JP2016078851A - 空気維持タイヤアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】ホイールに取り付けられた空気タイヤを自動的に膨張させるポンプを備えたポンプアセンブリを提供する。【解決手段】空気タイヤを空気充填不足にならないように保つために、タイヤリム上に取り付けられた、空気タイヤとともに用いられるポンプアセンブリ１００が、タイヤリムに取り付けられた偶数個のポンプ１５０と、ポンプ動作を生じさせるための重力質量体１３０と、重力質量体１３０に対して固定位置に維持されるように重力質量体に固定されているカム１０５と、カム１０５に係合し、タイヤリムが回転するときにポンプ動作を生じさせるローラ１６０とを含む。タイヤリムが回転するときに、重力質量体１３０がカム１０５の回転を抑える。【選択図】図４

Description

本発明は、概ね自動車とその他の乗物に関し、より具体的には、ホイールに取り付けられた空気タイヤを自動的に膨張させるポンプを備えているような、乗物用のホイールに関する。

低いタイヤ空気圧が、過剰な燃料消費、タイヤの摩耗、および操縦性の低下の主な原因である。通常の空気タイヤは、ゴムの本来の透過性のために、１年で空気圧約２５パーセント分の空気が漏れる。したがって、定期的にタイヤの空気圧を点検／維持することは良い慣習である。

しかし、数週間ごとにタイヤ圧を点検していても、緩やかな漏れが生じている場合には、これらの悪影響を防止できないことがある。また、各タイヤの圧力をどの程度の頻度で補充する必要があるか入念な記録を続けていないと、漏れが検出されずに進行する可能性がある。急速な漏れまたは空気の抜けた状態は、急速にタイヤを損傷するおそれがあり、短時間で使用不可能になることすらあるにも拘らず、この状態は、経験の浅い運転者には手遅れになるまで気付かれずに進むこともある。

したがって、タイヤ圧が最適値を下回ったときにタイヤ圧を自動的に補充する何らかの機構を有することが望ましい。従来のタイヤポンプを乗物のホイールに取り付け、遠心力を利用して大気からタイヤキャビティ内に自動的に空気を送り、それによって、タイヤ圧を所定の値に維持する。

これらのポンプは、乗物の移動とホイールの回転の結果として生じる遠心力によってピストンが外向きに動くときに、空気を大気から１次チャンバ内に引き込み、２次チャンバからタイヤキャビティ内に空気を送る、シリンダ内で半径方向に移動可能なピストンを有する２段階ポンプであってもよい。ピストンは、乗物が停止したときにばねによって内側に移動して、１次チャンバから２次チャンバ内に空気を移すことができる。ピストンの質量とばねの力および寸法とを実用的な限界内に保つために、ピストンおよびばねは、低い乗物速度の結果として生じる小さな遠心力に応答してピストンが外向きに移動を開始できるように、十分に小さい。

米国特許第8,113,254号明細書

この構成は、乗物が雨の中、および／または泥または砂などの緩い粒状物を含む地帯を低速度で運転されるときに問題を生じる。ポンプが入口フィルタを有していない場合には、そのような悪条件下での運転により、汚染物質がポンプ内に引き込まれ、入口および出口の弁を詰まらせ、および／または、タイヤ内に送り込まれることさえも引き起こす可能性がある。たとえポンプが入口フィルタを有していても、そのフィルタが詰まる恐れがある。これらの状況が、ポンプを作動不能に陥らせる可能性がある。

また、ポンプが作動しているときのピストンとシリンダの壁との間の摩擦によって摩耗を生じ、ポンプの寿命を短くする可能性がある。空気タイヤは通常緩やかに漏れるので、自動タイヤポンプは、圧力を最適値に維持するために、乗物が走行している時間のうちの一部だけ作動しさえすればよい。従来のタイヤポンプは連続的に作動し、そのために必要以上の摩耗を被る。

別の従来のポンプは、乗物のホイールに取り付けることができ、通常の乗物運転中のホイールの運動によって駆動され、それによって最適なタイヤ膨張圧力を維持することができる。ポンプは、ホイールの回転によって発生する遠心力、または道路の隆起部へのホイールの応答によって発生する垂直加速度にピストンが応答する容積式のピストン型圧縮器であってもよい。ピストンは、直径が小さくてもよいが、高密度の材料で形成された上側延伸部を備えていてよい。それによって、回転、または隆起部による運動に応答してピストンを動かし、膨張に必要な圧力を生成するのに十分な質量体が存在できる。ピストンは、遅い乗物速度、平坦な走行面、またはそれらの両方によって、ピストンに作用する力が低下すると、ばねによって元に戻ることができる。

ポンプは、入口逆止弁および出口逆止弁を備えていてよい。ポンプ／インフレータは、タイヤキャビティ内またはタイヤの外部のいずれかでホイールに取り付けることができる。回転の遠心力がピストンを推進する場合、シリンダの軸は半径方向に向けられる。ポンプが道路の隆起部に対するホイールの反応によって作動させられるように設計されている場合には、シリンダの軸は、ホイールの軸を中心とする円に接するように向けられる。そのポンプは、複動式のピストンを有していてもよい。その場合、圧縮器がホイールと共に回転している間に、隆起部にホイールが当接した時に圧縮器がほぼ３時または９時の位置にあると、圧縮が行われる。

遠心力がピストンを作動させる場合、静止状態、またはある最小の速度から、タイヤキャビティ内への空気流を生成するのに必要なピストン力を発生させるのに十分な回転速度になる自動車速度まで、自動車速度が変動するごとに、一回の圧縮ストロークが行われる。道路の隆起部がピストンを作動させる場合、圧縮器の回転中に、隆起部によって生じるホイールの運動にほぼ平行な方向に圧縮器の軸が揃ったときにのみ、圧縮ストロークが行われるので、圧縮ストロークは隆起部自体よりもランダムなことがある。

圧力の調節は、タイヤの最大膨張圧力として望ましい圧力を送出圧力の限界とするようにポンプの圧縮比を設計することによって行われる。圧縮比は、ピストンストロークの開始時点でのシリンダ容積の、ピストンストロークの終了時点でシリンダ内に残っている容積に対する比である。所与の基本設計に対する圧縮比は、製造時に、ピストンの移動を限定すること、またはピストン内に追加の「死容積」を設けることによって設定することができる。そのための１つの方法は、製造時にピストンの底に穴をあけることであり、その穴の深さは、所望の圧力成長が実現するように設定される。

ポンプが遠心力によって作動する場合、乗物が加速してホイールの回転速度が速くなるにつれて、ピストンが、シリンダ内に圧縮状態で装填されている空気（compressed charge of air）に抗してシリンダに沿って徐々に進むことによって、ポンプが作動できる。装填されている空気が、現在のタイヤ圧力に吐出弁のクラッキング圧力差を加えた圧力を超えると、乗物の速度が少しでも速くなることによって、ピストンのさらなるストローク動作が引き起こされ、圧縮された空気がタイヤキャビティ内へ吐出される。乗物が減速または停止すると、ピストン戻しばねが、ピストンをそのストロークの開始位置に戻し、乗物の新たな動作と共に再びポンププロセスが始まる。何回もの停止および発進を含む通常の乗用車の運転では、ポンプは、ピストン戻しばねがピストンを戻すことができるのに十分な低速から、ピストンが空気を圧縮して、圧縮された空気をタイヤキャビティ内に吐出させるのに十分な高速まで乗物が加速する度に、少量の空気が装填されるように送ることができる。

ピストンを駆動してシリンダ内の空気を圧縮するのに利用できる力を最大にするために、ピストンは、高密度の材質から作られた拡大端部を有していてもよい。拡大端部は、シリンダに嵌め込まれるピストンの端部の反対側であって、その直径はピストンの直径よりも大きい。拡大端部は、真鍮、鉛、および／またはその他の高密度材料から構成することができる。この従来のポンプは、空気充填不足のタイヤによって生じる過剰なタイヤの摩耗および燃料消費をなくすことができる。僅かな漏れしか生じない場合には、このポンプは、タイヤが完全に空気が抜けた状態または潰れた状態になる前の走行距離を延ばすことができる。

本発明によるポンプアセンブリは、空気タイヤを空気充填不足にならないように保つ。ポンプアセンブリは、タイヤリムに取り付けられた偶数個のポンプと、ポンプ動作を生じさせるための重力質量体と、重力質量体に対して固定位置に維持されるように重力質量体に固定されているカムと、カムに係合し、タイヤリムが回転するときにポンプ動作を生じさせるローラと、を含む。タイヤリムが回転するときに、重力質量体がカムの回転を抑える。

ポンプアセンブリの他の態様では、空気タイヤのバルブステム内に加圧された空気を導入するための出口をさらに備えている。

ポンプアセンブリのさらに他の態様では、フィルタが出口に隣接して配置されている。

ポンプアセンブリのさらに他の態様では、フィルタがバルブステムに隣接して配置されている。

ポンプアセンブリのさらに他の態様では、調節可能な圧力制御弁が、空気タイヤのタイヤキャビティに入る空気の圧力を決定する。

ポンプアセンブリのさらに他の態様では、ポンプアセンブリは、タイヤリムのどちらの回転方向においても、空気タイヤのタイヤキャビティ内に加圧された空気を送る。

ポンプアセンブリのさらに他の態様では、４つのポンプが、タイヤリムの周りに９０度ごとに取り付けられている。

ポンプアセンブリのさらに他の態様では、４つのポンプのそれぞれが他の３つのポンプと直列に接続され、それによって、ポンプアセンブリが増幅効果を生じさせ、１つのポンプの出口圧力が別のポンプの入口圧力になる。

ポンプアセンブリのさらに他の態様では、４つのポンプのそれぞれが、単一のチャンバおよび単一の所定の圧縮比を有する。

ポンプアセンブリのさらに他の態様では、ポンプアセンブリの圧縮比が、各ポンプの所定の圧縮比の４乗になる。

ポンプアセンブリのさらに他の態様では、４つのポンプのそれぞれが２つのチャンバを有し、各チャンバに関して単一の所定の圧縮比を有する。

ポンプアセンブリのさらに他の態様では、ポンプアセンブリの圧縮比が、各チャンバの所定の圧縮比の８乗になる。

本発明による方法は、空気タイヤ内の圧力を維持する。その方法は、偶数個のポンプをタイヤリムに取り付けるステップと、重力質量体を用いてポンプ動作を生じさせるステップと、カムを重力質量体に対して固定位置に維持するようにカムを重力質量体に固定するステップと、ポンプとカムとをローラを用いて結びつけるステップと、タイヤリムとポンプを回転させて、タイヤリムが回転するときに重力質量体とカムがカムの回転を抑えるようにするステップと、を含む。

この方法の他の態様では、フィルタとポンプ動作の出口から空気タイヤのバルブステム内に加圧された空気を導入するステップを含む。

この方法のさらに他の態様では、調節可能な圧力制御弁によって、空気タイヤのタイヤキャビティに入る空気の圧力を決定するステップを含む。

この方法のさらに他の態様では、タイヤリムのどちらの回転方向においても、空気タイヤのタイヤキャビティ内に加圧された空気を送るステップを含む。

この方法のさらに他の態様では、４つのポンプをタイヤリムの周りに９０度ごとに取り付けるステップと、４つのポンプのそれぞれを他の３つのポンプと直列に接続して、それによって、ポンプが増幅効果を生じさせ、１つのポンプの出口圧力が別のポンプの入口圧力になるようにするステップとを含む。

この方法のさらに他の態様では、４つのポンプのそれぞれが、単一のチャンバおよび単一の所定の圧縮比を有し、組み合わせられた４つのポンプの圧縮比が、各ポンプの所定の圧縮比の４乗になっている。

この方法のさらに他の態様では、４つのポンプのそれぞれが２つのチャンバを有し、各チャンバに関して単一の所定の圧縮比を有する。

この方法のさらに他の態様では、組み合わせられた４つのポンプの圧縮比が、各チャンバの所定の圧縮比の８乗になっている。

本発明の一実施形態のアセンブリの一部分を概略的に示す図である。 本発明の他の実施形態のアセンブリの一部分を概略的に示す図である。 本発明のさらに他の実施形態のアセンブリの一部分を概略的に示す図である。 本発明のさらに他の実施形態のアセンブリの一部分を概略的に示す図である。 図４の実施形態のアセンブリの動作を概略的に示す図である。 図４の実施形態のアセンブリに使用されるカムの例を概略的に示す図である。 図４のアセンブリの一部分の動作を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態のアセンブリの機能を概略的に示す図である。

本発明の実施形態を、添付の図面を参照して説明する。

本発明によるアセンブリ１００は、外側のホイールに取り付けられるように設計された、ホイール上に複数のチャンバを有する空気維持タイヤ（multi-chamber on-wheel air maintenance tire：ＡＭＴ）のポンプを形成している。アセンブリ１００は、標準のホイールに、大きな変更を施すことなく、容易に外から取り付け可能な、薄型（low profile）で効率的なＡＭＴポンプシステムを提供する。さらに、アセンブリ１００は、通常のタイヤをホイールに取り付けるときに問題を生じない。

アセンブリ１００は、薄型でバランスの良いホイールを実現するために、ホイール内部の外表面の周りに均等に分散された複数のポンプを備えることができる。単一のチャンバまたは２つのチャンバを有するポンプを、均等に分散されたポンプ位置のそれぞれにおいて使用することができる。相互に直列に連結された複数のポンプを、複数チャンバと同等な効果を生じさせるために使用することができる。

アセンブリ１００のポンプを駆動するために、アンバランスな質量体と軸方向に一様なカムとを使用することができる。相対的に小さいローラを、ポンプとカムの相互作用のために使用することができる。アンバランスな質量体は、カムの（低抵抗の）自由回転を確実にするために、極めて摩擦が小さいベアリングを用いて取り付けることができる。ポンプおよびポンプハウジングは、ホイールに固定され、ホイールと共に回転させられる。アンバランスな質量体は、ホイールの回転位置に全く関係なく、重力とベアリングの低摩擦とによって垂直方向の位置が維持される。これらの構成要素は、アセンブリ１００のような、ストロークが制御される、複数のチャンバを有するポンプシステムを形成することができる。

各ポンプの各チャンバは、参照により全体が本明細書に組み込まれる米国特許第8,113,254号明細書に示されているような、従来のヴェインシステム（vein system）の１つのセグメントに相当する。タイヤキャビティの急激な圧力低下を吸収するリザーバチャンバを、アセンブリ１００に追加することができる。偶数（たとえば、２、４、６、８など）のポンプとポンプ保持部とを、予め組み立て、取付板上に均等に配置することができ、次いで、それらを上記のカムおよびアンバランスな質量体のシステムに組み込むことができる。機械的または電気的に制御されるバルブ／圧力感知部を、圧力／流量制御ユニットとして使用することができる。圧力は、周囲空気入口またはアセンブリ１００への加圧出口で制御することができる。空気入口は、異物がポンプシステムに入り込んでポンプシステムを塞ぐことを防止するフィルタを備えることができる。

ポンプシステムからの出口は、修正されたタイヤバルブステムに直接接続することができる。この修正されたバルブステムは、その通常の機能（たとえば、空気ポンプによるタイヤキャビティの充填、タイヤの補修のためのタイヤの空気抜き、タイヤ圧測定など）を維持することができる。あるいは、フィルタをタイヤキャビティへの空気出口に配置してもよい。従来のヴェインシステムと同様に、アセンブリ１００は、タイヤの回転方向とは無関係であってよい。調節可能な圧力制御弁もこのアセンブリに容易に組み込むことができる。

アセンブリ１００の薄型特性によって、アセンブリ１００を、ホイールハブの、直接取り付けられたボルトパターンにすることが可能になっている。それによって、アセンブリ１００はタイヤの取り付けおよび取外しの邪魔にならず、販売後の車両へのアセンブリ１００の追加など、アセンブリ１００の簡単な装着が可能である。上記したように、アセンブリ１００は、ホイール／タイヤの回転方向に関係なく、双方向に働く。さらに、装着方向は、ポンプ性能に影響を与えない。

アセンブリ１００は、連続して取り付けられたポンプの増幅効果により、比較的高い圧縮比および比較的高いポンプ容量が得られる。ポンプ流量（pumping rate）は、アセンブリ１００の殆どの圧力範囲を通して線形である。

アセンブリ１００の増幅効果により、以下のように定義される圧縮が行われる。

Ｒ＝（ｒ）^ｎ
Ｒ：アセンブリの圧縮比
ｒ：単一のチャンバの圧縮比
ｎ：アセンブリ内のチャンバの総数
したがって、１つのチャンバごとに高い圧縮比は必要とされない（たとえば、必要とされる力または変形は小さい）。

図１〜３のアセンブリの例に示すように、アセンブリ１００は、このように、重力によって生成されるポンプ力の低さを克服するために使用することができる、交互に配置された（staggered）空気圧増幅器の効果をもたらすことができる。各チャンバは、次のポンプユニット（たとえば交互に配置された増幅器）に対して小さな圧力差（１０〜１５ｐｓｉ）を生成する、ヴェインシステムの２つのセグメントに相当する。この増幅器アセンブリ１００は、標準的な９０ｐｓｉの空気源から１５０ｐｓｉの空気を生成することができる。

アセンブリ１００は、２つのチャンバ（図示せず）に対して単一のピストンを用いてもよく、あるいは、２つのチャンバの間に制御可能／従属的（dependent）な圧力差を生成するために、単一のチャンバを有するポンプ１５０を例えば２つ、４つ（図４）、６つ、８つなど用いてもよい。ポンプ作用は、変位制御（例えばストロークの長さを制御するカム１０５）に基づいて行われる。各チャンバのもとの圧力（source pressure）は、その前のチャンバのチャンバ圧力であってもよい。ピストン１５５の作動機構は、回転するポンプと共に低抵抗で回転可能なアンバランスカム１０５であってもよい。重い質量体１３０は、質量体１３０とポンプが発生する抵抗（たとえばポンプのローラ１６０とベアリングの摩擦）とのトルクのバランスにより、タイヤ／ホイール１０７が回転するときに地面に対して固定され得る。アンバランスな質量体がタイヤ／ホイール１０７の回転と異なる速度で回転する限り、アセンブリ１００は、より低い効率でポンプ動作をすることができる。

図５は、アセンブリ１００の力の分布を定義する。Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３、およびＦ_４が、ポンプ１５０のチャンバ圧力によって生成され得る。質量体ｍまたは１３０が、タイヤ／ホイール１０７と共に回転しない（たとえば、質量体１３０を運動させるトルクが不足しているためθが一定である）場合、ω＝０およびＦ_５＝ｍｇ（ｃｏｓθ）である。Ｒｍｇ（ｓｉｎθ）＝ｒ_ｂμＦ_５＋ｒ_１μＦ_１＋ｒ_２μＦ_２＋ｒ_３μＦ_３＋ｒ_４μＦ_４からθが得られ、ただし−π／２＜θ＜π／２である。ｍがタイヤ／ホイール１０７と同時に回転する場合には、θは一定ではなくなり、

であり、任意のθに対してｒ_ｂμＦ_５＋ｒ_１μＦ_１＋ｒ_２μＦ_２＋ｒ_３μＦ_３＋ｒ_４μＦ_４＞Ｒｍｇ（ｓｉｎθ）であり、したがってｒ_ｂμＦ_５＋ｒ_１μＦ_１＋ｒ_２μＦ_２＋ｒ_３μＦ_３＋ｒ_４μＦ_４＞Ｒｍｇである。

カム１０５は、形成可能なあらゆる形状における０〜１８０度を考慮して、ホイール上の外付け部材として設計することができる。必要なストロークの長さに基づいて、０度、９０度、および１８０度における傾斜が軸ｘまたはｙのいずれかに対して垂直である限り、０度と１８０度とではカム１０５から中心まで等距離（たとえばＲ_ａｖｅ）であり、９０度では、カムの中心から最大（または最小）距離（最大半径Ｒ_ｍａｘまたは最小半径Ｒ_ｍｉｎ）である。ストロークの長さは、０≦θ≦１８０でのＲ（θ）を決めるために選択した形状に基づき、２（Ｒ_ａｖｇ−Ｒ_ｍｉｎ）または２（Ｒ_ｍａｘ−Ｒ_ａｖｇ）に等しい。１８０〜３６０度での距離は、Ｒ（θ）＝２Ｒ_ａｖｇ−Ｒ（θ−１８０）に基づいていてよい。たとえば、ストロークの長さ＝８．５７２５ｍｍのとき、Ｒ_ａｖｇ＝１４．２８７５ｍｍ（０．５６３”）およびＲ_ｍｉｎ＝１０．００１２５ｍｍ（０．３９４”）であってよい。Ｒは、長軸が２Ｒ_ａｖｇに等しく、短軸が２Ｒ_ｍｉｎに等しい半楕円形として定義してもよい。それによると、
Ｒ（θ）＝Ｒ_ａｖｇＲ_ｍｉｎ／√（Ｒ_ｍｉｎ（ｃｏｓθ）^２＋Ｒ_ａｖｇ（ｓｉｎθ）^２） ０≦θ≦π
および
Ｒ（θ）＝２Ｒ_ａｖｇ−Ｒ（θ−π）
π≦θ≦２πである。

図６は１．１２５”のカムの例を示す。図７では、ローラ１６０を有する４つのピストン１５５が、例示されているカム１３０に接触している。その結果、２対のピストン１５５がカム１３０に抗して作動する。

２つのチャンバを有する小型ピストンの例に基づくと、作動するポンプの容積は２７１．５ｍｍ^３に等しくてもよい。このようなアセンブリ１００が、負荷に関係なく、１００マイル当たり２．９２ｐｓｉのポンプ流量（pump rate）を有していてもよい。ホイールの回転方向は、ポンプ性能に影響しない。極めて小さいトルクがポンプのローラ１６０において生じることがある。図８では、トルクの一例が、ホイールの回転数に対して示されている。

いくつかの代表的な実施例と詳細を、本発明の説明のために示してきたが、本発明の主旨や範囲から逸脱することなく、それらに様々な変更および修正を加えることができることは当業者には明らかであろう。

１００ アセンブリ
１０５ カム
１０７ タイヤ／ホイール
１３０ 質量体
１５０ ポンプ
１５５ ピストン
１６０ ローラ

Claims (10)

1. 空気タイヤを空気充填不足にならないように保つために、タイヤリム上に取り付けられた、前記空気タイヤとともに用いられるポンプアセンブリにおいて、
   前記タイヤリムに取り付けられた偶数個のポンプと、
   ポンプ動作を生じさせるための重力質量体と、
   前記重力質量体に対して固定位置に維持されるように前記重力質量体に固定されているカムと、
   前記カムに係合し、前記タイヤリムが回転するときに前記ポンプ動作を生じさせるローラと、を含み、
   前記タイヤリムが回転するときに前記重力質量体が前記カムの回転を抑える
   ことを特徴とするポンプアセンブリ。
2. 前記空気タイヤのバルブステム内に加圧された空気を導入するための出口をさらに備えている、請求項１に記載のポンプアセンブリ。
3. 前記出口に隣接して配置されたフィルタをさらに備えている、請求項２に記載のポンプアセンブリ。
4. 前記バルブステムに隣接して配置されたフィルタをさらに備えている、請求項２に記載のポンプアセンブリ。
5. 前記空気タイヤのタイヤキャビティに入る空気の圧力を決定する調節可能な圧力制御弁をさらに備えている、請求項１に記載のポンプアセンブリ。
6. 前記タイヤリムのどちらの回転方向においても、前記空気タイヤのタイヤキャビティ内に加圧された空気を送る、請求項１に記載のポンプアセンブリ。
7. ４つの前記ポンプが、前記タイヤリムの周りに９０度ごとに取り付けられている、請求項１に記載のポンプアセンブリ。
8. 前記４つのポンプのそれぞれが他の３つのポンプと直列に接続され、それによって、前記ポンプアセンブリが増幅効果を生じさせ、１つのポンプの出口圧力が別のポンプの入口圧力になる、請求項７に記載のポンプアセンブリ。
9. 前記４つのポンプのそれぞれが、単一のチャンバおよび単一の所定の圧縮比を有する、請求項８に記載のポンプアセンブリ。
10. 前記ポンプアセンブリの圧縮比が、各ポンプの前記所定の圧縮比の４乗になる、請求項９に記載のポンプアセンブリ。

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