JP2015116868A - 非空気圧タイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性を向上できる非空気圧タイヤを提供する。
【解決手段】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た外側環状部２と、内側環状部１と外側環状部２とを連結する連結部３とを備える支持構造体ＳＳを有する非空気圧タイヤＴにおいて、外側環状部２は、内部にタイヤ周方向ＣＤに連続して形成された空洞部２０を備え、空洞部２０には流体が充填されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、タイヤ構造部材として、車両からの荷重を支持する支持構造体を備える非空気圧タイヤ（ｎｏｎ−ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｔｉｒｅ）に関するものであり、好ましくは空気入りタイヤの代わりとして使用することができる非空気圧タイヤに関するものである。

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、中実ゴム構造の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はない。そのため、ソリッドタイヤおよびクッションタイヤは、乗り心地性能が重視される乗用車用には採用されていなかった。

下記特許文献１には、同心状に配置した外周輪と内周輪との間をタイヤ周方向に間欠的に配列した複数のスポークで連結したスポーク構造体を備え、タイヤ周方向に互いに隣接するスポーク間の空間に、弾性材料からなる中空封止体を挿入し、この中空封止体に気体を圧入した非空気圧タイヤが記載されている。気体を圧入した中空封止体は、衝撃吸収性に優れており、非空気圧タイヤの乗り心地を向上できる。しかしながら、特許文献１のスポーク構造体は、荷重を支持する必要があるために変形しづらくなっており、トレッド面におけるタイヤ周方向の接地長が短くなる傾向がある。接地長が短い場合、トレッド面に応力が集中して破損のおそれがある。

また、下記特許文献２及び３には、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、かつ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トレッド面を備える外側環状部と、内側環状部と外側環状部とを連結する複数の連結部とを備える非空気圧タイヤが記載されている。このような曲率を有するトレッド面が接地する場合、タイヤ幅方向の中央部に特に荷重が加わりやすく、路面から大きな衝撃を受けた際、その衝撃を吸収できずに破損する可能性がある。

特開２０１０−１３７６４８号公報 特開２０１３−１８４２７号公報 特開２０１３−１８４６２号公報

そこで、本発明の目的は、耐久性を向上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た外側環状部と、前記内側環状部と前記外側環状部とを連結する連結部とを備える支持構造体を有する非空気圧タイヤにおいて、
前記外側環状部は、内部にタイヤ周方向に連続して形成された空洞部を備え、前記空洞部には流体が充填されていることを特徴とする。

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た外側環状部と、内側環状部と外側環状部とを連結する連結部とを備える支持構造体を有している。このような支持構造体で車両の荷重を支持する場合、トレッド面におけるタイヤ周方向の接地長が短くなる傾向がある。本発明のように、外側環状部の内部にタイヤ周方向に連続する空洞部を形成し、その空洞部に流体を充填することで、トレッド面が変形しやすくなってタイヤ周方向の接地長が伸びるため、応力の集中を防いで耐久性を向上できる。なお、本発明における流体とは、固体以外の気体や液体等を含むものである。

本発明にかかる非空気圧タイヤにおいて、前記流体は、標準大気圧以上の圧力を有する液体であることが好ましい。

空洞部に標準大気圧以上の圧力を有する液体を充填することで、衝撃吸収性が良好となるため、耐久性をさらに向上できる。

本発明にかかる非空気圧タイヤにおいて、前記外側環状部の外周面は、タイヤ幅方向の中央から両側端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ことが好ましい。

外側環状部の外周面がこのような曲率を有することで、外側環状部のタイヤ幅方向の中央部に荷重が加わりやすくなり、その結果、トレッド面におけるタイヤ周方向の接地長が伸びるため、応力の集中を防いで耐久性を向上できる。

本発明にかかる非空気圧タイヤにおいて、前記空洞部の外周側を構成する前記外側環状部の外周壁は、タイヤ幅方向の中央部の厚みが両側部の厚みよりも小さいことが好ましい。

この構成によれば、外側環状部のタイヤ幅方向の中央部が変形しやすくなり、トレッド面におけるタイヤ周方向の接地長が伸びるため、応力の集中を防いで耐久性を向上できる。

本発明にかかる非空気圧タイヤにおいて、前記外側環状部の外周壁の厚みは、タイヤ幅方向の両側端から中央へ向かって徐々に小さくなっていることが好ましい。

この構成によれば、外周壁の厚みがタイヤ幅方向で急激な変化がないため、応力の集中を防いで外周壁の耐久性を向上できる。

本発明の非空気圧タイヤの一例を示す正面図 図１の非空気圧タイヤのＩ−Ｉ断面図 他の実施形態に係る非空気圧タイヤの断面図 他の実施形態に係る非空気圧タイヤの断面図 他の実施形態に係る非空気圧タイヤの断面図 他の実施形態に係る非空気圧タイヤの断面図 他の実施形態に係る非空気圧タイヤの断面図

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、非空気圧タイヤの一例を示す正面図である。ここで、Ｏはタイヤ軸を、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、車両からの荷重を支持する支持構造体ＳＳを有するものである。本発明の非空気圧タイヤＴは、このような支持構造体ＳＳを備えるものであればよく、その支持構造体ＳＳの外側（外周側）や内側（内周側）に、トレッドに相当する部材、補強層、車軸やリムとの適合用部材などを備えていてもよい。本実施形態では、図１に示すように、支持構造体ＳＳの外側に、支持構造体ＳＳを補強する補強層４が設けられている例を示す。また、本実施形態では、図１に示すように、補強層４の更に外側にトレッドゴム５が設けられている例を示す。補強層４、トレッドゴム５としては、従来の空気入りタイヤのベルト層、トレッドゴムと同様のものを設けることが可能である。また、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。

本実施形態の非空気圧タイヤＴは、図１の正面図に示すように、支持構造体ＳＳが、内側環状部１と、その外側に同心円状に設けられた外側環状部２と、内側環状部１と外側環状部２とを連結する連結部３とを備えている。

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、連結部３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１〜２０％が好ましく、２〜１０％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。ただし、一般の空気入りタイヤの代替を想定した場合、２５０〜５００ｍｍが好ましく、３３０〜４４０ｍｍがより好ましい。

内側環状部１のタイヤ軸方向の幅は、用途、車軸の長さ等に応じて適宜決定されるが、一般の空気入りタイヤの代替を想定した場合、１００〜３００ｍｍが好ましく、１３０〜２５０ｍｍがより好ましい。

内側環状部１の引張モジュラスは、連結部３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、５〜１８００００ＭＰａが好ましく、７〜５００００ＭＰａがより好ましい。なお、本発明における引張モジュラスは、ＪＩＳ Ｋ７３１２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値である。

本発明における支持構造体ＳＳは、弾性材料で成形されるが、支持構造体ＳＳ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、外側環状部２、及び連結部３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。

本発明における弾性材料とは、ＪＩＳ Ｋ７３１２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５〜１００ＭＰａであり、より好ましくは７〜５０ＭＰａ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、好ましくは、ポリウレタン樹脂が用いられる。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。

弾性材料で一体成形された支持構造体ＳＳは、内側環状部１、外側環状部２、及び連結部３が、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、タイヤ軸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。

外側環状部２の形状は、ユニフォミティを向上させる観点から、円筒形状であることが好ましい。外側環状部２全体のタイヤ径方向の厚みは、連結部３からの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１〜２０％が好ましく、２〜１０％がより好ましい。

外側環状部２の内径は、その用途等応じて適宜決定される。ただし、一般の空気入りタイヤの代替を想定した場合、４２０〜７５０ｍｍが好ましく、４８０〜６８０ｍｍがより好ましい。

外側環状部２のタイヤ軸方向の幅は、用途等に応じて適宜決定されるが、一般の空気入りタイヤの代替を想定した場合、１００〜３００ｍｍが好ましく、１３０〜２５０ｍｍがより好ましい。

外側環状部２の引張モジュラスは、図１に示すように外側環状部２の外周に補強層４が設けられている場合には、内側環状部１と同程度に設定できる。このような補強層４を設けない場合には、連結部３からの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、５〜１８００００ＭＰａが好ましく、７〜５００００ＭＰａがより好ましい。

外側環状部２の引張モジュラスを高める場合、弾性材料を繊維等で補強した繊維補強材料が好ましい。外側環状部２を補強繊維により補強することで、外側環状部２とベルト層などとの接着も十分となる。

図２は、図１の非空気圧タイヤのＩ−Ｉ断面図である。外側環状部２は、内部にタイヤ周方向ＣＤに連続して形成された空洞部２０を備えている。空洞部２０は、その周囲に位置する内周壁２１、外周壁２２、及び側壁２３，２４で構成されている。

内周壁２１、外周壁２２，及び側壁２３，２４の厚みは、略同じとなっている。また、内周壁２１、外周壁２２、及び側壁２３，２４の厚みは、それぞれ略均一となっている。内周壁２１、外周壁２２、及び側壁２３，２４の厚みは、適宜設定されるが、接地面に近い外周壁２２の厚みは、少なくとも２ｍｍ以上とするのが好ましい。外周壁２２の厚みを２ｍｍよりも小さくすると、荷重負荷時に破損するおそれがある。

外側環状部２の空洞部２０には、流体が充填されている。流体とは、固体以外の気体や液体である。気体としては、空気、窒素ガス、ヘリウムなどが例示されるが、入手の容易性の観点から、空気が好ましい。液体としては、水、エチレングリコール、グリセリン、エタノール、油などが例示されるが、入手の容易性の観点から、水が好ましい。また、充填する液体としては、これらの液体を混合したものでもよい。流体の圧力は、標準大気圧以上、かつ４００ｋＰａ以下が好ましい。流体の圧力が標準大気圧よりも低いと、空洞部２０が潰れやすくなる。一方、流体の圧力が４００ｋＰａよりも高いと、空洞部２０の内圧が高くなり過ぎて大きな衝撃を受けた際に破損のおそれが高まる。充填する流体としては、標準大気圧以上の圧力を有する液体であることが特に好ましい。

外側環状部２の空洞部２０に流体を充填することで、トレッド面が変形しやすくなってタイヤ周方向ＣＤの接地長が伸びるため、応力の集中を防いで耐久性を向上できる。ここで、接地長とは、同一タイヤサイズの空気入りタイヤに対応してＪＡＴＭＡが規定する最大負荷能力の０．７倍の荷重における接地面のタイヤ周方向長さを言う。

また、外周壁２２の外周面、すなわち外側環状部２の外周面２ａは、タイヤ幅方向ＷＤの中央から両側端へ向かって外径が徐々に小さくなるような曲率を有している。この曲率半径としては、４０〜１０００ｍｍが例示される。外側環状部２の外側に図１のような略均一な厚みのトレッドゴム５を設けている場合、外側環状部２の外周面２ａが曲率を有することで、外側環状部２のタイヤ幅方向ＷＤの中央部に荷重が加わりやすくなり、その結果、トレッド面におけるタイヤ周方向ＣＤの接地長が伸びるため、応力の集中を防いで耐久性を向上できる。

連結部３は、内側環状部１と外側環状部２とを連結するものであり、両者の間に適当な間隔を置いて、タイヤ周方向ＣＤに各々が独立するように複数設けられる。なお、本実施形態では、複数の連結部３がタイヤ周方向ＣＤに各々独立して設けられているが、連結部３の形状や本数は特に限定されず、連結部３は、例えば、タイヤ周方向ＣＤに連続した一つの形状であってもよい。

連結部３は、内側環状部１から外側環状部２までタイヤ径方向に延びる板状をしている。また、連結部３は、タイヤ幅方向ＷＤに延びている。本実施形態の連結部３は、タイヤ幅方向ＷＤの一方のタイヤ端から他方のタイヤ端まで連続して形成されている。

タイヤ全体の連結部３の数としては、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、１０〜８０個が好ましく、４０〜６０個がより好ましい。

連結部３のタイヤ周方向ＣＤの厚みは、内側環状部１および外側環状部２からの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１〜３０％が好ましく、１〜２０％がより好ましい。また、連結部３のタイヤ周方向ＣＤの厚みは、耐久性を確保するため、２ｍｍ以上が好ましい。

連結部３のタイヤ軸方向の幅は、用途等に応じて適宜決定されるが、一般の空気入りタイヤの代替を想定した場合、１００〜３００ｍｍが好ましく、１３０〜２５０ｍｍがより好ましい。

連結部３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、５〜５０ＭＰａが好ましく、７〜２０ＭＰａがより好ましい。

［他の実施形態］
（１）前述の実施形態では、外側環状部２の外周壁２２の厚みをタイヤ幅方向ＷＤに一定としているが、図３に示すように、外側環状部２の外周壁２２は、タイヤ幅方向ＷＤの中央部Ｗ１の厚みが両側部Ｗ２の厚みよりも小さいことが好ましい。ここで、タイヤ幅方向ＷＤの中央部Ｗ１とは、タイヤ全幅Ｗを３分割したときの中央領域であり、両側部Ｗ２とは、中央部Ｗ１の両側領域である。外周壁２２の中央部Ｗ１の厚みを両側部Ｗ２の厚みよりも小さくすることで、外側環状部２のタイヤ幅方向ＷＤの中央部が変形しやすくなり、トレッド面におけるタイヤ周方向ＣＤの接地長が伸びるため、応力の集中を防いで耐久性を向上できる。

また、外側環状部２の外周壁２２は、タイヤ幅方向ＷＤの中央部Ｗ１を形成する材料が両側部Ｗ２を形成する材料よりも柔らかくなるようにしてもよい。この構成によれば、外側環状部２のタイヤ幅方向ＷＤの中央部が変形しやすくなり、トレッド面におけるタイヤ周方向ＣＤの接地長が伸びるため、応力の集中を防いで耐久性を向上できる。

（２）さらに、本発明において、図４に示すように、外側環状部２の外周壁２２の厚みは、タイヤ幅方向ＷＤの両側端から中央へ向かって徐々に小さくなっていることが特に好ましい。この構成によれば、外周壁２２の厚みがタイヤ幅方向ＷＤで急激な変化がないため、応力の集中を防いで外周壁２２の耐久性を向上できる。

（３）また、前述の実施形態では、外側環状部の内周壁２１は、タイヤ幅方向ＷＤに沿って直線状に延びているが、外周壁２２と同様に、図５に示すように、外周面が曲率を有するようにしてもよい。この構成によれば、連結部３のタイヤ径方向の長さを確保できるため、乗り心地を向上できる。

（４）前述の実施形態では、内周壁２１、外周壁２２、及び側壁２３，２４により空洞部２０を構成しているが、図６に示すように、側壁２３，２４は必ずしも必要ではない。

（５）前述の実施形態では、外側環状部２の外周面２ａが曲率を有しているが、図７に示すように、外側環状部２の外周面２ａは、平面であってもよい。

（６）本発明の他の実施形態として、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た中間環状部と、その中間環状部の外側に同心円状に設けられた外側環状部２と、内側環状部１と中間環状部とを連結する内側連結部と、中間環状部と外側環状部２とを連結する外側連結部とを備える支持構造体を有する非空気圧タイヤにおいて、外側環状部２は、内部にタイヤ周方向ＣＤに連続して形成された空洞部２０を備え、空洞部２０には流体が充填されているものでもよい。本発明では、外側環状部を上記のように構成すればよく、中間環状部、外側連結部、内側連結部については、形状、個数、配置等は特に限定されない。

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。なお、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。

耐久性能
直径１．７ｍｍのドラムを備えた室内ドラム試験機を使用し、試験速度を８０ｋｍ／ｈとし、タイヤ負荷荷重をＪＩＳ規定の８５％から始め、規定時間ごとに荷重を上げていき、最終的に１４０％で走行させた。故障が生じるまでの走行距離を測定し、比較例１を１００としたときの指数で示し、この値が大きいほど耐久性能が優れる。

実施例１
図１及び図２に示すような内側環状部と外側環状部と連結部とを備える支持構造体、その外周に設けられた補強層、並びにトレッドゴムを備える非空気圧タイヤを作製し、耐久性能を評価した。外側環状部の内部には、タイヤ周方向に連続した空洞部を形成し、この空洞部には標準大気圧（１０１ｋＰａ）の水を充填した。評価結果を表１に併せて示す。

実施例２
外側環状部の外周壁の厚みを、図４に示すようにタイヤ幅方向の両側端から中央へ向かって徐々に小さくしたこと以外は、実施例１と同じとした。評価結果を表１に併せて示す。

実施例３
外側環状部の外周壁、補強層、及びトレッドゴムを図７に示すような形状としたこと以外は、実施例１と同じとした。評価結果を表１に併せて示す。

比較例１
外側環状部を、内部に空洞部を形成せずに中実としたこと以外は、実施例３と同じとした。評価結果を表１に併せて示す。

比較例２
外側環状部を、内部に空洞部を形成せずに中実としたこと以外は、実施例１と同じとした。評価結果を表１に併せて示す。

表１の結果から以下のことが分かる。実施例３の非空気圧タイヤは、比較例１と比較して、耐久性能を向上できた。また、実施例１及び２の非空気圧タイヤは、比較例２と比較して、耐久性能を向上できた。

１ 内側環状部
２ 外側環状部
２ａ 外側環状部の外周面
３ 連結部
２０ 空洞部
２２ 外側環状部の外周壁
ＳＳ 支持構造体
Ｔ 非空気圧タイヤ

Claims (5)

1. 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た外側環状部と、前記内側環状部と前記外側環状部とを連結する連結部とを備える支持構造体を有する非空気圧タイヤにおいて、
   前記外側環状部は、内部にタイヤ周方向に連続して形成された空洞部を備え、前記空洞部には流体が充填されていることを特徴とする非空気圧タイヤ。
2. 前記流体は、標準大気圧以上の圧力を有する液体であることを特徴とする請求項１に記載の非空気圧タイヤ。
3. 前記外側環状部の外周面は、タイヤ幅方向の中央から両側端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ことを特徴とする請求項１又は２に記載の非空気圧タイヤ。
4. 前記空洞部の外周側を構成する前記外側環状部の外周壁は、タイヤ幅方向の中央部の厚みが両側部の厚みよりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の非空気圧タイヤ。
5. 前記外側環状部の外周壁の厚みは、タイヤ幅方向の両側端から中央へ向かって徐々に小さくなっていることを特徴とする請求項４に記載の非空気圧タイヤ。

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