JP4614622B2 - バイアスプライカーカスを有する構造的に支持された弾性タイヤ - Google Patents

Description

本発明は、タイヤ内部圧力の力を借りずに車両荷重を支持することができる弾性タイヤに関するものである。

数世紀にわたって乗物による移動（モビリティ）を可能にするために選択された一つの解決策は空気タイヤであった。空気タイヤの機械特性の大部分はタイヤ内部の空気圧の作用に依存し、それによってベルトおよびカーカスには正しい剛性が与えられる。

空気タイヤの１つの難点は十分な性能を得るためには圧力を維持する必要がある点にある。従来の空気タイヤはタイヤ圧が完全に失なわれるとタイヤをほとんど使用できなくなる。そのため、タイヤから空気圧が完全に失なわれた後でも車両を継続して移動できるようにするためのタイヤ構造が種々提案されてきた。市販のランフラットタイヤはその１つの解決方法である。このランフラットタイヤは空気タイヤのサイドウォールに補強材または充填材を加えてパンク時にサイドウォールが圧縮されて荷重支持部材として働くようにしたものである。しかし、こうした加えた補強材の多くはタイヤ重量を大きくし、乗り心地を悪くするという欠点がある。ランフラット性能を与える他の方法はタイヤクラウン部分に環状補強バンドを用いる方法である。この解決法では環状補強バンドの固有特性とタイヤ圧に対する反作用とによってトレッド部分の剛性が与えられる。さらに、車輪に内部二次支持構造物を加える解決方法もある。しかし、この支持構造物は重量増加の原因となり、アッセンブリへの取付けが困難になり、多数の断片化したリムを使用する必要がある。これらの全ての解決方法は空気タイヤをハイブリッド化したもので、設計時にはタイヤ膨張時でも収縮時でもないという妥協が要求される。

しかも、ランフラットを用いた解決方法ではタイヤの使用圧力を常にモニターして現在のタイヤ圧が規定圧力外にある場合には車両の運転者にそれを知らせる必要がある。

タイヤ圧を利用しないでも使用可能なように設計されたタイヤは上記の問題点の多くを解決でき、空気タイヤの利点も生かすことができる。すなわち、この場合の運転条件は非膨張（non-inflated）状態の一つのみで、圧力を維持する必要はなく、圧力を測定する必要もない。
しかしながら、現在のソリッドタイヤや弾性タイヤのような弾性構造を有する構造的に支持されたタイヤは従来の空気タイヤと同じようなレベルの性能がない。従って、空気タイヤと同様な性能を備えた構造的に支持された弾性タイヤの開発が求められている。

本発明の構造的に支持される弾性タイヤは、内部空気圧力無しに、単にそのトレッド部分、サイドウォール部分およびビード部分の構造要素だけで荷重を支持する。

本発明の構造的に支持される弾性タイヤのトレッド部分は環状補強バンドのように見える（サイドウォールとビード部分が無いと考えた場合）。この環状補強バンドはタイヤの子午線面内および赤道面内での曲げに抵抗する剛性を有している。子午線面とはタイヤの回転軸線が完全に通る面であり、赤道面とはタイヤ構造を二つに分けるタイヤの回転軸線に直角な面である。

平らな面を有する環状バンドの接触状態は地面と接触したタイヤに似ており、その合成反作用は荷重下にあるタイヤの接地応力に似ている。均質な材料から成る堅い環状バンドが平らな面と接触した場合に平衡条件および曲モーメント条件を満足させる圧力分布は、接触面の両端部に一対の集中力（［図2A］にはその一端部が示してある）が集中したものになる。この理想形では環状バンドの剪断変形は起らない。一方、環状バンドが剪断変形する構造の場合には［図2B］に示すように実質的に均一な圧力分布になる。

構造的に支持される本発明の弾性タイヤは地面と接触するトレッド部分と、このトレッド部分から放射方向内側へ延びたサイドウォール部と、このサイドウォール部をタイヤ回転時に車輪へ固定するビード部分とを有する。トレッド、サイドウォールおよびビードが空気タイヤと同様な中空環状空隙を規定する。本発明ではトレッド部分の放射方向内側に環状バンドが配置される。この環状バンドはエラストマーの剪断層と、このエラストマー剪断層の放射方向内側に接着された少なくとも一つの第１の（内側）メンブレンと、エラストマーの剪断層の放射方向外側に接着された少なくとも一つの第２の（外側）メンブレンとを有する。これらのメンブレンはエラストマーの被覆層中に埋め込まれ、積層された実質的に伸びないなコードの補強材料から成るのが好ましい。各メンブレンはエラストマー剪断層の剪断弾性率より十分に大きな縦方向引張り弾性率を有し、外部から荷重が加わった時に地面と接触したトレッド部分が基本的に円形から平らな形へ変形し、しかも、各メンブレンの長さが実質的に一定に維持されるようになっている。各メンブレンの相対移動はエラストマー剪断層内の剪断（shear）によって起る。

この作用効果は［図２Ｂ］に概念的に示してある。［図２Ｂ］に示すように、上記の変形特性を有する環状バンドを使用しない他のタイヤと比べて好ましい結果が得られるのは、接触面長全体で均一な接地圧となる場合である。すなわち、上記の変形特性を有する環状バンドは、タイヤの内部圧力に頼らずに荷重支持部材の役目をするのに十分なタイヤ赤道面内での横方向スティフネス(硬さ)とタイヤ子午線面内での縦方向曲げスティフネス(硬さ)とを有している。

本発明の一実施例では、カーカスがゴム、その他のエラストマー材料中に埋め込まれた放射状補強コードを有し、環状バンドが剪断層とそれとディスクリートな内側および外側のメンブレンとを有する。

一つの変形例では、カーカスがゴム、その他のエラストマー材料中に埋め込まれた放射方向を向いていない補強コード（いわゆるクロスバイアスプライ）を有する。

さらに別の変形例では、タイヤがクロスバイアスプライカーカスを有し、エラストマー剪断層に放射方向から隣接するカーカスの一部が内側メンブレンになる。タイヤクラウンでのカーカスの放射方向外側はエラストマー剪断層に接着され、少なくともこの領域でカーカスは上記の縦方向スティフネス特性を有する。エラストマー剪断層の放射方向外側にはエラストマー材料中に埋め込まれた実質的に伸びない補強コードから成る外側メンブレンが接着される。

本発明の一つの観点から、環状バンドの横方向曲率すなわちタイヤ子午線面内の曲率半径は外側トレッド表面の横方向曲率より小さい。この構造によって接触面で環状バンドの座屈に抵抗する。

本発明構造を用いることによって、タイヤ設計者はタイヤの接地圧とはある程度独立しての垂直スティフネスを調整することができる。これに対して、従来の空気タイヤでは接地圧とタイヤの垂直スティフネスは強く関係している。

タイヤのサイドウォールは環状バンドが支持した荷重を車輪の所で反作用するのに必要な構造すなわち車両重量を支持するのに必要な構造を与える。これに対して、従来の空気タイヤでは荷重の支持はタイヤのサイドウォールの張力差で与えられ、サイドウォールの最小張力は接触面の中央にあり、最大張力は接触面とは反対側の子午線の所にある。［図 3A］に示すように、本発明の構造的に支持された弾性タイヤは接触面の外側のサイドウォールに張力を加えることによって荷重を支持する。最適な荷重支持はサイドウォールが低い有効圧縮ラジアルスティフネスを有し、高い有効引張りラジアルスティフネスを有するときに得られる。これらの状態が満足されたときに車両はタイヤの上部から吊り下げられているといえる。さらに、この最適な荷重支持を得るためにサイドウォールは子午線面内に直線状の断面形状を有し、空気タイヤのような曲率は有していない。

本発明タイヤの垂直スティフネス（荷重下での垂直方向への変形に対する抵抗）はタイヤの逆撓み（counterdeflection）スティフネスによって大きく影響を受ける。この逆の撓みスティフネスは地面と接触していない部分の変形に対するタイヤの対抗手段である。このタイヤの逆撓みによって車軸は垂直方向にある程度移動でき、タイヤの垂直スティフネスを効果的に低下させることができる。このタイヤの逆撓みスティフネスを調整することによってタイヤの垂直スティフネスを調整することができる。

垂直スティフネスはタイヤの回転によっても影響される。本発明タイヤが大きな角速度で回転すると、環状バンドには求心力が生じる。この求心力が周方向応力となって環状バンドは放射状外側へ膨張する。環状バンドの膨張は高い有効ラジアルスティフネスを有するサイドウォールによって抵抗される。接地接触面にはこの求心力が生じないので、全体としては垂直上方への力となり、それが荷重の一部を支持するように働き、タイヤの有効垂直スティフネスが増加する。速度が増加すると、求心力、従ってタイヤの有効垂直スティフネスも増加する。すなわち、速度が増加するとタイヤの撓みが減る。撓みの減少はタイヤの発熱量の発生を減らし、高速性能を改善する。

本発明の一実施例では、構造的に支持された弾性タイヤが地面と接触するトレッド部分を支持するラジアルプライカーカスと、トレッド部分から放射方向内側へ延びたサイドウォール部と、このサイドウォール部をタイヤ回転時に車輪へ固定するビード部分と、トレッド部分の放射方向内側に配置された補強された環状バンドとを有し、この環状バンドはエラストマーの剪断層と、このエラストマー剪断層の放射方向内側に接着した少なくとも一つの第１のメンブレンと、エラストマー剪断層の放射方向外側に接着した少なくとも一つの第２のメンブレンとを有する。

本発明の別の実施例では、構造的に支持された弾性タイヤが地面と接触するトレッド部分を支持するクロスバイアスカーカスと、トレッド部分から放射方向内側へ延びたサイドウォール部と、このサイドウォール部をタイヤ回転時に車輪へ固定するビード部分と、トレッド部分の放射方向内側に配置された補強された環状バンドとを有し、この環状バンドはエラストマーの剪断層と、このエラストマー剪断層の放射方向外側に接着された少なくとも一つの外側メンブレンとを有し、クロスバイアスカーカスのクラウンまたは頂部はエラストマー剪断層の放射方向内側位置に接着されて内側メンブレンの役目をする。
本発明は添付図面を参照した以下の説明からよりよく理解できよう。

以下の説明で用いられる用語は下記の定義を有する：
「赤道面」とはタイヤの回転軸線に直角なタイヤ構造を二つに分ける面を意味する。
「子午線面」とはタイヤの回転軸線を含んだタイヤを通る面を意味する。
エラストマー材料の「モジュラス、弾性率」とはASTM 規格の試験方法Ｄ４１２で測定した１０％伸びでの引張り弾性率を意味する。
メンブレンの「モジュラス、弾性率」とは円周方向での１％伸びでの引張り弾性率にメンブレンの有効厚さを掛けたものを意味する。このモジュラスは従来タイヤのスチールベルト材料に対する下記［式１］で計算できる。このモジュラスはダッシュ（'）を付けて表すことにする。
エラストマー材料の「剪断モジュラス、剪断弾性率」とは弾性剪断弾性率を意味し、１０％伸びで測定した引張り弾性率の３分の１に等しいと定義される。
「ヒステリシス」は２５℃、３０Herz、１０％動的剪断歪みで測定した動的損失のタンジェントを意味する。

［図1］は本発明の構造的に支持された弾性タイヤを示してある。「構造的に支持された」とはタイヤが荷重を気体の膨張圧の支持なしにタイヤの構造要素のみによって支持するということを意味する。以下に開示の構造的に支持された弾性タイヤの各構造は［図1］に類似した基本要素（成分）を利用している。各変形例および各実施例の図面に記載の参照番号は同じにしてある。

［図１］に示したタイヤ100は地面と接触するトレッド部分110と、このトレッド部分110から放射方向内側へ向かって延びたサイドウォール部150と、サイドウォール部の端部にあるビード部分160とを有している。タイヤ100はこのビード部分160を介して車輪10に固定される。カーカス115は２つのビード部分160の間に延び、ビード部分160に固定される。このカーカス115は以下に説明するようにラジアルプライカーカスまたはクロスバイアスプライカーカスにすることができる。上記のカーカス115、トレッド部分110、サイドウォール部分150およびビード部分160によって円環状シェルが形成され、中空の環状空隙５が規定される。

トレッド部分110の放射方向内側には環状補強バンドが取付けられている。［図1］に示した実施例ではこの環状補強バンドはエラストマーの剪断層120と、このエラストマー剪断層120の放射方向最内側に接着された補強層131、132を有する第１（内側）メンブレン130と、エラストマー剪断層120の放射方向最外側に接着された補強層141、142を有する第２（外側）メンブレン140とから成る。

トレッド部分110は溝無しでも、縦方向のトレッドリブ175を形成する複数の縦方向トレッド溝170を有していてもよい。特定用途の車両で要求される条件にあったトレッド模様にするためにトレッドリブ175を横断方向または縦方向にさらに分割することもできる。トレッド溝170の深さはタイヤの用途に応じて決めることができる。トレッド部分110はトレッド部分の切断を防ぎ、異物の挿入から外側メンブレンを保護するためにトレッド溝の底部と外側メンブレンとの間に充分な厚さを有する。この溝下厚さはタイヤの使用目的に応じて増減される。例えば、重量トラックタイヤでは一般に約５〜７mmの厚さにする。

内側メンブレン130および外側メンブレン140の各補強層はエラストマー被覆層中に実質的に伸びない補強要素、例えばコードを埋め込んだものから成る。弾性材料で作られるタイヤの場合には、上記メンブレン130および140は上記エラストマー材料の加硫時に剪断層120に接着される。化学的または機械的に接着する等の他の任意の固定方法でメンブレン130および140を剪断層120に接着しても本発明の範囲を逸脱するものではない。

各メンブレンの層131-132および層141-142の補強要素は従来タイヤのベルト補強材として使用されている任意の材料、例えばスチール、アラミドのモノフィラメントまたはコードや、その他の高モジュラス織布または補強フィラメントで作ることができる。図示した実施例のタイヤの場合、これらの補強材は直径が0.28mmの４本のスチールワイヤコード（4 x 0.28）である。図示した本発明の全ての変形例では各メンブレンがコード補強層を有しているが、環状バンドに要求される引張りスティフネス、曲げスティフネスおよび圧縮座屈抵抗特性の要求条件を満たす任意の材料をこれらメンブレンで使うことができる。メンブレンス構造は種々変更でき、例えば、均一な材料にしたり、繊維補強されたマトリックスにしたり、ディスクリートな補強要素を有する層等にすることができる。

内側メンブレン１３０の層１３１はタイヤ赤道面に対して角度αをなす基本的に互いに平行なコードを有することができる。層１３２は層１３１のコードと反対方向を向いた基本的に互いに平行なコードを有する。例えば、コードは層１３１では角度＋αであり、層１３２では角度−αである。同様に、外側メンブレン１４０は赤道面に対して角度＋βおよび−βを成す基本的に互いに平行なコードを含む層１４１および１４２を有することができる。いずれの場合も、互いに隣接する層の間ではコードの交差角が角度αまたはβの２倍の角度になる。角度αおよびβは一般に約１０〜４５°である。各補強要素の角度αおよびβは１２〜２０°であるのが好ましい。しかし、一方のメンブレン層が他方のメンブレン層のコードに対して互に等しい角度で逆方向を向いている必要は必ずしもなく、例えば、互いに対を成すの２つの層のコードをタイヤ赤道面に対して非対称にすることもできる。

各層131、132および141、142のコードは一般に約20ＭＰａの剪断弾性率を有するエラストマーの被覆層中に埋め込まれている。この被覆層の剪断弾性率をエラストマー剪断層120の剪断弾性率より大きくして環状バンドの変形が主としてエラストマー剪断層120内での剪断変形によって行われるようにするのが好ましい。

荷重下での環状バンドの変形状態は、エラストマー剪断層120の剪断弾性率Ｇと、メンブレン１３０および１４０の有効な縦方向の引張弾性率Ｅ'_membraneとの関係を規定することによってコントロールできる。
従来タイヤのベルト材料を用いた縦方向の引張弾性率Ｅ'_membraneは下記式で求めることができる：

(ここで、
Ｅ_rubber＝エラストマー被覆材料の縦方向の引張弾性率、
Ｐ＝コード方向に対して直角に測定したコード間隔（コード中心間距離）、
Ｄ＝コード直径、
ｖ＝エラストマー被覆材料のポアソン比、
α＝赤道面に対するコード角度、
ｔ＝互いに隣接する層内のケ−ブル間のゴム厚さ）

Ｅ'_membraneはメンブレンの弾性係数にメンブレンの有効厚さをかけたものである。Ｅ'_membrane /Ｇの比が相対的に低いときの荷重下での環状バンドの変形が均質バンドの変形に近くなり、［図2a］に示す不均一接地圧が生じる。逆に、このＥ'_membrane /Ｇの比が十分に大きいときの荷重下での環状バンドの変形は主として剪断層の剪断変形になり、メンブレンの縦方向圧縮または収縮はほとんどなく、従って、［図2B］に示すような実質的に一様な接地圧になる。

本発明では、エラストマー剪断層の剪断弾性率Ｇに対するメンブレンの縦方向の引張弾性率Ｅ'_membraneの上記比が少なくとも約１００：１、好ましくは少なくとも約１０００：１である。４ x ０.２８コードを上記角度で使用した補強コードから成るメンブレンの場合、エラストマー剪断層120の望ましい剪断弾性率は約２０ＭＰａ〜３ＭＰａである。

材料のヒステリシス特性のために、荷重下で繰り返し回転すると、エラストマー剪断層120の変形によってエネルギが逸散する。タイヤに生じる全蓄熱量はこのエネルギ逸散量とエラストマー剪断層の厚さとの関数である。従って、従来の材料を用いたタイヤ設計の場合、エラストマー剪断層のヒステリシスは連続使用のタイヤでタイヤ運転温度が約130℃以下に維持されるようにしなければならない。

メンブレンの縦方向の引張弾性率E'_membraneとエラストマー剪断層の剪断弾性率Ｇとの上記条件が満たされ且つ環状バンドが実質的にエラストマー剪断層の剪断によって変形したときに一つの有利な関係でき、各用途にあった剪断弾性率Ｇの値と剪断層厚さhを求めることができ：

（ここで、
P_eff＝所定の接地圧
Ｇ＝層120の剪断弾性率
h ＝層120の厚さ
R ＝第2のメンブレンのラジアル位置）

P_effとRはタイヤの使用用途に従って選択される設計パラメ−タである。式（2）はエラストマー剪断層の剪断弾性率とエラストマー剪断層のラジアル厚さとの積が、所定接地圧と外側メンブレンの最外側の放射方向位置との積にほぼ等しいということを示している。［図5］は広範囲の接地圧でのこの関係を視覚的に図示したもので、種々の用途でのエラストマー剪断層の特性曲線を見積る場合に利用できる。

上記の関係は本発明のタイヤを設計する場合に有利である。例えば、乗用車用のタイヤを設計する場合には、設計者は接地圧P_effを1.5〜2.5DaN/cm²にし、タイヤ寸法の半径Rを約335mmに選択することができる。これらの値をかけ合わせることによって50.25〜83.75DaN/cmの「剪断層ファクタ」を求めることができ、これを用いて剪断層材料の厚さと剪断弾性率と求めることができる。この場合、約３ＭＰａ〜約10ＭＰａの剪断弾性率で、エラストマー剪断層の厚さhは少なくとも5mm、好ましくは約10mm〜約20mmである。

［図3a］および［図3b］を参照する。本発明タイヤでは、加わる荷重Lを地面と接触していないサイドウォール部分150の領域「A」における張力を介して車輪から環状バンドへ伝達することによって上記荷重Lを支持する。従来の空気タイヤは、これとは対照的に、接地したタイヤの変形によって生じる圧縮されたサイドウォール内の張力差によって荷重が支持される。
本発明のタイヤでは、サイドウォールの張力は実質的に伸びないコードで補強されたカーカス115によって支持される。本発明の一実施例では、カーカスは放射方向に向けられた補強コードの一つまたは複数の層を有する。変形例ではカーカスは少なくとも2つの層を有し、これらの層はクロスバイアスパターン状の向きを有する補強コードを有する。ラジアルカーカスおよびクロスバイアスカーカスの両方が接地していないサイドウォール部分で引張を受けることができるということは当業者には理解できよう。［図3A］の矢印はサイドウォール内に張力が存在することを示すもので、コードの実際の張力方向を示すものではない。

ラジアルカーカスの実施例では、サイドウォール部分は引張に対して実質的に伸びず、圧縮座屈に対して抵抗力が小さい。この状態では、タイヤのサイドウォール部分150は圧縮有効ラジアルスティフネスより十分に大きな引張り有効ラジアルスティフネスを有し、外部から加わる荷重は地面と接触していないタイヤのサイドウォール部分内の張力によって実質的に支持され、地面と接しているタイヤのサイドウォール部分による縦方向荷重支持は実質的にない。この場合、車輪はタイヤ上部から吊り下げられているといえる。

サイドウォール部分の有効ラジアルスティフネスとはサイドウォールのラジアル全体での引張り特性または圧縮特性を意味する。これは例えばサイドウォールから応力無しの幾何形状を維持したサンプルを採り、それを通常の引張り試験機でテストすることで測定できる。空気タイヤで見られる湾曲したサイドウォールはサイドウォールの曲率に関連した引張りスティフネスを有し、この引張りスティフネスは実質的に直線状である本発明タイヤのサイドウォールの引張りスティフネスより小さい。

上記のサイドウォールの圧縮スティフネスの要求条件は、サイドウォール部分がタイヤのラジアル部分の高さの20％以下の軸線方向厚さを有する場合に満足される。

本発明のクロスバイアスカーカスの実施例では、サイドウォールがラジアルカーカスタイヤより堅くなる。荷重の大部分は非接地領域Aでの張力によって支持されるが、クロスバイアスカーカスは接地によって変形したタイヤの部分（［図3A］の領域BおよびC）でのタイヤの撓みに対して追加の抵抗力を与える。クロスバイアスカーカスは周方向の剪断と横方向曲げに対する追加のスティフネスを与える。

［図1］に戻ると、サイドウォール部分150はタイヤ子午線面内で見た時にトレッド部分110とビ−ド部分160との間が直線状に延びていて、従来の空気タイヤのように湾曲していないのが好ましい。サイドウォール部分はトレッド部分からリムまで［図1］に示すよう拡大するか、狭くなるように傾斜していてもよい。

サイドウォール部分150の直線状幾何学形状と補強コードの力／伸び特性は、サイドウォール部分の張力がサイドウォール部分の伸びおよび形状変化を最少限度にするようになっている。これはピンと張った糸の張力を増加させるのに類似している。これに対して、従来の空気タイヤを膨張させた状態で、湾曲したサイドウオ−ルに張力を加えた場合には、この張力によった最初に湾曲状態が真っ直ぐにされ、従って、サイドウォールが実質的に伸びる。そして、湾曲したサイドウォールが真っ直ぐになった後になってから初めてサイドウォールの張力が増加する。

荷重下にある本発明タイヤのサイドウォール内に生じる張力は荷重下にある膨張した空気タイヤのサイドウォールの張力よりはるかに小さい。［図1］に示すように、ビード部分160はタイヤ使用時にタイヤ圧に頼らずにビード部分のシールを正しく維持できるタイヤをリム10に取付ける任意のビード構造にすることができる。この要求条件を満たすビード組立体の例は下記文献に記載されている（この内容は本発明の一部を成す）。
米国特許第5,785,781号明細書（Drieux達）

垂直方向スティフネスはタイヤの荷重下の撓み耐久性に大きく影響する。垂直方向スティフネスを調整することによって各用途にあったタイヤの荷重支持能力に最適化することができる。あるいは、垂直方向スティフネスを調整して環状バンドの厚さを薄くして、接地圧を下げたり、垂直方向スティフネスを所定レベルに維持した状態でタイヤ重量を下げることができる。

タイヤの垂直方向スティフネスは地面と接触していないタイヤ部分の反作用（タイヤの「逆撓み、counterdeflect」）に強く影響される。［図4A］および［図4B］はこの現象を誇張して図示したものである。タイヤに荷重Lが加わると、fの量だけ撓みし、接地面積はＣになる。なお、［図4A］および［図4B］では説明のために標準フレームをタイヤの軸線Ｘが一定位置に維持されるように軸線から地面を上方へ移動させて示してある点に注意されたい。垂直撓みfは荷重Lに比例するので、タイヤの垂直スティフネスＫ_vは求めることができる。環状バンドは一定の長さを維持しようとするので、接触していないタイヤ部分がシフトする、すなわち、図の破線で示すように接触面Ｃから離れて逆に撓む（counterdeflects）。逆撓み量λも荷重Lに比例するので、逆撓みスティフネスＫ_λも求めることができる。この逆撓みスティフネスＫ_λは接地していないタイヤ補強コードが荷重を受けた時の状態に関係し、横方向構造と周方向構造の相互作用が関係することを理解しなければならない。

この逆撓みは、軸線を固定し、接触面でのタイヤの撓みfと接触面と反対側のトレッド面の撓みとを測定することによって荷重Ｆ下のタイヤから直接正確に測定することができる。逆撓みスティフネスは荷重Ｆをこの逆撓み量λで割ることで得られる。

実際には、逆撓みスティフネスＫ_λがタイヤの垂直スティフネス（従って、タイヤの車軸の荷重下の撓み）を実質的にコントロールする。［図4A］から分かるように、逆撓みスティフネスＫ_λが接触面長さを決定する。逆撓みスティフネスが小さいときには環状バンドは荷重下で垂直に移動し、その撓みでの耐荷力が減る。従って、逆撓みスティフネスが大きいタイヤは相対的に逆撓みが少なく、接触面が長くなり、従って、より大きな荷重を支持できる。

［図６］はラジアルカーカスを有するタイヤの垂直スティフネスと逆撓みスティフネスＫ_λとの関係を視覚的に示している。［図６］は、垂直方向スティフネスと本発明で得られる接地圧とは無関係でるということを示している。これは空気タイヤでは得られない設計上の自由度である。一般に、収縮した空気タイヤの単位接触幅当たりの逆撓みスティフネスは0.1DaN/mm²以下であるのに対して、本発明タイヤの単位接触幅当たりの逆撓みスティフネスは約0.1DaN/mm²以上である。

逆撓みスティフネスＫ_λは種々の方法で変更できる。このスティフネスを調整するのに用いることができる設計パラメ−タにはカ−カスコードのモジュラスおよび密度、サイドウオ−ルの高さ、カ−カスコードのエラストマー被覆のモジュラス、カ−カスと環状バンドとの間の結合の幾何構造、結合ゴムのモジュラス、環状バンドのメンブレンの圧縮モジュラス、剪断層の厚さ、タイヤ直径および環状バンドの幅が含まれる。

既に述べたように、クロスバイアスカーカスにすることによって、サイドウォールのスティフネスを変え、環状バンドとサイドウォールとの間の結合を変えることによってタイヤの縦方向スティフネスを増加させることができるということを本発明者は見出した。［図3A］に戻ると、クロスバイアス構造は横方向変形（典型的なラジアルカーカスバルジ）に抵抗するため、クロスバイアス補強コードは接触面Cでの撓みに抵抗する力を生じる。さらに、クロスバイアスコードは接触面Cに入るまたはこの面から出る領域Bで放射方向および周方向に張力成分を生じさせる。サイドウォールは接触面Cの端部で捩れに抵抗し、タイヤを堅くし、撓み量を減少させる。クロスバイアスカーカスのスティフネスの大きさはコードの材料および直径、コードの配置を公知の分析機器を用いて実験することによって選択し、適当に変えることができる。

［図7］を参照する。クロスバイアスカーカスは軽荷重用タイヤの設計で有利である。クロスバイアスカーカス215を有するタイヤ200ではカーカスをビード部分160の間に配置し、エラストマー剪断層120の下側で重ねて２層にする。カーカス215の頂部216すなわちエラストマー剪断層120の下側部分が内側メンブレンの役目をする。頂部216のコードは、エラストマー剪断層に対して十分な周方向スティフネスを得るために、赤道面に対して12〜15°の角度で配置するのが好ましい。［図1］に示したメンブレン130、140のメンブレン補強要素も上記と同じ範囲の角度をしていることは理解できよう。すなわち、クロスバイアスカーカスを用いた場合には内側メンブレン無くすことができ、従って、メンブレンの重量と製造段階の1つをなくすことができる。さらに、この構造では内側メンブレンとカーカスとを結合させる必要がなくなるので、エラストマー剪断層とサイドウォールとの間の力の伝達が良くなると考えられる。このようにエラストマー剪断層とサイドウォールとの結合が良くなることは縦方向スティフネスに良い効果がある。

サイドウォール領域250内のコードはビード領域160と頂部216との間の中間点で周方向に対して30〜60°、好ましくは45°の角度で配置される。周知の関係式cosφ/r≒c（ここで、φは周方向に対するコードの角度、rはタイヤの回転軸線からの半径、cは定数）を用いてカーカスを円環形状にした後にタイヤ頂部およびサイドウォールでコードが上記角度となるようにカーカスを製造ドラム上に配置する方法は当業者には理解できよう。

クロスバイアスカーカス215を外側メンブレン141、142と同様な材料を用いて作る場合には、タイヤ頂部216の縦方向スティフネスを外側メンブレンの縦方向スティフネスとほぼ同じにすることができる。軽荷重用、例えばゴルフカートやファミリーバイク等の小さい乗物の場合には、ナイロンコード等の従来のタイヤ材料を用いたクロスバイアスカーカスが適している。このような構造では、エラストマー剪断層領域内のカーカスの縦方向スティフネスが外側メンブレンの縦方向スティフネスよりも小さいが、軽荷重用にはエラストマー剪断層の剪断係数の少なくとも100倍の縦方向スティフネスで一般に十分である。

本発明タイヤの垂直スティフネスは環状バンドおよびサイドウォール部分に加わる求心力効果によっても影響される。この求心力は回転時にタイヤ速度が増加すると生じる。従来のラジアルタイヤでは求心力はタイヤ運転温度を増加させるが、これとは対照的に、本発明タイヤではこの同じ力から全く予想外の有利な結果が得られる。本発明タイヤが荷重下で回転すると、求心力によって環状バンドは周方向に膨張しようとし、サイドウォール部分にさらに引張り応力を誘導する。放射方向に堅い（スティフな）サイドウォールはタイヤの非接触部分（［図 3A］の領域Ａ）でこの求心力に抵抗し、それによって全体として上向きの合力が生じ、タイヤの有効垂直スティフネスが増加し、静止状態（非回転時）に対するタイヤのラジアル撓みが低下する。この結果は引張り時のサイドウォール部分の有効スティフネスに対するタイヤ赤道面でのバンドの縦方向スティフネス（2 Ｅ'_membrane）の比が100：1以下のときに有意になる。

［図1］に示したタイヤのトレッド部分110、第１のメンブレン130および第2のメンブレン140の横断面形状は平らである。［図3A］から理解できるように、環状バンドの接触領域「C」の部分の歪みは第２のメンブレン140に対しては圧縮歪みである。タイヤの垂直撓みが増加すると、接触長さ「C」が増加し、第２のメンブレン140の圧縮応力が限界座屈応力を超え、メンブレンの縦方向座屈が起こる。この座屈現象によって接触領域の縦方向部分の接地圧が低下する。このメンブレンの座屈が避けられる場合には接地領域全体で均一な接地圧が得られる。断面が湾曲したメンブレンは接触面での座屈により強く抵抗する。

［図8］に示した本発明の変形例では、タイヤ300の環状バンドがエラストマー剪断層320と、内側メンブレン330と、外側メンブレン340とを有している。外側メンブレン340はトレッド部分310の放射方向最外側表面の横方向半径（tranverse radius）より小さい横方向半径を有する。なお、［図8］に示した曲率は実際よりも誇張して示してある。乗用車タイヤの場合、トレッド表面と地面との間の接地圧の最適化から、外側メンブレン340の横方向半径は少なくとも500mmで、トレッド部分310の放射方向最外側表面の横方向半径は少なくとも1000mmにすることが示唆される。湾曲した外側メンブレンを［図7］のバイアスカーカスタイヤ200で使用することもできる。
［図8］に示したタイヤ300の仕様に合った乗用車用に設計されたタイヤを従来のタイヤで使用されている方法および材料を用いて実際に作った。その結果を［表1］にまとめて示す。

上記の主観的評価ではテストした空気タイヤ１は推薦された常温でのタイヤ圧力に膨張し、空気タイヤ２は本発明で作られたタイヤに相当する垂直スティフネスが得られるまでの圧力に膨張したものである。

タイヤ300の仕様に従ったタイヤの縦方向接地応力の平均値は縦方向中心線に沿って正すなわちドライビングであり、接触領域の横方向端部に沿って負すなわちブレーキングになる傾向がある。この差は中心線と環状バンドの横方向端部との間の回転半径の差に起因する。最適のタイヤ性能は中心線と横方向端部との間で縦方向応力がよくバランスした時に得られる。

［図９］は本発明の別の変形例を示している。この図に示したタイヤ400は波状の外側メンブレンを有する。この波は軸線方向に波の波長を有し、ラジアル方向に波の振幅を有する。波の振幅はメンブレンの放射方向最大値と放射方向最小値との差で定義される。波の波長はメンブレンの一連の波の放射方向最大値の軸方向距離として定義される。この波状外側メンブレンは[図8]のタイヤ300のア−チ形メンブレンと同様に接触領域での圧縮に起因する座屈に抵抗する。外部から荷重が加わった時に第２のメンブレンがほぼ円形から平らな形状へ変形することが第２のメンブレンの長手方向の座屈なしに起り、地面との全ての接触領域で地面と接触したレッド部分は実質的に均一な接地圧を維持する。座屈に対する波状メンブレンの有効性は横方向全体の曲率とは無関係である。従って、タイヤ400の外側メンブレン440の横方向曲率半径は、座屈抵抗性とは独立して、接地接触応力を最適化するように決めることができる。外側メンブレン440は2〜5の波形サイクルを有し、トレッド部分410の走行トレッド幅の約20％〜約50％の波形波長を有するのが好ましい。波の振幅はエラストマー剪断層の最大厚さの約20％〜50％の間にするのが好ましく、振幅は一定でも可変でもよい。エラストマー剪断層420の平均値厚さはタイヤ100および300のエラストマー剪断層120および320に対する式（2）で求めた一定厚さの剪断層に相当する。

［図10］および［図11］は外側メンブレンの波の頂部がそれぞれ二つ、四つまたは五つである波状をした外側メンブレンの他の変形例を示している。これらの変形例では、波の頂部は横方向において各トレッド溝の下側に配置された凹部を有する各トレッドリブ内に配置されている。しかし、波の頂部の数がトレッドリブの数の関数である必要はなく、タイヤが縦方向リブを有していることも必須ではない。本発明は平滑タイヤ、溝無しタイヤ、その他のゴム物品にも適用できる。タイヤ400が波の最小部分すなわち凹部の放射方向外側に少なくとも一つのトレッド溝470を有する場合、その溝は従来タイヤの規定トレッド深さよりも深い溝にすることができる。規格トレッド深さとはオハイオ州、コプリーのTire and Rim Associationが規定の各タイヤ用基準トレッド深さを意味する。図示したタイヤ400、500および600の変形例では少なくとも一つのトレッド溝が規格トレッド深さの少なくとも120％の深を有している。

上記本明細書の内容から、上記以外の多数の変形例が当業者には可能であるということは理解できよう。特許請求の範囲の定義に入る変形例およびその他の変形例は本発明の範囲に入るものである。

本発明タイヤの実施例の横断面図。 対照例である均質バンドの場合の接地反作用を図示した概念図。 本発明の環状バンドの場合の接地反作用を図示した概念図。 本発明タイヤの荷重支持機構を示す赤道面での概念図。 本発明タイヤの荷重支持機構を示す子午線面での概念図。 タイヤ赤道面での逆撓みスティフネスを示す図。 タイヤ子午線面での逆撓みスティフネスを示す図。 本発明タイヤの接触面、接地圧および垂直方向荷重の関係を視覚的に示した図。 本発明タイヤの接地圧、垂直方向スティフネスおよび逆撓みスティフネスの関係を視覚的に示した図。 本発明タイヤのクロスバイアスカーカスの実施例の横断面図。 ア−チ形メンブレンを有する本発明タイヤの横断面図。 波状の第２のメンブレンを有する本発明タイヤの横断面図。 図９に示す実施例の変形例に対応する本発明タイヤの横断面図。 図９に示す実施例の他の変形例に対応する本発明タイヤの横断面図。

Claims (19)

1. 地面と接触するトレッド部分と、このトレッド部分から放射方向内側へ延びたサイドウォール部と、タイヤを車輪へ固定するためのビード部分とを有する構造的に支持された弾性タイヤであって、
   両方のビード部分間に延びた少なくとも２層のカーカスプライを有し、各カーカスプライはタイヤの赤道面に対して１０°以上でかつ４５°以下の角度を成した互いに平行な補強コードを含み、少なくとも２層内のコードは互いに斜めに交差し、カーカスプライの放射方向外側にはエラストマー剪断層が配置され、このエラストマー剪断層の放射方向外側にはメンブレンが接着され、このメンブレンおよび上記エラストマー剪断層の放射方向内側に配置されたカーカスプライの一部は上記エラストマー剪断層の剪断弾性率より大きな縦方向の引張弾性率を有することを特徴とする弾性タイヤ。
2. カーカスプライの補強コードがタイヤ頂部の所で赤道面に対して１５°〜２０°の角度に配置されている請求項９に記載のタイヤ。
3. カーカスプライの補強コードがサイドウォール部分の所で赤道面に対して３０°〜６０°の角度で配置されている請求項１に記載のタイヤ。
4. カーカスプライが補強コードを含む２枚のシートからなる請求項１に記載のタイヤ。
5. カーカスプライが補強コードを含む単一シートからなり、このシートはビード部分に巻き付けられ、その自由端は赤道面上で互いに重なるように配置されている請求項１に記載のタイヤ。
6. エラストマー剪断層がカーカスプライに直接接着している請求項１に記載のタイヤ。
7. エラストマー剪断層の剪断弾性率に対するエラストマー剪断層の放射方向内側に配置されたカーカスプライの一部の縦方向の引張弾性率の比が少なくとも１００：１である請求項1に記載のタイヤ。
8. エラストマー剪断層の剪断弾性率に対するメンブレンの縦方向の引張弾性率の比が少なくとも約１００：１である請求項１に記載のタイヤ。
9. エラストマー剪断層の剪断弾性率に対するメンブレンの縦方向の引張弾性率の比が少なくとも約１０００：１である請求項８に記載のタイヤ。
10. メンブレンが実質的に伸びないコード補強材の層から成り、このコード補強材はエラストマー剪断層の弾性剪断弾性率に少なくとも等しい剪断弾性率を有するエラストマーの被覆層中に埋め込まれている請求項１に記載のタイヤ。
11. メンブレンのコード補強材がタイヤの周方向に対して１０°〜４５°の角度を成す請求項１０に記載のタイヤ。
12. 第２のメンブレンがエラストマー剪断層とカーカスプライとの間に配置され、この第２のメンブレンはエラストマー剪断層に接着され且つエラストマー剪断層の剪断弾性率より大きな縦方向の引張弾性率を有する請求項１に記載のタイヤ。
13. 第２のメンブレンが実質的に伸びないコード補強材の層から成り、このコード補強材がエラストマー剪断層の剪断弾性率に少なくとも等しい剪断弾性率を有するエラストマーの被覆層中に埋め込まれている請求項１２に記載のタイヤ。
14. 第２のメンブレンのコード補強材がタイヤの周方向に対して１０°〜４５°の角度を成す請求項１３に記載のタイヤ。
15. 単位接触幅当たりの逆撓み（counterdeflection）スティフネスが０.１DaN/mm²以上である請求項１に記載のタイヤ。
16. Ｇ・ｈ≒Ｐ・Ｒ（ここで、Gはエラストマ剪断層の剪断弾性率、hはエラストマー剪断層の放射方向厚さ、Pは所定のタイヤ接地圧力、Rはメンブレンの放射方向最外側位置）である請求項１に記載のタイヤ。
17. サイドウォール部分がタイヤ子午線面内で直線状である請求項１に記載のタイヤ。
18. サイドウォール部分の最大厚さがタイヤのラジアル断面高さの２０％である請求項１７に記載のタイヤ。
19. サイドウォール部分の最大厚さがタイヤのラジアル断面高さの１０％である請求項１７に記載のタイヤ。

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