发明内容
本发明的目的和优点将部分地在以下描述中进行阐述,或者可以从该描述变得明显,或者可以通过本发明的实施而获悉。在本发明的一个示例性方面中,提供了一种用于改善轮胎的牵引性能的方法,所述轮胎限定径向方向和轴向方向。所述方法包括以下步骤:提供具有内部分和外部分的胎面特征,其中所述内部分由限定刀槽花纹产生;将操作负荷施加于所述胎面特征;确定在所述操作负荷下所述内部分相对所述外部分沿着所述径向方向的径向变形的差异;如果所述内部分和所述外部分之间的径向变形的差异不等于或大于0.1mm,则修改所述胎面特征的所述内部分、所述外部分或两者的构造;以及重复所述施加、确定和修改的步骤中的一个或多个直到在操作负荷期间所述内部分和所述外部分之间的径向变形的差异等于或大于0.1mm。
该示例性方法可以包括其它步骤或修改。例如,所述方法也可以包括以下步骤:在使所述胎面特征的所述外部分重复地受到径向变形时操作所述轮胎,所述径向变形比所述胎面特征的所述内部分的径向变形至少大0.1mm。备选地,所述方法也可以包括以下步骤:在使所述胎面特征的所述内部分重复地受到径向变形时操作所述轮胎,所述径向变形比所述胎面特征的所述外部分的径向变形至少大0.1mm。所述限定刀槽花纹可以具有预定半径的管状形状,并且所述管状形状可以具有沿着所述轮胎的所述径向方向延伸的长度。
所述方法也可以包括以下步骤:提供连接刀槽花纹,所述连接刀槽花纹从所述胎面特征的单个外缘延伸通过所述外部分并且连接到所述限定刀槽花纹。所述连接刀槽花纹可以沿着所述轮胎的所述轴向方向延伸。对于一些示例性实施例,所述限定刀槽花纹的所述预定半径可以大于或等于大约1.5mm和/或所述限定刀槽花纹可以具有大约0.2mm的宽度。所述限定刀槽花纹可以包括沿着所述轮胎的所述径向方向的波动。所述轮胎可以被构造成使得所述胎面特征的任何外缘和所述限定刀槽花纹之间的距离大于或等于大约3mm。
根据本发明的该示例性方法,所述提供步骤可以包括模拟胎面特征,并且所述施加步骤可以包括模拟将操作负荷施加到所述胎面特征。所述确定步骤例如可以包括将有限元分析应用于来自所述提供步骤的所述模拟胎面特征。修改构造的所述步骤可以包括改变所述胎面特征的所述内部分、所述外部分或两者的物理尺寸。备选地或附加地,修改构造的所述步骤可以包括改变所述胎面特征的所述内部分、所述外部分或两者的物理性质。备选地或附加地,修改构造的所述步骤可以包括改变用于所述胎面特征的所述内部分、所述外部分或两者的材料的组分。
在另一个示例性方面中,本发明提供了一种具有改善的牵引性能的轮胎,所述轮胎限定轴向方向和径向方向。所述轮胎的该示例性实施例包括至少一个胎面特征,所述胎面特征具有由限定刀槽花纹产生的内部分和外部分,其中所述内部分和所述外部分被构造成使得当所述轮胎受到操作负荷时所述内部分和所述外部分的径向变形的差异大于或等于大约0.1mm。所述限定刀槽花纹可以包括由所述胎面特征的所述内部分和所述外部分限定的管,所述管具有不小于大约0.2mm的宽度,并且所述管具有不小于大约1.5mm的预定半径。所述胎面特征还可以包括连接刀槽花纹,所述连接刀槽花纹沿着所述轴向方向从所述胎面特征的单个外缘延伸到所述限定刀槽花纹。所述限定刀槽花纹可以包括沿着所述轮胎的所述径向方向的波动。
参考以下描述和附带的权利要求,本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。包含在该说明书中并且构成该说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例,并且与描述一起用于解释本发明的原理。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例,所述实施例的一个或多个例子在附图中示出。每个例子作为本发明的解释而不是作为本发明的限制而被提供。实际上,本领域的技术人员将显而易见可以在本发明中进行修改和变化而不脱离本发明的范围或精神。例如,作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施例以产生又一个实施例。因此,本发明旨在涵盖属于附带的权利要求及其等效形式的范围内的这样的修改和变型。
图2示出了根据本发明构造的胎面特征(即,胎面花纹块150)的示例性实施例。胎面花纹块150包括咬缘155和160。除此之外,胎面花纹块150包括限定刀槽花纹165,即,将胎面花纹块150限定为内部分170和外部分175的刀槽花纹165。因而,刀槽花纹165产生由表面180和185产生的附加咬缘并且由此改善雪地牵引。另外,相比于图1B的胎面花纹块100,胎面花纹块150由于刀槽花纹165而具有增加的胎面花纹块刚度,和因此改善的公路耐磨性能。相比于图1C的胎面花纹块100,胎面花纹块150减小了应力集中,并且因此减小了在越野状况(例如沙砾)下胎面磨损的可能性。
另外,本发明人已发现使用胎面花纹块150的轮胎的雪地牵引性能可以大大得到改善而不损害公路和越野性能。如本文中将更完整地所述,通过精心地设计诸如胎面花纹块150的胎面特征使得在操作负荷下内和外部分170和175将沿着径向方向变形不同的量而获得这样的改善性能。更具体地,本发明人已确定通过将内和外部分170和175构造成使得这样的部分之间的至少大约0.1mm的径向变形的差异在操作期间发生而获得改善的雪地牵引。本发明人也已发现将这样的胎面特征构造成保证至少0.1mm的径向变形的差异在操作期间发生的方法。
图3A是沿着y轴线(即,横向方向)获得的胎面花纹块150的横截面图。胎面花纹块150在一侧连接到带200并且接触行驶表面195上的雪190。刀槽花纹165将胎面花纹块150分成外部分175和内部分170。在图3A中,胎面特征150被显示成未施加任何负荷。
图3B显示了由箭头L表示的操作负荷下的胎面花纹块150。在该状态下,负荷L向下推动带200,同时压缩雪190对外和内部分175和170的接触表面205和210向上施加相等且相反的力。通过适当地确定胎面花纹块150的这样的部分的尺寸,外部分175将受到与内部分170不同的量的径向变形(即,沿着z轴的变形)。出于图示目的,变形的该差异在图3B中放大并且以虚线显示。本发明人已确定内和外部分170和175应当被构造成使得至少大约0.1mm的变形的差异在操作期间发生以便改善牵引性能。
如图3B中所示,外部分175比内部分170沿着径向方向变形更大。在这样的情况下,内部分170用于穿透到雪190中的防滑钉并且提供更大的牵引。胎面花纹块150也可以被设计成使得内部分170将比外部分175变形更大,从而产生表面210处的凹陷。在该构造中,在轮胎旋转时当胎面花纹块150离地时,如果适当地确定尺寸,内部分170将用作清除器,即,排出填塞在刀槽花纹165和表面210处的凹陷中的雪。
再次地,胎面花纹块150应当被构造成使得至少大约0.1mm的径向变形的差异在操作期间发生。如上所述,所需的径向变形的差异可以通过胎面花纹块150的刀槽花纹165、内部分170和外部分175的尺寸的精心设计获得。通过例子和本发明的进一步描述,现在将描述通过模拟用有限元分析设计胎面花纹块150的过程。使用本文中公开的教导,本领域的技术人员将理解本发明不仅应用于胎面花纹块,而且也应用于其它胎面特征,例如胎面肋。
图4显示了用于有限元分析的胎面花纹块150的模拟模型的三维图。内部分170具有半径215。刀槽花纹165由刀槽花纹宽度220和刀槽花纹深度225限定。胎面花纹块150具有沿着径向或z方向的深度230,沿着行驶方向或x方向的宽度235,和沿着轴向或y方向的横向宽度240。
刀槽花纹165为管状,如图4中所示。然而,可以使用刀槽花纹165的其它形状。作为例子,刀槽花纹165也可以被成形为星形、十字形、圆形、椭圆形和其它形状。另外,刀槽花纹165沿着径向或z方向的形状也可以在直、弯曲和波状壁之间变化使得刀槽花纹165的三维构造产生圆锥形、圆柱形、挡板形、华夫饼形和各种其它形状。
为了模拟操作状况,将五个0.05daN/mm2(5巴)的标称压力施加于胎面花纹块150的胎面表面(表面205和210),并且限制胎面花纹块沿着与带200连接的表面进行任何位移(图3A和3B)。选择百分之十的应变下5.47Mpa的胎面花纹块橡胶的模量。另外,胎面花纹块150被模拟成具有在x和y两个方向上的28mm的宽度235和240、0.4mm的刀槽花纹宽度220、8mm的刀槽花纹深度225和13mm的胎面花纹块深度230。使用有限元分析,具有各种刀槽花纹半径215的内和外部分170和175的径向变形被确定并且结果在表1中显示。
表1
具有不同刀槽花纹半径的胎面花纹块表面的位移
(花纹块深度=13mm,花纹块宽度=28mm,刀槽花纹间隙=0.2mm,刀槽花纹深度=8mm,模量=5.47MPa)
如表1中所示,当刀槽花纹半径215增加时,对于指定负荷外部分175的变形也增加,而内部分170的变形减小。然而,以预料不到的方式,也应当注意当刀槽花纹半径215增加时内和外部分170和175之间的径向变形的差异减小并且然后增加。因此,对于表1中所模拟的胎面花纹块,4mm至6mm之间的刀槽花纹半径不提供径向变形的足够差异(至少大约0.1mm)以明显地改善雪地牵引。因此,本发明人发现并非具有内和外部分的每个胎面特征将受到改善雪地牵引的径向变形,而是相反地,必须如本文中所述具体地设计以受到期望量的径向变形,即,至少大约0.1mm。
表1的结果也指示对于胎面花纹块150的该特定配置,当刀槽花纹半径215小于或等于2mm时,内部分170比外部分175沿着径向或z方向变形更大,并且因此用作清除器。当刀槽花纹半径215大于或等于6mm时,内部分170比外部分175沿着径向或z方向变形更小,并且因此用作防滑钉。
当在本文中使用时,内和外胎面花纹块170和175之间的大约0.1mm变形差异用于限定清除器或防滑钉。更具体地,当外部分175比内部分170沿着径向方向变形大0.1mm时由胎面花纹块150产生防滑钉,并且当内部分170比外部分175沿着径向方向变形大0.1mm时产生清除器。增加内和外部分170和175之间的变形差异导致雪地牵引的改善。
对于越野性能,应力集中应当被最小化以减小磨损。因而,大体上刀槽花纹半径215不应当小于大约1.5mm并且刀槽花纹165和外缘245和250之间的距离应当大于3mm。所以,对于类似于图4中的具有如表1中使用的尺寸的胎面花纹块,刀槽花纹半径215应当属于以下两个范围中的一个内:
范围1:1.5mm≤刀槽花纹半径215≤2mm
范围2:6mm≤刀槽花纹半径215≤9.5mm。
相比于图1B中所示的设计,这两个范围将获得改善的雪地牵引而不会损害越野耐裂或公路耐磨。然而,范围2将提供更好的雪地牵引,原因是该范围将提供更大量的咬缘。然而,范围2的公路耐磨可能没有范围1那么好,原因是由范围2产生的胎面花纹块150的刚度将小于范围1。因此,范围1和范围2为不同应用提供选择,范围2更适合于旨在更多地用于雪地或冬季使用的轮胎。
刀槽花纹165的深度225也是影响刀槽花纹半径215的设计的重要参数。表2呈现了对于11mm的刀槽花纹深度225的模拟结果,所有其它参数与在表1的模拟中使用的那些参数相同。
表2
具有不同刀槽花纹半径的胎面花纹块表面的位移
(花纹块深度=13mm,花纹块宽度=28mm,刀槽花纹间隙=0.2mm,刀槽花纹深度=11mm,模量=5.47MPa)
相比于表1,外部分175的变形仍然随着刀槽花纹半径215的增加而增加,而内部分170的变形减小。然而,以预料不到的方式,表2的胎面花纹块的根据刀槽花纹半径215的内和外部分之间的径向变形的差异不同于表1的胎面花纹块。例如图5显示了增加的刀槽花纹深度225改变刀槽花纹半径215的增加影响内和外部分170和175之间的径向变形的差异的程度。
使用先前所述的设计方针,表2和图5显示了对于具有11mm的深度的刀槽花纹,刀槽花纹半径215的设计应当符合以下两个范围中的一个:
范围1:1.5mm≤刀槽花纹半径215≤3.5mm
范围2:7.5mm≤刀槽花纹半径215≤9.5mm。
对于表1和2的例子,模拟0.2mm的刀槽花纹宽度220。表3呈现了当模拟0.4mm的刀槽花纹宽度220时的结果。
表3
具有不同刀槽花纹半径的胎面花纹块表面的位移
(花纹块深度=13mm,花纹块宽度=28mm,刀槽花纹间隙=0.4mm,刀槽花纹深度=8mm,模量=5.47MPa)
图6提供了图3的模拟结果的绘图,所述绘图证明了当刀槽花纹宽度220改变时的差异。图6指示对于0.4mm的刀槽花纹宽度220,刀槽花纹半径215不应当在3mm至5mm之间,原因是径向变形的差异不至少为大约0.1mm。否则,半径应当大于1.5mm并且刀槽花纹和胎面花纹块外缘250之间的距离应当大于3mm以避免越野耐裂降低。使用先前所述的设计方针,表3和图6显示了对于该胎面花纹块150,刀槽花纹半径215的设计应当属于以下两个范围中的一个内:
范围1:1.5mm≤刀槽花纹半径215≤3mm
范围2:5mm≤刀槽花纹半径215≤9.5mm。
也确定花纹块宽度235和240也影响刀槽花纹165和内和外部分170和175的设计。表4呈现了当花纹块宽度235和240为20mm时的结果,而先前的表用于28mm的花纹块宽度。
表4
具有不同刀槽花纹半径的胎面花纹块表面的位移
(花纹块深度=13mm,花纹块宽度=20mm,刀槽花纹间隙=0.4mm,刀槽花纹深度=8mm,模量=5.47MPa)
图7显示了比较不同胎面花纹块宽度的结果的绘图,其中胎面花纹块150在形状上为方形使得对于每个模拟宽度20mm和28mm,宽度235和240是相同的。如表4和图7中的结果所示,花纹块宽度235和240影响胎面花纹块150的设计。更具体地,对于具有20×20×13mm的尺寸的胎面花纹块150,刀槽花纹半径215应当大于3mm。如先前所述,刀槽花纹165和花纹块外缘245之间的距离应当大于3mm。因此,本发明的方法揭示了对于该类型的胎面花纹块仅仅存在防滑钉方案,使得刀槽花纹半径215的可接受半径的范围为:
范围1:3mm≤刀槽花纹半径215≤7mm。
使用本文中公开的教导,本领域的技术人员将理解可以使用本发明应用和调节其它变量以便获得期望量的径向变形(即,至少大约0.1mm)。例如,用于花纹块150的构造材料可以改变以便选择不同花纹块材料模量,这又将导致例如刀槽花纹半径215的变化。另外,不同材料也可以用于内和外部分170和175以便获得径向变形的期望差异。无关地,在每种情况下胎面花纹块150可以使用例如有限元分析进行模拟,从而确定所需的刀槽花纹半径和/或花纹块150的其它参数以便获得至少0.1mm的内和外部分170和175之间的径向变形差异。
胎面花纹块150的进一步改进也可以通过加入线性刀槽花纹242获得,如图8中所示。线性刀槽花纹242的加入可以通过提供离开通道导致胎面噪声的改善,空气可以通过所述离开通道排出,否则将被俘获在刀槽花纹165中。线性刀槽花纹242也将通过提供附加的咬缘而进一步改善雪地牵引。提供内和外部分170和175之间的径向变形的所需差异的构造可以由本发明的方法确定,如先前在本文中所述。
为了进一步测试和证明如先前所述构造的胎面特征的有效性,比较如图9和10中所示的两个胎面图案。图9的胎面500包含线性刀槽花纹,如先前关于图1B所述。图10的胎面600包含胎面特征605、610和615,所述胎面特征具有类似于先前关于胎面花纹块150所述的管状刀槽花纹。胎面特征605用作清除器,而特征610和615用作防滑钉。应当注意除了胎面600的管状刀槽花纹以外,胎面500和胎面600具有相同量的咬缘。具有这些胎面特征的轮胎的测试的归一化结果在表5中显示:
表5
现场测试的结果
现场测试 |
正常设计(图9) |
管状刀槽花纹(图10) |
雪地牵引 |
100 |
104 |
越野耐裂 |
100 |
107 |
公路耐磨 |
100 |
107 |
测试证明尽管胎面600具有至少与胎面500相同量的咬缘,但是胎面600中的管状刀槽花纹设计输送改善的雪地牵引,这是由于这些刀槽花纹用作清除器和防滑钉的作用,如先前所述。另外,公路耐磨和越野耐裂的性能也由于花纹块刚度增加而改善。
尽管关于其具体的示例性实施例和方法详细地描述了本主题,但是将领会当获得前述内容的理解时,本领域的技术人员可以容易地产生这样的实施例的变化、变型和等效形式。因此,本发明的范围是作为例子而不是作为限制,并且本发明不排除包括对本主题的这样的修改、变型和/或增加,这是本领域的普通技术人员显而易见的。