって下り勾配になるように造られている。そのため、タイヤが路面に正対するためには、大きなキャンバーが必要であった。タイヤが路面に正対していないと、片側が摩耗し、積極的なステアリング操作のためのグリップが得られないからである。しかし、最近の道路はクラウンがほとんどなく平らに作られているので、その分キャンバーが少なくて済む。平坦な道であっても、一般にある程度のキャンバーはあった方がよい。タイヤと路面の接点が、ステアリングナックルピボットの直下により近くなるからである。これにより、車輪が回転しやすくなり、車輪がバンプに当たったときに車両のサスペンションやステアリングリンケージに伝わるロードショックの量を減らすことができます。また、大きなインナーホイールベアリングにほとんどの負荷がかかります。このような悪い影響を避けるために、車両の設計時にはキャンバー量を慎重に検討する必要があります。タイヤを手で転がしたことがある人なら、コーナーを曲がるのにタイヤを曲げなくてもよいことをすぐに理解できるだろう。タイヤを片側に傾ける(キャンバー)だけで、まるで円錐のようにコーナーを曲がっていく。下図は「ポジティブキャンバー」です。左側にクルマの垂直方向の中心線が見えますが、この中心線からホイールが数度傾いています。もし、ホイールが垂直方向から内側に傾いている場合は、「ネガティブキャンバー」と呼ばれます。

ポジティブキャンバーは、クルマの重さを補うものです。クルマが前進し始めると、クルマの重さでホイールが完全に垂直になるように引っ張られます。もし、ネガティブキャンバーでアライメントを調整すると、車輪はさらに車側に引っ張られることになります。

キャスター角

車輪の側面から見たとき、キングピンやボールジョイントがフレームに対して前方または後方にどの程度傾いているかを示すのがキャスター角である。キャンバー角と同様に、キャスター角も度数で測定される。図のように上下にまっすぐ引いた線と、キングピンやピボットポイントの中心を通る2本目の線で示されます。 キャスター角とは、この2本の線が交差する地点で形成される角度を、車の側面から見たときの角度です。キャスターの例としては、自転車が挙げられる。フォークは上部が後方に傾いている。前輪のピボット（キングピン）を通る直線を引くと、タイヤが路面に接地する地点の前方で地面に突き当たる。このように取り付けられたホイールは、ポジティブ（＋）キャスターまたは「ジャスト」キャスターと呼ばれます。キングピンを通る直線が、タイヤが接地する地点の後方に当たるように、キングピンの上部が前方に傾いている場合、そのホイールはネガティブ（-）キャスターを持つと言われています。車軸懸架車では、ステアリングナックルまたはキングピンの上端が後方に傾くように車軸が取り付けられているため、キャスターが得られます。独立懸架車では、上側のピボットポイント（ボールジョイント）を下側のピボットポイントの後方に設定します。キャスターは方向制御角であり、タイヤ摩耗角ではない。キャスターが正の場合、車両は進行方向に操舵することになる。これは自動操舵効果と呼ばれ、例えば、車両の前進する勢いによって、正のキャスターを持つ車輪は直進状態に保たれる傾向がある。このため、カーブを曲がった後、ドライバーがステアリングを離すと、車輪は直進状態に戻ります。このような自動操舵の効果をセルフライティング、セルフセントリングアクションともいいます。正のキャスターはステアリングを切りにくく、負のキャスターは切りやすいが、ふらつきの原因となる。キャスターとは、車の側面から見て、フロントのステアリング軸が垂直より前方または後方に傾いていることをいいます。

軸が垂直より後方に傾いている場合、キャスターはプラスとなります。正のキャスターは、前輪にトレーリングアクションを発生させます。また、軸が前方に傾いているときは、キャスターが負になり、前輪が前に出る動作となります。

ステアリング軸の傾斜

これは、ボールジョイントとホイールの幾何学的な関係です。注: 下側のボール ジョイントは、上側のボール ジョイントよりも車の中心線から外れています。

ボールジョイントの間に想像上の線を引き、これがホイールの真の中心線となす角度を測定することによって、ステアリングの傾斜角、またはボールジョイントが中心から離れる方向に傾斜する角度を決定することができます。ステアリングの傾斜角は、ステアリングにさまざまな利点をもたらします。タイヤの寿命を延ばし、コーナリング時の復帰率を高める。車が前進しているときは、ステアリングをより安定させますが、ステアリングホイールを動かすのに必要な力が増えます。

追従性（トラッキング）。ステアリング軸の傾きがクルマに与える最大の影響は、トラッキングです。これは、フロントが向いている方向に車が進む傾向のことです。これは、ステアリング・ナックルが動いたときに起こる結果です。傾斜角があるため、ステアリングナックルが回転すると、車が浮き上がりやすくなります。

車の重さによって車軸（ステアリングナックル）は下方向へ、または直線や水平方向へ戻ろうとします。これにより、車輪/タイヤが車体と一直線になるように引き戻されます。車は進行方向と同じ方向に進みます。

ショックアブソーバー

いくつかの背景となる情報がこれが何なのかを理解する助けとなるでしょう。

それ自体はバネではありませんが、ショッキーは実際のバネの作用を減衰させる、不可欠な部分です。ショックアブソーバーはまさにそれであり、彼らはバンプによって発生する衝撃やバウンドを吸収するために設計されたデバイスです。コイルの収縮や膨張を少なくすることで、作用や反作用を抑えているのです。これにより、段差を乗り越えた後のクルマの「浮き上がり」や「跳ね上がり」を抑制することができるのです。

もし、コイルスプリングの圧縮と膨張を制御するショックアブソーバを各車輪に取り付けなければ、スプリングはエネルギーがなくなるまでゴムボールのように上下に跳ね続けることになります。ショックアブソーバーの内部は液体や気体で満たされており、スプリングが圧縮されると、ショックアブソーバーの上部に接続されたプランジャーが押し下げられる。

プランジャーの前にある液体は、一連のバルブを通して側室に押し込まれ、スプリングの戻りを遅くしたり、減衰させたりします。

このプランジャーの上下運動を交互に繰り返すことで、必要な減衰効果を得ているのです。

スプリング

現代の車に使われているスプリングには4つの基本的な種類があります:

• コイルスプリング
• トーションバー
• エアスプリング
• リーフスプリング

ここでは、LFSのモデルに最も近いと思われるコイルスプリングについて解説します。コイルスプリングはとても長い間使われてきたもので、現在最もよく使われる種類のスプリングです。リアサスペンションにも使われるようになってきました。

コイルスプリングは、ばね鋼から特別に作られ、熱処理によってばね性と強度を高めています。車のフレームとサスペンションメンバーや車軸の一部にあるブラケットや凹みの間に装着されます。前輪駆動のカットアウェイはコイルスプリングのサポートとバンプストップなどの部品を示す。

スタビライザーバー

sway bars と呼ばれるものは、実際にはスプリングではありませんが、スプリングのように作用するものです。そして、バネの働きをコントロールするのに役立ちます。分かりにくいですか？では、図と説明をもう少し詳しく見てみましょう。

sway bars はコーナリング時のボディのロールを減らすもので、トーションバーの一種と表現するのが一番いいかもしれません。フレームのねじれ作用を軽減するものです。

クルマがフレームを水平にして道路を走っているとき、スタビライザーバー（stabilizer bar）は静止している状態です。段差にぶつかったときなど、片側のフレームが上がると、反対側のフレームも上がります。

スタビライザーバー（stabilizer bar）はこの動きを打ち消します。

片側が持ち上がると、スタビライザーはトーションバーのようにねじれ、反対側には下向きの力が発生します。これにより、フレームを水平に保つことができるのです。

さて、上記は分かりにくく誤解を招きそうな部分もありますが、完全に削除するつもりはないので、私が理解したスタビライザーバー（stabilizer bar）の働きを私なりに説明します。

スタビライザーバー（stabilizer bar）は、車の片側から反対側へ荷重を伝えるトーションバー（バネ）です。例えば、左コーナーに入るとき、クルマは右に傾き、クルマの右側にあるバネが圧縮されます。スタビライザーバーは右側が持ち上がり、その持ち上がりの一部を（剛性に応じて）左側のスプリングに伝えて圧縮し、車体のロールを抑える働きをする。

直進走行では、片方の車輪だけがぶつかった段差が反対側にも伝わるので、スタビライザーバーは実は役に立たないのです。しかし、直進時のハンドリングは問題ないので、コーナリングを良くするための代償としては小さいものです。

【訳注：日本語では sway bar も stabilizer bar もスタビライザーと訳すようです。この文書は sway bar と stabilizer bar を別々に説明しているのか、単に用語が不統一なのか不明】

IFS (独立フロントサスペンション)

コントロールアームまたは独立したフロントサスペンションは、2つの車輪が互いに独立して上下に動くことができます。上図は、車輪が上下に動いてもフレームが動かず、タイヤが水平に、かつ完全に接地することができる様子を示しています。

現代の車では、この方式が最も一般的なフロントサスペンションで、LFSもこの方式を参考にしています。ソリッドアクスルは、ヴィンテージカーやベテランカー、大型トラックで一般的に使用されています。

ソリッドアクスルは、図に示すように、逆の挙動をします。つまり、タイヤが段差にぶつかると、車軸とフレーム全体が持ち上がり、反対側の車輪が傾き、タイヤが路面との接触を失うのです。マクファーソンストラット式のフロントサスペンションは、コントロールアーム方式を採用しており、やや異なるアプローチです。

アッパーコントロールアームがないのがわかると思います。

それ以外の全てのものは: スプリング、ショックスタビライザー、トーションロッドです。通常の方法よりも軽量であるため、小型車に最適です。ヘビーデューティーショックと軽量スプリングにより、アッパーコントロールアームはもはや必要ありません。

サスペンション形式

マクファーソンストラット

トレーリングアーム

ダブルウィッシュボーン