HI3C0503

軽量ホイールのデメリット②

サスペンション独学ノートを編集しているときに
バネ下共振の回ででふと気が付きました、、、

「これって、、、軽量ホイールのデメリットの理由なんじゃない?」

あらためて
タイヤ&ホイールの固有振動数とタイヤの特性を考えてみると

①タイヤ空気圧による縦バネ
タイヤは空気圧により作られる空気バネの作用による固有振動数から
「タイヤ&ホイール固有振動数 x√2」以上の入力は振動伝達率が1.0を下回り、
タイヤのたわみで振動を吸収し始めてホイールに振動を伝えにくくなり
固有振動数の3倍程度の入力になると振動絶縁効果が高くなり
タイヤからホイールへの入力が絶縁される
もちろんタイヤはゴムなので自己ダンピングが働き完全に自由運動にはなりません

②タイヤのサイドウォール特性によるダンピング特性
縦に撓むサイドウォール部分が硬いスポーツタイヤほどタイヤの持つ減衰力が高く
ホイールへの入力が増える(=路面不正を伝える)って事になります。
逆にサイドウォールが柔らかいタイヤほど
タイヤの持つ減衰力が低く 縦バネが自由運動に近づくので静かでしなやかな乗り心地になる

③サイドウォールの高さの影響
サイドウォールの高さは、タイヤのたわみ(変形)量に影響する
サイドウォールが高い(扁平率の数値が大きい)タイヤはたわみ量が多い=ストロークが多いので
同じ段差を乗り越えた場合”当たり”がより柔らかくなる

タイヤの縦ダンピング特性と乗り心地の関係も見えてきましたね

ホイールの軽量化による乗り心地の悪化は
ホイール重量の変化によりタイヤ&ホイールの固有振動数が変化するので
ホイールを軽量化することにより、タイヤ&ホイール固有振動数が高くなる
固有振動数が高くなることにより振動伝達率が1.0を切る周波数帯
が高い方向に推移し振動絶縁効果が発揮される入力周波数も同様に高くなり、
タイヤがホイールに振動を伝える振動伝達周波数帯が広くなってしまう。

つまり、、、「同じ路面でもホイールが軽い方が路面からの入力が増える」って事になります。

前回、計算したバネ下固有振動数の式を使って再計算してみると

タイヤ縦バネ
タイヤ縦バネグラフ
y=-3.24x+407
xに偏平率を入れると縦バネ係数(N/mm)が出てきます

M3ノーマルホイール仕様
タイヤ 12kg
ホイール 9.5kg
アーム&ブレーキ 17.8kg
バネ下重量 39.3kg
タイヤ縦バネ係数 261N/mm

バネ下固有振動数を求めると
f=√(261000Nm ÷ 39.3kg) ÷ (2π)
f=12.97Hz
振動伝達率が1.0以下に下がる周波数は
f=12.97Hzx√2
f=18.34Hz
タイヤホイール固有振動数
グラフに乗せるとこんな感じですね

次にホイールを一気に7kgまで軽量化
M3 TE37仕様
タイヤ 12kg
ホイール 7kg
アーム&ブレーキ 17.8kg
バネ下重量 36,8kg
タイヤ縦バネ係数 261N/mm

バネ下固有振動数を求めると
f=√(261000Nm ÷ 36.8kg) ÷ (2π)
f=13.4Hz
振動伝達率が1.0以下に下がる周波数は
f=13.4Hzx√2
f=18.95Hz

軽量ホイールの影響
グラフで変動推移を見てみるとこんな感じに固有振動数が変化します
0.6Hzほど固有振動数が高くなり、振動伝達周波数帯が広がります。
この計算はインチキープ、タイヤも同じって条件なので
インチアップ&ワイドホイールで引っ張りタイヤ、
さらにサイドウォール剛性の高いスポーツタイヤ
って組み合わせだと、
タイヤの縦バネ係数が高まるので、さらにバネ下固有振動数が高まる事になり
振動伝達周波数帯が広がり乗り心地が悪くなりロードノイズがも増えるって事です。

普通は「インチUPしてスポーツタイヤに変更」って交換パターンなので確実に乗り心地は悪化します。
さらに「せっかくだから軽量ホイールにしてバネ下軽量化で乗り心地良くしよう」なんて宣伝文句に釣られてがんばっちゃうと、
もっと乗り心地悪くなっちゃいますね、、、

「それならタイヤの空気圧を下げて縦バネを弱めればOKだろ!」って
 残念ながらタイヤが性能を発揮できる空気圧は荷重によりある程度は決まっているので、
むやみに空気圧を下げるとタイヤの性能を下げることになります
「走行中にビード落ちしてホイール傷だらけ」とか「走行中にバースト」って事になりかねません
タイヤが性能を発揮するために必要な空気圧指定が
「ロードインデックス」によるタイヤ空気圧指定です。
タイヤ空気圧の重要性
タイヤ空気圧を考える② (軸荷重とスリップアングル)
タイヤ空気圧を考える③ (軽量化及びタイヤサイズ変更)

良くあるパターンが、、、
「走行性能を高めるためにサスペンションを固めて乗り心地が悪くなったから
タイヤ空気圧を低くしてタイヤの性能を下げてでも乗り心地を良くする」、、、
コレって何がしたかったんだっけ?(笑)

さて!
これで、何となく感じていた「軽量ホイールを組みと乗り心地が悪くなる」の理由が少し見えてきました
軽量ホイールで乗り心地が良くなるは一部の領域で
共振状態でのエネルギー量が少ないので、「突き上げ」に関してはダンパーが少しは楽できますが
それ以外の部分では乗り心地が悪化するって事になります。

「感覚的に乗り心地が悪い」って前の記事を書いたのが2013年5月
数値的に理解するまで3年10ヶ月も経ったのか、、、

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「軽量ホイールのデメリット②」への2件のフィードバック

  1. 固有振動の話を読んで、思ったんだけど、ストラットサスの純正スプリングの優位性って、サイドスラストもあるけど、スプリングそのものの、質量の大きさが効いている気がします。
    アウディのA4クワトロのリヤのロアアームには、明らかにバラストと思われる重そうなカバーが付いてました。
    マスダンパー効果って、大きいと思います。

    1. ストラットサスペンションのスプリングの重さは「乗り心地の質」に影響してると思います。
      直巻きスプリングで同一レート&自由長で比較した際にも固有振動数が低い「重いスプリング」の方が「乗り心地の質」が良かったです。

      サスペンションに取り付けられるマスバランスはバネ下の特定周波数を狙った音振対策だと思います。
      一度良く見てみたいです。

      マスバランスで感心したのはBMW Z3のリアバンパー内に15kgのマスバランスが付いています。
      「前後重量バランスの補正に使っている」って良く言われますが
      ゴムブッシュによるフローティングマウントしているのでルーフの無いロードスターボディの振動対策のマスバランスですね

      人間の感覚って鋭く且つテキトーなので
      フロアの「ブルブル振動」をマスバランスで消したり、
      内装の「キシキシカタカタ等の低級音」を消したり、
      「ボディの捻れ点」をドライバーから離す
      だけで「ボディ剛性」を感じます。
      その辺りの感覚チューニングにマスバランスは効いてきますね

      音振設計がイマイチな車のシャシーやマフラーはマスバランスがたくさんついてますよ~

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