JP2011079469A - 空気入りタイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性能に優れ、転がり抵抗を低減し、かつサイド部外観の耐久性も確保する空気入りタイヤを提供する。
【解決手段】タイヤを適用リムに装着した状態のタイヤ幅方向断面における、前記傾斜ベルト層の最外側層の幅ＢＷに対する、当該最外側層の幅方向中心部と幅方向端部との径差ＢＤの比ＢＤ／ＢＷが０．０１以上０．０４以下である空気入りタイヤにおいて、タイヤの最大幅位置の前記カーカスの幅方向外側に、カーカスプライ補強層を配置し、前記カーカスの径方向最外側とビードトゥとの間のタイヤ径方向の距離ＣＳＨに対する、前記カーカスプライ補強層の幅ＣＲＦｗの比ＣＲＦｗ／ＣＳＨが０．２以上０．６以下であり、前記カーカスプライ補強層に埋設されている補強素子がタイヤ赤道面に対して３０°以上９０°以下の角度で傾斜している。
【選択図】図２

Description

本発明は、耐偏摩耗性能に優れかつ転がり抵抗の低い空気入りタイヤに関するものである。

近年、より環境負荷の小さい製品の開発が活発に行われている。この原因は、地球温暖化をはじめとする環境問題にあり、タイヤについても例外ではない。このタイヤに関し、前記環境問題に対応するためには、自動車の低燃費化に寄与する性能の確保が大切になる。これを達成する一つの手段として、タイヤの転がり抵抗を減らすことが挙げられ、従来、様々な技術開発が行われている。
以下に、従来の改良方法をいくつか紹介する。

まず、タイヤの転がり抵抗は、トレッド部のゴム内にて多く発生することが知られている。直接的な改良方法として、このトレッド部に使用されるゴムを損失正接が小さいものに変更することが有効である。しかしながら、この方法では、タイヤの、例えば耐摩耗性能をはじめとする他の性能が犠牲になることも知られている。一方、転がり抵抗を増す発生源であるゴムを減らすために、トレッド厚さを薄くする方法も容易に考えられるが、この場合はタイヤの摩耗寿命を確保できないことが問題になる。

さらには、特許文献１では、タイヤの断面形状を工夫して転がり抵抗を低減することが提案されている。この提案によって、転がり抵抗の低減が確かに図られるが、サイド部外観の耐久性は十分ではなく、さらに他性能、とりわけ優れた耐摩耗性との両立を考えた場合、より詳細なタイヤ設計が求められている。

特開2006−327502号公報

そこで、本発明の目的は、耐摩耗性能に優れかつ転がり抵抗が少ないタイヤを提供するための、タイヤ形状の詳細について提案すること、かつ該新形状のサイド部外観の耐久性も確保することにある。

発明者らは、タイヤの形状を詳細に規制することによって、所期した性能の改良が可能であること、特に形状設計という場合、タイヤの外表面の形状のみならず、タイヤの骨格となる補強構造の形状もタイヤ性能への影響が大きいため、個別に規制することが有効であるとの知見を得た。すなわち、タイヤ幅方向断面内のせん断変形を、特に幅方向外側のトレッド内において抑制することが、この変形によるエネルギーロスの結果である転がり抵抗の低減と、この変形の結果生じるせん断力とすべりにて記述されることが多い摩耗を同時に改良できることを見出した。
またさらに、ベルトラインがフラットなタイヤにしばしば見られるタイヤのサイド部の外観の耐久性についても、カーカスプライ補強層を設けることにより、上述した耐摩耗性能および転がり抵抗低減性能を損なうことなく向上できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明の要旨は、以下のとおりである。
なお、後述するタイヤ寸法に関しては、一般的なタイヤの幅方向断面を示す図１を参照されたい。
（１）一対のビードコアを埋設するビード部間にトロイダル状に跨るとともに、前記ビードコアの周りにタイヤ幅方向内側から外側に折り返してなるカーカスプライからなるカーカスを骨格として、該カーカスのクラウン部の径方向外側に、少なくとも１層の傾斜ベルト層を有するベルトおよびトレッドを順に配置した空気入りタイヤであって、
該タイヤを適用リムに装着した状態のタイヤ幅方向断面における、前記傾斜ベルト層の最外側層の幅ＢＷに対する、当該最外側層の幅方向中心部と幅方向端部との径差ＢＤの比ＢＤ／ＢＷが０．０１以上０．０４以下である空気入りタイヤにおいて、
タイヤの最大幅位置の前記カーカスの幅方向外側に、カーカスプライ補強層を配置し、
前記カーカスの径方向最外側とビードトゥとの間のタイヤ径方向の距離ＣＳＨに対する、前記カーカスプライ補強層の幅ＣＲＦｗの比ＣＲＦｗ／ＣＳＨが０．２以上０．６以下であり、
前記カーカスプライ補強層に埋設されている補強素子がタイヤ赤道面に対して３０°以上９０°以下の角度で傾斜していることを特徴とする空気入りタイヤ。

ここで、前記タイヤを適用リムに装着した状態とは、日本自動車タイヤ協会規格（ＪＡＴＭＡ）に規定の標準リムまたはその他の適用リムに組み込んだ状態にて、内圧を付加せずに若しくは、３０ｋＰａ程度までの極低内圧を付加した状態を意味する。

（２）前記カーカスの径方向最外側とビードトゥとの間のタイヤ径方向の距離ＣＳＨに対する、前記カーカスの最大幅位置にタイヤの回転軸と平行に引いた線分とビードトゥにタイヤの回転軸と平行に引いた線分との最短距離ＣＳＷｈの比ＣＳＷｈ／ＣＳＨが０．６以上０．９以下であることを特徴とする上記（１）に記載の空気入りタイヤ。

（３）前記タイヤの断面高さＳＨに対する、タイヤの最大幅位置にタイヤの回転軸と平行に引いた線分とビードトゥにタイヤの回転軸と平行に引いた線分との最短距離ＳＷｈの比ＳＷｈ／ＳＨが０．５以上０．８以下であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の空気入りタイヤ。

一般的なタイヤの幅方向断面を示す図である。 本発明のタイヤの幅方向断面を示す図である。 従来タイヤの荷重負荷前後の挙動を示す図である。 本発明のタイヤの荷重負荷前後の挙動を示す図である。 曲げの中立軸を変更した際の引張り歪を説明するための図である。 従来タイヤ１の幅方向断面を示す図である。 従来タイヤ２の幅方向断面を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明を具体的に説明する。
図２に、本発明の空気入りタイヤ（以下、タイヤと称する）について、その幅方向断面を示す。本発明のタイヤ６は、一対のビードコア１を埋設するビード部間にトロイダル状に跨るとともに、ビードコア１の周りにタイヤ幅方向内側から外側に折り返してなる少なくとも１層、図示例では１層のカーカスプライからなるカーカス２を骨格として、該カーカス２のクラウン部の径方向外側に、タイヤの赤道面ＣＬに対して傾斜した向きに延びるコードの多数本をゴムで被覆した、少なくとも１層、図示例では２層の傾斜ベルト層３ａ、３ｂを配置し、その径方向外側にタイヤの赤道面ＣＬに沿って延びるコードの多数本をゴムで被覆した、１層の周方向ベルト層４を配置し、このベルトの径方向外側にトレッド５を配置してなる。
なお、傾斜ベルト層は１層でも構わないが、その際には、少なくとも１層の周方向ベルト層との組み合わせにてベルトを構成することが好ましい。

かようなタイヤ６は、適用リム７に装着されて使用に供される。ここで、該タイヤ６を適用リム７に装着した状態のタイヤ幅方向断面において、前記傾斜ベルト層の最外側層３ｂの幅ＢＷに対する、当該最外側層３ｂの幅方向中心部（赤道面ＣＬ）と幅方向端部との径差ＢＤの比ＢＤ／ＢＷが０．０１以上０．０４以下である。
なお、ここでいう傾斜ベルト層とは、カーカス２の最大幅ＣＳＷの０．６倍以上の幅を有するものである。

この規定は、傾斜ベルト層３について、その幅方向における径差が少ないことを意味する。つまり、ベルトがフラットに近い状態であることを示す。
転がり抵抗は、前述したように、タイヤトレッド部のゴム中で発生するエネルギーロスが支配的であり、その変形の一つである幅方向断面内のせん断変形を抑えることが、転がり抵抗の低減に有効である。このせん断変形は、図３にサイズ１９５／６５ Ｒ１５の通常の断面形状を有するラジアルタイヤ（比ＢＤ／ＢＷ：０．０５２）の内圧充填前の無負荷状態を実線にておよび、２１０ｋＰａの内圧充填後に４．４１ｋＮの荷重を負荷した状態を点線にて示すように、荷重負荷の前後における変形（矢印参照）によって、接地部分において湾曲していたベルトが平らに伸ばされる変形に起因している。さらに、図３に示すように、通常のラジアルタイヤでは、タイヤセンター対比ショルダーの半径が小さく径差を持っているため、ショルダー付近のベルトはタイヤ周方向に伸ばされる。すると、コードが交差して配置された傾斜ベルト層はパンタグラフ状に変形して周方向に伸びる結果として幅方向に縮むことになるため、上記せん断変形を助長することになり、結果としてトレッドゴムのヒステリシスロスを増加することになる。

この変形を、タイヤの形状面から最も簡便に抑制するには、ベルトをなるべく平坦にする必要がある。すなわち、ベルトを平坦（比ＢＤ／ＢＷ：０．０２６）にした、図３のタイヤと同サイズのタイヤについて、図３の場合と同じ条件における、荷重を負荷する前後における変形を、図４に示すように、比ＢＤ／ＢＷを０．０４以下にすると、荷重負荷の前後における変形（矢印参照）を極めて小さく抑えることができる。従って、比ＢＤ／ＢＷを０．０４以下にすることによって、トレッドゴムのヒステリシスロスは減少することになって、低い転がり抵抗のタイヤが得られるのである。

また、トレッド形状の観点から、上記のせん断変形を抑制する改良を行った場合、接地面内のせん断力やすべり分布も縮小される方向に変化するため、耐摩耗性能を同時に改良することができることも解明するに到った。

なお、実際のタイヤ設計では、サイド部の変形に伴った変形成分や、偏摩耗を起こさないための接地形状並びに接地圧分布を考慮しなければいけないことから、完全に平坦にすることなく適正な範囲に設定することが肝要である。この適正な範囲について鋭意究明したところ、上記した比ＢＤ／ＢＷが０．０１以上であることが判明した。

さらに、図２において、タイヤの最大幅位置Ｗ_ＭＡＸにおいて、タイヤの最大幅位置Ｗ_ＭＡＸを覆うように、カーカス２の幅方向外側に、カーカスプライ補強層８が配置されている。さらに、カーカス３の径方向最外側とビードトゥ１０との間のタイヤ径方向の距離ＣＳＨに対する、カーカスプライ補強層８の幅ＣＲＦｗの比ＣＲＦｗ／ＣＳＨが０．２以上０．６以下であり、かつ、カーカスプライ８補強層に埋設されている補強素子がタイヤ赤道面ＣＬに対して３０°以上９０°以下の角度で傾斜していることが肝要である。以下、この理由を説明する。

上述したように、ベルトがフラットに近いタイヤでは荷重時にタイヤがたわむ際、ベルトを含むクラウン部のたわみが少なく、サイド部にたわみによる曲げが集中しやすい。これにより、サイド表層部にひび割れが生ずるというタイヤ外観上の問題が生じていた。
サイド表層部のひび割れを抑制するためには、すなわち、サイド表層部の歪を抑制するためには、サイド部のたわみを抑制するようにサイド部の曲げ剛性を高めることが考えられる。しかし、たわみによる曲げをこのサイド部に集中させたのは、上述したように、トレッド部における変形を減らしてトレッド部のエネルギーロスを減らすためであるので、サイド部のたわみは大きいままで、サイド表面歪を低減することが必要である。本発明者らは、サイド部のたわみが大きいままで、サイド表面歪を低減する方途を各種試行したところ、タイヤの最大幅位置Ｗ_ＭＡＸにおいて、タイヤの最大幅位置Ｗ_ＭＡＸを覆うように、カーカス２の幅方向外側に、カーカスプライ補強層８を配置することによって、サイド表層部の歪を抑制できることを確認した。サイド部の曲げが集中するタイヤの最大幅位置Ｗ_ＭＡＸにおいて、カーカスプライの本体部にカーカスプライ補強層８を重ねて２重にすることにより、この部分での曲げの中立軸を表層側に移動させている。その結果、表層の歪を抑制することができる。

すなわち、図５を用いて説明すると、曲げの中立軸に対し内側は圧縮応力、外側は引張応力が作用する。ゴムは、圧縮応力に対する剛性は高いが、引張応力に対する剛性は低い。それゆえ、図５（ａ）のように、曲げの中立軸からサイド表面までの距離ｄが大きいと、曲げの中立軸の外側に働く引張り歪が大きくなるので、この部分にひび割れが発生しやすい。そこで、図５（ｂ）のように、曲げの中立軸からサイド表面までの距離ｄを小さくすると、曲げの中立軸の外側に働く引張り歪が小さくなるので、この部分にひび割れが発生しにくくなる。
本発明では、タイヤの最大幅位置Ｗ_ＭＡＸにおいて、タイヤの最大幅位置Ｗ_ＭＡＸを覆うように、カーカス２の幅方向外側に、カーカスプライ補強層８を配置することによって、サイド部の曲げが集中するタイヤの最大幅位置Ｗ_ＭＡＸにおいて、カーカスプライを２重にしたのと同じ効果が得られ、曲げの中立軸を表層側に移動させ、サイド部の表層の歪を抑制することができる。
なお、カーカスプライ補強層８を配置するだけであるため、タイヤ全体のたわみには大きな影響を及ぼさない。

また、カーカス３の径方向最外側とビードトゥ１０との間のタイヤ径方向の距離ＣＳＨに対する、カーカスプライ補強層８の幅ＣＲＦｗの比ＣＲＦｗ／ＣＳＨが０．２以上０．６以下であることが肝要である。
比ＣＲＦｗ／ＣＳＨが０．２未満の場合、カーカスプライ補強層８の幅ＣＲＦｗが狭くて、補強層としての意味をなさない。一方、比ＣＲＦｗ／ＣＳＨが０．６超の場合、カーカスプライ補強層８の幅ＣＲＦｗが広く、多くの場合、カーカスプライ補強層８が傾斜ベルト層３ａ、３ｂおよび周方向ベルト層４のいずれかと重なる位置関係となり、タイヤのたわみに影響を及ぼし、縦ばね増加による乗り心地悪化を引き起こす。
さらに、カーカスプライ補強層８は、カーカスプライ補強層８のタイヤ径方向の中心位置が、タイヤの最大幅位置Ｗ_ＭＡＸに略一致する位置に配置することが好ましい。

さらに、カーカスプライ補強層８に埋設されている補強素子がタイヤ赤道面ＣＬに対して３０°以上９０°以下の角度で傾斜していることが肝要である。
なぜなら、補強素子の傾斜角度が３０°未満の場合、タイヤのたわみに影響を及ぼし、縦ばね増加による乗り心地悪化を引き起こすためである。
また、補強素子はカーカス２に埋設された素子と同程度の弾性率の素材を使用することが好ましい。なぜなら、スチールコードのように弾性率が高い部材を使用すると、タイヤのたわみに影響を及ぼし、縦ばね増加による乗り心地悪化を引き起こすおそれがあるためである。

次に、図２に示すように、カーカス２の径方向最外側とビードトゥ１０との間のタイヤ径方向の距離ＣＳＨに対する、カーカス２の本体部の最大幅位置Ｗ_ＣＭＡＸにタイヤの回転軸と平行に引いた線分とビードトゥ１０にタイヤの回転軸と平行に引いた線分との最短距離ＣＳＷｈの比ＣＳＷｈ／ＣＳＨが０．６以上０．９以下であることが好ましい。さらに望ましくは、０．７以上０．８以下である。

この規定によれば、特に、路面に近い位置でタイヤサイド部のカーカスラインが局所的に曲がった領域を持ち、曲げ剛性はこの部分で小さくなる。すると、ベルト幅よりも幅方向外側である、この屈曲部周辺が荷重時に大きく変形するため、トレッド部における変形は少なくなる。つまり、上記断面内のせん断変形をトレッドにおいて減らすことができる。荷重時の変形を効果的に減ずるための寸法を各種試行したところ、比ＣＳＷｈ／ＣＳＨが０．６以上０．９以下であることが判明したのである。

また、図２に示すように、タイヤの断面高さＳＨに対する、タイヤの最大幅位置にタイヤの回転軸と平行に引いた線分とビードトゥにタイヤの回転軸と平行に引いた線分との最短距離ＳＷｈの比ＳＷｈ／ＳＨが０．５以上０．８以下であることが好ましい。さらに望ましくは、０．６以上０．７５以下である。

さて、本来サイド部の形状については骨格であるカーカスラインで規定することが重要である。しかし、ゴム内部にてエネルギーロスが発生して転がり抵抗に寄与するという現象においては、サイド部も例外ではない。つまり、サイド部もカーカスラインに追従して従来のタイヤとは異なる形状を取ることが効率よい改良につながるといえる。これは、たとえばサイドゴムを薄くすることなどを意味し、自明ながらサイドゴムをなくすことができたとすれば、この寸法はカーカスラインの最大幅と同じ位置を示す。実際には、縁石への接触時にカーカスを保護する役割などからサイドゴムに所定の厚さを与える必要があるため、このときのサイド部の最大幅位置をタイヤ断面高さ対比でみたところ、上記の比の範囲にあることが分かった。また、タイヤ設計においては、加硫金型の設計も大切なポイントであるため、外表面寸法として定義することはタイヤ設計法としても必要である。

サイズ１９５／６５Ｒ１５の従来例タイヤ、発明例タイヤおよび比較例タイヤを、表１に示す仕様の下に試作し、各試作タイヤについて、サイド部のひび割れ発生の耐久性能、転がり抵抗、縦バネ性能および耐摩耗性能の試験を行ったので以下に説明する。
従来例タイヤ１は図６に示すタイヤ形状および構造を有する。
従来例タイヤ２は図７に示すタイヤ形状および構造を有する。
発明例タイヤおよび比較例タイヤはいずれも、図２に示すタイヤ形状および構造を有し、カーカスプライ補強層８の幅ＣＲＦｗおよび補強素子の傾斜角度を変化させたものである。

サイド部のひび割れ発生の耐久試験は、各供試タイヤを標準リムに装着し、内圧を２１０ｋＰａに調整した後、正規荷重の２．５倍の荷重条件（サイド部のひび割れ発生を促進する条件）下で、直径１．７ｍの鉄板表面を持つドラム試験機（速度：８０．０ｋｍ／ｈ）を用いて、サイド部にひび割れが発生するまでの走行距離を測定して行った。測定結果は、従来例タイヤ２の走行距離を１００として指数化し、値が大きいほどひび割れが発生しにくいことを示している。

転がり抵抗試験は、各供試タイヤを標準リムに装着し、内圧を２１０ｋＰａに調整した後、直径１．７ｍの鉄板表面を持つドラム試験機（速度：８０ｋｍ／ｈ）を用いて、車軸の転がり抵抗力を求めることにより行った。この転がり抵抗の測定はＩＳＯ１８１６４に準拠し、スムースドラム、フォース式にて実施したものである。表１に示す測定結果は、従来例タイヤ１の転がり抵抗を１００として指数化し、値が小さいほど転がり抵抗が小さいことを示している。
また、縦バネ性能は転がり抵抗試験の際に、たわみ量を測定し、「荷重／たわみ量」で算出したバネを、従来例タイヤ２を１００として指数化したものであり、値が大きいほどたわみにくいことを示している。すなわち、値が小さい程たわみやすく乗り心地がよいことを意味する。たわみ量の測定は、無負荷時のタイヤ軸高さ−荷重負荷時の軸高さによって求める。

耐摩耗性試験は、各供試タイヤを標準リムに装着し、内圧を２１０ｋＰａに調整した後、転がり抵抗試験と同一の荷重条件下で、直径１．７ｍの表面にセーフティウォークを有する室内ドラム試験機（速度：８０ｋｍ／ｈ）を用いて実施した。入力はフリーローリング１０分、そして制動方向に０．１Ｇを１０分、を交互に繰り返す。この条件にて、１２００ｋｍ走行後の摩耗重量（摩耗したゴムの量）を測定した。表１に示す測定結果は、従来例タイヤ１の摩耗重量を１００として指数化しており、この摩耗重量は少ないほど良く、５％未満の違いなら同等とみなし、さらに、１０％以上の違いがある場合は顕著な差があるといえる。
なお、この試験法では摩耗した重量を比較するため、耐摩耗試験の意味合いが強い。しかし偏摩耗性能が悪いタイヤでは早期に摩耗が進むため、本試験でも検出が可能である。つまり、この見方は耐偏摩耗並びに耐摩耗の両面からの見方を行うことができるものである。

表１より、転がり抵抗性能および耐摩耗性能に関して、発明例タイヤは従来例タイヤ１と比較して向上していることが分かる。
サイド割れ耐久性に関しては、比ＣＲＦｗ／ＣＳＨが０．１の比較例１では性能が悪く、比ＣＲＦｗ／ＣＳＨが０．２以上の場合良好な結果となっている。
縦ばね性能に関しては、補強素子角度が３０°〜９０°かつ比ＣＲＦｗ／ＣＳＨが０．６以下の場合良好な結果（増加代が５％以内）となっている。
以上の結果から、発明例タイヤは、比較例タイヤと比較して、転がり抵抗性能および耐摩耗性能を維持したまま、サイド割れに対する耐久性能が向上していることが分かる。

１ ビードコア
２ カーカス
３ａ 傾斜ベルト層
３ｂ 傾斜ベルト層（最外側層）
４ 周方向ベルト層
５ トレッド
６ タイヤ
７ リム
８ カーカス補助層
１０ ビードトゥ

Claims (3)

1. 一対のビードコアを埋設するビード部間にトロイダル状に跨るとともに、前記ビードコアの周りにタイヤ幅方向内側から外側に折り返してなるカーカスプライからなるカーカスを骨格として、該カーカスのクラウン部の径方向外側に、少なくとも１層の傾斜ベルト層を有するベルトおよびトレッドを順に配置した空気入りタイヤであって、
   該タイヤを適用リムに装着した状態のタイヤ幅方向断面における、前記傾斜ベルト層の最外側層の幅ＢＷに対する、当該最外側層の幅方向中心部と幅方向端部との径差ＢＤの比ＢＤ／ＢＷが０．０１以上０．０４以下である空気入りタイヤにおいて、
   タイヤの最大幅位置の前記カーカスの幅方向外側に、カーカスプライ補強層を配置し、
   前記カーカスの径方向最外側とビードトゥとの間のタイヤ径方向の距離ＣＳＨに対する、前記カーカスプライ補強層の幅ＣＲＦｗの比ＣＲＦｗ／ＣＳＨが０．２以上０．６以下であり、
   前記カーカスプライ補強層に埋設されている補強素子がタイヤ赤道面に対して３０°以上９０°以下の角度で傾斜していることを特徴とする空気入りタイヤ。
2. 前記カーカスの径方向最外側とビードトゥとの間のタイヤ径方向の距離ＣＳＨに対する、前記カーカスの最大幅位置にタイヤの回転軸と平行に引いた線分とビードトゥにタイヤの回転軸と平行に引いた線分との最短距離ＣＳＷｈの比ＣＳＷｈ／ＣＳＨが０．６以上０．９以下であることを特徴とする請求項１に記載の空気入りタイヤ。
3. 前記タイヤの断面高さＳＨに対する、タイヤの最大幅位置にタイヤの回転軸と平行に引いた線分とビードトゥにタイヤの回転軸と平行に引いた線分との最短距離ＳＷｈの比ＳＷｈ／ＳＨが０．５以上０．８以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の空気入りタイヤ。

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