JP4914211B2 - コンプライアントホイール - Google Patents

Description

本発明は構造的に支持された (structurally supported) 非空気圧タイヤ（non-pneumatic tire）およびホイールに関するものである。
本発明は特に、空気タイヤのような性能を有し、空気タイヤの代わりとして使用でき、さらには、空気タイヤより優れたタイヤ構造部材によって荷重を支持する非空気圧タイヤに関するものである。

空気タイヤはコンプライアンス（compliance、外力をうけたときの物質の弾力性、たわみ性）、快適性、重量および走行抵抗に関するベストな解決策であるが、複雑で、メンテナンスを必要とし、傷を受け易いという欠点もある。空気タイヤの性能を改良した装置はコンプライアンスがより良くなり、スティフネスをより良くコントロールでき、メンテナンスの必要性が少なくなり、損傷に対する抵抗性が大きくなる。

従来のソリッドタイヤ、スプリングタイヤ、クッションタイヤにはメンテナンスの必要性や傷を受け易いといった空気タイヤの欠点はないが、残念なことに、空気タイヤの利点もない。特に、ソリッドタイヤとクッションタイヤは一般にソリッドリムを有し、その周りを弾性材料層が取り囲んでいる。これらのタイヤでは荷重の真下にある接地部分の弾性材料の圧縮によって荷重が支持されるが、この形式のタイヤは重くて堅く、空気タイヤの衝撃吸収能力もない。

スプリングタイヤは一般にリジッドな木製、金属製またはプラスチック製のリングを有し、このリングはバネまたはバネ状要素を介してハブに結合されている。従って、ハブはバネで吊り下げられ、可撓製のないリングはほんのわずかな面積でした地面と接触せず、従って、コンプライアンスはほとんどなく、トラクション特性およびステアリングコントロール性も悪い。

従って、特殊なものを除くと、公知の非空気圧タイヤで空気タイヤの代りに広く使用されたものは無かった。

上記欠点を改良した非空気圧のコンプライアントホイール（compliant wheel）は空気タイヤと同様な性能特性を有し、従来法の上記の課題を克服できるが、そのさらなる改良が求められている。

本発明のコンプライアントホイールは、ホイールハブに加わる荷重を支持するコンプライアントバンドと、このコンプライアントバンドとハブとの間でテンション（張力）によって荷重力を伝達する複数の張力支持要素とを有する。この張力支持要素は実質的に圧縮下に荷重を支持するのではないが、空気タイヤのようなサスペンションをハブに与える。

本発明の好ましい実施例では張力支持要素は圧縮下に張力支持力と可撓性とを与えるエラストマー材料で作られたシート状要素のウェブスポークである。その他の張力伝達要素、例えばコードまたはケーブルも使用でき、本発明が以下で説明するウェブスポークに限定されるものではない。

本発明の一つの実施例のコンプライアントホイールはコンプライアントバンドと、このコンプライアントバンドからほぼ放射方向内側へホイール軸線に向って横断方向へ延びた複数のウェブスポークと、このウェブスポークをハブに結合するための手段とを含む。

本発明の別の実施例では、コンプライアントホイールがコンプライアントバンドの放射方向外側表面に形成された（または取り付けられた）トレッドまたは摩耗部分を有する。

「ハブ」とはコンプライアントホイールを支持し且つ車軸に取付けるための任意のデバイスまたは構造物を意味する。

コンプライアントバンドは荷重下で障害物を覆い、地面や床のような接触面に沿って変形する変形可能な（コンプライアントバンドの湾曲を含む）材料から成る。コンプライアントバンドは荷重下での湾曲変形によって接触面に対して接触パッチが形成され、それによって空気タイヤのようにトラクション力とステアリング力とが伝達される。ホイール材料のコンプライアンスの一つの観点はコンプライアンスバンドの曲げ量がホイールに加わる荷重の大きさに関係していることである。

コンプライアントバンドはエラストマー材料、例えば天然ゴムまたは合成ゴム、ポリウレタン、発泡ゴムおよびポリウレタン、セグメント化コポリエステルおよびナイロンのブロックコポリマー等の材料で形成することができる。エラストマー材料は約９MPa〜約60MPaの弾性率を有するのが好ましい。コンプライアントバンドは補強しなくてもよいし、コンプライアントバンドの周方向の非伸張性を増加するために補強プライを有してもよい。

ウェブスポークはハブとコンプライアントバンドとを連結し、ハブとコンプライアントバンドとの間の張力によって荷重力を伝達する。その機能の中で特に大きな機能は車両の重量を支持する機能である。荷重を支持する力はコンプライアントバンドの接地部分と結合していないウェブスポーク内のテンション（張力）から生じる。荷重が加わるハブはコンプライアントバンド上部（これが荷重を支持するアーチを規定する）から吊り下げられているといえる。

ウェブスポークは張力に対する高い有効スティフネス(effective stiffness in tension)と圧縮に対する低い有効スティフネス(effective stiffness in compression)とを有するのが好ましい。圧縮スティフネスが低いことによって大きな垂直荷重支持力を伝達せずにコンプライアントバンドの接地部分に取り付けられたウェブスポークはコンプライアントバンドの接地部分での変形を許容できる。ウェブスポークはその長さに比べて厚さが薄いので、一般に圧縮下で湾曲する。接触領域でウェブスポークによる圧縮荷重の支持がないことによってコンプライアントバンドは接触パッチをより容易に形成することができ、より容易に曲がって障害物を吸収することができる。さらに、地面からハブへの直接的連結がない（従って、地面の衝撃はコンプライアントバンド上を回って送られ且つ張力が加わっているウェブスポークを通して送られなければならない）ので、コンプライアントホイールは空気タイヤと比べて快適性および衝撃吸収性が向上する。

さらに、ウェブスポークは加速、停止および方向転換で要求される力を伝達する。ウェブスポークは所望の機能が得られるようにその配置と向きが選択できる。例えば、比較的小さな周方向スティフネスが望まれる用途では、ウェブスポークをコンプライアントホイールの回転軸線に対して平行かつ放射状に配置することができる。周方向のスティフネスを高めるために回転軸線に直角なウェブスポークと軸線と整合したウェブスポークとを交互に配置することができる。別の変形例ではコンプライアントホイールの軸線に対して斜めにウェブスポークを配置して周方向と軸線方向の両方のスティフネスを与える。別の変形例では、赤道面で見たときに交互に斜めの配置すなわちジグザグパターンにウェブスポークを配置する。ホイールの周方向スティフネスに合わせてその他の同様な配置を用いることができることは理解できよう。

トレッドの接地部分のウェブスポークの曲げを容易にするために、ウェブスポークをカーブさせることもできる。あるいは、成形中にウェブスポークが特定の方向に曲がる性質を有するように成形することもできる。別の変形例ではハブとウェブスポークとの間またはリングとウェブスポークとの間に張力によって作用するが圧縮下ではウェブスポークの相対移動を可能にする連結部を設けることもできる。

本発明の好ましい実施例ではコンプライアントホイールがハブと、コンプライアントバンドと、ハブの放射方向外側に配置され且つハブと同心状に配置された荷重支持バンドと、ハブとコンプライアントバンドとの間に延びた複数のウェブスポークとから成り、コンプライアントバンド中には補強メンブレンまたはプライが埋め込まれている。補強プライはエラストマー層中に埋め込まれた周方向に整合したコードから成るのが好ましい。この実施例では補強プライは荷重力下でコンプライアントバンドの周方向長さを制限するように作用して、ウェブスポークに張力をより良く加え、それによって荷重支持能力が増加する。

この実施例の別の観点から、メンブレンまたは補強プライの縦方向引張弾性率はコンプライアントバンドの弾性率よりも高い。

この実施例のさらに別の観点から、メンブレンまたは補強プライはコンプライアントバンドのほぼ中立軸線上に位置している。さらに好ましいものは補強プライが中立軸線の放射方向内側に位置しているものである。
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。

「赤道面」とはホイールの回転軸線に直角な、ホイール構造を２つに分ける面を意味する。
「子午線面」とはホイールの回転軸線を含む、ホイール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。
「ヒステリシス」とは運転時の歪み、温度、周波数で測定した動的損失のタンジェント（ｔａｎδ）を意味する。運転条件は各用途で異なる（例えばゴルフカートとスポーツカーでは要求される荷重および速度が違う）ので、歪み、温度、周波数は各用途に合わせなければならないということは当業者には理解できよう。
各変形例の図面では同じ参照番号を用いてある。図を明瞭にするために、図面の縮尺は正確ではなく、各要素の寸法は拡大、縮小してある。

［図１］は本発明のコンプライアントホイールの一つの実施例（赤道面での概念図）を示している。本発明のコンプライアントホイールは空気タイヤのトラクション特性、ステアリング特性またはサスペンション特性が望まれる用途、さらにはこれらの特性をさらに改良する必要のある用途で有用である。本発明のコンプライアントホイールは、空気タイヤよりメンテナンスを必要としないホイールで、コンプライアンス特性およびスティフネス特性を向上させることができる。本発明のホイールは自動車用途の他に、例えば車椅子、ガーニー（車輪付き担架）、病院用ベッド、高感度機器用カート、衝撃感度が重要なその他の車両や乗り物で有利に使用できる。さらに、本発明ホイールは椅子、その他の家具のキャスタの代わりとして用いることができ、さらにはベビーカー、スケートボード、インラインスケートなどのホイールとして用いることができる。さらに、本発明のコンプライアントホイールは荷重支持ホイールまたは荷重付与ホイールを使用した機械や機器で使用できる。以下では説明のために「車両」という用語を用いるが、以下の説明はコンプライアントホイールを取り付けることができる任意の装置に適用できる。

［図１］に示したタイヤ100はリング状のコンプライアントバンド110と、このコンプライアントバンドに対して横向き且つそれから内側へ向かって延びたウェブスポーク150と、このウェブスポークの放射方向内側端部にある取付けバンド160とを有している。ホイール100はこの取付けバンド160を介してハブ10に固定される。コンプライアントバンド110の外面にはトレッド部105が形成されている。このトレッド部105は［図１］に示すようなコンプライアントバンド110に結合された追加の層にすることができ、この追加の層は例えばバンド材料とは異なるトラクション特性および摩耗特性を有することができる。［図３］に示す変形例ではコンプライアントバンドの外側表面をトレッド部105にすることもできる。トレッド部105にはトレッドパターンが形成でき、溝107やリブ109を含むことができる。

［図１］の実施例のウェブスポーク150は既に述べたようにホイールを横断する方向へ延びている。この横断方向に延びるとはウェブスポーク150がホイールの片側から反対側まで延びて、回転軸線と整合するか、ホイールの軸線に対して斜めになることを意味する。「内側に向かって延びる」とはウェブスポーク150がコンプライアントバンドとハブとの間に延び、ホイール軸線に対して放射状の面内に位置するか、この放射状の面に対して斜めに位置することを意味する。以下で説明するように、第２の複数のウェブスポークを赤道面内に配置することもできる。

コンプライアントバンド110はコンプライアントホイールに加わる荷重を支持し、地面（または他の支持面）の形状に沿って弾性変形してトラクション性能およびハンドリング性能を発揮する。［図１］［図２］に示すように荷重Ｌがホイール回転軸線Ｘに加わると、コンプライアントバンド110はＣ領域で接地し、湾曲するか変形して接触パッチを形成する。コンプライアントバンド110の非接地部分である領域Ａはアーチと同様な役目をし、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周方向圧縮スティフネスおよび縦方向曲げスティフネスを与える。車両(図示せず)からハブ10に伝達されてホイール100に加わる荷重Ｌは基本的に荷重支持領域Ａに固定されたウェブスポークから吊り下げられる。接触領域Ｃのウェブスポークには荷重Ｌによる張力が加わらない。アーチとして作用するコンプライアントバンド110の部分はコンプライアントホイールの回転とともに常に変化するが、この荷重支持機構を理解するのにアーチの概念が役立つことは理解できよう。

コンプライアントバンド110の曲げ量、従って、接触パッチまたは領域Ｃの寸法は荷重Ｌに比例する。荷重下でバンドが弾性的に曲がる能力によって空気タイヤと同じように作用する柔軟な接地面Ｃが与えられ、空気タイヤと同様な有利な結果が得られる。例えば、コンプライアントバンド110は障害物を覆ってスムーズに走行することができる。また、コンプライアントバンド110はトラクション、コーナリングおよびステアリングに必要な力を地面や路面に伝達する。

これとは逆に、典型的なソリッドタイヤまたはクッションタイヤではリジッドなハブの下のクッション材料が圧縮され、接触面でタイヤ構造が圧縮されて荷重が支持される。このクッション材料のコンプライアンスはリジッドなホイールまたはハブ上の材料の圧縮特性および厚さによって制限される。

コンプライアントバンド110はエラストマー材料で作られる。このエラストマー材料には天然ゴムおよび合成ゴム、ポリウレタン、発泡ゴムおよびポリウレタン、セグメント化コポリエステルおよびナイロンのブロックコポリマー等の材料が含まれる。このエラストマー材料は約９MPa〜約60MPaの弾性率を有するのが好ましい。当技術分野で公知のように、コンプライアントバンドの適正なコンプライアンス、可撓性および弾性が得られる限り、エラストマー材料は上記ポリマーの他に充填剤、調節剤、硬化剤など一緒に用いて調製できる。

荷重下での回転による反復変形でコンプライアントバンド110にはヒステリシス損が生じ、コンプライアントホイールに熱が蓄積される。コンプライアントバンド材料のヒステリシスは使用する材料で許容される運転温度（operating temperature）以下が維持できるようにしなければならない。従来のタイヤ材料（例えばゴム）の場合、連続使用するコンプライアントホイールで、コンプライアントバンドのヒステリシスは例えば約100℃以下のコンプライアントホイールの運転温度が維持できるようにしなければならない。

[図２]［図３］を参照する。ウェブスポーク150は略シート状の要素で、放射方向長さＮと、軸線方向幅Ｗ（一般にコンプライアントバンド110の軸線方向幅に対応）と他の寸法に対して直角方向の厚さとを有している。厚さは長さＮまたは幅Ｗよりはるかに小さい。そうすることによって[図１]に示すようにウェブスポークは圧縮下で湾曲し、曲がることができる。この薄いウェブスポークは接触面Ａの通過時に実質的に圧縮抵抗なしに湾曲できる（すなわち、荷重の支持に圧縮力をほとんどあるいは全く与えない）。ウェブスポークが厚くなると接地面でウェブスポークがある程度の圧縮荷重支持力を与えるが、ウェブスポーク全体の主たる荷重伝達作用はテンション（張力）である。ウェブスポークの厚さは各車両の要求条件を満たすように選択できる。

［図２］に示すように、コンプライアントバンド110に対するウェブスポーク150の向きは軸線方向を横切る方向であるのが好ましい。従って、ウェブスポーク150（［図１］の領域Ａに対応する図面の上側部分）内のテンション（張力）はコンプライアントバンド110を横切って分布し、荷重Ｌを支持する。

図示した好ましい実施例ではウェブスポーク150は引張り弾性係数が約10〜100Mpaのエラストマー材料で作られている。必要な場合にはウェブスポークを補強することができる。このウェブスポーク材料は30%歪みを与えた後に初めの長さに戻るような弾性挙動を示し、かつ、4％歪みを与えたときに一定の応力を示さなければならない。さらに、この材料のｔａｎδは関連する運転条件で0.1を越えないのが望ましい。これらの要求条件を満足する材料は市販のゴムまたはポリウレタン材料にある。クロンプトン社のユニロイヤルケミカル部門（コネチカット州、ミドルベリー）のVibrathane B836（登録商標）ウレタンが上記ウェブスポークに適していることが分っている。

[図３]を参照する。本発明の一実施例ではウェブスポーク150が放射方向内側取付けバンド160によって互いに連結されている。この取付けバンド160はハブ10を取り囲み、ホイールをハブに取り付けている。ウェブスポーク150の放射方向外側端部は境界バンド170によって互いに連結され、この境界バンド170がウェブスポーク150をコンプライアントバンド110に結合する。ウェブスポーク150と、取付けバンド160と、境界バンド170とを単一材料から一つのユニットとして成形するのが便利である。

コンプライアントバンド110およびハブまたはホイール10を構造する材料および取付け方法に応じて、取付けバンド160または境界バンド170を無くしたり、ウェブスポークをコンプライアントバンド110およびハブ10に直接接着することもできる。例えば、コンプライアントバンド110がウェブスポークと同一材料またはコンパチブルな材料で作られている場合には、ウェブスポーク、コンプライアントバンドおよび取付けバンドを一体ユニットとして一段階で成形して本発明のコンプライアントホイールを製造することができる。同様に、ウェブスポークをハブに直接成形し、取付けバンドを無くすこともできる。

さらに別の実施例ではウェブスポーク150をハブに機械的に結合することができ、例えば各ウェブスポークの内側端部に拡大部分を設けてハブの溝手段と係合させたり、ハブに形成されたフックまたはバーの所にループを形成するように隣接するウェブスポークを取り付けることができる。［図４］はこうした実施例の一つを示しており、ウェブスポーク150がループ152を形成し、このループ152がハブ10の半径外側部分でフック154と係合する。

テンション（引張）に対しては高い効率的なスティフネスを有し且つ圧縮に対しては極めて低いスティフネスを有するウェブスポークを用いることによって実質的に引張りのみの荷重支持を得ることができる。特定の方向への曲げを容易にするためにウェブスポークをカーブさせることもできる。あるいは、ウェブスポークに曲率を持たせて成形し、その後に冷却中に熱収縮によって真直ぐにして特定の方向へ曲がる性質を付与することができる。

ウェブスポーク150は例えばホイールにトルクが加わった時のコンプライアントバンド110とハブ10との間の捩れに耐えなければならない。さらに、ウェブスポーク150は例えば方向転換またはコーナリング時の横方向の撓みにも耐えなければならない。ウェブスポーク150は放射方向−軸線方向面内にあるということは理解できよう。すなわち、ウェブスポーク150は放射方向および軸線方向の両方に整合し、軸線方向の力に対する抵抗力は大きいが、特に放射方向へ延びた場合の周方向トルクに対する抵抗力が小さい。ある種の車両および用途、例えば発生トルクが比較的小さい車両および用途では、相対的に短いスポークを放射方向に整合させたウェブスポーク集合体が適している。

大きなトルクが予想される用途では[図５]〜[図７]に示す配置、構造が適している。[図５]ではウェブスポーク150が軸線方向から見てＸを繰返すパターンに配置され、一対のウェブスポークが中心で結合してＸを形成している。[図６]ではウェブスポークが放射方向に対してジグザグなパターンに配置されている。[図７]では隣接するウェブスポークが軸線方向に対して互いに反対を向くようにジグザグパターンに配置されている。これらの変形例の向き（orientation）は放射方向および周方向の両方で力に抵抗する成分を与え、従って、放射方向および横方向の力に抵抗する成分を保持したままトルクに対する抵抗力が加えられる。これらの向きの角度は使用するウェブスポークの数および隣接する２本のウェブスポークの間隔に応じて選択できる。

さらに他の配置にすることもできる。[図８]に示すように、ウェブスポークを放射方向に見て山形またはＶ字型に配置することもできる。[図９]に示す別の変形例では隣接するウェブスポークの向きを軸線方向および周方向で交互に整合させている。[図８]および[図９]の変形例は接触領域でのウェブスポークの曲げを十分に許容するのが難しい点で上記のものより好ましくはない。

本発明コンプライアントホイールの一つの利点はコンプライアントバンドおよびウェブスポークの寸法および配置をいろいろ変えることができ、ホイールの垂直方向、横方向および捩れスティフネスを接地圧とは独立して且つ互いに独立して調整することができる点にある。コンプライアントバンド110の運転パラメータ、荷重支持性およびコンプライアンスは設計荷重要求条件を満たすように赤道面（［図１］の面）内での周方向圧縮スティフネスおよび縦方向曲げスティフネスを有する材料の選択によってその一部は決まる。これらのパラメータはコンプライアントホイールの直径、コンプライアントバンドの軸線方向幅、バンドの放射方向厚さおよびウェブスポークの長さと間隔を考慮して検討される。

ウェブスポークの数はコンプライアントバンドを円形に維持するように選択され、隣接する２本のウェブスポークの間隔にも依存する。
クッションホイールおよびスプリングホイールと異なるコンプライアントホイールの特徴的構造は荷重支持コンプライアントバンド110とウェブスポーク150の両方が弾性的に湾曲可能であること、すなわち可撓性がある点にある。この構造にするためには２つの点を考慮する必要がある。すなわち、荷重を支持する間、荷重コンプライアントバンド110が十分な均一性を維持して、スムーズな走行ができ且つ接触領域中へおよびそれから外へ湾曲するときのウェブスポークの疲労破壊が防止できることである。

スムーズな走行を考える場合、コンプライアントバンド110を［図10］に概念的に示すように隣接するウェブスポーク150によって両端が支持された一連のビームセグメントとして分析できるということを本発明者達は見出した。軸線の所で加わる荷重によってウェブスポーク150に生じる張力Ｔは隣接する２本のウェブスポーク間のビームセグメント112の圧縮力Ｋとなって現れる。圧縮力がビームセグメント112の縮む能力を超えると破線で（誇張して）示す座屈（buckling）が起こる。この座屈すなわち放射方向変位量μによってコンプライアントバンド110の走行半径が不均一になり、走行がスムーズでなくなる。

コンプライアントバンド110とウェブスポーク150の特性を選択することによって、上記の放射方向変位量μをスムーズな走行ができる実質的に均一な範囲内に維持することができる。放射方向変位量μは下記の関係式を用いてコンプライアントホイール要素の物理的特徴と関連付けることができる：

（ここで、
μ_p/pはピークツーピーク（peak to peak）放射方向変位量（mm）、
ｖはコンプライアントリングのポアソン比、
Ｅはリングの弾性係数（N/mm²）、
Iはリングの断面２次モーメント（mm⁴）、
Tはスポークのテンション（張力）（N）、
r₀はリングの公称半径（mm）、
nはスポークの数である）

スムーズな走行を行なうためには放射方向変位量μが小さくなければならないということは理解できよう。この放射方向変位量μはコンプライアントバンドの半径に関連付けるのが便利であり、コンプライアントバンド110の公称半径r₀と放射方向のピークツーピーク変位量μとの比は約1500以上であるのが好ましい。

上記の式が示すように、半径と放射方向変位量とのこの比はコンプライアントバンド110とウェブスポーク150の各種パラメータを変えること、例えばスポークの数を増やしたり、コンプライアントバンドのスティフネスを高くすることで得られる。

コンプライアントホイールの設計で考慮すべき別のファクターはウェブスポークの疲労寿命である。ウェブスポークには荷重時にコンプライアントバンドが受ける撓み量に応じて大きな曲げ応力が加わり、疲労する。スポークの最大歪みエネルギーは各用途で予想されるサイクル数に対してスポーク材料の疲労限界値以下でなければならない。放射方向ウェブスポークに対する最大歪みエネルギーは下記式を用いて推定できる：

（ここで、
ｖはスポークポアソン比、
Ｅはスポークの弾性係数（N/mm²）、
Ｌはスポーク長さ（mm）、
ΔＬはスポークの放射方向最大変位量（mm）、
ｔは矩形断面と仮定したスポークの周方向厚さ（mm）である）

垂直方向のスティフネスは荷重下での撓みに対するホイールの抵抗性に関係する。ホイールの垂直方向スティフネスは地面と接触していない部分のホイールの反作用（コンプライアントホイールの「逆撓み、counterdeflect」）に強く影響される。［図11］はこの現象を誇張して図示したものである。ホイールに荷重Ｌが加わっているときにはｆの量だけ撓み、接地面の部分が地面の形に変形し、接地面積はＣになる。なお、［図11］では説明のために標準フレームをコンプライアントホイールの軸線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。コンプライアントホイールは弾性体であり、従って、垂直撓みｆは荷重Ｌに比例するので、コンプライアントホイールの垂直スティフネスＫ_vはこの値から求めることができる。

コンプライアントバンド110（概念図）の周方向スティフネスは荷重下での引張、圧縮および曲げに抵抗して荷重が加わっていない時の周方向状態を維持しようとする。従って、荷重下ではコンプライアントホイールの接触していない部分がシフトし、図の破線で示すように接触面Ｃから離れて逆に撓む（counterdeflects）。この逆撓みの量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は主としてコンプライアントバンドの周方向圧縮スティフネスと接地していないウェブスポークが荷重を受けた時の状態とに関係し、コンプライアントバンドの横方向および縦方向曲げが多少関係する。
この逆撓みは荷重Ｆ下のコンプライアントホイールから直接正確に測定できる。すなわち、軸線を固定し、接触面でのコンプライアントホイールの撓みｆと接触面と反対側のトレッド面の撓みとの測定で得られる。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がコンプライアントホイールの垂直スティフネス（従って、コンプライアントホイールの車軸の荷重下での撓み）を実質的にコントロールする。逆撓みスティフネスが小さいとコンプライアントバンド110は荷重下で垂直に移動し、その撓み下での耐荷重能力が低下する。［図10］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。従って、逆撓みスティフネスが大きいコンプライアントホイールは相対的に逆撓みが少なく、接触面が長くなる。

各コンプライアントホイールの荷重支持能力は垂直方向スティフネスを調整することによって最適化できる。逆に、垂直方向スティフネスを調整することでコンプライアントバンドの厚さを薄くし、それによっ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ままコンプライアントホイールの重量を減らすことができる。

逆撓みスティフネスＫ_λは種々の方法で変更できる。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−タにはウェブスポークのモジュラス、ウェブスポークの長さ、ウェブスポークの曲率、ウェブの厚さ、コンプライアントホイールの直径、コンプライアントバンド層の厚さおよびコンプライアントバンドの幅が含まれる。

好ましい実施例ではコンプライアントバンド110が補強層130を含んでいる。この補強層130は荷重下で変形したときにバンドを周方向に拘束する。補強層またはプライはコンプライアントバンドの中立軸線（neutral axis）の所か中立軸線のわずかに内側の所、すなわち、放射方向外側表面と放射方向内側表面との略中間部分か中立軸線のわずかに放射方向内側に配置するのが好ましい。この補強層またはプライ130はコンプライアントバンドの周方向に張力を加える。

補強材には任意の適当な材料を用いることができる。補強層の構造は種々変更でき、例えば均一材料（例えば薄い金属シート）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。補強層またはプライ130を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コンプライアントバンド110またはコンプライアントバンド110内部に接着しても本発明の範囲を逸脱するものではない。補強層またはプライ130は２つ以上の層を含むこともできる。

好ましい実施例では補強層はエラストマー被覆層中に埋め込んだ実質的に伸びない複数のコード補強材を含む。弾性材料で作られたコンプライアントホイールの場合、補強層またはプライ130はエラストマー材料120の２つの部分層の間に配置し、硬化したエラストマー材料によって接着することができる。あるいは、コンプライアントバンドの成形プロセス時に補強層またはプライ130をその中に埋め込むこともできる。補強層またはプライ130の補強要素は従来のタイヤのコンプライアントホイールベルトの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、その他の高モジュラス織布で作ることができる。図示した実施例のコンプライアントホイールの場合、補強材は４本の直径が0.26mmのワイヤから成るスチールコード（4 x 0.26）である。

補強層またはプライ130は周方向に対して任意の角度をなす基本的に互いに平行な複数のコードを含む。一つの有利な配置はコードをコンプライアントホイールの赤道面に対して約0ーの角度で配置して引張りスティフネスを高くしたものである。
２つ以上の補強層またはプライ130を設ける変形例では、それぞれの層のコードを周方向に対してある角度で且つ互いに逆向きに配置することができる。
コードは一般に約９〜60MPaの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。
本明細書の上記内容から当業者には上記以外の多数の変形例が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。

荷重下にある本発明コンプライアントホイールの赤道面での概念図で、支持面での本発明コンプライアントホイールのコンプライアンスを示す。 本発明コンプライアントホイールの子午線面での概念図で、荷重支持機構を示す。 本発明コンプライアントホイールの実施例の子午線面での断面図。 本発明コンプライアントホイールの変形例の赤道面での概念図。 ウェブスポークのＸパターン配置を示すコンプライアントホイールの赤道面で見た断面図。 ウェブスポークの「ｖ」パターン配置を示す赤道面で見た図。 ウェブスポークの斜めの軸線パターン配置を回転軸線へ向かって放射方向から見た図。 ウェブスポークの山形配置を回転軸線へ向かって放射方向から見た図。 ウェブスポークが周方向と軸線方向に交互に整合した配置を回転軸線へ向かって放射方向から見た図。 荷重下のバンドの圧縮変形状態を示すコンプライアントバンドセグメントと支持ウェブスポークの断面図。 コンプライアントホイールの赤道面で見たときの逆撓みスティフネスの概念図。

Claims (19)

1. コンプライアントホイールであって、
   ハブと、このハブの放射方向外側に配置されたコンプライアントバンドと、上記ハブおよび上記コンプライアントバンドの間に延び且つこれらに結合された複数の張力伝達要素と、を有し、
   上記張力伝達要素は上記ハブと上記コンプライアントバンドとの間で張力を伝達し且つ圧縮力は実質的に伝達せず、
   上記コンプライアントホイールの回転軸線に加わる荷重によって上記張力伝達要素に生じる張力Ｔが、隣接する張力伝達要素間のビームセグメントに圧縮力Ｋを発生させ、この圧縮力Ｋが上記コンプライアントバンドのピークツーピーク放射方向変位μを生じさせ、 このピークツーピーク放射方向変位μ（mm）は、Ｅが上記コンプライアントバンドの弾性係数（N/mm²）、Ｉが上記コンプライアントバンドの断面２次モーメント（mm⁴）、νが上記コンプライアントバンドのポアソン比、Ｔが上記張力伝達要素に生じる上記張力Ｔ（N）、ｒ₀が上記コンプライアントバンドの公称半径（mm）、ｎが上記張力伝達要素の数とすると、以下の式：
   

   

   で表され、上記式に基づいて、上記コンプライアントバンドのピークツーピーク放射方向変位μ（mm）に対する上記コンプライアントバンドの公称半径ｒ₀（mm）の比が1500以上となるように上記コンプライアントバンドの弾性係数Ｅ（N/mm ² ）、上記コンプライアントバンドの断面２次モーメントＩ（mm ⁴ ）、上記コンプライアントバンドのポアソン比ν、上記コンプライアントバンドの公称半径ｒ ₀ （mm）、上記張力伝達要素に生じる上記張力Ｔ（N）及び上記張力伝達要素の数ｎを設定して作られたことを特徴とするコンプライアントホイール。
2. コンプライアントバンド中に補強プライが埋め込まれている請求項１に記載のコンプライアントホイール。
3. 上記補強プライがエラストマーの被覆層中に埋め込まれた伸びないコード補強材の少なくとも一つの層から成り、上記エラストマーの被覆層はコンプライアントバンドの弾性剪断モジュラスに少なくとも等しい弾性剪断モジュラスを有する請求項２に記載のコンプライアントホイール。
4. 上記補強プライがコンプライアントバンドの中立軸線の所に位置している請求項２に記載のコンプライアントホイール。
5. 補強プライがコンプライアントバンドの中立軸線の放射方向内側に位置している請求項２に記載のコンプライアントホイール。
6. コンプライアントバンドの放射方向外側に形成されたトレッドをさらに有する請求項１に記載のコンプライアントホイール。
7. コンプライアントバンドが９MPa〜60MPaの弾性モジュラスを有するエラストマー材料で作られた請求項１に記載のコンプライアントホイール。
8. 張力伝達要素がコンプライアントバンドに対して横断方向に延びたウェブスポークから成る請求項１に記載のコンプライアントホイール。
9. ウェブスポークが互いに軸線方向に平行な方向を向いている請求項８に記載のコンプライアントバンド。
10. 各ウェブスポークが軸線方向に対して斜めの方向を向いている請求項８に記載のコンプライアントホイール。
11. 互いに隣接するウェブスポークが軸線方向に対して互いに反対方向に斜めの角度を成している請求項１０に記載のコンプライアントホイール。
12. 互いに隣接するウェブスポークが放射方向に対して互いに反対方向に斜めの角度を成し、赤道面でジグザグを形成する請求項８に記載のコンプライアントホイール。
13. 複数のウェブスポークが２本ずつ交差し、赤道面でＸを繰返すパターンで配置されている請求項８に記載のコンプライアントホイール。
14. ウェブスポークが放射方向に圧縮された時に容易に湾曲できるような曲率を赤道面内に有する請求項８に記載のコンプライアントホイール。
15. 第１の複数のウェブスポークが軸線方向に対して平行な方向を向き、第２の複数のウェブスポークが軸線方向に対して直角な方向を向いている請求項８に記載のコンプライアントホイール。
16. 各ウェブスポークの厚さがコンプライアントホイールの半径の５％以下である請求項８に記載のコンプライアントホイール。
17. ウェブスポークが９MPa〜60MPaの弾性モジュラスを有するエラストマー材料から成る請求項８に記載のコンプライアントホイール。
18. コンプライアントバンドと複数のウェブスポークとが単一材料から成る一体成形ユニットである請求項８に記載のコンプライアントホイール。
19. ハブと、このハブの放射方向外側に配置されたエラストマー材料から成るコンプライアントバンドと、このコンプライアントバンド中に埋め込まれた補強プライと、上記コンプライアントバンドと上記ハブとの間に配置された複数の可撓性ウェブスポークとから成るコンプライアントホイールであって、
    上記コンプライアントバンドと上記複数の可撓性ウェブスポークとが単一材料から成る一体成形ユニットであり、
    上記コンプライアントホイールの回転軸線に加わる荷重によって上記可撓性ウェブスポークに生じる張力Ｔが、隣接する可撓性ウェブスポーク間のビームセグメントに圧縮力Ｋを発生させ、この圧縮力Ｋが上記コンプライアントバンドのピークツーピーク放射方向変位μを生じさせ、
    このピークツーピーク放射方向変位μ（mm）は、Ｅが上記コンプライアントバンドの弾性係数（N/mm²）、Ｉが上記コンプライアントバンドの断面２次モーメント（mm⁴）、νが上記コンプライアントバンドのポアソン比、Ｔが上記可撓性ウェブスポークに生じる上記張力Ｔ（N）、ｒ₀が上記コンプライアントバンドの公称半径（mm）、ｎが上記可撓性ウェブスポークの数とすると、以下の式：
    

    

    で表され、上記式に基づいて、上記コンプライアントバンドのピークツーピーク放射方向変位量μ（mm）に対する上記コンプライアントバンドの公称半径ｒ₀（mm）の比が1500以上となるように上記コンプライアントバンドの弾性係数Ｅ（N/mm ² ）、上記コンプライアントバンドの断面２次モーメントＩ（mm ⁴ ）、上記コンプライアントバンドのポアソン比ν、上記コンプライアントバンドの公称半径ｒ ₀ （mm）、上記張力伝達要素に生じる上記張力Ｔ（N）及び上記張力伝達要素の数ｎを設定して作られたことを特徴とするコンプライアントホイール。

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