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タイヤの特性

タイヤの主な特性について見てみよう!

クルマの動きは、タイヤと路面の接触によって生じるカ(摩擦力)だけに支えられています。その摩擦力の発生メカニズムは、電車の車輪とは異なり「たわみ」を伴うことから、タイヤサイズや空気圧はもとより路面状況なども関わるため、たいへん複雑な要素を持っています。そうしたタイヤの基本的メカニズムに関する主な特性について見てみましょう。

タイヤの静的特性

空気の入ったタイヤに荷重を加えると、タイヤは「たわみ」を生じます。たわみには縦たわみ・幅たわみ・横たわみの3種類があり、タイヤの働きに欠かせない要素です。

縦たわみ 幅たわみ 横たわみ

縦に荷重を加えたときの縦方向のたわみのことです。

  • 荷重が増すと、たわみは荷重に比例して大きくなります。
  • 荷重が一定なら、空気圧が高いほどたわみは小さくなります。
  • タイヤのたわみは、適当な接地面積を与え路面からの衝撃をやわらげますが、限度を超すとタイヤの疲労・摩耗を招くだけでなく、燃費の悪化をもたらします。

縦に荷重を加えたとき、縦たわみとともに幅方向にも生じるたわみのことです。

  • トラック・バス用の複輪タイヤの場合、接触の問題が生じます。
  • 複輪として使用する場合は、オフセットの大きいディスクホイールを使用することが望ましいことです。

縦荷重を加えたうえ、さらに横荷重を加えたときに生じる横方向のたわみのことです。

  • 荷重が増すと、たわみは荷重に比例して大きくなります。
  • 荷重が一定なら、空気圧が高いほどたわみは小さくなります。
  • 空気圧が不足した場合、高速で力一ブを曲がると横たわみがビード部まで及び、リム外れが発生する恐れがあります。

ケーシング剛性

トレッド、サイドウォール、ビード各部で構成されるタイヤ断面は容器(ケース)になっています。その剛性をケーシング剛性といいます。またトレッドに加わる路面からの力は各部に伝わり、最終的にはビードベース部で受け止められます。そのためケーシング剛性は、こうした力の伝わり方(応力分布)の解析を伴って使用目的に合わせたバランスの上で設計されています。

タイヤの動的特性

タイヤの動的特性とは、タイヤが回転している走行中の特性をいいます。すなわちタイヤの持つさまざまな運動性能のことに他なりません。

1.タイヤのころがり抵抗
自動車の走行抵抗

  • 空気抵抗
  • タイヤのころがり抵抗
  • 動力伝達機構での抵抗
  • 加速抵抗
  • 登坂抵抗
タイヤのころがり抵抗の発生要因

ヒステリシス・ロスと呼ばれるもので、回転に屈曲運動を伴うことにより、分子間の摩擦を生み、エネルギーを熱に変えてしまうものです。タイヤの全ころがり抵抗の大半(90%前後)を占めます。ころがり抵抗はバイアスよりラジアルタイヤが少なく、トレッド剛性の高い偏平タイヤになるほど小さくなります。

(2)タイヤと路面の摩擦による抵抗
路面状況やタイヤの種類、トレッドパターンなどによって差がありますが、抵抗全体の10%未満です。

(3)タイヤの空気抵抗
低速では無視できる抵抗で極めて少ないものです。

●自動車の走行抵抗と車速


よく「ころがる」タイヤの方が、勢いに乗って、小さい力で走れます。そしてクルマが小さい力で走れば、ガソリンも節約できます。ころがり抵抗の小さいタイヤなら、ガソリンを節約できるうえ、排気ガスを減らすこともできるのです。

(1)タイヤ構成部材の繰り返し変形によるエネルギー損失
ヒステリシス・ロスと呼ばれるもので、回転に屈曲運動を伴うことにより、分子間の摩擦を生み、エネルギーを熱に変えてしまうものです。タイヤの全ころがり抵抗の大半(90%前後)を占めます。ころがり抵抗はバイアスよりラジアルタイヤが少なく、トレッド剛性の高い偏平タイヤになるほど小さくなります。

(2)タイヤと路面の摩擦による抵抗
路面状況やタイヤの種類、トレッドパターンなどによって差がありますが、抵抗全体の10%未満です。

(3)タイヤの空気抵抗
低速では無視できる抵抗で極めて少ないものです。



2.タイヤの制動(ブレーキ)特性

タイヤの制動特性は、自動車の安全性に欠かせないものです。制動力とはタイヤと路面の摩擦力によるもので、これをタイヤの制動性能といいます。この摩擦力は、路面状況やタイヤの種類、構造、使用条件(速度・荷重・空気圧等)によって異なります。摩擦の大小は、「摩擦係数(μ)」で表され、この数値が小さいほど滑りやすくなります。

●雨の時の路面の摩擦係数
■ハイドロプレーニング現象

水のたまった路面を高速で走行すると、タイヤの溝が路面の水を排除しきれなくなりトレッドと路面の間に水膜が入り込むことによって、タイヤが路面から浮き上がります。その結果、水の上を滑るようになることをハイドロプレーニング(アクア・プレーニング)現象といいます。速度と水膜の厚さ、それにタイヤの溝の深さや形状、さらには乗用車では空気圧によっても現象発生の時点は異なりますが、発生すると車両コントロールができなくなるので、たいへん危険です。雨の多い日本では、わだちのついた道路も多く、雨の日は十分に速度を落として走行することが肝心です。

水深の影響

タイヤのハイドロプレーニング防止方法
  • 摩耗したタイヤを使用しない。
  • 空気圧を高くする。(接地面積を少なくして面圧を高くして圧力で排水させる。)
  • 排水性の高いタイヤを使用する。

>>進行方向>>

摩耗とロック制動距離との関係
(乗用車タイヤ)

■スタンディングウェーブ現象

タイヤは円形ですが、路面とは線でなく面で接地します。回転しているときもこの接地部の変形と復元が繰り返されています。高速になって回転が速くなると、この変形は接地が終わっても復元しないで、接地部後方に振動の波となって残ります。この波打ち現象を「スタンディングウェーブ現象」といいます。この現象が発生したタイヤは、ころがり抵抗の著しい増加と温度の急上昇によって、タイヤの破壊を招きます。

スタンディングウェーブ現象を防ぐために、 タイヤの空気圧を適正に保ちましょう。


3.コーナリング特性

自動車が旋回運動(コーナリング)をするとき、タイヤにどんな力が働いて車両の向きを変えるのでしょうか。またコーナリング性能の良いタイヤは、どんな特性を持っているのでしょう。

遠心力と求心力(コーナリング・フォース)

コーナリング中の自動車を、コーナーの外側に押し出そうとする力が遠心力です。確実なコーナリングをするためには、この遠心力に勝る反対方向の力が必要になります。言いかえれば、コーナリング時に遠心力で自動車は外側に押し出されそうになりますが、これをタイヤが路面をグリップしてがんばっている。この路面グリップ力をコーナリング・フォースといいます。


コーナリング・フォース(C.F.)

タイヤの接地部の横方向の剛性と摩擦力によって生じる力で、車両の進行方向に対し直角に発生します。

スリップ・アングル(S.A.=横滑り角)

タイヤが、コーナリング時に車両(ホイール)の進行方向に対して持つ横滑りの角度です。スリップ・アングルの発生と増加に応じてコーナリング・フォースは増えますが、最大は約10度です。

セルフ・アライニング・トルク(S.A.T.=復元トルク)

コーナリング時のタイヤの接地面は、摩擦力によってよじれた形になります。そのため図のようにコーナリング・フォースの働く位置は、接地面中心より後方にずれます。このずれを復元しようとしてタイヤ接地面に働く力をいいます。

コーナリング・パワー(C.P.)

スリップ・アングル(単位:deg)の増加とともに増すコーナリング・フォース(単位:kg)の割合(kg/deg)をコーナリング・パワーといいます。コーナリング・パワーが大きいほどハンドルの切れは鋭くなります。

タイヤとコーナリング・フォース/パワー

  • タイヤの剛性が高くなる(空気圧アップ・リム幅拡大・ラジアル化・偏平率小)ほどコーナリング・パワーは高くなる関係にあります。但し、空気圧やリム幅は許容限度の範囲にとどめないと危険です。
  • 荷重が増すとコーナリング・フォースも増加する関係にあります。但し、タイヤの推奨荷重を超えると徐々に低下していきます。
  • 濡れた路面では摩擦力が低下するためコーナリング・フォースも低下します。
4.タイヤの振動特性

タイヤは、できれば真円かつ内部の剛性・寸法・重量分布などがタイヤ全周で均一であることが理想ですが、実際にそのようなタイヤを大量生産することは困難です。タイヤの均一性(ユニフォーミティ)にアンバランスがあると、ハンドルや車体の振動、車室内騒音の発生原因になることがありますので、取付前に修正を行います。タイヤの振動の要因とその測定、修正方法は下記の通りです。

静的アンバランス:1回転面における重量アンバランス。
動的アンバランス:多回転面における重量アンバランス。
位相合わせ:タイヤもホイールも全くの真円ではないため、リム組みする時にタイヤ・ホイール各々のアンバランス位置をわざとずらして組むことにより、セットされた状態でのアンバランスを極力少なくする方法です。
5.タイヤの騒音特性
走行中のタイヤ騒音(ノイズ)は、タイヤと路面間またはタイヤ自体からの直接音と、タイヤ振動が間接的な原因となって車室内に発生する間接音とに分類されます。なかでも直接音は下記の3種類に分けられ、騒音レベル低減と音質改善の両面で研究が行われています。

パターンノイズ

トレッドパターンの溝の中の空気が、走行中に圧縮され排出されて発生する音です。(パターン・エアポンピング音)
[パターン別の騒音レベル]
ラグ>スノーブロック>リブラグ>リブ>ストレートリブ

ロードノイズ

路面の凹凸を受けてタイヤが振動して車体に伝わって、車内騒音として感じる音です。(パターン加振音や接地摩擦振動音など)

スキールノイズ

急発進、急ブレーキ、急旋回のときにトレッドと路面間に滑りが生じてトレッドが振動して発生するキィーという音です。
バリアブルピッチ:ノイズ低下を図る(音の共鳴を防ぐ)ため、トレッドパターンのブロックのピッチを不規則に並べる方法です。
タイヤ騒音発生源とその寄与度
(実車だ行時の騒音音エネルギーを100としたときの寄与率)


6.タイヤの摩耗特性

タイヤは、消しゴムが減るように走行中の摩擦力により徐々に摩耗していきます。摩耗(偏摩耗)に影響を及ぼす要因は、タイヤ自体の要因とその他の外的な要因に分けることができます。

●タイヤ摩耗・偏摩耗に影響を及ぼす各種要因

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