タイヤの曲がる力のみなもとシズカ。

みなさんこんばんは。

今週もくそ忙しかったですが、残業し過ぎで週末は休みになったので、今のうちにと言う事で固め打ちします。

今日はタイヤはなぜ曲がり、大局的にはどんな事がその曲がる力を左右するのかを勝手に語りたいと思います。まあ所詮ドロップアウトした輩の言う事ですから、現役の業界の方から見たら片腹痛い内容だとは思いますが、ご愛敬。

タイヤの曲がる力、つまりコーナリングフォースについて理解する為にはまずタイヤ、特に現在ではほぼ１００%の占拠率と思われるラジアルタイヤの構造について理解すると良いです。良くSタイヤとか、ラジアルとか区別していますが、ラジアルとは正確にはタイヤに内包するカーカスの角度が進行方向に対して90度の角度を持ち、タイヤの回転中心に対して放射状(ラジアル)に張り巡らされているものを言い、Sタイヤの多くがタイヤの構造強度を上げる為、90度では無い角度を使っていたりする事が事の起源です。
しかし実際にはラジアル構造のSタイヤも有るし、ラジアル構造じゃない「ラジアル」例えばR1RやR-S3も有るわけです。実際には構造では無く、競技用をSタイヤ、それ以外の見た目もう少し溝が有るタイヤをラジアルと呼んでいるだけですね。

あっ、ちょっと脱線しました。

で構造図はこんな感じです。

こんな図はタイヤメーカーのサイトとか見ればもっと綺麗なのが見れますね。
ここで重要なのは、空気を入れられてピンと張って荷重を支え、タイヤが発生させた曲がる力を支えるカーカス層やベルト層があり、そして路面との接触やエネルギーの変換を行うゴム層が有って力が伝わる構造になっているという事です。

マンガに描くとこんな感じ。

ゴムにはヒステリシスと言って、歪を熱エネルギーに変換して吸収してしまう性質が有ります。この変換効率を粘弾性比率と言いますが、ハイグリップなゴムほど変換比率が大きく、タイヤに戻ってくるクルマの遠心力などのエネルギーを熱エネルギーに置き換えて吸収し、路面との密着部分にその遠心力を伝えなくする事でグリップを維持します。
ただ、この事は同時に転がり抵抗みたいにタイヤが繰り返し撓む事でもエネルギー吸収してしまうので、燃費は悪くなる事になります。
グリップのもう一つの要素は、路面との密着力です。これは色々な路面凹凸に対して柔軟に追従し、真実接触面積を大きくすることや、あるいは分子間力みたいな電子的な力で路面とくっついていようとする成分で決まります。
つまり、エネルギー吸収させるには、ゴムは沢山あった方が良いので、あんまりすり減ったタイヤではダメです。そして柔らかいゴムほど真実接触面積が大きくなるので、タイヤが温まり、ゴムがある程度柔らかくなる事が重要です。
一方で、ゴムはタイヤから車体への力の伝達もしなければならないので、柔らか過ぎると伝わらないし、何でも吸収してもらっても困るわけです。だから少し減っている方が良かったり、表面だけが温まっている方が良かったりするわけですが、路温やパターン、アライメントも関わり結果が出るわけですから、この辺は各自基準条件を決めてデータを蓄積する事が肝要だと思います。

あっー大分疲れてきました。

そうそう第一回でタイヤに荷重を過大にかけてもダメだというような説明をしましたが、その辺の事について説明します。

図はクルマが曲がっている時の前輪の様子で、タイヤを上空からみて接地面を透視しているような図になります。

最初の図でベルトと言うパーツが有りますが、これはピアノ線を撚り合せたコードを使用していて、非常に強い剛性を持つ円環を構成しています。トレッドゴムが接地して、それに対して車体やホイールは遠心力で接地面より外側に行こうとしますが、その変位をこのベルトの弾性で引き戻し、クルマを曲げていく事になります。この引き戻す力がまあCFのかなりの部分です。
んで、荷重をどんどん掛けて、より大きなCFをかけていくと、この円環の撓みは大きくなり、やがてクリープするような限界点を迎えるわけです。これがCFmaxです。

また制動に於いては、タイヤの縦撓みが過大となると、ベルト層が正しく接地できない様になって、不安定な状態となり、やはりピークを迎えます。

この限界を左右するのは勿論タイヤの剛性が高い事も重要で、扁平タイヤが重用されるのは、ベルトの剛性が高く、限界点が上がるからですが、もうひとつ凄く重要なのは空気圧です。
要はコードの高い初期張力を与えておけば類似した事になりますので、空気圧を高めれば限界点は上がります。
しかしどちらにしてもネガが有り、ベルトの剛性を上げてしまうと接地面積が減少してしまうのです。つまり力の伝達の上昇とゴムの摩擦力の低下との最適ポイントを探さないと良い結果が得られない事になります。

と言う事で、みなさん空気圧を探索する事の重要性がご理解いただけた事と思いますので、頑張ってください。

最後にあんまり関係ないですが、F1は死ぬほどダウンフォースが有るので、扁平タイヤではタイヤの荷重支持性能が不十分で、凄くハイトの高いタイヤを使っていたりします。

長文過ぎて添削する気にもなれません。乱文乱筆ご容赦ください。

次回はホイールサイズ選択でも話しましょうかね。ではごきげんよう。
質問には、頑張れる範囲でお答えいたします(笑。