JP7286961B2 - 車輪及び車輪の製造方法。 - Google Patents

Description

本発明は、主として、スーツケース、台車及びベビーカー等に用いられる車輪に関する。

従来から、スーツケースに用いられる車輪においては、騒音を低減する技術として、キャスターの本体部に緩衝部材と緩衝部材を収納する緩衝部材収納部が設けられたキャスターが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８－１３１１９２号公報

しかしながら、上記キャスターは、構成が複雑となり、コストが嵩む。また、緩衝部材及び緩衝部材収納部の破損により、キャスターとしての機能が害される。

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、簡素な構成で、緩衝性能に優れた車輪を提供することを主たる目的としている。

本発明は、車輪であって、接地面を有する円筒状のトレッドリングと、前記トレッドリングの半径方向内側に配されかつ車軸に支持されるハブと、前記トレッドリングと前記ハブとの間に配される荷重支持部とを備え、前記荷重支持部は、弾性を有する外殻と前記外殻に囲まれた空間とを有する複数のセルが互いに連結されて構成される。

本発明に係る前記車輪において、前記空間は、密閉空間である、ことが望ましい。

本発明に係る前記車輪において、前記セルは、多面体状である、ことが望ましい。

本発明に係る前記車輪において、前記セルの外表面は、少なくとも一部に曲面を含む、ことが望ましい。

本発明に係る前記車輪において、前記セルは、前記外表面が互いに連結された複数の第１セルと、前記第１セルの隙間に形成された第２セルとを含む最密充填構造を有する、ことが望ましい。

本発明に係る前記車輪において、互いに隣り合う前記セルは、前記外殻を共有している、ことが望ましい。

本発明に係る前記車輪において、前記外表面は、１４面体状である、ことが望ましい。

本発明に係る前記車輪において、前記セルは、球状である、ことが望ましい。

本発明に係る前記車輪において、前記外殻の厚さは、前記トレッドリングの厚さよりも小さい、ことが望ましい。

本発明に係る前記車輪において、前記セルは、車輪半径方向に複数段に積み重ねられている、ことが望ましい。

本発明に係る前記車輪において、前記セルは、車輪軸方向に沿って複数列に配列されている、ことが望ましい。

本発明に係る前記車輪において、前記セルは、車輪周方向に沿って８個以上配列されている、ことが望ましい。

本発明に係る前記車輪において、前記外殻は、ゴム、樹脂又はエラストマーを含む材料によって構成されている、ことが望ましい。

本発明に係る前記車輪において、前記材料は、試験温度２３±２℃、試験時間２４時間、圧縮率２５％の条件でＪＩＳ Ｋ６２６２の規定に準拠して測定された圧縮永久歪が、１０％以下である、ことが望ましい。

本発明に係る前記車輪において、前記外殻の厚さは、０．３mm以上である、ことが望ましい。

また、本発明は、車輪の製造方法であって、前記ハブを形成する第１工程と、前記ハブのタイヤ半径方向外側に、複数の前記セルを配列し、固着する第２工程と、前記セルのタイヤ半径方向外側に、前記トレッドリングを形成する第３工程とを含む。

本発明に係る前記車輪の製造方法において、前記第２工程では、積層造形によって前記外殻が形成される、ことが望ましい。

本発明の前記車輪では、前記荷重支持部は、弾性を有する前記外殻と前記外殻に囲まれた空間とを有する複数の前記セルが互いに連結されて構成される。転動時に車輪のトレッドリングに加えられる振動や衝撃（以下、振動と記す）等は、前記外殻によって緩衝される。従って、前記車輪の外部に緩衝部材等を設けることなく、振動等が緩和される。

本発明の前記車輪の前記製造方法では、緩衝性能に優れた前記車輪を容易に製造することが可能となる。

本発明の車輪の一実施形態の構成を示す側面図である。 図１のＡ－Ａ線断面図である。 図１のセルの構成を示す斜視図である。 図１の荷重支持部の変形例の構成を示す斜視図である。 本発明の車輪の変形例である車輪の構成を示す側面図である。 図１のＢ－Ｂ線断面図である。 図１の車輪の製造方法の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１は、本実施形態の車輪１の側面図である。図２は、車輪１の断面図である。車輪１は、円筒状のトレッドリング２と、車軸（図示せず）に支持されるハブ３と、荷重を支持する荷重支持部４とを備えている。

トレッドリング２は、接地面２１を有している。ハブ３は、トレッドリング２の半径方向内側に配されている。本実施形態のハブ３は、円筒状に形成されている。ハブ３には、必要に応じて、ベアリング３１等が設けられている。荷重支持部４は、トレッドリング２とハブ３との間に配されている。すなわち、荷重支持部４は、トレッドリング２の半径方向内側かつハブ３の半径方向外側に配されている。

荷重支持部４は、複数のセル５が互いに連結されて構成されている。本実施形態では、複数のセル５が、車輪１の半径方向、軸方向及び周方向に配列され、隣り合うセル５と互いに連結されている。

図２は、セル５の構成を示している。同図では、セル５の内部構造を示すため、その一部（手前側の外殻）が破断されている。セル５は、外殻６と外殻６に囲まれた空間７とを有している。空間７には、空気が充填されている。セル５の内圧は、例えば、大気圧と同等若しくはそれよりも若干高く設定される。

セル５は、弾性を有する材料にて形成されており、外力を受けて変形する。これにより、転動時に車輪１のトレッドリング２に加えられる振動等は、外殻６によって緩衝される。従って、車輪１の外部に緩衝部材等を設けることなく、振動等が緩和される。

空間７は、外殻６によって密閉されているのが望ましい。このような形態では、セル５は、空気ばねとして機能し、振動等を減衰しながら荷重支持部４及びトレッドリング２の変形を抑制する。これにより、外殻６自体の弾性と相俟って、優れた緩衝性能が得られると共に車輪１の走行抵抗が抑制される。また、一つのセル５の外殻６が損傷を受け、空間７の密閉状態が妨げられた場合であっても、周辺の密閉された空間７のセル５が荷重を支持し、補うことができる。従って、耐久性能と緩衝性能とが両立した車輪１が容易に得られる。

外殻６には、外殻６を貫通する微小な孔が設けられていてもよい。車輪１に荷重が負荷されたとき、上記孔が閉じることにより、空間７は実質的に密閉空間となる。また、本発明では、空間７は完全に密閉されなくとも、セル５の空気ばねとして機能は部分的に得られるため、優れた緩衝性能が得られる。

セル５の形状は、多面体状であるのが望ましい。このようなセル５では、隣り合うセル５同士が大きな面積で結合され、その結合強度が容易に高められる。セル５の形状は、正多面体である必要はないが、荷重を均一に分散するために、対称性を有する形状が望ましい。各面が交差する峰部は曲面に丸められていてもよい。

セル５の外表面６１は、少なくとも一部に曲面を含んでいるのが望ましい。このようなセル５は、円筒状のトレッドリング２の内周面及びハブ３の外周面に馴染みやすく、良好な結合が得られる。

互いに隣り合うセル５は、外殻６を共有している。これにより、荷重支持部４の構成が簡素化される。

図１、２に示されるように、本実施形態の車輪１では、各セル５は、最密充填構造をとるように配列されている。より具体的には、セル５は、外表面６１が互いに連結された複数の第１セル５１と、第１セル５１の隙間に形成された第２セル５２とを含んでいる。本実施形態では、第１セル５１の外表面６１は、１４面体（切頂８面体）状に形成されている。一方、第２セル５２の外表面６１は、１４面体状又は８面体状に形成されている。これにより、セル５の個数が増加することから、耐荷重性能を容易に高めることができる。

また、荷重支持部４は、形状及び大きさの異なるセル５（すなわち、弾性定数が異なるセル５）が混在して構成されていてもよい。この場合、各セル５の弾性定数にバリエーションが生じ、様々な振動数や振幅の振動を容易に緩和することが可能となる。

外殻６の厚さは、トレッドリング２の厚さよりも小さいのが望ましい。このような外殻６は容易に弾性変形し、優れた緩衝性能が得られる。また、トレッドリング２の厚さを大きくし、耐摩耗性能を容易に高めることができる。

セル５は、車輪半径方向に複数段に積み重ねられているのが望ましい。これにより、一層優れた緩衝性能が容易に得られる。

セル５は、車輪軸方向に沿って複数列に配列されているのが望ましい。これにより、車輪１の耐荷重性能を容易に高めることができる。また、トレッドリング２及びハブ３の幅を容易に拡大できる。

セル５は、車輪周方向に沿って８個以上配列されているのが望ましい。これにより、車輪１の耐荷重性能を容易に高めることができる。また、車輪１のユニフォミティが向上し、滑らかな転動が得られ、走行抵抗が減少する。

本実施形態の外殻６は、ゴム、樹脂又はエラストマーを含む材料によって構成されている。これにより、外殻６自体に容易に弾性を付与することができる。また、上記材料は、低荷重でも容易に弾性変形し、優れた緩衝性能が得られる。一方、高荷重が負荷された場合には、圧縮された個々のセル５が圧力容器となって、空間７の圧力が高まり、ばね定数は、徐々に高まる。これにより、例えば、空気入りタイヤと同様に、優れた緩衝性能が得られる。

外殻６の材料は、試験温度２３±２℃、試験時間２４時間、圧縮率２５％の条件でＪＩＳ Ｋ６２６２の規定に準拠して測定された圧縮永久歪が、１０％以下が望ましい。上記材料で外殻６が構成されることにより、外殻６のへたりを抑制し、長期間にわたって優れた緩衝性能が得られる。また、外殻６のへたりに伴いトレッドリング２にフラットスポットが生ずることが抑制され、走行抵抗が減少する。

外殻６の厚さＴは、０．３mm以上が望ましい。これにより、高負荷時の外殻６の破損が抑制され、車輪１の耐久性能が向上する。また、外殻６の変形が抑制され、走行抵抗が減少する。

図４は、荷重支持部４の変形例である荷重支持部４Ａを示している。荷重支持部４Ａのうち、以下で説明されてない部分については、上述した荷重支持部４の構成が採用されうる。

荷重支持部４Ａは、立方八面体状の複数のセル５Ａが連結されることにより、構成されている。切頂８面体状のセル５と同様に、立方８面体状のセル５Ａは、隙間なく連結することが可能であり、優れた緩衝性能が得られる。

荷重支持部を構成するセルの形状は、上記切頂８面体状及び立方８面体状に限られることなく、例えば、４面体状、６面体状、８面体状、１２面体状、２０面体状又は球状であってもよい。この場合、異なるサイズのセルが混在して荷重支持部が構成されていてもよい。

図５は、図１の車輪１の変形例である車輪１Ａを示している。図６は、車輪１Ａの断面を示している。車輪１Ａのうち、以下で説明されてない部分については、上述した車輪１の構成が採用されうる。

車輪１Ａは、例えば、自動車の車輪として好適に用いられる。トレッドリング２には、必要に応じて補強コード層が埋設されている。補強コードには、スチール等の金属の他、有機繊維等が適用される。車輪１Ａでは、ハブ３Ａがリム状に形成され、通常の空気入りタイヤと同様に、車両の車軸（図示せず）等に取り付けられる。

図７は、図１、２に示される車輪１の製造方法の手順を示している。図５、６に示される車輪１Ａも車輪１と同様に製造される。

車輪１の製造方法は、ハブ３を形成する第１工程Ｓ１と、ハブ３のタイヤ半径方向外側に、複数のセル５を固着する第２工程Ｓ２と、セル５のタイヤ半径方向外側に、トレッドリング２を固着する第３工程Ｓ３とを含んでいる。

第１工程Ｓ１では、円筒状のハブ３が形成される。ハブ３には、金属又は樹脂が用いられる。

第２工程Ｓ２では、ハブ３の外周面にセル５が配列され、固着される。セル５の外殻６の外表面６１は、ハブ３の外周面又は隣り合うセル５の外殻６の外表面６１と固着される。これにより、ハブ３の車輪半径方向外側に、荷重支持部４が形成される。

第３工程Ｓ３では、荷重支持部４の外周面を構成する、車輪半径方向で最も外側のセル５の外表面６１にトレッドリング２が固着される。

以上の製造方法により、緩衝性能に優れた車輪１を容易に製造することが可能となる。

第２工程Ｓ２では、セル５の配列と固着とが同時に実施されてもよい。例えば、３Ｄ印刷等の積層造形技術を用いることにより、セル５の外殻６が立体造形される。このとき、セル５の配列と固着とが同時に実施される。このような、製造方法では、車輪１を容易に製造できる。

また、第２工程Ｓ２で３Ｄ印刷により外殻６が立体造形された後、第３工程Ｓ３でも、トレッドリング２が３Ｄ印刷により立体造形されてもよい。

また、第２工程Ｓ２では、単数又は複数の外殻６によって構成される小片を接着又は溶着等にて接合することにより、セル５及び荷重支持部４が形成されてもよい。

以上、本発明の車輪１が詳細に説明されたが、本発明は上記の具体的な実施形態に限定されることなく種々の態様に変更して実施される。例えば、各セル５は互いに連結されている形態に限られることなく、少なくとも、トレッドリング２とハブ３との間から外れないように、拘束されていればよい。例えば、荷重支持部４の軸方向の外側に壁状の拘束手段が形成されていてもよい。

図１の基本構造を有する車輪が表１の仕様に基づき試作され、静粛性能、緩衝性能及び走行抵抗がテストされた。共通する仕様は以下の通りである。
トレッドリングの外径：５０mm
ハブの外径 ：２６mm
トレッドリングの幅 ：１５mm

比較例１のトレッドリングの材料は、スチレン系熱可塑性エラストマーである。比較例２のトレッドリングの材料は、ポリウレタンと熱硬化性エラストマー混合物の発泡体（発泡倍率は３０倍）である。実施例のトレッドリングの材料は、ブタジエンゴム、天然ゴム及びシリカからなるゴム組成物であり、トレッドリングは、リング状のキャビティ空間を有する金型を用いて加硫成形される。

実施例のセルの外殻の材料は、液状ポリマー、シリカ、トリアルコキシシランを有する化合物を含む高粘度流体のゴム組成物である。セルの形状は、１４面体（切頂８面体）状であり、隣接する隙間に８面体状のセルが生ずる。セルの配列では、１４面体状のセルがカウントされる。外殻は、紫外線硬化による積層造形にて形成された。テスト方法は、以下の通りである。

＜静粛性能＞
４個の車輪が装着されたスーツケースが無響室に持ち込まれ、０．５１kNの荷重を加えてドラム上を速度５km/hで走行したときの音圧レベルがマイクロフォン（リオン社製：ＮＬ－１５）を用いて測定された。結果は、比較例１を１００とする指数であり、数値が小さい程、静粛性能に優れていることを示す。

＜緩衝性能＞
上記スーツケースが０．５１kNの荷重、速度５km/hで、高さ１mm、幅１０mmの突起を乗り越えたときの加速度が、ケース頂部に装着された加速度センサー（２Ｄ社製）にて測定された。結果は、比較例１を１００とする指数であり、数値が小さい程、緩衝性能に優れていることを示す。

＜走行抵抗＞
０．５１kNの荷重を加え、２４時間放置した後の上記スーツケースを引く際の力が、ばねばかりを用いて測定された。結果は、比較例１を１００とする指数であり、数値が小さい程、緩衝性能に優れていることを示す。

表１から明らかなように、実施例の車輪は、比較例に比べて静粛性能及び緩衝性能と走行抵抗とがバランスよく有意に向上していることが確認できた。

１ ：車輪
２ ：トレッドリング
３ ：ハブ
４ ：荷重支持部
５ ：セル
６ ：外殻
７ ：空間
２１ ：接地面
５１ ：第１セル
５２ ：第２セル
６１ ：外表面
Ｓ１ ：第１工程
Ｓ２ ：第２工程
Ｓ３ ：第３工程

Claims (8)

1. 車輪であって、
   接地面を有する円筒状のトレッドリングと、前記トレッドリングの半径方向内側に配されかつ車軸に支持されるハブと、前記トレッドリングと前記ハブとの間に配される荷重支持部とを備え、
   前記荷重支持部は、弾性を有する外殻と前記外殻に囲まれた空間とを有する複数のセルが互いに連結されて構成され、
   前記複数のセルは、車輪の半径方向、軸方向及び周方向に沿って配列されており、
   前記複数のセルのそれぞれの前記空間は、隣接するセル間で互いに連通することのない独立した密閉空間であり、
   前記複数のセルの外表面は、切頂八面体状を有し、
   前記複数のセルは、車輪の回転軸を含む平面、車輪の回転軸と同心の円筒面、及び、車輪の回転軸と直交する平面それぞれに沿ってのびる前記外表面を有して最密充填構造を有するように配置される、
   車輪。
2. 前記外殻の厚さは、前記トレッドリングの厚さよりも小さい、請求項１に記載の車輪。
3. 前記セルは、車輪周方向に沿って８個以上配列されている、請求項１又は２に記載の車輪。
4. 前記外殻は、ゴム、樹脂又はエラストマーを含む材料によって構成されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の車輪。
5. 前記材料は、試験温度２３±２℃、試験時間２４時間、圧縮率２５％の条件でＪＩＳ Ｋ６２６２の規定に準拠して測定された圧縮永久歪が、１０％以下である、請求項４記載の車輪。
6. 前記外殻の厚さは、０．３mm以上である、請求項１ないし５のいずれかに記載の車輪。
7. 請求項１乃至６いずれかに記載の車輪の製造方法であって、
   前記ハブを形成する第１工程と、
   前記ハブのタイヤ半径方向外側に、複数の前記セルを配列し、固着する第２工程と、
   前記セルのタイヤ半径方向外側に、前記トレッドリングを形成する第３工程とを含む、
   車輪の製造方法。
8. 前記第２工程では、積層造形によって前記外殻が形成される、請求項７記載の車輪の製造方法。

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