JP4633516B2 - スチールコードおよびタイヤ - Google Patents

Description

本発明は、自動車用タイヤの補強材として使用するスチールコードに関し、特にｎ×ｍ構造の複層スチールコード、およびそれを使用したタイヤに関するものである。

近年自動車用タイヤには自動車の多様化及び省燃費化の影響で軽量かつ高機能で、しかも省資源化が求められ、超偏平タイヤやアクアトレッドタイヤ、あるいはワイドタイヤなど従来に無い様々なタイヤが開発されつつある。これに伴い、タイヤ補強用スチールコードにも高機能が要求されるようになった。

ところで、タイヤ補強用スチールコード（以下、「スチールコード」、または単に「コード」という）として様々な構成のものが従来から使われている。その中に、ｎ本の素線を撚り合わせた１×ｎ構造のスチールコード（ストランド）をｍ本撚り合わせた所謂ｎ×ｍ構造のスチールコードがある。

このスチールコードには、図３（ａ）に示す４本の素線３２を撚り合わせた１×４構造のスチールコード（ストランド）３３を、１本をコアにして７本撚り合わせた７×４構造のスチールコード３１や、図３（ｂ）に示す７本の素線４２を、１本をコア素線として撚り合わせた１＋６構造のストランド４３を３本撚り合わせた３×（１＋６）構造のスチールコード４１や、あるいは図３（ｃ）に示す７本の素線５２を、１本をコア素線として撚り合わせた１＋６構造のストランド５３を４本撚り合わせた４×（１＋６）構造のスチールコード５１などがあり、従来から一般的に使用されている。

上記スチールコード３１、４１、５１は、ストランドの外接線形状がいずれも丸形状であるため、引張り曲げ応力は均等に作用する。
しかし、タイヤ走行時においては、タイヤの転がり面は柔らかく歪み、コーナリングの際の歪みはできるだけ小さくして、乗り心地性が良く、しかも安定した走行を可能にするため、タイヤ回転方向の剛性を低くしながらタイヤ回転方向と直交する方向の剛性を高めたスチールコードが要求されるが、上記スチールコード３１、４１、５１ではその要求を満たすことができない。

上記要求を満たすスチールコードとして、断面が偏平（略楕円）形状のスチールコードが開発されている（例えば、特許文献１）。この偏平コードは、例えば図４に示すように６本の素線６２を互いの素線間に隙間Ｃを有するように撚り合わせた単層撚りスチールコード６１である。このスチールコード６１は断面が偏平形状であるから長径方向の剛性が高く、短径方向の剛性が小さい。よって、このスチールコード６１の短径側をタイヤのゴムの厚み方向に配置することにより、タイヤ回転方向の剛性を低くしながらタイヤ回転方向と直交する方向の剛性を高めることができる。
実開平２−２９４９５号公報

しかし、上記従来の単層撚りスチールコード６１は単層撚りであるから素線本数が少ない（通常、多くて６本）。よって、大型自動車用タイヤやワイドタイヤ等の重荷重用タイヤの補強材用として破断強度を高めるには素線径を大きくせざるを得ず、その結果スチールコードの柔軟性が低下して、上記スチールコードを使用したタイヤは、乗り心地性が著しく損なわれた固いタイヤになってしまう。

これに対し、複層撚りで偏平形状であるスチールコードも提案されている。図５（ａ）に示すスチールコード７１は、楕円形に型付けした１本のコア素線７２の回りに４本の側素線７３を撚り合わせたストランド７４を、１本をコアストランドとして回りに６本の側ストランドを撚り合わせたものである（特許文献２）。また、図５（ｂ）に示すスチールコード８１は、平行に引き揃えた２本の素線８２からなるコアストランド８３の回りに７本の側素線８４を撚り合わせたストランド８５を４本撚り合わせたものである（特許文献３）。
特開平８−２８４０４９号公報 特開平１１−６１６６６号公報

上記スチールコード７１、８１は、複層撚りだから素線本数が多く強度は高い。しかし、構造的に楕円形状を成すもので、各々のストランドの外接円は常に接触し、また各ストランドにおいても、コア素線と側素線とは常に接触状態にあるため、素線同士の接触摩擦の影響により、長径方向の剛性が構造的な楕円による効果以上に発揮されないという問題を有していた。さらに、上記従来のスチールコード７１、８１はゴム材の侵入が充分でなく、錆やフレティング摩耗を防止するに至っておらず、重荷重用タイヤの補強材として充分ではなかった。

そこで、本発明は、重荷重用タイヤにも使用できる高強度で、スチールコード内部へのゴム侵入性がよく、しかもタイヤ回転方向の剛性が低くてタイヤ回転方向と直交する方向の剛性が高いスチールコードを提供することを課題とする。

本発明のスチールコードは、ｍ本（ｍ＝３〜１２）の素線を撚り合わせたストランドをｎ本（ｎ＝３〜６）撚り合わせたコアストランドを有さないｎ×ｍ構造のスチールコードであって、上記ストランドの外接線形状が長手方向に略同一向きの略楕円形状であり、上記スチールコードの外接線形状も上記ストランドの楕円方向と同一方向の略楕円形状で、かつストランドおよびスチールコードの偏平率（長径／短径）が、１．１５〜２．７０であり、スチールコードの短径が、同構成でストランド及びスチールコードの外接線形状が円形であるスチールコードのコード径より小さく、しかも隣り合うストランドが接触乃至近接と離間とを１撚りピッチ内で少なくとも２回繰り返し、離間するときの最大隙間が長径の極点近傍に存在し、最大隙間幅が３／１００ｍｍ以上であることを特徴とする。

本発明のスチールコードは、複層撚りだから素線本数が多く強度は高い、しかも偏平構造であるから、短径方向の剛性は低く、長径方向の剛性が高い。

素線及びストランドの本数は、少ないと前述のとおり必要強度を得るべく素線径が太くなってスチールコードの柔軟性が低下してタイヤが硬くなるばかりか、偏平構造にする効果が少なく上記課題が達成できない。また、２本撚りでは、素線又はストランドが縦方向に並んだときの横方向（長径方向）の剛性が小さくなる。よってストランドを構成する素線本数の最少本数を３本とし、ストランド数も最少本数を３本とした。また、素線あるいはストランド本数が多すぎると偏平比率が大きく成りすぎ、必要引張強度に対し、短径方向の剛性が小さく成りすぎて走行中のタイヤの変形に対するスチールコードの役割が低下し、図９に示すようにタイヤの寿命が損なわれてしまう。よって、ストランドの素線本数の上限は１２本、ストランドの本数は６本を上限とした。

なお、図９に示す曲線は、本発明のスチールコードで偏平率を種々変化させたスチールコードを作成し、それぞれ複数本をゴムシートに埋め込んだ複合体シートを用いて３点プーリー曲げ疲労試験機により疲労試験を行い、埋設したスチールコードがフレッティング摩耗、座屈等を経て破断に至るまでの繰り返し回数を計数し、そして外接線形状が丸形状のスチールコードの繰り返し数を１００としたときの指数を疲労寿命指数としてグラフ化したものである。この値が高いほど耐疲労性が高いことを示している。

この発明において、ストランドおよびスチールコードの偏平率（長径／短径）は、１．１５〜２．７０の範囲である。

偏平率が、１．１５未満だと殆ど外接線形状が丸形状となり本発明の課題を達成することができない。また、後述する３点曲げ試験によるｎ×ｍ構造のスチールコードの偏平率と剛性との関係は、図１０に示すように偏平率が高い程剛性が高い。しかし、偏平比率が２．７を越えると図９に示すように耐疲労性が低下する。よって、偏平率は１．１５〜２．７０の範囲が最適である。

また、本発明のスチールコードは、スチールコードの短径が、同構成でストランド及びスチールコードの外接線形状が円形であるスチールコードのコード径より小さい構成である。よって、本発明のスチールコードの短径側をタイヤのゴムの厚み方向に配置することにより、タイヤの厚みを薄くすることが可能となり、タイヤの軽量化が図れ、自動車の省エネ効果にもつながる。

また、上記本発明のスチールコードは、隣り合うストランドが接触乃至近接と離間とを１撚りピッチ内で少なくとも２回繰り返し、かつ離間するときの最大隙間が長径の極点近傍に存在し、最大隙間幅が３／１００ｍｍ以上であるから、ゴム侵入性が向上する。上記長径の極点近傍とは、コードの外接線が短径軸と交わる近傍を意味する。

本発明のスチールコードは、複層撚り構造であるから素線本数が多く強度が高い。しかも偏平構造であるから、短径方向の剛性は低く、長径方向の剛性が高い。よって、本発明のスチールコードは大型タイヤやワイドタイヤ等の重荷重用タイヤの補強材として使用することができ、このスチールコードで補強したタイヤは、タイヤ回転方向の剛性が低いので乗り心地性がよく、またタイヤ回転方向と直交する方向の剛性は高いので走行安定性が高い。

以下、図面に基づいて実施の形態を説明する。

図１は本発明のスチールコードを示す断面図である。このスチールコード１は、素線３を３本撚り合わせたストランド２を３本撚り合わせたコアストランドを有さない３×３構造であって、ストランド２の外接線Ｓ２が長手方向に略同一向きの略楕円形状であり、かつスチールコード１の外接線Ｓ１もストランド２の楕円方向と同一方向の略楕円形状である。ストランド２の偏平率（ｂ2／ａ2）は１．１５〜２．７０で、スチールコード１の偏平率（ｂ1／ａ1）も１．１５〜２．７０である。

また、このスチールコード１は、スチールコード１の短径ａ1およびストランド２の短径ａ2が、図６（ａ）に示すそれぞれ同構成（同素線、同撚り構造）で外接線形状が丸形状のスチールコード径ｄ1、ストランド径ｄ2より小さい。

さらに、隣り合うストランドが接触乃至近接と離間とを１撚りピッチ内で少なくとも２回繰り返し、かつ離間するときの最大隙間が長径の極点近傍に存在し、最大隙間幅Ｈ１が３／
１００ｍｍ以上である。

図２は本発明のスチールコードの別の実施例を示す断面図である。このスチールコード１１は、素線１３を芯に３本と側に９本配した３＋９構造のストランド１２を４本撚り合わせたコアストランドを有さない４×（３＋９）構造であって、ストランド１２の外接線Ｓ１２が長手方向に略同一向きの略楕円形状であり、かつスチールコード１１の外接線Ｓ１１もストランド１２の楕円方向と同一方向の略楕円形状である。ストランド１２の偏平率（ｂ12／ａ12）は１．１５〜２．７０で、スチールコード１１の偏平率（ｂ11／ａ11）も１．１５〜２．７０である。

また、このスチールコード１１は、スチールコード１１の短径ａ11およびストランド１２の短径ａ12が、図６（ｂ）に示すそれぞれ同構成（同素線、同撚り構造）で外接線形状が丸形状のスチールコード径ｄ11、ストランド径ｄ12より小さい。

さらに、隣り合うストランドが接触乃至近接と離間とを１撚りピッチ内で少なくとも２回繰り返し、かつ離間するときの最大隙間が長径の極点近傍に存在し、最大隙間幅Ｈ２が３／１００ｍｍ以上である。

本発明のスチールコードの製造方法を図１に示した３×３構造スチールコードを例に説明する。

素線径がφ０．２５ｍｍで、表面に真鍮メッキを施した３本の素線３を緩く撚り合わせて１×３構造の単層撚りでオープン構造の外接線形状が円形のストランドを製造する。次に、上記ストランドを３本緩く撚り合わせて３×３構造でオープン構造の外接線形状が円形のスチールコードを製造し、このコードをローラダイス、楕円形の孔を有するダイスあるいは矯正ローラ群等により引き抜きあるいは押圧加工を適宜おこなって本発明の偏平化されたスチールコード１を製造することができる。

あるいは、上記１×３構成のストランドをローラダイス、楕円形の孔を有するダイスあるいは矯正ローラ群等により引き抜きあるいは押圧加工を行ってストランドを偏平化し、この偏平ストランドを３本撚り合わせて、再度上記方法で偏平加工してもよい。
ただし、本発明のスチールコードの製造方法は上記方法に限られるものでない。

（実施例）
上記製造方法によって、表１に示す本発明のスチールコードを製造し、従来例とゴム侵入性、耐疲労性および剛性について比較試験をおこなったところ表２の結果を得た。なお、表１に示すスチールコードはコード強力が約１７００Ｎで同じになるように素線径を選択した。

上記ゴム侵入性と耐疲労性および剛性を比較した試験条件、評価方法は次の通りである。

ゴム侵入性は、各コードをゴム中に埋め込み、加圧加硫した後、コードをゴム中から取り出してそのコードを分解して素線の一定長さを観察し、観察した長さに対してゴムと接触した形跡のある長さの比をパーセント表示した。この値が高いほどゴム侵入性が高いことを示している。

耐疲労性は、複数本のスチールコードをゴムシートに埋め込んだ複合体シートを用いて３点プーリー曲げ疲労試験機により疲労試験を行い、埋設したスチールコードがフレッティング摩耗、座屈等を経て破断に至るまでの繰り返し回数を計数したものである。そして、従来例であるサンプルＮｏ．１の繰り返し数を１００として指数表示した。この値が高いほど耐疲労性が高いことを示している。

剛性は、図７に示すような３点曲げ試験により、テストピース４のスパンＬ（Ｌ＝２０ｍｍ）における５ｍｍ押さえ込み時の荷重Ｇを測定し、従来例であるサンプルＮｏ．１の荷重を１００として指数表示した。この値が大きいほど剛性が高いことを示している。テストピース４は、図８に示すように、３本のテストコード５を横一列にしてゴムシート６に埋め込んで作成した。上記ゴムシート６の寸法は厚み４ｍｍ、巾１０ｍｍ、長さ５０ｍｍとした。なお、短径方向の曲げ剛性の測定は、図８（ａ）に示すように、テストコード５を横に倒して埋め込み、長径方向の曲げ剛性の測定は、図８（ｂ）に示すように、テストコード５を立てて埋め込んだ。

表２から明らかなように、本発明のスチールコードは、従来例のスチールコードに比べて短径方向の剛性が低く、長径方向の剛性が高い。また、ゴム浸入性、耐疲労性にも優れていることがわかる。

本発明のスチールコードの一実施例を示す断面図である。 本発明のスチールコードの他の一実施例を示す断面図である。 従来の複層撚りスチールコードで、（ａ）は７×４構造のスチールコードの断面図、（ｂ）は３×（１＋６）構造のスチールコードの断面図、（ｃ）は４×（１＋６）構造のスチールコードの断面図である。 従来の１×６構造の単層撚り偏平スチールコードの断面図である。 従来の複層撚り偏平スチールコードで、（ａ）は７×（１＋５）構造のスチールコードの断面図で、（ｂ）は４×（２＋７）構造のスチールコードの断面図である。 （ａ）は図１に示す本発明のスチールコードと同構成で外接線形状が丸形状のスチールコードの断面図で、（ｂ）は図２に示す本発明のスチールコードと同構成で外接線形状が丸形状のスチールコードの断面図である。 ３点曲げ試験方法を示す説明図である。 ３点曲げ試験に用いたテストピースを示す図で、（ａ）は短径方向の曲げ剛性測定用のテストピースの概略図、（ｂ）は長径方向の曲げ剛性測定用のテストピースの概略図である。 ３点プーリ曲げ疲労試験の測定結果に基づく、偏平率と疲労寿命指数の関係を示す曲線図である。 ３点曲げ試験による測定結果に基づく、偏平率と剛性指数の関係を示す曲線図である。

符合の説明

１、１１ スチールコード
２、１２ ストランド
３、１３ 素線
Ｓ１、Ｓ１１ スチールコードの外接線
Ｓ２、Ｓ１２ ストランドの外接線
ａ１、ａ１１ スチールコードの短径
ａ２、ａ１２ ストランドの短径
ｂ１、ｂ１１ スチールコードの長径
ｂ２、ｂ１２ ストランドの長径
Ｈ１、Ｈ２ 最大隙間巾

Claims (2)

1. ｍ本（ｍ＝３〜１２）の素線を撚り合わせたストランドをｎ本（ｎ＝３〜６）撚り合わせ
   たコアストランドを有さないｎ×ｍ構造のスチールコードであって、上記ストランドの外
   接線形状が長手方向に略同一向きの略楕円形状であり、上記スチールコードの外接線形状
   も上記ストランドの楕円方向と同一方向の略楕円形状で、かつストランドおよびスチール
   コードの偏平率（長径／短径）が、１．１５〜２．７０であり、スチールコードの短径が
   、同構成でストランド及びスチールコードの外接線形状が円形であるスチールコードのコ
   ード径より小さく、しかも隣り合うストランドが接触乃至近接と離間とを１撚りピッチ内
   で少なくとも２回繰り返し、離間するときの最大隙間が長径の極点近傍に存在し、最大隙間幅が３／１００ｍｍ以上であることを特徴とするスチールコード。
2. 請求項１に記載のスチールコードをベルト補強材として使用したタイヤ。