バネ下荷重の低減効果とは

ご質問シリーズ、
バネ下荷重の低減はバネ上の１０倍の効果があるというのは本当か？
オカルトではないか？との質問がありましたので考えてみたいと思います。

よく雑誌やホイールメーカーの広告に、バネ下荷重の低減は、バネ上の○倍の効果と書かれていますが、この○倍という効果の値は４～１５くらいの幅があり明確なデータはありません。

また、何がどう１０倍なのか説明されているものもみたこともありませんが、車が好きな人は皆信じて、バネ下荷重の低減は１０倍近い効果があると言います！

この数字を突き詰めていくと、0-400mのタイムへの影響度合いであったり、車内振動計の評価であったりはっきりしないしのが実状です。

某国産大手タイヤメーカーによると、バネ下荷重の影響を評価したことは無いと聞いたことがありますが、それは本当かもしれません。

それは、何を（加速、振動、燃費など）、どんな条件で比較するのかで変わるので当たり前ですが、バネ下荷重の低減はバネ上を軽量化するよりも、色々な意味で効果があるのは疑いようの無い事実ですし、物理法則からも説明できます。


例えば、模型のタイヤなど同じ直径で、軽い円盤と重たい円盤を、軸を持って回したり、転がしてみれば違いがわかるはずです。

ホイール（タイヤ）などの回転体は、フライホイール効果（ＧＤ＾２）があるので、軽いほど加速が良くなりますし、発進停止が多いほど燃費は改善されます。

また、回転体でないサスの軽量化は、動くときの慣性が小さくなるので、追従性が良くなると予想できます。

先に、数字の根拠が見えにくいと書きましたが、例えば加速と燃費を考える場合は回転体の持つエネルギーが効いてきますので、バネ下と言ってもブレーキディスクやタイヤ・ホイールの軽量化が効きます。

一方で振動に対しては、バネ下についている重量の慣性力が効いてきますので、ブレーキキャリパーなどの固定物の重量も効いてきます。


　ご質問では、ホイールの軽量化だったのでそれを例に考えてみます。

剛体の運動エネルギーは、重心の運動エネルギー（ｍｖ＾２）／２と、重心まわりの回転のエネルギー（Ｉω＾２）／２（慣性モーメントＩ＝（ｍＤ＾２）／８）の和になることから、具体的に、２１５・４５／Ｒ１７の標準ホイールが9.3kg（＋タイヤ10kg）で、これを軽量の6.3kg（＋タイヤ10kg）にした場合・・・簡略化のため重量分布は一様とすると、タイヤ直径は０．６２５ｍで軸はタイヤ重心を通るので、重心まわりの回転エネルギーを考えると、

標準のＩ＝０．９４２kg･m＾２
軽量のＩ＝０．７９６kg･m＾２

となり、１本のタイヤの持つエネルギーの差は、０．０７３ω＾２Ｊで４本では０．２９２ω＾２Ｊ

時速６０ｋｍにおけるωは、１６．９８π rad/sなので、そこまで加速するエネルギーの差は８３０Ｊとなる。

また、そのものの運動エネルギーは、１本あたり3kgの差なので２５Ｊで４本で１００Ｊの差となる。

　タイヤ１本あたり3kgの軽量化、合計で12kgのバネ下重量の低減によって、60km/hまでの加速におけるエネルギーで９３０Ｊの差が出る。

　これは、大きいのか小さいのか．．．

　今、ガソリンから走行するまでの総合効率をざっと１５％とすると、ガソリン１ｇで７５００Ｊのエネルギーとなるので、0-60km/hの加速を８回行ってわずか０．１３％程度の燃費改善。

しかし、この合計エネルギー９３０Ｊをバネ上で減らそうとすると、１１１．６ｋｇの軽量化が必要なので、その差は１１１．６／１２で９．３となり、あながち１０倍の効果は嘘とも言えない！


　振動（乗り心地）に関する評価はもっと複雑になるので興味のある人だけ暇つぶしに考えてもらうと良いが、乗り心地は逆にバネ上が重くなっても良くなるし、単純にバネ下を軽くしても、バネとダンパーを替えなければダンパーが勝ちすぎて乗り心地が良くなるとも限らない。

　と言うことで、エネルギー面から考えると、バネ上の１０倍近い効果があると言えるが、実燃費に現れる差は１％程度と気温や運転の仕方によって隠れるような誤差範囲と考える。

　また、乗り心地に関しては人間は思いのほか感度の良いセンサーなので、バタつき感の変化などを感じるが、車内にセンサーを積んで計測すると、段差を超えるときのＧの変化は下２桁目のオーダーでしょう。

　こう考えると、な～んだと思うかもしれませんが、レース、特にＦ１のように加減速が多く、最高速も300km/hに届くような世界では、ホイールの軽量化は決して無視できない差になって現れるので、こぞって軽量の鍛造ホイールを採用します。

　結論、
◇加速に要するエネルギーについて言えばバネ下荷重の低減は、バネ上の１０倍の効果　というのはあながち間違いではない。
◇他の燃費、乗り心地については条件によって差が大きいので○倍と言うには無理があ　るが、効果はある。
◇乗り心地は、バネ上荷重を同じとした場合で、かつバネ下の軽量化に合わせてバネ、　ダンパーを調整すると乗り心地は良くなる。