JP7187102B2 - バンド層を有するタイヤトレッド - Google Patents

Description

本開示は、タイヤトレッド、及びその作製方法に関する。より具体的には、本開示は、トレッドゴム層に取り付けられたバンド層を有するタイヤトレッド、及びその作製方法に関する。

タイヤが非膨張状態又は膨張不足状態で走行することを可能にする様々なタイヤの構造が開発されている。非空気圧式タイヤは膨張を必要としないが、「ランフラットタイヤ」は、パンクし、加圧空気の完全又は部分的な喪失を経験した後で、長期間、比較的高速で動作し続けることができる。非空気圧式タイヤは、複数のスポーク、ウェビング、又はインナーリングをアウターリングに接続する他の支持構造体を含み得る。いくつかの非空気圧式タイヤでは、周方向トレッドは、タイヤのアウターリングの周りに巻き付けられ得る。

周方向トレッドは、上部非弾性領域と下部非弾性領域との間に配設された弾性領域を有する剪断要素を収容してもよい。剪断要素はまた、剪断バンド、トレッドバンド、又は薄い環状の高強度バンド要素と称されてもよい。空気圧式タイヤで使用されるとき、剪断要素は、タイヤが加圧されたときに張力部材として作用する。非空気圧式タイヤ又は非加圧状態若しくは部分加圧状態における空気圧式タイヤで使用されるとき、剪断要素は、構造圧縮部材として作用する。

一実施形態では、非空気圧式タイヤは、回転軸を有するインナーリングと、インナーリングと同軸のアウターリングと、を含む。非空気圧式タイヤは、インナーリングからアウターリングまで延在する支持構造体と、アウターリングの周りに延在する周方向トレッドと、を更に含む。周方向トレッドは、単一の材料で構成されたバンド層と、バンド層に直接取り付けられたトレッドゴム層と、を含む。

添付の図面では、以下の詳細な説明とともに、特許請求される本発明の例示的実施形態を説明する構造が例解される。同様の要素は、同一の参照番号で特定される。単一の構成要素として示される要素は、多数の構成要素に置き換えられ得、多数の構成要素として示されている要素は、単一の構成要素に置き換えられ得ることが理解されるべきである。図面は正確な縮尺ではなく、特定の要素の比率が例解のために誇張されている場合がある。

変形していない非空気圧式タイヤの側面図である。

荷重を受けたときに変形されている図１の非空気圧式タイヤの側面図である。

非空気圧式タイヤの一実施形態の部分的な断面を例解する概略図である。

非空気圧式タイヤの代替的な実施形態の部分的な断面を例解する概略図である。

非空気圧式タイヤの別の代替的な実施形態の部分的な断面を例解する概略図である。

非空気圧式タイヤの更に別の代替的な実施形態の部分的な断面を例解する概略図である。

バンド層の厚さ対バンド層の弾性率を例解するグラフである。

シリンダを形成するための逆流形成システムの一実施形態の断面図である。

図８Ａの逆流形成システムの正面図である。

様々な変形段階における金属プレートを示す金属紡糸システムの一実施形態の斜視図である。

最終形態の金属プレートを示す図９Ａの金属紡糸システムの斜視図である。

図１及び図２は、非空気圧式タイヤ１０の一実施形態を例解する。非空気圧式タイヤ１０は、単に例示的な例解図であり、限定することを意図するものではない。例解される実施形態では、非空気圧式タイヤ１０は、タイヤ１０が装着されるリム（図示せず）と係合する、略環状のインナーリング２０を含む。略環状のインナーリング２０は、内側表面２３及び外側表面２４を有し、エラストマー材料又は金属から作製され得る。

非空気圧式タイヤ１０は、略環状のインナーリング２０に接続された支持構造体である、相互接続されたウェブ４０を取り囲む、略環状のアウターリング３０を更に含む。代替的な実施形態では、複数のスポーク又は他の支持構造体が、インナーリングをアウターリングに接続する。アウターリング３０は、接地面領域３２（図２参照）の周り、及び接地面領域３２を含んでいる面積４８において変形するように構成することができ、この構成が、振動を低減し、乗り心地の良さを高める。

一実施形態では、略環状のインナーリング２０及び略環状のアウターリング３０は、相互連結されたウェブ４０と同じ材料から作製される。代替的な実施形態では、略環状のインナーリング、略環状のアウターリング、及び相互接続されたウェブのうちの少なくとも１つは、異なる材料で作製される。図１に示されたように、概ね環状のアウターリング３０は、トレッド担持層７０が取り付けられる、半径方向外側表面３４を有し得る。取り付けは、接着又は従来技術において通常利用可能な他の方法を用いて実施され得る。

図示された実施形態では、相互連結されたウェブ４０は、複数の略多角形状の開口部５０を画定しているウェブ要素４２の、少なくとも２つの半径方向に隣接する層５６、５８を有している。他の実施形態（図示せず）では、他のウェブ構成が、用いられ得る。別の実施形態（図示せず）では、スポーク又は他の支持構造体が、ウェブの代わりに用いられてもよい。

図３は、非空気圧式タイヤ１００の一実施形態の部分的な断面を例解する概略図である。この実施形態では、非空気圧式タイヤ１００は、インナーリング１１０と、アウターリング１２０と、インナーリングからアウターリングまで延在する支持構造体１３０と、を有するタイヤ構造体を含む。一実施形態では、支持構造体１３０は、図１及び図２に示されるウェビングなどのウェビングである。代替的な実施形態では、支持構造体は、複数のスポークを含む。しかしながら、任意の支持構造体が用いられ得ることが理解されるべきである。

非空気圧式タイヤ１００は、アウターリング１２０と同じ幅を有する周方向トレッドを含む。周方向トレッドは、単一の材料で構成されたバンド層１４０を含む。トレッドゴム層１５０は、バンド層１４０に直接取り付けられる。

例解された構造は、その中立軸の周りの曲げに抵抗することによって、適用された荷重を担持する。バンド層１４０の曲げは、非空気圧式タイヤ１００上の荷重を担持することを支援する。金属又は他の無損失材料がバンド層１４０に使用される場合、アセンブリの転がり抵抗及び発熱が、低減され得る。これは、鋼コードのプライを有する従来のポリマー剪断層からの展開である。かかるポリマー剪断層は、高転がり抵抗性及び発熱性を犠牲にして、荷重担持能力を提供する。

バンド層１４０の単一の材料は、複合材料又は複数の材料の配合物であってもよいが、バンド層１４０は、別個の材料の層から形成されない。一実施形態において、バンド層１４０は、鋼で構成される。特定の一実施形態では、バンド層１４０は、超高強度鋼で構成される。他の例示的な材料としては、限定されるものではないが、ゴム、アルミニウム、黄銅、銅、及びステンレス鋼などの他の金属、又はポリウレタン、ポリエステル、及びポリ塩化ビニル（polyvinyl chloride、ＰＶＣ）を含むポリマー材料が挙げられる。

良好な性能は、高い極限引張強度及び低い表面粗さの状態の表面仕上げを有する材料で構成されたバンド層で実現され得る。一実施形態では、バンド層は、平方インチ当たり少なくとも６０，０００ポンドの力（すなわち、６０ｋｓｉ又は４１０ＭＰａ）の極限引張強度を有する材料で構成される。別の実施形態では、バンド層は、平方インチ当たり少なくとも１２０，０００ポンドの力（すなわち、１２０ｋｓｉ又は８３０ＭＰａ）の極限引張強度を有する材料で構成される。更に別の実施形態では、バンド層は、平方インチ当たり少なくとも２００，０００ポンドの力（すなわち、２００ｋｓｉ又は１４００ＭＰａ）の極限引張強度を有する材料で構成される。高い極限引張強度を有する材料で構成されたバンド層は、より良好な疲労寿命を有する。

追加的に、一実施形態では、バンド層は、１０００マイクロインチ（すなわち、２５マイクロン）未満の平均表面粗さを有する材料で構成される。別の実施形態では、バンド層は、６４マイクロインチ（すなわち、１．６マイクロン）未満の平均表面粗さを有する材料で構成される。更に別の実施形態では、バンド層は、３２マイクロインチ（すなわち、０．８マイクロン）未満の平均表面粗さを有する材料で構成される。粗面仕上げは、接着性のためにより良好であり得るが、より微細な仕上げは、疲労寿命のためにより良好であることが見出されている。

上記で識別された極限引張強度及び平均表面粗さは、ショットピーニング又はレーザー衝撃ピーニングプロセスを通じて調製された高強度鋼において見出され得る。高強度鋼は、特殊鋼であってもよく、特別な熱処理を受容し得る。アルミニウム及びチタンはまた、上記で識別された極限引張強度及び平均表面粗さを呈し得る。

例解された実施形態では、バンド層１４０は、バンド高さ（すなわち、バンド厚さ）Ｈ_Ｂを有し、トレッドゴム層１５０は、バンド高さＨ_Ｂよりも大きいトレッド高さ（すなわち、トレッド厚さ）Ｈ_Ｔを有する。１つの既知の実施形態では、バンド高さは、０．０１０インチ～０．３００インチ（０．２５４ｍｍ～７．６２ｍｍ）である。しかしながら、他の配置が、用いられてもよい。図４は、非空気圧式タイヤ２００の代替的な実施形態の部分的な断面を例解する概略図である。非空気圧式タイヤ２００は、後述される相違点を除いて、本明細書に記載される非空気圧式タイヤ１００と実質的に同じである。同様の要素には同様の参照番号を使用する。

この実施形態では、周方向トレッドは、バンド層２１０及びトレッドゴム層２２０を含む。ここで、バンド層２１０は、バンド高さＨ_Ｂを有し、トレッドゴム層２２０は、バンド高さＨ_Ｂに等しいトレッド高さＨ_Ｔを有する。

図５は、非空気圧式タイヤ３００の別の代替的な実施形態の部分的な断面を例解する概略図である。非空気圧式タイヤ３００は、後述される相違点を除いて、本明細書に記載の非空気圧式タイヤ１００、２００と実質的に同じである。同様の要素には同様の参照番号を使用する。

この実施形態では、周方向トレッドは、バンド層３１０及びトレッドゴム層３２０を含む。ここで、バンド層３１０は、バンド高さＨ_Ｂを有し、トレッドゴム層３２０は、バンド高さＨ_Ｂ未満のトレッド高さＨ_Ｔを有する。

図６は、非空気圧式タイヤ４００の更に別の代替的な実施形態の部分的な断面を例解する概略図である。非空気圧式タイヤ４００は、後述される相違点を除いて、本明細書に記載の非空気圧式タイヤ１００、２００、３００と実質的に同じである。同様の要素には同様の参照番号を使用する。

この実施形態では、周方向トレッドは、バンド層４１０及びトレッドゴム層４２０を含む。ここで、バンド層３１０は、バンド高さＨ_Ｂを有し、トレッドゴム層３２０は、タイヤ３００と同様に、バンド高さＨ_Ｂ未満のトレッド高さＨ_Ｔを有する。この実施形態では、トレッドゴム層４２０はまた、バンド層４１０の幅未満の幅を有する。

別の代替的な実施形態（図示せず）では、トレッドゴム層は、バンド層の幅未満の幅、及びバンド層の高さに等しい高さを有する。更に別の代替的な実施形態（図示せず）では、トレッドゴム層は、バンド層の幅未満の幅、及びバンド層の高さよりも大きい高さを有する。

バンド層及びトレッド層の高さは、非空気圧式タイヤの望ましい性能を提供するように選択されてもよい。例えば、バンド層の曲げ剛性をバンド層の厚さとバランスを取って、所望の偏向で所望の荷重を担持するために中立軸の周りの曲げモーメントを調整することが望ましい場合がある。図７に示されるように、特定の垂直偏向で特定の荷重を支持するために必要なバンド層の厚さとバンド層の弾性率との間に関係を確立することができる。

バンド層及びトレッドゴム層の高さを選択することがまた、タイヤ設計者が、周方向トレッドの中立軸の場所を選択することを可能にする。例えば、中立軸の場所は、周方向トレッドが異なる方向に異なる曲げ剛性を有するように選択されてもよい。中立軸がタイヤの外径に近い場合、接地面の前縁部及び後縁部は、屈曲することがより難しくなり、それゆえ荷重担持能力が増加する。しかしながら、タイヤが物体を横切って転がる場合、その方向でより低い曲げ剛性を有することにより、より容易な外装及びより快適な乗り心地を可能にする。

各層の材料及び高さを選択する際、他の要因が、考慮され得る。例えば、バンド層の厚さを低減させて、体積及び重量を低減すること、並びにタイヤの回転中に発生する熱量を低減することが望ましい場合がある。しかしながら、バンド層の厚さを増加させて、バンド層の応力を低減させることが望ましい場合がある。

追加的に、接地面の長さを調節するために、トレッドゴム層及びバンド層の厚さ及び剛性を選択することが望ましい場合がある。

シームレス金属シリンダの形態のバンドは、良好な結果をもたらすことが判明している。かかるシリンダは、２０～５０インチ（５０～１３０ｃｍ）の直径を有してもよい。より具体的な実施形態では、シリンダは、３０～４０インチ（７５～１００ｃｍ）の直径を有する。特定の一実施形態では、シリンダは、３６インチ（９１ｃｍ）の直径を有する。

上述されたように、シリンダの厚さは、０．０１０インチ～０．３００インチ（０．２５４ｍｍ～７．６２ｍｍ）であってもよい。より具体的な実施形態では、シリンダの厚さは、０．０２０インチ～０．１５０インチ（０．５０ｍｍ～３．８ｍｍ）である。特定の一実施形態では、シリンダの厚さは、０．１４５インチ（３．６８ｍｍ）である。

上述のように、シームレスシリンダは、鋼製であってもよい。例示的な鋼は、超高強度鋼、４３４０鋼、又は１０８０鋼を含む。代替的に、シームレスシリンダは、合金で形成されてもよい。

一実施形態では、シームレスシリンダは、所望の直径を備えるシリンダを生成し得る荒鍛造プロセスによって作製される。しかしながら、直径２０～５０インチ及び厚さ０．０１０インチ～０．３００インチを有するシリンダを鍛造することは困難である。かかる寸法を備えるシリンダを鍛造することは、亀裂、マイクロクラック、又は他の不規則性をもたらし得る。

したがって、代替的な実施形態では、２０～５０インチの直径及び０．３００インチ～１インチの厚さを備えるシームレスシリンダは、荒鍛造プロセスによって作製される。次いで、シリンダは、０．０１０インチ～０．３００インチの所望の厚さに機械加工又は旋盤加工される。機械加工又は旋盤加工は、複数の工程で実行されてもよい。シリンダはまた、熱処理工程及び研磨工程に供されてもよい。かかるプロセスは、時間集約的であり得、望ましくない廃棄物を生成する場合がある。

別の代替的な実施形態では、２０～５０インチの直径及び０．３００インチ～１インチの厚さを備えるシームレスシリンダは、荒鍛造プロセスによって作製される。次いで、シリンダの厚さは、冷間形成プロセスによって低減される。例示的な冷間形成プロセスは、深絞り、閉塞鍛造、金属紡糸、及び流動形成（逆流形成を含む）を含む。特定の一実施形態では、３６インチの直径及び０．５インチの厚さを備えるシームレスシリンダは、荒鍛造プロセスによって形成され、次いで、厚さは、冷間形成プロセスによって０．０１０インチ～０．３００インチに低減される。

冷間形成プロセスは、両方とも、厚さを低減させ、シリンダの長さを増加させる。それゆえ、一実施形態では、シリンダは、所望よりも短い長さで荒鍛造され、冷間形成プロセスは、所望の長さまでシリンダを伸長させる。別の実施形態では、冷間形成プロセスは、所望の長さを超えるまでシリンダを伸長させる。かかる実施形態では、冷間形成されたシリンダは、２つ以上のシリンダに切断されてもよい。

冷間形成プロセスはまた、シリンダの硬度を増加させる。１つの既知の実施形態では、鋼製シリンダは、冷間形成プロセス後、ロックウェルＣスケールで４５～６０の硬度を有する。代替的に、鋼製シリンダは、冷間形成プロセス後、ロックウェルＣスケールの４５未満の硬度を有し得る。同様に、鋼製シリンダは、冷間形成プロセス後、ロックウェルＣスケールの４５超の硬度を有し得る。

シームレスシリンダは、熱処理を行うことなく、荒鍛造及び冷間形成プロセスによって形成されてもよい。しかしながら、他の実施形態では、熱処理が、なお実施されてもよい。特定の一実施形態では、真空不活性ガス急冷硬化として既知の特殊な熱処理プロセスが用いられる。このプロセスは、油、水、又はエチレングリコールクエンチによって続く標準的な炉熱処理と同じ特性を実現するが、プロセス中に、鋼に対する酸化を防止するという別個の利益を有する。応力除去、硬化、及び焼戻しの工程は、鋼に対する酸化を防止するために完全な真空下で実施され得る。かかる熱処理プロセス中に酸化がほとんど又は全く存在しないため、研削又は研磨などの追加の加工は、省略されてもよい。

冷間形成プロセスはまた、シリンダの外側表面を平滑化する。それゆえ、シームレスシリンダは、シリンダを研磨することなく、荒鍛造及び冷間形成プロセスによって形成され得る。他の実施形態では、研磨工程が、なお実施され得る。

一実施形態では、冷間形成プロセスは、図８Ａ、図８Ｂで示されるように、逆流形成プロセスである。図８Ａは、逆流形成システム５００の断面図を例解し、一方で図８Ｂは、逆流形成システム５００の正面図を例解する。このシステムでは、シームレスシリンダ５１０が、スピンドル５３０を有するマンドレル５２０上に配置される。シームレスシリンダ５１０は、開放端となっており、プリフォームと称されてもよい。シームレスシリンダ５１０は、上記で識別された材料のうちの１つで構成されてもよく、荒鍛造プロセスによって形成されてもよい。

シームレスシリンダ５１０がマンドレル５２０上に配置された後、スピンドル５３０は、マンドレル５２０及びシームレスシリンダ５１０を第１の方向に回転させる。複数のローラ５４０は、シームレスシリンダ５１０と係合し、ローラ５４０は、第１の方向とは反対の第２の方向に回転する。テールストック５５０は、システムの支持を提供する。

次いで、ローラ５４０は、スピンドルに向かって移動し、シームレスシリンダ５１０の厚さを低減させ、シリンダの材料をローラ５４０の進行方向と反対の方向に移動させる。例解された実施形態では、３つのシリンダが、用いられる。代替的な実施形態では、任意の数のローラが、用いられてもよい。

一実施形態では、ローラ５４０は、完成したシリンダの所望の厚さに等しい距離だけマンドレル５２０から離間される。それゆえ、かかる実施形態では、シリンダ５１０の厚さは、ローラ５４０の単一の通過によって所望の厚さまで低減される。代替的な実施形態では、ローラ５４０は、最初に、完成したシリンダの所望の厚さ超の距離だけ離間される。かかる実施形態では、ローラ５４０の第１の通過後、ローラ５４０は、軸方向の開始位置に戻され、ローラ５４０とマンドレル５２０との間の距離が低減される。次いで、ローラの第２の通過が、実施される。シリンダの厚さが所望よりもなお大きい場合、所望に応じて多くの通過に対して、プロセスを繰り返すことができる。

全ての実施形態では、ローラ５４０は、軸方向及び径方向の両方に交互に配列されてもよい。

代替的な実施形態では、シームレスシリンダは、金属紡糸プロセスによって形成される。図９Ａは、様々な変形段階における金属プレート６１０を示す金属紡糸システム６００の斜視図を例解する。図９Ｂは、金属プレートを最終形態で示す金属紡糸システム６００の斜視図を例解する。

例解された実施形態では、プレート６１０は、マンドレル６２０に対して配置され、テールストック６３０によって定位置に保持される。次いで、マンドレル６２０及びテールストック６３０は、第１の方向に回転し、プレート６１０を同じ方向に回転させる。次いで、ローラ６４０は、プレート６１０と係合し、第１の方向とは反対の第２の方向に回転する。次いで、ローラ６４０は、図９Ａに示されるようにプレート６１０を変形させ、マンドレル６２０の形状を採る、テールストック６３０から離れて移動する。

ローラ６４０がその通過を完了した後、変形されたプレート６１０は、円筒形状端部を有する閉じた形状を有する。次いで、変形したプレート６１０の円筒形状端部を切断するか、又は別様に分離することができる。

一実施形態では、周方向トレッドは、最初にバンド層及びトレッドゴム層を組み立てることによって予め形成される。次いで、周方向トレッドは、接着剤で、溶接若しくはろう付けによって、又は結合を形成するために構成要素を加熱することによってなど、化学結合によってアウターリング１２０に取り付けられる。

代替的な実施形態では、周方向トレッドは、アウターリング１２０上に層によって構築されてもよい。構築プロセスは、バンド層をアウターリング１２０の周りに配置することと、次いでトレッドゴム層をバンド層の周りに配置することと、を含む。一実施形態では、層は、接着剤で、溶接若しくはろう付けによって、又は結合を形成するために構成要素を加熱することによってなどの化学結合によってなど、各工程で互いに取り付けられる。代替的な実施形態では、タイヤは、層が互いに結合するように、全ての層が組み立てられた後に加熱される。

バンド層及びトレッドゴム層は、非空気圧式タイヤに関して説明されるが、ランフラット空気圧式タイヤなどの空気圧式タイヤにも用いられてもよいことを理解されたい。

「含む（includes）」又は「含むこと（including）」という用語が、本明細書又は特許請求の範囲において使用される範囲まで、「含む（comprising）」という用語が特許請求項で移行句として採用される際の解釈と同様に包括的であることが意図される。更に、「又は（or）」という用語が採用される範囲において（例えば、Ａ又はＢなど）、「Ａ又はＢ、又はＡとＢの両方とも」を意味することが意図されている。本出願人らが「Ａ又はＢの両方ではなく一方のみ」を示すことを意図する場合、「Ａ又はＢの両方ではなく一方のみ」という用語が採用されるであろう。したがって、本明細書における「又は」という用語の使用は、排他的ではなく、包括的である。Ｂｒｙａｎ Ａ．Ｇａｒｎｅｒ，Ａ Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｌｅｇａｌ Ｕｓａｇｅ ６２４（２ｄ．Ｅｄ．１９９５）。また、「中（in）」又は「中へ（into）」という用語が、本明細書又は特許請求の範囲において使用される範囲において、「上（on）」又は「上へ（onto）」を追加的に意味することが意図される。更に、「接続する（connect）」という用語が本明細書又は特許請求の範囲において使用される限りにおいて、「と直接接続する（directly connected to）」ことだけではなく、別の構成要素を介して接続することなどのように「と間接的に接続する（indirectly connected to）」ことも意味することが意図される。

本出願をその実施形態の記述によって例解し、またその実施形態をかなり詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲をこのような詳細に制限するか、又はいかなる形でも限定することは、出願人の本意ではない。追加の利点及び改良が、当業者には容易に明らかとなるであろう。したがって、そのより広い態様における本出願は、図示及び説明される、特定の詳細、代表的な装置及び方法、並びに例解的な実施例に限定されない。このため、出願人の一般的な発明概念の趣旨又は範囲から逸脱することなく、このような詳細からの逸脱がなされ得る。

Claims (4)

1. 非空気圧式タイヤであって、
   回転軸を有するインナーリングと、
   前記インナーリングと同軸のアウターリングと、
   前記インナーリングから前記アウターリングまで延在する支持構造体と、
   前記アウターリングの周りに延在する周方向トレッドであって、前記周方向トレッドが、単一の金属材料で構成されたシームレスシリンダと、前記シームレスシリンダに直接取り 付けられたトレッドゴム層と、を含み、前記シームレスシリンダが５０ｃｍ～１３０ｃｍの範囲の直径と０．２５４ｍｍ～７．６２ｍｍの範囲の厚さとを有する、周方向トレッドと、
   を備える、非空気圧式タイヤ。
2. 前記シームレスシリンダが、前記アウターリングに直接取り付けられている、請求項１に記載の非空気圧式タイヤ。
3. 前記単一の金属材料が、少なくとも４１０ＭＰａの極限引張強度を有する、請求項１に記載の非空気圧式タイヤ。
4. 前記単一の金属材料が、２５マイクロン未満の平均表面粗さの状態の表面を有する、請求項１に記載の非空気圧式タイヤ。

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