第 22 回寒地技術シンポジウム
タイヤの氷上性能へのトレッド表面粗さの影響
Effect of Surface Roughness of Tread in Tire Characteristics on Ice
二瓶光弥（産業技術総合研究所）
松井 隆（㈲エー・アイ・エス）
加藤義隆（芝浦工業大学大学院）

１． はじめに
冬用タイヤとしてのスタッドレスタイヤは、積雪寒冷地域の生活になくてはならないものとしてしっかりと定着している。すでに多くのユーザーが認識しているように、現在のスタッドレスタ
イヤは、かならずしも、すべての雪氷路面にたいして万能とはなっていない。特に 0℃付近の氷上での性能は極端に低下し、スリップ事故件数増加の要因となっており、タイヤの氷上性能の向上が大きな課題となっている。
氷表面では水膜が潤滑の役割をはたして摩擦係数の低下を示すことが知られている 1)2)。しかし、タイヤ(ゴム)と氷の境界潤滑状態や混合潤滑状態および流体潤滑状態での摩擦は複雑な挙動や現象を示す３)。タイヤの氷上性能向上のためには、これらの現象の系統的な調査や詳細な解析が必要であるが、充分にはなされていないのが現状となっている。
既報 4）５）で、特殊な実験用タイヤを用いた解析結果から、トレッド表面粗さがある値のときにタイヤの氷上性能(制動性能)が最大になるという現象について報告した。そしてさらに、氷中の不純物の影響による氷表面の水膜の量や摩擦熱によって発生する水膜の影響などとの関係が考察された。本報では、
このトレッド表面粗さがある値のときにタイヤの氷上性能が最大になるという現象が市販のタイヤの場合にも生じるのか、あるいは適用できるのかどうかについて調査した結果について述べる。
２． 特殊な実験用タイヤを用いた解析結果 4）
ここでは、まず、トレッドパターンの無い特殊な実験用タイヤ（タイヤトレッドの表面粗さが異なる数種のタイヤ、以後、スムーズタイヤと呼ぶ）を用いて、図 1 に示す室内タイヤ試験機 6)の二種の氷上で制動力係数(μ）−スリップ比(S)特性を調査した結果について述べる。
2.1 試験に使用したタイヤ試験に用いたタイヤのトレッド表面粗さ(十点平均粗さ

氷ドラム

タイヤ

図１ 室内タイヤ試験機

Rz(JIS1994))の値を表 1 に示す。タイヤのサイズは、185／70R14 であり、トレッドパターンは無い。タイヤトレッド表面への粗さの施工は、タイヤ製作のモールド時に耐水研磨紙の粗さを転写する方法を用いた。タイヤ A1 の研磨紙の粒度は♯80、A2,3,は♯240、A4 は♯800 とした。A5,A6 は耐水研磨紙を使用しない通常のスムーズタイヤである。A7 はスムーズタイヤであるが、アスファルト路面上を 60km 走行したタイヤであり、トレッド表面はマイルド摩耗による構造変化を伴っている 7)。
表１の Rz は、半径 2μm の触針(測定力:0.07gf)をもつ万能表面形状測定器(SE-3C 小坂)を用いて測定した。ここで、各タイヤトレッドの表面粗さの測定値は、検出器のスキッドを使用する方法で、タイヤトレッドの周方向に、12 個所測定し、その平均値を示したものである。これより、Rz が約 6μm から約170μm までの表面粗さをもつタイヤとなっている。
表１ 試験に使用したタイヤ
スムーズタイヤ（ゴム硬度：54 (JIS A)）
種類
A1A2A3A4
粗さ
157.5 μ 67.0
64.844.4(Rｚ)mμmμmμm※二瓶光弥：(独)産業技術総合研究所･つくば東事業所(〒305‑8564 茨城県つくば市並木 1‐2‐1)
http://www.aist.go.jp, Tel.: 029‑861‑7152, Fax: 029‑861‑7833, E‑mail: nihei.m@aist.go.jp

A56.0μm

A67.0μm

A713.0μm

μmax
μmax１μmax（制動モード）
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0

氷A：-3℃
氷A：-1℃
氷A： 0℃
氷B：-3℃
氷B：-1℃
氷B： 0℃

110100
トレッド表面粗さ（μm）

1000μmax2μmax

μmax（制動解除モード）
0.35
0.3
0.25
0.20.15
0.10.050

氷A：-3℃
氷A：-1℃
氷A： 0℃
氷B：-3℃
氷B：-1℃
氷B： 0℃

110100
トレッド表面粗さ（μm）

1000μlock
0.2
0.15
μlock

2.2 試験方法
図 1 に示した室内タイヤ試験機は、直径 3m のドラムの内面(幅 60cm)に氷を作製し、その上をタイヤが走行する形式となっている。ドラム側は、速度制御が可能であり、タイヤ側は、速度およびトルク制御が可能となっている。また、タイヤに発生する力は、ハブダイナモメーター(6 分力計)で測定できる。試験機の主要部分は、冷凍庫内に設置され、庫内温度は、常温から−30℃まで任意に設定可能となっている。
μ―S 特性試験は、ドラム速度を 20km/h 一定でタイヤ速度を 20km/h から 0km/h(制動モード)、ついで、摩擦熱による水膜の影響を見るため、0km/h から 20km/h(制動解除モード)と変化させてその時の制動力係数μ(制動力/接地荷重）を測定した。なお、スリップ比Ｓは、Ｓ＝(ドラム速度−タイヤ速度)／(ドラム速度)で表される。μ−S 特性の概念図を図２に示す。
使用した氷は、氷 A(導電率 100μS/cm、Rz：4.2μm)、氷B(導電率 1000μS/cm、Rz：11.2μm)の二種を用いた。氷 B
は、氷 A よりも気泡や不純物を多く取り込んだ氷で、肉眼では真っ白の状態で表面粗さの大きい氷となっている。この二種の氷は、融解水の導電率で見ると比較的実路面の氷に近いものとなっている 9)。

氷A：-3℃
氷A：-1℃
氷A： 0℃
氷B：-3℃
氷B：-1℃
氷B： 0℃

0.1

制動力(摩擦係数：μ）

0.05

制動解除ﾓｰﾄﾞμmax２
制動解除時μpeak0（タイプⅡ）

1

制動ﾓｰﾄﾞμmax１
制動時μpeak

10100
トレッド表面粗さ（μm）

1000

図３ スムーズタイヤのμ−S 特性の結果とトレッド表面粗さとの関係
制動解除ﾓｰﾄﾞμmax２
制動解除時μpeakμlock（タイプⅠ）
ＡＢＳ制御範囲０

スリップ比(Ｓ)１（Ｓ＝（車速−タイヤ回転速度）/車速）

図２ μ−S 特性の概念図

2.3 試験結果
今回の試験では、制動モードと制動解除モードで特性が異なる結果となった。そこで、図２に示したμ―Ｓ特性の概念図において、制動モードのμの最大値をμmax１(制動モード)、タイヤロック時のμをμlock、μmax1 を発生するスリップ比付近における制動解除モードのμの値(或いは最大値)をμmax２(制動解除モード)と呼び、これらの値とトレッド表面粗さとの関係を求めた。
図３にスムーズタイヤのμmax1、μmax2、μlock とトレッド表面粗さとの関係を示す。これらより、次のことが明らかになった。
(1)摩擦係数が最大となるトレッド表面粗さが存在する(約 10μm〜50μm)。これは、真実接触面積や排水性の影響が現れているものと考えられる。
(２)氷Ａよりも氷Ｂの方が、不純物による初期水膜が多くなっているため、氷の種類によってμmax に大きな差がある。また、摩擦熱による水膜の影響でピーク値が粗さの大きい方にシフトしている(特にμmax2 やμlock)ものと考えられる。
以上の結果より、タイヤと氷の摩擦において、最大制動力(摩擦係数）を生じるトレッド表面粗さが存在することを明らかにした。また、氷の性状によって、最大制動力を発生するトレッド表面粗さが異なることなども示した。これらの現象は、氷中の不純物や摩擦熱による水膜の影響が現れているものと考えるが、その詳細なメカニズムの解析は今後の課題となっている。
３． 市販スタッドレスタイヤのトレッド表面性状と氷上性能（予備試験）
実路で使用される市販タイヤの場合、トレッド表面は、道路上の砂や泥等を取り込み、あるいは路面より摩耗され種々の状態となる。そこで、ここでは、市販タイヤのトレッド表面粗さの影響を調査する前に、どのような前処理(初期状態の統一)が必要かについて明らかにする。
まず、表 2 および図４に示すような表面状態の異なる市販タイヤ４本(同一銘柄、同一製造年)を用意し、このタイヤのμ−Ｓ特性を調査した。表 2 において、タイヤＡは、旭川市内で1000ｋｍ以上実路(アスファルト等)の上を走行したタイヤで、トレッド溝には砂等が取り込まれている状態となっている（この砂表２ 予備試験に使用した市販スタッドレスタイヤ(175/70R13)
ゴム硬度記号

特徴A

1000ｋｍ以上走行。旭川の滑り止め剤 7号砂が入った状態。

48-52

B1000ｋｍ以上走行。砂を取り除いた状態。

48-52

C1000ｋｍ以上走行。砂を取り除き、トレッド表面を研磨。

49-52

D

新品

48-50

砂BA

髭状突起CD

図４ 予備試験に使用したタイヤの外観

は、道路上に防滑剤として散布されている砂(7 号砕石)。試験終了後、砂を取り除いたところ数百個以上取り込まれていた）。
タイヤ B は、タイヤＡの状態から砂のみを取り除いたタイヤであり、タイヤＣは、タイヤＢの状態から、後述する研磨装置と同様の方法でトレッド表面を研磨した状態のものである。タイヤＤ
は、新品状態のもので、タイヤモールド時の空気抜きの髭状突起が付いたままの状態となっている。
この 4 本のタイヤの−1℃における氷上でのμ−Ｓ特性を測定した結果を図５に示す。これより、砂が入ったままのタイヤＡが最もμが高くなり、次いでタイヤＢ、研磨したタイヤＣ、新品タイヤＤの順となっている。タイヤＡは、砂による掘り起こし抵抗や凝着力の増加などでスリップ比全体に亘ってμが向上している。新品タイヤは、髭状の突起の存在や初期のゴム特性からμは大幅に低くなっている。
次に、この 4 本のタイヤの初期状態を同一として評価することを試みた。すなわち、タイヤトレッドに入り込んでいる砂や泥を取り除き、さらに、すべてのタイヤをアスファルト上で３００ｋｍ実車走行させ、トレッド表面をマイルド摩耗 7)させる。そして、最後に良く洗浄して細かい砂やほこりを取り除いた。その後、再度、μ−Ｓ特性を測定した。その結果を図６に示す。これより、統一された前処理でトレッド表面の初期状態を同一とした
場合、タイヤＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ共にあまり差が無くなった。ただし、スリップ比の全体的な範囲で、トレッド表面を研磨したタイヤＣが、わずかであるが、μは高くなっていることが判る。これは、研磨した効果が少なくとも３００km 以上の走行後でも発揮されていることを示している。いずれにしても、タイヤトレッドの表面状態は、目的のパラメータ以外の要因は常に一定の初期状態にして評価する必要があることが判る。
以後の、市販タイヤの実験では、砂や泥を取り除き、十分な洗浄を施して実験を実施した。
４． 市販スタッドレスタイヤの氷上性能へのトレッド表面粗さの影響
次に、トレッドパターンやコンパウンドの異なる種々の市販タイヤ(新品および中古品)を対象として、表３に示す A〜Ｌの 12種、計 38 本を用意した。そして、まずその表面粗さなどの表面性状を把握し、その状態での氷上でのμ―Ｓ特性をスムー
ズタイヤの場合と同様に室内タイヤ試験機で調査した。ついで、図７に示したタイヤトレッド表面研磨装置 10)でトレッド表面に種々の粗さ、広範な表面粗さを施工することとした。この研0.3
μmax

0.3
μmax
μμμlock

0.2

0.2

：A
：C：B

：A
：C
：B
：D

0.1

：D

0.1

00μlock

0.51.0スリップ比 S図５ 表２図４に示したタイヤのμ−Ｓ特性（Fz：350kgf、Pt：２kgf/cm2、−1℃）

0.51.0スリップ比 S
図６ 同一初期条件でのμ−S 特性
表２のタイヤからさらに 300km 以上アスファルト上を走行後、砂や泥を取り除き、洗浄後、乾燥。試験条
件は、図５と同様。

表３ 試験に使用した市販スタッドレスタイヤタ
イヤの概要
No.

サイズ

ゴム硬度(平均値)

A１〜４155/80 R13

B１〜４165/65 R13

溝深さ(平均値)

51.5

新品
中古
中古

50.5

中古

7.6
5.3

7.3

C１〜４175/70 R1350.7

中古

D１〜４185/65 R14

48.2

中古

5.7

E１〜４

185/65 R14

45.4

中古

6.0

F１〜４185/70 R14

45.4

中古

5.7

50.2

中古

7.6
8.8

G１〜４

175/70 R13

H1〜2

175/70 R13

44.1

新品

Ｉ1〜2

175/70 R13

48.5

新品

8.7

Ｊ1〜2

175/70 R13

45.6

新品

8.7

K1〜2175/70 R13

44.3

新品

8.2

59.8

新品

7.9

L1〜2

175/70 R13

制御盤
タイヤ

研磨ベルト部(a)外観
タイヤ
ヘッドプーリー起点用光電スイッチ

テンションプーリー
研磨ベルト

スポンジローラー(ｂ)研磨ベルト部の拡大図
図７ タイヤトレッド表面研磨装置 10)磨装置は種々の粗さを有する複数の研磨ベルトが用意されており、目的に応じて研磨ベルトの種類を選択できるようになっている。そして再度、その表面粗さなどの表面性状を把握し、室内タイヤ試験機上でμ―Ｓ特性を測定した。これらの結果より、前述のトレッド表面粗さがある値のときにタイヤの氷上性能が最大になるという現象について、市販のタイヤの場合にも生じるのか、あるいは適用できるのかどうかについて考察した。
4.1 研磨方法
図７のタイヤトレッド表面研磨装置は、供試タイヤを低速で回転させる部分と、研磨ベルトを高速で回転させる部分から構成されている。タイヤはタイヤ駆動モータを上下の昇降ガイドと一体化することで研磨時の押付け圧力や位置および速度を任意に設定できるようにしている。一方の研磨ベルト部は、二対の駆動用プーリーの外周に帯状の研磨ベルトを配置し、研磨ベルトにはエアシリンダーで作動するスポンジ状ローラーとテンションプーリーで張力を与える構成となっている。この研磨ベルトの下部に設けられたスポンジ状ローラーはその形状が工夫されており、研磨ベルトをタイヤトレッドに密着させ、トレッドの幅方向に湾曲したタイヤトレッドの表面を均一にむらなく研磨することを可能とした装置である。今回の研磨条件としては、ヘッドプーリー回転数を 10Hz、スポンジローラー作動圧力を 1.5kg/cm2、テンションプーリー作動圧力を 2 kg/cm2、タイヤ回転速度を 15/60m/s、研磨時タイヤ位置を起点用光電ス
イッチから 96mm 下方の位置とし、それぞれ一定で実施した。
研磨ベルトの種類は、粗さが♯60、♯80、♯100、♯120 の 4種類を用意した。
4.2 試験手順
まず、表３に示したすべてのタイヤについて、初期状態(中古品は、水で洗浄後乾燥した状態(以後、「中古研磨前」と呼ぶ)、新品は購入時のままの状態(以後、「新品」と呼ぶ))でのμ−Ｓ特性を前述と同様の方法で測定した。使用した氷は、前述の氷Ａに近い、導電率で約 70〜100μＳ/ｃｍの氷で実路の雪氷に最も多い、かつ、市販タイヤに対して最も滑りやすい氷結路面である 8)。氷温は、−5℃と−1℃の 2 種類とした。
ついで、中古タイヤのＡ〜Ｇについては、各 4 本づつ用意しているので、その各 4 本のタイヤに、前述の研磨装置を用いて、♯60、♯80、♯100、♯120 の研磨ベルトで研磨し、4 種類の粗さを施工した（以後、「中古研磨後」と呼ぶ）。その後、研磨前と同様の条件でμ−Ｓ特性を測定した。
タイヤＨ〜Ｌの新品タイヤについては、まず、後述の中古研磨後での最も摩擦係数μが増加した♯100 の研磨ベルトを用いて、各 2 本のタイヤの中の一本、合計５本を研磨した(以後、「新品研磨後」と呼ぶ)。残りの各一本、合計５本は、実車に装着してアスファルト上を３００ｋｍ走行させた状態とした(以後、「新品走行後」と呼ぶ)。そして、前述と同様な条件でμ−Ｓ特性を測定した。
各μ−Ｓ特性の試験前には、Ｒｚの測定やマイクロスコープによる表面状態の観察などを実施した。図８に研磨前とタイヤトレッド研磨装置による研磨後のＲｚのタイヤトレッドの横(幅)方向と周方向の差について示す。これより、研磨前は、横(幅)方向と周方向のＲｚには若干ばらつきが見られるが、研磨後はばらつきが少なくなり、周方向も横(幅)方向も同様な粗さに施工されていることが判る。また、「新品」と「新品走行後」のＲｚは大きな変化がない状態となった。

804.3 試験結果
試験結果を図９に示す。これは、３８種類のタイヤの試験結果で、コンパウンドの違い、トレッドパターンの違い、研磨方法の違いによる差をすべて包含したデータである。これらより、次のことが明らかになった。
(1)μmax の-5℃の場合は、ばらつきが大きいが、約 20〜30μm の粗さで摩擦係数が最大になるという傾向が現われている。これは前述での結果(図３上、氷 A のデータ)よりも 5〜10μm 右へシフトしているが、傾向はほぼ一致する。
(2) μmax の-1℃の場合とμlock の場合は、「新品走行後」のデータを除くと全体に右肩上がりの傾向となっているのが判る。
特にμlock はその傾向が強いが、約 50μm 以上での摩擦係数(μ)は低下する傾向にある。これも前述の傾向(図３の下)にRz（横方向）[μm]

60

000.3
μmax1

μmax1

80

−１℃

0.2

0020

40Rz（周方向）[μm]600800.4

0.40.3μmax20.30.2
中古研磨前
中古研磨後
新品
新品研磨後
新品走行後

0.1

2040Rz（周方向）[μm]

60

中古研磨前
中古研磨後
新品
新品研磨後
新品走行後

−5℃

μmax2

600.1080−１℃

0.20.10002040Rz（周方向）[μm]

60

080

0.40.4
中古研磨前
中古研磨後
新品
新品研磨後
新品走行後

0.30.2

2040Rz（周方向）[μm]

60

中古研磨前
中古研磨後
新品
新品研磨後
新品走行後

0.3
μlock

−5℃μlock

40Rz（周方向）[μm]

中古研磨前
中古研磨後
新品
新品研磨後
新品走行後

−5℃
0.30.120

図８ 研磨前と研磨後の十点平均粗さ Rz のタイヤトレッドの横(幅)方向と周方向の違い
0.4

中古研磨前
中古研磨後
新品
新品研磨後
新品走行後

中古研磨前
中古研磨後
新品
新品研磨後
新品走行後

200.40.24080−１℃

0.20.10.10002040Rz（周方向）[μm](ａ)−5℃

608002040Rz（周方向）[μm](ｂ)−1℃

図９ 市販スタッドレスタイヤのμ−Ｓ特性とトレッド表面粗さ(Rz)との関係

6080

1mm
0.40.40.3

研磨前 Rz=9.50μm

0.2−5℃

研磨後 Rz=27.74μm

μμ

研磨後 Rz=27.74μm

0.1

研磨前

研磨前 Rz=9.50μm

0.2

−1℃

0.10研磨後(♯100)

0.3

000.5
S

100.5
S

1(a)タイヤＡ41mm
0.40.4
研磨後 Rz=59.75μm
研磨前 Rz=32.26μm

0.3

研磨後 Rz=59.75μm
研磨前 Rz=32.26μm

0.3−１℃μμ−5℃
0.20.10.1研磨前00研磨後(♯60)

0.200.5S

100.5S1(b)タイヤＥ1
図１０ タイヤ A4、E1 の研磨前後のトレッド表面画像とμ−S 特性(−5℃、−1℃)ほぼ一致する。
(3)「新品」と「新品研磨後」を比較すると、「新品」では、Ｒｚが10〜15μｍであったものが、「新品研磨後」には、最適な約 20〜30μm となり、μも向上していることが判る。
(4)「新品走行後」のデータは、特にμmax１やμlock においては、Rz が 10μm から 20μm と小さいにも関わらずμが比較的大きくなっていることが判る。これは、走行後に表面粗さ以外の要因が変化してμが向上しているものと考えられるが、その詳細については今後の課題である。
いずれにしても、これらの現象は、スムーズタイヤの結果と同様に、タイヤトレッドと氷間(接地面)に発生する水膜の影響や真実接触面積の影響が大きいと考えられる。
図１０は、タイヤトレッドの研磨前後の摩擦特性の例を示したものである。タイヤ A4 の場合、研磨前は 9.5μm の粗さであったものが、研磨後には約 28μm となり、研磨後の方がμmax、μlock 共に向上している。これに対して、タイヤ E1 は、研磨前には約 32μm であったものが研磨後は約 60μm となり、研磨後の方がμmax、μlock は共に減少している。これらは、ある表面粗さで摩擦係数が最大になることを示唆している。
５． まとめ以上の結果より、タイヤの氷上性能がある表面粗さで最大になるという現象は、市販スタッドレスタイヤの場合にも生じ、適用できるということが判った。すなわち、トレッドパターンやゴムコンパウンドなどが種々に異なる市販のタイヤを用いた実験でもある表面粗さで摩擦係数が最大になる傾向が見出された。
したがって、今後のスタッドレスタイヤの開発では、あらためて、このトレッド表面粗さの重要性を考慮すべきものと考えられる。

また、タイヤの氷上性能を向上させる目的でタイヤ研磨装置でタイヤのトレッド表面を研磨する場合には、研磨後の表面粗さが Rz で約 20〜50μm の範囲に収まるような研磨ベルトの種類（粒度、研磨材など）や研磨方法を適正に選択する必要があるといえる。
最後に、供試タイヤの前処理等の大変な作業をはじめ、長期間を必要とした本実験に参加された芝浦工大の研修生諸君に感謝の意を表する。
[参考文献](1) A D Roberts, J D Lane：Friction of rubber on ice in thepresence of salt, J.Phys.D:Appl.Phys.,16(1983)(2) 二瓶他：タイヤの氷上性能への摩擦熱の影響，自動車技術会論文集、Vol.28、No.1 (1997)(3) 内山：摩擦と表面、日本ゴム協会誌、第65 巻、5 号 (1992)(4) 二瓶他：タイヤトレッドの表面粗さが氷上性能に与える影響、トライボロジー会議予稿集、名古屋1998-11、p411-413(5) 二瓶他：タイヤトレッドの表面粗さが氷上性能に与える影響(第２報)−ある表面粗さで最大摩擦力を発生するメカニズムについて−、トライボロジー会議予稿集、高松199９-11、p121-122(6) 清水他：雪氷路用タイヤの室内試験法に関する研究、機械技術研究所報告 第157 号 (1992)(7) 例えば、宇田川他：摩耗時のゴム表面構造変化、日本ゴム協会
年次大会講演要旨集 (1998)(8) 二瓶他：氷中の電解質不純物濃度とタイヤの氷上性能、自動車
技術会論文集、Vol.25、No.2 (1994)(9) 二瓶他：タイヤの氷上性能における氷の性状の影響−氷中のイオン濃度と摩擦の成分について−、寒地技術シンポジウム’95
論文報告集(10) ㈲エー・アイ・エスホームページ：タイヤ研磨装置「けんま君」
http://ais1.jp/