JP4873277B2 - 非空気式組立体用のスチフネス可変スポーク - Google Patents

Description

本発明は、回転状態下の荷重、例えば本出願人の米国特許第7,201,194号に記載の自動車の荷重を支持するのに用いられる「非空気式変形可能構造物（non-pneumatic deformation structures）」に関するものである。

上記特許に記載の構造的に支持された非空気タイヤ（structurally supported non-pneumatic tire）は荷重を支持する補強された環状バンドと複数のウェブスポークとを有する。このウェブスポークは環状バンドと車両のホイールまたはハブとの間に加わる引張力を伝達する。このタイヤは、空気タイヤの機構とは違って、内部の空気圧の支持無しに、構造上の特性だけで荷重を支持する。

[図1]には構造的に支持された非空気タイヤの典型的な構造が示してある。この例ではスポークは非空気式変形可能構造物の幅方向を横断する方向に放射状に延びた要素として示されている。この構造物は「頂部荷重、トップローディング」として働く。すなわち、地面から固定ハブに加わる垂直荷重が、一般にバンドが荷重面と接触する領域の外側にあるスポークの引張力によって支えられる。[図1]に示すように、バンドが荷重面と接触する領域域のスポークは荷重をほとんど支えず、ここではスポークは座屈変形している。

非空気式変形可能構造のデザイン上の特徴は垂直スチフネス（堅さ、硬直さ、固さ、硬さ）にある。ここで、垂直スチフネスとは垂直方向の曲げまたは固定ハブの地面からの上方への変位の各増分によって生じる垂直方向の力（垂直力）の増加分（増分）を意味する。荷重を運搬する最終用途によっては、初期垂直スチフネスが高い構造が望ましいこともある。そうした用途の例は静荷重が大きい例えば建築、建設用重機である。この場合にはスチフネスを高くすることで垂直方向の静荷重による湾曲が防止される。一方、初期スチフネスが低い方が望ましい用途もある。そうした用途の使用例は手押し車で、この場合には荷重が軽い場合、障害を簡単に乗り越えるように回転することが要求される。非空気式変形可能構造物の垂直スチフネスをコントロールする方法の一つは外側バンドの機械特性および寸法調節することである。しかし、この方法の場合には外側バンドと荷重面との間の平均接触圧が変化してしまう。この平均接触圧はある種の用途では重要な全体デザイン基準の一つである。

本発明の目的は、垂直スチフネスの調節手段となるスチフネス可変スポーク組立体を有する非空気式変形可能構造物を提供することにある。
本発明の他の目的は、スポーク端部に生じる応力集中を減らすことにある。

本発明の非空気式変形可能構造物は、所定のスチフネスを有する外側環状バンドと、外側端と内側端とを有するポーク要素群とを有する非空気式変形可能構造物であって、上記外側端は外側バンドに結合され、各スポーク要素は内側へ延び、上記内側端は裏側のハブに結合され、このハブは車両の車軸または一つの軸線の周りを回転するその他装置に非空気式変形可能構造物を取り付けるための構造を有し、各スポーク要素は、外側端が外側環状バンドと結合する点から内側端が内側のハブに結合される点まで延びた直線セグメントの長さより長い曲線長さを有し、各スポーク要素の外側端は上記直線セグメントに対して接線状に延び且つ各スポーク要素の内側端は上記直線セグメントに対して接線状に延びている。

本発明の一つの変形例では、スポーク要素は横断面で見た時に少なくとも２つの凹状セグメントと少なくとも１つの凸状セグメントとを有する。
本発明の別の変形例では、凹状セグメントと凸状セグメントとはこれらの先端部で互いに接線状になっている。
以下で示す実施例では、凹状セグメントおよび凸状セグメントは各々円弧セグメントで形成されている。

上記およびそれ以外の本発明の特徴、観点および効果は、以下の説明および特許請求の範囲からより良く理解できよう。添付図面は本明細書の一部を構成し、本発明の実施例を示し、以下の説明と一緒に本発明の原理を説明するものである。

[図1]は非空気式変形可能構造物100の例を示している。この構造物は所定のスチフネス（硬さ）を有する外側バンド110と、この外側バンド110をハブ130に接続するスポーク状要素群120とを有している。ハブ130は車両の車軸に取り付けられるか、一つの軸線の周りを回転する他の装置に取り付けることができる。外側バンドのスチフネスは一層または複数層の各種強化材によって与えることができる。所望の荷重運搬能を得るのに適したバンドの構造およびデザイン情報の例は下記文献に記載されている。
米国特許第7,013,939号明細書 米国特許第6,769,465号明細書

［図1］はハブ130が垂直方向に動かない状態という条件下で非空気式変形可能構造物100に垂直荷重Fzが加わった場合を例示している。地面と接触した外側バンド110の一部が上方へ垂直変位Δしている。
［図３ａ］は以下で説明する「過剰長さ」ＥＬの３つのレベルでの垂直変位Δと力Ｆｚ（daN）との関係を示すグラフであり、［図３ｂ］は垂直変位Δと垂直スチフネス（daN/mm）との関係を示すグラフである。垂直スチフネスは力／変位曲線の傾斜で表される。

非空気式変形可能構造物の垂直スチフネスを制御するのに本発明が提案する方法は下記の式で定義され、［図２］に例示したスポークの「過剰長さＥＬ」を変化させる方法である。

（ここで、
（i） Ｌ₀およびＬ₁は下記で定義され、［図２］に例示され、
（ii）Ｌ₀はスポーク端部の間の距離、
（iii）Ｌ₁は曲線スポーク長さである）

解析は設計仕様、使用材料および補強材は全て同じにし、ただし、スポーク過剰長さＥＬを変えて、３つの異なる非空気式変形可能構造物で行った。スポーク要素120の末端取り付け部が放射線上に入るような向きにスポーク要素120を向けたものと、［図２］に示すようにスポーク要素120の末端取り付け部が放射方向に対して一定の相対角度を成すような向きにしたものとを解析した。どちらの形態でもスポークの過剰長さＥＬは上記の定義を満たす。

市販のソフトウェアを使用して有限要素シュミレーションモデルを開発して、非空気式変形可能構造物100の垂直スチフネスでスポークの過剰長さＥＬを変化させた時の効果を評価した。このモデルは二次元シュミレーションで、これは横方向の幅全体で均一な挙動をする非空気式変形可能構造物100に対応する。この二次元シュミレーションは実際の三次元非空気式変形可能構造物100の挙動を良く近似する。三次元非空気式変形可能構造物の例は特許文献１（米国特許第7,013,939号明細書）に記載されている。このモデルの出力は非空気式変形可能構造100の単位幅当たりの垂直力である。

このモデルの場合、非空気式変形可能構造物100は300mmの外径を有する環状の外側バンド110と、スポーク要素120を介して結合した直径150mmのハブ130とから成る。外側バンド110の厚さは約9mmで、この外側バンド110中には放射方向に7mm間隔を開けて２つの同心状補強コイル115および116が埋め込まれている。各補強コイル115または116はタイヤのベルト材料として使用されている周方向に巻かれた4×0.26mmのスチールケーブルを有し、コイル中での横方向ケーブル間間隔は1.8mmである。有限要素モデルではこのコイルの周方向有効引張りスチフネスを単位幅当たりのスチフネスまたは縦弾性モジュラスに変換するのが効果的である。また、コイル中のケーブル間に間隔を開けることによって非空気式変形可能構造物の成形に材料が流れることができる。この構造では２つのコイル間に約7mm厚さの環状層118ができる。［図２］に示した非空気式変形可能構造物100は厚さ2.5mmのスポーク要素120を20本有している。ハブの外径は150mmである。また、この非空気式変形可能構造物100はチェムチュラ（Chemtura）社からB836 ビブラタン（VIBRATHANE）の名称で供給されたポリウレタンから作られた。

過剰長さＥＬが(a) 0.98％、(b) 8.59％および(c) 22.9％である単一曲率のスポーク要素を有する３つの非空気式変形可能構造物100をモデル化した。これらの３つの変形可能構造物100の湾曲に対する予測垂直力（単位構造幅当たり）は［図３ａ］に示してある。これらの３つの変形可能構造物100の湾曲曲線に対する予測垂直スチフネス（単位構造幅当たり）は［図３ｂ］に示してある。
過剰長さがゼロの非空気式変形可能構造物は［図８］で対照として「対照」で示してある。スポークの過剰長さを変えることによって湾曲に対する垂直力を大きく修正されている。スポークの過剰長さが0.98％の場合のデザインを対照構造と比較すると、変位が15mm以上の場合に垂直荷重が約10％だけ減少するということが分かる。しかし、15mm以上の湾曲時の垂直スチフネスは２つのデザインとほぼ同じに維持される。

予想外の結果は、スポークの過剰長さを上記３つのレベルを比較するために垂直スチフネスを変えた時に見られる。単一曲率デザインの場合の３つの垂直スチフネスの比較は［図３ｂ］に示してある。デザイン(a)では湾曲が約5mm以下の場合、高い初期スチフネスを示すが、湾曲が15mmを超えると、その後は相対的に一定な値0.08daN/mmに近づく。デザイン（b）は全ての湾曲範囲にわたって相対的に一定のスチフネスを示す。デザイン（c）は初期スチフネスが低く、徐々にデザイン(a)のスチフネスと同じ値に近づく。この結果は使用タイプに従って有利に利用できる。すなわち、静荷重が大きい重機器の用途では初期スチフネスを大きくして非空気式変形可能構造物の静的湾曲を制限し、機器の運転時にはスチフネスのレスポンスを低くするのが望ましい。一方、軽い荷重を運搬する装置の用途の場合には、初期スチフネスが小さいことが望まれる。すなわち、この場合にはスチフネスを小さくして障害物上を簡単に乗り越えることができ、しかも、大きな荷重が加った時に非空気式変形可能構造物全体が湾曲するのを制限するためにスチフネスが強くなることが望まれる。

スポークの過剰長さを増加させて応力分布を管理する方法
［図４ａ］はスポーク過剰長さＥＬを22.9％にしたデザイン（c）の単一曲率のスポーク要素が変形した形状を示している。［図４ｂ］は上記の図で四角で囲んだ部分の内側部分の詳細図で、スポーク端部と外側バンド110との間の交差部を示している。放射状に延びるスポーク要素の過剰長さがゼロの場合、上記交差部は直角である。スポークの過剰長さＥＬが増加すると、スポークと外側バンドとの間の交差角度が減少する。これと同じ効果がスポーク要素120とハブ130との交差部でも起こる。スポークがバンド110またはハブ130に結合する区域では応力集中が起こる。

この応力集中を減らすための改良された別のデザインが開発された。非空気式変形可能構造物200用の改良されたデザインのスポークのプロフィル（断面形状）では、スポーク要素220とバンド210（またはハブ230、図示していないが［図１］のハブ130と同じ）との間の取付け角度を、スポーク自体の内部に生じる全引張り応力にできるだけ一致（整合、アランメント）するようにする。これは３つの一次曲率（２つの凸状曲率と１つの凹状曲率）を有するスポーク要素220の場合の再湾曲（recurved）プロフィルを使用することで達成できる。この再湾曲プロフィルは［図５］のデザインであり、［図7］はその詳細である。
「凹状」および「凸状」という用語はスポーク要素220の曲率が正か負かを表すために用いた便宜上のものに過ぎない。

［図７］で示すように、再湾曲（recurved）したスポーク要素220は幾何学的には基本的に同じ曲率半径を有する３つの円弧Ｒ₁、Ｒ₂およびＲ₃から成り、これら３つの円弧は互いに接線状に連結され、更に、所望のスポーク要素の末端取付部をバンド210およびハブ230に接線するラインに対して接線状に連結される。３つの円弧Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃の曲率半径は同じにしなくてもよい。スポーク要素の末端取付部（［図７］では小さい円で示してある）と連結されるラインは放射方向に延びていてもよいし、また、放射方向に対して相対角度を成していてもよい。

［図６ａ］に示すように、再湾曲したスポーク要素220を有する非空気式変形可能構造物200の３つのモデルについてシミュレーションを行った。再湾曲したデザインの効果をより良く示すために、モデルではて３つのデザインの各々の過剰長さＥＬの量を上記［図３ａ］［図３ｂ］で示した単一曲率構造100の場合と同じ垂直スチフネスが生ずるように調節した。例えば、同じ垂直スチフネスを得るのに、再湾曲したスポーク要素220は単一曲率のデザインの場合のスポークの過剰長さ22.9％に比べて、スポークの過剰長さは14％しか必要としない。

［図８］には、６つのデザイン（３つの単一曲率構造100と、３つの再湾曲構造200）の場合の湾曲量に対する垂直荷重の変化が示されている。［図８］で「オリジナルデザイン」は単一曲率構造100に対応し、「新しいデザイン」は再湾曲構造200に対応する。また、「対照」は過剰な長さＥＬがゼロのスポーク要素に対応する。再湾曲スポークデザインの場合のスポーク要素220がバンド210と交差する応力集中区域の詳細は［図６ｂ］に示してある。

単一曲率スポーク要素120（［図２］参照）の場合のピーク応力は0.733daN/mm²であるが、同じ位置での再湾曲したスポーク要素220のピーク応力は0.472daN/mm²へ36％減少する。
［表１］は単一曲率スポークデザインと再湾曲スポークデザインとを比較したものである。全ての場合で再湾曲したスポーク要素220（対応列）が単一曲率要素120より主応力（principal stress）が小さい。

再湾曲デザインは、初期垂直スチフネスおよび最終垂直スチフネスを同じに調節するのに、スポークの過剰長さを短くでき、スポーク先端取付部での主応力を減らすことができるという点で、より効率的なデザインであるといえる。
上記で開示したデザイン原則は12R16.5空気タイヤ／ホイールに対応するスキッド−ステア用途と、10×3空気タイヤ／ホイールに対応する手押し車の用途用の非空気式変形可能構造物200に実際に適用されている。

明細書の上記説明から当業者には種々の他の変形が多能であるということは明らかである。それらの変形例は特許請求の範囲に定義の本発明の範囲に入る。

垂直力か加わった時に変形（上方湾曲）したスポーク要素の動作を示す非空気式変形可能構造物100の横断面図または側面図。 スポーク要素の過剰長さを示す非空気式変形可能構造物100の詳細図。 ３つのレベルの過剰長さを有する典型的スポーク要素に加わる垂直変位（mm）を関数とした垂直荷重（daN）を示す図。 ３つのレベルの過剰長さを有する典型的スポーク要素に加わる垂直変位（mm）を関数とした垂直スチフネス(daN/mm) を示す図。 上向き湾曲によって荷重が加わった時の非空気式変形可能構造物100の概略図（ハブは図示していない）。 応力集中を示す［図4a］の囲み内に対応する詳細図。 再湾曲スポーク要素を用いた場合を示す非空気式変形可能構造物200の一部の横断面図または側面図。 上向き湾曲によって荷重が加わった時の非空気式変形可能構造物200の概略図（ハブは図示していない）。 応力集中の低下を示す［図6a］の囲み内に対応する詳細図。 互いに連続した凹状セグメントと凸状セグメントとを示す再湾曲スポーク要素の幾何学的定義を示す図。 非空気式変形可能構造物100と再湾曲スポーク要素を有する非空気式変形可能構造物200とを比較した、垂直荷重（daN）を垂直変位（mm）の関数として示す図で、過剰長さがゼロの場合は基準として示してある。

Claims (6)

1. 所定のスチフネスを有する外側環状バンドと、外側端と内側端とを有するスポーク要素群とを有する非空気式変形可能構造物であって、上記外側端は外側バンドに結合され、各スポーク要素は内側へ延び、上記内側端は裏側のハブに結合され、このハブは車両の車軸または一つの軸線の周りを回転するその他装置に非空気式変形可能構造物を取り付けるための構造を有し、各スポーク要素は、外側端が外側環状バンドと結合する点から内側端が内側のハブに結合される点まで延びた直線セグメントの長さより長い曲線長さを有し、各スポーク要素の外側端は上記直線セグメントに対して接線状に延び且つ各スポーク要素の内側端は上記直線セグメントに対して接線状に延びており、スポーク要素の曲線長さと直線セグメントの長さとの差がスポークの過剰長さを定義し、この過剰長さは、所定のレベルの変形可能構造物の初期垂直荷重／湾曲スチフネスが得られるように特定され、前記初期垂直荷重／湾曲スチフネスは、垂直湾曲が５ｍｍより小さな範囲となるように決定されることを特徴とする非空気式変形可能構造物。
2. スポーク要素が横断面で少なくとも２つの凹状セグメントと少なくとも一つの凸状セグメントとを有する請求項１に記載の変形可能構造物。
3. 凹状セグメントおよび凸状セグメントがそれらの交差点で互いに接線を成す請求項２に記載の変形可能構造物。
4. 凹状セグメントおよび凸状セグメントの各々が単一曲率半径を有する円弧セグメントで形成される請求項３に記載の変形可能構造物。
5. 凹状セグメントおよび凸状セグメントの各々の曲率半径が互いに等しい請求項４に記載の変形可能構造物。
6. 過剰長さが0.5％以上かつ15％以下である請求項１に記載の変形可能構造物。

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