CN103068592B - 用于非充气轮胎的轮辐边缘几何形状 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于非充气轮胎或混合轮胎的改进轮辐边缘几何形状，其在使用时不易疲劳。本发明也提供在模具中制造这样的几何形状的方式。特别地，该轮辐边缘几何形状带有减小的横截面，该减小的横截面局部地减小弯曲应力并且允许唯一的模具构造，当将诸如聚氨酯的液体引入模具的腔中以形成轮辐时该模具构造改变可能飞边的布置和取向并且减小其它可能的模制瑕疵。该变化致使在轮辐的边缘附近出现的应力升高的可能性减小，增强轮胎的耐用性。

Description

用于非充气轮胎的轮辐边缘几何形状

优先权声明

本申请要求于2010年9月1日提交的、转让的美国序列号为61/379,351、名称为“用于非充气轮胎的轮辐边缘几何形状（SpokeEdgeGeometryforaNon-PneumaticTire）”的在先提交的美国临时专利申请的权益，上述申请为了所有目的通过引用完整地被合并于本文中。

技术领域

本发明提供用于非充气轮胎或混合轮胎的改进轮辐边缘几何形状，其在使用时不易疲劳。本发明也提供在模具中制造这样的几何形状的方式。特别地，该轮辐边缘几何形状带有减小的横截面，该减小的横截面局部地减小弯曲应力并且允许唯一的模具构造，当将诸如聚氨酯的液体引入模具的腔中以形成轮辐时该模具构造改变可能的飞边（flash）的布置和取向并且减小其它可能的模制瑕疵。该变化致使在轮辐的边缘附近出现的应力升高的可能性减小，增强轮胎的耐用性。

背景技术

在现有技术中已公开非充气轮胎或结构支撑轮胎。例如，本发明的申请人共同拥有的美国专利第7,201,194号涉及一种在没有内部空气压力的情况下支撑载荷的结构支撑弹性轮胎。该专利的内容通过引用完整地被合并于此。在示例性实施例中，该非充气轮胎包括外环形剪切带和横向地越过环形带并且从环形带径向向内延伸并且锚固在轮或毂中的多个腹板式轮辐。在某些示例性实施例中，环形剪切带还可以包括剪切层、附着到剪切层的径向向内范围的至少第一薄膜和附着到剪切层的径向向外范围的至少第二薄膜。除了能够在没有所需的充气压力的情况下操作以外，美国专利第7,201,194号的发明提供的优点也包括在接触区域的全部长度上更均匀的地面接触压力。因此，该轮胎模仿充气轮胎的性能。

图1显示这样的轮胎，该轮胎限定了径向R和轴向A方向。为了参考，在本文中使用的所有100的附图标记表示先前的轮胎、轮辐和模具设计，而在本文中使用的所有200的附图标记表示根据本发明的实施例的新的和改进的轮胎、轮辐和模具设计。轮胎100、200包括胎面102、202，胎面附连到轮辐106、206的向外范围104、204，轮辐也通过本领域中已知的手段在它们的向内范围110、210连接到毂或轮108、208。对于所示的轮胎100、200的型式，通过将聚氨酯液体浇注到旋转模具中形成轮辐106、206，然后液体在旋转模具中固化或硬化。也可以看到轮辐106、206成对地分组并且每对内的单独的轮辐106’、106’’、206’、206’’彼此一致地间隔并且每对与围绕轮胎的圆周的相邻对一致地间隔。每对内的间距和每个相邻对之间的间距不需要相同。

如‘194专利的摘要和第2栏第28-41行所述，轮辐106、206支撑轮胎100、200，靠近轮胎100、200的顶部张紧并且在轮胎100的底部无压缩。相反地，在靠近接地面的轮胎的底部的轮辐106、206容易压缩或弯曲，所述接地面是轮胎的胎面102、202接触路面的地方。这有助于轮胎模拟充气轮胎的气动支撑功能。可以设想，这些轮辐106、206经历从张紧到压缩的大量周期应力，尤其当轮胎100、200以高速旋转时。这产生轮辐的疲劳失效的风险。因此，轮辐106、206的耐用性和轮胎100、200的可操作性明显地取决于制造轮辐106、206所具有的几何形状的精度和由制造瑕疵导致的任何应力升高的缺少。

现在参见图2A、2B和2C，分别显示了容易出现模制瑕疵的先前轮辐设计的前视、侧视和截面图。为了清楚起见，省略了胎面。关注图2C，可以看到轮辐106’、106’’的横截面形状。示出了相对一致地为4mm的轮辐的厚度T₁₀₆以及在模制过程期间经常出现飞边114的轮辐106’、106’’的边缘112’、112’’。飞边114位于轮辐106’、106’’的边缘112’、112’’附近，其中已加入圆角部116，从而当轮胎100在竖直载荷下在路面上旋转时当轮辐106’、106’’在张紧和压缩之间周期性变化时有助于应力减小。随后将更完整地论述出现该飞边的原因和它位于如图所示的位置的原因。由于轮辐106’、106’’的横截面相当直并且恒定，因此每个轮辐106’、106’’挠曲所围绕的中性轴或面118大致上在轮辐106’、106’’的中平面上并且从轮辐106’、106’’的直外表面120到中性面118的弯曲力矩一直到轮辐106’、106’’的任一边缘保持相当恒定。

除了飞边114以外，构造形成该几何形状的模具的方式产生从模具的一侧到另一侧的模具失配的可能性，这意味着除了存在飞边114以外或有时代替飞边114的存在，轮辐106的倒角边缘116不与轮辐106的直外表面120正好对直，产生靠近轮辐106的边缘的小凸耳或角部。由于下面将论述的原因，这也是非期望的。随后将论述该模制瑕疵的更完整解释。

该轮辐设计的测试揭示当轮胎100在路面上滚动时当轮辐106在张紧和压缩之间周期性地变化时飞边114的这些位置中的任何一个或模具失配产生应力升高。这些制造瑕疵然后导致裂纹形成和扩展，这可以导致轮辐106失效，非期望地损害轮胎100的可操作性。这些瑕疵的位置不是最优的，原因是它们出现在轮辐弯曲处的轮辐106的边缘112附近，产生导致裂纹形成的高应变和应力。而且，飞边114的取向不是最优的，原因是它垂直或倾斜于轮辐106的中性弯曲面118，这意味着它产生的瑕疵与飞边有扩展裂纹的自然倾向的方向对准，原因是飞边的最长尺度是弯曲的长度，在飞边中产生最高力矩和最大应力集中。换句话说，飞边相对于轮辐的弯曲以最刚性配置定向，使它更容易出现裂化，并且这增加轮辐106失效的容易性。

参见图3，描绘了如何构造形成先前轮辐配置的模具122的一般表示。从第一半模126延伸并且与从第二半模130延伸的第二组模芯128相互铰接的第一组模芯124形成腔132的表面区域的大部分，所述腔是形成的轮辐的负像。每个模芯具有在一侧的.25°的拔模斜度，并且这与模芯124、128的相互铰接结合允许轮辐保持恒定厚度，这有助于保持轮辐的强度。应当注意这些模芯124、128实际上以圆形阵列布置在模具122中，并且为了易于图示该图显示投影到平面上的它们的横截面。而且，为了清楚起见省略了共同的模具特征（例如通过允许俘获气体的逸出帮助适当的模具填充的排气孔）和对准特征（例如便于模芯124、128和半模126、130的模具对准的锥形销）。而且，模芯显示为半模126、130的固体延伸部，但是实际上这些常常是保持在半模126、130内并且当模芯124、128损坏时可以容易替换的独立插入件。

更近地观察形成在轮辐上出现的倒角的腔132的端部133，可以看到它们靠近平坦截止表面134出现，在该处从一个半模126、130延伸的模芯124、128接触或几乎接触另一个半模126、130。由于该模具配置，如果由于加工公差、由于模具加工条件引起的模芯偏转等产生足够大的间隙，诸如聚氨酯的液体可能渗入该空间中。这产生先前描述的靠近轮辐的边缘的非期望飞边。而且，由于分模线垂直于模芯124、128的延伸方向，因此飞边将几乎正交于轮辐的弯曲面，这是非期望的，如上所述。

现在参见图3A，该图是腔132的圆角端部分133的放大图，给出模具失配的例子。如图所示，模芯128非期望地延伸到腔132中，产生在轮辐中形成互补形状的凸耳或角部几何形状的凸耳或角部136。在该情况下，圆角端部133的位置由于制造误差和/或公差叠加而处于不适当的地方，和/或模芯偏转、不适当地制造等，使得模芯128的直表面138不切向于腔132的圆角端部133，而是相对于腔132的圆角端部133向下移位，如图3A中所见。有时，该几何形状颠倒并且模芯128相对于腔132的圆角端部133向上移位，如图3A中所见。在任一情况下，模具失配产生的凸耳138也可能产生非期望地定位和定向的应力升高，原因是它位于靠近轮辐的边缘的外表面上并且垂直于轮辐的自然弯曲面。因此这也会形成可以导致轮辐失效的裂纹。模具失配可能出现在先前的模具构造的腔的任何一个、全部中或不出现在腔中，这取决于许多可变因素，例如由于模具加工条件引起的模芯偏转、加工不当和公差叠加等。

因此，需要一种用于产生该几何形状的改进的轮辐边缘设计和模具，其限制靠近轮辐的边缘的模制瑕疵（例如飞边和模具失配）的产生并且改变模制瑕疵的取向。而且，所建议的用于减小出现在该区域中的应变和应力的轮辐边缘几何形状将是有帮助的。

发明内容

根据本发明的方面的一种轮胎包括胎面和轮辐，轮辐具有主体几何形状和在所述轮辐的轴向末端处出现的、相比于主体几何形状具有减小的横截面的自由边缘几何形状。

有时，主体几何形状的厚度为大约4mm，但是可以改变以适合特定应用。

轮辐边缘几何形状也可以包括在轮辐的末端处出现的、具有大约1.5mm的值的圆角部。在一些情况下，圆角部仅仅出现在轮辐的一侧。

在一些实施例中，轮辐的边缘几何形状的减小横截面包括渐变锥形部分。

在这样的情况下，锥形部分可以与主体几何形状形成大约11.8度的夹角。

轮辐边缘几何形状也可以包括出现在主体几何形状和锥形部分之间的、具有大约20mm的值的过渡圆角部。

在进一步的实施例中，轮辐边缘几何形状的锥形部分可以具有大约15mm的宽度。

在其它实施例中，边缘几何形状的减小横截面可以包括阶梯部分。

在这样的情况下，阶梯部分的厚度为大约2mm。

有时，阶梯部分的宽度在4-11mm的范围内。

在其它实施例中，轮辐边缘几何形状包括具有大约1.5mm的值的过渡圆角部。

根据本发明的另一方面的一种轮胎包括胎面和轮辐，轮辐具有沿着所述轮辐的轴向范围的自由轮辐边缘几何形状，轮辐边缘几何形状具有在靠近轮辐的自由边缘处缺少接合部（blend）、倒角或其它过渡几何形状的至少一侧。

在这样的情况下，轮辐边缘几何形状也可以具有靠近轮辐的边缘的具有减小横截面的部分。

在一些情况下，轮辐具有中性弯曲面，并且在轮辐的边缘上出现的飞边大致平行于所述中性弯曲面定向。

本发明也包括一种用于形成轮胎的轮辐的模具，模具包括第一半模、第二半模、腔和具有成角截止表面的可伸缩模芯，可伸缩模芯通过腔延伸到半模中并且在所述成角截止表面上接触或几乎接触所述半模。

在一些情况下，腔具有在它们的端部分处的圆角部，所述端部分与邻近成角截止表面的腔的侧相对。

在其它情况下，腔可以具有脱模角，并且截止表面可以具有相同的角。

在其它实施例中，腔可以在它们的端部分具有减小的横截面。

在任何情况下，理想的是由形成轮辐的模具产生的飞边大致平行于轮辐的中性弯曲面。大致平行表示飞边的方向与出现飞边的区域中的轮辐的中性弯曲面形成四十五度或以下的角。在一些情况下，理想的是该角实质上为零。

未必在概述部分表达的本主题的附加实施例可以包括和包含在以上概述对象中引用的特征、部件或步骤和/或在本申请中另外论述的其它特征、部件或步骤的方面的组合。本领域的普通技术人员通过阅读说明书的剩余部分将更好地领会这样的实施例和其它实施例的特征和方面。

附图说明

在参考附图的说明书中叙述了对于本领域的普通技术人员来说包括本主题的最佳模式的本主题的完整和允许公开，其中：

图1是具有轮辐的非充气轮胎的透视图。

图2A是以前在非充气轮胎中使用的第一配置的一对轮辐的前视图，为了清楚起见去除了胎面。

图2B是图2A的轮辐的侧视图。

图2C是沿着其中的线2C-2C获得的图2B的轮辐的截面图。

图3是用于形成易受模制瑕疵的图2A至2C中所示的轮辐几何形状的先前模具构造的部分截面图。

图3A是形成轮辐的图3的模具的腔的端部的放大图以更清楚地显示模具失配。

图4是形成根据本发明的另一个实施例的新轮辐几何形状的根据本发明的实施例的新模具构造的部分截面图。

图5A是根据本发明的实施例的第二配置的一对轮辐的前视图，为了清楚起见去除了胎面。

图5B是图5A的轮辐的侧视图。

图5C是沿着其中的线5C-5C获得的图5B的轮辐的截面图。

图6是图5C中所示的轮辐的边缘的放大图，显示了轮辐的几何形状的尺寸。

图7是根据本发明的替代实施例的轮辐的边缘的放大图。

图8是使用成角截止部且无轮辐边缘减小从而再定向飞边以防止轮辐失效的腔的端部的放大图。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的实施例，在图中示出其中的一个或多个例子。每个例子作为本发明的解释被提供，而不表示本发明的限制。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个第三实施例。本发明旨在包括这些和其它修改和变型。应当注意为了论述，可以在一个或多个图中仅仅描绘示例性轮胎实施例的一部分。附图标记在图中仅仅用于帮助读者识别各种要素并且不旨在引入实施例之间的任何限制区别。一个实施例的相同或相似编号指示其它实施例中的相似要素。

考虑到先前模具构造产生模制瑕疵的倾向，本发明的发明人继续改变模具的构造和轮辐几何形状使得轮辐不会由于模制瑕疵而失效。图4显示所设计的模制解决方案的一个实施例。

新设计的模具222在许多方面类似于先前模具设计，并且包括从第一半模226延伸且与从第二半模230延伸的第二组可伸缩模芯228相互铰接、形成腔232的表面区域的大部分的第一组可伸缩模芯224，所述腔是轮辐的负像并且形成轮辐。这些模芯224、228被称为可伸缩，原因是它们通过腔232延伸到相对的半模226、230中。每个模芯具有在一侧的.25°的拔模斜度，并且这与模芯224、228的相互铰接结合允许轮辐保持相当恒定的厚度，这有助于保持轮辐的强度。再次地，应当注意这些模芯224、228实际上以圆形阵列布置在模具222中，并且为了易于图示该图显示投影到平面上的它们的横截面。而且，为了清楚起见省略了共同的模具特征（例如通过允许俘获气体的逸出帮助适当的模具填充的排气孔）和对准特征（例如便于模芯224、228和半模226、230的模具对准的锥形销）。而且，模芯显示为半模226、230的固体延伸部，但是实际上这些常常是保持在半模226、230内并且当模芯224、228损坏时可以容易替换的独立插入件。

更近地观察腔232的端部233和可伸缩模芯224、228的端部，可以看到新设计包含刚过腔232的端部233出现的成角截止（shutoff）表面235，所述成角截止表面终止于接触或几乎接触相对的半模226、230的平坦截止表面234。对于该特定实施例，成角截止表面235与模芯224、228的拔模斜度的剩余部分平行，但是需要时可以改变，这将在下面更多地进行论述。而且，平坦截止表面234显示为在模芯224、228和半模226、230之间成直线或重合，但是这不必需要如此。

可以在这些区域中提供小间隙以保证模芯224、228的总长度不限制模芯突出到相对的半模226、230中，有助于保证成角截止表面235在每个模芯224、228和半模226、230之间的接触。如果由于加工公差、由于模具加工条件引起的模芯偏转等产生足够大的间隙，那么这有助于防止诸如聚氨酯的液体渗入裂纹中。如先前所述，这样的间隙产生先前描述的靠近轮辐的边缘的非期望飞边。而且，由于这些区域中的分模线大致平行于模芯224、228的延伸方向，因此任何飞边将几乎平行于轮辐的弯曲面的大部分，这比由先前模具设计产生的取向更理想，如随后将更完整地解释。

该特定实施例在消除模具失配方面很成功，原因是模芯224、228延伸通过腔232的端部，使这样的失配实际上不可能。这是事实，原因是模芯224、228的直表面238被迫切向于腔232的端部233，这是由于它是形成成角截止表面235的相同表面的一部分。

现在参见图5A、5B和5C，可以看到由刚刚描述的模具的腔产生的轮辐的相应前视、侧视和截面图。为了清楚起见，省略了胎面。关注图5C，可以看到轮辐206’、206’’的横截面形状。示出了相对一致地为4mm的轮辐的主要部分的厚度T₂₀₆以及在模制过程期间经常出现飞边214的轮辐206’、206’’的边缘212’、212’’。飞边214位于轮辐206’、206’’的边缘212’、212’’附近，其中已加入部分圆角部（radii）216，从而当轮胎200在竖直载荷下在路面上旋转时当轮辐206’、206’’在张紧和压缩之间周期性变化时有助于应力减小。由于轮辐206’、206’’的横截面具有靠近轮辐的边缘的预定锥形，因此从每个轮辐206’、206’’挠曲所围绕的中性轴或面218到轮辐206’、206’’的外表面220的距离减小，局部地减小应力和应变以及轮辐失效的可能性。而且，任何飞边214的位置实质上出现在中性面218上，减小飞边出现处的弯曲力矩和应力，进一步减小该点处的疲劳失效的可能性。随后将描述锥形边缘部分的准确几何形状。

现在，任何飞边214的取向大致平行于轮辐206的弯曲轴或面218的大部分，相比于先前轮辐和模具设计不太可能形成裂纹，原因是飞边的最薄部分弯曲，意味着飞边受到的弯曲力矩和相关的弯曲应力最小化。换句话说，飞边现在以其相对于轮辐的弯曲的最柔性配置定向，使得它不太倾向于裂化。然而，可能的飞边214可能由于可以改变弯曲面的路径的锥形部分略微倾斜于局部靠近轮辐的边缘212的弯曲面218，如图5C和6中所示。所以，可以预料可以对截止表面进行少量调节使得飞边的取向更平行于局部靠近轮辐206的边缘的弯曲面218。这可以导致替代飞边取向214’，如图6中所示。当然，这可能涉及优化飞边的取向和防止模具失配之间的权衡，原因是改变截止角意味着几何形状的过渡部将位于模芯上，并且如果该过渡部不与腔的端部的位置完美地重合，则会产生小凸耳或角部，先前模具设计就是这样（参见图3A）。改变模具截止角的另一个益处在于使用更大的角可以减小模芯或模芯在其上截止的相对半模上的磨损的量，减小必需的模具维护的量。

仅仅关注图6，描述了本发明的该实施例的特定轮辐边缘几何形状。轮辐206的主要部分具有为大约4mm的厚度T₂₀₆。锥形部分与轮辐的末端形成大约11.8°的夹角α。在锥形部分与轮辐的主体相遇处存在具有大约20mm的值的过渡圆角部240。锥形部分的宽度W_T为大约15mm并且在轮辐的边缘处的部分圆角部216的值为大约1.5mm。这些值仅仅是一个例子并且尺寸可以根据轮胎、模具或轮辐应用进行调节。在这里仅仅有部分圆角部而不是在先前模具设计中使用的完整圆角部的原因是当使用由可伸缩模芯形成的成角截止时不可能加入完整圆角部，这是由于这将需要在模具中存在薄缘，所述薄缘将随着时间损坏并且导致模制问题以及轮辐上的可能瑕疵。

图7显示使用轮辐的横截面的阶梯减小而不是锥形部分的替代轮辐型面。对于轮辐206的该型式，为大约4mm的主要轮辐厚度T₂₀₆减小到大约2mm的阶梯厚度T_S。阶梯部分的宽度W_S可以在4至11mm的范围内。最后，在轮辐的阶梯部分和主要部分之间有一系列过渡圆角部242、244以及在轮辐的边缘出现的部分圆角部216。所有这些圆角部的值可以为大约1.5mm。这些值仅仅是一个例子并且尺寸可以根据轮胎、模具或轮辐应用进行调节。该实施例提供与图6中所示的实施例相同的优点。

应当注意本发明也包括未在本文中公开或完全描述的其它轮辐几何形状。例如如图8中所示，靠近轮辐的边缘的轮辐厚度可能不需要减小，并且类似于初始轮辐设计的轮辐可以使用减去邻近成角截止表面235的轮辐的边缘圆角部的部分300的可伸缩模芯128进行模制以防止在模具中产生薄缘。可以设想，将假想区域300加入半模126将产生快速损坏的薄缘。换句话说，改变飞边的位置和/或取向以及减轻模具失配可能足以防止轮辐失效并且被认为足以实施本发明。在另一方面，减小轮辐自身的边缘的横截面可能足以防止轮辐失效并且也被认为足以实施本发明。在许多情况下，可以同时使用两种技术。

总之，应当理解本发明包括可以对本文中所述的示例性实施例进行的属于由附带权利要求限定的本发明的范围内的各种其它修改。例如，给出的具体例子涉及聚氨酯的使用，但是可以预料可以使用其它热固性或热塑性材料。另外，本文中所述的模具是旋转模具，但是可以使用其它模制或铸造技术，例如注塑。类似地，本发明可以应用于具有轮辐的任何轮胎，无论它是否使用内部气体。这些和其它实施例在本发明的精神和范围内。

Claims (13)

1.一种轮胎，其具有轴向方向和径向方向，所述轮胎包括胎面和轮辐，所述轮辐具有主体几何形状和自由边缘几何形状，所述自由边缘几何形状在所述轴向方向上在所述轮辐的末端处出现，并相比于所述主体几何形状具有减小的横截面面积。

2.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述轮辐的所述主体几何形状的厚度为大约4mm。

3.根据权利要求2所述的轮胎，其中所述轮辐边缘几何形状也包括在所述轮辐的末端处出现的、具有大约1.5mm的值的圆角部。

4.根据权利要求3所述的轮胎，其中所述圆角部仅仅出现在所述轮辐的一侧。

5.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述轮辐的所述边缘几何形状的减小横截面包括渐变锥形部分。

6.根据权利要求5所述的轮胎，其中所述锥形部分与所述主体几何形状形成大约11.8度的夹角。

7.根据权利要求6所述的轮胎，其还包括出现在所述主体几何形状和所述锥形部分之间的、具有大约20mm的值的过渡圆角部。

8.根据权利要求5所述的轮胎，其中所述轮辐边缘几何形状的所述渐变锥形部分的宽度为大约15mm。

9.根据权利要求1所述的轮胎，其中所述边缘几何形状的减小横截面包括阶梯部分。

10.根据权利要求9所述的轮胎，其中所述阶梯部分的厚度为大约2mm。

11.根据权利要求10所述的轮胎，其中所述阶梯部分的宽度在4-11mm的范围内。

12.根据权利要求11所述的轮胎，其中所述轮辐边缘几何形状还包括具有大约1.5mm的值的过渡圆角部。

13.一种轮胎，所述轮胎包括胎面和轮辐，所述轮辐具有沿着所述轮辐的轴向范围的自由轮辐边缘几何形状，所述轮辐边缘几何形状具有在靠近所述轮辐的自由边缘处缺少接合部、倒角或其它过渡几何形状的至少一侧，其中所述轮辐具有中性弯曲面，并且还具有在所述轮辐的边缘上出现的、大致平行于所述中性弯曲面定向的飞边，其中所述轮辐边缘几何形状还包括靠近所述轮辐的边缘的具有减小横截面的部分。