スリップ率とバイクの物理現象、駆動力と制動力の最適値

スリップ率とバイクの物理現象

タイヤを完全にロックさせる方が制動距離は伸びます

バイクのスリップ率とは何か

スリップ率とは、バイクの車体速度と車輪の回転速度の差を示す物理的な指標です。具体的には「(車体速度－車輪速度)÷車体速度×100％」という計算式で表されます。

たとえば、車体が100km/hで進んでいるのにタイヤが80km/hで走る速度で回転している場合、スリップ率は20％になります。この状態は、タイヤが路面から完全に滑り落ちているわけではなく、タイヤの粘弾性による変形が起きていることを意味します。

スリップ率0％は車輪速度と車体速度が等しい状態、つまりタイヤが路面を転がっている通常走行です。一方、スリップ率100％は車輪速度がゼロ、すなわちタイヤが完全にロックした状態を示します。つまりスリップ率が転倒リスクを左右するということですね。

参考）ＡＢＳ入門 その２　制御の狙い目｜ブレーキ雑学講座｜サポート…

スリップ率と摩擦係数の関係性

タイヤのグリップ力を示す摩擦係数は、スリップ率によって大きく変化する物理現象です。驚くべきことに、スリップ率20％付近で摩擦係数が最大値を示し、それを超えると逆に低下します。

参考）http://www.carphys.net/tire/tireslip.html

スリップ率0％より20％のほうがグリップするという事実は、多くのライダーにとって意外でしょう。

これが基本です。

参考）タイヤのスリップ率と摩擦係数の関係で、スリップ率20%くらい…

制動時や加速時には、タイヤのトレッドゴムが路面から前後方向に引っ張られ、その変位とゴムの剛性によって制動力や駆動力が発生します。スリップ率が適度な範囲にあると、タイヤの変形が効率的にグリップ力を生み出しますが、過度になると路面との間に水膜やゴムの溶解物が生じてグリップが失われます。

乾いたコンクリート路面では、スリップ率が約20％の時に制動距離が最も短くなります。逆にタイヤが完全にロックすると、最適状態の約65％の減速力しか得られず、しかも操舵不能に陥るリスクが生じます。制動力とコーナリングフォースのバランスを保つには、スリップ率の管理が不可欠です。

参考）301 Moved Permanently

バイクの駆動力と制動力のメカニズム

バイクの駆動力や制動力は、タイヤの回転速度が路面に対する進行速度と若干ずれることで発生します。この「ずれ」こそがスリップ率であり、適度な値を保つことで最大のトラクション(駆動力)を引き出せるのです。

参考）chapter9_2.htm

加速時にスロットルを開けすぎるとタイヤが空転し、スリップ率がマイナス方向に大きくなります。このとき路面を蹴る力が効率的に伝わらず、バイクは前に進みません。同様にブレーキを強く踏みすぎると、スリップ率が100％に近づき制動距離が伸びます。

参考）タイヤのスリップ率とグリップの関係　初級ドラテク講座7｜踏み…

バイクを走らせる駆動力は、エンジンの出力を動力として駆動タイヤと路面の摩擦力で生まれます。しかしタイヤの変形や空気抵抗、転がり抵抗といった走行抵抗も同時に働くため、これらのバランスが走行性能を決定します。

結論はスリップ率の最適化です。

タイヤが発生できる力には限界があり、縦グリップ(スロットルやブレーキ)と横グリップ(コーナリング)の合計が100を超えると転倒します。たとえばフルバンク状態(55度)では横グリップが100％使われているため、スロットルやブレーキ操作はできません。バンク角40度なら横グリップが70％なので、残り30％を制動や駆動に使える計算です。

ライダースクラブの二輪動力学解説記事では、トラクションの物理的な解説が詳しく書かれています。

バイクABS制御とスリップ率の最適範囲

ABS(アンチロック・ブレーキ・システム)は、タイヤと路面のスリップ率を最適範囲内に保つための自動制御システムです。具体的には、毎秒数十回もブレーキ液圧を上げ下げし、スリップ率を10～20％の範囲に維持します。

参考）https://www.jstage.jst.go.jp/article/jacc/66/0/66_1310/_pdf/-char/ja

この範囲内であれば、最大の制動力と操舵性・方向安定性を同時に確保できます。スリップ率が100％に達するとコーナリングフォースがゼロになり、ブレーキは効いても操舵性が全くない危険な状態になります。

これは使えそうです。

従来のABS制御手法では、最大制動力点の上下に閾値を設定し、スリップ率がその閾値を超えたときにブレーキ入力を変化させる方式が多く採用されてきました。最新の二輪ABSでは、路面状況やバンク角に応じて制御を最適化する高度なシステムも登場しています。

参考）最新 二輪ABS のマジメなあれこれ。

アドヴィックスのABS入門記事には、スリップ率と制動力の関係が図解付きで詳しく説明されています。
ただし雨天や雪道では、ABSに頼ることなく最初から速度を落として走るのが基本です。路面の摩擦係数が低下すると、最適スリップ率でも十分な制動力が得られず、制動距離が延びるためです。

バイクのスリップダウンを防ぐ実践知識

スリップダウン(走行中にタイヤが滑って転倒すること)の主な原因は、路面状況とライダーの操作ミスの組み合わせです。タイヤが道路と接地するトレッド面積は、はがき1枚分より小さい面積しかありません。

濡れた路面では特に注意が必要です。スリックタイヤと濡れた路面の組み合わせは最悪で、タイヤと路面の間に水の膜ができると超滑りやすくなります。アスファルト舗装の摩擦係数は、乾燥時が0.6～1.0なのに対し、濡れた状態では0.3～0.8まで低下します。

痛いですね。

参考）あなたが自転車でスリップ＆転倒するのはこんな時｜原因を知って…

急制動やギアチェンジの際にエンジン回転数とギア比が合わず速度が急に落ちる場合も、スリップが発生しやすい状況です。またタイヤの摩耗や空気圧不足といったメンテナンス不良も、グリップ力低下の大きな原因になります。

タイヤの空気圧管理では、メーカー指定からマイナス10％の範囲が個人的におすすめです。たとえばリア290kPa指定なら260～290kPa、フロント250kPa指定なら220～250kPaの範囲を目安にするとよいでしょう。

ミシュランの空気圧ガイドでは、サーキット走行時の推奨空気圧など具体的な数値が紹介されています。
すり抜け走行中の事故では、バイク側にも過失割合が認められる可能性があります。速度違反15km/h以上で過失割合が10％加算、30km/h以上なら20％加算されるなど、法的リスクも高まります。スリップを引き起こすきっかけを作らなければ転倒は予防できます。「スリップしやすい路面状況」と「スリップを引き起こす操作」が重なった時に転倒が起きるということを覚えておきましょう。

参考）バイクがすり抜けをしたときに交通事故が発生…バイク側の過失割…

バイク名車伝 1 究極のＺ