CN101460316B - 改进的剪切带 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改进的剪切带，用于非充气轮胎、充气轮胎和其它技术中。所述剪切带构造为用特殊方式组合的层的复合材料。每层由一种或更多具有某种选择的物理特性的材料构成。层用特殊方式组合以创建复合材料，所述复合材料具有满意地胜过形成层的单独材料的物理特性和性能特性。在轮胎结构中使用时，也能够获得改进的滚动阻力。

Description

改进的剪切带 

技术领域

本发明提供一种用于非充气轮胎、充气轮胎和其它技术的改进的剪切带。改进的剪切带独特地构造为单独层的复合材料。单独层选自某些具有特殊物理性能的材料，当以这里描述的特定方式结合时，所述物理性能提供超过仅由单独材料之一构成的剪切带的总体物理特性和性能特征。在轮胎结构中使用时，也能够获得改进的滚动阻力。 

背景技术

已经公开了使用独特环行带的轮胎。例如，6,769,465号美国专利涉及一种结构支撑的弹性轮胎，它没有内部空气压力而支撑载荷。在典型实施例中，该非充气轮胎包括地面接触部分和侧壁部分，其从胎面部分径向向内延伸并且锚定到胎圈部分中，所述胎圈部分适合于在轮胎旋转过程中保持紧固到车轮上。胎面部分径向向内设置有加强环形带。该剪切带包括至少一层剪切层、粘附在剪切层的径向向内范围的第一膜层和粘附在剪切层的径向向外范围的第二膜层。每个膜层的纵向弹性模量充分地大于剪切层的动态剪切模量，以便在承受负载时，轮胎的地面接触部分通过剪切层中的剪切应变变形为平面接触区域，同时保持膜层的恒定长度。膜层的相对位移基本上通过剪切层中的剪切应变发生。6,769,465号美国专利的发明提供了几种优点，包括例如在没有充气压力情况下运转的能力和稍微不受地面接触压力影响调整轮胎垂直刚度的灵活性。 

作为进一步的例子，公开号为2004/0159385的美国专利申请也涉及一种非充气轮胎。在典型实施例中，该非充气轮胎包括外部环形剪切带和多个网状轮辐，所述多个网状轮辐横向延伸并从环形带径向向内延伸并锚定在车轮或者轮毂中。在某些典型实施例中，环形剪切带可以进一步包括：剪切层、至少一个粘附在所述剪切层的径向向内范围的第一膜层和至少一个粘附在所述剪切层的径向向外范围的第二膜 层。在负载情况下，环形带通过包括环形带剪切变形的机构在与地面的接触区域变形。除了不需要充气压力运转的能力之外，公开号为2004/0159385的发明提供的优点包括在接触区域的整个长度上的更加均匀的地面接触压力，该优点因此提供与充气轮胎类似的性能特征而不具有现有技术中非充气轮胎的某些缺点。 

如上所述参考文件的典型实施例所述，两者都使用了包括剪切层的环形剪切带，以在轮胎中提供需要的性能优点。如下面所述，申请人发现了轮胎剪切层的有利结构，其甚至进一步增强环形带的性能能力。这种剪切层的改进结构已经在充气轮胎、非充气轮胎和其它产品中应用。此外，如果愿意能够获得在剪切层中不必使用附加的加强元件的优点。 

发明内容

在下面的说明书中，将部分说明本发明的目的和优点，或者说从说明书中本发明的目标和优点将变得明朗，或者说通过实施本发明可以得知本发明的目标和优点。 

在本发明的一个典型实施例中，提供了一种定义了径向方向的剪切带。所述剪切带包括具有总体动态剪切模量的复合材料剪切层。所述复合材料剪切层至少包括：(i)具有第一动态剪切模量和第一总体积分数的一层或更多层；(ii)具有第二动态剪切模量和第二总体积分数的一层或更多层。第二动态剪切模量与第一动态剪切模量的比率为至少大约3。复合材料剪切带的层在具有第一动态剪切模量的层和具有第二动态剪切模量的层之间以交替的方式设置。至少第一膜层粘附在复合材料剪切层的径向向内范围，至少第二膜层粘附在复合材料剪切层的径向向外范围。膜层之一的纵向拉伸模量与复合材料剪切层的总体动态剪切模量的比率为至少大约100：1。对于这个典型实施例，具有第一动态剪切模量的层包括至少一种当应变在大约15％和大约30％之间时具有小于大约0.2滞后的材料。作为选择，具有第一动态剪切模量的层包括至少一种当应变在大约15％和大约30％之间时具有小于大约0.1滞后的材料。进一步对于该典型实施例，具有第二动态剪切模量的层可以包括至少一种当应变在大约0.1％和大约2％之间时具有小于 大约0.07滞后的材料。作为选择，具有第二动态剪切模量的层可以包括至少一种当应变在大约0.1％和大约2％之间时具有小于大约0.04滞后的材料。仅作为实例，这些剪切带的典型实施例可以合并入轮胎中，每个轮胎都具有地面接触部分和胎面部分。 

在本发明的另外一个典型实施例中，提供了一种设置在车轮上的轮胎，轮胎定义了径向方向。所述轮胎包括地面接触胎面部分。加强环形带也被包括并且从胎面部分径向向内设置。加强环形带包括具有总体动态剪切模量的复合材料剪切层。所述复合材料剪切层包括：(i)由具有第一动态剪切模量和第一总体积分数的材料构成的一层或更多层；(ii)由具有第二动态剪切模量和第二总体积分数的材料构成的一层或更多层。第二动态剪切模量与第一动态剪切模量的比率为至少大约3。具有第一或第二动态剪切模量的材料的层沿着轮胎的径向方向在第一动态剪切模量和第二动态剪切模量之间以交替方式设置。提供了一种把带和胎面部分安装到车轮上的支撑结构。所述支撑结构从加强环形带径向向内设置。至少第一膜层粘附到复合材料剪切层的径向向内范围。至少第二膜层粘附到复合材料剪切层的径向向外范围。膜层之一的纵向拉伸模量与复合材料剪切层的总体动态剪切模量的比率为至少大约100：1。 

在本发明的另一个典型实施例中，提供了一种设置在车轮上的轮胎。所述轮胎具有地面接触胎面部分和加强环形带，所述加强环形带从胎面部分径向向内设置。所述带包括具有总体动态剪切模量的复合材料剪切层。所述复合材料剪切层包括：i)具有第一动态剪切模量的第一剪切层，以及ii)从第一剪切层径向向外设置的第二剪切层。第二剪切层具有第二动态剪切模量。第二动态剪切模量与第一动态剪切模量的比率为至少大约3。还提供了将胎面部分和环形带与车轮连接起来的装置。至少第一膜层粘附到复合材料剪切层径向向内范围。至少第二膜层粘附到复合材料剪切层径向向外范围。膜层之一的纵向拉伸模量与复合材料剪切层的总体动态剪切模量的比率为至少大约100：1。 

参考下面的描述和所附权利要求，可以更好地理解本发明的这些和其它的特征、方面和优点。结合在这里构成本说明书一部分的附图描述了本发明的实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

针对本领域普通技术人员，在参考附图的说明书中对本主题进行了完整而开放的公开，包括其最佳模式，在附图中： 

图1A是说明参考相似带的地面反作用力的示意图。 

图1B是说明具有剪切层的环形带的地面反作用力的示意图。 

图2、3和4是根据本发明的典型实施例构成的剪切带的剪切层的复合材料的剖面图。 

图5和6是下面将要描述的某些数据的曲线图。 

图7是具有这里描述的剪切带的本发明的典型实施例的剖面图。 

图8是具有这里描述的剪切带的本发明的典型实施例的部分透视图。 

图9是图8中所示的本发明的典型实施例的剖面图。示出了典型剪切带的剖面。 

整个说明书和附图反复使用同样或相似的参考特征，是想要表现本发明的相同或相似的特征或元件。 

具体实施方式

定义

现在将要具体参考本发明的实施例，其一个或多个例子在图中示出。通过本发明的解释提供每个例子，并不意味着对本发明的限制。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可以用于另一个实施例，以形成另一第三实施例。本发明意在包括这些和其它修改形式和变化形式。应当注意，为了讨论的目的，在一个或更多附图中仅记载了典型轮胎实施例的一半。本领域的普通技术人员，利用这里公开的教导，会理解相同或实质上相似的特征在轮胎的两侧上重复。 

对于这里的公开内容，以下术语定义如下： 

“复合材料”，这里使用的，意思是由两层或更多层构成。 

“动态剪切弹性模量”意思是由ASTM D5992测量得到的剪切模量。 

“破裂延长”意思是通过ASTM D412-98a测量并且在100℃而不 是在环境温度下进行的拉伸延长。 

“赤道平面”意思是垂直于穿过轮胎的中心线的轮胎旋转轴线的平面。 

“滞后”意思是动力损失切线(max tan δ)。依照ASTM D5992在MTS 831弹性测试系统上测量材料的动态特征。记录在频率10Hz下以及在80℃下、遭受交替单一正弦剪切应力条件下硫化材料样本(厚度4mm截面400mm²的圆柱形测试片)的反映。以0.1到50％变形振幅(向外循环)然后50％到0.1％(返回循环)实现扫描。在向外循环期间确定：最大剪切模量G^* max(单位MPa)和损耗角tan delta的最大值(max tan δ)。 

“子午线平面”意思是平行于轮胎的旋转轴线、从所述轴线径向向外延伸的平面。 

膜层的“模量”意思是乘以膜层的有效厚度的在圆周方向上1％延长的弹性的拉伸模量。对于传统的轮箍钢带材料，通过下面的等式6或7能够计算这个模量。这个模量标注了撇号(’)标记。 

“车轮”或“毂”是指任何支撑轮胎并且安装到车辆轴上的设备或结构，这里这种术语是可互换的。 

本发明提供了一种改进的剪切带，所述剪切带可以用于多种产品中，包括：例如非充气轮胎、充气轮胎、和其它技术。改进的剪切带由包括单独层的复合材料构成，其依次由某些具有特殊物理特性的材料构成，用这里所述的特殊方式结合时，其提供满意地超过仅由单独材料之一构成的剪切带所获得的总体物理特性和性能特征。仅作为例子，在某些可用于轮胎结构的实施例中，能够获得改进的提高滚动阻力和轮胎设计灵活性。 

作为本发明的背景技术，参考图1A和1B可以说明，仅由单一材料构成的剪切带、单剪切层的有效性。图1A说明了一个刚性环形带50，包括相似的材料，例如金属环，其在负载情况下，不允许超过不显著的剪切变形。在图1A的刚性环形带50中，满足平衡力和弯曲力矩需求的压力分布由一对集中力F构成，所述一对集中力F位于接触区域的每个端点，其一个端点在图1A中示出。通过对比，图1B说明了具有单一剪切层60、内部加强层或膜层70和外部加强层或膜层80 的剪切带。具有如同例如在6,769,465号美国专利中描述的构成的带的图1B的结构，指示在剪切层60之内的剪切变形，在基本上均匀的地面接触区域中产生满意的压力分布Q。更加具体地，当膜层70和80的有效拉伸模量(E’_MEMBRANE)与剪切层60的动态剪切模量G的比率非常高时(例如，至少大约100比1)，负荷情况下的剪切带变形实质上通过剪切层60的剪切变形，伴随一点膜层70和80的纵向延伸或压缩，导致基本上均匀的地面接触压力分布Q。 

当图1B的剪切带基本上通过剪切层60中的剪切变形而变形时，建立了有利的关系，允许为了特定的应用指定层60的动态剪切模量G及其厚度h的值： 

(1) 

P_eff*R＝G*h 

其中： 

P_eff ＝预定的地面接触压力 

G    ＝层60的动态剪切模量 

h    ＝剪切层60的厚度 

R    ＝外部膜层80的径向位置 

P_eff和R是根据轮胎预期的用途选择的设计参数。上面的等式表明，剪切层的动态剪切模量G乘以剪切层60的径向厚度的乘积近似等于预定的地面接触压力乘以外部膜层80最外面范围的径向位置的乘积。上面的关系对于轮胎设计者是有利的。例如，为了设计用于客车的轮胎，设计者可以选择设计接触压力P_eff为1.5到2.5DaN/cm²和其中半径R为大约335mm的轮胎尺寸。通过使得这些值相乘，可以确定“剪切层因数”为50.25到83.75DaN/cm，其能够用于指定剪切层60的厚度h和剪切层60的动态剪切模量G。 

然而，如先前所指出的，在制造具有低滚动阻力和显示所有需要的物理特性的单一材料剪切层的轮胎时遇到挑战。作为说明，已知滚动阻力和某些物理参数是成比例的，如下： 

(2) 

RR～(τ_max)(γ_max)(TANδ)  (h) 

其中：

RR    ＝滚动阻力 

τ_max  ＝在最大剪切角的剪切应力 

γ_max  ＝最大剪切角 

tan δ ＝滞后，剪切层材料的应力和应变之间的相位落后 

h     ＝单一剪切层的厚度 

以使得滚动阻力最小化同时也在大约3到大约20MPa的需要范围中提供剪切层的动态剪切模量的方式从单一剪切层中选择构成剪切带的材料之前已经需要竞争需要的物理特性之中的妥协。更加具体地，很难用单一材料制造剪切层，所述材料同时具有刚性(高动态剪切模量G)，韧性(具有高破裂延长)，和低滞后(低tan δ)。在制造具有上述三种特性中的任何两种特性的材料时出现较少困难。例如，材料可以加工成具有刚性(高动态剪切模量G)和低滞后(低tan δ)，但是，这样的结构会典型地导致低γ_max。在能够获得低滚动阻力RR时，除非具有较大厚度h的剪切层结构构造为减小剪切应变δ，否则耐久性较低。然而，增加剪切层的厚度h会不如意地增加轮胎的质量。类似地，选择提供具有韧性和低滞后的剪切层的材料构成剪切层，也会不幸地出现不可接受的低动态剪切模量G。此外，为了达到可接受的P_eff，会增加剪切层的厚度h。最后，选择既具有刚性又具有韧性的材料，将提供具有不如意的高滞后的剪切层。 

申请人已经确定，可以通过将剪切层60构成为由均具有某种单独物理特性的材料制成的不同层的复合材料来实现具有需要的P_eff，较低厚度h，和较低滚动阻力RR的剪切层。更加具体地，具有总体需要的物理特性的剪切带，可以加工为通过以特殊方式将剪切层构成为特殊选择材料的复合材料来克服单一材料的缺点。单独材料的复合材料的物理特性可以表现需要的物理特性和在需要的厚度h处滚动阻力的改进，其对于仅仅由单种、单一材料构成的单一剪切层来说是不可能的。此外，如果需要，剪切层的复合材料可以由不必利用非弹性加强组分的这种材料构成。作为选择，本发明的典型实施例同样地可以包括这种加强组分。 

现在参考图2，作为实例，示出了根据本发明的一个典型实施例的剪切带，由两层不同的剪切层10和20构成。层10具有动态剪切模量 G₁₀，层20具有剪切模量G₂₀。为了讨论目的，在图2中剪切层10和20记载为在产生每层的某些应变的剪切应力τ作用下。如图2所示，每层10和20分别记载为经受产生最大剪切角γ_10max和γ_20max的最大剪切应变。申请人已经确定，通过材料的独特组合和选择，能够加工由组合的剪切层10和20构成的剪切带，以体现较低的滚动阻力RR以及比非复合材料、单层剪切带更具优势的物理特性。 

如申请人所确定的，相对于层20，层10由具有相对较低的动态剪切模量G₁₀的较软材料构成，即使这种材料对于给定的剪切应力τ在比层20相对较高的应变下运转，其会体现较低的滞后。例如，优选地，层10的材料应该在100℃(通过100℃测试的ASTM D412确定)具有大于大约100％的破裂延长，并且作为选择大于大约180％。此外，动态剪切模量(通过ASTM D5992确定)应该在大约1.5MPa和5.0MPa之间，作为选择在大约2.0MPa和4.0MPa之间。在另一方面，相对于层10，层20由具有相对较高动态剪切模量G₂₀的更具刚性的材料构成，当这种材料在会遇到的剪切应力τ的范围的较低应变区域中运转时，其将体现较低滞后。层20的材料应该具有比动态剪切模量G₁₀大大约3倍的动态剪切模量G₂₀，更加满意地比动态剪切模量G₁₀大大约6倍。一起形成剪切带，两层10和20会体现刚性、韧性和低滞后的总体物理特性，在任何单层中是不存在的。使用在轮胎结构中，产生的剪切带也可以体现可接受的滚动阻力水平，没有不需要地提高组合剪切层10和20的总体厚度h的必要性。 

此外，对于如上面讨论制造的轮胎，轮胎设计者也仍然可以为最终的剪切带获得处于所需范围(3MPa到20MPa)内的总体动态剪切模量G_eff。层10和20构成的复合材料剪切梁的总体动态剪切模量G_eff能够如下计算： 

(3) 

G_eff＝1/((Vf₁₀/G₁₀)+(Vf₂₀/G₂₀)) 

其中： 

G_eff  ＝复合材料剪切层的有效动态剪切模量(相似的层的模量必须达到与复合材料剪切层相同的剪切刚度) 

Vf₁₀  ＝软性材料的体积分数

G₁₀＝较软剪切层材料的动态剪切模量，通过ASTM D5992测量 

Vf₂₀＝较硬材料的体积分数 

G₂₀＝较硬剪切层材料的动态剪切模量，通过ASTM D5992测量 

体积分数可以如下计算： 

Vf₁₀＝h₁₀/h 

Vf₂₀＝h₂₀/h 

其中： 

h₁₀＝层10的高度或厚度 

h₂₀＝层20的高度或厚度 

h＝所有层的总体厚度——即h₁₀+h₂₀

应当注意，上面给出的体积分数等式适用于当h小于轮胎半径时。在其它的应用中，例如，对于小直径轮胎诸如小脚轮(caster)，应该用本领域普通技术人员了解的几何关系替换上面的等式。 

作为实例，假定设计者选择300mm的半径R并有两种材料，从中选择剪切带的结构。假定所述材料分别具有30MPa和3MPa的动态剪切模量。以前，由于剪切层的结构，设计者会为具有动态模量的剪切带选择单一材料，其导致对于剪切层来说可以接受的厚度h，同样可以用等式(1)计算。然而，如前所述，剪切层任何单一材料的选择必然涉及所需物理特性中的折衷，并且不能使得滚动阻力RR最优化。选择相对坚硬的材料(30MPa)会降低剪切带的厚度h，但是也将降低它的耐久性。选择较软材料(3MPa)将提高耐久性，但是代价是提高了厚度h。 

然而，具有层10和20的复合材料剪切带可以由高动态模量和低动态模量材料构成，以实现在所需范围内的G_eff。假定层20由具有动态剪切模量30MPa的材料构成，层10由具有动态剪切模量3MPa的材料构成。在层构造为相等体积的情况下，利用上面的等式(3)有效动态剪切模量G_eff应为大约6MPa。利用上面的等式(1)和选择10mm厚的剪切带，结果P_eff应为3DaN/cm²——正好在轮胎设计考虑的范围之内。 

此外，选择在高应变时体现低滞后的材料作为层10，选择在低应变时体现低滞后的材料作为层20，复合材料将体现可接受的滚动阻力 RR。作为实例，当应变在15％和30％之间时，层10的材料可以从具有小于大约0.2滞后的材料中选择，甚至更优选地小于大约0.1。作为实例，当应变在大约0.1％和2％之间时，层20的材料可以从具有小于大约0.07滞后的材料中选择，甚至更优选地小于大约0.04。 

优选地，层20的厚度不应超过剪切带的外半径的2％。由于弯曲小于1％，这样的结构限制应变。返回具有300mm半径轮胎尺寸的实例，层20可以具有小于大约15mm的厚度，作为选择，具有小于大约6mm的厚度。 

本发明不限于如图2所示的仅仅两层10和20作为复合材料剪切带。相反，剪切带可以由具有动态剪切模量为G₁₀或G₂₀材料的多重交替的层构成。这可能是需要的，例如，设计者选择小于300mm的半径R，诸如150mm。返回上面的实例，设计者具有两种G_eff为大约6MPa的材料，这可以导致6DaN/cm²的P_eff。在这种情况下，需要剪切带的多层，从而由较高动态剪切模量材料G₂₀构成的层的厚度优选地不超过剪切带的外半径的2％。 

相应地，图3说明了本发明另外一个典型实施例，其中，动态剪切模量为G₁₀和G₂₀的材料的体积分数仍然相等(0.5)。然而，示出的剪切带由三层构成。具有相对较高动态剪切模量G₂₀的两层20从具有较低动态剪切模量G₁₀的相对较软的层10径向向内和径向向外设置。图4说明了另外一个典型实施例，其中，多重交替的选择材料的层10和20，每个都具有动态剪切模量G₁₀或G₂₀，用于剪切带。作为进一步的实例，图3和图4的实施例的结合也可以可用。本领域的技术人员，利用这里公开的教导，应当理解可以创建落入当前公开内容和所附权利要求中的本发明的许多实施例。 

对于较硬剪切层材料G₂₀与较软剪切层材料G₁₀的动态模量的各种比率，图5提供了刚性效率(SE)与层20(相对较硬层)的体积分数Vf₂₀的曲线图。申请人已经定义了刚性效率(SE)为剪切刚性的实际提高除以剪切刚性的理想提高(即，如果在较硬材料中没有剪切应变发生，剪切刚性的提高)。如图5所示，当较硬材料的体积分数Vf₂₀增加时，刚性效率(SE)减少。在体积分数Vf₂₀为0.50时，G₂₀与G₁₀的比率必须为至少3.0，以获得50％的效率。G₂₀与G₁₀的比率为6.0， 得到大约75％的刚性效率。 

本发明可以采用在大约0.3到0.7范围内的体积分数Vf₂₀。作为选择，可以使用大约0.5的体积分数Vf₂₀。应当理解，在剪切带中使用超过一层材料(每层具有特殊的动态剪切模量G_x)的地方，体积分数Vf_x是具有动态剪切模量G_x的剪切带中材料总体积与剪切带中材料的总体积的比率。换句话说，体积分数的计算是基于相对于剪切带中材料的总体积的目前具有特殊动态剪切模量的材料总体积，而不是基于特殊层的体积分数，因为可以出现多层材料。返回等式(3)，由多层材料构成的剪切带的体积分数可以利用下面的等式计算： 

(4) 

Vf_x＝h_x/h 

其中， 

Vf_x＝具有特殊动态剪切模量G_x的材料的总体积分数 

h_x＝由具有特殊动态剪切模量G_x的材料构成的所有层的总高度或厚度 

h＝剪切带中所有层的总体厚度。 

申请人还确定，提高用于层20的较硬材料的动态剪切模量G₂₀会显著改进总体复合材料剪切带的滚动阻力RR。假定，G₁₀为2.0MPa并且体积分数Vf₁₀和Vf₂₀相等，图6提供了一个滚动阻力效率(RRE)与G₂₀曲线图。这里滚动阻力效率(RRE)定义为，滚动阻力RR的实际提高除以滚动阻力RR的理想提高，利用下面的等式根据剪切层的分布计算滚动阻力： 

(5) 

RR＝(G₁₀)(Vf₁₀)(γ_10max)(tanδ₁)+(G₂₀)(Vf₂₀)(γ_20max)(tanδ₂) 

其中： 

RR＝滚动阻力 

G₁₀＝较软剪切层材料的动态剪切模量，通过ASTM D5992测量。 

Vf₁₀＝软材料的体积分数 

γ_10max＝层10的材料的最大剪切角 

G₂₀＝较硬剪切层材料的动态剪切模量，通过ASTM D5992 测量。 

Vf₂₀＝较硬材料的体积分数 

γ_20max＝层20的材料的最大剪切角 

虽然，根据经验，当G₂₀提高时，曲线实际上不可能变为直线，图6证明，从在层20经历低应变时体现低滞后的材料中选择层20的结果是，只要G₂₀相对于G₁₀足够高，较硬材料的滚动阻力RR分布有效地变为零。 

现在描述在各种非充气轮胎结构中本发明的附加典型实施例。然而，如本领域技术人员利用这里公开教导可以理解，应当理解的是，本发明不限于非充气轮胎，并且相反地可以用于充气轮胎以及其它技术。此外，下面公开的内容仅作为典型的轮胎实施例，本发明许多其它的实施例以及方法落入所附权利要求中说明的本发明的保护范围内。 

相应地，作为实例，图7示出了依照本发明的一个典型实施例的结构支撑弹性轮胎。图7示出的轮胎100具有：地面接触胎面部分110；侧壁部分150，从胎面部分110径向向内延伸；和胎圈部分160，在侧壁部分150的末端。所述胎圈部分160锚定轮胎100到车轮15上。胎面部分110、侧壁部分150和胎圈部分160定义了一个中空、环形空间105。 

加强环形带从胎面部分110径向向内设置。在图7示出的典型实施例中，环形带包括如上面所述构成的剪切层10和20的复合材料。尽管只示出了两层10和20，应当理解，如前面所述可以使用多层。环形带进一步包括：第一膜层130，具有粘附到剪切层10径向最内范围的加强层131和132；第二膜层140，具有粘附到剪切层20径向最外范围的加强层141和142。 

胎面部分110可以没有凹槽或具有多个纵向定向的胎面凹槽115，在其间形成基本上纵向的胎面肋116。胎面肋116可以进一步横向或纵向分割，形成适合特殊车辆应用使用要求的胎面图案。胎面凹槽115可以具有与轮胎的计划用途一致的任何深度。第二膜层140从胎面凹槽的底部径向向内偏移足够的距离，以保护第二膜层的结构不被胎面部分的切割或小刺穿破坏。根据计划的轮胎用途，偏移距离增加或减 少。例如，重型卡车轮胎一般采用大约5到7mm的偏移距离。 

第一膜层130和第二膜层140的每层包括嵌入在弹性体涂层中的基本上不能延长的加强绳索。由于轮胎由弹性体材料构成，膜层130和140利用材料的硫化作用粘附到剪切层10和20上。把膜层130和140粘附到剪切层120上的任何适合的化学、粘附粘接或机械固定方法都在本发明的范围之内。每个剪切层10和20可以由多种材料构成。作为实例，这样的材料可以包括：橡胶、聚亚安酯和热塑性弹性体。所述材料可以利用任何适合的粘接或机械固定方法互相粘附。 

层131-132和141-142的加强元件可以是传统轮胎中几种适合用做轮胎带状加强的几种材料中的任意一种，例如：钢丝或钢索、聚芳族酰胺或其它高模数纺织品。对于这里描述的说明性轮胎，加强为四根直径0.28mm的金属丝(4×0.28)的钢索。尽管这里公开的本发明的变化对于每个膜层具有钢索加强层，任何满足环形带必需的拉伸刚性、弯曲刚性和压缩抗弯阻抗特性需求的合适材料都可用于膜层。换句话说，膜层可以是几种选择形式中的任何一种，诸如相似的材料、纤维加强基质(matrix)或具有离散的加强元件的层。 

在第一膜层130中，层131和132分别具有在各自的层中基本上平行的绳索，所述绳索以相对于轮胎赤道平面的一个角度定向，各层的绳索之间具有相对的定向。即，在层131中为角度+α，在层132中为角度-α。类似地，对于第二膜层140，层141和142分别具有在各自的层中基本上平行的绳索，所述绳索分别以相对于赤道平面的角度+β和-β的角度定向。在这些情况下，在临近的层之间绳索的夹角是指定的角度α或β的两倍。角度α和β典型地在大约10°到大约45°范围之内，或更优选地在大约20°到大约35°范围之内，或更优选地在大约25°到大约30°范围之内。然而，在膜层中成对的层的绳索以彼此相等并且相对的角度定向是不需要的。例如，可能需要成对的层的绳索相对于轮胎赤道平面是不对称的。 

每个层131、132和141、142的绳索嵌入在弹性体涂层中，所述涂层典型地具有大约20MPa的动态剪切模量。优选地，涂层的剪切模量大于剪切层10和20的复合材料的总体动态剪切模量G_eff(下面进一步讨论)，以确保环形带的变形主要是由于组合的剪切层10和20中 的剪切变形。 

剪切层10和20的复合材料的总体动态剪切模量G_eff与膜层130和140的有效纵向拉伸模量E’_MEMBRANE之间的关系控制施加负载情况下的环形带变形。利用传统轮胎带状材料的膜层的有效拉伸模量E’_MEMBRANE可以用下面的等式估计： 

$\left(6\right){E^{\′}}_{\mathrm{MEMBRANE}}=(2D+t)\frac{E_{\mathrm{RUBBER}}}{2(1-v^2)}[\left(\frac{P}{P-D}\right)\frac{2-(1+v){\mathrm{SIN}}^2\left(2\mathrm{\α}\right)}{{\mathrm{SIN}}^4\mathrm{\α}}+\left(\frac{t}{D}\right)\frac{1}{{\mathrm{TAN}}^2\mathrm{\α}}(\frac{1}{{\mathrm{TAN}}^2\mathrm{\α}}-v)]$

其中： 

E_RUBBER＝涂层材料的拉伸模量 

P      ＝垂直于绳索方向测量的绳索间距(绳索中心线间距) 

D      ＝绳索直径 

v      ＝涂覆材料的泊松比 

α     ＝关于赤道平面的绳索角度 

t      ＝在邻近的层中绳索之间的橡胶厚度 

注意到E’_MEMBRANE是膜层的弹性模量乘以膜层的有效厚度。当E’_MEMBRANE/G_eff的比率相对低时，负载情况下的环形带的变形接近相似的带的变形，并且产生非均匀的地面接触压力。换句话说，当E’_MEMBRANE/G_eff的比率足够高时，负载情况下的环形带的变形基本上由于剪切层10和20的复合材料的剪切变形，膜层几乎没有纵向延伸或压缩。此外，地面接触压力基本上均匀。 

膜层的纵向拉伸模量E’_MEMBRANE与剪切层10和20的复合材料的总体动态剪切模量G_eff的比率为至少大约100∶1，优选地为至少大约1000∶1。对于包括利用4×0.28绳索和这里公开的角度的绳索加强层的膜层，需要的剪切层10和20的复合材料的总体动态剪切模量G_eff为大约3MPa到大约20MPa。由于使用的材料的滞后本性，在负载滚动期间剪切层10和20的复合材料的重复变形引起能量分散。轮胎中的总体热量构造是这种能量分散和剪切层厚度的函数。因而，对于利用传统材料的给定轮胎设计，应当指定剪切层10和20的滞后，以对于连续使用的轮胎维持轮胎运转温度在大约130℃以下。 

根据本发明的另一个典型实施例，对于提高的膜层130和140的拉伸刚性，膜层的至少一层的绳索能够与赤道平面成0°或接近0°。对于这样的实施例，每个层131、132和141、142的绳索都嵌入在弹性体涂层中，所述涂层典型地具有大约3到20MPa的动态剪切模量。在这样的情况下，优选地，涂层的动态剪切模量基本上等于剪切层10和20的总体动态剪切模量，以确保环形带的变形主要是由于在包括剪切层10和20的剪切带中的剪切变形。 

对于其中加强绳索定向为与赤道平面小于10°的膜层，下面的等式可以用来估计膜层的拉伸模量： 

(7) 

E’_MEMBRANE  ＝E_CORD*V*t_MEMBRANE

其中： 

E_CORD    ＝绳索的拉伸模量 

V        ＝膜层中绳索的体积分数 

t_MEMBRANE＝膜层的厚度 

由于膜层包括相似的材料或纤维或其它材料的加强基质，所述模量是材料或基质的拉伸模量。 

通过进一步的实施例，图8和图9也记载了非充气轮胎中本发明的另一个典型实施例。图8示出的轮胎200具有：地面接触胎面部分205；加强环形带210，从胎面部分径向向内设置；多个网状轮辐250，横向延伸交叉并且从环形带径向向内延伸；以及安装带260，在网状轮辐250的径向内端。安装带260把轮胎200锚固到车轮210或毂上。在这里，“横向延伸”指的是网状轮辐250可以轴向对齐或倾斜于轮胎轴线。此外，“径向向内延伸”指的是网状轮辐250可以位于轮胎轴线径向的平面内或可以倾斜于径向平面。另外，第二多个网状轮辐可以在赤道平面内延伸。 

参照图9，其以剖面形式示出了在子午平面内的轮胎200和车轮210，加强环形带210包括如上面所述的弹性体剪切层10和20。第一膜层230粘附到弹性体剪切层10的径向最内范围，第二膜层240粘附到弹性体剪切层20的径向最外范围。膜层230和240的拉伸刚性大于剪切层220的剪切刚性，从而加强环形带210在负载情况下承受剪切 变形。通过这里描述的其它典型实施例，加强环形带可以包括剪切层，所述剪切层包括多层10和20而不是仅包括其中之一。 

应当理解，本发明包括能够构成这里公开的装置和方法的典型实施例的各种修改形式，其处于所附权利要求及其等价形式的范围内。 

Claims (15)

1.一种定义了径向方向的剪切带，所述剪切带包括：

具有总体动态剪切模量的复合材料剪切层，所述复合材料剪切层至少包括：(i)具有第一动态剪切模量和第一总体积分数的一层或更多层；(ii)具有第二动态剪切模量和第二总体积分数的一层或更多层，其中，第二动态剪切模量与第一动态剪切模量的比率为至少3，并且其中具有第一或第二动态剪切模量的所述一层或更多层在具有第一剪切模量的层和具有第二动态剪切模量的层之间以交替的方式设置；

至少第一膜层粘附在所述复合材料剪切层的径向向内范围；并且

至少第二膜层粘附在所述复合材料剪切层的径向向外范围；

其中，所述膜层之一的纵向拉伸模量与所述复合材料剪切层的总体动态剪切模量的比率至少为100∶1。

2.根据权利要求1所述的剪切带，其中，具有第一动态剪切模量的所述一层或更多层包括至少一种当应变在15％和30％之间时具有小于0.2滞后的材料。

3.根据权利要求1所述的剪切带，其中，具有第一动态剪切模量的所述一层或更多层包括至少一种当应变在15％和30％之间时具有小于0.1滞后的材料。

4.根据权利要求3所述的剪切带，其中，具有第二动态剪切模量的所述一层或更多层包括至少一种当应变在0.1％和2％之间时具有小于0.07滞后的材料。

5.根据权利要求3所述的剪切带，其中，具有第二动态剪切模量的所述一层或更多层包括至少一种当应变在0.1％和2％之间时具有小于0.04滞后的材料。

6.一种轮胎，具有地面接触部分和胎面部分，所述轮胎包括根据权利要求5所述的剪切带。

7.根据权利要求6所述的轮胎，其中所述第二总体积分数在0.3到0.7的范围之内。

8.一种设置在车轮上的轮胎，所述轮胎定义了径向方向，包括：

地面接触胎面部分；

加强环形带，从所述胎面部分径向向内设置，其中，所述加强环形带包括具有总体动态剪切模量的复合材料剪切层，所述复合材料剪切层包括：

(i)由具有第一动态剪切模量和第一总体积分数的材料构成的一层或更多层；和

(ii)由具有第二动态剪切模量和第二总体积分数的材料构成的一层或更多层；

其中，第二动态剪切模量与第一动态剪切模量的比率至少为3，并且其中具有第一或第二动态剪切模量的材料的所述一层或更多层沿着轮胎的径向方向在第一动态剪切模量和第二动态剪切模量之间以交替方式设置；

一种支撑结构，用于把所述带和所述胎面部分安装到车轮上，所述支撑结构从所述加强环形带径向向内设置；

至少第一膜层粘附到所述复合材料剪切层的径向向内范围；以及

至少第二膜层粘附到所述复合材料剪切层的径向向外范围；

其中，所述膜层之一的纵向拉伸模量与所述复合材料剪切层的总体动态剪切模量的比率至少为100∶1。

9.根据权利要求8所述的轮胎，其中，所述第二总体积分数在0.3到0.7的范围之内。

10.根据权利要求8所述的轮胎，其中，所述第二总体积分数为0.5。

11.根据权利要求8，9或10所述的轮胎，其中，第一动态剪切模量大于1.5MPa，但是小于5MPa。

12.根据权利要求8，9或10所述的轮胎，其中，第一动态模量大于2MPa，但是小于4MPa。

13.根据权利要求8，9或10所述的轮胎，其中，对于由具有第一动态剪切模量的材料构成的所述一层或更多层，100℃的破裂延长大于100％。

14.根据权利要求8，9或10所述的轮胎，其中，对于由具有第一动态剪切模量的材料构成的所述一层或更多层，100℃的破裂延长大于180％。

15.根据权利要求8，9或10所述的轮胎，其中，所述至少第一和第二膜层的每层进一步包括嵌入在涂层中的基本上不能延长的加强绳索，所述涂层的弹性剪切模量大于或等于至少所述复合材料剪切层的总体动态剪切模量。

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