CN102245403A - 改进的轮胎滑水性能 - Google Patents

Abstract

本发明总体涉及一种提供更好的轮胎滑水性能的改进设计，更具体地，本发明涉及一种具有可变压力剪切带的轮胎，该可变压力剪切带位于轮胎的胎面下方，为轮胎提供增大的结构刚度，帮助轮胎抵抗轮胎遇水时的变形，由此降低轮胎滑水的倾向。有利的是，可变压力剪切带能够同时地改进滑水性能和滚动阻力而不会降低耐磨性能。

Description

改进的轮胎滑水性能

技术领域

本发明总体涉及一种提供更好的轮胎滑水性能的改进设计，更具体地，本发明涉及一种在其胎面下具有可变压力剪切带的轮胎，该可变压力剪切为轮胎提供增大的结构刚度，帮助轮胎抵抗轮胎遇水时的变形，由此降低轮胎滑水的倾向。有利的是，可变压力剪切带能够同时改进滑水性能和滚动阻力而不会降低耐磨性能。

背景技术

充气轮胎领域的技术人员已经进行了大量的试验来改动轮胎构造，以实现对于胎面耐磨性、操纵性、干湿牵引、滚动阻力等多种性能的组合。

作为这种改动的示例，充气轮胎可以针对轮胎的外表面(通常是胎面)与轮胎滚动的地面之间的接触区域中的竖向应力和切向应力进行优化。例如，当轮胎与地面之间的竖向应力在整个接触区域中均匀分布且切向应力最小时，能够获得良好的胎面耐磨性。具体地，沿滚动方向的切向应力在接触区域的宽度上不应该从很大的正值变化为很大的负值。然而，为了更好地改进轮胎在湿路面上的抗滑水性，有利的是，与接触区域的肩部或侧向部分相比，在接触区域的中心部分中具有较高的竖向接触应力。这通常是通过如下方式来实现的：改动轮胎构造或者固化模制品的横断面以获得比最佳耐磨性所期望的更圆的轮胎横断面。在这种情况下，充气轮胎沿滚动方向将具有不平衡的切向应力，该切向应力显著地在中心部分中为正值而在肩部部分中为负值。因此，对于充气轮胎，本领域技术人员难以同时优化耐磨性和抗滑水性。

本领域中已经公开非充气轮胎或结构支撑轮胎。例如，由本发明的申请人共同拥有的美国专利No.6,769,465涉及一种在没有内部气压的情况下支撑载荷的结构支撑弹性轮胎。在示例性实施例中，这种非充气轮胎包括地面接触部分和侧壁部分，该侧壁部分从地面接触部分沿径向向内延伸并且锚定在胎圈部分中，胎圈部分适于在轮胎滚动期间保持固定到车轮上。增强环形带径向地设置在地面接触部分或胎面部分的内侧。该剪切带包括至少一个剪切层、粘附到剪切层的沿径向向内区域的第一隔膜以及粘附到剪切层的沿径向向外区域的第二隔膜。美国专利No.6,769,465的发明提供的几个优点包括：例如，在部分充气压力或无充气压力的情况进行操作的能力以及独立于地面接触压力在一定程度上调节轮胎的竖向刚度的灵活性。该发明还在整个接触区域中提供了相对好的平衡的接触压力。

作为另一个示例，由本发明的申请人共同拥有的美国专利No.7,201,194还涉及一种非充气轮胎。在示例性实施例中，这种非充气轮胎包括外部环形剪切带和多个辐板辐条，该多个辐板辐条横向地跨过环形带且从环形带沿径向向内延伸并且锚定在车轮或轮毂中。在某些示例性实施例中，环形剪切带还可以包括剪切层、粘附到剪切层的沿径向向内区域的至少第一隔膜以及粘附到剪切层的沿径向向外区域的至少第二隔膜。除了不需要所需的充气压力就能进行操作的能力之外，美国专利No.7,201,194的发明提供的优点还包括：在整个接触区域的长度范围内的更均匀的地面接触压力。

如以上讨论的文献的示例性实施例所述，两者都使用了包括剪切层的环形剪切带来在轮胎中提供期望的性能益处。如下所述，申请人已经发现允许磨损或滑水得到改进而不会降低其它性能的用于剪切层的(以及在某些实施例中同样用于胎面特性的)有利构造。在某些情况下，还可以改进滚动阻力。这种用于剪切层和胎面的改进的构造应用于充气轮胎、非充气轮胎、在与来自环形带的结构支撑结合的情况下以降低的充气压力操作的混合轮胎、以及其它产品。

发明内容

本发明的具体实施例包括具有接触部分的轮胎，其具有径向方向、纵向方向和轴向方向以及赤道面。这种轮胎还包括可变压力剪切带，所述可变压力剪切带具有：剪切层，其具有横截面，其中乘积(G_eff*h)沿着轮胎的轴向方向变化；第一隔膜，其附着到剪切层的沿径向向内的区域上；以及第二隔膜，其附着到剪切层的沿径向向外的区域上。

在某些情况下，该轮胎的剪切层由具有随剪切层的高度(h)变化而相对一致的G_eff的材料构成。

在这种情况下，地面接触部分可以具有胎面，胎面具有位于其每个轴向区域处的肩部部分和位于肩部部分之间的中心部分。此外，剪切层具有位于其每个轴向区域处的肩部部分和位于肩部部分之间的中心部分。剪切层的肩部部分和中心部分基本上沿径向分别处于胎面的肩部部分和中心部分之下。剪切层的厚度随着剪切层从其肩部部分前进至其中心部分而沿着径向向内的方向增大。

此外，剪切层可以在其肩部部分处最薄，而在其中心部分处最厚。此外，剪切层的中性纤维可以随着剪切层从其肩部部分前进至其中心部分而沿径向向内运动，中性轴线基本上在轮胎的赤道处到达其最下部位置。在这个特定实施例中，第一隔膜可以包括玻璃单丝，并且其中第二隔膜可以包括第一交叉帘布层带束和位于第一交叉帘布层带束的顶部上的第二交叉帘布层带束。

在这种情况下，胎面在轮胎的赤道面附近可以具有增大的径向厚度。

在其它实施例中，剪切层包括具有不同G_eff值的多个轴向设置的部分，这产生对于剪切层变化的(G_eff*h)。

在其它实施例中，轮胎的地面接触部分包括胎面，胎面具有肩部部分和中心部分，其中胎面的肩部部分具有与中心部分不同的材料特性。中心部分相对于胎面的肩部部分可以具有增大的纵向剪切柔量。

在其它实施例中，轮胎的地面接触部分包括胎面，胎面具有肩部部分和中心部分，其中中心部分包括宽度为(H)的沿侧向定向的槽，槽限定了长度为(B)的胎面单元，与胎面的肩部部分相比，这增大了胎面的中心部分的纵向剪切柔量。参数(H/B)是纵向柔量水平的指标。

在某些情况下，剪切带的第二隔膜基本上是不可伸展的，而第一隔膜抵抗压缩。这有助于剪切带抵抗轮胎遇水时的变形，由此改进轮胎的滑水性能。

在这种情况下，第一隔膜可包括玻璃单丝，并且其中第二隔膜可包括第一交叉帘布层带束和位于第一交叉帘布层带束的顶部上的第二交叉帘布层带束。第一交叉帘布层带束和第二交叉帘布层带束可以具有钢帘线，钢帘线相对于轮胎的赤道面成+/-(15至25)度设置。在特定的实施例中，第一交叉帘布层带束和第二交叉帘布层带束可以具有以+/-22度设置的钢帘线。

或者，第一隔膜和第二隔膜包括环形加强件，环形加强件基本上沿着轮胎的纵向方向设置。这些加强件可以包括基本上沿着轮胎的纵向方向缠绕且沿着轮胎的轴向方向步进的钢帘线。

从以下如附图中所示的本发明的具体实施例的更加详细的说明中，本发明的前述和其它目的、特征和优点将会变得明显，附图中相似的附图标记表示本发明的相似的部件。

附图说明

图1是通过轮胎100的示例性实施例的子午面的剖视图。

图2是通过轮胎200的示例性实施例的子午面的剖视图，该轮胎200具有包括中心部分和侧向部分的剪切层。

图3是通过轮胎300的示例性实施例的子午面的剖视图，该轮胎300具有顺应弓形剖面的外隔膜和可变厚度的剪切层。

图4是通过轮胎400的示例性实施例的子午面的剖视图，该轮胎400具有包括中心部分和侧向部分的剪切层以及包括中心段和侧向段的胎面层。

图5是通过赤道面并且示出胎面槽的布置的轮胎的示意图。

图6是轮胎100的示例性实施例的立体图。

图7是轮胎100的示例性实施例与轮胎200(水平1)的示例性实施例相比的竖向和切向接触应力的等值线图。

图8是轮胎100的示例性实施例与轮胎200(水平2)的示例性实施例相比的竖向和切向接触应力的等值线图。

图9是轮胎100的示例性实施例与轮胎300的示例性实施例相比的竖向和切向接触应力的等值线图。

图10是轮胎200(水平1)的示例性实施例与H/B为0.5的轮胎400的示例性实施例相比的切向接触应力的等值线图。

图11是轮胎200(水平1)的示例性实施例与H/B为1.0的轮胎400的示例性实施例相比的切向接触应力的等值线图。

图12是表示轮胎100、200、300和400的示例性实施例的竖向和切向接触应力的曲线图，其中肋数R2与胎面的中心段对应，肋数R1和R3与侧向部分对应。

图13是具有常规轮胎结构而没有构建的和测试的可变压力剪切带的轮胎500的剖视图。

图14示出了具有可变压力剪切带的本发明的实施例，该可变压力剪切带实施在实际轮胎600中且进行测试。

图15示出了当具有2.1巴的标准内部气压以88kph(千米/小时)驶过水时根据测试期间取得的照片的常规轮胎500与地面之间接触的区域。

图16示出了当具有2.1巴的标准内部气压以88kph驶过水时根据测试期间取得的照片的具有可变压力剪切带的轮胎600与地面之间接触的区域。

图17是示出了当在稍稍放气的1.6巴的内部气压下以各种速度驶过水时常规轮胎500与地面之间以及具有可变压力剪切带的轮胎600与地面之间的接触面积大小的曲线图。

图18是示出了当在2.1巴的标准内部气压下以各种速度驶过水时常规轮胎500与地面之间以及具有可变压力剪切带的轮胎600与地面之间的接触面积大小的曲线图。

图19、20和21分别示出了在2.1巴的标准内部气压和410DaN(达因)的载荷下轮胎500、600的肋R1至R5的Z应力、Y应力和X应力。

图22示出了在2.1巴的标准内部气压和410DaN的载荷下轮胎500的印迹。

图23示出了在2.1巴的标准内部气压和410DaN的载荷下轮胎600的印迹。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，附图中示出了其一个或多个示例。每个示例都以对本发明进行解释的方式提供，并且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的所示或所述的特征可以用于另一个实施例以形成第三个实施例。本发明意图包括这些和其它的修改和变型。应当注意到，为了讨论的目的，在一个或多个附图中可能仅仅示出示例性轮胎实施例的一半。附图中所用的附图标记仅仅用来帮助读者识别各种元件，并不用来在实施例之中引入任何限制性区别。用于一个实施例的共同的或相似的附图标记在其它实施例中表示相似的元件。本领域技术人员利用本文公开的教导将会理解，相同或基本上相似的特征在轮胎的两侧上是重复的。

定义

对于这里公开的内容，下面的术语定义如下：

本文所用的“复合”意思是由两个或更多个层构成。

“车轮”或“轮毂”指的是用于支撑轮胎并且安装到车轴上的任何装置或结构，这样的术语在本文中是可以互换使用的。

“动态剪切模量”意思是通过ASTM D5992测量的剪切模量。

“断裂延伸率”意思是通过ASTM D412-98a测量的并且在100℃下而不是在环境温度下实施的拉伸延伸率。

“迟滞”意思是动态损失正切(最大tanδ)。根据ASTM D5992在MTS 831 Elastomer Test System(弹性体测试系统)上测量材料的动态特性。记录硫化材料样品(厚度为4mm且剖面为400mm²的圆柱形测试片)在10Hz频率下并在80℃下受到交替单正弦剪切应力时的响应。在变形幅度为0.1％至50％(向外循环)时进行扫描，然后在变形幅度为50％至0.1％(返回循环)时进行扫描。在向外循环期间确定最大剪切模量G*max(MPa)和损失角的正切tan delta的最大值(最大tanδ)。

隔膜的“模量”意思是沿圆周方向在1％延伸率下的弹性拉伸模量。这个模量对于常规轮胎的钢带材料来说可以通过以下方程式2或3计算。该模量标注为“E_隔膜”。

“赤道面”意思是穿过轮胎的中心线且与轮胎的旋转轴线垂直的平面。

“子午面”意思是与轮胎的旋转轴线平行且从该轴线沿径向向外延伸的平面。

“径向”方向意思是沿径向向外且与旋转轴线垂直。

在右手笛卡尔坐标系统中，向前滚动方向被限定为正x方向(也被称为轮胎的圆周或纵向方向)；竖向z方向被限定为从地面向上为正(也被称为轮胎的径向方向)；y方向与旋转轴线平行并且向左为正(也被称为轮胎的横向或轴向方向)。例如，参见图6。

本文所用的用于帘布层的帘线或缆索的“压缩模量”(E_c)确定如下。模具制造为如下尺寸：长度为50mm，宽度为30mm，厚度为25mm。缆索利用两个矩形支撑件(梁)以平行的定向彼此精确地定位。缆索穿过这些支撑件中的孔，支撑件彼此间隔40mm以平行的方式定位。孔之间的间距确保了缆索的精确步进。该步进反映了将用在轮胎的帘布层中的步进。两个支撑件之间的距离(40mm)稍小于模具的长度(50mm)，使得支撑件和缆索可以放置在模具内。然后，缆索及其支撑件放置在模具中，使得缆索沿厚度方向定位在模具的中心。对于以上所列的尺寸，其意味着缆索的中心线距离模具的底部大约12.5mm。液态聚氨酯被灌注到模具中，从而填充模具。然后，模具放置在烤炉中在110℃下保持24小时。在固化之后，所得到的样品具有沿长度方向从两侧伸出的缆索。利用锯切割样品，使得这些端部与一小部分厚度的聚氨酯一起被移除。最终长度大约为40mm。必须仔细控制切割，以确保横截面与缆索的长度垂直，缆索的长度基本上与样品宽度相等。利用同样的模具，制备由聚氨酯单独构成而没有缆索的样品。该样品以与包含缆索的样品相同的方式被固化，并且被切割成与具有缆索的样品相同的外部尺寸。

一旦准备好用于测量，样品就被放置在44666型INSTRON测试机中的两个金属压板之间，并且以25mm/min(毫米/分钟)的速率被压缩。INSTRON机用来记录力-挠曲曲线。对至少五个样品进行该测量。通过从制备有缆索的样品的力-挠曲测量值中减去没有缆索的样品的力-挠曲测量值来计算基础缆索压缩模量。所得到的力-挠曲值用来利用以下的方程式计算缆索的有效压缩模量：

ε_c＝压缩应变＝压缩挠曲/初始样品长度

σ_c＝压缩应力＝压缩力/面积

其中，面积＝含在样品中的缆索的总横截面面积

E_c＝压缩模量(E_c)＝σ_c/ε_c

“无穷疲劳极限”意思是：参考材料能够承受至少一百万次特定压缩应变循环而不会损失其超过10％的拉伸模量，如通过以下测试方法确定：利用Zwick 1841测试机，所述材料的帘线或股线放置成环，帘线的一端锚定，另一端附接成承受强制的循环位移。环保持在两个TEFLON(特富龙)片材之间。环的起始直径通过将环至于0.67％的压缩应变ε_c中来确定，其中

ε_c＝D/(2R)

D＝材料的帘线或股线的直径

R＝(0.5)*(环的起始直径)

然后，材料在3Hz的频率下以循环的方式受到预定的压缩应变。持续进行循环，直到在0.67％的压缩应变下测量的力下降至其初始值的90％，这表示材料的特性开始下降。然后确定这种情况出现时循环的次数。如果材料在下降到90％之前在特定的压缩应变下能够承受至少1,000,000次循环，则如本文所用的，该材料在该特定的压缩应变下具有“无穷疲劳极限”。

本文所用的“步进”意思是给定的帘布层中的帘线之间的距离。

FEA研究的详细说明

首先，进行FEA研究以确定本发明的概念的可行性。因此，在本文中通过操作部件的三维(3D)结构有限元分析(FEA)模型来代表使用可变压力剪切带的非充气轮胎。该模型对于空载轮胎而言是轴对称的，但是对于与地面滚动接触的加载轮胎而言是完全三维的。如图1和6所示，对于轮胎100，剪切带模拟为包括与剪切层140的径向外表面和径向内表面连接的两个几乎不能伸展的隔膜130和140的组件。剪切层140包括一个或多个不可压缩的线性材料层。用于与表面接触的胎面层110沿径向设置在剪切带的外侧。选择性地，胎面层110具有一个或多个纵向胎面槽115。在本文公开的轮胎实施例中，胎面层分为三个肋；两个肩部肋R1和R3，以及一个中心肋R2。不可压缩的线性材料特征还用来模拟胎面层110。剪切带连接到辐板结构150，辐板结构150包括沿径向方向是可压缩的但是在延伸方向上较硬的FEA单元。这些单元的径向压缩刚度为零，而辐板单元是软的但是沿剪切方向具有非零刚度。辐板单元的内边缘160连接到刚性车轮(未示出)。也就是说，辐板结构150几乎没有或者没有能力支撑来自胎面的与表面接触的接触区域90中的部分的直接作用所产生的载荷，但是将支撑通过接触区域之外的辐板单元张紧的载荷。FEA模型利用在横截面或子午面中具有线性数学表达的结构单元。当单元处于接触区域之外时，FEA单元沿圆周方向具有二次数学表达。当单元处于接触区域90之中时，FEA单元具有线性数学表达。

当轮胎100的剪切带由于剪切层140中的剪切变形而发生显著变形时，产生有利的关系以允许人们对于给定的应用来指定层140的有效动态剪切模量G_eff和其厚度h的值：

P_eff＝(G_eff*h)/R                              (1)

其中：

P_eff＝预定地面接触压力

G_eff＝层140的有效动态剪切模量

H＝剪切层140的厚度

R＝不可伸展的外隔膜130的径向位置

P_eff和R是根据轮胎的用途选择的设计参数。然后，上述方程建议，剪切层的有效动态剪切模量G_eff与剪切层140的径向厚度的乘积大致等于预定地面接触压力与外隔膜130最外侧范围的径向位置的乘积。以上的关系对于人们设计轮胎是有利的。例如，为了设计客车用的轮胎，设计者可以选择1.5至2.5DaN/cm²的设计地面接触压力P_eff和半径R为大约335mm的轮胎尺寸。通过将这些值相乘，可以确定50.25至83.75DaN/cm的“剪切层因子”，其可以用来指定剪切层140的厚度h和剪切层140的动态剪切模量G。

为了建立FEA模型，隔膜120和130的拉伸模量设定为100,000MPa，其与密集包装缠绕的零度钢缆索(例如用于轮胎带束层材料的那些钢缆索)相对应。对于可替代的构造，例如具有嵌入到橡胶中的互成角度的帘线加强件的一组加强帘布层，以下的方程2提供了对于拉伸模量的合理估计：

其中：

E_橡胶＝涂覆材料的拉伸模量

P＝与帘线方向垂直地测量的帘线步进(帘线中心线间距)

D＝帘线直径

v＝涂覆材料的泊松比

α＝相对于赤道面的帘线角度

t＝相邻层中的缆索之间的橡胶厚度

注意E’_隔膜是隔膜的弹性模量乘以隔膜的有效厚度。当比值E’_隔膜/G_eff较低时，环形带在载荷下的变形与均质带的变形接近并且产生非均匀的地面接触压力。另一方面，当比值E_隔膜/G_eff足够高——例如大于100时，环形带在载荷下的变形基本上是由剪切层140剪切变形产生的，隔膜具有很少的纵向延伸或压缩。因此，地面接触压力基本上是均匀的。

对于加强帘线相对于赤道面以小于10度定向的隔膜，以下方程可以用来估计隔膜的拉伸模量：

E_隔膜＝E_帘线*V        (3)

其中：

E_帘线＝帘线的拉伸模量

V＝隔膜中的缆索的体积分数

对于包括均质材料或纤维或其它材料加强基质的隔膜，该模量是材料或基质的拉伸模量。此外，尽管剪切层在本文中示出为单个层，但是其可以包括复合结构，该复合结构包括例如由申请人共同拥有的国际专利申请No.WO/2008/045098中所述的具有不同特性的一个或多个材料层。

再次转到图1和6，与205/60R15充气轮胎类似，轮胎100的外径为330mm，轴向宽度为200mm。用于轮胎100的胎面层110的模型假定胎面的与地面接触的部分附着良好且不会滑动。对于本文所述的各种实施例，轮胎在平坦表面上加载为200kg的恒定竖向载荷。对于向前笔直滚动且没有外部施加的驱动或制动转矩的加载轮胎而言，这是合理的近似。以下的几何和材料参数是已知轮胎材料的示例性参数。然而，轮胎模型并不限于这些参数值。胎面层110的模量为5MPa，径向厚度t为10mm。隔膜120和130的拉伸模量为100,000MPa，径向厚度为1mm。剪切层140的材料的有效剪切模量为1.67MPa，径向厚度为20mm。最后，辐板结构150的拉伸模量为1MPa，压缩模量为0.0001MPa，径向厚度为49mm。辐板结构150的该拉伸模量大致等效于具有由拉伸模量为大约30MPa的材料制成的离散辐条的全三维模型的径向刚度。

图7和12示出了轮胎100的对于刚刚所述的设计参数的地面接触压力SZ和x方向切向应力SX。表1提供了定量结果的总结。对于轮胎100的几何结构和特定材料特性，方程(1)产生了1.0巴的理想接触压力P_eff。在表1中找到的且在图12中用曲线示出的0.92巴的计算值有利地与理想值相当。因此，FEA模型是实际轮胎行为的可靠表现。图7提供了接触区域的形状和应力分布的等值线绘制的视图。竖向应力SZ在整个接触区域中均匀分布，证明了非充气轮胎100的与充气类似的行为。

考虑该关系来估计方程(1)的地面接触压力P_eff。显然，对于外隔膜的半径R基本上相同的轮胎来说，乘积(G_eff*h)对于接触压力来说是控制因子。于是，G_eff或h增大或者两者都增大可以使得轮胎的接触压力增大。此外，轮胎可以构造成具有至少第一部分和至少第二部分，该第一部分包括具有第一水平的乘积(G_eff*h)的材料，该第二部分具有第二水平的乘积(G_eff*h)。处于本发明的范围内的是，具有多个侧向设置的部分，每个部分都具有特定水平的乘积(G_eff*h)。这些部分不必成为离散区域，并且可以包括连续变化的乘积(G_eff*h)水平。

图2中所示的轮胎200的示例性实施例应用了如下的原理，即通过剪切层的材料特性的变化来控制乘积(G_eff*h)。具体地，该实施例具有剪切层，该剪切层包括中心部分244和侧向或肩部部分242，其中每个部分都具有不同的材料特性，例如具有不同的剪切模量G_eff。在一个示例中，中心部分244具有为3.3MPa的剪切模量(水平1)或者6.6MPa的剪切模量(水平2)，并且侧向部分242保持1.67MPa的剪切模量。图7和8将基准轮胎100与标注为分别与模量水平1和模量水平2对应的轮胎200(水平1)和轮胎200(水平2)的当前实施例进行比较。结果清楚地证明了在中心部分中具有增大的接触压力SZ。表1用定量地证明了对于轮胎200(水平1)而言，中心部分中的平均压力SZ平均增加了大约40％(从0.93巴到1.39巴)。对于轮胎200(水平2)而言，增加了大约120％(从0.93巴到2.18巴)。值得注意的是，肩部部分上的平均接触压力保持在基准轮胎100的值的5％内。与使用相似材料特性变化的充气轮胎的期望相比，这的确是意想不到的结果。在充气轮胎的情况下，本领域技术人员将仅仅期望递增量。本发明的这些实施例的另一个值得注意的优点在于中心部分与侧向部分之间过渡部分的有限的“端部效应”。如图7和8所示，中心部分的高加载区域几乎延伸胎面槽215之间的整个宽度。因此，轮胎200的实施例还可以用来实现非对称轮胎，当轮胎安装在车辆上时观察，非对称轮胎相对于轮胎的内侧或外侧具有明显不同的加载和竖向刚度。

在图3中所示的轮胎300的另一个示例性实施例中，应用了如下的原理，即通过剪切层340的厚度h的变化来控制乘积(G_eff*h)。轮胎300与轮胎100相同，只是不可伸展的外隔膜现在顺应半径R为500mm的弓形剖面。结果，剪切层340的厚度h从中心部分中初始的19mm变化至侧向边缘处的大约9.5mm。胎面310保持恒定的厚度＝10mm。有效地，如图3中所示，轮胎300与本领域技术人员能够提出的在接触区域的中心部分中提供增大的接触压力的圆形剖面充气轮胎类似。然而，轮胎300的实施例保持为完全非充气结构。图9提供了轮胎300的本实施例与基准轮胎100的比较。人们立即就能看到，与轮胎100的几乎矩形形状相比，轮胎300的接触区域的形状是极圆的。图9还证明了，轮胎300包含压力非常高的离散区域，这对于最佳的轮胎耐磨性而言是不期望的。然而，表1中所示的模型数据证明了，剪切层厚度的变化是改变平均接触压力效果差得多的方式。与基准轮胎100相比，轮胎300的中心部分中的平均接触压力SZ仅仅增加了25％(从0.93巴到1.16巴)。人们可以得出结论，如同已知的用于充气轮胎的设计方法所建议的，使用圆形剖面是效率低下的。

前述实施例示出了获得对非充气轮胎200和300中的竖向接触应力SZ的控制的示例性方法。对于牵引改进而言，接触的中心部分中的接触压力增大是有利的。然而，轮胎还必须在胎面耐磨性方面具有良好的性能，以提供完全的消费者满意度。如前所述，平衡的切向应力(特别是x方向应力SX的平均值)使得胎面在胎面区域的整个宽度范围内均匀磨损。再次转到表1和用曲线表示表1的数据的图12，用于基准轮胎100的切向应力SX的结果证明了在中心部分上的稍微正的或“驱动”应力以及在侧向部分上的稍微负的或“制动”应力。通常，为了获得可接受的胎面耐磨性，应当在接触区域中避免大的制动应力。对于轮胎200(水平1)，随着切向应力增大到大约0.05巴，开始出现不平衡；从而在中心中出现驱动并且在肩部中出现制动。对于轮胎200(水平2)，中心段的模量增大几乎使切向应力加倍而到大约0.09巴，再次在中心中出现驱动并且在肩部中出现制动。圆形胎冠实施例的轮胎300在中心中产生不可接受的大驱动应力(大约0.29巴)，并且在侧向部分中产生制动(大约-0.70巴)。

发明人已经发现，通过改变胎面段的纵向柔量可以优化竖向应力和切向应力的分布和幅值。在如图4所示的轮胎400的本发明另一个示例性实施例中，胎面层包括中心胎面段414和侧向或肩部胎面段412，其中每个段都具有不同的材料特性。在轮胎400的具体示例中，修改了两个圆周槽415之间的胎面段414。与胎面段412对应的胎面材料1与轮胎100相比不变。与中心胎面段414对应的胎面材料2已经被修改，以反映相对于胎面段412的增大的纵向剪切柔量。在仍然处于本发明范围内的其它实施例中，轮胎可以具有多个侧向分布的胎面段，这些胎面段具有特定组的材料特性。

在轮胎400的示例性实施例中，这种修改的柔量是由于向胎面段增加侧向定向的槽而导致的。在轮胎400的其它实施例中，可以通过每个胎面段的正交材料特性来获得修改的柔量。图5示出了通过轮胎400的赤道面的示意性剖视图，该轮胎400具有多个侧向定向的绕轮胎的圆周间隔开的槽416，于是限定了多个离散的胎面单元，例如胎面花纹块。如本文所用到的，侧向定向的槽的含义包括横向地或者与纵向槽415成角度地定向的那些槽或细切口，例如沟槽。如图5所示，胎面花纹块417的弯曲变形是花纹块B的圆周长度和胎面深度H的函数。在参数上，通过参数H/B表示这种水平的柔量，其中较高的H/B值表示弯曲刚度具有较小值的胎面段。借助所示的示例以及为了提供物理解释，H/B的值为零对应于连续肋。H/B的值为大约0.3对应于夏季轮胎，H/B的值为大约0.6对应于全天候轮胎。

轮胎400的FEA模型保持为回转体的几何结构，但是其中胎面段414的单元可以具有已经修改为考虑参数H/B以用于胎面花纹块417的弯曲变形的刚度。在轮胎400的这个具体示例中，胎面柔量设定为0.5和1.0的H/B值。在所有的其它方面中，轮胎400保持轮胎200(水平1)的特性。获得用于轮胎400的接触应力的FEA结果。图12和表1中所示的数据证明了，胎面或轮胎400中增大的柔量对胎面的中心部分中的竖向应力SZ的期望增大仅仅具有小的影响。具体地，轮胎200(水平1)对于中心肋产生1.39巴的SZ值，而轮胎400的两个示例都保持SZ为大约1.30巴的有利的中心加载。通过切向应力SX的检查证实了轮胎400的实施例的清楚优点。这里，中心肋的柔量调节到大约1.0的H/B值在胎面部分的整个宽度范围内产生大致为零的切向应力。这个结果甚至比对于基准轮胎100预测的切向应力SX被更好地平衡。因此，轮胎400所述的本发明的实施例提供了用于牵引的期望的中心加载，同时实际上改善了切向应力的分布。因此，轮胎400能够打破充气轮胎中固有的折衷。

表1——模型结果的总结

工业应用的详细说明

基于FEA研究的有前途的结果，发明人着手将可变压力剪切带的原理应用于实际的轮胎。因此，以下提供该轮胎、缺少环形剪切带的基准轮胎的详细说明和对于两种轮胎的测试结果。

转到图13，其示出了缺少加强的环形剪切带的轮胎500沿具有标准充气轮胎结构的轮胎的子午面的剖视图。这种标准结构包括靠近轮胎500内部的胎体帘布层510，第一交叉帘布层带束520坐落在该胎体帘布层510上。第二交叉帘布层带束530位于第一交叉帘布层带束520上方，并且通过薄的橡胶段540与第一交叉帘布层带束520隔开。该橡胶段不会用作可变压力剪切层，因为其缺少必要的(G_eff*h)。此外，带束520、530不会用作不可伸展的隔膜，因为它们缺少必要的拉伸模量。沿轮胎的基本上纵向或x方向缠绕轮胎500并且沿着轮胎的轴向或y方向步进的尼龙带材550位于第二交叉帘布层带束530的顶部上。尼龙带材550的目的在于增大轮胎的高速耐久性，从而降低在高速运行时带束分开的可能性。轮胎500还在轮胎500的内部上具有帮助保持轮胎内的空气或气体的内衬里560。内衬里560可由能够保持轮胎的充气压力的任何合适材料构成并且优选地由卤化丁基橡胶构成。具有槽580的胎面部分570处于带束组件和环形加强件的顶部，以改进轮胎500在穿过水和类似物时的牵引。胎面570的槽580用于消耗水，使得胎面的表面可以更加容易地穿透水并且与地面接触。

对于这个特定的实施例，轮胎500的尺寸为205/55R16，胎面部分570的宽度W₅₇₀为大约165mm，并且轮胎500通过侧壁590保持到车辆的车轮上，该侧壁590终止于赤道面E-E的两侧上的胎圈段(未示出)。轮胎500的构造关于赤道面E-E是对称的。

相反，图14示出了沿充气轮胎600的子午面的剖视图，该充气轮胎600采用可变压力剪切带的特定实施例。该轮胎600具有内衬里660、胎体帘布层610、带有槽680的胎面段670以及带束组件，该带束组件包括与以上已经针对轮胎500所述类似的第一交叉帘布层带束620和第二交叉帘布层带束630。该轮胎还是205/55R16尺寸的轮胎，胎面部分670的宽度W₆₇₀为大约165mm。其也通过侧壁690保持到车辆的车轮上，该侧壁690终止于赤道面E-E的两侧上的胎圈段(未示出)。该轮胎600的构造也是关于赤道面E-E对称的。然而，与基准轮胎500相比，其具有以下的结构差异。

首先，其具有第一隔膜640，该第一隔膜640位于胎体帘布层610的正上方，其可以采取由美国专利No.7,032,637公开的材料制成的玻璃单丝的帘布层的形式，该玻璃单丝沿轮胎的纵向或x方向螺旋地缠绕并且沿轮胎的轴向或y方向步进。有利的是，玻璃单丝具有这样的特性：例如压缩模量为大约12,000MPa、拉伸模量为大约40,000MPa、和/或在大约1％的压缩应变下的无穷耐久性极限，这允许玻璃单丝有效地抵抗压缩，考虑到其位置在轮胎600的内部附近，这有助于轮胎抵抗当轮胎600遇水时在接地面附近沿轮胎的纵向或x方向的屈曲。当构造有以上的机械特性时，每个帘线642都优选地具有大约0.43mm²或更大的横截面面积，并且以至少大约1.4mm的步进沿轮胎的轴向或y方向布置。这样的构造提供每毫米帘布层宽度大约0.30mm²的等效均质厚度(每帘线的面积/步进)。帘线642由玻璃纤维构成，该玻璃纤维嵌在初始延伸模量为至少大约2.3GPa的热固性树脂中。该纤维均构造成彼此平行。细长复合单元的压缩失效的应变大于拉伸失效的应变。优选地，热固性树脂的玻璃相变温度T_g大于130℃。不管采用哪种构造，该隔膜640的隔膜模量E_隔膜与剪切层645的剪切模量G_eff的比值应当为至少大约100∶1。例如，E_隔膜可以为9000N/mm²，而G_eff可以为3N/mm²，这将产生大约3000∶1的比值。

接下来，具有可变厚度T的剪切层645处于第一隔膜640的上方，其由橡胶制成并且附着到那里。该橡胶材料可以具有这样的特性：例如动态剪切模量的范围为从1.9至5MPa，在100℃下的断裂延伸率可大于大约100％，迟滞在应变为大约15％至30％之间时小于大约0.2。具有类似特性的橡胶材料还可以用在涂覆膜(skim)中，该涂覆膜用来包含第一和第二隔膜640、650的帘线。此外，剪切层645的厚度T可以从2mm变化至20mm。对于这个特定的实施例，剪切层645的剪切模量为大约3MPa，剪切层645的厚度T从剪切层645的肩部区域中的大约2mm变化至轮胎600的赤道面E-E处的大约6mm。有趣的是，剪切层645的厚度T沿着正z方向或径向向内方向运动，使得剪切层645的中性纤维647也沿着这个方向运动。因此，这个实施例提供了剪切层中的变化(G_eff*h)，该变化给出了可变压力剪切带的期望特性。中性纤维647的向内运动允许使用可替代的胎面剖面670’，这改进了滑水性能，同时不会降低轮胎600的耐磨性能，原因将在后面更清楚地解释。从而，与标准胎面剖面670相比，这种可替代的胎面剖面670’具有增大的向外径向厚度。

最后，基本上不可伸展的第二隔膜650处于剪切层645上方并且附着到剪切层645上。这个隔膜650可以采取处于剪切层645正上方的第一交叉帘布层带束620和处于第一交叉帘布层带束620正上方的第二交叉帘布层带束630的形式。这些带束由钢帘线652构成，并且钢帘线652嵌在具有上述特性的橡胶涂覆膜中。帘线652可以以范围从15到25度的角度设置，并且对于这个特定的实施例以+/-22度设置。虽然通常在带束中使用帘线，其相对赤道面E-E以相等且相反的角度设置，但是可以想到，帘线可以以不同的角度设置从而产生相对于赤道面不对称的轮胎。这些带束620、630被构造为使得该隔膜650的隔膜模量E_隔膜与剪切层645的剪切模量G_eff的比值为至少大约100∶1，对于轮胎500的带束520、530则不是这种情况，这也是那些带束和将带束隔开的橡胶不包括剪切带的原因。此外，第二隔膜650沿着正z方向或向内径向方向偏移足够的距离，以保护第二隔膜650的结构不受胎面670的切口和小渗透影响。

应当注意到，隔膜640、650与剪切层645的附着通常是通过弹性体材料的硫化提供的，该弹性体材料包括隔膜和剪切层。或者，隔膜可以通过任何合适的化学的、粘合剂粘接或机械固定的方法附着到剪切层上。同样，隔膜可以由任何合适的材料或构造形成，该材料或构造满足环形剪切带所需的拉伸刚度、弯曲刚度和抗压缩屈曲性的要求。例如，隔膜的结构可以是几种可替代形式中的任一种，例如均质材料、纤维加强基质，或者具有离散加强单元的层，只要本文所述的机械特性能够满足即可。当使用常规轮胎加强件时，可以采用由诸如钢、芳族聚酰胺和其它高模量织物的材料制成的单丝或帘线。

因此，第一和第二隔膜可以由基本上沿x方向缠绕并且沿轮胎的y方向步进的环形加强件形成。这些环形加强件可以由钢或某些其它合适材料制成的帘线形成。以类似的方式，剪切层可以改变，并且具有剪切模量比其肩部部分高的中心部分，或者可以具有利用FEA研究的其它构造和/或特性。

在轮胎500、600构建之后，利用不同的测试程序测试轮胎500、600。一种这样的测试程序包括使已经放置在车辆上的轮胎运动通过玻璃板顶部上的一滩水，此时可以拍摄照片以观察轮胎的胎面在某些条件下有多少表面区域与地面保持接触。对于同一个轮胎可以以不同的速度重复这种测试，以确定当轮胎与地面接触的90％丢失时，表示轮胎正在滑水。

图15和16分别表示当使用这种程序进行测试且在88kph下运动通过4mm深的水时轮胎500、600拍摄所得的照片，其中轮胎具有2.1巴的标准内部气压并且施加到轮胎上的竖向载荷为450kg。在这些条件下，轮胎500处理成具有由线595和595’画出的仅仅13cm²的表面接触面积，而轮胎600仍然具有由线695画出的45cm²的表面接触面积。这表示，轮胎500正在滑水，且丢失了大约91％的接触表面面积。相反，轮胎600有3.5倍之多的表面面积仍然与地面接触，这表示，基于发生滑水之前的推断，其能够以额外快7kph的速度行进。这允许轮胎设计者在保持与标准轮胎500的相同滑水性能的情况下将轮胎600中的胎面空白区域从30％降低至20％。这可以转换为轮胎600的耐磨性能的20％的改进，或者允许轮胎设计者改进其它的特性，例如干湿牵引等。

参见图17，这个相同的测试程序应用至在各种速度下的两组轮胎500、600，其中轮胎具有1.6巴的稍稍放气的内部气压和施加到轮胎上的450kg的外部竖向载荷。与最初的表面接触面积相比，通过将减小的表面接触面积除以最初的接触面积而将在每个速度下每次测试运行的表面接触面积的数值标准化。这些值沿着竖轴绘制，而速度沿着水平轴绘制。使用减小的内部气压是为了查看当轮胎稍稍放气时具有可变压力剪切带的轮胎600与基准轮胎500相比在滑水方面具有哪些好处，轮胎稍稍放气对于滑水性能而言是不利的情况。如图所示，在速度达到50kph之前，两个轮胎500、600的性能相似。之后，轮胎600比轮胎500保持更大的表面接触面积并且不会滑水直到其达到大约88kph，在大约0.18的标准化面积附近出现滑水。另一方面，轮胎500在大约80kph时开始滑水。这示出了可变剪切带提供了额外的结构刚度，超过了通常在充气轮胎中出现的充气部件的刚度所提供的刚度，从而改进了滑水性能。这为轮胎设计者提供了额外的灵活性以减薄轮胎600的侧壁690并且仍然保持或超过基准轮胎500的滑水性能。而这又能够导致滚动阻力的减小。

类似地，利用针对上述图17表示结果的基本相同的测试程序测试基准轮胎500和具有可变压力剪切带的轮胎600，只是两个轮胎完全充气至2.1巴的内部气压。该测试的结果在图18中示出并且以与图17中所用的相同的格式表示。测试结果表明，对于轮胎600而言大致在大约0.18的标准化面积下在速度为94kph时出现滑水，而对于基准轮胎500而言其发生在大约88kph时。此外，发生滑水之前的6kph的增益使得轮胎设计者能够改进以下性能中的任何两项：滑水、磨损和滚动阻力；而不会降低其它余下的性能。

图19、20和21分别示出了在具有力传感器的测试机上借助本领域公知的方式测量的2.1巴的标准内部气压和410DaN的竖向载荷下对于轮胎500、600的肋R1、R2、R3、R4和R5的Z应力、Y应力和X应力。

参见图19所示的Z应力，具有可变压力剪切带的轮胎600在所有的肋R1至R5上都具有稍稍较高的应力，在肋R1和R2之间以及肋R4和R5之间具有比较相似的梯度，和基准轮胎500的相同肋之间出现的一样。然而，对于具有可变压力剪切带的轮胎600而言，从R2或R4到R3出现了较大的梯度(大约0.5巴)，而在基准轮胎500的相同肋之间实质上没有变化。这是期望的，因为印迹中心压力的这种增大有助于轮胎600抵抗其遇水时的变形，由此与基准轮胎500相比改进了轮胎600的滑水性能。此外，由轮胎600的剪切带提供的稍稍较大的Z应力也有助于防止滑水。

图20中所示的对于轮胎600的Y应力基本上与基准轮胎500的Y应力相同，这表示当使用可变压力剪切带时将不会出现由于这种应力而可能导致的耐磨性能的下降。

最后，图21所示的X应力表示，对于修改的结构而言，X应力实际上得到更好的平衡。具体地，肩部肋(R1、R5)的X应力不是制动应力，而中心肋(R3)的X应力不是驱动应力，和具有圆形印迹的轮胎所期望的一样，这对于改进的滑水性能是期望的。图22和23还示出了证实上述FEA结果的这种现象，图22和23分别示出了基准轮胎500和具有可变压力剪切带的轮胎600的印迹。印迹是在410DaN的竖向载荷和2.1巴的内部气压下取得的。注意到，修改的结构具有更圆的形状，肩部比中心明显短。然而，对于该轮胎600，X应力被非常好地平衡，这是由于中性纤维647的径向位置的改变。因此，诸如用在可替代胎面剖面670’中的更圆的胎冠可以与可变压力剪切带结合使用，以与基准轮胎500相比改进滑水而不会降低轮胎600的耐磨性能，如前所述。

为了进一步测试轮胎500和600的滑水性能，根据如下的另一个测试程序来测试轮胎500和600。首先，构造类似的两个轮胎被放置在车辆的前轮上，该车辆为例如奥迪A4，为前轮驱动。接着，车辆以50kph的速度在沥青路上驶过深度为8mm的水。优选地，这个速度是通过使用车辆上的巡航控制来保持的。一旦车辆到达确认区域，驾驶员就尽可能快地加速车辆30-50m(这个距离随意地固定)，以查看在驱动轮的速度和车辆的GPS速度之间是否产生10％的滑动。如果达到10％的滑动，那么就将这个相同的测试运行进一步重复三次。如果没有达到10％的滑动，那么在初始车速上增加5kph来执行测试运行。然后重复该步骤，直到达到10％的滑动。一旦达到10％的滑动，就在相同的条件下进行另外的三次运行，如前所述。通常，进行总共五次运行，第一次和最后一次运行仅仅用作参考。然后，从这些运行中获取数据，并且可以对发生滑水时的速度进行统计相关的计算，其中发生滑水时的速度对应于发生10％的滑动时的车辆速度。

当利用这个测试程序时，发现对于基准轮胎500在大约57.5kph时出现滑水，而对于具有可变压力剪切带的轮胎600在大约61kph时出现滑水。这显示了在这些轮胎之间至少有5％的改进，这提供进一步的证据表明可变压力剪切带能够改进轮胎的滑水性能而不降低耐磨性能或滚动阻力性能。

虽然已经参考本发明的特定实施例说明了本发明，但是应当理解，这样的说明是示例性的而非限制性的。例如，本文中所讨论的工业应用涉及具有常规侧壁和胎圈段的充气轮胎的使用。然而，可以想到，本发明同样可以用于非充气轮胎、混合轮胎和具有各种构造的其它产品，包括使用辐板辐条将轮胎连接到车辆的车轮上的那些构造。此外，本文主要讨论了对称的轮胎，但是可以想到，具有非对称胎面的轮胎也处于本发明的范围内。因此，本发明的范围和内容仅仅由所附权利要求的术语限定。

Claims (14)

1.一种轮胎，所述轮胎具有地面接触部分并且具有径向方向、纵向方向和轴向方向以及赤道面，所述轮胎包括可变压力剪切带，所述可变压力剪切带包括：

剪切层，所述剪切层具有横截面，其中乘积(G_eff*h)沿着所述轮胎的轴向方向变化；

第一隔膜，所述第一隔膜附着到所述剪切层的沿径向向内的区域上；以及

第二隔膜，所述第二隔膜附着到所述剪切层的沿径向向外的区域上。

2.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述剪切层由具有随所述剪切层的高度(h)变化而相对一致的G_eff的材料构成。

3.根据权利要求2所述的轮胎，其中所述地面接触部分具有胎面，所述胎面具有处于其每个轴向区域处的肩部部分和位于肩部部分之间的中心部分，并且其中所述剪切层也具有处于其每个轴向区域处的肩部部分和位于肩部部分之间的中心部分，所述剪切层的所述肩部部分和中心部分基本上沿径向分别处于所述胎面的所述肩部部分和中心部分之下，所述剪切层的厚度随着所述剪切层沿着轴向方向从其肩部部分前进至其中心部分而沿着径向向内的方向增大。

4.根据权利要求3所述的轮胎，其中所述剪切层在其肩部部分处最薄，而在其中心部分处最厚，并且其中所述剪切层的中性纤维随着所述剪切层从其肩部部分前进至其中心部分而沿径向向内运动，所述中性轴线基本上在所述轮胎的赤道处到达其最下部位置。

5.根据权利要求4所述的轮胎，其中所述胎面在所述轮胎的赤道面附近具有增大的向外的径向厚度。

6.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述剪切层包括具有不同G_eff值的多个轴向设置的部分。

7.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述轮胎的所述地面接触部分包括胎面，所述胎面具有肩部部分和中心部分，其中所述胎面的所述肩部部分具有与所述中心部分不同的材料特性，所述中心部分相对于所述胎面的所述肩部部分具有增大的纵向剪切柔量。

8.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述轮胎的所述地面接触部分包括胎面，所述胎面具有肩部部分和中心部分，其中所述胎面的所述中心部分包括宽度为(H)的沿侧向定向的槽，所述槽限定了长度为(B)的胎面单元，与所述胎面的所述肩部部分相比，这增大了所述胎面的所述中心部分的纵向剪切柔量，并且其中参数(H/B)是纵向柔量水平的指标。

9.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述第二隔膜基本上是不可伸展的，并且其中所述第一隔膜抵抗压缩。

10.根据权利要求9所述的轮胎，其中所述第一隔膜包括玻璃单丝，并且其中所述第二隔膜包括第一交叉帘布层带束和位于所述第一交叉帘布层带束的顶部上的第二交叉帘布层带束。

11.根据权利要求10所述的轮胎，其中所述第一交叉帘布层带束和所述第二交叉帘布层带束具有钢帘线，所述钢帘线相对于所述轮胎的赤道面成+/-(15至25)度设置。

12.根据权利要求2所述的轮胎，其中所述第一隔膜和所述第二隔膜包括环形加强件，所述环形加强件基本上沿着所述轮胎的纵向方向设置。

13.根据权利要求4所述的轮胎，其中所述第一隔膜包括玻璃单丝，并且其中所述第二隔膜包括第一交叉帘布层带束和位于所述第一交叉帘布层带束的顶部上的第二交叉帘布层带束。

14.根据权利要求11所述的轮胎，其中所述第一交叉帘布层带束和所述第二交叉帘布层带束具有相对于所述轮胎的赤道面成+/-22度设置的钢帘线。

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