CN103987534A - 具有交织增强件的剪切带 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可以例如用于非充气轮胎的剪切带。该剪切带使用定位在弹性体材料的剪切层内的交织增强元件。多种构造可以用于产生包括例如水平钻石形或竖直钻石形构造的增强元件的交织定位。

Description

具有交织增强件的剪切带

技术领域

本发明的主题涉及如可以用于非充气轮胎的剪切带的增强件。

背景技术

非充气轮胎结构的细节和益处在例如美国专利No.6,769,465、No.6,994,134、No.7,013,939、和No.7,201,194中有所描述。某些非充气轮胎结构提出结合剪切带，其实施例在例如美国专利No.6,769,465和No.7,201,194中有所描述，所述专利通过引用结合到本文中。这种非充气轮胎在轮胎性能方面提供优点，而不依赖气体充气压力来支承施加于轮胎的负载。

作为本发明的背景，图1提供结合了剪切带110的非充气轮胎100的示例性实施例的横截面图。轮胎100还包括横向跨过剪切带110并且从剪切带110向内延伸的多个张力传递元件(示为网状轮辐150)。安装带160布置于网状轮辐的径向内部端处。安装带160将轮胎100锚固至毂10。胎面部分105形成于剪切带110的外周处并且可以包括例如位于其上的凹槽或肋。

轮胎100的剪切带110包括剪切层以及粘附至剪切层的径向最内区域的最内部增强层和粘附至剪切层的径向最外区域的最外部增强层。增强层具有比剪切层的剪切刚度大的拉伸刚度，使得剪切带在竖直负载下经受剪切变形。更具体地，如美国专利No.7,201,194中所阐述的，当增强层的弹性模量与剪切层的剪切模量的比(E’membrane/G)(如美国专利No.7,201,194中所表达的)相对较低时，剪切带110在负载下的变形接近同质带在负载下的变形并且产生非均匀地面接触压力。另外，当该比足够高时，剪切带110在负载下的变形基本为剪切层的剪切变形与增强层很小的纵向延伸或压缩。如图1中所示，被置于轮胎旋转轴线X上的负载L通过网状轮辐150中的张力传递至环形带110。环形剪切带110以类似于弓形件的方式起作用并且在轮胎赤道平面中提供足够高的周向压缩刚度和纵向弯曲刚度以用作负载支承构件。在负载下，剪切带110通过包括剪切带110的剪切变形的机构在与地表面的接触区域CA中变形。通过剪切变形的能力提供与充气轮胎类似地起作用的柔性地面接触区域CA，具有类似的有利结果。

除了美国专利No.7,201,194中所示的实施例，还存在能够结合剪切带的若干非充气轮胎结构。例如，美国专利No.6,769,465涉及支承负载而不具有内部气压的结构支承柔性轮胎。在示例性实施例中，该非充气轮胎包括地面接触部分以及从胎面部分径向向内延伸的侧壁部分，该侧壁部分锚固在适于在轮胎滚动期间保持固定至轮的胎圈部分中。增强环形带相对于胎面部分径向向内地布置。该剪切带包括至少一个同质剪切层、粘附至剪切层的径向向内区域的第一膜以及粘附至剪切层的径向向外区域的第二膜。膜中的每一层膜都具有充分大于剪切层的动态剪切模量的纵向拉伸模量，使得当处于负载下时，轮胎的地面接触部分通过剪切层中的剪切应变而变形成平坦接触区域，同时保持膜的长度恒定。膜的相对位移基本由于剪切层中的剪切应变而发生。美国专利No.6,769,465的发明提供若干优点，其中包括例如在不具有充气压力的情况下进行操作的能力以及略微独立于地面接触压力来调节轮胎的竖直刚度的灵活性。

对于充气和非充气轮胎二者而言，期望改进轮胎的燃料效率。这种改进能够通过例如减小轮胎的总体尺寸或质量并且/或者在轮胎中使用较低的损耗材料来实现。对于采用具有同质剪切层的剪切带的非充气轮胎而言，在进行这种减小时遇到挑战。例如，使用具有低能量耗散的用于剪切层的材料能够导致所需材料质量的不可接受的偏置(offsetting)增大，原因是这些材料的典型地较低的剪切模量。

因此，能够例如通过降低质量和/或滚动阻力来提供燃料效率改进的剪切带将是有益的。能够结合到多种非充气轮胎结构中的这种剪切带将是特别有用的。

发明内容

本发明的方面和优点将在下文的描述中部分地阐述，或者可以是通过描述显而易见的，或者可以通过实施本发明而习得。

在一个示例性实施例中，本发明提供一种限定轴向、径向、和周向方向的环形剪切带。该环形剪切带包括由至少一种弹性体材料构成环形剪切层。多个分立的环形增强元件在整个环形剪切层中沿多个轴向定向排定位。该增强元件彼此分开预定距离W_S。所述增强元件沿剪切带的轴向或径向方向交织。

参照下文的描述以及所附权利要求，本发明的这些和其它的特征、方面以及优点将变得更好理解。结合在本说明书中并且构成本说明书一部分的附图显示了本发明的实施例并且与描述一起用于对本发明的原理进行解释。

附图说明

在参照附图做出的说明书中阐述了面向本领域普通技术人员的本发明的完整和可实现的公开，包括本发明的最佳模式，在附图中：

图1提供结合了剪切带的轮胎的示例性实施例的示意性侧视图。

图2提供结合了本发明的剪切带的轮胎的示例性实施例的透视图。

图3提供如沿图2中的线3-3截取的图2的轮胎的横截面图。

图4是如可以与例如图1和图2中所示的非充气轮胎一起使用的剪切带的示例性实施例的一部分的横截面图(沿图2的线3-3截取)。

图5是如例如能够用于图4的剪切带的本发明的增强元件的示例性定位(例如，交织)的示意图。

图6和图7提供非交织增强元件的示意图。

图8是如可以与例如图1和图2中所示的非充气轮胎一起使用的剪切带的示例性实施例的一部分的横截面图。

图9是如能够例如用于图8的剪切带中的本发明的增强元件的示例性定位(例如，交织)的示意图。

不同附图中所使用的相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

具体实施方式

本发明提供例如可以用于非充气轮胎中的剪切带。该剪切带使用定位在弹性体材料的剪切层内的交织增强元件。多种构造可以用于产生增强元件的交织定位。为了描述本发明的目的，现在将详细地参照本发明的实施例和/或方法，所述实施例和/或方法的一个或多个例子示于附图中或通过附图示出。每个例子都以对发明进行解释的方式给出，并不对本发明构成限制。实际上，对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够在不偏离本发明的范围或者精神的前提下对本发明进行多种改型和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或者进行描述的特征或步骤能够用于另一个实施例或步骤，从而产生又一个实施例或方法。因此，期望的是，本发明覆盖落入所附权利要求及其等同形式的范围内的这种改型和变型。

对于本公开而言，以下术语被如下定义：

附图中的“轴向方向”或字母“A”指的是与例如剪切带、轮胎、和/或轮当其沿道路表面行进时的旋转轴线平行的方向。

附图中的“径向方向”或字母“R”指的是与轴向方向正交并且沿与从轴向方向正交地延伸的任何半径相同的方向延伸的方向。

“赤道平面”的意思是与旋转轴线垂直地通过并且平分剪切带和/或轮结构的平面。

“交织”指的是剪切带的分立的增强件或增强元件布置于剪切层内的方式，如将参照附图进一步描述的。当增强元件沿轴向方向交织时，在相邻的轴向定向排中的增强元件的中心点之间延伸的虚拟线将形成菱形或水平钻石形，该菱形或水平钻石形具有该菱形的边之间的非正交角度。在该交织水平钻石形构造中，相邻的轴向定向排的增强元件比相同的轴向定向排内的增强元件更靠近在一起。当增强元件沿径向方向交织时，在相邻的轴向定向排中的增强元件的中心点之间延伸的虚拟线将形成菱形或竖直钻石形，该菱形或竖直钻石形具有该菱形的边之间的非正交角度。在该交织竖直钻石形构造中，沿相同的轴向定向排的增强元件将比非相邻的轴向定向排中的增强元件更靠近在一起。如使用本文中所公开的教导的本领域技术人员将理解的，在轮胎制造期间，增强元件完美地定位到竖直或水平钻石形中是不可能的，原因是例如材料在制造过程期间移动。这样一来，任一个钻石形构造的增强元件都能够发生轻微移位。

图2提供如可以结合本发明的剪切带的非充气轮胎201的示例性实施例。图3提供沿图2的线3-3截取的轮胎201的横截面图。如图2和图3中所示的轮胎201具有环形剪切带205以及多个张力传递元件(示为网状轮辐220)，所述多个张力传递元件横向地跨过带205或从带205向内延伸至位于网状轮辐220的径向内部端处的安装带225。安装带225将轮胎201锚固至具有用于安装的孔235的毂230。轮胎201能够安装于毂230上或者能够与毂230整体构成。

胎面部分210形成于带205的外周处。例如，胎面部分210可以是如图2中所示的结合到带205上的额外的橡胶层，以便提供与用于构成带205的材料不同的牵引和磨损特性。备选地，胎面部分210可以形成为柔性带205的外表面的一部分。在又一个备选方式中，带205可以被封装在与胎面部分210连接的一种或多种橡胶材料内。胎面特征可以形成在胎面部分210中并且可以包括花纹块215和凹槽240。

如上所述，在图2和图3的示例性实施例中，网状轮辐220横向地延伸跨过轮201，如在本文中所使用的，这意味着网状轮辐220从轮201的一侧延伸至另一侧并且可以与旋转轴线对准、或者可以相对于轮轴线倾斜。此外，“向内延伸”的意思是网状轮辐220在带205与安装带225之间延伸，并且可以位于径向于轮轴线的平面中或可以相对于径向平面倾斜。此外，如图2中所示，网状轮辐220实际上可以包括与径向平面成不同角度的轮辐。可以使用如例如美国专利No.7,013,939和WO2008/118983中所示的各种形状和图案。因此，如本领域普通技术人员将理解的，本发明不限于附图中所示的径向轮辐，原因是也可以使用其它的形状和取向以及与图示数量不同的轮辐。

环形剪切带205支承轮201上的负载并且柔性变形以与道路(或者其它的支承表面)相符以提供牵引、舒适、和操控能力。更具体地，如美国专利No.7,013,939中所描述的，当负载L通过毂230置于轮201上时，带205柔性地起作用，在于其弯曲并且以其它方式变形以用于地面接触(本申请的图3的箭头G)并且形成接触印迹，该接触印迹是在这种负载下与地面相接触的轮201的一部分。不与地面接触的带205的部分以与弓类似的方式起作用并且在赤道平面中提供足够高的周向压缩刚度和纵向弯曲刚度，以用作负载支承构件。

从车辆(未示出)传递至毂230的轮201上的负载基本由附接到带205的负载支承部分(由图1中的箭头K表示)的网状轮辐220悬挂(例如，如图3中的箭头T所示的张力)。地面接触区域中的网状轮辐220并不由于负载而经历拉伸负载——并且，例如在某些示例性实施例中，轮辐220甚至能够在地面接触区域之上在负载下弯曲。当然，随着轮201旋转，柔性带205的用作弓的特定部分连续改变，然而，弓的概念对于理解负载支承机构而言是有用的。带205的弯曲量，并且因此接触印迹的尺寸与负载成比例。带205在负载下弹性弯曲的能力提供柔性地面接触区域，该柔性地面接触区域与充气轮胎的地面接触区域类似地起作用，具有类似的有利结果。

仍然参照图2和图3，网状轮辐220是沿径向方向具有长度H、沿轴向方向具有宽度W的基本片状元件，宽度W大体对应于柔性带205的轴向宽度，但是可以使用其它的宽度W(包括沿径向方向发生变化的宽度W)。网状轮辐220还具有大体比长度H或宽度W中的任一个小得多的厚度(即与长度H和宽度W垂直的尺寸)，从而允许网状轮辐在压缩时变形或弯曲。较薄的网状轮辐将在基本不具有压缩阻力的情况下通过接触区域时弯曲，即，不向负载支承供给压缩力或仅向负载支承供给不显著的压缩力。随着网状轮辐220的厚度增大，网状轮辐可以在地面接触区域中提供一些压缩负载承载力。然而，网状轮辐220作为整体的主要负载传递动作处于张力状态(图3中的箭头T)。特定的网状轮辐厚度可以被选择成满足车辆或应用的特定要求。

优选地，如在图2和图3中可以见的，网状轮辐220跨过轴向方向A相对于柔性带205定向。因此，网状轮辐220中的张力跨过带205分布以支承负载。通过举例的方式，网状轮辐220可以由具有大约10至100MPa的拉伸模量的弹性体材料形成。如果需要，可以增强网状轮辐220。

对于图2和图3的示例性实施例而言，网状轮辐220通过径向内部安装带225相互连接，该径向内部安装带225包围毂230以将轮胎201安装至毂230。根据结构材料和制造过程，毂230、安装带225、环形带205、和网状轮辐220可以被模制成单个单元。备选地，这种部件中的一个或多个部件可以单独形成并且随后通过例如粘合剂或模制而彼此附接。此外，也可以包括其它部件。例如，接口带能够用于在其径向外端部处连接网状轮辐220，并且随后该接口带将连接至带205。

根据进一步的实施例，网状轮辐220例如能够通过在每一个网状轮辐220的内端部上提供与毂230中的槽装置相接合的放大部分、或者通过附连相邻的网状轮辐220以在形成于毂230中的钩或杆处形成环而以机械方式附接到毂230。通过具有在张力状态下有效刚度高但是在压缩状态下刚度非常低的的网状轮辐220来获得基本纯粹的拉伸负载支承。为了有利于在特定方向上弯曲，网状轮辐220可以是曲线的。备选地，网状轮辐220能够被模制成具有曲率或者通过冷却期间的热收缩而变直，以提供在特定方向上弯曲的倾向。

例如，当向轮201施加转矩时，网状轮辐220应当抵抗环形带205与毂230之间的扭转。此外，例如，当转向或转弯时，网状轮辐220应当抵抗横向偏转。如应当理解的，位于径向轴向平面(即，与径向和轴线方向两个方向对准)的网状轮辐220将对轴向指向的力具有高阻力，但是特别是如果是沿径向方向R伸长时，可以具有对沿周向方向C的转矩相对较低的阻力。

例如，对于产生相对较低转矩的某些车辆和应用而言，具有与径向方向R对准的相对较短的轮辐220的网状轮辐组将是合适的。对于期望高转矩的应用而言，例如美国专利7,013,939的图5至图8中所示的布置中的一种可能更合适。在其中所示的变型中，提供包括沿径向和周向方向两个方向的力抵抗分量的网状轮辐的取向，因此对转矩增加抵抗，同时保持径向和侧向力抵抗分量。可以根据所使用的网状轮辐的数量以及相邻网状轮辐之间的间距来选择取向的角度。还可以使用其它备选的布置。

应当理解，本发明不限于如图2中所示的轮胎201，并且相反地，可以采用多种构造。例如，轮胎201能够通过结合到橡胶层中的剪切带构成，使得例如侧壁覆盖剪切带的轴向最外侧。

如图4的局部横截面图中更具体地示出的，环形剪切带205包括定位在由弹性体材料构成的环形剪切层255内的多个分立的增强元件250。增强元件250沿轴向定向排(例如，排260、265、和270)定位。对于图4的示例性实施例而言，增强元件250沿径向方向R交织。

更具体地，现在参照图5中所示的示意图，增强元件250被布置成使得在定位于相邻的轴向定向排260、265、和270中的增强元件250的中心点之间延伸的虚拟线L(以虚线示出)将形成菱形或竖直钻石形251，该菱形或竖直钻石形251具有该菱形的特定边L之间的钝角α。此外，沿相同的轴向定向排的增强元件250(例如排265中的增强元件)将比非相邻的轴向定向排中的增强元件(例如相对于排270的排260中的增强元件)更靠近在一起。

为了清楚起见，图6和图7示出了在本申请的意义内未“交织”的增强元件250的定位。在图6和图7的例子中，增强元件250的中心分别沿菱形252或253定位。然而，如这些例子中所使用的角度α为90度并且无论沿相同还是不同的轴向定向排275、280、和285，增强元件250全都等距地间隔开。

图8提供了剪切带205的另一个示例性实施例的局部横截面图。此外，环形剪切带205包括定位在由弹性体材料构成的环形剪切层255内的多个分立的增强元件250。增强元件250沿轴向定向排(例如，排290、295、300、305、和310)定位。对于图8的示例性实施例而言，增强元件250沿轴向方向A交织。

更具体地，现在参照图9中所示的示意图，增强元件250被布置成使得在定位于相邻的轴向定向排290、295、300、305、和310中的增强元件250的中心点之间延伸的虚拟线L(以虚线示出)将形成菱形或水平钻石形254，该菱形或水平钻石形254具有该菱形254的特定边L之间的锐角α。此外，沿相邻的轴向定向排的增强元件250(例如相对于排295的排290中或者相对于排300的排295中的增强元件)将比沿相同的轴向定向排(例如排290或排295中的增强元件250)定位的增强元件更靠近在一起。

回到图4和图5的交织竖直钻石形构造，增强元件250均具有如图所示的标称直径Φ。在本发明的某些示例性实施例中，沿轴向定向排(例如，排265)定位的增强元件250之间的间距W_S处于大约Φ/2至大约Φ/10的范围内，或者为大约Φ/4。此外，在本发明的某些实施例中，定位在相邻的轴向定向排(例如，排260和265或者排265和270)中的增强元件250之间的间距处于大约Φ/2至大约Φ/10的范围内，或者为大约Φ/4。

回到图8和图9的交织水平钻石形构造，增强元件250同样均具有如图所示的标称直径Φ。增强元件250彼此分开预定距离W_S。在本发明的某些示例性实施例中，定位在相邻的轴向定向排(例如，排290和295或者排295和300)中的增强元件250之间的间距W_S处于大约Φ/2至大约Φ/10的范围内，或者为大约Φ/4。此外，在本发明的某些示例性实施例中，定位在非相邻的轴向定向排(例如，排290和300或者排295和305)中的增强元件250之间的间距处于大约Φ/2至大约Φ/10的范围内，或者为大约Φ/4。

增强元件250能够由多种材料构成。例如，增强元件255能够由金属绳索、或者由例如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或尼龙的聚合物单丝构成的绳索而构成。通过额外举例的方式，增强元件250能够由通过基本对称的工艺纤维制成的单丝外观的细长复合材料元件构成，所述纤维具有大长度并且浸渍于初始伸长模量为至少2.3GPa的热固性树脂中，其中纤维全部彼此平行。在这种实施例中，细长复合材料元件将以弹性方式变形达到至少等于2％的压缩应变。如本文中所使用的，弹性变形的意思是材料将在应力被释放时大致回到其初始状态。当细长复合元件在弯曲中变形时，其将在压缩状态下具有比延伸状态下的断裂应力更大的断裂应力，全部如美国专利No.7,032,637中所阐述的，该专利通过引用结合到本文中。通过举例的方式，纤维能够由玻璃、某些低杨氏模量的碳纤维、及其组合构成。优选地，热固性树脂具有大于130℃的玻璃态转变温度T_g。有利地，热固性树脂的初始伸长模量为至少3GPa。增强元件250还能够由PET和这种细长复合材料元件的组合构成。

此外，增强元件255能够由中空管构成，所述中空管由例如PET或尼龙的刚性聚合物制成。也可以使用其它的材料。在本发明的某些示例性实施例中，优选地，增强元件250均具有处于大约ND/200至大约ND/1000的范围内的标称直径Φ，其中ND是剪切带205(见图3)的标称直径。

这种层255能够由多种弹性体材料构成。例如，剪切层255能够由一种或多种橡胶材料、聚氨酯、及其组合构成。

如图所示地构成的剪切带205能够用于多种非充气轮胎或轮结构(包括例如本文中所阐述的那些以及其它的非充气轮胎或轮结构)。剪切带205能够允许使用将展示出低损耗角(例如，小于0.05rad)的低剪切模量(即，小于2MPa)橡胶弹性体，从而能够对剪切带205结合到其中的轮胎或轮的总体能量耗散具有直接影响，并且因此对滚动阻力具有直接影响，同时减少变形弹性材料的量。

尽管已详细地参照特定的示例性实施例及其方法对本主题进行了描述，但是本领域技术人员应当领会，当获得对上文的理解时，可以易于对这种实施例做出替代、变型、和等同形式。因此，本公开的范围通过举例而不是限制的方式，并且主题公开不排除包括如本领域普通技术人员将易于显而易见的本主题的这种改型、变型和/或增加。

Claims (21)

1.一种限定轴向、径向、和周向方向的环形剪切带，所述环形剪切带包括：

环形剪切层，所述环形剪切层由至少一种弹性体材料构成；以及

多个分立的环形增强元件，所述多个分立的环形增强元件在整个所述环形剪切层中沿多个轴向定向排定位，所述增强元件彼此分开预定距离；并且

其中所述增强元件沿所述剪切带的轴向或径向方向交织。

2.根据权利要求1所述的环形剪切带，其中所述增强元件沿轴向方向交织。

3.根据权利要求2所述的环形剪切带，其中所述增强元件均具有标称直径Φ，并且其中所述增强元件的相邻的轴向定向排彼此分开处于大约Φ/2至大约Φ/10的范围内的预定距离W_S。

4.根据权利要求3所述的环形剪切带，其中将所述增强元件的相邻的轴向定向排分开的预定距离W_S为大约Φ/4。

5.根据权利要求2所述的环形剪切带，其中所述增强元件均具有标称直径Φ，并且其中所述增强元件的非相邻的轴向定向排彼此分开处于大约Φ/2至大约Φ/10的范围内的预定距离W_S。

6.根据权利要求5所述的环形剪切带，其中将所述增强元件的非相邻的轴向定向排分开的预定距离W_S为大约Φ/4。

7.根据权利要求2所述的环形剪切带，其中所述增强元件均具有标称直径Φ，其中所述增强元件的非相邻的轴向定向排彼此分开大约Φ/4的预定距离W_S，并且其中所述增强元件的相邻的轴向定向排彼此分开大约Φ/4的预定距离W_S。

8.根据权利要求2所述的环形剪切带，所述剪切带具有标称直径ND，并且其中所述增强元件均具有处于大约ND/200至大约ND/1000的范围内的标称直径Φ。

9.根据权利要求1所述的环形剪切带，其中所述增强元件包括浸渍于热固性树脂中的金属、尼龙、PET或玻璃纤维。

10.根据权利要求1所述的环形剪切带，其中所述增强元件的相邻的轴向定向排沿轴向方向交织并且沿所述剪切带的横截面被布置成水平钻石形构造。

11.一种非充气轮，所述非充气轮包括根据权利要求10所述的环形剪切带。

12.根据权利要求1所述的环形剪切带，其中所述增强元件沿径向方向交织。

13.根据权利要求12所述的环形剪切带，其中所述增强元件均具有标称直径Φ，并且其中所述增强元件的相邻的轴向定向排彼此分开处于大约Φ/2至大约Φ/10的范围内的预定距离W_S。

14.根据权利要求13所述的环形剪切带，其中将所述增强元件的相邻的轴向定向排分开的预定距离W_S为大约Φ/4。

15.根据权利要求12所述的环形剪切带，其中沿轴向定向排，所述增强元件分开处于大约Φ/2至大约Φ/10的范围内的预定距离W_S。

16.根据权利要求15所述的环形剪切带，其中沿轴向定向排，分开相邻的所述增强元件的预定距离W_S为大约Φ/4。

17.根据权利要求12所述的环形剪切带，其中所述增强元件均具有标称直径Φ，其中所述增强元件的相邻的轴向定向排彼此分开大约Φ/4的预定距离W_S，并且其中沿所述增强元件的轴向定向排，相邻的增强元件彼此分开大约Φ/4的预定距离W_S。

18.根据权利要求12所述的环形剪切带，所述剪切带具有标称直径ND，并且其中所述增强元件均具有处于大约ND/200至大约ND/1000的范围内的标称直径Φ。

19.根据权利要求12所述的环形剪切带，其中所述增强元件的相邻的轴向定向排沿径向方向交织并且沿所述剪切带的轴向定向横截面被布置成竖直钻石形构造。

20.一种非充气轮，所述非充气轮包括根据权利要求12所述的环形剪切带。

21.一种非充气轮，所述非充气轮包括根据权利要求1所述的环形剪切带。