JP5749142B2 - 空気入りタイヤ及び空気入りタイヤの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気入りタイヤに関する。

空気入りタイヤの転がり抵抗を低減することは、自動車の燃費を改善するために有用である。タイヤの転がり抵抗を低減するため、例えばシリカ配合のゴムをトレッドに適用する等の技術がある。

土井昭政、「タイヤにおける最近の技術動向」、日本ゴム協会誌、１９９８年９月 Ｖｏｌ．７１、ｐ．５８８−５９４

特許文献１に記載されている空気入りタイヤの転がり抵抗を低減する手法は、材料に改良を加えるものであるが、空気入りタイヤの構造を変更することによって転がり抵抗を低減できる可能性もある。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、空気入りタイヤの転がり抵抗を低減する構造を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための手段は、円筒形状かつ複数の貫通孔を有する環状構造体と、前記環状構造体の外側に、前記環状構造体の周方向に向かって設けられてトレッド部となるゴム層と、前記ゴム層の径方向外側に設けられた溝と、ゴムで被覆された繊維を有し、前記環状構造体と前記ゴム層とを含む円筒形状の構造体の中心軸と平行な方向における両側に少なくとも設けられるカーカス部と、を含み、少なくとも、前記溝が設置された領域における前記貫通孔の開口率は、前記溝が設置された領域の周りの領域よりも低いことを特徴とする空気入りタイヤである。

上述した手段において、前記貫通孔の開口面積の合計は、前記環状構造体が前記貫通孔を有さない場合の径方向外側における表面積に占める割合が、周方向溝の周りの領域において１％以上３０％以下であり、前記周方向溝が設置された領域では０．５％以上１５％以下であることが好ましい。

上述した手段において、前記貫通孔は、１つの断面積が０．１ｍｍ^２以上１００ｍｍ^２以下であることが好ましい。

上述した手段において、前記貫通孔の面積の総和は、前記環状構造体の径方向外側の表面積に対して０．５％以上３０％以下であることが好ましい。

上述した手段において、前記ゴム層の外側と、前記環状構造体の外側とは、前記ゴム層の溝の部分を除き、前記中心軸と平行であることが好ましい。

上述した手段において、前記環状構造体は、前記カーカス部よりも前記構造体の径方向外側に配置されることが好ましい。

上述した手段において、前記環状構造体は、金属であることが好ましい。

上述した手段において、前記中心軸と平行な方向における前記環状構造体の寸法は、前記中心軸と平行な方向における前記空気入りタイヤの総幅の５０％以上９５％以下であることが好ましい。

上述した課題を解決するための手段は円筒形状の環状構造体の外側に設けられてトレッド部となるゴム層を有する空気入りタイヤを製造するにあたり、複数の貫通孔を有し、かつ前記トレッド部の溝が設置された領域における前記貫通孔の開口率は、前記溝の周りの領域よりも低い円筒形状の環状構造体を得る手順と、前記環状構造体の径方向外側及び径方向内側に、それぞれ加硫前のゴムを配置して、グリーンタイヤを作製する手順と、前記グリーンタイヤを加硫金型内に設置した後、前記グリーンタイヤの径方向内側から圧力及び熱を前記グリーンタイヤに与え、前記貫通孔を通って前記環状構造体の径方向内側のゴムを径方向外側へ通過させる手順と、を含むことを特徴とする空気入りタイヤの製造方法である。

本発明は、空気入りタイヤの転がり抵抗を低減する構造を提供できる。

図１は、本実施形態に係るタイヤの子午断面図である。 図２−１は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の斜視図である。 図２−２は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の変形例を示す斜視図である。 図３は、本実施形態に係るが有するカーカス部の拡大図である。 図４は、環状構造体とゴム層との子午断面図である。 図５は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の貫通孔の分布を示す説明図である。 図６は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の貫通孔の分布を示す説明図である。 図７は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の貫通孔の分布を示す説明図である。 図８は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の貫通孔の分布を示す説明図である。 図９は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の変形例を示す平面図である。 図１０は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の変形例を示す平面図である。 図１１−１は、本実施形態に係るタイヤを加硫金型内で加硫するときの状態を示す模式図である。 図１１−２は、本実施形態に係るタイヤを加硫金型内で加硫するときの状態を示す模式図である。 図１２−１は、本実施形態に係るタイヤを加硫金型内で加硫するときの状態を示す模式図である。 図１２−２は、本実施形態に係るタイヤを加硫金型内で加硫するときの状態を示す模式図である。 図１３−１は、本実施形態に係るタイヤを加硫金型内で加硫するときの状態を示す模式図である。 図１３−２は、本実施形態に係るタイヤを加硫金型内で加硫するときの状態を示す模式図である。 図１４−１は、本実施形態に係るタイヤを加硫金型内で加硫するときの状態を示す模式図である。 図１４−２は、本実施形態に係るタイヤを加硫金型内で加硫するときの状態を示す模式図である。 図１５は、貫通孔の開口率を求めるための説明図である。 図１６は、貫通孔の開口率を求めるための説明図である。 図１７は、貫通孔の開口率を求めるための説明図である。 図１８は、貫通孔の開口率を求めるための説明図である。 図１９は、開口率と破断力比との関係を示す図である。 図２０は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の製造方法の手順を示すフローチャートである。 図２１−１は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の製造方法の手順を示す説明図である。 図２１−２は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の製造方法の手順を示す説明図である。 図２１−３は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の製造方法の手順を示す説明図である。 図２１−４は、溶接部の厚みを示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

空気入りタイヤ（以下、必要に応じてタイヤという）の転がり抵抗を低減するため、タイヤの偏心変形を極限まで高めると、タイヤと路面との接地面積が小さくなり接地圧が増加する。その結果、トレッド部の変形による粘弾性エネルギ損失が大きくなり、転がり抵抗が増加する。本発明者らは、この点に注目し、タイヤと路面との接地面積を確保し、かつ偏心変形を維持することによって、転がり抵抗を低減し、かつ操安性を向上させることを試みた。偏心変形とは、タイヤのトレッドリング（クラウン領域のこと）が円形を保ったまま垂直に変位する一次モードの変形である。タイヤと路面との接地面積を確保し、かつ偏心変形を維持するため、本実施形態に係るタイヤは、例えば、金属の薄板で製造される円筒形状の環状構造体の外側に、前記環状構造体の周方向に向かってゴム層を設け、このゴム層をトレッド部とする構造を採用する。

図１は、本実施形態に係るタイヤの子午断面図である。図２−１は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の斜視図である。図２−２は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の変形例を示す斜視図である。図３は、本実施形態に係るタイヤが有するカーカス部の拡大図である。図１に示すように、タイヤ１は、環状の構造体である。前記環状の構造体の中心を通る軸がタイヤ１の中心軸（Ｙ軸）となる。タイヤ１は、使用時において、内部に空気が充填される。

タイヤ１は、中心軸（Ｙ軸）を回転軸として回転する。Ｙ軸は、タイヤ１の中心軸かつ回転軸である。タイヤ１の中心軸（回転軸）であるＹ軸に直交し、かつタイヤ１が接地する路面と平行な軸をＸ軸、Ｙ軸とＸ軸とに直交する軸をＺ軸とする。Ｙ軸と平行な方向がタイヤ１の幅方向である。Ｙ軸を通り、かつＹ軸に直交する方向がタイヤ１の径方向である。また、Ｙ軸を中心とする周方向が空気入りタイヤ１の周方向である。

図１に示すように、タイヤ１は、円筒形状の環状構造体１０と、ゴム層１１と、カーカス部１２と、を含む。環状構造体１０は、円筒形状の部材である。ゴム層１１は、環状構造体１０の外側１０ｓｏに、環状構造体１０の周方向に向かって設けられることで、タイヤ１のトレッド部となる。カーカス部１２は、図３に示すように、ゴム１２Ｒで被覆された繊維１２Ｆを有する。本実施形態において、図１に示すように、カーカス部１２は、環状構造体１０の径方向内側を通って、両方のビード部１３間を連結している。すなわち、カーカス部１２は、両方のビード部１３、１３間で連続している。なお、カーカス部１２は、環状構造体１０の幅方向における両側に設けられて、両方のビード部１３、１３間で連続していなくてもよい。このように、カーカス部１２は、図３に示すように、少なくとも環状構造体１０とゴム層１１とを含む円筒形状の構造体２の中心軸（Ｙ軸）と平行な方向（すなわち幅方向）における両側に設けられていればよい。

タイヤ１は、構造体２の子午断面において、ゴム層１１の外側１１ｓｏ（タイヤ１のトレッド面）と、環状構造体１０の外側１０ｓｏとが、トレッド面に形成された溝Ｓの部分を除いて同様の形状であり、平行（公差、誤差を含む）であることがより好ましい。

図２−１に示す環状構造体１０は、金属の構造体である。すなわち、環状構造体１０は、金属材料で造られている。環状構造体１０に用いる金属材料は、引張強度が４５０Ｎ／ｍｍ^２以上２５００Ｎ／ｍｍ^２以下であることが好ましく、６００Ｎ／ｍｍ^２以上２４００Ｎ／ｍｍ^２以下であることがより好ましく、さらには、８００Ｎ／ｍｍ^２以上２３００Ｎ／ｍｍ^２以下が好ましい。引っ張り強度がこのような範囲であれば、環状構造体１０は、充分な強度及び剛性を確保できるとともに、必要な靱性を確保できる。環状構造体１０に用いることができる金属材料は、引っ張り強度が前述した範囲であればよいが、ばね鋼、高張力鋼、ステンレス鋼又はチタン（チタン合金を含む）を用いることが好ましい。これらのうち、ステンレス鋼は耐食性が高く、また、前述した引っ張り強度の範囲のものを得やすいので好ましい。

環状構造体１０の引っ張り強度（ＭＰａ）と厚み（ｍｍ）との積を耐圧パラメータとする。耐圧パラメータは、タイヤ１に充填される気体の内圧に対する耐性の尺度となるパラメータである。耐圧パラメータは、２００以上１７００以下、２５０以上１６００以下とすることが好ましい。この範囲であれば、タイヤ１の使用圧力の上限を確保し、安全性を十分に確保することができる。また、前記範囲であれば、環状構造体１０の厚みを増加させず、また、破断強度の高い材料を用いる必要がないので、量産に好適である。環状構造体１０の厚みを増加させる必要がないため、環状構造体１０は繰り返し曲げの耐久性を確保できる。また、破断強度の高い材料を用いる必要がないことから、低コストで環状構造体１０及びタイヤ１を製造できる。乗用車用として、耐圧パラメータは、２００以上１０００以下が好ましく、２５０以上９５０以下がより好ましい。また、トラック／バス用タイヤ（ＴＢタイヤ）として、耐圧パラメータは、５００以上１７００以下が好ましく、６００以上１６００以下がより好ましい。

環状構造体１０をステンレス鋼で製造する場合、ＪＩＳ Ｇ４３０３の分類における、マルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、オーステナイト・フェライト二相ステンレス鋼、析出硬化系ステンレス鋼を用いることが好ましい。これらのステンレス鋼を用いることにより、引っ張り強度及び靱性が優れた環状構造体１０とすることができる。また、前述したステンレス鋼のうち、特に、析出硬化ステンレス鋼（ＳＵＳ６３１、ＳＵＳ６３２Ｊ１）を用いるとより好ましい。

図２−１、図２−２に示すように、環状構造体１０は、内周面と外周とを貫通する複数の貫通孔１０Ｈを有する。環状構造体１０の径方向外側と径方向内側との少なくとも一方にはゴム層１１が取り付けられる。ゴム層１１は、環状構造体１０と化学的な結合により環状構造体に取り付けられる。貫通孔１０Ｈは、環状構造体１０とゴム層１１との物理的な結合を強化する作用がある。このため、環状構造体１０は、化学的及び物理的な作用（アンカー効果）により結合強度が向上するので、ゴム層１１と確実に固定される。その結果、タイヤ１の耐久性が向上する。

環状構造体１０は、図２−１に示すものに限定されない。例えば、図２−２に示す環状構造体１０ａのように、環状構造体１０ａの幅方向両側に、鋸の刃形状の凹凸部１０Ｔを設けてもよい。環状構造体１０ａの径方向外側には、図３に示すゴム層が取り付けられるが、凹凸部１０Ｔは、環状構造体１０ａとゴム層１１との結合を強化する作用がある。このため、凹凸部１０Ｔを有する環状構造体１０ａは、環状構造体１０ａとゴム層１１とがより確実に固定され、耐久性が向上するため好ましい。また、凹凸部１０Ｔは、環状構造体１０ａの幅方向両端部に作用する圧縮応力を緩和することができるので、タイヤ１の接地部で周方向のバックリングを抑制できる。その結果、タイヤ１の耐久性が向上する。凹凸の間隔は等間隔でもよいが、ユニフォミティーの次数成分が出る場合には不等間隔とすることが好ましい。

貫通孔１０Ｈは、１つの断面積が０．１ｍｍ^２以上１００ｍｍ^２以下であることが好ましく、より好ましくは０．１２ｍｍ^２以上８０ｍｍ^２以下、さらに好ましくは０．１５ｍｍ^２以上７０ｍｍ^２以下である。このような範囲であれば、カーカス部１２の凹凸を抑制し、かつ、接着による結合、すなわち、化学的な結合も十分に利用することができる。さらに、上述した範囲であれば、上述した物理的作用、すなわち、アンカー効果が最も効果的に発生する。これらの作用により、環状構造体１０とゴム層との結合を強化することができる。

貫通孔１０Ｈの形状は問わないが、円形か楕円形が好ましい（本実施形態では円形）。また、貫通孔１０Ｈは、等価直径４×Ａ／Ｃ（Ｃは貫通孔１０Ｈの周長、Ａは貫通孔４Ｈの開口面積）を０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることが好ましい。貫通孔１０Ｈは、形状が円形かつ直径は１．０ｍｍ以上８．０ｍｍ以下がより好ましい。このような範囲であれば、物理的及び化学的結合を有効に利用できるので、環状構造体１０とゴム層１１とはより強固に結合される。なお、後述するように、貫通孔１０Ｈの等価直径又は直径は、すべて同一でなくてもよい。

貫通孔１０Ｈの面積の総和は、環状構造体１０の径方向外側の表面積に対して０．５％以上３０％が好ましく、より好ましくは１．０％以上２０％以下、さらに好ましくは１．５％以上１５％以下である。このような範囲であれば、物理的及び化学的結合を有効に利用しつつ、環状構造体１０の強度も確保できる。その結果、環状構造体１０とゴム層１１とはより強固に結合されるとともに、環状構造体１０に必要な剛性を確保できる。なお、後述するように、貫通孔１０Ｈの間隔は不等間隔であってもよいし、等間隔であってもよい。このようにすることで、タイヤ１の接地形状の制御することもできる。

環状構造体１０は、複数の貫通孔１０Ｈが穿孔された長方形形状の板材の短辺投同士を突き合わせて溶接することにより製造することができる。このようにすれば、比較的簡単に環状構造体１０を製造することができる。また、環状構造体１０の製造方法はこれに限定されるものではない。例えば、円柱の外周部に複数の穴を形成した後、円柱の内部を削り出すことにより、環状構造体１０を製造してもよい。

環状構造体１０の外側１０ｓｏとゴム層１１の内側１１ｓｉとは互いに接触している。本実施形態において、環状構造体１０とゴム層１１とは、例えば接着剤によって固定されている。このような構造により、環状構造体１０とゴム層１１との間で相互に力を伝達できる。環状構造体１０とゴム層１１とを固定する手段は、接着剤に限定されるものではない。また、環状構造体１０は、ゴム層の径方向外側には露出しないことが好ましい。このようにすれば、環状構造体１０とゴム層１１とをより確実に固定できる。さらに、環状構造体１０は、ゴム層１１内に埋設されていてもよい。このようにしても、環状構造体１０とゴム層１１とをより確実に固定できる。

ゴム層１１は、合成ゴムや天然ゴム又はこれらを混合したゴム材料と、当該ゴム材料に補強材として添加される炭素やＳｉＯ_２等を含む。ゴム層１１は、無端のベルト状の構造体である。図１に示すように、本実施形態において、ゴム層１１は、外側１１ｓｏに複数の溝（主溝）Ｓを有している。ゴム層１１は、溝Ｓの他にもラグ溝を有していてもよい。

カーカス部１２は、タイヤ１に空気を充填した際に、環状構造体１０とともに圧力容器としての役目を果たす強度メンバーである。カーカス部１２及び環状構造体１０は、内部に充填された空気の内圧によってタイヤ１に作用する荷重を支え、走行中にタイヤ１が受ける動的荷重に耐える。本実施形態において、タイヤ１のカーカス部１２は、内側にインナーライナー１４を有する。インナーライナー１４によって、タイヤ１の内部に充填された空気の漏洩を抑制する。両方のカーカス部１２は、径方向内側に、それぞれビード部１３を有する。ビード部１３は、タイヤ１が取り付けられるホイールのリムと嵌合する。なお、カーカス部１２は、ホイールのリムと機械的に結合していてもよい。

図４は、環状構造体とゴム層との子午断面図である。環状構造体１０の弾性率は、７０ＧＰａ以上２５０ＧＰａ以下が好ましく、８０ＧＰａ以上２３０ＧＰａ以下とすることがより好ましい。また、環状構造体１０の厚みｔｍは、０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下とすることが好ましい。この範囲であれば、耐圧性能を確保しつつ、繰り返し曲げに対して耐久性を確保できる。環状構造体１０の弾性率と厚みｔｍとの積（剛性パラメータという）は、７以上２００以下とすることが好ましく、８以上１８４以下とすることがより好ましい。

剛性パラメータを上記の範囲とすることにより、環状構造体１０は、子午断面内の剛性が大きくなる。このため、タイヤ１に空気を充填したとき、及びタイヤ１が路面に接地したときにおいては、環状構造体１０によってトレッド部となるゴム層１１の子午断面内における変形が抑制される。その結果、タイヤ１は、前記変形にともなう粘弾性エネルギの損失が抑制される。また、剛性パラメータを上記の範囲とすることにより、環状構造体１０は、径方向における剛性は小さくなる。このため、タイヤ１は、従来の空気入りタイヤと同様に、路面との接地部でトレッド部が柔軟に変形する。このような機能により、タイヤ１は、接地部における局所的な歪み及び応力の集中を回避しながら偏心変形するので、接地部における歪みを分散させることができる。その結果、タイヤ１は、接地部におけるゴム層１１の局所的な変形が抑制されるので、接地面積が確保され、転がり抵抗が低減される。

さらに、タイヤ１は、環状構造体１０の面内剛性が大きいこと及びゴム層１１の接地面積を確保できる結果、周方向における接地長さを確保できることから、舵角が入力されたときに発生する横力が大きくなる。その結果、タイヤ１は、大きなコーナーリングパワーを得ることができる。また、環状構造体１０を金属で製造した場合、タイヤ１の内部に充填された空気は環状構造体１０をほとんど透過しない。その結果、タイヤ１の空気圧の管理が容易になるという利点もある。このため、長期にわたり、タイヤ１に空気を充填しないような使用態様に対しても、タイヤ１の空気圧低下を抑制できる。

環状構造体１０の外側１０ｓｏと、ゴム層１１の外側１１ｓｏとの距離ｔｒ（ゴム層１１の厚み）は、３ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。距離ｔｒをこのような範囲とすることで、乗り心地を確保しつつ、コーナーリング時におけるゴム層１１の過度な変形を抑制できる。環状構造体１０の中心軸（Ｙ軸）と平行な方向、すなわち幅方向における環状構造体１０の寸法（環状構造体幅）Ｗｍは、図１に示す中心軸（Ｙ軸）と平行な方向におけるタイヤ１の総幅（ＪＡＴＭＡ規定リム幅のホイールに組んで３００ｋＰａの空気を充填した状態）Ｗの５０％（Ｗ×０．５）以上９５％（Ｗ×０．９５）以下とすることが好ましい。ＷｍがＷ×０．５よりも小さい場合、環状構造体１０の子午断面内における剛性が不足する結果、タイヤ幅に対して偏心変形を維持する領域が減少する。その結果、転がり抵抗を低減させる効果及びコーナーリングパワーも減少してしまうおそれがある。また、ＷｍがＷ×０．９５を超えると、接地時においてトレッド部が環状構造体１０を中心軸（Ｙ軸）方向に座屈変形させ、環状構造体１０の変形を招くおそれがある。Ｗ×０．５≦Ｗｍ≦Ｗ×０．９５とすることで、転がり抵抗を低減させつつコーナーリングパワーを維持し、さらに、環状構造体１０の変形も抑制できる。

タイヤ１は、図１に示す子午断面において、ゴム層１１の外側１１ｓｏ、すなわちトレッド面のプロファイルは、溝の部分（この例では主溝Ｓｃ）を除き、環状構造体１０の外側１０ｓｏと同様の形状であることが好ましい。このような構造により、タイヤ１の接地時や転動時においては、トレッド部となるゴム層１１と、環状構造体１０とは略同様に変形する。その結果、タイヤ１は、ゴム層１１の変形が少なくなるので、粘弾性エネルギの損失はより小さくなり、転がり抵抗もより小さくなる。

ゴム層１１の外側１１ｓｏと、環状構造体１０の外側１０ｓｏとが、タイヤ１の径方向外側に向かって突出したり、径方向内側に向かって突出したりすると、タイヤ１の接地部における圧力分布が不均一となる。その結果、接地部には局所的な歪み及び応力の集中が発生し、接地部においてゴム層１１が局所的に変形するおそれがある。本実施形態において、タイヤ１は、図３に示すように、ゴム層１１の外側１１ｓｏ（タイヤ１のトレッド面）と、環状構造体１０の外側１０ｓｏとは同様の形状（好ましくは平行）であり、さらに、ゴム層１１及び環状構造体１０（すなわち、構造体２）の中心軸（Ｙ軸）と平行（公差、誤差を含む）であることが好ましい。このような構造により、タイヤ１の接地部を略平坦にすることができる。そして、タイヤ１は、接地部における圧力分布が均一になるので、接地部の局所的な歪み及び応力の集中が抑制され、接地部におけるゴム層１１の局所的な変形が抑制される。その結果、タイヤ１は、粘弾性エネルギの損失は小さくなるので、転がり抵抗も小さくなる。また、タイヤは、接地部におけるゴム層１１の局所的な変形が抑制されるので、接地面積を確保でき、同時に周方向の接地長さを確保できる。このため、タイヤ１は、コーナーリングパワーも確保できる。

本実施形態においては、子午断面におけるゴム層１１の形状は、ゴム層１１の外側１１ｓｏと環状構造体１０の外側１０ｓｏとがこれらの中心軸（Ｙ軸）と平行であれば、特に形状は限定されない。例えば、子午断面におけるゴム層１１の形状は、台形や平行四辺形であってもよい。子午断面におけるゴム層１１の形状が台形である場合、台形の上底と下底とのいずれがゴム層１１の外側１１ｓｏであってもよい。いずれの場合であっても、環状構造体１０の部分のみ、タイヤ１のトレッド面のプロファイル（溝の部分を除く）と平行であればよい。

図５から図８は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の貫通孔の分布を示す説明図である。図中のＷは環状構造体の幅方向を示し、Ｃは周方向を示す（以下の例でも同様）。本実施形態において、環状構造体１０は、少なくとも、溝（図５、図６に示す例では主溝Ｓｃ）が設置された領域（溝設置領域）Ａｓにおける貫通孔１０Ｈの開口率は、溝の周りの領域（溝周辺領域）ＮＡｓよりも低い。図５はタイヤ１が３本の主溝（周方向溝）Ｓｃを有している例を示しており、図６は、タイヤ１が４本の主溝Ｓｃを有している例を示している。図７はタイヤ１が４本の主溝（周方向溝）Ｓｃと幅方向両側に複数のラグ溝Ｓｒとを有している例を示しており、図８は、タイヤ１が４本の主溝Ｓｃと幅方向両側及び中央部に複数のラグ溝Ｓｒを有している例を示している。これらの例では、環状構造体１０は、溝設置領域Ａｓには貫通孔１０Ｈが設けられておらず、溝周辺領域ＮＡｓに貫通孔１０Ｈが設けられている。このため、環状構造体１０は、溝設置領域Ａｓにおける貫通孔１０Ｈの開口率は、溝周辺領域ＮＡｓよりも低くなっている。

一般に、タイヤは、溝が設けられる部分の曲げ剛性が低い。本実施形態において、環状構造体１０は、溝の下に貫通孔１０Ｈを設けない又は減らす、すなわち、溝設置領域Ａｓにおける貫通孔１０Ｈの開口率を溝周辺領域ＮＡｓよりも低くすることで、溝設置領域Ａｓの曲げ剛性を溝周辺領域ＮＡｓよりも向上させることができる。その結果、タイヤ１全体の曲げ剛性の不均一を抑制できるので、耐久性及び走行安定性が改善される。開口率は、向上させたいタイヤの特性によって、開口率の変化量を任意に調整することが好ましい。

また、溝設置領域Ａｓに貫通孔１０Ｈを配置すると、加硫金型の溝に対応する突起に押されてトレッド部となるゴムが環状構造体１０の径方向内側に流れてしまい、加硫の不良が発生する場合がある。溝設置領域Ａｓにおける貫通孔１０Ｈの開口率を溝周辺領域ＮＡｓよりも低くすることで前記ゴムが環状構造体１０の径方向内側に流れてしまうことを抑止することができる。その結果、加硫の不良を抑制できるので、製造されたタイヤ１の品質向上及び歩留の向上を図ることができる。

なお、溝設置領域Ａｓ、すなわち、溝の直下の領域（すなわち、溝を環状構造体１０に投影した領域）のみでなく、溝設置領域の近傍で開口率が下がっているとよい。溝が主溝Ｓｃである場合、溝設置領域Ａｓの近傍とは、主溝Ｓｃの幅に、幅方向両側に最大１５ｍｍを加算した幅の領域である。溝がラグ溝Ｓｒである場合、溝設置領域Ａｓ近傍とは、ラグ溝Ｓｒの幅に、幅方向両側に最大１０ｍｍを加算した幅の領域である。

環状構造体１０は、貫通孔１０Ｈの開口面積の合計が、環状構造体１０が貫通孔１０Ｈを有さない場合の径方向外側における表面積に占める割合が、周方向溝、すなわち主溝Ｓｃの周りの領域（溝周辺領域ＮＡｓ）において１％以上３０％以下であり 、主溝Ｓｃが設置された領域（溝設置領域Ａｓ）では０．５％以上１５％以下であることが好ましい。主溝Ｓｃの溝周辺領域ＮＡｓで上述した範囲内であれば、環状構造体１０の曲げ剛性を向上させる効果を確保しつつ、環状構造体１０とゴム層１１との結合をより強固なものにすることができる。その結果、タイヤ１の性能及び耐久性を確保することができる。

図９、図１０は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の変形例を示す平面図である。図９は、主溝Ｓｃのみを有するタイヤに対応する環状構造体１０ａを示し、図１０は、主溝Ｓｃ及びラグ溝Ｓｒの両方を有するタイヤに対応する環状構造体１０ｂを示す。環状構造体１０ａ、１０ｂは、貫通孔１０Ｈの配列間隔は同一であるが、溝設置領域Ａｓの貫通孔１０Ｈの面積は、溝周辺領域ＮＡｓの貫通孔１０Ｈの面積よりも小さい。このようにすることで、環状構造体１０ａ、１０ｂは、溝設置領域Ａｓにおける貫通孔１０Ｈの開口率を、溝周辺領域ＮＡｓよりも低くしている。このようにしても、上述した環状構造体１０と同様の作用、効果を得ることができる。

図１１−１から図１４−２は、本実施形態に係るタイヤを加硫金型内で加硫するときの状態を示す模式図である。これらを用いて、本実施形態に係る空気入りタイヤの製造方法を説明する。まず、複数の貫通孔１０Ｈを有する円筒形状の環状構造体１０（図２−１参照）を得る。次に、環状構造体１０の径方向外側及び径方向内側に、それぞれ加硫前のゴムを配置して、グリーンタイヤを作製する。径方向内側に配置される第２ゴム２１は、主として環状構造体１０との接着を目的としたゴムである。グリーンタイヤは、図１１−１に示すように、第１ゴム２０（加硫前）と、第２ゴム２１（加硫前）と、環状構造体１０と、カーカス２２（加硫前）と、インナーライナー２３（加硫前）との積層体である。加硫時には、グリーンタイヤは、加硫金型２５の内側に配置される。第１ゴム２０と第２ゴム２１とは、加硫後に図１に示すゴム層１１となる。第１ゴム２０と第２ゴム２１とは、環状構造体１０が有する複数の貫通孔１０Ｈで接触している。

この状態で、前記積層体をインナーライナー２３側から加硫金型２５に向かって加硫ブラダー等により圧力Ｐを付与して加圧するとともに加熱する。環状構造体１０は弾性率が高いため、加硫の圧力で径方向に膨張しにくい。このため、前記積層体を加圧した場合、インナーライナー２３側の加硫ブラダー等の圧力がトレッド部となる第１ゴム２０まで伝達しにくくなり、加硫の不良等が発生するおそれがある。本実施形態においては、環状構造体１０の径方向内側に第２ゴム２１を配置し、図１１−２に示すように、第２ゴム２１を加硫ブラダー等の圧力により環状構造体１０が有する貫通孔１０Ｈを通過させ、環状構造体１０の径方向外側に押し出すことで、トレッド部となる第１ゴム２０に圧力を与えることができる。その結果、加硫の不良等を抑制し、製造されたタイヤ１の品質向上及び歩留の向上を図ることができる。また、加硫時には、環状構造体１０の貫通孔１０Ｈを第２ゴム２１が通過して、第１ゴムと結合される。その結果、環状構造体１０は、貫通孔１０Ｈを通過した第２ゴム２１のアンカー効果により、第１ゴム２０及び第２ゴム２１と強固に結合される。この方法は、環状構造体１０の径方向内側の面のみに、主として接着を目的とした第２ゴム２１を設置し、接着ゴム層が環状構造体１０を挟むように加硫される。この方法は、第２ゴム２１を環状構造体１０との接着性に特化した配合にするとよい。

図１１−１、図１１−２は、第２ゴム２１の一部が貫通孔１０Ｈを通過して第１ゴム２０側に移動し、加硫後は、第１ゴム２０と第２ゴム２１との間に環状構造体１０が配置される例を示している。図１２−１、図１２−２は、第２ゴム２１がすべて貫通孔１０Ｈを通過して第１ゴム２０側に移動し、加硫後は、第１ゴム２０とカーカス２２との間に環状構造体１０が配置される例を示している。これは、第２ゴム２１の厚みあるいは加硫時の圧力Ｐを調整することにより、第２ゴム２１の移動量を調整することができる。このように、環状構造体１０は、貫通孔１０Ｈを有するので、環状構造体１０とカーカス２２との間に存在するゴム層の厚みを比較的容易に調整することができる。この方法は、主として環状構造体１０との接着を目的とした第２ゴム２１を、環状構造体１０の径方向内側の面のみに設置し、第２ゴム２１が環状構造体１０の径方向外側に移動するように加硫される。この方法は、第２ゴム２１を薄くできるため、タイヤ１を軽量化できる。

図１３−１、図１３−２は、加硫前に第２ゴム２１に環状構造体１０を埋め込んでから加硫するものである。具体的には、第２ゴム２１を環状構造体１０の径方向内側と径方向外側とに設置しておけばよい。この方法は、環状構造体１０の径方向外側に第１ゴム２０が接触して残留することを回避したい場合に有効である。また、この方法は、環状構造体１０と第２ゴム２１との接着力は最大になる。図１４−１、図１４−２は、第１ゴム２０に環状構造体１０を埋め込み、第２ゴム２１を用いないで第１ゴム２０の径方向内側にカーカス２２を配置してから加硫するものである。具体的には、環状構造体１０の径方向外側と内側とに、第１ゴムを配置してから加硫する。この方法は、ゴムの種類を増加させないため、製造コストが低減できる。

図１５〜図１８は、貫通孔の開口率を求めるための説明図である。図１９は、開口率と破断力比との関係を示す図である。環状構造体１０が有する貫通孔１０Ｈの開口率について説明する。図２に示す環状構造体１０は貫通孔１０Ｈを有するが、この場合、隣接する貫通孔１０Ｈ、１０Ｈの間の距離に環状構造体１０の厚みを乗じて得られる断面積Ｓで、引っ張り力Ｆを受けることになる。この部分が、引っ張り力Ｆによって破断が想定される部分である。図１９に示すように、８個の貫通孔１０Ｈで囲まれた貫通孔１０Ｈを単位区間１０Ｕとして、環状構造体１０が貫通孔１０Ｈを有さない場合と、環状構造体１０が貫通孔１０Ｈを有する場合とにおいて、破断強度を求める。単位区間１０Ｕは、隣接する貫通孔１０Ｈ間の距離をｂ、貫通孔１０Ｈの半径をｒとした場合、一辺が２×（ｂ＋ｒ）＝Ｌの正方形となる領域である。

単位区画１０Ｕにおける想定破断面の断面積比と開口率（貫通孔１０Ｈがない状態に対する面積比）の関係を求めた。なお、破断力と断面積Ａとは比例すると仮定した。図１７、図１８の単位区間１０Ｕにおいては、いずれも板の厚みをｔとした。貫通孔１０Ｈが存在しない場合（図１７）、破断面の応力σＬは、式（１）で表すことができる。また、貫通孔１０Ｈが存在しない場合（図１８）、破断面の応力σＢは、式（２）で表すことができる。Ｂは、２×ｂ＝Ｌ−２×ｒ＝Ｌ−２×√（α／π）である。αは開口率であり、π^２／Ｌ^２である。
σＬ＝Ｆ／（Ｌ×ｔ）・・（１）
σＢ＝Ｆ／（Ｂ×ｔ）・・（２）

破断力比σＬ／σＢは、Ｂ／Ｌ＝１−２×√（α／π）になる。この関係を図１９に示す。図１９から、開口率αが２０％を超えると破断力（破断力比）は半分以下になり、圧力容器としての性能に不足が生じるおそれがある。この場合、環状構造体１０の厚みを大きくする必要があるが、その場合には繰り返し曲げ変形に対する耐久性が低下する。したがって、貫通孔１０Ｈを有する環状構造体１０の開口率αは、２０％以下に抑えることが好ましい。

以上、本実施形態に係るタイヤは、弾性率と厚みとの積で規定される剛性パラメータが７以上２００以下の環状構造体と、環状構造体の外側に配置されるゴム層とを有する。このような構造により、本実施形態に係るタイヤは、接地部におけるゴム層の局所的な歪み及び応力の集中を回避しながら偏心変形するので、接地部における歪みを分散させることができる。その結果、本実施形態に係るタイヤは、接地部におけるゴム層の局所的な変形が抑制されるので、接地部においては歪及び応力集中が分散されて、転がり抵抗が低減する。このように、本実施形態は、空気入りタイヤの転がり抵抗を低減する構造を提供できる。また、引張強度が４５０Ｎ／ｍｍ^２以上２５００Ｎ／ｍｍ^２以下の環状構造体を用いることにより、環状構造体は、充分な強度及び剛性を確保できるとともに、必要な靱性を確保できる。その結果、環状構造体は、十分な耐圧性能を確保できる。

さらに、環状構造体に貫通孔を設けてゴム層と環状構造体とを結合させるので、化学的結合に加え、物理的結合も利用して、両者を確実かつ強固に固定できる。その結果、本実施形態に係る空気入りタイヤは耐久性が向上する。また、環状構造体は、少なくとも、タイヤのトレッド部に溝が設置された領域に対応する領域における貫通孔の開口率は、前記トレッド部に前記溝が設置された領域の周りの領域に対応する領域よりも低くする。このようにすることで、本実施形態に係るタイヤは、溝が設置された部分の曲げ剛性の低下を抑制し、タイヤの性能及び耐久性を確保することができる。

また、上述した構造により、本実施形態に係るタイヤは、ゴム層が摩耗した場合には、ゴム層を環状構造体から取り外し、新しいゴム層を環状構造体に取り付ければよいので、リトレッドも容易である。そして、本実施形態に係る空気入りタイヤは、不具合が発生しない限り、カーカス及び環状構造体を複数回使用できるので、廃棄部品が少なくなり、環境負荷を低減できる。さらに、本実施形態に係る空気入りタイヤは、板状の部材を円筒状に成型して環状構造体とし、空気が充填される空間を環状構造体が囲むようになっている。このため、本実施形態に係る空気入りタイヤは、踏面（ゴム層の外側）から空気が充填される空間に対する異物の侵入は、環状構造体によって阻止される。このため、本実施形態に係る空気入りタイヤは、パンクしにくいという利点もある。

図２０は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の製造方法の手順を示すフローチャートである。図２１−１〜図２１−３は、本実施形態に係るタイヤが有する環状構造体の製造方法の手順を示す説明図である。図２１−３は、板材の板面と直交する平面で前記板材を切った断面図である。図２１−４は、溶接部の厚みを示す断面図である。環状構造体１０を製造するにあたり、まず、図２１−１に示すように、平面視が長方形形状、かつ短手方向（図２１−１の矢印Ｓで示す方向）における両端部３０ＴＳ、３０ＴＳの、長手方向（図２１−１の矢印Ｃで示す方向）における両端部３０ＴＬ、３０ＴＬ側に、短手方向と平行な方向の外側に突出する凸３２部を有する板材３０を作成する（ステップＳ１０１、図２１−１）。短手方向における両端部３０ＴＳ、３０ＴＳは、平面視が長方形形状の板材３０の長辺に相当し、長手方向における両端部３０ＴＬ、３０ＴＬは、平面視が長方形形状の板材３０の短辺に相当する。板材３０は、例えば、大きな金属の板状部材を切断することにより得ることができる。本実施形態において、板材３０は複数の貫通孔３０Ｈを有している。

次に、板材３０の長手方向における両端部３０ＴＬ、３０ＴＬを突き合わせ、溶接によって接合する（ステップＳ１０２、図２１−２）。長手方向における両端部３０ＴＬ、３０ＴＬは、板材３０の長手方向（図２１−２の矢印Ｃで示す方向）と直交することが好ましい。このようにすれば、環状構造体１０が径方向に繰り返し変形することにより溶接部に繰り返し曲げが作用した場合、繰り返し曲げが作用する溶接部の長さを短くすることができるので、環状構造体１０の耐久性低下を抑制することができる。その結果、環状構造体１０をタイヤ１に用いた場合に、耐久性低下を抑制することができる。

溶接は、ガス溶接（酸素アセチレン溶接）、アーク溶接、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接、プラズマ溶接、ＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接、エレクトロスラグ溶接、電子ビーム溶接、レーザービーム溶接、超音波溶接等を用いることができる。このように、板材の両端部を溶接することにより、簡単に環状構造体１０を製造することができる。なお、溶接後の板材２０に、熱処理と圧延との少なくとも一方を施してもよい。このようにすることで、製造される環状構造体１０の強度を向上させることができる。熱処理は、例えば、析出硬化ステンレス鋼を用いる場合、一例として、５００℃で６０分保持する。熱処理の条件は、得たい特性によって適宜変更することができるので、前述の条件に限定されるものではない。

次に、溶接後の凸部３２を除去して、図２−１に示す環状構造体１０を得る（ステップＳ１０３、図２１−３）。なお、環状構造体１０に熱処理等を施す場合、溶接された円筒形状の板材３０の凸部３２を切断した後に施すことが好ましい。熱処理等によって溶接された円筒形状の板材３０（環状構造体１０）の強度が向上するため、熱処理等を施す前に凸部３２を切断することにより、凸部３２の切断が容易になる。環状構造体１０が得られたら、図３に示すゴム層１１及びカーカス部１２を環状構造体１０に取り付け、また、ビード部１３をカーカス部１２に設けて、グリーンタイヤを作製する（ステップＳ１０４）。その後、グリーンタイヤを加硫して（ステップＳ１０５）、図１に示すタイヤ１が完成する。なお、環状構造体１０の製造方法は、上述したものに限定されない。例えば、円柱を切削加工することにより環状構造体１０を製造してもよいし、押出成形により環状構造体１０を製造してもよい。

環状構造体１０は、図２１−３に示すように溶接部１０Ｗを有する。図２１−４に示すように、溶接部１０Ｗは、その周辺よりも厚みが大きくなってもよい。溶接部１０Ｗは、溶接部１０Ｗを除く領域での厚みｔが０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下、さらには０．１５ｍｍ以上０．７ｍｍ以下であることが好ましい。また、溶接部１０Ｗは、溶接部１０Ｗの周辺よりも厚みが大きい部分の厚みが、周辺の厚みの１．３倍以下、さらには１．２倍以下であることが好ましい。この範囲であれば、耐圧性能を確保しつつ、繰り返し曲げの耐久性を確保できる。溶接部１０Ｗを除く領域とは、溶接前における板材２０の厚みであり、環状構造体１０においては、溶接部１０Ｗ以外であり、かつ厚みが一定になっている領域である。

本実施形態においては、溶接した後に、溶接された円筒形状の板材３０に対する熱処理と、溶接された円筒形状の板材３０を円筒の軸方向に引張る処理とのうち少なくとも一方を行うことが好ましい。このような処理によって、溶接加工によって変化した溶接部の材料特性（金属組織）を、非溶接部に近いものとすることができるので、溶接部での破断強度が高くなる。なお、この処理を行う場合、幅方向の寸法が大きい板材を溶接して長い円筒の部材を製造し、これに上記処理を加えた後に、前記円筒の部材の軸と直角に環状構造体幅Ｗｍ（ベルト幅）で切断することで、複数の環状構造体１０を同時に製造することができる。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１０１、１０１ａ 空気入りタイヤ（タイヤ）
２ 構造体
２Ｓ 両側
１０、１０ａ、１１０、１１０ａ 環状構造体
１０ｓｏ、１１０ｓｏ、１１０ｓｏａ 外側
１０ｓｉ 内側
１０Ｔ 凹凸部
１１、１１１、１１１ａ ゴム層
１１ｓｏ、１１１ｓｏ、１１１ｓｏ 外側
１１ｓｉ 内側
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ カーカス部
１２Ｆ 繊維
１２Ｒ ゴム
１３ ビード部
１３ｈ ヒール部
１４ インナーライナー
Ｓｃ 主溝（周方向溝）
Ｓｒ ラグ溝

Claims (9)

1. 円筒形状かつ複数の貫通孔を有する環状構造体と、
   前記環状構造体の外側に、前記環状構造体の周方向に向かって設けられてトレッド部となるゴム層と、
   前記ゴム層の径方向外側に設けられた複数の溝と、
   ゴムで被覆された繊維を有し、前記環状構造体と前記ゴム層とを含む円筒形状の構造体の中心軸と平行な方向における両側に少なくとも設けられるカーカス部と、を含み、
   少なくとも、前記溝が設置された領域における前記貫通孔の開口率は、前記溝が設置された領域同士の間の領域よりも低く、
   前記環状構造体の弾性率と前記環状構造体の径方向の厚みとの積が７ＧＰａ・ｍｍ以上２００ＧＰａ・ｍｍ以下である、
   空気入りタイヤ。
2. 前記貫通孔の開口面積の合計は、前記環状構造体が前記貫通孔を有さない場合の径方向外側における表面積に占める割合が、周方向溝の周りの領域において１％以上３０％以下であり、前記周方向溝が設置された領域では０．５％以上１５％以下である請求項１に記載の空気入りタイヤ。
3. 前記貫通孔の面積の総和は、前記環状構造体の径方向外側の表面積に対して０．５％以上３０％以下である請求項１に記載の空気入りタイヤ。
4. 前記貫通孔は、１つの断面積が０．１ｍｍ^２以上１００ｍｍ^２以下である請求項１から３のいずれか１項に記載の空気入りタイヤ。
5. 前記ゴム層の外側と、前記環状構造体の外側とは、前記ゴム層の溝の部分を除き、前記中心軸と平行である請求項１から４のいずれか１項に記載の空気入りタイヤ。
6. 前記環状構造体は、前記カーカス部よりも前記構造体の径方向外側に配置される請求項１から５のいずれか１項に記載の空気入りタイヤ。
7. 前記環状構造体は、金属である請求項１から６のいずれか１項に記載の空気入りタイヤ。
8. 前記中心軸と平行な方向における前記環状構造体の寸法は、前記中心軸と平行な方向における前記空気入りタイヤの総幅の５０％以上９５％以下である請求項１から７のいずれか１項に記載の空気入りタイヤ。
9. 円筒形状の環状構造体の外側に設けられてトレッド部となるゴム層を有する空気入りタイヤを製造するにあたり、
   複数の貫通孔を有し、かつ前記トレッド部の溝が設置された領域における前記貫通孔の開口率は、前記溝が設置された領域同士の間の領域よりも低い円筒形状の環状構造体であって、前記環状構造体の弾性率と前記環状構造体の径方向の厚みとの積が７ＧＰａ・ｍｍ以上２００ＧＰａ・ｍｍ以下である環状構造体を得る手順と、
   前記環状構造体の径方向外側及び径方向内側に、それぞれ加硫前のゴムを配置して、グリーンタイヤを作製する手順と、
   前記グリーンタイヤを加硫金型内に設置した後、前記グリーンタイヤの径方向内側から圧力及び熱を前記グリーンタイヤに与え、前記貫通孔を通って前記環状構造体の径方向内側のゴムを径方向外側へ通過させる手順と、
   を含むことを特徴とする空気入りタイヤの製造方法。

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