皆さんこんにちは。横浜国立大学フォーミュラプロジェクト：サスペンション設計担当です。今回のテーマは「サスペンション」です。「サスペンション」という言葉を初めて聞いた、という方も少なくないでしょう。日本語で「懸架装置」なんて言われることもあります。
実際、どういったところに用いられているのか。その代表はやはり「自動車」です。他には鉄道や建築物、さらにはベッドにまで用いられています。サスペンションとは、簡単に言えば「衝撃を和らげる」ものなのです。ただしこれは、サスペンション全体を指す場合のみに言えることです。
私の設計している自動車においては、操縦性・安定性・乗り心地といった、車としての性能を語る上で、非常に重要になってくる要素なのです。今回はそんなサスペンションについて、色々書いていきます。
サスペンションの誕生は、自動車が発明される前の、馬車の時代にさかのぼります。当時は凹凸面を走るとき、車体や乗員への衝撃を和らげるため、下図のような機構で、車体を上下にストロークさせていました。
この時代にはこの機構でよかったのですが、乗り物が高速化してくると、上下方向の衝撃の吸収以外に、コーナリングにおける左右の動きにも、着目しなくてはならなくなりました。
そして現代では、それぞれの車に適した、様々なサスペンション形式が開発されています。また、同じサスペンション形式でも、その支持部の位置によって、性能がまったく変わってくるのです。そこを決めるのは、設計者の腕の見せ所ですね。
今回は、代表的な2つのサスペンション形式について、紹介したいと思います。
簡潔で、コンパクトな構造を長所としており、さらに安価なことから、この形式は、量産車に多く用いられています。
ただし、コーナリング時にタイヤに横からの力がかかると、アップライトにクッションユニットが剛結されているため、クッションユニットは外方向へ曲げられます。これにより、摺動抵抗が大きくなり、動きが阻害されるという短所があります。また、設計の自由度があまり高くないことから、スポーツ走行を目的とする車では、採用されないのです。
我々のチームで用いているのも、このサスペンション形式です。フォーミュラカーのサスペンション形式は、ほとんどがこの「ダブルウィッシュボーン式」です。名前は、鳥の鎖骨に似たA字型のアームが、上下に2組あることに由来します。
先ほどのストラット式に比べ、剛性が高く、コーナリング時にクッションユニットに曲げの力が働かないことから、動きがスムーズになります。また、サスペンションの設計に制約が比較的少なく、上下のアーム長や、アームの取り付け位置などを変えることによる、ジオメトリ設定の自由度が高く、操縦特性等を任意に変えることが出来ます。これが一番の長所だと私は考えます。
短所としては、部品点数が多く、コストがかかることが挙げられます。しかし前者の長所を生かすため、目をつぶっても良い短所です。
このようにどのサスペンション形式を用いるかは、目的や性能、価格などを総合的に考慮して決めます。
では次に、我々チームで用いている、ダブルウィッシュボーン式サスペンションをもう少し詳しく見ていきます。
上図は、今年度の車両である「YNFP-19」のフロントジオメトリ(側面図)です。
大きな白い点が3つありますが、この3点のうち上下の2点を結ぶ直線を「キングピン軸」と言います。ハンドルを切ると、タイヤはこの軸周りに回転します。側面からみてこの傾きを「キャスター角」と言います。
そして、これを接地面まで延長させます。すると図から分かるように、その交点はタイヤの中心よりも、進行方向に対して前にある、ということが分かります。この距離の差を「キャスタートレール」といいます。これが「モーメントアーム」となり、タイヤに向きをもとに戻そうとする力が働きます。これによって自動車では、ハンドルを切ったあと、自然にハンドルがもとの位置に戻りますし、自動車で両手離しでも運転できるのです。
次にタイヤを正面から見てみましょう。
「キングピン軸」が、右肩下がりになっている事、が分かります。それを先ほどと同様に、接地面まで延長させます。この図ではタイヤが消えていますが、その交点はタイヤの中心から少しずれていることがあります。この距離の差を「スクラブ半径」といいます。
この値が大きくなるほど、タイヤの左右への方向(トー方向)へのモーメントが大きくなり、安定性を欠くようになります。ですので、基本的にはゼロに近づける方向で設定します。
また、正面から見た時のキングピン軸の傾きを「キングピン傾斜角」といいます。この値は、スクラブ半径の設定によって変わる値です。私の場合、スクラブ半径を優先して考えたため、この値は自動的に決まりました。
そしてタイヤを側面から見た時、タイヤ自身の傾きを「キャンバー角」といいます。「鬼キャン」という言葉がありますが、キャンとは「キャンバー角」のことです。この傾きが、ものすごくついていることを「鬼キャン」といいます。
実際に車両をセッティングする際、この「キャンバー角」を調整することが、しばしばあります。ではなぜ「キャンバー角」をつける必要が、あるのでしょうか？
みなさんが車に乗っていて、例えば左折するとき、体が右側に倒される感覚がありますよね。これは、自身の体に旋回外側の方向へ、遠心力が働くからです。もちろん車もこの力を受けるのです。力を受けた車は、ばねを支えにして右側に傾きます。この時の傾き角を「ロール角」と言います。「ロール角」が2°だった場合、旋回外側のタイヤも一緒に2°傾きます。
ではもし「キャンバー角」をつけていなかったらどうなるのか？旋回中にタイヤが傾き、接地面積が小さくなります。フォーミュラカーなどでは、旋回中のキャンバー角(対地キャンバー角)を0°にすることで、接地面積を確保させる必要があるため、あらかじめロールする分だけキャンバー角をつけておけば、これを達成できるという考えなのです。
実際にはバウンド・リバウンドによるジオメトリ変化・旋回中に力を受けることによる各部品の変形量・タイヤの変形量、などを加味する必要があります。また、コースや競技によって、旋回半径や旋回速度が異なるため、それに応じてセッティングを変える必要があります。
以上のような、側面・正面と、2つの面から見たときの角度(キャスター角・キャンバー角・キングピン傾角・トー角)を「ホイールアライメント」といいます。サスペンション性能はほぼ、ホイール内のジオメトリで決まる、といっても過言ではありません。実際に設計する際も、このジオメトリのパラメータを何パターンもいじって解析をかけ、狙い通りになるように細かく調整していきます。
次に設定しなくてはならないのが、車体側のジオメトリです。基本的に設定できるのは、前後の車両姿勢変化の抑制、ロールセンターです。
前後の車両姿勢変化とは、制動時に前のめりになる「ダイブ」・尻上がりになる「リフト」・加速時に尻下がりになる「スカット」、などのことを言います。フロントのジオメトリでは「ダイブ」、リアのジオメトリでは「リフト」と「スカット」を抑制できます。車を側面から見た時のアームの傾き具合によって、その抑制率は変わります。どうしてその傾きで調整可能なのかというと、瞬間回転中心の位置に関係します。
まずは制動時についてです。このとき、前後輪の接地点にブレーキ力が働きます。このブレーキ力は、前輪と後輪で配分が異なりますが、ここでは前輪への配分を(a)とします。前後輪に働く全ブレーキ力を(F)とすると、前輪ブレーキ力は(aF)となり、その力は接地点に働きます。このときブレーキトルクは、ブレーキユニットを通って、サスペンションに伝わります。
つまり、アンチダイブ力を決めるのは、接地点から瞬間回転中心までの角度となり、アンチダイブ力a×F×tanθとなります。この力を、慣性力によるダイブ力と同じ大きさにすれば、アンチダイブ率100%のジオメトリとなります。制動時に全く前下がりにならない車が作れるわけです。アンチリフト率についても同様です。
次に加速時について。駆動力を(F)とします。この力は接地点に働きますが、タイヤ中心に働く前後力(F)と、駆動トルクF×R（R:タイヤ半径）に分けて、考えることができます。そしてこの前後力(F)は、サスペンションアームを介して、車体後部を(F×tanθ)で押し上げます。この力が「アンチスカット力」です。先ほどの「アンチダイブ力」・「アンチリフト力」と似ていますが、この力はタイヤ中心が角度の基準面になっているので、注意が必要です。
これ以外に、駆動力による力（F×R）と、重心に働く慣性力が「スカット力」として働きます。これと先ほどの「アンチスカット力」を同じにする、つまりアンチスカット率100%のジオメトリにすれば、加速時に全く尻下がりしない車が作れます。
ロールセンターとは、車両がロールするときに中心となる点の、地面からの高さです。これがマイナスになると、車両が押し下げられる「ジャッキダウン特性」、プラスになると、車両が持ち上げられる「ジャッキアップ特性」となります。
また、重心からロールセンターまでをモーメントアームとして車両はロールするので、この距離が短い、つまりロールセンター高が高いとロールは小さくなります。ただし、「ジャッキアップ特性」がひどい場合、接地感がなくなり危険であるため、注意が必要です。
そして、フロントとリアのロールセンターを結んだ軸を「ロール軸」と言い、この軸周りに車両はロールします。これを前傾させていけば前輪の荷重移動量が減り、アンダーステアの方向へ、後傾させていけば後輪の荷重移動量が減り、オーバーステアの方向に変化させることができます。
サスペンションについて色々記しましたが、いかがだったでしょうか？今回のコラムを通して、1人でも多くの人にサスペンションの魅力が伝わったなら幸いです。
執筆：YNFP横浜国立大学フォーミュラプロジェクト
