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タイヤの構造

タイヤの構造

タイヤの中身はどうなっているんだろう?偏平タイヤにする意味は?

タイヤの構造などからもう少し詳しくタイヤを解説してみたいと思います。マニア必見!!

下図が一般的なタイヤの断面図になります。数字が内部構造の部位、名称を表し、アルファベットはタイヤ各部の名称を表しています。

① カーカス



タイヤの骨格に当たります。タイヤの基本である内圧を保持する事、荷重を支える事はこのカーカスの強度によります。

上図では1本の線になっていますが、銘柄、サイズによって2枚になったり、素材も古くは綿だったのですが最近はポリエステル、レーヨン、アラミドやスチールも使われていたりします。

乗用車では殆どのタイヤがラジアルタイヤになりますが、この「ラジアル」と言うのはタイヤの基本構造を指しますがカーカスがどのように配列されているかによってラジアル、バイアスと分かれます。タイヤが作られた当初は布にゴムをコーティングして使っていましたが、布の場合繊維同士がこすれあって切れてしまい、耐久性、強度に問題が有りましたので、編まずに繊維を並べゴムでコーティングし、重ねる事で繊維同士は触れ合わず、強度と耐久性を飛躍的に向上させました。

バイアスタイヤは左上図のようにカーカスを斜めに交差させカーカス自体で全体の強度を確保するように作られています。構造はシンプルで乗り心地の良さと軽さが特徴になります。当初は荷重に対応する為に精一杯でしたが、車の高性能化に合わせてロープロファイル化が進められ、高速耐久性も求められた事でベルトを追加したベルテッドバイアスが登場します。

バイアスタイヤのデメリットはカーカスが直接ではないにしろ交差している事による発熱などから高速走行では不利になる事です。そこで、カーカスを平行に並べ、進行方向への強度は強固なベルトに負担させるラジアル構造のタイヤが開発されます。回転方向への強度が無い為、強固なベルトでカーカスを締め付けていますが、これは、カーカスは垂直方向への荷重のみを負担し、路面からの衝撃は強固なベルトが負担すると言う別のメリットもあり開発は進んでいきます。

当初は強固なベルト構造ゆえ乗り心地の硬さなどから高速走行、高性能車両向けのタイヤでしたが、当時のレースでは剛性バランスの不良(トレッドが硬すぎる)や、重量の面からバイアスタイヤが引き続き使われる事になります。

素材も含めて改良が進み、現在ではバイアスタイヤを使う車自体が少なくなってしまうまでになりました。

構造的にラジアルタイヤのカーカスは自転車等のスポークと同じで内圧による張力バランスでホイールを吊っていると考える事ができます。つまり反力の大きくなる方が剛性が高くなる事になりますので断面形状によって剛性は変化すると言えます。サイドウォールの膨らみがある方が乗り心地は柔らかくなり、ふくらみを無くす、つまり垂直に立てるような形状とする事で剛性を向上させる事ができます。具体的にはタイヤの幅に対してホイールを広げるなどすると剛性は向上する事になります。

② ベルト

ラジアル構造のタイヤはこのベルトでタガのように締め付けないと構造が成り立ちません。左図のグレーの部分の2枚がベルトになります。

膨らもうとするカーカスを偏平率に合うように押さえつける訳ですから、相当な強度が必要になります。その為一般的には、スチールを使っています。左図でもスチールのベルトを2枚重ねて使っている事がわかります。その上にベルトの補強としてバンド(キャップとも呼ばれます)を重ねています。

このベルトの剛性は乗り心地、特にゴツゴツ感に影響します。ベルトの剛性を高めながら、しなやかにする事で安定性と乗り心地を両立する事が可能で、アラミドを使ったり、スチールワイヤーを細くしたりしています。また、カーカスの剛性とのバランスが悪いとコントロール性、過渡特性が悪くなり操縦性に問題が出てしまいます。

居住性の向上、振動の抑制、路面追従性の向上、省燃費・・・まだまだ進化できる余地が有りそうです。

③ ビードワイヤー

ホイールとタイヤを繋ぐ仕事を請け負っています。ビードワイヤーがゴム部分を介してホイールのリムを一定の締め代で締め付ける事で、ホイールからタイヤは外れる事無く、また、内部に充填された空気も漏れる事無く、回転力を伝える事が出来ている訳です。

名前のとおり、スチール製のピアノ線を束ねてワイヤーにし、更にワイヤーを束ねています。左図の赤い点分のワイヤーが束ねられていると考えて頂ければよいでしょうか。

このビードワイヤーを含むビード部が痛んでしまうと空気漏れ、振動の原因となります。組み込みの際に痛めてしまう事があるので十分な注意が必要になります。何度も組換え作業を繰り返すと、ビード部のゴムが剥がれたりもしますので、特に、年数を経過したタイヤの場合は慎重な作業が必要になります。

④ チェーファー

カーカスとリムの間に入る補強材で、カーカスが直接リムに触れないようにしています。左図の黄色の部分になります。

⑤ フィラー(ビードエイペックス)


ビードとサイドウォールの剛性バランスを調整する補強です。

ビードはホイールを締め付けタイヤの固定を確実にする為固く作られています。サイドウォールは垂直荷重を受けながら衝撃を緩和する為、柔らかく造られています。ステアリング操作はホイールを介してタイヤに伝えられますので、実際はビードからサイドウォールに伝えられます。

サイドウォールが柔らかいままですとステアリング操作がサイドウォールの変形で吸収され遅れが出る事になります。かといってサイドウォールを固めてしまうと乗り心地の悪化、路面追従性の悪化となります。そこで、ビードからサイドウォールのある程度の高さまで補強を入れる事でステアリング操作の遅れを無くし、乗り心地を確保しようと言うのがフィラーの役割になります。

各社、さまざまな方法でフィラーを入れていますが、上図は硬質のゴムを最適形状としてカーカスに挟み込ませています。左上図はミシュランのパイロットスポーツの内部構造ですが、薄い硬質ゴムと繊維(ポリアミド?)でカーカスを挟み込んでいます。左下図はダンロップのDZ101ですが、硬質ゴム(黄色い部分)にFRR(一方向にファイバーを並べたゴムで、縦方向には柔らかく、周方向に強い性質を持つ)で補強しています。他に、スチールで補強された物、アラミドで補強された物も有ります。また、カーカスの巻き上げ量も関わってきます。

後に説明しますが、タイヤの乗り心地は補強の入れ方がとても重要になります。トレッド部とサイドウォールの剛性バランス、乗り心地と走行性能のバランスなど、各社の技術力が問われる部分になります。

⑥ インナーライナー


チューブレスタイヤのチューブにあたる物で、チューブと同じ高密度ゴムをタイヤの内部に貼り付ける事で空気圧の低下を抑制しています。

チューブの場合、高速走行時などにはチューブとタイヤが微細に擦れ発熱により高速安定性が低下する事になりますが、インナーライナーを使ったチューブレス構造とする事で高速安定性、耐久性を向上しています。

最近では乗用車にチューブを使う事は無いです。高速走行時の安定性以外にメリットが有ります。それは、パンクしたときの差になります。左上図が一般的なチューブレスタイヤのパンクです。インナーライナーに穴が開いても異物が刺さっているうちはその隙間から少しずつ漏れるだけです。早めに気付く事ができれば修理可能です。

左下図はチューブレスタイヤでのパンクです。チューブに穴が開くとチューブとタイヤの隙間からバルブとホイールの隙間を通ってあっという間に空気が漏れてしまいます。走行中ですと気付いた時には遅かったと言うパターンですね。

どちらが安全で安心かは一目瞭然で、最近の乗用車には使われておりません。

競技専用のスリックタイヤなどはチューブレスタイヤでは有りますがインナーライナーが採用されていません。漏れ止めの高密度ゴムは重いんですね・・・少しでも軽くしたい、放熱性を良くしたい競技専用タイヤは短期間の使用という事もあってインナーライナーが省略されています。

タイヤの構造を説明してきましたが、構造的に見たタイヤに関する雑学を説明してみたいと思います。

ホイールバランスの再調整?



タイヤを組替えるとホイールバランスの再調整が必要になります・・・そうですか・・・ホイールはそのまま変わっていないのにバランスの再調整とはどういう事だろう?

このような事を時々お客様からたずねられますし、たずねられなくとも怪訝な表情をされるお客様もいらっしゃいます。これはホイールバランスと言う言葉がわかりにくくしていると思います。ホイールバランスとは実際にはホイールにウエイト(重り)を付けて調整しますが、調整しているのはタイヤの重量アンバランスなんですね。ですので、ホイールバランスと言うより、タイヤバランスと言った方が正解なのかもしれません。

タイヤは、さまざまな構造材から作られている事を説明してきましたが、これは製造過程では張り合わせて作られます。つまり、構造材は一定の重ね代を持って張り合わされるので、周上の重量は均一にはならないのです。もちろん、重ねられる部分は一定ではなく(そこが弱くなりますから・・・)均一に近付くように配慮はされていますが、柔軟性の有るゴムでも有りますので重量の不均一は避ける事が出来ません。そこで、使用する状態、つまりホイールに組み合わせた状態で重量誤差を修正して使用する事になります。タイヤに重りをつけるのは困難なので、最も外周に近いホイールに重りを付けて修正しています。

周上のどこが重いかと言う静的なバランス(スタティックバランス)は、以前の細いタイヤ、ホイール、現在のバイクなどで採用されていますが、最近の太いタイヤ、ホイールの場合、内側、外側それぞれの重量アンバランスを修正しないと車軸中心からすりこ木運動として振動が発生する為、内外それぞれの重量アンバランスの修正=動的バランス(ダイナミックバランス)として調整しています。

左下図がダイナミックバランスの模式図です。左のようにA(赤色)分の重量増があるとすると、静的バランスでは中央図のように反対側に同量のウエイトを付ける事で打ち消す事ができるはずですが、軸の中心点Oではウエイトを付けて修正する前と同様の振れ(軸の傾き、図の点線分)が残ります。右図のようにAのアンバランスと同一面にウエイトをつけることで軸の振れが修正できます。実際はこれを両面行います。

ホイールバランスはタイヤバランスでタイヤの重量アンバランスを調整している・・・だからタイヤが摩耗すると重量が変わり、再調整が必要になる訳です。おおむね、10g以上ずれてきますと振動を感じるようになってきます。リアは車体振動として症状が出ますので感じにくくなります。振動を我慢すれば問題ないのか・・・いえいえ、振動は車軸のベアリングへのダメージとなりますし、タイヤの偏摩耗の原因ともなります。振動を感じなくとも1年程度での再調整をおすすめしております。

タイヤの赤い点は何?


実際には上で説明した縦バネでの考え方
で、縦バネの最も固い部分(つまり荷重
がかかった際に最も外形の大きい部分)
にマーキングされます。

先にタイヤの黄色い○もしくは●が軽点マークと呼ばれ、タイヤの周上で最も軽い部分だと説明しましたが、タイヤには赤い●が付いている事があります。これは何か・・・

これはユニフォミティーマークと呼ばれ、タイヤ外径が最も大きい部分を示しています。実は純正ホイールなどには白い●が付けられていてリム径が最も小さい部分が示されています。これをあわせて組み込む事でタイヤは最も丸く組みあがる事になる訳です。

ただ、社外品のホイールには殆どユニフォミティーマークが付いていない事、新品のホイールでない場合走行による微妙な変形等で新品時の状態とは変わっている事が予想できる事などから、実際には組み込んで個別に確認する事が必要になります。

軽点マーク、ユニフォミティーマーク共に基準にはなりますが、やはり確認する事は必要になります。マークを合わせる事が大切なのではなく、良い状態に汲み上げる事が重要と言う事になります。

そもそもインチアップは必要か?


遠心力に対抗する為にタイヤが発生する
のグリップ力がコーナリングフォース

偏平率が小さくなるほどCFは高くなり
ます。また、グラフの角度=CPも高く
なりレスポンスが向上しているのがわか
ります。

偏平率が小さい方が荷重によるCPの変
化が小さい事がわかります。

インチアップとはタイヤの外径を変えずにホイールの径を大きくする事です。タイヤが薄くなりホイールが大きくなるとデザインも大きくなってカッコ良いですよね。でも、インチアップはカッコ良いだけの物・・・?

サイズ変換などに関してはサイズのコーナーで詳しく解説しますが、そもそもインチアップする理由は何か・・・というより、インチアップに意味があるのかを構造面から解説したいと思います。

インチアップは偏平率の低下を伴います。先に説明したとおり偏平率が小さくなるほどケース剛性は低下するので、補強などで対応しています。ならば、インチアップ=低偏平化に意味があるのかという疑問が出てきませんか?わざわざ補強で対処するぐらいなら低偏平化をせずに別の方法を考えればよいのではないか・・・と言うより、そもそも低偏平かをした理由は何か・・・?

低偏平化の理由はベルト剛性に有ります。ベルト剛性を向上させる事でタイヤのコーナリング性能が向上していきます。コーナリング性能の指標となるCF(コーナリングフォース)とCP(コーナリングパワー)が向上する事になります。CFは簡単に説明するとコーナリング時の遠心力に対する抗力です。そのままコーナリンググリップと解釈してよいです。CPはステアリングの切れ角に対してどれぐらいのCFが発生するかを表します。左のグラフはあるタイヤのCFを表していますが、CFのグラフの角度がCPになります。

タイヤは少し滑った状態が最もグリップが良い状態になります。コーナリングを考えた時には進行方向に対して少し余分にステアリングを切った状態が最もCFが高いという事になります。つまり、直進状態からコーナリングをはじめる際を考えると、切り始めはタイヤの角度は変わる物の車は向きを変えず、切り込み続けるとスリップアングルが大きくなりCFが大きくなり車は向きを変え始めると言うわけです。CPが高いと言う事は、小さいスリップアングルでCFが大きくなるのでステアリングレスポンスが良いと言う事になります。

インチアップでロープロファイル化する事は、CFの向上=コーナリングでのグリップの向上ができ、CPの向上=レスポンスの向上ができるという事になります。きちんと意味は有ると言う事ですね。左下図をみると偏平率が小さくなると荷重によるCPの変化が小さくなる事から、コーナリング時の安定性も向上している事がわかります。でも、走行性能に関わる部分のみですね。

もちろん、タイヤの寸法上たわみ量=変形量も変わりますから、65偏平の純正タイヤでロールが気になると言う場合も、インチアップする事でタイヤのたわみによる姿勢変化は抑制されますので足回りに手を付ける前に試してみても良いと思います。

足回りを変える程でもないけど、ワインディングを気持ち良く走りたい、少し高速安定性を良くしたい・・・そういった希望にはインチアップは良いセッティングかと思います。もちろん、カッコ良くもなりますよね。

タイヤの性能向上はどれぐらいの物?







タイヤは重要な機能部品です。車の基本性能はタイヤによって決まってしまいます・・・と始まったタイヤについての解説ですが、どれぐらいの物なのか・・・現実問題わかりにくいですよね。

もう少しよく止まるようにしたい。安全性を考えればブレーキ性能はとても重要ですよね。では、制動距離を短くしようとしたら何をすると良いでしょうか?「 ブレーキパッドをよく効くスポーツパッドに変える 」、「 パッドのみでなく大型のブレーキキャリパー&ローターに変える 」、と、こういった答えが返ってくると思います。でもどちらも正解とは言えません。

左上図はある速度からフルブレーキをした際の速度の変化をグラフ化したものです。ABS付きは最後までタイヤのグリップ力で減速していきます。グラフの緑のラインになります。ABS無しの場合、途中でロックして制動Gは低下し、途中から赤い線のようになります。純正のブレーキのままである程度の速度から急ブレーキを踏むとタイヤをロックさせる事ができます。最近はABS(アンチロックブレーキ)を標準装備している車が多いのでタイヤはロックせずABSが作動しますが、ABSが作動すると言う事はセンサーはタイヤがロック状態と判断したと言う事ですね。タイヤがロックしてしまうとそれ以上の制動力(制動G)はかかりませんので、じつは制動距離はタイヤのグリップ力によって決まると言う事になります。

左中図はブレーキパッドを良く効くタイプに変更した場合になります。ABS付ではタイヤが同じならグリップ力も同じで変化がありません。細かく言えば、ブレーキの効き始めが早くなる事とが利点でしょうか?ABS無しですと、ロックするポイントが早くなり、オレンジ線のように変化してしまう可能性があります。

標準の状態でタイヤをロックさせる事が出来ると言う事は、それ以上にブレーキによる制動力を向上させてもロックに到達する時間が短くなるだけで制動距離には差がなくなってしまいます。制動距離を決めているタイヤのグリップ力を向上させる事こそが制動距離を短くする根本的な方法になります。

タイヤを変えてみると左下図のようになります。タイヤのグリップが向上しますと、ABS付の場合青線のように変化します。制動Gが上がりますのでより早く、短い距離で止まる事ができます。ABS無しでも、ロック時のタイヤのグリップが向上していますので、これでも早く止まる事ができます。

もちろんですが、タイヤが変わるなど制動距離が短くなる=制動力が大きくなるという事はブレーキの発熱が大きくなると言う事で、サーキット走行、スポーツ走行などでは発熱に対応できるブレーキパッドが必要となる訳です。そこにコントロール性の良し悪しも含めて考えるべきですね。

制動力がブレーキではなくタイヤで決まるように、コーナリング性能もタイヤで決まってしまいます。タイヤの発生するコーナリンググリップ(CFですね)はタイヤで決まりますので、タイヤの発生するCF以上の速度(遠心力=コーナリングG)では車は曲がる事が出来ません。サスペンションを変えてコーナリング時の安定性を向上させても、タイヤの接地性の向上分少しは良くなるとは思いますが大きく向上はしません。

もうおわかりかと思いますが、コーナリング性能を向上させようとするならコーナリング性能の良いタイヤに変える事が根本的な方法になります。ただ、コーナリングに際してはサスペンションがタイヤの接地性を調整していますので、あわせてセッティングできればより良いです。

「 サーキットを走る訳ではない・・・」、「 飛ばさないから・・・」、安全運転を心がける方にもとっさの時の急ブレーキは避けられないと思います。使用しているタイヤより性能を下げては、カタログデータ以下にもなり得ます。タイヤ選びは慎重にしたいですね。

タイヤ銘柄による性能の差?

タイヤによる性能向上等を解説してきましたが、銘柄による差はどれぐらい違うのでしょうか?この辺りが最も気になるところではないでしょうか?

タイヤメーカーも有名ブランドだけでも数が有って、聞いた事も無いようなメーカー、ブランドも見かける事がありますので、純正と同じサイズのタイヤでも数多くの中から選ばなければなりません。大きな差が無いのなら無名でも安い物を探したいところですが・・・

解説してきたとおり、タイヤはゴムのかたまり、風船同等の物ではなく、内部構造を持った構造体です。法定速度の100km/hで走行する場合、タイヤは1秒間に10回転以上しています。もちろん、1トン以上の荷重を支えながら路面の変化を受けながら、衝撃を緩和しながらになります。

今は一流有名ブランドになった国産メーカーのタイヤも、高速走行での振動、バーストに悩まされた時期が有ったぐらいで、車の性能の向上と共にタイヤも進化してきました。それは構造上の進化のみでなく、品質なども同様だと思います。タイヤを作ると言う事はかなりの技術が必要という事になります。タイヤの剛性を計算して設計できるという事自体が技術の現われとも言えるようです。

製造も同様で、貼り合わせで作られる内部構造をタイヤの周上均一に保つ事、それを量産する事は大変な事のようです。「 タイヤは命を乗せている・・・」そのとおりですが、事故により回りを巻き込むことも予想される為、品質管理は徹底して行われなければなりません。

「 街乗りぐらいでしか使わないから・・・」と言う事で、価格的に有利な有名でないタイヤを使う事に問題はないように思いますが、「 タイヤは家族の命も乗せている・・・」と考えると、信頼のあるタイヤを使う事をおすすめしたいですね。

タイヤの構造等を少し詳しく説明してみました。一般的に不具合が生じなければ必要の無い知識が多いと思いますが、タイヤ選びの参考にはなると思います。最近のタイヤカタログには内部構造などの記載が無い事が多いですが、パターン等を見る事でもメーカーのタイヤのセッティングの考え方などは見分けられると思います。

質問などから今後も解説を増やしていきたいと思います。