ショックアブソーバー
スケールカー用小型オイル充填コイルオーバーショック部品

ショックアブソーバーまたはダンパーは、衝撃を吸収・減衰するために設計された機械式または油圧式の装置です。衝撃の運動エネルギーを別の形態のエネルギー（通常は熱）に変換し、それを放散させることで、この作用を実現します。ほとんどのショックアブソーバーは、ダッシュポット（粘性摩擦によって動きに抵抗するダンパー） の一種です。

説明

空気圧式および油圧式のショックアブソーバーは、クッションとスプリングと組み合わせて使用​​されます。自動車用ショックアブソーバーには、スプリング式のチェックバルブとオリフィスが内蔵されており、内部ピストンを通るオイルの流れを制御します（下記参照）。[ 1 ]

ショックアブソーバーを設計または選定する際に考慮すべき点の一つは、そのエネルギーがどこに向かうかということです。ほとんどのショックアブソーバーでは、エネルギーは粘性流体内で熱に変換されます。油圧シリンダーでは作動油が加熱され、エアシリンダーでは通常、熱せられた空気が大気中に排出されます。電磁式などの他のタイプのショックアブソーバーでは、消費されたエネルギーを蓄え、後で使用することができます。一般的に、ショックアブソーバーは、凹凸のある路面での車両の衝撃を吸収し、車輪を地面に接地させる役割を果たします。

車両サスペンション

自動車において、ショックアブソーバーは荒れた路面を走行する際の影響を軽減し、乗り心地と操縦性を向上させます。ショックアブソーバーはサスペンションの過度の動きを制限する役割を果たしますが、本来の目的はスプリングの振動を減衰させることです。ショックアブソーバーはオイルとガスのバルブ調整によってスプリングからの余分なエネルギーを吸収します。スプリングレートは、積載時と無積載時の車両重量に基づいてメーカーが選択します。ショックアブソーバーを使用してスプリングレートを変更する人もいますが、これは正しい使用法ではありません。タイヤ自体のヒステリシスとともに、スプリング下重量の上下運動に蓄積されたエネルギーを減衰させます。ホイールバウンスを効果的に減衰させるには、ショックアブソーバーを最適な抵抗に調整する必要がある場合があります。

スプリング式ショックアブソーバーには、コイルスプリングまたはリーフスプリングが一般的に使用されますが、トーションバーもトーションショックアブソーバーに使用されます。しかし、理想的なスプリングだけではショックアブソーバーとは言えません。スプリングはエネルギーを蓄えるだけで、分散・吸収する機能を持たないためです。車両には通常、油圧式ショックアブソーバーとスプリング、またはトーションバーの両方が採用されています。この組み合わせにおいて、「ショックアブソーバー」とは、振動を吸収・分散させる油圧ピストンを指します。現在、複合材サスペンションシステムは主に二輪車で使用されており、四輪車ではリーフスプリングも複合材で作られています。

工事

最も一般的なタイプは油圧ショックアブソーバーで、シャフトに取り付けられた小さな穴の開いたピストン、円筒形の本体、そしてオイルが充填されたチャンバーを備え、典型的なダッシュポット構造をしています。より高度なタイプでは、シリンダー内に自由に動く固体ピストン、またはメインチャンバーにピギーバック配置された小型の別個のシリンダーによってオイルから分離された追加の圧縮ガスセクションを使用します。ガス充填セクションには、高圧（通常500psi）の脱水窒素ガスが封入されており、これがオイルを圧縮して溶解/混入空気による泡立ちを防ぎます。構造上、ピストン設計とオイルバイパスギャラリー、作動油の粘度、シリンダー直径と圧縮長、ガス充填圧力とチャンバーサイズ、様々な取り付けストラットまたは外部構造接続など、様々な用途に対応する機能のバランスが求められます。技術の進歩に伴い、調整可能なオイル/エア式、固定磁気抵抗式、調整可能な渦電流式など、他のタイプのショックアブソーバーが登場しています。

初期の歴史

馬車や鉄道機関車と同様に、初期の自動車のほとんどは板ばねを使用していました。これらのばねの特徴の一つは、板ばね同士の摩擦によってある程度の減衰力が得られることでした。1912年の車両サスペンションに関する調査では、らせんばねにはこの特性がないため、主ばねとして使用することは「不可能」であるとされていました。[ 2 ]しかし、板ばねの摩擦による減衰力は限られており、ばねの状態、特に濡れているか乾いているかによって変化しました。また、板ばねは両方向に作動しました。オートバイのフロントサスペンションは1906年頃からコイルスプリング付きのドルイドフォークを採用し、後に同様の設計で摩擦ディスクショックアブソーバーと回転摩擦ダンパーが追加されました。これは両方向に減衰力を発揮しますが、調整可能でした（例：1924年のウェッブフォーク）。これらの摩擦ディスクショックアブソーバーは多くの自動車にも搭載されていました。

自動車の問題点の一つは、軽荷重時と満載時におけるバネ重量の大きな差、特に後輪バネのバネ重量の差が大きかったことです。重荷重時にはバネが底付きする可能性があり、ゴム製の「バンプストップ」を取り付ける以外に、軽荷重時の乗り心地を滑らかにするために、重いメインバネに補助バネ（しばしば「ショックアブソーバー」と呼ばれる）を組み合わせる試みもありました。バネと車両の組み合わせが固有の振動数で跳ね返ることを認識した上で、これらの補助バネは異なる周期で設計されましたが、路面に衝突した後のバネの反発によって乗員がシートから投げ出されるという問題の解決策にはなりませんでした。求められていたのは、反発時に作用するダンピングでした。

CL・ホーロックは1901年に油圧ダンピングを備えた設計を考案したが、これは一方向にしか作動しなかった。このダンパーはすぐには生産されなかったようであるが、ガブリエル・スナッバー（類似のストロンバーグ・アンチショックスも）などの機械式ダンパーは1900年代後半に装着され始めた。これらはベルトを装置内に巻き付け、コイルばねの作用で自由に巻き取られるが、引き出される際に摩擦が生じる構造であった。ガブリエル・スナッバーは、 1912年後半にブルックランズでクラスBの6時間記録を破った11.9馬力のアロール・ジョンストン車に装着され、雑誌『オートメーター』は、このスナッバーの軽量さと装着の容易さから、レースでの将来性が大きいと評した。[ 3 ]

フランスの技術者ガストン・デュモンドとエルネスト・マティスは、1906年から1907年にかけて直線運動をする2種類の油圧ショックアブソーバーの特許を取得しましたが、商業的には成功しませんでした。[ 4 ]

最も初期に生産された油圧ダンパーの一つは、1912年のオリンピア・モーターショーで展示され、ポリロー・キャブレターズ社によって販売されたテレスコ・ショックアブソーバーである。[ 3 ]このショックアブソーバーは、前述の純スプリング式「ショックアブソーバー」と同様に、伸縮ユニット内にスプリングを内蔵していたが、オイルと内部バルブを備えており、オイルがリバウンド方向に減衰する仕組みになっていた。テレスコユニットは、シャーシマウントのリアスプリングの代わりにリーフスプリングの後端に取り付けられており、油圧ダンピング部品ではあるものの、スプリングシステムの一部を形成していた。[ 5 ]このレイアウトは、既存の車両への適用が容易だったため採用されたと考えられるが、油圧ダンピングはメインリーフスプリングの動作には適用されず、ユニット自体の補助スプリングの動作にのみ適用されることを意味していた。

メインのリーフ スプリングの動きに作用する最初の量産油圧ダンパーは、おそらくモーリス ウダイユが 1908 年と 1909 年に特許を取得した独自の概念に基づいたものでしょう。これらは、ユニット内部の油圧で減衰されるベーンを動かすレバー アームを使用しました。摩擦ディスク ダンパーに対する主な利点は、突然の動きに抵抗しながらもゆっくりとした動きを許容することです。一方、回転摩擦ダンパーは固着する傾向があり、その後は動きの速度に関係なく同じ抵抗を提供します。レバー アーム ショック アブソーバーの商品化は第一次世界大戦後までほとんど進展がなかったようですが、その後、 1927 年型フォード モデル Aに標準装備されるなど、広く使用されるようになりました。これは、ニューヨーク州バッファローのHoude Engineering Corporationによって製造されました。

車両用ショックアブソーバーの種類

ツインチューブとモノチューブのショックアブソーバーの主要コンポーネントの図

ほとんどの車両用ショックアブソーバーは、ツインチューブタイプまたはモノチューブタイプのいずれかで、これらのテーマにはいくつかのバリエーションがあります。

ツインチューブ

ベーシックツインチューブ

「ツーチューブ」ショックアブソーバーとも呼ばれるこの装置は、2本の円筒形のチューブが入れ子になった構造になっています。内側のチューブは「ワーキングチューブ」または「プレッシャーチューブ」と呼ばれ、外側のチューブは「リザーブチューブ」と呼ばれます。装置内部の底部には、圧縮バルブまたはベースバルブが取り付けられています。路面の凹凸によってピストンが上下に押されると、作動油はピストンの小さな穴または「オリフィス」とバルブを介して異なるチャンバー間を移動し、「衝撃」エネルギーを熱に変換します。この熱は放散されます。

ツインチューブガス充填

「ガスセル・ツーチューブ」など様々な名称で知られるこのバリエーションは、基本的なツインチューブ構造から大きな進歩を遂げました。全体的な構造はツインチューブと非常に似ていますが、リザーブチューブに低圧窒素ガスが充填されています。この改良により、「泡立ち」や「エアレーション」が大幅に減少します。泡立ちとは、ツインチューブが過熱して故障した場合に発生する望ましくない現象で、泡状の作動油がアセンブリから滴り落ちることで発生します。ツインチューブ・ガスチャージ式ショックアブソーバーは、現代の車両サスペンションのほとんどを占めています。

位置感知ダンピング

しばしば「PSD」と略されるこの設計は、ツインチューブショックの更なる進化形です。PSDショックアブソーバーは、依然として2本の入れ子になったチューブで構成され、窒素ガス[ 6 ]を封入していますが、圧力チューブに溝が追加されています。これらの溝により、ピストンは中間ストローク域（つまり、最も一般的な街乗りや高速道路での使用範囲で、エンジニアは「コンフォートゾーン」と呼びます）では比較的自由に動きます。一方、ピストンの上下運動が激しくなり始める不整地（つまり、路面の凹凸のある部分）では、ピストンの動きの自由度が大幅に低下します。この剛性向上により、ドライバーは車両の動きをより細かく制御できるため、コンフォートゾーンの両側のストロークは「コントロールゾーン」と呼ばれます。この進歩により、自動車設計者は特定のメーカーや車種に合わせてショックアブソーバーを設計し、車両のサイズや重量、操縦性、馬力などを考慮して、それに応じた効果的なショックアブソーバーを開発できるようになりました。

コイルオーバー

コイルスプリング式ショックアブソーバーは、通常、コイルスプリング内にガス封入式のツインチューブ式ショックアブソーバーを内蔵しています。オートバイやスクーターのリアサスペンションによく使用され、自動車のフロントサスペンションとリアサスペンションにも広く使用されています。

モノチューブ

油圧ショックアブソーバー モノチューブのさまざまな動作状況: 1) 低速で運転するか、調整して開く2) 「1」と同様ですが、圧縮直後に伸長します3) 高速で運転するか調整して閉じると、陥没の気泡が見られ、キャビテーション現象が発生する可能性があります4) 「3」と同様ですが、圧縮直後に伸長します注: ステムによる容積変化が考慮されます。
ほとんどのショックアブソーバーとは異なり、リモートリザーバーがリジッド接続されたアブソーバーです。膜の代わりにダイヤフラムを使用し、空気圧室の膨張を制御する制御バルブは備えていません。説明： 1) シースとガスタンク 2) ステム 3) スナップリング 4) プレートベアリングスプリング 5) スプリング 6) エンドキャップとプリロード調整 7) キャップガス（ガスバルブ付きとガスバルブなしの両方のバージョンがあります（反転プロファイル） 8) 可動ダイヤフラム 9) パッドスイッチ（圧縮） 10) ワイパー 11) オイルシールアセンブリとショックシール 12) ネガティブバッファパッドまたはリミットスイッチ（伸長） 13) スライドブレードとシールを備えたピストン

ツインチューブ形式に代わる主要な設計は、1950年代に登場したときに革命的な進歩と見なされたモノチューブショックアブソーバーでした。その名前が示すように、モノチューブショックもガス加圧ショックであり、コイルスプリング形式であり、ピストンが2つあるにもかかわらず、圧力チューブと呼ばれる1つのチューブのみで構成されています。これらのピストンは、ワーキングピストンと分割ピストンまたはフローティングピストンと呼ばれ、路面の滑らかさの変化に応じて圧力チューブ内で比較的同期して動きます。また、2つのピストンはショックの流体成分とガス成分を完全に分離します。モノチューブショックアブソーバーは、ツインチューブよりも全体的にはるかに長い設計であるため、ツインチューブショック用に設計された乗用車に搭載することは困難です。ただし、ツインチューブとは異なり、モノチューブショックはどちらの方向にも搭載でき、方向性はありません。[ 7 ]また、圧縮バルブも備えておらず、その役割は分割ピストンによって担われています。また、モノチューブショック内の窒素ガスは高圧（260～360psi程度）であるため、車両の重量の一部を支えるのに役立ちます。これは他のショックアブソーバーでは想定されていない機能です。[ 8 ]モノチューブダンパーはサイズが大きいため、デュアルチューブダンパーよりも放熱性に優れています。[ 9 ]

メルセデスは1958年以降、一部の車種にモノチューブショックを標準装備した最初の自動車メーカーとなった。モノチューブショックを製造したのはビルシュタインで、そのデザインは特許を取得し、1954年代に初めて登場した。[ 10 ]このデザインは特許取得済みだったため、1971年に特許が切れるまで他のメーカーは使用できなかった。[ 8 ]

スプールバルブ

スプールバルブダンパーは、従来のフレキシブルディスクやシムではなく、機械加工されたオイル通路を備えた中空の円筒形スリーブを使用しているのが特徴です。[ 11 ]スプールバルブは、モノチューブ、ツインチューブ、または位置感知型パッケージングに適用でき、電子制御と互換性があります。[ 12 ]

マルチマティックの2010年の特許出願で挙げられている利点の主なものは、フレキシブルシムに関連する性能の曖昧さが排除され、数学的に予測可能で、再現性があり、堅牢な圧力流量特性が得られることです。[ 13 ]

リモートリザーバー/ピギーバック

フレキシブルパイプ（リモートリザーバー）または硬質パイプ（ピギーバックショック）を介して（メイン）ショックのオイルコンパートメントに接続された追加のオイルチューブまたはオイルコンテナ。ショックの長さや厚みを変えることなく、オイル量を増加させます。

バイパスショック

サスペンションの各トラベルセクションに独立したサスペンションチューニングを施すことができます。バイパスショック、ダブルバイパスショック、トリプルバイパスショックなど。トリプルバイパスショックは、初期トラベル、中間トラベル、フルトラベルの3つのトラベルセクションごとに、独立したサスペンションチューニングコントロールを備えています。[ 14 ]

理論的アプローチ

衝撃吸収には一般的に使用されるいくつかの原理があります。

  • ソリッドステートのテーパーチェーンショックアブソーバーは、ニチノールなどの金属で作られた粒状球を1つまたは複数、テーパー状に軸方向に配列してケース内に収納したものです。[1]、[2]
  • 自動車用ショックアブソーバーの大部分は、流体摩擦、例えば狭いオリフィス（油圧）を通る流体の流れによって構成されています。この設計は、 1902年にモース社のレーシングカーに初めて採用されました。 [ 15 ]このタイプのショックアブソーバーの利点の一つは、特殊な内部バルブを使用することで、圧縮に対しては比較的柔らかく（衝撃に対して柔らかく反応する）、伸長に対しては比較的硬くすることで、「リバウンド」、つまりスプリングに蓄えられたエネルギーに対する車両の反応を制御できることです。同様に、スプリングによって制御される一連のバルブは、衝撃速度またはリバウンド速度に応じて硬さを変化させることができます。レース用の特殊なショックアブソーバーは、ドラッグスターのフロントエンドを加速時に最小限の抵抗で上昇させ、その後、沈下に対して強い抵抗を与えることで、トラクションを向上させるための望ましい後方重量配分を維持します。

特別な機能

ショックアブソーバーとストラットの比較

  • ストラットは、ショックアブソーバーとコイルスプリングやステアリングナックルなどの他のサスペンション部品を1つのコンパクトなユニットに組み合わせた構造部品です[ 16 ]
  • ショックアブソーバーとは異なり、ストラットには強化された本体とステムがあります。
  • ストラットは多方向の荷重を受けますが、ショックアブソーバーは軸に沿った荷重のみを受け、振動を減衰します。
  • ストラットとショックアブソーバーは取り付け方法が異なります。ショックアブソーバーはゴムまたはウレタン製のブッシュを介してフレームとサスペンションに取り付けられます。ストラットはサスペンションにハードマウントされ、ステアリングの上部ピボットポイントとなる回転プレートを介してフレームに取り付けられます。

参照

参考文献

  1. ^、ホルスト バウアー (編)、自動車ハンドブック第 4 版、ロバート ボッシュ GmbH、1996 年、 ISBN 0-8376-0333-1、584ページ
  2. ^「スプリング - 自動車サスペンションの簡単な研究」、オートモータージャーナル、1912年8月10日、936-937ページ
  3. ^ a b「オリンピアで見るべきアクセサリー」、オートメーター・ジャーナル、1912年11月2日、p1284
  4. ^ Simionescu, PA; Norton, Robert L. (2024). 「初期の自動車サスペンションシステムの歴史について」 . 岡田正文編著.機構と機械科学の進歩. 機構と機械科学. 第149巻. 出版社: Springer Nature Switzerland. pp.  1012– 1022. doi : 10.1007/978-3-031-45709-8_99 . ISBN 978-3-031-45709-8。
  5. ^「運転手がオリンピアで見たいもの」、オートメーター・ジャーナル、1912年11月9日、1313ページ
  6. ^ 「窒素 - 元素情報、特性、用途 | 周期表」 www.rsc.org . 2024年11月18日閲覧。
  7. ^ “ティッセンクルップ ビルシュタイン - Entwicklung / 製品 - Konventionelle Dämpfer - 1-Rohr-Dämpfer (deCarbon-Prinzip)” . www.thyssenkrupp-bilstein.de 。2017 年 7 月 13 日に取得。
  8. ^ a b Carley, Larry (2008年2月)、「モノチューブショック - ショックを吸収しないが…」(PDF)、Brake and front end magazine、2014年1月2日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ、 2014年1月1日閲覧。
  9. ^ a bバートン、デイビッド・C.; フィールドハウス、ジョン・D. (2024).自動車シャシーエンジニアリング. シャシー: シュプリンガー・インターナショナル・パブリッシング. pp.  124– 132. doi : 10.1007/978-3-031-57526-6 . ISBN 978-3-031-57525-9。
  10. ^シェルトン、p.24とp.26のキャプション。
  11. ^ 「F1からバハまで：マルチマティックの巧妙なスプールバルブダンパーの説明」 。 2017年7月19日閲覧。
  12. ^ 「ダンパーと畏敬の念：6種類の自動車用ダンパーの説明 - 特集」 。 2017年7月19日閲覧。
  13. ^ US 8800732 B2、Holt, Laurence J.; O'Flynn, Damian & Tomlin, Andrew、「油圧ダンパースプールバルブ」、2014年8月12日公開 
  14. ^ 「Byass Shocks パート1 – AccuTune Off-Road」 。 2024年6月14日閲覧。
  15. ^ Setright, LJK「ダンパー：バンプを滑らかにする」、Northey, Tom編『 World of Automobiles』（ロンドン：Orbis、1974年）、第5巻、p.490。および1903-03-07 - Le Génie civil:「Amortisseur Mors」。
  16. ^ 「車のショックアブソーバーについて | PartsHawk」 . partshawk.com . 2023年5月21日閲覧。

出典

  • シェルトン、クリス。「あの頃、今、そしてずっと」『ホットロッド』 2017年3月号、16～29ページ。

参考文献

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