タイヤの均一性

タイヤの均一性とは、世界中のタイヤメーカーや自動車メーカーが認める一連の測定基準と試験条件によって厳密に定義された 空気入りタイヤの動的機械特性を指します。

これらの基準には、ラジアル力の変動、ラテラル力の変動、円錐、プライステア、ラジアルランアウト、ラテラルランアウト、サイドウォールバルジのパラメータが含まれます。世界中のタイヤメーカーは、性能の悪いタイヤを特定して市場に販売しないようにする方法として、タイヤの均一性測定を採用しています。タイヤメーカーと車両メーカーはどちらも、車両の乗り心地を向上させるためにタイヤの均一性の向上を目指しています。

タイヤの円周は、製造条件に応じてバネ定数が変化する一連の非常に小さなバネ要素としてモデル化できます。これらのバネ要素は、路面接触領域に入ると圧縮され、接地面から出ると元に戻ります。半径方向と横方向の両方でバネ定数が変化すると、タイヤの回転時に圧縮力と復元力が変化します。完璧なタイヤで、完全に滑らかな道路を走行する場合、車とタイヤの間に働く力は一定です。しかし、通常製造されたタイヤで、完全に滑らかな道路を走行すると、タイヤが回転するたびに変化する力が車両に作用します。この変化が、さまざまな乗り心地の乱れの原因となります。タイヤメーカーと自動車メーカーはどちらも、車両の動的性能を向上させるために、このような乱れを減らすよう努めています。

タイヤの力は、ラジアル、ラテラル、タンジェンシャル（前後方向）の 3 つの軸に分けられます。ラジアル軸はタイヤの中心からトレッドに向かって伸び、垂直軸は道路からタイヤの中心を通って車両に向かって伸びます。この軸は車両の重量を支えます。ラテラル軸はトレッドを横切って伸びます。この軸は車両のタイヤ取り付け車軸と平行です。タンジェンシャル軸はタイヤの移動方向の軸です。

ラジアル力は車両を支えるために上向きに作用するものであるため、ラジアル力の変動は、タイヤが荷重を受けて回転するときのこの力の変化を表します。タイヤが回転し、異なるバネ定数を持つバネ要素が接触領域に出入りすると、力が変化します。完全に滑らかな道路上を走行し、4,000 N (900 lbf) の荷重を支えるタイヤを考えてみましょう。力はこの値から上下に変動するのが一般的です。3,900 ～ 4,100 N (880 ～ 920 lbf) の変動は、200 N (40 lbf) のラジアル力変動 (RFV) として特徴付けられます。ラジアル力の変動は、最大値から最小値を引いたピークツーピーク値、または以下で説明する任意の調和値として表すことができます。

一部のタイヤメーカーは、最大のラジアル力とランアウトの位置、つまりハイスポットを示すために、サイドウォールに赤い点を付けています。黄色の点は、最も重量の少ない点を示しています。 ^[1]点の使用は、技術保守協議会の RP243 パフォーマンス標準で指定されています。このばらつきを補正するために、バルブステムが低い位置にあると仮定して、赤い点がバルブステムの近くに来るようにタイヤを取り付けるか、バルブステムが重い位置にあると仮定して、黄色い点がバルブステムの近くに来るようにタイヤを取り付けることになっています。^[2]

ラジアル力の変動は、他のすべての力の変動の測定値と同様に、複雑な波形として表示できます。この波形は、フーリエ変換(FT)を適用することで、その高調波に従って表現できます。FT を使用すると、タイヤの動的動作のさまざまな側面をパラメーター化できます。ラジアル力第 1 高調波 (RF1H) として表現される第 1 高調波は、1 回転につき 1 回パルスを車両に及ぼす力の変動の大きさを表します。ラジアル力第 2 高調波 (RF2H) は、1 回転につき 2 回パルスを及ぼすラジアル力の大きさを表します。これらの高調波の原因はわかっている場合が多く、製造上の問題を診断するために使用できます。たとえば、 8 つのセグメントが取り付けられたタイヤ モールドは、熱変形して第 8 高調波を引き起こす可能性があります。そのため、ラジアル力第 8 高調波 (RF8H) が高い場合は、モールド セクターの分離の問題を示しています。乗り心地の乱れの主な原因は RF1H で、次に RF2H が続きます。高速道路でのタイヤの回転速度に高調波値を掛けると、非常に高い周波数で外乱が発生し、他の車両の動的条件によって減衰または克服されるため、高調波はそれほど問題になりません。

横方向の力はタイヤの車軸に沿って左右に作用する力であるため、横方向の力の変動は、タイヤが荷重を受けて回転するときのこの力の変化を表します。タイヤが回転し、異なるバネ定数を持つバネ要素が接触領域に出入りすると、横方向の力が変わります。タイヤが回転すると、約 100 N (22 lbf) の横方向の力が加わり、ステアリングが一方向に引っ張られます。力は通常、この値から上下に変化します。90 ～ 110 N (20 ～ 25 lbf) の変動は、20 N (5 lbf) の横方向の力の変動 (LFV) として特徴付けられます。横方向の力の変動は、最大値から最小値を引いたピークツーピーク値、または上記の任意の調和値として表すことができます。横方向の力には符号があり、車両に取り付けられた場合、横方向の力が正で車両が左に引っ張られるか、負で右に引っ張られる可能性があります。

接線力は走行方向に作用する力であるため、接線力の変動は、タイヤが荷重を受けて回転するときのこの力の変化を表します。タイヤが回転し、異なるバネ定数を持つバネ要素が接触領域に出入りすると、接線力が変化します。タイヤが回転すると、高い牽引力が発揮され、車両が加速され、一定速度で速度が維持されます。定常状態では、力はこの値から上下に変動するのが一般的です。この変動は、接線力の変動 (TFV) として特徴付けられます。一定速度テスト状態では、接線力の変動は、タイヤの回転半径の変化により、回転ごとに発生する小さな速度変動として現れます。

円錐度は横方向の力の挙動に基づくパラメータです。これは、タイヤが円錐のように転がる傾向を表す特性です。この傾向は、車両のステアリング性能に影響します。^[3]円錐度を決定するには、横方向の力を時計回り (LFCW) と反時計回り (LFCCW) の両方向で測定する必要があります。円錐度は、値の差の半分として計算されます。時計回りと反時計回りの値は符号が逆であることに留意してください。円錐度は、生産テストにおいて重要なパラメータです。多くの高性能車では、円錐度の効果が互いに打ち消し合い、ステアリング効果をほとんど与えずに、よりスムーズな乗り心地を生み出すために、車の左側と右側に同じ円錐度のタイヤが取り付けられています。このため、タイヤメーカーは円錐度を測定し、タイヤを同様の値のグループに分類する必要があります。

プライステアは、タイヤがスリップ角ゼロで前方に転がるときにカーカスの非対称性によって発生する横方向の力を表し、疑似サイドスリップと呼ばれることもあります。^[4]これは通常、タイヤが「クラブウォーク」する、つまり直線方向を維持しながら横に動く傾向として説明される特性です。この傾向は車両のステアリング性能に影響します。プライステアを決定するには、タイヤが前後に転がるときに発生する横方向の力を測定し、値の符号が反対であることに留意しながら、値の合計の半分としてプライステアを計算します。

ラジアルランアウト(RRO) は、タイヤの真円度が完全な円からどれだけずれているかを表します。ラジアル ランアウトは、ピーク ツー ピーク値と調和値として表すことができます。ラジアル ランアウトは、ラジアル力の変化と同様に、車両に刺激を与えます。ほとんどの場合、ラジアル ランアウトはタイヤの中心線付近で測定されますが、一部のタイヤ メーカーは、左肩、中央、右肩の 3 つの位置でラジアル ランアウトの測定を採用しています。

一部のタイヤメーカーは、最大のラジアル力とランアウトの位置を示すためにサイドウォールに赤い点を付けています。^[2]

横方向の振れ(LRO) は、タイヤのサイドウォールが完全な平面からどれだけずれているかを表します。LRO は、ピークツーピーク値と調和値として表すことができます。LRO は、横方向の力の変化に似た方法で車両に刺激を与えます。LRO は、ほとんどの場合、トレッド ショルダー付近の上部サイドウォールで測定されます。

タイヤは金型で硬化される複数のコンポーネントのアセンブリであるため、硬化タイヤが不合格と分類される原因となるプロセスの変動が多数あります。サイドウォールの膨らみとくぼみはそのような欠陥です。膨らみは、タイヤが膨らんだときに膨張するサイドウォールの弱い部分です。くぼみは、周囲と同じ程度には膨張しない強い部分です。どちらも視覚的な欠陥とみなされます。タイヤは製造時に測定され、視覚的な欠陥が過度なものが特定されます。膨らみは、安全上の問題を引き起こすコードの欠如などの欠陥のある構造状態を示している場合もあります。その結果、タイヤメーカーは、膨らみのあるタイヤを識別するための厳格な検査基準を課しています。サイドウォールの膨らみとくぼみは、膨らみとへこみ、およびでこぼこしたサイドウォールとも呼ばれます。

タイヤ均一性検査機は、上記のタイヤ均一性パラメータについてタイヤを自動的に検査する専用機です。タイヤのハンドリング、チャッキング、測定リム、ビード潤滑、空気注入、ロードホイール、スピンドルドライブ、力測定、形状測定など、複数のサブシステムで構成されています。

まずタイヤを中央に配置し、ビード部分に潤滑剤を塗って、測定リムにスムーズにフィットするようにします。タイヤをテスト ステーションにインデックスし、下部チャック上に置きます。上部チャックが下がり、上部ビードと接触します。タイヤは設定圧力まで膨らまされます。ロード ホイールが前進してタイヤに接触し、設定された荷重力を加えます。スピンドル ドライブがタイヤをテスト速度まで加速します。速度、力、圧力が安定すると、ロード セルがタイヤによってロード ホイールに及ぼされる力を測定します。力の信号はアナログ回路で処理され、その後分析されて測定パラメータが抽出されます。タイヤは、ラジアル力変動 (RFV) の高点角度、正の円錐の側面、円錐の大きさなど、さまざまな基準に従ってマークされます。

複数のタイヤ均一性測定装置メーカーの間では、さまざまなバリエーションと革新が生まれています。タイヤ均一性測定装置の標準テスト速度は、標準負荷ホイールの 60 r/分で、時速約 5 マイルです。高速均一性測定装置は、時速 250 km 以上に達する研究開発環境で使用されます。高速均一性測定装置は、生産テストにも導入されています。力の変動測定と動的バランス測定を組み合わせた装置も使用されています。

ラジアル力と横方向力の変動は、タイヤ均一性装置で研削操作を行うことで低減できます。センター研削操作では、トレッド中央にグラインダーを適用して、ラジアル力の変動が最も大きい部分のゴムを除去します。トレッドの上部と下部のショルダーグラインダーを適用して、路面接触面積またはフットプリントのサイズと、その結果生じる力の変動を低減します。上部と下部のグラインダーは独立して制御できるため、円錐度の値を低減できます。グラインダーは、過度のラジアルランアウトを修正するためにも使用されます。

タイヤのばらつきの影響は、不均衡なリムとバルブステムが不完全なタイヤを補うような方法でタイヤを取り付けることによっても軽減できます。^[2]

タイヤユニフォーミティ マシンでは、ラジアルランアウト、ラテラルランアウト、コニシティ、バルジの測定も行われます。使用されている測定技術にはいくつかの世代があります。これには、接触スタイラス、静電容量センサー、固定小数点レーザー センサー、シート オブ ライト レーザー センサーが含まれます。

接触スタイラス技術では、回転するタイヤの表面に沿ってタッチプローブが移動します。アナログ計測器がプローブの動きを感知し、ランアウト波形を記録します。ラジアルランアウトの測定に使用する場合、スタイラスはトレッドパターンの隙間をまたぐことができる大面積のパドルに取り付けられます。サイドウォールの横方向ランアウトの測定に使用する場合、スタイラスは非常に狭く滑らかなトラックを移動します。接触スタイラス法は最も初期の技術の 1 つであり、その機械的性能を維持するにはかなりの労力が必要です。サイドウォール領域の対象領域が小さいため、サイドウォールの他の部分にあるサイドウォールの膨らみや窪みを識別する際の有効性が制限されます。

静電容量センサーは、タイヤとセンサーの間に誘電場を生成します。タイヤとセンサーの距離が変化すると、誘電場の電圧や電流の特性が変化します。アナログ回路を使用して、場の変化を測定し、ランアウト波形を記録します。静電容量センサーは、非常に狭い接触スタイラス方式と比較して、10 mm 程度の広い測定領域を持ちます。静電容量センサー方式は最も初期の技術の 1 つであり、高い信頼性が実証されていますが、測定中はセンサーをタイヤ表面に非常に近づける必要があるため、タイヤとセンサーの衝突により長期的なメンテナンスの問題が生じます。また、一部のセンサーは水分/湿度に非常に敏感で、誤った読み取り値を示します。測定領域が 10 mm であるため、膨らみの測定はタイヤの小さな部分に限定されます。静電容量センサーは、ラジアルランアウト測定においてトレッドラグ間の空隙の影響を除去するために空隙フィルタリングを採用し、サイドウォールの浮き彫りの文字や装飾の影響を除去するために文字フィルタリングを採用しています。

固定点レーザー センサーは、上記の方法の代替として開発されました。レーザーは、狭いトラックの対象領域とタイヤからの大きなスタンドオフ距離を組み合わせます。より広い対象領域をカバーするために、機械式位置決めシステムを使用して、サイドウォールの複数の位置で読み取りを行います。固定点レーザー センサーは、ラジアル ランアウト測定におけるトレッド ラグ間の空隙の影響を除去するボイド フィルタリングと、サイドウォールの隆起した文字や装飾の影響を除去する文字フィルタリングを採用しています。

シート光レーザー (SL) システムは 2003 年に導入され、最も高性能で信頼性の高いランアウト、膨らみ、およびくぼみの測定方法として登場しました。シート光センサーは、レーザー ポイントの代わりにレーザー ラインを投影し、非常に広い対象領域を作成します。サイドウォール センサーは、ビード領域からトレッド ショルダーまでの領域を簡単にカバーし、サイドウォール全体の膨らみやくぼみの欠陥を検査できます。大型のラジアル センサーは 300 mm 以上の範囲でトレッド幅全体をカバーできます。これにより、複数のトラックの RRO を特性評価できます。シート光センサーは、タイヤとの衝突が起こらないように十分なスタンドオフ距離も備えています。2 次元のトレッド ボイド フィルタリングとサイドウォール レター フィルタリングも採用されており、ランアウト測定からこれらの特性を排除します。