CN103998261B - 用于航空器轮胎的胎冠 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于飞机的轮胎，特别地涉及用于飞机的轮胎的胎冠，本发明的目的在于在胎面碎片从轮胎意外分离的情况下，减小胎面碎片的尺寸，并因此减小胎面碎片的重量，而不使用在轮胎外部的额外的装置，并因此不降低飞机的有效载荷。一种飞机轮胎(1)包括胎面(2)和胎冠增强件(8)，所述胎面(2)经由滚动表面(3)而接触地面，并径向设置于底面(6)与滚动表面(3)之间，所述胎面(2)包括与至少一个周向凹槽(5)相邻的至少两个周向肋(4)，每个周向肋(4)在底面(6)与滚动表面(3)之间径向延伸，并在滚动表面(3)中在两个隆脊(7)之间轴向延伸；所述胎冠增强件(8)径向上在底面(6)的内部。根据本发明，分离层(9)在底面(6)与胎冠增强件(8)之间径向设置于至少一个周向肋(4)的内部，在滚动表面(3)中轴向设置于所述周向肋(4)的两个隆脊(7)之间，且周向设置于轮胎(1)的圆周的至少一部分上，分离层(9)与底面(6)之间的径向距离(d1)等于至多1mm。

Description

用于航空器轮胎的胎冠
技术领域
本发明涉及一种用于飞机的轮胎，特别地涉及飞机轮胎的胎冠。
背景技术
飞机制造者持续关注乘客安全，因此持续关注降低他们的航空器的破坏风险。考虑到破坏模式，配备航空器起落架的轮胎胎面的部分或完全损失是在飞机起飞或着陆阶段过程中发生的关键破坏模式。
所述破坏模式特别地在轮胎行驶过可能偶然在跑道上存在的钝物时发生。考虑到飞机轮胎的使用的严苛条件(其特征在于高充气压力和高静载荷和高速度)，行驶过钝物的轮胎的胎面引起对胎面的损坏，这通常导致胎面的切割，并随后导致不同几何尺寸和质量的胎面碎片被抛出。
胎面碎片可随后撞击飞机的结构件，并由于所述碎片所储存的机械能(碎片抛出的质量和速度越高，则所述机械能越大)而导致明显的结构件损坏，或者可进入飞机发动机，并在这些发动机由于胎面碎片尺寸过大而不能吸收胎面碎片时导致所述发动机的操作问题。
已考虑增强飞机的结构件以承受潜在的冲击，特别是胎面碎片的潜在冲击。然而，对于相同材料，所述解决方法需要增加结构件的质量，而这不利于飞机性能，这就是为何使用越来越轻质的结构材料的原因。然而，机械加强结构件不解决抛入发动机中的碎片的问题。
也已考虑提供防止胎面碎片被抛出的保护的装置。文献WO2010012913描述了一种保护性面板，所述保护性面板的外表面包括复合材料，且所述保护性面板经由可变形构件而安装于连接至飞机结构件的支撑件上。固定至数个支撑加固构件并垂直于保护性面板的外表面的可变形构件设计用以在抛出的胎面碎片的冲击作用下弯曲。文献WO2010052447描述了一种保护飞机发动机免于抛出的轮胎胎面碎碎片的装置。所述装置包括以枢转的方式连接至飞机主起落架的保护杆，所述保护杆能够在第一和第二位置之间移动。在第一位置中，保护杆横向延伸过由轮胎和车轮组成的安装组件，以拦截胎面碎碎片的可能的路径。
另一类解决方法描述了如下装置：所述装置为了使胎面碎片的尺寸达到最小并因此使飞机的影响达到最小而打碎胎面。文献US7669798描述了破碎装置，所述破碎装置位于车轮与飞机的另一部件之间，并能够将从轮胎脱离并被抛向飞机的另一部件的少量胎面破碎成数碎片。能够切碎胎面材料的这些破碎装置(如具有刀碎片的格栅)设计为分散所述碎片。
前述保护或破碎装置具有构成额外的结构件的缺点，其额外的质量不利于飞机的有效载荷。
发明内容
因此，本发明人设定如下目的：在意外胎面分离的情况下降低胎面碎片的尺寸并因此降低胎面碎片的质量，而不使用轮胎外部的额外的装置，并因此不会不利于飞机的有效载荷。
根据本发明，该目的已由一种用于飞机的轮胎实现，所述轮胎包括：
-胎面，所述胎面旨在经由胎面表面而与地面接触，并径向设置于底面与胎面表面之间，
-所述胎面包括与至少一个周向凹槽相邻的至少两个周向肋，
-每个周向肋在所述底面与胎面表面之间径向延伸，并在所述胎面表面中在两个边缘拐角之间轴向延伸，
-胎冠增强件，所述胎冠增强件径向上在所述底面的内部，
胎面分离层设置为如下：
-在底面与胎冠增强件之间在径向上设置于至少一个周向肋的内部，
-在胎面表面中在轴向上设置于所述周向肋的两个边缘拐角之间，
-并且在周向上设置于在轮胎的圆周的至少部分上，且所述胎面分离层与底层之间的径向距离至多等于1mm。
由于轮胎具有围绕旋转轴线的旋转几何形状，轮胎的几何形状通常在含有轮胎的旋转轴线的子午平面中描述。对于给定的子午平面，径向、轴向和周向方向分别表示垂直于轮胎的旋转轴线、平行于轮胎的旋转轴线和垂直于子午平面的方向。垂直于轮胎的旋转轴线并经过轮胎的胎面表面的中央的平面称为赤道平面。
在下文中，表述“径向上”、“轴向上”和“周向上”分别意指“在径向方向上”、“在轴向方向上”和“在周向方向上”。表述“径向上在……内部或分别径向上在……外部”意指“在径向方向上比……更接近或分别更远离轮胎的旋转轴线”。表述“轴向上在……内部或分别轴向上在……外部”意指“在轴向方向上比……更接近或分别更远离子午平面”。在径向、轴向和周向方向上给定元件的各自的尺寸也表示该元件“径向厚度或高度”、“轴向宽度”和“周向长度”。
通常，轮胎包括胎冠，所述胎冠包括旨在经由胎面表面与地面接触的胎面，所述胎冠通过两个侧壁而连接至旨在与轮辋接触的两个胎圈。
所述胎面为径向上设置于径向内部底面与径向外部胎面表面(其为轮胎的磨损部件)之间的圆环形体积。
所述底面为定界最大允许磨损程度的理论表面：当磨损水平到达所述底面时，轮胎退出使用。
胎面表面旨在与地面接触。按照惯例，胎面表面的轴向宽度定义为：当崭新情况下的轮胎在竖直载荷和充气压力的组合作用下经受等于32％的径向偏转时，胎面表面的接触的轴向界限之间的轴向距离。根据定义，轮胎的径向偏转为当轮胎由未装载充气态转变为静载荷充气态时，轮胎的径向变形或径向高度的相对变化。其由如下定义：轮胎径向高度的变化与轮胎外直径和在轮辋凸缘上测得的轮辋最大直径之间的差值的一半的比例。在充气至如由例如轮胎和轮辋协会或TRA推荐的标称压力的未装载态下，在静态条件下测得轮胎的外直径。
胎面通常由从所述底面径向向外延伸的凸起元件组成，所述凸起元件由空隙分隔。在飞机轮胎的情况中，所述凸起元件通常为由称为周向凹槽的周向空隙分隔的周向肋。周向肋的特征在于其在底面与胎面表面之间的径向高度，以及其轴向宽度(即其用于接触地面的区域的轴向端部之间的距离)。举例而言，飞机轮胎的胎面可围绕子午平面对称地包括两个轴向最外肋(称为胎肩肋)、两个中间肋和在胎面中央的中央肋，所述轴向最外肋由胎面的边缘轴向限定于外部，并由周向凹槽限定于内部。
胎冠增强件为径向上在胎面的内部，并通常径向上在径向胎体增强件的外部的轮胎的增强结构件。飞机轮胎的胎冠增强件通常包括至少一个称为胎冠层的胎冠增强层。每个胎冠层由涂布于弹性体材料(即基于天然橡胶或合成橡胶的弹性体材料)中的增强元件组成，所述互相平行的增强元件与周向方向形成+20°与-20°之间的角度。在飞机轮胎中，胎冠层的增强元件通常以波状曲线周向设置。
在胎冠层中，区分工作层和保护层，所述工作层构成工作增强件，并通常由织物增强元件组成，所述保护层构成保护增强件，由金属或织物增强元件组成，并径向上设置于工作增强件的外部。工作层决定胎冠的机械行为。保护层基本上保护工作层免于可能径向上朝向轮胎内部而传播通过胎面的攻击。胎冠层，特别是工作层，通常为轴向宽层，即轴向宽度例如至少等于轮胎的最大轴向宽度的三分之二的层。轮胎的最大轴向宽度在侧壁处测得，轮胎安装于其轮辋上并略微充气(即充气至等于标称压力的10％的压力)。
对于飞机轮胎，胎体和工作层的增强元件通常为由纺织长丝组成的缆线，所述纺织长丝优选由脂族聚酰胺或芳族聚酰胺制得。保护层的增强元件可为由金属丝线组成的缆线或由纺织长丝组成的缆线。
织物增强元件的延伸机械性质，如模量、伸长和断裂力在在先调节之后测量。“在先调节”意指根据欧洲标准DIN EN20139在标准气氛(20±2℃的温度；65±2％的相对湿度)中，在测量之前储存织物增强元件至少24小时。使用1435型或1445型的ZWICK GmbH&Co(德国)拉伸测试机，以已知的方式进行测量。织物增强元件随后以200mm/min的标称速率在400mm的初始长度上进行拉伸。所有结果对10次测量进行平均。
根据本发明，胎面分离层在底面与胎冠增强件之间在径向上设置于至少一个周向肋的内部，在胎面表面中在轴向上设置于所述周向肋的两个边缘拐角之间，在周向上设置于轮胎的圆周的至少一部分上。
胎面分离层应理解为意指一种装置，所述装置有可能在意外的轮胎胎面分离时(即在也称为行驶面的胎面的意外损失的情况中)校正胎面碎片的最大尺寸。尽管并非排他地，但所述胎面分离层通常为含有互相平行的增强元件的材料。
在起飞或着陆阶段过程中，当飞机轮胎行驶过钝物时，所述物体可能切割胎面，并在一定径向厚度上引发裂纹。当所述裂纹在车轮的每次旋转的情况下在循环机械应力的作用下进入其中胎面表面与地面接触的接触斑块时，所述裂纹朝向轮胎内部径向传播直至径向最外胎冠层，然后沿着径向最外胎冠层的径向外表面轴向和周向传播，从而导致轮胎胎冠在径向最外胎冠层处被切割。在机械应力，特别是离心力的作用下，裂纹随后在轮胎的各个方位角处朝向轮胎的外部径向传播通过胎面。作为结果，以不同尺寸的碎片的形式由此切下的胎面部分，或甚至几乎整个胎面脱离轮胎，并向外抛出，并具有撞击飞机的结构件或进入发动机的风险。
在常规胎冠设计中，在胎面分离之后获得的胎面碎片具有最大径向厚度，所述最大径向厚度对应于胎面表面与径向最外胎冠层的径向外表面之间的径向距离。胎面碎片可在胎面的轴向宽度的部分或全部上轴向延伸。胎面碎片可在轮胎的周边的大部分上，或甚至在轮胎的整个周边上周向延伸。
根据本发明的胎面分离层有可能限制胎面分离之后胎面碎片的尺寸，即其径向厚度、轴向宽度和周向长度。
由于胎面分离层在底面与胎冠增强件之间在径向上设置于至少一个周向肋的内部，由钝物引起的裂纹在轴向和周向上前进之前将径向向内传播直至胎面分离层。换言之，借助阻碍裂纹的径向传播的所述胎面分离层，裂纹传播的深度更小。由于胎面分离层在径向上在胎冠增强件的外部，因此胎面碎片的最大径向厚度小于在不存在胎面分离层的情况下所获得的最大径向厚度。此外，在径向上在底面内部确保了胎面分离层在周向肋磨损时不出现，并因此限制了轮胎的磨损寿命。
此外，胎面分离层在胎面表面中轴向设置于所述周向肋的两个边缘拐角之间。换言之，每个周向肋具有其本身单独的胎面分离层，所述胎面分离层不在胎面表面中轴向延伸超过所述周向肋的边缘拐角。这意味着组成胎面的周向肋的各自的胎面分离层之间存在不连续性。作为结果，胎面分离层并非所有周向肋共有的单个装置。这有可能防止裂纹从一个周向肋轴向传播至另一个周向肋。因此，如果仅一个肋被钝物损坏，则所述肋应当是仅有的裂纹牺牲品。换言之，仅所考虑的周向肋从轮胎脱离。
最后，胎面分离层周向设置于轮胎的圆周的至少部分上。通常，尽管不必须地，胎面分离层在轮胎的整个圆周上为连续的。如果适当的话，胎面分离层可在待优化的角扇区上分布。
本发明人能够注意到，胎面分离层的存在有可能降低胎面碎片的周向长度。本发明人将此事实解释为是胎面分离层在胎面分离层的某些周向分布的点处围绕轴向方向循环挠曲的结果。换言之，胎面分离层沿着其圆周经受铰链作用，所述铰链作用可以以胎面分离层的局部断裂为结果。
重要的是注意，选择胎面分离层的材料，使得其不对胎冠的操作有任何机械贡献。其存在不改变胎冠的机械操作。
还根据本发明，胎面分离层与底面之间的径向距离至多等于1mm。该最大距离确保胎面分离层在胎面的最大磨损水平以下，且在周向肋磨损时胎面分离层不出现。同时，其确保有可能脱离的胎面碎片的最小径向厚度。
有利地，胎面分离层与胎冠增强件之间的径向距离至少等于2mm。除了确保胎面碎片的最小径向厚度之外，其通过防止裂纹传播直至胎冠增强件而保护胎冠增强件。其设置也避免了与胎冠增强件的任何机械联接，所述机械联接可能改变轮胎胎冠的机械操作。
也有利的是胎面分离层的每个轴向端部与周向肋的最接近的边缘拐角之间的轴向距离至少等于3mm。该特征有可能在周向肋的寿命过程中保护胎面分离层的轴向端部免于任何外部攻击。此外，考虑到制造公差，其有可能降低胎面分离层的轴向端部开放至周向凹槽的风险。实际上，其有可能使裂纹起始于周向肋的底部，并因此不利于周向肋的完整性。
有利地，胎面分离层在轮胎的整个圆周上周向延伸，这意味着总是有可能存在与可能径向向内传播的任何裂纹垂直的胎面分离层。对胎面的损坏实际上可在轮胎圆周上的任意点处发生。
本发明的一个优选实施方案是具有由包括互相平行的增强元件的材料组成的胎面分离层。在飞机轮胎的情况中，这实际上是最简单的技术方案。这是因为将增强元件的层径向设置于胎冠增强件的外部，并局部设置于每个周向肋的下方。增强元件的性质的选择取决于预期机械特性。
优选实施方案的第一可选择形式的特征在于，由胎面分离层的增强元件与轮胎的周向方向所形成的角度至少等于30°。机械增强元件的所述倾斜范围具有两个技术效果。首先，其限制了胎面分离层对胎冠的周向刚性的贡献，并避免了胎冠的明显环箍。此外，由于增强元件相对于周向方向相对倾斜，因此它们的长度相对有限。由于裂纹具有优选沿着增强元件传播的倾向，因此裂化距离相对有限，且这限制了胎面碎片的周向长度。
还更有利地，由胎面分离层的增强元件与轮胎的周向方向所形成的角度至少等于45°。在此情况中，前述技术效果甚至更显著。
本发明的优选实施方案的另一可选择形式是使胎面分离层的增强元件由至少一种织物材料组成。相对于金属材料，织物材料具有如下优点：不具有过高的断裂力，这有利于在前述胎面分离过程中所述增强元件的容易断裂。它们的弹性模量也足够低，从而使胎面分离层对胎冠的机械操作的机械贡献达到最小。
胎面分离层的增强元件有利地由至少一种脂族聚酰胺组成，脂族聚酰胺的机械性质特别好地适于所需效果：增强元件易于断裂，以及低的对胎冠刚性的贡献。
一个特别有利的可选择形式是使胎面分离层的增强元件由尼龙组成，尼龙为一种通常在飞机轮胎中用于胎体或胎冠层的增强元件的材料。
附图说明
借助图1至4，将更好地理解本发明的特征和其他优点：
-图1：通过根据本发明的轮胎胎冠的子午截面，
-图2：在周向肋的区域中通过轮胎胎冠的一部分的子午截面，
-图3：在周向肋的区域中的胎面分离层的平面图，
-图4：显示了胎面碎片的质量随胎面碎片的数量而变化的图。
为了使本发明更易于理解，图1至3未按比例绘制，并且为简化表示。
具体实施方式
图1显示了通过轮胎1的胎冠的子午截面，即在子午平面(YY’，ZZ’)中的截面，其中方向YY’和ZZ’分别为轴向方向和径向方向。方向XX’(未表示)为周向方向。平面(XX’，ZZ’)为赤道平面。
图1显示了用于飞机的轮胎1，其包括旨在经由胎面表面3而与地面接触的胎面2，所述胎面2径向设置于底面6与胎面表面3之间。胎面2包括至少5个周向肋4，在此情况中，所述周向肋4与至少一个周向凹槽5相邻。每个周向肋4在底面6与胎面表面3之间径向延伸，并在胎面表面3中在两个边缘拐角7之间轴向延伸。轴向最外胎肩周向肋通过边缘拐角在轴向上限界在内部，并通过胎面表面的地面接触区域的轴向界限在轴向上限界在外部，所述胎面表面的地面接触区域的轴向界限由经受32％的径向偏转的新轮胎的惯例进行定义。轮胎1也包括径向上在底面6的内部的胎冠增强件8，所述胎冠增强件8由胎冠层组成。
根据本发明的胎面分离层9在底面6与胎冠增强件8之间在径向上设置于每个周向肋4的内部，在胎面表面3中在轴向上设置于所述周向肋4的两个边缘拐角7之间，且周向上设置于轮胎1的整个圆周(未显示)。胎面分离层9径向设置于距离底面6的距离d1处。
图2显示了通过周向肋4的子午截面，所述周向肋4在底面6与胎面表面3之间径向延伸，并在位于胎面表面3中的两个边缘拐角7之间轴向延伸。周向肋4与两个周向凹槽5相邻。胎面分离层9径向设置于胎冠增强件8的径向外部胎冠层的外部，并径向设置于底面6的内部。胎面分离层9设置于距离底面6的径向距离d1处和距离胎冠增强件8的径向距离d2处。胎面分离层9的每个轴向端部10设置于距离周向肋4的最接近的边缘拐角7的轴向距离a处。
图3为由材料11组成的胎面分离层9的平面图，所述材料11包括互相平行的增强元件12。胎面分离层9的增强元件12与周向方向XX’形成角度i。
图4的图显示了在源于由钝物所导致的对胎面的损坏的胎面分离之后所获得的胎面碎片的质量分布随碎片的数量的变化。显示了不具有胎面分离层的对比设计的分布R和具有胎面分离层的根据本发明的设计的分布I。
本发明人已进行根据优选实施方案的本发明，其中胎面分离层径向上在每个周向肋的内部，并在用于尺寸为46x17R20的飞机轮胎的轮胎的整个圆周上分布，所述轮胎的特征在于15.9巴的标称压力、20473daN的标称静载荷和225km/h的参考速度。
在所研究的轮胎中，胎冠增强件包括7个工作层，所述7个工作层包括由杂化材料制得的增强元件，所述杂化材料组合芳纶型脂族聚酰胺和尼龙型芳族聚酰胺，所述增强元件与周向方向形成0°至12°之间的可变角度。胎冠增强件径向上在工作层的外部包括保护层，所述保护层包括基本上周向的金属增强元件。胎肩、中间和中央周向肋的各自的胎面分离层具有34mm、34mm和80mm的分别的轴向宽度。这些胎面分离层径向设置于底面处，并径向设置于在距离径向最外胎冠层(在此情况中为保护层)3mm处的外部。每个胎面分离层包括与周向方向形成45°角度的由尼龙制得的增强元件。所用的尼龙具有15daN的撕裂力。
在对比设计的情况中，胎面碎片的质量为0.1kg至3.5kg之间，而在根据本发明的设计中，胎面碎片的质量为0.1kg至0.8kg之间。
本发明可推广至各种类型的胎面分离层，例如但不排他地，织造织物型或均质碎片材型的胎面分离层，或胎面分离层的叠置。
为了进一步控制胎面碎片的最大尺寸，可能有利的是在至多等于周向肋的径向高度的径向厚度上在周向肋的边缘拐角中产生腔体，所述腔体以一定间隔周向分布，所述间隔需要根据胎面碎片的目标最大周向长度而进行优化。就这些腔体允许胎面的径向厚度的局部降低而言，这些腔体构成胎面的优先切割的区域，从而在它们经过接触区域时促进铰链作用，并促进从胎面分离层径向向外传播的裂纹的出现。

Claims (10)

1.用于飞机的轮胎(1)，其包括：
-胎面(2)，所述胎面(2)旨在经由胎面表面(3)而与地面接触，并径向设置于底面(6)与胎面表面(3)之间，
-所述胎面(2)包括与至少一个周向凹槽(5)相邻的至少两个周向肋(4)，
-每个周向肋(4)在所述底面(6)与胎面表面(3)之间径向延伸，并在所述胎面表面(3)中在两个边缘拐角(7)之间轴向延伸，
-胎冠增强件(8)，所述胎冠增强件(8)径向上在所述底面(6)的内部，
其特征在于，胎面分离层(9)如下设置：
-在所述底面(6)与所述胎冠增强件(8)之间在径向上设置于至少一个周向肋(4)的内部，
-在胎面表面(3)中在轴向上设置于所述周向肋(4)的两个边缘拐角(7)之间，
-并且在周向上设置于轮胎(1)的圆周的至少部分上，
且特征在于，胎面分离层(9)与底面(6)之间的径向距离(d1)至多等于1mm。
2.根据权利要求1所述的用于飞机的轮胎(1)，其特征在于，胎面分离层(9)与胎冠增强件(8)之间的径向距离(d2)至少等于2mm。
3.根据权利要求1和2中的一项所述的用于飞机的轮胎(1)，其特征在于，胎面分离层(9)的每个轴向端部(10)与周向肋(4)的最接近的边缘拐角(7)之间的轴向距离(a)至少等于3mm。
4.根据权利要求1所述的用于飞机的轮胎(1)，其特征在于，胎面分离层(9)在轮胎(1)的整个圆周上周向延伸。
5.根据权利要求1所述的用于飞机的轮胎(1)，其特征在于，胎面分离层(9)由包括互相平行的增强元件(12)的材料(11)组成。
6.根据权利要求5所述的用于飞机的轮胎(1)，其特征在于，由胎面分离层(9)的增强元件(12)与轮胎(1)的周向方向(XX’)所形成的角度(i)至少等于30°。
7.根据权利要求5所述的用于飞机的轮胎(1)，其特征在于，由胎面分离层(9)的增强元件(12)与轮胎(1)的周向方向(XX’)所形成的角度(i)至少等于45°。
8.根据权利要求5所述的用于飞机的轮胎(1)，其特征在于，胎面分离层(9)的增强元件(12)由至少一种织物材料组成。
9.根据权利要求5所述的用于飞机的轮胎(1)，其特征在于，胎面分离层(9)的增强元件(12)由至少一种脂族聚酰胺组成。
10.根据权利要求5所述的用于飞机的轮胎(1)，其特征在于，胎面分离层(9)的增强元件(12)由尼龙组成。
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