WO2010137345A1

WO2010137345A1 - 共鳴器の設計方法及び共鳴器を具える空気入りタイヤ

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Publication number: WO2010137345A1
Application number: PCT/JP2010/003615
Authority: WO
Inventors: 充幸和氣; 藤原　修; 佐口　隆成
Original assignee: 株式会社ブリヂストン
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2010-12-02
Also published as: EP2436534A1; JP5255520B2; EP2436534B1; US20120067479A1; KR101311593B1; EP2436534A4; CN102448742A; KR20120023020A; JP2010274787A

Abstract

トレッド部踏面４に、周方向溝５を具え、周方向溝５と路面とで形成される管内の共鳴により発生する騒音を低減するための共鳴器１を有し、共鳴器１は、周方向溝５から分岐して延びる枝溝部２及び、枝溝部２につながり、延在方向に直交する断面の面積が枝溝部２のそれよりも大きい気室部３を具える空気入りタイヤの共鳴器１の設計方法において、枝溝部２の中心軸O-O'の長さをｌ、前記周方向溝の接地路面内における接地長をＬ、該枝溝部の最も断面積が小さい部分をＳ_min、前記気室部の断面積の最も大きい部分をS_maxとしたとき、枝溝部がＳ_minとなる位置l₁が周方向溝への開口部よりl_１／Ｌ＜１／πであり、且つ、l_２／Ｌ＜（ｌ－l_１）／Ｌ＜１／πであり、かつ、共鳴器の形状l／Ｌと、Ｓ_ｍｉｎ／Ｓ_ｍａｘの関係が、下記式を満たす方法、および該方法より設計された共鳴器を備える空気入りタイヤ。

Description

共鳴器の設計方法及び共鳴器を具える空気入りタイヤ

　この発明は、トレッド部踏面に、タイヤ周方向に延びる少なくとも一本の周方向溝と、周方向溝と接地路面とで区画される管内の共鳴により発生する騒音を低減する複数の共鳴器とを具える空気入りタイヤに関するものであり、かかる空気入りタイヤから生じる騒音を低減し、静粛性の向上を図るとともに、制動性能、排水性能及びウェット路面における操縦安定性の向上を図る。

　近年、車両の静粛化に伴って、空気入りタイヤの負荷転動に起因した自動車騒音に対する寄与が大きくなり、その低減が求められている。中でも、高周波数、特に、１０００Ｈｚ周辺のタイヤノイズが車外騒音の主たる原因となっており、環境問題の対応からも、その低減対策が求められている。

　この１０００Ｈｚ周辺のタイヤノイズは、主に気柱共鳴音により発生する。気柱共鳴音とは、トレッド部踏面の周方向に連続して延びる周方向溝と、路面とによって囲曉される管内の空気の共鳴により発生する騒音であり、一般的な乗用車では８００～１２００Ｈｚ程度に観測されることが多く、ピークの音圧レベルが高く、周波数帯域が広いことから、空気入りタイヤから発生する騒音の大部分を占めている。図１に示すように、周方向溝が接地面内に存在し、通常の内圧・負荷荷重条件で周方向溝の接地面内での長さをＬとしたとき、周方向溝から発生する気中共鳴音の共鳴周波数(Ｈｚ)は、

により求めることができる。ここでいう「ｎ」はｎ次の共鳴に対応するものであり、「ｃ」は空気中の音速を表す。一般的には大気圧1気圧、気温２０℃の条件下で３４３．７(m/s)で与えられる。数１で示されるように無限に存在する共鳴次数のうち、一次の共鳴音(ｎ＝１)が騒音に対し主要なピークを形成し、その周波数は一般的な乗用車で８００～１２００Ｈｚ程度に観測されることが多い。すなわち、

が問題となる気柱共鳴周波数となる。

　また、人間の聴覚は、１０００Ｈｚ周辺の周波数帯域（Ａ特性）で特に敏感であることから、走行時のフィーリング面での静粛性を向上させる上でも、このような気柱共鳴音の低減は有効である。

　そこで、かかる気柱共鳴音の低減を目的として、周方向溝の配設本数や容積を減じることが広く行われている他、特許文献１に開示されているように、図２に示すような、一端だけが周方向溝に開口し、他端が陸部内で終端する長い横溝（サイドブランチタイプの共鳴器）を設けて、その共鳴器内での反共振を用いて気柱共鳴音を低減させることが提案されている。しかし、周方向溝の溝容積を減少させた空気入りタイヤの、排水性能の向上が希求されている。また、特許文献１に記載の空気入りタイヤでは、長い横溝の配設が必須であることから、トレッドパターンのデザイン上の自由度を向上し、かつ、陸部の剛性を確保して操縦安定性を向上することが希求されている。このようなサイドブランチタイプの共鳴周波数は、図３に示すように、共鳴器の溝長さをｌとしたとき、

で表現され、特にｎ＝１としたときの周波数である、

を数２の周波数と一致させることで共鳴器として作用させることができる。

　これらの対策として、特許文献２に記載されているように、タイヤ周方向溝から分岐して延びる枝溝部及び、かかる枝溝部につながり、枝溝部よりも延在方向に直交する断面の面積が大きい気室部を具えるヘルムホルツタイプの共鳴器を配設することによって、共鳴器による反共振を利用して気柱共鳴音を低減する技術も提案されている（図４参照）。このことにより、周方向溝の溝容積を充分に確保して、排水性能を向上しつつも、特許文献１に記載の空気入りタイヤと比較してトレッドパターンのデザイン上の自由度を向上させることができる。ヘルムホルツタイプの共鳴器の周波数は、

で表現される。ここで、Ｓは細管の断面積、ｌ_hは細管の長さ、Ｖは気室部の体積を示す。なお、単純な共鳴器の周波数は数４及び５で見積もることが出来るが、一般的な形状においては、特許文献３に開示され、図５に示すような段付きタイプの共鳴器で考えることが望ましい。

　図６に模式的に示す、段付きタイプの共鳴器の基本共鳴周波数(ｎ＝１)は、以下の式を満足するｆで表現される。

　ここで、ｌ_１、ｌ_２はそれぞれ管の長さ、Ｓ_ｍｉｎ、Ｓ_ｍａｘはそれぞれ管の断面積を示す。この数６から得られる共鳴器の基本周波数を主溝の気柱共鳴周波数（数２）と一致させるか、近い周波数に設計することで共鳴器はその効果を充分に発揮し効率よく騒音を低減させることができる。

国際公開第２００４／１０３７３７号パンフレット国際公開第２００７／１１４４３０号パンフレット特開２００８－１７９２８９号公報特開２００７－２３７７５１号公報特開２００７－２３７７５２号公報

　しかし、数６は一般的な設計の際に使用し得るものであるものの、式が超越であることから解析解をここから得ることが出来ない。従って、共鳴器の設計段階で複数回にわたる試行錯誤（trial and error）を要し、設計に時間及び手間を要し、効率が悪い。また、共鳴器が周方向溝の接地長の変動に対しどの程度安定的に作用するかについても、共鳴器を具えるタイヤを走行させて試験するまでは不明であった。一般的に複雑な形状に対しては、特許文献４及び５で開示されているように、数値計算を用いて共鳴器の共鳴周波数を求めることが可能である。しかしながら計算モデルを作成する工数などの問題から、より簡易な共鳴器の設計方法が希求されている。

　したがって、この発明の目的は、式が超越とならないようなモデル式を導き出すことにより、より簡易に共鳴器を設計する方法を提供することにある。また、この発明の更なる目的は、かかる設計方法により設計された共鳴器を具える空気入りタイヤを提供することにある。

　前記目的を達成するため、この発明の共鳴器の設計方法は、トレッド部踏面に、タイヤ周方向に延びる少なくとも一本の周方向溝を具え、該周方向溝と路面とで形成される管内の共鳴により発生する騒音を低減するための共鳴器を有し、該共鳴器は、該周方向溝から分岐して延びる枝溝部及び、該枝溝部につながり、延在方向に直交する断面の面積が該枝溝部のそれよりも大きい気室部を具える空気入りタイヤの共鳴器の設計方法において、前記枝溝部の中心軸O-O’の長さをｌ、前記周方向溝の接地路面内における接地長をＬ、該枝溝部の最も断面積が小さい部分をＳ_min、前記気室部の断面積の最も大きい部分をS_maxとしたとき、枝溝部がＳ_minとなる位置l₁が周方向溝への開口部よりl_１／Ｌ＜１／πであり、且つ、l_２／Ｌ＜（ｌ－l_１）／Ｌ＜１／πであり、かつ、共鳴器の形状l／Ｌと、Ｓ_ｍｉｎ／Ｓ_ｍａｘの関係が、

と、

となるよう共鳴器を設計することを特徴としている。ここでいう「周方向溝」とは、タイヤ周方向に直線状に延びる溝のみならず、ジグザグ状又は波状に延び、タイヤ全体としてタイヤ周方向に一周する溝をいうものとし、「接地路面」とは、ＪＡＴＭＡ、ＥＴＲＴＯ、ＴＲＡ等で規定されている標準空気圧（大気圧：１気圧）のもとで、通常負荷荷重を空気入りタイヤに負荷し、常温（一般に２０℃）の条件下にて転動させた際の、接地路面と接触しているトレッド部踏面の領域をいうものとする。また、上記l（l₁、l₂）、L、Ｓ_min、Ｓ_maxは、常温（一般に20℃）にて、ＪＡＴＭＡ、ＥＴＲＴＯ、ＴＲＡ等で規定されている標準空気圧（大気圧：１気圧）のもとで、通常負荷荷重を空気入りタイヤに負荷した条件下にあるものである。

　また、この発明の空気入りタイヤは、トレッド部踏面に、タイヤ周方向に延びる少なくとも一本の周方向溝を具え、該周方向溝と路面とで形成される管内の共鳴により発生する騒音を低減するための共鳴器を有し、該共鳴器は、該周方向溝から分岐して延びる枝溝部及び、該枝溝部につながり、延在方向に直交する断面の面積が該枝溝部のそれよりも大きい気室部を具える空気入りタイヤであって、前記枝溝部の中心軸O-O’の長さをｌ、前記周方向溝の接地路面内における接地長をＬ、該枝溝部の最も断面積が小さい部分をＳ_min、前記気室部の断面積の最も大きい部分をS_maxとしたとき、枝溝部がＳ_minとなる位置l₁が周方向溝への開口部よりl_１／Ｌ＜１／πであり、且つ、l_２／Ｌ＜（ｌ－l_１）／Ｌ＜１／πであり、かつ、共鳴器の形状l／Ｌと、Ｓ_ｍｉｎ／Ｓ_ｍａｘの関係が、

と、

を満たすことを特徴とする。

　この発明によれば、式が超越とならないようなモデル式を導き出すことにより、より簡易に共鳴器を設計する方法を提供すること、更には、かかる設計方法により設計された共鳴器を具える空気入りタイヤを提供することが可能となる。

接地面内にある周方向溝を模式的に示す図である。（ａ）は、サイドブランチタイプの共鳴器を具えるトレッド部の一部の展開図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す展開図のＡ－Ａ’線断面図である。サイドブランチタイプの共鳴器を模式的に示す図である。ヘルムホルツタイプの共鳴器を模式的に示す図である。（ａ）は、段付きタイプの共鳴器を具えるトレッド部の一部の展開図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す展開図のＡ－Ａ’線断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に示す展開図のＢ－Ｂ’線断面図である。段付きタイプの共鳴器を模式的に示す図である。この発明に従う設計方法により空気入りタイヤに設けられた共鳴器の気中共鳴音の最適化領域を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は、従来例の空気入りタイヤのトレッド部の一部の展開図である。（ａ）～（ｆ）は、この発明に従う設計方法により共鳴器を設けた空気入りタイヤのトレッド部の一部の展開図である。

　以下、図面を参照しつつ、この発明の実施の形態を説明する。図７は、この発明に従う設計方法により空気入りタイヤ（以下「タイヤ」という。）に設けられた共鳴器の気中共鳴音の最適化領域（斜線部分）を示す図である。図９（ａ）～（ｆ）は、この発明に従う設計方法により共鳴器を設けた空気入りタイヤのトレッド部の一部の展開図である。

　この発明の共鳴器の設計方法は、図９（ａ）に示すように、トレッド部踏面４に、タイヤ周方向に延びる少なくとも一本の周方向溝５を具え、周方向溝５と路面とで形成される管内の共鳴により発生する騒音を低減するための共鳴器１を有し、共鳴器１は、該周方向溝５から分岐して延びる枝溝部２及び、枝溝部２につながり、延在方向に直交する断面の面積が枝溝部２のそれよりも大きい気室部３を具えるタイヤにおける、共鳴器１の設計方法に関する。かかる設計方法は、枝溝部２の中心軸O-O’の長さをｌ、周方向溝５の接地路面内における接地長をＬ、枝溝部２の最も断面積が小さい部分をＳ_min、気室部３の断面積の最も大きい部分をS_maxとしたとき、枝溝部２がＳ_minとなる位置l₁が周方向溝５への開口部よりl_１／Ｌ＜１／πであり、且つ、l_２／Ｌ＜（ｌ－l_１）／Ｌ＜１／πであり、かつ、共鳴器の形状l／Ｌと、Ｓ_ｍｉｎ／Ｓ_ｍａｘの関係が、

と、

を満たすように共鳴器１を設計するものである。なお、周方向溝５は直線状に限定されるものではなく、曲線状、ジグザグ状等のその他の形状とすることも可能である。

　発明者らは、枝溝部２及び気室部３からなる共鳴器１を用いる場合、周方向溝５に開口している端付近に断面積が小さい領域を持つことが望ましく、その結果、断面積の小さい部分での音響エネルギーの減衰作用が期待できることを見出した。また、特に軸線に沿って終端に近い領域においては共鳴器１の体積を実質的に決定付けるものである。そのような体積はＳ_ｍｉｎを取る位置から終端に近い共鳴器１のいずれの位置で確保しても同様の効果を有し、該領域での体積の代表値として共鳴器１の最大断面積をＳ_ｍａｘとするものである。

　上記事項を踏まえ、最も一般的な段付きタイプの共鳴器１における共鳴周波数が、気柱共鳴音の周波数と一致する周波数を考慮して、数２より得られる周波数を数６に代入すると、

となる。πｌ_１／Ｌ、πｌ_２／Ｌが1より充分に小さい場合に、数１３はマクローロン展開することにより、

に変換される。このことから、以下の数式を導くことができる。

ここで、πｌ_１／Ｌ、πｌ_２／Ｌが1より充分に小さいとの仮定より本設計方法で設計される共鳴器は、特に、

を満たす必要がある。

　また、一般的に共鳴器１の基本周波数と気柱共鳴音の周波数とは厳密に一致する必要はなく、略２０～３０％程度の周波数の帯域差を有していてもその効果は充分に期待できる。すなわち数２において、

としたとき、β＝0.75及びβ＝1.25がそれぞれ本設計方法を用いた際の低い周波数及び高い周波数の設計限界となる。すなわち数１５は、

と改められる。
　すなわち、共鳴器１の軸線長さと主溝長さの比l／Ｌと、共鳴器の断面積比Ｓ_ｍｉｎ／Ｓ_ｍａｘの関係は図７の斜線部分に該当することとなる。なお、ここで斜線部を決定する上限の式は前記の本設計方法の制約に従い、

で与えられ、下限の式は

で与えられる。本設計手法で規定される範囲はl／Ｌ＝0.562、Ｓ_ｍｉｎ／Ｓ_ｍａｘ＝0.995が上限となり、好ましくは数７及び８で規定される、図７の斜線部分（最適化領域）の中央位置付近に共鳴器を設計することで、内圧、荷重、路面等の変化に対して安定的に騒音を低減することが可能となる。また、本発明では、共鳴器を設計する上での式が超越とはならないことから、簡易に共鳴器の形状要因を決定でき、適当な共鳴器を容易に設計でき、効果的に気柱共鳴音を低減することのできるタイヤを提供することが可能となる。

　また、図示は省略するが、共鳴器１は、複数のタイヤ周方向ピッチにて、すなわち、いわゆるバリアブルピッチにて配設されることが好ましい。なぜなら、共鳴器１が全て同一の周方向ピッチで配設される場合には、タイヤ負荷転動時に、タイヤ周方向に隣接した共鳴器１のピッチノイズが相互に共鳴して増幅し、騒音となる可能性があるからである。

　更に、共鳴器１の配設ピッチが、接地長よりも小さいことが好ましい。なぜなら、共鳴器１の配設ピッチが、接地長よりも大きい場合には、タイヤが路面に接地していても、共鳴器１が路面に接地せずに、気柱共鳴音を有効に低減することができない可能性があるからである。

　また、上記設計方法により共鳴器１を設けたタイヤにおいて、陸部剛性及び排水性の観点から、共鳴器１と周方向溝５とを連通させるサイプを少なくとも一本具えることが好ましい。ここでいう「サイプ」とは、接地時に断面積が９０％以上減少する領域を持つ細溝であって、ｌやＳの算出には含まれないものである。このとき、サイプの幅が２ｍｍ以下であることが好ましい。

　なお、上述したところはこの発明の実施形態の一部を示したに過ぎず、この発明の趣旨を逸脱しない限り、これらの構成を交互に組み合わせたり、種々の変更を加えたりすることができる。

　次に、従来技術の共鳴器を具える従来のタイヤ（従来例タイヤ１及び２）、この発明に従う設計方法により設計されたサイプを具えるタイヤ（実施例タイヤ１～６）を、タイヤサイズ２２５／４５Ｒ１７の乗用車用ラジアルタイヤとして、夫々試作し、性能評価を行ったので、以下に説明する。

　従来例タイヤ１及び２は、夫々図８（ａ）及び（ｂ）に示すトレッドパターンを有し、周方向溝及びかかる周方向溝に開口する従来技術の共鳴器を具えている。実施例タイヤ１～６は、夫々図９（ａ）～（ｆ）に示すトレッドパターンを有し、周方向溝と、この発明に従う設計方法により設計された共鳴器を具えている。なお、全ての共鳴器の深さは、６．５ｍｍであり、夫々にタイヤについては、表１に示す諸元を有する。

　これら各供試タイヤをサイズ７．５Ｊのリムに取付けてタイヤ車輪とし、空気圧：２１０ｋＰａ（相対圧）、タイヤ負荷荷重：４.０ｋＮを適用し、時速８０ｋｍ／ｈにて、室内ドラム試験機上で走行させた際のタイヤ側方音をＪＡＳＯ　Ｃ６０６規格にて定める条件で測定して、１／３オクターブ中心周波数８００－１０００－１２５０Ｈｚ帯域における、パーシャルオーバーオール値を演算して、気柱共鳴音を評価した。また、気柱共鳴音の評価は、従来例タイヤ１から発生する騒音の音量に対し増減している音量を相対値として算出することにより、気柱共鳴音の低減効果を評価した。その結果を表１に示す。

　表１の結果から明らかなように、実施例タイヤ１～６は、従来例タイヤ１及び２に比べ、気柱共鳴音が低減している。

　以上のことから明らかなように、式が超越とならないようなモデル式を導き出すことにより、外観性及びデザインの自由度を確保した上で、より簡易に共鳴器を設計する方法を提供することが可能となった。また、かかる設計方法により設計された共鳴器を具えるタイヤを提供することが可能となった。

１　共鳴器
２　枝溝部
３　気室部
４　トレッド部踏面
５　周方向溝

Claims

　トレッド部踏面に、タイヤ周方向に延びる少なくとも一本の周方向溝を具え、該周方向溝と路面とで形成される管内の共鳴により発生する騒音を低減するための共鳴器を有し、該共鳴器は、該周方向溝から分岐して延びる枝溝部及び、該枝溝部につながり、延在方向に直交する断面の面積が該枝溝部のそれよりも大きい気室部を具える空気入りタイヤの共鳴器の設計方法において、
　前記枝溝部の中心軸O-O’の長さをｌ、前記周方向溝の接地路面内における接地長をＬ、該枝溝部の最も断面積が小さい部分をＳ_min、前記気室部の断面積の最も大きい部分をS_maxとしたとき、枝溝部がＳ_minとなる位置l₁が周方向溝への開口部よりl_１／Ｌ＜１／πであり、且つ、l_２／Ｌ＜（ｌ－l_１）／Ｌ＜１／πであり、かつ、共鳴器の形状l／Ｌと、Ｓ_ｍｉｎ／Ｓ_ｍａｘの関係が、

となるよう共鳴器を設計することを特徴とする共鳴器の設計方法。
　トレッド部踏面に、タイヤ周方向に延びる少なくとも一本の周方向溝を具え、該周方向溝と路面とで形成される管内の共鳴により発生する騒音を低減するための共鳴器を有し、該共鳴器は、該周方向溝から分岐して延びる枝溝部及び、該枝溝部につながり、延在方向に直交する断面の面積が該枝溝部のそれよりも大きい気室部を具える空気入りタイヤにおいて、
　前記枝溝部の中心軸O-O’の長さをｌ、前記周方向溝の接地路面内における接地長をＬ、該枝溝部の最も断面積が小さい部分をＳ_min、前記気室部の断面積の最も大きい部分をS_maxとしたとき、枝溝部がＳ_minとなる位置l₁が周方向溝への開口部よりl_１／Ｌ＜１／πであり、且つ、l_２／Ｌ＜（ｌ－l_１）／Ｌ＜１／πであり、かつ、共鳴器の形状l／Ｌと、Ｓ_ｍｉｎ／Ｓ_ｍａｘの関係が、

を満たすことを特徴とする空気入りタイヤ。