今までのプリロード

サスペンションのばねは少し縮められた上体で組み込まれています。サスペンションがフルストローク伸びた時にばねがずれたり外れたりしないようにするためです。一般的に言われているサスペンションのプリロードはどれだけ縮めた状態で組み込むかを表しています。

車をジャッキダウンして車体の重さが加わると、ばねにはプリロードを超える力が加わりばねは縮められます。ばねの上側にかかる車の重さと縮められたばねの反発力がバランスしたところで止まります。サスペンションのばねの反発力はばね定数とばねの自由長からどれだけばねが縮められたかで決まります。

サスペンション組み込む時に予め縮める量を増やしておくと自由長から予め縮められた長さ分が引き算されるので、ジャッキダウンした時に縮む量が少なくなります。ジャッキダウンしてもあまり縮まないのでばねが硬くなったような錯覚を起こしますが、サスペンションを組み込む時のプリロードはジャッキダウンした状態から縮み側のストロークを制限しているだけでジャッキダウンの位置から伸び縮みする動きを変えるわけではありません。

しかし、プリロードをどんどん高くして組み込み時にばねの長さをジャッキダウンのした時にバランスする長さより縮めてしまうとサスペンションは縮められたばねの反発力より大きな力が加わるまでは縮まなくなります。サスペンションにばねを組み込む時にこの状態になるようにすればサスペンションは大きな力が加わった時だけ縮むがそれ以外は伸び縮みしないサスペンションになります。

ばねレートを高めてサスペンションの動きを動きにくくする代わりにプリロードを大きくすることでもサスペンションを動きにくくすることができます。サーキットのような殆ど凹凸のない路面であればこのようなセッティングもできるでしょうが大きな路面の凹凸を吸収する必要がある一般道ではストロークが少なくなってしまうので現実的なセッティング方法にはなりません。

定常走行時にプリロードがかかった状態にする

このブログで紹介するプリロードというのはこのジャッキダウンした状態でサスペンションのばねを余分に縮めておくプリロードのことです。

サスペンションにばねを組み込む状態でばねを大きく縮める代わりにばねを使ってサスペンションを縮めるように力を加えることによってジャッキダウンした状態でサスペンションのばねを余分に縮めておくことで小野余分な力を超える力の変化が起きるまではサスペンションが縮まないようにすることができます。

サスペンションのばねとは反対向きに力が加わるように余分に力を加えてもばねによって力を加えるとサスペンションは伸びる方向にも伸び縮みできるようになります。反対向きに力が加わるようにするとプリロードを加えるばねの反発力はサスペンションの伸び縮みの動きに応じて大きくなったり小さくなったりします。

サスペンションを縮めるように作用するばねを使って力を加えておくことで、プリロードを超える力がかかるまでサスペンションのばねが伸び縮みしなくなることとダンピング効果が生まれます。



メインのばねとプリロードをかけるばねの動きは逆になるので、その増減関係はメインのばねとプリロードをかけるばねでは逆になるためばねが元の長さを超えて動き続けようとする動きをお互いの力が押さえ合うことでダンピング効果が生まれます。

今まではダンパーによってばねが伸び縮みする動きを押さえるしか方法はありませんでしたが、ばねを使ってばねの動きをダンピングできるのです。ダンパーによるダンピングは急激な動きや大きな動きを押さえることができますが、ゆっくりした動きや僅かな動きはおさえることができません。

ばねを使って反対向きに力を加えると、ゆっくりした動きや僅かな動きを押さえることができるようになります。そして急激な動きや大きな動きに対してはその動きを邪魔しなくなります。

ダンパーを使ったダンピング効果とばねを使ったダンピング効果を組み合わせることで今までダンパーでは抑えにくかった車体の姿勢変化を押さえやすくなります。

反対向きの力を加える方法

両側から押しばねを少し縮めた状態で挟み込むことによってプリロードをかけることができますが、車のサスペンションアームを下から押し上げることはスペース的に無理があります。

下から押し上げる代わりに引きばねを使って上から引っ張り上げると同じようにアームに力を加えることができます。



プリロードをかけるばねを引きばねにすれば限られたスペースでも装着可能になります。



このプリロードとホイールとホイールハウスの整流板、この三つ併用することでサスペンションの動きと車体の動きを今までとは全く違うものにすることができます。その違いはは乗ってみればわかります。

昔からあったプリロードの考え方

プリロードをかけておくという考え方は航空機では昔から取り入れられている考え方で特に新しい考え方ではありません。

航空機は主翼で揚力を発生させ機体を浮き上がらせます。機体の後ろには水平尾翼と垂直尾翼ありますが、水平尾翼は水平安定板（Horizontal Stabilizer)とも呼ばれています。その理由は水平安定板は下向きに揚力を発生させ機体の後ろ側を下側に押さえつけるようにして機体をあんていさせているのです。

水平尾翼も上側の揚力を発生させたほうが効率がいいのですが水平尾翼も上向きの揚力を発せさせてしまうと機体がわずかな気流の変化で常に揺れてしまい安定しないことと失速した時に元に戻にくくなってしまうからです。

そこで効率が悪くなることを承知でわざわざ水平尾翼を下側に押し下げる主翼と反対向きの力を加えることで機体を安定させています。

機体の重心を主翼の中心より僅かに前方になるようして飛行中は機首が下がるようなアンバランスな状態を作り出し水平尾翼を下側に押し付けることで機首が下がらないようにしているのです。

このように機首を下げる力と機首を上げる力の両方の力を加えておくことで機体が揺れないように安定させる考え方はサスペンションのばねを縮めるように力を加えておくプリロードの考え方と同じなのです。

ダンパーとの考え方の違い

定常走行時にばねを使ってサスペンションを縮めるように力を加えておく事で安定させるプリロードの考え方と、ダンパーを使ってばねが余分に伸び縮みする動きを押さえる考え方には大きな違いがあります。

分かりやすい例で説明するとばねを使ったプリロードはキャスター付きの台に載せられた荷物を両方から押しながらその場で動かないように押さえているイメージです。ダンパーの場合はキャスターを取り外して荷物を地べたに置いて摩擦力で動かないようにするイメージです。



その大きな違いは両方から押している場合は相手より大きな力をだせないとなかなか動かせませんが大きな力を出せば荷物はスムーズに動かせることです。地べたに置いた場合は摩擦力が小さくなれば動かせるようになりますが、ゆっくり動かすのは簡単で速く動かすのは大変だということです。

この動きの違いがサスペンションの動きを今までとは全く違うものにしてしまいます。車体の姿勢は変化させたくないけサスペンションはスムーズに動いてほしいという考え方にはばねを使ったプリロードによって押さえる方が適していると言えます。

プリロードとダンパー両方の長所を生かすことで今までできなかったことができるようになります。

ばねによってプリロードをかける

ばねというとコイルばねを想像すると思いますが、力を加えたら変形し力を取り除いたら元に戻るものは全てばねと考えることができます。タイヤは空気ばね、車体は板バネ、サスペンションのばねはコイルばね、とションバー、板バネ、空気ばね、ハイドロサス等々いっぱい種類があります。

私が使っているゴムベルトも立派なばねなのです。従ってプリロードをかける方法もいっぱいあります。要はジャッキダウンした状態（定常走行時）にサスペンションのばねを縮めるように力を加えることができればなんでもいいのです。

簡易的な方法

一番簡単で安い方法はチューブを再利用したゴムベルトを使ってサスペンションのコイルばねを引っ張って縮めてしまう事です。この方法だとコールばねの一部だけにプリロードをかけることになりますが効果は十分です。

ゴムベルトを強く引っ張りすぎるとサスペンションがフルストローク伸びた時にばねが遊んでしまうことがあります。それはゴムベルトで引っ張ることによってサスペンションを組み込んだ時のばねの長さより短く縮められてしまうからです。その場合は引っ張る量を少し弱くし巻き数を増やすようにすることをお勧めします。



引っ張り具合の目安はサスペンションが伸びきった状態でできるだけ目いっぱい引張巻いていくことです。ジャッキアップしてサスペンションが伸びた状態で作業すればゴムベルトがいっきに破断することはありません。

ゴムベルト通しが重なると引っ張りにくいので小麦粉などの粉をまぶして作業すると作業がしやすいです。
ジャッキダウンしてホイールハウスとタイヤの隙間が狭くなっていればプリロードがかかっていることが確認できます。私の場合は２～３ｃｍ狭くなるようにゴムベルトで引っ張っていました。



ゴムベルトの端と端はは手で結ぶのが一番安全です。見た目は悪いですがゴムベルトが切れた時周囲の部品を傷つけません。金属部品で固定してしまうとその金属片によって周囲の部品が傷つけられてしまうので品族部品を使って固定することはお勧めできません。

接着剤で張り付けたこともありましたが剥がれて緩んでしまうことが多く結局見た目は悪くても手で縛って固定するのが一番安心できる方法だと思います。

シトロエンの場合はコイルばねを持たないので前輪はトーションバーの両端を、後輪はスイングアームを直接引っ張り上げる方法でプリロードをかけました。

シトロエンはコイルばねではないためプリロードを大きくかけることができました。

理想はサスペンションを縮める力を加えることができるダンパーにサスペンションを縮めるばねをないぞうさせることです。リバウンドスプリング組み込まれたダンパーがありますが内蔵されるばねのストロークを変えて走行中に力が加わるようにするだけです。

リバウンドスプリングは元の長さを超えて伸びようとする動きを反対向きに力を加えるばねで押さえようとするものですが縮められたばねが元の長さに戻る少し手前から反対向きの力が加わるようにすればぷりろーどがかかります。



ダンパーに組み込む場合はダンパーを圧縮空気で加圧することによりピストンの面積差を利用してダンパーを縮めることができます。この方法も航空機の油圧部品で良く使われている方法です。面積さを利用して動かす原理は力＝圧力X表面積という考え方をするとピストンを押す力はピストンの表面積が大きい方に大きな力が加わるという考えです。

従ってダンパーを加圧する空気の圧力を高めれば力の差も大きくなるのでダンパーを加圧する圧力を変えることでプリロードの大きさを変えることも可能になります。

慣性力を味方にする

プリロードをかけておくことでもう一つ大きく変わることがあります。それは慣性力です。慣性力は現在の状態を続けたいという力です。動かな状態のものはこのまま動きたくない力として作用し動かそうとする力の邪魔します。しかしそれが一旦動き始めるとそのまま動き続けたいという力に変わってしまいます。今度は動きを止めたり違う方向に向きを変えたいという力に対抗して邪魔しようとする力に変わってしまいまったく逆の働きをするようになるのです。

慣性力が邪魔者扱いされるのは現在の状態を変えようとする時に邪魔者になるからです。しかし、慣性力はどんな時でも邪魔者なのかというとそうでもありません。エンジンのフライホイールなどは良い例で慣性力を利用してエンジンの回転を安定させています。

車体を安定させたいというを言い換えるとこのまま動かない状態を維持したままにしたいということです。サスペンションにプリロードをかけてサスペンションがプリロードを超える力がかかるまで伸び縮みしなくなることはコおまま動かない状態を維持したいという考えに一致します。

現在の車はカーブで車体が傾くことは避けられないことだと考えられているため、傾き始めた車の動きをどうやって押さえようかいう考え方が基本になっています。つまり慣性力はそのまま動きたくないという慣性力からこのまま動き続けたいという慣性力に変わってから動きを押さえようとしているのです。

動き出してからその動きを止めようとするため慣性力が悪者扱いされてしまうのです。動かしたくないのであればそのまま動かないように保持すればそのまま動きたくないという慣性力は味方してくれます。

車の姿勢変化の動きを考えると変化しやすいことが望まれるのはカーブを曲がる時のヨー方向の動きだけです。ピッチとロール方向はどんな時でも変化することは望まれず、直進状態ではヨー方向も姿勢変化しにくいことが望まれます。

プリロードをかけることで車体の姿勢変化を押さえてくれるのはプリロードを超える力が加わるまでのほんの一瞬ですが、この一瞬押さえられるか押さえられないかで邪魔者だった慣性力が味方してくれるようになり車体は安定した姿勢を保ちやすくなります。