タツゥのブログ一覧

ダンパーテスタはなんでシリンダ側を動かすんだろう？って不思議に思って考えてみました。
本当の理由はわかりませんが、こんな理由かと思います。

１）往復運動させる部分はダンパテスタの下側に配置したい。（いちいち上側を動かす理由がない）
２）複筒式ダンパはガス室が分離されていないのでシリンダ側を下にしないと使えない。
３）一般車では複筒式が使われることが多いので、シリンダ側を下にして下側を動かすのが普通の測定方法になっている。

どちら側でもいいけど、たまたまシリンダ側を動かすことになったくらいの理由しかなさそうです。
だったらやっぱり、シリンダスピードって言うべきですね。

まぁそんなことはどうでもいいのですが、調べている途中で見つけたこちらのページ
http://www.tomsracing.co.jp/products/parts/details.php?mprID=309

グラフ３とグラフ４は見慣れたグラフです。
でもグラフ１とグラフ２はあまり出てこない。
というかグラフ２なんて初めてみました！

ダンパの開発をする人に言わせれば、グラフ３、４よりも、グラフ１、２の特性が大事なんだそうです。
グラフ３、４というのは１，２の最大値をそのときのシリンダスピードを横軸にしてプロットしたものです。
なので、いろんなストローク、周波数での１、２のグラフがあれば３，４はそこから作ることができます。
３，４はどうでもいいわけではないけど、１，２の一部分を示すに過ぎない。ということみたいです。

ダンパーは値段が高い割には不透明な部分が多いので、日本自動車用ショックアブソーバー協会（ＪＡＳＡ：Japan Aotomobile Shockabsorber Association）でテスト規格を作って、日本で発売するダンパーは全てそのテスト結果を開示するように義務化をしてもらいたいです。

注：ＪＡＳＡなんて協会はありません

動画もありました。
これはピストンスピード測ってます！
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=0_JmcrvtVgU#!

要するにただのストローク調整であるプリロード調整ですが、
”オレは街中を合法的に走っていても違いが感じられたぞ！、それをプラシーボ効果とは何事ぞ！”
とお怒りの方もいらっしゃると思います。

そもそもお前の走行速度は違法である！と言ってあげたいところではありますが、グっとこらえてその原因を考えてみましょう。
前回の計算で考慮していないことがあります。
それは、１Ｇ荷重でのピストン位置変化によるガス圧反力変化とダンパ減衰力変化です。

初期縮み量と１Ｇ荷重でのピストン位置


ダンパはスルーロッドダンパを除き縮み側にピストンが動くとケースの中にピストンロッドも入り込むため、その分ダンパ内のガスが圧縮されます。
その結果、ガス圧力は高くなりガス圧による反力も上がります。
ただ、手でロッドを奥まで押し込んでみた感覚的には３０Ｎも変わっていないと思うので、ほとんど影響はないと考え、前回の計算では割愛しました。

次にピストン位置によるダンパ減衰力の変化です。
これは皆目検討がつかないのですが、少なくとも新品時はほとんど変化がないと考えられます。
ところが長年使うとシリンダーが摩耗し減衰力は変化します。
実際上どのくらい摩耗して、どのくらい摩耗すると減衰力がどう変わるのか実測したことがないので、本当のところはわかりません。

ただ、前回ダンパをオーバーホールに出したときは、シリンダの摩耗量が多いとのことでケースを交換することになってしまいました。
なので、それなりに減衰力影響はあると考えられます。

ここで、スプリングに初期縮みを与えると１Ｇ荷重でのシリンダに対するピストン位置が変わります。
今までずっと使ってたところよりも初期縮みを与えた量だけピストン位置が伸び側へ移動します。
すると、今までは摩耗したところを中心にピストンが動いていたものが、摩耗の少ないところを中心に動くようになって減衰力も変化すると考えられます。

という二つの要因が考えられるのですが、さらに車高が実は変わっていたとか、変えていないつもりのところが変わったことが原因とも考えられます。

考えられる要因の中で最も影響がありそうなのはダンパ減衰力変化なので、もし初期縮み量だけを変えて、待ち乗りで違いが感じられるような場合は、オーバーホールに出した方がいいと思います。

ところで、プリロードとはなんら関係はないのですが、
こういうダンパの絵を見ていていつも思うことがあります。
ダンパの減衰力を表すときピストンスピードという言葉が出てくるのですが、どう考えてもたくさん動くのはケース（シリンダ）側です。
なので、本当はシリンダスピードというのが正しいと思います。

以前、ダンパテスタを使ったことがある人にどっちが固定されているのか聞いてみました。
答え：ロッド（ピストン側）

少なくともダンパテスタで測定しているのはシリンダスピードに対する減衰力変化なのであって、ピストンスピードではないようです。（テスタのメーカによる違いはあると思いますが）

相対速度なのでどっちでもいいと言えばいいのと、実車ではどちらもそれなりに動いているのでなんら間違いではないのですが、ピストンスピードという表現はいまいち違和感がありますね。

今日のお題はプリロード。
僕はこのプリロードというものの目的がよくわかっていません。
でも何をするかは知っています。

実際にやることは、ダンパ－ＡＳＳＹ（スプリング組み込み状態）で、スプリングを予め縮めておき、ダンパーが伸びきり状態でもスプリング反力が出るようにします。
このときのスプリング反力をプリロードといいます。

で、プリロードってなんか意味あるんでしょうか？
プリロードの有無だけで比較実験したことがないので、本当のところはわかりませんが、過去２０年の経験では僕には違いはさっぱりわかりませんでした。

ということでいつもの計算

こんな絵のダンパーＡＳＳＹで計算してみます。
この絵の中で、③の寸法はスプリングの自由長です。


結果はこちら


まず、プリロードのかけ方ですが、上図の様にダンパが伸びきった状態でアッパシートとロアシート間距離がスプリングの自由長と同じになるようします。
このときのプリロードは０です。
僕はプリロードという言葉が大嫌いなので、このときを初期縮み量０ｍｍと表現します。
ここからロアシートを上げて行くとスプリングが縮みます。
そうするとスプリング初期縮み量×バネレートに相当するプリロードがかかります。
上図では、③－⑦＝１０ｍｍなので、下の絵は初期縮み１０ｍｍの状態です。

ロアシートを上げると車高が変わってしまうので、ロアケースの位置を調整して④＝⑧になるようにします。
同一ダンパで、同一スプリングを使う場合、車高は④、⑧で決まるのでこの寸法が同じであれば車高は変化しません。

ここで大事なことがあります。
それは図中の①＋②の寸法です。（アッパシート下面～ダンパケース上面距離）
ダンパは初期縮み量０ｍｍでも１０ｍｍ伸びきった状態なので、①＋②の寸法に変化はありません。
つまり①＋②＝⑤＋⑥という関係で。
（①⑤はバンプストップラバーなので①＝⑤、②＝⑥です）

次に計算結果のグラフを見てみます。
当たり前ですが、初期縮み１０ｍｍのときはスプリング縮み量０～１０ｍｍという範囲はありません。

今回計算に使った条件

バネレート　：１８０Ｎ／ｍｍ
ガス反力　　：２５０Ｎ（計算上は無視してもあまり違いはありません）
１輪荷重　　：３８５０Ｎ
伸びきり状態のケース上面～バンプストップラバーまでの距離（図の②と⑥）：５５ｍｍ

初期縮み０のときは１Ｇ荷重をかけると、２０ｍｍ縮みます。（グラフのａ）
ａ＝（３８５０－２５０）／１８０＝２０（ｍｍ）
ａ＋ｂ＝②という関係になっているので、
パンプストップラバーまでの距離は３５ｍｍです。

初期縮み１０ｍｍのときは１Ｇ荷重をかけると、１０ｍｍ縮みます。（グラフのｃ）
ここで、②＝⑥という関係からパンプストップラバーまでの距離ｄを求めると
ｃ＋ｄ＝⑥＝②＝５５なので
ｄ＝５５－１０＝４５ｍｍ

１Ｇ荷重時のスプリング縮み量で整理すると
伸び側ストロークは
初期縮み０　：２０ｍｍ
初期縮み１０：１０ｍｍ
⇒初期縮みを与えると、伸び側ストロークは初期縮み分だけ減少する

縮み側ストロークは
初期縮み０　：３５ｍｍ
初期縮み１０：４５ｍｍ
⇒初期縮みを与えると、縮み側ストロークは初期縮み分だけ増加する

グラフを見てもらうとわかるように、１Ｇ荷重から小さいストロークの範囲ではダンパケースにかかる力は全く同じなので、なにも違いはありません。
一般公道を合法的に走っているときは、ストロークは小さいので、初期縮み影響はわからないと思います。
サーキットでは、ストロークを目いっぱい使うことが多いのでグラフのように違いが発生します。
ただ、伸び側については初期縮み量が１Ｇ縮み量に対してあまり大きくない場合（今回の計算例では５ｍｍ以下）、スタビライザーの影響でここまでダンパは伸びないと考えられるので違いはないと思います。

一方縮み側については、初期縮み量を与えることで、バンプストップラバーまでのストロークが増加するので、ストローク不足のダンパーＡＳＳＹの場合は大きく違いが発生します。

でも、これって変わったのは縮み側ストロークの影響なわけで、初期縮みによる初期スプリング反力＝プリロードとは関係ないですよね？

僕がＳ２０００を購入した当初、テインのタイプフレックスという○子供向けのダンパでサーキット走行をしたことがあります。
全長調整式の車高調はストローク不足とは無縁である。というよくわからない思い込みで走行し続けていたところ、あまりに具合が悪く、ＴＣ１０００の１コーナで８回スピンしたため、ストロークを確認したら全くストロークが足りてませんでした。

しょうがないので、１０ｍｍくらい初期縮み量を与えたところ、かなり改善しました。
もちろん街中を合法的速度で走るだけなら、何も変化はありませんでした。

本日のまとめ
プリロードは縮み側ストロークを確保するために初期縮みを与えた結果発生するものであって、それ自体はどうでもよい。
ただし、縮み側ストロークが増えた分、伸び側ストロークは減少するとともに、伸びきり時のタイヤ荷重変化が大きくなるので、バランスを見ながら調整する必要がある。

たぶんプリロードって言葉は、全長調整式の車高調を売り出すときに”なんだか良さそう”って思い込ませるために車高調業界が広めた言葉だと思います。
減衰力特性も出さなければ、実車の実測結果も出さない。
そしてプリロードを変えると○○に変化がある。とかウソをつく。
ちゃんとした計算結果、実測結果がない理論はなんの役にも立ちません。

自動車用ホイールの位置決めはセンターボアですることになっているのですが、アフターマーケットのホイールの場合、センターボア径がハブ側と合っていないので、テーパナットで位置決めをするというおかしな状態になっています。（機械工学の基本として、ボルトを位置決めに使ってはいけません）

さて、位置決め方式はとりあえずおいといて、今日は位置決めがズレたときの影響を計算してみます。
タイヤとホイールの合計質量をｍ（ｋｇ）、ホイールセンタズレをｒ（ｍｍ）とします。
ここで言うホイールセンタとは、バランス取りをしたときの回転中心のことです。

このときのアンバランスにより発生する力Ｆ（Ｎ）は昨日と同じで

Ｆ＝ｍ × ｒ × ω＾２

昨日はちゃんと計算しましたが、今回はその他のアンバランスとの影響比較をします。
例題として昨日計算をしたバランス修正用オモリと比較をしてみましょう。

１）タイヤ＋ホイール質量：１５ｋｇ（＝１５０００ｇ）、ホイールセンタのズレ量：０．１ｍｍ　のアンバランス
２）リム半径３００ｍｍに貼っていた２０ｇのオモリが取れたときのアンバランス

アンバランスの式を見てみると、角速度の項目でω＾２というのがあるのですが、同じ回転数で回っているときはどちらも同じ値になるので、同じ回転数で回る物同士のアンバランス比較をするときは計算を省略します。

したがって１）の場合は
１５０００ｇ×０．１ｍｍ＝１５００ｇ・ｍｍのアンバランス
２）の場合は
２０ｇ×３００ｍｍ＝６０００ｇ・ｍｍのアンバランス

ホイールセンタが０．１ｍｍズレると２０ｇのオモリが取れたときの２５％のアンバランスが発生することになります。
昨日書いたようにオモリの場合±５ｇくらいなら影響がほとんど感じられないのでホイールセンタズレも０．１ｍｍくらいなら影響はないと考えられます。

ホイールの脱着を繰り返していると、０．２～０．３ｍｍくらいは普通にズレている気もするのですが、ホイールの脱着後にステアリングシミーが発生したことはないので、意外にズレないのかもしれません。


ところで、クランクシャフトのバランス取りをしてくれる加工屋さんがいますが、アンバランスの単位が”ｇ”なのは間違いです。
正しくは、アンバランスを修正する部分での質量を示す必要があるので、半径○○ｍｍ上で△ｇのアンバランスがある。と言わなければなければなりません。（実際はさらに軸方向も重要です）

仮にアンバランスによる力を示しているのであれば、○○ｒｐｍで回転させたときのアンバランスは△ｇｆだった。と言う必要があります。

この辺をきちんと書かずに、「当社では、アンバランスを０．０１ｇ以下に修正します！」などとエラそうに書いているお店はアンバランスについて理解できていないので、バランス修正をお願いするのは止めた方がいいと思います。

ガレージＫ氏がホイールバランスについて書いているので、ホイールバランスが悪化したときの影響を具体的に計算してみましょう。

ホイールのバランスを取るときは１０ｇとか２０ｇもオモリをリムに貼り付けます。
ここで、このオモリが取れてしまった場合の影響を計算してみます。

バランスが悪化したときの影響と言うと具体的ではないので、何を計算するかを決めます。
バランスが悪化すると起きること、それは振動の発生です。
特に前輪のバランスが崩れるとステアリングホイールがブルブル震えます。
これをステアリングシミーと言います。ジミーではありません。Shimmy Motion のシミーです。
日本語にすると舵取り装置の振動です。

なんでブルブル震えるかと言うと、タイヤが前後に動こうとするからです。
重い側が前方に来たときには前方へ引張られ、後ろに来たときは後ろへ引張ります。
バランスが崩れると、このようにホイールが前後に動こうとするので、その力がタイロッドを伝わりステアリングホイールを振動させます。
そこで今回は、このときに前後方向に発生する力の大きさを計算します。
（実際はさらに共振現象が大きく関係するのですが、今回の計算では割愛します）

では早速計算
計算には次の式を使います。
アンバランス力をＦ（Ｎ）とすると
Ｆ＝ｍ×ｒ×ω＾２　・・・　①
ここでｍはアンバランス量（ｋｇ）、ｒはアンバランス部の回転中心からの距離（ｍ）、ωはホイールの角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）です。

時速Ｖ（ｋｍ／ｈ）で走行しているクルマのホイール角速度ωは、タイヤの半径をＲ（ｍ）とすると
ω＝Ｖ×１０００／３６００／Ｒ（ｒａｄ／ｓｅｃ）　・・・②
ちなみに角度は３６０°が２π（ｒａｄ）です。

②を①に代入すると
Ｆ＝ｍ × ｒ ×（Ｖ／３．６／Ｒ）＾２　・・・③

今回は２０ｇのオモリが取れた場合を計算します。
理由はこのくらいのアンバランスがあるとステアリングシミーが発生するからです。
ホイールはＳ２０００の標準ホイールサイズである１７インチとします。
リム部の直径は１７インチなだけに１７×２．５４＝４３．２ｃｍです。
速度はサーキット走行を前提として１２０ｋｍ／ｈとします。
ｍ＝０．０２（ｋｇ）、ｒ＝０．４３２／２（ｍ）、Ｖ＝１００（ｋｍ／ｈ）、Ｒ＝０．３０５（ｍ）を③に代入します。

Ｆ＝０．０２×０．２１６×（１００／３．６／０．３０５）＾２
　＝３５．８（Ｎ）＝３．６５（ｋｇｆ）

意外に小さく３．６５ｋｇｆで前後に引っ張られていることになっているようです。
停止中のクルマのタイヤに３．６５ｋｇｆの力を前後に与えてもステアリングには力はほとんど伝わらないと思うので共振時にしかステアリングがブルブルしないのも理解できます。

また、このくらいの力であればタイヤが路面から受ける前後力の方が遥かに大きいと思うので、ステアリングシミーの発生しない速度であれば、ホイールハブ等の強度的にもなんら影響ないと考えられます。

僕はタイヤ組替えを自分でやらないので、どのくらいのオモリの設定があるのか詳しく知りませんが、５ｇか１０ｇ刻みのオモリしか見たことがないので、実際はリム上で５ｇくらいなら振動影響はないようです。