JP6007590B2 - 空気入りタイヤ - Google Patents

Description

本発明は、トラックやバスなどに用いられる重荷重用空気入りタイヤのビードコアに関するものであり、さらに詳しくは、高い空気圧を有する重荷重用空気入りタイヤのビードコアの回転を抑制できるビードコアを提供するものである。

自動車などの車両に装着される空気入りタイヤでは、リムとの間における内圧を保持するために、またトルクに対してリムから外れないようにリムに固定する役割を有するビード部が設けられている。ビード部には、複数本のスチールなどの金属線であるビード素線を略並行に引きそろえて所定の直径を有する回転ドラムの周囲に巻きつけ積層したビードコアを持つ。この空気入りタイヤのビード部におけるビードコアは、カーカスプライを形成する有機繊維コードやスチールコードの端部を巻きつけ固定するとともに、タイヤ本体の内周寸法を規定し、リムとの嵌め合いを維持している。このように、ビードコアは空気入りタイヤにおいて非常に大切な構成要素であるから、走行中にビードコアが変形したり、移動したりしないようにビード部の耐久性を向上させる必要がある。

しかし、重荷重用空気入りタイヤを使用するバスやトラックにおいて、空気圧の高い状態で走行するとビードヒール部にセパレーションや裂傷等の欠陥が発生する場合がある。この原因は高い空気圧における使用によってビードコアがビードヒール部を中心として回転して、ビードヒール部に荷重が集中し歪が大きくなり欠陥発生に至ると推測される。

図１は、大型車両用タイヤ（タイヤサイズ３１５／８０R２２．５）の空気圧の違いによるビードコアの回転の大きさを比較した図である。このタイヤのビードコア３は略６角形状であるが、この６角形状のビードコア３の底辺７とビードベースライン５（と平行なライン）との角度（これをビードコアの傾斜角度と呼ぶ）は空気圧を高めると大きくなることを発見した。図１はＣＴスキャン装置により測定したビードコアの傾斜角度を示している。通常圧の空気圧（９００ｋPa）を充填したビードコア３の傾斜角度は２．３度であるが、高い空気圧（１１００ｋPa）ではビードコア３の傾斜角度は５．８度と大きくなり、空気圧が高くなると、ビードコアはヒール部９を中心に回転することが確かめられた。

図２は、ビード部におけるビードコアの回転状態を示す模式図である。ビード部１１において、ビードコア１３が備わり、カーカス１５はビードコア１３の周りを巻き返されている。ビードコア１３の形状は、子午面断面において略六角形形状となっている。ビードコア１３の底辺１９は空気圧が低いときは、ビードベース面１７に略平行に配置されている。ビードコア１３は空気圧が高くなるに従い徐々に回転し始めるため、ビードコア１３の底辺１９もビードベース面１７から傾いてくる。ビードコア１３の底辺１９におけるタイヤ幅方向外側のビードコア１３の角部Ｐにおいて、ビードベース面１７と平行な直線２５とビードコア１３の底辺１９（その延長線２７）とのなす角度をαとする。このαが前述のビードコア傾斜角度に相当する。

ビードコア１３の角部Ｐはビードヒール部２１に対応するカーカス１５の折返し部２３の近傍に位置している。空気圧が高くなると前述のようにビードコア１３はビードヒール部２１の周りに回転するように見えるが、実際にはビードコア１３の角部Ｐの周りに回転している。空気圧が低いときはα＝０であり、前述のように、通常圧の空気圧（９００ｋPa）ではα＝２．３度で、高い空気圧（１１００ｋPa）ではα＝５．８度である。ＦＥＭ（有限要素法）解析によると、このビードコアの回転によってビードヒール部のひずみが大きくなることが分かった。たとえば、前述の傾斜角度５．８度になるとひずみ量は約１５％大きくなる。

特開2010-274853 特表2008-542099 特開2009-280119 特開2002-002237

上記したように、重荷重用空気入りタイヤの高い空気圧における使用によってビードコアがビードヒール部を中心として回転して、ビードヒール部に荷重が集中して歪が大きくなり、ビードヒール部でセパレーション等の欠陥を発生させる。これを防止する手段として、ビード剛性を高めることが考えられる。たとえばビードワイヤの総巻き回数を増加させて高ビード剛性とする手段がある。しかし、このビードワイヤの総巻き回数を増加させる方法は、剛性の向上を実現することができるが、高空気圧状態における使用によるビードコアの回転には効果が小さいと考えられる。さらに、コストアップ、重量増加、ビードコアサイズが大きくなる、およびリム組み性が悪くなるという問題がある。また、特許文献１には、ビードコアの一部に高硬度のゴム部材からなる拘束部材を備えて、ビードコアの回転を抑制することが提案されているが、ゴム部材は本質的に弾性体であるため、重車両用空気入りタイヤにおける前述の高空気圧状態における使用によるビードコアの回転には余り効果がないと推測される。このように、高い空気圧におけるタイヤの使用によるビードコア回転に基づくビードヒール部の欠陥発生問題には、有効な解決方法がなかった。

本発明は、ビードコア部の一部をスチールより弾性係数の高い材料に変更することによって高空気圧状態における使用によるビードコアの回転を小さくするものである。具体的には以下の特徴を有する。
（１）本発明は、多角形のビードコアを有する重荷重用空気入りタイヤにおいて、前記ビードコアの中心Ｏを通りビードベース面に略平行に配置されるビードコア底辺に下ろした垂線を基準として、タイヤ幅方向内側領域の一部または全部の領域におけるビードコアを構成する金属材が、スチールより高弾性係数（ヤング率）の金属材料であるとともに、他の領域におけるビードコアを構成する金属材はスチールであることを特徴とする重荷重用空気入りタイヤである。

（２）本発明は、上記に加えて、ビードコアの中心Ｏを通りビードコアの中心Ｏからビードコアの底辺へ引いた垂線よりタイヤ幅方向内側領域において、金属材質を変更する領域（スチールより高弾性係数（ヤング率）の金属材料である金属材の領域）の面積をＡ、変更しない領域（スチールである金属材の領域）の面積をＢとし、変更する金属材質（スチールより高弾性係数（ヤング率）の金属材料である金属材）の弾性係数（ヤング率）をＥａ、変更しない領域（スチール）の弾性係数（ヤング率）をＥとしたとき、
１．３≦（Ａ×Ｅａ＋Ｂ×Ｅ）／｛（Ａ＋Ｂ）×Ｅ｝≦２．０
を満足することを特徴とする。

（３）本発明は、上記に加えて、上記変更した（スチールより高弾性係数（ヤング率）の）金属材料はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、またはスチールより高弾性係数（ヤング率）を有する合金であり、さらに、合金はタングステンを主成分金属とし、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、または鉄（Ｆｅ）の少なくとも１つを含み、また合金の弾性係数（ヤング率）は３００〜４００ＧＰａであることを特徴とする。

ビードコア部の材質を変更した領域における変形を小さくすることができ、空気圧を高くしてもビードコアの回転が抑制され、ビードヒール部にかかるひずみを低減することができる。この結果、高い空気圧で使用してもセパレーション等の欠陥発生を防止し耐セパレーション特性を向上することができる。また、ビードワイヤの巻き回数も増加させる必要がないので、ビードコアサイズが大きくなることもない。さらにリム組み性も確保できるので、作業性も良好である。

尚、ビードコアの材質を変更することに関しては幾つかの先行技術文献がある。（特許文献２、３、４）特許文献２は、金属およびカーボンファイバーからなる素線を組み合わせたビードコアを配置したものであるが、これはビードアンシーティング性および軽量化に優れたタイヤを実現することを目的としている。特許文献３は、最内径部に有機繊維コードからなる素線を巻き、最外径部にはスチールからなる素線を巻きつけたビードコアを配置したもので、振動吸収性を高め静粛性に優れたタイヤを実現する目的としている。特許文献４は、金属および有機繊維コードからなる素線を組み合わせたビードコアを配置したものであり、軽量化を達成しうるタイヤの実現を目的としている。このように、スチールとスチール（鋼）以外の材料を組み合わせた材料を用いたビードコアは種々提案されているが、ビードコアの回転抑制等の目的で開示されている先行技術は過去に存在しない。

図１は、大型車両用タイヤの空気圧の違いによるビードコアの回転の大きさを比較した図である。 図２は、ビード部におけるビードコアの回転状態を示す模式図である。 図３は、本発明の実施形態を示す図である。 図４は、ビードコアの一部の領域における材質を通常のスチール製からタングステン材に変更したビードコアの試験後の回転度合を示す図である。

本発明者は、ビードコア部の回転はビードコアを構成する材料を変更し、弾性係数（縦弾性係数、すなわちヤング率）を、通常使用するスチールより大きくするとビードコアの回転を小さくでき、ビードコアの回転を小さくすることでビードヒール部に発生するひずみを抑制することができることを見出した。

特に、多角形を有するビードコアにおいて、ビードコアの中心Ｏを通りビードベース面に略平行に配置されるビードコア底辺に下ろした垂線を基準として、タイヤ幅方向内側領域の一部または全部の領域における金属材をスチールより高弾性係数の材料とすることによって、ビードコアの回転を低減できる。ここで言う多角形とは、ビードコアの子午面断面（タイヤの回転軸を含む子午面で切った断面図）で見た形状であり、各辺は厳密に言えば直線ではなく凹凸のある曲線である場合も含む。本図面ではビードコアを略六角形形状で示すが、ビードコア形状は三角形形状、長方形形状や台形形状等の四角形形状、５角形形状や６角形形状以上の多角形形状でも良い。ここで中心と言う用語を使用したが、ビードコアの材質がすべて同じであれば、ビードコアの中心は重心と同じである。本発明ではビードコアの材質として複数の金属を採用するので、ビードコアの重心は移動するが、ビードコアの中心は移動しないので、ビードコアの形状が同じであればビードコアの中心は常に一定である。

図３は本発明の上記の内容を説明する図である。ビードコア１３の中心Ｏからビードコア１３の底辺１９へ引いた垂線３１よりタイヤ幅方向内側領域３５のうちの一部の領域３３（斜線で示す領域）または全部の領域（領域３５そのもの）における金属材をスチールより高弾性係数の材料とする。ここでビードコア１３の底辺１９とは、多角形形状のビードコア１３を構成する各辺のうち、ビードベース面（ライン）１７に略平行な辺（最も平行に近い辺）であってビードベース面（ライン）１７に近い辺を言う。残りの領域における金属材は従来材料であるスチールである。スチールの弾性係数（ヤング率）は約２００ＧＰａである。このようにすることによって、この変更した領域における変形を小さくすることができ、空気圧を高くしてもビードコア１３の回転が抑制され、ビードヒール部２１にかかるひずみを低減することができる。具体的な変更材料としては、たとえばタングステン（Ｗ、弾性係数約４００ＧＰａ）、モリブデン（Ｍｏ、弾性係数約３３０ＧＰａ）である。さらには、タングステン合金（Ｗを主成分金属とし、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、または鉄（Ｆｅ）のうちの少なくとも１種を含む合金）、あるいは、モリブデン合金でも効果がある。合金の場合における弾性係数は合金を構成する金属の割合で変化するが、約３００〜４００ＧＰａであることが望ましい。

さらに本発明は、ビードコアの中心Ｏを通りビードコア１３の中心Ｏからビードコア１３の底辺１９へ引いた垂線３１よりタイヤ幅方向内側領域３５において、金属材質を変更する領域３３の面積をＡ、変更しない領域３７の面積をＢとし、変更する金属材質の弾性係数をＥａ、変更しない領域の弾性係数をＥ（これはスチールの値となる）としたとき、以下の式を満足することが望ましい。

１．３≦Ｋ＝（Ａ×Ｅａ＋Ｂ×Ｅ）／｛（Ａ＋Ｂ）×Ｅ｝≦２．０ （１）

Ｋ値が１．３を下回るとビードコア１３の回転を抑制する効果が小さい。この上限は、ビードコア１３の中心Ｏからビードコア１３の底辺１９へ引いた垂線３１によって制限される。たとえば、変更する金属材をタングステン（Ｗ）とすると、Ｅは２００ＧＰａ、Ｅａ＝４００ＧＰａであるから、垂線３１の所まで金属材質が変更された場合、Ｂ＝０となるので、Ｋ＝２となり、上限値は２となる。この値を超えると、すなわち、ビードコア１３の中心Ｏからビードコア１３の底辺１９へ引いた垂線３１よりタイヤ幅方向外側まで材質を変更した場合、リム組み性が悪くなる。弾性係数が３００ＧＰａ〜４００ＧＰａの間にある金属材の場合には、Ｋ値の上限は１．５〜２．０となる。尚、タングステンより大きな弾性係数（すなわち、４００ＧＰａ以上）を持つ金属を採用した場合は、上限値２．０となる領域は、垂線３１よりタイヤ幅方向内側領域３５内となる。

本発明の実施例を表１に示す。ビードコアとして、スチール製（弾性係数２００ＧＰａ）、モリブデン製（弾性係数３３０ＧＰａ）、タングステン製（弾性係数４００ＧＰａ）、およびタングステン合金製（弾性係数３００ＧＰａ、３６０ＧＰａ）の４種類を用いた。使用したビードコアは略６角形形状（断面積で）であり、ビードコアの中心を通り、ビードベース面に略平行なビードコア底辺に下ろした垂線（Ｍとする）を基準として、上記した計算式｛（１）｝によりＫ値を求めた。ビードコアの面積は垂線Ｍによってほぼ２分されているので、ビードコア全体の面積（断面積）を２Ｓとすると、Ｓ＝Ａ＋Ｂとなる。

（１）式においては、Ａ≦Ｓであるが、変更したビードコア材料が垂線Ｍのタイヤ幅方向外側も含む場合を比較例として示したので、その場合も考慮して材質を変更する面積をＣとした。従って、材質を変更する面積が垂線Ｍのタイヤ幅方向内側領域に存在する場合は、Ｃ＝Ａとなる。また、Ｃ／Ｓ＝１００％とは、垂線Ｍのタイヤ幅方向内側領域すべての材質が変更されたことを意味し、Ｃ／Ｓ＜１００％とは、垂線Ｍのタイヤ幅方向内側領域の一部の材質が変更されたことを意味する。材質を変更する面積が垂線Ｍのタイヤ幅方向外側領域にまで広がると、Ｃ／Ｓ＞１００％となり、ビードコア全体の材質が変更された場合はＣ／Ｓ＝２００％である。タングステン合金の弾性係数値は、タングステンの割合を変化させて作製したものである。表１ではビードコアの材質を変更した部分を模様付けして示している。尚、垂線Ｍのタイヤ幅方向外側までビードコア材質が変更された場合、Ｋ値は定義できないのでＫ値の値を記入していない。

タイヤは重荷重用空気入りタイヤ（タイヤサイズ３１５／８０Ｒ２２．５、リム8.25x22.5）を使用し、内圧１１００ｋＰａ（最大空気圧９００ｋＰａ）にしドラム試験機にて規格の最大荷重の１４０％荷重の条件で、距離２００００ｋｍを走行させた後、タイヤ周上の１６箇所において、ビードヒール部におけるセパレーション発生有無を目視にて確認し、耐セパレーション特性をセパレーション発生率で評価した。セパレーション発生率が小さいほど耐セパレーション特性に優れる。また、３箇所以下の発生数（セパレーション発生率１９％以下）をＯＫとした。また、各タイヤをリム組みする際に要したプレスの圧入力及び時間を測定し、その測定値から評価を行ない、その結果を○（良）、△（普通）、×（劣る）の三段階により、リム組み性を評価した。以下評価結果を表１〜表３に示す。

この表から以下のことが分かる。垂線Ｍよりもタイヤ幅方向内側の領域において、その一部または全部の領域におけるビードコアの材質を通常のスチール製（弾性係数が約２００ＧＰａ）から弾性係数が約３００ＧＰａ〜４００ＧＰａの材料に変更すると、耐セパレーション特性が改善し、Ｋ値が１．３以上になるとセパレーション発生率がなくなり、良好な耐セパレーション特性となる。一方、垂線Ｍよりもタイヤ幅方向外側の領域までビードコアの材質を変更すると、セパレーション発生率はないが、リム組み性が悪くなる。これは、ビード部の弾力性が低下するためと考えられる。

図４はビードコアの一部の領域における材質を通常のスチール製からタングステン材に変更したビードコアの試験後の回転度合を示す図である。ビードコアの回転度合（ビードコア傾斜角度）はＣＴスキャン装置により測定した。図４（ａ）は、従来例（図１（ｂ）と同じ）であり、図４（ｂ）はタングステン材に変更した図であり、条件は実施例２４（Ｃ／Ｓ＝Ａ／Ｃ＝５０％、Ｋ値＝１．５）である。従来例のビードコア傾斜角度５．８度に対して、実施例のビードコア傾斜角度は３．６度になり大きく改善されている。Ｋ値が大きくなるとこのビードコア傾斜角度はさらに改善される。また、ＦＥＭ（有限要素法）解析における歪量解析データによると、ビードヒール部の歪量も約１１％低減しており、大きな効果が出ている。

以上説明した様に、ビードコアの一部の材質を通常のスチールより弾性係数が大きな金属材料へ変更することによって、空気圧上昇によるビードコア部の変形が小さくなり、ビードヒール部を中心としたビードコアの回転を抑制することができ、ビードヒール部の歪を大幅に低減できる。この結果、耐セパレーション特性も大幅に改善することができる。

上述のように本発明の製造方法について詳細に説明したが、明細書のある部分に記載し説明した内容について記載しなかった他の部分においても矛盾なく適用できることに関しては、当該他の部分に当該内容を適用できることは言うまでもない。さらに、上記実施形態は１例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施でき、本発明の権利範囲が上記実施形態に限定されないことも言うまでもない。

本発明は、重車両用タイヤだけでなく乗用車用タイヤや軽車両用も含めた広範囲な空気入りタイヤに適用できる。

１・・・ビード部、
３・・・ビードコア、
５・・・ビードベースライン、
７・・・ビードコアの底辺、
９・・・ビードヒール部、
１１・・・ビード部、
１３・・・ビードコア、
１５・・・カーカス、
１７・・・ビードベース面、
１９・・・ビードコアの底辺、
２１・・・ビードヒール、部
２３・・・カーカスの折返し部、
２５・・・、ビードベース面と平行な直線、
２７・・・ビードコアの底辺の延長線、
３１・・・ビードコア１３の中心Ｏからビードコア１３の底辺１９へ引いた垂線、
３３・・・高弾性係数金属材料へ変更した領域、
３５・・・垂線３１よりタイヤ幅方向内側領域、
３７・・・変更しない領域、
Ｐ・・・ビードコアの角部、
Ｏ・・・ビードコアの中心、
α・・・ビードコア傾斜角度、
Ｍ・・・垂線、
Ａ・・・金属材質を変更する領域の面積、
Ｂ・・・変更しない領域の面積、

Claims (5)

1. 多角形のビードコアを有する重荷重用空気入りタイヤにおいて、前記ビードコアの中心Ｏを通りビードベース面に略平行に配置されるビードコア底辺に下ろした垂線を基準として、タイヤ幅方向内側領域の一部または全部の領域におけるビードコアを構成する金属材が、スチールより高弾性係数（ヤング率）の金属材料であるとともに、他の領域におけるビードコアを構成する金属材はスチールであることを特徴とする重荷重用空気入りタイヤ。
2. ビードコアの中心Ｏを通りビードコアの中心Ｏからビードコアの底辺へ引いた垂線よりタイヤ幅方向内側領域において、スチールより高弾性係数（ヤング率）の金属材料である金属材の領域の面積をＡ、スチールである金属材の領域の面積をＢとし、スチールより高弾性係数（ヤング率）の金属材料である金属材の弾性係数（ヤング率）をＥａ、スチールの弾性係数（ヤング率）をＥとしたとき、
   １．３≦（Ａ×Ｅａ＋Ｂ×Ｅ）／｛（Ａ＋Ｂ）×Ｅ｝≦２．０
   を満足することを特徴とする、請求項１に記載の重荷重用空気入りタイヤ。
3. 上記スチールより高弾性係数（ヤング率）の金属材料はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、またはスチールより高弾性係数（ヤング率）を有する合金であることを特徴とする、請求項１または２に記載の重荷重用空気入りタイヤ。
4. 上記合金はタングステンを主成分金属とし、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、または鉄（Ｆｅ）の少なくとも１を含むことを特徴とする、請求項３に記載の重荷重用空気入りタイヤ。
5. 上記合金の弾性係数（ヤング率）は３００〜４００ＧＰａであることを特徴とする、請求項３または４に記載の重荷重用空気入りタイヤ。