ショックアブソーバー

ショックアブソーバーまたはダンパーは、衝撃を吸収して減衰するように設計された機械的または油圧式の装置です。これは、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) に変換して消散させることによって行われます。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。

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。自動車のショックアブソーバーには、内部ピストンを通るオイルの流れを制御するためのスプリング式のチェックバルブとオリフィスが含まれています（下記参照）。^[1]

ショックアブソーバーを設計または選択する際の設計上の考慮事項の 1 つは、そのエネルギーがどこに行くかということです。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油圧流体が加熱され、空気シリンダーでは通常、熱い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、消散したエネルギーを蓄えて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、凹凸のある道路で車両を衝撃から保護し、車輪を地面に接触させたままにします。

車両において、ショックアブソーバーは荒れた地面を走行する際の影響を軽減し、乗り心地と車両の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を使用し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、車両の積載重量と無積載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します。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。

スプリングベースのショックアブソーバーでは、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、ねじりショックではトーションバーも使用されます。ただし、理想的なスプリングだけではショックアブソーバーにはなりません。スプリングはエネルギーを蓄えるだけで、消散または吸収しないからです。車両では通常、油圧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。この組み合わせでは、「ショックアブソーバー」は特に振動を吸収して消散させる油圧ピストンを指します。現在、複合サスペンションシステムは主に2輪車で使用されており、4輪車のリーフスプリングも複合材料で作られています。

ショックアブソーバーは、快適性、安定性、全体的な安全性を高めるために設計された自動車サスペンションの重要な部分です。精密さとエンジニアリングスキルで製造されたショックアブソーバーには、多くの重要な機能があります。最も一般的なタイプは油圧ショックアブソーバーで、通常、ピストン、シリンダー、およびオイルが充填されたチャンバーが含まれます。ピストンはピストンロッドに接続され、ピストンロッドはシリンダー内に伸びてシリンダーを2つの部分に分割します。1つのチャンバーには油圧オイルが充填され、もう1つのチャンバーには圧縮オイル^{[誰によると？ ]}または空気が含まれています。車両に事故^{[関連？ ]}または振動が発生すると、ピストンがシリンダー内に移動し、油圧流体を小さな穴に押し込み、抵抗を生み出し、熱の形でエネルギーを消散させます。これにより振動が減衰し、車のさらなる跳ね返りや揺れが減少します。ショック構造では、ピストンの設計、流体の粘度、ユニットの全体的なサイズなどの機能のバランスが取れて、パフォーマンスを確保する必要があります。技術の発展に伴い、ガスショックアブソーバーや電気ショックアブソーバーなど、制御性と柔軟性が向上した他のタイプのショックアブソーバーが登場しました。車両のダイナミクスと乗客の快適性の継続的な改善により、ショックアブソーバーの設計と製造は常に進化しています。

客車や鉄道機関車と同様に、初期の自動車のほとんどはリーフ スプリングを使用していました。これらのスプリングの特徴の 1 つは、リーフ間の摩擦によってある程度の減衰が得られることですが、1912 年の車両サスペンションのレビューでは、らせん状のスプリングにこの特性がないため、メイン スプリング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]ただし、リーフ スプリングの摩擦によって得られる減衰の量は限られており、スプリングの状態、および濡れているか乾いているかによって変化します。また、両方向に動作します。オートバイのフロント サスペンションでは、1906 年頃からコイル スプリング付きのドルイド フォークが採用され、同様の設計では後に、両方向に減衰する回転摩擦ダンパー (摩擦ディスク ショック アブソーバー) が追加されましたが、調整可能でした (例: 1924 年の Webb 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、多くの車にも取り付けられました。

自動車の問題の 1 つは、軽荷重時と最大荷重時でのバネ上重量の大きな変化で、特に後部スプリングで顕著でした。重荷重時にはスプリングが底付きすることがあり、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 スプリングと補助スプリングを使用する試みもありました。補助スプリングは「ショック アブソーバー」と呼ばれることが多かったです。スプリングと車両の組み合わせが固有の周波数で跳ね返ることを認識して、これらの補助スプリングは異なる周期で設計されましたが、バンプにぶつかった後のスプリングの反発で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ましたが、これは一方向にしか機能しませんでした。すぐには生産されなかったようですが、ガブリエル スナッバーなどの機械式ダンパーは 1900 年代後半に取り付けられ始めました (同様のストロンバーグ アンチショックスも同様)。これらは、コイルばねの作用で自由に巻き取られるが、引き出されるときに摩擦を受けるように、装置内に巻き付けられたベルトを使用しました。ガブリエル スナッバーは、 1912 年後半にブルックランズで 6 時間クラス B の記録を破った11.9HP のアロール ジョンストン車に取り付けられ、Automator 誌は、このスナッバーは軽量で取り付けが簡単なため、レースで大きな将来性があるかもしれないと指摘しました。^[3]

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した。 ^[3]これは、前述の純粋なスプリングタイプの「ショックアブソーバー」のように伸縮ユニット内にスプリングを含んでいましたが、オイルと内部バルブも含まれていたため、オイルはリバウンド方向に減衰しました。テレスコユニットは、シャーシマウントへ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たため、油圧で減衰された部分ではありますが、スプリングシステムの一部を形成しました。^[4]このレイアウトは、既存の車両に適用しやすいために選択されたと思われますが、油圧減衰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ました。

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 1908 年と 1909 年に特許を取得したモーリス ウダイユの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、突然の動きには抵抗するがゆっくりとした動きは許容することです。一方、回転摩擦ダンパーは固着する傾向があり、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の標準装備として、ニューヨーク州バッファローのHoude Engineering Corporationによって製造されるなど、広く使用されるようになりました。

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。

「2 チューブ」ショックアブソーバーとしても知られるこの装置は、入れ子になった 2 つの円筒形のチューブで構成されます。内側のチューブは「作業チューブ」または「圧力チューブ」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。装置内部の下部には、圧縮バルブまたはベースバルブがあります。路面の凹凸によってピストンが上下に押されると、油圧流体が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て放散させます。

「ガス セル ツー チューブ」または同様の名前のデザインとしてさまざまな名前で知られるこのバリエーションは、基本的なツイン チューブ形式を大幅に上回る進歩を遂げています。全体的な構造はツイン チューブと非常に似ていますが、低圧の窒素ガスが予備チューブに追加されます。この変更の結果、「泡立ち」または「エアレーション」が大幅に減少します。これは、ツイン チューブが過熱して故障すると、アセンブリから泡状の油圧流体が滴り落ちるという望ましくない結果になります。ツイン チューブ ガス充填ショック アブソーバーは、現代の車両サスペンション設備のほとんどを占めています。

単に「PSD」と略されることが多いこの設計は、ツイン チューブ ショックのもう 1 つの進化形です。PSD ショック アブソーバーは、依然として 2 つの入れ子になったチューブで構成され、窒素^[5]ガスが入っていますが、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、ピストンは中間の移動範囲 (つまり、最も一般的な街路または高速道路での使用で、エンジニアは「快適ゾーン」と呼びます) では比較的自由に動き、ピストンの上下運動がより激しくなり始めると、より不規則な路面へのシフトに応じて大幅に自由度が低くなります (つまり、道路の凹凸部分で、剛性が増すとドライバーは車両の動きをより細かく制御できるため、快適ゾーンの両側の範囲は「制御ゾーン」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 アブソーバーを製造し、特定の車両のサイズと重量、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を作成できるようになりました。

ショックアブソーバーの進化における次の段階は、単に「でこぼこ」から「滑らか」への状況の変化だけでなく、道路の個々の凹凸をほぼ瞬時に感知して反応できるショックアブソーバーの開発でした。これは圧縮バルブの設計変更によって実現され、「加速感応ダンピング」または「ASD」と呼ばれています。これにより、「快適性と制御性」のトレードオフが完全になくなるだけでなく、車両ブレーキ時のピッチングと旋回時のロールも減少します。ただし、ASD ショックは通常、車両のアフターマーケット変更としてのみ利用可能であり、限られた数のメーカーからのみ入手できます。

コイルオーバー ショックアブソーバーは、通常、らせん状のロード スプリング内部にガスを充填したツイン チューブ ショックアブソーバーの一種です。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。

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、コイルオーバー形式であり、2つのピストンがありますが、圧力チューブという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、ショックの流体コンポーネントとガスコンポーネント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、一貫してツインチューブよりも全体的な設計がはるかに長いため、ツインチューブショック用に設計された乗用車に取り付けるのが困難です。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取り付けることができ、方向性はありません。^[6] 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ガスは窒素ガスを含んでいますが、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が、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ことです。^[7]

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はビルシュタイン社によって製造され、そのデザインは特許を取得しており、1954年代に初めて登場した。^[8] デザインは特許取得済みであったため、特許が切れる1971年まで他のメーカーは使用できなかった。^[7]

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。^[9]スプールバルブは、モノチューブ、ツインチューブ、または位置感知パッケージで適用でき、電子制御と互換性があります。^[10]

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中で最も重要なのは、フレキシブルシムに関連するパフォーマンス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。^[11]

フレキシブル パイプ (リモート リザーバー) または非フレキシブル 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チューブまたはオイル コンテナ。ショックの長さや厚さを増やすことなく、ショックが運ぶことができるオイルの量を増やします。

サスペンショントラベルの各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。トリプルバイパスには、サスペンショントラベルの3つのセクション（初期トラベル、中間トラベル、フルトラベル）ごとに個別のサスペンションチューニングコントロールセットがあります。^[12]

衝撃吸収には一般的に使用される原理がいくつかあります。

• 構造材料のヒステリシス。たとえば、ゴムディスクの圧縮、ゴムバンドやコードの伸張、鋼製スプリングの曲げ、またはトーションバーのねじれなど。ヒステリシスとは、弾性材料が変形に必要な力よりも少ない力で反発する傾向のことです。独立したショックアブソーバーを持たない単純な車両は、スプリングとフレームのヒステリシスによってある程度減衰されます。
• 車輪ブレーキで使用されている乾式摩擦。レバーの軸にディスク（古典的には革製）を使用し、摩擦はバネによって強制される。フォード モデル Tなどの初期の自動車から、1940 年代の一部の英国車、1950 年代のフランスのシトロエン 2CVまで使用された。現在では時代遅れとみなされているが、このシステムの利点は機械的な単純さである。減衰の程度は、ディスクを固定しているネジを締めたり緩めたりすることで簡単に調整でき、簡単な手工具で簡単に再構築できる。欠点は、減衰力が垂直方向の動きの速度に伴って増加しない傾向があることである。

• 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。ケーシング内に、通常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並べたものを使用します。[1]、[2]
• 流体摩擦、例えば狭いオリフィスを通る流体の流れ（油圧）は、自動車のショックアブソーバーの大部分を占めています。この設計は、 1902 年にモース レーシングカーで初めて採用されました。 ^[13]このタイプの利点の 1 つは、特殊な内部バルブを使用することで、アブソーバーを圧縮に対して比較的柔らかくし（衝撃に対して柔らかく反応する）、伸長に対して比較的硬くして、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である「リバウンド」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、衝撃またはリバウンドの速度に応じて硬さの度合いを変えることができます。レース用の特殊なショックアブソーバーでは、ドラッグスターのフロント エンドが加速時に最小限の抵抗で上昇し、その後、安定しないように強く抵抗することで、トラクションを高めるために望ましい後方重量配分を維持できます。

• ガスの圧縮。例えば空気圧ショックアブソーバーは、空気圧が高まってそれに抵抗するにつれてバネのように機能します。封入されたガスは圧縮可能であるため、機器は衝撃による損傷を受けにくくなります。この概念は、 1954年にシトロエン車の量産で初めて採用されました。今日では、多くのショックアブソーバーは圧縮窒素で加圧されており、頻繁な使用時にオイルがキャビテーションを起こす傾向を減らしています。これにより泡が発生し、ユニットの減衰能力が一時的に低下します。レースやオフロードで使用される非常にヘビーデューティーなユニットでは、オイルと加圧ガスのリザーバーとして機能するセカンダリシリンダーがショックアブソーバーに接続されている場合もあります。航空機の着陸装置では、エアショックアブソーバーを油圧減衰と組み合わせてバウンスを減らすことがあります。このようなストラットはオレオストラット（オイルと空気の組み合わせ）と呼ばれます[3]。
• シトロエン2CVには、加速時の慣性抵抗として、外部可動部品なしで車輪の跳ね返りを抑えるショックアブソーバーが搭載されていました。このショックアブソーバーは、垂直シリンダー内にスプリングで取り付けられた3.5kg（7.75ポンド）の鉄の重りで構成されており[4]、高層ビルで使用されている同調質量ダンパーのバージョンに似ていますが、はるかに小型です。
• 複合ハイドロニューマチックサスペンションは、スプリングアクション、衝撃吸収、車高制御、セルフレベリングサスペンションなど、多くのサスペンション要素を単一のデバイスに組み合わせています。これにより、ガスの圧縮性の利点と、油圧機械の力増幅能力が組み合わされます。
• 従来のショックアブソーバーは、エアサスペンションスプリングと組み合わせることもできます。これは、車高制御とセルフレベリングサスペンションを実現する別の方法です。
• 電気粘性流体ダンパーでは、電界によってオイルの粘度が変化します。この原理により、自動車産業やさまざまな産業でセミアクティブダンパーの応用が可能になります。
• 磁場の変化:磁気レオロジーダンパーは電磁石を通じて流体の特性を変えます。
• 高い（音の）周波数でのショックアブソーバーの効果は、通常、作動流体として圧縮性ガスを使用するか、ゴム製のブッシングで取り付けることによって制限されます。

• 一部のショックアブソーバーでは、ショックアブソーバーに備えられた手動調整によってバルブを制御し、乗り心地を調整できます。
• より高価な車両では、バルブを遠隔調整できる場合があり、運転者は車両の運転中に自由に走行を制御できます。
• センサーに反応してコンピューターを介してダイナミックバルブを制御することで、追加の制御が可能になり、スムーズな乗り心地と必要なときにしっかりとしたサスペンションの両方を実現し、車高の調整や車高の制御も可能になります。
• 車高制御は、改良された高速道路での走行時に車高を下げることで操縦性を向上させ、空気抵抗を減らす手段として、時折悪路を走行することを目的とした高速道路車両に特に適しています。
• 過熱によるショックフェードや故障（オイル漏れ）を防止または遅らせるためのヒートシンク、ファン、または液体冷却

• 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^[14]
• ショックアブソーバーとは異なり、ストラットは強化された本体とステムを備えています。
• 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の取り付け方法は異なります。ショックアブソーバーは、ゴムまたはウレタンのブッシング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 ポイントを提供する回転プレートを介してフレームに取り付けられます。

• シェルトン、クリス。「あの頃、今、そしてずっと」、Hot Rod、2017年3月、16～29ページ。

• Kinra, Vikram K.; Wolfenden, Alan (1992)、M3D: 材料減衰の力学とメカニズム、ASTM 特別技術出版物番号 1169、米国ペンシルベニア州フィラデルフィア: ASTM International、ISBN 978-0-8031-1495-1
• ホランド、マックス（1989）『機械が止まったとき：産業アメリカからの警告物語』ボストン：ハーバードビジネススクール出版、ISBN 978-0-87584-208-0、OCLC  246343673。

ウィキメディア・コモンズには、ショックアブソーバーに関連するメディアがあります。

• このトラックにはスプリングがない、ポピュラーサイエンス、1919年2月
• MITの学生がエネルギーを生成するショックアブソーバーを開発。
• 1943 年の記事「困難な状況を乗り越える」
• 減衰率の計算 2021-06-09にWayback Machineでアーカイブ、セミナーノートはKaz Technologiesより
• [5] 2017年11月20日アーカイブ、Wayback Machine、ショックアブソーバー測定