小学生でも分かる
ホイールアライメントの話

2015/04: 初版
2016/05: 改訂


目次


  1. はじめに
  2. 結論
  3. 直進性能と旋回性能
  4. キャスター角の効果
  5. キャスター角は常に有効ではない
  6. キングピンとスクラブ半径
  7. キングピン角
  8. タイヤの横変形とスクラブ半径の関係
  9. スクラブ半径の走行時への影響
 10. キャンバー角の効果と弊害
 11. トウはゼロが最適値
 12. まとめ

10. キャンバー角の効果と弊害


次はキャンバーです。

キャンバーとはクルマの正面から見た時の、タイヤの傾きを指します。


両タイヤの上が広がっているのがポジティブ、下が広がっているのがネガティブキャンバーです。


油断するとすぐに忘れてしまいますので、上が開いているのがポジティブと覚えておきましょう。

さてそれが分かった所で、クルマにとって一番理想的なキャンバー角は何度でしょうか?

これは誰がどう考えても0度でしょう。

にも関わらず、何故わざわざ角度を付けたがるのでしょう。

この理由はいくつかありますので、一つずつご説明したいと思います。

なお上の図のタイヤがやけに角ばっていると思われるでしょうが、この理由は追々分かって頂けると思います。


1)結論


それでは細かい説明の前に、結論からお伝えしたいと思います。

1) 積載荷重が大きくなるとサスペンションの構造や撓(たわ)みの影響によって、ネガティブキャンバーになるので、無負荷時にポジティブキャンバーに設定にする。

2) 旋回時におけるタイヤ外側の編摩耗を防止するために、ネガティブキャンバーにする場合があるが、頻繁に回転走行でもしない限り無駄である。

3) タイヤが偏摩耗するのを覚悟の上ならば、コーナリング性能を上げるため、以下の様にセッティングする。

もし低中速域でコーナリングフォースを得たいのならば、キャンバーをポジティブにする。

もしタイヤ外側に十分な荷重が掛かる程度の高速旋回ならば、ニュートラルにする。

もしタイヤが横変形する程の超高速旋回ならば、ネガティブにする。

4) ハンドルの操作力を低減するためにキャンバー角を付ける場合があるが、パワーステアリングが普及した今では意味がない。

5) 上記の理由により、今時のクルマで無茶な運転をしない限り、キャンバー角は0度±1度(ただし左右差は±0.5度以内)が理想的な値である。


それではこれからその理由をじっくりご説明したいと思います。

2)サスペンションの撓(たわ)みの補正


あらゆる工業製品は、誤差0で作りたいのですが、なかなかそうはいかないのが実情です。

これは工作機械の精度、測定器の精度、組立精度によって、0に近づく事はできても、0にする事は絶対にできないのです。

さらにクルマの場合、走行中に路面から衝撃が加わりますので、仮に限りなく0度に近付けたとしても、走行中にサスペンションが僅かながら撓(たわ)みます。

この撓みの方向ですが、主にタイヤの下が広がる方向、すなわちネガティブキャンバーの方向になるのです。

その理由については、下の図をご覧下さい。


サスペンションに荷重が加わるとタイヤは下開き(ネガ)になる


非常に単純化した絵ですが、これをご覧頂きます様に車両の荷重を支えるサスペンションは、タイヤの内側(車体の内側)にありますので、荷重が掛れば必然的にサスペンションは赤い円弧の様に反ります。

そして、サスペンションが下側に反ると、それに連られてタイヤの下部は外側に広がり、ネガティブキャンバーになるのです。

ですのでそれを見越して、止まっているときには、僅かながらタイヤの上部を広げて(ポジティブキャンバーにして)おこうという思想です。

なお最近のクルマは、金属材料の進化や構造解析の向上が進んできましたので、この撓みについては、ほぼ無視できるレベルにあると言って良いと思います。

またサスペンションが撓むのは衝撃を受けた場合だけで、滑らかな路面を走っている限りその様な事はありませんので、敢えてポジティブキャンバーにする意味は見出せません。


3)独立懸架の補正


前項は左右の車輪が1本のシャフトで繋がった車軸懸架の場合でしたが、独立懸架の場合、構造上の理由により荷重が掛かれば掛る程タイヤは下開き(ネガティブキャンバー)気味になります。

逆に下の写真の様に、クルマをリフターで持ち上げて、タイヤを地面から浮かした態ですと、タイヤは上開き(ポジティブキャンバー)になります。


4輪独立懸架の場合、車体を持ち上げるとタイヤは上開き(ポジ)になる

このため、走行時(想定荷重)にキャンバーゼロになる様に、無積載時にポジティブキャンバーになる様に調整します。

ただしこれはあくまでも無積載時(停止時)の話で、走行時はキャンバーゼロ狙いになっています。

ヨコハマタイヤの意味不明の記述

ヨコハマタイヤのHPに、キャンバーに関して以下の様な記述が見られます。

 

一見間違い無い様に読めてしまいますが、奇妙です。

先ず”荷重がかかることで~あらかじめ上開きにしてあります”という記述は、走行時におけるキャンバーはゼロ狙いにしている事を示しています。

ところがポジティブキャンバーの説明には”通常の設定”、ネガティブキャンバーの説明には”特殊な設定”と書かれています。

通常の設定というのは、走行時の事を言っているのでしょうか?

もしそうだとしたら、前段(荷重がかかる~あらかじめ上開きにしてあります)の走行時にゼロ狙いにする記述と矛盾します。

また特殊な設定とは何なのでしょうか?

何を言いたいのか良く分かりません。



ただし、走行時に想定積載より軽い場合はポジティブ、それより重い場合はネガティブキャンバーになりますが、それは機構上のバラつきと言えます。


4)旋回時におけるタイヤの偏摩耗防止


上記2点は走行時にキャンバーをゼロにする話でしたが、次は旋回時におけるタイヤの編摩耗防止の話です。

下の写真でも分かる様に、例えキャンバーがゼロであっても、右旋回時は(運転席から見て)左タイヤの外側部分に最も負荷が掛ります。


カーブではタイヤの丸印に最も負荷が掛る


また左旋回時は、逆に右タイヤの外側部分に最も負荷が掛ります。

ですので、カーブを頻繁に高速で曲がる場合は、タイヤの外側が内側より摩耗する可能性があります。

このため、予めネガティブキャンバーにしておいて、タイヤが均等に摩耗する様にしようという訳です。

ただし8の字走行や円周走行を繰り返し行わない限り、これは無視しても良いでしょう。

何しろ一般道の殆どは直線と直角のカーブで成り立っていますので、タイヤを偏摩耗させるほどのスピードでコーナーを走り抜ける事など至難の業です。

ただし、実用上ネガティブキャンバーにする方が良い場合があります。

例えば箱根のタクシーの様に年中山道の曲がりくねった道を走行する場合、タイヤの外側が偏摩耗して、その他の部分はまだまだ溝があるのに早めにタイヤを交換する事があります。


カーブの多い道を頻繁に走行するとタイヤの外側が偏摩耗する

この様な場合こそ、予めネガティブキャンバーにしておくべきす。

またFF車の場合、前輪が操舵と駆動を担当しており、尚且つ重いエンジンの荷重が前輪に掛かっているので、どうしてもカーブで前輪の外側が摩耗し易く、工場出荷時にネガティブキャンバーに設定する傾向があります。

ついでに、タイヤの偏摩耗の種類とその原因をまとめると以下の様になります。

# 偏摩耗の種類 原因
1 タイヤの外側が異常に摩耗する カーブを頻繁に走行しているか、アライメントが必要以上にポジティブキャンバーになっている。
2 タイヤの内側が異常に摩耗する 積載荷重が大きいか、アライメントが必要以上にネガティブキャンバーになっている。
3 タイヤの両端が異常に摩耗する タイヤの空気圧が低い。
4 タイヤの中央が異常に摩耗する タイヤの空気圧が高い

覚えておいて損はありません。



5)低中速領域でのコーナリングフォース向上


ここまで分かった所で、次は問題です。

コーナリングフォースを上げるためには、キャンバーを以下のどの設定した方が良いでしょうか?


一部のネット記事にコーナリングフォース向上のためには、キャンバーをネガティブ方向にするとありますが、これは条件を一切述べずに断言するという観点から明らかに間違いです。

何故ならば、最適なキャンバー角はコーナリングスピードによって異なるからです。

という訳で、先ずは時速数十kmの低中速領域でカーブを曲がる場合を考えてみましょう。

この場合、カーブでもそれほど車体は傾きませんので、静止時とほぼ同じキャンバー角だとします。

だとしますと、キャンバーをポジティブ傾向にするとコーナリングフォースは上がります。

この理由ですが、例えばコンクリートの上で段ボールを押しながら運んでいるとします。


左の図の様に水平方向、或いは先端部(丸印部)が下がり気味に押すと重いのですが、上右図の様に先端部をほんの少し持ち上げながら引っ張ると一気に軽くなるのはどなたも経験されている事と思います。

これは段ボール先端部がコンクリートに接触するかしないかが、摩擦抵抗に大きく影響するからです。

これと同様に、タイヤにおいてもコーナー部が路面に喰いつくか、喰いつかないかで、カーブで踏ん張りがぜんぜん違うという訳です。

そして、コーナー部が路面に喰いつく程(喰いつくからこそ)、コーナー部が異常に摩耗するのです。

ですので、低中速域において少しでもコーナリングフォースを高めたい場合は、キャンバーを少しポジティブ方向に傾けて、タイヤのみる価値はあります。


ただし繰り返しになりますが、滑ってもいないのに闇雲にキャンバーをポジティブにしても、タイヤの外側が偏摩耗するという弊害しかありません。


6)高速領域でのコーナリングフォース向上


次に、時速100km近い高速でコーナリングする場合に最適なキャンバー角を考えてみましょう。

この場合の加速度は時速50kmの4倍(速度の倍数の二乗)近くになりますので、クルマ自体が傾き(ロールし)ます。

このため、たとえニュートラルキャンバーであっても、カーブでは必然的にタイヤの外側コーナーが路面に食い込む(下図の赤丸部分)方向に傾きますので、敢えてポジティブキャンパーにする必要はないと言えます。


という訳で、高速域でコーナリングフォースを向上させるためには、ニュートラルキャンバーが一番合理的な設定だと言えます。


7) 超高速領域でのコーナリングフォース向上


次にF1マシンを始めとする本格的なレーシングカーにおいて、時速200km近いスピードでコーナリングする場合を考えてみましょう。

この場合単純計算ですと、時速50kmの16倍の横方向の加速度が加わりますので、タイヤに掛るストレスは相当なものです。

となるとタイヤはどうなるかと言えば、右下図の様に変形するのです。


上の図はかなり誇張し描いていますが、どんなにタイヤの剛性をアップしても所詮タイヤはゴムである以上、横方向から強い力が加わればどうしても変形してしまいます。

そしてタイヤが上図の様に変形すると、(それこそ腰砕けの様になって)急激に摩擦力が低下するのです。

これを防止するため、予め前輪をネガティブキャンバーにしておき、(タイヤ内側の偏摩耗は覚悟のうえ)カーブで外側のタイヤが地面と均一に接触する様にしているという訳です。


実際F1カーなどのレーシングカーを見ると、多くののマシンで見て分かるほどのネガティブキャンバーが前輪に付けられています。


前後輪にネガティブキャンバーが付けられたホンダのニューF1マシン

コストをいとわないレーシングカーならそれでも構わないのですが、ニュルブルクリンクで市販車最速を目指したNISAN GT-Rにも前輪に強いネガティブキャンバーが付けられているため、通常走行ではタイヤ内側の偏摩耗が激しくユーザーはかなり苦労している様です。

いずれにしろ、一般道では絶対にありえないシチュエーションですので、レーシングカーを真似てネガティブキャンバーにしても一般車には何のメリットもありません。

5項から本7項までのまとめとしては、一般的のクルマでしたら、ニュートラルキャンバーが一番妥当な設定である、としたいと思います。

なおクルマも工業製品ですので、左右のキャンバーをゼロに調整するのは至難の技です。

ですので、現実的には±1度の範囲でしたら許容範囲と思って頂いて結構です。

ただし左右のキャンバーのずれが0.5度以上あるとハンドルの向きに影響しますので、これは±0.5度以下に抑えた方が無難です。

横断勾配

ここでまた脱線です。

横断勾配という言葉を、聞かれた事はあおありでしょうか?

道路に降った雨が速やかに側溝に流れる様に、道路中央を高くした勾配の事です。


通常この勾配は、1.5~2.0%ですので、仮に道幅が10mの道ですと、中央が75mm~100mm両端より高くなってい事になります。

このため、平らな道路を走っていると思っても、実は傾斜した道を走っている事になるのです。


ですので、もし全く左右対称のクルマであっても、日本の場合(左側通行)でしたら、僅かながら助手席のタイヤの方が摩耗し易くなります。

また回転方向を指定した高性能タイヤの場合、日本向けと海外向けでこの勾配を考慮して製造方法を変えている物もあります。



8) ハンドル操作力の低減


最後にハンドル操作力の軽減です。

前述のキングピン角の項でご説明しました様に、操舵中心線とタイヤの中心線が近いほど、ハンドルの操作力は軽くなります。

ですので、例えば下の図の様にスクラブ半径がポジティブの場合でしたら、キャンバー角をポジティブにすれば、両線を近付けてハンドルの操作力を軽くできるという訳です。

   


ただし一般走行ではタイヤの外側が強く路面に当たりますので、かなり姑息な手段とも言えます。

また今時はほとんどのクルマがパワーステアリングを標準で装備していますので、あまり重要な特性とは言えません。


9) まとめ


キャンバーに関するまとめは、以下の通りです。

1) サスペンションの撓みや機構を考慮して、走行時(想定荷重)においてキャンバーゼロになる様に、無負荷時にポジティブキャンバーに設定にする。

2) 旋回時におけるタイヤの変形を防止するためには、ネガティブキャンバーにするが、頻繁に回転走行でもしない限り無駄である。

3) 低中速域でコーナリングフォースを得たいのならば、キャンバーをポジティブ、タイヤ外側に十分な荷重が掛かる程度の高速ならばニュートラル、タイヤが変形する程の超高速ならばネガティブにする。

4) ハンドルの操作力を低減するためにキャンバー角を付ける場合があるが、パワーステアリングが普及した今では意味がない。

5) 上記の理由により、今時のクルマで無茶な運転をしない限り、キャンバー角は0度±1度(左右差は±0.5以内)が理想的な値である。


もっと言ってしまいますと、ご自分のクルマのタイヤを見て、接地面が均等に摩耗していればそれがベストの状態ですので、何もしないのが一番という事です。




10. キャンバー角の効果と弊害

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9. スクラブ半径の走行時への影響

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11. トウはゼロが最適値






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