JP4034038B2 - 変形可能な非空気圧ホイール - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、非空気圧ホイールに関し、より詳しくは、車両のタイヤに代えて使用できる非空気圧ホイールに関する。
【０００２】
（背景技術）
このような非空気圧ホイール、すなわち、タイヤの空気抜けすなわち膨張圧力低下により生じるあらゆる問題を解決すべく、圧縮空気を用いないで作動する非空気圧ホイールを設計することが長い間試みられてきた。
【０００３】
非常に多くの提案がなされているが、米国特許第3,324,988号に開示されたものを引用できる。この米国特許は、ディスクと、該ディスクに固定された内側要素と、路面と接触することを意図した、可撓性および実質的な非伸長性をもつ環状外側要素と、内側要素と外側要素との間に配置された複数のスポークとを備えた変形可能な非空気圧ホイールを開示している。外側要素は、半径方向圧縮を受けたときにスポークに応力を生じさせるような長さを有している。換言すれば、外側要素には予応力（すなわち、予負荷）が負荷されている。或る応力閾値を超えるとスポークの端部に応力が作用するので、これらの各スポークが発生する半径方向反力は一定の大きさを維持する。ホイールはまた、内側要素と外側要素との相対位置を安定化させる手段を有している。スポークは子午線方向平面内で曲り、安定化手段は内側要素および外側要素の相対軸線方向変位を制限する。
【０００４】
この変形可能ホイールは、内側要素と外側要素との間の連結部材として、これらの座屈荷重を超える予応力が負荷されたスポークを使用している。かくして、ホイールにより支持される荷重が増大する場合には、この増大は、荷重を実際に支持するスポーク数の増大によってのみ補償される。これにより、ホイールと路面との接触長さが増大するため、その挙動はタイヤの挙動に非常に近い。
【０００５】
しかしながら、このホイールは１つの大きな欠点を有している。異なるスポークはこれらの子午線方向平面内で座屈するが、実際には周方向には全く変形できず、スポークの断面には周方向の大きな慣性力が発生する。このホイールが転がると、特に接触領域において、路面と接触する外側要素からかなり大きい長手方向の力を受け、このため、従来の非空気圧ホイールの迅速な劣化を招いていた。
【０００６】
（発明の開示）
本発明の目的は、上記問題を解決できると同時に快適性および性能の点で同じ利益が得られる、例えばディスクを備えた非空気圧ホイールを構成すべく設計された変形可能構造を提供することにある。
【０００７】
回転軸線上で転がるように設計された、本発明による車両用の変形可能構造は、回転軸線上に中心をもつ環状内側要素と、内側要素に対して半径方向外方に配置された、可撓性および実質的な非伸長性を有するトレッドを形成する環状外側要素と、内側要素と外側要素との間に配置された複数のスポークとを有し、各スポークは、実質的に一定の力である所与の閾値を超える半径方向圧縮力に対抗でき、環状外側要素は、スポークに半径方向圧縮予負荷を付与するような長さを有し、内側要素と外側要素との相対位置の安定化手段を更に有している。この転がり構造は、前記スポークが、これらの子午線方向平面内の可撓性が周方向平面内の可撓性より充分に小さくなるように形成されかつ内側要素と外側要素との間に配置され、前記安定化手段が、内側要素と外側要素との間の周方向相対回転の大きさを制限することに特徴を有している。
【０００８】
本発明による変形可能構造から得られるホイールは、次の長所を有している。すなわち、各スポークは、特に転がり時に、スポークが外側要素と路面との間の接触ゾーンにあるときに周方向に変形できる。
【０００９】
スポークには、これらの座屈荷重より大きい予応力を付与しておくのが好ましい。安定化手段はまた、ケーブルまたは細いビーム（梁）のような、内側要素と外側要素とを常時結合する弾性連結部材を有している。安定化手段には、非使用時に引張り予応力が付与されており、内側要素と外側要素との間の相対回転変位が生じると直ちに戻り力を発生することができる。スポークの端部は、内側要素および／または外側要素内に埋設するかまたは継手を介して固定できる。安定化手段はまた、半径方向引張り予応力が付与された薄いシェルで構成することもできる。
【００１０】
本発明による変形可能構造はまた、タイヤおよびリムからなる組立体に取り付けるように設計された安全インサートで構成することもできる。
【００１１】
（発明を実施するための最良の形態）
以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態を説明する。
【００１２】
図１および図２は、ディスク２に取り付けられた本発明による変形可能構造１を備えた非空気圧ホイールを示す、それぞれ軸線方向から見た図面および子午線方向断面図である。変形可能構造１は、ディスク２に連結された内側要素と、環状外側要素４と、内側要素３と外側要素４とを結合するスポーク５とを有している。スポーク５は、軸線方向に並べて配置された２組の６０個の要素に分布されている（図２）。スポーク５は、これらの長さおよび幅に比べて小さい厚さを有する平行六面体（parallelepipedal）の形状を有している。この形状は、スポーク５がその厚さ方向に容易に曲ることを可能にしている。スポーク５は、継手５１により内側要素３および外側要素４にそれぞれ固定された長手方向両端部を有している。スポーク５は、これらの長さが半径方向に位置し、これらの幅が軸線方向に位置し、かつ厚さが周方向に位置するようにして、内側要素３と外側要素４との間に配置される。従って、スポーク５は、これらの長手方向から半径方向圧縮を受けたときに曲ることができ、その曲りは周方向である。従って、子午線方向平面内のスポーク５の可撓性は、周方向平面内の可撓性より非常に小さい。図１、図２および図４の実施形態では、継手５１はピン５１３により固定される２つの部品５１１、５１２（図４参照）からなる。この固定方法は、継手５１の両部品５１１、５１２間の自由回転を可能にする。前記連結方法は、ホイールの平面内での内側要素および外側要素に対するスポーク５の回転を可能にする。スポーク５は、ガラス繊維強化ポリマー材料で作られる。環状外側要素４は、路面と接触するように設計されたゴム層で覆われた薄い（０．１〜１ｍｍ程度の厚さの）金属フープを有している（図２には前記ゴム層は示されていない）。かくして、外側要素は、小さい撓み強度および実質的な非伸長性を有している。外側要素４の周方向長さは、全てのスポーク５がこれらの座屈荷重を超えて軸線方向に圧縮されるようにする大きさである。従って、このような全てのスポーク５は座屈状態にある。従って、スポーク５が内側要素３および外側要素４に対して作用する反力は、実質的に一定でありかつスポーク５の半径方向圧縮とは独立している。
【００１３】
図１および図２に示すように、ホイールは不安定な釣合い状態にあり、スポーク５に蓄えられたエネルギは、内側要素３に対する外側要素４の回転変位により解放される傾向を有する。内側要素３と外側要素４との間の相対回転を制限するため、変形可能構造１には、図３に示す安定化手段が設けられている。この安定化手段は、例えば、内側要素３と環状外側要素４とを結合するケーブル６からなる。図３において、ケーブル６１は、Ａで内側要素３に固定され、かつＢで外側要素４に固定されている。Ｏはホイールの回転軸線上にあり、図示の例では角度ＡＯＢはαであり、非使用時には３０°に等しい。角度ＡＯＢは、１〜４５°、好ましくは２５〜３５°の間で変えることができる。ケーブル６は、非使用時にぴんと張るように形成されかつ配置される。かくしてケーブル６は、内側要素３に対する環状外側要素４の回転変位を阻止する。しかしながら、接触領域での規則的な（punctual）相対変位はできるようになっている。これらのケーブルの剛性、配置、引張り予応力および数は、全体として、図１に示す釣合い位置を維持する性質に影響を与える。
【００１４】
他方で、ケーブルは、これらの特定伸び剛性に従って、並びに周方向に対するケーブルの傾斜に基いて、ホイールの周方向剛性を調節することができる。またケーブルは、内側要素および外側要素でのケーブルの固定点の両側で幾つかの異なる太さにすることもでき、これにより、必然的に、周方向に加えられるトルクに対するホイールの応答に変化が生じる。ケーブルは、よりモノリシックな要素または任意の均等な安定化手段と置換できる。
【００１５】
図４および図５は、内側要素３および外側要素４に対するスポークの、本発明による他の配置方法および連結方法を示す。図４は、継手５１を備えた２つのスポーク５２、５３を示す。前述のように、継手５１は２つの部品を有し、第１部品５１１にはスポーク５２、５３の長手方向端部が埋設され、第２部品５１２は内側要素または外側要素に堅固に固定される。これらの２つの部品はピン５１３により結合され、かつ変形可能構造１の軸線方向に配置されかつホイールに取り付けられる。図４の実施形態では、スポークは、内側要素と外側要素との間で周方向に対をなして配置され、前述のように、これらのスポークの曲り平面は周方向である。スポーク５２、５３の長手方向端部は、２つのスポークを分離する距離Ｄが、２つのピン５１３を分離する距離ｄより大きくなるようにして支持体５１１内に埋設される。これにより、軸線方向圧縮時に、スポークにはトルクが加えられ、かつ２つのスポークの中央部が拡がるように反対向きの周方向曲げ力が伝達される（図４ｂ）。
【００１６】
この取付け方法は、スポークを常時同方向に座屈させることを容易化できるという長所を有する。
【００１７】
図５は、支持体５７内に埋設された二重スポーク５６を示す。前の実施形態とは異なり、この支持体５７は、内側要素または外側要素に堅固に連結される１つの部品のみからなる。スポーク５６は、周方向に並べて配置されかつ支持体５７内に埋設される２つの平行六面体のハーフスポーク５６１、５６２からなる。支持体５７は、内側要素および外側要素に固定される。ハーフスポークは、プレート５６３により周方向に分離される。前述のように、２つのハーフスポークの中央部が拡がるように反対向きの周方向曲げ力を伝達する（図５ｂ）。
【００１８】
図６および図７は、平坦路上で押圧変形されたときの、変形可能構造を含むホイールの挙動を概略的に示す。ホイールは、図１、図２および図３のスポークと同様な２組のスポーク５と、正方形断面をもつ２組のポリウレタンビームからなる安定化手段７とを有している。２組のビーム７は非半径方向に傾斜しており、かつ図３に示すように、半径方向の両側で対称的に配置されている。ビームの伸び係数（modulus of extension）は約２０ＭＰａである。ビーム７の方向は、図３に示したケーブル６の方向と同じである。図６ｂおよび図７ｂには、路面８との接触を保証するゴム材料の層を備えた外側要素４が示されている。ゴム材料の層の厚さは約１０ｍｍである。図面の明瞭化のため、図６ａおよび図６ｂには、２組のうちの一方の組のみのスポーク５についての、接触外領域における挙動（図６ａ）および接触領域における挙動（図６ｂ）が示され、図７ａおよび図７ｂには、２組のうちの一方の組のみのビーム７についての、接触外領域における挙動（図７ａ）および接触領域における挙動（図７ｂ）が示されている。
【００１９】
路面８上でホイール１が押圧変形されたとき、全てのスポーク５は後座屈状態（postbuckling state）に維持されるが、半径方向圧縮は顕著に異っており、３つの場合が生じる。すなわち、接触外領域（図６ａ）−スポークＲ１−これらのスポークＲ１は僅かな半径方向圧縮を受けているところを示す。点Ｅと点Ｆとの間の接触領域−スポークＲ２−これらのスポークＲ２は極めて大きい半径方向圧縮を受けているところを示す。接触領域への入口および接触領域からの出口に近い領域−スポークＲ３−これらのスポークＲ３は中間の半径方向圧縮を受けているところを示す。スポーク５の受ける半径方向圧縮は、内側要素と外側要素との間の半径方向距離、従って路面上で押圧変形されたときのホイールの撓みに直接基いて定まる。
【００２０】
各スポークが後座屈状態にあるとき、スポークは、実質的に一定の反力を外側要素４に作用する。従って、路面とホイールとの間の接触ゾーンでは、外側要素すなわちトレッドの接触領域は、実質的に一定の平均圧力を路面に作用する。この力は、スポーク５により支持される半径方向圧縮の大きさによって事実上変化されることはなく、従って、対応ゾーンにおいて環状外側要素により加えられる圧力は、押圧変形されたホイールに生じる撓みの大きさとは実質的に無関係であり、かくして、この挙動はタイヤの挙動に非常に似ている。このため、ホイールディスクに激しい反力を伝達することなく、またはホイールと路面との間の接触面に大きな変化を生じさせることなく路面の凹凸を吸収できる。この挙動は、タイヤの挙動に非常に近いものである。
【００２１】
図７は、２組のうちの一方の組のみのビームを図７ｂに、接触外領域を図７ａに示す。次の３つの場合が生じる。すなわち、内側要素および外側要素への固定点が接触外領域にあるビーム（図７ａ）−ビームＨ１−これらのビームは僅かにぴんと張られた状態にある。外側要素への固定点が接触領域内にあるビーム−ビームＨ２−これらのビームは座屈した状態にある。接触領域への入口および接触領域からの出口に配置されたビーム−ビームＨ３−これらのビームＨ３は中間状態にある。かくして、１つの固定点が接触領域内にあるビームは、これらの張力が、ビームの固定点を一緒に内側要素と外側要素との間にもたらす外側要素の半径方向圧縮により弛緩されることが理解されよう。従って、断面が小さいビームは座屈し、かつ接触領域にあるか障害物上を走行する外側要素の半径方向圧縮とは極く僅かに対抗するに過ぎない。
【００２２】
また、本発明のホイールは、図２から明らかなスポークの対称的構造から、環状外側要素と軸線方向平坦路との間の接触圧力の優れた均一性が得られるという長所を有している。
【００２３】
外側要素４は、ベルト上に一定厚さのゴムを加硫することにより容易に作ることができる。ベルトは、幅Ｌおよび厚さ０．１ｍｍの平鋼板で形成できる。
【００２４】
本発明による変形可能構造には、スポークの半径方向圧縮を制限する手段、例えばストップを設けることができる。例えば、図１〜図３の軸線方向に並設された２組のスポークの間に、内側要素に固定される環状ストップであって、これらのスポークの最大軸線方向圧縮を約５０％に制限する環状ストップを設けることができる。
【００２５】
図１〜図３に示す例では、軸線方向に並設された２組のスポークが設けられている。しかしながら、ホイールの挙動または凹凸路面上に形成されるインサートを改善するため、軸線方向に並設される組数を増大させることができる。外側要素も、１つ以上の並設要素により同様に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ディスクに固定された本発明による変形可能構造を備えたホイールを軸線方向から見た図面である。
【図２】 図１のホイールの子午線方向断面図である。
【図３】 安定化手段が設けられた図１および図２と同様なホイールを軸線方向から見た部分図である。
【図４ａ】 結合形二重スポークが非使用状態にあるところを示す図面である。
【図４ｂ】 結合形二重スポークが変形状態にあるところを示す図面である。
【図５ａ】 他の実施形態による埋入形二重スポークが非使用状態にあるところを示す図面である。
【図５ｂ】 他の実施形態による埋入形二重スポークが変形状態にあるところを示す図面である。
【図６ａ】 図１のホイールのスポークが荷重を受けたときの接触外領域を示す図面である。
【図６ｂ】 図１のホイールのスポークが荷重を受けたときの接触領域を示す図面である。
【図７ａ】 図６のホイールの安定化手段が荷重を受けたときの接触外領域を示す図面である。
【図７ｂ】 図６のホイールの安定化手段が荷重を受けたときの接触領域を示す図面である。

Claims (13)

1. 回転軸線上で転がるように設計された、車両用の変形可能構造（１）であって、回転軸線上に中心をもつ環状内側要素（３）と、内側要素（３）に対して半径方向外方に配置された、可撓性および実質的な非伸長性を有するトレッドを形成する環状外側要素（４）と、内側要素（３）と外側要素（４）との間で実質的に半径方向に配置された複数のスポーク（５、５２、５３、５６）とを有し、各スポークは、実質的に一定の力である所与の閾値を超える半径方向圧縮力に対抗でき、外側要素（４）は、スポーク（５、５２、５３、５６）に半径方向圧縮予負荷を付与するような周長を有し、内側要素（３）と外側要素（４）との相対位置の安定化手段（６、７）を更に有する変形可能構造において、前記スポーク（５、５２、５３、５６）は、これらの子午線方向平面内の可撓性が周方向平面内の可撓性より充分に小さくなるように形成され、かつ内側要素（３）と外側要素（４）との間に配置され、前記安定化手段（６、７）は、内側要素（３）と外側要素（４）との間の周方向相対回転の大きさを制限することを特徴とする変形可能構造。
2. 前記スポーク（５、５２、５３、５６）は、これらの座屈荷重を超えて予負荷されていることを特徴とする請求項１記載の変形可能構造。
3. 前記安定化手段（６、７）は、内側要素（４）と内側要素（３）とを非半径方向に結合する弾性連結要素（６、７）からなることを特徴とする請求項１または２記載の変形可能構造。
4. 前記弾性連結要素（６、７）は、変形可能構造（１）の非使用時に、ぴんと張られた状態にあることを特徴とする請求項３記載の変形可能構造。
5. 前記弾性連結要素（６、７）は、非使用時に１〜４５°の間の角度αで分離される、環状外側要素（４）および内側要素（３）の点を結合することを特徴とする請求項３および４のいずれか1項記載の変形可能構造。
6. 前記弾性連結要素（６、７）は、非使用時に２５〜３５°の間の角度αで分離される、環状外側要素（４）および内側要素（３）の点を結合することを特徴とする請求項５記載の変形可能構造。
7. 前記弾性連結要素（６、７）は引張り予応力が付与されていることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項記載の変形可能構造。
8. 前記安定化手段は、内側要素（３）と外側要素（４）との間に配置されかつ半径方向引張り予応力が付与された薄いシェルを有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の変形可能構造。
9. 前記スポーク（５６）の端部は内側要素（３）および／または外側要素（４）に埋設されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の変形可能構造。
10. 前記スポーク（５６）の端部は、継手（５１）により内側要素（３）および／または外側要素（４）に固定されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の変形可能構造。
11. 前記スポークの半径方向圧縮の大きさを制限する手段を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載の変形可能構造。
12. ディスク（２）および請求項１〜１１のいずれか１項記載の変形可能構造（１）を有していることを特徴とする車両用非空気圧ホイール。
13. 請求項１〜１１のいずれか１項記載の変形可能構造（１）により構成されていることを特徴とする、タイヤおよびリムからなる組立体に取り付けられるように設計された車両用安全インサート。

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