バネ下重量軽量化の実験と考察

質問

皆様初めまして，車や自転車が好きなものですが，ここ最近ずっとバネ下重量の軽量化が実際に効果的なのかどうか悩んでいまして，いろいろ調べたのですが納得のいくデータがなくてちょっとした実験をしてみました。その報告と，それをもとに車での実際について検討してみたので皆さんのご意見をいただきたいと思って投稿しました（もっとも農学出身ですので工学的にはきっと適当な実験ですが）。

実験の概要ですが，実際に車で行うのは経済的にも無理があったので自転車でやってみました。やり方は簡単で，普段使っているフルサスMTBのバネ下重量を変えて乗り心地などを確かめてみただけです。タイヤが違うと比較できないのでタイヤはそのままで「普通ホイール＋普通チューブ（計1110g）」と「軽量ホイール＋超軽量チューブ（計520g）」を入れ替えてやってみました。なお，ハブのベアリンググリスや空気圧はそろえています。

結果ですが，発進に関しては悪路においては少し楽になりました（普通の道路では変わっている気がしません）。巡航に関しては特に変化は感じませんが，やはりちょっとした悪路での操縦性は向上し，確かにサス（というかタイヤ全体）の追従性がよくなっている印象を持ちました。ただ，ビビリ感というか，手元に伝わるショックが大きくなったように思います
軽量化で慣性力が小さくなっているのでしょうから，速度が落ちるのも早いのかと思って，同じ道（直線）でペダルを漕がずに空走して25km/hから5km/hまで低下する距離を確かめて見ましたが（スピードメーターの値），意外に同じでした。3回ずつやってみたのですがほとんど同じでした。
バネ下重量の軽量化はバネ上重量の10倍近い効果があるとの記述もあったので，バネ下軽量化マシン（ノーマル－1.2kg）のボトムチューブに10kgの重りをつけて走ってみました。いやいや，まったく重たくてやってられません。自転車全体の操縦性はかなり低下しました。ちなみに1kgの重りを車体前後端やハブ付近（バネ下）につけたりしてもやってみましたが，車体前後端では操縦性は悪くなり，ハブ付近では全体の挙動は意外にも滑らかに（鈍く？）なりました。

以上のことから考えてみると，ひとまず自転車に関しては以下のようなことが言えそうです。まず，車輪の回転に伴う慣性力は全体重量（車体＋乗員）が持っている慣性力に比べて小さく，バネ下の軽量化は加速減速へ顕著な影響は及ぼさない。バネ下の軽量化はサスの振幅頻度を高めて接地性を向上させたり，急なハンドリングでの追従性向上には効果があるが，悪路など頻繁に転舵し慣性力が邪魔になる場合に限る。車体全体の挙動はバネ下重量だけではなく重量の配分によって決まってくる。旋回やハンドル操作などの動作で回転軸から遠いところに重量物があると挙動は不安定になる。逆に全体重量が若干増したとしても回転軸に重量物がある場合は挙動に安定感が出る。

以上のことを踏まえて車の場合について考えてみます。自転車では全体重量（車体＋乗員）とバネ下（タイヤ，ホイール＋サス等）の割合が約80:(2+6)(kg)ですが，1500cc車では約1200:(60+40)(kg)とやや車のほうがタイヤホイール重量比が高めです。しかし車のタイヤは自転車よりも半径が小さいことからやはり全体の慣性力に対するタイヤの回転慣性は小さいと思われます（昔の軽い軽自動車に最近の重いホイールをつけた場合は違うかもしれません）。従ってバネ下軽量化では全体重量の低下にともなう影響以外の加減速の差はないと思われます。サスの動きですが，これは若干変化があるかもしれません。ただ，車の場合ショックアブソーバーが付いているため自転車とは少し挙動が違うのかと思います。素人考えですが，ショックアブソーバはそもそもスプリングの動きを鈍くするためについているはずなので（もっとも高速と低速で応答性が異なりますので単純な話ではないでしょうが）接地感の向上といったものはより効果が少ないほうに制限されるのではないでしょうか。最後に，車は４輪なので重心から遠くにあるタイヤ，ホイールが軽量化されることは全体の挙動安定に貢献する可能性が高いと思います。というかそれがタイヤホイール軽量化のメリットなのでは！？と思っているのですが皆さんのご意見はいかがでしょうか。

回答No.1

nekoppe · ベストアンサー

gulcose2様、実験は真面目で正確ですね、殆どが自動車に当てはまりますので、実験分析も正確です。
＞ビビリ感というか，手元に伝わるショックが大きくなったように

単なる軽量化では振動や騒音の問題が発生してしまいますので、メーカ純正アルミホイールはそれらを考慮して重くなっています。

＞車輪の回転に伴う慣性力は全体重量（車体＋乗員）が持っている慣性力に比べて小さく，バネ下の軽量化は加速減速へ顕著な影響は及ぼさない

その通りです。アルミ製ホイールナットは高額ですが、回転芯に近いので効果は更に少なくゼロと言っても良い位です。

＞バネ下重量の軽量化はバネ上重量の10倍近い効果があるとの記述

１０倍とか１５倍の効果とは言いますが、乗り心地が１０倍良くなるとか、１５燃費が良くなるとは言っていなくて、その効果で具体的にはどうなるのかとは言わず、ユーザが勝手に、乗り心地が良くなるとか燃費が良くなるとかの思い込みをする事を期待しているのだと思います。

アルミ、マグルシウム、鍛造、等の軽量ホイールは、極限の性能を求める場合には少しは効果がありますが、公共道路では効果ゼロに近い状態なので、自動車メーカが、スタンダード車種にスタンダード装備しないのです。

お礼

nekoppe様さっそくのご意見ありがとうございます。
やはり巷で言われているバネ下はバネ上の何倍…は特段の根拠がない数値なんですね。
自分でもいろいろ考えてみて，皆さんが報告されている効果がなんとも納得いかなくて悩んでいました。やはり多くはプラシーボ効果なんですね。

回答No.4

LargeDog

＞バネ下はバネ上の何倍…は特段の根拠がない数値なんですね。
そうです。それは何かの間違いから迷信になったのだとおもわれます。
キャロス・スミス著　実践的マシンチューニング (グランプリ出版)にもそのことがかかれています。
その他、この本には参考になる事がたくさんかいてあります。
質問者さんのスキルなら一読することをお勧めします。

お礼

LargeDog様

参考書まで紹介していただいてありがとうございます。実は書店で参考書を探しても，数式が多くて難しい本や図解だけれど理論が少ない本などなかなかいい本がなくて探していました。
今度探してみようと思います。

回答No.3

kankkun

回答者２です。
うまく説明できなくてスミマセン。

ショックアブソーバーですが、乱暴に言えば
基準点に如何にはやく戻すかが仕事なので、
重りが軽ければ仕事量が少なくて済みます。

でもそれと等しく重要なのが前回答の
> サスアームがゴムブッシュを介して
> 車体に固定されています
というところです。
振動対策等によりソリッドな固定はできません。
これは自転車では比較できませんね(^^;

市販車のサスってゴムへの依存度が高いんです。
常に変形しながら作動しています。
この変形はサスペンションの理想的な動作にはマイナスです。
ですから重りは軽い方が望ましいのです。

あと運動性には関係ないですが、仕事量が少ないので
部品としての劣化速度が遅くなることもメリットかな？

お礼

kankkun様

再び疑問にお答えいただきましてありがとうございます。
サスのブッシュは高周波の振動対策のみならず本来サスが担うべき低周波の衝撃吸収にも役割を果たしているのですね。でもそれが逆にサスが受け止めていなすべき衝撃の一部を横取りしてしまうんですね。
仕事量が少ないと劣化速度も遅いというのはちょっとした盲点でした。燃費等以外にもそういったコスト軽減効果がありますよね。
やはり軽いというのは（バネ下に限らず）いいことですね。

回答No.2

kankkun

ほんのちょっとだけ突っ込みを(笑)

> サスの動きですが，これは若干変化があるかもしれません。

若干ではないと思いますよ。
ほとんどの自動車はサスアームが
ゴムブッシュを介して
車体に固定されています。
さらに自動車のサスは既に縮んでおり、
常に動こうとしていますから、
そこが軽量化されることは
gulcose2さんのお考えよりは、
もう少し重要度が高いと思います。

もちろん結論に異論はありません。

お礼

kankkun様
ご指南ありがとうございます。確かにサスのような往復運動では慣性力が小さいほうが高速に応答できるようになるのですよね。
軽量化でショックアブソーバーがどういう挙動を示すのかがよくわからないのですが，サスが高速で応答するのを抑制したりはしないんでしょうか？また教えていただければ幸いです。
私もまた自転車のサスにダンパーをつけたりして実験してみようと思います。