プリロードの話

世の中、勘違いの方が主流、なんてことはしばしばあるんですが、
今回はそんなお話です。

『プリロードをかけると、サスは固くなる。』

これがかなり多い勘違いです。



この画像のようなネジ式車高調（ロアシート調整式車高調）がとあるクルマに
付いているとします。
バネは自由長（バネ全長）200mm、バネレート5kgf/mm、ダンパーのストロークは
80mmとしましょう。（RX-8用DFVのダンパーがそうなので）
バンプラバーはとりあえず無いものとします。

これを取り付けているクルマは、分かりやすいように
・車両重量 1,000kg
・前後重量配分 50：50
・1輪荷重 250kgf
・レバー比 1.0
とします。

まずプリロード0mmの状態を考えます。
クルマをリフトアップした0Gでは、Ａ（アッパーマウント）と
Ｂ（スプリングロアシート）の間は200mmです。
このクルマをリフトから降ろして1G状態になると、1輪に250kgfの荷重がかかる
ので、車体に固定されたＡに250kgfかかり、Ａは押し下げられ、5kgf/mmのバネは
50mm縮みます。
この時、ＡＢ間は150mmになります。
ダンパーのロッドも50mm縮み、
・あと30mm縮むことができる（あと150kgfの荷重に耐えられる）
・あと50mm伸びることができる（荷重が0kgfになったら伸びきる）
という状態になります。
このように縮む余地が30mmしかないとなると、もしロッドに20mmのバンプラバーが
付いていれば、ダンパーケースがバンプラバーに当たるまでに縮む余地は10mmしか
ないので、+50kgfの荷重でダンパーケースがバンプラバーに当たりはじめてしまいます。

では、Ｂを10mm上に移動して、プリロードを10mmかけてみます。
リフトアップして0Gになると、ＡとＢの間は190mmです。
ＡとＢは、バネに対して50kgfの圧縮圧力をかけていて、バネは50kgfの反力で
伸びようとしています。

※ＡＢ間は最大で（ダンパーのロッドが伸び切った状態で）190mmですから、
　自由長190mmを超えるバネが付いていたら、必ずバネは190mmに縮められます。
　（線間密着をしない限り、ですが）
　逆に、190mm未満のバネが付いていたら、例えば180mmのバネを付けたら、
　バネの上部に10mmの遊びができ、バネはぐらつき、ＡＢはバネに対して縮める
　働きを一切しません。
　200mmのバネをスプリングコンプレッサーで190mm未満に圧縮して取り付けても
　同じことです。
　ＡＢ自体はバネを190mmより短くしようとする作用は全く発揮しません。

このクルマをリフトから降ろして1G状態になると、1輪に250kgfかかるので、
車体に固定されたＡに250kgfかかりますが、バネが50kgfの反力を発生しているので、
50kgfの荷重がかかるまでこのサスは縮まず、50kgfを超えた時点から縮み始め、
250kgf全ての荷重がかかると50kgf～250kgfの200kgf分の荷重で40mm縮みます。
この時、ＡＢ間は190mm-40mm=150mmです。
ダンパーのロッドも40mm縮み、
・あと40mm縮むことができる（あと200kgfの荷重に耐えられる）
・あと40mm伸びることができる（荷重が50kgfになったら伸びきる）
という状態になります。
結局、プリロードをかけてバネが短く圧縮された分は、それに必要な圧縮圧力と
等しい荷重がかかるまでサスが縮まず、圧縮圧力と等しい荷重がかかってから
以降はプリロード0mmの場合と同じように縮んでいきます。

●プリロード 0mm
　荷重　 0kgf～50kgf～250kgf
　バネ長 200mm～190mm～150mm

●プリロード 10mm
　荷重　 0kgf～50kgf～250kgf
　バネ長 190mm～190mm～150mm

ということです。

プリロードをいくらかけようが、その圧縮圧力以上の荷重がかかれば
ＡＢがバネを縮めようとする作用がなくなるので、1G状態でのバネ長は
荷重だけに支配されます。
荷重が250kgfであれば、1G状態ではプリロードに関係なくバネ長（ＡＢ間）は
150mmになります。

プリロード0mmでは、このバネが伸び切って200mmになるのは荷重が全て抜けた
0kgf状態ですが、プリロード10mmでは荷重50kgfで伸び切って190mmになると
書きました。
つまり、プリロード10mmでは荷重が0～50kgfの間は伸縮せず、いわゆる
「サスが棒になった状態」となります。
では、それでもプリロードをかけることがあるのは何のためか、といえば

●車高を上げたい
　（ネジ式車高調で車高を上げるには、Ｂの位置を上げる
　　→同じ分だけＡの位置（＝車体の高さ）が上がる）

●サスの縮み／伸びの比率を変えたい（縮み側を増やしたい、耐荷重を増やしたい）
　（今回の例では、プリロード0mmでは縮み30mm（耐荷重150kgf）／伸び50mm、
　　プリロード10mmなら縮み40mm（耐荷重200kgf）／伸び40mm）

という場合があるからです。
（あと細かい理由としては、バネの縮みはじめはバネ定数が大きく不安定になり
　やすいので、その領域を使わないように2～3mm程度のプリロードをかけておく
　ということもあります。）

もちろん、リアだけプリロードをかければリアの車高だけ上がりますから
オーバーステア傾向に変化する、というように車高バランスによるセッティングの
変更にも使われます。

結論ですが、プリロードをかける（Ｂの位置を上げる）とどうなるかといえば
・Ｂの位置が上がったのと同じだけＡの位置が上がり、車高が高くなる。
・ダンパーのロッドも同じだけ上がり（伸び）、その分だけ縮みストロークが
　増え、伸びストロークが減る。
・荷重がプリロードをかけた分の圧縮圧力を下回ると、サスは棒になる。
　（旋回中の内輪や、段差で跳ねた時に起こります）
・荷重がプリロードをかけた分の圧縮圧力を上回っている通常状態では、
　ＡＢ及び車体の位置が高くなるだけで、バネもただ上にシフトしているだけで
　バネレートが変わることもないので、プリロードをかけることでサスの固さは
　変わらない。
ということになります。

全長調整式の車高調では、車高の調整は全長調整用ブラケットで行いますが、
伸び／縮みの比率の変更はバネレートを変えるかプリロードで変えるしかない
ので、特に柔らかめのバネを使っている場合にはプリロードが有効な場合が
ありますね。