JP2005179878A - タイヤカーカス補強用超極細線スチールコード及びこれを適用した乗用車用ラジアルタイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】直径０.０４〜０.１４ｍｍの多数本の超極細鋼素線を撚線してタイヤのカーカスに使用できるようにしたタイヤカーカス補強用超極細線スチールコード及びこれを適用した乗用車用ラジアルタイヤを提供する。
【解決手段】多数本の鋼素線が撚れている１＋ｎ（ｎ＝２〜９）構造のスチールコード構造において、線径０.０４〜０.１４ｍｍ以下の鋼素線心線１本と、心線の外周面に軸方向に沿って螺旋状に巻かれる線径０.０４〜０.１４ｍｍの鋼素線側線４〜７本とからなり、撚線された最終直径が０.２〜０.５ｍｍである。
【選択図】図２

Description

本発明は、タイヤカーカス補強用超極細線スチールコード及びこれを適用した乗用車用ラジアルタイヤに関し、さらに詳しくは、点接触ではなく線接触を維持しタイヤ用ゴムが心線まで浸透できるように１＋ｎ構造を有し、最終スチールコードの直径が０.２〜０.５ｍｍ範囲となるように直径０.１４ｍｍ以下の多数本の超極細鋼素線を撚線してタイヤのカーカス部に使用できるようにしたタイヤカーカス補強用超極細線スチールコード、及びゴムゲージ率が２００〜５００％、ゴム隙間率が６０〜２５０％となるように前記チールコードをトッピングシートに埋め込んだカーカスを用いて作られた乗用車用ラジアルタイヤに関する。

車両用タイヤの中でも、その内部に空気注入用チューブが使用されないラジアルタイヤは、図１に示すように、外側に向かって膨らんだ略鉢形の断面を有するタイヤコード紙がリング状を成すカーカス(carcass)１１を骨格とし、その内周面にはインナーライナ１２が設けられ、外周面にはベルト層１３とゴム層１４が積層される構造であって、位置別にスレッド(tread)（Ｔ）部、ショルダー(shoulder)（Ｈ）部、サイドウォール(side-wall)（Ｗ）部及びビード（Ｂ）部に区分される。この各部分の役割は次の通りである。

スレッド部は、直接路面に接する部分であり、サイドウォール部は、タイヤの側面部であって、カーカスを保護し柔軟な屈伸運動を行うことにより乗車感を良くする役割を果たし、ショルダー部は前記スレッド部とサイドウォール部とを連結する役割を果たし、構造上ゴムの厚さが最も厚い部分である。

ビード部は、サイドウォール部の下端部に連結されてタイヤーが装着されるホイールの外周面部に相当するリムに接触する部分であって、カーカスを成すコード紙の端部が巻かれてタイヤをリムに装着する役割を果たす。

また、ゴム層であるスレッド部とカーカスとの間に挿入されたベルト層は、走行時に外部から受けた衝撃を緩和すると同時に、スレッドの割れ又は外傷がカーカスに直接到達することを防止する役割を果たし、カーカスの内周面に積層されるインナーライナは、タイヤ内の空気注入用チューブの役割を果たす。

このように構成されるタイヤの骨格を成すカーカスは、ゴムからなる２枚のトッピングシートが積層・接着されたもので、接着されたトッピングシート間の境界面に補強用コードが単層で埋め込まれた１枚のカーカスフライから構成されるか、或いは多数枚のカーカスフライが積層結合した状態であって、トラックやバス用ラジアルタイヤの場合は、カーカスを含んだベルト層にも補強材としてスチールコードが使用されている反面、乗用車用ラジアルタイヤの場合は、ベルト層部位にのみ補強材としてスチールコードが使用されている。また、カーカス用補強材としては一般にポリエステル、ナイロン、レーヨンなどの有機繊維（テキスタイル）コードが用いられている。

したがって、重大型トラック又はバス用タイヤの場合は、外部衝撃によるカーカスの安定性に優れるが、乗車感を向上させるためにカーカスに有機繊維コードが使用されている乗用車用タイヤの場合は、前記重大型トラックやバス用タイヤより必然的に安定性に劣る。前記繊維コードについて考察すると、次の問題点がある。

タイヤのカーカスに用いられる前記有機繊維コードは、スチールコードに比べて屈曲荷重による伸張圧縮時に発生する発熱量が多く、コードを取り囲む被覆ゴム層との結合力が劣るうえ、破断し易く、高速走行時に発生する熱による高温物性値の低下、特に強度の下落が避けられない。

特に、タイヤは、走行中に反復屈伸及び路面との摩擦によって熱が発生するが、このようなタイヤの発熱によっても、熱的収縮が殆ど発生しないスチールコードに比べて、レーヨン及びポリエステルの場合には１００℃で２〜４％、ナイロンの場合には６〜８％程度の熱的収縮現象が発生するので、前記熱的収縮現象によって走行中のタイヤに寸法変形が起こることにより、小さい衝撃によっても繊維コードの破壊が発生するおそれがあり、繊維コード自体の低い剛性のために、高速走行時には定常波(standing wave)現象による致命的なタイヤ事故が起こるおそれがある。

そして、レーヨンの場合には、環境親和的な面で非常に好ましくないうえ、水分による物性値の低下が非常に大きく、コードを構成する細線である有機繊維フィラメントの直径が数十μ以下と非常に小さいため、コード自体の屈曲剛性が小さく、これによりコードを単一層として用いた乗用車用ラジアルタイヤの場合、側面部の剛性が足りなくて外部物体との接触衝撃によって側面部が損傷し易いうえ、屈曲剛性及び圧縮剛性がスチールコードに比べて非常に低いため、側面部の運動性能が劣って十分な調整安定性が得られなくなる。

このような有機繊維コードの問題点を解決し、タイヤ安定性、熱伝導率、動的エネルギー損失、弾性力などの面で根本的に有利なスチールコードを使用することもできるが、有機繊維コードの代わりに従来のスチールコードを使用する場合には、スチールコードの比重が大きいため、自動車の燃費を向上させるためのタイヤの軽量化に反し、次の問題点がある。

（１）カーカスに使用するコードは、タイヤの回転によって反復的な屈強と圧縮変形が伴ってスチールコードの材質疲労が迅速に発生し、（２）コードを構成する鋼素線同士がぶつかり合って摩滅するフレッチング(fretting)現象が生じてコードの強度が低下し易く、（３）有機繊維コードより屈曲剛性が大きいため、側面部位の剛性は向上するが、路面から伝達される振動に敏感になって乗車感は低下する。

すなわち、乗用車用ラジアルタイヤのカーカスにスチールコードを使用すると、調整定性が向上し、回転抵抗は減少するが、コードの屈曲剛性が増加して乗車感が低下する。

したがって、最近は、カーカス用コードとして用いられる鋼素線の線径や強度などの変更によって耐疲労性と耐久性を改善させるスチールコードについての研究が行われている。特許文献１には線径０.０８〜０.１５ｍｍの極細線からなるスチールコードが用いられたカーカスを採用したラジアルタイヤが開示されたが、前記スチールコードは、３本の細線を撚線してストランドを構成した後ストランド３本を再撚線した３×３の複撚構造であって、細線を使用するにも拘わらず最終的なスチールコードの直径が大きくなり、点接触によるフレッチング現象が発生して耐久性が劣るという問題点がある。

前記細線を用いたスチールコードの問題点を解決するためのものとして、特許文献２には、前記３×３の複撚構造による点接触によって発生するフレッチング問題を改善するために、線径０.１５〜０.２５ｍｍの鋼素線１〜５本からなる単撚構造を有するスチールコードが開示されているが、依然として鋼素線の線径が相対的に大きい状態なので、耐疲労性能の面では未だ乗用車用タイヤのカーカスに使用するには困難であり、コードの内部に設けられた空間へのゴムの浸透が円滑でなくてゴムとの接着性が劣るという問題点がある。
特開昭５８−２２１７０３号公報 特開昭６２−１３７２０２号公報

本発明は、従来の乗用車用タイヤのカーカス補強用として有機繊維質コードが使用されることにより発生するタイヤの諸般問題点を解決するために創案されたもので、その目的は、超極細線鋼素線を用いて直径０.５ｍｍ以下のスチールコードを構成し、カーカスへのスチールコード使用によるタイヤの重量増加を防止し、スチールコードを構成する側線の線径を心線より小さくすることにより、コード内のゴム浸透性を良好にすると同時にフレッチングを防止して耐疲労性を高くし、カーカスに有機繊維コードを使用した従来のタイヤに対し剛性が低下することなく、高速走行の耐久性を向上させることが可能なタイヤカーカス補強用超極細線スチールコード及びこれを適用した乗用車用ラジアルタイヤを提供することにある。

上記目的は、線径０.１４ｍｍ以下の超極細鋼素線と、１＋ｎの撚線構造及びカーカスを成すトッピングシートに埋め込まれるスチールコードの埋め込み条件によって達成される。

本発明のスチールコードは、従来の繊維コードに比べてコード自体の重量は上昇するが、切断力や耐久性などの物性の著しい向上によって、コードが埋め込まれるカーカスの厚さ減少による重量減少の効果がさらに大きくなって結果的にタイヤの軽量化を図ることができ、乗車感を低下させることなくタイヤの耐久性の増大によって乗用車の維持管理費用を節減することができるという利点がある。

本発明のタイヤカーカス補強用超極細線スチールコードは、前記超極細鋼素線を多数本撚線した直径０.２〜０.５ｍｍ以下のコードであって、繊維コードより剛性が著しく、熱的変形が殆どないうえ、超極細鋼素線から構成されるため繊維コード程度の柔軟性も有するという特徴がある。これをカーカスに特定の条件で埋め込んだものが本発明の乗用車用ラジアルタイヤである。

この際、本発明のスチールコードの直径を０.５ｍｍ以下にすることは、カーカスに用いられる直径約０.６〜０.８ｍｍ、単位重量約０.２〜０.４ｇ／ｍの従来のレーヨンコードを代替するとき、スチールコードが埋め込まれるカーカスの重量増加を最小化するとともに、スチールコードの耐疲労性の低下又は乗車感の低下を防止するためであり、最小径を０.２ｍｍとしたことは、スチールコードの直径がこれに達しない場合、鋼素線の伸線過程とスチールコードの撚線過程を行うことが難しく且つ適正の弾性力を得ることが難しいためである。

そして、本発明のタイヤが作られるためには、前記本発明のスチールコードが、カーカスを成すトッピングシートに特定の条件で埋め込まれなければならず、この特定の埋め込み条件は「ゴムゲージ率」と「ゴム隙間率」というパラメータで定義される。この２つのパラメータついて説明は後述する。

本発明のスチールコードは、線径０.０４〜０.１４ｍｍの多数本の超極細線鋼素線を点接触なしで１＋ｎ（ｎ＝４〜７）の構造で撚線して、直径０.２〜０.５ｍｍ、０.８ｇ／ｍ以下の単位重量と２５〜３５ｋｇｆの切断力を持たせる一方、単一心線の外周面に巻かれる各側線の線径を心線の線径より小さくする。

この際、鋼素線の線径と側線の数を前記のように限定する理由は次の通りである。
鋼素線の線径が極細線化されるほど、鋼素線の耐疲労性が急激に上昇するが、柔軟性は良好になって、カーカスに非常に重要な要求特性である耐疲労性及び柔軟性の面に非常に適するが、鋼素線の線径が０.０４ｍｍ未満であれば、耐疲労性の向上にも拘わらず切断強度が低くなって耐久性が低下し、鋼素線の加工段階が必要以上長くなって製造コストが増加し生産性が低下する。

鋼素線の線径が０.１４ｍｍ超過であれば、直径０.５ｍｍ以下のスチールコードに撚線し難く、重量の増加によりタイヤの軽量化に逆行するうえ、タイヤサイド部の反復される屈伸運動に対するスチールコードの耐疲労性が低下して乗用車用カーカス補強材として適しなくなる。

また、前記線径範囲の多数本の鋼素線を撚線する際にスチールコードの役割をするコアである単一心線の外周面に巻かれる側線の数が３本以下の場合には、設計上要求されるスチールコードの引張力を得るに適した鋼素線の線径が大きくなることにより、耐疲労性が低下してタイヤの軽量化を妨害し、７本超過の場合には、コードの心線径が相対的に増加することにより、心線の耐疲労性が低下してタイヤの耐久性が劣るうえ、コードの屈曲剛性が必要以上大きくなって乗車感が低下する。

この際、各鋼素線間の接触が点接触ではなく線接触を維持する１＋ｎの撚線構造を有するスチールコード内へのゴム浸透性を向上させてスチールコードとゴムとの接着力を増加させるためには、側線の線径を心線の線径と同一又はより小さくすることが好ましく、前記心線を偏平な螺旋状にする場合には、心線の単位重量を増加させなくても心線の線径増加効果を得ることができるため、ゴム浸透性をさらに高めることもできる。

そして、繊維コードのスチールコードへの代替によるコード重量の上昇を最小化しながら、コードの物性向上によってトッピングシートの厚さを減少させてタイヤの軽量化を成すために、スチールコードの切断力が２５〜３５ｋｇｆにならなければならないので、切断力が２５ｋｇｆ未満であれば、スチールコードの耐久性が低下し、これを防止するためにはコードの直径を大きくしなければならないという前記と相反した問題に逢着し、切断力が３５ｋｇｆ超過であれば、脆性の増加によって屈伸抵抗性が急激に低下する。

したがって、このような切断力を有するスチールコードを製造するための鋼としては、０.８〜１.６ｗｔ％のＣを含有する鋼が好ましい。炭素の含量が０.８ｗｔ％未満であれば、必要とする切断力が得られなくなり、炭素の含量が１.６ｗｔ％超過であれば、切断力は十分であるが、脆性が増加して却って屈伸による耐疲労性が急激に低下する。

このように０.２〜０.５ｍｍの線径を有するスチールコードが使用された本発明の乗用車用ラジアルタイヤは、前記スチールコードが埋め込まれたカーカスを用いたタイヤであって、その埋め込み状態を考察すると、次の通りである。

図２に示すように、本発明のスチールコード２１は、２枚が一体に接着されたトッピングシート２２内の厚さ方向の中央部に一定の間隔で埋め込まれる。この際、スチールコード２１の直径（Ｄ）に対するトッピングシート２２のゴム厚さ（ｇ）の比であるゴムゲージ率（ｇ／Ｄ）が２００〜５００％であり、スチールコード２１の直径（Ｄ）に対する隣接したスチールコード間の間隔（ｓ）の比であるゴム隙間率（ｓ／Ｄ）は６０〜２５０％にならなければならない。

前記ゴムゲージ率とゴム隙間率は、トッピングシートゴム内でスチールコードの埋め込み状態を決定付ける重要変数であって、トッピングシートを加工したカーカスの物性を決定する。前記ゴムゲージ率が２００％未満であれば、スチールコードを取り巻くゴムの厚さが足りなくてスチールコードとゴム間の接着特性の低下をもたらすことにより、カーカスの耐久性が低下し、前記ゴムゲージ率が５００％超過であれば、走行中にゴム固有のクリーピング特性によってスチールコードとゴム間の接着界面層が過多成長し、接着界面層が脆弱になることにより、ゴムとコードの分離が促進されるうえ、ゴム重量の増加によって全体的なタイヤの軽量化に不利に作用する。

そして、前記ゴム隙間率が６０％未満であれば、スチールコード間の間隔が狭くなってスチールコード間の配列状態が少し不均一になっても、その部位が容易に剥離するという問題が生ずるうえ、屈曲剛性が必要以上高くなって乗車感が低下し、前記ゴム隙間率が２５０％超過であれば、スチールコード間の間隔が広くなってカーカスを十分補強することができず、特にカーカスの内面に密着してタイヤ内の空気と接するインナーライナがカーカスの内部に浸透して空気透過率が増加することにより、タイヤ事故を誘発することができ、乗車感を害する。

以下、本発明のスチールコードとタイヤを実施例によって説明する。
実施例
０.８６％のＣを含有した高炭素鋼を線材として伸線され、内外２度撚型撚線機内のクレードル部位に装着された線径０.１２ｍｍの側線６本を、同一の高炭素鋼を伸線した線径０.１３ｍｍの心線１本の外周面に、２度撚線工法を用いて撚ピッチ６ｍｍとなるようにＳ撚で撚線して、直径０.３７ｍｍの本発明のスチールコードを製造した。

そして、スチールコードを埋め込んだベルト２枚をベルト層として、レーヨン人造繊維コードが埋め込まれたカーカスフライ２枚をカーカスとして用いた従来の乗用車用ラジアルタイヤ（２５５／４０Ｒ１７）を対象として１×０.１３＋６×０.１２（６Ｓ）の構造で撚線された前記本発明のスチールコードが埋め込まれたカーカスフライ１枚で前記従来のタイヤのカーカスを代替して製作した本発明のタイヤと前記従来のタイヤを比較調査し、その結果は表１に示す。

＊耐久性はＹＲ速度条件（３４０ｍ／ｈｒ）でタイヤが損傷するまでの時間
＊回転抵抗はタイヤ空気圧２.０ｋｇｆ／ｃｍ^２、速度８０ｋｇ／ｈｒ条件で測定
＊ＲＲＯ：真円度
＊ＥＰＩ(Ends Per Inch)：インチ当たり埋め込まれたコードの数

表１より、本発明のタイヤは、従来のタイヤに比べてゲージ率が著しく増加することにより、コードの重量増加にも拘わらず、却って５％以上重量が減少し、耐久性と調整安定性も向上したことが分かる。

また、乗用車用タイヤではなく特定のタイヤの場合、タイヤがパンクした状態で一定の速度で一定の時間走行することが可能なランフラット(run flat)性能を与えるために、本発明のスチールコードが用いられたカーカスフライを２枚以上使用することもできる。

ラジアルタイヤの部分断面斜視図である。 トッピングシートの断面図である。

符号の説明

１１ カーカス
１２ インナーライナ
１３ ベルト層
１４ ゴム層
２１ スチールコード
２２ トッピングシート
Ｂ ビード部
Ｄ スチールコード直径
ｇ トッピングシートの厚さ
Ｈ ショルダー部
ｓ 隣接スチールコード間の距離
Ｔ スレッド部
Ｗ サイドウォール部

Claims (7)

1. 多数本の鋼素線が撚れた１＋ｎ（ｎ＝２〜９）構造のスチールコード構造において、線径０.０４〜０.１４ｍｍ以下の鋼素線心線１本と、心線の外周面に軸方向に沿って螺旋状に巻かれる線径０.０４〜０.１４ｍｍの鋼素線側線４〜７本とからなり、撚線された最終直径が０.２〜０.５ｍｍであることを特徴とするタイヤカーカス補強用超極細線スチールコード。
2. 前記心線の線径が側線の線径より大きいことを特徴とする請求項１記載のタイヤカーカス補強用超極細線スチールコード。
3. 前記スチールコードの切断力が２５〜３５ｋｇｆであることを特徴とする請求項１記載のタイヤカーカス補強用超極細線スチールコード。
4. 前記鋼素線が、０.８〜１.６ｗｔ％のＣを含有する鋼からなることを特徴とする請求項１記載のタイヤカーカス補強用超極細線スチールコード。
5. 乗用車用ラジアルタイヤにおいて、スチールコード（２１）の直径（Ｄ）に対するトッピングシート（２２）のゴム厚さ（ｇ）の比であるゴムゲージ率（ｇ／Ｄ）が２００〜５００％、前記直径（Ｄ）に対する隣接スチールコード間の間隔（ｓ）の比であるゴム隙間率（ｓ／Ｄ）が６０〜２５０％となるように、線径０.０４〜０.１４ｍｍの鋼素線５〜８本が１＋ｎ（ｎ＝４〜７）の構造で撚線された直径０.２〜０.５ｍｍのスチールコード（２１）がトッピングシート（２２）に埋め込まれたカーカスを使用したことを特徴とするタイヤカーカス補強用超極細線スチールコードを適用した乗用車用ラジアルタイヤ。
6. 前記スチールコード（２１）の心線径が側線径より大きいことを特徴とする請求項５記載のタイヤカーカス補強用超極細線スチールコードを適用した乗用車用ラジアルタイヤ。
7. 前記スチールコード（２１）の切断力が２５〜３５ｋｇｆであることを特徴とする請求項５記載のタイヤカーカス補強用超極細線スチールコードを適用した乗用車用ラジアルタイヤ。

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