(57)【要約】【課題】長期間使用してもき裂の発生確率が低い、線材を備える複合材料であって、構造体のサイズを変更した場合でも、生産効率が犠牲とならない複合材料およびこれを用いた空気入りタイヤを提供する。【解決手段】複合材料１６は、スチールコード１０と、このスチールコード１０を被覆する最内層１２、最内層１２に積層された中間層１３およびこの中間層１３に積層された最外層１４を備える複数のゴム層と、を有し、これらの複数のゴム層のゴム材は、スチールコード１０に比べていずれも弾性率が低い。最内層１２および中間層１３は、最外層１４のゴム材に比べて高弾性率のゴム材で構成された高弾性ゴム層である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
線状の複合材料であって、１本の線材と、この線材に接触して線材を被覆する最内層およびこの最内層に積層された外層を備える、複数種類のゴム材からなる複数のゴム層と、を有し、前記複数のゴム層のゴム材は、前記線材に比べて弾性率が低いことを特徴とする複合材料。
【請求項２】
前記複数のゴム層のうち少なくとも前記最内層は、前記複数のゴム層のうち最外層のゴム材に比べて高弾性率のゴム材で構成された高弾性ゴム層である請求項１に記載の複合材料。
【請求項３】
前記線材および前記高弾性ゴム層のゴム材のヤング率をそれぞれＥ１　およびＥ２　とし、前記線材および前記高弾性ゴム層の断面２次モーメントをそれぞれＩｚ１およびＩＺ２とした場合、前記ヤング率の比（Ｅ２　／Ｅ１　）が０．０１以下であり、前記断面２次モーメントの比（Ｉｚ１＋ＩＺ２）／Ｉｚ１が１．３３以上５．８３以下である請求項１または２に記載の複合材料。
【請求項４】
前記複数のゴム層は、最外層に近づくゴム層ほど弾性率が低くなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料。
【請求項５】
所定の間隔で複数本並列に配設されてシート状に形成される請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材料。
【請求項６】
シート状に形成された複合材料であって、一定間隔で並列に配設された複数本の線材と、これらの線材の各々に設けられたゴム層であって、線材に接触して線材を被覆する最内層およびこの最内層に積層された外層を備える、複数種類のゴム材からなる複数のゴム層と、を有し、前記複数のゴム層のゴム材は、前記線材に比べて弾性率が低いことを特徴とする複合材料。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の複合材料を、補強部材として埋設したことを特徴とする空気入りタイヤ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、線状あるいはシート状に形成され、線材に被覆されたゴム層を有する複合材料、例えば、ホース等の環状複合体、コンベヤベルト等の板状複合体、防舷材等の薄肉複合体等の工業製品や、スチールコード等を線材とし、この線材を取り巻くゴム部材を母材とする空気入りタイヤに用いられる複合材料、およびこの複合材料を用いた空気入りタイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、空気入りタイヤには、スチールコード等の線材にゴム層を被覆したベルト部材、カーカス部材あるいはビード部材が補強材として埋設されている。これらの補強材は、自ら破壊することなく長期間の使用に耐えられるように、優れた耐久性を有することが必要である。
しかし、線材がスチールコードの場合、スチールコードを被覆するゴム材は、スチールコードに比べてヤング率等の弾性率が極端に低いため、スチールコードとゴム材の界面あるいは界面近傍に高レベルの歪みが発生し、ゴム材にき裂が発生する場合がある。このため、補強材として十分に機能しないといった問題があった。
【０００３】
これに対して、タイヤ内圧が規定内圧よりも極端に低い場合にカーカスにおける曲率半径の小さな部分に発生する歪みおよび変形を抑制するように、従来に比して動的弾性率の高いゴム材を用いてカーカスプライコード（線材）を被覆したカーカスプライを空気入りタイヤに用いることが提案されている（特許文献１参照）。これにより、タイヤの耐久疲労性を改善することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２９４１０１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、空気入りタイヤの製造工程において、上記空気入りタイヤに用いられる補強材、例えばビード部材、カーカス部材、ベルト部材、サイドゴム部材およびトレッドゴム部材等の各部材は、グリーンタイヤを成形する成型工程で用いるために、予め所定の長さや幅に切り揃えて用意する必要がある。例えば、上記特許文献１で記載されているスチールコード等の線材が埋設されているカーカス部材の場合、複数本のスチールコードを並列に配置し弾性率の高いゴム材で被覆してシート状の部材とした後、製造する空気入りタイヤのサイズに合わせて裁断して、所定の大きさのシート状のカーカス部材を作製する。
このため、製造するタイヤのサイズが変更されると、予め用意する部材のサイズを変更し、場合によっては、線材の配列間隔も変更し、さらに、線材の配列角度を変更する必要が生じる。
このような場合、製造するタイヤのサイズの変更に応じて、用意すべき各部材を作製し直すのは、生産効率の点で不利である。
【０００６】
このような問題は、タイヤに固有の問題ではなく、複合材料を埋設して構成される構造体一般において発生する問題でもある。
【０００７】
そこで、本発明は、長期間使用してもき裂の発生確率が低い、線材を備える複合材料であって、構造体のサイズを変更した場合でも、生産効率が犠牲とならない複合材料およびこれを用いた耐久性の優れた空気入りタイヤを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、線状の複合材料であって、１本の線材と、この線材に接触して線材を被覆する最内層およびこの最内層に積層された外層を備え、複数種類のゴム材からなる複数のゴム層と、を有し、前記複数種類のゴム層のゴム材は、前記線材に比べて弾性率が低いことを特徴とする複合材料を提供する。
【０００９】
ここで、前記複数のゴム層のうち少なくとも前記最内層は、前記複数のゴム層のうち最外層のゴム材に比べて高弾性のゴム材で構成された高弾性ゴム層であるのが好ましく、前記線材および前記高弾性ゴム層のゴム材のヤング率をそれぞれＥ１　およびＥ２　とし、前記線材および前記高弾性ゴム層の断面２次モーメントをそれぞれＩｚ１およびＩＺ２とした場合、前記ヤング率の比（Ｅ２　／Ｅ１　）が０．０１以下であり、前記断面２次モーメントの比（Ｉｚ１＋ＩＺ２）／Ｉｚ１が１．３３以上５．８３以下であるのが好ましい。前記高弾性ゴム層が複数の層から構成される場合、ゴム材のヤング率は、平均ヤング率とする。また、前記複数のゴム層は、最外層に近いゴム層ほど弾性率が低いのが好ましい。
また、前記複合材料は所定の間隔で複数本並列に配設してシート状に形成して用いられてもよい。
【００１０】
また、本発明は、シート状に形成された複合材料であって、一定間隔で並列に配設された複数本の線材と、これらの線材の各々に設けられたゴム層であって、線材に接触して線材を被覆する最内層およびこの最内層に積層された外層を備える、複数種類のゴム材からなる複数のゴム層と、を有し、前記複数のゴム層のゴム材は、前記線材に比べて弾性率が低いことを特徴とする複合材料を提供する。
【００１１】
また、本発明は、上記記載の複合材料を、補強部材として埋設したことを特徴とする空気入りタイヤを提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複合材料を用いた本発明の空気入りタイヤについて、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
【００１３】
図１（ａ）は、本発明の空気入りタイヤの一例であるトラック・バス用タイヤ（以降、タイヤという）１の概略斜視図である。図１（ａ）では、タイヤ１のトレッド部２のトレッドパターンは省略されている。
図１（ｂ）は、タイヤ１をタイヤ断面方向に沿って切断した時の、タイヤ断面図である。
タイヤ１は、ベルト部材３、ビード補強材４、カーカス部材５、およびビード部材６を補強材として有し、これらは、いずれも、スチールコードを線材とし、この線材の周りにゴム材が被覆された構成となっている。
【００１４】
カーカス部材５は、図２（ａ）に示すように、１本１本のスチールコード１０の周りに、スチールコード１０と接触してスチールコード１０を被覆する最内層１２と、最内層１２に積層された中間層１３と、この中間層１３に積層された最外層１４とを備えた３層のゴム層からなる線状の複合材料１６によって形成される。すなわち、スチールコード１０の周りには、スチールコード１０を被覆するようにゴム材からなる積層された複数のゴム層が形成されている。そして、これらのゴム層のゴム材は、スチールコード１０に比べて弾性率が低い。また、スチールコード１０に接触する最内層１２および中間層１３におけるゴム材は、最外層１４のゴム材に比べて弾性率が高く、高弾性ゴム層を形成している。また、最内層１２におけるゴム材は、３層のゴム層の中で弾性率が最も高く、次に、中間層１３、次に、最外層１４の順になっている。
スチールコード１０は、例えば、複数の素線を撚った撚り構造である。この撚り構造の周囲に、螺旋状に取り巻くコードが配されてもよい。
【００１５】
なお、最外層１４に用いるゴム材として、例えば天然ゴム等のジエン系ゴム材にカーボンブラック等の配合剤を混合して通常用いられるベルトコード用のゴム部材を用いればよく、また、最内層１２、中間層１３に用いられる高弾性ゴム材として、例えば、最外層１４で用いたゴム材における配合剤、例えばカーボンブラックの量を多く配合したり、繊維や樹脂等を配合して高弾性化して得られるゴム材を用いる。
【００１６】
このような複合材料１６は、所定の間隔（スチールコードの打ち込み間隔）で複数本並列に配設されてシート状のカーカス部材５として形成される。例えば、最外層１４の厚さが所定の厚さに調整されており、複合材料１６が隣接する複合材料１６と接触するように並列配置されて密着され、図２（ｂ）のようにカーカス部材５がシート状に形成される。
このような構成の線状の複合材料１６は、スチールコード１０の周りにゴム層が形成されているので、線状の複合材料１６を密着して配列して自在に裁断するだけで、所望のサイズのカーカス部材５を形成することができる。したがって、従来のように、一定の間隔で配列したスチールコードにゴム層を被覆した後、所定の長さに裁断してカーカス部材５を作製する場合、サイズ変更に伴い、一定の間隔で配列したスチールコードにゴム層を被覆して再度カーカス部材５を作製し直さなければならない不都合を解消することができ生産効率を向上させることができる。
特に、タイヤ周方向に線状の複合材料１６を巻き回して補強する場合、タイヤ成形工程において、成型中のグリーンタイヤに直接線状の複合材料１６を巻き付けて成型することができるので、生産効率は飛躍的に向上する。
【００１７】
このような線状の複合材料１６は、スチールコード１０のヤング率をＥ１　、最内層１２および中間層１３のゴム材の平均ヤング率をＥ２　とし、スチールコード１０における断面２次モーメントをＩｚ１、最内層１２および中間層１３における断面２次モーメントをＩＺ２とした場合、ヤング率の比（Ｅ２　／Ｅ１　）が０．０１以下であり、断面２次モーメントの比（Ｉｚ１＋ＩＺ２）／Ｉｚ１が１．３３以上５．８３以下であるのが好ましい。また、上記ヤング率の比（Ｅ２　／Ｅ１　）が４×１０−４以上であるのが好ましい。ここで、平均ヤング率とは、最内層１２および中間層１３の体積比で重み付けしたものである。
【００１８】
一般に、ヤング率および断面２次モーメントにより、曲げ剛性（ヤング率×断面２次モーメント）の比を規定することができ、したがって、複合材料１６のヤング率の比および断面２次モーメントの比に関する上記範囲から曲げ剛性の比に関する範囲が規定される。最内層１２および中間層１３の平均ヤング率Ｅ２　の比および断面２次モーメントＩｚ２の比から定まる曲げ剛性の比が、規定される曲げ剛性の比の範囲に比べて低い場合、最内層１２および中間層１３でスチールコード１０を被覆しても最大主歪みを低下できない。
一方、最内層１２および中間層１３の平均ヤング率Ｅ２　の比および断面２次モーメントＩｚ２の比から定まる曲げ剛性の比が、規定される曲げ剛性の比の範囲に比べて高い場合、最大主歪みの発生箇所は、最外層１４から最内層１２に移動し、結果的に最内層１２または中間層１３におけるき裂の発生が生じ易くなる。
なお、ヤング率の比（Ｅ２　／Ｅ１　）が５．０×１０−４以上５．０×１０−３以下であり、断面２次モーメントの比（Ｉｚ１＋ＩＺ２）／Ｉｚ１が１．６６以上４．３７以下であることが上記効果をより発揮する点でより好ましい。
【００１９】
このように、ヤング率の比（Ｅ２　／Ｅ１　）および断面２次モーメントの比（Ｉｚ１＋ＩＺ２）／Ｉｚ１を規定するのは以下の理由による。
一般に、カーカス部材５の末端は、負荷荷重による撓みに従って、タイヤの転動に伴って、図１（ｂ）に示すように、周期的にＡ方向に変形する。特にカーカス部材５の末端近傍の領域Ｂは、スチールコードの端部でもあるため、剛性が急激にしかも不連続に変化し、応力が集中し易い。そのため、スチールコードを被覆するゴム層は、領域Ｂにおいて大きな歪みを受け、場合によってはき裂が発生し易い。タイヤ１は、この点を考慮して、負荷荷重により領域Ｂにおいて大きな歪みが発生しないように、ヤング率の比（Ｅ２　／Ｅ１　）および断面２次モーメントの比（Ｉｚ１＋ＩＺ２）／Ｉｚ１を規定している。
【００２０】
具体的に説明すると、カーカス部材５をビード部材６から巻き上げたカーカス部材５の巻き上げ部分は、一端を固定端とし、他端を自由端とした片持ち梁と概略みなすことができる。
図３（ａ）は、片持ち梁の形態で、カーカス部材５の巻き上げ部分を有限要素モデルでモデル化した一例であるモデル１８を示している。この有限要素モデルでは、高弾性ゴム層として中間層１３を省略して最内層１２のみとし、最内層１２および最外層１４の２層によってゴム層を構成したモデルである。
図３（ｂ）は、この有限要素モデルに対して、このモデルの先端に所定の荷重Ｑを負荷して、有限要素モデルの変形解析を行ったときの変形状態を示した図である。
【００２１】
なお、モデル１８は、四面体ソリッド要素で要素分割し、要素数７２０、節点数７７９のモデルである。モデル１８は、複合材料１６を再現するように、図３（ａ），（ｂ）中の紙面垂直方向の幅が１ｍｍの板状部材を積層したモデルであり、スチールコード１０、最内層１２および最外層１４をモデル化して、コード部２０、最内層部２２および最外層部２４が形成されている。
この時、スチールコード１０のヤング率に対応してコード部２０のヤング率を１００００（ｋｇｆ／ｍｍ２　）（＝１．０２×１０９　（Ｎ／ｍ２　））とし、最外層１４のゴム材のヤング率に対応して最外層部２４のヤング率を１０（ｋｇｆ／ｍｍ２　）（＝１．０２×１０６　（Ｎ／ｍ２　））とした。
また、最内層１２の高弾性ゴム材のヤング率に対応して最内層部２２のヤング率Ｅ２　を１０，５０，１００（ｋｇｆ／ｍｍ２　）（１．０２×１０６　（Ｎ／ｍ２　），５．１０×１０６　（Ｎ／ｍ２　），１．０２×１０７　（Ｎ／ｍ２　））の３水準とし、また、最内層１２の厚さを０．０６９（ｍｍ），０．１３９（ｍｍ），０．２７８（ｍｍ）の３水準とした。
【００２２】
このような有限要素法による変形解析により、モデル１８は、図３（ｂ）に示すような変形を受ける。ここで、モデル１８の自由端Ｃの領域における歪みを計算して、主歪みを計算することができる。
図４（ａ）は、最内層１２のヤング率Ｅ２　を１０（ｋｇｆ／ｍｍ２　）として、最外層１４のヤング率と同じ値としたときの、自由端Ｃにおける最大主歪みの分布を示している。主歪みの大きさは、濃淡で示し、濃度が濃くなるほど歪みレベルが増大する。
一方、図４（ｂ）は、最内層部２２のヤング率Ｅ２　を１００（ｋｇｆ／ｍｍ２　）とし、最内層部２２の厚さを０．２７８（ｍｍ）としたときの自由端Ｃにおける最大主歪みの分布を示している。主歪みの大きさは、濃淡で示され、濃度が濃くなるほど歪みレベルが増大する。
図４（ｂ）の場合、図４（ａ）の場合に比べて、最大主歪みが最内層部２２および最外層部２４に分散し、最大主歪みが小さいことがわかる。
【００２３】
図５（ａ）は、自由端Ｃにおける最外層部２４における最大主歪みの、最内層部２２の体積／コード部２０の体積の比率Ｒに対する変化を示している。なお、最大主歪みについては、最内層部２２の体積が０（高弾性ゴムなし）の状態における最大主歪みを１００とするように正規化している。高弾性ゴムなしとは、最内層部２２のヤング率Ｅ２　を１０（ｋｇｆ／ｍｍ２　）としたものである。
これによると、比率Ｒが増大するに従って最外層部２４における最大主歪みが低下することがわかる。
【００２４】
一方、図５（ｂ）は、自由端Ｃにおける最内層部２２における最大主歪みの、上記比率Ｒに対する変化を示している。なお、最大主歪みについては、図５（ａ）と同様に、最内層部２２の体積が０の状態における最大主歪みを１００とするように正規化している。
これによると、比率Ｒが増大するに従って最内層部２２における最大主歪みが増大することがわかる。つまり、最内層部２２の体積を増大するほど、この部分に作用する歪みは増大し、き裂が発生し易くなり、耐久性が低下することがわかる。
【００２５】
図５（ａ）および（ｂ）より、最内層部２２および最外層部２４における最大主歪みを同時に低減させるためには、最内層部２２の体積／コード部２０の体積の比率Ｒを０．１〜０．８とすることで、従来に比べて最外層部２４の最大主歪みを低減させることができ、き裂の発生しにくいカーカス部材を提供することができる。この比率０．１〜０．８を断面２次モーメントに換算すると、断面２次モーメントの比（Ｉｚ１＋ＩＺ２）／Ｉｚ１は１．３３以上５．８３以下となる。
例えば、スチールコード１０の断面２次モーメントＩｚ１は、例えばスチールコード１０の厚さを０．７６ｍｍとすると、一般的な断面２次モーメントの式よりＩＺ１＝１・（０．７６）３　／１２＝３．６５８×１０−２（ｍｍ４　）となる。一方、最内層部２２の厚さは略比率Ｒ×０．７６／２となるので、比率Ｒが０．１〜０．８では、最内層部２２の厚さは０．０３８以上０．３０４以下となる。これより、比率Ｒ＝０．１の場合、（Ｉｚ１＋ＩＺ２）は４．８６８×１０−２（ｍｍ４　）、比率Ｒ＝０．８の場合、（Ｉｚ１＋ＩＺ２）は２１．３３４×１０−２（ｍｍ４　）となる。したがって、断面２次モーメントの比（Ｉｚ１＋ＩＺ２）／Ｉｚ１が１．３３（＝４．８６８×１０−２／３．６５８×１０−２）以上５．８３（＝２１．３３４×１０−２／３．６５８×１０−２）以下となる。
より好ましくは、断面２次モーメントの比（Ｉｚ１＋ＩＺ２）／Ｉｚ１は１．６６以上４．３７以下である。
また、図５（ａ）および（ｂ）の結果によると、ヤング率Ｅ２　を１０，５０，１００（ｋｇｆ／ｍｍ２　）に変えても、最大主歪みは、最内層２２の弾性率に関わらず略一定の安定した値を持つ。このことより、ヤング率の比（Ｅ２　／Ｅ１　）は、０．０１以下であるのが好ましい。また、ヤング率の比（Ｅ２　／Ｅ１　）は４×１０−４以上、より好ましくは、５×１０−４　　以上であるのが好ましい。４×１０−４よりも低いヤング率のゴム材を最内層部２２に用いると、コード部２０のヤング率との差が大きくなり、かつ、最外層部２４におけるゴム材のヤング率との差が小さくなり、場合によっては最内層部２２と最外層部２４のヤング率の大小関係が逆転し、上記最大主歪みの値を安定させて有効に低減させることができない。
【００２６】
このように、スチールコード１０の周りを、最外層１４のゴム材よりもヤング率の高い高弾性ゴム材を用いてスチールコード１０と接触するように被覆して最内層１２を形成するので、スチールコード１０と最内層１２との界面で発生する最大主歪みのレベルを低減させることができ、耐久性に優れた複合材料としてタイヤ１に用いることができる。
【００２７】
なお、上記例では、カーカス部材に本発明の複合材料を用いるものであるが、本発明の複合材料を、ベルト部材、ビード部材およびその他、ビード周りに設けられるビード補強材等に用いてもよい。さらに、ホース等の環状複合体、コンベヤベルト等の板状複合体、防舷材等の薄肉複合体等の工業製品を用いることもできる。
また、上記例は、複数のゴム層として最内層１２と中間層１３と最外層１４との３層によって構成したが、本発明においては、２層や４層以上のゴム層で構成されてもよく、この場合、最外層に近いゴム層ほど弾性率が低くなるように、弾性率が段階的に変化する構成とするとよい。
【００２８】
以上、本発明の複合材料およびこれを用いた空気入りタイヤについて詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【００２９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明は、１本の線材と、この線材に接触して線材を被覆する最内層およびこの最内層に積層された外層を備える、複数種類のゴム材からなる複数のゴム層とを有するので、タイヤ等の構造体のサイズを変更した場合でも、生産効率が低下せず、従来に比べて生産効率は向上する。
また、複数のゴム層のうち少なくとも最内層は、最外層のゴム材に比べて高弾性率のゴム材で構成された高弾性ゴム層であるので、歪みが増大せず、長期間使用してもき裂の発生の可能性を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の複合材料を用いて作られた本発明の空気入りタイヤの一例を示した斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す空気入りタイヤのタイヤ幅方向に沿って切断したタイヤ断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、本発明の複合材料の例を説明する図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、本発明の複合材料の効果を示すための解析方法を説明する図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、図３に示す解析方法を用いて求められた主歪みの分布の例を示す分布図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、図３に示す解析方法を用いて求められた解析結果の一例を説明する図である。
【符号の説明】
１　空気入りタイヤ
２　トレッド部
３　ベルト部材
４　ビード補強材
５　カーカス部材
６　ビード部材
１０　スチールコード
１２　最内層
１３　中間層
１４　最外層
１６　複合材料
１８　モデル
２０　コード部
２２　最内層部
２４　最外層部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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