スプリングのバネレート計算：有効巻き数と座巻き
スプリングのバネレートを計算するには以下の計算式が使われるのだが、ここでポイントとなるのが、総巻き数から座巻きを引いた有効巻き数である。
K ： バネ定数 (kgf/mm）
G ： 横弾性係数 ： 8000 (kgf/mm2）
d ： 線径 (mm）
n ： 有効巻き数 (巻）
D ： 中心径 (mm）：外径から線径を引いた数値
K ＝ （G×ｄ^4） ÷ （８×ｎ×D^3）
ｄ^4やD^3はそれぞれd４乗、D３乗を表しています。試しに線径16.1mm、中心径128mm、有効巻き数5.2のスプリングのレートを計算。Googleの検索窓にこの式を入力すれば計算してくれます。
16.1^4=67189
128^3=2097152
K = (8000×67189)÷(8×5.2×2097152)
K = 6.16119458125188
小数点第三位以下切り捨てでK=6.16となって、このスプリングのレートは6.16kgf/mmとなりました。
と、有効巻き数がはっきりしている場合はさらさらっと計算できてよいのだが、難しいのはここからである。
リアサスペンションのレバー比を算出する（計測編）
ほぼ完全な１G状態を保ちながら実測しないと意味がないので、ジャッキアップ後にスロープスタンドに乗せるのではなく、リアから自走でスロープスタンドにのりあげ１G状態を保ったまま車体下に潜った。この状態で、リアスプリングとリアショックアブソーバーのそれぞれの１G時の長さとフェンダーからアルミホイールのリム間の１G時の長さを実測した。この１G時の各数値とジャッキアップした際の数値を照らし合わせれば各所の１Gダウン量がわかるというすんぽうである。
で、なんでこんなことをやっているかというと、リアスプリングの特注を考えているから。というのも、現在の車高を維持しながらレートを変更するには、特注するしか方法がないからだ。ちょうど良いスプリングがあれば良いのだが、実測値もわからずに、TBSやEBNのいう「何センチダウンします」なんていう台詞を鵜呑みにしてもしょうがない。それとEBNのメール環境は死んでるようでメインアドレス宛はリターンされるし他のアドレスに何を聞いても無反応、おまけにTBSの７kgスプリングは本当に７kgなのか疑惑も発覚した。
もっとも、各数値が測定できたとしても現在の正確な車重がわからないことには、ばっちりのスプリングを作るのには物足りないので、後日以前より興味のあったコーナーウェイトの測定も行ってみる予定である。
セミトレーリングアーム式サスペンションのレバー比
しかしZ10系ソアラのリアサスペンションのようにセミトレーリングアーム式のサスペンションの場合は、どこをどう測れば正確なレバー比が計算できるのだろうか？
キャスター角度の調整
なんとかもっとらくちんに調整できないかと考えたのだが、テンションロッドが短くなるような位置にナット位置を動かしておき、ピロカラーのようなものをロッドに通して初期位置（純正位置）を調整、キャスター角度を調整する場合にはこのカラーの厚み変更で調整するというのはどうだろうか。基本的には車高を落とした際に立ってしまったキャスター角度を寝かす方向に調整する場合が多いと思われるので、薄いカラーに変更してあげればテンションロッドの長さが短くなりキャスター角度をつけることができるようになるというわけだ。
この方法であればテンションロッドのナット位置を変更して行う方法よりもあらかじめカラーの厚みで変化するキャスター角度を想定し調整することが出来るので、ナットを回しすぎたとか微妙に戻してとかいうことがなくて良いのではないだろうかと思う。
こんな部品ないのかなと思ったら、厚みを変えて調整するという基本的な考え方は同じの「ハンドリング向上シムキット」というのが、すじがね君でおなじみのマルシェから発売されていた。
セミトレーリングアーム式サスペンションとブッシュ
セミトレーリングアーム式サスペンションの場合、前後方向、横方向であろうと、応力がかかった場合トーアウトとなってしまうので、そのトー変化を抑えるためにデフマウントメンバーのクッション、コントロールアーム部とそのブッシュについては可能な限り高剛性なものにして良いとのことだが、サスペンションメンバーのクッションに関しては硬い部分と柔らかい部分の２つの方向性を持っているものでないといけないことがわかった。要はサスペンションメンバーのリジット化はだめということである。
デフマウントメンバーのクッションについては生産中止の際にはウレタンやデルリン等のものでよいとして、コントロールアーム部のブッシュも同様にウレタンやデルリン等でも良い（？）、その先をねらうならピロボールブッシュ？、ここはトー調整に偏芯ボルトがつかわれているが、ピロボールブッシュにした場合、偏芯ボルトで調整できるのか？、できるか、頭がこんがらがってきた。
でも、サスペンションメンバーのクッションがやはり一番の問題である。流用可能なものがない場合、ウレタンやデルリン等を利用することになるだろうが、これで方向性が出るのか？、またウレタンやデルリン等にゴムブッシュと同じように「スグリ」を入れて方向性を持たすことが出来るのだろうか？、ん〜悩む、またそのうちに追記修正することにする。
参考にしたのは「車両運動性能とシャシーメカニズム」という本。この本はほんとにお勧めである。いつも枕元において読んでいる。サスペンション形式毎に豊富な図解と計算式をもちいており、内容は難しいがとても理解しやすく書かれており、サスペンションをいじるのなら絶対に持っていて損はないです。
Z10系ソアラのサスペンションの考察（リア）
このため、バネレートや車高を考えなければ、スプリングが長ければジャッキで持ち上げてしまえばよく、スプリングが短ければショックアブソーバーのほうを最大長(Lmax）の短いものにしてしまえばとりあえずはＯＫという便利？といえば便利とはいえないが、まぁそういう構造である。
ただ、スプリング取付け部分の上下のサイズが、いわゆる直巻スプリングが組み込めるサイズではないため、流用可能なスプリングを含んでも選択肢が限られてしまう。もちろん、さがせばもっと利用可能なものはあるのだろうが、いかんせんリアスプリングのデータがなかなか出てこないので、大抵の方は、タナベのH１５０、トヨシマの３cmダウンスプリング、エスペリア、RSR等からリリースされる７１系マーク２／クレスタ用の３cmダウンスプリングだったり、TBS、EBNのだったりするのではないだろうか。レートにしても、H１５０：３．９２kg、トヨシマはしらない、エスペリア：４．４kg、RSR：４．２kg、TBS：７kg/１０kg、EBN：8kg/10kg/12kgといったところしかなく、これに自由長がからむので、あわせるショックの方もおのずと限定されてしまう。豊富なAE86用リアスプリングが素直に使えればいいのだが、Z10系ソアラで利用するには自由長やスプリングの内径の違いから使えない。
ヘルパースプリングを利用したバネレートと車高の計算方法
この計算をせずに適当にヘルパースプリングやメインスプリングを買ってきたりすると、ヘルパースプリングのストロークが足りなかったりして、結局ヘルパースプリングを入れても遊ばせなければ希望の車高ダウン量にならないなんてことが起きたり、ロアシートの調整幅が足らずにセットできないなんてことが起きるので、注意すること。左の画像はイラストレーターで作成したセット例の画像だが、画像を見たくらいでは理解できないと思うので、以下にあげるセット例に示した計算式と説明文に、自分のスプリングやショックアブソーバーの数値を実際に当てはめ計算してもらう必要が有る。
バネレートと車高の関係を事前に理解し計算しておかないと、無駄なスプリングを買い込んで失敗するばかりか、仮に用意したスプリングがぴったりだとしても、希望車高にあわせるのに何度も何度もジャッキアップを繰り返すことになる。
なお、イラストレーターをお持ちの方はこちらのファイルが便利です。複数のレイヤーを設定しほぼ実寸でやったので車高調整の設定にいろいろ使えると思います。
直巻スプリングのバネレート変更時の悩みのポイント
ヘルパースプリングを利用していない車高調整式サスペンションの場合、プリロードをかけられた状態が推薦車高であれば、遊ばない範囲で車高は下げられるのだが、各メーカーが推薦車高としている状態においてスプリングにプリロードがかかっていないならば、その車高調整式サスペンションはそれ以上に車高を下げようとロアシートの位置を下げた場合はスプリングは遊んでしまうということである。
つまりその車高調整式サスペンションはツルシの状態からは車高は下げられないのだ。
そこでスプリングを遊ばせずに車高を下げようとした場合、ショックアブソーバーのロッド長の変更をしないならば、遊んでしまう分だけ落ちてくれる低いレートでかつ長いスプリングを選択することになる。
あるいは、今のバネレートでは物足りないのであれば、より高いバネレートのスプリングを選択することになるが、そうすると、高いバネレートでは車高があがってしまう。車高も下げたいので、これではまずい。となると、ロアシートを下げてスプリングを遊ばせるしかない、で、遊ぶ分をカバーするヘルパースプリングを使うことになる。
ロッド長の短い（ストロークの短い）ショックアブソーバーを使う場合は高いバネレートが必須となる。バネレートの低いスプリングでは１Gでかなり縮んでしまい、残りストロークが非常に短くなるとともに車高が必要以上に下がってしまうというのが理由である。
AE92ショート系ショックを利用した車高調整式サスペンション
AE92：48511-AE941（固定）：477-342=135
AE92：48511-AE031（5調）：477-351=126
AE86：HTSショート（無段階調）：476-350=126
車高調整式サスペンションにする際に流用カートリッジとしてよく用いられるが、これらにバネ上荷重300kgのクルマに１０kgスプリングを使った場合の１G時のダウン量は30mmとなる。縮み側残りストロークだけみれば96〜105mmと純正ショックアブソーバにローダウンスプリングをあわせた場合とさして変わらないというか、むしろ多少多いのだが、伸び側ストロークということになると、１G時のダウン量分しかないので30mmとなり、極端に短くなってしまう。
このような伸び側ストロークの少ないサスペンションで実際に街乗りしてみると、突起物よりも凹んだ部分を通過したときに特に乗り心地が悪く感じる。乗り心地というよりも衝撃である。つまり、ショックアブソーバーがのびてタイヤが接地してくれず、というか伸びるストロークが足りずに、そのままズドンとタイヤが凹みに落っこちてしまうのだ。車体の動きを後ろから見ると、凹みを通過する側がガクンガクンと肩がおちたようになってしまう。
やってみてわかったが、街乗りでの利用を考えると、やはりショックアブソーバーのストロークがあまりに短いというのは考えものである。マンホールも継ぎはぎもウネリもないきれいに舗装された状態の道路ばかりという所に住んでいるならば良いが、首都圏はそういった道路のみを選んで走行するというのは無理だ。
以下にバネ上荷重320kgのクルマにAE86：HTSショート（無段階調）を使った場合のセット例をあげる。なお、メインスプリングのみでやる場合は希望車高ダウン量を設定する際にはプリロード厳禁、やってもほんの気持ち程度にすべき。
各[ ]内数値はAE92：48511-AE941（固定）を使った場合のもので、残りストロークは10mm増加し、ダウン量は10mm減少となる。
AW11のリアショックを利用した車高調整式サスペンション
現物がないので未確認だが、AW11用ショックのボディサイズは345mmらしい。SW20用に比べて短いのだが、AW11用ショックを使う場合はストラットケースの底にスペーサーを入れて使うことにし、ここではショックアブソーバーのボディサイズを360mmとする。
ストラットケースを360mmで制作することにより、底にスペーサーを使わずに入れ、カートリッジアッパー側にスペーサーを使うようにすれば、SW20：TRD：48531-SW282（5調）と同等の157mmのストロークとすることもできる。セット例の各[ ]内数値はこの場合の計算例、残りストロークは10mm減少し、ダウン量は10mm増加となる。
なお、バネ上荷重は320kgとして計算しているとともに、以下のセット例はすべてKYBのNSC4074（SSP4074）のサイズをベースにしているが、あくまでもサイズマッチングであって、バネレートに適正なショックアブソーバーということと必ずしもイコールではなく、ヘルパー装着時は各ストロークやダウン量も変化するので注意すること。
SW20のリアショックを利用した車高調整式サスペンション
なお、以下にあげるセット例は、バネ上荷重を320kgとして計算しており、ショックアブソーバーに関しては、あくまでもサイズマッチングであって、バネレートに適正なショックアブソーバーということと必ずしもイコールではなく、ヘルパー装着時は各ストロークやダウン量も変化するので注意すること。
希望車高ダウン量を狙うとスプリングを遊ばせなければならないセットの場合は、ヘルパースプリングを利用するが、Swiftの3kgヘルパースプリングを利用する場合、これ自身の密着荷重120kgを通常時のバネ上荷重から引いた数値が、ヘルパー利用時のバネ上荷重となる。例えば、320-120=200kgがバネ上荷重となり、ヘルパー利用時には9kgメインスプリングは22.2mmしか１Gで縮まない。
同様に1.5kgヘルパースプリングを利用する場合、密着荷重70kg、320-70=250kgがバネ上荷重となり、9kgメインスプリングは27.7mmしか１Gで縮まない。
リアショックアブソーバーのフルタップ化について
というのも、リジッド式のAE86やセミトレーリングアーム式のZ10系ソアラのサスペンション形式のクルマに、こういったフルタップ式リアショックアブソーバーを有効に使うためには、スプリングのほうも車高調整式にしてやったうえで使わないとたいていの場合、無意味なんじゃないだろうか。
スプリングの取付け形状がそのままであるならば、ショックアブソーバーの流用情報を参考にし、ちょうど良いショックアブソーバーをそのまま装着する方がまともだと思う。
もちろん、ストロークがちょうど良いショックアブソーバーが見つかったが、取付けるにはあと10mmボディが短いとか言うケースはあるだろうし、スプリングを変更したときに遊びがなくなるようにするためと理解して販売しているAE86系ショップさんであればいいが、どこをどう勘違いしたか、なかには「フルタップ式にしてストロークの確保」と説明がついちゃったりしてるところがある。
リジット式 車高調整キット：YS SPORTS CARS
スプリングとダンパーが別々に付く車種のスプリング側に装着する車高調整キット。
バネレートの前後バランス
バネレート(自由長)：前後比
GZ10純正 Fr：2.2kg/mm（352mm）、Rr：2.9kg/mm（366mm）：31.2%
よその車はどうなのかとBNR32型のＧＴＲをみてみたのだが、
BNR32純正 Fr：2.4kg/mm、Rr：2.7kg/mm：13%
BNR32のレバー比 Fr：0.97、Rr：1.0
やはりフロントに比べリアのバネレートが高い設定になってる。レバー比を1.0で計算したらBNR32のフロントは2.3になる。なんかZ10系ソアラのリアのレバー比を考えると、前後とも数値的に似てきた。
でもなぜか売ってる車高調整式サスペンションはみな逆でフロントがハードな設定。もっともバネ上重量の前後バランスで決めるというのであれば、エンジンのある重いフロントに対して軽いリアのバネレートが低くなるというのは至極当然といえば当然のことなのだが。
で、調べてみたが、「フロントが柔らかくてリアが固い」設定というのはある意味クルマのサスペンションを設計する上では理想的なんだそうだ。つまり、リアを固くしていくと乗り心地が悪くなるので、リアのバネレートを妥協して柔らかくするしかない、で出てくるときにはフロントが固くリアが柔らかくなってしまうらしい。ようは「フロントが柔らかくてリアが固い」設定で生まれたクルマはサスペンションのセッティングがしっかりなされたクルマであるということか。
でも、なんでまた皆がそろいもそろって純正状態のバネレートバランスを正反対の設定にしてしまうのだろうか？。
フルタップ車高調整式サスペンション
加えて、カートリッジ部分をスピンドル上部で切断し、カートリッジを受ける部分をぐるっと溶接という制作方法に強度的な不安がある。
このサイズのケースに入るものとなるとTRDのEP71用ショックアブソーバーを利用するものと思われるが、TRD品番が不明なので、YZさんのカタログでチェックしたところ、ストロークは118~115mmらしい。どうにも短い。
ストロークが短いということは、当然のこと伸び側ストロークが短くなるし、縮み側ストロークを確保するためにもハードレートのスプリングを使うはめになってしまう。とりあえず１０kmのスプリングを使うとして１G時のダウン量が30mm、ここで残りのストロークは88~85mm、サーキットでの利用を重視し、街乗りの乗り心地は無視するということであればいいかもしれないが。また、Z10系ソアラで街乗りメインでこのサイズとなると、フルタップ式とはいえ車高調整幅のほぼ最高位置に近いところで使わざるをえないのではないかと思う。もっとも引っ張りタイヤでベタベタ車高にとかいうわけわからないクルマなら別だが。また、掲載されているキット画像よりサイズを推測してみたが、１０kgスプリングで５cmダウンを想定すると、カートリッジのネジ部分のかかりがかなり浅くなるが大丈夫なんだろうか。
車高調整式サスペンションで5cmダウン
純正スプリング装着時の残りストローク：190 - 71 = 119mm
H150スプリング装着時の残りストローク：190 - 100 = 90mm
純正形状のサスペンションでH150スプリングを装着した場合の３cmダウン時のショックアブソーバーの残りストロークが90mmであるから、５cmダウンさせたいならば、あと20mmショックアブソーバーの残りストロークを削れば良い。
90mm - 20mm = 70mmが５cmダウン時の残りストロークとなる。
つまり、純正ショックアブソーバーのボディサイズは400mmなので、５cmダウン時の１G時のセット長は470mmになる。
この「５cmダウン/470mm」というのをサスペンション考察の中で基準値として扱います。
で、純正ショックアブソーバーで5cmダウンをさせた場合は残りストロークが70mmだったのに対し、TBSの車高調整式サスペンションの場合は残りストロークが113.2mmと43.2mmのストロークアップがなされているということになる。
なお、大抵の場合デュアルレートスプリングを勧められると思うが、あとあとシングルレートのスプリングに変更をと考えた場合、結構選定に悩む可能性がある。また、画像でわかるよう、スプリングの調整幅が狭いので、レートを下げて１０インチ（254mm)サイズのスプリングの利用は難しい。この辺りも制作の際は注意。
Z10系ソアラのサスペンションの考察（フロント）
※前軸重量660kg（純正GZ10記載数値）、バネ下重量30kgとする。
※フロント一輪あたりの荷重：660 ÷ 2 - 30 = 300kg
※レバー比：1.0とする。（計算面倒だし、ストラットは一般に1.0だから）
純正スプリング バネレート(自由長)：前後比 Fr：2.2kg（352mm）、Rr：2.9kg（366mm）：31.2%
純正スプリングのシート位置は現物確認しておらず、H150スプリングは純正ショックアブソーバーで遊びがでないので、純正スプリング自由長から287mm（H150スプリング自由長）を引いて、純正スプリングのプリロード量（352 - 287 = ）65mmを算出。65mmのプリロードされているということはセット荷重が143kg（65 × 2.2 =143）とすでにかかっているということなので、１G時のダウン量の計算では、この分を引いた数値をフロント一輪あたりの荷重とする。
300 - 143 = 157kg
純正スプリングの1Gダウン量：157 ÷ 2.2 = 71.3（プリロード計算済み）
※純正スプリングでプリロードなしとすれば ：300 ÷ 2.2= 136.3mm
純正ショックアブソーバーのストローク：190mmから１Gダウン量をひくと残りストロークがでる。
純正スプリング装着時の残りストローク：190 - 71 = 119mm
ショックアブソーバー互換一覧（フロント）
フロント（ショートケース加工）---------------------------
TBS：48531-SW282（5調）:353.0：531-375=156
型式：メーカー：品番：カートリッジ長：ＭＡＸ-ＭＩＮ=ストローク
SW20：TRD：48531-SW282（5調）:353.0：531-375=156
AW11：TRD：48531-AW181（4調）:346.0：509-362=147
SW20：KYB：NSC4093（SSP4093/CGC4093）：552-374=178 （※）
AW11：KYB：NSC4074（SSP4074/CGC4074）：529-362=167
SW20：KONI：8641-1221 SPORTS
AW11：KONI：8641-1142 SPORTS（※）
AW11：KYB：365061 GR-2 (EXCELL-G)
SW20：MONROE：73255（※）
AW11：MONROE：73238（※）
備考
※各型式の純正ショックアブソーバーボディサイズ
AW11：346mm / SW20：360mm / AE92：336mm
※NSC4093（SSP4093）は48531-SW282に比べボディが7~8mm長い。
※YSより15mm延長リングナットが発売されているが、KYBの場合はショックのボディ加工が必要。
※KONIのAW11は本国カタログのみ掲載、受注発注品として日本のFETにて購入可能。適合等詳細未確認
※MONROEは本国カタログのみ掲載、適合等詳細未確認
※フロントはTRD品番の前半部分が「48511」のものは取付け方法だけ見れば流用可能。
※KYBのクライムギアはSW20、AW11ともにNewSRSpecialと同ストローク
ショックアブソーバー互換一覧（リア）
リア------------------------------
TBS：48531-MZ181（8調）：550-363=187
型式：メーカー：品番：ＭＡＸ-ＭＩＮ=ストローク
AE86：TRD：48531-AE881（8調）：555-333=222
AE86：TRD：48531-AE851（固定）：542-325=217
AE86：KYB：NSG5762(SSB1786/CGG5762)：550-363=187（メジャー計測）
AE86：KYB：343149 GR-2 (EXCEL-G)
AE86：KONI：80-2437 SPORTS（※）
AE86：MONROE：5927（※）
AE86：MONROE：42021
参考
AE86：HTSショート（無段階調）：455-307=147 ※生産終了
AE86：TRD：48531-AE831（？）：473-293=180
備考
※KONIのAE86は本国カタログのみ掲載、受注発注品として日本のFETにて購入可能。
※リアはTRD品番の前半部分が「48531」のものは取付け方法だけ見れば流用可能。
※AE86：5927は本国カタログの品番、日本カタログの42021と同じか？
※KYBのAE86用クライムギアはNewSRSpecialと同ストローク
参考
TRDカートリッジ式ショックアブソーバー寸法一覧
KYB ONLINE CATALOG (USA)