JP6356116B2 - 耐久性が向上させられ最適厚を有するタイヤ用スポーク - Google Patents

Description

優先権主張
本願は、「耐久性が向上させられ最適厚を有するタイヤ用スポーク」という名称で２０１２年４月５日に提出された米国出願第６１／６２０，６８７号を有する先に提出された米国仮出願の権利を主張し、その全文をあらゆる目的のために引用により本願に組み込む。

本発明は、使用の際に疲労しにくい非空気式タイヤ用スポーク形状を提供する。具体的には、スポーク形状に、スポーク長全体にわたって最適厚プロファイルが提供される。この最適化の結果、スポークにおけるピーク歪力エネルギー密度レベルが低下することによって、亀裂の発生と伝播の可能性が低減され、ひいてはスポークとタイヤの耐久性が向上する。

非空気式または構造的に支持されたタイヤが当該技術分野において開示されている。たとえば、本発明の出願人によって共同所有されている米国特許第７，２０１，１９４号は、内部空気圧なしで負荷を支持する構造的に支持された弾性タイヤに関する。この特許の内容は引用により全文を本願に組み込む。例示の実施形態では、この非空気式タイヤは、外側の環状剪断帯と、横方向に横断し、剪断帯から内方へ径方向に延在し、車輪またはハブに固定される複数のウェブスポークとを含む。ある例示の実施形態では、環状剪断帯は、剪断層、剪断層の径方向内側域に接着される少なくとも第１の膜、剪断層の径方向外側域に接着される少なくとも第２の膜をさらに備えることができる。必須のタイヤ空気圧なしでも動作できることに加えて、米国特許第７，２０１，１９４号の発明は、接触領域の長全体にわたってより均一な接地接触圧を有するという利点も備える。したがって、このタイヤは、空気式タイヤの性能を模している。

図１は、径方向Ｒと横方向Ｔ（径方向に垂直で、タイヤが転がる方向に垂直）を画定するタイヤを示す。参考のため、ここで使用される１００’のついた参照符号はすべて旧式のタイヤおよびスポーク設計を指し、２００’の付いた参照符号はすべて本発明の１実施形態に係る新しい改良されたタイヤおよびスポーク設計を指す。タイヤ１００、２００は、当該技術分野において既知な手段によって、スポーク１０６、２０６の外側域１０４、２０４に装着され、ひいては内側域１１０、２１０でハブまたは車輪１０８、２０８に接続されるトレッド１０２、２０２を備える。図示されるタイヤ１００、２００のバージョンの場合、スポーク１０６、２０６は回転金型などの金型にポリウレタン液を注ぎ込み、その液体が硬化することによって形成される。スポーク１０６、２０６は対でグループ化され、各対内の個々のスポーク１０６’、１０６”、２０６’、２０６”は常に互いに間隔をおいて配置され、各対は常にタイヤの外周に沿って隣接対と間隔をおいて配置されていることも分かる。各対内の間隔と隣接対間の間隔は必ずしも同じではない。

‘１９４特許の要約書およびコラム２の第２８〜４１行に記載されるように、スポーク１０６、２０６は、タイヤ１００、２００の上部近傍では圧縮ではなく伸張してタイヤ１００、２００を支持する。代わりに、スポーク１０６、２０６は、タイヤのトレッド１０２、２０２が道路に接触する接触区間近傍のタイヤ下部では容易に圧縮または座屈する。これは、タイヤが空気式タイヤの空気圧支持機能を模すのを助ける。想像されるように、これらのスポーク１０６、２０６は、特にタイヤ１００、２００が高速回転する際に伸張から圧縮までの周期的応力を何度も受ける。これにより、スポークの疲労故障のリスクが生じる。したがって、スポーク１０６、２０６の耐久性とタイヤ１００、２００の操作性は、スポーク１０６、２０６が製造される形状に大きく左右される。

図２は、亀裂の発生と伝播による疲労故障が起こりやすい旧スポーク設計の側断面図である。明瞭化のため、スポークのみを示す。スポークＴ１０６の厚みは２．８ｍｍで比較的一定であり、スポークがハブおよびトレッドと接続するスポーク１０６’、１０６”の端部１１２’、１１２”の厚みは約１ｍｍ厚く３．８ｍｍである。したがって、スポークの各端部には移行領域があり、該領域でスポーク厚が漸減する結果、各端部からスポークの径方向高さＨｒの約２５％低減されたところでスポーク厚は最終的に２．８ｍｍまで低下する。

このスポーク設計の試験から明らかなように、スポークの疲労限界はタイヤの負荷容量を制限する。負荷が大きすぎると、タイヤ１００が道路を転がりながらスポーク１０６が伸張と圧縮を繰り返す間、タイヤは時間の経過と共に最終的に伝播する亀裂を発生させる傾向がある。したがって、亀裂の発生と伝播がより高い負荷限界でも発生する可能性を低減させる改良スポーク設計が必要とされる。また、容易に成形でき、その他のタイヤ性能を低下させない設計が特に有益である。

本発明の１の態様に係るタイヤは径方向および横方向を画定し、トレッドと、本体形状の厚みが略径方向にスポーク長に沿って第１の値から始まり、第２の値まで次第に低減し、次いで第３の値まで次第に増加し、次いで第４の値まで低減し、再度第５の値まで増加するように変動するスポークとをさらに備える。

場合によっては、スポーク厚の第１、第３、第５の値が略同一である。このような場合、スポーク厚の第２および第４の値も同一にすることができる。このような場合、該厚みの第２および第４の値は第１、第３、第５の値の６０％とすることができる。特定の実施形態では、２０５／５５Ｎ１６型タイヤであるとき、スポーク厚の第１、第３、第５の値は約３．４ｍｍであり、スポーク厚の第２および第４の値は約２．０ｍｍである。このような場合、スポークの径方向高さは約７６ｍｍとすることができる。また、スポークは、スポークの２つの端部間の完全直線路からスポークの偏位または偏差を有することができ、前記偏位は径方向高さの２５％以下、好ましくは径方向高さの約１５％とすることができる。上記タイヤのスポークは、タイヤ中心に向かって１５ｍｍ撓むときに弾性変形させることができる。

場合によっては、スポーク厚がスポーク長に沿って２回増減すると、スポークは４つの区画または領域を備え、スポーク長に沿った中心線を有することができ、前記中心線は２つの変曲点と中心線に沿った前記変曲点間の中間点とを有する。スポーク厚の第１の値がスポークの一端で求められ、スポーク厚の第５の値がスポークの他端で求められる。このような場合、第１の区画は該厚みが第２の値まで低減する前記第１の端部と第１の変曲点間の遷移領域とし、第２の区画は該厚みが第３の値まで増加する前記第１の変曲点と前記中間点間の遷移領域とし、第３の区画は該厚みが第４の値まで増加する中間点と第２の変曲点間の遷移領域とし、第４の区画は該厚みが第５の値まで増加する第２の変曲点とスポークの他端間の遷移領域とすることができる。

この場合も、該厚みの第２および第４の値は第１、第３、第５の値の６０％とすることができる。特定の実施形態では、２０５／５５Ｎ１６型タイヤであるとき、スポーク厚の第１、第３、第５の値は約３．４ｍｍであり、スポーク厚の第２および第４の値は約２．０ｍｍである。このような場合、スポークの径方向高さは約７６ｍｍとすることができる。また、スポークは径方向に沿って完全直線路からスポークの偏位または偏差を有し、前記偏位は径方向高さの２５％以下、好ましくは径方向高さの約１５％とすることができる。上記タイヤのスポークは、タイヤ中心に向かって１５ｍｍ撓むときに弾性変形させることができる。

上記実施形態のいずれにおいても、中心線は直線と円弧などの一連の解析的曲線で構成することができ、中心線の両側のスポークの境界線も直線と円弧などの一連の解析的曲線で構成することができる。また、上記実施形態のいずれも商品名ＶＩＢＲＡＴＨＡＮＥＢ８３６で販売されるポリウレタン製スポークを備えることができる。場合によっては、タイヤは、タイヤの外周に沿って繰り返される同一のスポーク形状を対とした一連のスポークを備える。

必ずしも概要部分に記されていない本主題の追加の実施形態は、上記の発明の概要で言及された特徴、構成要素、またはステップ、および／または、本願の別の場所に記載されたその他の特徴、構成要素、またはステップの態様の様々な組み合わせを含み、組み込むことができる。当業者であれば、本明細書の残りの部分を参照することで、上記実施形態およびその他の実施形態の特徴および態様をよりよく理解するであろう。

当業者に示される本主題の十分かつ使用可能な開示を、その最適な形態を含め、添付図面を参照して本明細書で説明する。

スポークを有する非空気式タイヤの斜視図である。 非空気式タイヤにおいて従来使用されていた第１の構造の一対のスポークの、タイヤの中間面に沿った側断面図であり、明瞭化のためにトレッドと剪断リングを取り外している。中間面とは、タイヤの径方向に平行で、タイヤの横方向でタイヤの中間点に一致する面である。 本発明の第１の実施形態に係る一対のスポークの、タイヤの中間面に沿った側断面図であり、明瞭化のためにトレッドを取り外しており、中間面とは、タイヤの径方向に平行で、タイヤの横方向でタイヤの中間点に一致する面である。 偏向状態と非偏向状態の両方における旧スポーク設計と本発明の１実施形態に係るスポーク設計のＦＥＡ結果を示す図であり、１５ｍｍの撓みの場合の両設計のピーク歪力エネルギー密度を示す。 スポークの中央近傍で求めたピーク応力がより明瞭に示されるように図４ＡのＦＥＡ結果を横方向から角度をつけて示した図である。 表１に示したデータにより、旧設計と本発明の１実施形態に係る設計とに関連するピーク歪力エネルギー密度を示すグラフである。 旧スポーク設計よりも材料を効率的に活用した本発明の１実施形態に係る設計を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を詳細に参照し、その１つまたはそれ以上の例を図面に示す。各例は本発明を説明するために提示しており、本発明を限定することを意図していない。たとえば、１実施形態の一部として図示または記載する特徴は別の実施形態と共に使用して、さらに第３の実施形態をもたらすことができる。本発明はこれらのおよびその他の変更および変形を含むと意図される。なお、説明のため、１つまたはそれ以上の図面においては、例示のタイヤ実施形態の一部のみを示している場合がある。参照符号は読者が各種構成要素を特定する際の助けとしてのみ図面中で使用され、実施形態間の限定的差異を導入することを目的としていない。実施形態間の共通または類似の符号は類似の構成要素を指す。

旧形状が亀裂の発生と伝播を原因とする疲労により時折故障しやすいということを前提に、本発明の発明者らは、この現象が発生しにくいように形状を向上させる方法の理論化を進めた。実験が実証するように、ピーク歪力エネルギー密度を低減させる設計は、それに対応して亀裂の発生と伝播を低減させるはずであろう。したがって、発明者らは、どのような形状がピーク歪力エネルギー密度を低下させるのかを判定する反復的工程を利用した。発明者らがＦＥＡ結果によって裏付けされる有効な解決策を発見したことを以下説明する。後述するように、この設計により、実験データに基づくとピーク歪力エネルギー密度は約４０％低下し、スポークの疲労寿命は約２００％向上するはずである。後でさらに詳述するように、この向上値と、その他のタイヤ性能を劣化させずに同じ質量と剛性でこのような向上をもたらす形状とは予期せざる結果である。

図３は、本発明の１実施形態に係るスポークの側断面図である。明瞭化のため、スポークは残りの構造から分離させている。スポーク２０６’、２０６”の断面形状を見ると、スポークＴ２０６の本体厚はスポーク２０６’、２０６”の端部２１２’、２１２”間でタイヤの径方向に沿ったスポーク長全体を通じて変動する。また、スポークは、スポークの湾曲が方向転換する２つの変曲点２１６、２１８と２つの変曲点間の中間点２２０とを含む中心線２１４を有するような形状である。また、スポークの中心線は径方向の直線距離である径方向高さＨｒに沿って延在することができるが、変曲点のために延在しない。

さらに、スポークの中心線からＨｒまで偏位Ｏまたは偏差があり、Ｈｒから中心線２１４まで垂直な方向に測定することができる。これらの特定のスポークの場合、この偏位は中間点２２０で最大値に達する。また、変曲点は、スポークの各端から値Ｈｒの２５％に略等しい距離に位置する。本実施形態の場合、スポークの一端２１２’での厚みは、第１の変曲点２１６で最小値に達するまで漸減する。第１の端部２１２’と第１の変曲点２１６間のスポーク区域は第１の区画２２２と称することができる。その後、スポークは中間点２２０に達するまで厚みが増加し続け、そこで最大値に達する。この第１の変曲点２１６と中間点２２０との間の領域は第２の区画２２４と呼ぶことができる。その後、スポークは第２の変曲点２１８に達するまで厚みが低減し続け、そこで別の最小値に達する。中間点２２０と第２の変曲点２１８間の領域は第３の区画２２６と称することができる。最後に、スポークはスポークの他端２１２’に達するまで厚みが増加し始め、そこで別の最大値に達する。第２の変曲点２１８とスポーク２１２’の他端間の領域は第４の区画２２８と称することができる。

本実施形態の場合、タイヤは２０５／５５Ｎ１６型タイヤであり、つまり、スポークの前端および後端の凹型プロファイルにより（図１に最も良く示される）タイヤの横方向のスポーク深度はトレッド近傍で約２０５ｍｍ、ハブ近傍で１５５ｍｍである。スポーク端部２１２’と中間点２２０の厚みは約３．４ｍｍでほぼ同一であるが、変曲点でのスポーク厚は約２．０ｍｍでほぼ同一である。つまり、スポークの最薄領域の比は約６０％である。これらのスポークは、タイヤ中心に向かって径方向に１５ｍｍ撓んだときに弾性変形するように設計された。このタイヤのスポークの径方向高さＨｒは約７６ｍｍであり、偏位Ｏは約１２ｍｍである。したがって、このタイヤの場合、Ｈｒに対するＯの比は約１５％であるが、２５％とより大きくすることもできるし、あるいはスポークが完全に直線的である場合には０％とすることもできると考えられる。

さらに、スポークの端部と中間部の相対厚は、変曲点でのスポーク厚と同様、スポーク厚がスポークの中心線の長に沿って増減するかぎり変動させることができる。たとえば、第１の端部でのスポーク厚は３．４ｍｍ、第１の変曲点でのスポーク厚は２．４ｍｍ、中間点でのスポーク厚は３．０ｍｍ、第２の変曲点でのスポーク厚は１．５ｍｍ、他端でのスポーク厚は３．６ｍｍとすることができる。また、スポークの形状を画定する曲線はどのような性質でもよい。しかしながら、この特定の実施形態の場合、形状の製造と検査を容易にするため、スポークの中心線や内側および外側境界線として使用される曲線の種類はすべて直線と円弧などの解析的幾何形状とした。また、金型の製造と充填が困難となるほど小さくしないように最小厚を設定するために、形状には実際的な限界がある。

スポークは、処理し、スポークが機能するのに必要な物理的特性を提供するために適切な任意の材料を用いて製造することができる。たとえば、ポリウレタンなどの任意の適切な熱硬化性材料を使用することができる。具体的には、商品名ＶＩＢＲＡＴＨＡＮＥＢ８３６で販売されているポリウレタンが使用可能である。また、各種スポーク間の間隔、およびあるスポークの形状は別のスポークの形状と異ならせることができる。

図４Ａは、偏向モデルと共に、ＡＢＡＱＵＳで作製および分析された旧設計と新設計の非偏向メッシュまたはモデルの該当ピーク歪力エネルギー密度を示す。図４Ｂに最も良く示されるように、旧設計における１５ｍｍの撓みでのピーク歪力エネルギーは約１．０９ｘ１０^-2（ｄａＮ−ｍｍ／ｍｍ³）であり、本発明の１実施形態に係る設計における１５ｍｍの撓みでのピーク歪力エネルギーは約６．７ｘ１０^-3（ｄａＮ−ｍｍ／ｍｍ³）。これらの該当ピーク歪力エネルギー密度は図中の文字「Ａ」によって示される位置に見つかる。さらなる例示のため、両設計のＦＥＡを用いて算出される位置「Ａ」での歪力エネルギー密度対撓みまたは偏位の値を以下の表１と、図４Ｃのグラフに示す。

表１

予測せざることに、ピーク歪力エネルギー密度が最も高いスポークの中央近傍で厚さを増加させることによって、実際にピーク歪力エネルギーは４０％超低下した。当該技術分野において十分既知なビーム厚対歪力に関する式はε＝ｔ／（２＊ｐ）、ただしεは歪力、ｔはビーム厚、ρはビームの曲率半径、であるため、この事実はまさに予期せざるものである。この式は歪力が厚みの増加と共に線形に増加することを示すため、当業者であっても、ビームの厚みを増加させることで歪力が実際に減少することを予測しないであろう。発明者らは、ビームの曲率半径は実際にはビーム厚の関数であるため、厚みを増加させることはある点で歪力を増加させがちであるが、それ以上に曲率半径を増加させることに供し、結果的に全体の歪力を低下させることになると発見した。

この現象を図４Ｄに示す。変曲点近傍の領域を薄化することによって、これらの点はヒンジにより近く作用するため、中間点近傍のスポーク領域は実際にはあまり湾曲せず、変形中のピーク歪力エネルギー密度も低下する。また、スポーク中心の厚さを増加させることで、スポーク中心は湾曲しにくく、変曲点近傍領域は湾曲しやすくなり、ピーク歪力エネルギーの減少に寄与する。よって、スポークの質量ではなく位置を変化させることによって、ピーク歪力エネルギー密度の向上が達成される。言い換えると、スポーク材料の使用がより効率的になる。また、負荷対スポークの撓みをほぼ同一に保つことでスポークおよびタイヤのその他の性能を保持しつつ同じ剛性を達成することができる。もしくは、発明者らの考えでは、スポークの径方向高さの低減と引き換えに、結果的に質量低下につながるピーク歪力エネルギー密度の低減とスポーク疲労寿命の延長という利点が得られ、これは転がり抵抗の減少とブレーキの遊びの増加も意味する。

なお、本発明は本願に開示していないその他のスポーク形状も含む。たとえば、本願に記載される物の他に、トレッドおよびハブの近傍のその他の構造によってスポークを装着することができる。言い換えると、タイヤの径方向で中心線に沿って、ハブとトレッド間で２倍以上厚みが増減する形状の区域を備えたスポーク設計はすべて本発明の１実施形態である。なお、このプロファイルは、タイヤの周方向またはタイヤの転がり方向および径方向に平行であるタイヤ中間面で得られ、この好適なプロファイルは、スポークの大部分が本願に記載の形状に応じたプロファイルを有するかぎり横方向に変動することができる。たとえば、横方向のスポークの前端および後端は、断面が低減されるように丸められた端部を有することができると考えられ、それは本発明の範囲に属する。

また、直線スポークが座屈する際に変曲点を形成する傾向がある場合でも、本発明を実施するために変曲点の存在は必須ではない。さらに、スポークが接触区間から径方向反対側のタイヤ上部にある伸張時に必要な負荷支持能力を提供できるように長すぎないことと同時に、スポークが接触区間またはその近傍にあるときに必要な撓みにとって十分な柔軟性を提供できるかぎり、３つ以上の変曲点の存在も本発明の範囲に含まれると考えられる。また、任意の変曲点の位置は所望に応じて変動させることができ、最大偏位位置は必ずしもスポークの中間点でなくてもよい。また、この方法は、異なる撓みを要する異なるサイズのタイヤにも適用することができる。

結論として、本発明は本明細書に記載の例示の実施形態に対する各種その他の変更を含み、それらの変更は請求項と例示の実施形態の概要での等価物との記述範囲に属すると理解すべきである。たとえば、具体的な実施例はポリウレタンの使用を含んでいるが、その他の熱硬化性または熱可塑性材料も使用可能であると考えられる。また、本明細書に記載の金型は回転金型であったが、射出成形などその他の成形または鋳造技術も利用することができる。これらのおよびその他の実施形態も本発明の精神と範囲に含まれる。

Claims (3)

1. 径方向と横方向とを画定し、トレッドと、本体形状の厚みが略径方向にスポーク長に沿って第１の値から始まり、第２の値まで次第に低減し、次いで第３の値まで次第に増加し、次いで第４の値まで低減し、第５の値まで再度増加するように変動するスポークとを備え、前記スポーク厚が前記スポーク長に沿って２回増減し、前記スポークが４つの区画または領域と前記スポーク長に沿った中心線とを備え、前記中心線が２つの変曲点と前記中心線に沿った前記変曲点間の中間点とを有し、前記第１の値は前記スポークの内側端部における厚みであり、前記第５の値は前記スポークの外側端部における厚みである、
   ことを特徴とするタイヤ。
2. 前記スポーク厚の第１の値が前記スポークの一端で求められ、前記スポーク厚の前記第５の値が前記スポークの他端で求められ、第１の区画が前記厚みが前記第２の値まで低減する第１の端部と第１の変曲点間の遷移領域であり、第２の区画が前記厚みが第３の値まで増加する第１の変曲点と中間点間の遷移領域であり、第３の区画が前記厚みが前記第４の値まで低減する中間点と第２の変曲点間の遷移領域であり、第４の区画が前記厚みが前記第５の値まで増加する前記第２の変曲点と前記スポークの他端間の遷移領域である、
   請求項１によるタイヤ。
3. 前記厚みの前記第２および第４の値が前記第１、第３、第５の値の約６０％である請求項２によるタイヤ。