JP2013507296A - 多層せん断帯の強化のための方法および装置 - Google Patents

多層せん断帯の強化のための方法および装置 Download PDF

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Abstract

非空気圧タイヤにおいて用いられるような多層せん断帯の強化のための方法が開示される。より詳細には、せん断帯の厚さを増加させるかまたはせん断帯の厚さを低下させることなくかつせん断帯の性能特性を維持しつつ、せん断帯の性能特性を向上させる（例えば、曲げ剛性を増加させる）繰り返し方法が提供される。この方法に従って構築されたせん断帯も提供される。
【選択図】図３

Description

本発明は、非空気圧タイヤにおいて用いられるような多層せん断帯の強化と、このようなせん断帯を設計する方法とに関する。より詳細には、本発明は、せん断帯の厚さを増加させることなくせん断帯の性能特性を向上させる（例えば、曲げ剛性を増加させる）ための方法またはせん断帯の性能特性を維持しつつせん断帯の厚さを低減する方法と、このような方法に従って構築されたせん断帯とに関する。
非空気圧タイヤ構造の詳細および恩恵について、米国特許第６，７６９，４６５号、米国特許第６，９９４，１３４号、米国特許第７，０１３，９３９号および米国特許第７，２０１，１９４号中に記載がある。特定の非空気圧タイヤ構造において、せん断帯の採用が提案されており、その実施形態について、例えば米国７，２０１，１９４号に記載がある。本明細書中、同文献を参考のため援用する。このような非空気圧タイヤを用いた場合、タイヤに付加される負荷を支持するためのガス膨張圧力に依存することなくタイヤ性能が得られるという利点が得られる。
環状のせん断帯１１０を有するタイヤ１００の一例を図１に示す。タイヤ１００はまた、複数の張力伝達要素（ウェブスポーク１５０と図示）も含む。これらの要素は、せん断帯１１０から横方向かつ内側方向に横断して延びる。取り付け帯１６０が、前記ウェブスポークのラジアル方向内側端部に配置される。取り付け帯１６０は、タイヤ１００をハブ１０へとアンカー固定する。トレッド部１０５は、せん断帯１１０の外周に形成され得、例えば溝部またはリブがトレッド部１０５上に形成され得る。
図２を参照して、図２は、タイヤ１００の子午面における断面図を示す（ただし、トレッド部１０５は無し）。強化せん断帯１１０は、せん断層１２０と、せん断層１２０のラジアル最内範囲に接着された最内強化層１３０と、せん断層１２０のラジアル最外範囲に接着された最外強化層１４０とを含む。これらの強化層１３０および１４０の引張剛性はせん断層１２０のせん断剛性よりも高くなっており、これにより、せん断帯１１０は垂直負荷を受けた際にせん断変形する。
より詳細には、米国特許第７，２０１，１９４号に記載のように、米国特許第７，２０１，１９４号に記載のような強化層の弾性係数のせん断層のせん断係数に対する比（Ｅ’membrane／Ｇ）が比較的低い場合、負荷下のせん断帯１１０の変形は、均質帯の比に近似し、非均一の接地圧を発生させる。あるいは、この比が十分に高い場合、負荷下のせん断帯１１０の変形は本質的にせん断層のせん断変形に起因するものであり、強化層１３０および１４０の長手方向の伸長または圧縮はほとんど発生しない。図１に示すように、回転Ｘのタイヤ軸上に付加された負荷Ｌは、ウェブスポーク１５０中の張力により環状帯１１０へと伝達される。環状せん断帯１１０は、アーチと同様に機能し、タイヤ赤道面において円周圧縮剛性および長手方向の曲げ剛性を提供する。前記円周圧縮剛性および長手方向の曲げ剛性は、負荷支持部材として機能できるくらいに十分に高い。負荷下において、せん断帯１１０は、せん断帯１１０のせん断変形を含む機構を通じて、地面との接触領域Ｃにおいて変形する。せん断によって変形できる能力により、適合した地面接触領域Ｃが得られる。地面接触領域Ｃは、空気式タイヤと同様に機能し、同様の有利な結果を可能にする。
せん断層１２０は、例えば、せん断係数が約３ＭＰａ〜約２０ＭＰａである材料の層によって構成され得る。せん断層１２０に適した材料を挙げると、ｉｎｃｌｕｄｅ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共重合体がある。第１の強化層１３０および第２の強化層１４０は、エラストマーコーティング中に埋設された本質的に伸張不可能なコード強化部を含む。エラストマー材料によって構成されたタイヤの場合、強化層１３０および１４０は、エラストマー材料の硬化により、せん断層１２０へと接着される。
上述したように、せん断帯（例えば、帯１１０）により、タイヤ１００の動作時における長手方向の曲げ剛性が得られる。特定の用途においては、せん断帯１１０曲げ剛性を増加させつつ、ラジアル方向Ｒに沿ったせん断帯１１０の厚さ全体を維持することが望ましい。例えば、設計者は、タイヤ１００の性能特性の変更のために、せん断帯１１０の曲げ剛性を増加させつつ、非空気圧タイヤ１００の直径全体およびせん断梁厚さを維持することを望む場合がある。逆に、他の特定の用途において、タイヤ１００の曲げ剛性を維持し（およびよって質量を低減し）つつ、せん断帯１１０の厚さを低減することが望まれる場合がある。
よって、このようなせん断帯の設計方法と、このような方法から構築されたせん断帯とがあれば、特に有用である。より詳細には、非空気圧タイヤの全体的寸法を維持しつつ、基準せん断帯の特定の機械的特性（例えば、曲げ剛性）を向上させることを非空気圧タイヤの設計者が可能にする方法があれば、特に有用である。設計者が特定の機械的特性を維持または向上しつつせん断帯のラジアル厚さを低減することを可能にする方法も、有用である。本発明の上記および他の有利な局面は、以下の記載から明らかとなる。
本発明の目的および利点について、以下の記載において部分的に説明する。あるいは、本発明の目的および利点は以下の記載から明らかであり得、あるいは本発明の実施から理解され得る。
本発明の１つの例示的局面において、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法が提供される。前記方法は、前記せん断帯の厚さＨREFおよび前記せん断帯の合計強化層数ＮREFを用いて、垂直剛性および（Ｇeff＊Ａ）REFを決定するステップと、前記せん断帯の厚さの目標値Ｈ目標を選択するステップと、前記せん断帯内の前記合計強化層数を１だけ増加させるステップと、前記せん断帯の厚さＨTARGETを用いかつ前記増加させるステップによって得られた前記せん断帯の強化層数を用いて、（Ｇeff＊Ａ）CALCを計算するステップと、前記計算するステップからの（Ｇeff＊Ａ）CALCと、前記決定するステップからの（Ｇeff＊Ａ）REFとを比較するステップと、（Ｇeff＊Ａ）CALCが（Ｇeff＊Ａ）REF未満である場合、（Ｇeff＊Ａ）CALCが（Ｇeff＊Ａ）REF以上になりかつ前記合計強化層数がＮTOTALになるまで、前記増加させるステップおよび前記計算するステップを繰り返すステップと、前記比較するステップによって得られた前記せん断帯の前記せん断帯の厚さＨTARGETおよび前記強化層数ＮTOTALを用いて、前記垂直剛性を計算するステップとを含む。前記計算するステップからの前記垂直剛性が前記決定するステップからの前記垂直剛性よりも低い場合、前記方法は、最外強化層と最内強化層との間の前記強化層のうち少なくとも１つを前記せん断帯内の新規位置へと移動させるステップであって、前記新規位置は、前記最外強化層または前記最内強化層のいずれかにより近接する、ステップと、前記計算するステップからの前記垂直剛性が前記決定するステップからの前記垂直剛性以上になるまで、前記計算するステップおよび前記参照するステップを繰り返すステップとを含む。
本発明の別の例示的実施形態において、ラジアル方向最内強化層およびラジアル方向最外強化層を有するせん断帯を改変するための方法が提供される。前記方法は、少なくとも１つのさらなる強化層を追加することにより、前記せん断帯を用いた非空気圧タイヤの垂直剛性を増加させるかまたは維持するステップであって、前記少なくとも１つのさらなる強化層は、前記ラジアル方向最外強化層と前記ラジアル方向最内強化層との間において前記ラジアル方向最外強化層および前記ラジアル方向最内強化層から間隔を空けて配置される、ステップと、前記せん断帯のμp／p値を低減するステップとを含む。
本発明のこの例示的方法の変更例について、以下の詳細な説明においてさらに説明する。本発明は、この例示的方法に従って構築されたせん断帯と、このようなせん断帯を用いた非空気圧タイヤとを含む。
例えば、１つの例示的実施形態において、本発明は、せん断層を有するせん断帯と、前記せん断層の片側に沿って配置された内側強化層と、前記せん断層の他方側に沿って配置された外側強化層とを含み、これにより、前記内側強化層と前記外側強化層との間に前記せん断層が配置される。少なくとも２つ以上のさらなる強化層が前記外側強化層と前記内側強化層との間において間隔を空けて配置され、これにより、前記せん断帯は合計Ｎ個の強化層を有し、Ｎ≧４である。
本発明の上記および他の特徴ならびに局面および利点は、以下の記載および特許請求の範囲からより深く理解される。本明細書において用いられる添付の図面は、本明細書の一部を形成し、本発明の実施形態を示し、下記記載と共に、本発明の原理を説明する働きを担う。
本発明の網羅的かつ実施可能な程度の開示（その最良の態様を含む）は、当業者に向けられたものであり、本明細書中において記載される。本明細書は、添付の図面を参照する。
負荷下の非空気圧タイヤの赤道面の模式図である。 図１の非空気圧タイヤにおいて用いられるような、負荷を受けているせん断帯の子午面の模式図である。前記非空気圧タイヤのトレッド部は、図２中図示していない。 本発明のせん断帯の例示的実施形態の子午面の模式図である。前記せん断帯は、５個の強化層を有する（すなわち、前記内側強化層と前記外側強化層との間に３個の強化層が付加されている）。
本発明は、非空気圧タイヤにおいて用いられるような多層せん断帯の強化と、このようなせん断帯の設計方法とに関するより詳細には、本発明は、せん断帯の性能特性の向上（例えば、曲げ剛性の増加）をせん断帯の厚さを増加させることなく得るための方法に関連する。本発明はまた、せん断帯の性能特性を維持しつつせん断帯の厚さ低減を得ることと、このような方法に従って構築されたせん断帯とに関連する。本発明を説明する目的のために、以下、本発明の実施形態および方法について詳述する。本発明の実施形態および方法の１つ以上の例を図面中に図示する。各例は、本発明の説明のために設けたものであり、本発明を制限するものではない。実際、本発明の範囲または意図から逸脱することなく本発明において多様な改変および変更が可能であることが当業者にとって明らかである。例えば、１つの実施形態の一部として図示または記載されている特徴を別の実施形態において用いて、さらなる実施形態を得ることが可能である。よって、本発明は、このような改変および変更を添付の特許請求の範囲およびその均等物に含まれるものとして網羅することが意図される。
本記載において、以下の用語は、以下のように定義される。
「赤道面」とは、回転タイヤ軸に対して垂直方向に延びる面を意味し、タイヤ構造を二等分する。
「子午面」とは、タイヤ回転軸を貫通する面を意味し、タイヤ回転軸を含む。
「垂直剛性」とは、タイヤにおけるたわみと負荷との間の数学的関係である。米国特許第７，２０１，１９４号に記載のように、せん断帯を含む非空気圧タイヤが負荷Ｌ下に配置された場合、前記タイヤは特定量ｆだけたわみ、地面との接触部が地面に適合して、地面接触領域Ｃが形成される。前記せん断帯により弾性タイヤが得られるため、垂直たわみｆは負荷Ｌに比例し、これにより、前記弾性タイヤの垂直剛性を導出が可能になる。当業者にとって、タイヤにおけるたわみと負荷との間の数学的関係を提供または定義するための方法が多数存在する。このような例を２つ挙げると、正割垂直剛性および正接垂直剛性がある。正割垂直剛性および正接垂直剛性について以下に説明する。
「正割垂直剛性」は、数学的関係の一例であり、上記において垂直剛性について述べたように、非空気圧タイヤ上に付加される負荷Ｌをタイヤのたわみｆによって除算して得られた商Ｌ／ｆとして垂直剛性を規定する。所与のタイヤについて、複数の負荷Ｌにおけるたわみを測定することにより、プロットを得ることが可能である。
「正接垂直剛性」とは、垂直剛性を規定する数学的関係の別の例であり、目標負荷またはたわみにおいてせん断帯を含む所与の非空気圧タイヤにおいて、負荷Ｌをたわみｆの関数としてプロットすることによって得られる曲線に対して正接する直線の傾きとして垂直剛性を規定する。
「接地圧」とは、地面または他の支持面と非空気圧タイヤが接触することによって発生する、接触領域Ｃにおける平均接地圧を意味し、負荷Ｌを接触領域Ｃによって除算することによって得られる商として計算することが可能である。
「μp／p」とは、非空気圧タイヤにおいて用いられるようなせん断帯の負荷下におけるピークツーピークラジアル変位の測定値である。米国特許第７，０１３，９３９号（本明細書中、同文献を参考のため援用する）に記載のように、μp／pは、圧縮力が当該せん断帯の短縮可能能力を越えた場合にせん断帯が示し得る座屈またはラジアル変位の測定値である（これに起因して、このようなせん断帯を含むタイヤが不均等に回転し得る）。本明細書中において用いられるように、ピークツーピークラジアル変位μp／pは、スポークによってハブへと接続された複数の強化層を含むせん断帯（例えば、図１および図２に示すようなもの）について、以下のように計算することが可能である。
（１）
Figure 2013507296
 式中、
μp／pは、ピークツーピークラジアル変位（ｍｍ）であり、
ｖは、せん断帯のポアソン比であり、
Ｅmembraneは、強化層（Ｎ／ｍｍ）の弾性係数であり、
Ｉmは、強化層の慣性モーメント領域（ｍｍ4）であり、
Ｔは、スポーク張力（Ｎ）であり、
ｒ0は、せん断帯のノミナル半径（ｍｍ）であり、
ｎは、スポーク数である。
Ｅmembraneは、強化層の弾性の均質化された円周係数であり、Ｎ／ｍｍ2の単位によって表される。強化層のＥmembraneは、ＡＳＴＭ試験方法Ｄ３０３９（「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）に基づいて、実験的に決定することが可能である。ゼロ度において（すなわち、赤道面に対して垂直な位置において）コードまたはケーブルによる強化を有する強化層の特定の例について、Ｅmembraneを以下の方程式から計算することが可能である。

（２）
Ｅmembrane＝Ｅmatrix＊Ｖfin＋Ｅケーブル＊Ｖfc

式中、
ｔは、強化層の厚さ（ｍｍ）であり、
Ｅmatrixは、マトリックスまたは前記強化層の非ケーブル部を構成する材料の係数（Ｎ／ｍｍ）であり、
Ｖfinは、マトリックス体積分率であり、
Ｅcableは、ケーブル引張係数（Ｎ／ｍｍ2）であり、
Ｖfcは、ケーブル体積分率である。
本発明を説明する目的のために、図１および図２の非空気圧タイヤ１００を基準として考える。非空気圧タイヤ１００は、せん断帯１１０およびトレッド層１０５を有する。せん断帯１１０の厚さＨＲＥＦは１８ｍｍであり、トレッド層１０５は厚さ３．５ｍｍであり、合計タイヤ厚さは２１．５ｍｍであり、合計強化層数ＮREFは２である。この基準タイヤ１００の外径Ｄ０は６３０ｍｍであり、基準タイヤ１００のは５０本のスポークを有し、前記スポークのノミナル厚さは３．８ｍｍである。また、強化層１３０および１４０はそれぞれ、ノミナルＥmembraneが２０００ｄａＮ／ｍｍ2であり、厚さが１ｍｍである。以下に記載する数値の明確さのため、ニュートン単位の代わりにデカニュートンを用いており、１ｄａＮは１０Ｎに等しい点に留意されたい。
基準としての非空気圧タイヤ１００の性能は、４つの性能特性（すなわち、正接垂直剛性、正割垂直剛性、接地圧、およびμp／p）を考慮することにより、評価することが可能である。非空気圧タイヤ１０のモデルの有限要素解析を用いて、垂直負荷４００ｄａＮにおけるこれらの性能特性の値を決定した。結果を表１に示す。
Figure 2013507296
本発明を説明する目的のため、これらの基準値から、せん断帯１１０の意図される用途において受容可能な性能が得られると仮定する。しかし、この意図される用途において、タイヤ１００について、上記に指定した厚さ３．５ｍｍのトレッド部１０５の代わりにトレッド厚さは６．５ｍｍが望ましいとも仮定する（すなわち、トレッド部１０５の厚さを３ｍｍだけ増加させることが必要であり、タイヤ１００のその他の特徴（例えば、ハブ１０、スポーク１５０、タイヤサイズ、および構造材料）は変更なしでよい。よって、６３０ｍｍにおいてタイヤ１００の外径Ｄ０を維持するために、トレッド部１０５の厚さの所望の増加に対応するよう、目標せん断帯厚さＨTARGET値１５ｍｍに対してせん断帯１１０を３ｍｍだけ低減することができる。同様に、タイヤ１００のモデルの有限要素解析を用いて、せん断帯１１０の厚さを３ｍｍだけ低減したタイヤ１００の性能特性を決定し、その結果を表２に示す。
Figure 2013507296
残念なことに、表２中の結果に示すように、せん断帯の厚さ１１０の低減に起因して、非空気圧タイヤ１００の性能に悪影響が発生し、表１に示す基準タイヤ１００についての４つの受容可能な（すなわち、目標）性能特性（すなわち、せん断帯の厚さ１１０の低減前のタイヤ１００の性能特性）は満足できなかった。より詳細には、せん断帯１１０の厚さ低減に起因して、せん断帯１１０の剛性の低減と、動作時におけるピークツーピークラジアル変位μp／pの可能性の増加とという悪影響が発生する。そのため、Ｔ表１に示す所望の設計目標を達成するためには、せん断帯１１０の厚さを低減したい場合、せん断帯１１０において特定の改変が必要となる。同様に、設計者がせん断帯１１０垂直剛性を増加させつつせん断帯１１０の基準厚さＨＲＥＦを維持することを決定した場合も、改変が必要となる。
よって、１つの例示的局面において、本発明は、せん断帯を強化する方法を提供する。しかし、本発明は、既存の強化層１３０および１４０の増加または強化層１３０および１４０に隣接する強化部の付加によって強化を提供することを提案しない。その代わりに、本明細書中に開示される方法を用いれば、本発明者らは、せん断層１２０内において既存の強化層１３０と強化層１４０との間のラジアル位置において間隔を空けて強化層を付加することにより、所望の垂直剛性特性が達成可能となるだけでなく、せん断帯のラジアル変位における予期しない向上（すなわち、低減）（例えば、μp／pによって測定されるようなもの）も達成可能であるという予期しない発見をした。
加えて、前記付加された強化層が既存の強化層１３０と強化層１４０との間に均等に間隔を空けて配置可能であるため可撓性が得られ、あるいは、所望であれば、このようなさらなる層を不均等に間隔を空けて配置することも可能である。本発明を用いれば、特定の性能特性（例えば、当該帯の曲げ剛性）を維持または向上しつつ、ＨＲＥＦ（基準せん断帯１１０の厚さ）を低減することが可能であるため、可撓性が同様に得られる。あるいは、本発明を用いれば、ＨREFを変更することなく、当該帯の性能特性を向上（例えば、垂直剛性を増加）させることも可能である。よって、表１の基準値を目標値として用いれば、基準せん断帯１１０の厚さを３ｍｍだけ低減するための本発明の方法の例示的用途が可能となる。
本発明者らは、下記の方程式（３）、（４）および（５）に記載の３つの積により、基準せん断帯１１０について表１に記載されている４つの性能特性を制御することを決定した。これら３つの積は、せん断帯１１０の３つの構造物断面特性とみなすことができる。これらの方程式に対処する前に、以下の方程式（３）〜（８）は、強化層が相互に均等であるとの仮定に基づいている点に留意されたい。しかし、当業者が本明細書中に開示される教示内容を用いれば理解するように、本明細書中に開示される方法は、不均等な強化層を有するせん断帯にも適用可能である。例えば、本発明を用いて、異なる厚さの強化層も利用可能である。よって、均等な強化層の場合、前記３つの積（すなわち、３つの構造物断面特性）を以下のように表すことができる。
（３）Ｇeff＊Ａ
（４）Ｅmembrane＊Ｉm
（５）Ｅmembrane＊Ａm

式中、
Ｇeffは、強化層１３０および１４０を含むせん断帯１１０の有効せん断係数であり、
Ａは、せん断帯１１０の合計断面積（トレッド層は含まない）であり、
Ｅmembraneは、強化層１３０および１４０の円周係数であり、
Ｉmは、前記強化層の慣性モーメント領域に対する寄与であり、
Ａmは、前記強化層の合計断面積である。
せん断帯１１０の有効せん断係数であるＧeffは、以下のように計算される。
（６）
Figure 2013507296
 式中、
Ｇmは、強化層のせん断係数であり、
Ｇslは、前記せん断層に用いられるエラストマーのせん断係数であり、
Ｈは、強化層を含む前記せん断帯の合計厚さであり、
Ｎは、合計強化層数であり、
ｔは、前記強化層の厚さである。
慣性モーメント領域Ｉmは、せん断帯１１０において用いられている強化層が偶数であるかまたは奇数であるかに応じて、以下の２つの方程式のうちの１つによって計算される。強化層偶数である場合、慣性モーメント領域Ｉmは、ＩNevenとして表され、以下の方程式により、ＩNevenが得られる。
（７）
Figure 2013507296
 式中、
ｗは、強化層の幅であり、
ｔは、ラジアル方向Ｒに沿った強化層の厚さであり、
ｈNは、１つの強化層の中心から次の強化層の中心へのラジアル方向Ｒに沿った距離であり、
ｌoは、個々の強化層約の軸方向中心線周囲における慣性モーメント領域であり、
ｈBevenは
Figure 2013507296
Figure 2013507296
Figure 2013507296
 及び
Figure 2013507296
 として計算され、
ｋは、スペーシングバイアスパラメータであり、前記強化層間のスペーシングが比較的均等である場合、１の値が用いられ、前記外側強化層のスペーシングが最小である場合、０の値が用いられる。
図３に示すように強化層数が奇数である場合、慣性モーメント領域ＩmはＩNoddとして表され、以下の方程式によりＩNoddが計算される。
（８）
Figure 2013507296
 ここで、
Figure 2013507296
 及び
Figure 2013507296
上記の計算のように、３つの構造物断面特性であるＧeff＊Ａ、Ｅmembrance＊ＩmおよびＥmembrance＊Ａmを用いて、表１に示す基準タイヤ１００の目標性能特性を満足する（かまたは向上させ）つつ、せん断帯１１０を必要に応じて再構築することができる。上記の例において、表１の性能特性を満足するかまたは向上させつつ、基準せん断帯１１０の合計厚さＨを３ｍｍだけ低減することが望まれる。しかし、本発明の方法を用いれば、せん断帯１１０の他の変更も達成することが可能である。例えば、せん断帯１１０の厚さ（ＨREF）の元々の値から５０パーセントも低減することを目的としてもよい。実際、所望の厚させん断帯１１０の任意の値を目標とする（ＨTARGET）とすることが可能である（ただし、このような値が強化層の厚さよりも（ｔ）少なくとも４倍高い場合）。あるいは、本発明の方法により、正割垂直剛性および正接垂直剛性の値を増加させるかまたはμp／pを低減させつつ、せん断帯厚さＨREFの元々の値を一定に保持することも可能である。それにも関わらず、本発明の例示的方法の一部として、せん断帯１１０の新規構造についてＨTARGETの値を指定する。ここで、ＨTARGETは、ＨREF以下である。
その後、基準せん断帯１１０と比較して少なくとも１つのさらなる強化層を有するせん断帯について、厚さＨTARGETについて選択された目標値を用いて、構造物断面特性Ｇeff＊Ａを計算する。例えば、２つの強化層１３０および１４０を有する（すなわち、ＮREF値が２に等しい）基準せん断帯１１０が図示されている。よって、３つの強化層および厚さＨTARGETを有するがその他の点においてはせん断帯１１０と同様に構成されたせん断帯について、新規Ｇeff＊Ａを計算する（（Ｇeff＊Ａ）CALC）。（本明細書中用いられるＮは、１よりも大きな任意の正の整数である点に留意されたい）。例えば、改変が望まれる基準せん断帯は３つの強化層を持ち得、ＮREF値は３に等しい）。
次に、３つの強化層（Ｎ＝３）を用いて決定された新規（Ｇeff＊Ａ）CALCと、基準せん断帯１１０の（Ｇeff＊Ａ）REFとを比較する。新規に計算された（Ｇeff＊Ａ）CALCが基準せん断帯１１０の（Ｇeff＊Ａ）REFよりも小さい場合、強化層数を再度１つだけ増やし（Ｎ＝４）、（Ｇeff＊Ａ）CALCの値を再度計算する。（Ｇeff＊Ａ）CALCの新規値が強化層１３０および１４０が２つしかない（すなわち、ＮREF＝２の）基準せん断帯１１０の元々の値（Ｇeff＊Ａ）REF以上になるまで、このプロセスを繰り返す。本明細書中用いられるＮTOTALは、（Ｇeff＊Ａ）CALCが（Ｇeff＊Ａ）REFの元々の値以上になったときの合計強化層数を表す。
新規値（Ｇeff＊Ａ）CALCが（Ｇeff＊Ａ）REFの基準値を越えるまで強化層数Ｎを増加させるプロセスは、以下の上限に到達するまで繰り返すことができる。

（９）（ＨTARGET−Ｎｔ）（Ｎ−１）≦ｔ／２
この上限により、（均等なスペーシングを仮定した場合の）隣接する強化層間の単一の強化層の厚さの少なくとも半分の距離があることが保証される。均等に間隔付けされた強化層について、増加によって奇数となった強化層に起因してＧeff＊ＡおよびＥmembrane＊Ａmが比例的に増加するが、Ｅmembraneには大幅に限定された影響しか与えない点に留意されたい。なぜならば、少なくとも１つの強化層が、前記せん断層の中間または「ニュートラルファイバー」に配置されるからである。新規値（Ｇeff＊Ａ）CALCが基準値（Ｇeff＊Ａ）REFよりも高くなる前に方程式（９）の上限に到達した場合、厚さＨTARGETを増加させ、前記プロセスを繰り返すことが必要である（すなわち、新規値（Ｇeff＊Ａ）CALCが基準値（Ｇeff＊Ａ）REF以上になるまで、合計数がＮREF＋１である強化層から再度開始することが必要である）。
新規値（Ｇeff＊Ａ）CALCが基準値（Ｇeff＊Ａ）REF以上になることを可能にするさらなる強化層が追加されると、前記新規数の強化層における値Ｅmembrane＊ＡmおよびＥmembrane＊Ｉmも計算可能となる。新規値Ｅmembrane＊Ａmは、基準値Ｅmembrane＊Ａmを常に越えている。なぜならば、この構造物断面特性は強化層数によって直接影響を受けるからであり、また、前記プロセスのこの時点において少なくとも１つの強化層が元々のせん断帯１１０に追加されているからである。しかし、Ｅmembrane＊Ｉmの計算値は、Ｅmembrane＊Ｉmの基準値を満たさなくてもよいかあるいは越えなくてもよい。
ＨTARGETおよびＮTOTAL（（Ｇeff＊Ａ）CALCが基準値（Ｇeff＊Ａ）REFを超えたときの強化層数）を用いて、例えば有限要素解析およびＮTOTAL個の強化層を有するせん断帯を用いたタイヤモデルを用いて、前記４つの性能特性（すなわち、正接垂直剛性、正割垂直剛性、接地圧、およびμp／p）を決定する。その後、正接垂直剛性、正割垂直剛性、接地圧、およびμp／pの新規値と、元々の基準値（例えば、表１中の値）とを比較する。前記新規値が前記元々の基準値を満たすかまたは越える場合、設計目標に達したため、前記プロセスを停止することができる。
しかし、正接垂直剛性または正割垂直剛性の新規値が正接垂直剛性および正割垂直剛性の基準値よりも低い場合、Ｅmembrane＊Ｉmを増加させる必要がある。あるいは、正接垂直剛性、正割垂直剛性および接地圧の新規値が受容可能な場合でも、μp／pの新規値が受容不可能であるかまたはさらなる低減が望ましい場合があり得、よって、Ｅmembrane＊Ｉmを増加させる必要がある。Ｅmembrane＊Ｉmを増加させるために、方程式（７）および（８）と共に上記に示したスペーシングバイアスパラメータｋの値を徐々に低減する必要がある。バイアスパラメータｋの増加と共に、前記せん断帯に付加された、ニュートラルファイバー上に配置されていないた強化層が最外層１３０および最内強化層１４０に向かって押し出され、その結果、厚さＨTARGET、（Ｇeff＊Ａ）CALCまたは（Ｅmembrane＊Ａm）CALCの値に影響を与えることなく、Ｅmembrane＊Ｉmが増加する。
よって、選択されたパラメータｋの各新規値について、パラメータｋの新規値を用いたせん断帯構造を有する別のタイヤモデルを構築し、例えば有限要素解析を用いて、４つの性能特性（すなわち、正接垂直剛性、正割垂直剛性、接地圧およびμp／p）を計算する。ここでも、これらの新規値を前記基準値と比較する。前記垂直剛性（正接、正割、または両方）が前記基準せん断帯の垂直剛性値未満である場合、前記新規値が垂直剛性の基準値以上になるまで、前記パラメータｋを低減するプロセスを継続する。前記新規の垂直剛性値が受容可能な場合であっても、μp／pの値が受容不可能である場合（すなわち、前記基準せん断帯１１０のμp／pの値よりも高すぎる場合）、前記パラメータｋを低減するプロセスを繰り返すことも可能である。
正接垂直剛性、正割垂直剛性、およびμp／pの新規値が受容可能値または目標値に到達する前にパラメータｋがゼロになった場合、ＨTARGET値を増加させ、基準せん断帯１１０よりも１つ以上多い強化層（すなわち、ＮＲＥＦ＋１）から前記プロセスを再開させる必要がある。より詳細には、ＮＲＥＦ＝２であるせん断帯１１０について、ＨTARGET値を増加させ、Ｎ＝３個の強化層から再開して、（Ｇeff＊Ａ）CALCの新規値を計算する。その後、この（Ｇeff＊Ａ）CALCと（Ｇeff＊Ａ）REFとを比較し、（Ｇeff＊Ａ）CALCが（Ｇeff＊Ａ）REF以上ではない場合、上述したように強化層数Ｎを再度増加させることにより、前記プロセスを繰り返す。
上記した方法を、２つの強化層１３０および１４０のみを有する基準せん断帯１１０に適用した。その結果を表３に示す。
Figure 2013507296
 注記：単位はｍｍおよびｄａＮ
第１行目のデータは、せん断層厚さＨRBFが１８ｍｍであり、幅Ｗが２３０ｍｍであり、２個の（Ｎ＝２）強化層を有する基準せん断帯１１０を示す。次に続く３つの行は、３目標厚さＨTARGETが１５ｍｍであり、特定の性能特性（例えば、垂直剛性およびμp／p）を維持するかまたは向上させつつ、せん断帯の厚さ１１０を低減することを目標とする。性能特性を完全に整合させることは恐らく不可能であるが、表３に示すように、４つの強化層（Ｎ＝４）が用いられた場合、基準せん断帯１１０について（Ｇeff＊Ａ）CALCが（Ｇeff＊Ａ）REF値を上回る。ここでも、タイヤ１００の構造はその他の点では同じである（すなわち、同じ材料（例えば、エラストマー）がせん断層１２０において用いられ、同一数のウェブスポーク１５０が用いられ、同一ハブが用いられている）と上記した方法において仮定している点に留意されたい。
４つの強化層の値（ＮTOTAL＝４）を用いて、タイヤ１００を再度モデル化し、有限要素解析を用いて、表１において用いられている４つの性能特性（正接垂直剛性、正割垂直剛性、接地圧、およびμp／p）を再度計算した。結果を表４に示す。
Figure 2013507296
表４および表１を比較すると分かるように、せん断帯の垂直剛性特性を維持しつつ、せん断帯の厚さ１１０を３ｍｍだけ低減することが可能である。しかし、表４から分かるように、せん断帯１１０の厚さＨの低減倍の数の強化層により、μp／pが実際に低減しているという予期しない結果も得られている。より詳細には、せん断帯１１０の目標とする改変により、トレッド部１０５が３ｍｍだけ増加しただけでなく、せん断帯１１０のラジアル変位も低減し、これによってタイヤ１００の動作がより円滑になった。
せん断層１２０を構成する材料は、本明細書中に記載の所望の特定の機械的特性が得られる任意の材料でよい点に留意されたい。エラストマー材料が利用可能であるが、本発明はこのような材料に限定されない。例えば、せん断層１２０用として利用可能な材料を挙げると、上述したもの（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共重合体）ならびに非エラストマー材料（例えば、繊維強化複合材料またはメタ材料）がある。よって、本発明のせん断帯１１０は、必ずしも特定の材料の詳細に限定されない。
本発明について、特定の例示的実施形態およびその方法について詳述してきたが、上記が理解されれば、このような実施形態の変更、改変および均等物を容易に得ることが可能であることが当業者にとって明らかである。よって、本開示の範囲は、限定的なものではなく例示的なものであり、本開示は本明細書中に開示される教示内容を用いれば当業者に容易に明らかになるような本開示のこのような改変、変更および／または追加を除外しない。

Claims (33)

  1. 厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法であって、
    前記せん断帯の厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを用いて、垂直剛性（Ｇeff＊Ａ）REFを決定するステップと、
    目標値ＨTARGETを前記せん断帯の厚さとして選択するステップと、
    前記せん断帯内の前記合計強化層数を１だけ増加させるステップと、
    前記せん断帯の厚さＨTARGETを用いて（Ｇeff＊Ａ）CALCを計算し、前記増加させるステップによって得られた前記強化層数を前記せん断帯について用いるステップと、
    前記計算するステップから（Ｇeff＊Ａ）CALCのと、前記決定するステップからの（Ｇeff＊Ａ）REFとを比較し、（Ｇeff＊Ａ）CALCが（Ｇeff＊Ａ）REF未満である場合、（Ｇeff＊Ａ）CALCが（Ｇeff＊Ａ）REF以上になりかつ前記合計強化層数がＮTOTALになるまで、前記増加させるステップおよび前記計算するステップを繰り返すステップと、
    前記比較するステップによって得られた前記せん断帯について、前記せん断帯の厚さＨTARGETおよび前記強化層数ＮTOTALを用いて前記垂直剛性を計算するステップと、
    前記計算するステップからの前記垂直剛性と、前記決定するステップからの前記垂直剛性とを参照して、前記計算するステップからの前記垂直剛性が前記決定するステップからの前記垂直剛性未満である場合、
    最外強化層と最内強化層との間の前記強化層のうち少なくとも１つを前記せん断帯内の新規位置へと移動させるステップであって、前記新規位置は、前記最外強化層または前記最内強化層により近接する、ステップと、
    前記計算するステップからの前記垂直剛性が前記決定するステップからの前記垂直剛性以上である場合、前記計算するステップおよび前記参照するステップを繰り返すステップと、
    を行う、
    ステップと、
    を含む、方法。
  2. 前記せん断帯内の任意の隣接する強化層間の距離が単一の強化層の厚さの半分未満である場合、前記せん断帯の前記目標厚さＨTARGETを増加させるステップをさらに含む、請求項１に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  3. 前記増加させるステップ、前記計算するステップ、前記比較するステップおよび前記参照するステップを前記せん断帯内の合計強化層数ＮREFから繰り返すステップをさらに含む、請求項２に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  4. 前記比較するステップにおいて（Ｇeff＊Ａ）CALCが（Ｇeff＊Ａ）REF以上にならない場合、前記せん断帯の前記目標厚さＨTARGETを増加させるステップをさらに含む、請求項１に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  5. 前記増加させるステップ、前記計算するステップ、前記比較するステップ、前記計算するステップおよび前記参照するステップを前記せん断帯内の合計強化層数ＮREFから繰り返すステップをさらに含む、請求項４に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  6. 前記せん断帯の目標厚さＨTARGETを増加させるステップをさらに含む、請求項１に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  7. 前記せん断帯の厚さＨREFおよび前記せん断帯の合計強化層数ＮREFを用いて、μp／pREFの値を計算するステップと、
    前記比較するステップから得られた前記せん断帯の厚さＨTARGETおよび前記せん断帯の合計強化層数ＮTOTALを用いて、μp／pTARGETの値を計算するステップと、
    μp／pTARGETの値と、μp／pREFの値とを比較し、μp／pTARGETがμp／pREF以下ではない場合、最外強化層と最内強化層との間の前記強化層のうち少なくとも１つを前記せん断帯内の新規位置へと移動させるステップであって、前記新規位置は、前記最外強化層または前記最内強化層のいずれかにより近接する、ステップと、
    をさらに含む、請求項１に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  8. 前記計算するステップおよび前記参照するステップの結果を用いて、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有する前記せん断帯の設計を変更するステップをさらに含む、請求項１に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  9. 前記選択するステップにおいて最初に用いられるＨTARGETは、ＨREFの約半分である、請求項１に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  10. 前記選択するステップにおいて用いられるような厚さＨTARGETと、前記比較するステップから得られる合計強化層数ＮTOTALとを有するせん断帯を製造するステップをさらに含む、請求項１に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  11. 前記合計強化層数ＮTOTALは４である、請求項１０に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  12. 前記比較するステップにおいて（Ｇeff＊Ａ）CALCが（Ｇeff＊Ａ）REF以上にならなかった場合、前記強化層の厚さｔを増加させるステップをさらに含む、請求項１に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  13. 前記増加させるステップ、前記計算するステップ、前記比較するステップおよび前記参照するステップを前記せん断帯内の合計強化層数ＮREFから繰り返すステップをさらに含む、請求項１２に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  14. 前記比較するステップにおいて（Ｇeff＊Ａ）CALCが（Ｇeff＊Ａ）REF以上にならなかった場合、前記強化層の前記円周せん断係数Ｇmを増加させるステップをさらに含む、請求項１に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  15. 前記増加させるステップ、前記計算するステップ、前記比較するステップおよび前記参照するステップを前記せん断帯内の合計強化層数ＮREFから繰り返すステップをさらに含む、請求項１４に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  16. 前記比較するステップからの垂直剛性が前記決定するステップからの前記垂直剛性以上にならなかった場合、前記強化層の円周係数Ｅmembraneを増加させるステップをさらに含む、請求項１に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  17. 前記増加させるステップ、前記計算するステップ、前記比較するステップおよび前記参照するステップを前記せん断帯内の合計強化層数ＮREFから繰り返すステップをさらに含む、請求項１６に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  18. 前記比較するステップからのμp／pが、前記せん断帯の厚さＨREFおよび前記せん断帯の合計強化層数ＮREFを用いたμp／pの値以上にならなかった場合、前記強化層の円周係数Ｅmembraneを増加させるステップをさらに含む、請求項１に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  19. 前記増加させるステップ、前記計算するステップ、前記比較するステップおよび前記参照するステップを前記せん断帯内の合計強化層数ＮREFから繰り返すステップをさらに含む、請求項１８に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  20. 前記決定するステップの前記垂直剛性は、前記正割垂直剛性である、請求項１に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  21. 前記移動させるステップは、前記せん断帯を用いた非空気圧タイヤのパラメータｋの値を増加させるステップをさらに含む、請求項１に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  22. 前記パラメータｋの値がほぼゼロまで低下した場合、前記せん断帯の目標厚さＨTARGETを増加させるステップをさらに含む、請求項２１に記載の、厚さＨREFおよび合計強化層数ＮREFを有するせん断帯を改変する方法。
  23. 請求項１に記載の方法を用いて設計されたせん断帯。
  24. 請求項１に記載の方法を用いて設計されたせん断帯を用いた非空気圧タイヤ。
  25. ラジアル方向最内強化層およびラジアル方向最外強化層を有するせん断帯を改変する方法であって、
    少なくとも１つのさらなる強化層を追加することにより、前記せん断帯を用いた非空気圧タイヤの垂直剛性を増加させるかまたは維持するステップであって、前記少なくとも１つのさらなる強化層は、前記ラジアル方向最外強化層と前記ラジアル方向最内強化層との間に間隔を空けて配置される、ステップと、
    前記せん断帯のμp／pの値を低減するステップと、
    方法。
  26. 記厚さを前記せん断帯のラジアル方向に沿って低減するステップをさらに含む、請求項２５に記載の、ラジアル方向最内強化層およびラジアル方向最外強化層を有するせん断帯を改変する方法。
  27. 前記低減するステップは、前記ラジアル方向最内強化層と前記ラジアル方向最外強化層との間に配置された少なくとも１つの強化層のラジアル位置を改変するステップをさらに含む、請求項２５に記載の、ラジアル方向最内強化層およびラジアル方向最外強化層を有するせん断帯を改変する方法。
  28. 前記増加させるステップおよび前記低減するステップ時において、前記せん断帯の一定厚さを維持するステップをさらに含む、請求項２５に記載の、ラジアル方向最内強化層およびラジアル方向最外強化層を有するせん断帯を改変する方法。
  29. 前記増加させるステップおよび前記低減するステップ時から得られた情報に基づいてせん断帯を製造するステップをさらに含む、請求項２５に記載の、ラジアル方向最内強化層およびラジアル方向最外強化層を有するせん断帯を改変する方法。
  30. せん断帯であって、
    せん断層と、
    前記せん断層の片側に沿って配置された内側強化層と、
    前記せん断層の他方側に沿って配置された外側強化層であって、前記せん断層は、前記内側強化層と前記外側強化層との間に配置される、外側強化層と、
    少なくとも２つ以上のさらなる強化層であって、前記少なくとも２つ以上のさらなる強化層は、前記外側強化層と前記内側強化層との間において相互に間隔を空けてかつ前記外側強化層および前記内側強化層から間隔を空け得て配置され、これにより、前記せん断帯は合計強化層数Ｎを有し、Ｎ＞４となる、外側強化層と、
    を含む、せん断帯。
  31. 前記少なくとも２つ以上のさらなる強化層は、前記せん断帯のピークツーピークラジアル変位値を低下させる位置において、前記内側強化層と前記外側強化層との間に配置される、請求項３０に記載のせん断帯。
  32. 前記少なくとも２つのさらなる強化層は、前記内側強化層と前記外側強化層との間において均等に間隔を空けて配置される、請求項３１に記載のせん断帯。
  33. 前記さらなる強化層ならびに前記内側強化層および前記外側強化層は全て、均一な厚さである、請求項３２に記載のせん断帯。
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