ホイールの剛性について考えた

今日は自動車用ホイールの剛性の効果、影響について考えた。

よく「ホイールは剛性が大事」と聞くが、具体的に剛性がどう影響するるのかはっきりしない。で、調べたらこう言う論文が出ているのを見つけた。
「ホイール剛性がタイヤ動特性および操縦安定性に及ぼす影響」
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsaeronbun/49/4/49_20184457/_pdf

この論文ではホイールの剛性をディスク剛性とリム剛性に分け、それぞれを補強した場合の操縦応答性とタイヤの限界性能への影響を実験で定量的に調べている。
ここで、ディスク剛性とはホイールスポークの根元(車軸に近い側)の剛性のことであり、リム剛性とはスポークのリムとの接合部の剛性のことである。操縦応答性とはハンドルを切った時にどれだけ遅れなく追従するかを表した値で、タイヤの限界とはカーブの際に地面から受ける横方向の力がどれだけかけられるかを表した値である。


詳しくは原本に当たってほしいが、結論を簡単に言うと、ディスク剛性を上げると操縦応答性が良くなり、リム剛性を上げるとタイヤの限界が上がる。ただし、両方の剛性を上げるとどちらの性能もダメになる、と言うことだ。
結論だけ知りたい人はこれだけ読めば終わりだが、論文ではどうしてそうなるかについても検討している。しかし、これが直感的にわかりにくい。特に、2つの剛性と2つの性能の関係、また両方の剛性を上げた時に両方の性能が下がる理由、それらの仕組みをイメージしにくい。

そこで自分なりに次のように解釈してみた。
論文では「どこの剛性を上げるか」で一貫して論を進めているが、これは逆に「どこの剛性を下げるか」と考えた方が良いのではないだろうか。剛性を下げた部分は力がかかるとしなって変形する。これによりタイヤと地面の当たり方が変わって、特性も変わる。
以下、この線で2つの剛性と2つの性能の関係を解釈し直す。

◯ディスク剛性と操縦応答性
操縦応答性はハンドルを切った時にどれだけ遅れなく追従するかであり、ハンドルを切った時にホイールが遅れなく向きを変えることと言い換えられるだろう。ディスク剛性が高い場合は車軸とディスクが傘と傘の柄のように固定され、傘の柄をもって振り回せば傘は簡単に向きを変える。ディスク剛性が高くないと、皿回しの棒と皿のように固定されず、棒の向きを変えても皿はついてこないで同じ回転面のまま回り続けようとする。


◯リム剛性とタイヤの限界
タイヤの限界は、カーブの途中で最大どれだけの横力まで耐えられるかであり、タイヤの接地面積に大きく依存する。そして、少し意外だが、タイヤの接地面積はタイヤが直立している時よりも少し斜めになってタイヤの角で地面に当たった方が増えるのだという。
カーブの途中では、タイヤに大きな横力がかかりホイール全体が傾くが、リム剛性が高い場合、ホイール全体と一緒にリムが傾いてタイヤが角で接地する。接地面積が増えてタイヤの限界性能が上がる。しかしリム剛性が低い場合は、リムは地面に沿うように変形して地面に平行になり、接地面積は増えない。


◯ ディスク剛性、リム剛性の両方が上がった場合に性能が両方とも下がる理由
これはいまだによく分からないが、こう考えてみた。ホイールがガチガチで全然変形しないと、その分、タイヤが大きく変形するか車軸がしなるのではないか。こうなると設計通りの性能は出ないだろう。
ホイールは、ある程度の柔軟性で変形を引き受ける能力が必要なのではないか。

以上は、件の論文の赤カブ流解釈である。
ここから、この理屈を実際に応用してみたいと思う。課題はスタッドレスタイヤ用のホイールを選ぶときにディスク剛性、リム剛性のどちらを優先すべきか、である。両方とも高い剛性だと性能が落ちることはわかっているので、どちらかのみを優先する。
スタッドレスの場合、柔らかいタイヤなのでそのままでも操縦応答性が下がる。では、その分を補うために操縦応答性を重視するか? いや、こう言うものは最も性能が低いところに全体の性能が抑えられるのだ。だから、ホイールばかり操縦応答性を高めてもタイヤの性能でスポイルされる。ここは、夏タイヤ向けホイールよりは操縦応答性をいくぶん(スタッドレスタイヤによる低下を超えない程度に)下げて、その分をタイヤの限界性能に振り向ける方が良いだろう。その方が氷や雪に対しては必要そうだし。
と言うことで、スタッドレス用のホイールでは夏タイヤ向けよりもリム剛性の高いものを選ぶのが良さそうだ。(と言っても見た目しか判断材料はないのだが)