JP2017105450A - 非空気式タイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】空気膨張の必要があるという欠点を除いて空気式タイヤの全ての特徴を有する、改良された非空気式タイヤを提供する。
【解決手段】非空気式タイヤ１００が、地面に接触する環状のトレッド部２００と、剪断バンド３００と、剪断バンド３００に連結されている、連結されたスポークディスク４００と、を含む。連結されたスポークディスク４００は、接続ウェブによって結合されている２つ以上の周方向のスポークを有する。連結されたスポークディスク４００のばね定数は、剪断バンド３００のばね定数よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、乗物用タイヤおよび非空気式タイヤに関し、特に非空気式タイヤに関する。

空気式タイヤは、１世紀以上に亘って、乗物の可動性に関して選択されている解決策である。空気式タイヤは引張構造である。空気式タイヤは少なくとも４つの特徴を有しており、それらの特徴によって空気式タイヤは現在有力である。空気式タイヤは、タイヤの全構造が荷重の支持に関与するので、荷重の支持に関して効果的である。また、空気式タイヤは、接触圧力が小さく、その結果として乗物の荷重が分布することにより路上での摩耗が小さいため好ましい。空気式タイヤは剛性も小さく、乗り物内の乗り心地の良さを確保する。空気式タイヤの第一の欠点は、圧縮された流体を必要とすることである。従来の空気式タイヤは、膨張圧が完全に失われた後は使い物にならない状態になる。

膨張圧無しで作動するように設計されたタイヤは、空気式タイヤに関連する多くの問題と信頼性低下を解消している。圧力の維持も圧力の監視も不要である。今まで、中実タイヤやその他のエラストマ構造などの構造的に支持されたタイヤは、従来の空気式タイヤで必要とされたレベルの性能を呈していない。空気式タイヤに近い性能をもたらす構造的に支持されたタイヤという解決策は、望まれている進歩である。

非空気式タイヤは、一般的に、その荷重を支持するのに効果的であることで特徴付けられている。「ボトムローダー」は、ハブの下方の構造部分内で荷重の大部分を支持する基本的に高剛性の構造である。「トップローダー」は、構造の全てが荷重の支持に関与するように設計されたものである。従って、トップローダーは、ボトムローダーよりも荷重支持の効率が良く、より小さな質量を有する構成にすることができる。

従って、空気膨張の必要があるという欠点を除いて空気タイヤの全ての特徴を有する、改良された非空気式タイヤが望まれている。

本発明の構造的に支持された非空気式タイヤは、地面に接触する環状のトレッド部と、剪断バンドと、剪断バンドに連結されている、連結されたスポークディスクと、を含み、連結されたスポークディスクは、接続ウェブによって結合されている２つ以上の周方向のスポークを有し、連結されたスポークディスクのばね定数は、剪断バンドのばね定数よりも大きいことを特徴とする。

本発明の非空気式タイヤの第１の実施形態の斜視図である。 本発明のスポークディスクの正面図である。 図１に示す連結されたスポークディスクの、方向３−３に見た断面図である。 図２のスポークディスクのみの断面斜視図である。 図１の非空気式タイヤの断面図である。 図１の非空気式タイヤの、荷重がかかった状態を示す断面図である。 本発明のスポークの他の実施形態を示す図である。 本発明のスポークの他の実施形態を示す図である。 剪断バンドまたはスポークディスクのばね定数試験を示す図である。 力と変位の曲線の勾配から決められるばね定数ｋを示す図である。 タイヤのばね定数試験を示す図である。 力と変位の曲線の勾配から決められるばね定数ｋを示す図である。 平面的な引張試験用の試験片の外形を示す図である。 引張試験を示す図である。 剪断剛性を算出するための方法を示す図である。

本発明は、以下の説明と添付の図面を参照することによって、より良く理解されるであろう。
［定義］
以下の用語は、本明細書では以下の通りに定義される。
「赤道面」は、タイヤの回転軸に垂直で、タイヤの中心線を通る平面を意味する。
「子午面」は、タイヤの回転軸に平行で、その軸から半径方向外側に延びる平面を意味する。
「ヒステリシス」は、２５℃で動的剪断歪み１０％の時に測定された動的損失正接を意味する。

本発明の非空気式タイヤ１００が図１に示されている。本発明のタイヤは、半径方向外側の、地面に係合するトレッド２００と、剪断バンド３００と、スポークディスク４００とを含む。本発明の非空気式タイヤはトップローダー構造に設計され、それによって、剪断バンド３００と、連結されたスポークディスク（connected spoke disks）４００とが、効果的に荷重を支持する。剪断バンド３００と、連結されたスポークディスク４００は、剪断バンドの剛性がタイヤのばね定数に直接関連するように設計されている。スポークディスクは、タイヤフットプリント内で座屈または変形し、圧縮せず圧縮荷重を支持しない剛性構造となるように設計されている。これによって、フットプリント領域内にない残りのスポークが荷重を支持する能力を持つようにすることができる。フットプリントの外側にはフットプリントの内部よりも多くのスポークがあるので、スポーク毎の荷重は小さく、より小さいスポークでタイヤの荷重を支持することが可能になり、その結果、非常に効率の良い荷重支持構造が得られる。全てのスポークが弾性的に座屈できるのではなく、全てのスポークが圧縮荷重の一部をフットプリント内で保持できるのではない。前述した理由のためにこの荷重を最小にすることが望まれており、剪断バンドが道路の障害物を乗り越えるために曲がることが可能であることが望まれている。おおよその荷重の分布は、荷重の約９０〜１００％が剪断バンドと上部のスポークによって支持されるような分布であり、従って下部のスポークは実質的には荷重を支持せず、好ましくは荷重の１０％未満を支持する。

トレッド部２００は溝を有していなくてもよいが、長手方向に揃えられた複数のトレッド溝を有していてトレッド溝同士の間に実質的に長手方向のトレッドリブを形成していてもよい。リブは、横方向または長手方向にさらに分割されて、特定の乗物の用途に使用するための要件に適応したトレッドパターンを形成していてもよい。トレッド溝は、タイヤの意図された用途に合った任意の深さを有していてよい。タイヤトレッド２００は、様々な条件の下でのタイヤの性能を向上させるために、必要に応じて、リブ、ブロック、ラグ、溝、およびサイプ等の構成要素を含んでいてよい。

［剪断バンド］
剪断バンドは好ましくは環状であり、図５に示されている。剪断バンド３００はタイヤトレッド２００の半径方向内側に位置している。剪断バンド３００は、第１および第２の強化エラストマ層３１０，３２０を含んでいる。剪断バンド３００の第１の実施形態では、剪断バンド３００は、互いに平行に配置されてエラストマの剪断母材（マトリックス）３３０によって分離されている伸張不能な２つの補強層３１０，３２０を含む。伸張不能な層３１０，３２０の各々は、エラストマの被覆層に埋め込まれた互いに平行で伸張不能な複数の補強コード３１１，３２１から形成されていてもよい。補強コード３１１，３２１は、スチール、アラミド、ナイロン、ポリエステル、またはその他の伸張不能な構造であってよい。剪断バンド３００は、第１および第２のエラストマの補強層３１０，３２０の間に位置する第３のエラストマの補強層３４０を任意に含んでいてもよい。

第１のエラストマの補強層３１０内では、補強コード３１１がタイヤの赤道面に対して０度プラスマイナス約１０度の範囲内の角度Φに向けられている。第２のエラストマの補強層３２０内では、補強コード３２１がタイヤの赤道面に対して０度プラスマイナス約１０度の範囲内の角度φに向けられている。第１の層の角度Φは、第２の層の補強コードの角度φとは反対向きであることが好ましい。すなわち、第１のエラストマの補強層における角度＋Φに対し、第２のエラストマの補強層における角度は−φである。

剪断母材３３０は、約０．１０インチ（約２．５４ｍｍ）から約０．２インチ（約５．０８ｍｍ）までの範囲内、より好ましくは約０．１５インチ（約３．８１ｍｍ）の半径方向厚さを有している。剪断母材は、好ましくは２．５ＭＰａから４０ＭＰａまでの範囲内の剪断モジュラスＧｍを有するエラストマ材料からなり、より好ましくは２０ＭＰａから４０ＭＰａまでの範囲内の剪断モジュラスＧｍを有するエラストマ材料からなる。

剪断バンドは、剪断剛性ＧＡを有している。剪断剛性ＧＡは、剪断バンドから取られた代表的な試験片の撓みを測定することによって求められてもよい。試験片の上面は、図１２に示す横方向の力Ｆを受ける。剪断剛性ＧＡは、以下の式から算出される。
ＧＡ＝Ｆ^＊Ｌ／ΔＸ

剪断バンドは曲げ剛性ＥＩを有している。曲げ剛性ＥＩは、剪断バンドを代表する試験片に対して行う３点曲げ試験を用いる梁構造（beam mechanics）から求められてもよい。この３点曲げ試験は、２つのローラ支持体上に置かれて中央部において集中的な荷重を受ける梁の状態を示す。曲げ剛性ＥＩは、式ＥＩ＝ＰＬ^３／４８^＊ΔＸで求められる。Ｐは荷重であり、Ｌは梁の長さであり、ΔＸは撓みである。

剪断バンドの曲げ剛性ＥＩを最大にして剪断バンドの剛性ＧＡを最小にすることが望ましい。許容可能なＧＡ／ＥＩの比は０．０１から２０の間であり、好ましい範囲は０．０１から５の間である。ＥＡは、剪断バンドの伸び剛性であり、張力を加えて長さの変化を測定することにより実験的に求められる。剪断バンド３００のＥＡのＥＩに対する比は、０．０２から１００までの範囲内であれば許容でき、好ましい範囲は１から５０までである。

剪断バンド３００はばね定数ｋを有しており、このばね定数ｋは、図９Ａに示すように、剪断バンドの頂部の水平面に下向きの力を加えて撓み量を測定することによって実験的に求めてよい。ばね定数ｋは、図９Ｂに示すように、力対撓みの曲線の勾配から求められる。

本発明は、本明細書で開示される剪断バンド構造に限定されるものではなく、０．０１から２０までの範囲内の比ＧＡ／ＥＩ、または０．０２から１００までの範囲内の比ＥＡ／ＥＩ、または２０から２０００までの範囲内のばね定数、およびそれらの任意の組合せを有する任意の構造を含んでいてよい。より好ましくは、剪断バンド３００は、０．０１から５の比ＧＡ／ＥＩ、または１から５０の比ＥＡ／ＥＩ、または１７０ｌｂ／ｉｎのばね定数、およびそれらの任意の部分組合せ（subcombination）を有する。タイヤトレッドは、剪断バンドのまわりに巻かれていることが好ましく、剪断バンドと一体成形されていることが好ましい。

［連結されたスポークディスク］
本発明の非空気式タイヤは、図１，９Ａ，１０Ａに示すように、連結された１つのスポークディスク４００をさらに含む。連結されたスポークディスク４００は、剪断層から伝達される荷重を支持する働きをする。連結されたスポークディスクには、主として引張および剪断の荷重が加わり、圧縮荷重は支持しない。図４に示すように、連結されたスポークディスク４００は環状であり、かつ、半径方向外側縁部４０６と、ハブを形成する金属製または剛体の補強リング４０５を受け入れる半径方向内側縁部４０３とを有している。連結されたスポークディスク４００は、好ましくは非空気式タイヤと同じ幅を有する軸方向厚さＡＷを有している。各スポークディスク４００は、２つ以上の周方向のスポーク４１２を有している。複数の周方向のスポーク４１２は、その外半径において（at its outer radius）、上側接続ウェブ４１４によって結合されている。複数の周方向スポーク４１２は、その内半径において（at its inner radius）、下側接続ウェブ４１６によって結合されている。各周方向スポーク４１２は、非空気式タイヤの軸方向厚さＡＷよりも実質的に小さい軸方向厚さｔを有している。軸方向厚さｔについては以下に詳細に説明する。

連結されたスポークディスク４００はばね定数ＳＲを有しており、このばね定数ＳＲは、図９Ａに示すように、既知の荷重の下での撓みを測定することにより実験的に求められてよい。スポークディスクのばね定数ｋを求めるための１つの方法は、スポークディスクをハブに取り付け、スポークディスクの外側リングを剛性試験装置に取り付ける。ハブに下向きの力を加えて、ハブの変位を記録する。ばね定数ｋは、図９Ｂに示すように、力−撓み曲線の勾配から求められる。連結されたスポークディスクのばね定数は、剪断バンドのばね定数よりも大きいことが好ましい。連結されたスポークディスクのばね定数は、剪断バンドのばね定数より４〜１２倍大きいことが好ましく、剪断バンド３００のばね定数より６〜１０倍大きいことがより好ましい。非空気式タイヤのばね定数は、スポークディスクの周方向羽根部（circumferential vanes）の数を増やすことによって調整できる。あるいは、各スポークディスクのばね定数は、スポークディスクの幾何形状を変更すること、または材料を変えることによって異ならせることもできる。

図２に示すように、各周方向スポーク４１２は、半径方向に延びる半径方向部材（radial member）４１０を有している。

周方向の各スポークは、非空気式タイヤに荷重が掛けられた時に、図５に示すように、周方向の各スポークが軸方向に変形するかまたは曲がるように、軸方向に膨らむかまたは変形するように設計されている。各スポークディスクは、図６に示すように、ディスクの一方の側の周方向のスポークが第１の方向に変形し、ディスクの反対側のスポークディスクが反対方向に膨らむか、または変形するような向きに配置されていてよい。あるいは、全ての周方向のスポークが、周方向の各スポークが軸方向外側に向かって同じ方向に膨らむような向きに配置されていてもよい。非空気式タイヤに荷重が加えられると、周方向の各スポークは、コンタクトパッチ（接触領域）を通過するときに実質的に圧縮耐性を持たずに変形するか、または軸方向に曲がり、荷重支持部に圧縮力を加えないか、またはわずかな圧縮力を加える。連結されたスポークディスク４００の主な荷重は、引っ張りまたは剪断によるものであって、圧縮によるものではない。

図２に示すように、周方向の各スポークの半径方向部材４１０は長方形状の断面を有しているが、長方形状の断面に限定されず、円形状や正方形状や楕円形状等の断面であってもよい。好ましくは、半径方向部材４１０の断面の幾何形状は長手方向の座屈のために選択され、スポークの軸方向厚さｔに対するスポークの幅Ｗの比、すなわちＷ／ｔは、好ましくは約１５から約８０までの範囲内、より好ましくは約３０から約６０までの範囲内、最も好ましくは約４５から約５５までの範囲内である。好ましい長方形のスポークの構造の固有の特徴は、スポークが剪断荷重を支持できることであり、それにより、ばね剛性を、引張荷重および剪断荷重においてスポーク同士の間に拡げることが可能である。剪断剛性をもたらす幾何学的な能力は、スポークの厚さｔとスポークの半径方向高さＨの比である。好ましい比Ｈ／ｔは、約２．５から２５までの範囲（「約」とは、プラスマイナス１０％を意味する）内であり、より好ましくは約１０から２０までの範囲（「約」とは、プラスマイナス１０％を意味する）内であり、最も好ましくは１２から１７までの範囲内である。

外側の周方向スポーク４１０は、図３に示すように、半径方向の面内で角度アルファだけ曲げられていることが好ましい。角度アルファは、好ましくは６０度から８８度までの範囲内、より好ましくは７０度から８５度までの範囲内である。さらに、スポークが軸方向に曲がるまたは変形するのを促進するために、スポーク４１０の半径方向外側端部４１５は、半径方向内側端部４１３から軸方向にずらされている（オフセットされている）。あるいは、図示されているように、スポーク４１２は湾曲していてもよい。

図７は、連結されたスポークディスク７００の他の実施形態である。スポークディスクは環状で中実であり、穴を有していない。連結されたスポークディスク７００，８００の断面は、図３と同様である。連結されたスポークディスク７００，８００は、図３に示されているのと同じ厚さおよび軸方向幅を有している。

連結されたスポークディスクは、好ましくは弾性材料からなり、より好ましくは熱可塑性エラストマからなる。連結されたスポークディスクの材料は、以下の材料特性のうちの１つまたは複数に基づいて選択される。ディスクの材料の引張（ヤング）係数は、ＩＳＯ５２７−１／−２標準試験法を用いると、好ましくは４５ＭＰａから６５０ＭＰａまでの範囲内、より好ましくは８５ＭＰａから３００ＭＰａまでの範囲内である。ガラス転移温度は、摂氏−２５度未満、より好ましくは摂氏−３５度未満である。破断時降伏歪みは、３０％より大きく、より好ましくは４０％より大きい。破断時伸びは、降伏歪み以上であり、より好ましくは２００％より大きい。熱撓み温度は、０．４５ＭＰａで摂氏４０度より高く、より好ましくは０．４５ＭＰａで摂氏５０度より高い。ＩＳＯ１７９／ＩＳＯ１８０試験法を用いた、摂氏２３度でのシャルピーおよびアイゾット切欠き試験（Izod and Charpy notched test）で、破断が生じない。ディスクに適した２つの材料がDSM Productsによって市販されており、ARNITEL PL 420およびARNITEL P1461の商品名で売られている。

以上の説明を読むことにより、当業者には他の多くの変形例が明らかであることを、本出願人は理解している。そのような変形例およびその他の変形例は、添付された特許請求の範囲によって定義される本発明の思想および範囲に含まれる。

１００ 非空気式タイヤ
２００ トレッド
３００ 剪断バンド
３１０，３２０，３４０ 補強層
３１１，３２１ 補強コード
３３０ 剪断母材
４００，７００，８００ スポークディスク
４０３ 半径方向内側縁部
４０５ 補強リング
４０６ 半径方向外側縁部
４１２ 周方向スポーク
４１４ 上側接続ウェブ
４１６ 下側接続ウェブ

Claims (24)

1. 地面に接触する環状のトレッド部と、
   剪断バンドと、
   前記剪断バンドに連結されている、連結されたスポークディスクと、を含み、
   前記連結されたスポークディスクは、接続ウェブによって結合されている２つ以上の周方向のスポークを有し、
   前記連結されたスポークディスクのばね定数は、前記剪断バンドのばね定数よりも大きいことを特徴とする、構造的に支持された非空気式タイヤ。
2. 前記スポークは、前記スポークディスクの軸方向厚さよりも小さい軸方向厚さを有していることを特徴とする、請求項１に記載の構造的に支持された非空気式タイヤ。
3. 前記スポークの軸方向厚さは前記スポークの幅よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の構造的に支持された非空気式タイヤ。
4. 複数の前記周方向のスポークは同じばね定数を有していることを特徴とする、請求項１に記載の構造的に支持された非空気式タイヤ。
5. 連結された前記周方向のスポークは、穴を持たない中実の環状のディスクであることを特徴とする、請求項１に記載の非空気式タイヤ。
6. 連結された前記周方向のスポークは、１つまたは複数の穴を有する中実の環状のディスクであることを特徴とする、請求項１に記載の非空気式タイヤ。
7. 連結された前記周方向のスポークは、半径方向に向けられた列をなすように配置された複数の穴を有することを特徴とする、請求項６に記載の非空気式タイヤ。
8. 連結された前記周方向のスポークは、半径方向に向けられた複数のスポークを有することを特徴とする、請求項１に記載の非空気式タイヤ。
9. 連結された前記スポークは、６０度から８０度までの範囲内の角度アルファだけ軸方向に対して曲げられていることを特徴とする、請求項１に記載の非空気式タイヤ。
10. 各々の前記スポークの幅Ｗの軸方向厚さｔに対する比であるＷ／ｔが１５から８０までの範囲内であることを特徴とする、請求項１に記載の非空気式タイヤ。
11. 各々の前記スポークの高さＨの軸方向厚さｔに対する比が２．５から２５までの範囲内であることを特徴とする、請求項１に記載の非空気式タイヤ。
12. 前記スポークの半径方向外側端部が、前記スポークの半径方向内側端部から軸方向にずらされていることを特徴とする、請求項１に記載の非空気式タイヤ。
13. 前記スポークは半径方向外側端部から半径方向内側端部に向かって湾曲していることを特徴とする、請求項１に記載の非空気式タイヤ。
14. 前記スポークは、荷重が加わった状態で軸方向に曲がることを特徴とする、請求項１に記載の非空気式タイヤ。
15. 前記連結されたスポークディスクのスポークは長方形状断面を有することを特徴とする、請求項１に記載の非空気式タイヤ。
16. 前記連結されたスポークディスクのばね定数は前記剪断バンドのばね定数より４〜１２倍大きいことを特徴とする、請求項１に記載の非空気式タイヤ。
17. 地面に接触する環状のトレッド部と、
    剪断バンドと、
    前記剪断バンドに連結されている少なくとも１つのスポークディスクと、を含み、
    前記スポークディスクは、接続ウェブによって結合されている２つ以上のスポークを有し、
    周方向の各スポークは幅Ｗと軸方向厚さｔを有し、それらの比であるＷ／ｔが１５から８０までの範囲内であることを特徴とする、非空気式タイヤ。
18. 前記スポークは長方形状断面を有することを特徴とする、請求項１７に記載の非空気式タイヤ。
19. 前記スポークは半径方向に延びる複数の半径方向部材を有することを特徴とする、請求項１７に記載の非空気式タイヤ。
20. 連結された前記スポークディスクのばね定数は前記剪断バンドのばね定数よりも大きいことを特徴とする、請求項１７に記載の非空気式タイヤ。
21. 比Ｗ／ｔは３０から６０までの範囲内であることを特徴とする、請求項１７に記載の構造的に支持された非空気式タイヤ。
22. 連結された前記スポークディスクのばね定数は前記剪断バンドのばね定数より４〜１２倍大きいことを特徴とする、請求項１７に記載の構造的に支持された非空気式タイヤ。
23. 複数のスポークディスクを有し、連結された前記スポークディスクのばね定数は前記剪断バンドのばね定数よりも大きいことを特徴とする、請求項１または１７に記載の構造的に支持された非空気式タイヤ。
24. 前記スポークは湾曲していることを特徴とする、請求項１または１７に記載の構造的に支持された非空気式タイヤ。

Images