JP4303483B2 - 軽量合金製のビードコアを有する空気入りタイヤ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はラジアルプライタイヤの軽量ビードに関し、特に、非常な重負荷と高圧に曝されるタイヤ用の重負荷軽量ビードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、タイヤのビードコアと呼ばれる環状の引張部材は、使用中にタイヤをリムに確実に保持するように設計されている。
【０００３】
タイヤのリムは通常タイヤのビード部分を適所に保持するように特に設計されたリムフランジとビードシートを有している。
【０００４】
これらのリムは色々な製造団体によって規定された独自の寸法と公差で設計されている。米国においてはタイヤおよびリム協会がすべてのリムの規格を設定している。欧州では、欧州タイヤおよびリム技術機構がリムの規格を設定している。日本においては日本自動車タイヤ協会（Ｊ．Ｐ．Ｔ．Ｏ）がこれらの規格を設定している。殆どの部分のために、これらのリムの規格は適切なタイヤの嵌め合いが信頼性をもって設計できるように世界的に保証している。この規格化はリム上に安全に装着でき保持できるタイヤビードをタイヤメーカーが設計することを可能にしている。
【０００５】
タイヤビードはビードコアとリムとの間の半径方向内側の部分を備えており、それは半径方向に圧縮され、この部分が圧縮されるとビードコアが引っ張りの状態になる。半径方向の圧縮は、ビードを垂直なビードのフランジに向けて軸方向外側に押すタイヤ内圧の働きによって傾斜したリムシートに装着されるときに発生する。通常リム上の傾斜は約５°であるが商用トラックの場合には１５°程である。
【０００６】
ビードの保持力の非常に高い値を実際に実現するのはビードコアである。通常ビードコアは、色々な断面を持った円形の輪の形状のビードの束を形成するように、環状の構造に巻かれた１本以上のスチールワイヤによって作られる。ある種のビードコアは断面が円形であり、四角、長方形、六角形あるいは、これらの形状の変形もある。
【０００７】
過去において、合成物質のビードあるいは非鉄のビードコアが試みられた。これらのビードコアの用途は玩具または自転車に限定されていた。合成物質のビードコアの使用により軽量構造が得られたが、しかし一般に引っ張り強さが低いまたはビードワイヤの擦過傷が起きるというマイナスがあった。
【０００８】
最近幾つかの日本の公開された特許に、スチールワイヤコアとアラミドコアとの組合せを利用することが軽量ビートコアとして提案されている。横浜ゴム株式会社は日本特許出願公開平４−０７８７０３号において、撚りのない状態で引き抜かれたアラミド繊維をコア部材とし、そのアラミドコアの外面上をらせん状にスチールワイヤで巻いたコア部材を使用することを提案している。その結果、環状のビードコアは同じ断面の全スチールビードコアよりも軽量となった。
【０００９】
同様に住友ゴム工業株式会社は日本特許出願公開平４−１８３６１４号で、東洋ゴム工業株式会社は日本特許出願公開平７−０９６７２０号で、また、ビードコアの製造にアラミド繊維とスチールワイヤとの組合せを用いている。東洋ゴム工業の設計ではコアの直径内側の少なくとも第１層はスチールワイヤであることを必要としている。それに続く層はアラミド繊維のコードで作ることができる。これは全てが合成物質のビードコアに比べて持ち上げ力の低下を受けないことを保証している。住友の構想ではアラミドコードとスチールワイヤの交互の層が用いられている。一つの構成では、スチールワイヤとアラミドコードが垂直即ち半径方向の層に配置され、他の態様ではアラミドおよびスチールは水平に重ねられて、四角または長方形の断面のビードコアを形成している。
【００１０】
どちらの場合においても、合成繊維はねじりを受けない構成で用いられることが保証されるように注意が払われている。合成物質コードの基本的な問題点は、ねじられたコードを有するケーブル内に用いられたときには幾つかの問題が発生することである。第１は負荷状態でのクリープと呼ばれるものである。合成物質のケーブルまたはコードは負荷状態においては引き伸ばされ、プラスチックが流動するので抑制力が実質的に時間とともに低下し、もしビードの保持力を確実に一定にするのであればスチールを半径方向の最も内側の層に使用することが必須である。このようなビードの第２の問題点は、擦過傷といわれる現象である。特にアラミドにおいてであるが、多くの他のプラスチックにおいても、もしコードが圧縮状態に置かれた場合には、壊れやすい割れ目が発生するという状態がある。このようなコードの撚り合わせは実際にこのような割れ目の発生の可能性を上昇させる。従って、圧縮応力に繰り返し曝されることはコードの破損を引き起こすのでアラミドコードはカーカスプライには使用されず、一般にベルトの構成品としても使用されない。ビードコアにおいては、ほとんど全ての負荷はビードが渦巻き状または螺旋状に巻かれるときを除いては引っ張りである。このような場合にコードは互いに作用して小さな曲げ応力を発生し、それは時間が経てば近接するコードの磨耗性の微小摩擦をおこす。このことが擦過という現象をおこす。
【００１１】
軽量ビードは旅客用の乗物の小型で軽い荷重のタイヤで有望であるが、これまで非常に重荷重の状態では実用性があるとは考えられていなかった。
【００１２】
ラジアルの飛行機用タイヤにおいては軽量であることが非常に重要である。スチールのビードコアの使用が慣習的である。タイヤは約２００ｐｓｉ（１４．１ｋｇ／ｃｍ² ）で膨らませられ、５０，０００ｌｂｆ（２２，６８０ｋｇ）以上の衝撃負荷を受ける。
【００１３】
このようなタイヤでは、試験は適切な安全率があることを保証するように行われる。一般にタイヤの環状の引っ張り部材はタイヤのカーカスおよびベルト構造の強度を超えるように設計される。水圧破壊試験は破壊まで実行され、その場合、水がある非常に高い圧力でタイヤが破損するまでタイヤに注入される。通常ビードはベルトまたはプライの中に発生する破壊モードを有するこれらの試験においても生き延びる。
【００１４】
大型のオフロードタイヤが土工用の機械に用いられている。このタイヤのビードは大きな束を形成するスチールワイヤから構成されている。このタイヤは通常１００ｐｓｉ（７．０ｋｇ／ｃｍ² ）の非常な高圧で働き、ビードの束は直径が１インチ（２．５４ｃｍ）よりも大きく数百本のスチールワイヤで構成されていることがある。
【００１５】
同様に商用のトラックのタイヤは全てスチールビードコアを使用している。これらのタイヤは約９５ｐｓｉ（６．７ｋｇ／ｃｍ² ）以上の圧力で走行し、非常に大きな荷重を運搬しなければならない。いずれの場合にも全スチールのビードコアを使用することが慣例となっている。
【００１６】
一方軽荷重用タイヤは、低温走行すると通常理解されており、一般にこれらの利点はカーカスラバーまたはトレッドラバーの削減によってもたらされたものでありビードコアの重量の削減によるものではないと理解されている。
【００１７】
【特許文献１】
特開平４−０７８７０３公報
【特許文献２】
特開平４−１８３６１４公報
【特許文献３】
特開平７−０９６７２０公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
このような理由から重負荷のタイヤに用いられる軽量のビードコアに対する関心は低かった。航空機タイヤにおいてのみタイヤの重量の問題点が十分に重要なことと考えられていた。
【００１９】
本発明は重負荷タイヤに対する軽量ビードコアに関する。本発明は最初に改良型軽量の航空機用ラジアルタイヤに対して考案された。この詳細な検討は、この考案がコスト効率があり耐久性があるので、農業用タイヤのみならず上述のタイヤを含むほとんどどのような重荷重のタイヤの用途においても用いられることを明らかにした。
【００２０】
この発明の目的は、航空機タイヤのような厳しい使用用途に対する軽量ではあるが高い強度を有するビードコアを提供することにある。
【００２１】
この発明の更なる目的は、完全なスチールのビードコアに対して競争力のある低コストのビードコアを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明のビード部分を有する空気ラジアルタイヤは、中央コアを包む複数のさや状層のワイヤで形成されたビードコアを有している。
【００２３】
さや状層のワイヤはスチール製であり、中央コアはスチールよりも軽量の軽量合金材料から作られている。中央コアの材料は、チタン、アルミニウム、マグネシウム、あるいはその他の金属合金から選択される。
【００２４】
一つの実施形態では、このビードコアは中央コアにらせん状に巻かれたさや状層のワイヤを有している。ビードコアは円形でも、矩形でも、正方形でも、六角形の形状でも、あるいはこのような断面形状の組合せでもよい。
【００２５】
中央コアは、３６０°以上に巻かれた１本のワイヤまたはロッドであってもよい。あるいは、中央コアは、３６０°以上に巻かれた複数のワイヤであってもよい。
【００２６】
用語の定義
“エイペックス”はビードコアの半径方向上側にある補強されていないエラストマを意味する。
【００２７】
タイヤの“アスペクト比”は、パーセントで表示するためにタイヤの断面幅（ＳＷ）に対する断面高さ（ＳＨ）の比を１００％を乗じた数値を意味する。
【００２８】
“軸線方向”および“軸線方向に”は、タイヤの回転軸に平行なラインまたは方向を意味する。
【００２９】
“ビード”は、一般に環状の張力部材を有するタイヤの部分をいい、プライコードに包まれ、あるいは別なやり方で取付けられ、規格のリムに適合するように、フリッパ、チッパー、エイペックス、トウガードおよびチェーファーのような他の補強部材を有することもあれば、有せずに形成される。
【００３０】
“ベルト、またはブレーカー補強構造”は、トレッドの下に存在し、ビードに固定されておらず、タイヤの赤道面に対して１７°から３３°の範囲の左および右のコード角を有する、織物または不織布の平行なコードの少なくとも２つの層すなわちプライを意味する。
【００３１】
“バイアスプライタイヤ”は、カーカスプライの補強コードが、タイヤの赤道平面に対して約２５〜５０°でビードコアからビードコアへタイヤを斜めに横切って延びている、カーカスを有するタイヤを意味する。コードは複数の層内を交互に反対の角度で延びている。
【００３２】
“カーカス”は、プライの上にあるベルト構造、トレッド、アンダートレッドおよびサイドウオールラバーとは別でビードを含むタイヤ構造を意味する。
【００３３】
“周方向”は、軸線方向に垂直な環状トレッドの表面の周囲に沿って延びているラインまたは方向を意味する。
【００３４】
“チェーファー”は、ビードの外側を囲む細い帯状の材料をいい、リムからコードプライを保護し、リム上に可撓性を分布させ、タイヤのシールに役立つ。
【００３５】
“チッパー”はタイヤのビード部分に配置された補強構造を意味する。
【００３６】
“コード”は、タイヤのプライを構成する補強用のストランドの一つを意味する。
【００３７】
“赤道面（ＥＰ）”は、タイヤの回転軸線に垂直でトレッドの中心を通る平面を意味する。
【００３８】
“フリッパ”はビードコア周囲に巻かれた補強繊維を意味する。
【００３９】
“フットプリント”は、速度が零でかつ標準荷重及び空気圧下において平坦な面と接触するタイヤトレッドの接触部分、すなわち領域を意味する。
【００４０】
“インナーライナー”は、チューブレスタイヤの内面を形成するエラストマや他の材料の単層または複層を意味し、タイヤの中に膨張用の流体を保持する。
【００４１】
“ネット対グロス比”は、フットプリント内にある道路表面と接触するタイヤのトレッドゴムを、溝のような非接触部分を含むフットプリント内のトレッドの面積で除したものを意味する。
【００４２】
“標準空気圧 ”は、タイヤの使用条件についての然るべき標準化機構によって決められた特定の設計空気圧および荷重を意味する。
【００４３】
【発明の実施の形態】
図１にはラジアルプライタイヤ１００の断面図が示されている。図示のタイヤ１００は航空機用タイヤとして用いられる構成となっている。例として示されるタイヤ１００は高い内圧と非常に大きな荷重に曝される航空機用ラジアルタイヤである。また、アースムーバ用、商用トラック、および農業用のタイヤのような他の同様のタイヤにも本発明のビードコアの使用が申し分なく適している。
【００４４】
タイヤ１００はチューブレス型の構成のラジアルプライタイヤである。タイヤ１００は、加圧された液体または空気を内部に有する空気を通さない内部ライナー２２を備える。内部ライナー２２の半径方向外側には１個以上のラジアルプライ２０が有る。各プライ２０は通常ビードコア３０と呼ばれる環状の張力部材から延びている。図示のようにプライ２０はプライ折り返しを形成するように軸線方向外側および上側に曲がるか、一つおきに軸線方向内側にビードコア３０の下側に曲がってビードコア３０の周囲を包む。ビードコア３０の半径方向上側にはゴムのエイペックス４０が有る。タイヤビードは布地コード６１からなる補強チッパープライ６０で補強されている。チッパー６０はプライ２０をリム装着時の損傷から保護する。チッパー６０の半径方向下側にチェーファー１１があることが望ましい。チッパー６０とプライ２０の軸線方向外側には、エラストマ材料でできていて、チェーファーに隣接し、ビードの半径方向内側から一つ以上のプライ折り返しのところまで、または僅かに上方まで延びている細長いストリップ８がある。ストリップ８はサイドウオール９とプライ２０との間に挿入されている。図示のような例示的なタイヤではビードコア３０とプライとに隣接してフリッパ３１が有る。
【００４５】
カーカスプライ２０の半径方向外側には複数のベルト補強層５０が有り、各層はコード５１で補強されている。
【００４６】
布地層５３がベルト層５０の半径方向外側に示されている。
【００４７】
図示のように布地層５３の上にトレッド１８があり、トレッド１８は複数の円周方向に連続する溝１７を有している。
【００４８】
前述のタイヤ構造１００は本発明のビードコア３０を使用することができるタイヤ構造の一つの型の例である。図示のタイヤは航空機用タイヤの構造であるが、本発明はどのような重荷重で高耐久性のタイヤ構造にも適用できる。
【００４９】
図２（ａ）から（ｄ）には本発明のビードコア３０が示されている。図示のように中央コア３３は３６０°に巻かれた一本のワイヤまたはロッド３４で示されている。ワイヤ３４の両方の端部は一つの連続する輪即ち中央コア３３を形成するように溶接されることが望ましい。中央コア３３は、アルミニウム合金か、あるいはスチールよりも軽量のマグネシウム、チタン、または種々の金属合金のようなその他の軽量の金属合金から作られる。
【００５０】
アルミニウムは、スチールと一緒に用いられたときにも優れた腐食抵抗を有し溶接点においても非常に強度が高いという点で理想的な合金である。アルミニウムは焼き入れすることができ、中央コア３３の抗張力がさらに向上する。６０６１アルミニウム合金の抗張力は６０６１Ｔ₀ の１２５ＭＰＡから６０６１Ｔ₆ の３１０ＭＰＡまでの範囲で変化させることができる。６０６１Ｔ₄ の範囲のアルミニウム合金は優れた延伸性を持ちながら非常に優れた強度の比率を有している。
【００５１】
さらに図示されているように中央コア３３は２つ以上のさや状層３５で包まれており、少なくとも２つ以上のさや状層３５が望ましい。さや状層のワイヤ３６はスチール製であり中央コア３３の廻りにらせん状、即ち渦巻状に巻き付いている。
【００５２】
図３のビードコア３０は、合金製の中央コアのワイヤ３４が中央の合金製のビードコアの束を形成するために、多数回巻かれた１本の合金製のワイヤで構成するか、または、図示のビードコアが中央コア３４を作るために複数回巻かれた多数のワイヤ３４である違い以外は図２（ａ）に示される例と実質的には同じである。多数巻線、または複数回巻きのどちらの設計構成であっても、図示のような合金製の中央コアが前もって形成され、それから外側のスチールのさや状層を、合金製の中央コアのワイヤ３４の周囲に巻き付けることができる。図２（ａ）から（ｄ）に示されるコアも図３に示すような直径の小さいワイヤの複数の巻線で作ることができることを留意されたい。
【００５３】
図２（ａ）から（ｄ）および図３のビードコアのどれであっても、円形の断面の外径は図７の従来例のビードコア３と同じである。図７において、図示のように全スチール製のビードコア３は、１×５．０ｍｍ＋（１０＋１６＋２２＋２８＋３３）×２．２ｍｍのワイヤで構成されており、その外径Ｄは２７ｍｍである。例として本発明のビードコア３０は同じ外径Ｄで作られていることが示されている。このように設計することによってタイヤ設計の残りの部分の全般的な技術内容を変更しなくてもよい。このことは本発明がもし望むならば、広範囲な設計変更を必要とせずに現在のタイヤの設計に代替することができることを意味している。この設計の利点は軽量のビードコア３０への転換が迅速に安い費用で実行できることである。プライラインの基準、折り返しの端部の配置、ビードコアの寸法といった重要な技術的な事項は変わらない。ビードのリムフランジへの取付けは高度な設計であることがよく知られている。ピークの圧力は殆ど直接にビードコアとリムのビードシートとの間のビードコアの下側に生ずる。また、高い圧力はリムフランジに沿って生ずる。従って、技術者は圧力分布を広い範囲に分布させるためにこの直径を十分大きくすることを好む。もし、より軽量のタイヤとするためにビードコアの直径を小さくすることを試みるならば、全体の力の同じ量を保持するためには、ピークの接触圧力は殆ど必然的にビードの下でさらに高い圧力を必要とする。小さなビードの位置はピークの接触圧力を半径方向内側に、また軸線方向外側に移動させるのでこのことは正しい。このことはより少ない圧力分布の輪郭面積を生ずる結果となる。このことを補償するための唯一の方法はピークの圧力を上昇させることである。全てのこれらの問題点は全てのタイヤの構造に対する上述の変更に結びついている。これらの理由のために、本発明は現在使用されているタイヤの設計の中で軽量化が簡単に実行できるという大きな有利な点を示している。ただ一つの重要な要求事項は、ビードコア３０が技術者によって選択された設計安全率を満たすことを示す引張り力の量を設定することである。
【００５４】
図７に示されるように、従来技術の全スチール製のビードコア３は、１×５．０ｍｍ＋（１０＋１６＋２２＋２８＋３３）×２．２ｍｍの構成のビードコアを有する５０×２０．ＯＲ２２航空機用タイヤサイズ用に作られるとき、８００Ｋニュートンより僅かに少ない理論的な引張り強度を有するビードコア１本当たりで６．４７ｋｇ（１４．２６ｌｂ）の重量となる。この理論的な計算には５．０ｍｍ直径のスチール製の中央ワイヤによる９Ｋニュートンの寄与分を含んでいる。
【００５５】
興味深いことには合金製の中央コアの使用は全タイヤ重量の大幅な削減の機会を与える。本発明のビードコアの全引張り強度は、スチール製のさや状層３５のワイヤの強度の合計をＴ_S としたとき、さや状層の引張り強度Ｔ_S と等しいと簡略化できる。合金製のコアは充填物あるいはスペーサとして作用すると考えることができる。
【００５６】
本発明の構想のアルミニウム（例としての）の金属合金製のコア３３を有するビードコア３０を用いると、大幅な重量の軽減が得られる。図２（ａ）から（ｄ）のビードコア３０は、例えばサイズが５０×２０Ｒ２２の航空機用のタイヤの中で用いられたとき次のような強度と重量とを有する。比較のために全スチール製のコア３もこの表に示されている。
【００５７】
【表１】

【００５８】
可能性の有る重量の削減は、犠牲にできるビードの強度の合計にかなり依存している。仮にビードの強度がより高くなければならない場合、高い強度のスチール製のワイヤを考慮することを提言する。
【００５９】
従来技術の上述のビードコア３の構成は、当然本来非常に大きな公称ビード直径を有するオフロード用の建設機械に用いられるビードコアの幾つかよりも実際比較的軽い重量の構成部材である。
【００６０】
図４（ａ）および（ｂ）のビードコア３０は通常商用のトラックタイヤに用いられる６角形の構成である。このようなタイヤは通常２２．５インチまたは２４．０インチの公称ビード直径で作られる。
【００６１】
農業用ラジアルタイヤは、ビードコア当り約１２ポンド以下の重さを有する２４．０インチから５４インチの直径のビードを有する。あるものでは一般的に正方形の帯状の構造が用いられる。図５（ａ）と（ｂ）のビード３０がこのようなビードに代替することができ、重量の低減も可能である。
【００６２】
オフロードのアースムーバ用のタイヤには種々なビードコアの形状が使用される。図６（ａ）と（ｂ）に示される下側が丸い断面はこれらのビードコアに容易に代替できる。典型的なアースムーバ用のタイヤは通常全スチール構成でこの下側が丸いビードコアが使用される。これらのタイヤは２５インチの公称ビード直径から６３インチ以上の範囲に有る。一例として３３．００Ｒ５１のアースムーバ用のタイヤのビードの重量は約１５０ｌｂ（６８ｋｇ）である。２つのビードコアを用いるとビードコアの全重量はタイヤ当り３００ｌｂ（１３６ｋｇ）となる。
【００６３】
本発明のビードコア３０はアルミニウム合金または他の軽量金属合金を通常使用されているスチール製のコアの代わりに用いるとした場合に、ほとんどコスト上の不利益なしにその重量の３％から２７％を節減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のビードコアを使用した空気入りラジアルタイヤの断面図である。
【図２】１本のワイヤまたはロッドが３６０°に巻かれた合金製の中央コアを有する円形断面の本発明のビードコアの断面図である。
ａ）は、さや状層が２層のビードコアである。
ｂ）は、さや状層が３層のビードコアである。
ｃ）は、さや状層が４層のビードコアである。
ｄ）は、さや状層が５層のビードコアである。
【図３】１本のワイヤが複数回巻き付けられているか、または多数のワイヤが少なくとも３６０°以上で巻き付けられている状態が示されている中央部の合金製コアを有する円形断面の本発明のビードコアの断面図である。
【図４】合金製の中央コアを有し６角形の断面を有する本発明のビードコアの断面図である。
ａ）は１本のワイヤまたはロッドが３６０°の輪の状態に巻かれた状態を示す。ｂ）は１本のまたは複数のワイヤが複数回巻かれた状態を示す。
【図５】合金製の中央コアを有する正方形または長方形のビードコアを有する本発明のビードコアの断面図である。
ａ）は１本のワイヤの合金製の中央コアを有する。
ｂ）は複数のワイヤが巻き付けられた合金製の中央コアを有する。
【図６】丸い下側の断面を有するビードコアの断面図である。
ａ）は１本のワイヤの合金製の中央コアを有する。
ｂ）は複数のワイヤが巻き付けられた合金製の中央コアを有する。
【図７】スチール製の中央コアの周りを全スチール製のワイヤがらせん状に巻いた従来例のビードコアの断面図である。
【符号の説明】
３、３０ ビードコア
８ ストリップ
９ サイドウオール
１１ チェーファー
１７ 溝
１８ トレッド
２０ カーカスプライ
２２ 内部ライナー
３１ フリッパ
３３ 中央コア
３４ ワイヤまたはロッド
３５ さや状層
３６ ワイヤ
４０ エイペックス
５０ ベルト補強層
５１ コード
５３ 布地層
６０ 補強チッパープライ
６１ 布地コード
１００ タイヤ

Claims (3)

1. 中央コアを包むさや状の複数のワイヤによって形成されるビードコアを内部に有するビード部分を備える空気入りのラジアルタイヤにおいて、
   さや状の前記ワイヤはスチール製であり、前記中央コアはスチールよりも軽い重量を持った軽量金属合金材料から作られ、前記中央コアはその両端が溶接され１つの連続する輪を形成していることを特徴とする空気入りラジアルタイヤ。
2. 前記中央コアの材料は、チタン合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金から選択される、請求項１に記載の空気入りラジアルタイヤ。
3. 前記ビードコアは前記中央コアの周囲をらせん状に包み込む前記さや状の複数のワイヤを有する、請求項１に記載の空気入りラジアルタイヤ。

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