tire

他の出願との相互参照
本出願は、2009年5月29日に出願された関連の米国特許仮出願第61/182244号の利益を享受する。
連邦支援の研究に関する声明
本明細書に記載された発明は、NASA Contract No.NNX07AO16Aに基づく業務を遂行する際になされたものであり、1958年の国家航空宇宙法の第305項の規定に従う（42U.SC2457）。
発明の分野
本発明は、タイヤに関する。

本発明の背景
アメリカ航空宇宙局（NASA）は、長距離月探査および月面基地の開発を支援するために新しい月面車を開発していた。 このような車輌は、1960年代後半のアポロ計画向けに開発された月面移動車（LRV）よりも重く、走行距離が長い。 このため、新しいタイヤは、地球上で使用されている乗用車と同様の動作特性が必要とされるので、アポロLRV上で使用されたタイヤと比べて10倍の重量までを支え、かつ100倍の走行距離までにわたって耐えることが求められる。 しかし、従来のゴム製空気入りタイヤは月面では十分に機能しない。

たとえば、ゴム特性は、日陰における低温（最低で40K）と日光を浴びているときの高温（最高で400K）との間で著しく変化する。 さらに、ゴムは、大気の保護なしに太陽放射に直接さらされると劣化する。 最後に、空気の入ったタイヤは、パンクする可能性があるため有人月面車輌に許容されない。 これらの弱点を克服するために、アポロLRV向けにタイヤ構造が開発され、アポロミッション15、16、および17で首尾よく使用された。 このタイヤは、月での温度変化および太陽放射に耐えるピアノ線で織られており、真空中で動作し、荷重を支えるための空気を必要としなかった。 この構造はさらに、月の地形に合わせるように働き、牽引が容易であり、アポロLRVへの振動伝達が少なかった。

月面車に対する新しい重量と距離の要件のため、強度および耐久性がより高いタイヤが望まれていた。

従来の１つの、車輪と空気無しタイヤの組立体は、変更可能な直径を有し、そして、該組立体の直径を変えるだけでなく該組立体の幅も変えることができ、それによって、地面と噛み合う車輪の面積が大きくなる。 したがって、この空気無しタイヤは、車輌が走行する地形に応じて車輌の性能を高くするように調整されうる。 このタイヤは、ホイールハブに接触する第１の端部および第２の端部を有する複数のアーチ形部材を有する。 これらのアーチ形部材は、第１の端部と第２の端部との間を外側に向かってアーチ状に延びる。 これらのアーチ形部材は、ハブの周りに周方向に間隔を置いて配置され、かつハブから半径方向外側に延びる複数の可撓性フープを形成する。

より具体的には、従来の空気無しタイヤは、均等な間隔で配置され半径方向に延び、ハブの軸線方向外側リム同士の間にアーチを形成する３８個のフープで構成された、ケージを形成する。 これらのフープは、所望の長さに切断され、かつばねの中心に通されたワイヤが充填された複数のらせんスチールばねで作られる。 この従来のハブは、軸線方向に膨張／収縮してタイヤの直径を変えることができる。

アポロLRVの最初のワイヤーメッシュ構成は、容易に拡大縮小できないことが分かった。 具体的には、ワイヤの直径を大きくして最初の構成の荷重の１０倍の荷重を支えるタイヤを形成すると、２つの顕著な弱点が生じた。 すなわち、１）地形に合わせる能力が失われ、したがって、牽引および振動を分離する能力が弱まった。 ２）ワイヤの応力が増大し、タイヤの機能寿命が短くなった。 本発明によるタイヤは、これらの弱点を克服し、それによって、月、地球、および他の惑星の表面に対してタイヤの画期的な技術的進歩を図ることである。

発明の概要
本発明によるタイヤは複数のらせんばねを含む。 各らせんばねは、第１の端部と、第２の端部と、第１の端部と第２の端部を相互に連結するアーチ形中央部とを含む。 各らせんばねは、他の複数のらせんばねの少なくとも１つと組み合わされ、それによって、タイヤの全周に沿って延びる組み合わせトロイダル構造を形成する。

本発明の他の態様によれば、複数のらせんばねのうちの一部が車輪の第１の環状リムと車輪の第２の環状リムの少なくとも一方に固定されている。

本発明の他の態様によれば、タイヤの軸線方向片側で、環状リムを有する車輪が、タイヤを車輪に固定する。

本発明の他の態様によれば、組み合わせトロイダル構造はタイヤの第１のプライを形成する。

本発明の他の態様によれば、第２のプライは半径方向において第１のプライと重なり合う。

本発明の他の態様によれば、第２のプライは、複数のらせんばねを有する組み合わせトロイダル構造を有する。

本発明の他の態様によれば、第２のプライの各らせんばねは、第１の端部と、第２の端部と、アーチ形中央部とを含む。 第２のプライの各らせんばねは、第２のプライの少なくとも１つの他のらせんばねと組み合わされ、それによって、タイヤの全周に沿って延びる組み合わせトロイダル構造を形成する。

本発明による他のタイヤは複数のばねを含む。 各ばねは、第１の端部と、第１の端部とは反対の第２の端部と、第１の端部と第２の端部を相互に連結するアーチ形中央部とを含む。 各ばねは、第１の端部から半径方向外側に中央部まで延び、中央部から半径方向内側に第２の端部まで延びる。 各ばねは、そのばねの第１の側の隣接するばねと組み合わされ、そのばねとは反対の第２の側の隣接するばねとさらに組み合わされ、それによって、タイヤの全周に沿って延びるトロイダル構造を形成する。

本発明の他の態様によれば、各ばねの第１の端部は、車輪の第１の環状リムに固定され、各ばねの第２の端部は、車輪の第２の環状リムに固定されている。

本発明の他の態様によれば、各ばねは、車輪から半径方向外側に延びるアーチを形成する。

本発明の他の態様によれば、タイヤの軸線方向片側にて、環状リムを有する車輪は、複数のばねをこの車輪に固定する。

本発明の他の態様によれば、トロイダル構造はタイヤの第１のプライを形成する。

本発明の他の態様によれば、第２のプライは半径方向において第１のプライと重なり合う。

本発明の他の態様によれば、第２のプライは複数のばねを有するトロイダル構造を含む。

本発明の他の態様によれば、各ばねは、第１の端部と、第１の端部とは反対の第２の端部と、第１の端部と第２の端部を相互に連結するアーチ形中央部とを含む。 第２のプライの各ばねは、第１の端部から半径方向外側に中央部まで延び、中央部から半径方向内側に第２の端部まで延びる。 各ばねは、そのばねの第１の側の隣接するばねと組み合わされ、そのばねとは反対の第２の側の隣接するばねと組み合わされ、それによって、タイヤの全周に沿って延びるトロイダル構造を形成する。

従来のワイヤーメッシュシートの概略図である。

本発明に使用される組み合わせたらせんばねのシートを表す図である。

図２のシートを形成する中間ステップを表す図である。

図２のシートを形成する他の中間ステップを表す図である。

図２のシートのような２枚のシートを固定するステップを表す図である。

本発明に使用されるらせんばねを表す図である。

図６のらせんばねをたわませた状態で表す図である。

本発明による、タイヤと車輪の組立体の概略図である。

図８の線９−９に沿った断面図である。

図９の線１０−１０に沿った断面図である。

実施例の説明
このタイヤは、組み合わされた複数のらせんばね（たとえば、荷重を受けて弾性的に変形し、エネルギーの損失がほとんどないコイル状ワイヤ）を含んでいる。 このタイヤは、車輪に取り付けるためのトロイダル形構造を形成する。 このタイヤは、対応する車輌への振動伝達を抑制しつつ牽引を容易にするためにかみ合う表面に合わせることができる。 複数のらせんばねが、車輌の荷重を支えること及び／又は分散させることを行う。 このタイヤは空気入りタイヤであっても空気無しタイヤであってもよい。

車輌の重量の下で、このタイヤは駆動または牽引することができ、あるいは車輌に方向性を与えることができる。 タイヤの複数のらせんばねは、相互にたわみ、かつ移動することによってどんな地形にも受動的に合わせることができる。 これらのらせんばねの組み合わせ構造は、タイヤに安定性を与え、かつタイヤが回転して変化の多い地形とかみ合う際に構造自体が潰れるのを防ぐ。

タイヤの複数のらせんばねは、限られた範囲の変形の間は弾性を有することができ、したがって、比較的剛性の高いフレームを使用して過剰な変形を防止することができる。

半径方向に向けられた複数のばねを使用してタイヤを車輪に連結することができる。 これらのばねは組み合わせ可能である。 荷重を分散させることを目的として、他の複数のばねを半径方向から周方向に任意のバイアス角度でタイヤと組み合わせることができる。 これらの他のばねはらせんばねであってよい。 また、一例として、これらの他のばねは、タイヤの半径方向外側部分でタイヤに沿って周方向に延びてよい。

複数のらせんばねを衝撃損傷から保護することと、及び／又は浮いてけん引力を発生させるタイヤの能力を変化させることをある種の外部カバー（すなわち、トレッド）に付加してもよい。

一例として、４つの基本ステップを利用してタイヤの一例を製造することができる。 すなわち、ｉ）複数のらせんばねを撚り合わせ、タイヤの所望の円周に相当する長さを有する矩形シートを形成する。 ｉｉ）複数のばねからなる矩形シートの端部同士を組み合わせてメッシュシリンダを形成する。 ｉｉｉ）メッシュシリンダの一方の端部を折り畳んで車輪の一つのリムに取り付ける、ｉｖ）メッシュシリンダの他方の端部を裏返して、車輪の軸線方向の対向する他のリムに取り付ける。

本発明によるタイヤは、地球、月、火星、他の任意の惑星体上で使用可能である。 なぜなら、このタイヤの各部材は、これらの惑星の大気および地形条件における動作が信頼できるからである。

このタイヤは、そのままで利用されてよく、あるいは、部分荷重支持／分散システムまたは補助荷重支持／分散システムとして他のタイヤ種に組み込まれてもよい。 しかし、このタイヤは空気もゴムも必要とせず、様々な環境で動作し、すべての地形に適合する。

このタイヤは、アポロLRVの従来のワイヤーメッシュタイヤに対する改良を与える。 このタイヤは、比較的少ない機能変更で複数のらせんばねの線径を大きくすることができるため大きな荷重能力を備える。 このタイヤは、複数のらせんばねの線応力が構造全体にわたってより一様に分散されるためより長いサイクル寿命を供する。 また、このタイヤは、組み合わせたらせんばね網の強度が基本的に、縁曲げされたワイヤーメッシュの強度よりも高いため、支持される車重の単位当たりの重量が比較的軽い。 また、このタイヤは、複数のらせんばねを互いに織り合わせるのではなく互いにねじ込むことができるためより高い生産性を有する。 また、製造上のばらつきに対処するために複数のらせんばねを圧縮しかつ伸長させることができる。 最後に、このタイヤは、荷重分散ばねを付加して様々な位置および方向でタイヤ強度を変えることができるため、設計に関してより高い汎用性を有する。

このタイヤは、らせんばねが変形時に消費するエネルギーが零に近いため、カーカスに摩擦材料またはヒステレティック材料を使用するタイヤと比べてエネルギー損失が比較的少ない。

このタイヤは、不静定の荷重支持部材を含み、著しい損傷を受けた後でも正常に動作することができる。

したがって、本発明によるタイヤは、車輌のエネルギー消費量を少なくする必要がある場合と、タイヤの障害が、起伏の多い地形を走行するうえで深刻な脅威になる場合と、車輌が極端な温度または高レベルの放射にさらされる場合と、車輌が銃撃または砲撃にさらされる場合の少なくとも１つの場合に利用することができる。

図１に示されているように、従来の月面タイヤには編んだワイヤーメッシュが使用されている。 しかし、上述のように、強度および耐久性を高くすることが望まれている。 図２は、ワイヤーメッシュよりも強度および耐久性を高くすることのできる組み合わせた複数のらせんばねからなるメッシュシート５０を示している。 図３、４、および５は、図２に示されているようなメッシュシート５０を形成する中間ステップを示している。 図３には、回転させられ、それによって第２のらせんばね５５と織り合わされる第１のらせんばね５５が示されてきる。 図４には、回転させられ、それによって、すでに編み合わされた第１および第２のばね５５と編み合わされる第３のらせんばね５５が示されている。 図５には、らせんばね５５の２枚のメッシュシート５０（すなわち、図２のシート）を連結するために回転させられるらせんばね５５が示されている。 図６は、上記に図２〜５で説明したように使用する単一のらせんばね５５を示している。 図７は、後述のように、タイヤで使用するのにたわませられた単一のらせんばね５５を示している。

図８〜１０に示されているように、本発明による組立体１００の一例は車輪２００とタイヤ３００とを含んでいる。 車輪２００は、タイヤ３００を車輪に固定する環状リム２０２を各軸方向側部に有している。 いずれか一方のリム２０２は、他方のリム２０２に対して固定されている。 各リム２０２は、タイヤ３００をリムに整合するための複数のソケット穴２０４を含んでいる。 タイヤ３００をリム２００に固定するのに任意の他の適切な手段を使用してもよい。

タイヤ３００は、半径方向において車輪２００から離れる方向に延びてアーチ形を構成するように、半径方向において車輪の方へ戻る複数のらせんばね３１０を含んでいる。 各ばね３１０の各端部３１５は、車輪の対応するリム２０２の所で車輪に固定されてよい。 各ばね３１０は、各端部３１５を相互に連結する中央部を有している。 各端部３１５は、軸線方向の向きで固定される（図９）かあるいは斜めに固定されてよく、ばね３１０は一方のリム２０２から外側へ延び、次いで車輪３００から離れる方向に延び、次いでばね３１０自体が反り返って、次いで内側へ延び、最後に他方のリム２０２の方へ延びている。 各ばねの各端部３１５は、同じばねの他方の端部３１５と同軸に（あるいは該端部３１５に対して斜めに）向けられてよい。

また、各ばね５５は、隣接するばね５５（図２参照）と組み合わされている。 図２に示されているように、各ばね５５は、そのばねの第１の側の隣接するばね５５と組み合わされ、そのばねの第１の側とは反対の第２の側の隣接するばね５５とさらに組み合わされる。 したがって、複数のばね３１０は、半径方向および軸線方向に延び、タイヤ３００の全周に沿って延びる組み合わせトロイダル構造を形成する（図８〜１０）。

これらのらせんばね３１０は、任意の適切な長さ、ゲージ、およびピッチを有してよい。 これらのらせんばね３１０は、タイヤの一連の半径方向位置にわたって連続的なメッシュを形成するようにコイル径（例えば、バレルばねが使用される。）を変えてよい。 これらのらせんばね３１０は、２つまたは３つ以上のプライ、半径方向において半径方向外側の１つまたは２つ以上のプライと重ね合わせられた半径方向内側の１つまたは２つ以上のプライとして構成されてよい。 これらのらせんばね３１０は、Ｔｉ−Ｎ合金、鋼、チタン、ポリマー、セラミック、または他の適切な任意の材料であってよい。

上記の説明では、説明を簡潔および明確にするためと理解のためにある用語を使用したが、それによって従来技術の要件を超えた不要な制限が課されることはない。 なぜなら、そのような用語は説明のために使用されており、広義に解釈されるべきものであるからである。 さらに、本発明の説明および各図は一例であり、本発明の範囲は、図示または説明した厳密な詳細に限定されない。

本発明の特徴、発見、および原則、本発明をどのように構成し使用するか、構成の特徴、ならびに得られる有利で新しく有用な結果について説明したが、新しく有用な構造、装置、部材、構成、部品、および組み合わせの範囲は、本明細書によって添付の特許請求の範囲に記載されている。