CN102433010A - 复合材料 - Google Patents

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J.A.本京二世
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J.A.因卡沃
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Abstract

复合材料包括形成嵌在聚合物中的结构的多个弹簧。每个弹簧都与至少一个其它弹簧交织，从而形成全覆聚合物结构。

Description

复合材料
技术领域
本发明涉及一种复合材料，更具体地，涉及一种展现独特且意外的物理特性的复合材料。 
背景技术
在充气轮胎之前已经使用了传统的非充气实心橡胶轮胎。随着车速提高和乘坐特征变得越来越重要，显露出了对于充气结构的需求。充气轮胎提供了对实心非充气轮胎的问题和限制的解决方案。 
传统的充气轮胎是仍能作为传统车辆需求的解决方案的有效结构。传统的充气轮胎为“张力结构”。张力结构含有用于在张力结构中提供张力预载荷的压缩结构。该张力结构通常可能不接受压缩，并且所述压缩结构无张力。在充气轮胎中，帘线为张力结构，压缩空气为压缩结构。 
传统充气轮胎的缺点在于它是充气的。至少从车辆操作员的观点来看，在压力下所含的空气在不恰当的时刻可能会逸出，并且通常会逸出。 
非充气轮胎不具有处在压力下的空气。它是一种工作类似于充气轮胎的轮胎结构，不需要含有处在压力下的空气。非充气轮胎与在轮胎印迹区域内的路/接触表面、或接地面积的接触从接触表面仅给车辆提供了力输入，并向接触表面提供了操纵力和负载。因此，非充气轮胎具有与充气轮胎相同的这些基本特征。 
传统的充气轮胎具有独特的弯曲和承载特性。尽管冲击和挠曲是在印迹的径向内侧区域中局部地发生，但是可通过整个轮胎结构全面地吸收冲击和挠曲。通过轮胎侧壁的张力的增大与减小的组合获得转弯特性。 
传统的非充气轮胎必须类似地能够承受冲击载荷和耗散吸收的能量。然而，与充气轮胎不同，非充气轮胎通常在印迹或接触面积内局部地吸收冲击和挠曲。因此，非充气轮胎的这种局部挠曲必须还展现高阻尼特性。 
另外，所有轮胎在运行状态中都必须能够散热。阻尼载荷的特性是能量耗散的一种形式。吸收的能量转换为热量。转而，热量会影响轮胎性能，并可能导致过早的轮胎故障。因此，热量的有效散逸对于所有轮胎都是必不可少的。理想地，能量只被轮胎在印迹或接触面积径向内侧区域中吸收，使得在轮胎其余部分旋转期间，能量可从该区域被带走。 
然而，橡胶是热的不良导体。橡胶越厚，热量聚积得就越多。通过具有高空气循环的薄材料断面，所述热量聚积可被减轻至受控制的水平。 
聚氨酯轮胎可操作在大约93℃（200℉）这样高的温度。温度长期高于121℃（250℉）会引起聚氨酯的弱化。如果聚氨酯轮胎的温度上升足够高，那么会发生聚氨酯轮胎的过早故障。 
一种传统的非充气轮胎/车轮包括弹性材料中心部分、外弹性胎面部分、以及布置其间的冲击吸收部分，该冲击吸收部分包括与中心部分和胎面部分一起形成的多个弹性材料交叉网。在冲击吸收部分的内部形成环形系列的孔。这些孔设置成横向地稍微重叠。每个孔都延伸穿过冲击吸收部分的整个轴向宽度。一对盘也设有类似的孔。轮胎/车轮的每侧上都有一个盘，其孔与冲击吸收部分上的孔对齐。在模制时，形成一个整体单元。该弹性（半实心）轮胎（cushion tire）/车轮省略了用于将充气或实心橡胶轮胎紧固至车轮的金属部件。 
这种开发非充气轮胎的传统尝试无法提供充分的散热以及适当的承载能力。当车速升高时，这些概念无法满足轿车和货车轮胎的需求。 
另一种传统的非充气轮胎是由弹性材料整体地模制，以形成包括内“箍”和外“箍”的一体结构。外箍通过多个周向间隔开的平面肋和一个平面中心腹板来支撑和缓冲，其中平面中心腹板在箍的圆周中心连接箍。所述腹板位于与轮胎旋转轴线垂直的平面内。所述肋沿着内外箍轴向地延伸，沿着腹板的相对两面将箍与肋的边缘相连接。平面肋可在径向末端被底切，以确保弯曲以及除非超过临界载荷，否则不会扭曲。 
再一种传统的非充气轮胎具有赤道面、与赤道面垂直的轴线、可绕所述轴线旋转的环形胎面、以及由具有范围在60至100的肖式A级硬度的材料制成的环形弹性体。所述弹性体具有第一和第二间隔开的横向侧面。该两个侧面距赤道面等距间隔，并在胎面与轮辋之间延伸。所述弹性体具有距所述轴线等距定位的孔，一些孔从第一侧面延伸，其它孔从第二侧面延伸，以形成第一组和第二组孔。这两组孔从各自的侧面朝着赤道面延伸。这些孔在弹性体中形成等距间隔的弹性材料柱。由第一组孔形成的柱与轮胎的径向方向倾斜，由第二组孔形成的柱相对于轮胎的径向方向大体上倾斜，但是相对于由第一组孔形成的柱反向倾斜。 
国家航空航天管理局（NASA）开发了地面车辆，以支持长距离月球探索和月球基地的开发。这些车辆比阿波罗计划在1960年代后期开发的月球车（LRV）更重且行驶的距离更大。因此，与阿波罗LRV上使用的轮胎相比，需要新型的轮胎来支撑高达十倍的重量和坚持高达一百倍的行驶距离，从而需要与地球上使用的轿车相类似的操作特性。然而，传统的橡胶充气轮胎在宇宙空间中无法令人满意地工作。 
例如，橡胶特征在阴影中的低温（低至40 K）与阳光中的高温（高达400 K）之间会显著地变化。另外，当没有大气保护而暴露于太阳直接辐射时，橡胶会降解。最后，由于轮胎漏气的可能性，对于载人月球车来说，填充空气的轮胎是不允许的。为了克服这些限制，为阿波罗月球车已开展了轮胎设计，并该轮胎设计已成功应用在阿波罗任务15、16和17号上。该非充气轮胎由琴弦编织而成，其耐月球温度变化和太阳辐射，操作于真空之中，并且不需要空气来进行负载支撑。该结构还用于吻合月球地形，便于牵引并减小传递到阿波罗月球车的振动。 
如上所述，因为对月球车的新的重量和距离的要求，所以需要具有更高强度和耐用性的轮胎。一个传统车轮与非充气轮胎总成具有可变的直径，除了改变其直径之外，该总成还可改变其宽度，从而增大车轮接合地面的面积。因此，该非充气轮胎可根据其行驶的地形来调节，以提高车辆的性能。该轮胎/车轮具有弓形构件，该弓形构件具有连接轮毂的第一端和第二端。弓形构件在第一端和第二端之间以弧形向外延伸。所述弓形构件形成绕着轮毂在周向上间隔开并且从轮毂径向向外延伸的多个柔性箍。 
更具体地，该传统的非充气轮胎/车轮形成由38个等距间隔的径向延伸箍组成的骨架，所述箍在轮毂的轴向外缘之间成拱形。所述箍由螺旋钢弹簧制成，该螺旋钢弹簧由切割成期望长度并穿过所述弹簧的中心的钢丝来填充。传统的轮毂可轴向扩张/收缩，以改变轮胎/车轮的直径。 
发现阿波罗月球车轮胎的丝网设计无法容易地可扩展。具体地，为产生支撑原始设计的十倍载荷的轮胎而增大线丝直径，产生了两个明显的限制：1）丧失了吻合地形的能力，从而限制了牵引和隔离振动的能力；和2）增大的线丝应力限制了使用寿命。 
因此，另一种传统的非充气轮胎/车轮包括多个螺旋弹簧。每个螺旋弹簧都包括第一端部部分、第二端部部分、以及连接第一端部部分和第二端部部分的弓形中间部分。每个螺旋弹簧都与所述多个螺旋弹簧中的至少另一个螺旋弹簧交织或交错编织，从而形成绕着非充气轮胎/车轮的整个圆周延伸的编织环面结构（toroidal structure）。一部分螺旋弹簧可紧固至车轮的第一环形轮辋和/或车轮的第二环形轮辋。在轮胎的每个轴向侧都具有环形轮辋的车轮可将轮胎紧固至车轮上。因此，与传统充气轮胎的结构相比，交织螺旋弹簧的编织/交织环面结构限定了非充气轮胎的第一帘布层。第二帘布层可径向地重叠在第一帘布层上。该第二帘布层可包括与第一帘布层相同的交织环面结构。 
因此，期望一种用于非充气轮胎的改进型复合材料。 
定义
“三角胶芯”意味着位于胎圈芯径向上方且在帘布层与反包帘布层之间的弹性体填料。
“环形”意味着形成如同一个环。 
“纵横比”意味着其截面高度与其截面宽度的比。 
“轴向的”和“轴向地”在本文中是指平行于轮胎旋转轴线的线或方向。 
“胎圈”意味着包括由帘布层帘线缠绕且成形为带有或不带其它增强元件的环形抗拉构件的轮胎的一部分，所述增强元件如胎圈芯包布、加强片、三角胶芯、护趾胶和胎圈包布以便适配于设计轮辋。 
“带束层结构”意味着由平行帘线构成的至少两个环形层，帘线经过编织或未经编织，位于胎面下方，非锚定于胎圈上，并且具有相对于轮胎的赤道面倾斜的帘线。所述带束层结构也可包括以相对低的角度倾斜的用作限制层的平行帘线层。 
“斜交轮胎”（交叉帘布层）意味着其中在胎体帘布层中的加强帘线以相对于轮胎赤道面约25度至65度角斜对角地穿过轮胎从胎圈至胎圈延伸的轮胎。如果存在多个帘布层，那么帘线在交替的层内以相反的角度延伸。 
“缓冲层”意味着由平行加强帘线构成的至少两个环形层或帘布层，上述平行加强帘线关于轮胎的赤道面具有与胎体帘布层中平行加强帘线相同的角度。缓冲层通常与斜交轮胎相关联。 
“帘布绳”意味着通过将两个或多个帘布纱线缠绕在一起而形成的帘线。 
“胎体”意味着除带束结构、胎面、底胎面以及帘布层上的侧壁橡胶之外的轮胎结构，但是包括胎圈。 
“外胎”意味着除胎面与底胎面之外的胎体、带束层结构、胎圈、侧壁及轮胎所有其它组件，即，整个轮胎。 
“加强片”指的是位于胎圈区域内的一窄条织物或钢帘线，其功能是加强胎圈区域并稳定侧壁的径向最内侧部分。 
“周向”意味着沿着与赤道面（EP）平行且与轴向方向垂直的环形轮胎表面的周长延伸的直线或方向；它还指其半径限定胎面的轴向曲率的一组相邻圆形曲线的方向，从截面图中所视。 
“帘线”意味着构成轮胎加强结构的加强线束之一。 
“帘线角”意味着由帘线相对于赤道面在轮胎平面图的向左或右形成的锐角。所述“帘线角”在已固化但未充气的轮胎中测量。 
“旦尼尔（denier）”意味着每9000米的克数的重量（表示线性密度的单位）。分特（dtex）意味着每10000米的克数的重量。 
“弹性体”意味着在变形之后能够恢复大小和形状的弹性材料。 
“赤道面”意味着垂直于轮胎的旋转轴线并且穿过其胎面中心的平面；或者含有胎面周向中心线的平面。 
“织物”意味着基本上单向延伸的帘线的网织品，其可被扭绞，进而包括多个由高模量材料构成的众多长丝（也可被扭绞）。 
“纤维”为形成长丝的基本元素的天然或人造的物质单位。其特征为具有其直径或宽度的至少100倍的长度。 
“长丝支数”意味着构成纱线的长丝的数量。例如，1000旦聚酯纤维具有大约190根长丝。 
“包布”指的是缠绕胎圈钢丝的加强织物用于强度并将胎圈钢丝紧固在轮胎本体内。 
“印迹”意味着轮胎胎面在零速度及标准负载下，与平坦表面的接触面积。 
“规格尺寸（gauge）”通常指的是测量，具体指厚度测量。 
“粗糙度”意味着当轮胎通过较小但连续的道路凹凸不平时轮胎传递的扰动量。 
“高抗拉强度钢（HT）”意味着以0.20 mm的长丝直径具有至少3400 MPa的抗拉强度的碳钢。 
“迟滞”意味着当改变作用在体上的力时效果的延迟。 
“内部”意味着朝着轮胎的内侧，“外部”意味着朝着其外侧。 
“内衬”意味着形成无内胎轮胎的内表面的弹性体或其它材料的一个或多个层，其含有轮胎内的膨胀流体。 
“LASE”意味着在规定伸长下的载荷。 
“横向”意味着轴向方向。 
“捻距”意味着加捻的长丝或线束绕另一长丝或线束旋转360度而行进的距离。 
“兆抗拉强度钢（MT）”意味着以0.20 mm的长丝直径具有至少4500 MPa的抗拉强度的碳钢。 
“标准载荷”意味着由适当的标准组织为轮胎使用状况选定的规定设计充气压力和载荷。 
“标准抗拉强度钢（NT）”意味着以0.20 mm的长丝直径具有至少2800 MPa的抗拉强度的碳钢。 
“帘布层”意味着由涂覆有橡胶的径向配置或以其它方式平行布置的帘线构成的帘线加强层。 
“充气轮胎”意味着大体环面形状（通常为敞口圆环）的层压机械装置，其具有胎圈和胎面，并由橡胶、化学品、织物、钢和/或其它材料制成。当安装到车辆的车轮上时，充气轮胎通过其胎面提供牵引，并含有承受车辆载荷的流体。 
“径向的”和“径向地”用于表示在径向方向上朝着或远离轮胎的旋转轴线的方向。 
“子午线帘布层结构”意味着具有加强帘线的一个或多个胎体帘布层或至少一个帘布层，且所述加强帘线相对于轮胎的赤道面定向在65度与90度之间的角度。 
“子午线轮胎”意味着带束或周向地限制的充气轮胎，其中，至少一个帘布层具有以相对于轮胎赤道面在65度与90度之间的帘线角从胎圈延伸至胎圈的帘线。 
“轮辋”意味着用于轮胎或内外胎总成的支撑，轮胎紧固在其上。 
“断面高度”意味着在轮胎赤道面上从标称轮辋直径到轮胎外直径的径向距离。 
“断面宽度”意味着以标准压力对轮胎充气24小时之时或之后，但并未承载的情况下，平行于轮胎轴线且位于其侧壁的外部之间的最大线性距离，不包括由于标签、装饰或保护带而导致的侧壁升高造成的宽度。 
“侧壁”意味着轮胎在胎面与胎圈之间的部分。 
“弹簧刚度”意味着表示为载荷－挠度曲线的斜率的轮胎或弹簧的刚度。 
“超抗拉强度钢（ST）”意味着以0.20 mm的长丝直径具有至少3650 MPa的抗拉强度的碳钢。 
“韧度”为表示为无应变样品的每单位线性密度的力的应力（克/特克斯或克/旦）。用在纺织品中。 
“张力”为以力/截面积表示的应力。psi=12,800的强度乘以比重乘以克/旦尼尔为单位的韧度。 
“护趾胶”指的是轮胎的在各胎圈轴向内侧的周向配置的弹性轮辋接触部分。 
“胎面”意味着当粘合至轮胎外胎时，包括轮胎正常充气并在标准载荷下时轮胎与道路接触的那部分的模制橡胶组件。 
“胎面宽度”意味着胎面表面在包括轮胎旋转轴线的平面内的圆弧长度。 
“反包端”意味着胎体帘布层的从帘布层包绕的胎圈向上(即径向向外)翻折的部分。 
“超高抗拉强度钢（UT）”意味着以0.20 mm的长丝直径具有至少4000 MPa的抗拉强度的碳钢。 
“纱线”为用于纺织纤维或长丝的连续丝线的专业术语。纱线以下列几种形式出现：1）扭绞在一起的多根纤维；2）布置在一起没有扭绞的多根长丝；3）以一定程度的扭绞而布置在一起的多根长丝；4）有或没有扭绞的单根长丝（单丝）；5）有或没有扭绞的窄条材料。 
发明内容
根据本发明的复合材料包括形成嵌在聚合物中的结构的多个弹簧。每个弹簧都与至少一个其它弹簧交织，从而形成全覆聚合物结构。 
根据本发明的另一方面，每个弹簧都以相邻的弹簧横向地拉伸，使得每个弹簧的每圈的内部都与相邻弹簧的每圈的内部接合。 
根据本发明的另一方面，每个弹簧都以相邻的弹簧横向地压缩，使得每个弹簧的每圈的外部都与相邻弹簧的每圈的内部接合。 
根据本发明的另一方面，所述弹簧为椭圆形。 
根据本发明的另一方面，所述弹簧由选自下列组的材料构成：金属、塑料、聚氨基甲酸酯、橡胶和碳。 
根据本发明的另一方面，所述弹簧由标准抗拉强度钢构成，具有0.35”（英寸）的弹簧外径、0.055”的线（直）径和0.28”的节距。 
根据本发明的另一方面，所述复合材料的弯曲刚度比形成所述复合材料之前分别测量的所述弹簧的弯曲刚度和所述聚合物的弯曲刚度大。 
根据本发明的另一方面，所述复合材料形成绕着非充气轮胎的整个圆周延伸的环形胎体结构。 
根据本发明的另一方面，所述聚合物可为，例如，宾夕凡尼亚州伊斯顿的Polytek Development Corporation的Poly PT Flex 20、Poly PT Flex 60、Poly PT Flex 70、和/或Poly PT Flex 85。另一例子材料可为俄亥俄州阿文郡的Freeman Manufacturing & Supply Company的Repro 超轻快速铸塑的氨基甲酸乙酯。 
另外，根据本发明的用于构造非充气轮胎的方法包括如下步骤：滑动胎体帘布层结构与气胆接合；将胎体帘布层结构的第一圆形胎圈坐落在模具上；给气胆部分地充气，以形成膨胀的胎体帘布层结构；将弹性体注入所述模具；将胎体帘布层结构的第二圆形胎圈坐落在模具盖上；使用模具盖封闭模具，用以封装所述弹性体；给气胆完全充气，用以促进弹性体与胎体帘布层结构的接合；固化所述弹性体；以及取出现在限定了所述非充气轮胎的组合的胎体帘布层结构/弹性体。 
根据本发明的另一方面，所述胎体帘布层结构包括多个弹簧，每个弹簧都从所述第一圆形胎圈延伸到所述第二圆形胎圈。 
根据本发明的另一方面，每个弹簧都包括第一端部部分、第二端部部分、以及将所述第一端部部分与所述第二端部部分互相连接的弓形中间部分。 
根据本发明的再一方面，每个弹簧都与在所述弹簧第一侧上的相邻弹簧交织，进一步与在所述弹簧的相对的第二侧上的相邻弹簧交织，从而形成绕着所述非充气轮胎的整个圆周延伸的环面胎体帘布层结构。 
根据本发明的又一方面，所述弹性体为氨基甲酸乙酯。 
根据本发明的另一方面，所述方法还包括在所述封闭步骤之后重新定位所述独立的整装的模具/模具盖的步骤。 
另外，根据本发明的一种非充气轮胎包括多个可为螺旋形的弹簧。每个弹簧都包括第一端部部分、第二端部部分、以及弓形中间部分。每个弹簧都与至少另一个螺旋弹簧交织，从而形成绕着所述非充气轮胎的整个圆周延伸的环面结构。所述环面结构至少部分地覆有弹性体。 
根据本发明的另一方面，所述弹簧紧固至车轮的环形轮辋。 
根据本发明的再一方面，每个环形弹簧的第一和第二端部部分都紧固至所述环形轮辋。 
根据本发明的又一方面，所述环面结构限定了所述非充气轮胎的第一帘布层。 
根据本发明的另一方面，所述非充气轮胎使用上述方法来构造。 
根据本发明的另一方面，所述非充气轮胎还包括具有与多个弹簧的交织环面结构的第二环面结构。所述第二环面结构与所述第一环面结构重叠，并且可具有与所述第一环面结构的至少一个弹簧交织的至少一个弹簧。 
根据本发明的另一方面，所述第二环面结构至少部分地覆有所述弹性体。 
并且，根据本发明的构造非充气轮胎的一种系统，包括多个弹簧。每个弹簧都包括第一端部部分、第二端部部分、以及弓形中间部分。每个弹簧都与至少另一个弹簧交织，从而形成绕着所述非充气轮胎的整个圆周延伸的环面胎体帘布层结构。所述环面胎体帘布层结构至少部分地覆有固化粘结至所述环面胎体帘布层结构的弹性体。 
根据本发明的另一方面，所述环面胎体帘布层结构被带入与气胆接合。 
根据本发明的再一方面，所述环面胎体帘布层结构还包括用于在固化所述弹性体期间将所述环面胎体帘布层结构坐落在模具结构上的两个圆形胎圈。 
根据本发明的又一方面，所述弹性体包括用于在环境温度将所述弹性体化学地固化在所述环面胎体帘布层结构上的双组分聚氨酯。 
根据本发明的另一方面，所述固化弹性体形成用于产生所述非充气轮胎在各种接触表面上的牵引的胎面部分。 
根据本发明的另一方面，所述环面胎体帘布层结构形成沿所述非充气轮胎的周向方向和沿所述非充气轮胎的径向方向具有不同机械特性的各向异性结构。 
根据本发明的另一方面，所述系统还包括用于将所述弹性体固化至所述环面胎体帘布层结构的分段式模具。 
附图说明
结合附图，通过研究下面的描述可更加清楚本发明的结构、操作和优点，其中： 
图1示意性地示出了构造包括根据本发明的复合材料的非充气轮胎的例子的第一步骤。
图2示意性地示出了构造包括根据本发明的复合材料的非充气轮胎的例子的第二步骤。 
图3示意性地示出了构造包括根据本发明的复合材料的非充气轮胎的例子的第三步骤。 
图4示意性地示出了构造包括根据本发明的复合材料的非充气轮胎的例子的第四步骤。 
图5示意性地示出了构造包括根据本发明的复合材料的非充气轮胎的例子的第五步骤。 
图6示意性地示出了构造包括根据本发明的复合材料的非充气轮胎的例子的第六步骤。 
图7示意性地示出了构造包括根据本发明的复合材料的非充气轮胎的第七步骤。 
图8示意性地示出了构造包括根据本发明的复合材料的非充气轮胎的例子的第八步骤。 
图9示意性地示出了构造包括根据本发明的复合材料的非充气轮胎的例子的第九步骤。 
图10示意性地示出了构造包括根据本发明的复合材料的非充气轮胎的例子的第十步骤。 
图11表示传统金属丝网片材的示意图。 
图12表示用于与本发明的复合材料一起使用的一片交织螺旋弹簧。 
图13表示形成图12中片材的中间步骤。 
图14表示形成图12中片材的另一中间步骤。 
图15表示将两个片材（例如图12的片材）紧固在一起的步骤。 
图16表示用于与本发明的复合材料一起使用的螺旋弹簧例子。 
图17表示图16的螺旋弹簧处于挠曲状态。 
图18表示包括根据本发明的复合材料的轮胎与车轮总成的例子的示例图。 
图19表示通过图18中线19-19的断面。 
图20表示通过图19中线20-20的断面。 
图21表示本发明的复合材料制成的轮胎例子的示意性透视图。 
图22表示图21的轮胎的示意性正交视图。 
图23表示图21的轮胎的示意性断面图。 
图24表示示例的载荷/挠度曲线的示意图。 
图25表示另一个示例的载荷/挠度的示意图。 
图26表示又一个示例的载荷/挠度曲线的示意图。 
图27表示又一个示例的载荷/挠度曲线的示意图。 
具体实施方式
系统可包括构造用于车辆的非充气支撑的轮胎的方法500、用于支撑车辆的非充气轮胎100，或者两者。 
所述方法500可包括提供分段式圆柱形开口模具510、对应于所述模具的圆形模具盖520、和可充气/可膨胀气胆530。在第一构造步骤510中，开口圆柱形胎体帘布层，例如下面由弹簧310限定的胎体帘布层，可在气胆530上滑动或绕着气胆530下降。在第二步骤502中，第一圆形胎圈541装在模具510中相应的第一圆形槽（未示出）内。在第三步骤503中，气胆530被部分地充气以形成膨胀的帘布层。在第四步骤504中，弹性体550，例如聚氨酯，被注入模具510中。在第五步骤505中，模具盖520被下降到与模具510紧密接合，从而使第二圆形胎圈542装在模具盖中相应的第二圆形槽（未示出）内，并且轴向地压缩胎体帘布层的胎圈541、542，产生环面胎体结构。在第六步骤506中，气胆530进一步充气，从而进一步膨胀胎体帘布层，促进弹性体550环绕胎体帘布层的暴露表面的流动。在该第六步骤506期间，空气及过量弹性体550通过模具/模具盖中的单向止回阀（未示出）从模具510/模具盖520的内部排出。 
在第七步骤507中，气胆530被完全充气，从而将空气和过量弹性体550完全从模具510/模具盖520的内部排出。在该第七步骤507之后，可将模具/模具盖组件510、520重新布置在方便位置，这是因为该组件在该点是独立整装的。第八步骤508中，在充分固化时间之后，气胆530被放气，模具盖520被升起，脱离与模具510的接合，各模具段511彼此分离并与新固化的轮胎600分离。在第九步骤509中，轮胎600被从与气胆530的接合完全移开，并准备使用。 
在第五、第六、和第七步骤505-507期间，气胆530、模具510/模具盖520、及胎体帘布层的实际尺寸会确定胎体帘布层是否会被弹性体550（图23）完全装入，或者胎体帘布层的内表面是否形成轮胎600的内环面。换句话说，或者完全充气的气胆530直接接合胎体帘布层被胎圈541、542的轴向会聚所膨胀的内表面，从而形成具有内环面的轮胎600，所述内环面为胎体帘布层的内表面；或者完全充气的气胆无法达到胎体帘布层的内表面，从而允许弹性体流入该间隙，并形成被完全包围的胎体帘布层。 
例子轮胎300、600可包括交织或交错编织的多个螺旋弹簧（即，在载荷下弹性变形而几乎没有能量损失的螺旋线）。轮胎300、600可限定用于安装至车轮200的环面形结构。轮胎300、600可吻合轮胎接合的表面，以便于牵引，同时减轻传递至相应车辆的振动。螺旋弹簧支撑和/或分布车辆的负载。轮胎300、600可为充气的或不充气的。 
在车辆的重量下，轮胎300、600可被驱动、拖动或给车辆提供转向。轮胎300、600的螺旋弹簧可通过相对于彼此弯曲和移动而被动地吻合任何地形。螺旋弹簧的交织结构给轮胎300、600提供了稳定性，并且在轮胎旋转和接合变化地形时防止该结构塌缩。 
轮胎300、600的螺旋弹簧可在有限变形范围内是有弹性的，从而可使用类似于胎体帘布层的相对较刚性的框架来防止过大变形。弹簧的径向取向部分可用于将轮胎300、600连接到车轮200上。这些弹簧可以是交织的或交错编织的。以分布负荷为目的，其它弹簧可从径向到周向以任意的偏角与轮胎相结合。这些其它弹簧可为螺旋弹簧。另外，例如，这些其它弹簧可在轮胎300、600的径向外部部分绕着轮胎周向地延伸。 
可增加某类外覆层（即，胎面、弹性体550），以部分地或完全地保护螺旋弹簧不受冲击损害和/或改变轮胎漂移和产生牵引的能力。作为一个例子，可使用四个基本步骤来制造用于轮胎300、600的一个示例胎体帘布层结构：i）将螺旋弹簧扭绞在一起，以形成具有对应于期望轮胎周长的长度的矩形片；ii）将弹簧矩形片的端部交织，形成网状圆筒（图2）；iii）折叠网状圆筒的一端，并将其连接到车轮200的轮辋；和iv）将网状圆筒的另一端里面朝外地翻，并将其连接到车轮200的另一轴向相对的轮辋。 
例子轮胎300、600可用在地球、月球、火星和/或任意其它行星体上，这是因为它的元件在这些行星的大气和地形条件下能可靠地操作。轮胎300、600可独立地应用，或者结合进其它轮胎类型中作为局部或辅助载荷支撑/分布系统。然而，轮胎300、600不需要空气，操作在困难环境中，并且吻合所有地形。 
轮胎300、600提供了对阿波罗月球车的传统丝网的非充气轮胎的改进。由于螺旋弹簧的线材尺寸可被增大而功能改变相对很小，所以轮胎300、600提供了更高的承载能力。由于螺旋弹簧的线材应力在整个胎体帘布层状结构上分布得更加均匀，所以轮胎300、600提供了更长的循环寿命。另外，由于交织的螺旋弹簧网织品（像胎体帘布层）比卷曲的金属丝网从根本上强度更高，所以对于每单位的被支撑的车辆重量，轮胎300、600提供相对低的重量。另外，螺旋弹簧能够压缩和伸长，以适应制造的变化。最后，由于可在不同的轮胎位置和方向增加载荷分布弹簧来改变轮胎强度，所以轮胎300、600提供了改进的设计多用性。 
由于螺旋弹簧在变形期间几乎不消耗能量，所以与在胎体中使用摩擦或迟滞材料的轮胎相比，例子轮胎300、600还提供了相对较低的能量损失。示例轮胎300、600含有冗余载荷承载元件，即便在显著的损坏之后也能正常地操作。因此，对于低车辆能量消耗、造成严重危险的轮胎故障、行驶通过不平地形、暴露于极端温度或高水平辐射、和/或暴露于炮火或炸弹爆炸可利用示例轮胎300、600。 
如图11中所示，编织金属丝网已经被用于传统的月球车轮胎。然而，如上所述，期望更高的强度和耐用性。图12示出了可比金属丝网提供更高强度和耐用性的交织螺旋弹簧55的网状片50。图13、14和15示出了形成图12中所示网状片50的中间步骤。在图13中，第一螺旋弹簧55图示为正在旋转，从而将同一第一弹簧与第二螺旋弹簧55交织。在图14中，第三螺旋弹簧55图示为正在旋转，从而将第三弹簧与已经编织好的第一和第二弹簧55交织。在图15中，一个螺旋弹簧55图示为正在旋转，用于连接由多个螺旋弹簧55制成的两个网状片50（即，图12的网状片）。图16示出了用作上述图12-15中的一个螺旋弹簧55。图17示出了用在轮胎（例如轮胎300、600）中挠曲的一个螺旋弹簧55，如下所述。 
如图18-20中所示，例子总成100包括车轮200和轮胎300。车轮200在每个轴向侧都具有环形轮辋202，用于将轮胎300紧固到车轮上。每个轮辋202都相对于另一轮辋202固定。每个轮辋202可包括用于将轮胎300与轮辋对齐的多个插口孔204。可使用任意其它适当的装置来将轮胎300紧固到轮辋200上。 
例子轮胎300可包括以弓形结构从车轮200径向向远处延伸并径向延伸回车轮的多个螺旋弹簧310。每个弹簧310的每个端部315可以在车轮的相应轮辋202上紧固至车轮上。每个弹簧310都具有互连端部315的中间部分。每个端部315都可在轴向方位（图19）或在有角度的方位被紧固，每个弹簧310都从一个轮辋202轴向向外地延伸，然后远离车轮300，再折回自身，然后向内延伸，最后朝着另一轮辋202轴向地延伸。从而每个弹簧的每个端部315可与相同弹簧的另一端部315同轴地（或以一定角度）定向。 
另外，每个弹簧55可与相邻的弹簧55交织（图12），能够在弹簧之间分担载荷。如图12中所示，每个弹簧55都与在该弹簧的第一侧上的相邻弹簧55交织或交错编织，并进一步与在该弹簧的相反的第二侧上的相邻弹簧55交织。因此，弹簧310径向地和轴向地延伸，形成绕着轮胎300的整个圆周延伸的编织环面结构（图8-10），类似于充气轮胎的胎体帘布层。 
螺旋弹簧310可为任意适当的长度、规格、节距和形状（即，卵形弹簧、椭圆弹簧等）。螺旋弹簧310可改变线圈直径（即，可使用圆筒形弹簧），以在轮胎300中径向位置的整个范围产生连续网状织物（即，使胎圈处的线圈宽度变窄）。螺旋弹簧310还可构造为两个或多个层，一个或多个径向内部层被一个或多个径向外部层径向地重叠。另外，一个层的至少一个螺旋弹簧可与另一层的至少一个螺旋弹簧交织，用以有利地提高整体结构的强度。螺旋弹簧310可为Ti-N合金、钢、钛、聚合物、陶瓷或任意其它适当的材料。 
上述纯金属、非充气弹簧轮胎300已经开发用于空间应用。如图20中所示，该结构为一系列的交织弹簧。该结构良好地适于因温度变化（40 K到400 K）而不允许使用橡胶的空间应用。另外，弹簧轮胎300在土壤成分可为软砂的地方（例如月球）可获得卓越的牵引。 
然而，在地球上，路面的变化使得以上例子轮胎300的纯金属接触界面具有有限的应用。基于该有限商业应用，可增强示例轮胎300的交织结构以用于地球应用。 
为了在广泛变化的地球路面上获得牵引，可在全金属例子轮胎300上添加聚合物作为胎面。对于方法500的步骤504，一种选择是使用双组分聚氨酯，该双组分聚氨酯可被注入含有预装配的示例弹簧轮胎300的模具510中。一旦所述两个组分混合在一起，那么就会发生化学反应，在环境温度和压力固化该聚合物。一旦固化完成，就从模具取出产生的轮胎300，以备使用。 
在实验样品中，通过以1.5英寸的挠曲循环超过一百万次来测试下方表格1中每个尺寸的疲劳。基于预期载荷需求和地形规格，聚合物覆层轮胎典型地定位于全地形车辆（ATV）。如图21-23中所示，这种例子轮胎600确定为具有由图24所示的非充气轮胎600的载荷/挠度曲线示出的载荷/挠度特性。轮胎600的结构刚度显著地高于弹簧结构本身预计的刚度。使用的聚合物——氨基甲酸乙酯——本身不仅承受一部分弯曲载荷，而且以提高弹簧弯曲刚度的方式（例如，阻止旋转）来约束弹簧运动。 
表1 实验室样品的弹簧尺寸 
外直径 (mm) 6.985
内直径 (mm) 4.318
线丝直径 (mm) 1.397
弹簧节距 (mm) 6.620
如图21-23中所示，用于例子月球弹簧轮胎300的轮辋202可不与方法500一起使用。与用于标准充气轮胎的轮辋相类似的轮辋可与方法500一起使用，以制造例子轮胎600。仅作为例子，有三个选择：i）为特定车辆和维护应用而专门设计的定制轮辋；ii）用于轻型应用的标准轮辋（可商业上获得）；和iii）修改的标准轮辋（可商业上获得），以允许使用机械紧固件将轮胎胎圈固定到轮辋上（由于胎圈541、542无需具有与轮辋的气密接合）。 
因此，例子聚合物/弹簧轮胎600将其载荷支撑机构与月球弹簧轮胎300（即，交织弹簧胎体状结构）部分地共享。另外，包覆有聚合物的交织弹簧层变成各向异性层，沿着各轴线和横向于弹簧轴具有不同的特性。然而，与典型的纤维加强帘布层不同，由于每个弹簧的螺旋的宽度，加强弹簧310本身具有弯曲刚度，可大于加强长丝或纱线单独的弯曲刚度。 
该额外的弯曲刚度显著地有利于交织弹簧层的整体弯曲刚度。由于弯曲刚度支承加于示例弹簧帘布层轮胎300、600上的载荷，所以这与传统的充气轮胎相反，充气轮胎是在其上面部分的帘线（长丝或纱线）中远离印迹的张力中支撑载荷。其它传统非充气轮胎也通过该轮胎上面部分中的构件内的张力来支撑载荷。因此，根据本发明的弹簧/聚合物复合体的交织弹簧轮胎可产生与传统轮胎不同的底部承载结构。如图21-23所示，交织弹簧层的聚合物覆层可形成设计为用于牵引的胎面花纹601，同时弹簧层结构承载部分载荷。 
示例聚合物550可包括弹性材料，该弹性材料可具有从大约21 Kg/cm2到大约21000 Kg/cm2的杨氏模量E。其在300%的拉伸模量可为161 Kg/cm2或915.9 MPa。作为另一选择，大于140 Kg/cm2的杨氏模量可能需要聚氨酯与芳香族聚酰胺的短纤维的混合物。并且，可用硼与聚氨酯混合。 
如上所述，径向弹簧310的胎体帘布层结构300在示例非充气轮胎300或600中产生了卓越的承载性能。因此，该胎体帘布层结构300增强了示例非充气轮胎300或600的性能。虽然是非充气的，但是胎体帘布层结构300与传统充气轮胎胎体帘布层的相似性产生了启发性的比较。 
充气轮胎的结构和行为的复杂性使得还没有提出完整的和满意的理论。Temple，Mechanics of Pneumatic Tires(2005)。尽管在充气轮胎力学中可容易地知道经典复合材料理论的基础原理，但是充气轮胎（及示例非充气轮胎300、600）的众多结构部件带来的额外复杂性轻易地使预测轮胎性能的问题复杂化。Mayni，Composite Effects on Tire Mechanics(2005)。另外，由于聚合物和橡胶（及弹性体）的非线性的时间、频率和温度行为，充气轮胎的分析设计是当今行业内最富有挑战性和未得到正确评价的工程挑战之一。Mayni。 
充气轮胎（及示例非充气轮胎300、600）具有特定的基本结构元件。美国交通部，Mechanics of Pneumatic Tires，第207-208页（1981）。一种重要的结构元件为胎体帘布层，通常由许多柔性的高模量帘线嵌在并粘结至低模量聚合材料（通常为天然或人造橡胶）的基料而制成，所述帘线可为天然纺织品、人造聚合物、玻璃纤维、或细硬拉制钢。同上，在207至208页。根据本发明的示例非充气轮胎300、600具有径向弹簧310构成的胎体帘布层结构300。 
柔性高模量帘线通常布置为单个层。同上，在208页。整个行业的轮胎制造商在充气轮胎中胎体帘布层帘线的不同缠绕对噪声特性、操纵性、耐用性和舒适性等的影响上无法意见一致或不能预测该影响，Mechanics of Pneumatic Tires，80-85页。交织螺旋弹簧对噪声特性、操纵性、耐用性、舒适性等的影响的预测更是几乎不可能。 
这些复杂性可通过轮胎性能与轮胎组件之间相互关系的下面表格来说明。 
  衬里 胎体帘布层 三角胶芯 带束层 覆层 胎面 模具
               
胎面磨损       X   X X
噪声   X X X X X X
操纵性   X X X X X X
牵引           X X
耐用性 X X X X X X X
滚动阻力 X   X X   X X
乘坐舒适性 X X X     X  
高速   X X X X X X
保气性 X            
质量 X X X X X X X
如表中所示，胎体帘布层帘线特性影响充气轮胎的其它组件（即，胎体帘布层影响三角胶芯、带束层、覆层等），导致许多组件以这样的方式相互关联和相互作用，从而影响一组功能特性（噪声、操纵性、耐用性、舒适性、高速和质量），导致完全地不可预测的和复杂的复合物。因此，即使改变一个组件也会导致多达上面十个功能特性的直接改善或降级，以及改变该一个组件与多达六个其它结构组件之间的相互作用。从而，这六个相互作用中的每一个可能间接地改善或降级那十个功能特性。不经过发明人进行的实验和测试肯定将无法预测在示例性非充气轮胎300、600中这些功能特性的每个是否被改善、降级或不受影响，以及被改善或降级了多少量。 
因此，例如，当意图改进非充气轮胎的一个功能特性而修改示例非充气轮胎300、600的胎体帘布层结构300的结构（即，弹簧刚度、弹簧直径、弹簧材料等）时，许多其它功能特性会令人不满地降级。另外，胎体帘布层结构300与固化弹性体550之间的相互作用也会令人不满地影响非充气轮胎的功能特性。因为这些复杂的相互关系，胎体帘布层结构300的修改可能甚至不会改善这一个功能特性。 
因此，如上所述，所述多个组件之间相互关系的复杂性使得从无穷多个可能结果中不可能预测或预知对根据本发明系统的非充气轮胎的胎体帘布层结构的修改的实际结果。只有通过大量的实验，才会揭示出本发明系统的胎体帘布层300和弹性体550作为用于非充气轮胎的优异的、出乎意料的且不可预测的选择。 
部分地如上所述，根据本发明的复合材料可包括嵌在聚合物内的一系列交织弹簧。这种复合材料的机械特性产生大于弹簧与聚合物的强度的仅仅单纯的叠加或相加（不仅仅是单纯的组合或聚合）。 
另外，复合材料的特性可容易地调节。通过对材料、节距、长丝直径及弹簧的直径的改变可调节弯曲刚度。通过对弹簧和/或聚合物材料的改变可调节重量。还可通过对弹簧和/或聚合物材料的改变调节阻尼和各种损耗。 
复合材料的弹簧可为椭圆形或其它螺旋形，以符合空间限制。另外，所述弹簧可为多种不同材料，例如金属、塑料、聚氨酯、橡胶和碳（如上所述）。由于弹簧与固化聚合物的机械联锁提供了适当的紧固机构，所以所述弹簧不需要被涂层或处理来产生与聚合物母体的粘附。 
弹簧的“自由密度”可被（a）紧紧地横向压缩或（b）紧紧地横向拉伸。因此，对于情形（a），每个弹簧都以相邻的弹簧被横向压缩，使得每个弹簧的每圈的外部与相邻弹簧的每圈的内部接合。对于情形（b），每个弹簧以相邻的弹簧被横向地拉伸，使得每个弹簧的每圈的内部与相邻弹簧的各圈的内部接合。 
在情形（a）中，一个弹簧与其相邻弹簧之间的距离大致为弹簧长丝直径。在情形（b）中，所述距离大致为簧圈直径减去长丝直径。例如，上面的例子轮胎300、600在高刚度的胎圈区域具有横向压缩弹簧（情形（a）），过渡至胎冠中的横向拉伸弹簧（情形（b））以产生低刚度（图20），这是用于阻碍物包裹和消除轮胎外径随着速度或负载的增长所需的。 
例如，例子ATV轮胎600的测量的垂直刚度为1590 lb/in。相对照，例子月球轮胎300具有在梁－弹簧布置中构造的大致多出30%的弹簧，具有589 lb/in的刚度。在聚合物中嵌入弹簧的例子轮胎600的270%的更高垂直刚度不能仅归功于聚合物单独的添加，而是要归功于弹簧与聚合物的组合-网锁效应（mesh locking effect）。 
另一例子弹簧可由干净的且未涂覆的标准抗拉强度（NT）钢构成，其具有0.35”的弹簧OD、线直径0.055”、节距0.28”，且弹簧置于横向拉伸。聚合物可为高硬度（80-90）氨基甲酸乙酯（例如Repro Urethanes的“Repro 83”，宾夕凡尼亚州伊斯顿的Polytek Development Corporation的Poly PT Flex 20、Poly PT Flex 60、Poly PT Flex 70、Poly PT Flex 80和/或Poly PT Flex 85）和/或可塑弹性体（例如，俄亥俄州阿文郡的Freeman Manufacturing & Supply Company的Fast-Cast Urethane）。根据本发明的复合材料可示范地用作非充气轮胎材料或泄气保用结构材料，例如充气轮胎中的嵌入物。所述复合材料还可提高任何结构的耐刺穿性和/或结构刚度。 
传统的复合材料通常依赖于弹性体基体中增强纤维或帘线的嵌入。所述纤维/帘线通常为圆柱形，具有长度（l）和直径（d）。这种纤维/帘线可为长型（l>>d）或短型（l>d），但是相对于聚合物母体通常具有高拉伸刚度。但是，由于这种纤维/帘线的低惯性面积矩(I=Pi*d^4/64)和小直径，其弯曲刚度通常较低。然而，由于在传统材料根据纤维/帘线相对于弯曲中性轴线的位置而弯曲一定量时，所述纤维/帘线通过拉伸和压缩来承载，所以传统的材料可获得高弯曲刚度。 
与传统材料相比，本发明的复合材料从弹簧网状物本身的弯曲刚度、聚合物的弯曲刚度、以及弹簧与其它弹簧和聚合物之间的相对运动的机械限制（网锁效应）得到弯曲刚度。因此，网锁效应会引起复合材料的弯曲刚度大于弹簧网状物的弯曲高度加上聚合物的弯曲刚度（即，在图25的弹簧/橡胶复合物的示例图表中高9%）。因此，弹簧网和聚合物不仅仅是强度的并列组合或总合（即，大过强度的并列组合或总合）。 
此外，因为纤维/帘线与弹性体之间有很少或没有物理互锁，所以增强材料与弹性体之间的粘合是关键。因此，如果标准纤维/帘线与弹性体“脱离粘结”，那么在纤维/帘线丧失对复合材料机械强度（即，弯曲刚度）的所有贡献的地方会发生类似于插口的机构。在根据本发明的复合材料中，机械互锁是聚合物中固定增强弹簧和有助于复合材料的结构特性的重要机构。 
图26的例子图表示出了高出弹簧和聚合物Poly PT Flex 60的刚度的简单相加之上的20.1%的提高。 
图27的例子图表示出了高出弹簧和聚合物Poly PT Flex 70的刚度的简单相加的32.5%的提高。 
在前面的描述中，为便于简洁、清楚和理解使用了某些术语；但是因为这类术语用于描述性目的并且意欲被广泛地解释，所以从这些术语没有暗示超过现有技术要求的不必要限制。此外，本发明的描述和图示是示例的，本发明的范围不限于所示或所述的确切细节。 
现已描述了本发明的特征、发现和原理、本发明构造和使用的方式、该构造的特征、以及获得的优点、新型及有用结果，因此，新型有用结构、装置、元件、布置、零件及组合的范围在所附权利要求中被阐述。 

Claims (9)

1.一种复合材料，其特征在于，包括形成嵌在聚合物内的结构的多个弹簧，每个弹簧都与至少一个其它弹簧交织在一起，从而形成全覆聚合物结构。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，每个弹簧都与相邻的弹簧横向地拉伸，使得每个弹簧的各簧圈的内部与相邻弹簧的各簧圈的内部接合。
3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，每个弹簧都与相邻的弹簧横向地压缩，使得每个弹簧的各簧圈的外部与相邻弹簧的各簧圈的内部接合。
4.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述弹簧为椭圆形。
5.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述弹簧由选自下列组的一种材料构成：金属、塑料、聚氨基甲酸酯、橡胶和碳。
6.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述弹簧由标准抗拉强度钢构成，具有0.35”的弹簧外侧直径、0.055”的线直径和0.28”的节距。
7.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料的弯曲刚度比形成所述复合材料之前分别测量的所述弹簧的弯曲刚度和所述聚合物的弯曲刚度大。
8.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料形成绕着非充气轮胎的整个圆周延伸的环形胎体结构。
9.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述聚合物为可塑弹性体。
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