JP2007083945A - 舗装路面用タイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】 アスファルト混合物層の歪みが小さくなる接地圧分布となるための具体的手法として、アスファルト混合物層下面において引張り歪みを分散させ、アスファルト混合物層の疲労破壊に対する許容載荷輪数Ｎ_ｆＡ（寿命）を延長させる。
【解決手段】 タイヤ本体２の幅方向の両端部を除く中間部に少なくとも１本のスリット３を周方向に連続させて、または断続的に形成し、スリット３の幅をアスファルト混合物層５の層厚と同等程度乃至半分程度にする。
【選択図】 図２

Description

本発明はアスファルト舗装等の舗装路面上を走行する車両のタイヤによる舗装のひび割れを低減する舗装路面用タイヤに関するものである。

アスファルト舗装等のアスファルト混合物層の下面には車両の通行時にタイヤの接地圧による引張歪みが発生し、この歪みが繰り返されることによりアスファルト混合物層の下面が疲労破壊し、ひび割れが発生する。

例えばアスファルト舗装の場合、アスファルト混合物層の疲労破壊に対する耐久性の程度は図２に示すようなアスファルト混合物層の下面の引張り歪みで規定される。このアスファルト混合物層の疲労破壊に対する許容載荷輪数は次式で与えられる。
Ｎ_ｆＡ＝１８．４×Ｃ×６．１６７×１０^-５×ε_t ^{-３．２９１}×Ｅ^{-０．８５４}
ここで、Ｎ_ｆＡ ：アスファルト混合物層の許容載荷輪数
ε_t ：アスファルト混合物層下面の引張り歪み
Ｅ ：アスファルト混合物層の弾性係数
Ｃ ：Ｃ＝１０^Ｍ、Ｍ＝４．４８{Ｖ_ｂ／(Ｖ_ｂ+Ｖ_ｖ)-０．６９}
Ｖ_ｂ：アスファルト量、Ｖ_ｖ：空隙率

上記式によれば、アスファルト混合物層の許容載荷輪数Ｎ_ｆＡは引張り歪みε_tの−３．２９１乗で小さくなることが分かる。例えば引張り歪みε_t２がε_t１より２０％大きくなるとすれば、ε_t２＝ε_t１×１．２であるから、１．２^{-３．２９１}＝０．５４９となり、許容載荷輪数Ｎ_ｆＡ（寿命）は引張り歪みε_tが大きくならないε_t１の場合の約半分になってしまう。このことから、アスファルト舗装を長寿命化させるには、アスファルト混合物層下面の引張り歪みε_tを小さくすることが有効であると言える。

アスファルト混合物層下面の引張り歪みε_tを小さくするには、イ）タイヤ１個当たりの輪荷重を小さくする方法、ロ）タイヤの接地面積を大きくする方法、ハ）引張り歪みが小さくなるような接地圧分布とする方法が考えられる。イ）とロ）の方法はタイヤの本数を増すことにより実現することができるが、既存のタイヤを連結することになるため、寸法上、タイヤが車体のタイヤハウス内に納まらなくなる可能性がある他、タイヤ全体のコストと質量が増す不利益を伴う。

ハ）の方法によれば、必ずしもタイヤの本数を増す必要がないため、連結による問題は発生しないが、これまで引張り歪みが小さくなるような接地圧分布とする具体的な方法は皆無であり、接地圧を低減してタイヤの転がり抵抗を低減するか、またはタイヤの磨耗を緩和する方法しかない（特許文献１〜３参照）。タイヤの接地面での排水性と走行時の安定性を高める目的で、タイヤの周方向に連続した溝を形成することは行われるが（特許文献４〜６参照）、アスファルト混合物層下面における引張り歪み、あるいは接地圧分布との関係に着目した例はない。

特開平４−８１３０７号公報（請求項１、公報第１頁右欄第３行〜第２頁左欄第２０行、図２） 特開平７−００９８１５号公報（請求項１、段落０００５〜０００９、図１） 特開２００５−１２５８９３号公報（請求項１、段落００１５〜００３５、図３〜図６） 特開２００２−００２２２９号公報（請求項１、段落０００５、００３０、００３８、図１〜図５） 特許第２８８３１５２号公報（請求項１、第１図） 特許第３３８３４０５号公報（請求項１、段落００１２、図１〜図３）

上記特許文献１〜３のいずれの方法もタイヤの走行安定性、耐摩耗性等、タイヤの品質を向上させる方法であり、タイヤのトレッドパターンに対する工夫により舗装路面の耐久性を向上させる方法は従来、存在しない。

特許文献４〜６では溝の幅がアスファルト混合物層の層厚との関係で規定されることはなく、また溝の幅は溝間に形成されるリブの幅より小さく、層厚より極端に小さい範囲内にあるため、アスファルト混合物層下面の引張り歪みに影響を与えるまでには及ばないと考えられる。

本発明は上記背景より、アスファルト混合物層の歪みが小さくなる接地圧分布となるための具体的手法として、アスファルト混合物層下面において引張り歪みを分散させることを可能にする舗装路面用タイヤを提案するものである。

請求項１に記載の発明の舗装路面用タイヤは、タイヤ本体の幅方向の両端部を除く中間部に少なくとも１本のスリットが周方向に連続して、または断続的に形成され、スリットの幅がアスファルト混合物層の層厚と同等程度乃至半分程度であることを構成要件とする。タイヤ本体とはスリットが形成されていない状態のタイヤのことであり、幅方向の両端部とは路面に接地しないショルダー部乃至サイドウォール部を指し、中間部とは路面に接地するトレッド部を指す。スリットはこのトレッド部の表面に形成される。スリットは具体的には請求項２に記載のようにタイヤ本体の幅方向の中央部、またはその付近に形成される。

タイヤ本体の幅方向の中間部にスリットが形成されることで、スリットのないタイヤより路面との接触面積は小さくなり、その分、路面（表面）に生ずる圧力は大きくなるが、図３、図４に示すアスファルト舗装の路面上の、スリット入りのタイヤを想定した接地面に荷重を加えたＦＥＭ解析の結果により、後述のようにタイヤの幅方向にはアスファルト混合物層下面の引張り歪みが低減されることが確認されているため、アスファルト混合物層の下面に対する作用上はスリットの形成が有効であると言える。

図３、図４では鉄道貨物のコンテナヤードで使用される荷役機械（揚重機）に装着される１本当たり、幅５０ｃｍのダブルタイヤを想定し、１箇所当たり、５０ｃｍ×５０ｃｍのほぼ正方形のタイヤの接地面に対し、２５０ｋＮの荷重が作用し、接地圧が１ＭＮ／ｍ^２となっている状況を再現している。

舗装の表面には１０ｃｍのアスファルト混合物層があり、その下に２０ｃｍ程度のセメントアスファルト安定処理層、その下に５０ｃｍ程度の路床改良層、その下に路床があるアスファルト舗装を想定している。２本のタイヤは軸方向に約１０ｃｍ隔てて連結され、スリットは各タイヤの幅方向中央部に、周方向に連続して形成されている。スリットの幅はアスファルト混合物層の層厚１０ｃｍに対し、８ｃｍにしてある。アスファルト混合物層は加熱アスファルト、鉱物質粉末、細骨材及び粗骨材等を加えて構成される。

上記条件下でのアスファルト混合物層下面における引張り歪みの平面上の分布を図５に示す。比較のため、スリットを形成していない同一サイズのダブルタイヤを想定したときの引張り歪みの分布を図６に示す。図５、図６中、太線がタイヤの接地面を示す。

図６に示すようにスリットのないタイヤの場合の引張り歪みの最大値は２．５×１０^-４であるのに対し、図５に示すようにスリットを形成したタイヤの場合の引張り歪みの最大値は２．０×１０^-４に留まり、スリットのないタイヤの場合より２０％低減されていることが分かる。またスリットのないタイヤの場合には引張り歪みの最大値が各タイヤに付き、中央部付近の１点に集中して表れているのに対し、スリットのあるタイヤの場合には引張り歪みの最大値が各タイヤに付き、スリットを挟んだ両側に分散して表れていることが分かる。

図５と図６の各引張り歪みの分布をダブルタイヤ間の幅方向の中心からの距離との関係で表したグラフが図７である。細線が図６の引張り歪みの変化を、太線が図５の引張り歪みの変化を示す。図７は図５、図６におけるタイヤ接地面の幅方向を向く中心線上の引張り歪みの変化を表している。スリットの形成により引張り歪みの最大値が２０％低減されることで、前記の引張り歪みε_tは０．８倍となるので、０．８^{-３．２９１}＝２．０８４となり、許容載荷輪数Ｎ_ｆＡ（寿命）は引張り歪みの低減がない場合の約２倍になることが分かる。またスリットがある場合には、ない場合より引張り歪みのピークがタイヤ接地面の幅方向に分散し、分布の曲線が全体的に平坦な形になっていることが分かる。

図８はダブルタイヤにおける各タイヤのスリットの中心を図５の場合より１５ｍｍ、ダブルタイヤ間の幅方向の中心寄りに位置させた場合の引張り歪みの分布を示す。この場合のタイヤ接地面の幅方向を向く中心線上の引張り歪みの変化を図９に示す。引張り歪みの最大値は図７の場合と比較してやや小さくなるものの、２．０×１０^-４程度に留まり、スリットがない場合より２０％低減され、引張り歪みのピークが平坦になっている。

図１０はシングルタイヤの幅方向の中心にスリットを形成した場合の引張り歪みの平面上の分布を、図１１はスリットを形成しないシングルタイヤの引張り歪みの分布をそれぞれ示す。図１２は図１０、図１１におけるタイヤ接地面の幅方向を向く中心線上の引張り歪みの変化を表す。シングルタイヤの場合も、図１１に示すようにスリットがない場合の引張り歪みの最大値は２．５×１０^-４であるのに対し、スリットがある場合の引張り歪みの最大値は２．０×１０^-４に留まり、スリットのないタイヤの場合より２０％低減されている。

図５〜図１２の結果から、スリットの幅はタイヤ本体の幅に関係なく、アスファルト混合物層の層厚と同等程度乃至半分程度が適切であり、アスファルト混合物層の層厚が１０ｃｍであるとすれば、５〜１０ｃｍ程度が妥当と言える。但し、スリットの幅はタイヤ本体の幅の２０％以内とするのがよい。スリットの深さは舗装路面用タイヤの使用時にスリットの底が舗装路面に接触しない（接地しない）程度の大きさがあればよい。

図１３はスリットがないシングルタイヤの引張り歪みの分布の、模型実験でのデータとＦＥＭ解析による結果を重ね合わせて示したグラフである。点が実験結果を、線が解析結果を示しているが、点がほとんど線に沿った位置にあり、両者の結果がほとんど一致していることから、ＦＥＭ解析による上記結果の信頼度が高いことが裏付けられている。

また上記ＦＥＭ解析では舗装路面としてアスファルト舗装を想定しているが、コンクリート舗装等においてもタイヤの接地によりコンクリート版等の下面に引張り歪みが生ずる点ではアスファルト舗装と違いはないため、コンクリート舗装等においても上記のことと同様の効果が期待できると考えられる。

本発明のスリット入りの舗装路面用タイヤは見かけ上、スリットなしの複数のタイヤを間隔を隔てて連結した形に近いが、舗装路面用タイヤの最終的な成型時に１本のタイヤ本体にスリットを形成するのみで、スリットなしの複数のタイヤを連結した形の舗装路面用タイヤを完成させることができるため、複数のタイヤを連結する場合より製造が容易であり、連結のための部品も必要としない利点がある。

また複数のタイヤを連結する場合には、複数のタイヤが接触することなく同時に回転するようにタイヤ間に一定の間隔を確保する必要があり、その間隔によってスリットに相当する溝がタイヤの周方向に連続し、一様に入る形にならざるを得ず、溝形成上の自由度がない他、連結によってタイヤの全幅が増大するため、タイヤハウス内に納まるための一定の幅を維持できなくなる可能性がある。

これに対し、本発明では金型を用いた、舗装路面用タイヤの最終的な成型工程でスリットを入れることができることで、スリットの幅の大きさとスリットの入れ方が自由であり、幅方向に形成することも可能である。またタイヤの幅を一定に維持しながらも、スリットのパターンによってアスファルト混合物層下面の引張り歪みを分散させ、低減させる最適なパターンを選択することが可能であるため、本発明の舗装路面用タイヤは単に複数のスリットなしのタイヤを連結したこととは相違する。

図５〜図１２の結果からすれば、本発明の舗装路面用タイヤは主としてコンテナ荷役機械や大型トラック等、輪荷重が大きく、接地幅の広いタイヤに適用されたときにアスファルト混合物層下面の引張り歪みを低減させる効果を有効に発揮すると言えるが、対象となるタイヤは必ずしもこれらに限定されることはない。スリットはまた、タイヤ本体のトレッド部に形成されることで、排水性を高める効果も発揮する。

請求項３に記載の発明は請求項１、もしくは請求項２に記載の舗装路面用タイヤにおいて、スリットがタイヤ本体の周方向及びそれに交差する方向に形成されていることを構成要件とする。この場合、スリットがタイヤ本体の周方向に加え、幅方向等、交差方向にも形成されることで、周方向にスリットを形成することによる効果、すなわち路面（表面）に生ずる圧力が大きくなるものの、アスファルト混合物層下面の引張り歪みをタイヤの幅方向へ低減させる効果がタイヤの周方向にも期待されるため、アスファルト混合物層下面の引張り歪みの低減効果が２方向に発揮されることになる。

請求項３ではスリットがタイヤ本体の周方向と幅方向の２方向に形成される、あるいは２方向を向くことにより、アスファルト混合物層下面の引張り歪みの低減効果が２方向に発揮されることから、請求項４に記載のように周方向に形成されるスリットを蛇行させることによってもスリットを２方向に形成した場合と同様の効果を得ることが可能である。

ＦＥＭ解析結果から、タイヤ本体の幅方向の中間部にスリットを周方向に形成し、スリットの幅をアスファルト混合物層の層厚と同等程度乃至半分程度にすることで、アスファルト混合物層下面における引張り歪みを２０％程度低減することができるため、アスファルト混合物層の許容載荷輪数（寿命）を引張り歪みの低減がない場合の約２倍程度まで延長させることができる。
またタイヤの一部にスリットを形成するのみであるから、タイヤを連結する場合のようにタイヤ自体のコストと質量が増大することがない。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明はタイヤ本体２の幅方向の両端部を除く中間部に少なくとも１本のスリット３を周方向に連続させて、または断続的に形成し、スリット３の幅をアスファルト混合物層等のアスファルト混合物層５の層厚と同等程度乃至半分程度にした舗装路面用タイヤ１である。スリット３はタイヤ本体２のトレッド部２ａに形成される。

図１４は最も基本的なスリット３のパターンを示す。（ａ）は１本のスリット３を周方向に連続させて形成した場合、（ｂ）は複数本の周方向に連続するスリット３をタイヤ本体２の幅方向に並列させた場合である。複数本のスリット３を並列させた（ｂ）の場合には、アスファルト混合物層５の下面における引張り歪みの最大値がスリット３を挟んだ両側に分散する結果として、（ａ）の場合より引張り歪みの最大値が軽減される利点がある。図１４〜図１７において破線はタイヤ本体２の接地面を示す。

図１５−（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図１４−（ａ）、（ｂ）に示すスリット３に対し、その周方向のスリット３に交差する方向としてタイヤ本体２の幅方向にもスリット４を形成した場合を示す。図１５の場合にはスリット３、４が２方向に形成されることで、図１４の場合よりアスファルト混合物層５下面の引張り歪みの低減効果が２方向に発揮される利点がある。

図１６−（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図１５−（ａ）、（ｂ）に示す、タイヤ本体２の幅方向を向いたスリット４をタイヤ本体２の周方向にずらして配置した場合を示す。この場合、スリット３、４はタイヤ本体２の周方向と幅方向の２方向に形成されているため、図１５の場合と同等の効果が得られる。

図１７−（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図１４−（ａ）、（ｂ）に示す、周方向に連続するスリット３を蛇行させた場合を示す。この場合、周方向を向くスリット３が蛇行することで、スリット３が幅方向の成分を有する結果、周方向のスリット３と幅方向のスリット４を形成したこととほぼ同等になるため、図１５、図１６の場合と同様の効果が得られる。

舗装路面用タイヤ１は通常のタイヤ（空気入りタイヤ）の製法と同じ成型工程、加硫工程を経て製造され、スリット３、４は成型工程で成型されたタイヤ本体２を金型に入れ、金型の内側から加圧することにより舗装路面用タイヤ１の成型と同時に形成される。

タイヤの幅方向の中心に周方向に連続するスリットを形成した舗装路面用タイヤを示した斜視図である。 図１に示す舗装路面用タイヤが舗装上に接地しているときの様子を示した立面図である。 舗装路面用タイヤの接地によるアスファルト混合物層下面における引張り歪みを求めるＦＥＭ解析モデルを示した斜視図である。 図３に示すＦＥＭ解析モデルの縦断面図である。 ダブルタイヤの舗装路面用タイヤがアスファルト混合物層の表面に接地したときの、アスファルト混合物層下面における引張り歪みの分布を示した平面図である。 スリットのないダブルタイヤがアスファルト混合物層の表面に接地したときの、アスファルト混合物層下面における引張り歪みの分布を示した平面図である。 図５、図６におけるタイヤ接地面の幅方向を向く中心線上の引張り歪みの変化を表したグラフである。 図５に示す舗装路面用タイヤにおける各タイヤのスリットの中心を図５の場合より１５ｍｍ、連結部分寄りに位置させた場合の引張り歪みの分布を示した平面図である。 図８におけるタイヤ接地面の幅方向を向く中心線上の引張り歪みの変化を表したグラフである。 シングルタイヤの舗装路面用タイヤがアスファルト混合物層の表面に接地したときの、アスファルト混合物層下面における引張り歪みの分布を示した平面図である。 スリットのないシングルタイヤの舗装路面用タイヤがアスファルト混合物層の表面に接地したときの、アスファルト混合物層下面における引張り歪みの分布を示した平面図である。 図１０、図１１におけるタイヤ接地面の幅方向を向く中心線上の引張り歪みの変化を表したグラフである。 スリットがないシングルタイヤの引張り歪みの分布の、模型実験でのデータとＦＥＭ解析による結果を重ね合わせて示したグラフである。 （ａ）は１本のスリットを周方向に連続させて形成した場合、（ｂ）は複数本のスリットをタイヤの幅方向に並列させた場合の最も基本的なスリットのパターンを示した平面図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ図１４−（ａ）、（ｂ）に示すスリットに対し、その周方向のスリットに交差する方向としてタイヤの幅方向にもスリットを形成した場合のスリットのパターンを示した平面図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ図１５−（ａ）、（ｂ）に示す、タイヤの幅方向を向いたスリットをタイヤの周方向にずらして配置した場合のスリットのパターンを示した平面図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ図１４−（ａ）、（ｂ）に示すスリットを蛇行させた場合のスリットのパターンを示した平面図である。

符号の説明

１………舗装路面用タイヤ
２………タイヤ本体
２ａ……トレッド部
３………周方向のスリット
４………幅方向のスリット
５………アスファルト混合物層

Claims (4)

1. タイヤ本体の幅方向の両端部を除く中間部に少なくとも１本のスリットが周方向に連続して、または断続的に形成され、前記スリットの幅はアスファルト混合物層の層厚と同等程度乃至半分程度であることを特徴とする舗装路面用タイヤ。
2. スリットはタイヤ本体の幅方向の中央部、またはその付近に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の舗装路面用タイヤ。
3. スリットはタイヤ本体の周方向及びそれに交差する方向に形成されていることを特徴とする請求項１、もしくは請求項２に記載の舗装路面用タイヤ。
4. 周方向に形成されるスリットが蛇行していることを特徴とする請求項１、もしくは請求項２に記載の舗装路面用タイヤ。