CN102821979A - 充气轮胎 - Google Patents

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Abstract

一种充气轮胎(1)，其包含圆筒形状的环状结构体(10)，朝向环状结构体(10)的周向设在环状结构体(10)的外侧(10so)而成为胎面部的橡胶层(11)，以及具有由橡胶覆盖的纤维、设在包含环状结构体(10)和橡胶层(11)的圆筒形状的结构体(2)的与中心轴(Y轴)平行的方向上的两侧(2S)的帘布层(12)，在结构体(2)的子午剖面上，橡胶层(11)的外侧(11so)和环状结构体(10)的外侧(10so)形状相同。

Description

充气轮胎
技术领域
本发明涉及一种充气轮胎。
背景技术
通过降低充气轮胎的滚动阻力，可有效地改善汽车的耗油量。已知有一些将含有二氧化硅的橡胶应用于胎面以降低轮胎的滚动阻力的技术。
现有技术文献
非专利文献
【非专利文献1】土井昭政，《轮胎技术的最新动向》，日本橡胶协会杂志，1998年9月，第71卷第588-594页
发明内容
发明拟解决的问题
虽然非专利文献1中所述的降低充气轮胎的滚动阻力的方法是对材料加以改良，但是通过变更充气轮胎的结构也能够降低滚动阻力。本发明鉴于上述问题而开发完成，其目的在于提供一种降低充气轮胎的滚动阻力的结构。
发明内容
为解决上述课题，本发明提供一种充气轮胎，其特征在于，包含圆筒形状的环状结构体，朝向所述环状结构体的周向设在所述环状结构体的外侧而成为胎面部的橡胶层，以及具有由橡胶覆盖的纤维、设在包含所述环状结构体和所述橡胶层的圆筒形状结构体的与中心轴平行的方向上的两侧上的帘布层部，在所述结构体的子午剖面上，所述橡胶层的外侧和所述环状结构体的外侧形状相同。
在上述方法中，优选所述橡胶层的外侧和所述环状结构体的外侧与所述中心轴平行。
在上述方法中，优选将所述环状结构体配置在比所述帘布层部更靠所述结构体的径向内侧。
在上述方法中，所述环状结构体优选为金属。
在上述方法中，优选与所述中心轴平行的方向上的所述环状结构体的尺寸是与所述中心轴平行的方向上的所述橡胶层的尺寸的50％以上120％以下。
在上述方法中，优选所述环状结构体的外侧和所述橡胶层的外侧之间的距离为3mm以上20mm以下。
发明的效果
本发明能够提供一种可降低充气轮胎的滚动阻力的结构。
附图说明
图1是本实施例的轮胎的立体图。
图2-1是本实施例的轮胎的分解图。
图2-2是本实施例的轮胎的分解图。
图2-3是本实施例的轮胎的分解图。
图3是本实施例的轮胎的子午剖面图。
图4是本实施例的轮胎具有的帘布层的放大图。
图5是环状结构体和橡胶层的子午剖面图。
图6是表示在子午剖面上的橡胶层以及环状结构体的形状的图。
图7-1是表示本实施例的变型的轮胎的子午剖面图。
图7-2是表示本实施例的变型的轮胎的子午剖面图。
图7-3是表示本实施例的变型的轮胎的子午剖面图。
图8是表示评估结果的图。
图9-1是表示本评估中的评估对象的接地面形状的平面图。
图9-2是表示本评估中的评估对象的接地面形状的平面图。
图9-3是表示本评估中的评估对象的接地面形状的平面图。
具体实施方式
以下参照附图，详细说明具体实施方式(实施例)。本发明并不限于以下实施例中记载的内容。此外，在下述构成要素中，包含本行业普通技术人员容易推想的、实质上相同的内容。并且，以下记载的构成要素可适当加以组合。
如果为了降低充气轮胎(以下根据需要称为轮胎)的滚动阻力，将轮胎的偏心变形提高到极限，则轮胎和路面的接地面积将减小，接地压力将增加。其结果是，由胎面部的变形导致的黏弹性能量的损失将会增大，并且滚动阻力将会增加。本发明人等着眼于这一点，尝试通过确保轮胎和路面的接地面积并且维持偏心变形来降低滚动阻力并提高操纵稳定性。偏心变形是指轮胎的胎面环(指胎冠区域)的在保持圆形的状态下垂直位移的一阶模态的变形。为了确保轮胎和路面的接地面积并且维持偏心变形，本实施例的轮胎例如采用以下结构，即在由金属薄板制成的圆筒形状的环状结构体的外侧，朝向所述环状结构体的周向设橡胶层，并且将该橡胶层作为胎面部。
图1是本实施例的轮胎的立体图。图2-1至图2-3是本实施例的轮胎的分解图。图3是本实施例的轮胎的子午剖面图。图4是本实施例的轮胎具有的帘布层的放大图。如图1所示，轮胎1是环状结构体。从所述环状结构体的中心穿过的轴为轮胎1的中心轴(Y轴)。轮胎1在使用时，内部填充有空气。
轮胎1以中心轴(Y轴)为旋转轴进行旋转。Y轴是轮胎1的中心轴和旋转轴。将与轮胎1的中心轴(旋转轴)即Y轴正交，并且与轮胎1接地的路面平行的轴设为X轴，将与Y轴和X轴正交的轴设为Z轴。与Y轴平行的方向是轮胎1的宽度方向。从Y轴穿过，并且与Y轴正交的方向为轮胎1的径向。此外，以Y轴为中心的周向是充气轮胎1的周向(图1中箭头CR所示的方向)。
如图1、图2-1至图2-3以及图3所示，轮胎1包含圆筒形状的环状结构体10、橡胶层11、以及帘布层12。环状结构体10是圆筒形状的构件。橡胶层11朝向环状结构体10的周向设在环状结构体10的外侧10so而成为轮胎1的胎面部。如图4所示，帘布层部12具有被橡胶12R覆盖的纤维12F。并且，帘布层部12如图3所示，设在包含环状结构体10和橡胶层11的圆筒形状结构体2的与中心轴(Y轴)平行的方向上(即宽度方向)的两侧2S。并且，轮胎1在结构体2的子午剖面上，橡胶层11的外侧11so和环状结构体10的外侧10so形状相同。
环状结构体10在本实施例中用金属材料制造。作为能够用于环状结构体10的金属材料可列举碳钢、不锈钢、铝合金等，但并不限于这些金属材料。例如，也可以将CFRP(Carbone Fiber Reinforced Plastics，碳纤维增强塑料)和GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics，玻璃纤维增强塑料)等纤维增强塑料用于环状结构体10。环状结构体10的外侧10so和橡胶层11的内侧11si相互接触。本实施例中，环状结构体10与橡胶层11通过例如粘合剂进行固定。通过这种结构，能够在环状结构体10和橡胶层11之间进行力的传导。固定环状结构体10和橡胶层11的方法并不限于粘合剂。
橡胶层11含有合成橡胶或者天然橡胶或者将二者混合而成的橡胶材料、以及作为增强材料添加到该橡胶材料中的碳、SiO2等。如图2-1所示，橡胶层11是无端带状结构体。在本实施例中如图3所示，橡胶层11的子午剖面形状呈长方形。虽然橡胶层11的子午剖面形状并不限于长方形，但是优选橡胶层11的外侧11so与内侧11si(即环状结构体10的外侧10so)平行(包含公差、误差)。关于这一点将在下文说明。橡胶层11也可以在外侧11so上具有由多个槽形成的胎面花纹。
在将空气填充到轮胎1时，帘布层部12是与环状结构体10一同起到压力容器作用的强度构件。通过填充到内部的空气的内压，帘布层部12和环状结构体10支撑作用于轮胎1的负荷，承受轮胎1在行驶中受到的动态负荷。本实施例中，轮胎1的帘布层部12在内侧具有内衬层14。通过内衬层14，能够抑制填充到轮胎1的内部的空气的泄漏。两个帘布层部12在径向内侧分别具有胎圈部13。胎圈部13与安装轮胎1的车轮的轮辋嵌合。另外，帘布层部12也可以与车轮的轮辋机械结合。
图5是环状结构体10和橡胶层11的子午剖面图。环状结构体10的弹性率优选为70GPa以上250GPa以下。此外，环状结构体10的厚度tm优选为0.1mm以上，2.0mm以下。环状结构体10的厚度tm优选为根据环状结构体10的材料设定成适当的大小。环状结构体10的弹性率和厚度tm的积(称作刚性参数)优选为10以上500以下。
通过将刚性参数设为上述范围，能够增大环状结构体10的子午剖面内的刚性。因此，在将空气填充到轮胎1中时以及轮胎1与路面接地时，可以通过环状结构体10抑制成为胎面部的橡胶层11的子午剖面内的变形。其结果是，轮胎1能够抑制伴随所述变形而产生的黏弹性能量的损失。此外，通过将刚性参数设为上述范围，能够减小环状结构体10在径向上的刚性。因此，轮胎1与现有的充气轮胎一样，胎面部可在与路面的接地部柔软地变形。通过这种功能，轮胎1可在避免接地部的局部变形和应力集中的同时进行偏心变形，因此能够使接地部的变形分散。其结果是，轮胎1能够抑制接地部的橡胶层11的局部变形，因此能够确保接地面积并且降低滚动阻力。
并且，轮胎1由于在环状结构体10的子午剖面内的刚性大，并且\由于能够确保橡胶层11的接地面积因此能够确保周向上的接地长度，因此在输入舵角时产生的横向力量会变大。其结果是，轮胎1能够获得较大的拐弯能力。此外，在利用金属制造环状结构体10时，填充在轮胎1的内部的空气几乎不会穿透环状结构体10。其结果是，还具有容易管理轮胎1的气压的优点。因此，即使在轮胎1内长期没有填充空气而使用的状态下，也能够抑制轮胎1的空气压的降低。
环状结构体10的外侧10so和橡胶层11的外侧11so之间的距离tr(橡胶层11的厚度)优选为3mm以上20mm以下。由于将距离tr设定在这样的范围内，因此能够确保乘坐舒适度，并且抑制橡胶层11在拐弯时的过度变形。与环状结构体10的中心轴(Y轴)平行的方向即宽度方向上的环状结构体10的尺寸(环状结构体宽度)Wm优选为与中心轴(Y轴)平行的方向上的橡胶层11的尺寸(橡胶层宽度)Wr的50％(Wr×0.5)以上120％(Wr×1.2)以下。Wm小于Wr×0.5时，环状结构体10的子午剖面内的刚性会不足，因此轮胎宽度上维持偏心变形的区域会减少。其结果是，降低滚动阻力的效果和拐弯能力可能会下降。此外，如果Wm超过Wr×1.2，则可能导致在接地时，胎面部会使环状结构体10向中心轴(Y轴)方向压曲变形，从而导致环状结构体10变形。通过设成Wr×0.5≤Wm≤Wr×1.2，可降低滚动阻力并维持拐弯能力，进而还能够抑制环状结构体10的变形。
图6是表示在子午剖面上的橡胶层111以及环状结构体110的形状的图。如图6所示，在轮胎(充气轮胎)101的子午剖面上，橡胶层111的外侧111so在宽度方向中心部向径向外侧突出，而环状结构体110的外侧110so朝向宽度方向较平坦。如上所述，在轮胎101的子午剖面上，橡胶层111的外侧111so和环状结构体110的外侧110so的形状不同。更具体而言，在子午剖面上，环状结构体110的外侧110so在整个宽度方向上和旋转轴的距离保持为恒定，而橡胶层111的外侧111so随着从宽度方向外侧向宽度方向中心推移，逐渐向径向外侧突出。即，轮胎101的橡胶层111的厚度(径向上的尺寸)随着从宽度方向外侧向宽度方向中心推移逐渐变大。采用这种结构时，橡胶层111的外侧111so和环状结构体110的外侧110so之间的距离在宽度方向上会有所不同，因此在宽度方向上会产生刚性的分布。其结果是，轮胎101中成为胎面部的橡胶层111和环状结构体110的变形状态不同，从而导致在接地部会产生局部变形以及应力集中。并且，轮胎101在接地部橡胶层111可能发生局部变形。这种局部变形有可能会导致橡胶层111的黏弹性能量损失的增加，从而导致滚动阻力的增加。
从上述观点出发，轮胎1优选在如图3所示的结构体2的子午剖面上，橡胶层11的外侧11so和环状结构体10的外侧10so形状相同。通过这种结构，在轮胎1接地时和转动时，构成胎面部的橡胶层11和环状结构体10会大致相同地变形。其结果是，轮胎1由于橡胶层11的变形会降低，因此黏弹性能量的损失将进一步降低，并且滚动阻力也将进一步降低。
如果橡胶层11的外侧11so和环状结构体10的外侧10so向轮胎1的径向外侧突出或者向径向内侧突出，则会导致轮胎1的接地部的压力分布不均匀。其结果是，在接地部会产生局部变形和应力集中，并且橡胶层11有可能会在接地部出现局部变形。在本实施例中，轮胎1如图3所示，优选橡胶层11的外侧11so和环状结构体10的外侧10so与橡胶层11以及环状结构体10(即结构体2)的中心轴(Y轴)平行。通过这种结构，能够使轮胎1的接地部大致平坦。然后，由于轮胎1在接地部的压力分布会变得均一，因此能够抑制接地部的局部变形和应力集中，并且抑制橡胶层11在接地部的局部变形。其结果是，轮胎1的黏弹性能量的损失将降低，因此滚动阻力也将会减小。此外，由于轮胎的接地部的橡胶层11的局部变形受到抑制，因此能够确保接地面积，同时还能够确保周向的接地长度。因此，轮胎1还能够确保拐弯能力。
在本实施例中，如上所述，虽然在子午剖面上橡胶层11的形状是长方形，但并不限于长方形，只要橡胶层11的外侧11so和环状结构体10的外侧10so与橡胶层11与环状结构体10的中心轴(Y轴)平行即可。例如，子午剖面的橡胶层11的形状也可以是梯形或者四边形。当子午剖面的橡胶层11的形状是梯形时，梯形的上底和下底中的任一边可以为橡胶层11的外侧11so。
图7-1至图7-3是表示本实施例的变形例的轮胎的子午剖面图。这些变形例除在环状结构体10等上安装帘布层12a的方式与上述实施例不同以外，其他与上述实施例相同。图7-1所示的轮胎1a中，将帘布层部12a的一端部安装至环状结构体10的外侧10so，并且夹在环状结构体10和橡胶层11之间。如图7-2所示的轮胎1b中，帘布层部12b在环状结构体10的外侧10so上，从宽度方向上的一端部架设到另一端部，并且由环状结构体10和橡胶层11夹在这两者的宽度方向上的整个区域中。如图7-3所示的轮胎1c中，帘布层部12c在环状结构体10的内侧10si上，从宽度方向上的一端部架设到另一端部，并且固定在环状结构体10的内侧10si上。
如图7-1、图7-2所示，在轮胎1a、1b中利用环状结构体10和橡胶层11夹住帘布层部12时，能够使帘布层部12可靠地固定在环状结构体10和橡胶层11之间，并且确保高强度，因此优选此种方式。特别是，如图7-2所示的轮胎1b，使帘布层部12覆盖在环状结构体10的外侧10so的宽度方向上的整个区域中时，由于帘布层部12b在轮胎1b的宽度方向上未断开，因此能够抑制作用于帘布层部12b和环状结构体10的接合部的力。其结果是，由于轮胎1b能够降低在所述接合部发生问题的可能性，因此能够使轮胎1b成为更坚固的结构物，并且能够抑制轮胎1b的耐久性下降。
虽然如图7-3所示的轮胎1c中，将帘布层部12c固定在环状结构体10的内侧10si上这一点与如图3所示的轮胎1相同，但是存在以下差异，即其固定在环状结构体10的内侧10si的宽度方向上的整个区域。通过这样的结构，使轮胎1c的帘布层部12c在轮胎1c的宽度方向上不断开。如图3所示的轮胎1中，内压作用于帘布层部12和环状结构体10的接合部，但是如图7-3所示的轮胎1c中，由于是由整个帘布层12c来承受内压，因此内压不会作用于帘布层部12c和环状结构体10的接合部。如上所述，由于图7-3所示的轮胎1c在宽度方向上帘布层部12c未断开，因此能够抑制作用于帘布层部12c和环状结构体10的接合部的力。其结果是，轮胎1c由于能够降低在所述接合部发生问题的可能性，因此能够抑制轮胎1c的耐久性下降。
(评估例)
以本实施例的轮胎1为基础，制作了能够用计算机进行分析的数值解析模型，并且使用计算机以有限元法进行分析。成为数值解析模型的基础的轮胎1具有如图3所示的子午剖面形状。轮胎1各部的尺寸如图3所示，轮胎宽度W为190mm，帘布层高度(从胎圈部13的胎踵部13h到环状结构体10的内侧10si的径向上的距离)H为40mm。环状结构体10是弹簧钢，厚度tm(参照图5)为0.4mm。橡胶层11粘合固定在环状结构体10的外侧10so。橡胶层11的厚度tr(参照图5)为8mm。轮胎1的直径和225/50R18的充气轮胎的直径大小相当。一对帘布层部12分别结合在环状结构体10的内侧10si的宽度方向的两端部上。
作为比较对象，关于常规结构的充气轮胎以及刚性板轮胎，制作了能够用计算机进行分析的数值解析模型，并且使用计算机以有限元法进行接地分析以及转动分析。常规结构的充气轮胎的尺寸为225/50R18。刚性板轮胎是在圆板的外周部设橡胶层而成，相当于将图1、图3所示的轮胎1所具有的环状结构体10的刚性极度提高了的。刚性板轮胎宽度为190mm，其直径与225/50R18的充气轮胎的直径大小相当。刚性板轮胎将偏心变形提高到最大限度。
用来评价轮胎1、常规结构的充气轮胎以及刚性板轮胎的特性值为纵向刚性Kt、横向刚性Ky、拐弯能力CP以及滚动阻力RR。纵向刚性是在与路面正交的方向上对评估对象(轮胎1、常规结构的充气轮胎以及刚性板轮胎的数值解析模型)施加负荷时，相对于所述负荷的作用方向上的位移的、所述负荷的变化率(kN/m)。在本评估例中，在使评估对象负载230kPa的内压的状态下，在与路面正交的方向上对评估对象施加标准负荷(4kN)，并且在以所述标准负荷为中心的±0.5kN的范围内变化对评估对象施加的负载，将此时的所述变化率作为纵向刚性。
横向刚性是在与路面正交的方向上对评估对象施加负荷，并且在使评估对象向评估对象的宽度方向(横向)移动时，相对于横向上的位移(横向位移)的、施加在横向上的力(横力)的变化率(kN/m)。在本评估例中，在使评估对象负荷230kPa的内压，并且在与路面正交的方向上对评估对象施加标准负荷(4kN)的状态下，在规定范围内变化横力，将由此获得的相对于所述横向位移的所述横力的变化率作为横向刚性。拐弯能力CP是在稳定转动评估对象的状态下，对评估对象施加1度舵角时，在横向上产生的力的大小。滚动阻力(滚动阻抗)是根据日本专利第3969821上记载的方法求得的。此方法如下：首先在静态接地分析结果中，求得相当于轮胎模型旋转一周时的周向的变形和应力的履历，使用该履历的傅里叶变换结果即振幅和材料的损失正切，求得轮胎模型的各处的损失能量。通过累加整个轮胎模型上的这个数据，求得整个轮胎模型的损失能量，并且将该全部的损失能量除以轮胎模型的周长，从而计算出滚动抵抗。
图8是表示评估结果的图。在图8中，将常规结构的充气轮胎的特性值即纵向刚性Kt、横向刚性Ky、拐弯能力CP以及滚动阻力RR设为100，表示轮胎1以及刚性板轮胎的结果。拐弯能力CP数值越大越好，滚动阻力RR数值越低越好。纵向刚性Kt以及横向刚性Ky过高则不理想。
由图8的结果可知，与常规结构的充气轮胎相比，轮胎1可增加拐弯能力CP，并且大幅降低滚动阻力RR。更具体而言，轮胎1的拐弯能力CP可增加至常规结构的充气轮胎的近180％。此外，轮胎1的滚动阻力RR可降低至常规结构的充气轮胎的30％左右。从该结果可以看出，与常规结构的充气轮胎相比，轮胎1可降低油耗，并且可提高转弯性能。此外，轮胎1的纵向刚性Kt与常规结构的充气轮胎程度相同，因此能够确保与常规结构的充气轮胎程度相同的乘坐舒适度。
另一方面，与常规结构的充气轮胎以及轮胎1相比，刚性板轮胎的纵向刚性Kt变得过高，因此乘坐舒适度会变差。此外，由于刚性板轮胎的纵向刚性Kt过高，因此会导致接地部的局部变形，接地面积以及周向上的接地长度会变小。其结果是，刚性板轮胎的滚动阻力RR会增加并且拐弯能力CP会下降。由于轮胎1的纵向刚性Kt小于刚性板轮胎，因此虽然偏心变形本身会变大，但仍能够维持偏心变形。因此，轮胎1能够确保接地面积并且维持偏心变形。其结果是，轮胎1能够抑制接地部的局部变形，确保接地面积以及周向上的接地长度，因此能够降低滚动阻力RR以及提高拐弯能力CP。
图9-1、图9-2、图9-3是表示本评估中的评估对象的接地面形状的平面图。图9-1表示的是常规的充气轮胎的结果，图9-2表示的是刚性板轮胎的结果，图9-3表示的是图3所示的轮胎1(本实施例)的结果。浓淡的偏差小则表示接地压力的偏差小。如图9-2所示，与常规的充气轮胎相比，刚性板轮胎的接地部RC的接地面积小，其结果是接地压会变高。与此相对，轮胎1的接地部RC的接地面积大于刚性板轮胎，并且与常规的充气轮胎相同。此外，轮胎1的接地部RC能够确保周向上的接地长度和常规的充气轮胎程度相同，并且与常规的充气轮胎相比，其接地压力更均匀。
以上，本实施例的充气轮胎具有环状结构体和橡胶层，该环状结构体以弹性率和厚度的积规定的刚性参数为10以上500以下，该橡胶层配置在环状结构体的外侧。通过这样的结构，本实施例的轮胎能够避免接地部的橡胶层发生局部变形以及应力集中并且维持偏心变形，因此能够分散接地部的变形。其结果是，本实施例的轮胎能够抑制接地部的橡胶层发生局部变形，因此可分散在接地部的变形和应力集中，降低滚动阻力。如上所述，本实施例能够提供一种可降低充气轮胎的滚动阻力的结构。
此外，通过上述结构，本实施例的充气轮胎在橡胶层发生磨损时，从环状结构体上拆下橡胶层，并且将新的橡胶层安装到环状结构体上即可，因此轮胎翻新也容易。并且，本实施例的充气轮胎只要不发生问题，就能够多次使用帘布层以及环状结构体，因此能够减少废弃零件，降低对环境的破坏。并且，本实施例的充气轮胎将板状构件成型为圆筒状用作环状结构体，并用环状结构体包围住填充空气的空间。因此，本实施例的充气轮胎可通过环状结构体阻止异物从踏面(橡胶层的外侧)进入填充空气的空间。因此，本实施例的充气轮胎还具有不易爆胎的优点。
工业实用性
如上所述，本发明的充气轮胎有利于降低滚动阻力。
符号说明
1、1a、1b、1c、101 充气轮胎(轮胎)
2 结构体
2s 两侧
10、110 环状结构体
10so、110so 外侧
10si 内侧
11、111 橡胶层
11so、111so 外侧
11si 内侧
12、12a、12b、12c 帘布层部
12F 纤维
12R 橡胶
13 胎圈部
13h 胎踵部
14 内衬层

Claims (6)

1.一种充气轮胎，其特征在于，包含：圆筒形状的环状结构体；
橡胶层，其朝向所述环状结构体的周向设在所述环状结构体的外侧而成为胎面部；以及
帘布层部，其具有由橡胶覆盖的纤维，设在包含所述环状结构体和所述橡胶层的圆筒形状的结构体的与中心轴的平行方向上的两侧，
在所述结构体的子午剖面上，所述橡胶层的外侧和所述环状结构体的外侧形状相同。
2.如权利要求1所述的充气轮胎，其中所述橡胶层的外侧和所述环状结构体的外侧与所述中心轴平行。
3.如权利要求1或2所述的充气轮胎，其中所述环状结构体配置在比所述帘布层部更靠所述构造体的径向内侧。
4.如权利要求1至3中任一项所述的充气轮胎，其中所述环状结构体为金属。
5.如权利要求1至4中任一项所述的充气轮胎，其中与所述中心轴平行的方向上的所述环状结构体的尺寸是与所述中心轴平行的方向上的所述橡胶层的尺寸的50％以上120％以下。
6.如权利要求1至5中任一项所述的充气轮胎，其中所述环状结构体的外侧和所述橡胶层的外侧之间的距离为3mm以上20mm以下。
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