トヨタ～のブログ一覧

最近、私とお友達登録をさせて頂いている皆様のネタで空気圧の話題が増えております。
そこで私も便乗して、タイヤに関する簡単な「一問一答」ネタをいくつか紹介します。







Q：なぜタイヤから空気は抜けるの？
A：（1）ゴムは気温が高いと空気を通しやすくなるから
　　（2）気温が下がると空気圧が下がるから、です。
解説（1）：ゴムには「気体透過性」という概念があります。タイヤに例えれば「タイヤの空気がタイヤに浸み込んで外に出ていく性質」です。
気体（酸素、水素、窒素など）ごとに抜け出ていく割合を示す「気体透過率」があって、タイヤの主材料（スチレンブタジエンゴム）が25℃と50℃で比較すると…
酸素は50℃のとき25℃のときより2.65倍、窒素は2.91倍多く抜け出します。（出典）
つまり、気温が高くなると空気が抜け出る量が増えます。

解説その（2）：物事を単純に考えるとき、空気を「理想気体」と例えて考えることができます。
理想気体では、

と例えることができます。ここで「体積」は同じと仮定（※）すると、圧力÷気温＝一定と考えることができます。
ここで例えると、気温25℃のときに220kPaに調整したタイヤは20℃に気温が下がると216kPaに下がります。
2017年7月から12月の東京の平均気温で考えると（出典）、7月（平均27.3℃）に220kPaに調整したタイヤは12月までに…（カッコ内平均気温[℃]:気圧[kPa]）
7月（27.3：220）→8月（26.4：218）→9月（22.8：217）→10月（16.8：212）→11月（11.9：209）→12月（ 6.6：205）へと下がっていきます。
※補足:厳密には体積一定ではありません。（空気圧が下がればゴムの張力が下がり、その分の体積減少は考慮すべき事項ですが、説明の都合上簡略化しています。）

Q：なぜタイヤの空気圧は走り出す前に調整しなければ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　いけないの？
A：タイヤの設計者は「人間が暮らしている温度」で空気圧を
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　決めているからです。
解説:私のタイヤの実例です。駐車場で走り出す前の空気圧240kPa（その日の気温25℃くらい）、ガソリンスタンド（約2km先）まで走っていって、同じ空気圧計で測ると255kPa位を指します。
さっきの「圧力÷気温＝一定」で考えると、タイヤの内部温度は計算上45.8℃になります。
つまり、ちょっと走るだけでタイヤの中の温度と人間が暮らしている温度は変わってしまいます。また、補充する空気は人間が暮らしている温度とほぼ同じ温度を足すのです。それは走った後のタイヤに冷たい空気を足すので、正確な空気圧は分からなくなるからです。
だから設計者は「人間が暮らしている温度」を基準に設計しているのです。

Q：タイヤはなぜ走ると温度が上がるの？
A：タイヤが路面をとらえる力が熱になるからです。
解説:タイヤは出っ張り（ブロック）一つごとによじれる力、路面の出っ張りを包み込む力を持っています。
これが「グリップ」の正体なのですが、タイヤは回転するので一つのブロックに注目すると、グリップを持っていない→路面に接してグリップを持つ→路面を離れて仕事していない、の繰り返しです。
人間に例えると、ダンベルを持ち上げて降ろし、またダンベルを持って降ろし…の繰り返しです。人間だって熱くなって汗をかくように、タイヤも熱を持つのです。

Q：空気圧で乗り心地が変わるのはなぜ？
A：タイヤは空気バネ、エアサスと同じだからです。
解説:タイヤは空気によってクルマの重さ、路面からの衝撃力を支えています。これは空気バネの特性と同じで、空気バネの書き方をすると

となります。これを微分するとバネ定数が出てくるのですが、微分する気分ではないのでここでは省略します。
（単純に、タイヤを模した時のバネ定数を計算したことがないという理由もあります…。）

このように、空気圧によってタイヤが受け持つことができる荷重が決まって、その親戚にバネの硬さを示す係数が出てきます。可変サスペンションの車で硬さの好みがそれぞれあるように、空気圧によって乗り心地の調整をすることができます。だから乗り心地が空気圧によって変わるのです。

（最後だけ、個人的な考えに基づく回答）
Q：空気圧は車が規定する値より高い方が良いのか、
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　低い方が良いのか。
A：高い方が良いと思います。
考え：上に書いたように、走り出すとタイヤの中の空気は50℃くらいになります。この時、中の空気は駐車場に止めているときよりも外に出やすくなります。
言い換えれば、空気圧を減らそうとする力が働きます。空気圧が多少高くても、タイヤ（のゴム）側で少し減らしてタイヤは破裂しないように自己調整します。（能力の限度はあるにせよ。）
一方で、タイヤの空気圧が低い場合、クルマが持つ荷重を受け持つことができません。これで走り出せば、ゴムはよくたわむのでグリップは多少上がるでしょう。（実際、泥道などで空気圧を下げて緊急脱出する方法があります。）
が、グリップが上がることで温度が上がって空気圧を高くする方向に作用しますが、低すぎるとたわんで仕事をして（←スタンディングウェーブ現象）ゴムの温度がどんどん上がっていき、中の空気は透過しやすくなって、さらにゴムが温度の限界に達すればゴムが壊れてタイヤは壊れます。これがバースト現象です。
タイヤ（ゴム）は高すぎる空気圧を放出して下げる能力はあっても、低すぎる空気圧を補正する能力は持っていません。だからこそ、空気圧は多少高い方が「安全のために」適切であると考えます。

…なるべくわかりやすく書いたつもりですが、もしかしたら読解に困るような表現をしていたり、間違った表現をしていることも考えられます。
その為、気になる方は下に書く本や論文、本文中の（出典）をクリックしてより深く理解して頂ければ、と思います。

参考文献:
タイヤ　自動車用タイヤの知識と特性、馬庭孝司、山海堂、1979年8月
超クルマはかくして作られる、福野礼一郎、二玄社、2003年1月
空気バネ、相沢謙一、環境技術Vol.11 No.5、1982年