JP4510545B2 - 回転補助翼付きの車両用タイヤ - Google Patents

Description

本発明は、自動車その他の、ある程度の速度で走行する車両に用いられるタイヤに関する。特には、転がり抵抗を実質上低減させて、低燃費化を実現できるタイヤに関する。

近年、自動車の低燃費化に対する社会的要請が高まり、タイヤの転がり抵抗を低減させる低燃費化技術の開発が盛んに行なわれている（例えば特許文献１〜２）。タイヤの転がり抵抗は、粘弾性体であるゴムとタイヤコードとからなるタイヤが、たわみながら回転することによる抵抗であり、エネルギーロスを発生させる。

この転がり抵抗を低減させるためには、タイヤ回転時に生じるタイヤ全体の変形を抑えるか、または、路面接触の際に生じる繰り返し圧縮運動によるエネルギーロスを抑える必要がある。このためには、タイヤの形状や構造（プロファイル）を最適化するか（特許文献１など）、または、ゴム配合組成を最適化する検討（特許文献２など）が行われている。タイヤの転がり抵抗を低減させたならば、特には、高速道路走行時といった定常速度走行時における車両の低燃費化に大きく寄与できる。

しかし、これら従来の方法では、転がり抵抗の改善のために、耐摩耗性やウェット性能といった他の性能の低下を招くことが多かった。例えば、補強剤であるカーボンブラックの配合量を減らすといった方法では、耐摩耗性の低下を招くおそれがあった。

一方、タイヤのサイドウォール部の外面には、商品名の浮き彫りや装飾のための凹凸模様を除き、特段の突起構造を設けないのが常識となっている。但し、振動を吸収する目的でタイヤ回転軸を中心として円環状に、リップ状の突起を、タイヤ回転軸の側に倒した形態で設けるという提案がある（特許文献３）。しかし、このような突起であると、タイヤの回転に対する抵抗を増大させることはあっても、その逆の効果は期待できない。また、空気流との間での特段の作用効果を奏するものでない。

他方、航空機用車輪においては、着陸時の摩耗を軽減すべく、着地前に車輪の回転を開始させるための回転力生成翼をホイールキャップ等に設けることも提案されている（特許文献４）。しかし、この回転力生成翼は、車両を定常走行させるための車輪に設けられたものでなく、走行時の低燃費化を実現するものでない。
特開２００４−９８８３８ 特開２００４−１０７４７ 特開２０００−３０１９２０ 特開２００２−１５４４８５

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、他のタイヤ性能の低下を招くおそれなしに、低燃費化を実現できる自動車用タイヤを提供しようとする。

本発明の自動車用タイヤは、サイドウォール部の外面に、車両走行時に空気流から受ける力を回転駆動力に変換する複数の回転補助翼が、タイヤ周方向に均等に分布するように設けられたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によると、前記回転補助翼が、車両走行時に上端位置から下端位置へと移るにしたがって、車両の荷重によるタイヤの変形に伴い、車両走行方向から見た場合の面積が増大するように設けられたものである。さらに好ましい態様によると、前記回転補助翼は、タイヤ径方向の中心位置が、タイヤ回転軸からトレッド面に至るタイヤ半径の３５〜５５％の領域内に設定され、下端位置を基準とした前記面積の変化率（後述する面積変化率）が４０％以上である。このようであると、車両回転軸の上側で空気抵抗により車両の走行を妨げる回転力の生成をなるべく小さくするとともに、車両回転軸の下側で、車両の走行を促進する回転力の生成を大きくできる。したがって、全体として、容易に、補助的な回転駆動力を生成し、低燃費化または低動力化を実現できる。

本発明の他の好ましい態様によると、前記回転補助翼は、回転方向の前面に向かって凸の形状をなし、回転方向の後面が凹面または前記前面に比べて扁平な面をなす。

転がり抵抗を実質上低減させて、低燃費化または低動力化を実現できる。

実施例１について、図１〜６を用いて説明する。図１は、実走行状態における実施例のタイヤを示す模式的な外観斜視図であり、図２は、回転補助翼の形態をタイヤから取り外した状態で示す平面的な斜視図である。また、図３は、実施例のタイヤが車両の荷重により変形した状態について示す模式的な垂直方向断面図である。

図１及び図３に示すように、タイヤ１のサイドウォール部１６外面には、タイヤ径方向及び回転軸方向に沿って延びる略平板状の回転補助翼１１が設けられている。図示の例によると、タイヤ１の左右の各サイドウォール部１６外面には、４個の回転補助翼１１-1〜１１-4が、周方向に均等に分布するように設けられている。また、各回転補助翼１１は、ホイール２のリム２５に近接して配置されている。すなわちビード部１７に近接して配置されている。

図２に示す例で、各回転補助翼１１は、１枚の矩形状のゴムシート１２と、これをタイヤのサイドウォール部１６から支持する２本の棒１３とからなる。ゴムシート１２は、タイヤ半径方向の両縁部１２Ｂが円柱状であり、これらの間に均等な厚みのゴムシート本体１２Ａが掛け渡された状態となっている。また、各棒１３は、図示の例で１本の直線状の細い丸棒であり、ゴムシート１２の円柱状縁部１２Ｂの芯をなす芯部１３Ｂと、タイヤのサイドウォール部１６に打ち込んで埋設される根部１３Ａとからなる。

ゴムシート１２は、タイヤを構成するゴム組成物に類似のゴム組成により設けることができる。例えば天然ゴム、ブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の樹脂にカーボンブラック等の補強剤及び劣化防止剤を配合した組成により設けることができる。一方、棒１３は、一般鋼、ステンレス鋼、アルミ合金その他の金属で設けることができる他、繊維強化プラスチックの成形物などにより設けることができる。回転補助翼１１と、タイヤ本体１４とをそれぞれ別個に加硫成形により設けた後に、サイドウォール１６外面の所定位置に棒１３の根部１３Ａを打ち込むことで、実施例のタイヤ１を得ることができる。しかし、場合によっては、回転補助翼１１とタイヤ本体１４とを組み合わせた後に、加熱による加硫を行うこともできる。

図３及び図１に示すように、車両進行方向から見た場合の回転補助翼１１の面積は、ホイール２の下方に来たときに大きくなり（１１−１の状態）、ホイール２の上方に来たときに小さくなる（１１−３の状態）。ホイール２の下方の位置にて、タイヤ本体１４は、車両３の荷重によって、トレッド１５が接する路面４とホイール２との間で押圧変形を受け、これに伴い、タイヤのサイドウォール部１６が外側へ膨出する。これにより、棒１３の間の間隔が、回転補助翼１１の自由端の側で大きくなる。一方、ホイール２の下方では、タイヤ本体１４が車両の荷重によって変形を受けるに伴い、タイヤのサイドウォール部１６が湾曲することとなり、これにより、棒１３の間の間隔が、回転補助翼１１の自由端の側で大きくなる。回転補助翼１１は、ホイール２の下方で車輪の回転駆動を促進する作用を行い、ホイールの上で車輪の回転駆動を阻害する逆方向の回転力を生成するが、回転補助翼１１の面積が上記のように変化することにより、全体として回転駆動を促進する回転補助力を生成するようにしている。

具体例において、回転補助翼１１は、ゴムシート本体１２Ａの厚みが１ｍｍであり、棒１３の間の間隔Ｗが５ｃｍ、タイヤのサイドウォール１６外面から垂直方向に突き出す寸法Ｈが３ｃｍである。また、タイヤ本体１４は、トラック、バスまたは軽トラックに用いられるTOYO 12.00 R 20 14PRである。すなわち、タイヤの断面幅（文字高さを除く車輪軸方向の外寸）が１２インチ、リム径が２０インチである。

以下に、図４〜６を用いて、回転補助翼１１が生成する回転補助力について行ったシミュレーションについて説明する。まず、図４は、シミュレーションの前提になる基本条件について示す。タイヤの回転軸からトレッド面に至るタイヤ半径は、０．３ｍとし、車両が時速６０ｋｍ（１６．６７ｍ／ｓｅｃ）で走行する場合を想定した。

次ぎに、図５のグラフには、上記実施例のような回転補助翼がタイヤ側面に１個のみ設けられている場合に、路面４から最も遠い頂点位置からの回転角度と、生成する回転補助力との関係についてシミュレーションした結果を示す。この際、回転補助翼１１は、車両走行方向から見た場合の面積変化率、すなわち、タイヤ回転軸及び垂直軸を含む平面に投影した場合の上下端位置間での面積変化率が５０％であるとした。ここで、面積変化率（％）は、次式により得られる値である。

面積変化率（％）＝（１−下端位置での走行方向への投影面積
÷上端位置での走行方向への投影面積）×１００
図５に示すシミュレーション結果によると、頂点からの回転角度が１３２°と２２８°との間の領域でのみ正（プラス）の回転補助力が生成する。

図６のグラフには、前述した具体例のタイヤ１における回転補助翼１１の面積変化率と、得られる回転補助力との関係について、同様のシミュレーションにより求めた結果を示す。左半図は、図２の回転補助翼の中心が、回転軸からタイヤ外寸半径の１１／２４だけ離れた個所に位置する場合を示し、右半図は、図２の回転補助翼の中心が、回転軸からタイヤ外寸半径の１０／２４だけ離れた個所に位置する場合を示す。図６の結果から知られるように、タイヤ外寸半径の１１／２４の個所に回転補助翼１１の中心が位置する場合、回転補助翼１１の上下間面積比が６０％以上である場合にのみ正（プラス）の回転補助力が生成する。これに対して、タイヤ外寸半径の１０／２４の個所に回転補助翼１１の中心が位置する場合、回転補助翼１１の面積変化率が４０％以上の領域で、正（プラス）の回転補助力が生成する。

図６の結果から、回転補助翼１１のタイヤ径方向での位置が、回転補助力の発現にとり非常に重要であることが知られる。回転補助翼１１は、トレッドに近い位置に位置するほど、タイヤ回転軸の下方にあってもタイヤ走行に伴う向かい風をあまり受けなくなるからであると理解することができる。

表１には、前述した具体例と同様のタイヤについて、回転補助翼の位置、数、上下間面積比を段階的に変化させた場合の、タイヤの実質的な転がり抵抗をシミュレーションにより求めた結果を示す。回転補助翼の寸法は、タイヤ回転軸１８と同じ高さにある場合（図１の１１-2及び１１-4の状態）、ゴムシート１２が矩形状をなし棒１３の間の間隔Ｗが５ｃｍで突出寸法Ｈが３ｃｍであるとした。表１中において、転がり抵抗は、回転補助翼を設けなかった基準タイヤ（TOYO 12.00 R 20 14PR、リムサイズ20inch×7.50inch）における値を１００とする指数で示す。なお、基準タイヤの転がり抵抗は、ドラム式転がり抵抗試験機により、タイヤ空気圧700kPa、荷重2500kgf、測定温度25±1℃の条件で測定したものであり、シミュレーションは、この条件で回転補助翼が及ぼす影響を算出したものである。

表１に示すように、回転補助翼の中心位置とタイヤ回転軸１８との間の距離がタイヤ外寸半径の４０％である場合、回転補助翼の面積変化率が５０％であるなら、タイヤの実質上の転がり抵抗が２〜３％低下した。実施例1-1と1-2との比較から知られるように、４枚配置する場合よりも、８枚配置する方が効果は大きい。但し、転がり抵抗の低下は、２％から３％へと約１．５倍となるに止まる。

一方、実施例2-1〜2-3の結果から知られるように、回転補助翼の位置が、タイヤ回転軸から遠ざかると、回転補助翼の面積変化率を６０％及び７０％と大きくしたとしても、転がり抵抗低減の度合いは小さくなった。また、回転補助翼がタイヤ軸よりもトレッドの側に位置する場合（比較例１）には、回転補助翼の面積変化率を８０％とした場合にも、むしろ転がり抵抗が増加することとなった。

図７には、変形例のタイヤ１’における回転補助翼１１’について示す。変形例の回転補助翼１１’は、上記実施例と同様の構成において、比較的肉厚のゴムシート１２’及びその両端の棒１３’が、タイヤ回転方向の方向へと滑らかに湾曲している。回転補助翼１１’の断面形状は、例えば、低速の風を用いて発電等を行うための「サボニウム型」の風車の羽根と同様とする。このような構成であると、面積変化率が小さくとも、車両走行中に受ける空圧は、タイヤ回転軸の下方側で大きく、タイヤ回転軸の上方側で大きくなる。したがって、タイヤ回転方向の駆動力が得られる。

なお、「サボニウム型」の断面形状に限らず、回転方向の前面に向かって凸の形状をなし、回転方向の後面が凹面であるか、または前面に比べて扁平な面をなすものであれば良い。また、回転補助翼１１’の全体がカップ状をなしていても良い。

実走行状態における実施例のタイヤの模式的な外観斜視図である。 実施例のタイヤの回転補助翼を示す平面的な斜視図である。タイヤ本体から取り外した状態にて示す。 実施例のタイヤが車両の荷重により変形した状態について示す模式的な垂直方向断面図である。 図２の回転補助翼の回転駆動力についてシミュレーションした条件について示す模式図である。 回転補助翼の回転位置と、回転駆動力との関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。 回転補助翼の面積変化率（[１−下端での面積／上端での面積]Ｘ100）と、回転補助力との関係について示すグラフである。左半図は、図２の回転補助翼の中心が、タイヤ外寸半径の１１／２４の個所に位置する場合を示し、右半図は、図２の回転補助翼の中心が、タイヤ外寸半径の１０／２４の個所に位置する場合を示す。 変形例のタイヤの模式的な部分外観斜視図である。

符号の説明

１ 車両用タイヤ １１-1〜１１-4 回転補助翼
１２ ゴムシート １３ 棒
１４ タイヤ本体 １５ トレッド
１６ サイドウォール部 １８ タイヤ回転軸
２ ホイール ２５ リム
３ 車両 ４ 路面

Claims (4)

1. サイドウォール部の外面に、車両走行時に空気流から受ける力を回転駆動力に変換する複数の回転補助翼が、タイヤ周方向に均等に分布するように設けられ、
   前記回転補助翼が、車両走行時に上端位置から下端位置へと移るにしたがって、車両の荷重によるタイヤの変形に伴い、車両走行方向から見た場合の面積が増大するように設けられたものであることを特徴とする車両用タイヤ。
2. 前記各回転補助翼は、タイヤ径方向の中心位置が、タイヤ回転軸からトレッド面に至るタイヤ半径の３５〜５５％の領域内に設定され、下端位置を基準とした前記面積の変化率が４０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の車両用タイヤ。
3. 前記各回転補助翼が、タイヤ外壁面にタイヤ径方向に沿って複数打ち込まれた棒状部材と、これらの間に掛け渡された弾性の板状部材とからなることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用タイヤ。
4. 前記回転補助翼は、回転方向の前面に向かって凸の形状をなし、回転方向の後面が凹面または前記前面に比べて扁平な面をなすことを特徴とする請求項１または２に記載の車両用タイヤ。

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