JP5808048B2

JP5808048B2 - 非空気圧タイヤ

Info

Publication number: JP5808048B2
Application number: JP2011213031A
Authority: JP
Inventors: 晶吾山下
Original assignee: Toyo Tire and Rubber Co Ltd
Current assignee: Toyo Tire Corp
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: JP2013071652A

Description

本発明は、内側環状部と、その内側環状部の外側に同心円状に設けられる外側環状部と、前記内側環状部と前記外側環状部とを連結する複数の連結部とを備える非空気圧タイヤ（ｎｏｎ−ｐｎｅｕｍａｔｉｃｔｉｒｅ）に関する。

空気入りタイヤは、荷重の支持機能、接地面からの衝撃吸収能、および動力等の伝達能（加速、停止、方向転換）を有し、このため、多くの車両、特に自転車、オートバイ、自動車、トラックに採用されている。

特に、これらの能力は自動車、その他のモーター車両の発展に大きく貢献した。更に、空気入りタイヤの衝撃吸収能力は、医療機器や電子機器の運搬用カート、その他の用途でも有用である。

従来の非空気圧タイヤとしては、例えばソリッドタイヤ、スプリングタイヤ、クッションタイヤ等が存在するが、空気入りタイヤの優れた性能を有していない。例えば、ソリッドタイヤおよびクッションタイヤは、接地部分の圧縮によって荷重を支持するが、この種のタイヤは重くて、堅く、空気入りタイヤのような衝撃吸収能力はない。また、非空気圧タイヤでは、弾性を高めてクッション性を改善することも可能であるが、空気入りタイヤが有するような荷重支持能または耐久性が悪くなるという問題がある。

そこで、下記の特許文献１には、空気入りタイヤと同様な動作特性を有する非空気圧タイヤを開発する目的で、タイヤに加わる荷重を支持する補強された環状バンドと、この補強された環状バンドとホイールまたはハブとの間で張力によって荷重力を伝達する複数のスポークとを有する非空気圧タイヤが提案されている。この非空気圧タイヤは、空気入りタイヤのような空気漏れの心配はなく、また、ソリッドタイヤなどのような重量の問題もない。

また、下記の特許文献２には、同心円状に配置された弾性材料からなる外周輪と内周輪を有するとともに、それら両輪には、弾性材料からなるスポーク材が連結されていて、かつ、該スポーク材は、外周輪と内周輪の間の空隙にタイヤ径方向の圧縮力が加えられた際にタイヤ周方向において互いに反対方向に撓む対をなすスポーク材として形成されているとともに、該対をなすスポーク材間には、反対方向への撓みを抑える弾性材料からなる連結材が設けられている非空気圧タイヤが記載されている。この非空気圧タイヤは、対をなすスポーク材がタイヤ周方向において互いに反対方向に撓むことで、乗り心地を向上させている。

しかしながら、これらの非空気圧タイヤは、同径及び同剛性の空気入りタイヤに比べると、段差降り時等の衝撃が大きくなってしまう。これは、空気入りタイヤは、タイヤ内に封入されている空気全体の全方位への圧縮伸長に起因する良好な減衰性能を有するが、非空気圧タイヤは、このような良好な減衰性能を有さないためである。

特表２００５−５００９３２号公報特開２００７−１１２２４３号公報

そこで、本発明の目的は、段差降り時等の衝撃に対する減衰性能を向上させることができる非空気圧タイヤを提供することにある。

上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明の非空気圧タイヤは、内側環状部と、その内側環状部の外側に同心円状に設けられる外側環状部と、前記内側環状部と前記外側環状部とを連結する複数の連結部とを備える非空気圧タイヤであって、前記外側環状部は、最外側に配され、かつ引張弾性率が３〜２０ＭＰａであるトレッド層と、前記トレッド層の内側に配され、かつ曲げ弾性率が１０００ＭＰａ以上である高弾性層とを有し、前記連結部の引張弾性率は１５ＭＰａ以下であることを特徴とする。

内側環状部と、その内側環状部の外側に同心円状に設けられる外側環状部と、内側環状部と外側環状部とを連結する複数の連結部（スポークに相当する）とを備える非空気圧タイヤは、接地面側の数本の連結部が圧縮されて荷重を支え、段差降り時等の衝撃もこれら数本の連結部で減衰する傾向がある。本発明の非空気圧タイヤは、高弾性層を有することで外側環状部の剛性が高くなるため、タイヤ軸芯に対して接地面の逆側の連結部も引っ張られて荷重を支える。すなわち、接地面側の連結部の圧縮だけでなく、接地面逆側の連結部の伸長でも荷重を支えるようになる。これにより、接地面側の連結部だけでなく、接地面逆側の連結部にも衝撃に対する減衰を負担させることが可能となり、非空気圧タイヤ全体の減衰性能を向上できる。この際、高弾性層を設けずにトレッド層の引張弾性率を高くすることで外側環状部の剛性を高くすると、接地面積の減少によるグリップ性能の低下に繋がるが、本発明では接地しない高弾性層により外側環状部の剛性を高くしており、グリップ性能に影響が出ない。

また、連結部の引張弾性率が高いと、接地面逆側の連結部の伸長が少なく、衝撃が減衰されにくいが、連結部の引張弾性率を１５ＭＰａ以下とすることにより、接地面逆側の連結部は、衝撃を効果的に減衰することができる。その結果、本発明によれば、より多くの連結部で衝撃を減衰することができるため、段差降り時等の衝撃に対する減衰性能を向上させることができる。

本発明にかかる非空気圧タイヤにおいて、前記高弾性層は、繊維強化プラスチック又はポリウレタン樹脂で形成されていることが好ましい。この構成によれば、高弾性層の曲げ弾性率を高くすることができ、外側環状部の剛性を効果的に高めることができる。

本発明の非空気圧タイヤの一例を示す正面図本発明の非空気圧タイヤの一例を示すタイヤ子午線断面図非空気圧タイヤの別例を示すタイヤ子午線断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の非空気圧タイヤの一例を示す正面図である。図２は、本発明の非空気圧タイヤの一例を示すタイヤ子午線断面図であって、図１のＩ−Ｉ断面図である。ここで、Ｏは軸芯を、ＷＤはタイヤ幅方向を、Ｗはタイヤ幅を、Ｈはタイヤ断面高さを、それぞれ示している。

本発明の非空気圧タイヤＴは、例えばキャンバーを付けてコーナリングする車両に用いられるのが好ましい。本実施形態の非空気圧タイヤＴは、内側環状部１と、その外側に同心円状に設けられる中間環状部２と、その外側に同心円状に設けられる外側環状部３と、内側環状部１と中間環状部２とを連結する複数の内側連結部４と、外側環状部３と中間環状部２とを連結する複数の外側連結部５とを備えている。本実施形態の非空気圧タイヤＴは中間環状部２を備えているが、中間環状部２は必ずしも必要ではなく、中間環状部２を設けず、内側連結部４と外側連結部５とが連続して１本の連結部を構成してもよい。この場合、非空気圧タイヤＴは、内側環状部１と、その内側環状部１の外側に同心円状に設けられる外側環状部３と、内側環状部１と外側環状部３とを連結する複数の連結部とを備える構成となる。

内側環状部１は、ユニフォミティを向上させる観点から、厚みが一定の円筒形状であることが好ましい。また、内側環状部１の内周面には、車軸やリムとの装着のために、嵌合性を保持するための凹凸等を設けるのが好ましい。

内側環状部１の厚みは、内側連結部４に力を十分伝達しつつ、軽量化や耐久性の向上を図る観点から、タイヤ断面高さＨの６〜３０％が好ましく、１０〜２０％がより好ましい。

内側環状部１の内径は、非空気圧タイヤＴを装着するリムや車軸の寸法などに併せて適宜決定されるが、本実施形態では中間環状部２を備えるために、内側環状部１の内径をより小さくすることが可能である。内側環状部１の内径は、５０〜５６０ｍｍが好ましく、８０〜２００ｍｍがより好ましい。

内側環状部１のタイヤ幅方向の幅は、用途、車軸の長さ等に応じて適宜決定されるが、３０〜１００ｍｍが好ましく、４０〜８０ｍｍがより好ましい。

内側環状部１の引張モジュラスは、内側連結部４に力を十分伝達しつつ、軽量化や耐久性の向上、装着性を図る観点から、１〜１８００００ＭＰａが好ましく、１〜５００００ＭＰａがより好ましい。なお、本実施形態における引張モジュラスは、ＪＩＳＫ７３１２に準じて引張試験を行い、１０％伸び時の引張応力の値である。

中間環状部２は、ユニフォミティを向上させる観点から、厚みが一定の円筒形状であることが好ましいが、多角形筒状などでもよい。

中間環状部２の厚みは、内側連結部４と外側連結部５とを十分補強しつつ、軽量化や耐久性の向上を図る観点から、タイヤ断面高さＨの３〜１０％が好ましく、４〜９％がより好ましい。

中間環状部２の内径は、内側環状部１の内径を超えて、外側環状部３の内径未満となる。但し、中間環状部２の内径としては、内側連結部４と外側連結部５との補強効果を向上させる観点から、外側環状部３の内径から内側環状部１の内径を差し引いた値の２０〜８０％の値を、内側環状部１の内径に加えた内径とすることが好ましく、３０〜６０％の値を、内側環状部１の内径に加えた内径とすることがより好ましい。

中間環状部２のタイヤ幅方向の幅は、用途等に応じて適宜決定されるが、３０〜１００ｍｍが好ましく、４０〜８０ｍｍがより好ましい。

中間環状部２の引張モジュラスは、１〜１８００００ＭＰａが好ましく、１〜５００００ＭＰａがより好ましい。

外側環状部３は、タイヤ幅方向に厚みが変化する円筒形状である。外側環状部３は、最外側に配されるトレッド層３１と、このトレッド層３１の内側に配される高弾性層３２とを有する。さらに、外側環状部３は、高弾性層３２の内側に、外側連結部５と同一の材料で形成される結合層３３を有するのが好ましい。これにより、外側環状部３と外側連結部５の結合部での強度が高まり、耐久性が向上する。

トレッド層３１の外周面は、図２に示されるように、タイヤ子午線断面において、タイヤ幅方向の中央部から両側部へ向かって外径が徐々に小さくなるような曲率を有する円弧状となっている。トレッド層３１の外周面が、曲率を有することで、キャンバーを付けてコーナリングする際にも接地面積が小さくなりすぎず、直進走行時とコーナリング時との間の接地面積の変動が少なくなる。トレッド層３１の外周面の曲率半径Ｒは、４０〜１００ｍｍが好ましく、４０〜６５ｍｍがより好ましい。曲率半径Ｒが４０ｍｍより小さい場合、キャンバー時の接地面積が過大となり、グリップ性能が急激に増加するため、急停止に近い状況となってしまう。また、曲率半径Ｒが１００ｍｍよりも大きい場合、キャンバー時の接地面積が過小となり、グリップ性能が急激に低下するため、滑りが発生してしまう。トレッド層３１の外周面には、トレッドパターンとして、従来の空気入りタイヤと同様のパターンを設けることが可能である。

高弾性層３２は、タイヤ子午線断面において、長方形状をしている。なお、高弾性層３２の断面形状は、長方形に限定されず、タイヤ幅方向中央部をトレッド層側及び／又は連結部側へ突出させた三角形状としたり、円弧状としたりしてもよい（図３参照）。また、高弾性層３２のタイヤ幅方向両端の厚みはゼロとなるようにしてもよい。ただし、トレッド層３１の厚みが減少してしまうと乗り心地に逆に悪影響を及ぼす可能性があるため、高弾性層３２の断面形状は長方形が好ましい。

高弾性層３２のタイヤ径方向の厚みは、外側環状部３の剛性を高める観点から、１ｍｍ以上が好ましい。また、高弾性層３２の厚みは、外側環状部３の外周面が全てトレッド層３１となるように、外側環状部３のタイヤ幅方向両端の厚み以下とするのが好ましく、具体的には４ｍｍ以下が好ましい。また、結合層３３のタイヤ径方向の厚みは、高弾性層３２との接着強度を高める観点から、１ｍｍ以上が好ましい。

トレッド層３１の引張弾性率は、３〜２０ＭＰａであり、好ましくは５〜１０ＭＰａである。なお、本発明における引張弾性率は、ＪＩＳＫ７３１２に準じて引張試験を行い、５〜１０％伸び時の応力と伸びの間の比例定数である。

高弾性層３２の曲げ弾性率は、トレッド層３１よりも高く、１０００ＭＰａ以上であることが好ましく、２０００ＭＰａ以上であることがより好ましい。高弾性層３２の曲げ弾性率が２０００ＭＰａ以上のとき、外側環状部３の剛性を効果的に高めることができる。また、高弾性層３２の曲げ弾性率は、１２００００ＭＰａ以下であることが好ましく、１０００００ＭＰａ以下であることがより好ましい。なお、本発明における曲げ弾性率は、ＪＩＳＫ７１７１に準じて曲げ試験を行い、０．０５〜０．２５％歪み時の応力と歪みの間の比例定数である。

高弾性層３２は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）又はポリウレタン樹脂で成形されていることが好ましい。繊維強化プラスチックとしては、ガラス繊維強化プラスチック、炭素繊維強化プラスチックなどが例示される。なお、炭素繊維強化プラスチックからなる高弾性層３２は、炭素繊維（カーボンファイバー）のクロス（織物）に熱硬化性樹脂を含浸させたシート状の中間部材を使用することで、容易に形成できる。炭素繊維の配向方向は、タイヤ幅方向及びタイヤ周方向とするのが好ましい。

外側環状部３の内径は、その用途等に応じて適宜決定されるが、例えば、１００〜６００ｍｍが好ましく、１２０〜３００ｍｍがより好ましい。

外側環状部３のタイヤ幅方向の幅は、用途等に応じて適宜決定されるが、３０〜１００ｍｍが好ましく、４０〜８０ｍｍがより好ましい。

外側環状部３の引張モジュラスは、１〜１８００００ＭＰａが好ましく、１〜５００００ＭＰａがより好ましい。

内側連結部４は、内側環状部１と中間環状部２とを連結するものであり、両者の間に適当な間隔を開けるなどして、タイヤ周方向に各々が独立するように複数設けられる。内側連結部４は、ユニフォミティを向上させる観点から、タイヤ周方向に規則的に設けることが好ましい。

内側連結部４を全周に渡って設ける際の数（タイヤ幅方向に複数設ける場合は１個として数える）としては、車両からの荷重を十分支持しつつ、軽量化、動力伝達の向上、耐久性の向上を図る観点から、２０〜６０個が好ましく、２０〜５０個がより好ましい。図１には、内側連結部４を３０個設けた例を示す。

個々の内側連結部４の形状としては、板状体、柱状体などが挙げられるが、本実施形態では板状体の例を示す。これらの内側連結部４は、正面視断面において、タイヤ径方向又はタイヤ径方向から傾斜した方向に延びている。本発明では、ブレークポイントを高くして剛性変動を生じにくくすると共に、耐久性を向上させる観点から、正面視断面において、内側連結部４の延設方向が、タイヤ径方向±３０°以内が好ましく、タイヤ径方向±１５°以内がより好ましい。図１では、内側連結部４が、タイヤ径方向に延設されている例を示す。

内側連結部４の厚みは、内側環状部１からの力を十分伝達しつつ、軽量化や耐久性の向上、横剛性の向上を図る観点から、タイヤ断面高さＨの３〜１２％が好ましく、４〜１０％がより好ましい。

内側連結部４の引張モジュラスは、内側環状部１からの力を十分伝達しつつ、軽量化や耐久性の向上、横剛性の向上を図る観点から、１〜５０ＭＰａが好ましく、１〜３０ＭＰａがより好ましい。

内側連結部４の引張弾性率は、減衰性能の向上を図る観点から、１５ＭＰａが好ましく、１０ＭＰａ以下がより好ましい。

外側連結部５は、外側環状部３と中間環状部２とを連結するものであり、両者の間に適当な間隔を開けるなどして、タイヤ周方向に各々が独立するように複数設けられる。外側連結部５は、ユニフォミティを向上させる観点から、タイヤ周方向に規則的に設けることが好ましい。

なお、外側連結部５と内側連結部４とは全周の同じ位置に設けてもよく、異なる位置に設けてもよい。すなわち、外側連結部５と内側連結部４は、必ずしも図１のように同じ方向に連続するように延設する必要はない。

外側連結部５を全周に渡って設ける際の数（タイヤ幅方向に複数設ける場合は１個として数える）としては、車両からの荷重を十分支持しつつ、軽量化、動力伝達の向上、耐久性の向上を図る観点から、２０〜６０個が好ましく、２０〜５０個がより好ましい。図１には、外側連結部５を内側連結部４と同じく３０個設けた例を示す。なお、外側連結部５の数と内側連結部４の数は、必ずしも同じとする必要はなく、外側連結部５を内側連結部４よりも多く設けてもよい。

個々の外側連結部５の形状としては、板状体、柱状体などが挙げられるが、本実施形態では板状体の例を示す。これらの外側連結部５は、正面視断面において、タイヤ径方向又はタイヤ径方向から傾斜した方向に延びている。本発明では、ブレークポイントを高くして剛性変動を生じにくくすると共に、耐久性を向上させる観点から、正面視断面において、外側連結部５の延設方向が、タイヤ径方向±３０°以内が好ましく、タイヤ径方向±１５°以内がより好ましい。図１では、外側連結部５が、タイヤ径方向に延設されている例を示す。

外側連結部５の厚みは、内側環状部１からの力を十分伝達しつつ、軽量化や耐久性の向上、横剛性の向上を図る観点から、タイヤ断面高さＨの３〜１２％が好ましく、４〜１０％がより好ましい。

外側連結部５の引張モジュラスは、内側環状部１からの力を十分伝達しつつ、軽量化や耐久性の向上、横剛性の向上を図る観点から、１〜５０ＭＰａが好ましく、１〜３０ＭＰａがより好ましい。

外側連結部５の引張弾性率は、減衰性能の向上を図る観点から、１５ＭＰａが好ましく、１０ＭＰａ以下がより好ましい。

非空気圧タイヤＴは、弾性材料で成形される。本発明における弾性材料とは、ＪＩＳＫ７３１２に準じて引張試験を行い、１０％伸び時の引張応力から算出した引張モジュラスが、１００ＭＰａ以下のものを指す。本発明の弾性材料としては、十分な耐久性を得ながら、適度な剛性を付与する観点から、好ましくは引張モジュラスが０．１〜１００ＭＰａであり、より好ましくは０．１〜５０ＭＰａである。母材として用いられる弾性材料としては、熱可塑性エラストマー、架橋ゴム、その他の樹脂が挙げられる。

熱可塑性エラストマーとしては、ポリエステルエラストマー、ポリオレフィンエラストマー、ポリアミドエラストマー、ポリスチレンエラストマー、ポリ塩化ビニルエラストマー、ポリウレタンエラストマー等が例示される。架橋ゴム材料を構成するゴム材料としては、天然ゴムの他、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、イソプレンゴム（ＩＩＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素添加ニトリルゴム（水添ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム、シリコンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム等の合成ゴムが例示される。これらのゴム材料は必要に応じて２種以上を併用してもよい。

その他の樹脂としては、熱可塑性樹脂、又は熱硬化性樹脂が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂などが挙げられ、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂などが挙げられる。

上記の弾性材料のうち、成形・加工性やコストの観点から、トレッド層３１と連結部４，５は、ポリウレタン樹脂で成形されるのが好ましく、高弾性層３２は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）又はポリウレタン樹脂で成形されるのが好ましい。なお、弾性材料としては、発泡材料を使用してもよく、上記の熱可塑性エラストマー、架橋ゴム、その他の樹脂を発泡させたもの使用可能である。

弾性材料で成形された内側環状部１、中間環状部２、外側環状部３、内側連結部４、及び外側連結部５は、補強繊維により補強されていることが好ましい。

補強繊維としては、長繊維、短繊維、織布、不織布などの補強繊維が挙げられるが、長繊維を使用する形態として、タイヤ幅方向に配列される繊維とタイヤ周方向に配列される繊維とから構成されるネット状繊維集合体を使用するのが好ましい。

補強繊維の種類としては、例えば、レーヨンコード、ナイロン−６，６等のポリアミドコード、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステルコード、アラミドコード、ガラス繊維コード、カーボンファイバー、スチールコード等が挙げられる。

本発明では、補強繊維を用いる補強の他、粒状フィラーによる補強や、金属リング等による補強を行うことが可能である。粒状フィラーとしては、カーボンブラック、シリカ、アルミナ等のセラミックス、その他の無機フィラーなどが挙げられる。

本発明における非空気圧タイヤＴは弾性材料で成形されるが、非空気圧タイヤＴを製造する際に、一体成形が可能となる観点から、内側環状部１、中間環状部２、外側環状部３、内側連結部４、及び外側連結部５は、補強構造を除いて基本的に同じ材質とすることが好ましい。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。尚、実施例等における評価項目は、下記のようにして測定を行った。

減衰性能
吊り上げ設備に試験タイヤを取り付け、総重量５０ｋｇとして５０ｍｍの高さから自由落下させ、タイヤ着地時の加速度をセンサーで検知する。一つのサンプルにつき５回測定し、平均値を結果とする。表１に衝撃加速度の結果を示す。実施例１〜３に関しては、比較例１の結果を１００として指数評価し、当該指数が小さいほど衝撃加速度が小さく、減衰性能に優れていることを示す。

比較例１
高弾性層を設けない非空気圧タイヤを比較例１とした。スポークの引張弾性率は２５ＭＰａとした。トレッド層の引張弾性率は８ＭＰａとし、その他の比較例及び実施例も同じとした。

実施例１
ポリウレタン樹脂で形成された曲げ弾性率が２１５０ＭＰａの高弾性層、引張弾性率が１３ＭＰａのスポークを設けた非空気圧タイヤを実施例１とした。

実施例２
ポリウレタン樹脂で形成された曲げ弾性率が４５００ＭＰａの高弾性層、引張弾性率が１３ＭＰａのスポークを設けた非空気圧タイヤを実施例２とした。

実施例３
炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で形成された曲げ弾性率が８１０００ＭＰａの高弾性層、引張弾性率が１３ＭＰａのスポークを設けた非空気圧タイヤを実施例３とした。

表１のように、実施例１から実施例３は、比較例１に比べ衝撃加速度が小さくなっており、本発明に係る非空気圧タイヤは減衰性能を向上することができる。

１内側環状部
２中間環状部
３外側環状部
４内側連結部
５外側連結部
３１トレッド層
３２高弾性層
Ｔ非空気圧タイヤ

Claims

内側環状部と、その内側環状部の外側に同心円状に設けられる外側環状部と、前記内側環状部と前記外側環状部とを連結する複数の連結部とを備える非空気圧タイヤであって、
前記外側環状部は、最外側に配され、かつ引張弾性率が３〜２０ＭＰａであるトレッド層と、前記トレッド層の内側に配され、かつ曲げ弾性率が１０００ＭＰａ以上である高弾性層とを有し、
前記連結部の引張弾性率は１５ＭＰａ以下であることを特徴とする非空気圧タイヤ。
前記高弾性層は、繊維強化プラスチック又はポリウレタン樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の非空気圧タイヤ。