JP2009538243A - 改良された剪断バンド - Google Patents

Abstract

【課題】非空気入りタイヤに用いられる剪断バンドの改良、空気入りタイヤ等
【解決手段】剪断バンドが特定方法で結合された層からなる一つの複合材料料として作られる。各層は所定の選択された物性を有する一つまたは複数の材料から作られる。各層は各層を形成する個々の材料の物性および性能特徴より優れた物性および性能特徴を有する複合材料料となるような特定の方法で組合される。タイヤに製作した場合、回転抵抗性が改良される。

Description

本発明は、非空気タイヤ、空気タイヤ、その他の技術で使用可能な剪断バンド（shear band）の改良に関するものである。
本発明の改良された剪断バンドは個々の層から成る一つの複合材料料として構成されている。個々の層は個々の材料一つだけで作った剪断バンドの物理特性以上の物理特性および特徴性能を有する一定の材料の中から選択される。
本発明の改良された剪断バンドを用いて作ったタイヤは回転抵抗性が改良する。

環状バンドのみを用いたタイヤが提案されている。その例は下記文献に記載の内部空気圧無しに荷重を支持する構造的に支持された弾性タイヤである。
米国特許第6,769,465号明細書

この特許の典型的な実施例では、非空気タイヤは地面接触部とサイドウオール部とを有し、サイドウオール部はトレッド部分から放射内向きに延び、回転時にタイヤをホイールに確実に固定するビード部にアンカー（投錨）されている。トレッド部の放射方向内側には補強された環状バンドが配置されている。この剪断バンドは少なく一つの剪断層と、この剪断層の放射方向内側に接着された第１のメンブレン（膜、membranes）と、上記剪断層の放射方向外側に接着された第２のメンブレンとを有している。

各メンブレンは剪断層の動的剪断モジュラスより十分に大きな縦方向引張りモジュラスを有し、従って、荷重下では剪断層が剪断変形し、メンブレンが一定の長さを維持した状態で、タイヤの地面接触部がフラットな接触領域に変形する。すなわち、各メンブレンの相対移動は実質的に剪断層の剪断変形によって起こる。上記特許文献１（米国特許第6,769,465号明細書）に記載の発明にはいくつかの利点がある。例えば、膨張圧力が不用であり、タイヤの地面接触圧力とは無関係に垂直スチフネスを調節することができるという柔軟性がある。

下記文献も非空気タイヤに関するものである。
米国特許出願公開第２004/0159385号明細書

この特許の典型的な実施例では、非空気入りタイヤは外側の環状剪断バンドと、この環状剪断バンドから放射方向内側へ横切って延びた複数のウェブスポーク（web spoke）とを有し、このウェブスポークはホイールまたはハブにアンカーされている。この特許の一つの典型的実施例では、環状剪断バンドは剪断層と、この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メンブレンと、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メンブレンとを有している。この環状バンドは荷重下で、環状バンドの剪断変形を含む機構によって地表面との接触面が変形する。この特許文献２（米国特許出願公開第２004/0159385号明細書）の発明は膨張圧力を必要としないという利点の他に、接触圧が接触面積の長さ全体にわたってより均一になり、それによって公知の非空気タイヤの欠点を無く、空気タイヤと同様な性能特徴を有するという利点がある。

上記のように、公知の特許に記載の典型的な実施例ではタイヤに所望性能を与える剪断層を有する環状剪断バンドを使用している。

本発明者は、以下で詳細に説明するように、剪断層の有利な構造を見出した。この構造を用いることで環状バンドの性能能力を改良することができるという利点がある。この改良された剪断層構造は空気タイヤ、非空気タイヤ、その他の製品で利用することができる。上記利点は剪断層内で追加の補強要素を使用すること無しに得ることもできる。

本発明の上記目的および利点は以下の説明から明らかであり、また、本発明を実行することによって明らかになるであろう。
本発明の一つの典型的な実施例では、放射方向を規定する剪断バンドが提供される。この剪断バンドは全動的剪断モジュラスを有する複合剪断層を有し、この複合剪断層は少なくとも(i)一つまたは複数の第１の動的剪断モジュラスおよび第１の全体積分率を有する層と、(ii)一つまたは複数の第２の動的剪断モジュラスおよび第２の全体積分率を有する層とを有する。第１の動的剪断モジュラスに対する第２の動的剪断モジュラスの比は少なくとも約３である。複合剪断バンドの上記各層は第１の動的剪断モジュラスを有する層と第２の動的剪断モジュラスを有する層との間に交互に配置される。複合剪断層の放射方向内側には少なくとも一つの第１のメンブレンが接着される。複合剪断層の放射方向外側には少なくとも一つの第２のメンブレンが接着される。複合剪断層の全動的剪断モジュラスに対するメンブレンの一つの縦方向引張りモジュラスの比は少なくとも約100：1である。

この典型的な実施例では、第１の動的剪断モジュラスを有する層は約15％〜約30％の歪で約0.2以下のヒステレシスを有する少なくとも一つの材料から成ることができる。あるいは、上記の第１の動的剪断モジュラスを有する層が、約15％〜約30％の歪みで約0.1以下のヒステレシスを有する少なくとも一つの材料から成ることができる。この典型的な実施例ではさらに、第２の動的剪断モジュラスを有する層が約0.1％〜約2％の歪みで約0.07以下のヒステレシスを有する少なくとも一つの材料から成ることができる。あるいは、第２の動的剪断モジュラスを有する層が約0.1％〜約2％の歪みで約0.04以下のヒステレシスを有する少なくとも一つの材料から成ることができる。この典型的な実施例では、一例として、上記剪断バンドをタイヤに組み込むことができる。タイヤは地面接触部分とトレッド部分とを有する。

本発明の他の典型的な実施例では、タイヤはホイールに取付けられ、タイヤが放射方向を規定する。このタイヤは地面と接触するトレッド部分を有する。トレッド部分の放射方向内側には補強された環状バンドが配置される。この補強された環状バンドは全動的剪断モジュラスを有する複合剪断層を有する。この複合剪断層は(i) 第１の動的剪断モジュラスおよび第１の全体積分率を有する材料から成る一つまたは複数の層と、(ii)第２の動的剪断モジュラスおよび第２の全体積分率を有する材料から成る一つまたは複数の層とから成る。第１の動的剪断モジュラスに対する第２の動的剪断モジュラスの比は少なくとも約3である。第１または第２の動的剪断モジュラスを有する材料の層は、タイヤの放射方向に沿って、第１の動的剪断モジュラスと第２の動的剪断モジュラスとの間に交互に配置される。また、環状バンドおよびトレッド部分をホイールに取り付けるための支持体構造が提供される。この支持体構造は補強された環状バンドの放射方向内側に位置する。複合剪断層の放射方向内側には少なくとも一つの第１のメンブレンが接着される。複合剪断層の放射方向外側には少なくとも一つの第２のメンブレンが接着される。複合剪断層の全動的剪断モジュラスに対するメンブレンの一つの縦方向引張りモジュラスの比は少なくとも約100：1である。

本発明のさらに他の典型的な実施例では、ホイールに取付られるタイヤが提供される。この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する。環状バンドは全動的剪断モジュラスを有する複合剪断層から成り、この複合剪断層は（i) 第１の動的剪断モジュラスを有する第１の剪断層と、（ii) 第１の剪断層の放射方向外側に配置された第２の剪断層とから成る。第２の剪断層は第２の動的剪断モジュラスを有する。第１の動的剪断モジュラスに対する第２の動的剪断モジュラスの比は少なくとも約3である。また、上記トレッド部分と環状バンドとをホイールに接続する手段も提供される。複合剪断層の放射方向内側には少なくとも一つの第１のメンブレンが接着され、複合剪断層の放射方向外側には少なくとも一つの第２のメンブレンが接着される。複合剪断層の全動的剪断モジュラスに対するメンブレンの一つの縦方向引張りモジュラスの比は少なくとも約100：1である。

本発明の上記以外の特徴、観点および効果は以下の説明および特許請求の範囲からより良く理解できよう。添付図面は本発明の実施例を例示し、本発明の原則を説明するためのもので、その内容は本細書の一部を成す。

以下、添付図面を参照して、当業者に対して、本発明の最良の形態を含む本発明の内容を説明する。明細書および添付図面を通して、同じまたは類似した特徴または要素を表す場合には同じまたは類似記号を付けた。
以下、添付図面を参照して本発明のいくつかの実施例を詳細に説明するが、以下の実施例は本発明を説明するためのもので、本発明を限定するものではない。例えば、例示した一つの実施例の一部として記載された特徴を他の実施例して第３の実施例にすることができる。本発明はそうした他の変形例をも含むものである。以下の図面では説明を簡単にするために典型的なタイヤの例の片側のみを説明する。当業者は、本発明の説明から、同じまたは実質的に類似した特徴をタイヤの両側に適用できるということは理解できよう。
以下、用語を定義する。

定義
「複合（composite）」とは２層以上から成ることを意味する。
「動的剪断モジュラス、動的剪断弾性率（Dtynamic shear Modulus）」とはASTM D5992で測定した剪断モジュラスを意味する。
「破断伸び（Elongation at Break）」とはASTM D412-98aによって測定した室温ではない100℃での引張り伸びを意味する。
「赤道面（Equatorial Plane)」とはタイヤの中心線を通るタイヤの回転軸に垂直な平面を意味する。

「ヒステレシス」は動的ロスタンジェント(dynamic loss tangent)（最大tanδ）を意味する。材料の動的特性はASTM D5992に従ってMTS 831のElastomer Test Systemで測定する。80℃での振動数で10Hzの周波数で交番正弦波の剪断応力を加えた時の加硫したサンプル材料（厚さ4mm、断面400mm²の円筒形テストピース）の応答を記録。変形振幅0.1％〜50％（外側サイクル）で走査し、次に50％〜0.1％（戻りサイクル）まで走査した。最大剪断モジュラスＧ^*ｍａｘ (Mpa)と、外側サイクルでの損失角度tanδ（最大tanδ）のタンジェントの最大値を求めた。
「子午線面（Meridian Plane)」はタイヤ回転軸線に平行で且つこの軸線から放射方向外側へ延びた平面を意味する。
「メンブレンのモジュラス」はメンブレンの有効厚さを掛けた円周方向への１％伸びの時の弾性引張りモジュラスを意味する。従来のタイヤ用スチールベルト材料の場合、このモジュラスは下記の式６または７で計算できる。このモジュラスは（'）を付けて示す。
「ホイール」または「ハブ」はタイヤを支持し、車両の車軸に取付けする任意の装置または構造を意味し、互いに交換自在な用語である。

本発明は種々の製品、例えば非空気タイヤ、空気タイヤ、その他の工学装置で使用可能な剪断バンドの改良に関するものである。この改良型剪断バンドは個々の層を組合せた複合材料料として作られる。すなわち、この複合材料料は、本発明の特定方法で組み合わせた時に、個々の材料単独で作った剪断バンドで得られる全体的物性および性能特徴を超える望ましい全体的物性および性能特徴を有する特定の材料から作られる。本発明の一つの実施例ではタイヤの製造で用いられてタイヤの回転抵抗を改善でき、タイヤ設計の自由度を改良することができる。

本発明のバックグラウンドとして単一材料のみで作られた剪断バンドの有用性を説明するために、［図１Ａ］［図１Ｂ］を用いて単一剪断層について説明する。［図１Ａ］は荷重下で不十分な剪断変形しかしない均質材料、例えば金属リングから成るリジッドな環状バンド50の例を示している。［図１Ａ］のリジッドな環状バンド50では力と曲げモーメントのバランス条件を満たす圧力分布は接触面積の各末端部（［図１Ａ］には一端のみが示してある）に位置した一組の集中力Fで作られる。これに対して、［図１Ｂ］に示す単一剪断層60と、補強用の内側メンブレン70と、外側メンブレン80とを有する剪断バンドの場合には剪断層60内で剪断変形が起こり、地面との接触領域で望ましい実質的に均一な圧力分布Ｑになる。［図１Ｂ］のバンド構造は下記文献に記載されている。
米国特許第6,769,465号明細書

この特許では、剪断層60の動的剪断モジュラスＧに対するメンブレン70、80の有効縦引張りモジュラス（E'MEMBRANE）の比が十分に高い（例えば少なくとも約100〜1の）場合には、荷重下の剪断バンドの変形は実質的に剪断層60の剪断変形であり、メンブレン70、80は縦方向にほとんど伸長または圧縮されない。従って、地面接触圧力分布Ｑは実質的に均一になる。

［図１Ｂ］の剪断バンドが剪断層60の剪断変形によって変する場合、有利な関係が得られ、各用途に対して剪断層60の動的剪断モジュラスＧとその厚さhの値とを下記の式（１）で特定することができる：

（ここで、
Ｐ_eff＝所定の地面との接触圧力
Ｇ＝剪断層60の動的剪断モジュラス
h＝剪断層60の厚さ
Ｒ＝外側のメンブレン80の放射方向位置）
Ｐ_effおよびＲはタイの使用用途に従って選択されるでデザインパラメータである。この式は、動的剪断モジュラスＧと剪断層60の放射方向厚さとの積は所定の地面との接触圧力と外側メンブレン80の放射方向で最も外側の位置との積にほぼ等しいということを示している。この関係はタイヤ設計者に有利である。例えば、乗用車用タイヤを設計する場合、設計者は接触圧力Ｐ_effを1.5〜2.5DaN/cm²にし、タイヤサイズの半径Ｒを約335mmに選択し、これらの値に掛けることによって「剪断層ファクタ」を50.25〜83.75DaN/cmに決定することができる。これを使って剪断層60の厚さhと剪断層60の動的剪断モジュラスＧを特定することができる。

しかし、既に述べたように、本発明は、回転抵抗を下げ、しかも、所望の物性の全てを有する単一材料の剪断層でタイヤを製造するということにチャレンジしたものである。例えば、下記式に示すように、回転抵抗はある種の物理パラメータに比例するということは知られている：

（ここで、
ＲＲ ＝ 回転抵抗
τmax＝ 最大剪断角度での剪断応力
γmax＝ 最大剪断角度
tanδ＝ ヒステレシス、剪断層材料の応力／歪み間の位相遅れ
h＝単一剪断層の厚さ）

回転抵抗を最小にし、しかも、剪断層の動的剪断モジュラスを所望の約3〜約20MPaにするで剪断層を単一剪断層作れる材料を選択するには、従来法の場合、所望の物性を犠牲にする必要があった。すなわち、スティフネス（動的剪断モジュラスＧが大きく）で、タフ（破壊伸びが大きく）で、しかも、ヒステレシスが小さい（tanδか小さい）剪断層を一つの材料から作ることは困難であった。これらの3つの性質の中の2つを有する材料を作ることはそれほど困難ではない。例えば、スティフネス（動的剪断モジュラスＧが大きい）で、ヒステレシスが小さい（tanδか小さい）材料は設計できるが、そうすると一般にγmaxが小さく成り過ぎる。回転抵抗ＲＲを小さくすることはできるが、剪断歪みδを減らすために厚さhの厚い剪断層にしないと持久力が低下する。しかし、剪断層の厚さhを厚くするとタイヤ重量が増し、望ましくない。同様に、タフでヒステレシスが低い剪断層を与える材料を選択すると、動的剪断モジュラスＧは容認不可能な程度に低下してしまう。許容範囲内のＰ_effをあるためには剪断層の厚さhも厚くすることになる。スティフネスで且つタフな材料を選択すると望ましくなく高いヒステレシスを有する剪断層になってしまう。

本発明者は、望ましいＰ_effで厚さhが薄く、しかも、回転抵抗ＲＲが小さい剪断層は、各々が一定の個々の物性を有する材料から成る互いに異なる層を複合した複合材料料で剪断層60を作ることによって、得ることが可能であるということを見出した。より正確には、剪断層を個々の材料の欠点が克服されるように特別に選ばれた材料を特定の方法で複合した複合材料料とすることによって所望の全体物理特性を有する剪断バンドにすることができる。個々の材料から成る複合材料料の物理特性によって、個々の材料で作られた単一剪断層だけでは達成できない所望厚さhでの所望物性が得られ且つ回転抵抗が改善できる。必要な場合には、非弾性補強（強化）成分を使用しないで、上記材料から上記剪断層の複合材料料を作ることもできる。本発明の典型的な実施例では、そうした補強）成分を含むことができる。

［図２］は本発明の一つの典型的な実施例を示し、この図には２つの異なる剪断層10、20から作られた剪断バンドが示されている。層10は動的剪断モジュラスＧ₁₀を有し、層20は動的剪断モジュラスＧ₂₀を有する。［図２］では説明のために各剪断層10および20は一定の歪みを生じる剪断応力τを加えた状態下の層を示してある。［図２］は各層10、20にそれぞれに最大剪断角度γ_10maxおよびγ_20maxが生じる最大剪断変形が加わった状態を示している。本発明者は、特定の材料を選択し、特定の組み合わせにすることによって回転抵抗ＲＲを下げ且つ各材料を複合しないで単一の剪断バンドとした場合より有利な物性を有する剪断バンドを剪断層10、20から作ることができるということを見出した。

本発明者は、層10を層20より相対的に柔らかい材料で作った。すなわち、層10は相対的に小さい動的剪断モジュラスＧ10を有し、この材料が所定剪断応力τ下で層20よりも相対的に大きな歪みで作動した場合でも、ヒステレシスが低くなるようにした。例えば、層10の材料は100℃での破断伸び（ASTM D412で100℃で測定）が約100％以上、好ましくは約180％以上でなければならず、さらに、動的剪断モジュラス（ASTM D5992で測定）は約1.5Mpa〜5.0Mpa、好ましくは約2.0Mpa〜4.0Mpaでなければならない。一方、層20は層10よりスティフ（硬い）材料で作る。すなわち、層20は、その材料が、遭遇する剪断応力τの範囲での低い歪み領域において作動した時に低いヒステレシスを示すような相対的に高い剪断モジュラスＧ20を有する。この層20の材料の動的剪断モジュラスＧ20は動的剪断モジュラスＧ10の約３倍以上、好ましくは動的剪断モジュラスＧ10の約６倍以上でなければならない。二つの層10と20を剪断バンドに形成した時の全体的物性（全体物性）、すなわちスチフネス、タフネス（靭性）および低ヒステレシスはいずれかの層個々には存在しないものである。タイヤに構築した場合、使用した各剪断層10、20の全体の厚さhを望ましくない程度まで増加させずに、得られた剪断バンドの回転抵抗を許容範囲内のレベルにすることができる。

既に述べたように、タイヤ設計者は得られた剪断バンドの全動的剪断モジュラスＧ_effを所望レンジ（３MPa〜20MPa）にすることができる。層10、20から作られる複合剪断ビームの全動的剪断モジュラスＧ_effは下記で計算できる：

（ここで、
Ｇ_eff＝複合剪断層の有効動的剪断モジュラス（複合剪断層と同じ剪断スチフネスを得るのに必要な均質層のモジュラス）
Vf₁₀＝柔らかい方の材料の体積分率
Ｇ₁₀＝ASTM D5992で測定した剪断層の柔らかい方の材料の動的剪モジュラス
Vf₂₀＝硬い方の材料の体積分率
Ｇ₂₀＝ASTM D5992で測定した剪断層の硬い方の材料の動的剪断モジュラス）

体積分率は下記のように計算できる：
Vf₁₀＝ h₁₀／h
Vf₂₀＝ h₂₀／h
（ここで、
h₁₀＝層10の高さまたは厚さ
h₂₀＝層20の高さまたは厚さ
h＝層全体の全体厚さ、すなわち、h₁₀＋h₂₀

上記の体積分率式はタイヤ半径と比較した時にhが小さい場合に使用するのに適しているという点に留意する必要がある。他の用途、例えばキャスタのようにタイヤ直径が小さい場合には、上記式の代わりに当業者に公知の幾何学関係を使用しなければならない。

例として設計者が半径Ｒを300mmに選択し、２つの材料で剪断バンドを構築する場合を考える。材料はそれぞれ30MPaおよび３MPaの動的剪断モジュラスを有すると仮定する。剪断層を構築するために、設計者は剪断層として許容範囲される厚さhとなるような動的剪断モジュラスを有する剪断バンド用の単一材料を予め選択する。これは式（1）を使用して計算することができる。しかし、回転抵抗ＲＲを最適化するのではなく、既に述べたように、に剪断層用の単一材料の選択では所望物理特性をバランス（妥協）させることになる。相対的に硬いハードな材料（30MPa）を選択すると剪断バンドの厚さhは小さくなるが、持久性が悪くなる。柔らかい材料（３MPa）を選択すると持久性を改善するが、厚さhが増加してしまう。

しかし、動的モジュラスの高い材料と動的なモジュラスが低い材料と層10と20から、所望レンジ内にあるＧ_effを有する複合剪断バンドを作られることが可能になる。今、層20は動的剪断モジュラスが30MPaの材料で、層10は動的剪断モジュラスが3 Mpaの材料と仮定する。これらの層の容積が等しい場合、上記の式（3）を使用すると有効動的剪断モジュラスＧ_effは約６Mpaになる。上記の式（1）を使用し、剪断バンドの厚さを10mmに選択すると、Ｐ_effは３バールとなり、上記タイヤ設計で考えた許容範囲内になる。

しかも、層10として高歪み時に低ヒステレシスとなるの材料を選択し、層20として低歪み時に低ヒステレシスとなる材料を選択することによって、複合材料料の回転抵抗ＲＲは許容範囲内になる。例として、15％〜30％の間の歪みで層10はヒステレシスが約0.2以下の材料、好ましくは約0.1以下の材料を選択できる。また、例として、約0.1％〜2％の間の歪みで、層20はヒステレシスが約0.07以下の材料、好ましくは約0.04以下の材料を選択することができる。

層20の厚さは剪断バンドの外側半径の2％以上にならないようにするのが好ましい。そすると撓み（曲げ）に起因する歪みは約1％以下に制限される。半径が300mmのタイヤの例に戻ると、層20は約15mm以下の厚さを有することができ、さらに、約6mm以下の厚さを有することができる。

本発明は［図２］に示すような２層10と20のみの複合剪断バンドに限定されるものではない。本発明の剪断バンドは動的剪断モジュラスがＧ₁₀とＧ₂₀である材料の層を交互に多重に積層することができる。例えば、設計者が半径Ｒが300mm以下、例えば150mmを選択する場合には多重に積層するのが望ましい。上記の例に戻ると、設計者が約６MPaのＧ_effを有する２つの材料を選択した場合、Ｐ_effは６バールになる。この場合には、動的モジュラスＧ₂₀が高い方の材料から作った層の厚さが剪断バンドの外側半径の2％を超えないように剪断バンドの各層を決定する必要がある。

［図３］は本発明の他の典型的な実施例を示し、この場合でもＧ₁₀とＧ₂₀の体積分率は等しく、互いに0.5である。しかし、この剪断バンドは３つの層から作られている。相対的により高い動的剪断モジュラスＧ₂₀を有する２つの層20が相対的により低い動的剪断モジュラスＧ₁₀を有する柔らかい層10の放射方向内側および放射方向外側に配置されている。
［図４］も本発明のさらに他の典型的な実施例を示し、各々が動的剪断モジュラスＧ₁₀またはＧ₂₀を有するように選択された材料の層10と層20が交互に配置されたものを剪断バンドとして使用する。
［図３］と［図４］の実施例を組み合わせた別の実施例にすることもできる。そうした多くの実施例は本発明の権利範囲に入るということは当業者に理解できよう。

［図５］は、相対的によりスティフな層20の各体積分率Vf₂₀に対するスティフネス効率（Stiffness Efficiency）（ＳＥ）を、柔らかい剪断層材料Ｇ₁₀に対するスティフな（硬い）剪断層材料Ｇ₂₀の動的モジュラスの各比でプロットした線図である。上記スティフネス効率（Stiffness Efficiency）（ＳＥ）とは剪断スチフネスの実際の増加分を剪断スチフネス理想的な増加分（すなわち、硬い材料中での剪断歪がないとした場合の剪断スチフネスの増加分）で割ったもので定義される。［図５］に示すように、硬い材料の体積分率Vf₂₀が増加するとスティフネス効率（ＳＥE）は減少する。体積分率Vf₂₀が0.50の場合、、50％のスティフネス効率を得るためにはＧ₁₀に対するＧ₂₀の比は少なくとも3.0でなければならない。Ｇ₁₀に対するＧ₂₀の比が6.0でスチフネス効率は約75％になる。

本発明では体積分率Vf₂₀を約0.3〜0.7のレンジにすることができる。あるいは、約0.5の体積分率Vf₂₀を用いることができる。剪断バンドに複数の材料の層（各層が特定の動的剪断モジュラスＧxを有する）を使用する場合、体積分率Vfxは剪断バンド中の各材料の全容積に対する動的剪断モジュラスＧxを有する剪断バンドの材料の全容積の比である。換言すれば、体積分率は特定の層の体積分率に基づいて計算するのではなく、各材料が複数存在するので、存在する特定の動的剪断モジュラスを有する材料の全容積の剪断バンド中の各材料の容積の合計に対する相対量に基づいて計算される。式３に戻ると、各材料が複数の層から成る剪断バンドの場合の体積分率は下記の式を用いて計算できる。

（ここで、
Vfx＝特定の動的剪断モジュラスＧxを有する材料の全体積分率
hx＝特定の動的剪断モジュラスＧxを有する材料で作られた層の合計高さまたは合計厚さ
h＝ 剪断バンド中の全ての層の全体の厚さ）

本発明者はさらに、層20で使われるより硬い材料の動的剪断モジュラスＧ₂₀が増加すると、複合剪断バンド全体のの回転抵抗ＲＲが大きく向上するということを見い出した。
［図６］は、Ｇ₁₀が2.0MPaで、Vf₁₀とVf₂₀の体積分率が等しいと仮定した場合の、Ｇ₂₀に対する回転抵抗効率（Rolling Resistance Efficiency（ＲＲＥ）のプロット線である。この回転抵抗効率（Rolling Resistance Efficiency（ＲＲＥ）は実際の回転抵抗ＲＲの増加分を理想的な回転抵抗ＲＲの増加分で割った値として定義される。回転抵抗ＲＲは下記の式を用いて剪断層の寄与度に基づいて計算される。

（ここで、
ＲＲ＝回転抵抗
Ｇ₁₀＝ASTM D5992で測定した柔らかい剪断層材料の動的剪断モジュラス
Vf₁₀＝柔らかい材料の体積分率
γ_10max＝層10の材料の最大剪断角度
Ｇ20＝ASTM D5992で測定した硬い剪断層材料の動的剪断モジュラス
Vf₂₀＝硬い材料の体積分率
γ_20max＝層20の材料の最大剪断角度）

経験的にこの曲線はＧ₂₀が増加したときに直線にはならないが、層20のように低歪時に低ヒステレシスの材料から層20を選択すると、Ｇ₂₀がＧ₁₀に対して十分に高い限り、硬い材料の回転抵抗ＲＲの寄与度はゼロになるということを［図６］は示している。

以下、各種の非空気タイヤ構造での本発明の典型的な実施例を示すが、本発明が非空気タイヤに限定されるものではなく、空気タイヤや他の工学分野でも使用できるということは当業者には理解できよう。以下では典型的なタイヤの実施例のみを示すが、以下の他の実施例および本発明方法は本発明の範囲に入るものである。

［図７］は本発明の構造的に支持された弾性タイヤの一つの典型的な実施例を示している。［図７］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延びたサイドウオール部分150と、このサイドウオール部分150の端部のビード部分160とを有する。ビード部分160はタイヤ100をホイール15にアンカーさせ、固定させる。トレッド部分110、サイドウオール部分150およびビード部分160によって空洞（環状空間）105が区画される。

トレッド部分110の放射方向内側には補強された環状バンドが配置されている。［図７］に示した典型的な実施例では環状バンドは剪断層10および20から成るの複合材料料である。２つの層10、20のみを示してあるが、上記の多重層を使うことができるということは理解できよう。この環状バンドは剪断層10の放射方向で最も内側に接着した補強された131および132を有する第１のメンブレン130と、剪断層20の放射方向で最も外側に接着した補強した層141および142を有する第２のメンブレン層140とをさらに有する。

トレッド部分110は溝を有していないか、縦方向に延びた複数のトレッド溝115を有し、トレッド溝の間にはトレッドリブ116を形成することができる。トレッドリブ116をさらに横断方向および縦方向に分けて各車両の用途の使用条件に適したトレッドパターンを形成することができる。トレッド溝115はタイヤの各用途の使用条件に合った任意の深さを有することができる。第２のメンブレン140はトレッド部分の破断やわずかな浸入に対して第２のメンブレンの構造を保護するのに十分な距離だけトレッド溝の底から放射方向内側へオフセットしている。このオフセット距離はタイヤの各使用用途に従って増減される。例えば、重量トラックタイヤでは一般に約5〜7mmのオフセット距離を使用する。

第１および第２のメンブレンの層130および140の各々はエラストマーの被覆中に埋め込まれた基本的に伸びない補強コードから成る。エラストマー材料で作られるタイヤの場合には、メンブレン130および140はその材料の加硫時に剪断層10および20に接着されるが、メンブレン130および140を剪断層120に化学的または接着剤を用いて接着したり、機械的に接着する等の他の任意の接着方法を用いても本発明の範囲を逸脱するものではない。各剪断層10および20は種々の材料で作ることができる。この材料は例えばゴム、ポリウレタンおよび熱可塑性エラストマーを含む。各材料は任意の接着方法または機械的結合方法によって互いに結合することができる。

層131〜132および141〜142の補強要素は従来のタイヤのタイヤベルト補強材としての用途に適した任意の材料、例えばモノフィラメントまたはスチールコード、アラミド、その他の高モジュラス織物にすることができる。図示した実施例のタイヤの場合、補強材は直径が0.28mmの４本ワイヤのスチールコード（４×0.28）である。ここに示した実施例では各メンブレンがコード補強された層を有しているが、環状バンドに要求される引張りスチフネス、曲げスチフネス、圧縮座屈抵抗性に必要な条件に合ったメンブレン用の任意の適切な材料を使用することができる。すなわち、メンブレン構造はいくつかの選択肢の中から選択でき、例えば均質材料、繊維補強マトリックスまたは個別補強要素を有する層のいずれにすることもできる。

第１のメンブレン130の層131および132はタイヤ赤道面に対して一定角度を成し、各層のコードは互いに反対方向（すなわち層131では＋αの角度、層132では−αの角度）を向いた基本的に平行なコードを有している。第２のメンブレン140の層141および142も同様にタイヤ赤道面に対して＋β、−βの角度を成す基本的に平行なコードを有している。この場合、互いに隣接する層の間のコードの開先角度は角度αまたはβの２倍である。角度αおよびβは一般に約10°〜45°であり、好ましくは約20°〜約35°であり、さらに好ましくは約25°〜約30°である。しかし、一つのメンブレン中のペアーを成す層中のコードが互いに等し角度をしたり、互いに逆の向きを向いている必要は必ずしもない。例えば、ペアーを成す層のコードはタイヤ赤道面に対して非対称であるのが望ましい。

各層131、132および141、142のコードは一般に動的剪断モジュラスが約20MPaのエラストマーの被覆層中に埋め込まれている。被覆層の動的剪断モジュラスは、環状バンドの変形が主として剪断層10と20とを組合せたものの内部の剪断変形となるようにするために、剪断層10と20の複合材料料の全動的剪断モジュラスＧ_effより大きいのが好ましい（このことは以下でさらに詳細に説明する）。

剪断層10と20の複合材料料の全動的剪断モジュラスＧ_effと、メンブレン130および140の有効縦方向引張りモジュラスE'_MEMBRANEとの間の関係によって荷重下での環状バンドの変形を制御する。従来のタイヤベルト材料を使用したメンブレンの有効縦方向引張りモジュラスE'_MEMBRANEは下記の式で推定できる：

（ここで、
E_RUBBER＝被覆材料の縦弾性係数
P ＝コード方向に直角に測ったコード間隔（コード中心間の間隔）、
D ＝コード直径
ν＝被覆材料のポアソン比
α＝赤道面に対するコード角度
t ＝互いに隣接する層中のケーブル間のゴムの厚さ）
（注） E'_MEMBRANE＝メンブレンの弾性モジュラス×メンブレンの有効厚さ

E'_MEMBRANE／Ｇ_effの比が小さい場合、荷重下の環状バンドの変形は均質バンドの変形に近づき、地面接触圧力は非均一になる。E'_MEMBRANE／Ｇ_effの比が十分に大きい場合には、荷重下の環状バンドの変形は基本的に剪断層10と20の複合材料料の剪断変形になり、メンブレンの縦方向の貧調またはの圧縮は小さい。従って、地面接触圧力は実質的に均一になる。

剪断層10と20の複合材料の全動的剪断モジュラスＧ_effに対するのメンブレン縦方向引張りモジュラス（E'_MEMBRANE）の比は少なくとも約100：1、好ましくは少なくとも約1000：1にする。4x0.28のコードを使用し、上記の角度にした補強コードを含むメンブレンの場合の、剪断層10と20の複合材料の所望の全動的剪断モジュラスＧ_effは約３MPa〜約20MPaである。荷重下の回転走行中に剪断層10と20の複合材料が繰り返し変形することによって使用材料のヒステリック特性によりエネルギーが放散する。タイヤ中に生じる全熱蓄積はこのエネルギー放散と剪断層の厚さとの関数である。従って、従来材料を使用してタイヤを設計する場合には、タイヤを連続使用した時にタイヤ運転温度が約130℃以下に維持されるように、剪断層10および20のヒステレシスを選択しなければならない。

本発明の他の典型的な実施例では、メンブレン130および140の引張りスチフネスを増加させるためにメンブレンの少なくとも一つの層のコードを赤道面に対して０°またはほぼ０°にすることができる。この実施例ではエラストマーの被覆層中に埋め込まれる各層131、132および141、142のコードの動的剪断モジュラスを一般に約3〜20MPaにすることができる。この場合、環状バンドの変形が主として剪断層10と20から成る剪断バンドの内部での剪断変形によるようにするために、被覆層の動的剪断モジュラスを剪断層10と20の全動的剪断モジュラスにほぼ等しくするのが好ましい。

赤道面に対して補強コードが10°以下を成すメンブレンの場合のメンブレンの引張りモジュラスは下記の式で推定できる：

（ここで、
E_CORD＝コードの引張りモジュラス
V＝メンブレン中でのケーブルの体積分率
t MEMBＲANE ＝メンブレンの厚さ）
均質材料または繊維または他の材料で補強されたマトリックスの場合には、モジュラスはその材料またはマトリックスの引張りである。

［図８］と［図９］は非空気タイヤでの本発明のさらに他の典型的な実施例を示している。［図８］に示したタイヤ200は地面と接触するトレッド部分205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210と、環状バンドから放射方向内側へ延び、横断方向に延びている複数のウェブスポーク250と、ウェブスポーク250の放射方向内側末端にある取付バンド260とを有している。この取付バンド260がタイヤ200をホイール210またはハブにアンカーする。「横断方向に延びた」とはウェブスポーク250が軸線方向に整列しているか、タイヤ軸線に対して斜めであってもよいことを意味する。「放射方向内側へ延び」とはウェブスポーク250がタイヤ軸線に対して放射面内にあるか、放射面に対して斜めであってもよいことを意味する。また、複数の第２のウェブスポークが赤道面内に延びていてもよい。

［図９］はタイヤ200およびホイール210の子午線面での断面図で、補強された環状バンド210は上記のように作られた弾性剪断層10および20を有している。第１のメンブレン230は弾性剪断層10の放射方向で最も内側に接着され、第２のメンブレン240は弾性剪断層20の放射方向で最も外側に接着されている。メンブレン130および140は剪断層120の剪断スチフネスより大きな引張りスチフネスを有し、従って、荷重下には補強された環状バンド110が剪断変形する。上記の他の典型的な実施例と同様に、この補強された環状バンドは各々が一つではない複数の多重層10および20を含む剪断層にすることができる。

上記の本発明の典型的な実施例の装置および方法を変形して種々の変形実施例を作ることができるということは理解できよう。そうした変形例は本発明およびその均等物の権利範囲に入るものである。

基準となる均一バンドの場合の地面からの反応力を示すブロック線図。 剪断層を有する環状バンドの場合の地面からの反応力を示すブロック線図。 本発明の典型的な実施例に従って作られた剪断バンドの場合の剪断層の複合材料料の断面図。 本発明の他の典型的な実施例に従って作られた剪断バンドの場合の剪断層の複合材料料の断面図。 本発明のさらに他の典型的な実施例に従って作られた剪断バンドの場合の剪断層の複合材料料の断面図。 明細書に記載のデータのプロット線。 明細書に記載の他のデータのプロット線。 剪断バンドを有する本発明の典型的な実施例の断面図。 剪断バンドを有する本発明の典型的な他の実施例の部分斜視図。 図８に示した本発明の典型的な実施例の断面図。

Claims (30)

1. 下記（１）〜（３）：
   （１）下記の(i)と(ii)：
   (i) 第１の動的剪断モジュラス(dynamic shear modulus)と第１の全体積分率(total volume fraction)とを有する一層または複数の層、
   (ii) 第２の動的剪断モジュラスと第２の全体積分率を有する一層または複数の層、
   から成る一つの全動的剪断モジュラスを有する複合剪断層(composite shear layer)であって、第１の動的剪断モジュラスに対する第２の動的剪断モジュラスの比が少なく約３であり、上記の第１または第２の動的剪断モジュラスを有する一層または複数の層が、第１の動的剪断モジュラスを有する層と第２の動的剪断モジュラスを有する層との間に交互に配置されている複合剪断層、
   （２）上記複合剪断層の放射状内側に接着した少なくとも一つの第１メンブレン、
   （３）上記複合剪断層の放射状外側に接着した少なくとも一つの第２メンブレン、
   からなり、上記複合剪断層の全動的剪断モジュラスに対する上記メンブレンの一つの縦方向引張りモジュラス（longitudinal tensile modulus、縦弾性係数）の比が少なくとも約100：1である、ことを特徴とする放射方向を規定する剪断バンド。
2. 第１の動的剪断モジュラスを有する一層または複数の層が、約15％〜約30％の間の歪で少なくとも約0.2以下のヒステレシスを有する少なく一つの材料から成る請求項1に記載の剪断バンド。
3. 第１の動的剪断モジュラスを有する一層または複数の層が、約15％〜約30％の間の歪みで少なくとも約0.1以下のヒステレシスを有する少なく一つの材料から成る請求項1に記載の剪断バンド。
4. 第２の動的剪断モジュラスを有する一層または複数の層が、約0.1％〜約２％の歪みで少なくとも約0.07以下のヒステレシスを有する少なく一つの材料から成る請求項３に記載の剪断バンド。
5. 第２の動的剪断モジュラスを有する一層または複数の層が、約0.1％〜約２％の歪みで少なくとも約0.04以下のヒステレシスを有する少なく一つの材料から成る請求項３に記載の剪断バンド。
6. 請求項５に記載の剪断バンドを有する、地面接触部分とトレッド部分とを有するタイヤ。
7. 地面と接触するトレッド部分と、このトレッド部分の放射方向内側に配置される補強用の環状バンドとを有する、ホイールに取付けられるタイヤであって、
   上記の補強用の環状バンドが、
   （１）一つの全動的剪断モジュラスを有する複合剪断層と、
   （２）上記複合剪断層の放射状内側に接着した少なくとも一つの第１メンブレンと、
   （３）上記複合剪断層の放射状外側に接着した少なくとも一つの第２メンブレンと、
   を有し、
   上記複合剪断層が、
   (i) 第１の動的剪断モジュラスと第１の全体積分率とを有する一層または複数の層、
   (ii) 第２の動的剪断モジュラスと第２の全体積分率を有する一層または複数の層、
   から成り、第１の動的剪断モジュラスに対する第２の動的剪断モジュラスの比が少なくとも約３であり、上記の第１または第２の動的剪断モジュラスを有する一層または複数の層が、第１の動的剪断モジュラスを有する層と第２の動的剪断モジュラスを有する層との間に交互に配置され、
   上記複合剪断層の全動的剪断モジュラスに対する上記メンブレンの一つの縦方向引張りモジュラスの比が少なくとも約100：1である、ことを特徴とする放射方向を規定するタイヤ。
8. 第２の全体積分率が約0.3〜約0.である請求項7に記載のタイヤ。
9. 第２の全体積分率が約0.5である請求項7に記載のタイヤ。
10. 上記複合剪断層の全動的剪断モジュラスに対する上記メンブレンの一つの縦方向引張りモジュラスの比が少なくとも約500：1である請求項7、8または9に記載のタイヤ。
11. 上記複合剪断層の全動的剪断モジュラスに対する上記メンブレンの一つの縦方向引張りモジュラスの比が少なくとも約1000：1である請求項7、8または9に記載のタイヤ。
12. 第１の動的剪断モジュラスが約1.5Mpa以上でかつ約５MPa以下である請求項7、8または9に記載のタイヤ。
13. 第１の動的剪断モジュラスが約２Mpa以上でかつ約４MPa以下である請求項7、8または9に記載のタイヤ。
14. 第１の動的剪断モジュラスを有する材料から作られた上記の一層または複数の層の100℃での破断伸び（Elongation at Break)が約100％以上である請求項7、8または9に記載のタイヤ。
15. 第１の動的剪断モジュラスを有する材料から作られた上記の一層または複数の層の100℃での破断伸びが約180％以上である請求項7、8または9に記載のタイヤ。
16. 少なくとも第１および第２のメンブレンの各々が、上記複合剪断層の全動的剪断モジュラスに少なくとも等しいか、それ以上の剪断弾性モジュラスを有する被覆層の中に埋設された実質的伸長しないコードの補強材の層をさらに有する請求項7、8または9に記載のタイヤ。
17. ホイールに取付られるタイヤであって、地面と接触するトレッド部分と、このトレッド部分の放射方向内側に配置された補強用の環状バンドと、上記のトレッド部分および環状バンドをホイールに接続する手段と、上記複合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のメンブレンと、上記複合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のメンブレンとを有し、
    上記環状バンドが全動的剪断モジュラスを有する複合剪断層から成り、この複合剪断層は下記（i)と（ii)：
    （i) 第１の動的剪断モジュラスを有する第１の剪断層、
    （ii) 上記第１の剪断層の放射方向外側に位置した、第２の動的剪断モジュラスを有する第２の剪断層、
    とから成り、第１の動的剪断モジュラスに対する第２の動的剪断モジュラスの比は少なくとも約3であり、上記複合剪断層の全動的剪断モジュラスに対する上記メンブレンの一つの縦方向引張りモジュラスの比が少なくとも約100：1である
    ことを特徴とするタイヤ。
18. 上記第２の材料の全体積分率が約0.3〜約0.7である請求項17に記載のタイヤ。
19. 上記第２の材料の全体積分率が約0.5である請求項17に記載のタイヤ。
20. 上記の複合剪断層のメンブレンの一つの全動的剪断モジュラスに対する縦方向引張りモジュラスの比が少なくとも約500：1である請求項19に記載のタイヤ。
21. 上記の複合剪断層のメンブレンの一つの全動的剪断モジュラスに対する縦方向引張りモジュラスの比が少なくとも約1000：1である請求項19に記載のタイヤ。
22. 第１の動的剪断モジュラスが約1.5Mpa以上で且つ約５Mpa以下である請求項17に記載のタイヤ。
23. 第１の動的剪断モジュラスが約２Mpa以上で且つ約４Mpa以下である請求項17に記載のタイヤ。
24. 第１の剪断層の100℃での破断伸びが約100％である請求項17に記載のタイヤ。
25. 第１の剪断層の100℃での破断伸びが約180％である請求項17に記載のタイヤ。
26. 少なくとも第１のメンブレンおよび第２のメンブレンの各々が、第１および第２の剪断層の全動的剪断モジュラス以上か、それに等しい剪断弾性係数を有するエラストマーの被覆層中に埋め込まれた実質的に伸びない補強コードの層から成る請求項17に記載のタイヤ。
27. 第１の剪断層が、約15％〜約30％の歪み時に約0.2以下のヒステレシスを有する少なくとも一つの材料から成る請求項17に記載のタイヤ。
28. 第１の剪断層が、約15％〜約30％の歪み時に約0.1以下のヒステレシスを有する少なくとも一つの材料から成る請求項17に記載のタイヤ。
29. 第２の剪断層が、約0.1％〜約2％の歪み時に約0.07以下のヒステレシスを有する少なくとも一つの材料から成る間の成る請求項17、27または28に記載のタイヤ。
30. 第２の剪断層が、約0.1％〜約2％の歪み時に約0.04以下のヒステレシスを有する少なくとも一つの材料から成る間の成る請求項17、27または28に記載のタイヤ。

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