JP2022098484A - 補強されたスポーク構造を有する非空気入りタイヤとホイールの組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】空気膨張の必要性がなく、空気入りタイヤの全ての特徴を有する改良された非空気入りタイヤのための、非空気入りタイヤとホイールの組立体、および非空気入りタイヤとホイールの組立体のための補強スポーク構造を形成する方法を提供する。【解決手段】第１の態様において、非空気入りタイヤとホイールの組立体を提供し、地面に接触するトレッド部とシアバンドとを有する外側環状リング４０６と、１つ以上のスポークディスク４００とを含み、各スポークディスクはシアバンドに接続され、各スポークディスクは少なくとも２つのスポークを有し、各スポークは第１のレッグ４１０、４５０と第２のレッグ４２０、４４０とを有し、連続的な補強ストリップが、第１のレッグおよび第２のレッグに受け入れられている。【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、車両タイヤおよび非空気入りタイヤに関し、より詳細には、非空気入りタイヤに関する。

空気入りタイヤは、１世紀以上にわたって車両の移動のために選ばれた解決策である。空気入りタイヤは引張り構造である。空気入りタイヤは、空気入りタイヤを今日、支配的にする少なくとも４つの特徴を有している。空気入りタイヤは、タイヤ構造の全てが荷重を担うことに関与するので、荷重を担うことにおいて効率的である。空気入りタイヤはまた、低い接触圧力を有し、その結果、車両の荷重の分布により路上の摩耗がより少なくなるので望ましい。また、空気入りタイヤは剛性も低く、車両において快適な乗り心地を確保する。空気入りタイヤの主な欠点は、圧縮流体を必要とすることである。従来の空気入りタイヤは、膨張圧力を完全に失った後、役に立たないものとなる。

膨張圧力なしで作動するように設計されたタイヤは、空気入りタイヤに関連する多くの問題と妥協を排除することができる。圧力維持も圧力監視も不要である。現在まで、ソリッドタイヤまたは他のエラストマー構造のような構造的に支持されたタイヤは、従来の空気入りタイヤから要求される性能レベルを提供していなかった。空気入りタイヤのような性能を果たす構造的に支持されたタイヤの解決策は、望ましい改善であろう。

非空気入りタイヤは、通常、その荷重支持効率によって定義される。「ボトムローダ」は、本質的に、ハブの下方の構造物の部分に荷重の大多数を担う剛構造である。「トップローダ」は、構造物の全てが荷重を担うことに関与するように設計されている。このようにトップローダはボトムローダに比べて荷重支持効率が高く、少ない質量の設計が可能である。

このように、空気膨張の必要性という欠点がなく、空気入りタイヤの全ての特徴を有する改良された非空気入りタイヤが望まれている。

本発明は、第１の態様において、非空気入りタイヤとホイールの組立体を提供し、地面に接触するトレッド部とシアバンドとを有する外側環状リングと、１つ以上のスポークディスクとを含み、各スポークディスクは前記シアバンドに接続され、各スポークディスクは少なくとも２つのスポークを有し、各スポークは第１のレッグと第２のレッグとを有し、連続的な補強ストリップが、前記第１のレッグおよび前記第２のレッグに受け入れられている。
本発明は、以下の説明および添付の図面を参照することにより、より良く理解されるであろう。

本発明の非空気入りタイヤおよびホイールの組立体の斜視図である。 図１の非空気入りタイヤおよびホイールの組立体の正面図である。 図１の非空気入りタイヤおよびホイールの組立体の断面図である。 図１の非空気入りタイヤおよびホイールの組立体のスポーク構造のセクターの正面図である。 図４のスポーク構造のセクターの正面図であり、スポーク構造の補強材の第１の層（黒色で示される）のパターンレイアウトを示す図である。 図４のスポーク構造のセクターの正面図であり、スポーク構造の補強材の第１の層（黒色で示される）および第３の層（緑色で示される）のパターンレイアウトを示す図である。 図４のスポーク構造のセクターの正面図であり、スポーク構造の補強材の第１の層（黒色で示される）および第２の層（黄色で示される）のパターンレイアウトを示す図である。 図４のスポーク構造のセクターの正面図であり、スポーク構造の補強材の第２の層（黄色で示される）および第４の層（紫色で示される）のパターンレイアウトを示す図である。 第１および第２の金型インサートの配置を示す成型Ｘスポーク部分を示す図である。 成型前の第１および第２の金型インサートおよび補強巻線レイアップの正面図を示す。 成型前の第１および第２の金型インサートおよび補強巻線レイアップの側面図を示す。 第１および第２の金型インサート上の巻き線パターンを示す図である。 金型の中への金型インサートの配置を示す図である。 成型Ｘスポークの正面図である。 Ｘスポークの下部の拡大図である。 Ｘスポークの上部の図である。 Ｘスポークの側面図である。 金型内でＸスポーク部分を成型するための第１および第２の金型インサートの第２の実施形態を示す図である。 成型前の第１および第２の金型インサートおよび補強巻線レイアップの正面図である。 成型前の第１および第２の金型インサートおよび補強巻線レイアップの拡大図である。 金型内でＸスポーク部分を成型するための第１および第２の金型インサートの第３の実施形態を示す図である。 成型前の第１および第２の金型インサートおよび補強巻線レイアップを保持するための外側足場構造を示す正面図である。 補強巻線の外側足場構造を示す図である。 様々な補強材に対する荷重対変位を示す図である。 圧縮荷重下のスポーク部分を示す図である。

（定義）
本説明では、以下の用語を以下のように定義する。

「軸方向」とは、使用中にホイールが回転する軸と平行な方向を意味する。

「円周方向」とは、ホイールの円周によって画定される方向、または軸周りのホイールの回転の方向を意味する。

「赤道面」とは、タイヤの中心線を通るタイヤの回転軸に垂直な平面を意味する。

「子午面」とは、タイヤの回転軸に平行で、前記軸から半径方向外側に延在する平面を意味する。

「半径方向」とは、ホイールが回転する軸に垂直な方向を意味する。

「ヒステリシス」とは、動的剪断歪１０％、２５℃で測定した動的損失正接を意味する。

本発明の非空気入りタイヤとホイールの組立体１００が図１－図３に示されている。本発明の非空気入りタイヤは、ホイール５００に一体的に取り付けられた１つまたは複数のスポークディスク４００を取り囲む外側環状トレッドおよびシアバンド２００を含む。外側環状バンド２００は、地面に係合するトレッド２１０を有する半径方向外側表面を含む。トレッド２１０は、従来の設計であってもよく、様々な条件におけるタイヤの性能を改善するために望まれているリブ、ブロック、ラグ、溝、およびサイプのようなトレッド設計の当業者に公知の様々な要素を含んでもよい。外側トレッドバンド２００は、トレッドの半径方向内側に位置するシアバンド３００を含み、本発明の非空気入りタイヤをトップローダ構造とすることができ、これによりシアバンドとスポークが効率的に荷重を担う。シアバンドはスポークディスク４００と共に、スポークディスク４００の、半径方向の引張り力が掛かった状態での剛性が、タイヤのばね定数に直接関係するように設計される。スポークディスク４００は、タイヤ接地面内で座屈または変形するが、圧縮荷重を担うことができない構造であるように設計される。これにより、接地領域にない残りのスポークが、荷重を担うことが可能となる。上記の理由によりスポークに対するこの圧縮荷重を最小化し、シアバンドを曲げて道路の障害物を克服することが望まれる。近似的な荷重分布は、荷重の約９０－１００％がシアバンドと上部スポークによって担われることが望まれており、そのため、下部スポークは、荷重の実質的にゼロ、好ましくは１０％未満を担うようになっている。

シアバンドは、エラストマーのシアマトリックスによって分離された第１および第２の補強エラストマー層を含む。各補強層は、エラストマーコーティングに埋め込まれた平行な非伸長性の補強コードで形成することができる。補強コードは、スチール、アラミド、炭素繊維、または他の非伸長性の構造とすることができ、タイヤ赤道面に対して０から約±３０度の範囲の角度をなすことができる。シアマトリックスは、好ましくは２．５から４０ＭＰａの範囲、より好ましくは、２０から４０ＭＰａの範囲の剪断弾性率Ｇを有するエラストマー材料で形成される。

（スポークディスクとホイール）
本発明の非空気入りタイヤは、さらに、少なくとも１つのスポークディスク４００、および非空気入りタイヤの互いに対向する両端部で間隔を空けて配置することができる好ましくは少なくとも２つのディスクを含む。図１に示すタイヤとホイールの組立体において、ホイール５００に取り付けられた４つまたはそれ以上のスポークディスクを設けることができる。スポークディスクはシア層から伝達された荷重を担う機能を果たす。ディスクは、主に引張力と剪断力を受け、圧縮中は荷重を担わない。各スポークディスク４００は環状であり、外側環状リング４０６および半径方向内側環状リング４０３を有する。各スポークディスク４００は別々の環状ディスクを含むことができ、または組み立てを容易にするため、いくつかのセクター４０５からなることができる。

スポークディスクのセクター４０５の正面図が図４に示されている。セクターは、スポークディスクの円周の６分の１として示されている。セクター４０５は、複数のＸ形状のスポーク４０１を有する。各Ｘ形状のスポークは、部分４１０、４５０で形成される第１のレッグ４０２で形成され、第１のレッグ４０２は、部分４２０、４４０で形成される第２のレッグ４０４に結合される。第１のレッグ４０２は、接合点４３０において第２のレッグ４０４に結合される。各Ｘ形状のスポークは、部分４１０、４２０で形成された上部の三角形と、部分４４０、４５０で形成された下部の三角形とを有する。

スポークディスクの荷重効率を改善するため、スポーク構造、好ましくは、各スポーク４０１に対する補強のための複数の層を提供することが望まれている。補強は、繊維ガラスのフィラメント、繊維ガラステープ、炭素繊維、炭素繊維テープ、アラミド、アラミドテープ、ナイロン繊維、ＰＥＴ繊維並びにアラミド、ナイロンおよびＰＥＴ繊維から構成される混成繊維のストリップとすることができ、以下、纏めて「ストリップ」と呼ぶこととする。補強ストリップは、好ましくは約１０ｍｍ以下の幅、および１ｍｍ以下の厚さを有する。

図５Ａは、連続的に巻き付けられたストリップの１つまたは複数の層を用いてスポークセクター４０５の各スポーク４０１を補強するための手順を図示する。補強ストリップ１００の材料は、スポークセクター４０５の各スポーク４０１を補強するために使用されるだけでなく、１つのスポーク４０１から隣接したスポーク４０１へ延びている。ストリップの巻き付け層が複数存在することが好ましく、軸方向Ａに層をなし、それによってスポークの軸方向の幅に沿って補強される。

巻き付けパターンの一例が図５－６に示されている。補強ストリップ１００は図５Ａに示すように連続的に巻き付けられており、スポークセクターの外側直径部４０６から開始し、内側直径部４０３へ第１のスポークレッグ４０２に沿って半径方向内側に延び、そして、内側直径部４０３の内側円周をたどり続け、隣接したスポーク４０１の第２のスポークレッグ４０４へ渡る。ストリップは、第２のスポークレッグ４０４に沿って半径方向外側へ延び、そして、外側円周４０６に沿って円周方向に続き、次のスポークへ続き、そして、第３のスポークの第１のレッグ４０２に沿って半径方向内側に延び、このパターンを最後のスポークに達するまで繰り返す。図５Ａのパターンは、スポーク４０１の１つのスポーク部材だけをカバーすることに注意されたい。図５Ｂに、図５Ａに示すパターンが第３の層として繰り返されているが、１つのＸの分だけ周方向にスライドされている。図６Ａは、スポークの第２のスポーク部材をカバーするため連続的にストリップを巻き付けるための一例のパターンを図示する。図６Ａの点線矢印に示すように、このストリップは、図５のストリップと反対向きの回転方向に進み、このストリップが自身と交差しないように軸線方向の異なる位置を進む。図示するように、ストリップは、第１のレッグに沿って半径方向内側に延び、内側円周に沿って延び、そして第２のレッグに沿って半径方向外側に延びる。巻き付けの回転方向は重要ではないことに注意されたい。図６Ｂは、この同様の巻き付けパターンを示すが、１つのＸの分だけ周方向にスライドされている。スライドの目的は、図５Ｂおよび６Ｂに示すように、内側直径部（４０３）と外側直径部（４０６）のどの円周部分においても、補強を欠くことにならないようにすることである。図５および６によって説明された巻き付けパターンは、スポークの全幅に達するまで軸方向に続けることができる。

ストリップの経路は、スポークのレッグが連結される接合点に隙間を残さないようにすることが重要であり、ストリップの経路は自身と交差しないこともまた重要である。むしろ、テープは、スポークディスクの外側リングから内側リングへ荷重のための直接的な、途切れない経路を提供するべきである。

図７Ａは、補強した単一のＸスポークの構造を図示し、Ｘスポークは、第１および第２のレッグで形成される。Ｘスポークに配置されているのは、第１および第２の金型インサート６１０、６２０である。図７Ｂ、Ｃは、ストリップが各スポークだけに巻き付けられている第２の実施形態を図示する。図７Ｂ、Ｃは、補強したＸスポークを形成するために、金型インサートの周囲のストリップ巻き付け経路を図示し、さらに、異なる軸方向の位置のストリップ巻き付けを図示する。図８Ａは、隣接したストリップ巻き付けとの交差や横断（これはフレッチングを招く）を避けるため、各巻き付けの軸方向の位置がずらされたストリップの巻き付け経路を図示する。図８Ａはまた、金型インサートの角部６４０が丸められ、縁部から突出しており、そのため、ストリップが金型インサートの側壁６３０に実際には接触していない金型インサートをも図示する。ストリップが金型インサートの側壁に実際には接触していないということは、合成樹脂がストリップを被覆することを可能にし、そのため、ストリップはスポークレッグの中心に置かれ、外側表面に配置されない。

図９Ａ－９Ｆは、連続的に巻き付けられたストリップの複数の層を有する、射出成型された単一のＸスポークを図示する。スポークレッグの円弧状の交差点が明確に示されている。

巻き付けは、金型の内部で行われるか、または結果として巻き付けが金型に置かれるか、のどちらかで行うことができ、そのため、柔らかいポリマーがストリップを被覆することができる。

図１０Ｂ、Ｃは、金型インサートの第２の実施形態を図示し、各金型インサートの角は、ミッキーマウスの耳のように丸められている。図１０Ｃにおいて、例示的なストリップが巻き付けられ、突出している耳が、どのようにしてストリップを金型の壁に接触させないようにするかを図示している。

図１１Ａ－Ｃは、金型インサートの第３の実施形態を図示し、取り外し可能な足場のような構造が、金型インサートの外側壁を囲んでいる。この足場のような構造は、丸められた角部、およびストリップが半径方向に保持された状態にしておくための溝を有する。

スポークディスクは、好ましくは弾性材料、より好ましくは熱可塑性エラストマーで形成される。スポークディスクの材料は、以下の材料特性の１つ以上に基づいて選択される。ディスク材料の引張（ヤング）係数は、ＩＳＯ ５２７－１／－２標準試験方法を用いて、好ましくは４５ＭＰａから６５０ＭＰａの範囲であり、より好ましくは８５ＭＰａから３００ＭＰａの範囲である。ガラス転移温度は－２５℃より低く、より好ましくは－３５℃より低い。また、破断時の降伏歪は３０％以上、より好ましくは４０％以上である。また、破壊時の伸びは降伏歪以上であり、より好ましくは、２００％以上である。熱撓み温度は、０．４５ＭＰａで４０℃以上、より好ましくは０．４５ＭＰａで５０℃以上である。ＩＳＯ １７９／ＩＳＯ １８０試験方法を用いた２３℃でのアイゾッドおよびシャルピー切欠試験で、破壊は生じない。ディスクに適した２つの材料は、ＤＳＭプロダクツによって市販されており、ＡＲＮＩＴＥＬ ＰＬ４２０ＨおよびＡＲＮＩＴＥＬ ＰＬ４６１の商標名で販売されている。

本明細書に提供される説明に照らして本発明の変形が可能である。本発明を説明する目的で、特定の代表実施例および詳細を示したが、本発明の範囲から逸脱することなく、その中で種々の変更および修正を行うことができることは、当業者には明らかであろう。したがって、以下の付属請求項によって定義されるように、本発明の全範囲内であると説明される特定の実施例において変更が行われ得ることを理解されたい。

Claims (15)

1. 非空気入りタイヤとホイールの組立体であって、
   地面に接触するトレッド部とシアバンドとを有する外側環状リングと、１つ以上のスポークディスクとを含み、
   各スポークディスクは前記シアバンドに接続され、各スポークディスクは少なくとも２つのスポークを有し、各スポークは第１のレッグと第２のレッグとを有し、連続的な補強ストリップが、前記第１のレッグおよび前記第２のレッグに受け入れられていることを特徴とする、非空気入りタイヤとホイールの組立体。
2. 前記第１のレッグおよび前記第２のレッグは、連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の非空気入りタイヤとホイールの組立体。
3. 前記スポークディスクは外側ハブと内側ハブとを有し、前記連続的な補強ストリップは、前記少なくとも２つのスポークのスポークレッグに沿って、前記外側ハブから前記内側ハブへ巻き付けられることを特徴とする、請求項１に記載の非空気入りタイヤとホイールの組立体。
4. 前記連続的な補強ストリップは、第１のスポークの第１のレッグから隣接するスポークの第２のレッグへ巻き付けられることを特徴とする、請求項１に記載の非空気入りタイヤとホイールの組立体。
5. 前記連続的な補強ストリップは、内側ハブの一部に沿って円周方向に延びることを特徴とする、請求項１に記載の非空気入りタイヤとホイールの組立体。
6. 前記連続的な補強ストリップは、外側ハブの一部に沿って円周方向に延びることを特徴とする、請求項１に記載の非空気入りタイヤとホイールの組立体。
7. 前記連続的な補強ストリップは、第１の軸方向位置に第１の連続的な補強層を形成し、第２の軸方向位置に第２の連続的な補強層を形成することを特徴とする、請求項１に記載の非空気入りタイヤとホイールの組立体。
8. 前記連続的な補強ストリップは、ガラス、炭素、ナイロン、レーヨン、ポリエステル、または、繊維の混合物である、ことを特徴とする、請求項１に記載の非空気入りタイヤとホイールの組立体。
9. 前記第１および第２のスポークレッグは、Ｘ形状のスポークを形成するように連結されることを特徴とする、請求項１に記載の非空気入りタイヤとホイールの組立体。
10. 非空気入りタイヤとホイールの組立体のための補強スポーク構造を形成する方法であって、
    互いに離れた第１および第２の金型インサートを提供するステップと、補強構造を形成するために前記第１の金型インサートの周囲および前記第２の金型インサートの周囲に連続的な補強ストリップを巻き付けるステップと、前記補強構造を金型に挿入するステップと、その後スポーク構造を形成するために液状樹脂を射出成型するステップと、
    を含むことを特徴とする、方法。
11. 前記連続的なストリップは、前記第１および第２の金型インサートの周囲に数字の８の字形パターンで巻き付けられることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 補強されたスポークディスクを形成する方法であって、前記スポークディスクは内側ハブと外側ハブとを結合する複数のスポークを有し、前記方法は、
    外側半径位置に配置された複数の第１の金型インサートを提供するステップと、
    複数の第２の金型インサートを提供し、内側半径位置に沿って前記第２の金型インサートを配置するステップと、
    前記複数の第１の金型インサートを前記第２の金型インサートと半径方向に整列させるステップと、を有し、
    前記第１の金型インサートと前記第２の金型インサートとは外側壁を有しており、
    前記方法はさらに、
    連続的な補強ストリップを前記第１および第２の金型インサートの外側壁の周囲に交互に巻き付けるステップと、
    前記補強構造を金型の中に挿入するステップと、
    その後、補強されたスポーク構造を形成するために液状樹脂を射出成型するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
13. 前記連続的なストリップは、内側半径位置から外側半径位置に巻き付けられることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記連続的なストリップは、前記第１および第２の金型インサートの壁の周囲に数字の８の字形パターンで巻き付けられることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
15. 前記金型インサートの１つ以上の角は、丸められた縁部を有することを特徴とする、請求項１２に記載の方法。

Images