転ころがり抵抗ていこう

転ころがり抵抗ていこう（ころがりていこう、英えい: Rolling resistance）は、ボールやタイヤなどの球たまや円盤えんばん、円筒えんとう状じょうの物ものが転ころがるときに、進行しんこう方向ほうこうと逆ぎゃく向むきに生しょうじる抵抗ていこう力りょく。転ころがり抗力こうりょく（Rolling drag）ともいう。

概要がいよう

ある物体ぶったいが地面じめんや壁面へきめんなどに支ささえられて転ころがる際さい、転ころがる物体ぶったいとそれを支ささえている物体ぶったいは変形へんけいと復元ふくげんを連続れんぞく的てきに繰くり返かえす。この際さい、それぞれの物体ぶったいの変形へんけいに伴ともなう減衰げんすいや互たがいの変形へんけい量りょうの違ちがいは物体ぶったい同士どうしの接触せっしょく面めんで摩擦まさつを生しょうじさせる。この摩擦まさつは運動うんどうエネルギーを散逸さんいつさせる。従したがって、転ころがり抵抗ていこうは転ころがる物体ぶったいとそれを支ささえている物体ぶったいの構造こうぞうや材質ざいしつ、表面ひょうめん粗あらさ、物体ぶったい間あいだの垂直すいちょく抗力こうりょくに大おおきく依存いぞんする。

例たとえば、鉄てつ球だまを鉄板てっぱんの上うえで転ころがす場合ばあいと木き板ばんの上うえで転ころがす場合ばあい、転ころがり抵抗ていこうは木き板ばんの方ほうが鉄板てっぱんより大おおきくなる。別べつの例れいとして、台車だいしゃの上うえに異ことなる重おもさのおもりをそれぞれ載のせて転ころがり抵抗ていこうを比較ひかくする場合ばあい、転ころがり抵抗ていこうが大おおきいのは台車だいしゃの車輪しゃりんの変形へんけいが大おおきくなる重おもいおもりのほうである。

転ころがり抵抗ていこう係数けいすう(RRC)

物体ぶったいの材質ざいしつや形状けいじょうなどの条件じょうけんが同おなじならば、転ころがり抵抗ていこうの大おおきさは垂直すいちょく抗力こうりょくの大おおきさに比例ひれいする。転ころがり抵抗ていこうを異ことなる条件じょうけんで比較ひかくする場合ばあいには比例ひれい係数けいすうを比較ひかくし、このときの比例ひれい係数けいすうを転ころがり抵抗ていこう係数けいすう(Rolling Resistance Coefficient, RRC)と呼よぶ。

荷重かじゅうを W、転ころがり抵抗ていこう係数けいすうを$C_{rr}$とすれば、転ころがり抵抗ていこう F は

$\ F=C_{rr}W$

である。例たとえば、1t(1000kg)の自動車じどうしゃが砂地すなじを走はしり続つづけるためには約やく3000ニュートン (1000 kg × 9.8 m/s² × 0.3 = 2940 N、300kg重じゅう)の力ちからを必要ひつようとする。

転ころがり摩擦まさつ係数けいすうは、静止せいし摩擦まさつ係数けいすうや動どう摩擦まさつ係数けいすう（すべり摩擦まさつ係数けいすう）よりも、はるかに小ちいさい。例たとえば、鉄板てっぱん上じょうにおける鉄鋼てっこうの静止せいし摩擦まさつ係数けいすうが0.3 - 0.5、すべり摩擦まさつ係数けいすうが0.2程度ていどであるのに対たいし、鋼はがね球だまの転ころがり摩擦まさつ係数けいすうは0.00002 - 0.0001程度ていどにすぎない。主おもな車輪しゃりんと路面ろめんにおける転ころがり抵抗ていこう係数けいすうの値ねを以下いかに示しめす。

転ころがり抵抗ていこう係数けいすう

車輪しゃりん／路面ろめんの種類しゅるい	転ころがり抵抗ていこう係数けいすう$C_{rr}$（10-3）
鉄道てつどう車輪しゃりん／レール	0.2 - 1
自転車じてんしゃ用ようタイヤ（内圧ないあつ約やく8気圧きあつ、50km/h）	2.2 - 5
ソーラーカー・エコマラソン用よう特製とくせいタイヤ	2.5
BMXタイヤ	5.5
自動車じどうしゃ用ようタイヤ／SAE J1269で計測けいそく	6.2 - 15
自動車じどうしゃ用ようタイヤ／コンクリート舗装ほそう路ろ	10 - 15
自動車じどうしゃ用ようタイヤ／砂地すなじ	300

タイヤの転ころがり抵抗ていこう

2010年ねん1月がつから日本にっぽん自動車じどうしゃタイヤ協会きょうかい（JATMA）による等級とうきゅう制度せいどが導入どうにゅうされており、上述じょうじゅつのRRCの値ねに基もとづいて「AAA」から「C」までの等級とうきゅう表示ひょうじを行おこなっている。

自動車じどうしゃ全体ぜんたいのエネルギー・ロスの構造こうぞうは走行そうこう条件じょうけんで大おおきく変化へんかする。例たとえば、トラック・バス用ようタイヤの場合ばあい、モード走行そうこうではタイヤの転ころがり抵抗ていこうが燃費ねんぴに占しめる割合わりあいは2割わり程度ていどであるが、80km/hの定じょう地ち走行そうこうでは、これが4割わり程度ていどに達たっする。このため、高速こうそく走行そうこう主体しゅたいの場合ばあいには、空気くうき抵抗ていこうの低減ていげんとともに、転ころがり抵抗ていこう値ちの低減ていげんが燃費ねんぴの向上こうじょうに有意ゆういに寄与きよする 。

タイヤの転ころがり抵抗ていこうに影響えいきょうを与あたえる要因よういんには次つぎのようなものがある 。

変形へんけいによるエネルギー損失そんしつ

タイヤの転ころがり抵抗ていこうは、タイヤを構成こうせいしているゴムが繰くり返かえし変形へんけいする際さいに起おきるエネルギー損失そんしつ（ヒステリシス・ロス）が、転ころがり抵抗ていこうの9割わり程度ていどを占しめる 。 ゴムは、弾性だんせいと粘性ねんせいの両方りょうほうの性質せいしつを持もつ粘ねば弾性だんせい体たいであり、特とくに粘性ねんせいは変形へんけい時じの運動うんどうエネルギーを熱ねつエネルギーに換かえて散逸さんいつさせる性質せいしつが強つよい。タイヤは、部位ぶいによって、様々さまざまなゴムをはじめ、カーボンブラック等ひとしの充填じゅうてん材ざい、有機ゆうき繊維せんい等とうの補強ほきょう材料ざいりょうを組くみ合あわせて構成こうせいされており、走行そうこう中ちゅうのひずみも部位ぶいによって異ことなる。このため、各かく部位ぶいのひずみエネルギーとヒステリシス・ロスを解析かいせきして、安全あんぜん性せい、耐久たいきゅう性せい、低てい燃費ねんぴを追求ついきゅうする取とり組くみが行おこなわれてきた。例たとえば、1990年代ねんだい以降いこうには、ヒステリシス・ロスが全ぜん転ころがり抵抗ていこうの半分はんぶん以上いじょうを占しめているトレッド部ぶについて、カーボンブラックの一部いちぶを高こう比率ひりつでシリカと代替だいたいすることによりロスを低減ていげんし、他たの機能きのうを犠牲ぎせいにすることなく転ころがり抵抗ていこうを低減ていげんさせるようになった。

タイヤの変形へんけいの大おおきさは空気圧くうきあつにも大おおきく依存いぞんし、タイヤの空気圧くうきあつが低ひくいと転ころがり抵抗ていこうが大おおきくなり、燃費ねんぴを悪化あっかさせることになる。極端きょくたんに空気圧くうきあつが低ひくい場合ばあいは、変形へんけいによって発生はっせいした熱ねつエネルギーがサイドウォール部ぶの過度かどの温度おんど上昇じょうしょうをもたらし、タイヤの寿命じゅみょうをも短みじかくする。

タイヤで発生はっせいする熱ねつは転ころがり抵抗ていこうを低減ていげんさせる。これは、-10℃より上うえでは、ゴムのエネルギー損失そんしつ係数けいすうが温度おんどの上昇じょうしょうと負まけの相関そうかんを示しめすため、温度おんどが上昇じょうしょうするほどヒステリシス・ロスが低減ていげんするからである。タイヤの種類しゅるいによるが、温度おんどが10℃上昇じょうしょうすると転ころがり抵抗ていこうを5 - 10%低減ていげんさせるといわれている。

全ぜん転ころがり抵抗ていこうの半分はんぶん以上いじょうを占しめているトレッドの厚あつさは、転ころがり抵抗ていこうと大おおきな関係かんけいがあり、トレッドが厚あついほど転ころがり抵抗ていこうが高たかくなる。したがって、耐久たいきゅう性せいや安全あんぜん性せいを別べつにすれば、自動車じどうしゃはタイヤが擦こすり減へるのに応おうじて燃費ねんぴが向上こうじょうし、トレッドがすり切きれた時点じてんで最高さいこうの燃費ねんぴを得えることになる。また、経時きょうじ変化へんかによってゴムの損失そんしつ係数けいすうが小ちいさくなるが、このことは転ころがり抵抗ていこう軽減けいげんによる燃費ねんぴ向上こうじょうに寄与きよする一方いっぽう、トレッド面めんのしなやかさの低下ていかにより偏へん摩耗まもうが促進そくしんされる。

弾性だんせい体たい物質ぶっしつの転ころがり抵抗ていこうは速度そくどの影響えいきょうをあまり受うけないが、粘ねば弾性だんせい体たいであるゴムのエネルギー損失そんしつ係数けいすうは数すう100Hzへるつで最大さいだいになるような周波数しゅうはすう特性とくせいを持もつため、その転ころがり抵抗ていこうは速度そくどと共ともに斬き増ぞうし、臨界りんかい速度そくどを超こえると急速きゅうそくに増加ぞうかする。これは、スタンディング・ウェーブ現象げんしょうによるひずみエネルギーの急増きゅうぞうによるものであり、この臨界りんかい速度そくどは主しゅとしてタイヤ構造こうぞう（タイヤの速度そくど記号きごうに反映はんえい）や空気圧くうきあつの高低こうていによって決きまる。

摩擦まさつによるエネルギー損失そんしつ

全体ぜんたいに比くらべるとわずかではあるが、路面ろめんの表面ひょうめん状態じょうたいにも影響えいきょうを受うける。例たとえば同おなじアスファルト舗装ほそうであっても、表面ひょうめんが滑なめらかで摩擦まさつが小ちいさい状態じょうたいと敷設ふせつしたばかりで摩擦まさつが大おおきい場合ばあいとでは転ころがり抵抗ていこうに差異さいが生しょうじる。したがって、タイヤの転ころがり抵抗ていこう測定機そくていきは国際こくさい規格きかく(ISO28580)によって規定きていされ、タイヤに接せっするドラムについても定さだめている。

空気くうき抵抗ていこう

物体ぶったいが空気くうき中ちゅうで回転かいてんするとき、その表面ひょうめんには境界きょうかい層そう効果こうかにより物体ぶったい表面ひょうめんの速度そくどの二に乗じょうに比例ひれいする空気くうき抵抗ていこうを受うける。一般いっぱんに、空気くうき抵抗ていこうは転ころがり抵抗ていこうとは異ことなる現象げんしょうとして扱あつかわれるが、実じつ世界せかいの真空しんくう中ちゅうで空気くうき入いりタイヤを回転かいてんさせることは不可能ふかのうであることから、空気くうき抵抗ていこうは転ころがり抵抗ていこうの寄生きせい損失そんしつとして常つねに存在そんざいする。転ころがり抵抗ていこうの測定そくていを定さだめる国際こくさい規格きかくでは空気くうき抵抗ていこうを除外じょがいした測定そくていを規定きていしている。自転車じてんしゃ競技きょうぎは車輪しゃりんの回転かいてんで生しょうじる空気くうき抵抗ていこう、特とくにスポークが発生はっせいする乱らん流りゅうによる抵抗ていこうの影響えいきょうを強つよく受うけるので、回転かいてん質量しつりょうがあまり操舵そうだに影響えいきょうを与あたえない後のち輪わにはカバーをつけたりディスクホイールを使用しようして抵抗ていこうを減へらす工夫くふうがなされている。

関連かんれん項目こうもく

• 車輪しゃりん
• タイヤ