自分で創る自分の車 No.49

調整　タイヤ編

タイヤの科学は信じられないほど複雑ですが、ドライバーが理解する上でかなり重要となる部分があります。
今回は、荷重感度、スリップアングルと誘導抗力、スリップレシオについて記述します。

■ロードセンシティビリティー（負荷感度）
古典的な静摩擦・滑り摩擦理論では、発生する力は荷重に正比例します。
しかし、タイヤはこの法則に従わず、発生する摩擦の量は直線的ではありません。

例えば、レーシングカーが28kgf/cm2の荷重をかけてタイヤをコースに押し付け、そのタイヤが28kgf/cm2の最大力を発揮した場合、そのタイヤは1.0Ｇの力を発揮すると言われています。

しかし、同じタイヤに800ポンドの荷重をかけて押し付けても、古典的な摩擦理論が示すように56kgf/cm2の力は出ません。

56kgf/cm2の力を出すには70kgf/cm2の荷重が必要になるかもしれません。
つまり、より重い車では、同じタイヤでも0.8Ｇの力しか生み出せないのです。

これは、タイヤのグリップが荷重に敏感であるためです。

あるタイヤは、他のタイヤよりも敏感であったり、そうでなかったりしますが、すべてのタイヤは、負荷の増加に伴ってグリップが低下します。

レーシングカーが可能な限り軽量であることが原則となっているのは、この荷重感度のためです。
加速が速くなるだけでなく、コーナリングも速くなります。  
また、サスペンションの調整がバランスに影響を与えるのも荷重感応のためです。 

フロントタイヤに28kgf/cm2の荷重を均等にかけた状態でコーナリングしている車を想像してみてください。
この車は1.0Ｇでコーナリングすることができました。
次に、フロント全体で100%の荷重移動があるようにセットアップを変更し、外側のタイヤに56kgf/cm2すべてを乗せ、内側のタイヤには荷重がないとします。
この時、車は約0.85Ｇでしかコーナリングできません。 

これは非常に極端な例ですが、車のフロントのスタビライザーを硬くするとアンダーステアが増えるのはこのためです。
コーナリング時にフロントタイヤにかかる荷重が大きくなり、フロントのグリップが低下します。   

もしタイヤが荷重に敏感でなければ、サスペンションの設定を変えても車のバランスに影響はありません。  
まだ説明していないもう1つの要素を説明します。

■スリップアングル
タイヤは一見硬いように見えますが、ドライビングのレクチャービデオなどを見ると、タイヤのカーカスがどれだけ歪んでいるか、ねじれているかがわかります。
駐車場でのスピードでもタイヤは多少たわみますし、レースではかなりのたわみが発生します。
これにより、ホイールが向いている方向と走行している方向が一致しなくなります。
この方向の違いをスリップアングルと呼びます。  

スリップアングルは、スリップ角が大きくなるにつれて力が大きくなっていきます。
これは、グリップのピークに近づくにつれ、コンタクトパッチの外側が滑り始め、この滑り部分がコンタクトパッチの中心に向かって大きくなり、タイヤ全体が滑るようになるということです。
コンタクトパッチが滑り始めてから完全に滑るまでの間が、最大の力を発揮する場所です。

また、荷重が大きいほど、スリップアングルが大きいほど、最大のグリップが得られることがわかります。
タイヤを下に押し付ける力が強ければ強いほど、最大のグリップ力を発揮する前にタイヤが歪んでしまいます。

想像してみてください。地面に置かれた未装着のタイヤを手で回すとします。

タイヤにはほとんど負荷がかかっていないので、ほとんど力がかかりません。
タイヤを回しても、目に見える歪みはほとんどありません。

スリップ角が1度以下の時にピークグリップが得られます。

ほとんどのタイヤは、スリップアングルが4〜10度の間で最大のグリップを発揮します。  

硬いロープロファイルのレースタイヤは、最大グリップに達するまでの歪みが少ないため、より低いスリップアングルでピークを迎えます。

Googleでスリップアングルのグラフを検索すると、グリップのピークを過ぎてからタイヤのグリップが大幅に低下する様子を描いたグラフの例がたくさん出てきます。
ただ実際には、路面が濡れていない限り、トラクションの低下はかなり小さいものです。 

湿った状態ではハイドロプレーニング現象が発生しやすくなるため、より大きな落ち込みが見られるかもしれません。  
グリップが大きく低下しているように感じることが多いですが、タイヤの周りのトラクションサークルへイメージしてみると、何が起きているのかを視覚的に把握しやすくなります。

一定の速度で走っている車の中で、ドライバーが確実にステアリングを切ったとすると、力の線はタイヤの中心から始まり、外側に向かって素早く移動しますが、車の後方に向かって少しずつ角度を変えながら、円の外側のトラクションの限界に到達します。

■誘導されるドラッグ
曲線の正確な形はタイヤの構造によって異なりますが、一般的なレース用タイヤの場合を記述します。
理想的には、ハンドルを切ったときに純粋な横方向の力が得られるようにしたいところですが、ブレーキをかけていない状態でも、タイヤの力線には必ず減速の力が加わります。
この力線の後方への移動を誘導抵抗といい、これを考慮することは非常に重要です。

横方向のグリップがピークに達した時点で、限界になった状態では、すでにかなりの抵抗が発生しています。
これは、コンタクトパッチが部分的に滑ることと、負荷がかかったときにタイヤカーカスがねじれることによって起こります。

一般的には、タイヤの剛性が高ければ高いほど、誘導抵抗は少なくなります。

誘導抗力のためにラインが完全に横向きになったり、4輪駆動車ではないので前に出たりすることはありません。

ドライバーがグリップのピークを過ぎてもホイールを回し続けると、力線は円の端から車の後部に向かって引き寄せられ、最大のステアリングロックに達するまでそれを追うことになります。

この時点ではグリップのピークを過ぎており、タイヤは完全に滑っているので、力線は円の外側には出てきません。

実際にタイヤが出しているグリップ力は、ラインが円の端の近くにあるのでまだかなり高いのですが、タイヤがまるでブレーキをかけているかのように動作し始めるので、横方向の力は大幅に減少します。

タイヤが車を現在の進行方向よりも後ろに押し出そうとするため、車は大きくアンダーステアになります。

ここで重要なことは、タイヤがわずかでも横方向のグリップを発生させれば、ブレーキをかけているのと同じように、少なくともいくらかの後方への抵抗力が発生するということです。

その量はタイヤによって異なりますが、タイヤがグリップのピーク時に発生する抗力は決して小さくなく、必要以上にステアリングを切ってこの誘導抗力を加えることは、ラップタイムに大きな悪影響を及ぼします。

■スリップ率
スリップレシオという類似の現象についても触れておきます。
これは、加速時と制動時に働くタイヤの力を扱うものです。
スリップ率は、角度の代わりに、ホイールの回転速度と走行速度の差を表します。

例えば、スリップレシオが15％の最大制動時には、時速160㎞で走行している車の場合、実際には時速135㎞に相当する速度でしかホイールが回転していないことになります。
スリップ角に比べるとイメージしにくいかもしれませんが、ドラッグ車両のタイヤが発進するときにタイヤが歪むのを見ると、スリップ率が非常に高いことがよくわかります。

また、タイヤのスリップアングルとスリップレシオは連動していることも知っておいてください。

ブレーキをかけてターンするときに、フロントタイヤのアウトサイドがブレーキとターンの両方の力を受けてどのように歪むかを想像してみてください。

参考になれば幸いです。